스마트그리드기술 충북대 세미나...

K.Y. NAM (www.VisionPlus21.kr)충북대학교 대학원 세미나_2014.5.29

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스마트그리드 기술

충 북 대 학 교 대 학 원2014년 5월 29일 목요일

비전플러스 연구소장

공학박사 남 기 영


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K.Y. NAM (www.VisionPlus21.kr)2

목 차

1. 스마트그리드 기술의 탄생 배경

2. 전력의 생산과 소비

3. 스마트그리드 기술과 개발동향

4. 전력저장기술

5. Self-Healing (Power system topology)


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배 경


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인류의 생존을 위협하는 4가지 문제

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u Thomas Lauren Friedman—코드그린

1) 에너지 공급과 자원, 석유재벌에의 富의 이동, 기후변화, 가진 자와

못 가진 자의 에너지 빈곤, 생물다양성 감소

2) 지옥의 연료-천국의 연료

3) 그린 혁명

u 대량 생산 및 소비 체제로 인한 문제 발생

1) 환경파괴, 지구온난화

2) 자원고갈, 에너지 위기

u 지속가능성장에 대한 요구

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v환경←→성장의 두 대립요소를 조화 시켜서 환경압력 감소와 미래세대를 위한 환경용량 유지 및사회와 경제의 성장을 지속 시키고자 하는 노력

vUN아시아태평양 환경과 개발 장관회의 (2005, 3 서울)

ü´환경의 지속가능성 제고´

ü´환경성과증진´

ü´경제성장동력으로서의 환경역할 강화´

새로운 패러다임 ‘녹색성장’ 도입

녹색성장?

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環境고리처럼 둥근모양,

주위를 두름경계, 지경

생 물 이 영 위 하 는 공 간 , 모 든 생 물 체 가사 는 서 식 처 , 또 는 영 향 을 주 는 생 활 권

환경이란?

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인간활동에 의한 환경영향으로 생태계 순환과재생능력 이상으로 인해 발생하는 제반 현상

환경문제란?

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환경문제의 원인

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환경문제의 유형

수질오염, 부영양화, 적조, 녹조 등물

지구온난화, 오존층파괴, 산성비, 엘니뇨 등공기

토양오염, 사막화, 산림파괴, 폐기물 등토양

멸종동식물 증가, 생물종 다양성 파괴 등생물

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온실가스 감축을 위한 국제협약(~ COP 17 남아공 더반 회의까지)

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1992 2008 20131997 2005 20092007 2010

기후변화협약 체결

교토의정서채택

교토의정서발효

COP13발리행동

계획

COP15코펜하겐

회의

교토 1차의무공약기간 시작

COP16

??

2011

COP 17남아공 더반

1990년 대비 평균5.2%감축

우리나라 비준 : 2002. 10

-리우환경개발회의,

-우리나라 가입 :1993.12

법적 구속력을 갖는국제환경협약

선진국과 개도국간목표설정

2009년까지 실현을 위한 협상진행

Post-2012 체제2차공약기간설정


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Post-2012 체제 타결 협상시한을 COP15 코펜하겐 당사국 총회(‘09.12)로 설정

코펜하겐 이전까지 총 18회 회의를 진행했으나, 선진국과 개도국의 의견대립

선진국은 단일 체제하에서 선진/개도국 모두 법적 구속력 있는 합의를 주장

개도국은 선진/개도국의 논의를 분리한 Two-Track 체제 유지 주장

선진국의 대 개도국 재정 및 기술 지원 문제

새로운 시장 메커니즘 도입과 인정 범위에 대한 입장차이 발생

COP13 발리행동계획

주요 쟁점 사항

COP 17 남아공 더반 플랫폼

Post-2012 체제 – 2013년부터 2017년까지 교토의정서 2차공약기간으로 설정 –캐나다 탈퇴 선언2013년부터 협상 시작 2015년 새 기후체제 협상 완료, 2020년 효력 발효;

최근의 Conference of Party 진행 주요 내용


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환경문제

화석에너지

전기환경친화

SMART

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전력의 생산과 소비

-관련기술 및 시장환경 변화

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전력계통과 운영시스템의 구성

ADS

?

SCADA

EMS 연계

StateEstimator

EMS

DB

Visualization

안전도 해석

해석 서버 분산 해석 서버

고신뢰 전력설비

전력거래소

CentralMarketsCentralMarkets

Data

Data

Data

제도, 가이드라인, 기준

IndustrialCommercial

Residential

발전 송전 배전

수용가

국민복지 증진

손실최소화

Power Quality

고품질 전력공급

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전력회사 배전망

전력회사 송전망

전력회사발전기 가정용

업무용

산업용

특정규모 전기사업자

CES 사업

IPP 사업

A

B

C N전력시장

분산형 전원 공급사업

마이크로터빈

연료전지

Gas 엔진

Gas 터빈

풍력

태양광

분산형 전원

Fly Wheel

SMES

DC 급전

Super Cap.

