효율적 에너지 활용의 지휘자, 에너지 관리 시스템(EMS)

에너지 관리는 전력의 생산에서 소비에 이르는 전력 계통, 즉 발전, 송전, 배전, 소비의 전 영역에 걸쳐 이루어지게 됩니다. 일반 사용자들이 쉽게 접할 수 있는 에너지 관리 영역은 주로 소비 부분에 해당되는데요.

에너지 사용이 많은 빌딩이나 공장 등의 영역에서 도입되는 에너지 관리 소프트웨어를 각각 BEMS(Building Energy Management System)와 FEMS(Factory Energy Management System)라고 합니다. 

또한 이제는 일반 가정에서도 에너지 관리가 중요하게 여겨지고 있는데요. 이를 지원하는 소프트웨어를 HEMS(Home Energy Management System)라고 합니다.

그 밖에도 국내 한전과 같은 전력 사업자가 담당하는 전력의 발전, 송전, 배전 영역에서는 지능화된 전력 계통을 구축하기 위한 스마트그리드(Smart Grid) 환경과 관련된 다양한 에너지 관리 소프트웨어들이 존재합니다. 

이처럼 다양한 에너지 관리 소프트웨어들은 도입 영역에 따라 개별 이름과 세부 기능이 달라집니다. 하지만 그 근간에는 에너지의 효율적 사용과 운영이라는 공통된 목적과 기능을 가지고 있는데요. 따라서 일반적으로는 모두 에너지 관리 시스템(Energy Management System, 이하 EMS)라고 부를 수 있습니다.

그러면 스마트그리드 환경에서 EMS가 어떤 기능을 제공하고 어떻게 활용되고 있는지 좀 더 상세히 살펴 보도록 하겠습니다. 

지금까지의 전력 계통은 전력을 생산하고 그것을 소비하는 단 방향으로만 이루어져 있어 효율적 관리와 운영이 어려웠습니다. 그래서 전력 계통의 지능화를 추구하기 위한 스마트그리드 환경이 진행되고 있고 이를 위한 다양한 종류의 EMS가 있습니다. 

그러나 스마트그리드 환경을 구축하기 위해 요구되는 IT 기술 수준은 점차 높아지고, 관련된 기기와 시스템의 복잡도 또한 높아지고 있는 실정입니다. 

예를 들어, 스마트그리드 환경에서는 전력 사업자가 전력 사용에 따른 과금 및 관리를 효율적으로 하기 위해 양방향 통신이 가능한 스마트 미터를 설치하게 됩니다. 

이런 경우 초당 수집되는 대규모 미터링 데이터를 거의 실시간으로 처리해야 합니다. 그리고, 미터링 데이터의 조작을 방지해야 하고, 미터링 데이터 기반으로 한 전력 품질 분석이나 인위적인 도전(盜電) 여부를 감지해야 하는 등 다양한 IT 기술이 요구됩니다. 

또한 스마트그리드 환경에서는 스마트 미터 이외에도 기존 전력 계통에 태양광, 풍력과 같은 신재생 발전원을 연동한다던가, 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, 이하 ESS) 또는 전기차(Electric Vehicle)의 배터리를 활용하여 에너지를 저장하거나 사용할 수 있도록 하는 등 실로 다양하고 복잡한 설비들과 연계해야 할 필요성이 생기게 됩니다. 

따라서, 스마트그리드 환경에서 EMS는 아래 그림과 같은 형태로 확장 운영될 수 있습니다.

[그림 1] 스마트그리드 환경에서 EMS 활용

*PCS : Power Conditioning System, 전력 변환 장치

이렇게 점점 더 다양하고 복잡해져 가는 스마트그리드 환경에서 기존 시스템이나 개별 솔루션만으로는 모든 요구사항들을 충족시키기가 매우 힘들어지는데요. 

그렇다 보니 전체 시스템을 통합하는 측면에서 에너지 관리를 총괄할 수 있는 플랫폼(Platform) 기술이 필요하게 됩니다. 왜냐하면, 플랫폼을 통해 각각의 솔루션을 통합하거나 특정 기술이나 기기에 종속되지 않고 유연하게 확장이 가능하기 때문입니다.

