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[스마트그리드 실현을 위한 핵심 기술 5] HEMS(홈에너지관리시스템)
2015년 3월 1일 (일) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2015년 3월호 - 전체 보기 )

[스마트그리드 실현을 위한 핵심 기술 ⑤]
HEMS(홈에너지관리시스템)


홈에너지관리시스템(HEMS)이란 주택의 전력, 가스, 온수 등 에너지 소비원이 되는 조명, 가전기기, 급탕기기를 IT기술로 네트워크화하고 자동제어하는 시스템을 말한다. 향후 디지털 가전 및 에너지저장시스템(ESS), 가정용 태양광 발전, 연료전지 등 소규모 분산형 전원과 전기 자동차의 보급에 따른 충전전력 공급(V2H), 전력망의 전력공급(V2G), 급속충전기와의 연계 등 스마트하우스 요소기술의 발전이 기대되고 있다. 본고에서는 HEMS의 기능 및 기술동향을 살펴보고, 일본 내 스마트하우스의 사례에 대해 소개한다.
 
번역·정리 김대근 기자

HEMS(홈에너지관리시스템)
스마트하우스와 HEMS
저탄소 사회에 대한 요구가 높아지고 있는 가운데 수요 측면, 특히 가정부문에서의 에너지 최적 이용 및 에너지 절감 대책이 각광을 받고 있다. 향후 가정부문에서는 태양광발전, 축전지, 연료전지 등의 발전, 축전기기의 도입이 촉진됨과 동시에 통신기능이 부가된 가전기기의 보급이 진전될 것으로 기대된다. 이러한 설비 및 기기는 스마트미터를 통해 전력회사의 배전계통과 전기적으로 연계되며, 이 스마트미터의 통신기능을 통해 가정 내의 기기와 전력회사 및 에너지 서비스 회사 간에 정보교환이 이루어짐으로써 가정 내의 에너지 최적화와 국가 전체에서의 에너지 수급 최적화가 동시에 달성될 수 있을 것이다. 이 사회적 요청은 Home Energy Management System(HEMS)을 중핵으로 한 스마트하우스의 개념([그림 1] 참조)을 염두에 두고, 국내외 산학연 협력으로 추진되고 있으며, 일본 국내에서는 경제산업성이 설치한 스마트하우스 표준화 검토회에서 보급을 위한 인프라 조성 사업이 추진되고 있다. 국내외 에너지 이용의 최적화에 기여하는 지원기능으로서 주목을 받고 있는 HEMS는 거주자가 정보처리에 의존하는 수준에 따라 크게 2가지로 구별된다. 먼저, 첫 번째는 거주자에게 적절한 정보를 제공함으로써 거주자 자신에 의한 판단과 액션에 의지하는 것이다. 정보 제공의 수단인 가시화 단말을 통해 가정 내의 에너지 사용량 및 기기의 동작정보뿐만 아니라, 전력회사의 요금정보 등 다양한 정보들을 표시함으로써 그것이 거주자의 판단에 따른 에너지 절감 행동으로 이어지게 하는 것이다. 또 다른 하나는 가정 내의 다양한 정보를 가정 내 네트워크를 경유하여 일원적으로 수집·관리하고 일정의 정보처리를 통하여 거주자의 편리성 향상 및 에너지의 최적 이용을 지원하는 것이다. 일반적으로는 후자를 HEMS라고 부르는 경우가 많지만, 가시화 단말과의 경계가 아직 명확하지 않으며 정보처리 수준에 따라 여러 가지 대응이 이루어질 것으로 예상된다.

