KR20150039718A - 스마트 그리드 시스템 및 이에 있어서 자원 분배 방법 - Google Patents

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홍승호
울하크안와르
우맹맹
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한양대학교 에리카산학협력단
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Abstract

스마트 그리드 시스템 및 이에 있어서 자원 분배 방법이 개시된다. 상기 스마트 그리드 시스템은 적어도 하나의 non-shiftable 디바이스, 하나 이상의 controllable 디바이스 및 적어도 하나의 shiftable 디바이스를 포함한다. 여기서, 가격 데이터는 스테이지별로 제공되며, 상기 non-shiftable 디바이스에는 요구되는 자원량이 필수적으로 제공되고, 상기 controllable 디바이스에는 요구되는 자원량 범위 내의 자원이 제공되며, 상기 shiftable 디바이스에는 명목상 요구되는 자원량이 있으나 자원 가격이 제일 비싼 스테이지에서는 shiftable 디바이스에 자원이 제공되지 않는다.

Description

스마트 그리드 시스템 및 이에 있어서 자원 분배 방법{SMART GRID SYSTEM AND METHOD OF DISTRIBUTING RESOURCES IN THE SAME}
본 발명은 스마트 그리드 시스템 및 이에 있어서 자원 분배 방법에 관한 것이다.
최근, 스마트 그리드 기술은 많은 국가에서 차세대 핵심 사업으로 선정되고, 활발히 연구되어지고 있다. 스마트 그리드 시스템은 전력 절감을 목표로 하고 있으며, 전력 절감을 위하여 일반적으로 한국공개특허공보 제2012-0097551호 등에서 보여지는 바와 같이 특정 디바이스를 온/오프(on/off)시키는 방법을 사용하고 있다. 그러나, 기존 스마트 그리드 시스템은 공급되는 에너지를 효율적으로 사용하기 위하여 에너지를 분배하는 적절한 방식을 제시하지 못하고 있다.
또한, 현재 정전 사고가 자주 발생하고 있는데, 이는 특정 시간대에 다수의 사람들이 에너지를 많이 사용하고 있기 때문이다. 따라서, 이러한 시간대에 사람들의 에너지 사용을 줄일 수 있는 방법이 필요하나, 현재 존재하지 않는다.
본 발명은 비용을 감소시키면서 자원 사용 효율을 최대화할 수 있는 스마트 그리드 시스템 및 이에 있어서 자원 분배 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 그리드 시스템에서 자원 분배 방법은 자원 사용 관리 기기가 자원의 가격 데이터에 기초하여 이용 가능 자원을 결정하는 단계; 특정 스테이지에서 상기 자원 사용 관리 기기가 우선 순위 및 비용을 고려하여 자원 분배 전략들 중 하나를 선택하는 단계; 및상기 자원 사용 관리 기기가 상기 선택된 자원 분배 전략에 따라 상기 이용 가능 자원을 디바이스들 중 적어도 하나의 디바이스로 다르게 분배하도록 설정하는 단계를를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 스마트 그리드 시스템에서 자원 분배 방법은 자원 사용 관리 기기는 히스토리 데이터를 기초로 하여 디바이스별로 예약 자원을 결정하는 단계; 상기 자원 사용 관리 기기는 상기 결정된 예약 자원과 해당 디바이스에서 요구하는 자원을 비교하는 단계; 상기 자원 사용 관리 기기는 상기 비교 결과에 따라 상기 결정된 예약 자원이 상기 요구하는 자원보다 큰 경우 잉여 자원을 가지는 S-디바이스로 분류하고, 상기 결정된 예약 자원이 상기 요구하는 자원보다 작은 경우 자원이 부족한 D-디바이스로 분류하는 단계; 및 상기 자원 사용 관리 기기는 상기 S-디바이스들의 잉여 자원을 상기 D-디바이스들로 제공하는 바게닝(bargaining) 과정을 수행하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 바게닝 과정은 상기 자원 바게닝 유닛 단위로 하여 상기 디바이스들로 잉여 자원을 분배하도록 설정한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스마트 그리드 시스템에서 자원 분배 방법은 자원 사용 관리 기기가 스테이지에서의 자원의 가격 데이터에 기초하여 이용 가능한 자원을 결정하는 단계; 상기 자원 사용 관리 기기가 미리 설정된 자원 분배 전략들 중 하나를 선택하는 단계; 및 상기 선택된 자원 분배 전략에 따라 상기 결정된 자원들을 디바이스들로 분배하도록 결정하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 가격 데이터는 스테이지별로 제공되며, 상기 자원 사용 관리 기기는 특정 스테이지에서 상기 자원 분배 전략들을 자원 소비 만족도 측면에서 점수화하며, 상기 자원 분배 전략들 중 가장 점수가 높은 자원 분배 전략을 해당 스테이지에 적용될 전략으로 선택한다.
본 발명에 따른 스마트 그리드 시스템 및 이에 있어서 자원 분배 방법은 유틸리티로부터 공급되는 자원(에너지)을 디바이스들 특성에 맞춰서 적절히 분배하고 자원이 남는 디바이스의 잉여를 자원이 부족한 디바이스로 제공하므로, 자원 사용 효율을 최적화시킬 수 있다.
또한, 상기 스마트 그리드 시스템은 가격이 비싼 스테이지에서는 필수적으로 동작하지 않아도 되는 shiftable 디바이스로 자원을 공급하지 않고 가격이 저렴한 스테이지에서 shiftable 디바이스로 자원을 공급하며, 따라서 자원 사용에 따른 비용이 절감될 수 있다. 유틸리티 측면에서는 사람들이 자원을 많이 소비하는 시간 대에서 사람들의 자원 소비를 감소시킬 수 있으므로, 유틸리티의 부하가 감소할 수 있으며, 그 결과 정전 현상 등이 방지될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 그리드 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스마트 그리드 시스템에서의 자원 분배 과정을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스마트 그리드 시스템에서의 자원 분배 과정을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 스마트 그리드 시스템에서의 자원 분배 과정을 도시한 순서도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 스마트 그리드 시스템에서의 자원 분배 과정을 도시한 순서도들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자원 사용 관리 기기를 도시한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 인터페이스 기기를 도시한 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간당 가격 데이터의 그래프를 도시한 도면이다.
도 10 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전략들에 따른 실험 결과들을 도시한 도면들이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 스테이지에서의 최적의 전략을 선정한 결과를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시에에 따른 비용의 실험 결과를 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 자세히 설명하도록 한다.
본 발명은 비용을 감소시키면서 에너지 효율을 극대화할 수 있는 스마트 그리드 시스템(Smart grid system)을 제안한다. 즉, 상기 스마트 그리드 시스템은 빌딩, 홈 등의 스마트 그리드 환경에서 비용을 최소화하면서 전력(이하, "자원(resource)"이라 함) 사용 효율을 최대화하는 방법을 제시한다. 스마트 그리드 시스템에서, 자원의 가격(price)은 기설정 시간 단위, 예를 들어 30분 또는 1시간 단위로 가변될 수 있으며, 따라서 자원 가격이 비쌀 때는 자원의 사용을 줄이고 자원 가격이 저렴할 때는 자원 사용을 늘려서 비용을 절감시키고 자원 사용의 효율을 최대화하는 것이 중요하다.
다만, 스마트 그리드 환경에서 특정 디바이스(device)는 가격과 상관없이 항상 자신이 요구하는 자원을 소비하여야 하는 반면에 소정 디바이스는 요구 자원을 모두 소비하지 않아도 되거나 다른 시간대에 자원을 소비하여도 된다. 따라서, 본 발명의 스마트 그리드 시스템은 스마트 그리드 환경, 예를 들어 빌딩 등의 특징, 디바이스별 특징 등을 고려하여 자원을 적절히 배분시킬 수 있다.
또한, 디바이스별로 요구하는 자원량과 실제 소비하는 자원량이 다를 수 있으므로, 본 발명의 스마트 그리드 시스템은 예를 들어 예약된 자원량보다 요구하는 자원량이 작은 디바이스(이하, "잉여 디바이스(surplus device, S-device)"라고 함)의 잉여 자원량을 예약된 자원량보다 요구하는 자원량이 더 큰 디바이스(이하, "부족 디바이스(deficiency device, D-device)"라고 함)로 바게닝(bargaining)하는 동작을 수행한다. 결과적으로, 동일한 자원이 빌딩 등에 공급되더라도 자원의 낭비없이 자원의 활용을 극대화할 수 있다.
