홈 에너지 관리 시스템(HEMS)

0. 목차

1. 홈에너지 관리 시스템(HEMS)
2. HEMS 산업
3. 하드웨어
4. 통신 네트워크
5. 플랫폼
6. 서비스
7. 지능형 HEMS

1. 홈 에너지 관리 시스템(HEMS)

 '에너지 관리 시스템(EMS: Energy Management System)'은 정보통신기술과 제어 기술을 활용하여 '빌딩', '공장', '주택', '사회 인프라(전력망, 교통망 등)' 등을 대상으로 에너지 흐름 및 사용의 시각화·최적화를 가능하게 하는 통합 에너지 관리 솔루션이다. EMS는 빌딩, 주택에서 사용되는 자동화 개념에서 더 나아가 각종 데이터를 처리하여 분배·제어하는 지능화된 시스템이 접목되어 있다. 에너지 대상에 따라 분류하면 건물에서는 'BEMS(Building Energy Management System)', 공장에서는 'FEMS(Factory Energy Management System)', 가정에서는 'HEMS(Home Energy Management System)'으로 구분할 수 있다.

 '홈 에너지 관리 시스템(HEMS: Home Energy Management System)'은 일반 가정의 주 에너지 소비원인 '조명', '가전 기기', '급탕 기기' 등을 '정보통신기술(ICT: Information and Communications Technology)'로 네트워크화하여 자동 제어하는 시스템으로, 공급자와 소비자 간의 실시간 정보 교환을 통해 에너지 생산·소비를 최적화시켜 주는 가정용 '에너지 관리 시스템'을 의미한다. 가정에서 사용하는 전력, 가스, 열 등을 종합적으로 관리하여, 에너지 흐름과 사용의 시각화·최적화를 통해 '통합적인 에너지 관리'가 가능하다.

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2. HEMS 산업

 '홈 에너지 관리 시스템(HEMS: Home Energy Management System)' 산업의 특징은 다음과 같다.

1. IT 기술 기반의 에너지 융합 산업: HEMS 산업은 IT 기술 기반의 에너지 융합 산업으로, HEMS 구축을 위한 필수 요소인 '유무선 통신 기술(Wi-Fi, Z-Wave, ZigBee 등)'을 기반으로 하기 때문에, 다양한 IT 통신 기술과의 연계를 통한 시너지 창출이 가능하다. 특히 '스마트홈(Smart Home)'과 '스마트그리드(Smart Grid)'와의 융복합적인 산업 영역으로, '사물인터넷(IoT: Internet of Thing)' 기술과의 융합이 특히 활발하게 적용되고 있다.
2. 기술이 복합적으로 연계된 기술집약적 산업: HEMS 산업은 에너지·하드웨어·통신·소프트웨어 등의 기술이 복합적으로 연계되어 있는 기술집약적 산업으로, 에너지와 환경 및 수요자 중심의 소프트웨어 기술이 접목된 서비스와 제품이 보급될 것으로 예상된다. 에너지 공급자와 소비자 간의 양방향 커뮤니케이션을 통해 에너지 사용 및 효율을 극대화하는 차세대 에너지 산업이다. 실시간으로 에너지 생산·소비되는 정보를 파악하여 에너지 효율을 최적화하고, 전력 측면에서는 '전력 피크(Electric Power Peak)' 발생을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 소비자의 에너지 사용 정보를 통해 소비자 스스로 에너지 절감을 실천할 수 있다.
3. 정부 차원의 정책적 지원이 필요한 산업: HEMS 산업은 정부 차원의 정책적 지원이 필요한 산업으로, HEMS 구현을 위해서는 '양방향 전력 인프라', '에너지 저장 장치(ESS)', '지능형 전력 거래 시스템' 등의 인프라가 선행적으로 구축되어야 한다. HEMS 설치는 초기 투자비로 인해 주택 건설비용 상승으로 이어질 수 있기 때문에 시장 확대를 위해서는 소비자들에게 다양한 인센티브를 제공할 수 있는 제도 마련이 필요하다.

2-1. HEMS 산업의 구조

 HEMS 산업의 '가치사슬(Value Chain)'은 '센서(Sensor)', '통신 장치(Communication Module)', '제어 및 계측 장비(Control and Measurement Equipment)', '운영체제(Operating System)' 등을 포함하는 '하드웨어(Hardware)', 이러한 하드웨어 제품을 유·무선 네트워크로 연결하는 '통신 네트워크(Communication Network)', 그리고 통신 네트워크를 통해 데이터를 수집·축적·분석·활용할 수 있도록 다양한 기반적인 기술들을 제공하는 '플랫폼(Platform)', 소비자들의 에너지 사용의 편의성 증대·절감 현실화를 위한 스마트홈(Smart Home)', '스마트그리드(Smat Grid), '스마트시티(Smart City)' 등의 '서비스(Service)'로 구성된다.

