0. 목차
- '스마트 그리드'란?
- '스마트 그리드' 관련 기술
- '마이크로 그리드' 관련 기술
- AI 기술과의 융합되는 '스마트 그리드'
- 보안 기술로 만드는 안전한 '스마트 그리드'
- 제네시스 계획(Genesis Project)
- '스마트 그리드' 정책 동향
1. '스마트 그리드'란?
'재생 에너지(Renewable Energy)'란 화석연료나 우라늄과 달리 고갈되지 않기 때문에 지속적으로 이용할 수 있는 에너지로, '태양광 에너지', '풍력 에너지', '파력 에너지', '지열 에너지' 등이 있다. 하지만 가까운 미래에 대량으로 도입될 '재생 에너지'의 대부분은 '비용'과 '발전량의 안정성' 같은 문제를 가지고 있다. 이러한 문제들은 전력을 '저장'하고 '공급'하는 방법에 의해 어느 정도 해결될 수 있다. 결국, 에너지 발전 방식이 바뀌어 나감에 따라, '전력 공급 방법' 또한 바뀌어야만 한다. 이에 따라 전기 공급자와 생산자들에게 전기 사용자의 정보를 제공함으로써 보다 효과적으로 전기 공급을 관리할 수 있게 해주는 서비스인 '스마트 그리드(Smart Grid)'라는 개념이 부각되었다.
'스마트 그리드(Smart Grid)'란 기존의 '전력망(Grid)'에 '정보통신기술(ICT: Information & Communication Technology)'을 접목하여, 공급자와 수요자 간 양방향으로 실시간 정보를 교환함으로써 '지능형 전력 수요 관리', '신재생 에너지 연계(Renewable Energy Connection)', '전기차 충전' 등을 가능하게 하는 차세대 전력 인프라 시스템을 의미한다. 즉 발전소·송배전 시설과 전력소비자를 정보통신망으로 연결하여 정보를 공유함으로써, 전력 시스템 전체가 하나의 유기체처럼 효율적으로 작동할 수 있도록 하여 에너지 이용 효율을 극대화하는 것이 '스마트 그리드(Smart Grid)'의 기본적인 개념이다.
| - | 기존 전력망 | 지능형 전력망 |
| 아날로그/디지털 | 아날로그·전기기계적 | 디지털·지능형 |
| 체계 | 중앙 집중 체계 | 분산 체계 |
| 구조 | 방사상 구조 | 네트워크 구조 |
| 복구 | 수동 복구 | 자동 복구 |
| 요금 | 고정 요금 | 실시간 요금 |
| 정보 흐름 | 단방향 정보 흐름 | 양방향 정보 교류 |
| 소비자 선택권 | 소비자 선택권 없음 | 다양한 소비자 선택권 |
1-1. 마이크로 그리드
스마트 그리드가 목표로 하는 송전 시스템의 하나에는 '마이크로 그리드'가 있는데, 이것은 그 지역 내에서 기본적으로 '자급자족'을 해서 수요와 공급의 균형을 조정하는 시스템을 말한다. 즉 '마이크로 그리드(Microgrid)'는 소규모 독립형 전력망으로 태양광, 풍력 등 신재생 에너지원과 '에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage System)'가 융복합 된 차세대 전력 체계다. 단, 지역 내에서 조정이 되지 않을 경우, 대형 발전 설비에서도 전력을 융통하는 방법이 이용된다.
1-2. 디지털 그리드
한편, 스마트 그리드를 더욱 발전시킨 전력망인 '디지털 그리드(Digital Grid)'란 개념도 제안되어 있다. 재생 에너지를 도입할 때, 전력망 전체의 전력 공급이 불안정해지는 이유는 각지의 전력 계통이 직접 이어져 있기 때문이다. 따라서 거대한 전력 계통을 세부로 나누어 어떤 지역의 영향이 다른 지역에 전달되지 않게 하면, 결과적으로 재생 에너지를 더 도입하기 쉬워질 것으로 생각된다. '소규모 전력망(셀: cell)'마다 '디지털 그리드 루터(Digital Grid Router)'라 불리는 전력 변환 장치를 부착하고, 축전지로 안정화시킴으로써 정전 등의 영향이 전달되지 않도록 할 수 있다. 독립성을 확보한 각 루터에 주소를 붙여, 남은 전력을 남은 셀에서 부족한 셀로 '이메일(e-mail)'처럼 자유자재로 주고받을 수 있다고 한다. 셀끼리는 직접적인 연결이 끊겨 있기 때문에, 기존의 대형 발전소나 다른 셀까지 영향을 미치는 일은 없다.
2. '스마트 그리드' 관련 기술
'스마트 그리드(Smart Grid)'의 주요 관련 기술는 '에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)', '지능형 검침 인프라(AMI: Advanced Metering Infrastructure)', '에너지 관리 시스템(EMS: Energy Management System)', 'V2G(Vehicle to Grid)', '마이크로 그리드(Microgrid)', '배전망 관리 시스템(DMS: Distribution Management System)', '수요 반응(DR: Demand Response)', '양방향 정보통신 기술', '지능형 송·배전 시스템' 등을 들 수 있다.
