KR20200063714A - 최소자승법을 이용하여 에너지 사용량 변화를 분석하는 에너지 모니터링 방법 및 이를 이용한 에너지 모니터링 시스템 - Google Patents

최소자승법을 이용하여 에너지 사용량 변화를 분석하는 에너지 모니터링 방법 및 이를 이용한 에너지 모니터링 시스템 Download PDF

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Abstract

에너지 모니터링 방법은 복수의 장치의 전력량 데이터를 실시간으로 전달받아 전력량 통계치를 3차원 가상영상으로 표시하는 단계와, 상기 전력량 데이터 및 상기 전력량 통계치를 전달받아 데이터베이스화하여 관리하는 단계와, 최소자승법을 이용하여 전력 변화량을 분석하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

최소자승법을 이용하여 에너지 사용량 변화를 분석하는 에너지 모니터링 방법 및 이를 이용한 에너지 모니터링 시스템{An energy monitoring method for analyzing energy use change using a least squares method and an energy monitoring system using the same}
본 발명은 에너지 모니터링 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 최소자승법을 이용하여 에너지 사용량 변화를 분석하는 에너지 모니터링 방법 및 이를 이용한 에너지 모니터링 시스템에 관한 것이다.
효율적인 건물(특히, 생산 설비) 에너지 관리의 궁극적인 목표는 생산 효율을 저하하지 않으면서 스케줄에 따라 생산 설비의 에너지(전기, 가스, 기타 등등)를 공급 및 차단하고, 스케줄 제어를 벗어난 상황에서 비 가동 시간이 일정 시간 이상 지속될 경우 자동으로 에너지 공급을 차단하는 것이다.
건물의 에너지 절약을 위한 기술적인 조치가 이루어졌다고 해도 실질적인 건물의 에너지 사용형태, 시스템 효율, 정상적인 작동 및 운전 스케줄 등에 대한 치밀하면서도 지속적인 에너지 관리 없이는 그 효과를 기대하기 어렵다.
그러므로 선진국에서는 별도의 건물 에너지 관리자를 배치하여 건물의 에너지 소비 수준, 운전상태 등을 철저히 관리함으로써 항상 최상의 에너지 효율로 건물을 운전하고 있다.
따라서 효율적인 건물 에너지를 관리하기 위해서는 건물 내의 에너지 사용장치를 정확히 모니터링 해야 하며, 이를 기반으로 에너지 사용 스케줄링을 수행해야 한다.
종래의 시스템은 많은 센서를 배치하여 에너지 통합 관리를 할 수 있다는 장점이 있으나, 에너지 상태를 실시간으로 표시하는 경우가 대부분이어서 변동추이에 따른 예측을 하기 힘들다.
KR 10-2013-0021879 A
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 최소자승법을 이용하여 에너지 사용량 변화를 분석함으로써 에너지 사용량의 변동을 용이하게 예측할 수 있는 에너지 모니터링 방법 및 이를 이용한 에너지 모니터링 시스템을 제공한다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 장치의 전력량 데이터를 실시간으로 전달받아 전력량 통계치를 3차원 가상영상으로 표시하는 단계와, 상기 전력량 데이터 및 상기 전력량 통계치를 전달받아 데이터베이스화하여 관리하는 단계와, 최소자승법을 이용하여 전력 변화량을 분석하는 단계를 포함하는 에너지 모니터링 방법이 제공된다.
또한 본 발명에서 상기 최소자승법을 이용하여 전력 변화량을 분석하는 단계는,
편차 제곱의 오차총합(x2)을 수학식 1과 같이 정의하고,
<수학식 1>
Figure pat00001
f(xi) 의 함수를 일차함수 y= ytrue = ax + b 로 정의할 경우(a, b는 상수),
수학식 1은 수학식 2 및 수학식 3으로 정의되고,
<수학식 2>
Figure pat00002
<수학식 3>
Figure pat00003
측정한 전력량 데이터값(yi)과 해당 직선 위의 값(f(xi)) 사이의 오차를 최대한 줄이는 상수 a와 b를 수학식 4 및 수학식 5를 통해 산출하는 과정을 진행하고,
<수학식 4>
Figure pat00004
<수학식 5>
Figure pat00005
