1. 서 론
전세계적인 기후변화 위기에 따라, 최근 정부에서는 탄소중립실현을 위한 2050 탄소 중립시나리오를 발표하였다. 이에 따라 에너지 전환의 필요성이 강조되면서 화석연료에서 신 재생에너지 전환이 가속화되고 있다. 또한 정부에서는 탄소중립 실현을 위한 뉴딜정책 추진을 통해 에너지전환에 필요한 신재생에너지의 전력계통 안정화를 위한 방안인 가상 발전소(Virtual Power Plant, Vpp) 플랫폼의 기술을 접목하여 운영상의 유연성과 제어 가능성을 확보하기 위하고 기술을 접목하고 있다1).
신재생에너지는 출력제어의 어려움으로 인해 필요한 시점에 전력을 생산하는 것이 불가능하며 이에 따른 전압 및 주파수 이상의 전력품질의 저하를 야기할 수도 있다. 더불어 불확실한 발전량은 적정규모의 전력망 투자와 효율적인 운영에서의 어려움을 초래할 수도 있으며, 그 규모가 작고 설치 대수가 매우 많아 이를 개별적으로 감시하거나 관리할 수도 없기 때문에 전력거래와 계통운영을 위한 단독으로 전력시장에 참여할 수 없으며, 이를 해결하기 위해 다양한 유형의 분산전원을 ICT를 이용하여 통합 운영함으로써 중앙발전발전기와 같은 설비운영에 대한 최적 운영을 유지 가능하다.
가상발전소에 대한 최근 연구에서 큰 줄기를 두가지로 나눠 볼 수 있는데, 가상발전소 플랫 폼에 대한 빅데이터 기반의 인공지능(Artificial Intelligence, AI) 적용을 통한 상태분석에 대한 연구와 Vpp 시스템 특성을 고려한 사용자 인터페이스에 관한 연구로 나눠볼 수 있다. Lee et al. (2021)2) 등은 머신러닝을 이용한 방법으로 미리 산정하여 에너지저장장치를 운영하였을 때 가상발전소의 역할을 충실히 수행할 수 있는지 확인하기 위해, 분산전원의 출력을 인공지능에 대한 적용을 통해 확률적인 방법, 결정론적인 방법에 대한 연구를 수행하였다. Choi et al. (2021)3)은 가상발전소 사업자들이 시장참여 수익을 최대로 할 수 있는 고도화된 예측기법 들을 통해 상관 관계와 분산의 관계를 이용하 여 변동성을 줄임으로써 계통운영자가 계통에 대한 위험을 줄일 수 있는 연구를 수행하였다. 그 중에 사용자 인터페이스와 관련한 시스템 효율적 운영에 대한 연구를 하드웨어와 소프트웨어로 나누어 있는 시행하였다4,5).
소프트웨어에 대한 연구는 Kim et al. (2021)6)이 Vpp 구성요소들의 선정과 배치의 적용으로 Vpp 시스템을 효과적으로 관리, 운영하는 시스템의 확장성 및 호환성을 고려하여 SOAP 기반의 표준 인터페이스를 적용하였다. 또한 Jang et al. (2021)7)은 가상발전소 시스템에 대한 기능과 운용 접근성에 관한 인터페이스 연구로 사용자에게 보다 더 친숙하게 Vpp 플랫폼과 연계하여 효율적 운영이 수행될 수 있도록 하였다. Park et al. (2021)8)은 통합관리 및 모니터링에 통신 모듈(Remote Terminal Unit, RTU)을 활용하였고, 분산에너지자원(Distribute Energy Resources, DER)과 표준화된 통신으로 직접 계량기와 통신하고, 정산 금액을 예측하며 정확한 동작여부를 확인하도록 설계하는 연구를 진행하였으며, Vpp 시스템과 실시간 소규모 수요자원 거래시장의 범용적 적용에 대한 설계를 연구하였다.
하드웨어에 대한 연구로는 Hwang et al. (2021)9)은 다수의 계측기와 데이터를 수집, 변환, 저장하고 중앙 서버로 데이터를 전송할 수 있는 시스템을 구현을 하였으며, 통신 및 모니터링 기술 기준에 제정된 공용 규격에 따라 수행할 수 있도록 각 계측기의 데이터를 한눈에 볼 수 있도록 연구를 수행하였다. Hwang et al. (2021)10)은 통신 프로토콜을 개발, 이를 이용하여 다수의 인버터 시스템을 RTU에 동기화시키고, 인버터의 상태를 감시할 수 있도록 데이터 손실에 대한 진단 기능에 대해 연구하였다. 또한 Song et al. (2021)11)은 개발된 RTU에 대한 상호 간섭 영향을 최소화하기 위해 성능시험 절차에 대하여 연구하고 안정적 시험 절차를 정립하였다.
