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스마트 그리드

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목차

1. 개요

스마트 그리드는 전력망에 정보통신기술을 융합하여 에너지 효율을 극대화하는 기술이다. 이는 지속 가능한 개발을 위한 고정가격매입제도에 기반하며, 1970년대부터 컴퓨터로 전력망을 제어하려는 시도가 있었다. 미국에서 "Smart Grid"라는 명칭으로 시작되어 유럽, 일본 등 각국으로 확산되었으며, 전력망의 신뢰성, 유연성, 효율성을 높이고, 에너지 절감, 온실 가스 배출 감소, 신재생 에너지의 활성화를 목표로 한다. 스마트 미터, 위상 측정 장치 등 다양한 기술이 활용되며, 수요 반응, 부하 조정, 피크 감축 등을 통해 전력 시스템을 최적화한다. 그러나 사이버 보안, 개인 정보 보호, 비용 문제 등과 같은 반대 및 우려 사항도 존재하며, 미국, 유럽, 일본, 중국 등 각국에서 다양한 연구 및 투자가 진행 중이다.

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  • 스마트 그리드 - 스마트 미터
    스마트 미터는 전력, 가스, 수도 등 에너지 소비량을 측정하여 소비자와 공급업체에 원격으로 정보를 전달, 효율적인 에너지 관리와 요금 청구를 가능하게 하는 장치지만, 사생활 침해, 보안, 건강 문제 등 다양한 문제점과 반대 의견에 직면해 해결 노력이 필요한 첨단 계량 인프라의 핵심 요소이다.
  • 스마트 그리드 - IEC 61850
    IEC 61850은 전력 시스템 자동화를 위한 국제 표준으로, 변전소 내·외부 통신, 데이터 모델링, 명령 및 제어, SCL 등을 포함하며, 수력 발전소, 분산 에너지 자원 등 다양한 분야에 적용된다.
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스마트 그리드
스마트 그리드
개요
정의전력망에 정보 기술(IT)을 융합하여 전력 공급자와 소비자 간의 양방향 통신을 가능하게 하고, 에너지 효율을 향상시키는 지능형 전력망이다.
목표에너지 효율 향상
전력 시스템 안정성 증대
신재생 에너지 통합 용이
수요 반응 관리
전력 품질 향상
핵심 기술고급 계량 인프라 (AMI)
에너지 저장 시스템 (ESS)
스마트 센서 및 제어 시스템
통신 네트워크
데이터 분석 및 관리 시스템
특징양방향 통신
분산 전원 통합
자가 치유 기능
실시간 모니터링 및 제어
수요 반응 관리
장점에너지 효율 증가
탄소 배출 감소
전력 공급 안정성 향상
소비자 선택권 확대
새로운 비즈니스 모델 창출
단점높은 초기 투자 비용
보안 문제
개인 정보 보호 문제
표준화 문제
관련 기술사물 인터넷 (IoT)
빅데이터
인공지능 (AI)
클라우드 컴퓨팅
사이버 보안
기술 요소
스마트 미터전력 사용량을 실시간으로 측정하고 양방향 통신을 통해 데이터를 전송하는 장치이다.
고급 계량 인프라 (AMI)스마트 미터, 통신 네트워크, 데이터 관리 시스템을 통합한 시스템이다.
수요 반응 (DR)전력 가격이나 시스템 상황에 따라 소비자가 자발적으로 전력 사용량을 조절하는 것을 의미한다.
에너지 저장 시스템 (ESS)전력을 저장했다가 필요할 때 공급하여 전력 시스템의 안정성을 높이는 시스템이다.
분산 전원 (DER)태양광, 풍력 등 소규모 발전원을 전력망에 연결하여 사용하는 방식이다.
마이크로 그리드특정 지역 내에서 자체적으로 전력을 생산하고 소비하는 소규모 전력망이다.
전력 품질 관리 (PQM)전력 시스템의 전압, 주파수 등을 안정적으로 유지하는 기술이다.
사이버 보안스마트 그리드 시스템을 사이버 공격으로부터 보호하는 기술이다.
표준화
표준화 기관IEC
IEEE
ISO
주요 표준IEC 61850 (전력 시스템 통신)
IEEE 2030 (스마트 그리드 상호 운용성)
NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards
정책 및 규제
미국에너지 독립 및 보안법 (EISA)
스마트 그리드 투자 보조금 프로그램
유럽 연합 (EU)유럽 스마트 그리드 기술 플랫폼 (SmartGrids ETP)
제3차 에너지 패키지
대한민국지능형 전력망 구축 기본 계획
스마트 그리드 확산 사업
경제적 효과
에너지 비용 절감수요 반응, 에너지 효율 향상 등을 통해 에너지 비용을 절감할 수 있다.
새로운 시장 창출스마트 미터, 에너지 저장 장치 등 새로운 시장이 창출될 수 있다.
고용 창출스마트 그리드 관련 산업에서 새로운 고용이 창출될 수 있다.
스마트 시티와의 연계
스마트 시티정보 통신 기술(ICT)을 활용하여 도시의 효율성을 높이고 시민의 삶의 질을 향상시키는 도시이다. 스마트 그리드는 스마트 시티의 핵심 인프라 중 하나이다.
사회적 영향
소비자 참여 증진소비자는 스마트 미터를 통해 자신의 에너지 사용량을 실시간으로 확인하고, 수요 반응 프로그램에 참여하여 에너지 절약에 기여할 수 있다.
에너지 빈곤 해소스마트 그리드는 에너지 효율을 높여 에너지 빈곤층의 에너지 비용 부담을 줄일 수 있다.
환경 보호신재생 에너지 사용을 확대하고 에너지 효율을 높여 환경 보호에 기여할 수 있다.

2. 역사적 배경

스마트 그리드의 이념과 사업의 토대는 지속 가능한 개발을 지향하는 고정가격매입제도에 있다. 갑자기 생긴 것은 아니다.

많은 일본 서적에서 미국의 전력 사업자가 스마트 그리드를 고안했다고 쓰여 있지만, 자연 에너지를 활용한다는 의미의 사업으로서는 아모리 로빈스가 1991년에 발표한 ''Consumer Guide to Home Energy Savings''가 기반인 듯하다[139]。 기술적인 면에서는 무선 애드혹 네트워크 전문가 토마스 데이비드 페티트가 스마트 미터의 핵심을 만들었다고 한다.

컴퓨터로 전력망을 제어한다는 발상은 새로운 것이 아니며, 이미 1970년대부터 제안되었다[140]。 미국의 취약한 송배전망을 새로 등장한 컴퓨터 기술로 저비용으로 안전하게 운용하는 방법을 모색하는 과정에서 스마트 그리드 구상이 생겨났다.

전력 공급자와 수요자를 디지털 통신선으로 연결하는 스마트 그리드는 가정에 디지털 회선을 설치하는 좋은 기회로 여겨졌다. 그리고 가정 전력 제품의 네트워크화 추진에 실패했던 고기능 가전으로의 진출을 노리는 제조사 및 디지털 통신용 장치 제조사, 나아가 IT 네트워크를 주도하는 기업까지 큰 관심을 갖게 되었다. 또한, 유럽과 미국, 일본에서 전기 자동차, 태양광 발전 등이 추진되기 시작한 것도 미국이 관민을 총동원하여 차세대 송배전망의 필요성을 논의하는 계기가 되었다.

미국이 새로운 전력망을 "Smart Grid"라고 명명하고 새로운 산업 분야를 만들자, 비슷한 움직임이 다른 선진 각국에서도 생겨났다. 유럽은 미국과 같은 구상으로, 역내 전력망의 재구축 및 향상을 검토하고 있다.

전력망 전체에 신기술을 담은 디지털 방식의 통신 및 전력 제어를 수행하는 장치를 배치하는 것만으로도 거액의 투자가 예상된다. 전력 기기 제조사나 설비 공사업자뿐만 아니라, 자동차 제조사 및 디지털 통신 장치와 관련된 많은 관련 업계가 신시장을 파악하고, 특히 이러한 분야에서 기술적 우위를 가진 일본과 미국 등에서는 관민이 일체가 되어 추진하고 있으며, 주변 산업계와도 협력하여 우선 국제적인 표준화 확립을 목표로 하고 있다[141]。 최소 비용으로 송전망을 구축하는 것을 목표로 하기 때문에 구축 비용 절감이 큰 과제이다[142]。

거액 투자는 어디에서 오는가. 2014년 4월 10일, 네덜란드의 뱅크트랙이라는 비정부 기구는 관계 각 행이 그린 본드에 투자하면서 시장이 활성화되고 있다는 것을 평가하면서도 개인 투자자의 참가를 촉진하기 위해 시장 투명화를 추진해야 한다는 성명을 발표했다[143]。 관계 각 행은 뱅크 오브 아메리카, 씨티그룹, 크레디 아그리콜, JP모건 체이스, BNP 파리바, 다이와 증권, 도이체 방크, 골드만삭스, HSBC, 미즈호 은행, 모건 스탠리, 라보뱅크, 그리고 스칸디나비스카 엔스킬다 뱅켄이다. 여기에 등장하지 않은 바클레이즈, 캐나다 로열 은행, ABN 암로 은행도 인수 실적을 올리고 있다[144]。

2. 1. 전기 그리드의 역사적 발전

최초의 교류 전력망 시스템은 1886년 매사추세츠주 그레이트 배링턴에 설치되었다.[10] 당시 전력망은 전력 전송, 전력 배전 및 수요 기반 제어가 이루어지는 중앙 집중식 단방향 시스템이었다.

20세기에는 지역 전력망이 점차 성장하여 경제적 및 신뢰성 확보를 위해 상호 연결되었다. 1960년대에 이르러 선진국의 전력망은 매우 크고 성숙하며 상호 연결성이 높아졌으며, 수천 개의 '중앙' 발전소에서 대용량 전력선을 통해 주요 부하 중심지에 전력을 공급한 다음, 전력선을 분기하고 분할하여 공급 지역 전체의 소규모 산업 및 가정 사용자에게 전력을 공급했다. 발전소는 화석 연료 매장량, 수력 발전 댐, 냉각수 확보를 위한 원자력 발전소 위치, 그리고 인구 밀집 지역과의 거리를 고려하여 전략적으로 배치되었다. 1960년대 후반에 전력망은 선진국 인구의 압도적인 다수에 도달했으며, 외곽 지역만 '오프 그리드' 상태로 남아 있었다.[10]

사용자별 전력 소비량 측정은 고정 요금제와 이중 요금제를 통해 이루어졌다. 이중 요금제는 야간 수요가 적다는 점에 기인했으며, '열 뱅크' 유지와 같은 응용 분야에서 저렴한 야간 전력을 사용하게 하여 발전 및 전송 시설의 활용률과 수익성을 향상시켰다.[10]

1970년대부터 1990년대까지 수요가 증가하면서 발전소 수가 증가했다. 일부 지역에서는 전력 공급이 수요를 따라가지 못하여 정전, 단전 및 전압 강하를 포함한 열악한 전력 품질 문제가 발생했다. 20세기 말에는 가정 난방 및 에어컨으로 인해 매일 수요가 급증했으며, 이는 '피크 전력 발전기'로 충족되었다. 이러한 피크 발전기의 낮은 가동률과 전력망의 중복성은 전력 회사에 높은 비용을 초래했다.[10]

21세기에는 중국, 인도, 브라질과 같은 일부 개발도상국이 스마트 그리드 구축의 선구자로 여겨졌다.[11] 스마트 그리드의 이념과 사업의 토대는 지속 가능한 개발을 지향하는 고정가격매입제도에 있다.

컴퓨터로 전력망을 제어한다는 발상은 1970년대부터 제안되었다.[140] 미국의 취약한 송배전망을 컴퓨터 기술로 저비용으로 안전하게 운용하는 방법을 모색하는 과정에서 스마트 그리드 구상이 생겨났다. 전력 공급자와 수요자를 디지털 통신선으로 연결하는 스마트 그리드는 가정에 디지털 회선을 설치하는 좋은 기회로 여겨졌다.

미국이 새로운 전력망을 "Smart Grid"라고 명명하고 새로운 산업 분야를 만들자, 비슷한 움직임이 다른 선진 각국에서도 생겨났다. 전력망 전체에 신기술을 담은 디지털 방식의 통신 및 전력 제어를 수행하는 장치를 배치하는 것만으로도 거액의 투자가 예상된다. 전력 기기 제조사나 설비 공사업자뿐만 아니라, 자동차 제조사 및 디지털 통신 장치와 관련된 많은 관련 업계가 신시장을 파악하고, 특히 이러한 분야에서 기술적 우위를 가진 일본과 미국 등에서는 관민이 일체가 되어 추진하고 있으며, 주변 산업계와도 협력하여 우선 국제적인 표준화 확립을 목표로 하고 있다.[141] 최소 비용으로 송전망을 구축하는 것을 목표로 하기 때문에 구축 비용 절감이 큰 과제이다.[142]

거액 투자는 뱅크 오브 아메리카, 씨티그룹, 크레디 아그리콜 등 여러 은행의 그린 본드 투자를 통해 이루어지고 있다.[143][144]

2. 2. 현대화 기회

21세기 초부터 전력망의 제한과 비용 문제를 해결하기 위해 전자 통신 기술의 발전을 활용할 기회가 분명해졌다.[12] 계량 기술의 발전으로 최대 전력 가격을 평균화하여 모든 소비자에게 동일하게 전가하지 않게 되었다. 동시에 화석 연료 발전소의 환경 피해에 대한 우려가 커지면서 재생 에너지 사용 욕구가 증가했다. 풍력 발전과 태양열 발전과 같은 주요 재생 에너지는 변동성이 매우 크므로, 안정적인 전력망 유지를 위해 더욱 정교한 제어 시스템이 필요하다.[12] 태양광 전지 및 풍력 터빈의 발전은 중앙 집중형 발전소의 필요성에 의문을 제기했고, 급격히 하락하는 비용은 전력망 토폴로지를 중앙 집중형에서 고도로 분산된 형태로 변화시켰다. 일부 국가에서는 테러 공격에 대한 우려로 중앙 집중형 발전소 의존도를 줄인 더욱 강력한 에너지 전력망에 대한 요구가 있었다.[13]

스마트 그리드의 이념과 사업은 지속 가능한 개발을 지향하는 고정가격매입제도에 기반한다. 미국의 전력 사업자가 스마트 그리드를 고안했다는 일본 서적도 있지만, 자연 에너지를 활용하는 사업으로는 아모리 로빈스가 1991년 발표한 ''Consumer Guide to Home Energy Savings''가 기반인 듯하다.[139] 기술적으로는 무선 애드혹 네트워크 전문가 토마스 데이비드 페티트가 스마트 미터의 핵심을 만들었다.

컴퓨터로 전력망을 제어하는 발상은 1970년대부터 제안되었으며,[140] 미국의 취약한 송배전망을 컴퓨터 기술로 저비용으로 안전하게 운용하는 과정에서 스마트 그리드 구상이 생겨났다. 스마트 그리드는 가정에 디지털 회선을 설치하는 기회로 여겨졌고, 가정 전력 제품의 네트워크화에 실패했던 제조사, 디지털 통신용 장치 제조사, IT 네트워크 기업 등이 관심을 가졌다. 유럽과 미국, 일본에서 전기 자동차, 태양광 발전 등이 추진되면서 차세대 송배전망의 필요성이 논의되었다.

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미국이 새로운 전력망을 "Smart Grid"라고 명명하고 새로운 산업 분야를 만들자, 다른 선진국에서도 비슷한 움직임이 나타났다. 유럽은 미국과 같은 구상으로 역내 전력망 재구축 및 향상을 검토하고 있다. 전력망 전체에 신기술을 담은 디지털 방식의 통신 및 전력 제어 장치를 배치하는 데에는 거액의 투자가 예상된다. 전력 기기 제조사, 설비 공사업자, 자동차 제조사, 디지털 통신 장치 관련 업계가 신시장을 파악하고, 일본과 미국 등은 관민이 협력하여 국제 표준화 확립을 목표로 한다.[141] 최소 비용으로 송전망을 구축하는 것이 목표이므로 구축 비용 절감이 큰 과제이다.[142]

2014년 4월 10일, 네덜란드의 BankTrack은 관계 각 행이 Climate bond에 투자하면서 시장이 활성화되고 있다고 평가하면서도, 개인 투자자 참가를 촉진하기 위해 시장 투명화를 추진해야 한다는 성명을 발표했다.[143] 관계 각 행은 뱅크 오브 아메리카, 씨티그룹, 크레디 아그리콜, JP모건 체이스, BNP 파리바, 다이와 증권, 도이체 방크, 골드만삭스, HSBC, 미즈호 은행, 모건 스탠리, 라보뱅크, 스칸디나비스카 엔스킬다 뱅켄이다. 바클레이즈, 캐나다 로열 은행, ABN 암로 은행도 인수 실적을 올리고 있다.[144]

일본의 전력 회사는 "99.9999%의 높은 확도로 주파수는 규정 내에 있다"며 안정성을 강조하지만, 구미 전력망과 비교하면 규정 허용 범위는 완화되어 있다. 극히 안정적인 전력 공급은 당연하게 여겨졌지만, 정전 등의 큰 장애는 별개로, 역조류와 같은 전력 안정성을 저해하는 요인의 등장에 대해, 전압이나 주파수 변동을 피하기 위한 큰 설비 투자가 필요한지에 대한 의문이 제기되었다. 산업용 등으로 사용되는 동기식 모터를 제외하면, 많은 기기가 올바른 주파수를 필요로 하지 않고, 인버터 방식에 의한 조작성과 운전 효율 개선을 통한 에너지 절약을 지향한다. 전압에 대해서도, 인버터 방식 전원이나 직류 동작을 위해 내부에서 전압 자동 조정을 하는 전원 회로를 갖춘 전기 제품이 주류가 되어, 약간의 전압 변화는 많은 기기에서 영향을 미치지 않게 되었다.

