KR20160004746A - 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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KR20160004746A
KR20160004746A KR1020140083651A KR20140083651A KR20160004746A KR 20160004746 A KR20160004746 A KR 20160004746A KR 1020140083651 A KR1020140083651 A KR 1020140083651A KR 20140083651 A KR20140083651 A KR 20140083651A KR 20160004746 A KR20160004746 A KR 20160004746A
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KR1020140083651A
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손성용
한송수
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가천대학교 산학협력단
삼성물산 주식회사
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Abstract

본 발명은 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템에 관한 것으로, 계층화된 모듈 구조를 갖도록 구성하여 관리와 운영을 단일화함으로써, 직관적인 에너지 관리와 효율적인 인프라 관리를 가능하게 해 주는 도시형 에너지 인프라 시스템에 있어서, 외부와 에너지 인터페이스를 가지며 내부의 에너지를 통합적으로 관리하는 마이크로에너지블록을 포함하며 상기 마이크로에너지블록을 통해 계층화된 모듈 구조를 갖도록 모듈단위로 구성된 에너지 관리 단위를 포함하며, 상기 에너지 관리 단위를 결합하여 상위의 모듈을 구성하는 것을 특징으로 하여 체계적인 에너지 인프라의 관리와 운영이 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템 및 그 제어방법{Micro Energy Block-Based Infrastructure System for City Type and Control Method thereof}
본 발명은 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 계층화된 모듈 구조를 갖도록 구성하여 관리와 운영을 단일화함으로써, 직관적인 에너지 관리와 효율적인 인프라 관리를 가능하게 해 주는 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 도시 설계는 거주자의 편의성을 중심으로 용도에 따라 지역을 구획하고 입주형태를 배치하는 방식의 도시 계획을 기반으로 이루어진다.
또한, 상기한 도시 계획에 따라 유효한 인프라를 공급하게 되는데, 각 지역의 에너지 소비를 예측한 후, 이에 대응되도록 안정적이고 경제적인 방식으로 에너지를 공급할 수 있는 체계를 부가적으로 설계한다.
여기서, 에너지 인프라는 경제성과 관리효율성, 확장성 등을 고려하게 되는데, 현실적으로 도시의 구획과는 합치하지 않는 경우 에너지 공급 측면에서의 효율적 구조가 우선적으로 선택되는 것이 보편적으로 적용된다.
그러나, 상술한 바와 같이 각 건물이나 수용가 단위의 에너지는 외부 에너지 인프라 계통과 분리된 하나의 개체로 간주되기 때문에, 지역단위로 확장하는 경우 이러한 논리적 구성과 에너지 인프라 사이에 불일치가 발생하여 관리와 확장에 어려움이 있게 된다.
[선행기술문헌]
1. 도시 에너지 시스템 (특허출원번호 : 10-1991-0010669)
2. 탄소제로도시 설계를 위한 효율적/지속가능한 에너지 공급 및 교통시스템(특허출원번호 : 10-2009-0014315)
이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로, 마이크로에너지블록으로 정의되는 모듈단위로 에너지 관리 단위를 구성하고, 이들을 결합하여 상위의 모듈을 구성하도록 함으로써, 체계적인 에너지 인프라의 관리와 운영을 가능하도록 해 주는 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템 및 그 제어방법을 제공함에 기술적 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따른 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템은
계층화된 모듈 구조를 갖도록 구성하여 관리와 운영을 단일화함으로써, 직관적인 에너지 관리와 효율적인 인프라 관리를 가능하게 해 주는 도시형 에너지 인프라 시스템에 있어서,
외부와 에너지 인터페이스를 가지며 내부의 에너지를 통합적으로 관리하는 마이크로에너지블록을 포함하며
상기 마이크로에너지블록을 통해 계층화된 모듈 구조를 갖도록 모듈단위로 구성된 에너지 관리 단위를 포함하며,
상기 에너지 관리 단위를 결합하여 상위의 모듈을 구성하는 것을 특징으로 하여 체계적인 에너지 인프라의 관리와 운영이 가능한 것을 특징으로 한다.