게다가, 스마트 그리드 환경에서 가격이 일정 주기로 변화되므로, 가격이 변화될 때마다(이하, "스테이지(stage)라 함") 적절한 전략을 수립하는 것이 중요하다. 따라서, 본 발명의 스마트 그리드 시스템은 스테이지별로 전략을 수립한다. 일 예로, 본 발명의 스마트 그리드 시스템은 복수의 전략들을 미리 설정하고, 각 단계별로 상기 전략들 중 적절한 전략을 선택하는 방법을 사용하여 시간 효율을 최대화할 수 있다. 특히, 상기 선택된 전략은 해당 스테이지에서 디바이스들의 자원 사용 만족을 최대화할 수 있는 전략일 수 있다.
위와 같이 구현하면, 자원 활용이 최대화되면서도 사용자가 지불하는 금액이 감소할 수 있으며, 자원 사용이 필수적인 디바이스에는 항상 요구하는 자원을 공급해주므로 디바이스 동작 효율도 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 스마트 그리드 시스템의 특징들을 첨부된 도면들을 참조하여 상술하겠다.
우선, 본 발명은 디바이스들을 3가지 클래스들로 분류하였다. 구체적으로는, 상기 디바이스들은 자원 가격과 관계없이 항상 자원을 소비하여야 하는 non-shiftable 디바이스, 자원 소비는 필요하지만 소비할 자원량의 조절이 가능한 controllable 디바이스 및 자원 가격이 비싼 피크 시간대를 피하고 가격이 저렴한 시간대에 사용하여도 충분한 shiftable 디바이스로 분류하였다. 예를 들어, non-shiftable 디바이스는 사무소 내의 컴퓨터, 경고 시스템, 홈 내의 냉장고 등일 수 있고, controllable 디바이스는 디밍(dimming) 조절이 가능한 조명, HVAC 유닛 등일 수 있으며, shiftable 디바이스는 식기 세척기, 전기 자동차 플러그-인(plug in) 등일 수 있다. 물론, 상기 디바이스들은 다르게 분류될 수도 있으며, 이러한 분류의 변형이 본 발명의 권리범위에 속한다는 것은 당업자에게 있어서 자명한 사실일 것이다.
우선 측면(priority view)에서는, non-shiftable 디바이스, controllabel 디바이스 및 shiftable 디바이스 순으로 높은 우선 순위를 가질 수 있다. 예를 들어, 자원 분배시 non-shiftable 디바이스에 대하여 최우선 권한이 부여될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 그리드 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 스마트 그리드 시스템은 자원(에너지)을 공급하는 유틸리티 측(utility side)과 자원을 소비하고 비용을 지불하는 소비자 측(customer side)으로 분리될 수 있으며, 유틸리티는 단위 가격 정보(Unit price data)를 소비자 측의 인터페이스 기기(100)로 제공되며, 소비자 측의 다양한 디바이스들의 자원 소비 정보를 가지는 소비 데이터(Consumption data)는 인터페이스 기기(100)가 유틸리티로 전송한다.
인터페이스 기기(100)는 유틸리티로부터 제공되는 단위 가격 정보를 기초로 하여 예를 들어 빌딩 내의 디바이스들의 자원 소비를 개별적으로 관리하는 역할을 수행하고, 소비 데이터를 유틸리티로 제공할 수 있다. 예를 들어, 인터페이스 기기(100)는 소비자 측에 위치하는 ESI(energy service interface)일 수 있다. 상기 소비 데이터는 스테이지별로 미러링(metering)에 의해 각 디바이스들로부터 수집될 수 있으며, 인터페이스 기기(100)를 통하여 유틸리티로 전달된다. 따라서, 유틸리티는 상기 소비 데이터를 기초로 하여 소비자의 현재 자원 사용량을 확인할 수 있고, 미래 자원 사용량을 예측할 수 있다. 한편, 상기 소비 데이터는 각 디바이스에 의해 소비될 자원량을 추정할 수 있도록 자원 사용 관리 기기(102)로 전송될 수 있다.
자원 사용 관리 기기(102)는 가격 데이터, 소비 데이터, 히스토리 데이터(history data) 등을 통하여 자원의 효율적 사용을 위한 자원 분배, 바게닝 동작, 전략 수립 등의 동작을 전반적으로 제어할 수 있으며, 소비자 측에 위치하면서 인터페이스 기기(100)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 자원 사용 관리 기기(102)는 ESR(Energy system regulator)일 수 있다. 상기 히스토리 데이터는 매일 또는 시간 단위로 소비 데이터로부터 획득될 수 있으며, 각 디바이스들의 자원 사용량에 대한 정보를 가질 수 있다. 이러한 히스토리 데이터는 자원 사용 관리 기기(102)에 저장되거나 예를 들어 별도의 에너지 관리 시스템(energy management system, EMS)에 저장될 수도 있다.
자원 사용 관리 기기(102)는 단위 가격 데이터, 소비 데이터, 히스토리 데이터, 우선 순위 정보, 허용 가능한 비용(available budget), 디바이스 정보, 전략들 등을 관리할 수 있다. 허용 가능한 비용은 사용자의 필요성에 따라 매달, 매일 또는 매시간 단위로 설정될 수 있으며, 따라서 사용자는 허용 가능한 비용 내에서 자원을 소비할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 자원 사용 관리 기기(102)는 디바이스들을 non-shiftable 디바이스, controllable 디바이스 및 shiftable 디바이스들로 분류할 수 있다. non-shiftable 디바이스를 위한 자원량은 고정된 값일 수 있고, controllable 디바이스를 위한 자원량은 일정 범위 내에서 가변될 수 있으며, shiftable 디바이스를 위한 자원량은 명목상으로는 설정되지만 보장되지는 않을 수 있다. 후술하는 바게닝 과정에서도, non-shiftable 디바이스는 그의 요구 자원을 항상 수신하는 반면에, shiftable 디바이스는 자원 요구량을 선언하지만 보장되지는 않을 수 있다. controllable 디바이스는 자원 요구 최대값 및 최소값을 가지며, 최소값에 해당하는 자원은 보장될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 자원 사용 관리 기기(102)는 각 디바이스들에 대하여 자원 사용의 우선 순위를 부여하며, 예를 들어 non-shiftable 디바이스, controllable 디바이스 및 shiftable 디바이스 순서로 우선 순위를 부여할 수 있으며, 우선 순위에 따라 자원을 분배할 수 있다. 여기서, 우선 순위는 각 디바이스의 특징, 중요성, 스테이지 등에 따라 결정될 수 있다. 물론, 우선 순위는 동일한 디바이스이더라도 사용자별로 다르게 설정될 수 있거나, 스테이지별로 달라질 수도 있다. 또한, 사용자가 상기 우선 순위를 임의로 변경할 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 자원 사용 관리 기기(102)는 수신된 단위 가격 데이터 에 따라 디바이스들로 분배될 허용 가능한 자원을 계산하고, 각 디바이스들로 자원을 임시적으로 할당하며, 디바이스들의 자원 소비 히스토리를 기초로 S-디바이스와 D-디바이스를 결정하고, S-디바이스의 잉여 자원을 D-디바이스로 재분배할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 자원 사용 관리 기기(102)는 자원 가격이 비싼 피크 스테이지(peak stage)에서는 shiftable 디바이스들에 대하여 자원을 분배하지 않고 자원 가격이 낮은 스테이지에서는 shiftable 디바이스들로 자원을 제공할 수 있다. 결과적으로, 피크 스테이지에서의 자원 소비를 감소시켜 전체 비용을 감소시킬 수 있다. 유틸리티 측면에서는, 자원 가격이 높은 것은 많은 사람들이 해당 스테이지에서 자원을 상당히 사용하고 있다는 것을 의미하므로, 이러한 스테이지에서는 정전 현상 등을 방지하기 위하여 자원 소비를 감소시키는 것이 중요하며, 본 발명의 스마트 그리드 시스템은 위의 방법을 통하여 자원 소비를 감소시켜 유틸리티의 부하를 감소시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 자원 사용 관리 기기(102)는 기설정된 전략들을 포함하며, 스테이지별로 전략들 중 하나를 선택하여 적용할 수 있다. 상기 선택된 전략은 해당 스테이지에서 디바이스들의 자원 소비 만족도를 최대로 하는 전략이며, 상기 전략의 선택은 스테이지별로 전략들을 점수화함에 의해 실현될 수 있다.
