[논문 리뷰] Smart Grid Testbed for Demand Focused Energy Management in End User Environments

Wayes Tushar, Chau Yuen외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 22.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 싱가포르 테크놀로지 디자인 대학교(SUTD)에서 운영하는 스마트 그리드 테스트베드를 제시한다. 이 테스트베드는 주거 및 상업용 환경에서 실시간 에너지 소비를 이중 네트워크 아키텍처(HAN 및 NAN)와 다양한 통신 기술을 활용해 모니터링한다. 테스트베드는 실시간 수요 반응, 에너지 관리 및 인centives 설계를 가능하게 하며, 54일 동안 사무실 환경에서의 에너지 낭비 감소로 인해 최대 SGD 11,100의 절감 효과를 입증한다.

ABSTRACT

Successful deployment of smart grids necessitates experimental validities of their state-of-the-art designs in two-way communications, real-time demand response and monitoring of consumers' energy usage behavior. The objective is to observe consumers' energy usage pattern and exploit this information to assist the grid in designing incentives, energy management mechanisms, and real-time demand response protocols; so as help the grid achieving lower costs and improve energy supply stability. Further, by feeding the observed information back to the consumers instantaneously, it is also possible to promote energy efficient behavior among the users. To this end, this paper performs a literature survey on smart grid testbeds around the world, and presents the main accomplishments towards realizing a smart grid testbed at the Singapore University of Technology and Design (SUTD). The testbed is able to monitor, analyze and evaluate smart grid communication network design and control mechanisms, and test the suitability of various communications networks for both residential and commercial buildings. The testbeds are deployed within the SUTD student dormitories and the main university campus to monitor and record end-user energy consumption in real-time, which will enable us to design incentives, control algorithms and real-time demand response schemes. The testbed also provides an effective channel to evaluate the needs on communication networks to support various smart grid applications. In addition, our initial results demonstrate that our testbed can provide an effective platform to identify energy wastage, and prompt the needs of a secure communications channel as the energy usage pattern can provide privacy related information on individual user.

연구 동기 및 목표

• 스마트 그리드 통신 및 제어 시스템을 실사용 환경에서 검증하기 위한 실제 테스트베드 개발.
• 주거 및 상업용 건물에서 다양한 통신 기술(BPL, TVWS, HAN, NAN)의 성능 및 적합성 평가.
• 에너지 낭비 패턴 식별 및 소비 및 비용 절감을 위한 실시간 수요 반응 메커니즘 구현.
• 사용자 참여를 유도하기 위한 수요 반응 및 에너지 효율 프로그램을 위한 인센티브 설계.
• 실시간 에너지 모니터링 및 제어를 지원하는 안전하고 저지연 통신 인fra구조 구축.

제안 방법

• 이중 네트워크 아키텍처 구현: 건물 내 데이터 수집을 위한 홈 영역 네트워크(HAN)와 HAN을 중앙 데이터 집합 장치에 연결하기 위한 지역 영역 네트워크(NAN).
• 모든 주거 단위 및 사무실 공간의 스마트 미터 및 센서로부터 에너지 데이터를 집계하기 위한 통합 홈 게이트웨이(UHG) 구현.
• 실제 조건에서 네트워크 성능 평가를 위해 광대역 전력선(BPL), TV 백색공간(TVWS), 유선/무선 HAN/NAN 프로토콜을 활용한 다양한 통신 기술 사용.
• 조명, 에어컨 시스템(ACS), 점유 센서로부터 실시간 데이터 수집을 통한 에너지 사용 모델링 및 비활성 상태에서의 낭비 탐지.
• 동적 요금제 및 점유 조건 하에서 ACS의 에너지 소비 모델 및 실시간 제어 알고리즘 개발.
• 동적 요금제 기반 전기 요금 절감을 위해 회의실 사용을 피크 시간대 외로 조정하는 최적의 회의 일정 조정기 설계 및 테스트.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 혼합 주거 및 상업 환경에서 실시간 에너지 모니터링에 가장 효과적이고 신뢰할 수 있는 통신 기술(BPL, TVWS, HAN, NAN)은 무엇인가?
• RQ2 비점유 상태의 회의실에서 조명 및 에어컨 시스템이 켜져 있을 경우 사무실 환경에서의 에너지 낭비는 얼마나 심각한가?
• RQ3 실시간 수요 반응 메커니즘, 예를 들어 동적 온도 제어 및 점유 기반 스위칭을 통해 피크 부하 및 에너지 비용을 효과적으로 줄일 수 있는가?
• RQ4 동적 요금제 전기 시장에서 회의실 스케줄링 최적화로 기대할 수 있는 비용 절감 효과는 무엇인가?
• RQ5 안전하고 저지연 통신 인fra구조는 실시간 피드백 및 인센티브 메커니즘을 통해 최종 사용자 에너지 관리에 어떻게 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 테스트베드는 8개의 사무실 회의실에서 실시간 에너지 소비를 성공적으로 모니터링하여, 비점유 기간 동안 조명과 에어컨 시스템에서 평균 각각 6.376kWh 및 232.025kWh의 낭비를 식별했다.
• 54일 동안 200개의 사무실 회의실로 확장할 경우 총 에너지 낭비는 약 47,680.2kWh에 달하며, 이는 약 SGD 11,100의 회피 가능한 전기 요금에 해당한다.
• 테스트베드는 비점유 기간 동안 에어컨 시스템의 자동 케이스/오프 제어가 상당한 에너지 절감과 피크 부하 감소를 이룰 수 있음을 입증한다.
• 점유 센서(운동/소음 감지)의 도입은 정확한 비활성 상태의 회의실 식별을 가능하게 하여 자동 에너지 절감 조치의 기반을 마련한다.
• 통신 인fra구조는 저지연, 신뢰성 있는 데이터 전송을 지원하여 실시간 수요 반응 및 에너지 관리 응용 분야에 적합함을 입증한다.
• 테스트베드는 동적 요금제 통합 및 인센티브 설계와 같은 다양한 스마트 그리드 응용 분야 평가를 위한 유연한 플랫폼을 제공하며, 사용자 수용도 및 시스템 도입을 향상시킨다.