바람직하게는,
상기 마이크로에너지블록은 확장이 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로에너지블록의 속성은
해당 MEB의 에너지 소비/공급 현황과 예측의 인식이 가능한(자기 인식적)것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로에너지블록의 속성은
해당 MEB의 에너지 최적 관리를 위하여 자율적 반응이 가능한(자율적) 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로에너지블록의 속성은
MEB 간의 연계를 통하여 에너지 소비/공급 단위의 확장이 가능한(확장적) 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로에너지블록의 속성은
MEB의 외부의 적절한 신호에 반응하며, 내부의 상황변화에 따라 외부 변화 요청이 가능한(반응적) 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로에너지블록의 속성은
MEB는 MEB를 포함할 수 있으며, 다른 MEB에 포함될 수 있는(계층적)것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로에너지블록의 속성은
MEB는 자기 정보의 분석이 가능한(자기 분석적)것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로에너지블록의 속성은
MEB는 개방형 인터페이스를 통해 다른 MEB와 연동가능한 것을(개방형 인터페이스) 특징으로 한다.
본 발명의 제2 관점에 따른 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템의 제어방법은
마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템을 통한 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템의 제어방법에 있어서,
상위 MEB 운영정책, 요구사항 및 환경정보를 수신하는 단계,
자체 및 하위 MEB 운영정책 수립, 검증 및 조정과정을 수행하는 단계,
하위 MEB 운영정책, 요구사항 및 환경정보를 수신하는 단계,
하위 MEB 운영계획, 계약조건 및 조정요구를 수신하는 단계,
운영요구사항 만족여부를 판단하는 단계,
상기 운영요구사항에 만족하는 경우, 하위 MEB 운영계획 및 제약조건을 발신하는 단계,
상기 운영요구사항에 만족하지 않는 경우, 상위 MEB 계획 검증 및 조정필요 여부를 판단하는 과정을 수행하는 단계,
상기 판단과정에서, 상위 MEB 계획 검증 및 조정이 필요하다고 판단되는 경우에는 자체 및 하위 MEB 운영계획, 제약조건 및 조정요구를 발신하는 단계,를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 직관적 에너지 관리와 효율적인 인프라 관리가 가능함은 물론, 설계 및 관리의 유연성과 확장성을 제공할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 계층화된 모듈 구조를 갖도록 구성하여 관리와 운영을 단일화함으로써, 직관적인 에너지 관리와 효율적인 인프라 관리를 가능하게 해 주는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 도시형 에너지 인프라 시스템에서의 마이크로에너지블록(MEB:Micro Energy Block)의 기본 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 마이크로에너지블록에서 정보/제어 계층을 포함한 마이크로에너지블록의 모델을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 마이크로에너지블록의 확장성에 대한 예시적인 모델을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 마이크로에너지블록의 계층적 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 종래 도시 계획에서 전기 인프라 설계의 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 종래 계획 도시 설계의 일예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 도시형 에너지 인프라 시스템에서의 마이크로에너지블록기반 마이크로에너지그리드(MEG:Micro Energy Grid)에 기반한 인프라 설계의 변화를 나타낸 도면이다.
도 8은 종래 일반적인 IT네트워크 구성 모델의 일예들을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에서 적용한 스타방식 구현에서 있어서의 실질적 배치에 관한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 도시형 에너지 인프라 시스템의 제어과정의 일예를 나타낸 흐름도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다. 단, 이하에 설명하는 실시예는 본 발명의 하나의 바람직한 구현예를 예시적으로 나타낸 것으로서, 이러한 실시예의 예시는 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 그 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다.
모듈형 에너지 관리 방법론의 개념
기존의 에너지 관리는 설비를 IT 기반으로 통합 모니터링하고, 수집된 정보를 기반으로 원격에서 설비의 가동을 제어하는 정보통신 관점의 기술적 방법론과, 수집된 정보를 기반으로 최적 제어를 수행하는 알고리즘 기반의 운영 방법론으로 크게 분류될 수 있다. IT 기반의 통합 모니터링과 통합 제어는 지속적 상태 감시와 자동화된 제어를 가능하게 하므로 효율적 에너지 관리를 위한 필수 요소이나 에너지 관리의 효율성을 담보하지는 않는다. 전통적 에너지 관리의 방법은 수동적(Passive)인 기술의 도입을 통한 단열의 개선, 환기 체계의 개선, 채광의 개선 등 건축적 관점의 접근과 고효율설비의 도입, 설비 특성을 고려한 운전 사이클의 개선, 외기 도입과 같은 외부 환경을 활용한 에너지의 절감, 구역별 적정 에너지의 공급 등과 같은 다양한 방식이 연구되고 사용되나 건물을 중심으로 하는 제한된 운영체계이다.