 HEMS 산업은 기술들 간 융합의 매개체 역할을 함에 따라, 기존 제품의 성능과 서비스를 고도화함으로써 새로운 부가가치를 창출할 수 있을 것으로 여겨진다. HEMS 확산을 위해 수요자 맞춤형 서비스 제공이 중요한 만큼 하드웨어 부문에서 고객들에게 다양한 편의성을 제공할 수 있는 플랫폼·서비스 부문으로 산업의 무게중심이 빠르게 이동할 것으로 전망된다.

구조	내용
하드웨어	'센서', '통신 장치', '제어 및 계측 장비', '운영체제' 등을 포함
통신 네트워크	하드웨어 제품들을 유무선 네트워크로 연결
플랫폼	통신 네트워크를 통해 데이터를 수집·축적·분석·활용할 수 있도록 다양한 기반적인 기술들을 제공
서비스	소비자들의 에너지 사용의 편의성 증대·절감 현실화를 위한 '스마트홈', '스마트그리드, '스마트시티' 등

3. 하드웨어

 HEMS 하드웨어는 에너지 사용 설비 등애 내제되는 '센서', '통신 장치', '제어 및 계측 장비', '운영체제' 등을 포함한다. 단말에 위치한 지능형 기기의 '에너지 사용 정보'를 유무선으로 전송받아 '전체 사용량 정보', '기능 제어', '사용량 예측' 등의 정보를 제공할 수 있다. 또한 수집 정보를 기반으로 설비의 에너지를 제어하고, '인 홈 디스플레이(IHD: In-Home Display)'를 통해 사용자에게 제공하는 것을 기본 기능으로 한다.

3-1. 지능형 검침 인프라(AMI)

 '지능형 검침 인프라(AMI: Advanced Metering Infrastructure)'는 가스, 전기, 열, 온수, 수도 등의 유틸리티 공급자가 고객의 에너지 사용량을 원격으로 자동 검침하고, 이에 따라 정화학 에너지 공급과·과금·보고 등의 서비스를 제공할 수 있으며, '스마트미터(Smart Meter)'를 기반으로 소비자·생산자 간의 양방향 정보소통이 가능하도록 연결해 주는 시스템이다. '지능형 검침 인프라(AMI)'는 전력 공급자와 수요자의 상호 인지 기반 '수요 반응 시스템' 구현·운영을 위한 전력망 인프라로 '스마트 미터(Smart Meter)', '데이터 집중 장치(DCU: Data Central Unit)', '에너지 정보 표시장치' 등으로 구성된다.

1. 스마트 미터(Smart Meter): '스마트 미터'는 양방향 통신을 지원하고, 사용자에게 전력 사용 정보를 제공하여 수요 반응을 통해 에너지 효율 향상을 촉진시키는 AMI 핵심 장치이다.
2. 데이터 집중 장치(DCU: Data Central Unit): '데이터 집중 장치(DCU)'는 '지능형 검침 인프라(AMI)' 네트워크 구축을 위해 다기종의 미터와 'IHD(In-Home Display)' 등을 다양한 유무선 통신으로 네트워킹하는 장치로, 수십에서 수백 가구 에너지 사용자의 정보를 수집하여 전력회사로 전송하는 장치이다.
3. IHD(In-Home Display): IHD는 실내에서 스마트 미터와 연계하여 전력 사용 정보 및 통계 정보, 다양한 부가서비스 등을 소비자에게 실시간으로 제공하는 장치이다.

3-2. HEMS 센서

'HEMS 센서(HEMS Sensor)'는 집안의 에너지 소비 가전제품을 포함한 다양한 기기와 장치들을 유·무선 네트워크로 원격관리하여 제어하거나, 인공지능과 결합하여 자율적으로 기능을 수행하고, 환경을 조정할 수 있도록 환경정보를 수집하는 기능을 수행한다. 센서의 목적에 적합한 다양한 소재와 형태로 제조되고, 기능에 따라 '온도센서(Temperature Sensor)', '조도센서(Illumination Sensor)', '압력센서(Pressure Sensor)', '전류센서(Current Sensor)', '인체 감시 센서(Motion Detection Sensor)', '습도 센서(Humidity Sensor)' 등이 있다.

