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그림 1에서 제시한 바와 같이 2014년 기준 제주도 내 전력 소모량을 살펴보면 총 4,220,090MWh 전력을 소모하였으며, 순수서비스(39%), 어업(20%), 가정용부문(15%) 순으로 전력 소모가 많음을 확인할 수 있다.

Fig. 1. 
Electricity consumption in jeju island in 2014 (source: korea electric power corporation)

제주도 제주농림어업 전력수요 비중 30%로 전국 농림어업 3.1%에 비해 수요 비중이 매우 크며, 특히 제주도 어업 분야 중 양식 산업에서 사용되는 전기가 매우 많은 것으로 나타났다[6].

그림 2는 양식장내에서의 전기사용 비율을 나타낸 것인데 자세히 살펴보면 펌프의 비중이 80%로 아주 높게 나타났다. 이는 펌프가 전기를 절약할 수 있는 제어 포인트가 될 수 있음을 보여준다.

Fig. 2. 
Ratio of electricity used in the fish-farm

OpenADR이란 개방형 자동 수요반응 프로토콜의 국제 표준으로서 기존의 수동적인 수요반응에서 벗어나 새로운 자동 수요반응을 지원하고 있다. OpenADR 1.0과 OpenADR 2.0a/b가 있으며 OpenADR 2.0b는 그림 3과 같이 여러 DR어플리케이션을 실행하기 위한 DR시스템을 대상으로 한다. 2010년 OpenADR 얼라이언스(Alliance)가 상업용 OpenADR을 개발 배포하기 위해 설립되었으며 국내 기업도 가입되어 있다[7][8].

Fig. 3. 
DR server framework & system architecture based on OpenADR 2.0b

OpenADR 2.0b에서 제공하고 있는 주요 노드 및 장치는 크게 서버로 동작하여 그림 4와 같이 정보를 제공하는 VTN(Virtual Top Node)과 정보에 응답하는 VEN(Virtual End Node)으로 구분된다. 또한 VTN과 VEN간 상호 정보 교환을 위해 기존 개방 표준(XMPP 또는 HTTP)을 사용한다[9].

Fig. 4. 
KPX Demand response resources OpenADR 2.0b based power trading system

한전의 자회사인 한국전력거래소(KPX, Korea Power Exchange)는 2014년 11월 수요자원거래시장을 개장하였고 수요자원거래를 위한 표준으로 OpenADR 2.0b를 2016년 11월 도입하여 전력감축 지시, 전력량 모니터링 등을 위한 필수 표준 프로토콜로 도입하여 모든 수요자원을 OpenADR 2.0b VEN 안내에 따라 수행되도록 시스템을 구성하여 시행하고 있다[10][11].

그림 5는 양식장에서의 전력절감 시스템 구조를 나타내며, 각 요소는 크게 SESIM 서버, SESIM 클라이언트(VEN), KPX로 구성된다.

Fig. 5. 
DR server framework & system architecture based on OpenADR 2.0b for aquaculture

먼저 OpenADR 2.0b 기반의 SESIM 서버는 기본적으로 JAVA기반 스프링 프레임워크로 구현되었으며, 웹 서버를 통한 사용자 웹 서비스를 제공하며 최상위 VTN인 KPX로부터 정보를 받아오기 위한 중간 단위 VEN과 하위 계층인 SESIM 클라이언트에 정보를 제공하기 위한 VTN기능을 포함하며 해양정보 및 전력정보를 수집하여 분석하고, 감축량 예측하는 등 수요자원 서비스를 수행하기 위한 다양한 기능을 하고 있으며, 데이터베이스를 통해 사용자, SESIM 클라이언트(VEN), 이벤트, 양식장 환경 등의 정보를 관리한다. 육상 수조식 양식장의 해수펌프에 부착될 SESIM 클라이언트는 사용자의 로컬 네트워크를 통해 서버와 통신하며, 자신에게 발생한 DR 이벤트 수행을 담당한다. 사용자는 모바일 기기를 사용하여 SESIM의 기본적인 통신 환경을 설정할 수 있으며, SESIM 서버와 연결 후, 외부 및 양식장 내부의 환경, 상태 조회 및 디바이스 제어가 가능하다.

제주도 육상양식장의 수위는 평소 간조때에 맞추어져 있으며, 만조때가 되면 동일한 펌프출력임에도 해수탱크가 넘치고, 넘치는 물은 그대로 버려지게 된다. 그림 6의 내용을 보면 외부 조위 정보와 해수 탱크 수위정보를 이용하여 간조, 만조때에도 동일한 수위를 유지하면서 펌프출력량을 줄임으로써 기존 전력사용량의 20~30% 절감이 가능해 진다. 그러나 양식장에 사용되는 고압 펌프는 On/Off 기능만이 있어 전력량 조절이 어려우므로 인버터를 중간에 설치하여 간만조 정보에 따라 인버터를 제어하여 펌프의 유량을 조절하면 전력량을 절감할 수 있다. 이러한 원리를 반영하여 SESIM은 설계되었다.

Fig. 6. 
SESIM pump output control algorithm using tidal difference

SESIM은 SESIM 서버와 SESIM 클라이언트로 구성되어 있으며, 서버와 통신을 위한 모듈, DR 이벤트에 따라 부하를 제어하는 컨트롤러로 ㈜글로비트에서 개발한 제품이며 간만조 차이에 의해 인버터를 조절하여 펌프출력을 제어하며 절약된 전력량, 펌프 정보 등을 전력거래를 위한 서버로 전송하는 구조로 설계되었다. SESIM 서버는 OpenADR 2.0b 기반으로 KPX의 전력감축 명령을 지시받아 스케줄을 생성하여 SESIM 클라이언트에 명령과 정보를 전달한다. SESIM 클라이언트는 SESIM 서버의 지시에 따라 PLC와의 Serial 통신으로 인버터를 제어함으로써 펌프의 전력사용량을 절감할 수 있도록 개발되었다.