최근 에너지의 관리는 실시간으로 변화하는 에너지 가격, 특정 조건의 충족에 따른 인센티브, 관리자의 비용 목표 등과 같은 다양한 외적 요인과 결합한 운전에 대한 요구가 증가하고 있으며, 에너지 효율 개선에 대한 요구도 증가하고 있다. 사용자 측에서 볼 때 복합적 에너지원이 공급되며, 이러한 복합적 에너지원은 독립적 관계가 아니라 밀접한 상호 연관성을 가지고 있으며 조건에 따라 스위칭이 가능한 것이 최근의 건물의 에너지 관리 관점의 변화이다.
마이크로에너지블록 (Micro Energy Block, MEB)
본 발명에서는 이러한 환경의 변화와 에너지 관리의 관점의 사용자 측면에서 보다 유연하게 확장성을 가질 수 있도록 하고, 단수의 건물의 아니라 복수의 건물에서 복합적 모듈로 구성된 에너지그리드화를 통하여 에너지를 통합적으로 관리하는 것을 목표로 한다. 이러한 관리를 위하여 본 발명에서는 에너지를 소비하고/하거나 공급하는 기본 단위를 지능성을 가진 모듈형 에너지 관리 객체로 정의하고 마이크로에너지블록 (Micro Energy Block, MEB)로 명칭한다.
도 1은 MEB의 기본 개념을 보여주며, 다양한 요소로 구성된 하나의 공간이 확장되어 상위의 MEB로 구성되며, MEB는 외부와의 기술적 제약조건 (constraints)를 갖는 블록으로 정의된다.
MEB는 하나의 독립된 에너지 모니터링 및 관리의 단위로서 외부의 입력을 받아 전기, 가스, 열, 물과 같이 외부의 환경에 따라 제약을 받는 자원들의 효율적 활용을 위하여 외부의 시스템과 상호작용하며 에너지 관리를 최적화하는 역할을 수행한다. MEB는 내부의 요구사항과 외부의 요구사항 간의 최적 충족을 위하여 내부의 자원과 외부의 자원에 대한 최적 운영을 수행하며 이를 위해 외부의 MEB와 긴밀한 협업을 한다.
도 2는 정보/제어계층을 포함한 MEB의 모델로 에너지의 공급 및 소비와 직접 관련된 물리적 MEB 계층은 본 발명의 MEB 플랫폼(Platform)을 통하여 통합적으로 모니터링되고 제어되며 외부의 시스템과 연동되는 것을 보여준다.
MEB는 자율적으로 에너지의 관리가 가능한 기본 단위로 다음 표 1과 같은 속성을 가진다.
<표 1>
Figure pat00001

표 1에서,
상기 마이크로에너지블록의 속성은
해당 MEB의 에너지 소비/공급 현황과 예측의 인식이 가능한(자기 인식적)것을 특징으로 하며,
해당 MEB의 에너지 최적 관리를 위하여 자율적 반응이 가능한(자율적) 것을 특징으로 하며,
MEB 간의 연계를 통하여 에너지 소비/공급 단위의 확장이 가능한(확장적) 것을 특징으로 하며,
MEB의 외부의 적절한 신호에 반응하며, 내부의 상황변화에 따라 외부 변화 요청이 가능한(반응적) 것을 특징으로 하며,
MEB는 MEB를 포함할 수 있으며, 다른 MEB에 포함될 수 있는(계층적)것을 특징으로 하며,
MEB는 자기 정보의 분석이 가능한(자기 분석적)것을 특징으로 하며,
MEB는 개방형 인터페이스를 통해 다른 MEB와 연동가능한 것을(개방형 인터페이스) 특징으로 한다..
