월간전기

바야흐로 4차 산업혁명 시대의 문이 활짝 열리게 되었으며, 인공지능, Big Data 등 첨단 기술이 경제·사회 전반에 융합되어 혁신적인 변화가 나타나는 이러한 차세대 산업혁명의 중심에는 정보통신기술(Information and Communication Technology: ICT)과 사물인터넷(Internet of Things: IoT)이 자리 잡고 있다. ICT는 정보기술에 통신이 합쳐진 것으로 소프트웨어 기술과 통신 기기 및 모든 전자기기를 포함하기 때문에 매우 포괄적인 의미를 갖고, IoT는 각종 사물에 센서와 통신 기능을 내장하여 인터넷에 연결하는 기술로 스마트 빌딩, 스마트 홈 등과 같이 모든 사물이 각자 통신을 하고 데이터를 주고받아 사물이 가진 특성을 지능화 할 수 있는 분야에 적용된다. ICT와 IoT는 전술한 바와 같이 그 정의에서 차이가 있지만, 두 가지 모두 차세대 첨단 기술의 융합에 없어서는 안 될 필수적인 역할을 수행하고 있으며, 미래로 향할수록 그 중요성은 더욱 커질 것으로 생각된다.

정보통신기술 및 사물인터넷이 차세대 기술융합의 주인공이라면, 신재생에너지는 에너지 부족 문제를 해결할 수 있는 가장 강력한 해결사로 주목받고 있다. 화석연료의 고갈 및 환경오염 문제는 태양광, 풍력 등 재생 가능한 청정 에너지원의 사용을 촉구하여 왔으며, 따라서 신재생에너지원을 최대한 활용하고 출력의 효율을 높이기 위한 연구개발이 전 세계적으로 수행되고 있다. 이미 여러 선진국에서는 전체 에너지 사용의 상당부분을 신재생에너지원으로 공급하고 있으며, 국내에서도 신재생에너지 사용 활성화를 위한 다양한 정책들이 시도되고 있다.

이렇듯 ICT/IoT 기술과 신재생에너지는 새로운 시대를 이끌어 나갈 주역으로 선정되었으며, 여기에 기존의 전력망에 IT 기술을 접목시켜 에너지 효율을 최적화하기 위한 스마트그리드까지 맞물려 그 역할의 중요성은 지속적으로 증대될 것으로 보인다. 따라서 본고에서는 ICT/IoT 기술이 신재생에너지 분야에 적용된 사례에 대하여 살펴보고, 스마트 홈 등 IoT 및 정보통신기술의 목표 중 하나인 ‘모든 사물의 SMART화’와 관련된 연구개발 사례에 대해서도 소개하고자 한다.

정보통신기술(ICT) 부문에서 소비되는 전력은 그 중요도에 비례하여 급속하게 증가하여 왔으며, 따라서 전력공급 방식도 다각도로 논의되어 왔다. ICT 부문에 전력을 공급하는 일은 중요도에 따른 공급의 신뢰성 확보와 함께 시대적 요구에 의해 환경 친화적인 에너지원을 사용해야 한다는 두 가지 조건을 동시에 충족시켜야 했으며, 따라서 2010년에 H. 카르셰나스(H. Karshenas) 등은 신뢰성이 최우선인 정보통신기술(ICT)에서 중요하고 민감한 부하에 에너지를 공급하기 위한 하이브리드 타입의 신재생에너지 시스템(Hybrid Renewable Energy System: HRES)을 제안하였다. 연구를 통해 ICT 부문에 대한 신뢰성 있고 환경 친화적인 에너지를 제공하는 것을 보장하고 모듈화 및 확장 가능한 구조를 가져서 사용자 편의성을 증진시키는 HRES 시스템을 제안하였으며, 교류계통에 직접 연결되는(grid-connected type) 모드와 독립적(standalone) 운용 모드의 두 가지 모드로 제안하였다.

