KR20220026387A - 신재생에너지 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템 - Google Patents

신재생에너지 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신재생에너지 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템을 제공한다. 신재생에너지 발전원의 상태정보를 수신하고, 상기 신재생에너지 발전원이 위치한 지역의 환경정보를 수집하며, 상기 상태정보와 상기 환경정보의 상관관계를 분석하며, 기계학습을 이용하여 발전량을 예측하는 에너지 관리부를 포함하는, 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템을 제공한다.

Description

신재생에너지 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템{Energy management system using environment and status information of renewable power generation}
본 발명은 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게 신재생에너지 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템에 관한 것이다.
최근 에너지 수요가 빠르게 증가하면서 전력 부족 현상이 심화되고 있다. 이러한 전력 부족 현상을 해소하기 위해, 발전 및 송배전 시설을 추가 설치함에 따라 사회적 비용이 급증하고 있으며, 전력의 공급확대도 지체되고 있다. 이에 따라, 정부에서도 과거의 공급중심에서 수요관리 중심으로 에너지 정책을 전환하고 있다.
전력의 수요관리란 소비자들의 전력 사용 패턴을 변화시켜 비용은 최소화시키면서 전력수요는 안정적으로 충족시키는 방법이다. 전력의 수요관리는 수요반응과 에너지효율향상으로 나눌 수 있다. 이러한 전력 수요관리를 건물, 가정, 공장에 적용할 경우 그 효과가 크게 나타날 수 있다.
최근에는 태양광 등의 신재생 에너지, LED 조명, ESS (Enery Storage System), 전기자동차, 스마트 미터 등 다양한 스마트 그리드 기술들이 건물에 도입됨에 따라 이들의 통합운전을 통해 건물의 전력 소비량을 제어하는 BEMS (Building Energy Management System), HEMS (Home Energy Management System), FEMS (Factory Management System) 기술에 대한 시장수요가 증가하고 있다.
본 발명은 신재생에너지 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템에 관한 것이다. 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일측면은, 신재생에너지 발전원의 상태정보를 수신하고, 상기 신재생에너지 발전원이 위치한 지역의 환경정보를 수집하며, 상기 상태정보와 상기 환경정보의 상관관계를 분석하며, 기계학습을 이용하여 발전량을 예측하는 에너지 관리부를 포함하는, 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템을 제공한다.
상기 신재생에너지 발전원의 상태정보는 전압, 전류 및 발전량을 포함할 수 있다.
상기 환경정보는 온도, 습도 및 전운량을 포함할 수 있다.
상기 에너지 관리부는, 상기 신재생에너지 발전원의 전압, 전류 및 발전량에 대한 데이터와, 상기 지역의 온도, 습도 및 전운량의 데이터로부터 피어슨상관계수 분석으로 데이터 연관성을 확인할 수 있다.
상기 에너지 관리부는, 상기 데이터를 선형 회귀모델 학습시킬 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템은 기계학습을 이용하여 정확하게 발전량을 예측할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템은 효율적인 에너지 관리가 가능하다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템 및 전력 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템의 에너지 관리 방법을 개략적으로 도시하는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템의 ESS를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템의 LVCD 파워랙을 개략적으로 도시한 블록도이다.
이하, 본 개시의 다양한 실시예가 첨부된 도면과 연관되어 기재된다. 본 개시의 다양한 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나, 이는 본 개시의 다양한 실시예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 다양한 실시예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.
본 개시의 다양한 실시예에서 사용될 수 있는 "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 개시(disclosure)된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 개시의 다양한 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 개시의 다양한 실시예에서 "또는" 등의 표현은 함께 나열된 단어들의 어떠한, 그리고 모든 조합을 포함한다. 예를 들어, "A 또는 B"는, A를 포함할 수도, B를 포함할 수도, 또는 A 와 B 모두를 포함할 수도 있다.