산출된 상수 a 및 b를 일차함수 y= ytrue = ax + b 에 대입하여, 일차함수의 기울기를 통해 전력 변화량을 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 분전반으로부터 전력을 공급받아 동작하는 복수의 장치와, 상기 분전반 내부에 모듈형태로 삽입 가능하고 무선통신으로 전력량 데이터를 송수신하는 복수의 모듈형 전력량 측정부와, 상기 복수의 모듈형 전력량 측정부로부터 상기 전력량 데이터를 실시간으로 전달받아 전력량 통계치를 3차원 가상영상으로 표시하는 모니터링 애플리케이션이 설치된 에너지 모니터링부와, 상기 에너지 모니터링부로부터 상기 전력량 데이터 및 상기 전력량 통계치를 전달받아 데이터베이스화하여 관리하는 관리서버를 포함하고, 상기 모니터링 애플리케이션은 최소자승법을 이용하여 전력 변화량을 분석하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 정전 발생시 상기 분전반으로 비상전력을 자동 공급하는 무정전 전원장치를 더 포함하고, 상기 복수의 모듈형 전력량 측정부는 상기 무정전 전원장치에서 전력이 공급되는 경우, 외부공급전력에서 전력이 공급될 때보다 최대허용전류를 낮게 자동설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 모니터링 방법 및 이를 이용한 에너지 모니터링 시스템은 최소자승법을 이용하여 에너지 사용량 변화를 분석함으로써 에너지 사용량의 변동을 용이하게 예측할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 모니터링 시스템(1)의 개념도
도 2는 최소 자승법을 이용하여 전력량 변화를 측정하는 과정을 도시한 도면
도 3은 측정값 yi와, 함수값 f(xi) 사이의 관계도를 나타낸 그래프
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 모니터링 시스템(1)의 개념도이다.
본 실시예에 따른 에너지 모니터링 시스템(1)은 제안하고자 하는 기술적인 사상을 명확하게 설명하기 위한 간략한 구성만을 포함하고 있다.
도 1을 참조하면, 에너지 모니터링 시스템(1)은 복수의 장치(100), 분전반(200), 복수의 모듈형 전력량 측정부(210), 에너지 모니터링부(300), 관리서버(400)를 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성되는 에너지 모니터링 시스템(1)의 주요동작을 살펴보면 다음과 같다.
복수의 장치(100)는 분전반(200)으로부터 전력을 공급받아 동작하는 기기와, 전력을 생산하여 공급하는 기기로 정의된다.
즉, 복수의 장치(100)는 컴퓨터, 발전기, 생산설비, 공조기, 엘리베이터, 무정전 전원장치, 냉난방기 등으로 정의될 수 있다.
복수의 모듈형 전력량 측정부(210)는 분전반(200) 내부에 모듈형태로 삽입 가능하고 무선통신으로 전력량 데이터를 송수신하도록 구성된다.
즉, 모듈형 전력량 측정부(210)는 연결된 장치의 전력 소모량을 감지하여 이러한 전력량 데이터를 무선으로 송신하도록 구성된다. 한편, 전력망을 이용한 유선 통신망이 구축되어 있을 경우 이를 이용하여 전력량 데이터를 송신할 수도 있다.
모듈형 전력량 측정부(210)는 전력 소모량, 누전차단, 과전류차단, 과열차단, 역률, 선간전압, 상전류, 주파수, 온도/습도 측정을 처리하여 전력량 데이터에 포함하여 전송할 수 있다. 즉, 모듈형 전력량 측정부(210)는 부하(장치)별 프로세서 탑재로 부하 별 분산처리가 가능하고, Ture RMS 계측으로 높은 정확도를 전력량을 측정할 수 있다.
참고적으로 정전 발생시 무정전 전원장치에서 분전반(200)으로 비상전력을 자동 공급할 경우, 복수의 모듈형 전력량 측정부(210)는 외부공급전력에서 전력이 공급될 때보다 최대허용전류를 낮게 자동설정한다.
즉, 무정전 전원장치의 전력 공급량이 에너지 모니터링부(300)로 실시간 전송되고, 에너지 모니터링부(300)에 미리 설정된 비상 전력공급 우선순위정보가 복수의 모듈형 전력량 측정부(210)로 전송되면서 각 모듈형 전력량 측정부(210)의 최대허용전류의 설정범위가 자동설정된다.
에너지 모니터링부(300)는 복수의 모듈형 전력량 측정부(210)로부터 전력량 데이터를 실시간으로 전달받아 전력량 통계치를 3차원 가상영상으로 표시하는 모니터링 애플리케이션이 설치되어 있다.
에너지 모니터링부(300)는 관리자의 컴퓨터일 수도 있고, 관리자의 휴대용 단말기로 정의될 수 있다. 즉, 컴퓨터 또는 휴대용 단말기에 설치된 모니터링 애플리케이션을 통해 관리자는 복수의 장치(100)의 전력량 데이터 및 전력량 통계치를 실시간으로 확인할 수 있다.