IoT를 이용한 ‘신재생에너지의 SMART화’를 위한 노력의 일환으로 2014년 하산 아메드(Hasan Ahmed) 등은 풍력 및 태양광 등 신재생에너지를 효율적으로 관리하고 계통망에 공급하기 위한 툴킷(Toolkit)을 개발하였다. 툴킷에는 풍력, 태양광 및 기존 그리드의 동기화를 위해 다중 에이전트 시스템(multi-agent system: 많은 지능적 에이전트들이 서로 작용하도록 하는 시스템) 개념이 도입되었으며, 풍력 및 태양광 발전소는 각각 6개의 로판(lowpan: 기존의 IPv6 프로토콜을 수용하기 위해서는 주소 압축 등을 포함하는 헤더 압축 등의 여러 가지 처리가 필요하며, 이를 수용하는 것이 6LoWPAN이다) 센서 장치들로 구성된다.

스마트그리드 분야에서는 에너지 소비를 최적화하고 손실을 최소화하기 위해 ICT 기술을 적용하고 있으며, IoT 및 ICT 기술은 스마트그리드의 최종 목표인 2030 Self-healing 구현을 위한 핵심 요소로 볼 수 있다. 스마트그리드는 에너지 효율과 공급 신뢰도 문제에 대처할 수 있는 매우 유망한 기술로 떠오르고 있으며, 이와 함께 IoT 기술을 이용한 스마트 빌딩 및 스마트 홈 등 스마트 마이크로그리드 구현을 위한 요소들도 각광받고 있다.

2016년 미국의 주요 에너지 소비량 중 빌딩이 점유하는 비율을 조사한 바 있는데 2010년부터 2016년까지 꾸준히 40% 이상을 소비하고 있었으며, 이는 빌딩 및 소규모 단위의 마이크로그리드 구축이 에너지 효율 향상에 많은 기여를 할 수 있음을 시사한다.

마이크로그리드 구현을 위해 2017년 아비드(Mohamed Riduan Abid) 등 아카와인 대학(Alakhawayn University)의 연구진은 이러한 스마트그리드 시스템 구축의 일환으로 대학 캠퍼스에 구축 가능한 스마트 마이크로그리드(smart micro-grid) 아키텍처를 제시하였다. 연구의 목적은 스마트 빌딩과 신재생에너지 생산/저장장치를 통합하는 전체 테스트베드 플랫폼을 개발하는 것으로, [그림 4]에서 보이는 바와 같이 네 가지 주요 구성요소를 포함한다.

3. 제어부문(Control plane): 생산된 신재생에너지를 건물로 공급할지 저장장치에 저장할지를 결정한다. 의사결정은 에너지 생산 및 저장수준과 빅데이터 분석(Big Data Analysis) 플랫폼에서 제공되는 현재 및 예상 소비 수준을 기반으로 한다.

(Big Data Analytics Platform: BDAP): 주요 ICT 구성요소로 서로 다른 유형의 센서(예: 방의 온도, 소비, 생산, 날씨 등)로부터 데이터를 취득하는 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network: WSN)와 접속하게 된다. 취득된 데이터는 제어부문의 의사결정에 활용된다.

테스트베드가 구축될 이프랑(Ifrane)의 아카와인 대학(Alakhawayn University)은 매우 추운 지역에 위치하고 있으며, 이 기간 동안 일부 학생들 및 직원은 난방기의 서모스탯(thermostats)을 최대로 설정하여 전기 히터를 사용하고 외출 등 부재 시 절대로 스위치를 끄지 않아 전기 에너지가 불필요하게 낭비되는 비효율적인 환경을 조성한다. 따라서 연구진은 방/사무실의 실시간 온도를 알려주는 무선센서를 설치하고 임계 온도값을 설정함으로써 BDAP back office에서 무선 액추에이터에 전기 히터의 ON/OFF 동작을 지시하도록 했으며, 모션 디텍터를 설치하여 장기간 학생 혹은 직원이 방을 비운 상황을 감지할 수 있도록 구성하였다. 아래 그림은 데이터 취득을 위해 연구진이 제안한 상황인식 무선센서의 구조를 나타낸다.

