[유성민]스마트그리드 IoT, 전력과 융합하다

비 OECD 국가의 경제성장으로 인해 세계인구 급증보다 더 빠르게 도시 인구가 증가하고 있다.

네비건트 연구기관에 따르면, 지난 1960년 대비 2010년의 전세계 인구는 233% 늘어났다. 특히 도시의 경우 350%나 증가했다. 현재 전세계의 인구 50%가 도시에 거주하고 있으며, 자원의 70~80%가 도시에서 소모되고 있다.

인구의 도시유입은 2050년까지 계속 늘어날 전망이고 2050년에는 전세계의 70% 인구가 도시에 거주할 것으로 예상된다. 전세계에서 일어나는 인구의 도시유입 증가는 세계적으로 부정적인 영향을 미칠 것으로 보인다. 특히 다양한 문제점들이 나타나고 더 심각해질 것으로 예상된다.

바로 ▲급속한 도시화로 인한 환경파괴▲도시인구 유입증가로 인한 주택, 교통, 공해, 에너지 등 문제로 인한 삶의 질 저하▲도시인구 유입 증가 및 도시화로 인한 자원 수요 증가로 인한 자원 부족 문제 등이다.

도시화로 야기한 도시 내의 문제점들을 해결하기 위해서는 자원재사용 및 효율화를 통한 지속가능성, 도시거주자들의 쾌적한 환경을 제공할 수 있는 편리성 그리고 환경에 유해하지 않은 친환경성을 갖춘 도시 모델이 요구된다. 그리고 세 가지 기능을 갖춘 도시모델 개발을 사물인터넷(IoT)에서 가능할 것으로 전문가들은 내다보고 있다.

◆IoT 기술기반의 '스마트시티'

2015 CES(Customer Electronics Show)에서 IoT 기술은 큰 화두가 됐다. IoT는 모든 것들을 네트워크로 연결하는 기술이다. 즉 IoT 기술은, 기기들이 네트워크 통신을 가능하게끔 센서를 가전제품 단위에서부터 건물단위 그리고 도시단위 전체로 적용해, 편의를 제공하는 기술이다. 기존 M2M과 다른 개념의 기술인데, M2M의 경우 사물 간 통신개념인 강한데 반해 IoT는 모든 것, 즉 사람과 사물·자연 등 모든 것을 네트워크로 연결한 기술을 의미한다.

따라서 기존의 컴퓨터화면에 나타나는 정보들만을 교환하는 시대와 달리 스마트폰·스마트워치 등을 활용해 모든 기기들, 심지어 옷에도 센서를 추가해 모든 사물기기들의 통신을 실현하는 기술이다. 모든 것의 네트워크화를 실현시키는 IoT 기술의 도입과 지능화는 우리의 삶을 더욱 스마트하게 만들어주고 있다. 그러나 최근에는 스마트사회를 표방하여 도시전체관점에서 IoT 기술을 적용하고 있다. 이러한 추세는 앞서 언급한 도시의 3가지 문제점(환경파괴, 도시의 질 저하, 지원부족 문제)들을 해결해 줄 수 있을 것으로 기대된다. 참고로 IoT를 도시전체에 적용하여 3가지 문제점들을 해결한 도시를 '스마트시티'라 한다.

일반적인 스마트시티의 정의는, IoT 첨단기술을 적용해 도시의 첨단인프라를 이루고 그 속에서 사람·정부·환경·경제 등 다양한 삶속에 네트워크 통신이 스며든 하나의 스마트사회로 정의할 수 있다. 그래서 스마트시티를 단순히 첨단기술을 적용한 하나의 기술 집합체로 볼 수 없다. 그 이유는 그 속에 우리가 살고 있기 때문이다.

스마트시티는 우리가 지향하는 미래의 도시이고 우리는 그 속에 언젠간 속하게 될 것이다. 따라서 가까운 미래의 도시인 '스마트시티'가 어떤 모습으로, 그리고 어떻게 우리가 그 속에서 살아갈지에 대한 생각도 상당히 즐거운 일이라 할 수 있다.

필자는 이번 연재에서 '스마트시티'를 다뤄보고자 한다. 그리고 이번 첫 번째 연재 칼럼에서는 '지능형전력망' 기술에 관하여 살펴본다.

◆국내 에너지 현황

대한민국은 전체 에너지 자원의 90%를 수입해 의존할 정도로 자원이 부족한 국가이다. 그렇기 때문에 자원이 중요할 수밖에 없다. 그럼에도 수입하여 온 자원이 전력생산에 이용되고 아무 곳에 소비되지 않고 버려진다면 어떻겠는가?