전화 회선은 전용 회선으로 높은 통신 품질을 유지했지만, 구축 및 유지 관리에 큰 비용을 들였다. 디지털 통신은 전용 회선이나 전송 품질을 보증하는 회선으로 시작했지만, 베스트 에포트 방식을 채택한 IP 네트워크가 세계를 석권하고 있지만, 품질 불만은 별로 들리지 않는다.

역조류에 대응하기 위해 전력망에 대한 추가 투자가 필요하다는 논의도 있지만, 통신 회선 서비스가 높은 품질 유지에서 베스트 에포트로 바뀐 것처럼, 전력 서비스에서 극단적인 고품질화 유지에 비용을 계속 투입할 필요가 있는지, 베스트 에포트로는 안 되는지 재검토를 요구하는 의견도 있다.

전력망에는 통신망에는 존재할 수 없는 합성의 오류를 고려해야 한다. 1987년 7월 23일 수도권 대정전의 원인 중 하나는 인버터 기기 부하의 정전력 특성이 있으며, 배전선의 전압 강하에 대해 부하가 되는 인버터 기기가 전력을 확보하려고 하여 전류를 많이 끌어들이도록 제어된 결과, 송배전망의 전압 제어 기능이 한계에 달했다는 점이 지적된다.[168] 다만, 현재는 이러한 과부하에 의한 대규모 정전은 스마트화에 의해 방지할 수 있다고 생각된다.

2. 3. "스마트 그리드"의 정의

스마트그리드는 전력망에 정보통신기술을 융합해 전기사용량과 공급량, 전력선의 상태까지 알 수 있는 기술로 에너지 효율성을 극대화하는 것이다. 현재의 전력 시스템은 최대 소비량에 맞춰 설계되어 실제 사용량보다 약 15% 더 많이 생산하도록 되어 있어 에너지 효율이 떨어진다. 또한, 이 과정에서 이산화탄소 배출도 늘어난다.[187][188]

스마트그리드의 핵심은 전력망에 직비, 전력선 통신 등의 정보통신기술을 합쳐 소비자와 전력회사가 실시간으로 정보를 주고받는 것이다. 이를 통해 소비자는 전기요금이 쌀 때 전기를 사용하고, 전자제품이 자동으로 전기요금이 싼 시간대에 작동하게 할 수 있다. 전력생산자는 전력 사용 현황을 실시간으로 파악하여 전력공급량을 탄력적으로 조절할 수 있으며, 과부하로 인한 전력망 고장도 예방할 수 있다.

스마트그리드는 가정의 전자제품뿐 아니라 공장의 산업용 장비까지 전기가 흐르는 모든 것을 효율적으로 관리하는 시스템이다. 전기요금을 실시간으로 확인하고, 전기요금이 비싼 시간대를 피해 전기를 사용하는 것이 가능하다.

또한, 전력망 지능화를 통해 중앙에서 일방적으로 전기를 공급하던 수직적 체계에서 벗어나, 마이크로그리드와 분산 전원 방식과 같은 양방향 수평적 공급체계를 마련하여 에너지 프로슈머가 등장하는 발판을 마련할 수 있을 것으로 예상된다.

스마트 그리드에 관한 영상


스마트 그리드의 목적은 비용 최소화이며, 2009년부터 IEEE에 의한 표준화가 시작되었다.[138]

디지털 컴퓨터 내장형 고기능 전력 제어 장치끼리 발전 설비에서 최종 전력 기기까지 네트워크로 연결하거나, 기존의 중앙 제어로는 달성할 수 없는 자율 분산적인 제어 방식을 도입함으로써, 전력망 내의 수요와 공급 균형을 최적화하고(#역조류 참조) 사고 및 과부하 등에 대한 내성을 높인다.( #기존 전력 계통의 재검토 참조)

2. 3. 1. 미국

미국에서는 캘리포니아 주의 전력 위기와 뉴욕의 대정전을 계기로 송배전망 정비를 요구하는 목소리가 커졌다[170]。2003년의 대정전 사고 1개월 전에, 미 에너지부는 "Grid2030"이라는 송배전망의 근대화에 관한 보고서를 발표했다. 2007년 12월에는 "스마트 그리드" 관련 투자 자금 보조 및 시험 프로젝트 예산으로 1억 미국 달러를 출연하기로 법으로 결정했다. 버락 오바마대통령 취임 1개월 후인 2009년 2월에는 경기 부양책인 "미국 회생·재투자법"(American Recovery and Reinvestment Act, ARRA)의 일부로 "스마트 그리드" 관련 분야에 110억 미국 달러 (일본 엔화로 1조 1000억 엔 상당)를 출연하기로 결정했다[170][171]。이것이 오늘날 미국 통신과 IT 기기 제조업체 사이로까지 확산된 스마트 그리드 붐의 계기가 되었다[170]。

스마트 그리드의 첫 번째 공식 정의는 2007년 1월 미국 의회에서 승인되고 2007년 12월 조지 W. 부시 대통령에 의해 법으로 서명된 에너지 독립 및 안보법 2007(EISA-2007)에 의해 제공되었다.

오바마 대통령은 미국 연방 의회에 대해 대체 에너지 생산을 2009년부터 3년간 2배로 늘리고, 새로운 "스마트 그리드"를 건설하기 위한 법안을 통과시키기 위해 지체 없이 행동할 것을 요청했다[173]。

화석 연료와 온난화 가스 배출 감축은 에너지 안보 및 지구 온난화 문제의 대책 중 하나로 많은 정부가 추진하고 있다. 미국의 전력 소비량을 5% 감축할 수 있다면 5,300만 대분의 자동차에 상당하는 화석 연료 절약과 온난화 가스 배출량 감축이 실현될 수 있다고 하며[174], 실현 수단의 하나로 스마트 그리드가 검토되고 있다.

스마트 그리드에 의한 미국 내 전력망의 변화는 2009년 현재부터 이미 시작된 스마트 미터의 도입이며, 이미 전미(全美)에서는 8개 주를 제외한 42개 주 정부가 정책으로 어떤 형태로든 스마트 미터에 대한 노력을 보이고 있으며, 일부는 설치 단계에 있다. 2011년부터 2020년경까지는 무선 및 유선 통신을 통해 가정 내 전기 사용 기기의 전력 사용을 원격 조작하는 것이 예상된다(예시). 미국의 움직임에 대응하여 일본을 포함한 전 세계 기업이 미래의 큰 시장을 목표로 자사의 기술을 홍보하고 있다[142]。

뉴멕시코 주에서는 주 정부와 일본의 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)가 중심이 되어, 스마트 그리드 구상에 기초한 실증 연구 프로젝트 "Green Grid"를 기획하고 있다. 일본의 경제산업성은 이전부터 주 정부와 태양열 발전 등의 재생 가능 에너지로 연결되어 협력 관계에 있었다. 2009년 2월에는 주 정부로부터 일본에 제안되어 4월에 회의가 열렸고, 6월 말까지 프로젝트 개요를 제안하여 2009년 여름에는 가부(可否)가 결정될 예정이다. 5MW의 배전선(피더선) 1개를 대상으로 하여 1,200호의 가정, 1개의 학교, 여러 사업소를 포함하는 지역의 전력망에 2MW의 전력 저장 시설과 1MW의 태양광 발전 시설을 추가했다[172][142]。

2. 3. 2. 유럽 연합

유럽 연합 집행위원회의 스마트 그리드 태스크 포스는 스마트 그리드를 다음과 같이 정의한다.[14][15][16]

> "스마트 그리드는 발전기, 소비자, 그리고 둘 다를 수행하는 모든 사용자의 행동과 활동을 비용 효율적으로 통합할 수 있는 전력망으로서, 경제적으로 효율적이고 지속 가능한 전력 시스템을 보장하며, 낮은 손실과 높은 수준의 공급 품질, 보안 및 안전성을 갖춘다. 스마트 그리드는 다음과 같은 목적으로 혁신적인 제품과 서비스와 함께 지능형 모니터링, 제어, 통신 및 자가 치유 기술을 사용한다.

>

> # 모든 규모와 기술의 발전기의 연결 및 운영을 더 잘 촉진한다.

> # 소비자가 시스템 운영을 최적화하는 데 역할을 할 수 있도록 한다.

> # 소비자에게 공급 사용 방법에 대한 더 많은 정보와 선택권을 제공한다.

> # 전체 전력 공급 시스템의 환경 영향을 크게 줄인다.

> # 기존의 높은 수준의 시스템 신뢰성, 품질 및 공급 보안을 유지하거나 심지어 향상시킨다.

> # 기존 서비스를 효율적으로 유지하고 개선한다."

이 정의는 유럽 위원회 커뮤니케이션(2011) 202에서 사용되었다.[17]

대부분의 정의에서 공통적인 요소는 전력망에 디지털 처리 및 통신을 적용하여 데이터 흐름과 정보 관리를 스마트 그리드의 핵심으로 만드는 것이다. 디지털 기술과 전력망의 깊이 있는 통합 사용으로 다양한 기능이 발생한다. 새로운 그리드 정보의 통합은 스마트 그리드 설계의 핵심 문제 중 하나이다. 현재 전력 회사는 세 가지 종류의 변환을 하고 있다. 중국에서 '강력한 그리드'라고 불리는 인프라 개선, '스마트 그리드'의 본질인 디지털 레이어 추가, 스마트 기술에 대한 투자를 활용하는 데 필요한 비즈니스 프로세스 변환이 그것이다. 특히 변전소 및 배전 자동화와 같은 전력망 현대화 작업의 상당 부분이 이제 스마트 그리드의 일반적인 개념에 포함된다.[18]

EEBUS(E-E-Bus)는 스마트 홈과 스마트 그리드 간의 상호 커뮤니케이션을 가능하게 하는 가교 역할을 한다. 독일 기술자들은 EEBUS를 다양한 장치가 교신할 수 있도록 국제 공통 언어, 즉 국제 표준으로 만들고자 한다.[180] 지능형 미래형 충전 컨트롤러 제조사로 유명한 벤더사(Bender GmbH & Co. KG)는 현재 충전 컨트롤러의 모든 제품에 표준 기능으로 EEBUS 통신 규격을 제공하고 있다. 이처럼 벤더사는 설정을 필요로 하지 않는 EEBUS를 제공하는 최초의 컨트롤러 제조사이다.[181]

2. 4. 초기 기술 혁신

스마트 그리드 기술은 전자 제어, 계량 및 모니터링을 시도했던 초창기에 등장했다. 1980년대에는 자동 검침이 대형 고객의 부하를 모니터링하는 데 사용되었으며, 1990년대에는 지능형 계량 인프라로 발전했다. 이 인프라의 계량기는 하루 중 시간대별로 전력 사용량을 저장할 수 있었다.[19] 스마트 미터는 지속적인 통신 기능을 추가하여 실시간 모니터링을 가능하게 하며, 수요 반응을 인식하는 장치와 가정 내 "스마트 소켓"의 게이트웨이로 사용될 수 있다. 이러한 수요 측 관리 기술의 초기 형태는 전력 공급 주파수의 변화를 모니터링하여 그리드의 부하를 수동적으로 감지하는 동적 수요 인식 장치였다. 산업용 및 가정용 에어컨, 냉장고, 히터와 같은 장치는 그리드가 피크 상태에 있을 때 작동을 피하기 위해 듀티 사이클을 조정했다. 2000년부터 이탈리아의 텔레게스토레 프로젝트는 저대역폭 전력선 통신을 통해 연결된 스마트 미터를 사용하여 대규모(2,700만 가구)의 가정을 네트워크화한 최초의 사례였다.[20] 일부 실험에서는 전력선 광대역 통신 (BPL)이라는 용어를 사용했으며, 다른 실험에서는 가스 및 수도와 같은 다른 유틸리티의 계량 지원뿐만 아니라 가정 내 여러 장치에 대한 더 안정적인 연결을 위해 홍보된 메시 네트워크와 같은 무선 기술을 사용했다.[12]

광역 네트워크의 모니터링 및 동기화는 1990년대 초 본네빌 전력청이 대규모 지리적 영역에서 전력 품질의 이상 현상을 매우 빠르게 분석할 수 있는 프로토타입 센서를 사용하여 스마트 그리드 연구를 확장하면서 혁신을 이루었다. 이 연구의 정점은 2000년에 최초로 가동된 광역 측정 시스템(WAMS)이었다.[21] 다른 국가에서도 이 기술을 빠르게 통합하고 있으며, 중국은 지난 5개년 경제 계획이 2012년에 완료되면서 포괄적인 전국 WAMS를 갖추기 시작했다.[22]

초기 배포 사례로는 이탈리아 시스템 ''텔레게스토레''(2005), 텍사스주 오스틴의 메시 네트워크(2003년 이후), 콜로라도주 볼더의 스마트 그리드(2008) 등이 있다.

컴퓨터로 전력망을 제어한다는 발상은 1970년대부터 제안되었으며,[140] 미국의 취약한 송배전망을 새로 등장한 컴퓨터 기술로 저비용으로 안전하게 운용하는 방법을 모색하는 과정에서 스마트 그리드 구상이 생겨났다. 전력 공급자와 수요자를 디지털 통신선으로 연결하는 스마트 그리드는 가정에 디지털 회선을 설치하는 좋은 기회로 여겨졌다.

미국이 새로운 전력망을 "Smart Grid"라고 명명하고 새로운 산업 분야를 만들자, 비슷한 움직임이 다른 선진 각국에서도 생겨났다. 유럽은 미국과 같은 구상으로, 역내 전력망의 재구축 및 향상을 검토하고 있다.

전력망 전체에 신기술을 담은 디지털 방식의 통신 및 전력 제어를 수행하는 장치를 배치하는 것만으로도 거액의 투자가 예상된다. 최소 비용으로 송전망을 구축하는 것을 목표로 하기 때문에 구축 비용 절감이 큰 과제이다.[142]

3. 특징

스마트 그리드는 전력 산업이 시간과 공간에서 더 높은 해상도로 시스템의 일부를 관찰하고 제어할 수 있게 해 줄 것이다.[23] 스마트 그리드의 목적 중 하나는 운영 효율성을 극대화하기 위한 실시간 정보 교환이다. 이는 마이크로초 단위의 고주파 스위칭 장치에서 분 단위의 풍력 및 태양광 발전량 변화, 그리고 10년 단위의 전력 생산으로 인한 탄소 배출의 미래 영향에 이르기까지 모든 시간 규모에서 그리드 관리를 가능하게 할 것이다.

스마트 그리드는 전력 공급의 과제에 대한 현재 및 제안된 모든 대응책을 나타낸다. 다양한 요인으로 인해 수많은 경쟁 분류법이 존재하며, 보편적인 정의에 대한 합의는 없다.

스마트 그리드의 목적은 비용 최소화이다. 스마트 그리드가 소비자 이익으로 연결될지는 미지수이지만,[138] 2009년부터 이미 IEEE에 의한 표준화가 시작되었다.

구체적으로는 디지털 컴퓨터 내장형 고기능 전력 제어 장치끼리 발전 설비에서 최종 전력 기기까지 네트워크로 연결하거나, 기존의 중앙 제어로는 달성할 수 없는 자율 분산적인 제어 방식을 도입함으로써, 전력망 내의 수요와 공급 균형의 최적화 조정(#역조류 참조)과 사고 및 과부하 등(#기존 전력 계통의 재검토 참조)에 대한 내성을 높인다. 스마트 그리드를 통해 정전 방지 및 송전 조정 외에 다양한 전력 계약 실현 및 인건비 삭감 등이 가능해졌다.

=== 신뢰성 ===

스마트 그리드는 전기 사용량을 실시간으로 모니터링하여 전력 수요를 분산시키고, 전력 공급 중단 사고 발생 시 대체 송배전 선로를 통해 전기를 공급하는 등 유연한 대처가 가능하다.[24] 이를 통해 높은 품질의 전기를 안정적으로 공급할 수 있다. 상태 추정 등의 기술을 활용하여 고장 감지를 개선하고, 기술자 개입 없이 네트워크의 자가 치유를 가능하게 하여 안정적인 전력 공급을 보장하고 자연재해나 공격에 대한 취약성을 줄인다.[24]

기존 전력망 또한 여러 경로를 통해 연결성을 보장하는 네트워크 구조를 가지고 있었지만, 특정 네트워크 요소의 한계 초과 시 다른 요소로 전류가 우회되어 연쇄적인 고장을 일으키는 도미노 효과가 발생할 수 있다.[25][26] 이를 방지하기 위해 순환 정전 또는 전압 강하(브라운아웃)에 의한 부하 차단 기술이 사용된다.[25][26]

=== 네트워크 토폴로지의 유연성 ===

스마트 그리드는 전기 사용량을 실시간으로 모니터링하여 전력 수요를 분산시키고, 사고 발생 시 대체 송배전 선로를 통해 전기를 공급하는 등 유연하게 대처하여 안정적인 전력 공급을 가능하게 한다.[27][12] 차세대 송전 및 배전 인프라는 양방향 에너지 흐름을 처리하여 분산 발전 태양광 패널, 전기 자동차 배터리 충전 및 방전, 풍력 터빈, 양수 발전, 연료 전지 등 다양한 에너지원을 활용할 수 있게 한다.