스마트 홈 관련 연구로 2017년 리스테스카(Biljana Risteska Stojkoska: Member of IEEE) 등 연구진은 스마트 홈을 위한 IoT 기반의 3단계 계층적 프레임워크를 제안하였다. 제안된 프레임워크의 최종 목표는 스마트 홈을 마이크로그리드 레벨까지 확장시키고, 마이크로그리드로부터 분산된 신재생에너지원을 통합하여 궁극적인 에너지 최적화를 이루는 것이다. 이를 위해 포그 컴퓨팅(fog computing: 방대한 양의 데이터를 먼 곳에 있는 커다란 데이터 서버에 저장하지 않고, 데이터 발생 지점 근처에서 처리하는 시스코의 기술) 기법을 적용했으며, 실제 스마트 미터(smart meter)를 대상으로 사례연구를 수행한 결과, 제안된 기법이 데이터 전송 횟수를 줄이고 스마트 홈의 네트워크 트래픽(network traffic)을 최소화할 수 있음을 확인하였다. 아래 그림은 제안된 3단계 계층적 프레임워크를 나타낸다. 3단계 계층적 프레임워크의 각 단계별 세부 내용은 아래와 같다.

모든 가정용 기기는 가정용 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network: WSN)로 표현되는 무선 통신을 위한 인터페이스를 갖추게 된다. 각 가정은 WSN을 갖추고 있고, 취득된 데이터는 홈 싱크(home sink)로 표시되는 중앙 스테이션에 저장된다. 이때 홈 싱크는 스마트 미터 또는 지역 처리(PC, 테블릿 및 스마트 폰 등)를 수행할 수 있는 장치를 말한다. 각 가정용 기기들은 진보된 계산 및 통신 작업을 수행할 수 있다.

다음 단계는 건물 내의 모든 홈 싱크가 서로 통신하고 정보를 교환하는 단계이다. 네트워크의 위상구조(Network Topology)는 주거 단지에 따라 클러스터 기반 또는 메쉬 형태일 수 있으며, 스마트 빌딩의 경우 빌딩 내 여러 장애물들로 인해 스마트 미터가 주거용 싱크(residential sink)로 데이터를 직접 전송할 수 없는 이유로 메쉬 토폴로지 형태가 더 적합하다. 반면, 스마트 주거단지에 단독 주택이 존재하는 경우 클러스터 토폴로지가 더 적합한 솔루션이 된다.

모든 주거용 빌딩의 게이트웨이가 각종 설비들과 광섬유 또는 3G를 통해 통신하는 단계로, 이는 클라우드 컴퓨팅에 의해 실현된다. 게이트웨이와 각종 설비들 간에 공유되는 정보는 전력 가격, 마이크로그리드의 현재 및 향후 예상 소비량, 마이크로그리드와 관련된 분산 에너지원의 현재 및 미래의 전기에너지 생산량 등이다.

사물인터넷(IoT) 및 정보통신기술(ICT)의 급격한 발달은 모든 것이 ‘Smart’해지는, 우리가 꿈꿔오던 미래를 현실화할 수 있는 기회를 가져다주었다. 본문에서 살펴본 바와 같이 IoT 및 ICT 기술은 에너지 부족 현상의 열쇠가 될 수 있는 신재생에너지 분야에 적용되고 있으며, 센서 네트워크 구축을 기반으로 데이터를 취득하고 이를 활용하여 가정용 기기부터 전체 구조물의 전반적인 ‘smart’화를 구현하는 작업에 없어서는 안 될 필수적인 요소로 작용하고 있다.

하지만, IoT 및 ICT가 가져온 기술발전의 이면에 도사리고 있는 위협 또한 만만치 않다. 한 예로, 견고하게 구축된 스마트 홈 네트워크의 제어권이 제3자에게 해킹 등의 이유로 넘어갔다고 가정하면, 이로 인한 피해와 그 파급효과는 상상을 초월하는 것이 될 것이다. 또한, 기존 스마트 미터에서 발생할 수 있는 문제로 여겨지던 사이버 보안(Cyber security) 등의 문제도 개인정보 보호 및 이를 악용한 범죄를 예방하기 위해 시급히 해결되어야 할 부분이다.

전기안전에 관한 우려도 간과할 수 없는 부분이다. 다양한 센서에서 취득된 데이터를 기반으로 보내지는 신호에 의해 동작하는 각 구성요소들이 잘못된 신호수신으로 인해 오작동을 하여 전기화재 등의 사고로 이어지는 경우, 심각한 재산 및 인명 피해로 이어질 수 있다. 이러한 사고를 예방하기 위해서는 스마트 네트워크를 구축하는 단계에서 각 요소들의 안전성을 철저히 검증하고 오작동이 발생했을 경우에 대한 철저한 대비책을 미리 마련하는 것이 필요하다.