이하, 본 발명의 스마트 그리드 시스템의 구체적인 동작들을 살펴보겠다. 다만, 설명의 편의를 위하여 인터페이스 기기(100)는 ESI로 가정하고, 자원 사용 관리 기기(102)는 ESR로 가정하겠다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스마트 그리드 시스템에서의 자원 분배 과정을 도시한 순서도이다.
도 2를 참조하면, ESR(102)은 예를 들어 빌딩 내의 디바이스들을 non-shiftable 디바이스, controllable 디바이스 및 shiftable 다비이스로 분류한다(S200). 이러한 분류는 디바이스들의 특징, 빌딩 등의 특성 등을 고려하여 결정될 수 있다.
이어서, ESR(102)은 유틸리티로부터 제공된 단위 가격 데이터에 따라 이용 가능한 자원을 산출한다(S202). 구체적으로는, ESR(102)은 현재 스테이지에서 이용 가능한 자원을 산출하며, 이는 가격 데이터 및 허용 가능한 비용을 고려하여 산출된다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하겠다.
계속하여, ESR(204)은 디바이스별로 자원이 분배되도록 제어한다(S204). 구체적으로는, ESR(204)은 non-shiftable 디바이스에 대하여는 요구되는 자원량에 해당하는 자원이 모두 제공되도록 제어하고, controllable 디바이스에 대하여는 요구되는 자원량의 범위 내의 자원이 제공되도록 제어하며, shiftable 디바이스에 대하여는 가격이 높은 피크 스테이지에서는 요구되는 자원을 제공하지 않거나 적게 제공하도록 제어하고 가격이 낮은 스테이지에서 요구되는 자원을 제공하도록 제어한다. 또한, ESR(204)은 자원이 충분하지 않을 때에는 우선 순위에 따라 non-shiftable 디바이스에 우선적으로 자원을 제공하고, 남은 자원이 있을 때는 우선 순위에 따라 controllable 디바이스 및 shiftable 디바이스에 차례로 제공되도록 제어할 수 있다.
정리하면, 본 실시예의 스마트 그리드 시스템은 디바이스들을 3가지 클래스들로 분류하고, 분류된 다바이스별로 우선 순위를 부여하며, 상기 우선 순위에 따라 자원을 분배하도록 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스마트 그리드 시스템에서의 자원 분배 과정을 도시한 순서도이다.
도 3을 참조하면, ESI(100)는 히스토리 데이터를 기초로 하여 디바이스들을 위한 자원을 예약한다(S300). 다만, ESI(100)는 예약된 자원량 그대로 디바이스들로 자원을 분배하지는 않을 수 있다.
이어서, ESR(102)은 디바이스별로 자원 잉여/부족을 계산한다(S302). 구체적으로는, ESR(102)은 각 디바이스별로 예약된 자원량과 디바이스에 의해 요구되는 자원량의 차이를 계산하며, 예약된 자원량이 요구되는 자원량보다 큰 S-디바이스이면 잉여로 판단하고, 예약된 자원량이 요구되는 자원량보다 작은 D-디바이스이면 부족으로 판단한다.
계속하여, ESR(102)은 잉여 자원을 바게닝한다(S304). 구체적으로는, ESR(102)은 S-디바이스의 잉여 자원을 D-디바이스로 제공하도록 제어한다. 물론, ESR(102)은 잉여 자원을 자원이 부족한 non-shiftable D-디바이스로 우선적으로 제공할 수 있다.
정리하면, 본 실시예의 스마트 그리드 시스템은 S-디바이스의 잉여 자원을 D-디바이스로 분배하므로, S-디바이스에서의 불필요한 자원 소비를 방지할 수 있고 D-디바이스를 정상적으로 동작시킬 수 있다. 결과적으로, 자원 사용의 낭비없이 자원 사용 효율성이 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 스마트 그리드 시스템에서의 자원 분배 과정을 도시한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 1일 알고리즘이 시작된다(S400). 예를 들어, 오전 0시가 되면 자원 분배를 위한 알고리즘이 시작될 수 있다.
구체적으로는, ESR(102)은 1일에서 첫 스테이지인 제 1 스테이지에서 기설정된 전략들 중 최적의 전략을 선택한다(S402). 상기 최적의 전략은 제 1 스테이지에서 자원 사용 효율을 극대화할 수 있는 전략, 즉 디바이스들의 자원 사용 만족도가 가장 높은 전략일 수 있다. 예를 들어, ESR(102)은 해당 스테이지에서 전략들을 점수화하고 가장 높은 점수를 가지는 전략을 선택할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, ESR(102)은 기설정된 전략들 각각에 대하여 후술하는 바와 같이 디바이스의 만족도를 표시하는 양적 지표인 바게닝 유틸리티(Bargaining Utility)를 계산하고, 상기 계산된 바게닝 유틸리티들을 비교하여 최적의 바게닝 유틸리티, 예를 들어 가장 큰 값을 가지는 바게닝 유틸리티를 선택하며, 상기 선택된 바게닝 유틸리티를 가지는 전략(최적의 전략)을 상기 제 1 스테이지에서의 전략으로 선택할 수 있다. 여기서, 상기 기설정된 전략들은 모든 스테이지들에서 동일할 수도 있고, 일부 스테이지에서 다르게 설정될 수도 있다. 또한, 상기 기설정된 전략들 중 최적화된 전략을 선택할 수 있는 지표인 한 바게닝 유틸리티 외에 다른 지표도 사용될 수도 있다.
이어서, ESR(102)은 상기 선택된 전략을 적용하며, 즉 상기 선택된 전략에 따라 허용 가능한 자원이 디바이스들로 분배되도록 제어한다(S404).
제 1 스테이지가 완료되고 제 2 스테이지가 시작되면, ESR(102)은 기설정된 전략들 중 최적의 전략을 선택한다(S406).
본 발명의 일 실시예에 따르면, ESR(102)은 기설정된 전략들 각각에 대하여 바게닝 유틸리티를 계산하고, 상기 계산된 바게닝 유틸리티들 중 최적의 바게닝 유틸리티를 선택하며, 상기 선택된 바게닝 유틸리티를 가지는 전략(최적의 전략)을 상기 제 2 스테이지에서의 전략으로 선택할 수 있다.
계속하여, ESR(102)은 상기 선택된 전략을 적용하며, 즉 상기 선택된 전략에 따라 허용 가능한 자원이 디바이스들로 분배되도록 제어한다(S408).
이어서, ESR(102)은 위와 같은 방식을 통하여 1일 마지막 스테이지까지 유사한 과정을 반복적으로 수행한다. 구체적으로는, ESR(102)은 1일 마지막 스테이지에서 바게닝 유틸리티들을 비교하여 최적의 전략을 선택하여 적용할 때(S410 및 S412)까지 위의 과정을 반복한다. 예를 들어, 스테이지들이 1시간 단위로 설정되는 경우 1일은 24 스테이지들로 분할될 수 있다. 따라서, 1일 동안 제 1 스테이지에서 제 24 스테이지까지 최적의 전략을 선택하여 적용하는 과정이 수행되며, 즉 각 스테이지마다 최적의 전략이 선택되어 적용되는 과정이 반복적으로 수행된다. 한편,상기 스테이지들은 1일 단위가 아닌 다른 단위로 분할될 수도 있다.
계속하여, 다음날이 되면, 예를 들어 다음날 오전 0시가 되면, 단계 S400 내지 단계 S412가 다시 수행된다. 예를 들어, 제 1 스테이지로부터 제 24 스테이지까지 최적의 전략이 선택되어 적용되는 과정이 반복된다.
이러한 과정은 매일 단위로 반복적으로 수행될 수 있으며, 즉 무한 반복될 수 있다.
정리하면, 본 실시예의 스마트 그리드 시스템은 전략들을 미리 설정하고, 각 스테이지에서 상기 기설정된 전략들 중 최적의 전략을 선택하여 적용하며, 최적의 전략의 선택하고 적용하는 과정이 스테이지 단위로 무한 반복 수행될 수 있다. 따라서, 전략의 효율성이 향상될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 스마트 그리드 시스템에서의 자원 분배 과정을 도시한 순서도들이다. 설명의 편의를 위하여 스테이지는 시간 단위로 가정한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, ESR(102)은 j 스테이지에서의 각 디바이스를 위한 이용 가능한 자원(
Figure pat00001
) 및 기준 자원(
Figure pat00002
)을 결정한다(S500). 구체적으로는, ESR(102)은 유틸리티로부터 가격 데이터를 수신하고, 상기 가격 데이터에 따라 각 스테이지에서의 비용을 결정하며, 아래의 수학식 1을 통하여 이용 가능한 자원(
Figure pat00003
) 을 계산한다.
