클라우드서비스 씨앗

씨앗소식

씨앗 이슈리포트
[2019-04] FOCUSING ISSUE 03 에너지 IoT에서의 엣지 컴퓨팅 상세보기
[2019-04] FOCUSING ISSUE 03 에너지 IoT에서의 엣지 컴퓨팅 게시글 정보입니다.
2019.04.19 14:19
[2019-04] FOCUSING ISSUE 03 에너지 IoT에서의 엣지 컴퓨팅
에너지 IoT에서의 엣지 컴퓨팅

에너지 IoT

사실 대부분의 사람들에게는 에너지 IoT라는 생소한 용어보다는 스마트 그리드(Smart Grid), 스마트 미터링(Smart Metering), 원격 검침 등의 용어가 훨씬 익숙할 것이다. 바꾸어 말하자면, 그만큼 오래된 개념이고 이미 상용화되어서 우리 주변에서 어렵지 않게 찾아볼 수 있다는 뜻이다. 하지만, 조금만 깊게 생각해 보면, 몇 년 전부터 유행어처럼 번진 사물인터넷이라는 분야에서, 제대로 산업 분야를 형성하고 수익을 창출하고 있는 것은 불행히도 아직도 에너지 IoT 분야 외에는 찾기 힘들다.

새로운 기술과 서비스의 등장으로 에너지 IoT의 폭도 매우 넓어졌지만, 여전히 그 기반이 되고 있는 것은 지능형 검침 인프라(Advanced Metering Infratructure, AMI)이다. 유럽연합에서는 이미 2020년까지 전력 수용가의 80%에 스마트미터를 보급하는 것을 목표로 하고 있고1), 전력 수용가가 전력 공급자에게 스마트미터의 설치를 요구할 권리는 보장하고 있다.

지능형 검침 인프라 구조

그림 1 지능형 검침 인프라 구조

수용가 내에 설치된 미터 노드(Meter Node)들은 수용가의 전기사용량을 검침하고, 이를 상위단의 데이터 집중기(Data Concentrator)로 전송하고, 에지 노드(Edge Node) 역할을 하는 데이터 집중기는 하위단의 미터 노드들에게서 전달받은 검침 정보를 수집, 검증한 이후에 그 상위단의 HES(Head End System)으로 전송한다. 반대 방향으로는 HES의 명령을 받아 하위단의 미터 노드들을 제어하고 그 결과를 다시 보고하는 역할도 수행한다. 대표적인 예로는 미검침 미터노드의 추가 검침 지시나 요금미납 수용가의 전력차단, 미납요금 수납 후 전력연결 등을 들 수 있다.

지능형 검침 인프라의 가장 큰 특징은 배전 사업자가 설치한 확실한 운영 주체가 있는 폐쇄형 상용 사물인터넷 시스템이라는 것이다. 대부분의 국가에서는 에너지 소비 정보를 매우 중요한 보안 정보로 취급하기 때문에 보안이 강조되는 폐쇄형 시스템이고, 상용으로 사용되기 때문에 극도의 효율성을 추구한다. 효율성을 추구하기 때문에 당연히 계층구조로 설계되어 있고, 이 중에서도 개별 미터 노드(Meter Node)들에서 검침 정보를 수집하여 상위 단으로 전달하고, 상위단의 요청을 받아서 하위단의 미터 노드들에게 전달하는 데이터 집중기(Data Concentrator)가 엣지 컴퓨터의 역할을 한다.

초기의 지능형 검침 인프라에서 데이터 집중기의 역할은 통신비용의 절감에 중점을 두고 있었다. 100만 수용가를 둔 전력회사의 입장에서 보면 직접 최상위단과 통신을 하는 미터노드 100만 개의 천문학적인 통신비용을 미터노드와 데이터 집중기 사이의 전력선 통신(Power Line Communication, PLC)나 Zigbee와 같은 저 전력 무선통신으로 대체하고, 데이터 집중기와 HES 사이에서만 공용 무선통신망을 사용하면, 통신비용을 1/100 수준으로 절감할 수 있는 효과가 있다.

