1. 서 론

2. 마이크로그리드의 구조

마이크로그리드는 지역적으로 제한된 구역 내에서 분산에너지자원(DER)과 부하(Load)가 결합된 시스템을 말하며, 유연하게 독립적으로 운영되거나 상위 전력네트워크에 연결되어 상호운용될 수 있는 전력네트워크를 말한다. 다양한 DER, ESS, EMS 등 여러 구성요소가 통합되어 원활하게 상호작용하고, 외부 전력망과 효율적으로 연계될 수 있는 능력을 의미한다.

상호운용성을 확보하기 위해서는 공통의 표준과 프로토콜을 적용하여 시스템 간의 호환성을 보장해야 하며, CIM(Common Infomation Model)과 같이 마이크로그리드 내 다양한 장치와 시스템 간의 원활한 통신, 제어 및 데이터를 활용할 수 있도록 하는 것이 중요하다. 마이크로그리드의 주요 특징은 자체적인 전력공급 가능성, 상위 전력망 및 다른 마이크로그리드와의 상호운용성, 전력네트워크의 운영을 위한 유연성과 자립성을 가지고 있어야 한다. 또한, IEC 62989-1(마이크로그리드 일반 요구사항)에서도 “마이크로그리드란 전력망 시스템 내에서 독립적으로 제어되며, 특정 구역 안에서 전력수급의 균형을 유지할 수 있는 시스템으로, 일정 조건 하에서는 상위 전력망과 독립적으로 운영될 수 있다.”라고 명시되어있다.

마이크로그리드는 스마트그리드와 마찬가지로 “시스템의 시스템”이라는 특징을 가지고 있다. 앞서 언급한대로 설비 중심으로 이루어진 기존 구조에서 “전력+통신”의 융합형 기술이 적용되면서, “설비+시스템”의 구조로 변화되었다. 따라서 앞으로의 저압의 마이크로그리드는 “전기설비의 시스템”로 정의 될 수 있다.

최근에는 IoT와 AI기술이 발전하면서 전기설비시스템에 디지털전환과 함께 HILS(Hardware-in-the-loop Simulation)와 같이 설비에 연결된 센서들을 통해 설비의 상태를 파악하고, AI 기술을 활용하여 설비의 운용현황, 고장/수명 예측, 고장진단 등의 높은 수준의 전기서비스를 제공하는 기술이 접목되면서 진일보한 전기서비스 제공이 가능해지고 있다.

Fig. 1은 우리나라 마이크로그리드의 구조를 그림으로 표현한 것이다. “설비”와 “시스템”이 IoT와 ICT기술과 접목되어 전력시장에서 거래를 통해 수익을 창출하고, 안정적으로 전력을 공급하게 된다. 설비의 경우, 크게 분산에너지설비, 스마트수배전설비, 전력변환설비, 에너지저장설비, 융복합설비 등으로 분류할 수 있다. 여기에, 설비와 연계되는 시스템으로 에너지운영관리시스템를 중심으로 제어/모니터링 시스템, 전기안전시스템, 전력거래시스템 등이 정보교환을 통해 안정적이고 최적화된 운영관리 할 수 있다. 이때 설비와 시스템 사이에는 IoT 기능을 갖는 센서들이 설비와 시스템 사이에 실시간 현황 데이터를 제공하게 되고, 설비시스템과 전력시장 사이에는 전기서비스를 위한 수요/공급 운영관리, 전력거래 등을 위한 다양한 AI 기반 서비스들이 제공된다.

Fig. 1. Microgrids structure in Korea

Table 1은 기존 전기설비 분류와 “설비+시스템”으로 통합된 마이크로그리드의 분류 시 차이점을 살펴보았다. 대부분 기존의 설비분류와 통합하여 활용 가능하지만, 에너지저장설비의 경우는 기존의 UPS 기능에 더해 전력을 저장했다가 활용하는 기능이 추가되어 새로운 전력공급의 개념이 들어가, 분산에너지 또는 새롭게 분류를 하는 방법 중 새로운 분류로 에너지저장설비를 분류하였다. 이는 향후 에너지저장설비가 재생에너지 저장 및 가정용 EES로 활용되어 하나의 시장으로 자리를 차지하느냐에 따라 달라질 수 있는 부분이라 판단된다.

3. 마이크로그리드 전기설비별 특징

4. 마이크로그리드 아키텍처 모델

IEC는 스마트그리드 기술을 적용하면서 상호운용성을 확보하기 위해 2012년도에 IEEE와 CENELEC, ETSI에서 추진하던 아키텍처모델을 기반으로 “스마트그리드 아키텍처 모델”을 개발, 발표하였다^[10]. 여기에서 IEC는 도메인(Domain), 계층(Layer), 영역(Zone)으로 구성되는 3개의 축을 중심으로 아키텍처 모델을 제시하였고, 이는 국내 스마트그리드협회에서 발간한 “스마트그리드 상호운용성 표준화 전략” 보고서^[11]에도 반영되어 우리나라에서도 적용 노력이 있었으나, 기술개발 경향이 스마트그리드에서 마이크로그리드로 넘어가면서 상호운용성에 대한 규정 마련이나, 제도적인 반영이 이루어지지 못하였다.