기존 전력망은 일방향으로 설계되었지만, 지역 하위 네트워크에서 소비량보다 많은 전력을 생산하면 역방향 흐름(역조류)이 발생하여 안전 및 신뢰성 문제가 발생할 수 있다. 스마트 그리드는 이러한 상황을 관리한다. 역조류는 전압 변동과 주파수 변동을 일으킬 수 있다. 대규모 송전 계통에서는 발전소의 조속기[163]를 통해 전력 품질을 유지하지만, 역조류가 다량 유입되면 주파수 안정성과 전압 유지가 어려워져 발전소가 송전망에서 차단될 수 있다.

대규모 발전 역조류는 온로드 탭 전환기(OLTC 또는 LTC)[164]를 설치하여 전압 강하를 조정할 수 있지만, 소규모 발전에는 변압기의 탭[165]만으로는 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 여러 가구가 동시에 역조류를 일으키면 전압이 국소적으로 상승한다. 일본에서는 전기 사업법에 따라 전압을 101±6V나 202V±20V 범위 내로 유지해야 하며, 이를 초과하면 파워 컨디셔너가 작동하여 전력 판매가 불가능해진다. 또한, 변압기에서 먼 집은 전압 상승 영향을 크게 받아, 변압기 인근 가구들이 역조류를 일으키면 배전 계통 말단 측은 발전 전력을 판매하지 못할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 변압기를 늘려 역조류를 쉽게 하는 대책이 논의되고 있다.[142] 일본 전력 회사는 높은 주파수 안정성을 강조하지만, 유럽 전력망에 비해 규정 허용 범위가 완화되어 있다. 역조류와 같은 전력 안정성을 저해하는 요인에 대해, 전압 및 주파수 변동을 피하기 위한 설비 투자가 필요한지에 대한 의문이 제기되고 있다. 산업용 동기식 모터를 제외하면 많은 기기가 인버터 방식으로 작동하여 정확한 주파수를 필요로 하지 않고, 에너지 절약을 지향한다. 전압 역시 인버터 방식 전원이나 직류 동작을 위한 전원 회로를 갖춘 전기 제품이 주류가 되어, 약간의 전압 변화는 큰 영향을 미치지 않는다.

전화 회선은 전용 회선으로 높은 통신 품질을 유지했지만, 구축 및 유지 관리에 큰 비용이 들었다. 디지털 통신은 전용 회선에서 시작하여 베스트 에포트 방식의 IP 네트워크로 변화했지만, 품질 불만은 크지 않다. 역조류 대응을 위한 전력망 추가 투자 필요성에 대한 논의도 있지만, 통신 회선처럼 전력 서비스도 고품질 유지에서 베스트 에포트로 전환해야 하는지에 대한 재검토 의견도 있다.

전력망은 통신망과 달리 합성의 오류를 고려해야 한다. 1987년 7월 23일 수도권 대정전의 원인 중 하나는 인버터 기기 부하의 정전력 특성으로, 배전선 전압 강하에 대해 인버터 기기가 전류를 많이 끌어들이도록 제어되어 송배전망 전압 제어 기능이 한계에 달했다는 점이 지적된다.[168] 그러나 현재는 스마트화를 통해 이러한 과부하에 의한 대규모 정전을 방지할 수 있다고 여겨진다.

=== 효율성 ===

스마트 그리드는 단순히 전력망을 지능화하는 것에서 그치는 것이 아니라, 다른 산업과의 연계할 수 있다는 점에서 큰 파급효과를 가지고 있으며, 2030년에는 1경원에 달하는 시장이 형성될 것으로 예상되고 있다.[189]

스마트 그리드와 연계되는 분야로는 전력서비스산업, 정보통신산업, 전력저장장치, 마이크로그리드, 전기자동차산업, 건설산업 등이 있다.

스마트 그리드의 최종적인 목표는 에너지 절감이다. 필요한 만큼의 전기를 생산하고, 남는 전기는 축전기를 통하여 저장하고 필요할 때 다시 공급하여 버려지는 전기를 줄일 수 있다. 또 전력수요를 분산시켜서 발전 설비의 효율을 증가시키고, 통신 기기에 직접 전력을 공급하는 전력 변환 장치나 축전지의 일부 또는 전체를 수전(受電) 설비, 예비 전원 설비와 분리하여 통신 기기의 근처에 분산하여 설치하는 방식을 통해 송배전효율을 증대시킬 수 있다.

이러한 에너지 절감과 신재생 에너지의 도입을 가속화시켜서 온실 가스의 배출 감소를 얻을 수 있다.

또한 현재 공급이 일정하지 못한 신재생 에너지를 활성화, 상용화 시킬 수 있을 것으로 보인다.

스마트 그리드 기술 배치를 통해 에너지 인프라의 효율성을 전반적으로 개선하는 데 기여할 것으로 예상되며, 특히 '''수요 측 관리'''가 포함된다. 예를 들어, 단기적인 전기 요금 급등 시 에어컨을 끄는 것,[28] 전압/VAR 최적화(VVO)를 통해 배전선의 전압을 가능한 경우 낮추는 것, 검침을 위한 차량 방문을 없애는 것, 그리고 첨단 검침 인프라 시스템의 데이터를 활용한 개선된 정전 관리를 통해 차량 방문을 줄이는 것 등이 있다. 전반적인 효과는 송전 및 배전선의 중복을 줄이고 발전기의 활용도를 높여 전력 가격을 낮추는 것이다.

=== 부하 조정/부하 균형 ===

전력망에 연결된 전체 부하는 시간에 따라 크게 변동할 수 있다. 전체 부하는 고객의 많은 개별 선택의 합이지만, 전체 부하가 반드시 안정적이거나 천천히 변동하는 것은 아니다. 예를 들어, 인기 있는 텔레비전 프로그램이 시작되면 수백만 대의 텔레비전이 즉시 전류를 소비하기 시작한다. 전통적으로는 대형 발전기의 시동 시간보다 빠른 전력 소비의 급증에 대응하기 위해 일부 예비 발전기가 소산 대기 모드로 가동된다. 스마트 그리드는 모든 개별 텔레비전 또는 다른 대규모 고객에게 부하를 일시적으로 줄이도록 경고할 수 있다[29]. (대형 발전기를 시동할 시간을 주기 위해) 또는 지속적으로 (자원이 제한적인 경우). 수학적 예측 알고리즘을 사용하여 특정 고장률을 달성하기 위해 얼마나 많은 예비 발전기를 사용해야 하는지 예측할 수 있다. 전통적인 전력망에서는 고장률을 줄이려면 더 많은 예비 발전기가 필요하다. 스마트 그리드에서는 고객의 작은 부분이라도 부하를 줄이면 문제를 해결할 수 있다.

에너지 관리 시스템(xEnergy Management System: xEMS)[162]은 전기나 가스 등의 에너지 사용 상황을 ICT를 사용하여 적절하게 파악·관리하고 에너지 절약을 실현하는 시스템이다[148].

; 약칭

: 에너지 관리 시스템의 약칭은 '''xEMS'''가 널리 사용된다[148]. 이는 ISO 50001이 정하는 "에너지 경영 시스템"이나 ISO 14001이 정하는 "환경 경영 시스템" 등의 유사어와의 혼동을 피하기 위한 것이며, 다음 약칭으로 구분된다[148].

:* '''xEMS'''（:en:Energy management system） - 에너지 관리 시스템

:* '''EnMS'''（Energy Management System） - ISO 50001: 에너지 경영 시스템

:* '''EMS'''（Environmental Management System） - ISO 14001: 환경 경영 시스템

: 스마트 그리드에서의 에너지 관리 시스템은 '''xEMS'''를 가리킨다. ISO의 기준을 나타내는 '''EnMS'''나 '''EMS'''와는 내용이 전혀 다르므로 주의해야 한다. 또한 스마트 그리드에서의 에너지 관리 시스템을, 일본어 표기에서는 단순히 '''EMS'''로 줄여 쓰기도 하며[149], 용어를 사용하는 조직이나 상황에 따라 차이가 있어 명확한 약칭의 기준은 없다.

; 종류

: '''xEMS'''에는 수요 측, 공급 측 등의 연계 정도에 따라 다양한 시스템이 있으며, 맨 앞의 "'''x'''"는 주로 대상 건물의 종류에 따라 "B", "H", "M", "F" 등으로 바꾼 아래와 같은 용어로 사용된다.

:* '''BEMS'''：빌딩 에너지 관리 시스템[150]

:* '''HEMS'''：홈 에너지 관리 시스템[151]

:* '''MEMS'''：맨션 에너지 관리 시스템[154]

:* '''FEMS'''：공장 에너지 관리 시스템[160]

:* '''CEMS'''：지역 에너지 관리 시스템[162]

=== 피크 감축/레벨링 및 사용 시간 가격 책정 ===

고비용 피크 사용 기간 동안 수요를 줄이기 위해 통신 및 계량 기술은 가정 및 기업의 스마트 장치에 에너지 수요가 높을 때 알리고 얼마나 많은 전기를 언제 사용하는지 추적한다. 또한 유틸리티 회사에서 시스템 과부하를 방지하기 위해 장치와 직접 통신하여 소비를 줄일 수 있는 기능을 제공한다. 예를 들어 유틸리티에서 전기 자동차 충전소 그룹의 사용을 줄이거나 도시의 에어컨 온도 설정점을 변경하는 것이다. 사용량 감축을 유도하고 소위 '''피크 감축''' 또는 '''피크 레벨링'''을 수행하기 위해, 수요가 많은 기간에는 전기 요금이 인상되고 수요가 적은 기간에는 인하된다.[12] 소비자와 소비 장치가 피크 시간대에 전기를 사용하기 위한 높은 가격 프리미엄을 인식할 수 있다면, 소비자 및 기업은 수요가 많은 기간에 소비를 줄이는 경향이 있을 것으로 생각된다. 이는 에어컨을 켜고 끄거나 오후 5시 대신 오후 9시에 식기 세척기를 작동시키는 것과 같은 절충을 의미할 수 있다. 기업과 소비자가 비피크 시간대에 에너지를 사용하는 직접적인 경제적 이점을 얻을 때, 그들은 운영에 드는 에너지 비용을 소비자 장치 및 건물 건설 결정에 포함시켜 에너지 효율성을 높일 것이라는 이론이 있다.

전기차의 스마트 충전을 통한 피크 부하 회피


=== 지속 가능성 ===

스마트 그리드는 전력망 지능화를 넘어 다른 산업과의 연계를 통해 큰 파급효과를 가지며, 2030년에는 1경원에 달하는 시장이 형성될 것으로 예상된다.[189]

스마트 그리드는 전력서비스산업, 정보통신산업, 전력저장장치, 마이크로그리드, 전기자동차산업, 건설산업 등과 연계된다. 스마트 그리드의 궁극적인 목표는 에너지 절감으로, 필요한 만큼의 전기를 생산하고 남는 전기는 축전기에 저장하여 버려지는 전기를 줄인다. 전력 수요 분산을 통해 발전 설비 효율을 높이고, 통신 기기 근처에 전력 변환 장치나 축전지를 분산 설치하여 송배전 효율을 증대시킬 수 있다.

에너지 절감 및 신재생 에너지 도입 가속화를 통해 온실 가스 배출 감소 효과를 얻을 수 있다.

또한, 스마트 그리드는 공급이 일정하지 못한 신재생 에너지의 활성화 및 상용화에 기여할 수 있다. 향상된 유연성을 바탕으로 에너지 저장 없이도 태양광 발전 및 풍력 발전과 같이 변동성이 큰 재생 에너지원의 수용을 확대한다.[30] 현재의 네트워크 인프라는 많은 분산형 공급 지점을 허용하도록 구축되지 않았지만, 스마트 그리드 기술은 그리드에 매우 많은 양의 재생 가능 전력을 공급하기 위한 필수 조건이다. 차량-전력망에 대한 지원도 가능하다.[31]

=== 시장 활성화 ===

스마트 그리드는 단순히 전력망을 지능화하는 것에서 그치는 것이 아니라, 다른 산업과의 연계할 수 있다는 점에서 큰 파급효과를 가지고 있으며, 2030년에는 1경원에 달하는 시장이 형성될 것으로 예상되고 있다.[189]

스마트 그리드와 연계되는 분야로는 전력서비스산업, 정보통신산업, 전력저장장치, 마이크로그리드, 전기자동차산업, 건설산업 등이 있다.

스마트 그리드는 공급자(에너지 가격)와 소비자(지불 의사) 간의 체계적인 통신을 가능하게 하며, 공급자와 소비자 모두 운영 전략을 더욱 유연하고 정교하게 만들 수 있게 해준다. 중요한 부하만 최고 에너지 가격을 지불하면 되며, 소비자는 에너지를 사용하는 시기에 대해 더욱 전략적으로 접근할 수 있게 된다. 유연성이 더 큰 발전기는 최대 이익을 위해 에너지를 전략적으로 판매할 수 있으며, 기저 부하 증기 터빈 및 풍력 터빈과 같이 유연성이 떨어지는 발전기는 수요 수준과 현재 가동 중인 다른 발전기의 상태에 따라 변동 요금을 받게 된다. 전체적인 효과는 에너지 효율성을 높이고, 공급의 시간별 변동 제한에 민감한 에너지 소비를 장려하는 신호가 된다. 가정 수준에서, 어느 정도의 에너지 저장 또는 열 질량을 가진 가전제품(예: 냉장고, 열 저장 장치 및 열 펌프)은 시장에서 '활약'하고, 수요를 저렴한 에너지 지원 기간에 맞춰 에너지 비용을 최소화하기 위해 노력할 수 있다. 이는 위에서 언급한 이중 요금 에너지 가격 책정의 연장선이다.

=== 수요 반응 지원 ===

수요 반응 지원은 발전기와 부하가 실시간으로 자동화된 방식으로 상호 작용하여 수요를 조정함으로써 급증을 완화할 수 있도록 한다. 이러한 급증 시 발생하는 수요의 일부를 제거하면 예비 발전기를 추가하는 비용이 절감되고, 마모가 줄어들며 장비의 수명이 연장되며, 사용자는 우선 순위가 낮은 장치가 가장 저렴할 때만 에너지를 사용하도록 함으로써 에너지 요금을 절감할 수 있다.[32]

현재 전력망 시스템은 발전소, 송전선, 변전소 및 주요 에너지 사용자 등 고가치 자산에 대한 제어 시스템 내에서 다양한 수준의 통신을 가지고 있다. 일반적으로 정보는 사용자와 사용자가 제어하는 부하에서 유틸리티로 단방향으로 흐른다. 유틸리티는 수요를 충족시키려고 시도하며 다양한 정도(정전, 순환 정전, 통제 불능 정전)로 성공하거나 실패한다. 사용자가 요구하는 총 전력량은 매우 넓은 확률 분포를 가질 수 있으며, 이는 급변하는 전력 사용에 대응하기 위해 대기 모드에서 예비 발전소를 필요로 한다. 이러한 일방향 정보 흐름은 비용이 많이 든다. 발전 용량의 마지막 10%는 시간의 1% 정도만 필요할 수 있으며, 정전 및 중단은 소비자에게 많은 비용을 초래할 수 있다.

수요 반응은 상업용, 주거용 부하 및 산업용 부하에서 제공될 수 있다.[33] 예를 들어, Alcoa(알코아)의 Warrick(워릭) 사업부는 MISO(미드콘티넨탈 독립 시스템 운영자)에 자격을 갖춘 수요 반응 자원으로 참여하고 있으며,[34] Trimet Aluminium(트라이멧 알루미늄)은 제련소를 단기 메가 배터리로 사용한다.[35]

데이터 흐름의 지연 시간은 주요 관심사이며, 일부 초기 스마트 미터 아키텍처에서는 데이터를 수신하는 데 최대 24시간의 지연이 발생하여 공급 또는 수요 장치에서 가능한 모든 반응을 방지한다.[36]

3. 1. 신뢰성

스마트 그리드는 전기 사용량을 실시간으로 모니터링하여 전력 수요를 분산시키고, 전력 공급 중단 사고 발생 시 대체 송배전 선로를 통해 전기를 공급하는 등 유연한 대처가 가능하다.[24] 이를 통해 높은 품질의 전기를 안정적으로 공급할 수 있다. 상태 추정 등의 기술을 활용하여 고장 감지를 개선하고, 기술자 개입 없이 네트워크의 자가 치유를 가능하게 하여 안정적인 전력 공급을 보장하고 자연재해나 공격에 대한 취약성을 줄인다.[24]

기존 전력망 또한 여러 경로를 통해 연결성을 보장하는 네트워크 구조를 가지고 있었지만, 특정 네트워크 요소의 한계 초과 시 다른 요소로 전류가 우회되어 연쇄적인 고장을 일으키는 도미노 효과가 발생할 수 있다.[25][26] 이를 방지하기 위해 순환 정전 또는 전압 강하(브라운아웃)에 의한 부하 차단 기술이 사용된다.[25][26]

3. 2. 네트워크 토폴로지의 유연성

스마트 그리드는 전기 사용량을 실시간으로 모니터링하여 전력 수요를 분산시키고, 사고 발생 시 대체 송배전 선로를 통해 전기를 공급하는 등 유연하게 대처하여 안정적인 전력 공급을 가능하게 한다.[27][12] 차세대 송전 및 배전 인프라는 양방향 에너지 흐름을 처리하여 분산 발전 태양광 패널, 전기 자동차 배터리 충전 및 방전, 풍력 터빈, 양수 발전, 연료 전지 등 다양한 에너지원을 활용할 수 있게 한다.