2-1. 에너지 저장 시스템(ESS)
'에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)'은 생산된 전기를 '저장 장치에 저장했다가 전력이 필요할 때 공급하여 사용함으로써 전력 사용의 효율성을 높일 수 있도록 해준다. 일반적으로 건전지나 소형 배터리 같은 전력 저장 장치를 ESS라고 칭하지는 않고, 일반적으로 수백 kWh 이상의 전력을 저장하는 단독 시스템을 '에너지 저장 시스템(ESS)'라고 한다.
자가 양방향으로 실시간 정보를 교환하고, 전력 저장 장치를 이용하여 가장 필요한 시기에 전기 에너지를 공급하여 에너지 효율을 향상시킨다. 전기를 많이 사용하지 않는 야간에는 잉여전력을 저장하여 전력 소비가 많은 주간에 사용하는 '부하 평준화(Load Leveling)'를 통해 전력 운영의 최적화에 기여할 수 있다. '에너지 저장 시스템(ESS)'은 '전력 저장원(배터리, 압축공기 등)'과 '전력 변환 장치(Power Converter)', '전력 관리 체계(Power Management System)' 등 제반 운영시스템 등으로 구성된다.
2-2. 지능형 검침 인프라(AMI)
'지능형 검침 인프라(AMI: Advanced Metering Infrastructure)'는 에너지 부하 자원의 효율적인 관리와 에너지 소비 절감을 위하여, 에너지 공급자-사용자 간 양방향 정보교환을 위한 인프라이다. 즉, 에너지 사용 정보를 측정·수집·저장·분석하고, 이를 활용하기 위한 총체적인 시스템을 의미한다. 협의의 의미로는 유틸리티 사업자가 에너지 사용자의 에너지 사용 정보를 취득하여 과금을 하기 위한 인프라를 의미한다. AMI는 단방향 원격 검침인 'AMR(Automatic Meter Reading)'이 진화된 형태로서, '수용가의 전력회사 간 전력소비량의 실시간 측정'뿐만 아니라, '사용 중인 전력의 품질', '서버와의 통신', '공급자와의 사전계약' 등을 바탕으로 전력 소비량을 자동으로 제어하는 기술 등을 포함한다.
'지능형 검침 인프라(AMI)'는 '전력선 통신(PLC: Power Line Communication)' 또는 '무선 통신(Radio Communication, 전자기파를 매개로 행해지는 전기통신)' 방식을 사용할 수 있다. 일반적으로 유럽은 '전력선 통신(PLC)' 방식을, 북미 지역은 '무선 통신' 방식을 선호하는 것으로 알려져 있다.
'지능형 검침 인프라(AMI)'는 전력 사용량 검침 계기인 전자식 전력량계인 '스마트 미터(Smart Meter)', 전력량계에서 검침된 데이터를 취합하여 서버로 전송하는 '데이터 집중 장치(DCU: Data Central Unit)', 전력량계 간 검침 정보를 전송하는 '모뎀(Modem)', 전령량계로부터 데이터 취득·저장·분석 및 장애관리 등을 수행하는 'AMI 서버'로 구성된다.
2-3. 에너지 관리 시스템(EMS)
'에너지 관리 시스템(EMS: Energy Management System)'은 에너지 효율을 높일 수 있도록 제어하는 IT 소프트웨어를 일컫는 말로, 이를 통해 전기에너지를 필요한 만큼만 생산·공급·사용함으로써 효율을 높인다. 또한 청정한 신재생에너지원으로붵 발전된 전기를 전력계통과 연계 운용하여 경제성과 안정성을 꾀할 수 있다.
ISO 500001의 에너지 관리 시스템에 관한 일반론적 정의에 근거한 단위 조직별 에너지 관리 시스템을 살펴보면, 국가용 EMS인 'K-EMS', 지역용 EMS인 'Micro-grid EMS', 공장용 EMS인 'FEMS(Factory EMS)', 상업용 건물 EMS인 'BEMS(Building EMS)', 가정에 적용하는 'HEMS(Home EMS)'로 나누어볼 수 있다. 기능은 유사하지만 용도에 맞게 디자인과 UI 등을 다르게 적용한 것으로 이해할 수 있다.
| 단위 조직별 '에너지 관리 시스템(EMS)' | 설명 |
| K-EMS | 국가용 EMS |
| Micro-grid EMS | 지역용 EMS |
| FEMS(Factory EMS) | 공장용 EMS |
| BEMS(Building EMS) | 건물용 EMS |
| HEMS(Home EMS) | 가정용 EMS |
2-4. V2G 기술
'스마트 그리드' 환경에서의 전기자동차는 단순히 전기를 소모하는 이동 수단이 아닌 '에너지 저장 장치'로서의 역할을 수행할 수 있다. 필요에 따라서 '전기자동차에 저장된 에너지를 전력망에 전송(V2G: Vehicle to Grid)'하여 '주파수 조정', '예비전력 확보', '백업 서비스', '피크 관리' 등을 수행할 수 있다. 또한 V2G는 'V2H(Vehicle to Home)', 'V2B(Vehicle to Building)', 'V2D(Vehicle to Device)' 등의 분야로 확장이 가능하다. V2D의 경우 야외 캠핑을 예로 들 수 있는데, TV·전등·컴퓨터·냉장고 등과 같은 전자제품과 연동하여 야외에서 원활하게 전기를 사용할 수 있도록 할 수 있다.
