에너지 관리시스템 구축모델 및 합리적 운영방법 (ML)

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EMS 구축 및 운영 방안 EMS 및 연관 시스템의 구축모델과 합리적 운영관리 방안과 Machine Learning적용사례

Hunter Shin | [email protected] Senior Tech-Sales Consultant World Wide ISV/OEM Business Group Oct, 2015

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Program Agenda

1

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3

4

EMS Business Issue

EMS종류 및 구축방안

효율적 운용 방안

구축 기술 및 플랫폼

Oracle Confidential – Internal/Restricted/Highly Restricted 2


Energy Business Issue Business Issue



Global Energy Consumption


http://www.eia.gov


에너지 활용에 대한 변화 에너지에 대한 관심 및 대응에 대한 변화가 다양하게 일어나고 있음



ISSUE! ISSUE!



EMS 시장현황 최근 EMS시장이 급속히 성장, 이는 경제불황과, 에너지 효율 규제 및 다양한 금융혜택이 기인함 향후 각 지역별로 높은 성장이 예시됨


MarketsAndMarkets forecasts the global EMS market to grow from $17.4 billion in 2013 to $38.49 billion in 2018 at a Compound Annual Growth Rate (CAGR) of 17.2% from 2013 to 2018

EMS: Market Size, By Region, 2013 – 2018

Source: MarketsandMarkets Analysis


이슈사항


BUSINESS ISSUE

CO2 관리 정책

[온실가스목표관리제]

에너지 저장 시스템 (ESS) Energy Storage System

수요반응 (DR) Demand Response

석유 에너지 가격 하락

전기자동차 신재생에너지 수요 증가


에너지 효율화 이슈


• 우리나라 기업들의 대부분은 ERP와 여러 정보시스템들의 구축은 하지만 ERP시스템에 에너지가 포함되어 있는 회사는 극히 드문 실정

• 국내 EMS의 경우 에너지사용량 조회 및 사용데이터를 통한 상관분석과 온실가스.에너지 목표관리에 대응하기 위한 관리 보고서 기능 등이 모니터링이 가능하도록 구현되어 있음. 실질적인 에너지 효율화와 제어를 위한 기술력은 미흡

• 미흡한 에너지원 별 분산 수요관리형태 문제 - KICC: 한국산업기술컨설팅 -

EMS ISSUE


EMS및 연관 시스템의 종류 Subtitle



E.M.S = Energy Management System


EMS란?

에너지 소비자가 에너지 효율 목표를 설정하고, 이를 달성하기 위하여 인적/물적 자원 및 관리 체계를 일정한 절차 및 기법에 따라 체계적이고 지속적으로 관리하는 에너지 관리 활동

E.M.S

기업의 생산, 활동 및 서비스 과정에서 사용되는 각종 에너지의 효율성을 지속적으로 개선하기 위해 조직 구성원 각자가 절감해야 할 목표를 정하고 이를 달성하기 위한 인적, 물적 자원 및 관리 체계를 구축하는 활동

에너지 절약과 온실가스 감축을 위해 정부가 시행하고 있는 목표관리제, 에너지진단, 에너지 효율관리제도 등 활동을 체계적으로 이행할 수 있도록 각종 제도와 툴을 제공하고 성과를 지속적으로 관리하는 체계 구축

Monitoring Data Integrity

Tenant Billing

Decision Support

Optimization Control

EMS 관련분야


EMS Benefit EMS를 통하여 직접적인 에너지 소비를 통한 경제성 향상과 각종 규제 대응 및 사용자 만족도 개선 같은 부수적 효과


EMS를 구축하면 연평균 7∼10%의 전기 절감이 가능한 것으로 나타났다. GS25 등 6개 편의점은 29.2%를 줄였고 대우조선해양 옥포조선소는 7.7%를 절감했다

