Technical Report | Smart Meter
글: 쿠로시 부토라비(Kourosh Boutorabi), /
Manager, Advanced Metering Infrastructure Products
맥심(Maxim Integrated Products Inc., Irvine, CA) / Kourosh.bourtorabi@maxim-ic.com
스마트 그리드의 보다 중요한 요소는 아니라 하더라도 또 다른 핵심 요소는 에너지 소비자이다. 여기서 과제는 중요 정보의 가시화와 전달을 향상시켜 소비자의 소비 습관과 태도를 바꾸도록 하여 효과적으로 에너지 효율을 "선택하고", 이러한 "선택"을 간편하게 하는 데 있다. 스마트 그리드 개념의 등장과 스마트 그리드 애플리케이션에서 더 많은 메모리, 보안, 통신에 대한 유틸리티의 증가하는 요구사항은 높은 디지털 회로 콘텐츠를 갖는 고집적 소자의 채택을 더욱 정당화했다.
미국 에너지성이 발표한 2009 스마트 그리드 시스템 보고서에서는 스마트 미터를 스마트 그리드의 기반으로 언급하고 있다.1 스마트 미터는 전력 회사와 소비자에게 전기 소비 측정과 사용 시간 정보를 제공한다. 스마트 미터는 또한 시장의 신호를 수신하고 가전 기기를 조정하는데 도움을 주며 전기 소비를 조정한다.
이러한 첨단 미터링 기술 및 관련 서비스를 모든 가정에 광범위하게 성공적으로 도입하지 못할 경우 에너지 공급과 수요의 차이가 커질 것이다. 또한, 스마트 그리드의 기본적인 기능뿐 아니라 더 나아가 공공의 이익을 제대로 이용하지 못하게 될 것이다.
한편 Edison Electric Institute 회장 Tom Kuhn에 의하면 첨단 미터링 인프라의 성공적인 도입을 위해서는, 새로운 수준의 고도로 신뢰할 수 있는 안전하고 경제적인 스마트 미터 개발에 있어서 새로운 통신, 암호화 및 반도체 솔루션의 채택을 필요로 한다.2 스마트 그리드 개발에서 직면하는 가장 큰 과제 중 하나는 비용으로서, 전기 유틸리티의 첨단 미터링 기능에 드는 비용만 270억 달러에 이를 것으로 추산된다.
스마트 그리드의 보다 중요한 요소는 아니라 하더라도 또 다른 핵심 요소는 에너지 소비자이다. 여기서 과제는 중요 정보의 가시화와 전달을 향상시켜 소비자의 소비 습관과 태도를 바꾸도록 하여 효과적으로 에너지 효율을 "선택하고", 이러한 "선택"을 간편하게 하는 데 있다.
에너지 효율 "선택"을 간편하게
좋은 소식은 사회가 이렇게 적극적으로 에너지 효율에 관해 관심을 가졌던 때가 없었으며, 이렇게 많은 업계가 인터넷 포털이나 서비스와 마찬가지로 스마트 기기와 같은 소비자 중심의 에너지 관리 및 자동화 제품을 비롯해 에너지 효율적인 제품 개발에 참여한 적이 일찍이 없었다는 점이다. 따라서 바로 여기에 트렌드와 모멘텀이 존재한다. 전 세계에 설치된 160억 개 미터 중 단 6%만이 양방향 통신 기능을 갖춘 스마트 미터이다.
예를 들어 "스마트 기기"는 소비자가 동적 가격 신호나 다른 경제적 인센티브에 의해 동기를 받을 경우 에너지 소비를 줄이거나 바꾸는 것을 간편하게 해준다.
가격 신호와 같은 정보의 흐름은 꼭 전력 회사가 소유하는 스마트 미터를 통해 제공될 필요가 없다. 다른 방법으로 광대역 라우터/게이트웨이와 같은 소비자 인터넷 장치를 통해 이러한 정보에 액세스할 수 있다. 전력 회사와 소비자의 입장에서 각각의 방법은 정보 보안(또는 개인정보), 그리드 보안, 다양한 장치 간 상호운용성 및 광고 제공과 같은 점에서 장단점을 갖는다.