'V2G(Vehicle to Grid)' 기술을 구현하기 위해서는 '양방향 인버터를 통해 에너지 전송이 가능한 전기자동차 기술', 'V2G 구현 시 전력망의 품질 확보 기술', 'V2G 구성요소를 모니터링하고 운영하기 위한 EMS 기술', 'V2G용 EV에 활용이 가능한 다양한 배터리 기술(Ni-MH, LiFePo4-cathode, Li4Ti5O12-anode 등)', 'V2G를 위한 기술표준 마련' 등의 기술적 요소가 구비되어야 한다.
V2G 시스템은 탄소 배출 감축에 일조할 수 있는 친환경적인 방식임과 동시에 경제성까지 갖추어 지속 가능한 성장을 이어갈 수 있는 사업 모델이며, 향후 V2G 사업자와 수요관리 사업자 등 V2G를 활용한 피크 절감 효과뿐 아니라, 선진국과 같은 전력계통 주파수 조정 등 다양한 전력 보조 서비스 및 부가가치를 창출할 수 있는 시스템으로 평가받고 있다.
2-5. 마이크로그리드
'마이크로그리드(Microgrid)'는 '스마트 그리드(Smart Grid)'를 구성하는 '소규모 독립형 전력망으로 '신재생에너지'와 'ESS(Energy Storage System)' 같은 분산전원을 활용하여 계통에 연동하여 독립적인 형태로 전력을 공급함으로써, 다양한 전력계통의 환경 변화에도 불구하고 안정적인 전력을 공급할 수 있는 시스템을 의미한다.
'마이크로그리드(Microgrid)' 기술은 '전력시스템', '전력전자', '통신 및 제어기술'이 융합된 기술로 '다양한 참조모델 개발', '자원 확보', '모델링·해석기법', '제어 및 알고리즘', '에너지 최적화', IT 기술에 기반을 둔 통합 관리 기법들을 적용한 '플랫폼 개발', 다양한 데이터를 처리하는 '빅데이터 기술', '실시가 배전 및 발전 기술', '통신 기술' 등이 융·복합되어야만 완성된 하나의 시스템을 구성했다고 할 수 있다. 이와 관련된 세부 기술로는 'SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)', 'EMS 구축', '독립형 인버터', '유틸리티 연계형 인버터', '사이리스터(Thyristor)', '보상기(Compensator)', '엔클로저(Enclosure)', '보호 시스템', '변압기(Transformer)', 'SoC 기술', '불규칙한 신재생에너지원의 출력 변동을 최소화하기 위한 제어 기술', '평활 제어 기술(Smooting Control Technology)', '정전력 제어 기술(Constant Power Control Technology)', '통신기반 IoT', 'IoE', '보안 기술' 등이 있다. 이러한 기술들이 활용되는 대·중·소형 신재생에너지원에 대한 사례들에 기초한 표준화가 중요하다.
'마이크로그리드'는 전력망에 ICT 기술을 적용하여 전력 소비자와 생산자의 실시간 정보 교환을 통해 효율적인 에너지 관리가 가능한 차세대 전력망이라는 점에서 '스마트 그리드(Smart Grid)'와 유사하다. 하지만 발전원과 전력 소비자의 거리가 가깝고 규모가 작아, 송전 설비가 따로 필요하지 않다는 점이 다르며, '스마트 그리드'를 소지역 특정에 맞게 적용한 것이라고 생각할 수 있다. '마이크로그리드'는 각종 센서를 부착하여 데이터를 실시간으로 주고받는 기술이나 환경을 의미하는 '사물인터넷(IoT)' 기술과도 밀접한 관련이 있으며, 신재생에너지 외에 따로 한국전력공사에서 전력을 공급받는 스마트 그리드와 달리 마이크로그리드는 모든 전력을 '태양광', '풍력', '수력 발전' 등 '신재생에너지'를 통해서만 얻기 때문에 대도시보다는 '오지', '사막', '도서지역' 등 전력망을 갖추기 어려운 지역에서 주로 추진된다.
