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    [기고] 미래 전력망을 위한 셀룰러 IoT

    전력 인프라가 노후화되고, 재생 에너지 및 전기 자동차 시장이 빠르게 성장하면서 전력망은 그 어느 때보다 복잡해지고 있다. 셀룰러 IoT는 미래의 전력망 네트워크의 안정성을 보장할 수 있는 핵심 기술로 부상하고 있다.

    글_ 최수철 지사장, 노르딕 세미컨덕터(Nodic Semiconductor)

    EV 전기차 모니터링 화면

    전 세계적으로 전력망 엔지니어링 문제는 네트워크가 매우 복잡하고, 광범위하게 분산되어 있어 재생 에너지와 같은 새로운 에너지원을 수용할 수 있는 유연성이 부족하다는 것에서 시작된다. 예를들어, 미국의 전력망은 실제로 완전히 분리된 3개의 전력망으로 구성되었다. 전문가들은 이러한 파편적 구조를 문제의 원인으로 지적한다. 만약 지역간 송전 용량을 늘릴 수 있다면, 정상 가동 시 보다 효율적으로 발전소 성능을 유지하고, 수요가 증가하더라도 자원을 효율적으로 공유할 수 있기 때문이다. 넥스트라 에너지 트랜스미션(NextEra Energy Transmission)의 수석 디렉터인 아론 블룸(Aaron Bloom)은 지난해 열린 연방 에너지 규제 위원회(FERC: Federal Energy Regulatory Commission) 워크샵에서 “세계에서 어떠한 형태의 계획도 존재하지 않는 매크로 전력망을 가진 국가는 미국이 유일하다.”고 언급했다.

    인도(India)는 현재 이러한 사태를 해결하기 위해 스마트 전력망 기술, 특히 대규모 스마트 계량기 프로젝트에 투자하고 있다. EU와 중국은 대륙 및 국가적 차원의 전력망 개발 계획을 추진하고 있으며, 미국은 아직 계획이 없는 상태다.

    1960년대와 1970년대에 중앙집중식 발전소에서 광범위한 송전 및 배전망을 통해 소비자들에게 단방향으로 에너지를 공급하기 위해 설계된 전력망은 시간이 지나면서 점점 더 복잡해지고, 유연성도 떨어지게 되었다. 오늘날에는 옥상 태양광 유닛이나 전기차의 배터리, 수소연료전지, 풍력 터빈 및 바이오매스 발전기 형태의 분산형 에너지 자원이 점차 보편화되고 있다. 인프라가 구축되기 시작했던 50년 전에는 상상할 수 없었던 에너지를 다시 전력망으로 공급하는 시대가 도래했다.

    노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)의 비즈니스 개발 매니저인 로렌조 아미쿠치(Lorenzo Amicucci)는 “에너지 믹스로 인해 복잡성은 더욱 증가하고, 재생 에너지는 일시적인 잉여 발생으로 불균형이 초래되면서 관리가 필요하게 되었다. 또한 전기차의 도입으로 전력망은 더 큰 부담을 안게 되었다.”면서, “이러한 복잡성을 관리하기 위해서는 대규모로 데이터를 수집하고, 이를 분석하여 소비자의 전력 소비 선택을 개선할 수 있는 인센티브를 마련해야 한다. 이는 전력망의 안정성과 효율성을 보장하기 위해 24시간 모니터링이 더욱 중요하다는 것을 의미한다.”고 말했다.

    사물인터넷(IoT) 활용

    인도는 물론 다른 지역들도 증가하는 전력 수요를 충족하면서 유틸리티 전력망의 효율성을 보장하기 위해서는 에너지 인프라에 대한 투자가 최우선 과제가 되어야 한다. IoT는 스마트 전력망 관리 및 에너지 모니터링에서 에너지 소비 분석 및 예측 유지보수에 이르기까지 지속적으로 네트워크의 신뢰성을 확보할 수 있는 핵심 무기가 되고 있다.

    전력망 상태 모니터링과 결함 감지 및 유지보수의 경우, 지리적으로 방대한 전력망 네트워크가 직면한 고유의 복잡한 문제를 해결할 수 있는 핵심 대안으로 특히 저전력 셀룰러 IoT의 잠재력이 주목을 받고 있다. 예를 들어, 미국의 전력망은 7,300개 이상의 발전소와 250,000km에 달하는 고전압 전력선, 수백만 킬로미터의 저전압 전력선 및 배전 변압기로 구성되어 있다. 이러한 전력 인프라가 구축된 거의 모든 지역을 셀룰러 IoT로 담당할 수 있다. 만약, 방대한 네트워크 상에서 결함이 발생한 위치를 쉽게 식별하지 못하면, 상당한 문제로 이어질 수 있다.