실제로 많은 전력들을 잉여전력으로 생산하고 소비되지 못한 체 버려지고 있다. 잉여전력은 부족한 전력공급에 대비해 추가적으로 생산하는 전력으로서 전력난에 대비해 생산한 전력이다. 그렇기 때문에 버려지는 전력들을 줄이기 위하여 무작정 전력생산량을 줄일 수 없는 일이다. 왜냐하면 전력공급량이 부족하면 정전사태가 발생해 국가적 마비와 혼란을 야기할 수 있기 때문이다.

따라서 버려지는 잉여전력을 줄이는 방법은 정확하게 전력수요량을 예측하는 것이다. 그러나 전력소비량을 정확하게 예측하기란 쉬운 일이 아니다. 뿐만 아니라 어느 정도 예측하여 전력생산을 하더라도 갑작스러운 전력소비량 상승은 정전사태를 발생 시킬 수 있기 때문에 항시 예비전력을 생산해둬야 한다.

지구온난화 문제로 신재생에너지가 크게 각광받고 있다. 이러한 에너지발전원은 친환경적이고 자연을 이용하기 때문에 무한정 생산이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 신재생에너지 원의 가장 큰 단점은 정확한 에너지 생산량을 예측하기가 어렵다는 점이다. 바람이 얼마나 불고 태양 빛이 얼마나 강할지 예측하기란 쉽지 않다. 따라서 신재생에너지발전원이 기존 발전소를 대체하게 되면 에너지 생산과 공급이 불안정 할 수밖에 없다. 따라서 전력수요뿐만 아니라 전력공급도 예측하여야 되는 상황이다. 따라서 소비전력을 정확하게 예측하여 잉여전력을 줄이기란 더욱 힘들다.

그러나 전력낭비를 줄이기 위해서는 잉여전력을 줄여야 한다. 그러기위해서는 전력생산과 소비에서 정확한 예측이 필요하다. 그렇다면 이러한 불안정성을 해결할 수 있는 방법이 없을까? 그리고 미래의 도시 스마트시티에서 이런 문제가 어떻게 해결 되어있을까?

◆전력설비 + IoT = 지능형 전력망

앞으로 가까운 미래 스마트시티에서는 전력망 또한 IoT 기술과 결합한 '지능형전력망'을 구축하고 에너지 소비절감을 도울 것이다. 현재 이미 국내에서는 2010년부터 제주에서 '지능형전력망' 실증연구를 진행했다.

그리고 2020년까지 7대 광역도시에 지능형전력망을 구축할 예정이고 2030년에는 전국에 지능형전력망 기술을 적용 할 예정이다. 지능형전력망 기술은, IoT 기술과 기존전력 설비 기술을 융합한 기술로서 공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 전력 정보를 교환함으로써 전력효율을 최적화시켜줄 뿐만 아니라 전력공급의 안정성을 높여줄 수 있는 기술이다.

그렇다면 IoT 기술을 적용한 지능형전력망 기술은 어떻게 전력의 효율성과 안정성을 높여줄까? 우선 전력공급자에게 실시간으로 전력 사용량 정보가 전송돼야 한다. 이를 위해서는 실시간으로 전력사용량을 정확하게 측정하는 기기가 필요하다. 이를 담당하는 기기가 있는데 이를 스마트미터기라 한다. 스마트미터기는 전력설비, 공간별로 전력사용량과 요금을 측정하는 기기로서 건물 사용자와 전력 생산자에게 실시간으로 전력 사용현황을 전달하는 역할을 한다.

이외에도 스마트미터기는 실시간으로 소비자에게 전력사용현황을 알려줌으로서 소비자에게 전력소비에 대한 경각심을 일깨워 주고 전력낭비를 줄일 수 있게 하는 동기부여 역할을 한다.

실제로 Darby Sarah의 연구 그리고 관련논문에 따르면 전력사용현황에 대한 인식만 가지고도 5~10% 정도 전력소비를 줄일 수 있다고 한다. 참고로 스마트미터기에서 전력사용현황 정보를 분석하여주는 기술을 EMS(Energy Manage System)라고 하는데, 가정에 적용한 시스템을 HEMS(Home Energy Management System) 그리고 건물에 적용한 시스템을 BEMS(Building Energy Management System)라고 한다. 이러한 시스템들은 건물의 특성에 맞게 적용하여 건물들의 에너지를 최적화시켜 준다.