스마트그리드에서 적용하려 했던 상호운용성에 대한 표준은 국제적으로도 아직 완성단계는 아니며, 이에 대해서 다른 관점에서 아키텍처 모델에 대한 개선방안을 살펴보는 노력들이 있었다^[12-15]. 이러한 노력은 여러 형태나 규모의 마이크로그리드에 대한 상호운용성의 필요성을 보여주는 것이라 할 수 있으며, 향후 전력거래모델이 상호운용성을 기반으로 하지 않으면 전력시장이 기술적, 제도적으로 매우 복잡한 형태로 진행될 수 있다는 것을 의미한다. 때문에 “분산에너지 활성화 특별법”을 통해 다양한 제도의 도입이 검토되고 있다. 따라서 전기설비와 마이크로그리드 시스템 역시 이에 대한 다양성을 흡수할 수 있도록 아키텍처를 적용한 시스템 구성을 통해 상호운용을 통해 최적화되고, 효율적인 운영이 되도록 해야 한다.

하지만 우리나라에서 진행되는 여러 마이크로그리드 연구개발, 실증사업들은 대부분 상호운용성에 대한 개념을 적용하지 않고 있으며, 향후 분산에너지 활성화 특별법에 따라 다양한 전력거래, 보조서비스 등 제도의 변화가 예상되는데 비해 관련 규정과 전체적인 아키텍처 모델에 대한 검토와 실효성 있는 규정 개발이 이루어지고 있지 않다.

본 논문에서는 이러한 분산에너지 활성화 특별법 제정에 따라 우리나라의 전력시장 변화에 맞춰, 구축될 다양한 마이크로그리드 인프라에 대한 상호운용성 확보를 위해 국제표준을 기반으로 우리나라의 현장 상황에 맞춰 개선된 마이크로그리드 아키텍처 모델을 제안하고자 한다.

앞서 언급한 마이크로그리드의 특징인 “시스템의 시스템” 특성을 반영하여 모두 5개의 시스템으로 구분할 수 있으며, 이 도메인은 전력의 생산부터 소비까지 구성되는 설비와 시스템을 표현하고 있다. 이 시스템은 기존 전기설비와 달리 그림1처럼 설비와 시스템 사이에 IoT 기술, AI기술 등이 연계되어 최적화를 위한 인프라를 구축하게 된다. 때문에 하나의 설비시스템으로 구성된 도메인이 단방향으로 진행되는 것이 아니라, 양방향으로 정보와 데이터를 주고받으며, 동시 또는 개별적으로 진행되기도 하며, 다음 도메인을 건너뛰어서 직접적으로 연계되기도 한다.

Table 2는 영역(Zones)에서의 아키텍처 모델을 살펴보았다. 스마트그리드에서는 Process, Field, Station, Operation, Enterprise, Market 등 기능과 역할에 따른 범위를 나타내고 있다. Operation 부분에서 로컬영역의 감시제어에서 전력망 운영에 대한 감시제어로 영역이 확대되는 부분은 마이크로그리드에 맞지 않기 때문에 이 부분을 “그리드와 연계 및 다른 마이크로그리드와의 연계를 통해 거래를 위한 수요/공급 등을 파악하기 위한 정보교환 및 모니터링”으로 변경하여 사용하는 것이 더 적절할 것으로 보인다.

계층부분은 기존 스마트그리드 계층구조와 크게 다르지 않아도 될 것으로 생각된다. 스마트그리드와 마이크로그리드 모두 전체적인 시스템으로 구성되어 계층별로 상호운용되어야 하는 설비나 시스템이 비슷하기 때문에 Fig. 2 처럼 통신 등 전문분야에서 변경하여 사용하려는 시도가 있으나, 특별히 변경해야 할 필요성이 크지 않다. 다만 기능(Fuction)과 비즈니스(Business) 부분은 다양성이나 시장의 특성에 따라 많이 달라질 수 있는 부분이어서, 국내시장에 적용된다면 Component, Communication, Information 계층까지만 적용해도 크게 무리가 없을 것으로 생각된다.

Fig. 3은 마이크로그리드AM의 활용사례를 보여주는 그림이다. DER 인프라와 에너지관리시스템(EMS)의 상호운용성을 위해 데이터흐름과 통신프로토콜로 TCP/IP, REST API, Modbus, CAN을 사용하여 상위 계층(시장, 운영)과 하위 계층(필드, 프로세스)의 실시간 데이터 교환을 가능하게 구성되었으며, 이를 통해 에너지 생산, 저장, 소비의 최적화를 꾀할 수 있다.