본 개시의 다양한 실시예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 실시예들의 다양한 구성요소들을 수식할 수 있지만, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 표현들은 해당 구성요소들의 순서 및/또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 상기 표현들은 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 사용자 기기와 제2 사용자 기기는 모두 사용자 기기이며, 서로 다른 사용자 기기를 나타낸다. 예를 들어, 본 개시의 다양한 실시예의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
본 개시의 다양한 실시예에서 사용한 용어는 단지 특정일 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시의 다양한 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 개시의 다양한 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 개시의 다양한 실시예에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 관리 시스템을 포함하는 전력 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다. 본 실시예에 따른 전력 시스템은 발전부, 수용가, 파워랙, ESS 및 클라우드 EMS를 포함할 수 있다. 여기서 파워랙은 LVDC 파워랙일 수 있다.
물론 전술한 구성요소 중 일부 구성요소를 선택적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 저전압 직류 배전시스템과 클라우드 EMS를 포함하는 전력 시스템은 파워랙, ESS 및 클라우드 EMS를 포함할 수 있다.
특히, 전력 시스템은 LVDC 전력 시스템으로, LVDC 파워랙, LVDC 전력망, LVDC 수용가를 포함할 수 있다.
신재생에너지 발전부는 전력을 생산하는 발전원이다. 예를 들어, 발전부는 태양광 발전소, 조력 발전소, 풍력 발전소 등 친환경 또는 재생 발전소일 수 있다. 물론 이에 한정하는 것은 아니며, 발전부는 화력 발전소, 원자력 발전소 등 기존의 발전소일 수도 있다.
수용가는 사무실, 주택, 아파트, 건물, 공장 등으로서 전력을 소비하는 소비자에 해당한다. 이때, 수용가는 DC 전력을 소비할 수 있다.
LVDC 파워랙(LVDC:Low-Voltage Direct Current)는 후술할 ESS와 수용가를 연결한다. 이때, LVDC 파워랙과 수용가는 LVDC 송/배전 계통으로 연결된다. 이러한 저전압 직류 배전 계통(LVDC)은 직류부하나 직류전원 연계 시 교류배전계통에 비해 전력변환 손실이 적고 중전압 직류배전(MVDC)에 비해 설치비와 운영비가 적으며 전력변환기를 사용하여 배전전압의 효율적인 제어가 가능하다는 장점이 있다. LVDC는 나중에 상세히 설명한다.
ESS(Energy Storage System: 에너지 저장 장치)는 도시된 바와 같이 복수의 수용가와 연결될 수 있다. 물론 이에 한정하는 것은 아니며, ESS는 각 수용가에 별도로 설치될 수도 있다. 이러한 ESS는 에너지를 저장하고 필요시 저장된 에너지를 공급하는 장치이다. 본 실시예에서 ESS는 저장된 에너지를 공급한다는 측면에서 넓은 의미에서 발전원에 포함될 수도 있다.
ESS는 전력변환장치(PCS : Power Conversion System)을 포함한다. 전력변환장치는, 배터리에 저장된 직류전력을 직류로 승압하거나 강압하여 전력계통에 전력을 공급하거나, 전력계통으로부터 공급되는 직류전력을 직류로 승압하거나 강압하여 배터리에 저장을 제어한다. 또는 전력변환장치는 배터리에 저장된 직류전력을 교류로 변환하여 전력계통에 전력을 공급하거나, 전력계통으로부터 공급되는 교류전력을 직류로 변환하여 배터리에 저장을 제어한다.
ESS는 외부와 통신을 수행하고, 전력변환장치의 제어를 위한 제어부(PMS: POWER MANAGEMENT SYSTEM)를 포함한다. 또한 ESS는 마찬가지로 배터리(120)에도 외부와 통신을 수행하고, 배터리의 제어를 위한 제어부(BMS : BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)를 포함한다. 그리고 ESS는 배터리를 포함한다.
에너지 관리부는 EMS(EMS:energy management system)로 IT 기술을 이용해서 건물 및 사용자의 에너지 패턴을 분석한 이후 에너지를 절약하는 IT 시스템이며, 예컨대 공장용 에너지 관리 시스템(Factory Energy Management System: FEMS), 상업용 에너지 관리 시스템(Building Energy Management System: BEMS) 및 가정용 에너지 관리 시스템(Home Energy Management System: HEMS) 등이 예시이다.
