태양에너지 저장 시스템 MBSE 개발 2단계: 아키텍처 설계 상세 정리

디스크립션: 이 글은 태양에너지 저장 시스템의 MBSE (Model-Based Systems Engineering) 개발 2단계인 아키텍처 설계 과정을 상세하게 설명합니다. 시스템 아키텍처 정의, 구조 설계, 행동 설계, 할당, 인터페이스 설계 등 각 단계별 핵심 질문, 구체적인 예시, 활용 도구 및 방법론을 제시하여 태양에너지 저장 시스템 개발의 효율성을 높이고 성공적인 시스템 구축을 지원합니다.

카테고리: 스마트에너지, 태양에너지, 저장 시스템, MBSE, 아키텍처 설계, 시스템 개발, 공학, 소프트웨어

키워드: 태양 에너지, 저장 시스템, MBSE, 아키텍처 설계, 시스템 개발, 시스템 엔지니어링, 구성 요소, 인터페이스, 동작 방식, 모델링, SysML, UML

태그: 태양에너지, 저장시스템, MBSE, 아키텍처, 설계, 시스템, 개발, 엔지니어링, 구성요소, 인터페이스

 

2단계 아키텍처 설계는 시스템 정의 및 요구 사항 분석 단계에서 정의된 내용을 바탕으로 시스템을 구성하는 요소, 요소 간 관계, 동작 방식 등을 모델 기반으로 설계하는 단계입니다.

2.1 시스템 아키텍처 정의

핵심 질문:

• 시스템을 구성하는 주요 요소는 무엇이며, 각 요소는 어떤 역할을 수행하는가?
• 요소들은 어떻게 상호 작용하며, 어떤 인터페이스를 통해 데이터를 주고받는가?
• 시스템은 전체적으로 어떻게 동작하는가?

• 시스템 구성 요소 식별: 시스템을 구성하는 주요 요소 (예: 태양광 패널, 배터리, 인버터, 제어 시스템 등)를 식별하고, 각 요소의 기능과 역할을 정의합니다.
• 시스템 구성 요소 식별 예시:
  • 태양광 패널: 태양 에너지를 전기 에너지로 변환
  • 배터리: 전기 에너지를 저장
  • 인버터: DC 전력을 AC 전력으로 변환
  • 제어 시스템: 시스템 전체를 제어 및 관리
  • 전력망 연계 장치: 전력망과의 연동
  • 센서: 시스템 상태 정보 감지
  • 통신 모듈: 외부 시스템과의 통신
• 인터페이스 정의: 구성 요소 간 인터페이스 (예: 전기적 연결, 통신 프로토콜)를 정의하고, 데이터 교환 방식을 설계합니다.
• 인터페이스 정의 예시:
  • 태양광 패널 - 인버터: DC 전력 전송
  • 배터리 - 인버터: DC 전력 전송
  • 인버터 - 전력망 연계 장치: AC 전력 전송
  • 제어 시스템 - 각 구성 요소: 제어 신호 및 데이터 교환
  • 제어 시스템 - 외부 시스템: 에너지 관리 정보 교환
• 동작 방식 정의: 시스템 전체의 동작 방식을 정의하고, 각 구성 요소의 상호 작용을 설명합니다.
• 동작 방식 정의 예시:
  • 낮: 태양광 패널에서 생산된 전력은 배터리에 충전되고, 일부는 인버터를 통해 AC 전력으로 변환되어 사용
  • 밤: 배터리에 저장된 전력은 인버터를 통해 AC 전력으로 변환되어 사용
  • 전력 부족 시: 외부 전력망에서 전력을 공급받아 사용
  • 전력 과잉 시: 남는 전력을 전력망으로 역송전
• 아키텍처 모델 작성: 식별된 구성 요소, 인터페이스, 동작 방식을 모델 기반으로 표현합니다. (SysML 블록 정의 다이어그램, 내부 블록 다이어그램 활용)
• 아키텍처 모델 작성 도구:
  • SysML (System Modeling Language)
  • Enterprise Architect, Rhapsody 등 모델링 도구 활용
  아키텍처 모델 예시:
  • 블록 정의 다이어그램: 시스템 구성 요소 간 관계 및 계층 구조 표현
  • 내부 블록 다이어그램: 구성 요소 간 인터페이스 및 데이터 흐름 표현

2.2 구조 설계

핵심 질문:

• 시스템의 물리적 구조는 어떻게 구성되는가?
• 각 구성 요소는 어떤 위치에 배치되고, 어떻게 연결되는가?
• 공간, 무게, 환경 등 물리적 제약 조건을 어떻게 고려할 것인가?