MEB는 물리적으로 하나의 독립된 블록으로 구성될 수도 있지만 필요에 따라 가상의 블록으로 구성되고 운영될 수도 있는 물리적 구성에 기반하는 논리적 운영의 단위가 되며, 내부의 요구사항과 외부의 환경요인에 대하여 개별 단위의 최적 결정을 할 수 있도록 하며, 이러한 결정 과정이 외부의 시스템과 협업을 통하여 이루어지도록 하여 전체 시스템 차원에서의 최적화를 가능하게 한다. MEB 개념의 적용은 에너지 관리의 단위에 대한 유연성을 제공하여 공간 내 구역(Zone)에서부터, 빌딩, 빌딩군 등으로 손쉽게 확장하고 수정할 수 있도록 하여 에너지 관리 및 설계의 방법론에 대한 유연성과 관리의 단순성을 보장한다.
마이크로에너지블록의 확장성
도 3은 MEB의 확장성에 대한 예시로 건물단위로 기본 MEB를 구성하는 경우, 몇 개의 건물간 클러스터링을 통하여 에너지그리드를 형성하고, 하나의 상위 MEB를 구성할 수 있다. 클러스터링된 건물, 혹은 MEB는 해당 MEB를 통합적으로 운영할 수 있는 본 발명의 MEB 플랫폼(Platform)을 필요로 하며, 각 MEB는 상위의 MEB와 협업하여 에너지를 관리한다. 이러한 방식으로 형성된 클러스터링 된 MEB를 다시 클러스터링 하는 경우 계층적으로 확장된 MEB의 구성이 가능하며, 동일한 방법으로 Scale-Free하게 확장이 가능하다. 이는 본 발명에서 지향하는 도시 단위의 에너지 관리로 확장을 가능하게 하는 기본적 구조를 제공한다.
MEB는 도 4와 같이 계층적 구조를 가지고 확장이 가능하다. 각 MEB는 상위의 MEB와 MEG MEB Platform을 통하여 연동되며, 필요에 따라 동일 클러스터 내 혹은 외부의 MEB와 정보의 연계가 가능하다. 각 MEB의 에너지 관리/운영 결정은 외부 MEB와의 연동 뿐 만이 아니라 각 MEB의 특성에 따른 개별적 외부 시스템과의 연동을 동시에 수용할 수 있어 자율적이고 MEB의 속성에 부합되도록 이루어진다.
MEB의 운영은 단순한 특정 에너지 관점의 총량적 관리가 아니라, 총체적 에너지요소, 비용, CO2 발생, MEB 내부 구성원의 편의성 등 다양한 목표를 종합적으로 판단하여 관리할 수 있는 다중 목표지향의 관리체계를 구성하게 된다. 이러한 운영 체계는 기존의 에너지 관리 방법과 비교할 때 아래의 <표 2>와 같은 차별성이 있다.
<표 2>
Figure pat00002

표 2에서, MEB와 기존 에너지 관리 방식간 비교를 살펴보면,
설계방법에 있어서, 기존방식은 설비 중심 용량설계이고, MEB방식은 운용 중심 모듈러(Modular)설계이다.
기본단위에 있어서, 기존방식은 건물 단위이고, MEB방식은 지역(Zone)에서,건물,도시까지 유연한 구성이다.
확장성에 있어서, 기존방식은 비체계적 용량확장을 하는 반면, MEB방식은 MEB 기반의 확장성을 가진다.
모델링에 있어서, 기존방식은 물리적 모델링이고, MEB방식은 하드웨어 종속성이 없는 최소화된 논리적 모델링이다.
운영범위에 있어서, 기존방식은 에너지 개별적 운영을 하며, MEB방식은 에너지 통합적 운영을 한다.
운영방식에 있어서, 기존방식은 중앙집중식(확장성의 한계)이고, MEB방식은 분산 자율식 운영을 한다.
인터페이스에 있어서, 기존방식은 기기 통신프로토콜 중심 인터페이스인 반면에, MEB방식은 에너지 운영량 중심 인터페이스이다.
기존의 ZONE별 설계에 있어서, 기존방식은 공간 중심의 설계는 적용하나 운영은 통합적인데 반해, MEB방식은 에너지 운영 중심의 단위 블록 설계이다.
