KR20210019849A - 태양광 에너지 통합 관리방법 - Google Patents

태양광 에너지 통합 관리방법 Download PDF

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Abstract

태양광 에너지 통합 관리시스템은 할당된 영역에 각각 배치되며 분전반으로부터 전력을 공급받아 동작하는 복수의 장치와, 할당된 영역에 각각 배치되어 대기의 성분을 감지하는 상황 감지부와, 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 영상으로 표시하되 전력량에 따라 서로 다른 색상으로 상기 3차원 영상을 표시하는 모니터링 애플리케이션이 설치된 통합 모니터링부를 포함하고, 상기 통합 모니터링부의 모니터링 애플리케이션은 최소자승법을 이용하여 전력 변화량을 분석하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양광 에너지 통합 관리방법{Method of Solar power Energy integration management}
본 발명은 에너지 모니터링 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 태양광 에너지 통합 관리방법에 관한 것이다.
태양광 발전은 햇빛을 직류 전기로 바꾸어 전력을 생산하는 발전 방법으로서, 여러 개의 태양 전지들이 붙어있는 태양광 패널을 대규모로 펼쳐 태양광 에너지를 이용하여 전기를 생산하게 된다.
재생가능 에너지에 대한 수요가 증가함에 따라, 태양 전지와 태양전지 어레이의 생산도 크게 늘어나고 있는 추세이며, 현재는 계통연계형으로 태양광 발전 시스템을 구축하고 있는 실정이다.
태양광 전기에 대한 특혜적인 기준가격 의무구매제와 요금 상계제 같은 재정적인 장려 정책을 호주, 독일, 이스라엘, 일본 및 미국을 포함한 많은 나라에서 지원함으로써 태양광 발전 설비의 설치를 확대하고 있다.
이와 같은 태양광 발전은, 반영구적으로 활용할 수 있고, 태양 전지를 사용해서 유지 보수가 간편하며, 무공해 태양 에너지원을 사용하는 점 등으로 미래의 대체 에너지원으로 각광 받고 있다.
다만, 대용량의 태양광 전기를 생산하기 위해서는 넓은 지역에 많은 수의 태양광 패널이 설치되어야 하는데, 이러한 복수의 태양광 패널에 대한 세부적인 모니터링 없이는 태양광 발전이 적합한 성능으로 작동하고 있는지 또는 문제발생으로 태양광 발전의 효율성이 떨어지고 있는지 등을 파악할 수 없다.
따라서 효과적인 태양광 발전 시스템의 효율적인 운영을 보장하기 위해서는 태양광발전설비들에 대한 효율적인 모니터링의 필요성이 대두대고 있는 실정이다.
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 태양광 에너지 통합 관리방법을 제공한다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 최소자승법을 이용하여 전력 변화량을 분석하는 태양광 에너지 통합 관리방법은, 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, 태양광 에너지 통합 관리시스템은, 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 영상으로 표시하되 전력량에 따라 서로 다른 색상으로 상기 3차원 영상을 표시하는 모니터링 애플리케이션이 설치된 통합 모니터링부를 포함하고, 상기 통합 모니터링부의 모니터링 애플리케이션은 최소자승법을 이용하여 전력 변화량을 분석하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 모니터링 시스템은, 에너지 사용량을 3차원 공간에 표시함으로써 관리자가 에너지 소비흐름을 3차원적인 영상으로 파악할 수 있다.
또한, 에너지를 소비하고 있는 실제객체를 영상인식하고 해당 실제객체에 대응되는 3차원 가상객체 - 전력 소비량 정보- 를 표시하여 에너지 소비흐름을 3차원적으로 가시화할 수 있다.
또한, 최소자승법을 이용하여 에너지 사용량 변화를 분석함으로써 에너지 사용량의 변동을 용이하게 예측할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 에너지 통합 관리시스템(1)의 개념도
도 2는 태양광 에너지 통합 관리시스템(1)의 모듈형 전력량 측정부(210)의 예시도
도 3은 모니터링 애플리케이션에 표시되는 모니터링 정보
도 4는 파라미터 설정으로 모니터링 상태를 설정하는 화면
도 5는 최소 자승법을 이용하여 전력량 변화를 측정하는 과정을 도시한 도면
도 6은 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 태양광 에너지 통합 관리시스템(1)의 개념도이고, 도 2는 태양광 에너지 통합 관리시스템(1)의 모듈형 전력량 측정부(210)의 예시도이다.
본 실시예에 따른 태양광 에너지 통합 관리시스템(1)은 제안하고자 하는 기술적인 사상을 명확하게 설명하기 위한 간략한 구성만을 포함하고 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 태양광 에너지 통합 관리시스템(1)은 복수의 장치(100), 분전반(200), 복수의 모듈형 전력량 측정부(210), 통합 모니터링부(300), 관리서버(400), 인버터(20), 태양 전지판(10)를 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성되는 태양광 에너지 통합 관리시스템(1)의 주요동작을 살펴보면 다음과 같다.