이러한 에너지 관리부는 실시간 처리와 배치처리가 가능하며, 이러한 데이터 처리를 위한 여러 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 에너지 관리부는 Spark, Kafka, Hive, Flume, Hadoop 등을 포함할 수 있다.
또한, 에너지 관리부는 전술한 모듈을 이용한 전술한 모듈을 이용하여 여러 기능을 수행할 수 있다. 보다 상세히, 에너지 관리부는 환경정보와 신재생에너지 발전원의 상태에 관련된 데이터를 수집하여 분석하고, 발전량을 예측할 수 있다.
예를 들어, 환경정보는 신재생에너지 발전원이 위치한 지역의 환경정보이며, 구체적으로 온도, 습도, 일사량, 전운량, 강수확률, 일출/일몰 시간 등 중 적어도 어느 하나의 데이터를 포함할 수 있다. 본 실시예에서 환경정보는 온도, 일사량, 전운량을 포함하는 것을 예로 든다. 물론 이에 한정하는 것은 아니며, 환경정보는 필요에 따라 선택될 수 있다.
여기서 환경정보는 신재생에너지 발전원이 위치한 지역의 환경정보로 설명하지만, 이에 한정하는 것은 아니다. 환경정보는 수용가가 위치하는 지역의 환경정보일 수도 있다. LVDC 특성 상 수용가와 신재생에너지 발전원은 근거리 배치될 것이다.
또한, 에너지 관리부는 환경정보를 신재생에너지 발전원에 설치된 센서 미 카메라로부터 수집하거나, 기상청 등 외부로부터 데이터를 수집할 수 있다. 예를 들어, 신재생에너지 발전원의 온도, 습도 등은 센서로부터 수집하며, 전운량, 일조량, 일사량 등은 기상청 등 외부로부터 수집할 수 있다.
신재생에너지 발전원의 상태정보는 전압, 전류, 생산량, 패널정보 등 중 적어도 어느 하나의 데이터를 포함할 수 있다. 이하에서 상태정보는 전압, 전류, 생산량을 포함하는 것으로 설명하나, 이에 한정하는 것은 아니다.
선택적으로, 에너지 관리부는 수용가의 데이터를 수집할 수 있다. 예를 들어, 에너지 관리부는 파워랙 또는 수용가의 분전반으로부터 부하 소비 전략(전압, 전류) 데이터, 센서 및 계측 디바이스 상태정보, 네트워크 상태정보 등의 데이터를 수집할 수 있다.
또한, 에너지 관리부는 선택적으로 ESS로부터 Battery total Voltage, Battery total Current, SOC, SOH, Cell Voltage, Battery Temperature, Solar Input Voltage, AC Input Voltage, AC Input, Frequency, ESS Status 등 중 적어도 어느 하나의 데이터를 수집할 수 있다.
도 2를 참조하여 설명하면, 에너지 관리부는 수집한 데이터로 발전량을 예측할 수 있다. 에너지 관리분느 신재생에너지 발전원의 상태정보를 수신하고, 상기 신재생에너지 발전원이 위치한 지역의 환경정보를 수집하며, 상기 상태정보와 상기 환경정보의 상관관계를 분석하며, 기계학습을 이용하여 발전량을 예측할 수 있다.
에너지 관리부는 일별 환경정보 데이터와 전력데이터를 취합한다. 여기서 전력데이터는 상태정보일 수 있다. 이때, 환경정보는 기온, 전운량을 포함한다.
그리고 상관계수 분석으로 데이터 간의 연관성을 확인한다. 이때, 피어슨상관계수 분석을 사용할 수 있다.
분석한 결과, 전운량≤2 이면 전운량 데이터를 제거하고, 전운량 > 2 이면 전운량 데이터를 포함한다.
그리고 표준 정규 분포화하여 (0-1) 사이의 값이 도출되도록 한다.
그리고 훈련 데이터 셋과 예측 데이터 셋을 구분한다.