에너지 소비량 절감

사용자 만족도 개선

장비 수명 연장 및 비용 절감

CO2 배출량 감소

필요성 및 적용 이익

사용에너지의 분석, 운전관리 재검토 및 결과 피드백 적용

장비 운전 트랜드 분석으로 인한 효율적인 운전방법 제시

공조, 조명, 전력, 신재생에너지 성능의 효과적이고 적정한 관리로 인한 쾌적한 실내환경 제공

정상적인 시설물운용 및 에너지 소비량 감소로 인한 CO2배출량 감소 효과


EMS 도입 Process EMS는 PDCA (Plan-Do-Check-Act)의 방법론에 기초, 경영적 측면과 기술적 측면으로 구성


에너지진단 설비교체 에너지관리시스템적용 미래수요예측 에너지효율화

EMS 도입 Process

• 에너지방침 수립 • 전락기획수립 • 에너지 측면분석 • 법규 및 기타 요구사항 준수

• 목표수립 • 모니터링 및 측정

• 성과관리 • 내부심사 • 준수평가

• 시정 및 예방조치 • 경영검토

EMS 관리 Activity Process


EMS 적용분야 EMS의 적용분야는 수요/공급/관리 측면의 산업과 건물,공장,가정 등의 사용 분야에 따라 다른 형태의 적용이 가능


사용분야에 따른 구분

BEMS FEMS HEMS 공급측 수요측

에너지 공급자는 특정 기간 동안(연/월/일) 사용자가 언제, 어디서, 얼마나 많은 에너지를 사용할 것인지 알고 싶어함. → EMS (실제 에너지 소비에 대한 meters, monitors, measures, validates and reports)

사용자는 효율을 최적으로 하는 최소의 에너지 비용을 찾고자 함 → EMS (Identifies and reduces facility energy demands and optimizes energy consumption practices)

수요/공급에 의한 요건

일반 건물 공장 및 생산시설 가정

특정 생산물에 따라 에너지 사용 방법 및 관리 방안이 존재 • 반도체 • 철강 • 자동차

다양한 건물의 형태에 따라 소비 에너지 현황이 다름 • 일반건물 • 병원 • 학교 • 데이터 센터

공장 및 생산시설


HEMS = Home Energy Management System


HEMS

주택의 에너지 소비기기인 가전 및 냉난방 기기, 조명 등을 IT기술을 활용하여 네트워크로 연결하고, 자동 제어하는 시스템

• 자체생산 에너지 관리

• 기존 전력망과의 연동

• 고효율 저에너지 소비

• 친환경 기술

• Smart Home 과의 연계

• 다세대, 집합주택의 공동 시설물과의 연계시스템

HEMS 기능

자료: 산업자원부, 건물의 에너지 효율등급 평가기준 및 정책 개발에 관한 연구(2007)

한국,일본,독일 주택에서 소비되는 에너지 사용량


FEMS = Factory Energy Management System


FEMS

FEMS는 공장내의 에너지 소비가 많은 공정 기기에 관리 시스템을 도입하여 에너지 효율 관리를 통해 원가 절감을 목표로 하며, 일반건물의 조명, 냉난방 부분에 생산설비에서 사용하는 에너지 부분이 포함된 형태로 이루어진다.

• 기본적으로 BEMS 기능 포함함 추가로 생산설비의 에너지 사용량을 모니터링 관리

• 생산설비 모니터링 및 제어 • 기능목록 모니터링 및 제어 데이터 수집/분석/저장관리 리포팅

FEMS 기능

공장 및 산업체는 국내 전체 건물 에너지 사용량의 약 60%를 차지하는 대표적 전력 사용처


FEMS 특징 및 구성도 FEMS는 각 사업체 별 생산공정을 면밀히 분석해 해당 업무에 맞는 맞춤형 시스템을 구축 필요


FEMS의 특징

BEMS + FEMS 공장에 도입되는 FEMS는 각 사업체별 생산공정을 면밀히 분석해 해당 업무에 맞는 맞춤형 시스템을 구축하는 것이 특징 예를 들면 간장이나 고추장을 생산하는 발효식품회사의 경우 각 공정에 보일러가 많이 활용되므로 보일러 운영 기반의 솔루션을 적용 필요 따라서 효율이 높은 보일러 시스템을 새롭게 도입하고 각 공정별 온도 및 압력, 가스량, 전력량 등 각종 에너지 사용 관련 데이터를 실시간으로 분석해 생산 효율과 에너지 절감이 가능한 운영시스템을 개발하면 최적의 효율성을 구현 가능


BEMS = Building Energy Management System


BEMS 정의

건물관리자가 사용자의 쾌적하고 기능적인 업무환경을 효율적으로 유지,보전하기 위해 ICT기술을 이용하여 합리적인 건물에너지 사용이 가능하도록 구현하는 건물 에너지 제어.관리.경영 통합시스템 (KS정의, ‘12.08.27)

• 에너지 소비량의 파악

• 비효율적으로 운영되는 장비의 발견

• 자동제어의 최적화 제어 확인

• BEMS 운영을 통한 분석 및 적용으로 에너지 소비량 절감

• 설비의 효율적인 운전으로 장비 수명 연장 및 비용절감

• 실내환경 및 공조성능 관리로 입주자 만족도 개선

BEMS 기능


ESS = Energy Storage System


ESS란?