핵심은 두 방법 모두 개별적으로 또는 함께 효과적으로 사용할 수 있다는 것이다. 스마트 미터 및 동적 가격 구조와 통합된 스마트 가전과 기기의 효율 측정에 초점을 맞춘 최근의 시도는 피크 수요를 크게 낮추고 더욱 나아가 에너지 비용 절감을 달성함으로써 전망이 밝은 결과를 보여주었다.
그러나 대부분 이러한 예비적인 작업은 수신된 가격 신호에 따라 가전 기기의 온/오프 상태를 효율적으로 제어하는 간단한 의사 결정 알고리즘을 기반으로 한 것이었다. 또한 장치 수준에서 서브 미터링과 같은 보다 세분화된 구조를 기반으로 하는 것도 있는데, 이러한 구조에서는 소비자가 중심이 되어 자신들의 에너지 사용에 대해 보다 동적이고 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있다. 그러나 이러한 작업은 주로 가전 기기를 위한 비용 효율적인 측정 장치의 부족으로 인해 아직 개발의 초기 단계에 머물고 있다.
최근에는 이와 같은 장치가 선보이고 있으며, 주요 제조업체들이 스마트 기기를 개발하고 있다. 이러한 개발의 원동력은 정부의 촉진 자금 지원 계획뿐 아니라 오늘날의 소비자는 참여하기를 원하며 그를 위해 가시적 정보가 필요하다는 기본적인 인식에 바탕을 두고 있다. 유틸리티의 관점에서 이러한 가시적 정보를 가질 경우 소비자는 사용하는 가전 기기의 실제 비용을 보다 잘 이해하고 평가할 수 있으며 자신들의 전력 사용 습관을 조정할 수 있다. 또는 소비자는 마이크로소프트나 구글에서 제공하는 웹 기반 서비스와 같은 보다 정교한 애플리케이션에 의존해서 궁극적으로 에너지 소비와 관련 비용을 제어하고 줄일 수 있는데, 이는 절대적으로 모든 사람들에게 이득을 가져다주게 된다.
이러한 복잡한 제품의 개발자는 신뢰성, 비용, 확장성과 같은 문제를 다루어야 한다. 이것이 에너지 측정에 전문화된 반도체 제품이 가전 기기에 에너지 측정을 통합하려는 초기 시도를 위해서 뿐 아니라 기존의 스마트 미터 개발자를 위해서도 핵심적인 구현 기반이 되는 이유이다.
앞으로의 전망
프로젝트 촉진 자금으로 2010년에 40억 달러가 지원되었지만, 스마트 미터 하드웨어의 증가하는 비용이 항상 불투명한 투자 수익 문제에 더욱 부담을 주고 있는 것을 고려하면, 설치비용은 중소 전력 회사에게 여전히 중요 걸림돌이다.
이러한 비용은 주로 복잡한 통신 관련 기능 세트로 인한 것으로, 여기에는 원격 분리 릴레이 및 추가 PCB뿐 아니라 부하 프로파일 스토리지, 암호화, 그리드 및 가정 내 가전 기기에 대한 다중 보안 양방향 통신 인터페이스, 디스플레이 등이 포함된다. 또한 본격적인 도입이 원활히 진행되지 않을 경우 불완전함이나 더욱 나빠진 상황에 대한 대중의 인식을 잊지 말아야 한다.
또한 계속 진화하는 스마트 그리드 애플리케이션과 보안, 상호운용성 표준에 대처하기 위해 충분히 프로그래밍 가능하고 업그레이드 가능하며 미래에도 경쟁력을 갖는 솔루션 개발에 뒤쳐질 수 있다는 내재적인 공포와 관련된 추가적인 비용이 존재한다. 이러한 염려를 없애기 위해 단기적으로 실제 사용 가능한 이상으로 더 많은 메모리와 통신 처리 성능을 설계에 내장할 경우 비용을 더욱 증가시킬 수 있다.
아무도 대규모 도입을 원하지 않는다. 이는 스마트 그리드의 발전하는 특성에 대한 신중한 고려가 부족할 때 제품 수명 주기를 단축시킬 수 있다는 점만 발견하게 될 수 있다. 또한 성급한 도입은 설치된 장치의 조기 노후화와 교체를 초래할 수 있으며, 이는 전력 회사의 기존 설비 인프라의 운용 비용에 상당한 부담을 줄 수 있다.
