IEEE 2030.5 표준을 이용한 실시간 분산 에너지 자원 시스템 시뮬레이터 :Real-Time Hardware-in-the-Loop Distributed Energy Resource System Testbed using IEEE 2030.5 Standard

김진산

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김진산 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 강상길

발행연도: 2023

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이용수6

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

IEEE 2030.5 표준을 이용한 실시간 분산 에너지 자원 시스템 시뮬레이터

김진산 전기컴퓨터공학과 2023.01 학위논문

2021

IEEE 2030.5 네트워크 프로토콜을 이용한 실시간 Hardware-in-the-Loop (HIL) 분산 에너지 자원 시스템 시뮬레이터

김진산 , 노영태 , Taesic Kim 한국통신학회 학술대회논문집 2021.06 학술대회자료

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최근 IEEE 2030.5 표준은 스마트 인버터 및 분산 에너지 자원(Distributed Energy Resource, DER)을 위한 여러 통신 프로토콜 중 특히 많은 관심을 받고 있다. 대표적인 예시 중 하나로 캘리포니아주 공공사업 위원회에서는 2016년에 Rule 21이라는 이름의 정책을 발표하였다. Rule 21은 신설되는 DER 시스템이 IEEE 2030.5 표준을 사용하여 호스트 유틸리티와 통신할 준비가 되어 있어야 한다고 규정한다. 이를 기점으로, IEEE 2030.5 표준이 미국의 다른 주 및 유럽, 호주 등 다른 나라에서도 사용될 것으로 기대된다.

이러한 기대에 따라 최근 IEEE 2030.5 표준을 활용한 연구들이 늘어나고 있다. 하지만 스마트 그리드 시스템을 직접 디자인하고 시뮬레이터에 구축하는 일과 IEEE 2030.5 표준이 요구하는 기술 구성 요소를 만족하는 네트워크를 구현하는 것은 어렵고 시간 소모적이다. 또한, 표준화된 테스트베드를 활용해 연구를 진행하는 경우 동일한 환경에서 신뢰성 높은 실험 결과를 도출할 수 있다. 이러한 이유로 IEEE 2030.5 표준을 사용하여 DER을 관리할 수 있는 실시간 시뮬레이션 테스트베드의 개발이 중요하다.

본 논문은 IEEE 2030.5 표준을 사용하는 실시간 HIL(Hardware-in-the-Loop) DER 시스템 테스트베드를 제안한다. 제안된 실시간 공동 시뮬레이션 테스트베드는 OPAL-RT 실시간 시뮬레이터를 이용해 물리 시스템 시뮬레이션을 구현하였다. 물리 시스템 시뮬레이션에 포함된 DER은 가정에서도 많이 사용하는 대표적인 재생에너지원인 태양열 발전기와 미국을 비롯한 전 세계에서 빠른 속도로 늘고 있는 풍력 발전기를 포함한다. 생성된 전기는 리튬이온 배터리 모델을 사용하는 에너지 저장 시스템에 저장된다. 사이버 시스템 시뮬레이션은 IoT 기기를 이용해 구현된 DER 게이트웨이와 DERMS(Distributed Energy Resource Management System) 클라우드 서버로 구성된다. 시스템 환경에 맞추어 개발된 클라이언트 및 서버 프로그램은 IEEE 2030.5-2018 표준을 준수하도록 개발되었으며, 각각 DER 게이트웨이 및 DERMS 클라우드 서버에서 구현된다.

DER 시스템을 위한 제안된 테스트베드의 사용 가능성은 실험에 의해 검증된다. 테스트베드 작동은 몇 가지 특정 테스트 시나리오를 사용해 물리 시뮬레이터 및 DERMS에서 시연된다. 실험을 통해 제안하는 테스트베드가 DER 시스템 데이터를 안전하게 모니터링할 수 있으며, DERMS를 이용해 실시간으로 DER 시스템을 제어할 수 있음을 보였다.

Recently, the IEEE 2030.5 standard is drawing special attention among communication protocols for smart inverters and distributed energy resources (DER). As a representative example, California Public Utilities Commission(CPUC) issued a tariff called Rule 21 in 2016. California Rule 21 mandates new DER must be ready to communicate to the host utility using the IEEE 2030.5 standard. With this as a starting point, it is expected that the IEEE 2030.5 standard will be used in other states in the United States and other countries such as Europe and Australia.

According to these expectations, recent studies using the IEEE 2030.5 standard have been increasing. However, it is difficult and time consuming to design and deploy smart grid systems into simulators and to implement networks that meets the technical components required by the IEEE 2030.5 standard. In addition, when research is conducted using a standardized testbed, reliable experimental results can be derived in the same environment. Therefore, the development of an effective real-time simulation method for managing DER using the IEEE 2030.5 standard is crucial.

This paper proposes a real-time hardware-in-the-loop (HIL) DER system testbed using the IEEE 2030.5 standard. The proposed real-time co-simulation testbed implements DER physical system simulation using OPAL-RT real-time simulator. DER included in the physical system simulation includes photovoltaics, which are a representative renewable energy source widely used in homes, and wind turbines that are rapidly increasing in the United States and around the world. The generated electricity is stored in an energy storage system using a lithium-ion battery model. Cyber-system simulations consist of a DER gateway implemented using IoT devices and a DERMS (Distributed Energy Resource Management System) cloud server. Custom-built client and server programs are developed to meet the compliant with IEEE 2030.5-2018 standard and implemented in the DER gateways and a DERMS server, respectively.

The feasibility of the proposed testbed for DER systems is validated by experiments. Testbed operation is demonstrated on a physics simulator and DERMS using several specific test scenarios. Experiments show that the proposed testbed can safely monitor the DER system data and control the DER system in real-time using DERMS.

#분산 에너지 자원 #IEEE 2030.5 #Hardware-in-the-Loop 테스트베드

1. 서론 1
2. 배경지식 및 관련 연구 4
2.1 IEEE 2030.5 표준 4
2.2 DER 스마트 그리드 시스템 구현 연구 7
2.3 DER 네트워크 보안 연구 9
3. IEEE 2030.5-2018 표준을 이용한 실시간 HIL DER 시스템 테스트베드 10
3.1 DER 시스템 모델링 및 그리드 시뮬레이션 11
3.2 IEEE 2030.5-2018을 이용한 사이버 시스템 시뮬레이션 15
3.3 테스트베드 작동 17
4. 실험 및 결과 분석 18
4.1 실험 환경 18
4.2 실험 결과 20
4.2.1 네트워크 데이터 암호화 여부 모니터링 20
4.2.2 DERMS 클라우드 서버 실시간 데이터 모니터링 21
4.2.3 제어 명령에 따른 시뮬레이터 작동 변화 22
5. 결론 및 향후 연구 23
참고문헌 25

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