여기에서 휴대용 단말기는 휴대폰, 스마트폰, 스마트 패드 등과 같이 사용자가 휴대하면서 사용할 수 있는 기기를 총칭하는 것이며, 본 실시예에서는 스마트폰으로 구성된 휴대용 단말기로 가정한다. 3차원 가상영상으로 표시되는 전력량 통계치는, 모니터링 애플리케이션에서 다양한 모드를 통해 표시될 수 있다.
관리서버(400)는 에너지 모니터링부(300)로부터 전력량 데이터 및 전력량 통계치를 전달받아 데이터베이스화하여 관리한다.
한편, 모니터링 애플리케이션은 최소자승법을 이용하여 전력 변화량을 분석할 수 있는데, 이하 최소자승법을 이용한 방식에 대해서 자세히 설명한다.
도 2는 최소 자승법을 이용하여 전력량 변화를 측정하는 과정을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 에너지 모니터링부(300)의 모니터링 애플리케이션은 복수의 모듈형 전력량 측정부(210)로부터 전력량 데이터를 실시간으로 전달받는데, 각 모듈형 전력량 측정부(210)로부터 측정된 전력량 데이터를 수신하는 단계(s10)가 진행된다.
다음으로, 모니터링 애플리케이션은 전력량 데이터값을 최소자승법을 적용함으로써 전력 변화량의 추이를 검출(s20)할 수 있다. 즉, 전력 변화량(변화추이)에 따른 정상동작 여부를 확인(s30)할 수 있다.
즉, 측정된 전력량 데이터를 최소자승법을 이용하여 최근 1시간동안의 변화량, 30분 동안의 변화량, 15분 동안의 변화량 등으로 세분화하여 변화량을 계산하고 계산된 결과에서 최종적인 전력 변화량을 감지하여 설정한 허용범위를 벗어날 경우 알람을 줄 수 있도록 구성된다.
최소자승법(Method of Least Squares)은 측정값을 기초로 하여 적당한 제곱합을 만들고 그것을 최소로 하는 값을 구하여 측정결과를 처리하는 방법으로 실험을 N회 실시하여 측정된 N개의 데이터를 확보하고 이 데이터 사이의 규칙성을 찾아내어 상관관계를 함수로 표현할 수 있는 방법이다.
즉, N번 측정한 측정값 y1, y2, y3, y4, ... , yn 이 있고, 함수 y=f(x) 일 것으로 추정할 수 있을 경우, 이 측정값들의 관계에서 가장 잘 맞는 함수를 y=f(x)라고 할 때, 측정값 yi와 함수값 f(x)의 차이를 제곱한 것의 합을 <수학식 1>과 같이 표시할 수 있다.
<수학식 1>
Figure pat00006
수학식 1의 값은 편차제곱의 오차 총합으로 정의할 수 있으며, 이 값이 최소가 되도록 y=f(x)를 구하는 것이 최소자승법이라고 할 수 있다.
이 직선의 그래프가 측정값의 분포를 가장 잘 나타내는 직선으로 해당 직선의 기울기가 곧 측정값의 변화추이를 나타낸다고 볼 수 있다.
도 3은 측정값 yi와, 함수값 f(xi) 사이의 관계도를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, f(xi) 의 함수를 y = ax + b 로 표현할 때, 이 직선 위의 값(ytrue)과 측정 값(yi) 의 편차(yi - ytrue )를 이용하여 편차 제곱의 오차총합(χ2)을 표현할 수 있으며 이는 <수학식 2>과 같이 표시할 수 있다.
<수학식 2>
Figure pat00007
여기에서 (ytrue) 는 ax + b 로 표현할 수 있으며 이는 <수학식 3>과 같이 표시할 수 있다.
<수학식 3>
Figure pat00008
여기서 측정한 데이터값(yi)과 해당 직선위의 값(f(xi)) 사이의 오차를 최대한 줄이는 a와 b를 찾아야 하며 이 때의 a와 b의 값은 (χ2) 값을 최소화 하는 값이 된다.
오차를 최소화하는 a, b 값을 구하기 위해서는 a와 b에 대해 각각 편미분한 값이 0 이 되면 된다. 이는 <수학식 4>와 같이 표시할 수 있다.
<수학식 4>
Figure pat00009
수학식 4를 만족하는 a와 b를 계산하면 <수학식 5>와 같이 표시할 수 있다.
<수학식 5>
Figure pat00010
모니터링 애플리케이션은 각 장치의 현재 전력량을 표시할 수 있으며, 어느 한 장치를 선택할 경우, 현재 전력량, 최고 전력량, 평균전력량, 최저전력량이 표시된다. 또한, 시간별 전력량 변화의 추세가 그래프 형태로 표시할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 모니터링 방법 및 이를 이용한 에너지 모니터링 시스템은 최소자승법을 이용하여 에너지 사용량 변화를 분석함으로써 에너지 사용량의 변동을 용이하게 예측할 수 있다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 복수의 장치
200 : 분전반
210 : 모듈형 전력량 측정부
300 : 에너지 모니터링부
400 : 관리서버

