KR100960503B1 - 에너지 수요관리가 가능한 지능형 전자식 미터 및 이를이용한 수요관리 방법 - Google Patents

에너지 수요관리가 가능한 지능형 전자식 미터 및 이를이용한 수요관리 방법

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KR100960503B1
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Abstract

본 발명은 수용가의 선택과 반응정보를 취득하여 능동적인 수요관리가 가능하도록 함으로써 보다 객관적인 수요예측이 가능하도록 하여 국가적 에너지 절약방안을 현실화하고, 전력 및 에너지산업 구조와 시장 메커니즘을 선진화할 수 있는 에너지 수요관리가 가능한 지능형 전자식 미터 및 이를 이용한 수요관리 방법에 관한 것으로, 상기 전자식 미터는 적어도 하나 이상의 하위기기를 내장하며, 상기 전력요금제에 따른 전력제어 프로그램에 따라 내장된 해당 하위기기로 전력제어 명령을 전송함과 아울러 메모리에 저장된 계량 및 감시데이터를 상위통신모듈을 통해 상위서버 측으로 전송 제어하는 마이크로프로세서를 구비한다.
계량기, 전자식 미터, 원격 검침, 수요제어기, 수요관리

Description

에너지 수요관리가 가능한 지능형 전자식 미터 및 이를 이용한 수요관리 방법{ELECTRONIC SMART METER ENABLING DEMAND RESPONSE AND METHOD FOR DEMAND RESPONSE}
본 발명은 지능형 전자식 미터에 관한 것으로, 특히 지능형 전자식 미터에 각종 하위기기를 내장하여 원격검침서버와 각종 하위기기 간의 양방향 통신 및 제어가 가능하도록 한 에너지 수요관리가 가능한 지능형 전자식 미터에 관한 것이다.
국내에도 경쟁적인 시장체제 정착을 통해 비용 효율적인 전력 및 에너지 산업체제를 구축하고자 하는 전력 및 에너지산업의 구조개편이 이루어지고 있으나, 아직까지 과거 수직독점적(垂直獨占的) 체제 하에서의 공급자 중심의 거래정책과 수동적 수요관리 등으로 인하여 원활한 경쟁 메커니즘을 통한 시장 고유의 효용성을 얻지 못하고 있다.
이에 대한 효과적인 기술적 해결 접근 방안으로써 현재의 수요관리 방안에 대한 개선을 고려해 볼 수 있는데, 에너지 소비자인 수용가를 자원으로 활용할 수 있도록 하는 방안이 설득력을 얻고 있다. 이와 같이 수용가의 부하를 소모적인 고정된 매몰비용으로 취급하던 관점에서 기회비용으로서의 능동적 운영 자원으로 만들기 위해서는 수용가의 반응을 이끌어 내야하며, 이러한 반응이 시장에 반영되도록 하여 가격에 응동(應動)하는 에너지의 수요와 공급이 이루어지도록 함으로써 실효성 있는 에너지 관리가 이루어지도록 해야 한다.
이를 위해서는 이러한 수용가 자원의 선택에 따른 반응 정보를 에너지 사업자에게 전달하고, 또한 시장에 반영시킬 수 있는 인프라 구축이 선행되어야 하며, 이를 통하여 효율적이고 경쟁적인 시장체제 구축은 물론 전국가적인 에너지 수급문제 해결과 현실적인 수요관리가 가능하도록 해야 한다.
도 1은 종래의 각종 원격 검침 및 제어 시스템을 나타낸 도면으로서, 각종 하위기기(10)와 게이트웨이(30) 및 상위서버(50)로 이루어져 있다.
상기 하위기기(10)로는 AMR(Automatic Meter Reading) 장치(11), 전력량계(12), PQ(Power Quality) 장치(13), 수요제어기(14), 열접촉경보기(15), 아크누전감시장치(16), 과전원감시장치(17), 설비관제장치(18) 및 홈오토메이션(19) 등의 제품이 있다.
게이트웨이(30)는 각종 하위기기(10)가 상위서버(50)와 통신을 위한 유무선 네트워크이고, 상위서버(50)는 해당 하위기기(10)로부터 취득된 정보를 각기 수집하여 감시 및 관리하는 운영 시스템이다.
상기 각종 하위기기(10)의 기능을 살펴보면, 먼저 AMR(Automatic Meter Reading) 장치(11)는 각종 계량값(가스, 수도, 온수, 열량, 전력)을 획득하고, 획 득된 원격검침정보를 게이트웨이(30)를 통해 해당 상위서버(51)로 제공한다. 따라서, 필요한 데이터의 실시간 감시와, 검침 데이터의 분석과, 월 보고, 일 보고, 추이 보고 또는 인터넷 검침 기능과, 세대별 또는 시간대별 검침 정보 제공, 및 요금조회 등의 기능을 제공할 수 있다.
전력량계(12)는 사용 전력량에 대한 계량값을 취득하여 게이트웨이(30)를 통해 해당 상위서버(52)로 제공한다.
PQ(Power Quality) 장치(13)는 각종 전력품질 정보를 취득하여 게이트웨이(30)를 통해 해당 상위서버(53)로 제공함에 따라 서버(53)는 각종 전력품질(전압, 전류, 위상, 유효전력, 무효전력, 피상전력, 주파수, 역률, 왜곡율(전압, 전류), 수요, 최대값 등)을 감시할 수 있다.
