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스마트 시티 구현을 위한 스마트 미터링
정환용 기자 | 승인 2018.04.09 11:17

[EPNC=정환용 기자] 세계 각국의 정부와 전력 공급사들은 지난 100년 동안 거의 변하지 않은 기존의 전력망을 좀 더 효율적이고 유연하면서도 지능적인 에너지 공급망인 ‘스마트 그리드(Smart Grid)’로 교체해야 한다는 점을 인식하고 있다. 스마트 그리드는 디지털 방식의 모니터링을 뜻한다. 즉, 분산형 재생 자원을 포함한 전력 공급지에서 소비지까지 전기와 가스를 공급하는 에너지 자가 회복 시스템이다.

스마트 그리드는 전력 공급을 최적화하고 양방향 통신을 지원하기 때문에 최종 사용자 측에서 에너지 관리가 가능하고, 전력 중단을 최소화할 수 있으며, 전력을 필요한 양만큼만 전송할 수 있다. 따라서 사업자와 소비자 모두 비용을 절약하면서 보다 안정적으로 전력을 공급할 수 있고, 탄소 배출을 줄일 수 있다. 스마트 그리드가 많은 관심과 투자를 모으고 있는 데는 여러 이유가 있다. 기존 전력망에 인텔리전스와 디지털 통신을 추가하면 기능을 다음과 같이 개선할 수 있기 때문이다.

▲신뢰성과 전력 품질 향상
▲응답성 향상
▲효율성 향상
▲현재와 미래의 수요 관리
▲사업자와 소비자의 잠재적 비용 절감
▲새로운 애플리케이션을 위한 통신 플랫폼 제공
▲스마트 그리드의 4대 적용 분야(스마트 미터링, 빌딩 자동화, E-모빌리티, 재생 에너지)

이 모든 기능들이 전력 변환 모듈, 통신 프로토콜, 에너지 저장 시스템 등 첨단 서브시스템들을 통해 연결된다. 스마트 그리드 기술, 제품, 애플리케이션 분야에 매우 초기부터 적극적으로 참여하고 있는 ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics, 이하 ST)의 제품을 통해 스마트 그리드에 대해 자세히 설명하겠다.

 

스마트 미터링(Smart Metering)
스마트 미터링은 스마트 그리드의 핵심 요소로서, 사용자 전력 소비, 분산형 에너지(Distributed energy) 생산, 전력 손실, 전력 중단 등의 전반적인 전력 그리드를 지능적으로 측정, 모니터링, 제어할 수 있도록 한다. 스마트 미터링 인프라를 구축하기 위해서는 먼저 기술과 경제적 타당성에 대한 면밀하고 정확한 분석이 필요하다. 그래야 효과적인 구현이 가능하고 투자 회수 시점을 앞당길 수 있기 때문이다.

주거와 산업용으로 스마트 미터를 사용하면 소비자와 사업자는 에너지 사용에 관한 정보를 실시간으로 얻을 수 있다. 사업자는 스마트 미터는 LPRF 무선 모듈이나 GSM/GPRS와 같은 다양한 무선 기술과 유선 매체(PLC, RS-485)를 통해 다양한 방식으로 통신할 수 있다. 또한, 스마트 미터는 IPV6 통신망을 통한 통신이 가능하므로 소비자와 사업자에게 전력 사용에 관한 정보를 제공하고 이를 완벽하게 제어할 수 있다.

ST는 집중기(Concentrators)와 멀티 유틸리티 컨트롤러뿐만 아니라 에너지, 수도, 난방, 가스 계량기를 구현하는 데 필요한 반도체 제품 일체를 모두 제공한다. 이 제품 포트폴리오는 전력선 모뎀, 8비트와 32비트 마이크로컨트롤러, 32비트 마이크로프로세서, 도량형 ASSP, 실시간 클록, EEPROM, 전원장치 제품, 보안 제품 등이 포함된다.