본 발명에서는 이러한 MEB 기반의 운영체계를 지향함에 따라, 기존의 에너지 관리 설계 및 운영 방법론과는 다른 새로운 패러다임을 제시하고 있으며, 이를 구현하기 위하여 MEG에 특화된 설계 및 운영 방법론이 필요하다.
도 5는 종래 도시 계획에서 전기 인프라 설계의 예를 나타낸 도면이고, 도 6은 종래 계획 도시 설계의 일예를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 도시형 에너지 인프라 시스템에서의 마이크로에너지블록기반 마이크로에너지그리드(MEG:Micro Energy Grid)에 기반한 인프라 설계의 변화를 나타낸 도면이고,도 8은 종래 일반적인 IT네트워크 구성 모델의 일예들을 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명에서 적용한 스타방식 구현에서 있어서의 실질적 배치에 관한 도면이고, 도 10은 본 발명에 따른 도시형 에너지 인프라 시스템의 제어과정의 일예를 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 모듈형 에너지 관리 모델의 적용
기존의 에너지 인프라는 건물이나 소유주가 일치하는 소수의 건물군 까지에 이르는 대형의 광역 그리드와, 그리드와의 접점 혹은 인입점을 기준으로 구성되는 사용자 인프라로 구분된다. 광역 그리드에서는 통계적인 혹은 특정한 요구사항을 기반으로 인프라 계획을 수립하게 되며 필요에 따라 적절한 지역에 에너지 공급망을 연결하는 역할을 한다. 수요측 소유주는 광역 인프라를 공급받는다는 전제하에 단위 건물 내부의 설비와 인프라 계획을 수립하게 된다. 이러한 체계는 계층적 설계 관점에서 설계와 운영을 분리시키고 관리를 용이하게 하는 측면이 있으므로 지속적으로 사용되어 오고 있다.
그러나, 본 발명에 따른 모듈 기반의 구성을 통한 통합적 운영은 보다 효율성이 높은 에너지 관리의 기회를 제공하며 특히 관리의 관점과 운영의 관점을 합치시켜 거시적 관점의 분석과 관리를 보다 용이하게 하는 장점이 있다. MEG에서는 Micro Energy Block이라는 단위를 기반으로 설비나 건물을 추상화하고, 이들을 기반으로 마이크로에너지그리드를 구성하고, 마이크로에너지그리드를 계층적으로 확대함으로써 도시인프라를 구성하는 새로운 접근 방법을 제시하고 있다.
도시 설계에 있어서 에너지 인프라의 구축은 한번 실시하는 경우 변경이 어렵고 장기간 사용되므로 20년 이상의 장기 부하 변화를 예측하고 공급 신뢰도 요구조건을 만족하는 벙위에서 경제적인 설비 투자계획을 수립하는 방향으로 이루어진다. 장기 부하의 변화는 도시의 특성이나 도시 계획에 따른 구획별 수용가의 에너지 소비 특성의 적용과, 도시의 성장에 따른 에너지 사용의 증가 등을 고려하여 예측된다. 전력의 경우 이에 따라 변전소 공급구역, 경과지별 회선수, 변전소 인출회선수, 부하밀도지도, 손실 및 전압강하 정보, 개략 공사비 정도 등을 기반으로 하여 경제적인 인프라 도입 계획을 수립하게된다. 이러한 접근은 정밀도나 설비의 특성에 따라 편차를 가지는 하지만 열공급망이나 가스공급망의 설계에서도 동일하게 적용된다. 이러한 인프라의 설계에 있어서 가장 많은 제약조건을 가지고 있는 전기를 중심으로 동등한 방식을 열과 가스 등의 에너지 인프라로 확장한다.
앞에서 언급된 바와 같이 인프라의 설계에 있어서 도시의 부하 특성을 고려하여 제약조건을 생성하고, 이러한 제약조건을 만족하는 범위 내에서 경제적인 투자 계획을 수립하는 것이 일반적 접근 방법이며 다양한 정보와 분석 도구가 활용된다.