수요제어기(14; Demand Controller)는 해당 서버(54)의 제어에 따라 피크부하를 줄이기 위한 부하제어 기능을 제공하는 데, 부하특성 및 출력방식에 따른 제어 기능(순환제어, 우선순위제어, 복합제어, 직접제어, 원격부하제어)과, 계절별 또는 업종별 제어 기능과, 계절 또는 업종별 요금체계 조정과, 경보 기능과, 전력사용량 예측 기능과, 수요전력 보고 기능과, 전력사용 패턴 및 피크전력 추이 분석과 같은 기능을 갖는다.
열접촉경보기(또는 온도감시기; 15)는 접촉식 온도 측정하여 게이트웨이(30)를 통해 해당 상위서버(55)에 경보 및 통보하는 기능을 담당한다.
아크누전감시장치(16)는 아크, 스파크 및 누전을 감지하여 게이트웨이(30)를 통해 해당 상위서버(56)에 경보 및 통보하는 기능을 담당한다.
과전원감시장치(17)는 차단기, 개폐기, 버스바, 분전반 및 수배전반 등의 회로상에서 과전류 및 과전압 발생시 게이트웨이(30)를 통해 상위서버(57)에 경보 또는 통보하는 기능을 담당한다.
설비관제장치(18)는 빌딩 및 건물 내의 주요 설비를 감시하여 게이트웨이(30)를 통해 상위서버(58)에 전송하는 기능을 갖는다. 예컨대, 설비 감시는 수위 감시, 물탱크 수위, 침수, 엘리베이터, 소화전 펌프, 소방수신반 등의 주요 동력설비 감시와, 제어시 이력 감시 및 DB 저장을 통한 트랜드 분석 등의 기능을 제공한다.
홈오토메이션장치(19)는 주거공간 내의 생활편의를 위한 네트워크 시스템과 각종 자동 동작장치로 구성되어 생활편의 기능과, 방범 및 원격 진료 기능 등을 제공한다. 예컨대, 홈오토메이션장치는 HMI, 가전제어, 원격검침, 휴대폰제어, 화상통화, 주차관제, 무인택배, 방범, 도어락, 헬스케어, 경비실연결 등으로 이루어져 있다.
즉, 종래에는 전력 사용량에 대한 원격감시나, 제품의 개별 목적에 따라 해당 전력정보의 취득, 설정치에 따른 제어, 아크감시, 온도감시 등의 기능을 수행함에 따라 관리자 위주의 제한적 기능에 머물러 있고, 정작 실효성있는 에너지관리와 수요관리를 위한 필요기능의 부재(不在)로 인하여 능동적인 수요관리가 불가(不可)하고, 전력산업의 구조변화에 따른 시장환경 대응에 많은 어려움이 있다.
기존 기술과 제품에 보완되어야할 기본 기능으로써, 수요응답 관련 기능과 참여유인(參與誘引) 목적의 기능 및 다양한 시장환경 대응을 위한 요소기능의 통합 제공 등이 다각적으로 고려되어야 한다.
기존 기술과 제품에 대한 문제점을 좀 더 상세하게 살펴보면, 수용가의 선택에 따른 반응 반영이 불가하였고, 수용가의 참여유인을 위한 다양한 요금제의 적용이 불가하였고, 전기안전 확보를 위한 필요기능의 통합 제공이 불가하였고, 기존 전력량계의 경우 설비상태감시 기능이나 전력품질감시 기능 또는 수요관리제어 및 최대전력제어 기능이 없었다.
아울러, 수요제어기(14)의 경우 수요관리 방안의 하나인 부하효율 향상을 목적으로 부하관리사업자와 수용가를 대상으로 보급되기 시작하였으나 공급자 중심의 일방적이고 공익적인 수요관리 방식이라는 한계로 인하여 현재까지는 큰 호응을 얻지는 못하고 있다.
효율적 수요관리의 큰 이점들을 고려해 볼 때, 정부와 관련 사업자들의 보다 적극적인 개선의 노력이 필요하며, 무엇보다 일방적 관리형태가 아닌 수요자의 능동적 참여를 이끌어 낼 수 있는 진보된 형태의 수요관리가 필요하다.
현재 정부가 의욕적으로 추진하고 있는 신재생과 분산전원 활성화 정책에 따라 향후 ESP와 전력판매사업의 활성화가 예상되므로, 수요 반응(Demand Response)에 대한 다양한 서비스와 장치의 개발에 대한 수요가 증가할 것으로 예상되며, 이 부분에 대한 적극적인 대비가 절실히 요구된다.
전기안전감시 기능의 경우 아크와 누전을 감지하여 통보하는 제품이 나와 있으나, 기능대비 고가이며 사이즈가 커서 취부공간 확보에 어려움이 있고, 차단명령을 내지 않으므로 위험 감지에 따른 후속 조치를 수행하는데 있어서 제약사항이 있 을 수 있다.
또한, 전기안전과 화재예방을 위한 필수 감시기능인 과전압, 과전류, 온도감지 기능이 없어 추가로 제품구입이 필요하며, 비용과 공간효율 측면에서 적용이 쉽지 않다.
설비관제 기능으로 볼 때, 관련된 기존 제품으로 설비관제시스템과 빌딩관제 시스템이 있다. 상기 설비관제시스템은 고가이고 사이즈가 크며 호환성이 부족한 단점이 있으며, 빌딩관제시스템(IBS, BEMS 등)의 경우 건물 내의 전력 및 설비감시와 조명제어 및 건물관리 등의 목적으로 설치되고 있으나 수억원에서 수십억원에 달하는 상당한 고가이며 설치 후 유지보수 비용도 높아 실채택율(實採擇率)이 매우 낮은 것으로 조사되었다.