1. 온도 센서(Temperature Sensor): 온도 변화를 감지하여 측정 가능한 신호로 변환하는 센서.
2. 조도 센서(Illumination Sensor): '조도(단위 면적당 단위 시간에 받는 빛의 양)'를 추정하여 측정 가능한 신호로 변환하는 센서.
3. 압력 센서(Pressure Sensor): 압력을 측정 가능한 신호로 변환하는 센서. '압력 감지기', '압력 검출기'라고도 하며, 압력 정보를 전기신호로 변환한다는 점을 강조하여 '압력 변환기(Pressure Transducer, Pressure Converter)'라고도 한다.
4. 전류 센서(Current Sensor): 교류 전류 및 직류 전류를 감지하는 센서
5. 인체 감시 센서(Passive Infrated Sensor, PIR 센서): '인체 감지 센서(PIR 센서)'는 적외선을 이용하여 사람의 움직임을 감지한다.

3-3. 조명 컨트롤러 시스템

 '조명 컨트롤러 시스템(Lighting Controller System)'은 전등 부하를 효율적으로 '중앙 관제 장치(Central Control System)'에서 '원격 감시 제어(Remote Supervisory Control)'하며, 이를 통해 에너지 절감 효과를 도모하는 시스템이다. 건물 혹은 가정 내에 설치되는 모든 조명 설비의 '점멸(등불을 켰다 껐다 함)'을 원격지의 중앙관제 장치나 현장에서 '프로그램 스위치(Program Switch)'를 통해서 제어할 수 있고, 사용 시간대 및 패턴에 따라 전체적으로 점멸 시간 조정이 가능하다. '스마트 플러그(Smart Plug)'는 무선 네트워크 기술이 적용된 플러그를 의미하며, TV·세탁기·컴퓨터 등의 가전기기에 연결해 사용량을 실시간으로 모니터하고, 원격 전원제어 등을 통해 전기 절약을 유도하는 장치이다.

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4. 통신 네트워크

 에너지 관리에 이용이 가능한 통신체계와 방법은 크게 '유선 방식(Wired Method)'과 '무선 방식(Radio Method)'으로 분류된다. '유선 방식'은 다시 '전화선 통신방식'과 'CATV 통신방식', '전용선과 전력선 통신방식' 등으로 구분되고, '무선 방식'은 다시 '와이파이(Wi-Fi)', '지-웨이브(Z-Wave)', '지그비(ZigBee)' 등으로 구분된다.

4-1. 와이파이(Wi-Fi)

 '와이파이(Wi-Fi)'는 수십 m 이내 범위에서 '무선 근거리 통신망(WLAN: Wireless Local Area Network)'을 형성하여 기기들 간 데이터 송수신이 가능하도록 하는 기술로, 'IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)'의 802.11 Working Group에서 개발된 무선통신 표준 기술을 기반으로 스마트홈 및 에너지 관리 시스템 분야에서 응용이 확대되고 있다. 다양한 가전제품들에 Wi-Fi 기능을 탑재하여 Connected Home을 구성하는 핵심 역할을 수행하고 있으며, Bluetooth, NFC, PLC(Power Line Communications)' 등의 다양한 무선통신 기술을 이용하는 가정 내 기기들을 Wi-Fi로 통합하는 'HEMS 솔루션(HEMS Solution)'이 상용화되고 있다.

4-2. 지-웨이브(Z-Wave)

 '지-웨이브(Z-Wave)'는 덴마크의 회사 '젠시스(ZenSys)'에서 개발한 무선통신 프로토콜로, '가정 자동화(Home Automation)' 및 '센서 네트워크(Sensor Network)' 등과 같은 저전력·저대역폭을 요구하는 시스템을 위해 설계되었다. '다중 홉 통신(Multi-Hop Communication)'이 가능하여 '커버리지(Coverage)'가 넓고, '상호 운용성(Interoperability)'이 보장되며, 무선랜으로부터 간섭을 받지 않는 대역에서 동작하기 때문에, 높은 신뢰성을 제공하는 장점을 가지고 있다. 하지만 '노드(Node)' 수가 많거나, 데이터양이 많은 환경에서는 성능이 저하될 수 있으며, 수동으로 네트워크를 구축해야 하기 때문에 대규모 네트워크 구축에는 부적합한 면이 있다.