Figure pat00004
유틸리티가 이전 단계들 동안 수집된 소비 데이터를 기초로 하여 단위 레이트를 예상하므로, 상기 단위 가격 데이터는 스테이지별로 달라질 수 있다. 따라서, 수학식 1에 따라 스테이지별로 이용 가능한 자원(
Figure pat00005
) 이 다를 수 있다.
j 스테이지에서 i 디바이스를 위한 기준 자원(
Figure pat00006
)은 각 디바이스별 각 스테이지에서의 자원 요구량을 추정하기 위하여 이용되며, 일반적으로는 각 디바이스의 자원 사용량이 매일 크게 변동되지는 않기 때문에 예를 들어 히스토리 데이터를 기초로 하여 산출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, ESR(102)은 선형 예측 모델(linear prediction model)을 사용하여 기준 자원(
Figure pat00007
)을 계산할 수 있으며, 기준 자원(
Figure pat00008
)은 아래의 수학식 2와 같다.
Figure pat00009
여기서,
Figure pat00010
는 이전 m 날들을 기초로 계산된 j 스테이지에서의 i 디바이스의 기준 자원을 의미하며,
Figure pat00011
(
Figure pat00012
)은 상기 모델의 변수를 나타내며 스마트 그리드 환경, 예를 들어 빌딩의 특성 또는 복합(complex)에 따라 ESR(102)에 의해 결정될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 기준 자원들은 매일 및 매주 분리적으로 계산될 수 있다.
이어서,상기 계산된 기준 자원들(
Figure pat00013
)을 이용하여 허용 가능한 자원의 총량을 계산한 후에, ESI(100)는 디바이스별 예약 자원(
Figure pat00014
)을 예약한다(S502). 일 실시예에 따르면, ESI(100)는 아래의 수학식 3에 따라 예약 자원(
Figure pat00015
)을 계산할 수 있다.
Figure pat00016
위 수학식 3과 같이 예약 자원 계산시 기준 자원을 이용하는 것은 후술하는 바게닝 과정 동안 거래(Transaction)의 수를 감소시키기 위한 것이다.
계속하여, ESR(102)은 디바이스별 자원의 잉여/부족(
Figure pat00017
) 및 총 잉여(
Figure pat00018
)를 계산한다(S504). 구체적으로는, ESR(102)은 아래의 수학식 4와 같이 예약된 자원과 요구되는 자원(
Figure pat00019
)의 차를 통하여 잉여/부족을 판단한다.
Figure pat00020
여기서, 요구되는 자원은 non-shiftable 디바이스를 위해서는 고정된 값이며, controllable 디바이스를 위해서는 최소 요구 자원값이며, shiftable 디바이스를 위해서는 특정되지 않는다.
수학식 4에 따라, 각 디바이스들은 잉여 자원을 가지는 S-디바이스와 자원이 부족한 D-디바이스로 분류될 수 있다.
위 수학식 4를 통하여 디바이스별 잉여가 계산되면, 계산된 잉여들을 합하여 총 잉여가 계산될 수 있다.
이어서, ESR(102)은 잉여가 non-shiftable 디바이스를 만족시키는 지를 판단한다(S506). 예를 들어, ESR(102)은 자원이 부족한 D-디바이스로서 non-shiftable 디바이스가 존재하는 경우, 잉여가 자원이 부족한 non-shiftable D-디바이스를 만족시킬 수 있는 지를 판단한다.
잉여가 non-shiftable D-디바이스를 만족시키지 못하면, ESR(102)은 비용을 증가시키고(S508), 단계 S500부터 다시 수행시킨다. 이는 non-shiftable 디바이스를 위한 자원은 필수적이기 때문이다.
반면에, 잉여가 non-shiftable D-디바이스를 만족시키면, ESR(102)은 자원량이 non-shiftable D-디바이스를 만족시키는 것으로 결정한다(S510).
계속하여, ESR(102)은 잉여가 controllable 디바이스를 만족시키는 지를 판단한다(S512). 예를 들어, ESR(102)은 자원이 부족한 D-디바이스로서 controllable 디바이스가 존재하는 경우, controllable D-디바이스의 최소 요구를 만족시킬 수 있는 지를 판단한다.
잉여가 controllable 디바이스를 만족시키지 못하면, ESR(102)은 비용을 증가시키고(S508), 단계 S500부터 다시 수행시킨다.
반면에, 잉여가 controllable 디바이스를 만족시키면, ESR(102)는 기설정된 전략들 중 특정 전략을 선택하여 적용한다(S600). 다만, 남은 잉여가 존재하면, ESR(102)은 남은 잉여가 controllable 디바이스의 최대 요구량을 만족시키는지 및 shiftable 디바이스의 요구량을 만족시키는지를 판단하고, 그런 후 전략을 선택한다.
이어서, 바게닝 과정을 수행한다.
우선, ESR(602)은 잉여 자원이 있는지를 판단한다.
잉여 자원이 없으면, ESR(602)은 각 디바이스를 위한 예약 바게닝 자원을 결정한다(S610).
잉여 자원이 있으면, ESR(102)은 자원 바게닝 유닛(resource bargaining unit, RBU,
Figure pat00021
)을 계산한다(S604). 일 실시예에 따르면, 상기 자원 바게닝 유닛은 D-디바이스들로 반복적으로 분배되며, k번째 반복시의 자원 바게닝 유닛의 사이즈는 아래의 수학식 5와 같다.
Figure pat00022
여기서,
Figure pat00023
는 j 스테이지의 바게닝에서 k번째 반복의 총 잉여를 의미하며,
Figure pat00024
는 k번째 반복시 자원이 최대 요구량에 도달하지 못한 controllable D-디바이스들의 수를 나타내며,
Figure pat00025
는 controllable D-디바이스의 최대 요구량과 현재 자원 할당 사이의 차이를 의미한다.
한편, shiftable 디바이스를 위한 j 스테이지에서 자원 바게닝 유닛(
Figure pat00026
)의 사이즈는 아래의 수학식 6과 같다.
Figure pat00027
여기서,
Figure pat00028
는 j 스테이지에서 바게닝 과정에서의 k번째 반복의 총 잉여를 의미하고,
Figure pat00029
는 k번째 반복시 자원이 요구량에 도달하지 못한 shiftable 디바이스의 수를 나타내며,
Figure pat00030
는 shiftable 디바이스의 요구량과 현재 자원 할당과의 차이를 의미한다.
계속하여, ESR(102)은 자원 바게닝 유닛(RBU)을 제공한다(S604).
*이어서, ESR(102)은 잉여가 D-디바이스들을 만족시키는 지를 판단한다(S606).
잉여가 D-디바이스들을 만족시키지 못하면, 단계 S602를 다시 수행시킨다.
반면에, 잉여가 D-디바이스들을 만족시키면, ESR(102)은 디바이스별 예약된 바게닝 자원(
Figure pat00031
)을 결정한다(S610). 구체적으로는, ESR(102)은 자원 바게닝 유닛(
Figure pat00032
)을 계산한 후, 다른 종류의 디바이스들 사이의 자원 바게닝을 초기화한다. 그런 후, 자원 바게닝 유닛(
Figure pat00033
)이 자원을 필요로 하는 D-디바이스들에 반복적으로 분배된다. 일 예로, 주어진 전략에서, ESR(102)은 k번째 반복시의 총 잉여(
Figure pat00034
)로부터 자원 바게닝 유닛(
Figure pat00035
)을 빼며, 이러한 과정은 각 디바이스가 만족될 때까지 또는 잉여가 모두 소비될 때까지 수행된다.
*계속하여, ESR(102)은 j 스테이지에서의 각 전략(x)에 따른 바게닝 유틸리티(
Figure pat00036
)를 계산한다(S612). 상기 유틸리티는 각 전략을 위한 디바이스의 만족도를 설명하는 양적 지표이며, 시스템 의존적이며 빌딩 등의 에너지 관리 정책에 따라 결정될 수 있다.
이어서, ESR(102)은 새로운 정책이 이용가능한지를 판단한다(S614).
새로운 정책이 이용 가능하면, 단계 S600부터 다시 수행된다.