무엇보다도 다양한 필요 정보를 일괄적으로 취득하여 적시적소의 판단이 요구되는 복잡한 에너지 운영 환경에서, 통합적이고도 신뢰성있는 장치를 통한 정보의 일괄 취득이 절실히 필요하지만, 이것을 위해서 기존의 방식대로 도 1에 나열된 하위기기들을 구입하여 설치한다면 하위기기에 해당하는 제품구입에만 수천만원의 비용과 상당한 설치공간이 필요하며, 각 제품 운용과 일괄 관리를 위한 제품별 운영 프로그램의 개별설치와 함께 추가적인 통합운영 프로그램을 설계하여 운영하여야 하는 불합리한 현실에 직면해 있다.
본 발명의 목적은 수용가의 선택과 반응정보를 취득하여 능동적인 수요관리가 가능하도록 함으로써 보다 객관적인 수요예측이 가능하도록 하여 국가적 에너지 절약방안을 현실화하고, 전력 및 에너지산업 구조와 시장 메커니즘을 선진화할 수 있는 에너지 수요관리가 가능한 지능형 전자식 미터 및 이를 이용한 수요관리 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전자식 미터에 각종 하위기기를 내장하여 원격검침서버와 각종 하위기기 간의 양방향 통신이 가능함으로써, 각종 하위기기의 원격 검침과 원격 제어 및 수요 관리가 가능하도록 한 지능형 전자식 미터 및 이를 이용한 수요관리 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에너지 수요관리가 가능한 지능형 전자식 미터는, 수요자의 전력요금제와 계량데이터, 감시데이터 및 전력제어 프로그램이 저장된 메모리; 각종 전기이상 검출과 AMR(Automatic Meter Reading) 계측, 설비상태 검출 및 부하와 가전 제어를 수행하는 하위기기; 상기 전력검출기와 하위기기로부터 각기 획득된 계량 및 감시데이터를 상위서버 측으로 전달하거나 상위서버에서 전송된 하위기기의 제어명령을 입력하는 상위통신모듈; 및 상기 전력요금제에 따른 전력제어 프로그램에 따라 해당 하위기기로 전력제어 명령을 전달함과 아울러 메모리에 저장된 계량 및 감시데이터를 상위통신모듈을 통해 상위서버 측으로 전송 제어하는 마이크로프로세서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전자식 미터는, 전기선로의 전류 및 전압을 검출하는 전력검출기; 및 상기 전력검출기로부터 아날로그 전류와 전압신호를 각각 입력받아 측정값의 계량화가 가능하도록 디지털신호와 수치데이터로 변환하여 마이크로프로세서로 전달하는 제2 마이크로프로세서;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 하위기기는 각종 부하와 가전의 전력감시와 부하제어, 부하설정 및 각 부하의 수요전력을 전자식 미터로 보고하는 수요제어장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 하위기기는, 각종 설비미터로부터 계량데이터를 제공받는 AMR 장치; 건축물의 각종 설비의 상태신호를 제공받는 설비관제장치; 및 전기이상 신호와 온도 측정치를 제공받는 전기안전감시장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 상위서버는 수요자가 선택한 전력요금제와 전자식 미터로부터 수집한 전력사용량을 통해 전력수요량을 예측 및 관리하는 것을 특징으로 하는 에너지 수요관리가 가능한 지능형 전자식 미터.
상기 상위서버는 수요자가 선택한 전력요금제와 전자식 미터로부터 수집한 전력사용량을 통해 전력수요량을 예측 및 관리하는 것을 특징으로 하며, 상기 전자식 미터는 각 장치와 하위기기로 안정화된 직류 전원을 공급하는 는 전원안정화수단를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 지능형 전자식 미터를 이용한 수요관리 방법은, 전자식 미터는 수요자가 선택한 전력요금제를 메모리에 설정하는 단계; 상기 수요자가 선택한 전력요금제의 전력제어 프로그램에 따라 수요제어장치를 통해 해당 부 하의 작동을 제어하는 단계; 상기 전력요금제에 따라 부하의 작동을 중지할 시각이 되었는지를 판단하는 단계; 및 상기 부하의 작동을 중지할 시각이 되었으면, 전자식 미터는 수요제어장치로 해당 부하의 전력차단 명령을 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 전자식 미터는 수요자가 선택한 전력요금제를 상위통신모듈을 통해 상위서버로부터 전송받거나 또는 광통신모듈을 통해 외부 무선단말기로부터 수신하는 것을 특징으로 하며, 상기 전자식 미터는 수요제어장치로부터 각종 부하와 가전에 대한 전력감시 데이터와 각 부하의 수요전력에 대한 데이터를 각각 수집하고 주기적으로 상위서버로 전송하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 수용가의 선택과 반응정보를 취득하여 능동적인 수요관리가 가능하도록 함으로써 보다 객관적인 수요예측이 가능하도록 하여 국가적 에너지 절약방안을 현실화하고, 전력 및 에너지산업 구조와 시장 메커니즘을 선진화할 수 있는 이점이 있다.
또한, 전자식 미터에 각종 하위기기를 내장함에 따라 모든 계측 및 제어 요소의 집중관리와 운영이 가능함으로써, 최소 인적자원으로 최대의 운영 효율을 얻을 수 있고, 이로 인한 경제적 이득과 관리, 운영측면에서의 효율성이 상당히 큰 이점이 있다.
또한, 전자식 미터에 각종 하위기기를 내장하여 원격검침서버와 각종 하위기 기 간의 양방향 통신이 가능함으로써, 각종 하위기기의 원격 검침과 원격 제어 및 수요 관리가 가능하도록 한다.
또한, 수요자가 선택한 요금제에 따라 각종 부하나 가전으로 공급되는 전력을 차단 제어함으로써, 수요자의 입장에서는 불필요한 전력낭비를 방지하고, 계획적인 전력소비가 가능하며, 전력 공급자의 입장에서는 요금제에 따라 전력수요의 예측이 가능하여 발전예비율과 같은 부분에서 능동적인 준비와 대처가 가능한 이점이 있다.