'마이크로 그리드(Microgrid)'의 송전 시스템에서는 1단위의 규모는 여러 가지로 생각할 수 있지만, 500~2000가구 정도의 규모를 이상적으로 생각한다. 전력 공급망의 범위를 좁게 함으로써, 관리해야 할 재생 에너지의 발전 설비의 수를 줄일 수 있다. 단, 공급량의 불안정이 상대적으로 커지는 등의 단점도 있다. 물론, 이 작은 계통의 단위가 완전히 고립되는 것은 아니고, 그 위에는 더욱 큰 계통 규모의 관리 시스템이 설치된다. 종래의 관리 시스템과는 달리, 계층적인 관리 시스템으로 운용될 수 있다. 송전망 내부의 전력 수요를 알고 공급과 균형을 잘 유지하려면, 우리들 소비자 한집 한집의 전력 사용 상황을 알아야만 한다. 그러면 이러한 정보는 어떻게 파악될까? 현재 주택 등의 건물에서 전기를 사용하는 상황을 알기 위해 쓰이는 것은 '전기 미터'이다. 전류가 '전기 미터'를 지나 흐를 때, 전기 미터의 원판이 회전한다. 원판의 회전수는 그 집 전기의 누적 사용량을 나타내므로, 지난달까지의 회전수를 빼면, 그 달의 전력 사용량을 파악할 수 있다. 스마트 그리드가 채용될 경우, 기존의 '전기 미터'를 대신하는 새로운 전기 미터인 '스마트 미터(Smart Meter)'가 사용된다. '스마트 미터'에서는 전자 센서를 이용해 전기의 양을 측정하고, 이렇게 수집된 정보는 반도체 메모리에 데이터로 축적된다.
- 공급자가 알 수 있는 정보: 전력 공급자는 컴퓨터로 소비자의 '스마트 미터'에 신호를 보낸다. 그러면 신호를 받은 스마트 미터가 이 컴퓨터에 데이터를 송신한다. 이리하여 소비자의 데이터는 전력 공급자에게 보내지고, '각 소비자의 전기 사용량' 또는 '전력망 전체의 전기 사용량' 등을 알 수 있게 된다. 또 발전 설비를 갖춘 건물에 대해서는, 발전 설비의 발전량이나 매전량을 알 수 있고, 축전지를 갖춘 건물에 대해서는 축전지의 충전이나 방전 상황을 알 수도 있다.
- 소비자가 알 수 있는 정보: 소비자가 알 수 있는 정보량도 늘어난다. 현재 소비자들이 알 수 있는 정보는 이달의 전기 사용량과 전기 요금 정도뿐이었다. 하지만 스마트 미터를 쓰면, '과거의 전기 사용량과 현재의 전기 사용량을 비교한 정보' 또는 '하루 중 어느 시간대에 가장 많은 전력을 쓰는지' 등의 자세한 정보를 쉽게 알 수 있다. 이런 정보는 전력 회사의 웹사이트나 스마트폰 등을 통해 볼 수 있을 것이다. 또한 스마트 미터를 통해 송전망의 관리자로부터 메시지를 받을 수도 있다. 예컨대 전력이 부족할 것으로 판단된 경우, 관리 시스템에서는 요금의 인상을 알리는 방법 등을 통해 각 소비자들에게 전기 사용을 억제하도록 움직일 수 있다. 이와 같은 방법으로 전력 수요가 공급을 넘는 경우에 발생하는 대규모 정전을 방지할 수 있다. 더욱이 시간대마다 실시간으로 변동하는 요금 제도가 도입되면, 소비자들은 그 정보를 받아서 자신에게 득이 되는 전기 소비를 할 수 있을 것이다.
2-6. IoT 기술
'IoT(사물인터넷)'은 우리가 일상생활에서 접하는 다양한 전자기기·차량·건물·센서·기계장치·기반시설 등이 정보통신 네트워크를 통해 인터넷에 연결되어 각종 데이터를 수집하고, 사용자 또는 기기들 간에 서로 데이터를 주고받는 것을 의미한다. 사물인터넷이 센서·기계장치·기반시설을 포함하는 경우 단순한 정보교환에 머무는 것이 아니라, 사이버 물리시스템과 융합되어 '스마트 그리드(Smart Grid)', '가상 전력 발전소(VPP: Virtual Power Plant)', '스마트 홈(Smart Home)', 더 넓게는 '스마트시티(Smart City)'를 구축하고 운용하는데 매우 중요한 구성 요소가 될 수 있다.
'스마트 그리드'는 전력 부분에 '정보 기술', '통신 기술', '디지털 제어 기술'이 결합되는 산물로 사물인터넷의 한 분야인 '에너지 인터넷(Internet of Energy)'의 중심 무대라고 할 수 있으며, IoT의 연결성과 접근성이 좋아지면, 사용자 경험이나 효율이 높아져 소비자 상호 작용이나 제어가 더욱 원활하게 이루어진다. 또한 '제조사'와 '유틸리티 업체'에게 더 많은 정보를 제공하여 진단 비용을 절감하고 마을 전체 계량기 값을 판독할 수 있게 되는 등, IoT로 인해 좀 더 촘촘하고 효율성이 높아진 '스마트 그리드'를 구축할 수 있다.