4-3. 지그비(ZigBee)

 '지그비(ZigBee)'는 IEEE 802.15.4 표준을 기반으로 하는 저전력 무선통신 네트워크로서, 단순 기능이 요구되는 매우 작은 사이즈의 '디바이스(Device)'로 구성되며, 저전력 시장을 목표로 개발이 진행 중에 있다. ZigBee는 '슈퍼프레임 방식'과 '라우터 전원공급 방식'을 통해 저전력 네트워크를 구축하고, 저전력 기기 기반의 '홈 에너지 관리 시스템(HEMS: Home Energy Management System)' 구축에 응용될 것으로 전망된다.

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5. 플랫폼

 'HEMS 플랫폼 기술'은 가정 내 다양한 에너지 소비 장치 및 가전기기를 관리하고 지능형 서비스를 제공하며, 가정 내에서 '사용자의 생활 편의', '에너지 효율', '안전한 삶을 제공'하기 위한 제공하는 소프트웨어 설계 기술을 의미한다. 'HEMS 플랫폼 기술'은 시장의 요구를 충족할 수 있는 유연성과 확장성을 제공할 수 있는 분야이며, 디바이스나 기술 종속적인 부분을 최소화하여 다양한 부가가치 창출이 가능한 서비스 모델을 개발할 수 있는 기초 인프라로 적극적인 육성이 필요하다.

 플랫폼 기술에는 기반이 되는 요소 기술 분류에 따라 'HEMS 제어(HEMS Control)', '사용자 인터랙션(User Interaction)', '상상황 인지 프레임워크(Context Awareness Framework)', '개방형 프레임워크(Open Framework)', '클라우드 시스템(Cloud System)' 기술 등으로 분류된다. 또한 가정 내에서 실시간으로 측정된 에너지 사용량을 최적화하는 정보처리 소프트웨어를 이용·관리하여 에너지 효율을 극대화 할 수 있다.

 '제어 플랫폼 기술'은 가정 내에 '홈 네트워크(Home Network)'를 구성하고, 이에 연결된 '스마트 정보 가전(Smart Information Appliances)', '홈 센서(Home Sensor)' 등을 연계하여 '통합 관리(Integrated Management)', '원격·자동 제어' 등을 제공하는 기반 플랫폼 기술이다. 아파트 등의 공동주택에 '빌트인(Built-in)'으로 설치되어 단지 서버를 통해서 운영되기도 하고, 특별히 가전 업체에서 관련 서비스를 제공하는 경우도 있다.

1. 사용자 인터랙션(User Interaction): '사용자 인터랙션(User Interaction)' 기술은 가정 내 설치된 가전제품, 센서, 스마트 TV 등을 화면 터치, 음성, 제스처 등을 통해 제어하고, 그 상태 값을 인지하는 기술이다.
2. 상황 인지 프레임워크(Context Awareness Framework): '상황인지 프레임워크(Context Awareness Framework)' 기술은 가정 내에서 일어나는 상황을 가전기기와 센서의 정보로부터 추론하여, 미리 설정한 적절한 서비스를 자동으로 제공하는 것을 목적으로 하는 기술이다. '지능형 서비스 운영' 또는 '홈 로봇 서비스'에 적용될 예정이다.
3. 개방형 프레임워크(Open Framework): '개방형 프레임워크(Open Framework)' 기술은 가정 내로 서로 상이한 통신회사, 가전회사, 서비스 회사의 제품 및 서비스가 혼재하여도 하나의 공통된 방식으로 서비스 실행과 제어를 수행할 수 있도록 한다.
4. HEMS 클라우드 시스템(HEMS Cloud System): 'HEMS 클라우드 시스템(HEMS Cloud System)'은 개별 에너지 전문가를 고용할 여력이 없는 가정 내에서 HEMS 도입이 가능하도록 주택 내 계측장치들이 수집된 정보를 인터넷을 통해 외부 서버로 전송하고, 외부에서 분석된 에너지 관리 방안을 다시 네트워크를 통해 전송받아 최적화된 에너지관리를 할 수 있도록 하는 시스템이다. HEMS가 요구하는 소프트웨어로 '에너지 현황 수집' 및 '분석 소프트웨어(건물 에너지 사용량 수집, 통계정보 가공하여 사용자에게 제공)', '홈 장치 최적 제어 소프트웨어(전자 장치 운용 및 제어)' 등이 있다.