    기존의 결함 위치를 파악하는 방식은 고객이 전력회사에 문제를 알리는데 의존해야 했다. 문제가 발생하면, 고객 결함 보고서를 지리적으로 그룹화하여 결함 위치를 좁히고, 대략적인 지역을 특정하여 전기 기사들을 파견한다. 그리고 나서 결함 위치를 파악하고, 송전 라인을 격리하여 전력을 복구하게 된다. 이러한 방식이 도시에서는 몇 시간 안에 처리될 수도 있지만, 원격지의 경우에는 며칠이 소요될 수 있다.

    네트워크 인프라에 설치된 셀룰러 IoT 연결 센서는 결함이 발생하기 전에 결함 가능성이나 결함 여부 등을 식별할 수 있는 대안이 될 수 있다. 예를들어, 전압과 온도, 가속도계 및 서지 카운터(Surge Counter) 센서들을 통해 화재와 전력 서지들을 감지하는 것이다. 심지어 극한의 날씨나 동물 또는 사람으로 인해 발생할 수 있는 송전탑 붕괴 등의 상황도 파악할 수 있다. 이러한 센서가 내장된 기기에 NB-IoT(NarrowBand-IoT) 또는 LTE-M LPWAN(Low Power WAN) 연결 기능을 통합하면, 데이터를 다시 전력망 운영자에게 전달할 수도 있다. 여기에 GNSS(Global Navigation Satellite System) 삼각측량 기법을 추가하면, 결함이 발생한 위치도 쉽게 찾아낼 수 있다. 하지만, 수백만 킬로미터가 넘는 전력망의 수 많은 센서 데이터를 클라우드로 전달하는 것은 쉬운 일이 아니다.

    그림 1. 웨스트 그룹(West Group)의 PMS는 상업용 태양광 발전 시설에서 원격으로 데이터를 수집할 수 있다.
    그림 1. 일본 웨스트 그룹(West Group)의 PMS는 상업용 태양광 발전 시설에서 원격으로 데이터를 수집할 수 있다.

    이로 인해 엣지(Edge) 머신러닝(ML)이 주목받고 있다. 아미쿠치는 “머신러닝 모델을 이용하면, 전력망 이벤트의 경중을 명확하게 구분하여 중요하지 않은 데이터는 네트워크를 통해 클라우드로 전송되지 않도록 함으로써 비용을 절감할 수 있다. 대신 사람의 개입이 필요하다고 판단될 때만 기기가 경보를 보내도록 할 수 있다. 이를 통해 비용을 절감하는 것은 물론, 배터리를 쉽게 교체할 수 없는 원격 환경에서 동작하는 수백 만 대에 이르는 기기의 전력소모도 줄일 수 있다.”고 말했다.

    에너지 믹스

    그러나 모든 전력 회사들이 우려하는 문제는 네트워크 결함 하나에 그치지 않는다. 재생 에너지의 등장으로 다양한 에너지원에서 만들어지는 전력 생산량의 변동성에 대처해야 하기 때문에 수요와 공급 간의 균형을 유지하는 것 또한 더욱 복잡해지고 있다. 국제에너지기구(IEA: International Energy Agency)에 따르면, 오늘날 전 세계 전력량의 3분의 1은 재생 에너지원에서 나오고 있다. 또한 국제재생에너지기구(IRENA: International Renewable Energy Agency)는 2050년까지 전 세계 전력량의 90%가 재생 에너지원에서 생산되어야 하며, 생산될 것으로 예측하고 있다. 그렇다면, 이러한 에너지원은 무엇이며, 전력망에 어떠한 영향을 미칠까? 그리고, 전력 회사들은 24시간 안정적인 전력 공급을 보장하기 위해 재생 에너지의 변동성을 어떻게 관리해야 할까?

    IEA의 ‘2021년 글로벌 에너지 리뷰(Global Energy Review 2021)’에 따르면, 재생 에너지의 99%는 풍력, 태양광, 수력, 바이오 에너지 등 4가지 에너지원이 차지하고 있다. 풍력 및 태양광 발전량은 당연히 가변적이다. 그러나 이러한 자원의 변동성 또한 일반적으로 상당히 예측이 가능하다. 전력망 운영자는 수년간의 과거 데이터를 결합하여 정확한 예측을 통해 필요에 따라 에너지원의 균형을 맞추고, 조정할 수 있다. 예를 들어, 풍력 발전소의 터빈에 대한 유지보수 요건을 예측하는 것은 물론, 풍속과 전력, 요각도(Yaw Angle)와 같은 지표들을 측정 및 기록하기 위해 다양한 센서를 이용할 수 있다. 태양광 설비도 마찬가지다. 2020년, 일본의 에너지 솔루션 기업인 웨스트 그룹(West Group)은 상업용 태양광 발전 설비에서 원격으로 데이터를 수집할 수 있는 PCS 모니터링 시스템(PMS: PCS Monitoring System)을 출시하기도 했다.