기존 전력망은 일방향으로 설계되었지만, 지역 하위 네트워크에서 소비량보다 많은 전력을 생산하면 역방향 흐름(역조류)이 발생하여 안전 및 신뢰성 문제가 발생할 수 있다. 스마트 그리드는 이러한 상황을 관리한다. 역조류는 전압 변동과 주파수 변동을 일으킬 수 있다. 대규모 송전 계통에서는 발전소의 조속기[163]를 통해 전력 품질을 유지하지만, 역조류가 다량 유입되면 주파수 안정성과 전압 유지가 어려워져 발전소가 송전망에서 차단될 수 있다.

대규모 발전 역조류는 온로드 탭 전환기(OLTC 또는 LTC)[164]를 설치하여 전압 강하를 조정할 수 있지만, 소규모 발전에는 변압기의 탭[165]만으로는 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 여러 가구가 동시에 역조류를 일으키면 전압이 국소적으로 상승한다. 일본에서는 전기 사업법에 따라 전압을 101±6V나 202V±20V 범위 내로 유지해야 하며, 이를 초과하면 파워 컨디셔너가 작동하여 전력 판매가 불가능해진다. 또한, 변압기에서 먼 집은 전압 상승 영향을 크게 받아, 변압기 인근 가구들이 역조류를 일으키면 배전 계통 말단 측은 발전 전력을 판매하지 못할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 변압기를 늘려 역조류를 쉽게 하는 대책이 논의되고 있다.[142] 일본 전력 회사는 높은 주파수 안정성을 강조하지만, 유럽 전력망에 비해 규정 허용 범위가 완화되어 있다. 역조류와 같은 전력 안정성을 저해하는 요인에 대해, 전압 및 주파수 변동을 피하기 위한 설비 투자가 필요한지에 대한 의문이 제기되고 있다. 산업용 동기식 모터를 제외하면 많은 기기가 인버터 방식으로 작동하여 정확한 주파수를 필요로 하지 않고, 에너지 절약을 지향한다. 전압 역시 인버터 방식 전원이나 직류 동작을 위한 전원 회로를 갖춘 전기 제품이 주류가 되어, 약간의 전압 변화는 큰 영향을 미치지 않는다.

전화 회선은 전용 회선으로 높은 통신 품질을 유지했지만, 구축 및 유지 관리에 큰 비용이 들었다. 디지털 통신은 전용 회선에서 시작하여 베스트 에포트 방식의 IP 네트워크로 변화했지만, 품질 불만은 크지 않다. 역조류 대응을 위한 전력망 추가 투자 필요성에 대한 논의도 있지만, 통신 회선처럼 전력 서비스도 고품질 유지에서 베스트 에포트로 전환해야 하는지에 대한 재검토 의견도 있다.

전력망은 통신망과 달리 합성의 오류를 고려해야 한다. 1987년 7월 23일 수도권 대정전의 원인 중 하나는 인버터 기기 부하의 정전력 특성으로, 배전선 전압 강하에 대해 인버터 기기가 전류를 많이 끌어들이도록 제어되어 송배전망 전압 제어 기능이 한계에 달했다는 점이 지적된다.[168] 그러나 현재는 스마트화를 통해 이러한 과부하에 의한 대규모 정전을 방지할 수 있다고 여겨진다.

3. 3. 효율성

스마트 그리드는 단순히 전력망을 지능화하는 것에서 그치는 것이 아니라, 다른 산업과의 연계할 수 있다는 점에서 큰 파급효과를 가지고 있으며, 2030년에는 1경원에 달하는 시장이 형성될 것으로 예상되고 있다.[189]

스마트 그리드와 연계되는 분야로는 전력서비스산업, 정보통신산업, 전력저장장치, 마이크로그리드, 전기자동차산업, 건설산업 등이 있다.

스마트 그리드의 최종적인 목표는 에너지 절감이다. 필요한 만큼의 전기를 생산하고, 남는 전기는 축전기를 통하여 저장하고 필요할 때 다시 공급하여 버려지는 전기를 줄일 수 있다. 또 전력수요를 분산시켜서 발전 설비의 효율을 증가시키고, 통신 기기에 직접 전력을 공급하는 전력 변환 장치나 축전지의 일부 또는 전체를 수전(受電) 설비, 예비 전원 설비와 분리하여 통신 기기의 근처에 분산하여 설치하는 방식을 통해 송배전효율을 증대시킬 수 있다.

이러한 에너지 절감과 신재생 에너지의 도입을 가속화시켜서 온실 가스의 배출 감소를 얻을 수 있다.

또한 현재 공급이 일정하지 못한 신재생 에너지를 활성화, 상용화 시킬 수 있을 것으로 보인다.

스마트 그리드 기술 배치를 통해 에너지 인프라의 효율성을 전반적으로 개선하는 데 기여할 것으로 예상되며, 특히 '''수요 측 관리'''가 포함된다. 예를 들어, 단기적인 전기 요금 급등 시 에어컨을 끄는 것,[28] 전압/VAR 최적화(VVO)를 통해 배전선의 전압을 가능한 경우 낮추는 것, 검침을 위한 차량 방문을 없애는 것, 그리고 첨단 검침 인프라 시스템의 데이터를 활용한 개선된 정전 관리를 통해 차량 방문을 줄이는 것 등이 있다. 전반적인 효과는 송전 및 배전선의 중복을 줄이고 발전기의 활용도를 높여 전력 가격을 낮추는 것이다.

스마트 그리드의 목적은 비용 최소화이다. 스마트 그리드가 소비자 이익으로 연결될지는 미지수이지만[138], 2009년부터 이미 IEEE에 의한 표준화가 시작되었다.

구체적으로는 디지털 컴퓨터 내장형 고기능 전력 제어 장치끼리 발전 설비에서 최종 전력 기기까지 네트워크로 연결하거나, 기존의 중앙 제어로는 달성할 수 없는 자율 분산적인 제어 방식을 도입함으로써, 전력망 내의 수요와 공급 균형의 최적화 조정(#역조류 참조)과 사고 및 과부하 등(#기존 전력 계통의 재검토 참조)에 대한 내성을 높인다. 스마트 그리드를 통해 정전 방지 및 송전 조정 외에 다양한 전력 계약 실현 및 인건비 삭감 등이 가능해졌다.

전력망에 연결된 전체 부하는 시간에 따라 크게 변동할 수 있다. 전체 부하는 고객의 많은 개별 선택의 합이지만, 전체 부하가 반드시 안정적이거나 천천히 변동하는 것은 아니다. 예를 들어, 인기 있는 텔레비전 프로그램이 시작되면 수백만 대의 텔레비전이 즉시 전류를 소비하기 시작한다. 전통적으로는 대형 발전기의 시동 시간보다 빠른 전력 소비의 급증에 대응하기 위해 일부 예비 발전기가 소산 대기 모드로 가동된다. 스마트 그리드는 모든 개별 텔레비전 또는 다른 대규모 고객에게 부하를 일시적으로 줄이도록 경고할 수 있다[29]. (대형 발전기를 시동할 시간을 주기 위해) 또는 지속적으로 (자원이 제한적인 경우).

고비용 피크 사용 기간 동안 수요를 줄이기 위해 통신 및 계량 기술은 가정 및 기업의 스마트 장치에 에너지 수요가 높을 때 알리고 얼마나 많은 전기를 언제 사용하는지 추적한다. 또한 유틸리티 회사에서 시스템 과부하를 방지하기 위해 장치와 직접 통신하여 소비를 줄일 수 있는 기능을 제공한다. 예를 들어 유틸리티에서 전기 자동차 충전소 그룹의 사용을 줄이거나 도시의 에어컨 온도 설정점을 변경하는 것이다. 사용량 감축을 유도하고 소위 '''피크 감축''' 또는 '''피크 레벨링'''을 수행하기 위해, 수요가 많은 기간에는 전기 요금이 인상되고 수요가 적은 기간에는 인하된다.[12]

3. 3. 1. 부하 조정/부하 균형

전력망에 연결된 전체 부하는 시간에 따라 크게 변동할 수 있다. 전체 부하는 고객의 많은 개별 선택의 합이지만, 전체 부하가 반드시 안정적이거나 천천히 변동하는 것은 아니다. 예를 들어, 인기 있는 텔레비전 프로그램이 시작되면 수백만 대의 텔레비전이 즉시 전류를 소비하기 시작한다. 전통적으로는 대형 발전기의 시동 시간보다 빠른 전력 소비의 급증에 대응하기 위해 일부 예비 발전기가 소산 대기 모드로 가동된다. 스마트 그리드는 모든 개별 텔레비전 또는 다른 대규모 고객에게 부하를 일시적으로 줄이도록 경고할 수 있다[29]. (대형 발전기를 시동할 시간을 주기 위해) 또는 지속적으로 (자원이 제한적인 경우). 수학적 예측 알고리즘을 사용하여 특정 고장률을 달성하기 위해 얼마나 많은 예비 발전기를 사용해야 하는지 예측할 수 있다. 전통적인 전력망에서는 고장률을 줄이려면 더 많은 예비 발전기가 필요하다. 스마트 그리드에서는 고객의 작은 부분이라도 부하를 줄이면 문제를 해결할 수 있다.

에너지 관리 시스템(xEnergy Management System: xEMS)[162]은 전기나 가스 등의 에너지 사용 상황을 ICT를 사용하여 적절하게 파악·관리하고 에너지 절약을 실현하는 시스템이다[148].

; 약칭

: 에너지 관리 시스템의 약칭은 '''xEMS'''가 널리 사용된다[148]. 이는 ISO 50001이 정하는 "에너지 경영 시스템"이나 ISO 14001이 정하는 "환경 경영 시스템" 등의 유사어와의 혼동을 피하기 위한 것이며, 다음 약칭으로 구분된다[148].

:* '''xEMS'''（:en:Energy management system） - 에너지 관리 시스템

:* '''EnMS'''（Energy Management System） - ISO 50001: 에너지 경영 시스템

:* '''EMS'''（Environmental Management System） - ISO 14001: 환경 경영 시스템

: 스마트 그리드에서의 에너지 관리 시스템은 '''xEMS'''를 가리킨다. ISO의 기준을 나타내는 '''EnMS'''나 '''EMS'''와는 내용이 전혀 다르므로 주의해야 한다. 또한 스마트 그리드에서의 에너지 관리 시스템을, 일본어 표기에서는 단순히 '''EMS'''로 줄여 쓰기도 하며[149], 용어를 사용하는 조직이나 상황에 따라 차이가 있어 명확한 약칭의 기준은 없다.

; 종류

: '''xEMS'''에는 수요 측, 공급 측 등의 연계 정도에 따라 다양한 시스템이 있으며, 맨 앞의 "'''x'''"는 주로 대상 건물의 종류에 따라 "B", "H", "M", "F" 등으로 바꾼 아래와 같은 용어로 사용된다.

:* '''BEMS'''：빌딩 에너지 관리 시스템[150]

:* '''HEMS'''：홈 에너지 관리 시스템[151]

:* '''MEMS'''：맨션 에너지 관리 시스템[154]

:* '''FEMS'''：공장 에너지 관리 시스템[160]

:* '''CEMS'''：지역 에너지 관리 시스템[162]

3. 3. 2. 피크 감축/레벨링 및 사용 시간 가격 책정

고비용 피크 사용 기간 동안 수요를 줄이기 위해 통신 및 계량 기술은 가정 및 기업의 스마트 장치에 에너지 수요가 높을 때 알리고 얼마나 많은 전기를 언제 사용하는지 추적한다. 또한 유틸리티 회사에서 시스템 과부하를 방지하기 위해 장치와 직접 통신하여 소비를 줄일 수 있는 기능을 제공한다. 예를 들어 유틸리티에서 전기 자동차 충전소 그룹의 사용을 줄이거나 도시의 에어컨 온도 설정점을 변경하는 것이다. 사용량 감축을 유도하고 소위 '''피크 감축''' 또는 '''피크 레벨링'''을 수행하기 위해, 수요가 많은 기간에는 전기 요금이 인상되고 수요가 적은 기간에는 인하된다.[12] 소비자와 소비 장치가 피크 시간대에 전기를 사용하기 위한 높은 가격 프리미엄을 인식할 수 있다면, 소비자 및 기업은 수요가 많은 기간에 소비를 줄이는 경향이 있을 것으로 생각된다. 이는 에어컨을 켜고 끄거나 오후 5시 대신 오후 9시에 식기 세척기를 작동시키는 것과 같은 절충을 의미할 수 있다. 기업과 소비자가 비피크 시간대에 에너지를 사용하는 직접적인 경제적 이점을 얻을 때, 그들은 운영에 드는 에너지 비용을 소비자 장치 및 건물 건설 결정에 포함시켜 에너지 효율성을 높일 것이라는 이론이 있다.

3. 4. 지속 가능성

스마트 그리드는 전력망 지능화를 넘어 다른 산업과의 연계를 통해 큰 파급효과를 가지며, 2030년에는 1경원에 달하는 시장이 형성될 것으로 예상된다.[189]

스마트 그리드는 전력서비스산업, 정보통신산업, 전력저장장치, 마이크로그리드, 전기자동차산업, 건설산업 등과 연계된다. 스마트 그리드의 궁극적인 목표는 에너지 절감으로, 필요한 만큼의 전기를 생산하고 남는 전기는 축전기에 저장하여 버려지는 전기를 줄인다. 전력 수요 분산을 통해 발전 설비 효율을 높이고, 통신 기기 근처에 전력 변환 장치나 축전지를 분산 설치하여 송배전 효율을 증대시킬 수 있다.

에너지 절감 및 신재생 에너지 도입 가속화를 통해 온실 가스 배출 감소 효과를 얻을 수 있다.

또한, 스마트 그리드는 공급이 일정하지 못한 신재생 에너지의 활성화 및 상용화에 기여할 수 있다. 향상된 유연성을 바탕으로 에너지 저장 없이도 태양광 발전 및 풍력 발전과 같이 변동성이 큰 재생 에너지원의 수용을 확대한다.[30] 현재의 네트워크 인프라는 많은 분산형 공급 지점을 허용하도록 구축되지 않았지만, 스마트 그리드 기술은 그리드에 매우 많은 양의 재생 가능 전력을 공급하기 위한 필수 조건이다. 차량-전력망에 대한 지원도 가능하다.[31]

3. 5. 시장 활성화

스마트 그리드는 단순히 전력망을 지능화하는 것에서 그치는 것이 아니라, 다른 산업과의 연계할 수 있다는 점에서 큰 파급효과를 가지고 있으며, 2030년에는 1경원에 달하는 시장이 형성될 것으로 예상되고 있다.[189]

스마트 그리드와 연계되는 분야로는 전력서비스산업, 정보통신산업, 전력저장장치, 마이크로그리드, 전기자동차산업, 건설산업 등이 있다.

스마트 그리드는 공급자(에너지 가격)와 소비자(지불 의사) 간의 체계적인 통신을 가능하게 하며, 공급자와 소비자 모두 운영 전략을 더욱 유연하고 정교하게 만들 수 있게 해준다. 중요한 부하만 최고 에너지 가격을 지불하면 되며, 소비자는 에너지를 사용하는 시기에 대해 더욱 전략적으로 접근할 수 있게 된다. 유연성이 더 큰 발전기는 최대 이익을 위해 에너지를 전략적으로 판매할 수 있으며, 기저 부하 증기 터빈 및 풍력 터빈과 같이 유연성이 떨어지는 발전기는 수요 수준과 현재 가동 중인 다른 발전기의 상태에 따라 변동 요금을 받게 된다. 전체적인 효과는 에너지 효율성을 높이고, 공급의 시간별 변동 제한에 민감한 에너지 소비를 장려하는 신호가 된다. 가정 수준에서, 어느 정도의 에너지 저장 또는 열 질량을 가진 가전제품(예: 냉장고, 열 저장 장치 및 열 펌프)은 시장에서 '활약'하고, 수요를 저렴한 에너지 지원 기간에 맞춰 에너지 비용을 최소화하기 위해 노력할 수 있다. 이는 위에서 언급한 이중 요금 에너지 가격 책정의 연장선이다.

3. 5. 1. 수요 반응 지원

수요 반응 지원은 발전기와 부하가 실시간으로 자동화된 방식으로 상호 작용하여 수요를 조정함으로써 급증을 완화할 수 있도록 한다. 이러한 급증 시 발생하는 수요의 일부를 제거하면 예비 발전기를 추가하는 비용이 절감되고, 마모가 줄어들며 장비의 수명이 연장되며, 사용자는 우선 순위가 낮은 장치가 가장 저렴할 때만 에너지를 사용하도록 함으로써 에너지 요금을 절감할 수 있다.[32]

현재 전력망 시스템은 발전소, 송전선, 변전소 및 주요 에너지 사용자 등 고가치 자산에 대한 제어 시스템 내에서 다양한 수준의 통신을 가지고 있다. 일반적으로 정보는 사용자와 사용자가 제어하는 부하에서 유틸리티로 단방향으로 흐른다. 유틸리티는 수요를 충족시키려고 시도하며 다양한 정도(정전, 순환 정전, 통제 불능 정전)로 성공하거나 실패한다. 사용자가 요구하는 총 전력량은 매우 넓은 확률 분포를 가질 수 있으며, 이는 급변하는 전력 사용에 대응하기 위해 대기 모드에서 예비 발전소를 필요로 한다. 이러한 일방향 정보 흐름은 비용이 많이 든다. 발전 용량의 마지막 10%는 시간의 1% 정도만 필요할 수 있으며, 정전 및 중단은 소비자에게 많은 비용을 초래할 수 있다.

