스마트그리드 실증은 왜 운영으로 이어지지 않는가- 상호운용성의 부재

스마트그리드 실증은 왜 운영으로 이어지지 않는가- 상호운용성의 부재

대학생신재생에너지기자단 28기 정성엽

스마트그리드와 상호운용성의 관계

스마트그리드는 차세대 지능형 전력망으로 전기를 효율적으로 다루기 위해 필요한 기술이다. 발전 방식의 변화, 전기화 시대의 도래, 데이터 센터의 증가는 전기 사용량을 극대화시키는 계기가 됐으며, 이에 전기를 수송하는 방법 또한 트렌드를 따라야 한다. 본 기사는 “스마트그리드 실증은 왜 운영으로 이어지지 않는가”, 상호운용성의 부재를 다루며, 이에 필요성을 알아볼 것이다.

스마트그리드는 기존의 전력망에 정보통신기술(ICT)이 혼합된 차세대 지능형 전력망으로, 전력 생산자와 소비자가 실시간·양방향으로 정보를 주고받으며 에너지를 효율적으로 관리한다. 이는 다양한 정의와 구현이 가능하다. 이와 같은 스마트그리드가 구현되기 위해서는 크게 두 가지 조건이 필요하다. 기술 구현성과 연계성이다. 두 가지 중 하나라도 누락이 된다면, 결코 완만하게 동작하지 않는다.

앞서 말했다시피, 스마트그리드는 양방향 설비이며 에너지를 최적화하는 기술이다. 따라서 물리적(기술 구현)으로 ‘발전원-파워그리드-송·배전 설비-시장&서비스 영역-최종 소비자’까지 유기적으로 이어져야 하며, 운영(연계성) 측면에서는 ‘정보 모델-제어 권한-운영 규칙-시장 신호’까지 자연스레 연계해야 한다. 하지만 실제로 두 가지 요소 중 운영 측면이 유독 지켜지지 않고 있으며, 이에 대한 결과로 전력 설비 간 데이터 의미 불일치, 제어 권한 충돌 등이 발생한다. 이와 같은 다양한 이유로 결국 운영 불가능 상태에 빠지게 된다. 결국에 단방향성 정보 전달을 초래하며, 스마트그리드 활성화에 큰 장애물로 남게 된다.

따라서 스마트그리드에서 요구되는 것은 공통 아키텍처라고 할 수 있다. 다음 본론에서는 이와 같은 내용을 북미와 EU 측면에서 바라보며, 스마트그리드실증 사례를 살피고자 한다.

같은 스마트그리드 다른 접근(북미와 EU)

• 북미

[자료 1. NIST smart grid conceptual model]

출처 : NIST 

스마트그리드 구조는 미국에서 처음 나온 개념이다. 크게 ‘발전-송전-배전-수용가-시장-운영-서비스 제공자’로 이루어져 있으며, NIST가 스마트그리드 프레임워크를 제시하고 전기전자공학자협회(IEEE) 중심의 민간 표준을 참고해 규제를 만든다. 자료에서 알 수 있다시피 북미의 스마트그리드 개념 모델이 물리적 측면과 운영 측면에 동시에 얽혀 있는 형태를 볼 수 있다. 또한, Operations와 모든 도메인이 상호작용하는 모습을 볼 수 있다. 즉, 하나의 설비가 여러 기능 도메인과 동시에 연동된다는 것을 시사한다. 이는 운영이 중심인 허브 역할을 하고 있으며, 스마트그리드가 단일 방향 구조가 아님을 보인다. 다만, 상호운용성 문제가 발생하기 쉬운 구조임을 판단할 수 있다.

• EU

유럽에서는 스마트그리드 구조를 3차원 아키텍처(Domains, Zones, Interoperability Layers)로 바라본다. 쉽게 말해 "어디에 있고, 어떤 역할을 맡는지"를 통해 구성 요소를 정의한다. 아래 자료는 Domains와 Zones를 기준으로 이를 2차원 평면으로 살펴본 것이다.