또한, 지능형 전자식 미터를 통해 수요관리, 전기안전관리, 설비감시가 가능함으로써, 가정과 빌딩 및 대수용가의 계량기함 또는 각 세대의 분전반 또는 수배전반 등의 내부 또는 상위(上位)에 위치하여 전력 및 에너지 관련 정보, 전기기기 및 에너지설비 상태정보, 건물설비 상태정보를 실시간으로 취득, 전달할 뿐 아니라 필요에 따른 제어를 수행하여 일반가정, 빌딩, 대수용가 및 전기사업자 등이 각종 에너지와 설비 및 건물 등을 효율적이고 경제적으로 관리 및 운용이 가능하도록 하며, 시장환경에 따른 다양한 에너지요금제 적용과 전력거래 및 서비스를 제공할 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 지능형 전자식 미터를 이용한 원격 검침 및 제어 시스템을 나타낸 도면으로서, 전자식 미터(100), 하위기기(160), 게이트웨이(200) 및 상위서버(300)로 이루어져 있다.
상기 전자식 미터(100)는 전력검출기(110), 제1 마이크로프로세서(115), 메모리(120), 표시수단(130), 상위통신모듈(135), HMI확장단자(140), 광통신모듈(145), PQ확장모듈(150), 유선통신모듈(155), 하위기기(160), 제2 마이크로프로세서(170) 및 전원안정화수단(180)으로 이루어져 있다.
여기서, 전력검출기(110)와 제1 마이크로프로세서(115) 간의 데이터는 계측데이터이고, 메모리(120)와 제2 마이크로프로세서(170) 간의 데이터는 부하이력(Load Profile) 데이터와 각종 결과데이터이고, 제2 마이크로프로세서(170)와 상위통신모듈(135), HMI확장단자(140), 광통신모듈(145), 유선통신모듈(155) 간의 데이터는 상위서버로 전송되는 데이터 및 요청 데이터이며, 제2 마이크로프로세서(170)와 PQ확장모듈(150) 간의 데이터는 전력품질 관련 데이터이며, 제2 마이크로프로세서(170)와 하위기기(160) 간의 데이터는 계량데이터, 감시데이터 및 동작제어 데이터이다.
상기 전력검출기(110)는 전기선로의 전류와 전압을 각각 검출하는 전류센서(CT), 전압센서(PT)로 이루어져 있다.
제1 마이크로프로세서(115)는 전력검출기(110)로부터 아날로그 전류와 전압신호를 각각 입력받아 측정값의 계량화(計量化)가 가능하도록 디지털신호와 수치데이터로 변환하여 제2 마이크로프로세서(170)로 전달하도록 구성되어 있다.
메모리(120)는 통합 운영 프로그램과 외부의 각종 하위기기(160)로부터 수집 된 각종 데이터가 저장되는 플래시 메모리와 SRAM으로 이루어져 있다.
표시수단(130)은 지시 사양에 따른 해당 내용(파형, 데이터)을 그래픽으로 표시 가능하며, 메모리(120)에 저장된 데이터나 전력검출기(110)로부터 계측된 순시데이터를 직접 표시하는 LCD와 같은 디스플레이이다.
상위통신모듈(135)은 상위서버(300)와 상호 통신하기 위한 장치로 실시간으로 양방향 통신이 가능하다.
HMI확장단자(140)는 추가 표시 또는 관리 목적의 고급표시 기능을 원하는 사용자 또는 홈네트워크 연계를 통한 월 패드(Wall pad)를 필요로 하는 사용자에게 추가적인 HMI 장치를 장착할 수 있도록 하는 확장단자이다.
광통신모듈(145)은 메모리(120)에 저장된 데이터의 확인이나 운영 소프트웨어의 업그레이드 등의 유지보수를 위한 장치이다. 즉, 광통신모듈(145)은 검침원의 검침단말기(미 도시)와 근거리무선통신을 하여 검침단말기로부터 선택된 특정 요금제를 수신하거나 특정 요금제나 운영 프로그램을 업데이트하기 위한 적외선통신(IrDA)과 같은 근거리무선통신 인터페이스이다.
PQ확장모듈(150)은 4세대 PQ 미터인 고기능 고정밀 PQ 미터(년중 24시간 연속 데이터 저장, 1024 sampling/cycle 이상)를 모듈형태로 추가 장착할 수 있는 인터페이스이다. 이는 전자식 미터(100)의 일반적인 PQ 기능(256 sampling/cycle 이하임) 이상의 특수한 요구가 있을 경우와 분산전원 계통 및 마이크로 그리드(Micro grid) 계통 등의 미래계통 환경에 대응하기 위한 부분이다.
유선통신모듈(155)은 다양한 통신환경 지원을 위한 이더넷 모듈로 대용량의 데이터를 고속으로 처리할 수 있으며, 상위서버(300)와의 연동시 특정한 게이트웨이(200)의 없이도 기존의 LAN 또는 인터넷 인프라에 접속하여 통신할 수 있다.
상기 각종 통신모듈(135, 145, 155)은 사용자가 요구하는 다양한 프로토콜과 미디어를 적용 가능하도록 다양한 종류의 통신 변환카드(RS-485, RS-232, PLC, RF, Zigbee, Ethernet, Bluetooth, CDMA 등)를 옵션 형태로 착탈 가능하도록 구성하는 것이 바람직하다.
하위기기(160)는 각종 전기이상 검출과 AMR 계측, 설비상태 검출 및 부하와 가전 제어를 수행하는 복수의 장치로 구성되어 있다.