그러나, 실제 도시의 진화는 예측한 대로 이루어지는 것이 아니므로 최초 최적화된 설계가 점차 복잡하고 상황에 따른 추가적인 변화 요인이 적용된 복합적 형태로 진화된다. 이러한 변화에 따라 유지 보수의 어려움이 높아지고 효율적 운영에 한계를 가지게 되는데, 한번 인프라가 구축된 후에는 변화에 대응하는 것이 현실적으로 불가능해진다. 또한, 인프라 계획의 단계에서는 운전 관점 또는 설비 투자관점의 경제적 접근이 이루어지므로 Life Cycle Cost의 측면에서도 유효성이 추가적으로 검토될 필요가 있다.
도 6은 구획에 따라 용도가 정의된 도시계획의 일례이다. 도시 계획의 수립 단계에서는 에너지 인프라에 대한 고려보다는 거주자의 생활을 중심으로 구획을 나누고 이를 기반으로 도시설계가 이루어진다. 각 구역별 특성에 따라 에너지 요구사항이 상이하며 향후 시간에 따라 지속적으로 특성이 변화하게 된다.
에너지 인프라의 설계는 도시 전역에 에너지의 전달을 여하히 원활하게 할 것인가를 기본 목표로 하며 이를 기반으로 효율적 투자와 운영을 고려하여 진행된다. 이때, 부분적인 특이 요구사항들을 추가로 고려하게 되는데 예를 들어 병원이나 기간 설비 등의 경우 전력 공급 회선을 이중화하거나 민감한 산업설비의 경우 악성 부하가 많이 도입되는 선로와 분리하여 전력을 공급하는 것 등을 들 수 있다.
이러한 인프라 설계 방법은 도시의 구성과 에너지 인프라 간 불일치를 발생시키며 향후 관리와 운영의 불일치를 초래하는 한계가 있다. 도시는 생활 공간을 기준으로 정의되는 반면 에너지 인프라는 도시 설계가 완료된 후에 부가적으로 도입되기 때문에 발생하는 문제이며, 실제 도시의 구성에 있어서 특이한 요구사항이 있는 소수를 제외하고는 일반적인 요구사항을 기반으로 인프라가 설계된다. 또한 도시 계획상의 구획 구조와 에너지인프라의 공급 구조간의 불합치로 인하여 실질적으로 이원화된 인프라 구조를 갖게 된다.
본 발명에서는 도시 구역별 요구사항에 부합되도록 에너지 인프라를 구성하고, 도시 운영 인프라와 합치될 수 있는 구조로 확장해 나가는 것을 기본 모델로 고려한다. 이러한 접근 방식은 초기 비용 부담은 높아질 수 있으나 운영, 유지보수, 확장성 등의 측면에서 유연성의 확보가 가능해 지는 효과가 있다.
기존의 에너지 인프라가 대부분 관리의 용이성을 중심으로 하는 수지선상 방식의 구성을 가지고 있었다면, 본 발명에서 추구하는 MEB 기반의 계층적 구조를 지원하기 위해서는 인프라 구성방법의 변화를 필요로 한다. IT 네트워크와 유사 혹은 동등한 특성을 갖는 다양한 망구조의 도입은 지역별로 분산화된 체계를 보다 유연하게 관리할 수 있는 수단을 제공할 수 있다. 아래 그림은 일반적으로 IT망에서 활용되는 기본적인 네트워크 구조를 보여준다. Bus 방식, 링 형태를 갖는 Bus 방식, Star 방식, Ring 방식, Mesh 방식 등이 일반적으로 사용되는 네트워크 체계이다. 실제 망구성에 있어서는 다양한 네트워크 모델들이 필요에 따라 혹은 계층별 특성에 따라 복합적으로 구성되는 것이 일반적이다.
에너지 인프라에서 일반적으로 사용되는 망 구조는 송전계통과 배전계통에 따라 달라지는데, 송전계통은 Mesh 망의 구조를 갖는 반면 배전은 구조적으로는 제한적 mesh 방식을 지원하나 운영은 Bus 방식으로 이루어진다. 도시 단위의 인프라 체계에서는 송전 보다는 배전단의 인프라가 보다 큰 영향을 미치므로 배전단을 중심으로 검토한다.