반면에, 새로운 정책이 이용 가능하지 않으면, ESR(102)은 모든 전략들로부터 평형 유틸리티(Equilibrium utility)를 계산하고, 계산 결과에 따라 평형 전략을 결정한다(S616). 구체적으로는, ESR(102)은 다른 전략들을 이용한 바게닝 유틸리티(
Figure pat00037
)에 기초하여 디바이스들의 만족도를 최대로 할 수 있는 바게닝 솔루션(bargaining solution)을 계산하고, 바게닝 솔루션에 따라 전략을 결정한다. 예를 들어, 아래의 수학식 7과 같이 바게닝 솔루션이 계산될 수 있다.
Figure pat00038
정리하면, 본 실시예의 스마트 그리드 시스템은 잉여 자원을 자원 바게닝 유닛 단위(RBU)로 바게닝하고, 디바이스들을 최대로 만족시킬 수 있는 전략을 결정할 수 있다.
위에서 설명하지는 않았지만, 본 발명의 전략들은 디바이스들의 우선 순위, 공정성 및 비용 견지에서 특정화될 수 있으며, 아래와 같이 제시될 수 있다.
본 발명은 "High-priority devices first" 규칙(HPDFR)을 제 1 전략으로 제시한다. 제 1 전략에 따르면, 잉여 자원은 가장 높은 우선 순위를 가지는 D-디바이스로 제공된다. 본 발명에서는 cotrollable 디바이스가 shiftable 디바이스보다 우선 순위가 높으므로, controllable D-디바이스들에 잉여 자원을 먼저 제공하고 남은 잉여 자원을 shiftable D-디바이스들에 제공한다. 예를 들어, 스마트 그리드 시스템은 controllable D-디바이스들 중 가장 높은 우선 순위를 가지는 디바이스의 최대 요구가 만족될 때까지 RBU를 제공하고, 그런 후 다음으로 높은 controllable D-디바이스가 만족할 때까지 RBU를 제공한다. 상기 스마트 그리드 시스템은 위의 방법을 통하여 controllable D-디바이스들로 잉여 자원을 제공하고, 잉여 자원이 남으면 위와 유사한 방법으로 shiftable D-디바이스들로 잉여 자원을 제공한다. 물론, 잉여 자원이 모두 소비되거나 모든 shiftable D-디바이스들로 잉여 자원이 공급되면, 위의 과정은 종료한다.
본 발명은 "Class priority fairness" 규칙(CPFR)을 제 2 전략으로 제시한다.
제 2 전략에 따르면, 스마트 그리드 시스템은 controllable D-디바이스들에 잉여 자원을 먼저 제공하고 남은 잉여 자원을 shiftable D-디바이스들에 제공한다. 예를 들어, 스마트 그리드 시스템은 controllable D-디바이스들 중 가장 높은 우선 순위를 가지는 디바이스에 하나의 RBU를 제공하고, 그런 후 다음으로 높은 controllable D-디바이스로 하나의 RBU를 제공한다. 상기 스마트 그리드 시스템은 위의 방법을 통하여 controllable D-디바이스들이 모두 만족할 때까지 잉여 자원을 제공하고, controllable D-디바이스들이 모두 만족한 후에도 잉여 자원이 남으면 위와 유사한 방법으로 shiftable D-디바이스들로 잉여 자원을 제공한다. 물론, 잉여 자원이 모두 소비되거나 모든 shiftable D-디바이스들로 잉여 자원이 공급되면, 위의 과정은 종료한다.
본 발명은 "All-devices fairness" 규칙(ADFR)을 제 3 전략으로 제시한다.
제 3 전략에 따르면, 스마트 그리드 시스템은 controllable D-디바이스들 중 가장 높은 우선 순위를 가지는 디바이스에 하나의 RBU를 제공하고, 그런 후 다음으로 높은 controllable D-디바이스로 하나의 RBU를 제공한다. 상기 스마트 그리드 시스템은 위의 방법을 통하여 controllable D-디바이스들에 RBU가 하나씩 제공된 후, 잉여 자원이 남으면 위와 유사한 방법으로 shiftable D-디바이스들로 잉여 자원을 제공한다. 그런 후, 잉여 자원이 남으면, 상기 스마트 그리드 시스템은 controllable D-디바이스들에 우선 순위에 따라 각기 하나의 RBU를 제공하는 등 위의 과정을 반복시킨다. 물론, 잉여 자원이 모두 소비되거나 모든 shiftable D-디바이스들로 잉여 자원이 공급되면, 위의 과정은 종료한다.
본 발명은 "Class priority lowest D-rsource first" 규칙(CPLDFR)을 제 4 전략으로 제시한다.
제 4 전략에 따르면, 스마트 그리드 시스템은 현재 자원과 최대 자원량/명목상 자원량의 차이에 따라 잉여 자원을 분배한다. 예를 들어, 상기 스마트 그리드 시스템은 controllable D-디바이스들 중 상기 차이가 가장 작은 디바이스가 만족될 때가지 RBU를 제공하고, 다음 차이가 작은 디바이스로 RBU를 제공한다. 그런 후, 모든 controllable D-디바이스들이 만족되면, shiftable 디바이스들에 대하여 위와 유사한 방법을 통하여 잉여 자원들을 분배시킨다. 물론, 잉여 자원이 모두 소비되거나 모든 shiftable D-디바이스들로 잉여 자원이 공급되면, 위의 과정은 종료한다.
본 발명은 "Shiftable class first" 규칙(SCFR)을 제 5 전략으로 제시한다.
제 5 전략에 따르면, 스마트 그리드 시스템은 controllable 디바이스들의 자원 최소 요구량은 만족된 상태이므로, shiftable D-디바이스들로 먼저 잉여 자원들을 제공한 후 잉여 자원이 있으면 controllable D-디바이스들로 제공한다. 예를 들어, 상기 스마트 그리드 시스템은 shiftable D-디바이스들 중 가장 우선 순위가 높은 디바이스의 명목상 요구량이 만족될 때까지 잉여 자원을 제공하고, 그런 후 다음 우선 순위를 가지는 shiftable D-디바이스가 만족될 때까지 잉여 자원을 제공할 수 있다. 이와 유사한 방법으로 잉여 자원이 shiftable D-디바이스들로 분배된 후 controllable D-디바이스들로 제공된다. 물론, 잉여 자원이 모두 소비되거나 모든 shiftable D-디바이스들로 잉여 자원이 공급되면, 위의 과정은 종료한다.
한편, 스마트 그리드 시스템은 위의 5가지 전략 이외에도 다양한 전략을 포함할 수 있고, 위의 전략들을 조합하여 하나의 전략으로 제시할 수도 있다.
예를 들어, 상기 스마트 그리드 시스템은 제 1 전략을 controllable D-디바이스들에 적용하고 제 2 전략을 shiftable D-디바이스들에 적용하는 새로운 전략을 제시할 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 스마트 그리드 시스템은 수학식 7에서 보여지는 바와 같이 j 스테이지에서의 최적의 응답을 제시하는 전략을 발견할 필요가 있다. 이를 위하여 최대화되는 바게닝 유틸리티(
Figure pat00039
)를 획득할 필요가 있으며, 바게닝 유틸리티(
Figure pat00040
)는 아래의 수학식 8 내지 수학식 11로서 표현될 수 있다.
Figure pat00041
여기서, P는 각 디바이스의 우선 순위를 의미하고, F는 디바이스들 사이의 공정성(fairness)를 나타내며, C는 j 스테이지에서의 에너지 소비(비용)를 의미하며, w1, w2 및 w3는 가중치를 나타낸다. 여기서, 상기 가중치들은 예를 들어 0 이상이다.
Figure pat00042
여기서, Pi j는 j 스테이지에서의 i 디바이스의 우선 순위를 의미한다.
Figure pat00043
여기서, ERi j는 j 스테이지에서 controllable D-디바이스를 최대 요구 자원과 최소 요구 자원 사이의 중간점 또는 shiftable D-디바이스의 명목상의 요구를 의미한다.
Figure pat00044
위 수학식 8에서 보여지는 바와 같이, 바게닝 유틸리티(
Figure pat00045
)는 우선 순위, 공정성 및 에너지 소비(비용)를 고려함에 의해 결정될 수 있다. 구체적으로는, 수학식 9를 참조하면 Pj는 더 높은 우선 순위를 가지는 D-디바이스가 더 많은 자원을 수신할 때 상승한다. 수학식 10을 참조하면, Fj는 예약 바게닝 자원(
Figure pat00046
)이 작을수록 Fj는 증가하며, 즉 자원이 디바이스들로 더 균등하게 분배된다. 수학식 11을 참조하면, 예약 바게닝 자원(
Figure pat00047
)이 감소할수록 에너지 소비는 증가할 것이다.