상기 전자식 미터(100)에 내장되는 하위기기(160)는 수요제어장치(161), AMR(Automatic Meter Reading) 장치(163), 설비관제장치(165) 및 전기안전감시장치(167) 등으로 이루어져 있는데, AMR 장치(163)는 외부의 설비미터로부터의 각종 계량데이터(가스, 수도, 온수, 열량, 전기)를 전달받아 제2 마이크로프로세서(170)로 전달한다. 상기 AMR 장치(163)는 모든 종류의 설비미터와 통신이 가능하도록 다양한 통신방식(RS-485, RS-422, MM-bus 등)을 지원한다.
수요제어장치(161; Demand Control Unit)는 설정치 또는 예측치에 따라 경보, 알람과 각종 부하 및 가전을 제어하게 되는 데, 이때 수요제어장치(161)는 전자식 미터(100)의 제2 마이크로프로세서(170)의 제어에 의해 각종 부하 및 가전을 제어하게 된다. 수요제어장치(161)는 각종 부하를 제어할 때 기존의 릴레이(Relay) 방식의 제어뿐 아니라 PLC(Power Line Communication) 방식의 제어도 가능하다.
설비관제장치(165)는 빌딩이나 아파트, 건물 등의 각종 설비 관리가 가능하 도록 하며, 엘리베이터 운행 상태, 소화전 상태, 수조 상태, 지하실 등의 침수 여부, 흡배기 팬 상태 등에 대한 상태감시가 가능하다. 이를 위해 설비관제장치(165)는 4~16개의 디지털입력단자(Dry contact)와 4~16개의 아날로그입력단자를 구비하고 있으며, 전자식 미터(100)로 감시데이터의 전송을 위해 RS-485 통신모듈이 장착되어 있다.
전기안전감시장치(167)는 아크, 누전, 과전압, 과전류, 온도, 차단기 및 개폐기 상태(on, off, trip)를 각각 감지하여 해당 데이터를 제2 마이크로프로세서(170)에 전달하며, 설정내용에 따라 경보 또는 회로차단명령(Trip signal, 5V, 현장차단, 원격차단)을 출력할 수 있다.
제2 마이크로프로세서(170)는 제1 마이크로프로세서(115)로부터 전달된 데이터를 각종 수식을 통해 계산하고 그 결과치를 메모리(120)에 저장하거나 하위기기(160)로부터 전송된 각종 데이터를 메모리(120)에 저장한다. 그리고, 제2 마이크로프로세서(170)는 메모리(120)에 저장된 데이터를 상위서버(300)의 요청에 따라 또는 주기적으로 전송하거나 하위기기(160)의 동작을 제어하도록 구성되어 있다.
그리고, 전원안정화수단(180)은 전자식 미터(100)의 본체에 구비된 제반 회로와 하위기기(160)에 안정화된 전원을 공급하기 위한 장치(SMPS; Switched-Mode Power Supply)로서, 단상용은 AC 130V 내지 264V이고, 삼상용은 AC 88V 내지 450V 범위의 입력전압에 대해서 DC 12V 또는 DC 5V의 안정적인 전압을 출력하도록 설계되어 제품 설치시 사용자의 결선 실수로 인한 정격이상의 과전압 유입에 대해서도 문제가 없다.
게이트웨이(200)는 전자식 미터(100)가 상위서버(300)와 통신을 위한 유무선 네트워크이다.
그리고, 상위서버(300)는 전자식 미터(100)를 통해 취득된 각종 하위기기(160)의 정보를 수집하여 감시 및 관리하는 운영 시스템이다. 상기 상위서버(300)에는 전자식 미터(100)를 통해 수집된 정보를 디스플레이하고 상위서버(300)를 통해 해당 전자식 미터(100)의 관리 및 운영을 위한 HMI(Human-Machine Interface) 장치가 더 구비될 수 있다.
이와 같이 구성된 원격 검침 시스템은 실효성있는 에너지의 수요관리를 위해서는 수용가의 능동적인 참여가 가능토록 하여야 하고, 또한 이러한 반응을 정확하고 신속하게 전달할 수 있어야 하므로 통신의 양방향성과 실시간성이 담보되어야 한다. 또한, 수요관리의 실효성 측면에서 필수적으로 요구되는 수요예측의 정확도를 높이기 위해서는 수용가의 다양한 환경을 고려한 다각적인 정보의 통합적 감시를 통한 분석이 필요하며, 이를 위해서 다양한 요소 정보의 취득이 요구된다.
이와 같은 관점에서 본 발명에서 요구되는 기능은, 전력 및 에너지 정보 취득을 위한 AMR(원격검침) 기능과, 전력품질(Power Quality) 감시 기능, 계량 기능, 다양한 요금제와 수요관리 환경 적용을 위한 수요관리(Demand Response) 기능, 에너지 관리를 위한 최대수요전력제어(Demand Control) 기능 등이며, 이와 함께 수용가의 능동적인 수요관리 참여유인(incentive)을 위한 보완적 기능으로써, 전기설비 관련 안전을 위한 아크 및 누전 감시 기능과, 열접촉 경보기 또는 온도감시 기능, 과전압 및 과전류감시 기능, 차단기 및 개폐기 상태 감시 기능과, 건물 등의 설비 관리를 위한 설비관제 기능 또는 설비감시 기능, 및 가정의 생활편리를 위한 홈오토메이션 기능 등이 요구된다.
이에 따라, 본 발명의 전자식 미터(100)는 상기 언급된 내용에 대한 모든 핵심 기능들을 갖는 하위기기의 내장이 가능하도록 구현하였으며, 요구되는 목적과 장소에 따라 하위기기의 선택 적용이 가능하다.