본 발명에서 지향하는 계층적 에너지 관리 체계의 지원을 위해서는 Star 방식의 네트워크 체계가 보다 유용하다. 네트워크 구성에서 Bus 방식의 체계를 Star 방식으로 전환하는 경우 구조의 복잡도와 배선의 증가로 인한 비용요인이 발생하는 경향이 있다. 반면 도시 인프라에서 배전선로는 지중화되는 경향을 고려할 때 아래 그림과 같이 동일한 Topology를 가지면서도 실제는 Bus 방식과 유사한 배치를 갖는 것을 알 수 있다. 인프라의 구축에 있어서 대부분이 지중화 혹은 배선 비용이라는 측면을 고려할 때, 실질적 비용 증가요인은 제한적일 수 있다.
상기 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템은
물리적으로 모듈화된 에너지 관리의 단위이며,
단위 건물 뿐만 아니라 다단계의 계층구조를 통한 유연한 확장성을 지원하며,
해당 모듈단위로 에너지 소비와 공급을 결정할 수 있으며,
부족한 부분은 외부에서 공급을 받는 형태로,
계층적 구조속에서 협력적 에너지 관리를 통하여 효율적인 에너지의 생산과 소비를 추구하는 것으로 보다 진화된 형태의 에너지 관리 방법론을 제공한다.
이의 구현을 위하여 각 모듈은 논리적으로 자기 에너지 소비와 생산을 예측하고 조정할 수 있는 기능을 가지며 자기 소비와 생산 계획을 상위 계층으로 알려주고, 상위 계층은 이를 고려하여 차 상위 계층과 협력하여 생산 계획을 수립하도록 한다.
마이크로에너지블록으로 정의되는 모듈 단위로 에너지 관리 단위를 구성하고 이들을 결합하여 상위의 모듈을 구성하는 방법을 통하여 체계적인 에너지관리 인프라의 관리와 운영을 가능하게 한다.
에너지관리의 대상을 에너지 입출력 인터페이스를 갖는 마이크로에너지블록으로 정의되는 모듈로 구성하고 마이크로에너지블록 단위로 독립적일 필요는 없는 자율적 운영을 하며 상위의 마이크로에너지블록에서 또는 마이크로에너지블록으로 과부족 에너지를 공급받거나 하는 방식으로 운영된다. 마이크로에너지블록은 외부의 마이크로에너지블록과 결합하여 보다 큰 상위의 마이크로에너지블록을 구성할 수 있으며, 상위의 마이크로에너지블록은 자신의 상위 블록 및 하위의 블록들과 협조하여 에너지 소비를 계획하고 운영하는 역할을 수행한다.
도 10은 본 발명에 따른 도시형 에너지 인프라 시스템의 제어과정의 일예를 나타낸 흐름도이다.
도 10을 참조하면,
먼저, 시스템 제어부(미도시)는 상위 MEB 운영정책, 요구사항 및 환경정보를 수신한다(S2).
이후, 자체 및 하위 MEB 운영정책 수립, 검증 및 조정과정을 수행한다(S4).
이후, 하위 MEB 운영정책, 요구사항 및 환경정보를 수신한다(S6).
이후, 하위 MEB 운영계획, 계약조건 및 조정요구를 수신한다(S8).
이후, 운영요구사항 만족여부를 판단한다(S10).
상기 단계 S10의 판단결과, 운영요구사항에 만족하는 경우, 하위 MEB 운영계획 및 제약조건을 발신한다(S16).
상기 단계 S10의 판단결과, 운영요구사항에 만족하지 않는 경우, 상위 MEB 계획 검증 및 조정필요 여부를 판단하는 과정을 수행한다(S12).
상기 단계 S12의 판단과정에서, 상위 MEB 계획 검증 및 조정이 필요하다고 판단되는 경우에는 자체 및 하위 MEB 운영계획, 제약조건 및 조정요구를 발신한다(S14).
상기 단계 S12의 판단과정에서, 상위 MEB 계획 검증 및 조정이 필요하다고 판단되지 않는 경우에는 상기 단계 S4로 진행한다.
한편, 상기 단계 S6이후에 하위 MEB 운영계획, 제약조건 및 조정요구 수신단계를 거친다(S5). 이후 상기 단계 S8로 처리된다.
상기 단계 S6이후에 S5를 거치는 경우와 S8로 진행되는 경우는 선택적인 것이 될 수 있으며, 시스템의 안정성 측면을 고려한 사항이기도 하다.