2차전지

저장 및 수송

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전력기술 변화

질질양양

수요 중심수요 중심공급 중심공급 중심

지역 분산지역 분산중앙 집중중앙 집중

최신 IT 기술

최신 IT 기술

구식 기술구식 기술

전기상품의 품질

전력 시장

분산전원저장시스템

전력 IT

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공급과 소비 환경의 변화

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전력시스템과 주변환경의 변화

v 집중화à분산화 (입지난, 경제성, 환경문제…)

v 생산자 중심à소비자 요구중심(품질차등)

v 에너지 관점à상품으로 거래

v 생산 및 판매 독점 체제à경쟁시장으로 분화

v 단순 에너지

v Etc.

à국가안보의 핵심

à성장동력 사업

à정보와 에너지의 동시 제공

à부가가치 생산

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한국 : § 이산화탄소 배출량 : 세계 7위§ 이산화탄소배출량(CO2t/인) 증가율 : 82.4%

(1990-2004년간)

(참고: 일본 11.1%, 인도 47.5%, 호주 16%, 중국 82.4%)

§ 감축 압력에 의해 2013년 부터 의무 감축 전망

지구온난화 방지를 위한 국제적 노력 증대

에너지 가격의 상승

전력 생산 환경의 변화

7

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변화

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K.Y. NAM (www.VisionPlus21.kr)24

현재의 전력망 정체현상


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정체현상의 결과à 전력수송시스템의 열화

India 2012


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21세기 그리드의 목표

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출전: www.amsuper.com


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스마트그리드 기술과개발동향


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전력계통 및 전력설비

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IEC TC57 표준화 추이

TC 57 is responsible for development of standards for information exchange for power systems and other related systems including Energy Management Systems, SCADA, distribution automation & teleprotection.

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IEC TC57 표준화 범위

uTo prepare international standards for power systemscontrol equipment and systems including EMS, SCADA,DA, teleprotection and associated information exchangefor real-time and non-real-time information, used in theplanning, operation and maintenance of power systems.

uPower systems management comprises control withincontrol centres, substations and individual pieces ofprimary equipment including telecontrol and interfaces toequipment, systems and databases, which may be outsidethe scope of TC 57.

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전력망 운용 기술의 변화

종래의 그리드

l공급자 중심

l일방향성

l폐쇄성

l획일성

정보통신기술

실시간정보교환

스마트그리드

l수요자중심

l양방향성

l개방성

l다양한 서비스

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SG 개발을 위한 요구분석

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u목적이 무엇인가?

• Reliability, Security, Economy, Efficiency and Productivity, Environment, Safety, Robustness, Extensibility, Manageability

u전력계통의 구조

u전력시장의 구조

u여러 가지 운전조건하에서의 성능

• 요구조건, 모델, 필요한 데이터

• 거래의 종류, 요금, 필요한 데이터

• Normal Operations, Optimization, Emergency Response, Threat and Attack Resistance, System Restoration, Future Extensibility


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Categorization of Smart Grid Tech. Areas

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Depiction of Technology Components by Hierarchical Level and Relevant Business Area Provides a Framework by Which to Identify Relevant Smart Grid Technology Areas.


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EMS와 표준

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SCADA와 표준

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배전자동화시스템과 표준

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전력망 운영/제어 시스템과 IEC 표준

60870 : Telecontrol & Teleprotection standards 38


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Smart Grid System

EV DR AMR Ren.E 저장 μGridP.Q. etc.DAS

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전력저장기술

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전기에너지의 생산과 소비는?

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에너지의 공급과 수요 환경

공간

시간

형태

에너지의 수송·변환

GAP

에너지

공 급

에너지

수 요

다양한 에너지원을 시간적 공간적인

대응이 이루어 질 수 있도록 하는 것

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계 통 운 전

목 표


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전력회사 배전망

전력회사 송전망

전력회사발전기 가정용

업무용

산업용

특정규모 전기사업자

CES 사업

IPP 사업

A

B

C N전력시장

분산형 전원 공급사업

마이크로터빈

연료전지

Gas 엔진

Gas 터빈

풍력

태양광

분산형 전원

Fly Wheel

SMES

DC 급전

Super Cap.