수요 반응은 상업용, 주거용 부하 및 산업용 부하에서 제공될 수 있다.[33] 예를 들어, Alcoa(알코아)의 Warrick(워릭) 사업부는 MISO(미드콘티넨탈 독립 시스템 운영자)에 자격을 갖춘 수요 반응 자원으로 참여하고 있으며,[34] Trimet Aluminium(트라이멧 알루미늄)은 제련소를 단기 메가 배터리로 사용한다.[35]

데이터 흐름의 지연 시간은 주요 관심사이며, 일부 초기 스마트 미터 아키텍처에서는 데이터를 수신하는 데 최대 24시간의 지연이 발생하여 공급 또는 수요 장치에서 가능한 모든 반응을 방지한다.[36]

4. 기술

스마트 그리드 기술의 대부분은 이미 제조 및 통신과 같은 다른 응용 분야에서 사용되고 있으며 그리드 운영에 맞게 조정되고 있다.[37]


  • '''통합 통신:''' 개선 영역에는 변전소 자동화, 수요 반응, 배전 자동화, 감시 제어 및 데이터 수집(SCADA), 에너지 관리 시스템, 무선 메시 네트워크 및 기타 기술, 전력선 통신 및 광섬유가 있다.[12] 통합 통신을 통해 시스템 안정성, 자산 활용 및 보안을 최적화하기 위해 실시간 제어, 정보 및 데이터 교환이 가능해진다.[38]

  • '''감지 및 측정:''' 핵심 업무는 혼잡 및 그리드 안정성 평가, 장비 상태 모니터링, 에너지 도난 방지,[39] 및 제어 전략 지원이다. 기술에는 첨단 마이크로프로세서 미터(스마트 미터) 및 미터 판독 장비, 광역 모니터링 시스템(일반적으로 분산 온도 감지에 의한 온라인 판독과 실시간 열 정격(RTTR) 시스템 결합), 전자기적 특성 측정/분석, 사용 시간 및 실시간 가격 책정 도구, 고급 스위치 및 케이블, 후방 산란 무선 기술 및 디지털 보호 계전기가 포함된다. 위상 측정 장치와 관련하여, 많은 전력 시스템 엔지니어링 커뮤니티에서는 2003년 북동부 정전이 광역 위상 측정 네트워크가 구축되어 있었다면 훨씬 작은 지역으로 제한될 수 있었을 것이라고 믿고 있다.[40]

  • '''스마트 미터:''' 전력 검침 미터 내에 통신 기능을 갖춘 차세대 전력량계이다.[145] 전기 요금 검침 업무의 자동화 및 HEMS 등을 통해 전기 사용 상황을 시각화할 수 있다.[146] 수요자와 전력 회사 간의 양방향 통신이 가능하여 수요 반응 등, 커뮤니티 레벨에서의 에너지 관리에 기여할 것으로 기대된다.[145] 자원 에너지청은 스마트 미터(기록형 계량기)를 스마트 그리드의 중요한 구성 요소 중 하나로 보고 있다.[146]

  • '''위상 측정 장치:''' 전력 시스템의 광범위한 영역에서 전압 및 전류의 페이저를 측정하는 장치이다.

  • '''분산 전력 흐름 제어:''' 전력 흐름 제어 장치는 기존의 송전선에 클램프를 부착하여 내에서 전력 흐름을 제어한다. 이러한 장치를 갖춘 송전선은 그리드 내에서 에너지가 라우팅되는 방식을 보다 일관적이고 실시간으로 제어하여 재생 에너지의 더 큰 사용을 지원한다. 이 기술을 통해 그리드는 간헐적인 재생 에너지로부터의 에너지를 나중에 사용하기 위해 보다 효과적으로 저장할 수 있다.[41]

  • '''스마트 발전:''' 여러 개의 동일한 발전기를 사용하여 전기 생산을 수요와 일치시키는 개념으로, 기저 부하 발전소 및 피크 부하 발전소 발전에 적합하다.[42] 전력 전송 시스템 운영자는 모든 발전기의 전력 출력을 전력망의 부하와 일치시키는 부하 균형 작업을 담당하며, 이는 안정적이고 안정적인 전력 공급에 필수적이다. 공급과 수요의 단기적 편차는 주파수 변동으로 이어지고 장기간의 불일치는 정전을 초래한다. 풍력 터빈 및 태양 전지와 같이 간헐적이고 가변적인 발전기가 그리드에 추가됨에 따라 부하 균형 작업은 훨씬 더 어려워졌다. 에스토니아의 키이사 발전소는 Wärtsilä에서 건설한 동적 그리드 안정성 발전소로, "전력 공급의 갑작스럽고 예상치 못한 감소를 충족하기 위해 동적 발전 용량을 제공"하는 것을 목적으로 하며, 2013년과 2014년에 준비될 예정이며 총 출력은 250MW가 될 것이다.[43]

  • '''전력 시스템 자동화:''' 특정 그리드 중단 또는 정전에 대한 신속한 진단 및 정확한 해결책을 가능하게 한다. 인공 지능 프로그래밍 기술을 사용하여 중국 푸젠성의 전력망은 제어 전략을 빠르고 정확하게 계산하고 실행할 수 있는 광역 보호 시스템을 만들었다.[44] 전압 안정성 모니터링 및 제어(VSMC) 소프트웨어는 민감도 기반 순차적 선형 프로그래밍 방식을 사용하여 최적의 제어 솔루션을 안정적으로 결정한다.[45]

4. 1. 통합 통신

스마트 그리드 기술의 대부분은 이미 제조 및 통신과 같은 다른 응용 분야에서 사용되고 있으며 그리드 운영에 맞게 조정되고 있다.[37] 통합 통신을 통해 시스템 안정성, 자산 활용 및 보안을 최적화하기 위해 실시간 제어, 정보 및 데이터 교환이 가능해진다.[38] 개선 영역에는 변전소 자동화, 수요 반응, 배전 자동화, 감시 제어 및 데이터 수집(SCADA), 에너지 관리 시스템, 무선 메시 네트워크 및 기타 기술, 전력선 통신 및 광섬유가 있다.[12]

4. 2. 감지 및 측정

스마트 그리드 기술의 대부분은 이미 제조 및 통신과 같은 다른 응용 분야에서 사용되고 있으며 그리드 운영에 맞게 조정되고 있다.[37] 감지 및 측정의 핵심 기술에는 첨단 마이크로프로세서 미터(스마트 미터) 및 미터 판독 장비, 광역 모니터링 시스템, 전자기적 특성 측정/분석, 사용 시간 및 실시간 가격 책정 도구, 고급 스위치 및 케이블, 후방 산란 무선 기술 및 디지털 보호 계전기가 포함된다. 주요 업무는 혼잡 및 그리드 안정성 평가, 장비 상태 모니터링, 에너지 도난 방지,[39] 및 제어 전략 지원 등이다.

많은 전력 시스템 엔지니어링 커뮤니티에서는 2003년 북동부 정전이 광역 위상 측정 장치 네트워크가 구축되어 있었다면 훨씬 작은 지역으로 제한될 수 있었을 것이라고 믿고 있다.[40] 분산 전력 흐름 제어 장치는 기존의 송전선에 부착되어 전력 흐름을 제어한다. 이러한 장치를 갖춘 송전선은 그리드 내에서 에너지 경로를 보다 일관적이고 실시간으로 제어하여 재생 에너지의 더 큰 사용을 지원한다. 이 기술을 통해 그리드는 간헐적인 재생 에너지로부터의 에너지를 나중에 사용하기 위해 보다 효과적으로 저장할 수 있다.[41]

4. 3. 스마트 미터

스마트 미터는 전력 검침 미터 내에 통신 기능을 갖춘 차세대 전력량계이다.[145] 전기 요금 검침 업무의 자동화 및 HEMS 등을 통해 전기 사용 상황을 시각화할 수 있다.[146] 수요자와 전력 회사 간의 양방향 통신이 가능하여 수요 반응 등, 커뮤니티 레벨에서의 에너지 관리에 기여할 것으로 기대된다.[145] 자원 에너지청은 스마트 미터(기록형 계량기)를 스마트 그리드의 중요한 구성 요소 중 하나로 보고 있다.[146]

스마트 미터는 자동 검침, 원격 제어, 실시간 요금 정보 제공 등의 기능을 통해 전력 사용의 효율성을 높인다.

스마트 미터의 주요 특징은 다음과 같다.

  • 전기 사용량 검침 작업을 통신 기능을 갖춘 전기 미터가 자동으로 전력 사업자에게 원격 보고한다(AMR).
  • 소비자가 PC, 모바일 화면 등으로 요금을 확인할 수 있다(시각화).
  • 세분화된 요금 체계의 실시.
  • 전력 사용량의 상시 감시를 통해 공급 계획에 활용한다.


스마트 미터 도입으로 공급자는 검침 인건비 및 시간을 절감할 수 있다. 소비자는 다양한 전력 계약을 선택할 수 있으며, 기간에 따라 단가에 큰 격차를 두는 경우, 대부분의 기간 동안 저렴한 전기 요금을 누릴 수 있다. 또한 외부에서 가전 제품 제어가 용이해진다.[147]

그러나 스마트 미터는 다음과 같은 단점도 가지고 있다.

  • 공급자: 피뢰 등으로 스마트 미터가 고장나면 교체 수리할 때까지 전력 공급이 불가능하다.
  • 소비자: 전력 계약에 따라 피크 시간대 등의 원격 조작으로 인한 에어컨 정지(미국 PG&E사)나 전력 단가의 극단적인 증가가 발생하여, 필요한 때에 전력을 충분히 이용할 수 없거나, 고액의 요금을 지불하고 이용하게 된다. 미터가 고장난 경우, 그 자체를 교체하거나 수리해야 정전이 아니더라도 전기를 사용할 수 없다.


간사이 전력의 스마트 미터

4. 4. 위상 측정 장치

위상 측정 장치(PMU)는 전력 시스템의 광범위한 영역에서 전압 및 전류의 페이저를 측정하는 장치이다. 이 장치는 공통 시간 소스(일반적으로 GPS)를 사용하여 여러 지점에서 측정을 동기화한다. 동기화된 페이저 측정을 통해 실시간으로 전력 시스템 상태를 평가하고, 전력 시스템 안정성을 향상시킬 수 있다. 많은 전력 시스템 엔지니어링 커뮤니티에서는 2003년 북동부 정전이 광역 위상 측정 네트워크가 구축되어 있었다면 훨씬 작은 지역으로 제한될 수 있었을 것이라고 믿고 있다.[40]

4. 5. 분산 전력 흐름 제어

스마트 그리드 기술의 대부분은 이미 제조 및 통신과 같은 다른 응용 분야에서 사용되고 있으며 그리드 운영에 맞게 조정되고 있다.[37]

통합 통신은 변전소 자동화, 수요 반응, 배전 자동화, 감시 제어 및 데이터 수집(SCADA), 에너지 관리 시스템, 무선 메시 네트워크 및 기타 기술, 전력선 통신 및 광섬유를 포함하여 개선이 필요한 영역이다.[12] 이를 통해 시스템 안정성, 자산 활용 및 보안을 최적화하기 위해 실시간 제어, 정보 및 데이터 교환이 가능해진다.[38]

감지 및 측정의 핵심 업무는 혼잡 및 그리드 안정성 평가, 장비 상태 모니터링, 에너지 도난 방지,[39] 및 제어 전략 지원이다. 관련 기술에는 첨단 마이크로프로세서 미터(스마트 미터) 및 미터 판독 장비, 광역 모니터링 시스템(일반적으로 분산 온도 감지에 의한 온라인 판독과 실시간 열 정격(RTTR) 시스템 결합), 전자기적 특성 측정/분석, 사용 시간 및 실시간 가격 책정 도구, 고급 스위치 및 케이블, 후방 산란 무선 기술 및 디지털 보호 계전기가 포함된다.

위상 측정 장치와 관련하여, 많은 전력 시스템 엔지니어링 커뮤니티에서는 2003년 북동부 정전이 광역 위상 측정 네트워크가 구축되어 있었다면 훨씬 작은 지역으로 제한될 수 있었을 것이라고 믿고 있다.[40]

전력 흐름 제어 장치는 기존의 송전선에 클램프를 부착하여 내에서 전력 흐름을 제어한다. 이러한 장치를 갖춘 송전선은 그리드 내에서 에너지가 라우팅되는 방식을 보다 일관적이고 실시간으로 제어하여 재생 에너지의 더 큰 사용을 지원한다. 이 기술을 통해 그리드는 간헐적인 재생 에너지로부터의 에너지를 나중에 사용하기 위해 보다 효과적으로 저장할 수 있다.[41]

고급 구성 요소를 사용한 스마트 발전은 여러 개의 동일한 발전기를 사용하여 전기 생산을 수요와 일치시키는 개념이다. 이는 다른 발전기와 독립적으로 선택된 전기 부하에서 시작, 중지 및 효율적으로 작동할 수 있어 기저 부하 발전소 및 피크 부하 발전소 발전에 적합하게 한다.[42] 부하 균형이라고 하는 공급과 수요 일치는 안정적이고 안정적인 전력 공급에 필수적이다. 균형의 단기적 편차는 주파수 변동으로 이어지고 장기간의 불일치는 정전을 초래한다. 전력 전송 시스템 운영자는 모든 발전기의 전력 출력을 전력망의 부하와 일치시키는 부하 균형 작업을 담당한다. 풍력 터빈 및 태양 전지와 같이 간헐적이고 가변적인 발전기가 그리드에 추가됨에 따라 부하 균형 작업은 훨씬 더 어려워졌으며, 다른 생산자는 과거에 요구되었던 것보다 훨씬 더 자주 출력을 조정해야 한다. 이 개념을 활용한 최초의 두 개의 동적 그리드 안정성 발전소는 Elering에 의해 주문되었으며 Wärtsilä에서 에스토니아, 키이사(키이사 발전소)에 건설할 예정이다. 그 목적은 "전력 공급의 갑작스럽고 예상치 못한 감소를 충족하기 위해 동적 발전 용량을 제공"하는 것이다. 2013년과 2014년에 준비될 예정이며 총 출력은 250MW가 될 것이다.[43]

전력 시스템 자동화를 통해 특정 그리드 중단 또는 정전에 대한 신속한 진단 및 정확한 해결책을 얻을 수 있다. 이러한 기술은 다른 4개의 핵심 영역 각각에 의존하고 기여한다. 고급 제어 방식에 대한 세 가지 기술 범주는 분산 지능형 에이전트(제어 시스템), 분석 도구(소프트웨어 알고리즘 및 고속 컴퓨터) 및 운영 응용 프로그램(SCADA, 변전소 자동화, 수요 반응 등)이다. 인공 지능 프로그래밍 기술을 사용하여 중국 푸젠성의 전력망은 제어 전략을 빠르고 정확하게 계산하고 실행할 수 있는 광역 보호 시스템을 만들었다.[44] 전압 안정성 모니터링 및 제어(VSMC) 소프트웨어는 민감도 기반 순차적 선형 프로그래밍 방식을 사용하여 최적의 제어 솔루션을 안정적으로 결정한다.[45]

4. 6. 스마트 발전

스마트 그리드 기술은 대부분 제조 및 통신과 같은 다른 응용 분야에서 이미 사용되고 있으며, 그리드 운영에 맞게 조정되고 있다.[37]

통합 통신은 변전소 자동화, 수요 반응, 배전 자동화, 감시 제어 및 데이터 수집(SCADA), 에너지 관리 시스템, 무선 메시 네트워크 및 기타 기술, 전력선 통신, 광섬유를 포함하여 시스템 안정성, 자산 활용 및 보안을 최적화하기 위한 실시간 제어, 정보 및 데이터 교환을 가능하게 한다.[12][38]

감지 및 측정 기술에는 첨단 마이크로프로세서 미터(스마트 미터) 및 미터 판독 장비, 광역 모니터링 시스템, 전자기적 특성 측정/분석, 사용 시간 및 실시간 가격 책정 도구, 고급 스위치 및 케이블, 후방 산란 무선 기술, 디지털 보호 계전기 등이 포함되며, 혼잡 및 그리드 안정성 평가, 장비 상태 모니터링, 에너지 도난 방지,[39] 및 제어 전략 지원과 같은 핵심 업무를 수행한다. 많은 전력 시스템 엔지니어링 커뮤니티에서는 2003년 북동부 정전이 광역 위상 측정 네트워크가 구축되어 있었다면 훨씬 작은 지역으로 제한될 수 있었을 것이라고 믿고 있다.[40]

분산 전력 흐름 제어 장치는 기존의 송전선에 클램프를 부착하여 전력 흐름을 제어하고, 재생 에너지의 더 큰 사용을 지원한다. 이를 통해 그리드는 간헐적인 재생 에너지로부터의 에너지를 나중에 사용하기 위해 보다 효과적으로 저장할 수 있다.[41]

스마트 발전은 여러 개의 동일한 발전기를 사용하여 전기 생산을 수요와 일치시키는 개념으로, 기저 부하 발전소 및 피크 부하 발전소 발전에 적합하다.[42] 전력 전송 시스템 운영자는 모든 발전기의 전력 출력을 전력망의 부하와 일치시키는 부하 균형 작업을 담당하며, 이는 안정적이고 안정적인 전력 공급에 필수적이다. 공급과 수요의 단기적 편차는 주파수 변동으로 이어지고 장기간의 불일치는 정전을 초래한다. 풍력 터빈 및 태양 전지와 같이 간헐적이고 가변적인 발전기가 그리드에 추가됨에 따라 부하 균형 작업은 훨씬 더 어려워졌다. 에스토니아의 키이사 발전소는 Wärtsilä에서 건설한 동적 그리드 안정성 발전소로, "전력 공급의 갑작스럽고 예상치 못한 감소를 충족하기 위해 동적 발전 용량을 제공"하는 것을 목적으로 하며, 2013년과 2014년에 준비될 예정이며 총 출력은 250MW가 될 것이다.[43]

전력 시스템 자동화를 통해 특정 그리드 중단 또는 정전에 대한 신속한 진단 및 정확한 해결책을 얻을 수 있다. 인공 지능 프로그래밍 기술을 사용하여 중국 푸젠성의 전력망은 제어 전략을 빠르고 정확하게 계산하고 실행할 수 있는 광역 보호 시스템을 만들었다.[44] 전압 안정성 모니터링 및 제어(VSMC) 소프트웨어는 민감도 기반 순차적 선형 프로그래밍 방식을 사용하여 최적의 제어 솔루션을 안정적으로 결정한다.[45]

에너지 관리 시스템(xEMS)[162]은 전기나 가스 등의 에너지 사용 상황을 ICT를 사용하여 적절하게 파악·관리하고 에너지 절약을 실현하는 시스템이다.[148]

4. 7. 전력 시스템 자동화

스마트 그리드 기술의 대부분은 이미 제조 및 통신과 같은 다른 응용 분야에서 사용되고 있으며 그리드 운영에 맞게 조정되고 있다.[37] 전력 시스템 자동화를 통해 특정 그리드 중단 또는 정전에 대한 신속한 진단 및 정확한 해결책을 얻을 수 있다. 이러한 기술은 다른 핵심 영역에 의존하고 기여한다.