그래서 전력 발전에서부터 사용에 이르는 전체 과정에 있어 에너지를 효율적으로 관리하기 위한 EMS를 플랫폼 기반으로 구축해야 하는 것이 매우 중요한데요.

이러한 플랫폼은 에너지 관리 전반에 있어 핵심적인 역할을 수행할 뿐만 아니라 BEMS, FEMS 이외의 다양한 에너지 서비스를 통합하거나 확장하여 제공할 수 있습니다. 

‘Smart EMS’는 효율적인 에너지 관리를 실현하기 위한 LG CNS의 에너지 운영 솔루션입니다. 전력시장 변화에 따라 적시에 신속하게 새로운 서비스에 대응하기 위해 만들어졌는데요. LG CNS의 제어 모니터링 플랫폼인 SGP(Smart Green Platform)를 기반으로 하고 있습니다. 

Smart EMS는 SGP를 통해 충방전이 가능한 전력 저장 장치 또는 태양광, 풍력 등 발전원 및 소비와 관련한 장비 등을 직접 제어할 수 있습니다. 또한, 이들 장비로부터 수집한 데이터의 유효성을 검사하고 의미 있는 정보를 분석할 수 있는 각종 도구를 제공합니다.

먼저, 기상 정보나 소비 패턴 정보 등에 기반한 고유의 예측 알고리즘을 가지고 있어 발전량 및 수요량을 예측할 수 있습니다. 또한 산출된 예상량과 시장 현황을 반영하여 발전장비나 저장장비 등 제어 가능한 장비에 대한 최적 운전 스케쥴을 생성하는데요. 이를 통해 시간별, 자원별 최적 운영 계획을 수립할 수 있습니다. 

이러한 예측 및 최적화 운전 알고리즘은 잘 정제된 데이터를 기반으로 할 때 보다 정확해 질 수 있습니다. 예를 들어, 장비 자체의 고장으로 정상적 범위를 벗어나는 데이터가 수집되거나 통신 장애로 인해 데이터가 수집되지 못한 상태에서 예측이 수행된다면 이 데이터는 신뢰도가 낮다고 할 수 있습니다.

따라서 Smart EMS에서는 수집된 데이터의 유효성 여부를 다양한 방식으로 검증하고, 이렇게 정제된 데이터로 다시 통계성 데이터나 요금 데이터 등으로 추출하게 되는데요. 

이를 기반으로 발전량 및 수요량을 예측하고 최적의 운전 스케쥴을 생성하게 됩니다. 생성된 스케쥴에 의해 실제 운영되었던 결과들은 분석 도구를 통해 다양한 리포팅 형태로 만들어질 수 있고 의미 있는 결과를 분석해 낼 수 있게 되는 것이지요.

태양광, 풍력 등의 발전량과 전력 소비량을 실시간 모니터링하고 에너지 저장 장치인 ESS를 활용하여 피크저감, 부하이동, 수요반응과 같은 서비스를 제공함으로써 시간 단위로 최적의 에너지 사용이 이루어 질 수 있도록 합니다. 

[그림 2] LG CNS의 Smart EMS 구성

*BMS : Battery Monitoring System, 배터리 모니터링 시스템

*CBL : Customer Baseline Load, 전기를 소비하지 않은 평상시 사용 전력량을 예측한 값

또한, BEMS, FEMS, 마이크로그리드(MicroGrid) 등으로 확장하고 통합 운영하는 것이 가능한데요. 실제로도 Smart EMS는 공장, 발전소, 학교 등에서 다양하게 활용되고 있습니다. 

지금부터 Smart EMS가 에너지 관리 플랫폼으로서 어떻게 핵심적인 역할을 수행하고 다양하게 확장하여 활용되는지 살펴보겠습니다. 

생산공장에 리튬 이온 배터리 기반의 ESS를 설치하여 공장 내 최대부하 조절 및 최대부하 시간대의 사용량을 저감하여 기본요금 및 사용요금을 절감한 것인데요. 

이 사례는 2014년 구축 당시 세계 최대 규모의 ESS를 상용으로 설치한 것이고, 배터리실의 공조 및 소방 시스템과도 연계되어 통합 운영되고 있습니다.