[자료 2. IEC SGAM]

출처 : CEN-CENELEC

2차원 평면에서 X축은 물리적 전력 흐름과 직접 연결된 영역이다. 동일하게 발전, 송전, 배전, DER, 최종 소비자로 이루어져 있으며, 실제로 전기가 생산·이송·분배·소비되는 위치 물리계층이라 볼 수 있다. 기술적으로 바라본다면 센서, 보호계전, 설비 제어, 고장·출력 변동 등 현장 이벤트가 발생하는 축이라 할 수 있다. Y축은 시장·거래·정산·규칙으로 시장·경제 쪽으로 다가갈수록 추상화 수준이 높아진다. Field/Station은 보호·제어, 실시간 운전과 맞닿는 것을 볼 수 있고, Operation는 EMS, DMS와 닿아 있다. Market은 거래, 정산, 가격, 규칙과 연계되는 것을 확인할 수 있다.

EU는 3차원 형태를 통해 스마트그리드를 구조적으로 설계했다. 이는 같은 물리 지점에서도 실시간 제어와 시장 행위가 동시에 발생하기 때문이다. 같은 DER이더라도 자료의 Y축 위치에 따라 다루는 대상이 달라지는 것이다. 위쪽으로 갈수록 중앙·분산 의사결정 시스템, 아래쪽으로 갈수록 로컬 자동제어를 추적하게 된다.

이러한 큰 개념과 아키텍처는 EU가 만들었으며, IEC를 통해 "국제 표준 아키텍처"로 정식화했다.

국내의 KS 표준 역시 IEC를 기준으로 잡는다. 이는 전기전자 분야에서 국가별로 다른 기술 기준을 적용할 경우 설계, 제작, 인증, 수출입 과정에서 호환성 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 이를 달리 해석하자면, 공통된 국제표준을 기준으로 설계 및 제작되었기에 KOR과 EU의 상호 시장 진출 시 호환이 가능해진 것이다.

SGAM 관점에서 본 캐나다 스마트그리드 실증 사례

[자료 3. 캐나다 실증 사례]

출처 : Natural Resources Canada

캐나다의 스마트그리드 실증 사례는 IEC SGAM의 구조적 관점에서 해석해 볼 수 있는 사례다.

배전 제어센터를 중앙으로 하위 구역과 양방향으로 정보를 전달하는 구조를 실현했다. 이때 세 영역(Active Customer Participation, Distribution System Energy Efficiency, Distribution System Performance)은 우선적 구조로서 구성되었고, 실제 실증은 그 안의 기능을 하나씩 활성화하는 방식으로 확장됐다. Active Customer Participation 부분에서는 태양광 발전, AMI(지능형 계량 인프라), EV 충전소, 대형 수용가 등의 설비를 마련하였으며, 태양광 사업자가 자가발전을 하거나, AMI를 통해 실제 전력량을 체크하는 등의 기능을 했다.

Distribution System Energy Efficiency 측에서는 배전선로, 전압 조정기 등으로 구성됐다. 배전 손실을 비롯한 전압·무효전력 최소화 및 DER을 ‘효율 자원’으로서 설비 운전 효율 개선을 높이기 위해서이다.

마지막으로 Distribution System Performance이다. 배전계통 성능은 정전 빈도·시간, 복구 속도, 전압 품질 등을 담당했다.

배전 제어센터(중앙 허브)는 상위 영역으로서 하위 세 영역과 최종적으로 양방향 소통을 연계했다. 다시 말해 배전 제어센터는 배전망이 “얼마나 안정적·신뢰성 있게 전기를 공급하는지”를 측정·개선하는 운영 성능 관리 영역인 것이다. 이와 같은 캐나다 실증은 배전 스마트그리드 기술의 실현 가능성과 운영 효과를 입증하는 데 뒷받침됐다.

제주도 스마트그리드-IEC 실증 사례

한국 역시 IEC 표준을 독립된 계통 특성을 지닌 제주를 대상으로 스마트그리드실증 사업을 진행했다.

[자료 4. 제주 실증 사례]

출처 : KCI

제주는 전기차, 충전소, 풍력 및 태양광 발전, 가전 IT, AMI, 고객 포탈, 저장장치, 연료전지를 설치하고 지능형 배전으로 연결했다. 구조는 해외 실증 사례와 유사하게 구축하는 데 성공했으나, 실시간으로 데이터를 수집 & 가시화가 중심적으로 이루어졌으며, 이를 기반으로 한 운영 확장에는 한계가 있었다. 배전 최적화 및 자동 제어 알고리즘 적용은 제한적인 범위에서 시범적으로 적용되었으나, 자동화 수준에는 이르지 못했다.