그러나 아마도 더 큰 과제는 이러한 복잡한 전자 계측 기기의 감소되는 서비스 수명과 신뢰성에 있을 것이다. 더욱 많아진 부품 수와 상호 연결은 이십여 년 전의 오래되고 간단한 장치와 비교할 때 조기 교체를 발생시킬 수 있다.
반도체 설계 고려사항
대용량 가정용 미터에서 솔리드 스테이트 기술의 채택 역사는 제품 수명에 대한 흥미 있는 면을 엿보게 해준다. 이 기술이 시작된 지는 10년이 조금 넘었을 뿐이지만 오늘날 1억 2천만 개 중 거의 85%가, 또는 전 세계적으로 출하되는 새로운 미터가 솔리드 스테이트이다. 나머지는 오래된 기계적 방식의 Ferraris 디스크를 사용한다.
대략 같은 시기에 중국에서는 1세대 표면 실장 도량형 ASIC가 다중 전압 및 전류와 함께 아날로그-디지털 변환 기능을 통합하고 디지털 펄스 출력을 생성하여 주행 기록계처럼 생긴 킬로와트/시간 카운터를 제공했다. 이와 같은 개발은 전기 공급과 기본적인 수익 미터링에 대한 높은 수요가 존재하던 시기에 이러한 분야에서 새로운 종류의 에너지 미터 영세 업계의 탄생에 혁신적 역할을 수행했다. 저가 PCB 생산 기술을 이용하던 많은 경쟁 로컬 OEM들은 이 제품을 사용했다.
전기 산업이 전통적인 요금 기반 규정에서 벗어나 규제가 완화된 시장에서 증가하는 경쟁으로 옮겨감에 따라 전기 미터 구조의 2차 변혁이 진행되었다. 전력 회사가 사용 시간 과금과 AMR(automatic meter reading)이 통합된 미터를 요구하기 시작하면서 도량형 ASIC(아날로그 프런트 엔드 AFE라고도 함)에 마이크로컨트롤러, 라디오, LCD, 실시간 클록 RTC) 소자가 추가되었으며, 이에 따라 멀티 칩 방식이 가정용 미터 설계의 표준 방식으로 자리잡았다.
일반적으로 더 높은 설계 기술 수준을 요구하는 특정 애플리케이션과 도량형 전문 지식, 변화하는 유틸리티 요구사항 및 세계화가 복잡한 전자 시스템과 관련된 통합 과제와 결합하면서 보다 향상된 도량 미터 제조업체가 선도적인 글로벌 공급업체로 차별화하는 것을 용이하게 했으며 제조업체의 전체 수를 크게 감소시켰다. 미터링에서 통신 인프라의 증가하는 중요성은 이러한 추세를 가속화시켰다. 물론 세계 전역의 모든 공급업체가 이러한 변천 주기를 통해 동시적으로 발전했던 것은 아니다.
스마트 그리드의 등장
IC 공급업체가 미터 OEM의 증가하는 수요에 대처하는 기회를 인식하고 시장 진출 시간을 단축시킨 저가의 복잡한 신뢰할 수 있는 제품을 대량 생산하면서 이러한 주기는 계속되고 있다. IC 공급업체는 2003년경에 고집적 특정 애플리케이션 시스템 온 칩(SoC) 제품을 선보였다.
신뢰성과 유연성, 확장성을 높인 AFE, RTC, LCD 드라이버, MCU와 같은 공통 기능 블록의 통합은 전세계 OEM이 단 하나의 SoC 소자만 사용하여 그 어느 때보다 빠르게 신뢰할 수 있는 저가 미터를 개발하는 것을 돕고 통신 모듈과 소자를 제품에 추가하여 지역에 특정한 유틸리티 인프라 요구사항에 빠르게 대처할 수 있도록 했다.
스마트 그리드 개념의 등장과 스마트 그리드 애플리케이션에서 더 많은 메모리, 보안, 통신에 대한 유틸리티의 증가하는 요구사항은 높은 디지털 회로 콘텐츠를 갖는 고집적 소자의 채택을 더욱 정당화했다. 동시에 반도체 공정 기술 향상은 무어의 법칙을 지속적으로 따라가고 있다. 이러한 변화는 반도체 기술의 가치를 보여주는 고전적인 예이자 미터링 산업의 발전에서 계속되는 주기에 대한 반도체 기술의 혁신적 기여를 나타낸다.