그리고 데이터 셋들을 선형 회귀(linear Regrssion)모델 학습시킨다.
그리고 정확도를 확인하며, 예측값을 생성한다.
그리고 실제 값(발전량)과 예측 값을 비교한다.
이처럼 에너지 관리 시스템은 위 분석을 수해할 수 있다. 즉, 에너지 관리 시스템은 에너지 관리 방법을 수행할 수 있다. 또한 전술한 전력 시스템은 이러한 분석을 수행하는 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템을 포함한다.
한편 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS를 개략적으로 도시한 블록도이다. 본 실시예에 따른 ESS는 PMS, BMS(Battery Management system), 배터리(Battery)), PCS를 포함한다.
BMS(Battery Management system)는 배터리(Battery)의 충방전 현황을 감시하고, 고장과 같은 이상상황을 감지하여 PMS로 출력한다.
PCS는 발전부(예를 들면, 태양광 발전모듈)로부터 발전된 직류전력을 직류로 승압/강압하거나 교류로 변환할 수 있다. PCS는 현재 상태 또는 고장등의 오류가 발생되면 이를 PMS로 출력한다.
PMS는 BMS(Battery Management system) 및 PCS로부터 데이터를 수신하여 1차 가공 및 변환 후 EMS API 서버로 송신하거나, EMS API 서버 서버를 통하여 Git 서버의 업그레이드 파일을 다운로드한다. 이러한 PMS는 설정된 시간 주기별로 인입 전력과 수용가의 전력 소비량을 수신할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LVDC 파워랙을 개략적으로 도시한 블록도이다. 본 실시예에 따른 LVDC 파워랙은 전압센서, 전류센서, 전압신호 변환부, 전류신호 변환부, 중앙처리장치, 스위치부, 통신부, 메모리부, 신호출력부, 전원회로부, 리튬배터리, 펄스출력부, 및 표시장치를 포함한다.
전압센서는 DC 전압을 계측하고, 전류센서는 예컨대 플럭스게이트를 이용하여 DC 전류를 계측한다.
전압센서, 전류센서에서 계측한 값을 전압신호 변환부, 전류신호 변환부에서 각각 변환하여 중앙처리장치로 계측된 데이터를 보내면, 중앙처리장치는 유효전력, 무효전력, 최대수요전력, 역률 등 전력데이터를 산출한다.
메모리부에서는 중앙처리장치에서 산출한 전력데이터를 저장한다.
스위치부는 DC 전력량계를 세팅 및 조작하고, 전원회로부는 DC 전력량계에 동작 전원을 공급한다.
통신부는 유선 또는 무선 통신을 이용하여, 중앙처리장치에서 산출한 전력데이터를 원격검침서버로 전송한다. 통신부에서 사용되는 통신 종류를 나타내는 도면으로, 도 4를 참조하면, 통신부는 RS-485, PLC(Power Line Communication), NB-IoT(NarrowBand-Internet of Things), Wi-SUN(Wireless Smart Utility Network), LoRa(LongRange), 및 Wifi 중 하나 이상을 적용 가능하다
신호출력부는 수용가의 부하를 제어하고, 신호출력을 관리한다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 신재생에너지 발전원의 상태정보를 수신하고, 상기 신재생에너지 발전원이 위치한 지역의 환경정보를 수집하며, 상기 상태정보와 상기 환경정보의 상관관계를 분석하며, 기계학습을 이용하여 발전량을 예측하는 에너지 관리부;
    를 포함하는, 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신재생에너지 발전원의 상태정보는 전압, 전류 및 발전량을 포함하는, 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 환경정보는 온도, 습도 및 전운량을 포함하는, 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 관리부는,
    상기 신재생에너지 발전원의 전압, 전류 및 발전량에 대한 데이터와, 상기 지역의 온도, 습도 및 전운량의 데이터로부터 피어슨상관계수 분석으로 데이터 연관성을 확인하는, 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 에너지 관리부는, 상기 데이터를 선형 회귀모델 학습시키는, 발전원의 환경 및 상태정보를 이용한 에너지 관리 시스템.
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