장치 혹은 물리적 매체를 이용하여 에너지를 나중에 사용하기 위해 저장하는 것을 말한다. 이에 쓰이는 장치를 축압기라고 하고, 더 넓은 범위의 체계 전체를 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)라고 한다. 일반 가정에서 사용하는 건전지나 전자제품에 사용하는 소형 배터리도 전기에너지를 다른에너지 형태로 변환하여 저장할 수 있지만 이런 소규모 전력저장장치를 ESS라고 말하지는 않고, 일반적으로 수백 kWh 이상의 전력을 저장하는 단독 시스템을 ESS라고 부른다

ESS는 전력계통에서 발전, 송배전, 수용가에 설치되어 운영이 가능하며, 주파수 조정(Frequency Regulation), 신재생발전기 출력 안정화, 첨두부하 저감(Peak Shaving), 부하평준화(Load Leveling), 비상전원 등의 기능으로 사용


DR = Demand Response


DR / DSM

지능형 수요관리(DR)란 전력공급상황, 피크 부하율 전력 생산•공급가격에 따라 소비자가 사전에 약정한 전력사용량을 절감해 차액분을 보상받는 제도. 소비자는 변동하는 가격에 맞춰 전력 소비를 줄이거나 전력 사용 시간대를 옮길 수 있음 Source: SK Energy

DR Flow

전통적으로 수요관리(Demand Management)는 전력회사가 전기 수요량을 조절하는 조치를 뜻하며, 이에 대해 관리 자원 면에서 확대된 개념은 수요측면관리(Demand Side Management)


시스템 구조 및 구축 모델



EMS 시스템 구조 EMS는 다양한 에너지 관련한 기기들의 정확한 제어 시스템과 편리한 관리 어플리케이션 그리고 이를 안정적으로 운영이 가능한 S/W 및 H/W 인프라 시스템으로 구성


구분

Control Device • 정확한 제어기기 컨트롤 • 센서 데이터 수집

Platform Application • 운영 어플리케이션 • 비즈니스 시나리오

Platform S/W Infra

Platform H/W Infra

• 안정된 S/W 및 어플리케이션 • 시스템 운영 시스템 • 다양한 연동 프로토콜 지원 • 서비스 연동 Hub

• 안정된 H/W Infra 운영 • 확장 가능한 시스템

기능 Example

• 기기관리 • 모니터링 / 분석 • 에너지 관리 프로세스

• Device Application Infra • Application Server • Database / BigData System • BI / Analysis

• Server 시스템 • Cloud 시스템

• 미터링 Device • Control Gateway Device


EMS 구축 모델


EMS

EMS + ESS

EMS + DR

EMS + ESS + DR

EMS Model


EMS + ESS + DR Diagram


Source: SK C&C


Solution 사례



BEMS: 데이터 센터 DCIM (Data Center Infrastructure Management)


• 국내 데이터센터 건물 연간 총 적산 사용량은 약 25억kWh (111개)

• 국내 연간 원자력 발전량은 약 1,478억 kWh (21개)

• 111개 데이터센터의 연간 총 적산 사용량은 국내 1개 원자력 발전소 연간 발전량의 37% 수준

• NHN • 1C 올릴 때 마다 약 1%의 전력비용 절감 • 일반적으로 내부온도는 20~24C 운영 • NHN 26C이상 유지 테스트 진행

• 한화S&C • Cool Zone 과 Hot Zone에 서버랙을 배치하고 밀폐수냉식 냉각방식을

도입하여 냉각에 소요되는 비용을 40%가량 절감 • 태양복사열을 차단 > 전산기계실의 공조효율을 극대화

• SK C&C • 겨울에는 차가운 외부공기 이용 서버실 냉각 • 한여름에는 빙축열(심야전력으로 얼음을 얼려 낮시간에 이용) 사용

서버실 냉각 • 태양광 등 자체 발전 시설 가동

국내 데이터 센터 전력 사용량

데이터센터 전력 절감 사례


솔루션/사례: DataCenter 에너지관리 Smart Data Centers & Energy Management (M2M)


데이터센터 관리를 위한 Device Gateway

출처 : Emerson | Trellis

Overview

• 데이터 센터의 통합 관리를 위한 Device Gateway 및 통합Server Platform (Cloud Based)

• The Emerson Network Power DCIM (Data Center Infrastructure Management) Platform – Trellis