2-7. DMS(배전망 관리 시스템)
'배전망 관리 시스템(DMS: Distribution Management System)'은 배전선로에 적용되는 가스 개폐기의 운전 상태를 원거리에서 컴퓨터와 통신 기술을 이용하여 감시하고 설비의 운전을 감시·제어하는 시스템이다. '배전 선로의 고장 발생 시 고장 구간 파악 및 분리', '정전 구간 복구', '운전 정보 데이터베이스 관리' 등의 기능을 수행한다. 배전망 노후로 교체가 필요한 국가 및 송배전망 내 전력손실률 축소를 위해 전력케이블 중심으로 수요가 높아질 것으로 전망되며, 국내에서도 IoT 기반 스마트 센싱 기술을 활용한 실시간 설비 신뢰성 평가 기술 개발을 진행 중이다.
2-8. DR(수요 반응)
'수요 반응(DR: Demand Response)'은 소비자 측에 양방향 통신망인 AMI 시스템을 구축하여 전력의 수요·공급 정보에 따라 전력소비를 최적화하고 전력망의 효율을 높이고자 하는 기술이다. 소비자 부문에서 소비자의 전기 사용을 전력회사의 공급 상황에 따라 반응하도록 하여 전력망의 효율을 높일 수 있다. DR은 대표적인 소비자 부문에서의 스마트그리드 기술로, 소비자 부문에서의 스마트그리드 관련 기술을 개발하는 목적은 양방향 통신 네트워크를 이용하여 소비자의 수요반응을 기반으료 '효율적 에너지 관리·소비'가 가능하도록 하는 데에 있다.
3. '마이크로그리드' 관련 기술
'마이크로그리드(Microgrid)'는 중앙 발전소에 의지하지 않고 독자적인 전력 공급망을 갖추고 있어, 기존 그리드의 전력 생산 및 송배전 과정에서 이루어지는 '전력 품질 관리', '비상 전력 관리' 등을 자체적으로 수행할 수 있는 기술 및 시스템이 요구된다. 대표 요소 기술로 전력 품질 보상을 위한 'PCS(Power Conditioning System)', 계통보호를 위한 'STS/IED(Static Transfer Switch/Intelligent Electronic Device)', '네트워크 게이트웨이(Network Gateway)', 에너지 생산을 제어하는 'EMS(Energy Management System)'가 있다.
3-1. 전력 품질 보상을 위한 'PCS'
'PCS(Power Conditioning System)'는 전원과 부하 사이에 '전압', '전류', '주파수 위상', '상수' 중 하나 이상을 변환시키는 '전력 변환 시스템'을 말한다. '마이크로그리드'의 다양한 전원에서 생성된 전기는 주파수, 전압, AD/DC 전류 등 다양한 형태로 존재하기 때문에, 사용목적에 따라 적절한 형태의 전기로 변환이 요구된다. 'PCS(Power Conditioning System)'는 사용목적에 맞게 DC의 AC 전환 혹은 AC의 DC 전환, 전류·전압·주파수의 필요값 조정을 수행한다. PCS는 마이크로그리드의 핵심 요소 중 하나인 ESS의 핵심 구성요소로, ESS용 PCS는 '에너지 저장 장치(ESS)'의 직류전력을 전력 계통연계 기준에 부합한 교류전력으로 변환하여 공급하거나, 교류전력계통으로부터 교류전력을 '에너지 저장 장치'의 직류전력으로 변환하는 양방향 전력변환의 동작이 요구된다. 이 외 PCS는 사용되는 용도나 ESS의 종류 등에 따라서 요구되는 '구조', '성능', '시험 혹은 검사' 항목이 다양하며 '노이즈(Noise)', '통신 프로토콜(Communication Protocol)', '무효전력 제어기능', '단독운전 방지 기능', '배터리 충방전 기능' 고장기록 저장 기능' 등이 있다.
3-2. STS/IED
'STS/IED(Static Transfer Switch/Intelligent Electronic Device)'는 '마이크로그리드(Microgrid)' 전력계통 연계지점에서 '계전 알고리즘(Relay Algorithm)'을 통해 '전력계통(Electric Power System)' 및 '마이크로그리드 내부 계통'을 보호하는 계전기의 기증과 전압·전류 등의 계측 요소와 전력 품질 요소를 검출하여 이상 검출 시 마이크로그리드를 전력계통으로부터 빠르게 분리하는 역할을 하는 정지형 스위치가 결합된 장치이다. 해당 장치를 통해 계통사고가 발생하거나 전력품질 저하 시, 이를 검출하여 '마이크로그리드'를 계통에 '재동기(Re-Synchoronization)'하며, 배전계통을 보호하고 안정적인 전력 공급이 이루어지도록 한다.