즉, 본 발명의 지능형 전자식 미터(100)는 각종 하위기기들(161∼167)을 내장하여 하위기기들로부터 수집된 정보를 통신모듈(135)을 통해 상위서버(300)에 전송함과 아울러 상위서버(300)로부터 각종 하위기기(160)의 제어신호를 제공받아 해당 하위기기(160)를 제어한다. 따라서, 기존의 각 하위기기 별로 구비되었던 각종 통신수단과 마이크로프로세서 및 메모리를 제거하거나 그 사이즈를 단순화하는 것이 가능해진다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 전자식 미터(100)는 아래와 같은 목적으로 개발되었다.
먼저, 전기사업자(Energy Service Provider)와 수용가(대수용가 및 일반)에게 전력 및 에너지 관련 정보 제공, 전기안전 관련 정보 및 제어기능 제공, 건물 및 전기 설비 관련 정보 제공, 홈네트워크 및 홈오토메이션 관련 생활편의 기능을 제공한다.
전기사업자와 수용가에게 다양한 수요관리 운영 기능(Demand Response, Energy Saving, PQ pricing, CO2 및 Nox pricing)을 제공한다.
전기사업자와 수용가에게 다양한 요금제 운영기능(Uniform price, Time of Use price, Real-time price, Critical-peak price)을 제공한다.
전기사업자와 수용가에게 신재생 전원 운영 및 분산전원 운영과 계통연계를 위한 필요정보 제공한다.
전기사업자와 수용가(대수용가 및 일반)에게 시장 참여자간 거래와, 전력과 에너지 거래 시장(선물 및 현물)의 참여가능 알고리즘을 적용하는 기능을 제공한다.
전기사업자와 설비운영자에게 전력품질 연중 실시간 감시와 고장 및 일시적인 현상 분석이 가능한 4세대 PQ 기능을 제공한다.
전기사업자와 설비운영자에게 실시간 양방향 통합정보 관리 환경을 제공한다. 상기 기능에 대해 일관된 프로토콜을 통해 규격화된 상위서버(300)에 메모리(120)에 저장된 데이터가 실시간으로 전달되며, 상하위간 양방향 통신이 가능하다.
또한, 지능형 디지털 분전반 핵심 모듈로 활용 가능하고, 지능형 디지털 수배전반 핵심 모듈로도 활용 가능하다.
이와 같은 목적으로 구성된 전자식 미터(100)는 각 모듈별로 다양한 기능을 수행하게 되는 데, 상기 기능으로는 계량 기능과 원격검침 기능, 전력품질감시 기능, 최대수요제어 및 관리 기능, 전기안전감시 및 제어 기능, 설비관제 기능, 데이터표시 기능, 홈오토메이션 기능, 수동검침 및 운영소프트웨어 유지보수 기능, 수요관리 및 배전계통 정보 연계 기능, 통신 기능, 및 PQ감시 기능 등이 있다.
상기 계량 기능은 제2 마이크로프로세서(170)가 전력검출기(110)를 통해 검 출된 신호를 제1 마이크로프로세서(115)를 통해 제공받고 제공된 데이터를 필요에 따라 적절하게 계산하여 계량데이터를 획득하는 것이다. 상기 계량데이터로는 전압, 전류(RMS, Maximum), 주파수, 유효전력(순방향, 순방향 최대, 누적 순방향), 무효전력(지상, 진상), 피상전력, 최대 수요전력(전월 누적, 현재 누적), 누적 유효전력량(전월, 현재), 누적 무효전력량(전월, 현재), 피상전력량, 역률(전월, 현재, 평균), 및 정전보상 등이 있다.
상기 원격검침 기능은 전자식 미터(100)의 제2 마이크로프로세서(170)가 AMR 장치(163)를 통해 각종 계량데이터를 수집하는 것이다. 상기 제2 마이크로프로세서(170)는 AMR 장치(163)로부터 각종 계량값(전기, 가스, 수도, 온수, 열량계, 냉방계, 난방유량계, 냉방유량계 등)에 대한 펄스를 수신하여 메모리(120)에 저장하고, 상위서버(300)로 데이터 전송, 정전보상, 필요한 데이터의 실시간 감시와 검침데이터의 분석과, 월 보고, 일 보고, 추이 보고 및 인터넷 검침과, 세대별 또는 시간대별 검침 정보 제공, 및 요금조회 등의 기능을 수행한다.
상기 전력품질감시 기능(Power Quality Monitoring Function)은 제2 마이크로프로세서(170)가 전력검출기(110)를 통해 검출된 신호를 제1 마이크로프로세서(115)를 통해 제공받고 제공된 데이터를 필요에 따라 적절하게 계산하여 전력품질을 판단하는 것이다. 상기 전력품질로는 새그(Sag), 스웰(Swell), 전압 및 전류불평형, 전압 플리커(Flickering), 전압(평균, 선간, 상, 정상, 영상, 역상), 전류(평균, Line, 부하율, 역상), 위상, 전력, 전력량(유효전력량, 무효전력량, 역방향유효전량, 역방향무효전량, 피상전력량), 주파수, 역률(총 역률, 각상 역률, 각 상 기본파 역률), 왜곡율(전압, 전류), 고조파(전압, 전류), 수요(유효전력, 전류 수요), 최대값(전류, 왜곡율, 유효전력, 무효전력, 피상전력, 수요) 등이 있다.