Tech Architecture

• 다양한 센서 디바이스를 통합 연동

• 분산 처리를 위한 G/W 처리 시스템

• 임베디드 OEP를 적용하여 Gateway 단위의 패턴분석

• 센서디바이스와 모니터링 서비스간의 유기적 연동


솔루션/사례: ENERNOC Commercial Smart Grid


수요관리 시스템

Overview

• 학교, 병원, 공장 등에서 계속적으로 발생하는 다양한 에너지 데이터의 변동을 수집하여 관리, 분석하며 이를 기반으로 에너지 거래 서비스 구축

Tech Architecture

• 다양한 에너지 미터링 기기로부터 데이터 전송

• 데이터 센터에서 빠르게 사용량 분석 및 수요처 확인

• Oracle Event Processing

• Oracle Coherence

• Oracle ExaData


솔루션/사례: GEMS Greenhouse Gas and Energy Management System


GEMS

Overview 온실가스 및 에너지 관리 시스템

관리에 대한 특허를 기반 구축

측정치와 실제치의 오차를 제어

Tech Architecture • On-Premise 형태의 서비스 제공

• Cloud 구조인 SaaS 비즈니스 및 BigData 처리 구조

• 기존의 Legacy와 연계한 Open 구조

GEMS


솔루션/사례: HK-EMS Next Generation EMS including Demand Side Management (Peak Time Management using EES)


HK-EMS

Overview 빌딩 에너지 모니터링/ 분석/ 예측/ 제어기능/ 목표관리

ESS와 연계한 시스템 구조

Tech Architecture 1. Monitoring Energy Consumption – GAS ,Water , Electricity &

Temperature/Humidity 2. Peak Time Management though usage pattern analysis and

controlling EES including DR management 3. Reinforcement on Electricity efficiency

- Increasing the Quality and control power of electricity - Increasing Operation on electric power and life time of equipment - Energy simulation and health check


효율적 구축 및 운영 방안 EMS 시스템의 효율적 구축 및 운영 방안



EMS 관련한 System 이슈사항 최근 EMS는 기존의 제어/모니터링 환경에 더하여 대용량 데이터의 분석과 함께 서비스의 통합과 클라우드형태 관리의 이슈가 대두되고 있음


프로토콜 각 프로토콜의 통합을 위한 시스템 다양한 센서장비를 연결하기 위한 프로토콜 표준화/유연화 대응

통합관리 Cloud Base로 통합관리 하기 위한 시스템 소수의 숙련된 전문가를 통한 관리 효율화

보안 EMS 보안 영역 및 장비 간 통신보안

대응방안

프로토콜 표준화 및 암호화

유연한 연결 시스템 구성

ORACLE PLATFORM

Oracle OEP (Embedded OEP)

Oracle Database

SOA

Java Embedded

Requirement

유연한 시스템 구조

다양한 서비스들과의 연계를 위한 통합 서비스 연동 관리시스템

에너지 예측 과거의 에너지 소비 패턴을 분석하고 이에 필요한 에너지 예측 시스템을 통한 비용 절감 모델 개발

확장된 데이터 관리 포인트의 확장으로 인한 대용량 데이터의 저장 및 분석방법 필요

대용량 저장 및 분석 BigData 환경

실시간 대응 시스템

신속대응 에너지 소비 패턴에 따른 에너지 절감 신속 대응

Oracle BigData Appliance

In-Memory Grid

통합 G/W 및 전방 대응 시스템 구축


효율적 운영 방안 EMS를 적용한 많은 에너지 관리 시스템은 에너지사용 절감과 관리 시스템 투자 절감 및 구성원의 만족감 저하 방지라는 세 가지 목표를 동시에 추구해야 한다.


구분

에너지 절감 방안 • 불필요한 에너지 사용 방안을 구축

구성원 만족도 유지 방안

• 구성원의 에너지 절감 활동에 긍정적 활동을 할 수 있도록 역할

기능 Example

• 만족도 평가 시스템 • 최적도 학습시스템 적용

• 실제 에너지 절감 방법 적용 • 에너지 절감의 최대 효율 방안 마련

시스템 운영 절감 방안

• 에너지 절감에 대한 추가적인 비용이 들지 않도록 구성

• Cloud EMS 시스템 구성 • 투자대비 비용 회수 방안 고려

각종 규제 및 정책 적응 • 탄소배출 규제 및 거래 시장 • 정책 목표 대응 시스템 • 규제 항목 추가 및 시스템 연계


Cloud System



EMS Platform Concept 통합제어를 위한 Gateway시스템과 원격 Cloud기반의 데이터센터 플랫폼 요소기술 제시


원격빌딩 EMS (EMM) 관제센터

이 기종 BAS/EMS 통합 제어를 위한 Gateway

• 원격관제서비스 프레임워크 (Client) • 이종 BAS간 통합제어 미들웨어 • 멀티프로토콜/멀티네트워크 지원

HVAC 전력 조명 에너지/환경센서

데이터 안정성과 실시간성 보장을 위한 서버 (ESC)