전체는 부분보다 크다
IC 제조업체는 분리와 통합의 점에서 스스로를 자리매김하고 있다. 차이는 미묘할 수 있지만 중요하다. 얼핏 보기에 Teridian의 미터링 SoC는 필수적인 미터를 포함하여 전통적인 블록 레벨 통합을 사용하는 것처럼 보인다. 이러한 빠른 copy-and-paste 방식은 다소 일반적인 특성을 가진 SoC 설계를 시도하고 있어 개별 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 또는 마이크로컨트롤러 벤더에 의해 사용되는 방식과 유사하다. 그러한 시나리오에서 애플리케이션의 특수성은 실리콘에서보다는 기준 설계와 관련 코드의 형식에서 구체화될 것이다.
이러한 수준의 통합은 비용을 향상시키고 부품 수를 줄일 수 있지만 목표가 되는 일련의 복잡한 시장의 요구사항에 심각하게 대처하지 못할 수 있다. Teridian SoC와의 차이점은 20년 이상의 경험을 바탕으로 한 에너지 미터링 및 측정을 전문으로 추구하는 점에 있다.
홍보용 문구처럼 들리지만 Teridian의 특허를 획득한 "단일 컨버터 기술"은 그림 1에서 보듯이 최대 7개 다중화된 아날로그 입력 및 프로그래밍 가능 CE(compute engine)를 갖는 단일 21비트 2차 델타 시그마 ADC를 사용한다. 이 소자는 멀티채널 데이터 수집 구조와 관련된 잡음 및 불균형과 같은 많은 문제를 해결한다.
ADC는 또한 산업 온도 범위에서 2000:1 이상의 동적 범위를 달성한다. 이는 업계 최고 수준이다. 32비트 CE는 표준 측정 기능을 하드웨어적으로 구현하는 신호 프로세서이지만 새로운 커스텀 기능으로 업그레이드할 수 있다. 이러한 기능을 앞에서 언급한 기본 기능의 저가 경쟁 제품의 공세를 받았던 인도의 공장에서 채택했다면 경쟁 우위를 획득했을 것이다.
4세대 Teridian 소자는 전류 트랜스포머와 동(copper) 피드스루(feed-through) 와이어링을 고유의 절연 기술을 사용하는 저가의 전류 션트로 대체한다(그림 참조). Teridian의 최신 미터링 IC는 미터링 및 인터페이스 기능을 통합한다. 구조적 차별화는 ADC 다중화 및 측정 기능을 위한 전용 컴퓨팅 엔진을 통해 구현된다.
통합된 통신
대부분의 개별 및 SoC 기반 미터링 솔루션은 지금까지 도량 기능과 통신 기능 간의 전통적인 구분을 존중했다. 이러한 시스템 분리는 예전의 AMR 업계 관행에 뿌리를 두고 있다. 이러한 맥락에서 많은 통신 인프라 공급업체들은 독립적인 사업체로 활동하면서 독자적인 통신 모듈의 수단으로 미터에 연결성을 제공했다.
그러나 이러한 관행은 공통의 통신 기술이 요구되고 분리된 어느 한 쪽의 기능을 단일 보드 설계 또는 고집적 SoC에 통합함으로써 개발되는 제품이 하드웨어 비용을 줄일 수 있는 대형 유틸리티와 영역에서 변화하기 시작하고 있다. 이것은 비용을 줄여주고 스마트 미터의 신뢰성을 증가시킨다.
따라서 우리는 오늘날 다양한 산업 부분과 기술 경계에 걸쳐, 특히 장치 수준으로 도량 및 통신이 수렴되는 점에서 스마트 그리드의 역동성이 설계 방식의 혁신을 촉진하는 것을 보고 있다. 2009년 말에는 스마트 미터의 거의 50%가 단일 보드 설계를 기반으로 구현되었으며, 여기서 SoC는 다수의 리던던트 마이크로컨트롤러, 메모리 소자, 인터페이스를 대체했다. 이 밖에 많은 설계에서 로우 엔드 트랜시버가 RF/PLC 모뎀을 대체하면서 많은 프로토콜 처리 기능을 SoC에 넘겨주었다.
