- 건물에너지 생산부터 소비, 수요관리, 고장진단까지 실시간으로

- 확대되고 있는 건물 내 분산자원 간 효과적이고 신속한 제어기술 확보

- 사이버 공격에도 안전한 차세대 보안통신 기술 적용해 신뢰성도 갖춰

■ 한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’) 에너지ICT연구단 정학근 박사 연구진이 에너지 소비의 주체였던 건축물을 생산, 관리, 절감의 주체로 전환하는 건물 에너지 통합관리 플랫폼 기술을 개발했다.

[사진자료] 연구진이 분산자원에 대한 직류배전 고장 특성을 분석하고 있다-2

□ 건물은 사용용도, 위치, 사용자의 특성에 따라 건물 내에서도 층별, 구역별로 에너지 사용량이 다르다. 최근에는 탄소중립, RE100 등의 정책에 따라 건물 내에 태양광, 연료전지와 같은 다수의 신재생에너지원과 에너지 저장 시스템이 도입되고 있으며, 프리미엄 가전기기 사용 확대 등 전력소비 수요 증가로 효율적인 건물 에너지 관리가 필수적이다.

□ 기존의 건물에너지관리시스템(BEMS)* 기술은 에너지 사용량에 대한 단순 모니터링과 건물 관리자의 경험에 의존해 시스템을 운용한다. 이로 인해 최근 확대되고 있는 건물 내 분산자원**과 다양한 전력소비 유형을 고려한 효율적인 운용이 어려우며, 고장에 대응하기 위한 분산자원의 실시간 상태 진단도 제한적이다.

* BEMS(Building Energy Management System): 건축물의 쾌적한 실내 환경 유지와 효율적인 에너지 관리를 위해 에너지 사용 내역을 모니터링 하여 최적화된 건축물 에너지 관리방안을 제공하는 시스템

** 분산자원: 소규모 발전(태양광, 풍력, 연료전지 등)은 물론 에너지 저장, 수요 반응, 에너지 효율 개선과 같은 다양한 에너지 자원을 포함

■ 이러한 한계를 해결하기 위해 연구진은 인공지능과 확률·통계적 기법을 활용해 건물 내 분산자원(태양광발전, 에너지저장시스템, 냉난방공조, 인버터 등) 간 실시간 고장과 운전 상태를 관리해주는 플랫폼 기술을 개발했다. 운전상태 분석과 고장진단, 자원 간 최적의 운영을 실시간 자동화해 효율은 높이고 에너지 비용은 절감시켰다.

[그림자료] 분산자원 건전성 관리 플랫폼 화면

□ 연구진은 다양한 고장 유형과 환경 데이터 수집하고 모델링과 분석을 통해 학습한 인공지능과 확률·통계적 기법을 적용해 분산자원 대상 고장검출 정확도 98% 이상을 달성했다. 이 뿐만 아니라 플랫폼에 양자암호, 양자내성암호를 이용한 차세대 보안 통신을 적용해 사이버 공격에도 대응할 수 있는 최고 등급의 보안 수준＊을 갖췄다.

* 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서 제시하는 보안등급 표준 중 Level 5로 최고 수준에 해당되는 등급

□ 분산자원에서 발생할 수 있는 다양한 고장에 대응하고 복구할 수 있는 자율운영 기술도 적용됐다. 연구진이 개발한 자율운영 기술은 실시간으로 분산자원 간 운영을 최적화하는 비선형 최적화 알고리즘이 적용돼 있어 고장 발생 즉시 최적의 분산자원 활용 방안을 도출하고 운용할 수 있다.

■ 연구진은 개발한 플랫폼 기술을 실제 건물 환경이 정밀하게 모사된 유사 실증 테스트베드에서 1년 간 실증한 결과, 기존 건물에너지관리시스템 대비 17% 이상의 에너지 비용 절감 효과를 확인했다. 또 이번 연구를 통해 SCI(E)급 논문 50편, 국내외 특허 출원 27건, 등록 4건, 기술이전 8건의 성과도 함께 도출해 우수한 연구 결과임을 입증했으며 현재 상용화를 목전에 두고 있다.

■ 연구책임자인 정학근 박사는 "개발한 플랫폼은 분산자원의 고장 상태를 실시간으로 관리하고 이용 효율 향상을 위한 고도화된 알고리즘을 갖춰 오피스, 공장, 호텔 등 다양한 건물에 유연한 적용이 가능하며, 에너지 손실과 유지보수 비용을 크게 줄이고 탄소중립에 기여할 수 있는 시장 주도적인 기술"이라고 말했다.

□ 한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구진은 개발한 플랫폼을 메가와트(MW)급 발전소에도 적용할 수 있도록 고도화하는 후속연구로 연구성과를 확장할 계획이다.