  • 통합 통신: 변전소 자동화, 수요 반응, 배전 자동화, 감시 제어 및 데이터 수집(SCADA), 에너지 관리 시스템, 무선 메시 네트워크 및 기타 기술, 전력선 통신 및 광섬유등이 개선 영역에 해당된다.[12] 통합 통신을 통해 시스템 안정성, 자산 활용 및 보안을 최적화하기 위해 실시간 제어, 정보 및 데이터 교환이 가능해진다.[38]
  • 감지 및 측정: 혼잡 및 그리드 안정성 평가, 장비 상태 모니터링, 에너지 도난 방지,[39] 및 제어 전략 지원등이 핵심 업무이다. 관련 기술에는 첨단 마이크로프로세서 미터(스마트 미터) 및 미터 판독 장비, 광역 모니터링 시스템, 전자기적 특성 측정/분석, 사용 시간 및 실시간 가격 책정 도구, 고급 스위치 및 케이블, 후방 산란 무선 기술 및 디지털 보호 계전기가 포함된다.
  • 분산 전력 흐름 제어: 전력 흐름 제어 장치는 기존의 송전선에 클램프를 부착하여 내에서 전력 흐름을 제어한다. 이러한 장치를 갖춘 송전선은 그리드 내에서 에너지가 라우팅되는 방식을 보다 일관적이고 실시간으로 제어하여 재생 에너지의 더 큰 사용을 지원한다. 이 기술을 통해 그리드는 간헐적인 재생 에너지로부터의 에너지를 나중에 사용하기 위해 보다 효과적으로 저장할 수 있다.[41]
  • 스마트 발전: 스마트 발전은 여러 개의 동일한 발전기를 사용하여 전기 생산을 수요와 일치시키는 개념으로, 다른 발전기와 독립적으로 선택된 전기 부하에서 시작, 중지 및 효율적으로 작동할 수 있어 기저 부하 발전소 및 피크 부하 발전소 발전에 적합하게 한다.[42] 부하 균형이라고 하는 공급과 수요 일치는 안정적이고 안정적인 전력 공급에 필수적이다. 균형의 단기적 편차는 주파수 변동으로 이어지고 장기간의 불일치는 정전을 초래한다. 전력 전송 시스템 운영자는 모든 발전기의 전력 출력을 전력망의 부하와 일치시키는 부하 균형 작업을 담당한다. 풍력 터빈 및 태양 전지와 같이 간헐적이고 가변적인 발전기가 그리드에 추가됨에 따라 부하 균형 작업은 훨씬 더 어려워졌으며, 다른 생산자는 과거에 요구되었던 것보다 훨씬 더 자주 출력을 조정해야 한다.
  • 고급 제어 방식: 분산 지능형 에이전트(제어 시스템), 분석 도구(소프트웨어 알고리즘 및 고속 컴퓨터) 및 운영 응용 프로그램(SCADA, 변전소 자동화, 수요 반응 등)의 세가지 기술이 사용된다. 인공 지능 프로그래밍 기술을 사용하여 중국 푸젠성의 전력망은 제어 전략을 빠르고 정확하게 계산하고 실행할 수 있는 광역 보호 시스템을 만들었다.[44] 전압 안정성 모니터링 및 제어(VSMC) 소프트웨어는 민감도 기반 순차적 선형 프로그래밍 방식을 사용하여 최적의 제어 솔루션을 안정적으로 결정한다.[45]


2003년 북동부 정전의 경우, 많은 전력 시스템 엔지니어링 커뮤니티에서는 광역 위상 측정 네트워크가 구축되어 있었다면 훨씬 작은 지역으로 제한될 수 있었을 것이라고 믿고 있다.[40]

5. 연구

5. 1. 주요 프로그램

인텔리 그리드(IntelliGrid)는 전기 연구소(Electric Power Research Institute, EPRI)에서 개발한 아키텍처로, 고급 계량, 배전 자동화 및 수요 반응과 같은 IT 기반 시스템을 유틸리티에서 계획, 사양, 조달하는 데 사용하기 위한 방법론, 도구, 표준 및 기술 권장 사항을 제공한다.[46] Southern California Edison, Long Island Power Authority, Salt River Project, TXU Electric Delivery 등 여러 유틸리티가 이 아키텍처를 적용했다.[46] 인텔리 그리드 컨소시엄은 공공/민간 파트너십으로, 글로벌 연구 노력을 통합 및 최적화하고, 기술 연구 개발(R&D)에 자금을 지원하며, 기술 정보를 배포한다.[46]

그리드 2030(Grid 2030)은 전력 유틸리티 산업, 장비 제조업체, 정보 기술 제공업체, 연방 및 주 정부 기관, 이해 관계자 그룹, 대학 및 국립 연구소가 개발한 미국 전기 시스템에 대한 공동 비전 성명이다.[47] 발전, 송전, 배전, 저장 및 최종 사용을 다룬다.[47] National Electric Delivery Technologies Roadmap은 그리드 2030 비전을 위한 구현 문서로, 그리드 현대화를 위한 주요 문제와 과제를 간략하게 설명하고, 정부와 산업이 미국의 미래 전기 공급 시스템을 구축하기 위해 취할 수 있는 경로를 제시한다.[48]

현대 그리드 이니셔티브(Modern Grid Initiative, MGI)는 미국 에너지부(DOE), 국립 에너지 기술 연구소(NETL), 유틸리티, 소비자, 연구원 및 기타 그리드 이해 관계자 간의 협력적 노력으로, 미국 전기 그리드를 현대화하고 통합하기 위한 것이다.[49] DOE의 전력 공급 및 에너지 안정성 사무소(OE)가 이 이니셔티브를 후원하며, 그리드 2030 및 National Electricity Delivery Technologies Roadmap을 기반으로 구축되었으며 그리드와이즈(GridWise) 및 그리드웍스(GridWorks)와 같은 다른 프로그램과 일치한다.[49]

그리드와이즈(GridWise)는 미국 전기 그리드를 현대화하기 위한 정보 기술 개발에 중점을 둔 DOE OE 프로그램이다.[50] 그리드와이즈 얼라이언스(GridWise Alliance)와 협력하여 통신 아키텍처 및 표준, 시뮬레이션 및 분석 도구, 스마트 기술, 테스트 베드 및 데모 프로젝트, 새로운 규제, 제도 및 시장 프레임워크에 투자한다.[50] 그리드와이즈 얼라이언스는 공공 및 민간 전력 부문 이해 관계자 컨소시엄으로, 아이디어 교환, 협력 노력 및 연방 및 주 차원의 정책 입안자와의 회의를 위한 포럼을 제공한다.[50]

그리드와이즈 아키텍처 위원회(GridWise Architecture Council, GWAC)는 미국 에너지부에 의해 설립되어, 미국의 전력 시스템과 상호 작용하는 많은 엔티티 간의 상호 운용성을 촉진하고 가능하게 한다.[51] GWAC는 전력 시스템 전반의 상호 운용성 목표를 명확히 하고, 상호 운용성을 가능하게 하는 데 필요한 개념과 아키텍처를 식별하며, 미국의 전기 시스템을 포괄하는 시스템, 장치 및 기관의 상호 작용을 촉진하기 위한 실행 가능한 단계를 개발하기 위한 업계 지침과 도구를 제공한다.[51] GridWise 아키텍처 위원회 상호 운용성 컨텍스트 설정 프레임워크, V 1.1은 필요한 지침과 원칙을 정의한다.[51]

그리드웍스(GridWorks)는 케이블 및 도체, 변전소 및 보호 시스템, 전력 전자 장치와 같은 주요 그리드 구성 요소를 현대화하여 전기 시스템의 신뢰성을 개선하는 데 중점을 둔 DOE OE 프로그램이다.[52] 고온 초전도 시스템, 송전 신뢰성 기술, 전력 배전 기술, 에너지 저장 장치 및 그리드와이즈 시스템에 대한 노력을 조정하는 데 중점을 둔다.[52]

태평양 북서부 스마트 그리드 데모 프로젝트는 아이다호, 몬태나, 오리건, 워싱턴 및 와이오밍 등 태평양 북서부 5개 주에서 진행되는 시연이다.[53] 약 60,000명의 계량 고객이 참여하며, 미래 스마트 그리드의 많은 주요 기능을 포함한다.[53]

호주에서 솔라 시티(Solar Cities) 프로그램은 스마트 미터, 피크 및 피크 외 가격 책정, 원격 스위칭 및 관련 노력의 시험을 위해 에너지 회사와의 긴밀한 협력을 포함했다.[54] 또한 그리드 업그레이드를 위한 제한적인 자금을 제공했다.[54]

캘리포니아 대학교 로스앤젤레스에 위치한 스마트 그리드 에너지 연구 센터(SMERC)는 스마트 EV 충전 네트워크 기술의 대규모 테스트에 노력을 기울였다.[55] 유틸리티와 소비자 최종 장치 간의 양방향 정보 흐름을 위한 또 다른 플랫폼을 만들었다.[55] SMERC는 제어 센터, 수요 반응 자동화 서버(DRAS), 홈 영역 네트워크(HAN), 배터리 에너지 저장 시스템(BESS) 및 태양광(PV) 패널로 구성된 수요 반응(DR) 테스트 베드도 개발했다.[55] 이러한 기술은 로스앤젤레스 수자원 전력부 및 서던 캘리포니아 에디슨 지역 내에 EV 충전기, 배터리 에너지 저장 시스템, 태양광 패널, DC 급속 충전기 및 차량-그리드(V2G) 장치의 네트워크로 설치된다.[55]

독일에서 스마트 쿼트(Smart Quart) 프로젝트는 스마트 그리드를 운영하기 위한 기술을 개발, 테스트 및 선보이기 위해 세 개의 스마트 구역을 개발한다.[56] 이 프로젝트는 E.ON, Viessmann, gridX 및 hydrogenious와 RWTH 아헨 대학교의 협력이다.[56] 2024년 말까지 세 구역 모두 현지에서 생산된 에너지를 공급받고 화석 에너지원에 크게 의존하지 않도록 계획되어 있다.[56]

포르투갈에서 Smart5Grid는 5G 네트워크 사용과 관련된 이점을 에너지 부문의 운영자가 활용하도록 하는 것을 목표로 한다.[57] 신뢰성 공학과 보안을 통해 높은 데이터 전송 속도 및 실시간 모니터링과 같은 스마트 그리드에 의해 부과된 특정 요구 사항을 정확하게 해결하기 위한 솔루션을 제안한다.[57]

5. 2. 스마트 그리드 모델링

지능형 전력망, 즉 스마트 그리드를 모델링하기 위해 다양한 개념이 사용되어 왔으며, 이들은 일반적으로 복잡계 프레임워크 내에서 연구된다.[58] 최근 브레인스토밍 세션에서 전력망은 최적 제어, 생태학, 인간 인지, 유리 동역학, 정보 이론, 구름의 미세 물리학 등 다양한 맥락에서 고려되었다.[58]

Pelqim Spahiu와 Ian R. Evans는 연구에서 변전소 기반 스마트 보호 및 하이브리드 검사 장치의 개념을 도입했다.[59][60]

쿠라모토 모델은 잘 연구된 시스템으로, 전력망도 이 맥락에서 설명되었다.[61][62] 목표는 시스템의 균형을 유지하거나 위상 동기화(위상 고정이라고도 함)를 유지하는 것이다. 비균일 발진기는 서로 다른 기술, 다양한 유형의 발전기, 소비 패턴 등을 모델링하는 데에도 도움이 된다. 이 모델은 반딧불이의 깜박임의 동기화 패턴을 설명하는 데에도 사용되었다.[61]

네트워크 시뮬레이터는 네트워크 통신 효과를 시뮬레이션/에뮬레이션하는 데 사용된다. 여기에는 일반적으로 스마트 그리드 장치, 애플리케이션 등을 갖춘 실험실을 설정하고 네트워크 시뮬레이터가 제공하는 가상 네트워크를 사용하는 것이 포함된다.[63][64]

신경망은 전력망 관리에도 고려되었다. 전력 시스템은 비선형, 동적, 이산 또는 무작위 등 여러 가지 방식으로 분류할 수 있으며, 인공 신경망(ANN)은 이러한 문제 중 가장 어려운 비선형 문제를 해결하려고 시도한다. ANN의 한 가지 응용 분야는 수요 예측이다. 그리드가 경제적이고 안정적으로 작동하려면 수요 예측이 필수적이다. 이는 부하가 소비할 전력량을 예측하는 데 사용되기 때문이다. 이는 기상 조건, 요일 유형, 임의 이벤트, 사고 등에 따라 달라진다. 그러나 비선형 부하의 경우 부하 프로파일이 부드럽지 않고 예측 가능하지 않아 불확실성이 커지고 기존 인공 지능 모델을 사용하면 정확도가 떨어진다.[65][66][67][68][69]

풍력 발전이 계속해서 인기를 얻으면서 현실적인 전력망 연구에 필수적인 요소가 되었다. 오프라인 저장, 풍력 변동성, 공급, 수요, 가격 책정 및 기타 요인은 수학적 게임으로 모델링할 수 있다. 여기서 목표는 승리 전략을 개발하는 것이며, 마르코프 과정은 이러한 유형의 시스템을 모델링하고 연구하는 데 사용되었다.[70]

6. 경제

스마트 그리드는 단순히 전력망을 지능화하는 것에서 그치는 것이 아니라, 다른 산업과의 연계할 수 있다는 점에서 큰 파급효과를 가지고 있으며, 2030년에는 1경원에 달하는 시장이 형성될 것으로 예상되고 있다.[189]

스마트 그리드와 연계되는 분야로는 전력서비스산업, 정보통신산업, 전력저장장치, 마이크로그리드, 전기자동차산업, 건설산업 등이 있다.

6. 1. 시장 전망

스마트 그리드는 전력망 지능화를 넘어 다른 산업과 연계하여 큰 파급효과를 지니며, 2030년에는 1경원에 달하는 시장이 형성될 것으로 예상된다.[189]

스마트 그리드와 연계되는 분야로는 전력서비스산업, 정보통신산업, 전력저장장치, 마이크로그리드, 전기자동차산업, 건설산업 등이 있다.

2009년 미국 스마트 그리드 산업은 약 214억 달러의 가치를 지녔으며, 2014년에는 최소 428억 달러를 넘어설 것으로 예상되었다. 세계 시장은 2009년 693억 달러에서 2014년에는 1,714억 달러로 급증할 것으로 예상된다. 스마트 계량기 하드웨어 판매업체와 계량기로 수집된 방대한 양의 데이터를 전송하고 정리하는 데 사용되는 소프트웨어 제조업체가 가장 큰 수혜를 볼것으로 예상된다.[71]

전력연구원의 2011년 연구에 따르면, 미국 스마트 그리드에 대한 투자는 20년 동안 최대 4,760억 달러가 소요되지만, 그 기간 동안 고객에게 최대 2조 달러의 혜택을 제공할 것이다.[72] 2015년, 세계 경제 포럼은 OECD 회원국들이 전력 인프라를 현대화, 확장 및 분산화하기 위해 향후 25년 동안 7조 6천억 달러 이상(연간 3천억 달러)의 변혁적인 투자가 필요하며, 기술 혁신이 이러한 변화의 핵심이라고 보고했다.[73] 국제 에너지 기구의 2019년 연구에 따르면, 미국 전력망의 현재 가치는 1조 달러 이상이며 스마트 그리드로 교체하는 데 드는 총 비용은 4조 달러 이상으로 추산된다. 미국 전역에 스마트 그리드가 완전히 구축될 경우, 연간 1,300억 달러를 절약할 수 있을 것으로 예상된다.[74]

6. 2. 일반 경제 발전

스마트 그리드는 단순한 전력망 지능화를 넘어, 다른 산업과의 연계를 통해 큰 파급효과를 가져올 수 있다. 2030년에는 1경원에 달하는 시장이 형성될 것으로 예상된다.[189]

스마트 그리드는 전력서비스산업, 정보통신산업, 전력저장장치, 마이크로그리드, 전기자동차산업, 건설산업 등 다양한 분야와 연계된다. 고객은 서로 다른 요금 방식을 기반으로 전기 공급자를 선택할 수 있게 되어, 수송 비용에 대한 관심이 높아질 것이다. 유지 보수 및 교체 비용 절감은 더욱 발전된 제어를 유도할 것이다.