HEMS에 요구되는 기능
HEMS에 요구되는 주된 기능으로는 ①가정 내 기기의 정보집약 ②가정 외부와의 정보연계 ③각종 정보처리(최적화 연산 등) ④거주자에의 정보제공 ⑤각 기기에 대한 제어 등이 있다.([그림 1] 참조)

 
①가정 내 기기의 정보집약(홈 네트워크)
가정 내의 정보집약은 가정 내 네트워크(홈 네트워크)를 이용하여 실행되는데, 가정 내에는 다른 벤더의 각종 다양한 기기가 혼재되어 있기 때문에 이전부터 가정 내 네트워크 표준화를 위한 연구가 추진되어 왔다. 가정 내 네트워크의 표준화는 사회 인프라 측면에서도 중요한 문제이며, 에너지 최적화뿐만 아니라 안전·안심의 각종 서비스의 창출로도 이어지는 것이다.

②가정 외부와의 정보연계
HEMS와 가정 외부와의 정보 연계에는 전기사업의 일환으로서 스마트미터를 통해 실시되는 것과 통신 서비스 및 인터넷 사업의 일환으로서 Home Gateway(HGW)를 통해 실시되는 것이 있다. 전자에 대해서는 전력회사로부터의 전력수급 및 전력가격 정보의 배포뿐만 아니라, 전력부족 시의 절전요청(디맨드 리스폰스) 등이 상정된다. 또 후자에 대해서는 HEMS 및 가전기기에 대한 SW 다운로드 및 각종 서비스 사업으로의 전개가 예상된다.

③정보처리(최적화 연산 등) 
HEMS에서의 정보처리는 가정 전체에서의 에너지 소비량 및 CO₂배출량 저감이 주된 목적지만, 거주자의 거주성 및 쾌적성의 향상뿐만 아니라, 안전성에 대한 배려, 긴급 시 대응책 마련 등 사회정세를 반영한 연산처리기능의 실현도 요구되고 있다.

④거주자에의 정보제공
거주자에의 정보제공에는 미터 계량치의 제공뿐만 아니라, 거주자에 의한 자발적인 에너지 절감 행동을 유도하기 위해 기기별 가동정보 및 각종 환경정보(전력가격, 전력수급, 날씨 등)를 직접 제공하는 것, 전력부족 시 전력회사로부터의 협력요청 등을 적확하게 전달하는 것 등이 상정된다.

⑤각 기기에 대한 제어
가정 내 각 전기기기에 대한 제어는 ③정보처리(최적화 연산 등)에서의 연산결과를 참조하면서 실시되는데 △ HEMS가 직접 기기를 제어하는 것 △HEMS에서의 연산결과를 참고로 각각의 기기가 로컬 제어를 실행하는 것 △거주자에 의해 매뉴얼로 제어가 실시되는 것으로 크게 구분해볼 수 있다. 모두 거주자의 편리성과 쾌적성을 해치지 않는 선에서의 실행이 요구되고 있다.