기존 연구에서 진행된 Vpp 시스템 연계를 통한 기존 분산전원의 최적 운영을 위하여 본 논문에서는 가상발전소 시스템 운용 및 적용을 위한 발전정보 획득용 통합 통신모듈(Remote Terminal Unit, RTU)을 개발하였다. 현재 소규모중개거래가 전력거래소를 통해 거래가 이루어지고 있으나, 시범사업 기간 동안에 발전량 예측을 통해 가상발전소 운영시 발생되었던 문제점을 개선하였다. 첫번째, 기존 통신모듈은 10 ~ 15분 단위로 발전정보를 전송함에 따라 인버터의 발전정보와 전력계량기의 발전정보 간의 동기화 차이로 실시간 전력 계량정보 획득이 불가능하며, 이를 개선하여 발전량을 예측하기 위한 기계 학습이 가능한 수준의 실시간 발전정보를 최소 1분 이내 획득이 가능하도록 하였다. 두번째, 통신장애 발생이후, 복구 시 개별 데이터의 자동저장 및 재전송 기능을 추가적으로 구현하여 미전송된 인버터의 발전정보와 전력계량기의 발전정보의 연속된 데이터 전송이 가능하도록 RTU를 개발하였다. 이를 통하여, 이상 및 고장을 사전에 탐지하고 유지보수에 활용함으로써 효과적인 신재생에너지 발전소 운영 및 발전량 향상에 기여하고자 한다.
2. 실험방법
Vpp 시스템 적용을 통한 최적운영을 위하여 RTU에 대한 기본 설계를 수행하였다. 개발된 RTU를 실증한 영농형태양광 시스템 구성도는 Fig. 1에서 보여지는 바와 같이 태양광 모듈의 데이터가 계통연계 인버터와 환경 센서(수평면 일사량계, 경사면 일사량계, 표면 온도, 외기 온도 등) 및 한국전력거래소(KPX) 계량기를 통합한 RTU 형태로 데이터 전송이 이루어져 영농형 태양광 관제운영 시스템의 서버로 최종 전송되는 시스템으로 구성되어 있다. 개발과정에서 일반태양광의 기존센서에서 기울기 센서를 영농형태양광 모듈 패널에 추가로 적용하여, 모듈 지지물 표고 증가에 따른 태풍시 풍압에 의한 손상 유무를 확인할 수 있는 기능을 추가 적용하였다.
본 연구에서는 영농형태양광 및 전력중개사업의 확대 및 운영 편의성 향상을 위한 통합 RTU 모듈을 개발하기 위해 기존 RTU와의 4가지 차별성을 가지도록 연구를 시도하였다. 첫번째, 기존환경센서(일사량, 온도) 정보, 농작물 생육상태, 구조물 상태를 수집하는 센서를 포함하였고, 두번째는 인버터와 실시간 전력량계 정보(KPX 전송 정보)를 수집하는 발전량을 포함하였다. 세번째로는 VPN의 보안기능을 탑재한 보안성을 포함하였고, 마지막으로 가상발전소(Vpp) 플랫폼 연동 기법을 연구하였다.
통합 RTU 개발에 있어서의 주요 획득 데이터는 인버터 정보, 각종 환경센서 정보, 전력량계 정보, 구조물 기울기 정보이며, 위 정보를 획득하기 위한 센서로 통합 구성하였으며, 각 정보를 유기적으로 획득하기 위해 Fig. 2와 같이 구성하였다. 실시간 발전정보 전송용 통합 RTU(전력용 계량기 + RTU + 환경센서)의 세부 구성 별 개발 주요내용은 실시간 발전정보 전송용 통합 모듈(전력용 계량기 + RTU + 환경센서) 개발, 태양광 발전소 인버터, 환경 센서 정보 및 계량기 발전데이터의 실시간 원격전송(인버터 정보, 환경센서 정보, 전력계량기 정보), 영농형태양광 Vpp 플랫폼 전용 통신 환경구축을 위한 전용 프로토콜 사용, 통신장애 복구 후 장애발생 동안의 발전 데이터 전송 기능 탑재(90일 이상 저장 가능)하였다. 장애발생 동안의 개별데이터 전송이 가능하도록 내부 메모리 램으로 DDR3 1 GB를 사용하여 Fig. 3와 같이 설계하였다. 또한 단말기 웹 페이지를 통한 환경설정 및 인버터 연결상태, 출력량 디스플레이에 대한 표현을 시도하였으며, 무선모뎀은 HANCOM TELADIN사의 LTE[Cat5, Cat1]를 지원하는 TX700 계열을 적용하였다.
소규모 전력중개사업에 적합한 수준의 발전정보를 영농형태양광 운영지원센터내의 모니터링과 연계하기 위하여 Fig. 4와 같이 유무선 통신이 가능한 통합 RTU를 개발하였다.
개발된 통합 RTU의 검증을 위하여 한국남동 발전에서 추진한 영농형태양광 시범사업 단지 인 경상남도 남해(100 kW) 발전소에 적용하여 실증하였다. 실증을 수행한 태양광 사이트와 실증 설비는 Fig. 5에 나타나 있다. 통합 RTU 시스템에 대한 실증은 2021년 8월 1일부터 수행하였으며, 향후 1년간 실증을 통하여 개발품의 신뢰성 및 데이터를 확보할 예정이다. 현장에 설치된 통합 RTU와 구조물 기울기 확인용 시제품 모듈 및 기존 G-Type의 정격 3P4W 220/380 V 5 (2.5) A급 전력계량계를 사용하여 실시간 시스템 연결이 제대로 이뤄지는지에 대해 실증을 시행하였다.