• 물리적 구조 모델링: 시스템의 물리적 구조 (예: 배치, 연결)를 모델링합니다.
• 물리적 구조 모델링 예시:
  • 2D/3D 도면 활용
  • 건물, 토지 등 설치 환경 고려
  • 배선, 배관 등 연결 방식 고려
• 구성 요소 할당: 식별된 구성 요소를 시스템의 물리적 구조에 적절하게 할당합니다.
• 구성 요소 할당 예시:
  • 태양광 패널: 지붕, 옥상 등
  • 배터리: 건물 내부, 별도 공간
  • 인버터: 건물 내부, 외부
  • 제어 시스템: 건물 내부, 중앙 통제실
• 제약 조건 고려: 물리적 제약 조건 (예: 공간, 무게, 환경)을 고려하여 구조를 설계합니다.
• 제약 조건 고려 예시:
  • 공간 제약: 배터리 크기, 설치 공간 확보
  • 무게 제약: 지붕 하중 고려
  • 환경 제약: 온도, 습도, 먼지 등 고려
• 구조 검증: 모델 시뮬레이션을 통해 물리적 구조의 적절성을 검증합니다.
• 구조 검증 방법:
  • 모델 시뮬레이션 (CAD/CAE 도구 활용)
  • 전문가 검토

2.3 행동 설계

핵심 질문:

• 시스템은 어떤 순서로, 어떻게 동작하는가?
• 각 구성 요소는 어떤 상태를 가지며, 어떻게 변화하는가?
• 시스템 성능은 어떻게 평가하고, 최적화할 것인가?

• 동작 방식 모델링: 시스템의 동작 방식을 모델 기반으로 표현합니다. (SysML 시퀀스 다이어그램, 상태 머신 다이어그램 활용)
• 동작 방식 모델링 예시:
  • 시퀀스 다이어그램: 시간 흐름에 따른 객체 간 상호 작용 표현
  • 상태 머신 다이어그램: 객체 상태 변화 및 조건 표현
• 시뮬레이션: 모델 시뮬레이션을 통해 시스템 동작을 검증하고, 문제점을 파악합니다.
• 시뮬레이션 도구:
  • MATLAB/Simulink, PSIM 등
  • 전 주로 SparksEA를 기본으로 하고 있습니다. 
• 성능 분석: 모델 기반 성능 분석을 통해 시스템 성능 목표 달성 가능성을 평가합니다.
• 성능 분석 예시:
  • 에너지 효율, 충전/방전 속도, 시스템 수명 등 성능 지표 측정
  • 모델 시뮬레이션 결과 분석
• 동작 최적화: 시뮬레이션 결과 및 성능 분석 결과를 바탕으로 시스템 동작 방식을 최적화합니다.
• 동작 최적화 예시:
  • 제어 알고리즘 개선
  • 시스템 파라미터 조정

2.4 할당

핵심 질문:

• 요구 사항 분석 단계에서 정의된 요구 사항을 각 구성 요소에 어떻게 할당할 것인가?
• 요구 사항과 구성 요소 간 추적성을 어떻게 확보할 것인가?

• 요구 사항 할당: 요구 사항 분석 단계에서 정의된 기능, 성능 요구 사항을 각 구성 요소에 할당합니다.
• 요구 사항 할당 예시:
  • 기능 요구 사항: 각 기능 수행에 필요한 구성 요소 할당 (예: 에너지 저장 기능 -> 배터리)
  • 성능 요구 사항: 각 성능 목표 달성에 기여하는 구성 요소 할당 (예: 에너지 효율 -> 배터리, 인버터)
• 추적성 확보: 요구 사항과 구성 요소 간 추적성을 확보하여 개발 과정에서 요구 사항 변경에 따른 영향을 분석하고 관리할 수 있도록 합니다.
• 추적성 확보 방법:
  • 요구 사항 관리 도구 활용
  • 요구 사항-구성 요소 간 링크 설정
• 할당 검증: 할당된 요구 사항의 적절성을 검증합니다.
• 할당 검증 방법:
  • 모델 시뮬레이션
  • 전문가 검토

2.5 인터페이스 설계

핵심 질문:

• 구성 요소 간 데이터 교환을 위한 인터페이스를 어떻게 설계할 것인가?
• 어떤 데이터 형식으로 데이터를 주고받을 것인가?