마찬가지로 상기 단계 S2는 외부로부터 상위 MEB 운영정책, 요구사항 및 환경정보를 수신할 수 있다.
또한 상기 단계 S14 및 S16은 외부로(상기 단계 S6에서 S5로 전달하는 단계와 유사) 발신할 수 있다.
S2: 상위 MEB 운영정책, 요구사항 및 환경정보 수신
S4: 자체 및 하위 MEB 운영정책 수립, 검증 및 조정
S5: 하위 MEB 운영계획, 제약조건 및 조정요구 수신
S6: 하위 MEB 운영정책, 요구사항 및 환경정보 수신
S8: 하위 MEB 운영계획, 계약조건 및 조정요구 수신
S10: 운영요구사항 만족여부
S12: 상위 MEB 계획 검증 및 조정필요
S14: 자체 및 하위 MEB 운영계획, 제약조건 및 조정요구 발신
S16: 하위 MEB 운영계획, 제약조건 발신

Claims (10)

  1. 계층화된 모듈 구조를 갖도록 구성하여 관리와 운영을 단일화함으로써, 직관적인 에너지 관리와 효율적인 인프라 관리를 가능하게 해 주는 도시형 에너지 인프라 시스템에 있어서,
    외부와 에너지 인터페이스를 가지며 내부의 에너지를 통합적으로 관리하는 마이크로에너지블록을 포함하며
    상기 마이크로에너지블록을 통해 계층화된 모듈 구조를 갖도록 모듈단위로 구성된 에너지 관리 단위를 포함하며,
    상기 에너지 관리 단위를 결합하여 상위의 모듈을 구성하는 것을 특징으로 하여 체계적인 에너지 인프라의 관리와 운영이 가능한 것을 특징으로 하는 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로에너지블록은 확장이 가능한 것을 특징으로 하는 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로에너지블록의 속성은
    해당 MEB의 에너지 소비/공급 현황과 예측의 인식이 가능한(자기 인식적)것을 특징으로 하는 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로에너지블록의 속성은
    해당 MEB의 에너지 최적 관리를 위하여 자율적 반응이 가능한(자율적) 것을 특징으로 하는 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로에너지블록의 속성은
    MEB 간의 연계를 통하여 에너지 소비/공급 단위의 확장이 가능한(확장적) 것을 특징으로 하는 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로에너지블록의 속성은
    MEB의 외부의 적절한 신호에 반응하며, 내부의 상황변화에 따라 외부 변화 요청이 가능한(반응적) 것을 특징으로 하는 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로에너지블록의 속성은
    MEB는 MEB를 포함할 수 있으며, 다른 MEB에 포함될 수 있는(계층적)것을 특징으로 하는 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로에너지블록의 속성은
    MEB는 자기 정보의 분석이 가능한(자기 분석적)것을 특징으로 하는 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로에너지블록의 속성은
    MEB는 개방형 인터페이스를 통해 다른 MEB와 연동가능한 것을(개방형 인터페이스) 특징으로 하는 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템.
  10. 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템을 통한 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템의 제어방법에 있어서,
    상위 MEB 운영정책, 요구사항 및 환경정보를 수신하는 단계,
    자체 및 하위 MEB 운영정책 수립, 검증 및 조정과정을 수행하는 단계,
    하위 MEB 운영정책, 요구사항 및 환경정보를 수신하는 단계,
    하위 MEB 운영계획, 계약조건 및 조정요구를 수신하는 단계,
    운영요구사항 만족여부를 판단하는 단계,
    상기 운영요구사항에 만족하는 경우, 하위 MEB 운영계획 및 제약조건을 발신하는 단계,
    상기 운영요구사항에 만족하지 않는 경우, 상위 MEB 계획 검증 및 조정필요 여부를 판단하는 과정을 수행하는 단계,
    상기 판단과정에서, 상위 MEB 계획 검증 및 조정이 필요하다고 판단되는 경우에는 자체 및 하위 MEB 운영계획, 제약조건 및 조정요구를 발신하는 단계,를 포함하는 마이크로에너지블록기반 도시형 에너지 인프라 시스템의 제어방법.


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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109412144A (zh) * 2018-10-15 2019-03-01 国网江苏省电力有限公司 一种柔性负荷的能量区块化管理装置

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