3. 결과 및 고찰
Fig. 6은 통합 RTU에 접속시 보여주는 모니터링 웹 프로그램으로서, 1초 간격으로 전력량계, 인버터 및 각종 센서 데이터 값들이 실시간으로 보여주고 있다. 이는 통합 RTU 모듈의 실시간성에 대한 실증이 제대로 이루어지고 있다는 것을 반영하고 있으며, 또한 여기에서 각 센서 및 통합 RTU 모듈에서의 설계 구현기능이 제대로 이루어지는지에 대해서도 확인하였다. 환경센서인 온도센서 2곳과 일사량센서 2곳, 기울기센서, 전력계량기 출력값, 인버터의 값들을 표현한다. 개발된 UI는 통합 RTU 접속시 Web 프로그램 기반 RTU 설정을 통해 실시간 데이터 값 확인하는 기능을 구현하였고 실시간 디스플레이 화면에서 그 값들을 확인할 수 있었다.
Fig. 7는 2021년 8월 1일 기울기센서, 환경센서로부터 수집된 개별 모듈의 전압, 전류, 온도와 전력량계에서의 전력량을 나타낸다. 그림에서 볼 수 있듯이, 태양광 모듈에 각종 환경센서들을 부착하여 측정된 데이터는 시간에 따른 전압 및 전류 출력값이 매우 유사함을 알 수 있다. 특히, 전류의 경우 당일 시간별 일사량과 매우 상관된 출력 상태를 보여줌으로써 일사량에 따른 태양광 모듈의 전류가 정확히 측정되었음을 확인할 수 있었다. 기존의 인버터 데이터와 비교하여 확인하면, 보여지는 바와 같이 유사한 값을 가지고 있다. 이에 따라 기울기센서, 환경센서, 실시간 전력량계가 통합적으로 개발된 RTU가 충분한 신뢰성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
Table 1에서는 개발된 RTU의 실증에서 실시간 전송에 대한 시간이 최소 1초에서 1분으로 전송됨을 확인하였고, 전류는 0.6 ~ 1 A이며, 환경센서인 ADC 센서의 전압은 650.05 mV이었으며, 일사량 센서의 전압도 68.43 mV로 나타남을 확인하였다.
Table 1
Vpp platform application parameters of the developed RTU
|
Real Time Transmission (t) | Electric Current |
Voltage (ADC Sensor) |
Voltage (Pyranometer) | |
| RTU | 1 second ~ 1 minute | 0.6 ~ 1 | 650.05 mV | 68.43 mV |
Fig. 8에서는 (a) 구조물 기울기 DB데이터, (b) 인버터 각 출력값 DB데이터, (c) 전력량계 각 출력값 DB데이터를 나타내었다. 각 데이터들은 10분단위로 보여지고 있으며, 실시간으로 확인하였을 때도 기존의 인버터 내에 표시되는 값과 유사함을 보여주었고, 추가로 통신장애 발생 시에도 자동 저장된 개별데이터를 확인할 수 있었다.
각종 환경센서과 통합 RTU 기능의 신뢰성을 확보하기 위해 운영자가 쉽게 확인할 수 있도록 가상발전소와 연계된 영농형태양광 전용 통합 RTU 플랫폼을 User interface (UI)로 제작하였다. Fig. 9에서는 통합 RTU의 기능을 쉽게 확인하여 운영할 수 있도록 실시간 날씨 및 전력량을 표현하여 유지보수에 활용함으로써, 영농형태양광에 대한 효과적인 발전소 운영 및 발전량 향상에 기하고자 하였다.
4. 결 론
본 논문에서는 가상발전소에서 실시간으로 적용이 가능한 통합 RTU를 개발하였다. 개발된 통합 RTU에서는 가상발전소 시스템 연결 시 문제점으로 지적을 받고 있는 실시간성에 대한 해결과 영농형태양광 시스템에서의 실증을 통해 태양광 구조물 상태를 확인할 수 있는 기울기 센서를 추가 적용하여 통합 RTU에 연동하였다. 실시간 전력거래에 요구되는 표준 프로토콜 적용하였으며, 데이터를 90일 저장이 가능할 수 있도록 데이터 신뢰성 확보가 가능하게 하였다. 통합 RTU 모듈은 전력량, 전압, 전류, 온도를 측정한 후 그 결과를 Zigbee를 통하여 유, 무선 송신이 가능하게 하였으며, 수요처에서 제시한 보안강화 요구에 의해 VPN Client Server 적용으로 제품 자체에 대한 보안을 강화됨을 확인하였다. 이는 가상발전소(Vpp) 플랫폼 연동이 최적화된 제품으로서의 개발이라고 할 수 있다.