기술동향
일본 국내에서는 1997년에 가정 내 기기·설비를 네트워크로 연결하기 위한 표준통신규격의 책정을 목적으로 에코넷 컨소시엄이 설립됐다. 설치공사를 간편화하기 위해 전력선 통신 및 무선을 활용하고, 전기기기의 제어에 있어서는 운전/정지뿐만 아니라 에어컨의 온도설정 및 풍량 조절 등 세심한 조작을 가능하게 했다. 또한, △다른 제조업체의 기기라도 같은 명령으로 조작이 가능하도록 가전기기의 속성을 공통 사양화(ECHONET 규격에서는 기기 객체(object)라 칭함)하는 멀티벤더 대응의 실현 △가전기기의 추가를 용이하게 하는 플러그 앤 플레이 기능 △병원, 자치단체, 전력회사 등 사회 시스템과의 연계를 가능하게 한 ECHONET 규격이 책정되었다. ECHONET 규격은 현재 Ver.4.00까지 확장되어 특정 소전력 무선, 전력선 통신, 이더넷 및 무선LAN, Bluetooth 등의 IP 네크워크에 대응해 휴대전화를 이용한 외출지에서의 가전기기 원격조작 및 가전기기의 에너지 절감 운전에 채용되고 있다. 또한 보급이 점차 확대되고 있는 태양광발전, 연료전지, 히트펌프 급탕기, 더 나아가 각 가정과의 연계가 실현되고 있는 전기자동차 및 가정용 축전지 등이 일반 가정에서도 이용되게 되면, 거주자가 그 기기들을 효율적으로 조작하기 어려워지기 때문에 그 해결수단의 하나로서 HEMS 도입에 대한 필요성이 더욱 부각되고 있다. 이 새로운 니즈에 대응하기 위해 에코넷 컨소시엄은 더욱 간편하며 최신 통신기술을 사용할 수 있는 ECHONET Lite라는 새로운 규격을 책정했다. ECHONET Lite는 규정 부분을 OSI 5~7계층의 통신처리부만으로 하고, 통신 어드레스에는 전송 미디어의 어드레스를 사용하도록 하고 있다. 기존의 ECHONET 규격과 비교해 전문(電文) 형식을 1종류로 하고, 라우터 기능 및 Net ID 서버의 규정을 없애는 등 사양을 간소화하여 보다 개발이 용이하게 규격화함으로써 보급촉진을 도모하기 쉬운 구조를 취하고 있다. 이 ECHONET Lite 규격은 경제산업성에 의한 일본형 스마트하우스의 해외시장도 포함하여 스마트하우스 보급확대 촉진을 목적으로 설립된 JSCA(Japan Smart Community Alliance)의 국제 표준화 WG 스마트하우스 표준화 검토회에 있어서도 스마트하우스의 중핵을 담당하는 HEMS 공지의 표준 인터페이스로 승인되어 향후 그 보급확대가 기대되고 있다. [그림 2]에 기존의 ECHONET 규격과 ECHONET Lite 규격의 비교를 나타냈다.


스마트하우스 사례

스마트하우스의 일례로서 미쓰비시 전기㈜가 자사연구소 내에 최신 주택설비 기기와 HEMS를 설치한 오후나(大船) 스마트하우스가 있다. CO₂제로 에미션(Zero Emission, 무배출 시스템)의 실현가능성 검증과 안전성, 절전 시스템의 유용성 확인을 목적으로 실증실험을 실시한 것이다.([그림 3] 참조) 오후나(大船) 스마트하우스의 주택사양 및 주요설비를 [표 1]에 나타냈다. 오후나(大船) 스마트하우스는 자립순환형 주택의 가이드라인에 준거한 고기밀 고단열 주택이며, 2세대 주택으로 설계, 주택 내 에너지 융통 등의 시험에도 대응할 수 있다. 오후나(大船) 스마트하우스의 HEMS 구성을 [그림 4]에 나타냈다. HEMS는 발전, 축전, 방전을 주(主)로 하며, 주택 내 전력제어를 실시하는 파워 컨디셔너와 각종 가전기기 및 환경을 제어하는 HEMS 컨트롤러로 구성되어 있다. 주택 외부와는 홈 게이트웨이를 통해 IP망으로 연결되어 있다. HEMS 컨트롤러의 제어대상이 되는 기기를 네트워크에 연결하기 위해서 인터페이스에는 IEC62480(ECHONET)에서 표준화된 사양을 적용하고 있다. 또 홈 네트워크로서 배선 및 설치비용에 우수한 무선방식을 채용하는데 그 중에서도 장해물에 대한 회절 특성 및 가전기기 제어에 요구되는 특성을 포함해 900MHz대의 특정 소전력 무선을 채용하고 있다. 변동요소가 큰 자연에너지에 의한 발전을 최대한 활용하기 위해 생활자의 생활 패턴을 특정화·모델화하고 축전 및 방전, 부하제어를 최적으로 조합함으로써 제로 에미션의 달성을 목적으로 하고 있다.

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태그 : 스마트그리드 실현 핵심 기술 5 HEMS 홈에너지관리시스템
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