 

인도의 스마트 미터링 현황
인도 전력 산업이 당면한 과제는 전력을 전송하고 공급하는 과정에서 발생하는 전력 손실이다. 스마트 그리드는 이런 문제뿐만 아니라 그 외의 여러 문제들을 해결할 수 있다. 인도 스마트 그리드 포럼(ISGF)에 따르면 일반적으로 인구가 50만~100만 명인 도시에서 전력망을 현대화하려면 현재 장비 조건에 따라 약 30억~50억 루피(약 4600만~7700만 달러)가 소요된다. 그렇다면 100개 스마트 시티에 스마트 그리드를 구축하기 위해서는 무려 75억 달러(약 5조 루피)라는 액수의 엄청난 투자가 필요하다. 인도 정부는 향후 5~10년 내에 100개 스마트 시티와 500개 스마트 타운 전부가 스마트 그리드로 운영될 것이라고 전망하고 있다. 이를 위해서 인도는 도심 지역의 지하 케이블 매설, 변전소, 분배망 자동화, 스마트 미터링, 태양광 지붕 설치와 같은 사업들이 필요하다.

인도의 전기 시장이 직면하고 있는 가장 시급한 과제는 소비자들에게 지속적으로 전력을 공급하는 것이다. 주거용으로 선불 스마트 미터를 도입하면 사업자들은 에너지를 소비하기 전에 현금을 확보할 수 있다. ‘원격 차단(Remote Disconnect)’ 기능을 사용하면 요금을 지불하지 않은 소비자는 공급을 차단시킬 수 있다. 소비자들은 집안의 디스플레이 화면으로 자신의 에너지 소비 패턴을 모니터링하고 사용 요금을 확인할 수 있으며, 이를 바탕으로 에너지 소비 패턴을 바꿀 수 있다. 또한, 사업자가 제공하는 다양한 요금 체계에 따라 요금이 더 저렴한 시간대에 에너지를 사용하는 방향으로 유도할 수도 있다. 스마트 미터에 무단조작 방지 기능을 통합하면 전력 도용을 막을 수 있고, 소비자의 에너지 사용 패턴을 분석해 평상시와 다른 소비 패턴을 감지해서 잠재적인 전력 도용을 표시할 수 있다. 스마트 미터 사양에는 통신용 애플리케이션 층으로 6LowPAN, IEEE802.15.4/15.4g 프로토콜, DLMS가 포함된다. 표준 애플리케이션 프로토콜인 DLMS를 스마트 미터에 사용하면 향후 모든 통신 기술 모듈을 통합할 수 있다.

스마트 미터링은 정부의 역점 사업이기 때문에 주요 사업자들은 그리드 인프라의 개선을 위해 스마트 미터링에 주력하고 있다. 스마트 미터링 기술을 사용하면 에너지 사용 정보를 수집하고 통신을 통해 사업자에게 전송할 수 있고, 에너지 품질을 향상시키고 전기를 최대한 활용할 수 있다.특정 지역의 부하를 지속적으로 모니터링하고 지역에 따라 과금 체계를 다르게 하면 피크 시간대의 수요량을 제어할 수 있다. 더불어 스마트 미터를 사용해 전력 도용을 막고 소비자에게 공급되는 전력 품질을 모니터링할 수 있다.

‘스마트(SMART)’라는 단어가 모든 전기나 수도, 가스계량기에서 중요시 되는 이유는 스마트 미터가 지난 수개월치의 에너지 요금 데이터를 기록하고 부하 패턴을 모니터링하기 때문이다. 또한, 스마트 미터에 무단조작 감지 기능을 추가하면 전력 도용을 방지할 수 있다. 선불 기능 스마트 미터 시설은 전력 무단 사용자를 잡아내고, 심각한 기술과 상업적 손실로 전력 설비가 손상되고 있을 때 사업자들의 원활한 현금 유통을 보장해 준다.

[그림 1] 스마트 그리드.