제주에서의 스마트그리드 실증 사례에서는 구조적으로 기술 개발은 성공에 이루었으나, 운영 측면에서 전기차, 충전소, 풍력, AMI 등의 개별 설비들과 지능형 배전 사이에 정보 활용 & 운영 한계를 보였다. 이는 해당 통신 아키텍처를 불완전한 적용을 포함한 복합적인 요소에 기인한 결과이다. 결국, 수백억의 투입을 통해 실행됐던 제주 스마트그리드 실증은 부분적인 성공과 실패를 동반하였으며, 기술을 개발하는 단계에서 끝마쳐졌다.

스마트그리드 운영 확산을 위한 상호운용성의 필요성

스마트그리드는 다양한 전력설비와 ICT 시스템을 제어하는 대규모 동적 시스템으로 이루어져 있기 때문에 서로 다른 데이터, 제어 신호 등의 정보를 공통된 하나의 구조로 교환하여 통합적으로 운영돼야 한다. 캐나다와 제주 스마트그리드 실증 사례는 다양한 지능형 설비를 설치하는 것만으로 완성되지 못했다. 이는 개별 설비의 기술이 뛰어나다 한들, 동일한 정보를 다른 의미로 해석한다면 실제 운영으로 이어지기 어렵다는 것이다.

스마트그리드는 에너지 효율을 최적화하는 차세대 지능형 전력망으로 탄소저감에 기여한다. 나아가 4차 산업혁명을 넘어 전기화 시대가 도래한 현 상황에서 스마트그리드의 필요성은 더욱 커지고 있다. 그러나 기술 실증만으로는 미래 전력망을 완성할 수 없으며, 실증 단계를 넘어 운영으로 확장하기 위해서는 공통 아키텍처와 표준화된 정보 모델이 필요하다. 결국 상호운용성은 스마트그리드 운영 확산을 위한 필수 조건이다.

스마트그리드에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "재생에너지 간헐성, ESS와 함께 갈 해법은?", 27기 이희원, 28기 박지혜, 정라진, 29기 송유빈, 조해나, https://renewableenergyfollowers.org/journal/?idx=170037207&bmode=view

2. "전기차, 도로 위의 발전소가 되다: V2G가 그리는 에너지의 미래", 27기 김계환, https://renewableenergyfollowers.org/journal/?idx=169442335&bmode=view

참고문헌

[같은 스마트그리드 다른 접근(북미와 EU)]

1) Avi Gopstein, Cuong Nguyen, Cheyney O’Fallon, Nelson Hastings, David A. Wollman, “NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards, Release 4.0”, National Institute of Standards and Technology, 2021.02.18, https://www.nist.gov/publications/nist-framework-and-roadmap-smart-grid-interoperability-standards-release-40

2) CEN-CENELEC-ETSI Smart Grid Coordination Group, “Smart Grid Reference Architecture”, 2012.11, https://www.cencenelec.eu/media/CEN-CENELEC/AreasOfWork/CEN-CENELEC_Topics/Smart%20Grids%20and%20Meters/Smart%20Grids/reference_architecture_smartgrids.pdf

[SGAM 관점에서 본 캐나다 스마트그리드 실증 사례]

1) Natural Resources Canada, “Interactive Smart Grid Zone Demonstration in Québec”, 2024.12.23, https://natural-resources.canada.ca/funding-partnerships/interactive-smart-grid-zone-demonstration-quebec

[제주도 스마트그리드-IEC 실증 사례]

1) 이준성, “주요 선도국 스마트그리드 실증추진전략 및 성과 비교 - 美, 日, 韓 3개국 비교 중심으로 -”, 신재생에너지, 12(2), 40-48, 2016, https://www.kci.go.kr/kciportal/ci/sereArticleSearch/ciSereArtiView.kci?sereArticleSearchBean.artiId=ART002115134