Claims (4)

  1. 복수의 장치의 전력량 데이터를 실시간으로 전달받아 전력량 통계치를 3차원 가상영상으로 표시하는 단계;
    상기 전력량 데이터 및 상기 전력량 통계치를 전달받아 데이터베이스화하여 관리하는 단계; 및
    최소자승법을 이용하여 전력 변화량을 분석하는 단계;
    를 포함하는 에너지 모니터링 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 최소자승법을 이용하여 전력 변화량을 분석하는 단계는,
    편차 제곱의 오차총합(x2)을 수학식 1과 같이 정의하고,
    <수학식 1>
    Figure pat00011

    f(xi) 의 함수를 일차함수 y= ytrue = ax + b 로 정의할 경우(a, b는 상수),
    수학식 1은 수학식 2 및 수학식 3으로 정의되고,

    <수학식 2>
    Figure pat00012

    <수학식 3>
    Figure pat00013

    측정한 전력량 데이터값(yi)과 해당 직선 위의 값(f(xi)) 사이의 오차를 최대한 줄이는 상수 a와 b를 수학식 4 및 수학식 5를 통해 산출하는 과정을 진행하고,

    <수학식 4>
    Figure pat00014

    <수학식 5>
    Figure pat00015

    산출된 상수 a 및 b를 일차함수 y= ytrue = ax + b 에 대입하여, 일차함수의 기울기를 통해 전력 변화량을 산출하는 것을 특징으로 하는 에너지 모니터링 방법.
  3. 분전반으로부터 전력을 공급받아 동작하는 복수의 장치;
    상기 분전반 내부에 모듈형태로 삽입 가능하고 무선통신으로 전력량 데이터를 송수신하는 복수의 모듈형 전력량 측정부;
    상기 복수의 모듈형 전력량 측정부로부터 상기 전력량 데이터를 실시간으로 전달받아 전력량 통계치를 3차원 가상영상으로 표시하는 모니터링 애플리케이션이 설치된 에너지 모니터링부; 및
    상기 에너지 모니터링부로부터 상기 전력량 데이터 및 상기 전력량 통계치를 전달받아 데이터베이스화하여 관리하는 관리서버;를 포함하고,
    상기 모니터링 애플리케이션은 최소자승법을 이용하여 전력 변화량을 분석하는 것을 특징으로 하는 에너지 모니터링 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    정전 발생시 상기 분전반으로 비상전력을 자동 공급하는 무정전 전원장치;를 더 포함하고,
    상기 복수의 모듈형 전력량 측정부는 상기 무정전 전원장치에서 전력이 공급되는 경우, 외부공급전력에서 전력이 공급될 때보다 최대허용전류를 낮게 자동설정하는 것을 특징으로 하는 에너지 모니터링 시스템.
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