상기 최대수요제어 및 수요관리제어 기능은 전자식 미터(100)의 제2 마이크로프로세서(170)가 수요제어장치(161)를 통해 각종 부하 및 가전의 전력 상태를 체크한 후 각 부하와 가전의 동작을 제어하는 기능이다. 즉, 최대수요제어 및 수요관리제어 기능은 각종 부하와 가전의 전력감시(현재전력, 기준전력, 목표전력, 피크전력, 예측전력 표시 및 Graphical display) 및 패턴과 추이분석, 설정치에 따른 부하제어(부하특성 및 출력방식에 따른 제어와, 계절별, 업종별 제어), 요금체계 조정(계절 또는 업종별), 부하설정(부하개수, 제어시작시간, 부하투입시간, 부하차단시간 등), 경보기능(단계별 설정가능), 수요전력 보고 기능, 원격부하제어, 및 부하연결상태 감시 등이 있다.
상기 전기안전감시 및 제어 기능은 전자식 미터(100)의 제2 마이크로프로세서(170)가 전기안전감시장치(167)를 통해 각종 전기이상 및 온도측정값을 제공받아 메모리(120)에 저장한 후 주기적으로 상위서버(300)로 전달하는 것이다. 전기안전감시 및 제어 기능은 온도감시(버스바 및 도체부 온도측정 및 데이터 전송, 설정치 경보), 아크 및 누전감시(직렬 및 병렬아크 감지, 스파크 및 누전 감지, 과전압 및 과전류 감지, 설정치 경보, 제어신호(Tripping signal, 5V) 등이 있다.
상기 설비관제 기능은 전자식 미터(100)의 제2 마이크로프로세서(170)가 설비관제장치(165)를 통해 설비상태 신호를 제공받아 메모리(120)에 저장한 후 주기적으로 상위서버(300)로 전달하는 것이다. 설비관제 기능은 빌딩 및 건물 내 설비 감시(수위 감시, 물탱크 수위, 침수, 엘리베이터, 소화전 펌프, 소방수신반, 흡배기 팬, 동력설비), 제어이력 감시 등이 있다.
상기 데이터표시 기능은 전자식 미터(100)의 제2 마이크로프로세서(170)가 AMR, 계량데이터, PQ 데이터, 수요제어, 전기안전감시, 설비관제, 수요관리 기능에 대한 각종 데이터 표시, 전원상태 표시, 통신상태 표시, 메모리(120) 체크, 배터리 상태, 결선 이상(중성선 오결선, 전압 및 전류결상 등), 정방향 및 역방향 계측 표시, 데이터 추이 표시(Graphic), 경보, 설정치, 각종 이벤트, 통신 관련 정보 등을 표시수단(130)에 디스플레이하는 것이다.
그리고, 수동검침 및 운영 소프트웨어 유지보수 기능은 상위서버(300)가 전자식 미터(100)의 통신모듈(135)을 통해 각종 하위기기(160)에 접속하여 장치의 이상 또는 기타 필요에 따른 검침과 기기의 유지보수를 수행하고, 해당 하위기기(160)에 접속하여 해당 기기의 펌웨어의 업그레이드를 수행한다.
이와 같이 전자식 미터(100)는 다양한 기능이 집적화되어 있고, 집적화된 회로구성과 함께 다양한 기능의 장치 확장이 가능하다. 예를 들면, 도 2의 제1 및 제2 마이크로프로세서(115, 170)는 1개의 IC로 구현될 수 있으며, 메모리(120)도 복수개가 아니라 1개의 메모리 소자로 구현될 수 있다. 그리고, 다양한 기능을 구현하는 하위기기(160)도 보호기능 장치와 PD진단장치 등 추후 필요에 따라 추가될 수 있다. 본 발명의 활용 범위는 실로 다양하며, 본 발명을 분전반에 장착, 연계하여 가정용 및 산업용 지능형 디지털 분전반의 구성이 가능하고, 이것을 확장하여 장치 포털 장치나 소비자 포털 장치로 등을 구현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 전자식 미터를 이용한 수요관리 방법을 나타낸 개략적인 플로우챠트로서, 도 2를 참조하여 살펴보면 아래와 같다.
먼저, 전자식 미터(100)가 수요자가 선택한 전력요금제를 상위서버(300) 또는 광통신모듈(145)로부터 입력받아 메모리(120)에 설정한다(S1). 상기 메모리(120)에는 요금제와 관련된 전력제어 프로그램이 미리 저장되어 있다.
상기에서 요금제를 전자식 미터(100)에 입력하기 위한 방법은 다양하게 존재할 수 있으나, 상위서버(300)에서 수요자가 선택한 전력요금제 정보를 해당 전자식 미터(100)의 상위통신모듈(135)을 통해 전송해주는 방법과, 검침자가 검침단말기(미 도시)를 통해 전자식 미터(100)의 광통신모듈(145)을 통해 입력하는 방식이 있을 수 있다.
이어, 전자식 미터(100)의 제2 마이크로프로세서(170)는 전력요금제와 관련된 해당 전력제어 프로그램에 따라 수요제어장치(161)로 전력제어 명령을 전달하고, 그에 따라 수요제어장치(161)는 특정 부하나 가전의 작동을 제어하게 된다(S2). 여기에서 요금제에 따른 제어는 전력공급 여부에 따른 시간과, 에어컨과 히터, 전등 및 가전과 같은 부하 종류에 따른 제어가 있을 수 있다.
이어, 전자식 미터(100)의 제2 마이크로프로세서(170)는 요금제에 따라 현재 시각이 부하의 작동을 중지할 시각인지를 판단하게 된다(S3).