데이터 집중기에서 엣지 컴퓨팅 기능은 통신비용 절감에 그치는 것이 아니라, 검침정보에 대한 유효성 검증(마이너스 전력 사용량, 시간 순서가 어긋난 검침 정보 등)과 1차적인 데이터 처리도 담당한다. 예를 들자면, 전력시스템에서 가장 중요한 이벤트인 정전의 경우, 각 미터 노드들은 전력공급이 끊어지면 이를 알리는 경보를 발생시킨다. 넓은 지역에서 발생한 정전사태의 경우 수천에서 수 만개의 미터 노드들에서 동시에 정전경보가 발생하게 된다. 데이터 집중기는 첫 번째 정전경보는 실시간을 상위 단으로 전송을 하지만, 이후 일정 시간동안 발생하는 정전경보들을 모아서 하나의 경보로 전송하는 등 기본적인 데이터처리 기능을 제공한다.

점차 지능형 검침 인프라가 보편화되고, 요구사항이 강화됨에 따라 점차 엣지 노드인 데이터 집중기의 역할이 증가하고 있다. 이전에는 1시간 단위 검침을 요구하던 요구 조건이 15분 단위 검침으로 강화되면(심지어 1분 단위 검침이 가능하도록 요구하는 경우도 발생하고 있음) 각 데이터 집중기는 독자적으로 정해진 주기에 따라서 하위단의 미터 노드들을 폴링(polling)하여 검침 데이터를 수집, 검증하고, 미 검침 미터 노드에 대한 재 검침 지시와 고장 검침 노드 식별 등 이전에는 최상위단의 HES에서 수행하던 작업들이 엣지 노드인 데이터 집중기로 이전하고 있는 추세이다.

미래 에너지 환경에서의 엣지 컴퓨팅

다른 모든 분야도 마찬가지이지만, 에너지 분야에도 많은 변화가 나타나고 있으며, 이러한 새로운 에너지 환경에 대한 대응에 엣지 컴퓨팅이 중요한 역할을 하고 있다.

가장 먼저 예로 들 수 있는 것은 신재생에너지의 확산이다. 이전에는 대규모 발전소에서 전담했던 전력 생산이 태양광이나 풍력발전 등의 기술발전에 힘입어 중소규모의 발전시설에서 가능하게 되었다. 소규모 발전시설이 가능해졌다는 것은 곧, 전력수용가가 일방적인 소비자의 위치에서 생산과 소비를 겸하는 위치로 변하고 있다는 것을 의미한다. 에너지 IoT의 입장에서 보면, 단순히 수용가별 사용량을 측정하던 수준에서 수용가별 소비와 생산을 동시에 측정해야 한다는 것이다. 또한, 신재생에너지의 특성상 발전량이 일정하지 않고, 기존의 대규모 발전 방식에 최적화되어 있는 송전, 변전 시스템과의 안전한 접속을 위하여 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)와 함께 사용하는 것이 보편적이다. 이러한 구조하에서 신재생에너지 발전장치와 연결된 에너지저장장치를 제어하여, 전력을 저장할 시점과 다시 방전할 시점을 제어하는 것도 에너지 IoT의 엣지 노드인 데이터 집중기에 새롭게 부여된 역할이다.

조금만 다른 시점으로 보면 전기차 보급의 확산과 더불어 제기되고 있는 전기차 배터리의 에너지 저장 장치로의 활용도 결국 에너지 IoT의 엣지 노드인 데이터 집중기를 활용하는 것이 가장 효율적인 방안이 될 것으로 보인다.