이러한 세가지 요소들(우선 순위, 공정성 및 비용)의 균형을 위하여, 각 요소들에 가중치가 부여될 수 있다. 수학식 8에서, 세가지 요소들은 0과 1 사이로 정규화될 수 있다. 다만, 자원 사용 관리 기기(102)는 상기 스마트 그리드 시스템의 환경에 따라 특정 요소에 가중치를 더 부여할 수도 있다. 한편, w1, w2 및 w3의 합은 100일 수 있으며, 그 결과 바게닝 유틸리티(
Figure pat00048
)는 0과 100 사이의 값일 수 있다.
정리하면, 본 발명의 스마트 그리드 시스템은 각 스테이지에서 최적화된 전략을 제시하되, 상기 전략은 우선 순위, 공정성 및 비용을 고려하여 선택될 수 있다. 여기서, 상기 우선 순위, 공정성 및 비용의 가중치들은 상기 스마트 그리드 시스템의 환경에 따라 적절하게 설정한다. 물론, 상기 전력을 선택할 때 우선 순위, 공정및 비용 외에도 다른 요소도 고려될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자원 사용 관리 기기를 도시한 블록도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예의 자원 사용 관리 기기(102), 예를 들어 ESR은 제어부(700), 디바이스 분류부(702), 우선 순위부(704), 자원 분배 결정부(706), 전략부(708), 자원 관리부(710) 및 저장부(712)를 포함할 수 있다.
디바이스 분류부(702)는 디바이스들을 소정 클래스로 분류시키며, 예를 들어 non-shiftable 디바이스, controllable 디바이스 및 shiftable 디바이스로 분류시킬 수 있다.
우선 순위부(702)는 디바이스별로 우선 순위를 부여하고 관리할 수 있다.
자원 분배 결정부(706)는 자원 분배 방식을 결정하며, 예를 들어 특정 전략을 선택하고 선택된 전략에 따라 자원 분배 방식을 결정한다.
전략부(708)는 전략들을 관리한다.
자원 관리부(710)는 결정된 전략에 따라 자원 바게닝 동작 등을 수행한다.
저장부(712)는 디바이스 정보, 단위 가격 데이터, 소비 데이터 등 각종 데이터를 저장할 수 있다.
제어부(700)는 자원 사용 관리 기기(102)의 구성요소들의 동작을 전반적으로 제어한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 인터페이스 기기를 도시한 블록도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예의 인터페이스 기기(100), 예를 들어 ESI는 제어부(800), 송수신부(802), 가격 데이터부(804), 소비 데이터부(806), 자원 관리부(808) 및 저장부(810)를 포함할 수 있다.
송수신부(802)는 유틸리티 측 및 소비자 측의 디바이스들 사이의 연결 통로를 제공한다.
가격 데이터부(804)는 유틸리티로부터 제공된 가격 데이터를 관리한다.
소비 데이터부(806)는 디바이스들로부터 소비 데이터를 수집하고, 수집된 소비 데이터를 유틸리티도 제공한다.
자원 관리부(808)는 히스토리 데이터 등에 기초하여 자원을 예약하는 등 자원과 관련된 동작을 관리한다.
저장부(810)는 가격 데이터, 소비 데이터 등의 각종 데이터를 저장한다.
제어부(800)는 인터페이스 기기(100)의 구성요소들의 동작을 전반적으로 제어한다.
이하, 상기 스마트 그리드 시스템의 실제 실험 결과를 상술하겠다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간당 가격 데이터의 그래프를 도시한 도면이고, 도 10 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전략들에 따른 실험 결과들을 도시한 도면들이다. 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 스테이지에서의 최적의 전략을 선정한 결과를 도시한 도면이고, 도 16은 본 발명의 일 실시에에 따른 비용의 실험 결과를 도시한 도면이다.
실험을 위하여 아래의 표 1에 도시된 바와 같이 2개의 non-shiftable 디바이스들, 2개의 controllable 디바이스들 및 2개의 shiftable 디바이스들을 선택하였다. 또한, 낮은 가격, 높은 가격 및 피크 가격을 고려하였으며, 시간당 가격은 도 9에서 보여지는 바와 같이 설정된다. ICT(information and communication technology) 시스템은 인터넷, 전기 통신, 퍼스널 컴퓨터 및 서버를 포함할 수 있다.
종류 디바이스 명칭 디바이스 ID 우선 순위 요구 자원 동작 시간
non-shiftable 디바이스 Fire alarm system NS1 1 100watts/h 24 hours
ICT system NS2 2 100watts/h 7am~5pm
controllable 디바이스 shared place lighting C1 3 50~150watts/h 7am~5pm
HVAC C2 4 70~130watts/h 7am~5pm
shiftable 디바이스 PHEV S1 5 100watts/h 24 hours
Water heating S2 6 100watts/h 24 hours
실험을 위하여, 매일 오전 1시에 스마트 그리드 시스템이 동작하는 것으로 설정하였으며, 위에서 상술한 도 5 및 도 6의 과정에 따라 실험을 진행하였다. 구체적으로는, 평균 시간당 예산을 0.029$로 설정하였으며, 제 1 스테이지에서의 가격을 $0.023/kWh로 설정하였다. 결과적으로, 이용 가능한 자원(
Figure pat00049
) 은 수학식 1에 따라 1.26Wh이다.
일주일 중 주말을 제외한 5일을 실험 대상으로 하였고, AR(Autoagressive) 모델을 이용하였다. AR 모델의 계수들(β1 내지 β5)은 0.3, 0.25, 0.2, 0.15 및 0.1로 각기 특정되었다. 또한, 첫째 날의 기준 자원(
Figure pat00050
)의 초기값들로서 표 1의 요구되는 자원들이 사용되었다.
실험 결과, 기준 자원(
Figure pat00051
)은 17번째 날 이후로 안정화(포화)되었으며, 예를 들어 17번째 날의 제 9 스테이지에서 non-shiftable 디바이스들과 controllable 디바이스들의 포화 기준 자원(
Figure pat00052
)은 각기 40, 40, 20 및 28watts였다.
이어서, non-shiftable 디바이스들 및 controllable 디바이스들을 위한 예약 자원(
Figure pat00053
)을 결정하였다. 예를 들어, 제 9 스테이지에서 가격은 $0.0528이고 이용 가능한 자원(
Figure pat00054
)은 549.1 watts로 계산되었을 때, NS1, NS2, C1 및 C2의 각 예약 자원(
Figure pat00055
)은 171.6, 171.6, 85.8 및 120.1 watts였다.
계속하여, 각 non-shiftable 디바이스들 및 controllable 디바이스들을 위한 자원의 잉여/부족(
Figure pat00056
) 및 총 잉여(
Figure pat00057
)를 계산하였다. 제 9 스테이지에서는 이용 가능한 자원(
Figure pat00058
)이 풍부하였으며, 따라서 모든 디바이스들이 S-디바이스이다. 그러나, 제 14 단계에서는 NS1, NS2, C1 및 C2를 위한 예약 자원(
Figure pat00059
)은 각기 93.8, 93.8, 46.9 및 65.6 watts였다. 이러한 예약 자원(
Figure pat00060
)과 표 1에서 보여지는 요구되는 자원을 비교하여보면, 모든 디바이스들이 D-디바이스임을 알 수 있다.
대다수 스테이지들에서, 이용 가능한 자원(
Figure pat00061
)은 모든 디바이스들을 만족시키는데 충분하였으나, 제 14 스테이지 및 제 15 스테이지에서는 모든 디바이스들을 만족시킬 수 없었다. 예를 들어, 제 14 스테이지에서, 피크 가격은 $0.09665/kWh였으며, 이 경우 전체 잉여는 0이었다. 모든 디바이스들은 D-디바이스들이었으며, 따라서 자원 사용 관리 기기(102)는 비용을 증가시켜야만 했다.
위의 단계들에서, 위에 상술한 5가지 전략들이 적용되었으며, 그 결과는 아래의 도 10 내지 도 14에서 보여진다.