유럽의 스마트 미터링 현황
스마트 미터링은 지역별 목표, 규정과 전력망 사양에 따라 다양한 양상으로 구축돼 왔다. 유럽은 전 세계적으로 스마트 미터링이 가장 많이 진척된 지역이다. 이는 실제적이고 광범위한 추진 성공, 전용 규제 프레임워크와 주요 연구개발 프로그램 덕분이다. 유럽 연합은 ‘3차 에너지 종합대책(The Third Energy Package)’의 근간으로서 전기와 가스 역내 에너지 시장에 관한 지침을 제정했다(전력 2009/72/EC, 가스 2009/73/EC). 이에 따라 경제적으로 타당한 지역부터 우선적으로 2020년까지 80%의 소비자들을 대상으로 지능형 미터링 시스템을 구축할 계획이다.

2009년 유럽 위원회(EC)는 M/441 시행령을 통해 유럽 표준 개발 기구(SDO), CEN, CENELEC, ETSI로 하여금 상호운용이 가능하도록 유틸리티 미터 통신 프로토콜용 개방형 아키텍처를 개발하도록 명령했고, ‘OPEN meter(Open Public Extended Network Metering)’라는 사업명으로 전문 프로젝트를 수행하도록 자금을 지원함으로써 주요 이해 관계자들이 SDO에 대한 제안서를 준비할 수 있게 했다.

‘OPEN meter’ 프로젝트는 3년 간 집중적으로 활동을 펼친 후, 스마트 미터링을 보장하기 위해 실제 유틸리티 네트워크 조건에 맞는 통신 프로토콜을 비롯해 첨단 멀티 미터링 인프라(AMI)를 위한 기능적, 기술적, 보안적, 경제적 요구 사항들을 광범위하게 파악해 냈다. 이로써 국제 상호운용 표준에 의거한 수많은 제품과 시스템의 요건을 충족시킬 수 있게 됐고, 스마트 미터링의 폭넓은 구축을 가로 막는 모든 걸림돌이 제거되고 있다.

 

유럽의 스마트 미터링 구축
ST는 ‘엑스포 밀라노 2015(Expo Milano 2015)’에 참여해 파트너사인 ENEL과 함께 혁신적인 디지털 기술을 선보였다. 혁신적인 통신 기술과 서비스와 에너지 효율성을 통해 ‘스마트 시티’ 모델을 개발하고, 환경과 삶의 질 향상에 어떻게 기여할 수 있는지를 보여줬다. 엑스포 현장은 ‘디지털 스마트 시티’가 됐고, 방문객들은 이 도시의 시민이 됨으로써 자신의 스마트폰으로 관심 주제에 대한 상세한 정보를 받아 보면서 실제와 가상의 경험을 결합할 수 있었다.

[그림 2] ST, 미터링을 위한 통합형 SoC STCOMET.

또한, ST는 2015년 11월에 오스트리아 비엔나에서 열린 ‘유러피언 유틸리티 위크(EUW)’ 전시회에 참여해 스마트 시티의 전력, 에너지 관리용 스마트 솔루션을 제공하는 방법을 선보였고, 자사의 STCOMET 전력선 통신 플랫폼을 사용하는 미래형 스마트 그리드 솔루션을 시연했다. 이 STCOMET 제품은 3개 코어(전력선 통신, 마이크로프로세서, 미터링 기능)와 보안 엔진을 통합했으며, 이를 해당 지역 시장의 요건에 맞게 프로그래밍할 수 있어 장점이다. 이런 모듈형 기법을 통해 ST는 작년 EUW에서 STCOMET 제품을 출시한 이후로 스마트 그리드 프로그램용으로 4개의 제품을 개발할 수 있었다. 또한, 최근에 관심이 높아지고 있는 PRIME과 G3를 위해 대역폭을 500kHz로 확장해 새로운 인증을 취득했고, STCOMET은 프랑스 툴루즈시에서 ERDF/SAGEMCOM과 NEXANS가 시행하는 SOGRID 프로그램에 채택됐다.

