스마트 그리드 그린 IT Smart grid

스마트 그리드 그린 IT  Smart grid

1. 개요

스마트 그리드(smart grid)란 정보 통신 기술을 이용해서 전기 공급자와 소비자에게 최적의 전력을 제공할 수 있도록 하는 것을 말하며 여러 국가들에서 이를 구축하기 위한 개념 정립 및 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 미국에서 처음으로 전력 사업자에 의해 제안되어 관련 산업계나 정부가 이에 협력하고 있으며 유럽과 아시아 등지에서도 스마트 그리드는 주목받기 시작하고 있다. 2030년까지 미국의 스마트 시장은 4,000억 달러(약 500조원), 국내 스마트 그리드 시장은 약 68조원으로 예상된다고 한다. 스마트 그리드에서 ‘스마트’란 단어의 뜻 그대로 지능적인 망을 IT 기술을 이용해 구축하여 전력 사용과 배전을 최적화하려는 것을 의미하며, ‘그리드’란 송전과 배전¹⁾을 하나의 인프라로 취급하여 부르는 말이다.

2. 스마트 그리드의 정의 및 특징

2.1. 스마트 그리드 정의

스마트 그리드는 IT 기술을 활용해서 전력 생산 및 소비 정보를 양방향 및 실시간으로 고객에게 제공함으로써 에너지 효율을 최적화하고 에너지 프로슈머(prosumer’ : 에너지의 생산자가 소비자가 될 수 있다는 의미)의 등장을 가능케 하는 차세대 전력망이라고 정의할 수 있다. 이는 향후 요구되는 전력 전송망의 모습을 찾아내고 에너지의 낭비를 없애는 동시에 최소 비용으로 지능망을 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 전통적인 에너지 자원과 재생 가능한 에너지 자원을 통합시키며 이로 인해 에너지 소비를 감소시킬 수 있어 녹색전력으로 불리기도 한다. 단기적인 측면에서 봤을 때는 온실가스 감축을 통해 환경을 보존 및 개선하고 지능적 ․ 효율적으로 에너지 자원을 관리 및 서비스가 가능하다. 또한, 장기적인 측면에서 봤을 때는 일상생활의 많은 면에서 변화를 가져올 것으로 기대된다. 하지만 아직 이에 대한 구체적인 기술이나 아이디어의 경계선이 명확하지 않아 이에 대한 표준화 및 연구가 진행 중이다.

그림 1). 스마트 그리드 개념 모델

그림 1은 [4]에서 표준화가 진행되고 있는 스마트 그리드에 대한 개념 모델로서 7개의 domain으로 나누고 있다. [4]에서는 각 domain을 actor와 application으로 나누고 있다. Actor는 디바이스, 시스템, 프로그램 등이 될 수 있으며 이는 application을 수행하는데 필요한 정보를 교환하고 제공하는 역할을 한다. 예를 들어 스마트 미터나 태양열판 혹은 제어 시스템이 될 수 있다. Application은 domain 내에서 하나 이상의 actor에 의해 수행되는 task를 의미하며 이에 대한 예로 홈 자동화, 태양열 에너지 생산 및 저장, 에너지 관리 등이 가능하다. 또한, 스마트 그리드의 기능 구현을 위해 특정 domain 내의 actor는 다른 domain 내의 actor와 상호작용을 할 수 있다. 스마트 그리드 개념 모델의 7개 domain 내 actor에 대한 개념은 다음과 같다.

• Market

전력 시장(electricity market)에서 운영자(operator)나 참여자(participant)가 될 수 있다.

• Operation

전력 이동을 관리하는 관리자(manager)가 될 수 있다.

• Service provider

전력 소비자나 기관 등에 스마트 그리드 서비스를 제공하는 기관이나 단체가 될 수 있다.

• Bulk generation

전력 생산자(generator)를 말하며 이후에 전력 분배(distribution)를 위해 에너지를 저장할 수 있다.

• Transmission

Bulk generation domain에서 생산된 전력을 전송하는 carrier를 말한다.

• Distribution

전력 공급자(distributor)가 될 수 있으며 전기를 저장 및 생산할 수 있다.