3-3. 네트워크 게이트웨이(Network Gateway)
'마이크로 그리드'는 '분산 에너지 전원(DER: Distributed Energy Resource)', '에너지 관리 시스템(EMS: Energy Management System)', '전기자동차(EV: Electric Vehicle)' 등 다양한 도메인 영역에 걸쳐 디바이스 및 시스템이 융합되어 있다. 이들에 대한 효율적인 통제·통합 관리를 위하여 표준적인 언어가 요구되며 IEC 61850d을 표준의 언어로 채택하려는 연구·개발이 다수 이루어지고 있다. IEC 61850 표준은 기존 아날로그 기술 기반의 전력설비들의 디지털화에 따라 '변전소의 복잡한 배선 문제', '전력설비 시스템 간의 장치 호환 문제', '신규 설비 구축'에 따른 높은 설치비용과 노후와 설비에 대한 교체의 어려움을 해결하기 위해 개발되었다. 이러한 표준화는 '기존 변전소 자동화를 위한 전력설비 인터페이스 국제 규격(IEC 61850)', '변전소 간 인터페이스 (IEC61850-90-1)', '상위 시스템과 변전소 간의 인터페이스(IEC 61850-80-1)', '풍력발전 관련 설비 인터페이스(IEC 61400-25)', '수력발전 설비 인터페이스(IEC 61850-9-410)', '분산전원 인터페이스(IEC 61850-9-420)'의 표준으로 점차 적용 영역이 확대되고 있다.
4. AI 기술과의 융합되는 '스마트 그리드'
'스마트 그리드' 전기 사용 패턴을 효율적으로 바꿔주는 차세대 전력망 기술로, 생산자들에게 전기 사용 정보를 제공함으로써 보다 효과적인 전기 사용 공급망의 구축을 가능케 하는 '수요자 중심의 양방향성'이 핵심이다. IoT 기술을 이용하여 원격으로 에어컨이나 보일러 같은 기기들을 조작할 수 있고, 하루 중 어느 시간대에 어떤 가전제품을 많이 쓰는지도 확인이 가능하다. 향후 AI 기술이 보편화되면 스마트그리드 시장의 성장은 더욱 가속화될 것으로 생각된다.
인공지능은 현재 의료, 법률, 교육 등 다양한 분야에 적용돼서 사용되고 있다. 한국에너지 정보문화 재단 자료에 따르면, 에너지 분야에서는 데이터 기반의 정교한 '머신러닝(Machine Learning)'이 '전력 거래', '지능형 전력 소비', '지능형 에너지 저장' 기술 향상에 도움을 줄 수 있다.
- 전력 거래: 전력 거래 시장이 효율적으로 작동하기 위해서는 전력 판매자·구매자·중개인이 '기상 예측'부터 '전력망 수급 현황'까지 방대한 양의 데이터를 지속적으로 분석해야 하고, 시장에서 우위를 차지하기 위해서는 관련 데이터를 잘 이해하고 있어야만 한다. 일례로 2018년에 '딥마인드(Deep Mind)'는 미국의 700GW 규모의 구글 풍력발전소에 머신러닝 알고리즘을 적용하였다. 기상 예보와 과거 풍력 터빈 데이터를 입력한 '인공 신경망(Neural Network)'을 활용하여 36시간 전에 풍력 발전량을 미리 예측할 수 있었으며, 1년도 되지 않아 풍력에너지의 가치를 약 20% 향상시켰다.
- 지능형 전력 소비: '스마트 미터(Smat Meter)'는 개인의 에너지 소비량 관련 데이터를 제공함으로써, 소비자가 스스로 에너지 사용량을 관리할 수 있도록 도와준다. AI 기반 스마트미터와 스마트홈 솔루션이 아직 널리 보편화되어 있지는 않지만, 에너지 모니털이 기기들은 다른 전자제품과 연결되어 에너지 비용을 절약할 수 있도록 도와줄 수 있고, 궁극적으로 지능형 전력 소비기기의 광범위한 사용은 인류를 위한 친환경적이고 안정적인 전력망 구축에 기여할 수 있다. 2020년의 보도에 따르면, 미국 '피츠버그 대학교', '메사추세츠 암허스트 대학교', '마이크로소프트(Microsoft)' 인도 연구소 연구진들은 그들이 개발한 '와트 스케일(WattScale)'이라는 AI를 이용하여 도시나 각 지역 모집단에서 에너지 효율이 가장 낮은 건물을 골라냈다. 그 결과 주거용 건물 10107패 중 절반 이상에서 비효율성을 발견했으며, 이는 거의 95% 사례에 대한 결함을 확인한 것이다.
- 지능형 에너지 저장: 인공지능은 '재생에너지 전력 마이크로그리드', '유틸리티 규모의 배터리 저장', '양수발전' 등의 개별적인 기술을 통해 쉽게 통합할 수 있도록 함으로써 현존하는 에너지 저장 기술을 향상시킬 수 있다. 현대 전력망에서 에너지 저장의 역할은 풍력·태양광 등 간헐적인 전력원이 확산됨에 따라 빠르게 커지고 있다. 기술이 발전하고 비용이 절감됨에 따라, '지능형 에너지 저장'은 보조적 서비스에서 더욱 큰 역할을 맡게 되었다. 그 결과, 전력망 운영자가 수급 균형을 맞출 수 있도록 돕고 발전소에서 소비자까지의 송전을 지원할 수 있으며, 수요와 공급 간 격차가 발생할 때 인공지능을 통해 더욱 효율적으로 전력을 배분할 수 있다.