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6. 서비스

1. 에너지 관리 서비스: 가정 내 전력을 소비하는 디바이스들의 에너지 소비를 지능화하여 에너지 소비에 대한 효율 향상 및 에너지 관리 최적화를 위한 서비스
2. 신재생에너지 시스템 관리 서비스: 분산전원 형태로 연계된 신재생에너지 시스템이 IP 네트워크 기반으로 에너지 저장 장치와 연동하여 가정 내의 에너지 수급 사오항에 따라 관리하는 서비스
3. 수용가 전력 저장 및 저장 장치 관리 서비스: 가정 내 전력 저장 장치를 설치하여 실시간 가격 정보에 반응하여, 가격이 낮은 구간에서는 전력을 저장하고, 높은 가격의 구간에서는 저장된 전력을 공급하는 장치에 대한 제어 및 관리 서비스
4. 에너지 정보 서비스: 에너지 저장 장치, 에너지 디바이스에 의해 소모된 전기 에너지의 양, '분산 전원(DER: Distributed Energy Resource)'에 의해 생성된 전기 에너지 및 분산전원의 상태 등의 데이터를 포함하는 에너지 정보를 제공하는 서비스
5. 수용가 에너지 상태 표시 서비스: 가정 내에서 동작하는 장치의 에너지 상태 표시와 관련된 모니터링에 의한 에너지 사용량, 실시간 에너지 사용량 등을 표시하여 에너지 사용 정보를 수용가에게 제공하고 절약하도록 유도하는 서비스
6. 개인 휴대 단말을 이용한 원격 모니터링 및 제어 서비스: 외부에서 개인용 컴퓨터, 모바일 단말기를 사용하여 가정용 에너지 관리 시스템과 연계된 모든 장치들의 에너지 사용량을 원격으로 감시하고 제어하는 서비스
7. 홈 그리드 알람 서비스: 가정용 에너지 관리시스템과 연계된 장치들의 운영 이상 상태를 표시하고 알람 기능을 제공하는 서비스
8. 수용가 가전기기 동작 상태 모니터링 서비스: 가정 내에서 동작하는 기존 레거시 가전 및 스마트 가전기기의 ON/OFF, 각 가전기기의 사양에 따른 다양한 동작 모드에 관한 모니터링을 제공하는 서비스
9. 수용가 가전기기 관리 서비스: 가정용 에너지 관리 시스템에 연계되는 모든 가전기기의 물리적인 연결 상태 관리와 각 가전기기의 유지 및 보수 관리 기능을 제공하는 서비스
10. 전기자동차 및 배터리 관리 서비스: '전기자동차'와 '내부 배터리 관리 시스템'은 '가정용 에너지 관리 시스템'과 연계되어 배터리의 상태 정보에 대한 관리 기능을 제공하는 서비스
11. 실시간 에너지 가격 정보 서비스: 게통의 운영상태 및 수요 변동 등의 실시간 수급 상황을 반영하기 위한 실시간 에너지 가격 정보를 제공하는 서비스

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7. 지능형 HEMS

 과거 '에너지 관리 기술'은 에너지 사용의 단순 시각화와 분석에 중점을 두었다. 하지만 향후에는 에너지 효율 향상을 위한 하드웨어 등의 종합적 관리와 '수요 반응(DR: Demand Response)'을 통한 고객 맞춤형 서비스 제공이 중요하게 요구되어, '플랫폼'과 '관리 서비스 기술'들이 중점적으로 개발될 것으로 예상된다. 향후 사용자 중심의 '홈 에너지 관리 융합 서비스' 제공을 위한 각종 기기의 개방형 플랫폼화는 지속될 것이다. 또한 다양한 서비스 제공을 위한 기기별 응용 소프트웨어 개발도 활발하게 이루어질 것으로 전망된다.

 '홈 에너지 관리 시스템(HEMS: Home Energy Management System)'는 편리성과 보안을 목적으로 한 제품 중심에서 '이동성'과 '에너지 절감'이 강조되는 지능형 서비스 제공으로 진화하고 있다. 스마트그리드 '수요자원(DR: Demand Response)' 기술, 신재생에너지와 같은 차세대 전력원과의 연계가 가속화될 것으로 전망되기 때문에, '지능형 전력망(Intelligent Power Grid)'에 부합하면서 시스템을 안정적으로 운용할 수 있는 기술 개발이 필요한 것으로 예상된다. 최근에는 '태양광 발전 시스템(Solar Power System)', '연료 전기(Fuel Electricity)', '전기자동차(EV: Electric Vehicle)' 등의 신에너지 기기가 가정에 도입되고 있어, HEMS도 이들 기기에 대응하여 진화할 것으로 생각된다.