• Customer

전력 소비자를 말하며 때로는 에너지 생산, 저장, 관리가 가능하다. 크게 home, commercial/building, industrial 소비자로 구분될 수 있다.

2.2. 스마트 그리드 특징

스마트 그리드에서 IT는 자가 치유(self-healing), 수요반응(demand response), 보안(security), 전력 품질 보장(power quality), 전력 거래(power saving)를 실현시키는 도구로서 작용을 하며 양방향 무선 통신망, 센서 네트워크, 알고리즘 기반의 관리 등의 IT 기술이 스마트 그리드의 지능화를 가능하게 한다. 각각의 특징을 살펴보면 다음과 같다.

2.2.1. 자가 치유

현재의 전력망은 자가 진단이 어렵고, 고장 및 정전이 발생하여도 수동 복구를 해야만 한다. 하지만 스마트 그리드에서는 모든 전력망 계통을 센서 네트워크를 이용해 실시간으로 감지 및 센싱하고, 이를 유무선 통신 인프라를 통해 전송하고, 수집된 정보를 바탕으로 예측, 분석, 모델링, 통합 정보 관리 및 운영을 통해 전력망 실시간 복구를 수행할 수 있도록 한다.

2.2.2. 수요 반응 및 에너지 효율

실시간 전력 미터링, 센서 정보를 활용한 원격 측정 및 수요 관리, 제어를 통한 효율적인 에너지 사용을 위한 기술이다. 그리하여 각종 장치의 에너지 소모량을 측정하고 제어․관리 정책이나 알고리즘, 실시간 요금 등과 연계하여 어떤 반응을 나타내기 위한 기술로 볼 수 있다.

2.2.3. 전력 품질 보장

태양광, 풍력, 연료 전지, 전기자동차 등과 같은 분산된 자원들을 결합하여 안정적으로 사용할 수 있는 전력을 공급하기 위해서는 양방향 및 실시간 전력망 제어를 가능케 하는 통신․제어망 기술, 분산된 전력의 원격 모니터링을 포함한 센싱과 측정기술 등을 필요로 한다.

2.2.4. 전력 유통

가정이나 빌딩에서 신․재생 에너지를 이용하여 직접 전력을 생산하고 잉여 전력은 전력 수요자에게 판매할 수 있는 환경을 제공하기 위해서 전력 유통을 위한 메커니즘을 필요로 한다. 이를 위해 유무선 통합 통신 플랫폼 기술과 실시간 대용량 정보 처리 및 보안 기술, 전력 소비량 등과 같은 전력 정보의 실시간 모니터링 기술, 전력 정보 브라우징, 품질/요금 검색, 충전 스테이션 운용 기술 등이 있다.

2.2.5. 보안

스마트 그리드에 대한 물리적, 사이버 공격으로 인한 전력망 손실 및 국가 안보 위협이 발생할 수 있다. 이를 위해 장치간 상호 인증, 크로스 서비스²⁾ 공격, 측정 및 제어 정보 무결성, DoS 공격 방지 및 제어시스템의 침해사고 탐지/대응/복구 등의 기술이 필요하다.

2.3. 스마트 그리드 기술

스마트 그리드는 그림 2와 같이 전력 중심의 스마트 발전/송변전, 스마트 계통 운용, IT 기반의 양방향 소비자 인프라 및 스마트 응용 서비스 기술로 크게 구분할 수 있다. 각 구분에 따른 기술을 살펴보면 다음과 같다.

그림 2). 스마트 그리드 구성도

2.3.1. 스마트 발전/송변전

• 스마트 배전/변전 자동화 기술

전력 설비 자동화 시스템은 전력을 생산, 수송, 공급하는 대상설비에 따라 배전자동화(DAS : distribution automation system)³⁾ 시스템, 급전종합자동화설비(EMS : energy management system)⁴⁾, 원방감시제어설비(SCADA : supervisory control and data acquisition)⁵⁾ 등으로 계층 구조를 형성하고 있으며 이러한 기술은 광범위하게 존재하는 배전설비를 IT 시스템을 이용하여 원격 감시 및 제어하고 선로고장 구간 및 최적 계통 전환 등 배전 계통 운용을 지능화한다. 변전 자동화 기술은 변전소의 로컬 및 원격 제어와 현재의 상태를 감시하는 기술을 말하고 IED(intelligent electronic device) 기반의 디지털 변전 시스템으로 통합되며 지역 제어, 감시, 시스템 구성 등에 대한 HMI(human machine interface)를 제공한다.