원격 관리 및 통합관제를 위한 서버 (EMM)

에너지 절감 대책 분석 및 설비 유지보수를 위한 서버(EOM)

• ESC 보안 요구사항 및 가이드라인 표준화 • EMM센터 운용을 위한 보안정책 관리 • EMM통합 보안 플랫폼

• 빌딩에너지 관리 효과분석을 위한 평가 지표 및 에너지 절감요소 도출

• 운영데이터기반 에너지절감 대책 수립 • 원격 빌딩에너지 유지보수 서비스

• EMM 원격 관제 서비스 프레임 워크 • 스마트그리드/마이크로그리드 연동 I/F • Smart DB기반 에너지 정보 수집 및 관리

• EMM: Energy Monitoring & Management • EOM: Energy Optimization & Maintenance • ESC: Energy Security Convergence

네트워크


EMS with Cloud시스템 다수의 Building/Facility을 관리하기 위하여 네트워크을 통하여 Cloud에서 통합관리 구축


Cloud 제어 환경

Building Area Gateway Device

Factory Area Gateway Device

Facility Area Gateway Device

Application Server

Real-time Event 분석

Data 저장

통합포탈시스템

분석

Reporting

네트워크

원격관리대상 통합 관리 센터 Cloud 시스템 장점

• Network기반 EMS구성을 통한 구축비/운영비 절감

• 통합 플랫폼 운영으로 최적의 에너지 절감방안 도입

• 여러 사업자의 서비스 연동 편리


EMS System Model EMS System Model


Model #1

EMS

Model #2

분산형 분석모델

Model #3

중앙집중식 SaaS 모델


Machine Learning



EMS + DR Road Map



Machine Learning & Predictive Analysis on Building Energy Management


The 3rd wave of innovation will take this analysis concept even further to “optimization”. It will be about real-time adaptive control of operations. Basically creating a learning system using predictive analysis algorithms, machine learning and Big Data. The system will combine an energy model of the building with external data such as weather forecasts and energy pricing signals to automatically write set points for the BEMS and execute Demand Response (DR) events.


Machine Learning for Google DataCenter


PUE 1.21 in 2008 1.12 in 2013

https://www.google.com/about/datacenters/efficiency/internal/

http://1.bp.blogspot.com/-8Ba7c72OwJI/U4VvLDhGc6I/AAAAAAAAOlQ/buQPFDcCfyY/s1600/google-datacenter-tech-05.jpg


Machine Learning for Google DataCenter



Modeling of DataCenter ML



Machine Learning for Model & Accuracy


The models can predict PUE with 99.6 percent accuracy.

A simplified version of what the models do: take a bunch of data, find the hidden interactions, then provide recommendations that optimize for energy efficiency

- Neural networks -

Document: machine-learning-applicationsfor-datacenter-optimization-finalv2.pdf

http://2.bp.blogspot.com/-L0SLVNkqYj8/U4VvX5belJI/AAAAAAAAOlc/uMtd_Vwqzp0/s1600/infographic.png

http://1.bp.blogspot.com/-S8qcCScG9Sk/U4VvX6jD4rI/AAAAAAAAOlY/ugOZ_74W8iw/s1600/accuracy.png


Deep Learning


딥 러닝(Deep learning) : 여러 비선형 변환기법의 조합을 통해 높은 수준의 추상화(abstractions, 다량의 데이터나 복잡한 자료들 속에서 핵심적인 내용 또는 기능을 요약하는 작업)를 시도하는 기계학습(machine learning) 알고리즘의 집합

• MIT가 2013년을 빛낼 10대 혁신기술 중 하나로 선정 • 가트너(Gartner, Inc.)가 2014 세계 IT 시장 10대 주요

예측


Data Intelligence Ref Architecture 오픈 소스 기반의 Data Intelligence System



Learning System


Learning System Learning System 적용

• 구성원들의 에너지 사용 패턴을 확인하여 BigData 처리 분석

• 에너지 사용의 외부 환경 요인 분석 (날씨, 기후, 지역, 위치 등)

• 지속적인 사용자 패턴 분석 및 비교

3.2B으로 2014년 Google이 인수

구성원들의 에너지 사용 만족도를 위하여 지속적으로 구성원들의 에너지 사용 패턴 분석

System 확장

• Google은 NEST를 Smart Home Hub로 발전

• Google Now와 연계

• NEST Open API 구성

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Software

에너지 관리시스템 구축모델 및 합리적 운영방법 (ML)