위에서 언급했듯이 RF 및 PLC 기술은 모두 스마트 그리드에 이용되고 있다. 미국에서 가정 내 연결을 위한 솔루션은 주로 ZigBee, Homeplug 및 Wi-Fi(IEEE 802.15.11) 기술을 중심으로 이루어지고 있다. 그리드 연결(유틸리티 네트워크)은 꼭 물리적 레이어(PHY)의 상호운용을 필요로 하지 않는 다양한 비표준 솔루션을 기반으로 할 수 있다. 동시에 통신 모듈과 스마트 미터 및 가전 기기와 같은 장치 간 표준 인터페이스를 정의하려는 노력이 존재한다(자세한 내용은 www.usnap.org 참조).
네트워크들의 밀접하고 안전한 네트워크로서 다양한 스마트 그리드 서브시스템의 통합을 보장하기 위해 유틸리티 네트워크에서 필수적인 것은 ANSI C12.19에서 정의된 보안 및 상위 레이어의 상호운용성이다. SUN PHY(IEEE 802.15.4 개정) 및 PLC 기술 통합을 목표로 하는 IEEE 1901(http://grouper.ieee.org/groups/ 1901/)과 같은 다른 기술도 개발 중에 있다. 이러한 개발은 어떤 기술이 미래를 주도하게 될지 예측하는 것을 어렵게 한다. 그러나 확실한 것은 HAN(home-area network)에서 소비자는 선택할 수 있는 더 많은 옵션을 시장에서 갖게 될 것이며, 하나의 통신 링크를 다른 통신 링크에 연결시켜주는 솔루션도 상업적으로 이용할 수 있게 될 것이다.
보안의 경우 HAN(ZigBee, Homeplug)에서 현재 지원되는 128비트 암호화 구조는 유틸리티 네트워크에서 ZigBee Smart Energy 2 및 802.16 WiMAX와 같은 256비트 구조에 자리를 내줄 것으로 보인다. 대부분의 AMI 도입은 50~100kbits/s의 데이터 전송률을 필요로 한다. 미국 스마트 그리드를 위해 개발 중인 표준 목록은 다음 사이트에서 확인할 수 있다.
(http://smartgrid.ieee.org/standards/ieee-smartgrid-standards-in-development)
참고 자료
1. U.S. Department of Energy 2009 Smart Grid System Report, www.oe.energy.gov/ SGSRMain_090707_lowres.pdf
2. "Legislative Proposals to Reduce Greenhouse Gas Emissions," http://energycommerce. house.gov/images/stories/Documents/Hearings/PDF/Testimony/EAQ/110-eaq-hrg.061908.Kuhn-testimony.pdf
저자 약력
Kourosh Boutorabi는 Maxim에서 AMI (Advance Metering Infrastructure) 제품 라인을 관리하고 있다. Maxim에 인수되기 전 Teridian의 창립 멤버로서 스마트 미터링 사업의 시작 단계에서부터 Kourosh Boutorabi는 시장 진출을 위한 비전, 제품 및 사업 전략, 개발 실행을 이끌었다. 미국 에너지성 (DOE) 스마트 그리드 다년 프로그램 계획 개발에 참여했으며, R&D 자금 지원 검토 위원회의 실행 위원으로 활동했다. 2002년 Teridian에 합류한 이후 여러 통신 및 측정 제품 라인을 개발했으며 계획, 마케팅, 개발 및 지원 기능에 대한 직접적인 관리로 성공적인 제품을 선보였다. Teridian에 입사하기 전에는 Mindspeed, Westinghouse, EG&G Astrophysics에서 광대역 통신, 디지털 X-ray, 광 이미징 및 원격 감지 시스템, 항공 전력 생성, 제어 장치 산업 부문에서 마케팅 및 수석 엔지니어링 관리직을 맡았다. 캘리포니아 주립대학 풀러턴(California State University, Fullterton)에서 BSEE를 받았다.
그림 1. Teridian의 최신 미터링 IC는 단일 칩에 미터링 및 인터페이스 기능을 통합하고 있다. 회로는 여러 위상의 ADC를 다중화하고 측정 기능에 전용 컴퓨팅 엔진을 제공한다.
회원가입 후 이용바랍니다.
개의 댓글
댓글 정렬
BEST댓글
BEST 댓글
답글과 추천수를 합산하여 자동으로 노출됩니다.
댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글수정
댓글 수정은 작성 후 1분내에만 가능합니다.
내 댓글 모음