SEP 표준 기반의 확장된 스마트 플러그 시스템

Abstract

세계적으로 에너지 절약을 위한 그린 IT에 대한 관심과 기대가 높아지면서 그 에 따른 기술이나 서비스 플랫폼에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 국내의 경우 전체 에너지 사용 비중에서 약 40%의 에너지를 주거공간과 상업용, 공공건물 에서 사용하고 있다. 그에 따른 에너지 절감이 절실한 실정으로 건물 에너지 효율 화를 위해 IT와 융합한 기술 개발에 노력을 다하고 있다. 최근 가전제품의 에너지 소모를 최소화하기 위해 대기전력 제어 기술 연구가 진행되고 있다. 대기전력은 실제 가전기기의 사용 여부와 상관없이 전원 콘센트 로 인해 소모되는 전기에너지로, 가구당 대기전력 소비는 연평균 209KWh로 나 타나며, 연간 총 전력소비 3400KWh의 6.1%에 해당하는 대기전력을 소모하고 있 다. 이 대기전력 소모를 줄이기 위해 국내외적으로 가전제품의 소비전력 정보를 이용하여 자동으로 전원을 차단해주는 스마트 플러그 기술을 연구하고 있다. 초기 스마트 플러그 기술은 IR 방식의 원격 제어를 활용하여 대기전력을 제어 하였으며, 최근에는 무선 통신을 활용하여 지능적인 기능을 제공하는 스마트 플 러그에 관심이 집중되고 있다. 그러나 기존 개발된 스마트 플러그는 IR 중심의 통신 방식과 1구로 인한 단순함과 3구로 복잡도 증가의 어려움과, 서로 다른 프 로토콜 사용으로 상호 호환성의 문제와, 통신 장애 및 사용자의 요구를 지능적으 로 처리하는 데 한계가 있다. 이에 본 논문에서는 가정 내 대기전력을 줄여 에너지를 절감하기 위해 국제 표준이 SEP(Smart Energy Profile) 기반의 스마트 플러그와 이를 제어하고 모니 터링하는 게이트웨이 시스템에 대해 제안한다. 이를 위해 스마트 플러그 시스템 에서 통신 및 시스템 장애 처리 및 지능적인 기능을 제시하고, 하드웨어 및 소프 트웨어를 설계하고 구현하며, 주요 기능과 알고리즘에 대해 성능을 분석한다. 먼저 확장된 스마트 플러그는 대기전력 차단 관련 센서 노드 및 통신 노드의 오작동 및 고장을 해결하고, 냉장고와 같은 24시간 항시 전기를 사용하는 제품을 고려하여 2구 기반을 개발하고, 1구는 대기전력 차단용, 나머지 1구는 상시 전력 용으로 사용하여 전기 사용 효율을 증대시킨다. 그리고 스마트 플러그와 게이트웨이 간 통신 장애가 발행할 경우 이를 해결하 기 측정된 데이터 손실을 방지하기 위해 스마트 플러그 내 저장하고 통신 복구 시 재전송하는 알고리즘을 제안하고 성능을 평가한다. 다음으로 확장된 게이트웨이는 통신 장애 및 내부 시스템 오류로 인한 장애 발생 시 게이트웨이가 교착(Deadlock) 상태가 되는 것을 방지하기 위해 WatchDog Thread를 활용 장애 상황 발생 시 시스템을 리셋(Reset) 하는 방법을 제시한다. 또한 스마트 플러그에서 전송되는 측정값을 분석하여 센서 측정 범위 를 벗어나거나 오류 값을 전송할 경우 해당 스마트 플러그 센서 고장 여부를 판 단하는 알고리즘을 제안하고 성능을 평가한다. 그리고 스마트 플러그에 연결된 가전제품의 소비전력 패턴을 분석하여 현재 제품의 사용과 대기 여부를 판단하여 대기전력을 제어할 수 있는 제품 상황 분 류 알고리즘을 제안하고 성능을 분석한다. 마지막으로 게이트웨이 내부에 데이터베이스와 웹 서버 환경을 구성하여 인터 넷이 되는 지역이면 어디서나 게이트웨이에 접속하여 웹 기반 모니터링을 통해 전력 사용량 확인 및 각 스마트 플러그 제어할 수 있는 시스템을 설계하고 구현 한다. 더불어 확장한 스마트 플러그의 대기전력 소비에 대해 성능을 분석한다. 본 연구를 통해 스마트 홈에서 가전제품의 대기전력을 감소시켜 에너지를 절감 하는데 기여할 수 있다.

With increasing interest in and expectations for Green IT in saving energy around the world, a number of studies have been undertaken for developing technologies or services related to Green IT. For Korea, about 40% of total energy consumption comprises residential, commercial or public buildings. Accordingly, Korea has been devoted to developing the convergence technology with IT to efficiently use energies in buildings because of earnest needs to save energy. In a number of studies, most research has been focusing on the technology to minimize standby power consumption caused when an electronic device is connected to a power outlet but not being used. Smart Plug Technology is one of the technologies to minimize standby power. Smart Plug Technology automatically cuts the power supply when an electronic appliance is not used at home with a communication function providing power consumption information of the electronic appliance for controlling standby power. With the development of Smart Plug Technology, many commercialized products have been launched into the market. However, Smart Plug in both previous research and available on the market at present have not been easy to use because of IR-based communication and singleand three-prong structure. Furthermore, it was difficult to expand the application of the product because of compatibility issues caused by different protocols. Thus, this paper proposes a Smart Plug based on SEP (Smart Energy Profile), the international standard to save energy and minimize standby power consumption at home and the gateway system to control and monitor the Smart Plug. In consideration of the inconvenient usage caused by errors or failures of sensor nodes and communication nodes related to standby power cutoff and electronic appliances that constantly consume power such as refrigerators, the Smart Plug in this paper was designed to have two prongs, one for cutting standby power and the other for continuing power consumption. The Smart Plug had an embedded data saving function to prevent measured data from being lost even in the case of a communication failure between the Smart Plug and gateway. The Smart Plug will retransfer data when communication is activated after a failure. To prevent the deadlock of a gateway in the case of any errors caused by internal system failures or communication failures, the entire system is reset using a WatchDog Thread in the case of any errors. This study implemented an approach enabling the Smart Plug Sensor to identify whether it is an error or not by analyzing the measurement data transferred from the Smart Plug if the data exceed the measurement scope or a false value is transferred. In addition, an event classification algorithm was also implemented to control the standby power by identifying whether a relevant product works or not by analyzing the power consumption pattern of electronic appliances connected to the Smart Plug. Finally, a database and web server environment were implemented inside the gateway to enable the check of power consumption and control of each Smart Plug by access to the gateway in any place where internet service is available and web-based monitoring. In conclusion, this study will help to save energy by minimizing standby power in a Smart Home.