5. 보안 기술로 만드는 안전한 '스마트 그리드'
'스마트 그리드'는 폐쇄망인 기존 전력망과 달리 개방형 구조를 기반으로 한다. 또한 전력 사용의 효율성을 높이기 위해 사용자와의 정보교환이 증가하고, 고객 편의를 위한 '수요반응(DR: Demand Response)', '지능형 원격검침 인프라(AMI: Advanced Metering Infrastructure)' 등 새로운 전력 서비스를 제공하기 때문에, 사이버 공격을 비롯한 여러 위협에 취약할 수 있다.
'한국 정보보호학회(KIISC: Korea Institute Of Information Security And Cryptology)'에서 2016년에 발행한 'AMI 공격 시나리오에 기반한 스마트그리드 보안 피해 비용 산정 사례' 자료에 따르면, 전국에 보급된 스마트 미터가 약 200만 개이고, 그중 해당 사례에서 피해를 입은 스마트 미터가 전체의 약 10% 정도일 때, 스마트 미터를 전량 교체하는 방법을 포함한 5가지 가정을 하면 1회 손실 비용은 371.9억 원에 달하는 것으로 나타났다. 또 미국의 사이버 보안 연구기관인 'United State Cyber Consequences Unit'의 CEO이자 경제학자인 '스콧 보그(Scott Borg)'는 미국의 1/3 지역에서 정전이 발생하여 3달간 복구되지 않을 경우, 약 40~50개의 대형 허리케인으로 인한 피해와 비슷한 약 7000억 달러에 가까운 경제적 손실이 발생할 것으로 예측하기도 했다.
향후 스마트 미터의 보급이 확대되고 피해 규모가 큰 사건이 발생하게 되면, 손실비용은 기하적으로 커질 수 있다. 그래서 스마트 그리드 상에 전송되는 데이터의 보안은 굉장히 중요한 부분이라고 할 수 있다. 스마트 그리드의 본격적인 추진을 위해 소비자 프라이버시가 보장될 수 있도록 하는 정책적 방안은 물론, 이를 구현하는 다양한 보안 기술의 연구가 수행되어야 하는 이유이다. 스미트 그리드 기술의 경우 'AMI', 'ESS' 등 여러 가지 기기들로 구성이 되어 있어 외부로부터 침투 경로가 다양하게 분포되어 있는 것이 특징이다. 따라서 사전에 모든 공격을 방어하는 것은 사실상 불가능하다.
6. 제네시스 계획(Genesis Project)
더 거대한 송전망 아이디어도 있다. 바로 전 세계의 사막에 거대한 태양광 발전소를 만들고, 그들을 초전도 케이블로 잇는 '제네시스 계획(Genesis Project)'이다. '초전도 케이블'은 전기 저항이 없으므로, 장거리 송전을 해도 전력 손실이 매우 적다. 태양광 발전은 기후와 계절에 좌우되고 야간에는 발전할 수 없다. 하지만 대규모의 태양광 발전소를 전 세계의 사막에 분산 배치하고, 각 사막의 태양광 발전소와 전 세계의 도시를 '초전도 케이블'로 이어, 낮의 지역에서 밤의 지역으로 전기를 보낼 수 있으면 이 문제도 해결 가능하다. 제네시스 계획은 다음의 3단계를 거치면 충분히 실현할 수 있다.
- 일반 주택 등에 소규모 태양광 발전을 실현한다. 그렇게 만들어진 전력선에 연결되어 쌍방향으로 주고받는다. 2021년 기준, 이 단계에 와 있다.
- 비교적 가까운 거리에 있는 각국의 송전선을 통합해, 태양광 발전에서 얻은 전기를 쌍방향으로 주고받는다. 그리고 동시에, 대규모의 태양광 발전소를 사막 등의 빈터에 설치하기 시작한다. 사실 이미 프랑스에서는 사하라 사막에 대규모의 태양광 발전소를 설치한 북아메리카의 나라들과 송전선을 연결하려 하고 있다.
- 나아가 전 세계의 사막에 태양광 발전소를 설치하고, 초전도 케이블로 송전 네트워크를 전 세계에 구축하면 된다.
이 계획에 필요한 면적은 세계의 사막 가운데 4% 정도이다. 겨우 4%의 면적에 태양 전지를 설치하면, 인류는 반영구적인 에너지를 얻게 되는 것이다. 이 계획에는 거대한 설비 투자가 필요하지만, 앞으로 태양 전지가 고성능화되고 실용적인 초전도 케이블의 개발이 진행된다는 점을 가정한다면, 마냥 비현실적인 생각은 아니다. 앞으로의 진전 내용에 따라, 2030년 무렵에 제네시스 계획이 실현될 가능성이 있다고 한다.