[그림 3] Smart EMS의 FEMS 적용 사례

개별 매장 건물의 에너지 데이터를 통합, 에너지관리 센터에서 원격으로 수집하여 관리하도록 구축 된 것이데요. 매장별 에너지 사용량을 기간별, 층별 등으로 다양하게 비교 분석하고 피크 관리를 통해 알람을 발생시키며, 비 영업 시간의 에너지 소모 현황도 분석할 수 있습니다.

이렇게 다양한 형태의 에너지 사용 현황을 시각적으로 즉시 제공함으로써 에너지 사용을 절감하도록 하는 효과를 가져다 주고 있습니다.

[그림 4] Smart EMS의 BEMS 적용 사례

태양광 발전소를 운영하는데 소비되는 내부 전력 사용을 절감하기 위해 태양광 발전원과 ESS를 연계하여 구축된 것인데요. 마이크로그리드는 발전소의 전력 생산 효율성과 경제성을 극대화함으로써 Net-Zero 신재생 에너지 발전소 구축의 발판을 마련한 대표적 성공사례입니다.

주간에 태양광 발전으로 남는 전력을 배터리에 저장하였다가 야간에 방출하여 사용합니다. 날씨가 좋지 못해 태양광 발전이 원활하지 못한 경우에는 전력 소비가 낮은 새벽 시간에 배터리에 전력을 저장하였다가 전력 소비가 높은 낮 시간에 배터리 전력을 방출하는데요. 이는 기존 발전소 내 전력 요금의 약 65%를 절감시키는 결과를 보여주었습니다.

[그림 5] Smart EMS의 마이크로그리드 적용 사례

스마트그리드 보급지원 사업의 일환으로 수행된 캠퍼스 마이크로그리드는 교내에 ESS를 도입하여 피크저감과 부하이동을 통해 에너지 절감 효과를 높였을 뿐 아니라, 수요시장에 참여함으로써 부가적인 수익을 창출하고 있습니다.

평상시 전력 사용이 낮은 시간에 ESS를 통해 전력을 저장했다가 여름철 전력 수요가 급격히 높아지는 경우, 배터리에 저장된 전력을 방출하여 사용함으로써 수요 시장에 참여하게 되고 이를 보상받게 됩니다.

[그림 6] Smart EMS의 캠퍼스 마이크로그리드 적용 사례

지금까지 EMS가 에너지 관리를 위해 어떻게 핵심적인 역할을 수행하고 다양하게 확장하여 활용되는지 살펴 보았는데요.

EMS는 전력의 생산부터 소비에 이르는 각종 장비와 데이터를 통합하고 관리하여, 전력 생산을 최적화합니다. 그리고 이를 통해 에너지 소비를 가장 효율적으로 사용할 수 있도록 다양한 서비스를 조합하여 최상의 효과를 만들어 내는 에너지 관리의 지휘자라고 해도 과언이 아닙니다.

특히 스마트그리드 환경에서 EMS는 기존 전력계통과 신 재생에너지를 연동하고 에너지 저장 시스템을 통해 필요한 에너지를 필요한 때에 사용할 수 있도록 하는 마이크로그리드를 구축하는데 매우 중요한 역할을 하고 있습니다.

다음 연재에서는 자체적으로 전기를 생산하고 소비하는 전력망을 의미하는 『마이크로그리드』에 대해 살펴 보겠습니다. 

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글 | LG CNS 스마트그린솔루션팀

['B2B플랫폼, IoT에서 에너지까지' 연재 현황 및 향후 계획]

●1편 B2B 소프트웨어 플랫폼, 신사업을 이끌다 : http://blog.lgcns.com/826

●2편 정보 기술과 제조 산업이 이루는 4차 산업 혁명, Industry 4.0(Smart Factory):

 http://blog.lgcns.com/850

●3편 연결하고 통합하면 또 다른 가치가 보인다, Smart Green Platform:

  http://blog.lgcns.com/877

●4편 에너지 효율적 활용의 한계와 소프트웨어를 통한 극복방안 : http://blog.lgcns.com/909

●5편 효율적 에너지 활용의 지휘자, Energy Management System: http://blog.lgcns.com/935

●6편 전력 자급자족(自給自足), 마이크로 그리드 : http://blog.lgcns.com/957