ST는 2015년 10월 이탈리아 볼로냐에서 열린 ‘스마트 시티 전시회(Smart City Exhibition)’에서도 스마트 전기 그리드와 첨단 기술을 구현하는 방법을 보여줬다. ST의 스마트 시티 솔루션은 첨단 네트워크 관리와 제어 시스템, 스마트 그리드, 전기, 전기차 충전 인프라, 기후 모니터링, 주차, 교통, 스마트 가로등을 구현해준다. 이 주요 노드들은 환경 변화와 사건을 모니터링하고 이 데이터를 빅데이터 관리 시스템으로 전송한다. 또 도시마다 하나의 대시보드에 표시되는 자체 관리 시스템을 구축할 수 있다.

 

스마트 미터링의 통신 표준
전력선 통신(PLC)은 유럽에서뿐만 아니라 표준화된 솔루션에 대한 관심이 급속하게 높아지고 있다. 뿐만 아니라 독자적 기술들이 여전히 사용되고 있는 중국, 아프리카, 남미 같은 지역에서도 스마트 미터링용으로 가장 널리 사용되고 있는 기술이다. 하지만 몇몇 국가에서는 해당 지역의 특정한 전력망 기술 때문에 PLC가 다른 통신 기술보다 효과가 덜한 방법일 수 있다. 북미와 일본이 여기에 해당되는데, 이 국가들은 각각의 보조 변압기가 소수의 고객들에게만 전력을 공급한다. 이런 변압기는 PLC 신호에 대해 높은 감쇠를 일으키는 경로가 되기 때문에, 신뢰할 수 있는 데이터 전송을 위해서는 리피터나 보완 통신 기술이 더 필요할 수 있다. 이런 이유로 이들 국가들에서 스마트 미터링 애플리케이션에 RF 솔루션이 더 많이 사용되지만, RF 인프라를 유지하려면 비용이 더 들 수밖에 없다.

PLC는 가장 널리 도입된 스마트 미터링용 통신 기술이다. 유럽에서만 설치 지점이 5000만 개 이상이며, 이는 입증된 통신 신뢰성과 더불어 다른 기술들에 비해 낮은 CAPEX와 OPEX 비용 때문이다. 다양하게 나와 있는 PLC 기술 중에서, 유럽 위원회는 스마트 미터링에 가장 적합한 표준으로 ‘Meters and More’, ‘PRIME’, ‘PLC-G3’를 선정했다. 이 결정은 개방성, 표준화, 상호 운용성, 인증, 성숙도, 필드 테스트, 네트워크 아키텍처, 기능 요건, 이해 관계자의 니즈 등과 같은 여러 요구 사항을 면밀하게 분석해 이뤄졌다. 이처럼 귀중한 경험에 따라 전세계의 모든 새로운 스마트 미터링 프로그램이 그 모든 기술을 근간으로 삼는다면, 다른 지역 국가들의 스마트 미터링 가이드라인이나 규정도 안전하고 효과적이며 미래 변화에 대응 가능한 시스템의 구축을 보장하게 될 것이다.

유럽은 PLC 기반 스마트 미터링 프로그램이 가장 많이 도입되고 있는 지역에 속하며, 법규적 규정이나 표준화 측면에서 가장 앞서 있다. 따라서 유럽의 이런 경험은 스마트 미터링 구축을 꾀하고 있으며, 경제성, 신뢰성, 상호운용성, 미래의 변화 대응이 모두 뛰어난 기술을 원하는 다른 지역 국가들에게 유용한 자산이 된다. 스마트 미터 대 데이터 집중화인 ‘최종 마일(Last Mile)’과 커넥티비티를 위한 ‘OPEN meter’ 프로젝트 역시 가장 적합한 기술로 PLC를 선택했다. 또한, 검토 대상이었던 다수의 PLC 기술과 규격 중 3개의 개방형 통신 규격만이 AMI의 아키텍처와 요건을 만족시킬 수 있는 것으로 선정됐다. ‘Meters and More’(CENELEC CLC pr TS 50568-4), ‘PRIME’(CENELEC CLC pr TS 50567-1, ITU-T G.9904), ‘G3-PLC’ 프로토콜(CENELEC CLC pr TS 50567-2, ITU-T G.9903)이 여기에 속한다.