2.3.2. 스마트 계통 운영 기술

통신 및 제어 기술을 이용하여 녹색 에너지원과 여러 곳에 분산된 전원을 seamless하게 기존 망에 연계시키는 기술로서 신․재생에너지, 분산전원, 배터리 저장 장치, PHEV(plug-in hybrid electric vehicle), 실시간 요금 체계 등의 모든 요소들이 안정적이고 신뢰할 수 있는 방법으로 통합 및 운영될 수 있도록 하는 기술을 말한다.

• 신․재생 에너지 기술

신․재생 에너지는 화석연료를 변환하여 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물유기체 등 자연의 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지를 말한다. 신에너지는 연료전지, 수소에너지 등을 말하며 재생에너지는 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력, 폐기물 등을 말한다.

• 실시간 감시 시스템

송전선로에서의 상황을 실시간으로 감시함으로써 송전선로의 고장을 예방하고 설비 전력의 여유를 고려하여 보다 효율적으로 송전선로를 운용하기 위한 기술을 말한다. 여기에는 전력 시스템 광역 감시 시스템, 누설 전류센서, 전자식 변압기 등이 포함된다.

2.3.3. 양방향 소비자 인프라

• AMI(advanced metering infrastructure)

공급자와 수용자의 능동적인 참여를 통한 수요 반응으로 에너지 효율을 높이는 스마트 그리드 실현에 필수적인 핵심 인프라로서, 양방향 통신을 지원하고 사용자에게 전력 사용 정보를 제공하고 수요반응을 통한 에너지 효율 향상을 가져오는 스마트 미터, 소비자들이 에너지 사용량이나 요금 등의 정보를 인지하고 자발적인 에너지 절감에 동참할 수 있도록 의사결정을 돕는 제품인 사용자 수요반응기기, 대용량 전력 자원을 통합 관리하기 위한 전력 정보 관리 시스템, 그리고 전력 공급자와 사용자를 연계하는 역할을 수행하는 스마트 그리드 전력 서비스 네트워크로 구성된다.

• HAN(home area network)

홈게이트웨이 및 홈서버는 가정 내 정보가전을 포함한 각종 기기를 유무선 통신 인프라를 통해 제어하고 관리하는 역할을 하며 전력 스마트 미터와의 연계가 필수적이다.

• PHEV

재충전이 가능한 전기자동차는 전기로만 구성되는 전기자동차, 내연기관과 축전지의 두 동력원을 이용하는 하이브리드 자동차, 그리고 외부의 전력을 이용하여 배터리를 충전할 수 있는 하이브리드 자동차가 있다. 이 중 PHEV는 심야의 저렴한 잉여 전력을 충전하여 근거리 이동에 필요한 에너지로 사용하고, 새로운 개념의 에너지 저장 기기, 즉 이동형 전원으로서의 역할을 담당한다.

2.3.4. 스마트 응용 서비스 기술

• 스마트 네트워크 기술

스마트 그리드 인프라를 제공하는 측면에서의 통합 통신 플랫폼 기술이며 상호호환을 지원하기 위한 전력 분야에 있어서의 표준화가 필요한 분야이다. PLC(power line communication), BPL(broadband over power line), ZigBee, WiFi, SUN(smart utility network), wibro를 포함한 모바일 네트워크, TCP/IP 초고속 인터넷망 등이 사용자 및 액세스, 백본 전력망의 인프라로 적용될 수 있다.

• 스마트 그리드 보안 기술

스마트 그리드 구성 요소의 신뢰성과 보안이 요구될 뿐 아니라 전력망, 시스템, 서비스 등에서 보안 적용이 필요하다. DoS, 크로스 서비스 공격 방지 기술과 정보의 불법 변경 및 유출 방지 기술 등이 필요하다.