• 인터페이스 정의: 구성 요소 간 데이터 교환을 위한 인터페이스를 정의합니다. (예: 전기적 연결, 통신 프로토콜)
• 인터페이스 정의 예시:
  • 전기적 연결: 전압, 전류, 전력 등
  • 통신 프로토콜: Modbus, CAN 등
• 데이터 형식 설계: 교환되는 데이터 형식을 설계합니다.
• 데이터 형식 설계 예시:
  • 에너지 사용량, 배터리 잔량, 시스템 상태 정보 등
• 인터페이스 검증: 모델 시뮬레이션을 통해 인터페이스 동작을 검증합니다.
• 인터페이스 검증 방법:
  • 모델 시뮬레이션
  • 실제 장비 연동 테스트

2단계 결과물

• 시스템 아키텍처 모델: 시스템 구성 요소, 인터페이스, 동작 방식을 모델 기반으로 표현한 결과물
• 시스템 아키텍처 모델:
  • 블록 정의 다이어그램, 내부 블록 다이어그램 등
  • 시스템 구성 요소, 인터페이스, 동작 방식 상세 설명
• 구조 설계 모델: 시스템의 물리적 구조를 모델링한 결과물
• 구조 설계 모델:
  • 2D/3D 도면
  • 구성 요소 배치 및 연결 정보
• 행동 설계 모델: 시스템 동작 방식을 모델링한 결과물
• 행동 설계 모델:
  • 시퀀스 다이어그램, 상태 머신 다이어그램 등
  • 시스템 동작 시나리오별 설명
• 요구 사항 할당 결과: 요구 사항과 구성 요소 간 할당 결과를 정리한 문서
• 요구 사항 할당 결과:
  • 요구 사항-구성 요소 매핑 테이블
  • 요구 사항 추적성 정보
• 인터페이스 설계 결과: 인터페이스 정의, 데이터 형식 설계 결과 문서
• 인터페이스 설계 결과:
  • 인터페이스 정의서 (전기적 특성, 통신 프로토콜 등)
  • 데이터 형식 정의서

2단계 핵심 사항

• 요구 사항 기반 설계: 요구 사항 분석 단계에서 정의된 내용을 바탕으로 아키텍처를 설계해야 합니다.
• 요구 사항 기반 설계:
  • 요구 사항은 아키텍처 설계의 기준이 되므로, 요구 사항을 충족하는 아키텍처를 설계해야 합니다.
• 다양한 관점 고려: 시스템의 기능, 성능, 안전성, 경제성 등 다양한 관점을 고려하여 아키텍처를 설계해야 합니다.
• 다양한 관점 고려:
  • 시스템은 기능, 성능, 안전성, 경제성 등 다양한 측면에서 평가되어야 하므로, 이를 모두 고려하여 아키텍처를 설계해야 합니다.
• 모델 기반 검증: 모델 시뮬레이션을 통해 설계의 적절성을 검증하고, 문제점을 사전에 파악해야 합니다.
• 모델 기반 검증:
  • 모델 시뮬레이션을 통해 설계의 타당성을 검증하고, 문제점을 사전에 발견하여 수정해야 합니다.

2단계 중요성 강조

2단계는 태양에너지 저장 시스템 MBSE 개발의 핵심 단계이며, 이후 단계의 성공적인 수행을 위해 반드시 필요한 과정입니다. 2단계에서 아키텍처 설계를 제대로 수행하지 못하면, 이후 단계에서 막대한 비용과 시간 낭비가 발생할 수 있습니다. 따라서 2단계에 충분한 시간과 노력을 투자하여 요구 사항을 충족하는 최적의 아키텍처를 설계하는 것이 중요합니다.

 

2단계는 태양에너지 저장 시스템 MBSE 개발의 핵심 단계이며, 이후 단계의 성공적인 수행을 위해 매우 중요한 과정입니다. 위에서 제시된 내용들을 참고하여 2단계를 성공적으로 완료하시길 바랍니다. 궁금한 점이 있다면 언제든지 다시 질문해주세요.