    각 태양광 어레이의 전력 변환 시스템 데이터는 물론, 휘도와 온도 및 습도 센서의 데이터를 케이블 연결을 통해 이 PMS로 전달할 수 있다. 휘도 센서는 태양광 레벨을 감지하고, 온도 및 습도 센서는 일반적인 환경 조건을 기록하여 태양광 어레이의 효율을 결정한다. 이 PMS는 데이터 및 애플리케이션에 대한 엣지 프로세싱과 셀룰러 네트워크 연결을 위해 2개의 노르딕 nRF9160 SiP(System-in-Package)를 내장했다. 이를 통해, 데이터를 전력망 제어 센터로 전달하여 데이터를 검토하고, 이에 따라 조치를 취할 수 있도록 지원한다. 따라서 에너지 효율을 높이고, 기술 및 위치 다각화, 전력 저장 및 수요 대응을 통해 변동성을 완화할 수 있다.

    RMI(Rocky Mountain Institute)의 공동 설립자이자 명예 회장인 에이모리 B. 로빈스(Amory B. Lovins)는 ‘예일 환경 360(Yale Environment 360)’ 미디어 기고문에서 “빌딩의 효율을 높이기 위해서는 온도 변화가 보다 천천히 진행되도록 함으로써 난방이나 냉방을 줄이고, 피크 부하 기간에도 자체 열 용량을 더 오랫동안 사용할 수 있도록 해야 한다. 또한 배터리 비용의 급속한 하락과 다양한 특성을 지닌 새로운 스토리지 기술이 계속 등장하고 있는 것도 대안이 되고 있다. 이외에도 재생 에너지 발전량 증가에 따라 전력망을 안정화하기 위한 세 번째 옵션은 지리적 및 기술적 다각화를 꾀하는 것이다.”면서, “아이디어는 간단하다. 단일 위치의 하나의 에너지원에서 전력이 생성되지 않으면, 다른 위치의 다른 에너지원에서 전력을 생산할 수 있다.”고 제시했다.

    한편 가변적인 발전 에너지원이 지배적인 전력망의 균형을 유지하기 위해서는 도매 및 보조 전력 시장의 전력 수요를 이동시키거나 감소시킬 수 있는 인센티브를 제공하여 수요에 대응하는 방식을 취할 수 있다. 셀룰러 IoT 기반 스마트 계량기는 전기 소비량과 발전량을 측정 및 기록하는 것은 물론, 이러한 정보를 소비자와 유틸리티에게 전달할 수 있다. 유틸리티나 다른 서비스 제공업체들의 요금 변경 정보나 인센티브 또는 소비량 제한 요청 등과 같은 신호를 수신할 수도 있다. 셀룰러 IoT는 스마트 계량기와 같은 대규모 IoT 구축에 최적화된 강력한 무선 기술로, 즉시 사용 가능한 연결 솔루션을 제공할 수 있다.

    IEA에 따르면, 체감하지 못할 정도의 수준으로 수요 대응을 자동으로 제어하여 피크 수요를 감소시킬 수 있다. 소규모의 분산된 재생 자원을 집계하고, 원격으로 제어하는 것도 가능할 것으로 예상된다. 로빈스는 “최근 한 연구에 따르면, 미국에서 효과적인 수요 대응이 적극적으로 추진된다면, 2030년까지 200기가와트에 이르는 비용 효율적인 부하 유연성을 확보할 수 있을 것으로 나타났다.”고 말했다.

    2020년, 미국의 엔지니어링 및 제품 설계 회사인 어프리시티(Apricity)는 셀룰러 IoT 및 독점 무선 메시 기술을 이용한 가정용 온수기 컨트롤러인 어프리시티 아라(Apricity Ara)를 출시했다.(이 회사는 이후 포춘지 선정 1000대(Fortune 1000) 백업 발전 제품 제조업체인 제네락 홀딩스(Generac Holding)에 인수됐다.) 이 기기는 각 온수기의 전원공급장치에 부착되며, LTE-M 무선 기술을 이용해 지역의 전력 유틸리티 회사들이 원격으로 제어할 수 있다. 이를 통해 물의 온도를 최적의 수준으로 유지하면서도, 피크 기간 동안에는 불필요한 전기 소비를 방지할 수 있다. 따라서 수요 급증으로 인해 지역 전력망의 운영 비용과 비효율성이 증가되는 것을 피할 수 있다.