• 전력 저장 기술

심야 등 전기 사용의 오프 피크 시에 전기를 저장하고 주간의 피크 시에 전기로 변환시켜 부하의 이동에 따라 평준화하기 위한 기술로, 기존의 전지를 전력저장용으로 개량한 형태와 나트륨-유황(Na-S), 아연-규소(Na-Br) 전지 등이 고려되고 있다.

3. 스마트 그리드 표준화 동향

스마트 그리드의 표준화는 아직 초기 진행 상태이다. 북미와 유럽은 독자적으로 스마트 그리드에 대한 표준을 추진하고 있다. 미국은 EPRI와 NIST를 중심으로 유럽은 “European Technology Platform, Smart Grids”를 중심으로 표준화를 진행하고 있다. 표 3과 같이 스마트 그리드의 전력관리 기술 분야는 IEC와 IEEE, ISO, OpenAMI에서 표준화를 진행하고 있고, 전력망 보안 기술은 IEEE, NERC, IEC, NIST에서 표준화를 진행하고 있다. 국내에서의 스마트 그리드 전력 기술 분야에서의 국제표준은 IEC를 중심으로 진행되고 있으며 국내표준에서도 전력 분야에 있어 IEC 표준을 적용하고 있다. 

표 2). 스마트 그리드 분야별 표준화 추진 동향

기술분야	표준내용	표준화 단체
지능형 전력관리 기술	댁내 지능형 전력관리프레임워크, 시스템, 장치, 전력 제어 관리 프로토콜	IEC/ISO
	Smart utility network PHY & MAC 기술	IEEE 802.15.4g/e
	Mesh routing 기술	IEEE 802.15.5
	스마트 그리드 인프라를 위한 Wibro 기술	IEEE 802.16
	스마트 그리드와 마이크로 그리드 연동	ISO/IEC
	지능형 에너지 관리 시스템과 전력 소비량수집네트워크 간 인터페이스	OpenAMI, IEEE
	스마트 그리드 기기/시스템의 상호호환	IEC TC57
지능형 전력망 보안기술	스마트 그리드 기기/시스템 보안	IEEE 1686-2007, UCAlug AMI-SEC SSR
	스마트 그리드/인프라 보안	NERC CIP 002-009
	스마트 그리드에서의 데이터 통신 보안	IEC 62351
	스마트 그리드 개인 정보 보안	NIST SP, NERC CIP
국내 정책	전력 IT 시스템 자율 관리 정책	TTA, 기술표준원
	전력에너지 사용량 기반 전력절감관리 정책

스마트 그리드의 IT 분야 국제표준은 ISO, ITU를 중심으로 진행되어 왔으며 IT 기술의 스마트 그리드 적용을 위한 표준화 노력은 ZigBee Alliance, Homeplug, IEEE 등 포럼 및 컨소시엄을 중심으로 표준화가 진행되고 있다. 미국은 정부차원에서 스마트 그리드 표준 프레임워크를 고안중이다. 국내 표준화는 전력 IT 표준화 포럼을 설립하여 추진하고 있으며 기술표준원 및 TTA를 중심으로 표준화가 추진되고 있다. 스마트 그리드의 광범위한 분야, 복잡성으로 인해 현재 기관 및 국가별 표준화 추진을 진행하고 있으나 정착되기까지 앞으로 10년 이상 소요될 것으로 예측하고 있다.

참 고 문 헌

[1] 장동원, 이영환, “스마트 그리드 표준화 동향 연구,” 정보통신산업진흥원 주간기술동향 1417호, 2009.10.

[2] 이일우, 박완기, 박광로, 손승원, “스마트 그리드 기술 동향,” 한국통신학회지 2009년 9월호, 2009.9.

[3] 도윤미 외 7명, “스마트 그리드 기술 동향 : 전력망과 정보통신의 융합기술,” 전자통신동향분석 제24권 제5호 2009년 10월, 2009.10.

[4] NIST(National Institute of Standards and Technology), “NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards Release 1.0 (Draft),” 2009.9.