그림 7은 이러한 설계를 반영하여 KPX 서버, SESIM 서버, SESIM 클라이언트 및 양식장의 제어요소와의 연동 로직을 보여준다. 통합관제 서버가 공공데이터 포털과 양식장의 환경 정보를 수집하여 분석하면 SESIM은 이 분석 내용에 따라 펌프를 제어한다. 감축된 전력은 OpenADR 2.0b 프로토콜을 이용하여 5분 단위로 전력데이터화 함께 KPX 서버로 전송된다. 그림 7은 전체적인 전력거래를 수행하는 방법을 설명하며, 그림 8은 실제 구현된 시스템 구성이다.

Fig. 7. 
SESIM logic

Fig. 8. 
Inside the inverter and SESIM

SESIM 시스템의 성능평가를 위하여 제주특별자치도 서귀포시 소재 육상 양식장에 펌프출력을 제어하고 전력을 감축하기 위한 시스템을 설치하였다. 양식장의 전기는 고압을 사용하기 때문에 전기 전문가의 도움을 얻어 설치하였다. 상시 전력과 펌프 중간단계에 인버터를 설치하였고 설치 완료 후 인버터 패널 내에 그림 8과 같이 SESIM과 PLC 통신장비를 설치하였다.

그림 9는 KPX에서 OpenADR에 의해 전력 감축지시가 떨어지면 SEMIN 서버가 자동 스케줄링하는 시험이다.

Fig. 9. 
Reduction command and execution according to scheduling

그림 9와 같이 총 시험시간은 오전 4시 20분부터 오전 4시 40분까지 20분이며 약 3분 간격으로 수요 반응 이벤트 구간이 번갈아 나타나게 조절하였다. “[ADMIN] INVPR ->”는 SESIM 서버의 명령이며 “[ADMIN] -> INVPR”은 SESIM 클라이언트가 지시를 받았음을 확인하는 내용이다. 수요반응 관리 프로그램에서 시나리오에 따라 수요반응 이벤트를 이행하는 화면을 보여준다. 화면 중간에 수요반응 이벤트의 시작시간과 스케줄 생성을 보여준다.

동작 시험 후 그림 9의 중간에 DB 서버와 성공적인 감축 스케줄이 생성되었다는 결과를 확인하였다. 오전 4시 20분부터 오전 4시 40분까지 20분의 스케줄 생성을 확인 할 수 있다.

그림 10은 간만조 정보에 따라 인버터의 RPM(Revolutions Per Minute)을 제어함으로써 펌프의 전력을 조절하는 시험이다. 해수 펌프는 전격전력 60kW 용량을 사용하였으며 평상시 100%의 전력을 사용하고 있다.

Fig. 10. 
Scheduling and reduction based on tidal information

시험은 오전 7시부터 오후 5시까지 수행되었으며 해수 간만조에 따라 예측된 스케줄 정보에 따라 SESIM 클라이언트가 육상수조식 양식장의 해수펌프 전력을 조절하여 전력량을 감축하는 구간이다. 이 테스트에서는 SESIM 클라이언트가 수요반응 이벤트를 수신하면 스케줄에 따라 전력량을 조절하도록 설계되어 있다.

그림 10은 수요반응 구간 동안에 수요반응 클라이언트에서 스케줄을 정상적으로 생성되는지 확인하는 명령 테이블이다. 위 그림에서 수요반응 구간을 살펴보면 수요반응 이벤트에 따라 정해진 시간 동안 명령을 수행 것을 확인 할 수 있다. 12번째줄은 간만조 수신정보이며 13번째 줄은 간조, 29번째 줄은 만조를 의미한다. 간조와 만조는 6시간 단위로 변화 한다. 이에 따라 SESIM 클라이언트는 1시간 간격으로 감축명령을 전달하여 인버터를 제어함으로써 펌프의 전력량을 조절하였다.

13번째 줄의 맨 끝 숫자 ‘60’은 전력량을 의미하며, ‘100’은 인버터 가동율(%)를 말한다. 순차적으로 보면 SESIM이 해수펌프의 전력량을 05시 21분에 100%/60kW에서 10시 21분에는 40%/24kW, 12시 06분에는 30%/18kW, 16시 06분에는 78%/46kW까지 간만조에 따라 전력이 변화된 것을 확인 할 수 있다.

그림 10에 따르면 감축 수행은 한 시간 단위로 총 11시간 동안 시스템이 수행되었다. 간만조 시간에 따라 감축된 사용전력 데이터베이스를 정리하면 표 1과 같다. 기존사용 전력은 제어가 되지 않았을 경우 전력량이며 사용전력은 SESIM을 통하여 제어된 전력량이다.

표 1의 결과를 보면, 시험에 사용된 펌프의 전력은 60kW로 SESIM을 사용하지 않고 12시간 가동했을 경우, 사용전력량은 총 720kWh가 된다. 이에 비해 SESIM을 이용하여 펌프를 운영할 경우 전력량은 총 428kWh로 59.4%의 전력을 사용하는 것으로 나타났다. 양식장의 전력은 보통 ‘농사용’전력을 사용하는데 kWh당 단가 41원으로 산정하면 12시간 동안 이미 11,982원의 전기요금를 절감한 것으로 나타났다.