스마트 그리드는 주택 수준까지 전력량을 정확하게 제한하고, 소규모 분산 에너지 발전 및 저장 장치를 연결하며, 작동 상태 및 필요성에 대한 정보를 전달한다. 또한 가격 및 그리드 상황에 대한 정보를 수집하며, 그리드를 중앙 집중식 제어에서 협업 네트워크로 확장한다.[75]

6. 2. 1. 미국 및 영국 절감 추정치 및 우려 사항

2003년 미국 에너지부 연구에 따르면 스마트 그리드 기능을 갖춘 미국 전력망의 내부 현대화를 통해 연구가 완료된 후 몇 년 이내에 구현될 경우 향후 20년 동안 460억 달러에서 1,170억 달러를 절감할 수 있다고 계산했다.[76] 이러한 산업 현대화의 이점 외에도 스마트 그리드 기능은 온수기 등 우선순위가 낮은 가정용 기기가 가장 유리한 에너지원을 활용하도록 전력 사용을 조정하여 그리드를 넘어 가정으로 에너지 효율성을 확대할 수 있다. 스마트 그리드는 또한 지붕 태양광 패널 소유주와 같은 소규모 전력 생산자들의 전력 생산을 조정할 수 있는데, 이는 그렇지 않으면 지역 유틸리티의 전력 시스템 운영자에게 문제가 될 수 있다.

중요한 질문 중 하나는 소비자가 시장 신호에 반응할 것인가 하는 것이다. 미국 에너지부(DOE)는 [https://www.smartgrid.gov/ 미국 경기 회복 및 재투자법 스마트 그리드 투자 보조금 및 시범 프로그램]의 일환으로 첨단 계량 인프라와 가정 내 디스플레이 및 프로그래밍 가능한 통신 온도 조절 장치와 같은 고객 시스템을 포함하는 시간 기반 요금 프로그램에 가입한 소비자의 수용, 유지 및 반응을 조사하기 위한 특별 [https://www.smartgrid.gov/recovery_act/consumer_behavior_studies 소비자 행동 연구]에 자금을 지원했다.

또 다른 우려는 스마트 그리드를 완전히 지원하기 위한 통신 비용이 과도할 수 있다는 것이다. 보다 저렴한 통신 메커니즘은 그리드 주파수에 대한 반응으로 장치가 부하를 전환하여 피크를 줄이는 "동적 수요 관리" 형태를 사용하여 제안된다. 그리드 주파수는 추가 통신 네트워크 없이 부하 정보를 전달하는 데 사용될 수 있지만 경제적 협상이나 기여의 정량화는 지원하지 않는다.

특정 스마트 그리드 기술이 사용되고 있지만, ''스마트 그리드''는 특정 기술의 이름이 아니라 일반적으로 사양에 동의하는 일련의 관련 기술에 대한 집합 용어이다. 이러한 현대화된 전력 네트워크의 이점 중 일부는 수요 측 관리라고 하는 피크 시간 동안 소비자의 전력 소비를 줄일 수 있는 능력, 분산 발전 전력의 계통 연계를 가능하게 하는 것( 태양광 발전 배열, 소형 풍력 터빈, 마이크로 수력, 심지어 건물 내 열병합 발전 발전기), 분산 발전 부하 균형을 위한 그리드 에너지 저장 통합, 광범위한 전력망 연쇄 고장과 같은 고장 제거 또는 억제 등이 있다. 스마트 그리드의 향상된 효율성과 신뢰성은 소비자의 비용을 절감하고 이산화 탄소(CO2) 배출량 감소에 도움이 될 것으로 예상된다.[77]

7. 반대 및 우려

대부분의 반대와 우려는 스마트 미터와 이를 통해 가능해진 항목들(원격 제어, 원격 차단, 변동 요금제 등)에 집중되어 있다. 스마트 미터에 대한 반대가 발생할 경우, 종종 "스마트 그리드"라는 이름으로 마케팅되는데, 이는 반대하는 사람들의 시각에서 스마트 그리드를 스마트 미터와 연결짓는 결과를 낳는다.

구체적인 반대 또는 우려 사항은 다음과 같다.


  • 소비자의 개인 정보 보호에 대한 우려, 예를 들어 법 집행 기관의 사용량 데이터 활용 등.
  • 전기 사용의 "공정한" 접근성에 대한 사회적 우려.
  • 복잡한 요금 체계(예: 변동 요금)가 투명성과 책임성을 저해하여 공급자가 고객을 이용할 수 있다는 우려.
  • 대부분의 스마트 미터에 내장된 원격 제어 가능한 "킬 스위치"에 대한 우려.
  • 엔론 스타일의 정보 활용 남용에 대한 사회적 우려.
  • 정부에 모든 전력 사용 활동을 통제할 수 있는 메커니즘을 제공하는 것에 대한 우려.
  • 스마트 미터의 RF 방출에 대한 우려.


== 보안 ==

스마트 그리드로의 전력망 현대화는 일상적인 프로세스를 최적화할 수 있지만, 온라인 상태인 스마트 그리드는 사이버 공격에 취약할 수 있다.[78][79][80] 장거리 전송을 위해 발전소에서 생성된 전압을 높이는 변압기, 전송선 자체, 소비자에게 전력을 공급하는 배전선이 특히 취약하다.[81] 이러한 시스템은 센서를 통해 정보를 수집하고 제어 센터로 전달하며, 알고리즘이 분석 및 의사 결정 프로세스를 자동화한다. 해커는 이러한 자동 제어 시스템을 방해하여 서비스 거부(DoS) 공격, 무결성 공격, 동기화 해제 공격 등을 일으킬 수 있다.[81][82] 또한, 침입자는 재생 에너지 발전 시스템 및 그리드에 연결된 스마트 미터를 통해 액세스하여 더 전문적인 약점이나 보안이 우선시되지 않은 약점을 악용할 수 있다.[78]

주로 통신 기술과 관련된 인프라의 보안에 대한 우려도 존재한다. 스마트 그리드의 핵심인 통신 기술은 유틸리티와 고객 간의 실시간 연락을 가능하게 하지만, 범죄 행위 또는 테러 행위에 악용될 수 있는 위험이 있다.[12] 사이버 범죄자들은 이미 여러 차례 미국의 전력망에 침투했으며,[84] 스턱스넷과 같은 멀웨어가 스마트 그리드 네트워크를 공격하는 데 사용될 수 있다는 우려도 제기된다.[85]

전력 도난은 스마트 미터가 RF 기술을 사용하여 전력 전송 네트워크와 통신하는 미국에서 또 다른 문제이다. 전자 제품에 대한 지식이 있는 사람들은 스마트 미터가 실제 사용량보다 적게 보고하도록 하는 간섭 장치를 고안하거나, 동일한 기술을 사용하여 다른 고객의 청구서를 늘릴 수 있다.

잘 실행된 대규모 사이버 공격은 광범위하고 오래 지속되는 피해를 야기할 수 있다. 변전소 무력화는 복구에 9일에서 1년 이상이 걸릴 수 있으며, 교통, 폐수 처리, 정보 기술, 통신 등 전력망에 의존하는 다양한 인프라에 영향을 미칠 수 있다.[86] 2015년 12월 우크라이나 전력망 사이버 공격은 변전소를 오프라인으로 만들어 25만 명의 서비스에 지장을 준 최초의 사건이다.[87][88] 일부 보안 전문가들은 이러한 유형의 이벤트가 다른 곳으로 쉽게 확장될 수 있다고 경고하며,[89] 보험 회사인 로이즈 오브 런던은 동부 상호 연결망에 대한 사이버 공격 결과를 모델링하여 15개 주, 9,300만 명에게 영향을 미치고 국가 경제에 2,430억 달러에서 1조 달러의 피해를 입힐 수 있다고 예측했다.[90]

미국 에너지부는 사이버 공격에 대한 전력망의 취약성을 줄이기 위한 연구 개발을 우선시하고 있으며, 2017년 사년 에너지 검토에서 이를 "임박한 위험"으로 언급했다.[91] 그러나 대부분의 발전, 전송 및 배전 시설 및 장비는 민간 소유이며, 규정 준수가 강제 사항이 아닌 경우가 많아 문제 해결을 더욱 어렵게 만든다.[88][91]

스마트 전력망의 사이버 방어를 강화하기 위한 방안으로는 기존 인프라에 대한 포괄적인 위험 분석, 시스템 로그 분석, 취약점 및 잠재적 결과 분석, 위험 완화 솔루션 배포 등이 제시된다. 또한, 전송 변전소, 제한된 SCADA 네트워크, 정책 기반 데이터 공유, 제한된 스마트 미터에 대한 증명 등의 기술적 해결책도 연구되고 있다.[92]

스마트 그리드의 보호 시스템은 그리드 신뢰성 분석, 장애 보호, 보안 및 개인 정보 보호 서비스를 제공하지만, 추가적인 통신 인프라는 외부 공격 및 내부 장애의 위험을 야기한다. 미국 국립 표준 기술 연구소는 스마트 미터로부터 수집되는 에너지 사용 데이터가 데이터 유출에 취약하여 고객의 개인 정보를 침해할 수 있다고 지적했다.[93]

== 기타 채택 과제 ==

첨단 계량 시스템 또는 모든 종류의 스마트 시스템을 설치하기 전에 유틸리티는 투자를 위한 사업 타당성을 제시해야 한다. 전력 시스템 안정기와 같은 일부 구성 요소는 매우 비싸고, 그리드의 제어 시스템에 복잡한 통합이 필요하며, 비상시에만 필요하며, 네트워크의 다른 공급업체가 이러한 시스템을 갖추고 있는 경우에만 효과가 있다. 설치할 유인이 없으면 전력 공급업체는 설치하지 않는다.[94] 대부분의 유틸리티는 단일 애플리케이션(예: 계량기 검침)을 위해 통신 인프라를 설치하는 것을 정당화하기 어렵다고 생각한다. 이러한 이유로 유틸리티는 일반적으로 동일한 통신 인프라를 사용할 여러 애플리케이션을 식별해야 한다. 예를 들어 계량기 검침, 전력 품질 모니터링, 고객의 원격 연결 및 해제, 수요 반응 활성화 등이다. 이상적으로는 통신 인프라가 단기 애플리케이션뿐만 아니라 향후 발생할 예상치 못한 애플리케이션도 지원할 것이다. 규제 또는 입법 조치도 유틸리티가 스마트 그리드 퍼즐의 일부를 구현하도록 유도할 수 있다. 각 유틸리티는 투자를 안내하는 고유한 비즈니스, 규제 및 입법 동인을 가지고 있다. 이는 각 유틸리티가 스마트 그리드를 구축하는 데 서로 다른 경로를 따르고, 서로 다른 유틸리티가 서로 다른 채택 속도로 스마트 그리드를 구축한다는 것을 의미한다.

스마트 그리드의 일부 기능은 현재 유사한 서비스를 제공하거나 제공하려는 산업의 반대에 직면한다. 한 예로, 전력선 통신을 통한 광대역 인터넷 접속과 케이블 및 DSL 인터넷 제공업체 간의 경쟁이 있다. 그리드를 위한 SCADA 제어 시스템 제공업체는 고객을 해당 공급업체에 묶어두기 위해 다른 시스템과의 상호 운용이 불가능하도록 의도적으로 독점 하드웨어, 프로토콜 및 소프트웨어를 설계했다.[95]

그리드의 기존 물리적 인프라에 디지털 통신 및 컴퓨터 인프라를 통합하는 것은 과제와 고유한 취약성을 야기한다. ''IEEE 보안 및 개인 정보 보호 매거진''에 따르면, 스마트 그리드는 사람들이 더 높은 수준의 상황 인식을 지원하고 보다 구체적인 명령 및 제어 작업을 허용하는 대규모 컴퓨터 및 통신 인프라를 개발하고 사용해야 한다고 한다. 이 과정은 수요 반응 광역 측정 및 제어, 전력 저장 및 운송, 전기 배전 자동화와 같은 주요 시스템을 지원하는 데 필요하다.[96]

== 전력 도난/전력 손실 ==

다양한 "스마트 그리드" 시스템은 이중 기능을 가지고 있다. 여기에는 다양한 소프트웨어와 함께 사용될 때 전력 도난을 감지하고, 제거 과정을 통해 장비 고장이 발생한 위치를 감지하는 데 사용될 수 있는 첨단 계량 인프라 시스템이 포함된다. 이는 사람이 직접 검침할 필요성을 없애고, 전력 사용 시간을 측정하는 기본적인 기능 외에 추가적으로 제공되는 기능이다.

전 세계의 전력 손실(도난 포함)은 연간 2천억 달러로 추산된다.[97] 전력 도난은 또한 개발 도상국에서 안정적인 전기 서비스를 제공하는 데 있어 주요 과제를 나타낸다.[39]

7. 1. 보안

스마트 그리드로의 전력망 현대화는 일상적인 프로세스를 최적화할 수 있지만, 온라인 상태인 스마트 그리드는 사이버 공격에 취약할 수 있다.[78][79][80] 장거리 전송을 위해 발전소에서 생성된 전압을 높이는 변압기, 전송선 자체, 소비자에게 전력을 공급하는 배전선이 특히 취약하다.[81] 이러한 시스템은 센서를 통해 정보를 수집하고 제어 센터로 전달하며, 알고리즘이 분석 및 의사 결정 프로세스를 자동화한다. 해커는 이러한 자동 제어 시스템을 방해하여 서비스 거부(DoS) 공격, 무결성 공격, 동기화 해제 공격 등을 일으킬 수 있다.[81][82] 또한, 침입자는 재생 에너지 발전 시스템 및 그리드에 연결된 스마트 미터를 통해 액세스하여 더 전문적인 약점이나 보안이 우선시되지 않은 약점을 악용할 수 있다.[78]

주로 통신 기술과 관련된 인프라의 보안에 대한 우려도 존재한다. 스마트 그리드의 핵심인 통신 기술은 유틸리티와 고객 간의 실시간 연락을 가능하게 하지만, 범죄 행위 또는 테러 행위에 악용될 수 있는 위험이 있다.[12] 사이버 범죄자들은 이미 여러 차례 미국의 전력망에 침투했으며,[84] 스턱스넷과 같은 멀웨어가 스마트 그리드 네트워크를 공격하는 데 사용될 수 있다는 우려도 제기된다.[85]

전력 도난은 스마트 미터가 RF 기술을 사용하여 전력 전송 네트워크와 통신하는 미국에서 또 다른 문제이다. 전자 제품에 대한 지식이 있는 사람들은 스마트 미터가 실제 사용량보다 적게 보고하도록 하는 간섭 장치를 고안하거나, 동일한 기술을 사용하여 다른 고객의 청구서를 늘릴 수 있다.