Fig. 2. Architecture model with microgrid environment applied

Fig. 3. Comunication layer of microgrid

데이터의 흐름과 통신방식은 최근 SunSpec Allience를 중심으로 정의되었으며, 이 마이크로그리드의 경우, 태양광발전, ESS, 소형풍력 및 전기자동차 충전기로 구성된 마이크로그리드이며, 태양광발전과 소형풍력은 수용가(또는 소비자)에 공급되며, 재활용된 ESS는 전기차 충전기로 공급되는 구조를 가지고 있다. 태양광 및 풍력 발전은 각각 발전량을 DCU(Data Collection Unit)로 데이터를 보내고, MDMS는 DCU로부터 데이터를 수집하여 EMS와 연계된 발전량, 충전량(EES 및 충전기), 소비량 등을 모두 수집하여 EMS에 보내어 마이크로그리드 플랫폼 운영을 위한 알고리즘, 데이터분석, 안전관리 등을 AI, IoT 기술을 활용하여 제어 및 모니터링 하게 된다. 각각의 데이터를 분석하여 일부 데이터는 전력거래를 위한 마이크로그리드플랫폼으로 전달되고, 이는 전력시장에서 거래된다.

위와 같이 마이크로그리드AM을 활용하여 전체 시스템에 대한 개요를 확인하고, 각각의 시스템이 어떠한 전기설비와 연계되는지를 확인하는 것이 필요하며, 관련 통신 프로토콜, 입출력 데이터의 정의 등을 통하여 플랫폼을 통해 전력시장에서 거래에 활용될 수 있다.

5. 결 론

스마트그리드와 마이크로그리드는 모두 시스템 차원에서 움직이는 지능화된 전력망이다. 때문에 과거에는 하나의 설비나 몇 개의 설비들로 구성되었던 것이 IoT 및 ICT기술을 적용하면서 설비들과 연계된 시스템을 중심으로 변화하기 시작했고, 이러한 시스템들이 서로 연계를 갖고 운영되는 것이 스마트그리드와 마이크로그리드라 할 수 있다. 이러한 기술이 적용되기 위해서는 전력공급과 활용을 위한 전력서비스는 시스템들을 묶어주는 시스템의 시스템, “플랫폼”을 중심으로 움직이고 있으며, 플랫폼을 통해 시스템들을 조율한다. 이 과정에서 다양한 시스템 간 조율을 위해 AI기술들이 도입되면서 새로운 전력망이 가지고 있는 목표인 최적화, 효율화에 진일보하게 다가갈 수 있게 되었다. 본 논문은 기존 전기설비에 마이크로그리드 기술을 적용하게 됨에 따라, 기존설비와 시스템들을 하나의 도메인으로 분류하고, 영역와 계층을 정의하여 향후 마이크로그리드를 구축하는데 있어서 이해가 쉽도록 하고 있다. 또한 본 논문에 이어 정보통신과 데이터에 관련된 계층분석을 통해 상호운용성을 확보하기 위한 방안을 추가로 제안할 계획이다.

본 논문에서 제시하는 마이크로그리드 아키텍처 모델을 통해 스마트그리드와 마이크로그리드 간, 마이크로그리드 간 상호운용을 위한 기초적인 틀을 제공하고, 상호운용을 위한 구체적인 항목과 표준, 기준 등 마이크로그리드를 구축하는데 있어서 기술적인 부분 뿐만 아니라, 제도적인 부분까지 보완할 수 있는 아키텍처모델을 제시하였다. 이 논문에서는 다루지 않았지만, 이 논문에서 제시한 마이크로그리드AM(Micro Grid Architecture Model)에 대해 세부적인 표준, 기준, 인증 등 실제 시공에 필요한 내용을 시스템 구성요소별로 정리하게 되면, 전기설비의 설계 시 마이크로그리드에 대한 이해가 쉽고, 다른 시스템과의 연계에 대한 구조를 설명하기 쉽다. 또한 다양한 시스템과의 연계로 인한 규정의 빠진 부분이나 개발해야 할 기술에 대한 부분도 확인할 수 있어 마이크로그리드의 구축을 위한 설계에 많은 도움이 될 것으로 예상된다.

또 새롭게 제시한 전기설비의 실시간 모니터링이나 AI 기반 예측모델은 향후 전력시장에서 “분산에너지 활성화 특별법” 시행에 따라 수익모델에 큰 영향을 줄 것으로 예상되지만, 그에 따른 인프라 구축비용의 상승이 전력요금의 변동성에 기반할 수 밖에 없을 것으로 예상되지만, 마이크로그리드의 간헐성, 불안정으로 인한 수명감소, 정전 시 손실비용을 감안하면 IoT, AI를 활용한 새로운 모델은 충분히 고려되어야 할 것으로 생각된다. 향후 아키텍처에서 소개한 정보 계층에서 빅데이터를 기반으로 한 시스템 운영 시나리오와 시뮬레이션을 통해 수익모델을 예상하고, 운영의 효율성을 증가하는데 아키텍처 모델이 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.