2차전지

저장 및 수송

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25kW dish, Total 1.5MW(Aperture:320m2)

SES Maricopa 60-dish plant in operation near Phoenix, AZ

34 Infinia Corporation dish Stirling systems in operation at Yuma AZ

vParabolic dish Stirling System


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K.Y. NAM (www.VisionPlus21.kr) 48200MW 굴뚝형 태양열 발전소 원리 및 굴뚝 높이


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음식물/생활폐기물

수산폐기물

축산분뇨

산림부산물농업부산물

폐작물

폐목재

도시

산촌

어촌농촌

열전기

폐자원에너지화시설

폐기물

전기열

신재생에너지원

수용가 소각

펠릿

소화

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신재생(그린)에너지의 특징

대부분 전기에너지로 변환된다

출력 예측이 어렵다

출력 조정이 어렵다

출력 패턴이 불규칙하다

직류도 생산한다

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주파수

주파수

소비량 발전량

주파수저하

발전량감소

소비량감소

발전량

주파수

주파수상승

소비량

발전량 소비량

발전량과 소비량 변화에 따른 주파수 변동


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에너지의 공급과 수요 환경

공간

시간

형태

에너지의 수송·변환 ·

GAP

에너지

공 급

에너지

수 요

다양한 에너지원을 시간적 공간적인

대응이 이루어 질 수 있도록 하는 것

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계 통 운 전

목 표

저장


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v 주문형전력공급기술

*Custom Power Park

*FRIENDS(Flexible Reliable Intelligent Electrical eNergy Delivery System)

u신뢰도를 포함하는 전기품질 문제의 경제적 영향

u전력공급 패러다임 변화

u수용가의 요구

u다양한 전원, 저장장치 및 대책기기의 개발

u ICT 와의 기술융합에 따른 요구조건 수용가능

MicroGrid, SmartGrid

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Custom Power Park

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FRIENDS

Source : FRIENDS in the context of micro grid research Kiichiro

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마이크로그리드§ 분산전원 및 전력저장 시스템 등을 조합, 분산전원의 발전량을 수요 상황에

맞추어 제어, 전력의 지역 내 자급자족을 가능하게 하는 소규모 전력공급망§ 상용전원과 접속하여 양방향으로 전력을 수전 또는 공급하는 부하/전원

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왜 전기를 저장하는가?

v 전기는 자체저장이 불가능Ø 다른 에너지 형태(기계/화학/유체 에너지)로 변환

Ø 필요 시 재 변환

v Off-Peak 또는 기저발전 전력량 이용

Ø 심야 또는 전력요금이 싼 시간대에 다른 형태로 저장하여 필요시 더 높은 가치의 “상품”으로 변환

Ø 계통의 안정도, 신뢰성에 대한 차별적 서비스

Ø 송전량 제약 완화

v 종래의 전력설비와 상이

Ø 응답 속도가 빠르다

Ø 교체 및 급전 변동비용이 낮다

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시장체제 하에서의 전력에 대한 요구

v전력산업의 새로운 요구목표 대두

Ø연료 : 가격 변동에 따른 위험 방지책

Ø발전 : 부하율 향상(기저부하 판매책)

Ø송전 : 혼잡(conjestion) 해소

Ø배전 : 안전도(security) 강화

Ø서비스 : 전기품질 향상 (정전예방)

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기존의 전기 공급

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연료원에너지원

발전 송전 배전 공급

v전통적인 전력의 생산 및 소비 체계

Ø전력회사의 일원적 품질 및 요금 체계

Ø소비자 품질 및 요금 선택권 無


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저장시스템을 활용한 전기 공급

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연료원에너지원

발전 송전 배전수용가에너지서비스

대용량 에너지 저장

분산 전원/에너지 저장장치

v새로운 서비스 및 가격 체계

Ø 품질별 서비스 및 차등요금제도

Ø 소비자 품질 및 요금 선택권 부여


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전기에너지 저장기술의 적용 분야

발전소변압기

배전변전소

신재생에너지 저장장치

휴대용 IT 기기

로봇 및 파워툴

수송기계용

UPS

대규모전력저장

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에너지 저장기술의 종류와 적용

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전력저장 시스템의 용도

1. Power 용1) 신재생에너지원의 전기품질 안정화

2) 전력시장에서의 보조서비스 확대 (주파수 조정 등…)

3) 수용가 및 계통 전기품질 향상

4) 기타

2. 에너지용

1) 신재생에너지 저장을 통한 활용도 향상

2) 피크, 오프피크를 통한 전기의 가치 제고

3) 전력설비 비용 저하

4) 전력설비 증설 지연 및 억제

5) 기타

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24시간

전력원 구성 및 생산과 소비

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12

전력소비량 필요 발전설비

전력수요∝가격

예비력

수력

가스

석유

석탄

원자력

0


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스마트그리드(저장설비)에 의한 효과

전력소비량

기존부하곡선

24시간

120

Peak Cut

스마트그리드적용 시

Peak Shift

Load Leveling

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24 시간

저장설비유무에 따른 발전량 변동

12

전력소비량

0

저장설비가 있는 경우의 발전량 변동 범위

저장설비가 없는 경우의 발전량 변동 범위

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Self-Healing 기술

(power system topology)

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Fault

D Feeder or DERS/S

CB

B Feeder or DER

C Feeder or DER

A Feeder

Normal Open

Normal Close

D Feeder or DERS/S

CB

B Feeder or DER

C Feeder or DER

A Feeder

REC SEC. SEC.