도 10을 참조하여 제 1 전략(HPDFR)의 결과를 살펴보면, controllable 디바이스들의 예약 자원은 우선 순위에 기초하여 초기에 모두 만족이 되었으나, 단위 가격이 상승하기 시작하였을 때 가장 낮은 우선 순위를 가지는 S2가 처음으로 제 9 스테이지에서 예약 자원이 0이 되었다. 이 경우, controllable 디바이스들은 요구되는 최대 자원을 계속적으로 수신하였다. 단위 가격이 계속적으로 상승함에 따라, S1이 제 11 스테이지에서 예약 자원이 0이 되었으며, C2는 그의 예약 자원이 최소로 감소하였다. C1은 단위 가격이 피크인 제 14 스테이지 내지 제 16 스테이지에서 예약 자원이 최소로 되었다. 상기 단위 가격이 떨어지기 시작하였을 때는, 우선 순위로 인하여 C1의 자원 할당이 처음으로 증가하기 시작하였다.
도 11을 참조하여 제 2 전략(CPFR)의 결과를 살펴보면, 단위 가격이 상승하였을 때 S1 및 S2의 예약 자원이 감소하기 시작하였으며, C1 및 C2는 그들의 자원들을 수신하였다. 이는 우선 순위와 관계없이 동일한 클래스의 모든 디바이스들로 자원이 공정하게 분배되기 때문이다. 따라서, S1 및 S2의 곡선들은 겹쳐져서 보여진다. 제 11 스테이지에서, S1 및 S2의 자원 예약은 0이 되었다. 단위 가격이 피크인 제 14 스테이지에서는 C1 및 C2의 예약 자원들이 최소로 되었다. 다만, 단위 가격이 피크인 스테이지를 지난 스테이지에서는 C1 및 C2는 자원들을 다시 획득하기 시작하였다.
도 12를 참조하여 제 3 전략(ADFR)을 살펴보면, 제 3 전략이 모든 디바이스들을 공정하게 다루고 각 디바이스들로 각기 하나의 RBU를 반복적으로 제공하므로, 단위 가격이 제 9 스테이지로부터 점차적으로 상승함에 따라 모든 디바이스들이 비슷한 감소 경향을 가진다.
도 13을 참조하여 제 4 전략(CPLDFR)을 살펴보면, 단위 가격이 상승하였을 때 더 높은 우선 순위를 가지는 C1이 C2보다 먼저 자원이 감소하였다. 이것은 C2가 그의 최대 레벨까지 도달하기 위한 가장 낮은 자원 요구를 가지기 때문이다. 단위 가격이 피크인 스테이지를 지난 후에는, C2의 자원 할당이 먼저 증가하기 시작한다.
도 14를 참조하여 제 5 전략(SCFR)을 살펴보면, shiftable 디바이스들이 controllable 디바이스들보다 먼저 선택되므로, C2가 먼저 제 9 스테이지에서 예약 자원이 최소로 감소하였다. 단위 가격이 상승하기 시작하였을 때, S1은 피크 시간에서 0으로 되었으나 더 낮은 우선 순위를 가지는 S2는 예약 자원이 0으로 점차적으로 감소하기 시작하였다. 피크 시간 동안, controllable 디바이스들은 최소 자원 레벨에서 동작하였다. 이러한 제 5 전략에 따르면, controllable 디바이스들이 그들의 최대 자원을 획득하지는 못하였지만, 전체 시스템의 효율은 상승하였다. 단위 가격이 피크인 스테이지를 지난 후에는, S1이 처음으로 다시 자원 할당을 획득하였다.
계속하여, 자원 사용 관리 기기(102)는 j 스테이지에서의 각 전략(x)에 따른 바게닝 유틸리티(
Figure pat00062
)를 계산하며, 그 결과는 도 15에서 보여진다. 제 1 스테이지 내지 제 7 스테이지, 제 17 스테이지 내지 제 24 스테이지에서 단위 가격이 낮고 NS1, S1 및 S2만이 동작한다. 따라서, 상기 디바이스들의 요구가 항상 만족되었으며, 그 결과 모든 전략들은 동일한 유틸리티를 보여줬다. 따라서, 어느 전략이 선택되어도 상관없다.
제 8 스테이지에서 단위 가격이 점차적으로 상승함에 따라 이용 가능한 자원은 감소하였으며, 그 결과 5가지 전력들은 도 15에 보여지는 바와 같이 다른 유티리티를 보여주기 시작하였다. 다만, 제 5 전략을 제외하고는 나머지 전략들의 유틸리티는 큰 차이가 없었다. 이는 시스템 설계자가 이른 아침에 좀 더 편안한 환경을 만들기 위하여 shiftable 디바이스들로 Lighting 및 HVAC 시스템의 자원을 분배하기보다는 Lighting 및 HVAC 시스템에 더 많은 자원을 할당하였기 때문이다. 따라서, 제 1 전략 내지 제 4 전략 중 어느 하나의 전략이 선택될 수 있다.
제 9 스테이지에서는 편안한 환경이 구축되었고 단위 가격도 거의 상승하지 않았기 때문에, 자원 사용 관리 기기(102)는 shiftable 디바이스들로 더 많은 자원을 할당하기 위하여 제 3 전략을 이용하여 공정성을 실현할 수 있다.
제 10 스테이지에서는 단위 가격이 상승하였으나 자원이 많이 부족하지는 않기 때문에, 자원 사용 관리 기기(102)는 제 2 전략을 사용하여 클래스 우선 순위와 공정성의 균형을 시도할 수 있다.
제 11 스테이지 및 제 12 스테이지에서는 단위 가격이 아침에 비하여 많이 상승하였으므로, 우선 순위뿐만 아니라 효율적인 에너지 소비도 고려하여야 한다. 제 5 전략이 제한된 이용 가능한 자원을 가지고 더 많은 디바이스들을 만족시키는 것을 목적으로 하므로, 제 5 전략은 더 놓은 효율적인 에너지 소비를 실현할 수 있다. 게다가, 이 스테이지들은 점심 시간에 해당하기 때문에, controllable 디바이스들이 그들의 최소 요구 자원을 만족하는 한 더 많은 자원을 할당할 필요가 없다. 따라서, 이 스테이지들에서는 제 5 전략이 선택될 수 있다.
제 13 스테이지에서는 단위 가격이 높아서 자원이 상당히 제한되었고 주변 온도가 높았기 때문에, 자원 사용 관리 기기(102)는 다른 디바이스들보다 C2(HVAC)에 더 많이 자원을 할당할 필요가 있다. 따라서, C2가 현재 자원과 최대 자원 사이의 차이가 가장 작았으므로, C2에 우선 순위를 주는 제 4 전략이 선택될 수 있다.
제 14 스테이지 및 제 15 스테이지에서는 단위 가격이 피크이기 때문에, C1 및 C2의 자원을 최소로 감소하고 S1 및 S2의 자원은 0이 되었다. 즉, 이용 가능한 자원들이 요구되는 자원들보다 훨씬 작기 때문에, 어떤 전략을 선택할지라도 동일한 유틸리티가 얻어진다. 따라서, 자원 사용 관리 기기(102)는 제 1 전략 내지 제 5 전략 중 어느 전략을 선택해도 상관없다.
제 16 스테이지에서는 단위 가격이 감소하고 온도가 낮아졌기 때문에, 디바이스들의 공정성을 고려할 필요가 있으며, 따라서 자원 사용 관리 기기(102)는 shiftable 디바이스들과 자원을 공유할 수 있는 제 3 전략을 선택할 수 있다.
즉, 자원 사용 관리 기기(102)는 해당 스테이지에서의 환경에 따라 다른 전략을 선택할 수 있다.
이러한 방식으로 전략을 적용하면, 도 16에 도시된 바와 같이 비용이 효율적으로 감소될 수 있다. 도 16에서는 본 발명의 수요 응답 알고리즘(Demand response DR algorithm)을 적용하였을 때와 적용하지 않았을 때의 비용을 보여준다.
DR 알고리즘을 적용하지 않으면, 모든 디바이스들이 단위 가격에 상관없이 그들이 원하는 자원을 모두 획득하므로, 도 16에 보여지는 바와 같이 시간당 비용이 단위 가격이 상승함에 따라 급격하게 상승한다.
DR 알고리즘을 적용하면, 자원 사용 관리 기기(102)는 각 스테이지를 위한 평균 시간 비용을 특정하고 이용 가능한 자원을 최적으로 할당하기 위한 전략을 선택한다. 이 경우, 실제 디바이스들의 요구가 적절한 전략의 선택을 통하여 만족되면서도 피크 소비가 상당히 감소하였다. 도 16에서 제 14 스테이지 및 제 15 스테이지를 제외한 모든 스테이지들에서 비용이 평균 비용 라인보다 낮거나 실질적으로 동일함을 확인할 수 있다.