잘 실행된 대규모 사이버 공격은 광범위하고 오래 지속되는 피해를 야기할 수 있다. 변전소 무력화는 복구에 9일에서 1년 이상이 걸릴 수 있으며, 교통, 폐수 처리, 정보 기술, 통신 등 전력망에 의존하는 다양한 인프라에 영향을 미칠 수 있다.[86] 2015년 12월 우크라이나 전력망 사이버 공격은 변전소를 오프라인으로 만들어 25만 명의 서비스에 지장을 준 최초의 사건이다.[87][88] 일부 보안 전문가들은 이러한 유형의 이벤트가 다른 곳으로 쉽게 확장될 수 있다고 경고하며,[89] 보험 회사인 로이즈 오브 런던은 동부 상호 연결망에 대한 사이버 공격 결과를 모델링하여 15개 주, 9,300만 명에게 영향을 미치고 국가 경제에 2,430억 달러에서 1조 달러의 피해를 입힐 수 있다고 예측했다.[90]

미국 에너지부는 사이버 공격에 대한 전력망의 취약성을 줄이기 위한 연구 개발을 우선시하고 있으며, 2017년 사년 에너지 검토에서 이를 "임박한 위험"으로 언급했다.[91] 그러나 대부분의 발전, 전송 및 배전 시설 및 장비는 민간 소유이며, 규정 준수가 강제 사항이 아닌 경우가 많아 문제 해결을 더욱 어렵게 만든다.[88][91]

스마트 전력망의 사이버 방어를 강화하기 위한 방안으로는 기존 인프라에 대한 포괄적인 위험 분석, 시스템 로그 분석, 취약점 및 잠재적 결과 분석, 위험 완화 솔루션 배포 등이 제시된다. 또한, 전송 변전소, 제한된 SCADA 네트워크, 정책 기반 데이터 공유, 제한된 스마트 미터에 대한 증명 등의 기술적 해결책도 연구되고 있다.[92]

스마트 그리드의 보호 시스템은 그리드 신뢰성 분석, 장애 보호, 보안 및 개인 정보 보호 서비스를 제공하지만, 추가적인 통신 인프라는 외부 공격 및 내부 장애의 위험을 야기한다. 미국 국립 표준 기술 연구소는 스마트 미터로부터 수집되는 에너지 사용 데이터가 데이터 유출에 취약하여 고객의 개인 정보를 침해할 수 있다고 지적했다.[93]

7. 2. 기타 채택 과제

첨단 계량 시스템 또는 모든 종류의 스마트 시스템을 설치하기 전에 유틸리티는 투자를 위한 사업 타당성을 제시해야 한다. 전력 시스템 안정기와 같은 일부 구성 요소는 매우 비싸고, 그리드의 제어 시스템에 복잡한 통합이 필요하며, 비상시에만 필요하며, 네트워크의 다른 공급업체가 이러한 시스템을 갖추고 있는 경우에만 효과가 있다. 설치할 유인이 없으면 전력 공급업체는 설치하지 않는다.[94] 대부분의 유틸리티는 단일 애플리케이션(예: 계량기 검침)을 위해 통신 인프라를 설치하는 것을 정당화하기 어렵다고 생각한다. 이러한 이유로 유틸리티는 일반적으로 동일한 통신 인프라를 사용할 여러 애플리케이션을 식별해야 한다. 예를 들어 계량기 검침, 전력 품질 모니터링, 고객의 원격 연결 및 해제, 수요 반응 활성화 등이다. 이상적으로는 통신 인프라가 단기 애플리케이션뿐만 아니라 향후 발생할 예상치 못한 애플리케이션도 지원할 것이다. 규제 또는 입법 조치도 유틸리티가 스마트 그리드 퍼즐의 일부를 구현하도록 유도할 수 있다. 각 유틸리티는 투자를 안내하는 고유한 비즈니스, 규제 및 입법 동인을 가지고 있다. 이는 각 유틸리티가 스마트 그리드를 구축하는 데 서로 다른 경로를 따르고, 서로 다른 유틸리티가 서로 다른 채택 속도로 스마트 그리드를 구축한다는 것을 의미한다.

스마트 그리드의 일부 기능은 현재 유사한 서비스를 제공하거나 제공하려는 산업의 반대에 직면한다. 한 예로, 전력선 통신을 통한 광대역 인터넷 접속과 케이블 및 DSL 인터넷 제공업체 간의 경쟁이 있다. 그리드를 위한 SCADA 제어 시스템 제공업체는 고객을 해당 공급업체에 묶어두기 위해 다른 시스템과의 상호 운용이 불가능하도록 의도적으로 독점 하드웨어, 프로토콜 및 소프트웨어를 설계했다.[95]

그리드의 기존 물리적 인프라에 디지털 통신 및 컴퓨터 인프라를 통합하는 것은 과제와 고유한 취약성을 야기한다. ''IEEE 보안 및 개인 정보 보호 매거진''에 따르면, 스마트 그리드는 사람들이 더 높은 수준의 상황 인식을 지원하고 보다 구체적인 명령 및 제어 작업을 허용하는 대규모 컴퓨터 및 통신 인프라를 개발하고 사용해야 한다고 한다. 이 과정은 수요 반응 광역 측정 및 제어, 전력 저장 및 운송, 전기 배전 자동화와 같은 주요 시스템을 지원하는 데 필요하다.[96]

7. 3. 전력 도난/전력 손실

다양한 "스마트 그리드" 시스템은 이중 기능을 가지고 있다. 여기에는 다양한 소프트웨어와 함께 사용될 때 전력 도난을 감지하고, 제거 과정을 통해 장비 고장이 발생한 위치를 감지하는 데 사용될 수 있는 첨단 계량 인프라 시스템이 포함된다. 이는 사람이 직접 검침할 필요성을 없애고, 전력 사용 시간을 측정하는 기본적인 기능 외에 추가적으로 제공되는 기능이다.

전 세계의 전력 손실(도난 포함)은 연간 2천억 달러로 추산된다.[97] 전력 도난은 또한 개발 도상국에서 안정적인 전기 서비스를 제공하는 데 있어 주요 과제를 나타낸다.[39]

8. 배포 및 시도된 배포

9. 지침, 표준 및 사용자 그룹

IEEE는 IEEE 스마트 그리드 이니셔티브의 일환으로[124] 송배전 네트워크용 유틸리티 저장 시스템을 목표로 하는 IEEE 2030.2의 확장판을 개발했다. IEEE P2030 그룹은 2011년 초에 스마트 그리드 인터페이스에 대한 전반적인 지침을 제공할 예정이었다. 이 지침은 배터리 및 슈퍼커패시터뿐만 아니라 플라이휠을 포함한 영역을 다루며, 전기 자동차를 스마트 그리드에 통합하기 위한 지침을 초안하기 위한 2030.1 노력도 시작했다. IEEE2030은 2011년 9월에 표준화가 완료되었다.

IEC TC 57은 스마트 그리드의 일부로 사용할 수 있는 일련의 국제 표준을 만들었다. 여기에는 변전소 자동화를 위한 아키텍처인 IEC 61850과 IEC 61970/61968 – 공통 정보 모델(CIM)이 포함된다. CIM은 데이터를 정보로 변환하는 데 사용되는 공통 의미 체계를 제공한다.

OpenADR은 수요 반응 애플리케이션에 사용되는 오픈 소스 스마트 그리드 통신 표준이다.[125] 일반적으로 전력 사용 장치가 수요가 높은 기간 동안 꺼지도록 정보와 신호를 보내는 데 사용된다.

MultiSpeak는 스마트 그리드의 배전 기능을 지원하는 사양을 만들었다. MultiSpeak는 배전 유틸리티 또는 수직 통합 유틸리티의 배전 부분에 필요한 거의 모든 소프트웨어 인터페이스를 지원하는 강력한 통합 정의 세트를 가지고 있다. MultiSpeak 통합은 확장 가능한 마크업 언어(XML) 및 웹 서비스를 사용하여 정의된다.

IEEE는 동기위상자를 지원하기 위한 표준인 C37.118을 만들었다.[126]

UCA 국제 사용자 그룹은 스마트 그리드에 사용되는 표준의 실제 경험을 논의하고 지원한다.

LonMark International 내의 유틸리티 태스크 그룹은 스마트 그리드 관련 문제를 다룬다.

유틸리티가 IP 기술을 공통 관리 플랫폼으로 사용하면서 여러 통신 시스템을 배포할 수 있도록 스마트 미터 애플리케이션을 위한 공통 통신 플랫폼으로 TCP/IP 기술을 사용하는 추세가 증가하고 있다.[127][128]

IEEE P2030은 "전력 시스템(EPS), 최종 사용 애플리케이션 및 부하를 갖춘 에너지 기술 및 정보 기술 운영의 스마트 그리드 상호 운용성을 위한 초안 가이드"를 개발하는 IEEE 프로젝트이다.[129][130]

NIST는 ITU-T G.hn을 스마트 그리드의 "구현을 위해 식별된 표준" 중 하나로 포함시켰다.[131] G.hn은 전력선, 전화선 및 동축 케이블을 통한 고속 통신 표준이다.

OASIS EnergyInterop' – 에너지 상호 운용을 위한 XML 표준을 개발하는 OASIS 기술 위원회이다. 시작점은 캘리포니아 OpenADR 표준이다.

2007년 에너지 독립 및 안보법(EISA)에 따라 NIST는 미국에서 스마트 그리드를 구현하는 데 필요한 수백 개의 표준을 식별하고 선택하는 것을 감독할 책임이 있다. 이러한 표준은 NIST에서 연방 에너지 규제 위원회(FERC)로 전달된다. 이 작업은 이미 시작되었으며, 첫 번째 표준은 NIST의 스마트 그리드 카탈로그에 포함되도록 선택되었다.[132] 그러나 일부 평론가들은 스마트 그리드 표준화로 실현될 수 있는 이점이 스마트 그리드 아키텍처 및 기술을 다루는 증가하는 특허 수에 의해 위협받을 수 있다고 제안했다.[133]

2008년에 국제전기표준회의가 ''[http://www.iec.ch/smartgrid/development/ Strategic Group 3]''을 설치하여 본격적으로 표준화를 계획하게 되었다.

IEEE1888은 (스마트 그리드를 상정한) 차세대 건물 관리·건물 에너지 관리(BEMS) 부문의 통신 규격이다.

ECHONET Lite는 ECHONET 컨소시엄이 제정한 가전 제품의 네트워크 통신 규격이다. 가정의 에너지 관리(HEMS) 부문에서의 이용이 상정되고 있다.

IEEE802.15.4g는 Smart Utility Network(SUN)라고 불리며, 미약 무선으로 멀티 홉 방식으로 센서 데이터를 수집할 수 있는 통신 규격이다.

ZigBee나 HomePlug Powerline Alliance 등의 기업도 댁내 전기 기기에 채용되도록 노력하고 있다.[142]

10. GridWise Alliance 순위

2017년 11월, 비영리 단체인 그리드와이즈 얼라이언스(GridWise Alliance)는 청정에너지 그룹인 클린 엣지(Clean Edge Inc.)와 함께 전기 그리드 현대화를 위한 노력을 평가하여 50개 주 전체에 대한 순위를 발표했다. 캘리포니아주가 1위를 차지했다. 다른 상위 주로는 일리노이주, 텍사스주, 메릴랜드주, 오리건주, 애리조나주, 컬럼비아 특별구, 뉴욕주, 네바다주 및 델라웨어주가 있었다. "전기 그리드를 설계, 구축 및 운영하는 이해 관계자를 대표하는 그리드와이즈 얼라이언스의 30페이지가 넘는 보고서는 전국적인 그리드 현대화 노력을 심층적으로 분석하고 주별로 순위를 매겼다."[134]

11. 각국의 상황

11. 1. 미국

2003년 미국 에너지부는 "Grid2030"이라는 송배전망 근대화 보고서를 발표했고, 2007년 12월에는 스마트 그리드 관련 투자 자금 보조 및 시험 프로젝트 예산으로 1억 미국 달러를 출연하기로 법으로 결정했다.[170] 버락 오바마 대통령 취임 후 2009년 2월, 경기 부양책인 "미국 회생·재투자법"(American Recovery and Reinvestment Act, ARRA)의 일환으로 스마트 그리드 관련 분야에 110억 미국 달러를 출연하기로 결정했다.[170][171] 이는 미국 통신 및 IT 기기 제조업체 사이로 확산된 스마트 그리드 붐의 계기가 되었다.[170]

2009년, 미국 에너지부는 서던 캘리포니아 에디슨과 Honeywell에 수요 반응 프로그램 보조금으로 1,100만 달러를 지원했다.[120][121] 이 프로그램은 참여 산업 고객의 피크 시간 동안 에너지 사용량을 자동으로 줄이는 것이다. 에너지부는 OpenADR 표준을 사용해 프로그램을 구현하기 위해 Honeywell에 1,140만 달러의 보조금을 지원했다.[122]

하와이 전력 회사(HECO)는 풍력 발전의 간헐성에 대응하기 위한 ADR 프로그램의 2년 파일럿 프로젝트를 시행하고 있다. 하와이는 2030년까지 전력의 70%를 재생 에너지원에서 얻는 것을 목표로 하며, HECO는 통지 후 10분 이내에 전력 소비를 줄이는 고객에게 인센티브를 제공한다.[123]

뉴멕시코 주에서는 주 정부와 일본의 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)가 중심이 되어 스마트 그리드 기반 실증 연구 프로젝트 "Green Grid"를 기획하고 있다. 일본 경제산업성은 이전부터 주 정부와 태양열 발전 등 재생 가능 에너지로 협력 관계에 있었다.[172][142]

오바마 대통령은 미국 연방 의회에 대체 에너지 생산을 2009년부터 3년간 2배로 늘리고, 새로운 "스마트 그리드" 건설 법안을 통과시키기 위해 지체 없이 행동할 것을 요청했다.[173] 화석 연료 및 온난화 가스 배출 감축은 에너지 안보 및 지구 온난화 문제 대책 중 하나로, 미국 전력 소비량을 5% 감축하면 5,300만 대분의 자동차에 상당하는 화석 연료 절약 및 온난화 가스 배출량 감축이 실현될 수 있다.[174]

스마트 그리드에 의한 미국 내 전력망 변화는 2009년부터 이미 시작된 스마트 미터 도입이며, 전미 42개 주 정부가 정책으로 스마트 미터에 대한 노력을 보이고 있으며, 일부는 설치 단계에 있다. 2011년부터 2020년경까지는 무선 및 유선 통신을 통해 가정 내 전기 사용 기기의 전력 사용을 원격 조작하는 것이 예상된다.[142]

11. 2. 일본

2011년, 일본 정부는 5년간 스마트 미터 4,000만 대 도입 계획을 발표했다.[142] 스미토모 전기 공업은 고온 초전도 케이블을 판매하고 있으며, 2013년경부터 소규모 전력망에서 실증 실험이 진행되고 있다. 1995년부터 2012년까지 전 세계 송전 계통 광역 감시 시스템 관련 특허 등록 건수 중 일본이 38.2%를 차지했다.[142] 2014년에는 스위스 ABB 그룹을 핵심으로 한 카르텔에 일본 기업들이 연루되어 적발되었다. 2015년에는 전력광역적운영추진기관이 설치되었다.

일본에서는 1990년대부터 대규모 수요처를 대상으로 전력 소비량을 거의 실시간으로 모니터링하는 시스템('로드 서베이')이 구축되어 왔다.[175] 도쿄 전력은 1995년, 규슈 전력은 1996년부터 동일 시스템을 도입했다.[175] 현재 일본에서 개발 중인 스마트 그리드 기술은 이 로드 서베이에서 발전한 것이다.

스미토모 전기 공업과 스미토모 정밀 공업은 태양광 발전과 고온 초전도 직류 전력 케이블을 결합한 전력망 구상을 제안했다.[176]

경제산업성의 모치즈키 하루후미사무차관은 2009년 미국의 스마트 그리드 제창 이유가 송전망 문제 때문이며, 일본은 송전망이 잘 구축되어 따를 필요가 없다는 견해를 보였다.[177]

도쿄공업대학, 도쿄 전력, 도시바, 히타치 제작소 등은 2010년부터 "일본형 스마트 그리드" 실증 실험을 시작했다.[178] 실험에는 도시바, 히타치 제작소, 도시바 미쓰비시 전기 산업 시스템, 후지 전기 시스템즈(현 후지 전기), 메이덴샤, 이토추 상사, 칸덴코가 참여했다.[178] 가정용 태양광 패널, 가전 제품, 전기 자동차, 히트 펌프식 온수기를 사용하고, 남은 전력은 축전지에 저장하거나 전력 회사에 판매하는 방식으로 실험했다.

일본은 미국과 달리 가정 내 통신까지 포함하는 개혁을 목표로 하지 않고, 신축 주택 등에서 가정용 태양광 발전과 가정용 코제너레이션 장치를 추진하고 있다.[142] 일본 국내는 전력망 감시 센서 네트워크가 충실해지고 있어, 미국처럼 일반 가정의 가전 제품을 원격 제어하는 노력에는 적극적이지 않다.[142] 이러한 현상이 "갈라파고스화"로 이어질 수 있다는 우려도 있다.

11. 3. 유럽

재생 가능 에너지 이용 확대 및 전기 자동차 인프라 정비를 추진하고 있다.[179] 블록체인에 사용되는 사물 인터넷의 보급을 확대하고 있으며, 슈퍼 스마트 그리드까지 구상되고 있다.

영국과 이탈리아에서는 전기 요금 미납에 대응하기 위해 스마트 미터 도입을 추진하고 있다. 1995-2012년 송전 계통 광역 감시 시스템에 관한 특허 등록 건수에서는, 미국 시장조차 제너럴 일렉트릭(General Electric)이 ABB 그룹에 근소하게 뒤지고 있다.

EEBUS(E-E-Bus)는 스마트 홈과 스마트 그리드 간의 상호 커뮤니케이션을 가능하게 하는 가교 역할을 한다. 독일 기술자들은 EEBUS를 다양한 장치가 교신할 수 있도록 국제 공통 언어, 즉 국제 표준으로 만들고자 한다.[180] 지능형 미래형 충전 컨트롤러 제조사로 유명한 벤더사(Bender GmbH & Co. KG)는 현재 충전 컨트롤러의 모든 제품에 표준 기능으로 EEBUS 통신 규격을 제공하고 있으며,설정을 필요로 하지 않는 EEBUS를 제공하는 최초의 컨트롤러 제조사이다.[181]

11. 4. 중국

중국의 스마트 그리드 시장은 2015년까지 614억 달러로 성장할 것으로 예상되며, 223억 달러로 추산된다.[117] Honeywell은 중국 국가전망공사(State Grid Corp.)와 함께 OpenADR 수요 응답 표준을 사용하여 중국을 위한 수요 응답 파일럿 및 타당성 조사를 개발하고 있다.[117] 중국 국가전망공사(State Grid Corp.), 중국과학원(Chinese Academy of Science), 제너럴 일렉트릭(General Electric)은 중국의 스마트 그리드 구축을 위한 표준 개발을 위해 협력할 예정이다.[117][118][119] 스마트 그리드(智能电网)를 활용한 전력 공급 체제 정비에는 4조 위안(약 50조 원)이 투자될 예정이다.[182]

참조

[1] 논문 Distributed finite-time consensus control for heterogeneous battery energy storage systems in droop-controlled microgrids https://ieeexplore.i[...]
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