상기에서 현재 시각이 부하의 작동을 중지할 시각이면, 제2 마이크로프로세서(170)는 수요제어장치(161)로 부하중지 명령인 전력차단 명령을 전달하게 된다(S4). 이에 따라 수요제어장치(161)는 요금제에 따라 설정된 특정 부하 또는 가 전으로 공급되는 전력을 차단하여 부하의 작동을 강제적으로 차단하게 된다(S5). 여기에서 제2 마이크로프로세서(170)는 수요제어장치(161)로 부하중지 명령을 전달할 때 전력을 차단하고자 하는 특정 부하에 대한 정보도 함께 전송할 수가 있다.
물론, 상기에서 부하의 동작을 중단시킬 시각이 아니면 부하로 공급되는 전력을 차단하지 않는다.
한편, 상기에서 전자식 미터(100)는 상위서버(300)의 요청에 의해 또는 주기적으로 메모리(120)에 저장된 데이터를 게이트웨이와 중계장치(200)를 통해 상위서버(300)로 전송하게 된다. 상기 전송 데이터는 전력사용량과 각종 에너지사용량을 포함하는 계량데이터와, 전력과 설비상태 및 온도 등을 포함하는 감시데이터이다.
따라서, 상위서버(300)는 수요자가 선택한 전력요금제와 전자식 미터(100)로부터 수집한 전력사용량 등을 통해 전력수요량을 예측하고, 관리하는 것이 가능하게 된다.
이와 같이 요금제에 따라 각종 부하나 가전으로 공급되는 전력을 자동으로 차단함으로써, 수요자의 입장에서는 불필요한 전력낭비를 방지하고, 계획적인 전력소비가 가능하며, 전력 공급자의 입장에서는 요금제에 따라 전력수요의 예측이 가능하여 발전예비율과 같은 부분에서 능동적인 준비와 대처가 가능하다.
상기의 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 종래의 각종 원격 검침 및 제어 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 지능형 전자식 미터를 이용한 원격 검침 및 제어 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 전자식 미터를 이용한 수요관리 방법을 나타낸 개략적인 플로우챠트이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100: 전자식 미터 110: 전력검출기
115: 제1 마이크로프로세서 120: 메모리
130: 표시수단 135: 상위통신모듈
140: HMI확장단자 145: 광통신모듈
150: PQ확장모듈 155: 유선통신모듈
160: 하위기기 161: 수요제어장치
163: AMR 장치 165: 설비관제장치
167: 전기안전감시장치 170: 제2 마이크로프로세서
180: 전원안정화수단 200: 게이트웨이
300: 상위서버

Claims (9)

  1. 전기선로의 전류 및 전압을 검출하는 전력검출기,
    외부 설비미터로부터 가스, 수도, 온수, 열량, 전기 등의 계량데이터를 수집하고 상기 설비미터들의 동작상태감시와 통신상태를 감시하는 AMR장치,
    각각의 부하 및 가전기기의 수요전력감시, 부하제어상태, 부하설정상태 등의 상태데이터를 수집하여 마이크로프로세서에 전송하고, 사용자가 설정한 전력요금제에 따른 마이크로프로세서의 제어명령에 의하여 단계별 경보, 부하상태제어 및 전력차단을 수행하는 수요제어장치,
    엘리베이터, 소화전, 수조, 흡패기 팬 등의 건축물 설비에 대한 상태데이터를 수집하는 설비관제장치,
    아크, 누전, 과전압, 과전류 등의 전기이상 신호, 온도이상 신호, 차단기 및 개폐기 상태에 대한 측정데이터를 수집하고 전기안전감시장치,
    상기 AMR장치, 수요장치, 설비관제장치, 전기안전감시장치에서 수집한 각각의 데이터, 상위서버로부터 전송되는 전력요금제정보, 사용자가 선택한 전력요금제설정치 및 전력제어프로그램이 저장된 메모리,
    홈네트워크 상의 각종 정보를 디스플레이하기 위한 월패드와 연결하기 위한 HMI확장단자,
    수집된 각종 데이터를 상위서버에 전송하고, 상기 상위서버의 제어명령을 수신하는 상위통신모듈,
    분산전원 계통 및 마이크로 그리드 계통의 전력품질을 감시할 수 있는 4세대 PQ 미터와 연결하기 위한 PQ확장모듈,
    각종 데이터를 외부에 표시하고, 사용자 설정정보를 입력받을 수 있는 디스플레이부 및
    상기 전력검출기를 통해 검출된 전류, 전압을 입력받아 전력품질데이터를 계산하고,
    상기 AMR장치를 통하여 수집된 계량데이터를 입력받아 세대별, 시간대별 검침정보, 요금정보 등을 생성하고,
    상기 수요제어장치를 통하여 수집된 상태데이터를 입력받아 전력소비 패턴 및 추이분석정보를 생성하고, 부하특성에 따른 계절별, 업종별로 설정치에 따른 부하제어명령을 출력하고, 상기 메모리에 저장된 전력요금제에 따른 사용자가 설정한 요금체계에 의하여 부하의 작동을 제어하며, 단계별 경보명령 및 부하의 작동을 중지할 시각이 되었는지 판단하여 상기 수요제어장치로 부하의 전력차단명령을 출력하고,
    상기 설비관제장치를 통하여 수집된 상태데이터를 입력받아 상기 상위통신모듈을 통하여 상위서버에 전송하고,
    상기 전기안전감시장치를 통하여 수집된 측정데이터를 입력받아 설정기준치에 의한 경보 또는 회로차단명령을 출력함으로써 계량기능, 원격검침기능, 전력품질감시 기능, 최대수요제어 및 수요관리제어 기능, 전기안전감시 및 제어기능, 설비관제 기능, 데이터 표시기능 및 현장제어 기능을 통합적으로 수행하는 마이크로프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 수요관리가 가능한 지능형 전자식 미터.
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