도 16을 참조하면, DR 알고리즘을 적용하지 않았을 때와 적용하였을 때의 전체 일일 비용이 $0.06462 및 $0.4719임을 확인할 수 있다. 즉, 일일 비용이 DR 알고리즘을 적용함에 의해 26.9%만큼 감소하였다. 일당 비용도 매일 $0.2278만큼 절약되었음을 도 16의 녹색 바를 통하여 확인할 수 있다.
제 14 스테이지 및 제 15 스테이지에서 비용이 $0.0037만큼 상승하였으나, 다른 스테이지들에 의해 완전히 보상되었음을 확인할 수 있다.
정리하면, 본 발명의 스마트 그리드 시스템은 단위 가격을 고려하여 적절한 전략을 제시하는 DR 알고리즘을 적용하여 에너지 소비 효율을 향상시키고 비용을 절감시킬 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100 : 인터페이스 기기(ESI) 102 : 자원 사용 관리 기기(ESR)

Claims (14)

  1. 자원 사용 관리 기기가 자원의 가격 데이터에 기초하여 이용 가능 자원을 결정하는 단계;
    특정 스테이지에서 상기 자원 사용 관리 기기가 우선 순위 및 비용을 고려하여 자원 분배 전략들 중 하나를 선택하는 단계; 및
    상기 자원 사용 관리 기기가 상기 선택된 자원 분배 전략에 따라 상기 이용 가능 자원을 디바이스들 중 적어도 하나의 디바이스로 다르게 분배하도록 설정하는 단계를 포함하되,
    상기 자원 사용 관리 기기는 특정 스테이지에서 상기 자원 분배 전략들을 자원 소비 만족도 측면에서 점수화하며 상기 자원 분배 전략들 중 가장 점수가 높은 자원 분배 전략을 해당 스테이지에 적용될 전략으로 선택하는 것을 특징으로 하는 스마트 그리드 시스템에서 자원 분배 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자원 사용 관리 기기는 상기 가격 데이터가 제공되는 스테이지별로 상기 자원 분배 전략을 선택하는 것을 특징으로 하는 스마트 그리드 시스템에서 자원 분배 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 디바이스들은 non-shiftable 디바이스, controllable 디바이스 및 shiftable 디바이스로 분류되고, 상기 디바이스별로 우선 순위가 다르게 설정되며, 상기 non-shiftable 디바이스에는 요구되는 자원량이 필수적으로 제공되고 상기 shiftable 디바이스에는 자원 가격이 제일 비싼 스테이지에서는 자원이 제공되지 않도록 자원 분배가 설정되는 것을 특징으로 하는 스마트 그리스 시스템에서 자원 분배 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자원 사용 관리 기기는 히스토리 데이터를 기초로 하여 디바이스별로 예약 자원을 결정하는 단계;
    상기 자원 사용 관리 기기는 상기 결정된 예약 자원과 해당 디바이스에서 요구하는 자원을 비교하는 단계;
    상기 자원 사용 관리 기기는 상기 비교 결과에 따라 상기 결정된 예약 자원이 상기 요구하는 자원보다 큰 경우 잉여 자원을 가지는 S-디바이스로 분류하고, 상기 결정된 예약 자원이 상기 요구하는 자원보다 작은 경우 자원이 부족한 D-디바이스로 분류하는 단계; 및
    상기 자원 사용 관리 기기는 상기 S-디바이스들의 잉여 자원을 상기 D-디바이스들로 분배하는 바게닝(bargaining) 과정을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 그리드 시스템에서 자원 분배 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자원 사용 관리 기기는 자원 바게닝 유닛(resource bargaining unit, RBU)을 계산하는 단계를 더 포함하되,
    상기 바게닝 과정은 상기 자원 바게닝 유닛 단위로 하여 디바이스들로 잉여 자원을 분배하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 스마트 그리드 시스템에서 자원 분배 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 잉여 자원은 상기 자원 바게닝 유닛 단위로 자원이 부족한 controllable 디바이스로 제공되고, 상기 controllable 디바이스들이 모두 만족된 후에 상기 자원 바게닝 유닛 단위로 자원이 부족한 shiftable 디바이스들로 제공되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 스마트 그리드 시스템에서 자원 분배 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 잉여 자원은 자원이 부족한 shiftable 디바이스들로 제공된 후 controllable 디바이스들로 제공되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 스마트 그리드 시스템에서 자원 분배 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 잉여 자원은 자원이 부족한 controllable 디바이스들로 각기 하나의 자원 바게닝 유닛이 제공된 후 자원이 부족한 shiftable 디바이스들로 각기 하나의 자원 바게닝 유닛이 제공되며, 남은 잉여 자원이 있으면 다시 자원이 부족한 controllable 디바이스들로 각기 하나의 자원 바게닝 유닛이 제공되는 것을 특징으로 하는 스마트 그리드 시스템에서 자원 분배 방법.
  9. 자원 사용 관리 기기는 히스토리 데이터를 기초로 하여 디바이스별로 예약 자원을 결정하는 단계;
    상기 자원 사용 관리 기기는 상기 결정된 예약 자원과 해당 디바이스에서 요구하는 자원을 비교하는 단계;
    상기 자원 사용 관리 기기는 상기 비교 결과에 따라 상기 결정된 예약 자원이 상기 요구하는 자원보다 큰 경우 잉여 자원을 가지는 S-디바이스로 분류하고, 상기 결정된 예약 자원이 상기 요구하는 자원보다 작은 경우 자원이 부족한 D-디바이스로 분류하는 단계; 및
    상기 자원 사용 관리 기기는 상기 S-디바이스들의 잉여 자원을 상기 D-디바이스들로 제공하는 바게닝(bargaining) 과정을 수행하는 단계를 포함하되,
    상기 바게닝 과정은 자원이 요구량에 도달하지 못한 디바이스를 고려하여 계산된 자원 바게닝 유닛 단위로 하여 상기 디바이스들로 잉여 자원을 분배하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 스마트 그리드 시스템에서 자원 분배 방법.
  10. 자원 사용 관리 기기가 스테이지에서의 자원의 가격 데이터에 기초하여 이용 가능한 자원을 결정하는 단계;
    상기 자원 사용 관리 기기가 미리 설정된 자원 분배 전략들 중 하나를 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 자원 분배 전략에 따라 상기 결정된 자원들을 디바이스들로 분배하도록 결정하는 단계를 포함하되,
    상기 가격 데이터는 스테이지별로 제공되며, 상기 자원 사용 관리 기기는 특정 스테이지에서 상기 자원 분배 전략들을 자원 소비 만족도 측면에서 점수화하며, 상기 자원 분배 전략들 중 가장 점수가 높은 자원 분배 전략을 해당 스테이지에 적용될 전략으로 선택하는 것을 특징으로 하는 스마트 그리드 시스템에서 자원 분배 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 디바이스들은 non-shiftable 디바이스, controllable 디바이스 및 shiftable 디바이스로 분류되고, 상기 non-shiftable 디바이스에는 요구되는 자원량이 필수적으로 제공되도록 자원 분배가 설정되며, 상기 선택된 자원 분배 전략에 따라 자원이 남는 디바이스의 잉여 자원을 자원이 부족한 controllable 디바이스들 및 자원이 부족한 shiftable 디바이스들로 우선 순위에 따라 분배되도록 설정되고, 상기 디바이스의 잉여 여부는 히스토리 데이터를 기초로 하여 결정된 예약 자원보다 해당 디바이스가 요구하는 자원이 작은지의 여부로 판단되는 것을 특징으로 하는 스마트 그리스 시스템에서 자원 분배 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 자원 사용 관리 기기는 자원 바게닝 유닛(resource bargaining unit, RBU)을 계산하는 단계를 더 포함하되,
    상기 잉여 자원은 상기 계산된 자원 바게닝 유닛 단위로 하여 디바이스들로 분배되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 스마트 그리드 시스템에서 자원 분배 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 잉여 자원은 자원이 부족한 shiftable 디바이스들로 제공된 후 controllable 디바이스들로 제공되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 스마트 그리드 시스템에서 자원 분배 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 잉여 자원은 자원이 부족한 controllable 디바이스들로 각기 하나의 자원 바게닝 유닛이 제공된 후 자원이 부족한 shiftable 디바이스들로 각기 하나의 자원 바게닝 유닛이 제공되며, 남은 잉여 자원이 있으면 다시 자원이 부족한 controllable 디바이스들로 각기 하나의 자원 바게닝 유닛이 제공되는 것을 특징으로 하는 스마트 그리드 시스템에서 자원 분배 방법.
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