앞서 언급한 이 PLC 기술들 모두 개방형 표준으로 승인 받았을 뿐만 아니라 대규모 산업 연맹이나 협회에서 정의, 유지하고 발전시키면서 홍보하고 있다. 이 단체들의 회원사들은 전기·가스, 장비, 반도체, 시스템 통합, IT 회사를 비롯해 스마트 그리드 에코시스템을 구성하는 핵심 이해 관계자들이다. 각 연맹·협회의 공동 목표는 국제표준기관(CEN, CENELEC, IEC, ITU)과 협력 하에 규격을 개정, 개선시키고, 업체들 간의 상호운용이 가능하도록 적합성과 인증 프로세스를 개발하는 것이다. 이런 연맹·협회를 통해 모든 기업이나 단체는 로열티 없이 라이선스 방식에 따라 프로토콜 규격에 액세스할 수 있고, 호환 가능하고 상호운용 가능한 제품을 인증하고 규격 발전에 기여할 수 있다.

[그림 3] OPEN meter의 AMI 시스템 아키텍처.
[그림 4] 콘셉트 단계에서 대규모 구축에 이르기까지의 통신 표준 개발 프로세스.

스마트 미터링 통신 기술을 위해서는 개방형 표준이면서 단일화된 상호운용성과 인증 프로세스를 기본적으로 갖춰야 한다. 하지만 기술적 측면에서 성공을 거두면서 경제적 측면에서도 타당한 구축을 실현하려면 아직 부족하다. 가장 중요한 부분은 선택한 통신 표준을 실제 필드 네트워크에서 확실하게 입증하는 것이다.

네트워크는 국가별로 또는 한 국가 내에서도 지역마다 토폴로지, 잡음, 감쇠, 품질 조건 등이 크게 다르다. 따라서 유연한 요건을 채택하고 특정 지역의 요건과 필드 조건에 따라 다양하게 표준을 선택하거나 변경함으로써, 필드에서 성능이 불량이거나 비용이 낭비될 위험성을 크게 줄일 수 있다. 이처럼 유연한 방식은 기술 경쟁력을 높이는 데도 기여해 제품의 상호운용과 상호교체에 영향을 미치지 않으면서 시장에서 여러 업체가 인증한 제품 가용성으로 인해 기술 비용을 절약하고 계속적인 기술 진화를 촉진할 수 있다.

개방형 공개 표준을 정의하고 프로토콜 규정을 정하는 단계부터 스마트 미터링을 대규모로 성공적으로 도입하는 단계까지의 전 과정은 복잡하고 까다롭기 때문에 수 년이 걸릴 수도 있다. 이런 관점에서 ‘OPEN meter’ 프로젝트에서 선정한 3개 PLC 기술은 성숙도면에서도 가장 앞서 있다고 평가된다. ‘Meters and More’와 ‘PRIME’은 현재 설치된 곳이 4000만~5000만 개에 이르고 이미 대규모로 구축되고 있으며, ‘G3-PLC’는 대규모 구축을 위한 준비 작업으로 주요 필드 파일럿 테스트를 시작했다. 한편, ‘IEEE 1901.2’와 같은 또 다른 PLC 기술들도 부상하고 있으며, 이 표준은 프로토콜 스택이 이미 정의된 상태로 상호운용성과 인증 프로세스 개발을 앞두고 있다.

 

글: 에일 모스카텔리(Ale Moscatelli, 사프나 몬기아(Sapna Mongia), ST마이크로일렉트로닉스
자료제공: ST마이크로일렉트로닉스

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정환용 기자  hyjeong@epnc.co.kr

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