SEC.

SEC.

SEC.

SEC. SEC.R

자가복구 (Self Healing)

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전기선박의 사고 복구(Healing)

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Integrated Power System Approach

Flexible and Scalable Power System

Power Generation Module

Power DistributionModule

PGM-4PGM-4

PDM-1PDM-1 PDM-1PDM-1 PDM-1PDM-1 PDM-1PDM-1 PDM-1PDM-1

PropulsionMotor Module

PropulsionMotor Module PGM-4PGM-4

PropulsionMotor Module

PropulsionMotor Module PGM-4PGM-4 PGM-4PGM-4PDM-4PDM-4

PDM-4PDM-4

PDM-1PDM-1 PDM-1PDM-1 PDM-1PDM-1 PDM-1PDM-1 PDM-1PDM-1

71


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계통구성에 따른 공급신뢰도 차등화(1)

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부하밀도(고) 부하밀도(저)

계통구성에 따른 공급신뢰도 차등화(2)

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C Feeder or DER, or

마이크로그리드


v 수용 가에게 정전의 최소화 또는 무정전 공급

v 지속적인 시스템 상태의 감지, 즉각적인 정정 반응

v 고성능 센서의 사용, 통신기능으로 고장 유형, 오작동 등의 감지를통해 실제 고장 발생 전 고장 및 전기품질 저하 상태의 완화

v 수집된 정보의 고속분류 및 분석을 통한 자동 고속 복구 조치(고장위치, 계통재구성,전압 및 전기품질 등)

v 높은 수준의 재해 상황 회피(실시간 상정사고 분석) 74

Fault

고장구간

SEC.S/S

CB REC

SEC

R

B Feeder or DER

C Feeder or DER, or


A Feeder

SEC. SEC.

SEC.

SES.


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C Feeder or DER, or


Fault

고장구간

SEC.S/S

CB REC

SEC

R

B Feeder or DER

C Feeder or DER, or


A Feeder

SEC. SEC.

SEC.

SES.


75

IEC 61850 기반의 시스템 구축

IEC 61970 & 61968 CIM 기반의시스템 구축

*CIM : Common Information Model


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맺음


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스마트그리드 구축의 고려사항v 에너지 수급을 위한 시스템

ü 전력공급을 위해 구축된 자동화 시스템의 기능

ü 설비의 신뢰도에 미치는 영향 (무정전 기반)

ü 전기품질의 영향

v 생산과 소비의 동시성에 기인한 경제성

ü 수급 균형을 통한 경제성 확보/EMS 기능 결합

v 저장시스템의 활용

ü 신재생에너지 품질 및 활용도 제고/사용목적 및 용도

ü 품질서비스/품질저하로 인한 피해 방지 및 축소

ü 투자지연

v 시장기능의 활성화

ü 다양한 요금제( TOU, On-Off Peak, etc)

ü 실시간 요금제에 기반한 DR, 계량 / AMI로 통합

ü Ancillary Service 확대

v 기타77


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§ 목적함수 :

§ Subject to

78

여기서, 목적함수, 각 개체 및 기능은 스마트그리드 생태계의 능동적 요소에 의하여 다양하게 다음과 같이 설정될 수 있다.

M1 = 공급신뢰도(Power reliability), M2 = 전력품질(Power quality), M3 = 편의성, M4 = 에너지 및 자원의 효율적 활용

(Energy & Resources Efficiency), M5 = CO2 저감, M6 = 비용, Mi = …

f1 = 광역 실시간 감시제어(Wide-Area Situational Awareness: WASA)

f2 = 수요반응(Demand Response): 동적 수요관리, f3 = 에너지저장(Electric Storage)

f4 = 신재생에너지의 대규모 계통연계, f5 = 플러그인 전기자동차의 대규모 계통연계(Electric Transportation)

f6 = 실시간 양방향 미터링(Advanced Metering Infrastructure: AMI)

f7 = 배전망관리(Distribution Grid Management: DGM), f8 = 사이버보안(Cyber Security)

f9 = 표준화된 통신방식에 의한 정보처리

x1 ....................... x1 : Intelligent Electronic Devices(개체)

F1 ∼ Fm : 자율운용룰

Fm+1 ∼ Fn : 상호운용룰

ii

iMaMaxMin åor

[ ]nim fffffF LL,,, ,321

스마트그리드의 지향목표


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대책 & 투자

보험

79


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