    당시 아프리시티의 COO를 역임했던 제이콥 C 베처(Jacob C Betcher)는 “전기 수요가 가장 높은 시간대에 휴면 온수기의 에너지 소비를 일시적으로 줄이는 것은 매우 효과적인 전력 부하 절감 방법이다. 간단한 로컬 모니터링을 통해 사용중인 온수기는 계속 가열되도록 하고, 사용하지 않는 온수기의 대기 가열을 줄이는 것이 가능하다.”고 설명했다.

    전기차 충전망 업그레이드

    IEA에 따르면, 지난해 전 세계적으로 판매된 승용차 10대 중 1대는 완전 전기차(EV)인 것으로 나타났다. 지역별로 다양한 차이가 있었지만, 전기차 판매는 해마다 기하급수적인 성장을 누리고 있다. 전력망에 미치는 영향은 전기차의 수 뿐만 아니라 충전 방법과 에너지를 다시 전력망으로 전송하는 방법에 따라서도 달라질 수 있다. 현재 대부분의 전기차 운전자들은 집에 도착하면 플러그를 꽂고, 다음날 아침에 플러그를 뽑고 주행을 시작한다. 그러나 일반적으로 차량 자체에 전류가 공급되는 것은 3시간 정도에 불과하다.

    많은 충전기들은 즉시 전자를 전달하기 시작하지만, 잠재적으로 수만 명의 운전자들이 거의 동시에 충전을 시작하기 때문에 수요 급증으로 인해 전력망이 쉽게 과부하 상태에 빠질 수 있다. 해결책은 충전 세션을 조정하여 수요 곡선을 완만하게 만드는 것이다. 이는 전기차 업계에서 솔루션을 모색하고 있다.

    그림 2. 에누아(Enua)의 충전기는 전기요금이 가장 저렴할 때 전기차를 충전할 수 있도록 클라우드 및 스마트폰 연결을 위해 노르딕의 nRF9160 SiP 및 nRF52840 SoC를 채택했다. (이미지. 노르딕 세미컨덕터)

    예를 들어, 노르웨이에 기반을 둔 전기차 기술 기업인 에누아(Enua)는 2023년 전기차 소유주가 차량을 스마트하게 충전할 수 있는 스마트 휴대용 전기차 충전기를 출시했다. 에누아의 CEO인 토르벤 아우네(Torben Aune)는 “LTE-M을 통합하고 있어 충전기와 연결이 가능하기 때문에 사용자는 역동적인 전기요금 변화에 대응하여 가장 저렴한 요금에 차량을 충전할 수 있다.”고 말했다.

    또한 V2G(Vehicle-to-Grid) 시스템을 통해 전기차가 전력망에 재생 에너지를 통합하는데 도움을 줄 수도 있다. V2G 시스템은 차량의 배터리에 충전된 전력을 다시 전력망으로 전송할 수 있어 유틸리티가 수요 변동에 따라 균형을 맞출 수 있도록 한다. V2G는 개념적으로는 완벽하지만, 아직 완전히 운영되고 있지는 않다. 그러나 스마트 계량기와 셀룰러 IoT가 등장하면서 전기차가 전기를 네트워크로 다시 전달할 시기를 알려줄 수 있는 유틸리티와의 양방향 통신이 가능하게 될 것이다.

    안정적인 전력 공급을 보장하기 위해서는 엄청난 규모의 에너지 수요 및 공급 현황을 파악하고, 안정적인 모니터링 및 관리가 이뤄져야 한다. 고품질의 고속 무선 네트워크를 이용하면, 모든 에너지 소비 기기를 연결하여 ‘에너지 인터넷(The Internet of Energy)’이라고도 불리는 미래의 스마트 전력망을 구축할 수 있다. 이를 통해 에너지 기업들은 자원을 최적화하고, 전력망 성능을 극대화할 수 있게 될 것이다. 정부는 정보에 입각한 정책과 규제를 개발하고, 소비자는 비용을 절감할 수 있을 것이다. 미래의 스마트 전력망은 기업과 정부, 소비자는 물론, 지구를 위한 우리 모두의 성공 전략이 될 것이다.

    [제공. 노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)]

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