인버터(20)는 태양 전지판(10)으로부터 전달되는 DC전압을 AC전압으로 변환하여 가정용 또는 산업용 전자기기에 구동전원을 공급한다. 본 실시예에서는 AC전압을 분전반(200)으로 공급한다.
복수의 장치(100)는 분전반(200)으로부터 전력을 공급받아 동작하는 기기와, 전력을 생산하여 공급하는 기기로 정의된다.
즉, 복수의 장치(100)는 할당된 영역에 각각 배치되는 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 통합 모니터링부(300)로 실시간 전송되고, 통합 모니터링부(300)에 미리 설정된 비상 전력공급 우선순위정보가 복수의 모듈형 전력량 측정부(210)로 전송되면서 각 모듈형 전력량 측정부(210)의 최대허용전류의 설정범위가 자동설정된다.
통합 모니터링부(300)는 복수의 모듈형 전력량 측정부(210)로부터 전력량 데이터를 실시간으로 전달받아 전력량 통계치를 3차원 가상영상으로 표시하는 모니터링 애플리케이션이 설치되어 있다.
즉, 통합 모니터링부(300)는 복수의 모듈형 전력량 측정부(210)로부터 전력량 데이터를 실시간으로 전달받아 전력량 통계치를 3차원 영상으로 표시하되 전력량에 따라 서로 다른 색상으로 3차원 영상을 표시한다.
통합 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 통합 모니터링부(300)로부터 전력량 데이터 및 전력량 통계치를 전달받아 데이터베이스화하여 관리한다.
도 3은 모니터링 애플리케이션에 표시되는 모니터링 정보이다.
도 3을 참조하면, 모니터링 애플리케이션은 소비전력, 전류, 전압, 역률, 부스바 온도 등의 전력사용 주요현황을 실시간으로 표시한다.
또한, 실시간 전력소비현황을 계약전력을 기준으로 표시하고, 현재 소비전력과 피크전력도달율을 표시한다. 또한, 사용처별 실시간 전력소비현황과, 기간별 전력소비 현황을 표시하고, 주요 알림상황을 팝업창 또는 특정영역에 실시간으로 표시하도록 구성된다.
또한, 소비전력, 전류, 전압, 역률 부스바 온도 등의 전력사용 실시간 현황이 생산라인 및 장치(장비)별로 제공된다.
특히, 모니터링 애플리케이션에는 각 장치의 3차원 가상영상과, 전력량 통계치가 3차원 가상영상으로 표시될 수 있다. 모니터링 애플리케이션은 장치(장비)별 세부 전력 사용현황 뿐만 아니라, 세부내역 제공으로 재해를 예방할 수 있는 주요 항목을 모니터링한다. 특히 전력품질관련 모니터링으로는 역률, 전류, 전압, 주파수 수치가 표시되며, 전기재해관련 모니터링으로는 부스바 온도감지, 단선 감지 상태가 표시될 수 있다.
도 4는 파라미터 설정으로 모니터링 상태를 설정하는 화면이다.
도 4를 참조하면, 모니터링 애플리케이션은 프로그래밍이 아닌 "파라미터 설정"의 손쉬운 방식으로 모니터링 할 각 장치를 선택하고, 각 장치의 모니터링 방식 및 수치 등을 설정할 수 있다.
즉, 관리자는 모니터링 애플리케이션을 이용하여 프로그래밍 없이 사용할 기능을 선택한 후 화면에서 선택한 아이콘(각 장비)에 복수의 기능을 마우스로 드래그 하여 연결시키는 방식으로 손쉽게 설정할 수 있다.
한편, 병영 생활관, 취사장, 무기고 등과 같은 영역에는 전기로 구동되는 복수의 장치(100)들이 배치되는데, 모니터링 애플리케이션은 각 영역별 에너지 사용량을 색깔별로 표시할 수 있다.
예를 들어 모니터링 애플리케이션은 건물의 3차원 입체도면을 표시하면서 각 영역별 에너지 사용량(전력 사용량)을 색상별로 표시할 뿐만 아니라, 각 영역(병영 생활관, 취사장, 무기고)을 선택할 경우, 해당 영역 내에 배치된 복수의 장치(100)의 전력량 통계치를 3차원 영상으로 표시할 수 있다.
한편, 모니터링 애플리케이션은 최소자승법을 이용하여 전력 변화량을 분석할 수 있는데, 이하 최소자승법을 이용한 방식에 대해서 자세히 설명한다.
도 5는 최소 자승법을 이용하여 전력량 변화를 측정하는 과정을 도시한 도면이다.
도 5를 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 6은 측정값 yi와, 함수값 f(xi) 사이의 관계도를 나타낸 그래프이다.
도 6을 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 태양광 에너지 통합 관리시스템은 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 : 통합 모니터링부
400 : 관리서버
10 : 태양 전지판
20 : 인버터

Claims (2)

  1. 할당된 영역에 각각 배치되며 분전반으로부터 전력을 공급받아 동작하는 복수의 장치;
    상기 분전반 내부에 모듈형태로 삽입 가능하고 무선통신으로 전력량 데이터를 송수신하는 복수의 모듈형 전력량 측정부; 및
    상기 복수의 모듈형 전력량 측정부로부터 상기 전력량 데이터를 실시간으로 전달받아 전력량 통계치를 3차원 영상으로 표시하되 전력량에 따라 서로 다른 색상으로 상기 3차원 영상을 표시하는 모니터링 애플리케이션이 설치된 통합 모니터링부;를 포함하고,
    상기 통합 모니터링부의 모니터링 애플리케이션은 최소자승법을 이용하여 전력 변화량을 분석하는 것을 특징으로 하는 태양광 에너지 통합 관리시스템.
  2. 최소자승법을 이용하여 전력 변화량을 분석하는 태양광 에너지 통합 관리방법은,
    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 태양광 에너지 통합 관리방법.
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