또 다른 에너지 환경의 변화는 일반 수용가를 대상으로 하는 수요 반응(Demand Response)가 있다. 발전회사들은 다양한 발전소를 운영한다. 원자력이나 수력, 석탄 화력 발전은 상대적으로 발전단가는 저렴하지만2), 그 출력을 조정하기가 쉽지 않고, 최대 출력에 가까운 적정출력으로 발전을 할 때 가장 효율이 좋고, 발전을 중지하는 것이 불가능하거나, 발전을 중단하고 다시 시작하는 것이 어렵기 때문에 기본적인 전력수요에 대응하는데 사용된다. 반면에 석유나 가스 화력 발전은 발전 단가는 높지만, 출력의 조정이 용이하고 발전의 중단과 시작이 가능하기 때문에 짧은 시간의 최대 전력 수요에 대응하기 위해서 사용된다. 전력회사의 입장에서 보면, 가능한 발전단가가 높은 전력을 생산하지 않거나, 아예 이런 예비 발전소를 건설하지 않을 수 있도록 최대 수요를 낮출 수 있다면 엄청난 경제적 이득을 취할 수 있게 된다.

이와 같이 시간과 계절에 따라 변화하는 전력수요에 대한 대응을 공급(발전)의 측면이 아니라, 수요의 측면에서 대응하고자 하는 노력이 수요 반응이다. 이미 대규모 공장이나 건물들을 대상으로 하는 수요 반응은 보편화되어 있으며, 추가적으로 발전소를 건설하는 비용에 비하면 수요 대응에 소요되는 비용이 훨씬 저렴하다는 것은 증명된 바 있다.

하지만, 대규모 공장과 건물들을 대상으로 하는 수요반응도 한계가 있고, 전체 전력 소비에서 일반 수용가들이 차지하는 비중이 증가하고, IoT 기술이 발전함에 따라 일반 수용가들을 대상으로 한 수요 반응에 대한 관심이 증가하고 있다. 몇 해 전 세상을 떠들썩하게 하였던 스마트 온도조절기인 네스트(Nest)에서 수익 모델로 추구한 것도 결국은 일반 수용가를 대상으로 한 수요 반응의 일종이다.3) 이제는 홈 사물인터넷의 발전으로 일반 수용가에서 수요 반응에 사용할 수 있는 가전제품들이 냉난방기에 국한되어 있지 않고, 스마트 플러그나 스마트 리모컨과 같은 제품들과 연동하여 일반 수용가를 대상으로 하는 수요 반응이 점차 증가하고 있는 추세이다. 여기에서도 마찬가지로 각 수용가에게 수요반응을 요청하고, 반응을 측정하여 정산이 가능하도록 하는 역할도 엣지 노드에서 처리하고 있다.

결론

에너지 IoT는 생소한 개념이 아니라, 지능형 검침 인프라를 기반으로 하는 스마트 그리드, 스마트 미터링을 의미한다. 지능형 검침 인프라는 산업적으로 사용되고 있는 시스템이기 때문에, 효율성과 안정성, 보안성을 최우선적으로 고려하여 설계, 구축되었기 때문에 각 계층의 역할과 책임이 명확하게 구분되는 계층구조로 구성되어 있다. 이러한 계층구조에서 데이터 집중기는 이미 통신비용 절감과 반응시간 단축, 기본적인 데이터 처리 등 엣지 컴퓨팅 기능을 제공하고 있다.

지능형 검침 인프라는 이미 계층 구조를 가지고 있고, 지역 내의 모든 수용가에 연결되어 있으며, 확실한 수익 모델을 확보하고 있고, 운영주체가 확실하기 때문에 엣지 컴퓨팅을 가장 잘 활용할 수 있는 조건을 모두 갖추고 있다.

최근 동향은 신재생 에너지, 홈 사물인터넷 등과 같은 신기술의 발전에 따른 에너지 환경의 변화에 대응하기 위해 탄력성이 떨어지고 대규모 투자를 필요로 하는 기존 상위 전력망 구조의 엣지 단에 위치한 데이터 집중기의 역할이 점차 증대하고 있다는 점이다.

참고문헌

01) https://ec.europa.eu/energy/en/topics/market-and-consumers/smart-grids-and-meters
02) 물론 전체적인 환경비용까지 고려하면 발전단가가 저렴한지에 대해서는 이견이 있다.
03) https://nest.com/energy-solutions/#rush-hour