7. '스마트그리드' 정책 동향
7-1. '미국'의 스마트그리드 정책
미국 연방정부는 2009년 경기부양법에 따라 '스마트 그리드(Smart Grid)' 분야에 29억 달러를 지원하여 68억 달러의 효과를 달성하였다. 또한 에너지 자립과 노후한 전력망의 현대화를 통한 경기 부양을 목표로 2030년 'Grid 2030'이라는 국가 비전을 발표하고 34억 달러를 투자하여 전력망 현대화 및 스마트 계량기 보급을 추진하기로 결정하였다.
'미국 국방부(DoD: Department of Defense)'는 에너지 안보 강화 목적 하에 스마트 그리드를 적극적으로 추진하고 있다. 2050년까지 자체 전력 에너지 수요의 25%를 재생에너지를 통해 생산 조달하여, 스스로 제어 가능한 마이크로그리드를 구축하는 것을 목표로 설정하였다.
'미국 국립 표준 기술 연구소(NIST: National Institute of Standards and Technology)'는 스마트 그리드 표준의 '상호운용성 아키텍처 프레임 워크', '식별 표준 리스트', '사이버 보안 전략', '시험·인증 프레임워크' 등을 포함하는 '스마트그리드 상호운용성 표준을 위한 프레임워크 및 로드맵 3.0'을 발표하였다.
7-2. '일본'의 스마트그리드 정책
일본은 후쿠시마 원전 사고 이후 전력 공급 안정화를 위해 신재생 에너지의 보급 확대 등 스마트 그리드를 적극적으로 추진 중이다. 2030년 태양광 발전량을 100GW까지 늘리는 로드맵을 수립하는 한편, 스마트그리드 분야의 표준화를 추진 중이다. 2013년에 수립한 재생 에너지 전략에 따르면, 2024년까지 모든 가구에 스마트미터를 보급할 예정이다. 또한 국가차원의 신재생에너지 자원을 수용할 수 있는 마이크로그리드 개념의 신전력 인프라 개발 및 시범단지를 구축하여 개발기술의 상용화를 촉진하고 있다.
'일본 산업표준 위원회(JISC: Japanese Industrial Standards Committee)'는 2014년 11월 '유럽 표준화 기구/유럽 전기 표준화 위원회(CEN/CENELEC)'와 스마트그리드 정보 공유 촉진을 위한 공통 프레임워크 개발을 위한 협약을 체결하였다. '스마트홈 기술·서비스를 위한 Echonet 프로토콜을 개발하여 국제표준으로 전개 중이며, 'DR(수요반응)', 시스템 구축을 위해 OpenADR2.0 표준을 이용한 실증시험을 실시하였다.
7-3. '한국'의 스마트그리드 정책
산업통상자원부 자료에 따르면, 한국에서는 2010년에 2010년부터 2030년까지 총 3단계에 걸쳐 추진되는 '스마트그리드 국가 로드맵'을 수립하였다. 또 2011년에는 '중·장기 정책목표', '기술 개발', '전문 인력양성', '표준화', '국외 진출', '투자' 등을 포함하는 '지능형전력망의 구축 및 이용 촉진에 관한 법'을 제정하기도 하였다.
2012년에는 다양한 선택형 요금제 도입을 비롯한 제도 개선, 지능형 커뮤니티 구현 및 신산업 창출을 위한 상용화 기술 개발, 스마트그리드 상호운용성 확보 및 적합성 평가 시스템 구축 등을 주요 골자로 하는 '7대 광역권별 스마트그리드 거점 도시 구축을 위한 1차 지능형 전력망 기본계획(2012~2016년)'을 수립하였으며, 2018년에는 '소비자가 중심이 되는 전력 시장 생태계 조성을 위한 제2차 지능형 전력망 기본계획(2018~2022년)'을 수립하기도 했다.
2021년 1월에는 산업통상자원부가 '건물 에너지관리 시스템(BEMS)'에 대한 '국가 표준(KS)' 제정안을 고시하였다. 이를 통해 BEMS와 관련된 국제표준이 없는 상황에서 BEMS 데이터 관리 전반에 대한 세부적인 표준 체계를 마련하였다고 할 수 있다. 세부 내용을 살펴보면 데이터 수집 단계에서는 에너지 소비에 영향을 주는 필수적인 데이터의 측정 지점과 수집 방식을 제시했으며, 데이터 분석 단계의 경우 수집된 데이터의 저장 코드를 표준화하고, 데이터의 종류·단위·검증 등 분석 정보의 관리 방법도 규정했다. 또한 데이터 활용 단계에서는 에너지 절감량 효과 산정 기준·방법을 표준화하여, 체계적이고 객관적인 성과 분석이 가능하도록 하였다. 이를 통해 국내 에너지 소비 전체의 약 20% 정도를 차지하는 건물 부문의 에너지 효율을 높일 수 있을 것으로 보인다.