그럼 전력 생산자는 전력사용량의 실시간 정보를 가지고 어떻게 전력공급의 최적화를 달성할까? 단순히 전력공급자에게 전력 생산정보를 준다고 전력공급의 최적화를 달성할 수 없다. 이를 달성하기 위해서는 전력수요자와 전력공급자간의 전력소비와 생산의 조율이 필요하다. 즉 서로의 조율을 위한 매개체가 필요한테, 이러한 역할을 하는 것이 전력요금제이다. 현재 전력요금제는 고정되어 있지만, 앞으로 네트워크의 기술의 발달로 전력요금은 실시간으로 유동적으로 변하는 요금제로 바뀔 것이다. 참고로 이를 RTP 요금제(Real Time Pricing - 실시간 요금제)라 한다.

RTP요금제는 전력수요에 따라 실시간으로 전력가격을 메기는 요금제로서, 지능형전력망에 가장 큰 핵심구성 요소라고 할 수 있다. 즉 전력수요가 많을 때에는 실시간으로 전력가격을 높게 책정하는 반면, 전력수요가 없을 때에는 전력가격을 낮게 책정하는 요금제이다.

RTP 요금제는 전력수급에 따라 전력생산자는 전력가격을 조절함으로서 전력공급을 최적화 시킬 수 있다. 예를 들어 전력공급이 부족해질 것을 1시간 전에 미리 예상하였다면 전력생산자는 전력가격을 대폭 인상시켜 사용자에게 미리 통보할 수 있다. 그리고 대폭 인상한 전력사용요금은 소비자들이 전력사용을 줄이게 유도함으로서 전력공급 부족으로 발생할 수 있는 정전사태를 사전에 방지 할 수 있다.

또는 전력사용량이 가장 많은 시간대의 패턴을 분석하여 전력사용량이 많은 시간대에 비싼 요금을 매겨 최대전력을 낮춤으로서 전력과부하를 줄이고 전력공급을 안정화 할 수 있다.

뿐만 아니라 소비자는 단순히 전력 소비뿐만 아니라 전력생산에도 참여할 수 있다. 예를들어 신재생에너지 시스템과 에너지저장장치설비를 갖춘 일반가정의 소비자는 시간대별로 에너지를 저장하여 가격이 가장 높은 시간에 에너지를 되 팔 수도 있다.

지능형 전력망기술은 전력의 공급과 소비를 최적화시켜주어 불필요한 전력소비를 줄일 수 있게 함으로서 자원부족문제를 다소 해결할 수 있다. 그리고 급증하는 수요에 필요한 발전소 건립을 줄이게 함으로서 발전소건립에 필요한 토지와 비용을 절감 할 수 있다.

환경적인 측면에서 지능형전력망 기술은, 화석연료를 사용하는 발전소의 경우 생산량을 줄일 수 있게 함으로서 이산화탄소 배출량도 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 부족한 전력문제를 해결과 발전소 건립을 통한 환경파괴문제를 줄일 수 있게 하여 준다.

◆지능형전력망 활성화를 위한 제언

국내의 지능형전력망 기술이 가져다주는 혜택을 극대화하기 위해서는, 바로 전력요금제의 변화가 필요하다. 현재 전력요금은 일괄적이다. 그러나 이제는 전력요금을 수요와 시간에 따라 달리 책정하는 요금제를 도입함으로서 전력생산과 소비의 관리가 필요하다. 그리고 앞서 언급하였듯이 앞으로 전력판매에 일반 소비자도 참여할 수 있다고 하였다. 그리고 이를 실현하기 위해서는 한국전력의 독점 체계에서 벗어나야 한다. 그 이유는 일반 전력소비자 뿐만 아니라 건물단위, 공장단위로 많은 사용자들이 전력판매에 동시에 참여하여 전력시장거래를 활성화 시킬 수 있기 때문이다.

참고자료1. 한국정보통신연구원 '정보와통신'2. Navigant Research3. Navigant Research 4. 박영숙 저5. <스마트그리드국가로드맵> 산업통상자원부6. , Security&Privacy, IEEE7. , Darby Sarah 저

유성민

ICT 융합기술 및 보안솔루션 분야를 연구하고 있다. 현재 보안솔루션 회사에서 기획 및 해외사업 업무를 담당하고 있다. 블로그(http://blog.naver.com/dracon123)에서도 열정적으로 활동하고 있으며 IT 칼럼리스트로서 다양한 IT 칼럼들을 연재하고 있다.