오늘날 스마트그리드 혁신을 실현하기 위해 설계자는 몇 가지 서로 다른 프로세싱 구성요소들을 단 하나의 디바이스에 집적해야 할 때가 많다. 부동소수점 DSP와 범용 프로세서를 통합시켜 각 코어별로 프로세싱을 최적화했을 때의 장점을 검토해 본다.


전력 모니터링/분석, 무선 통신, 전력선통신(PLC) 등 점점 더 복잡해지는 스마트그리드 시스템을 개발할 때, 설계자들은 시스템 성능 최적화를 위해 사용해야 할 프로세싱 구성요소와 디스크리트 부품의 적절한 혼합을 결정해야 하는 문제에 직면하게 된다. 오늘날 스마트그리드 혁신을 실현하기 위해 설계자는 몇 가지 서로 다른 프로세싱 구성요소들을 단 하나의 디바이스에 집적해야 할 때가 많다. 이 글은 부동소수점 DSP와 범용 프로세서(GPP)를 통합시켜 각 코어별로 프로세싱을 최적화했을 때의 장점을 검토해보고자 한다. DSP는 여러 가지 무선 통신과 PLC 프로토콜을 실시간으로 처리할 수 있고, 로고스키(Rogowski) 디지털 적분기 같은 스마트 전력 알고리즘, 주파수 및 시간 도메인 분석 및 계량, ARM 코어 같은 GPP는 하이레벨 운영체제와 애플리케이션 프로세싱을 실행할 수 있다.
스마트그리드 시스템은 가정용 스마트 계량기부터 스마트 서브스테이션까지 여러 가지 애플리케이션으로 구성돼 있다. 이들 애플리케이션에서 DSP는 그리드의 어느 위치에서든 전력 파형을 실시간 신호 분석하여 그 정보를 서브스테이션으로 전송해야 한다. 이 정보는 신호 품질, 장애 상태, 전송 손실, 전력 소비 등에 관한 정보다. 그림 1은 PC 기반 제어 시설에서 그리드 정보를 모니터하고, 공유하려면 어떻게 스마트그리드 시스템을 배치해야 하는가를 보여준다.



스마트그리드 시스템 아키텍처
그림 2는 전형적인 DSP 기반 스마트그리드 아키텍처다. 이 DSP의 메인 블록은 3페이즈 아날로그 프론트엔드, 전력 분석 DSP와 전력선통신 DSP이다. 실시간 DSP 기능은 다음과 같다.

- 정밀 전력 분석-이중정밀(double-precision) 부동소수점 DSP를 이용하여 매우 낮은 신호 조건에서 실시간으로 정확하게 전력 신호를 처리
- 주파수 도메인 분석- FFT(Fast Fourier Transform)와 고조파 분석을 계산 
- 시간 도메인 분석-과도 응답/분석을 처리
- 계량-RMS(Root Mean Square) 전압, 전류, 유효/무효/피상 전력, 역률 등
- 로고스키 디지털 적분기-핵심 알고리즘을 이용하여 로고스키 센서에서 정확하게 전류를 회복
- 전력선통신 -프라임 및 G3 전력선통신 표준 제공

DSP 기반 디지털 적분기
스마트그리드 전력 분석을 가능하게 하는 핵심 구성요소 중 하나가 적분기이다. 이것은 그림 3의 로고스키 같은 전류 센서 디바이스에서 50 Hz나 60 Hz RMS 전류를 탐지한다. 이 센서를 이용했을 때의 장점은 보통 CT(Current Transformers)를 사용했을 때와는 달리 전력 케이블을 절개하지 않고도 전류를 측정할 수 있다는 점이다. 이 센서의 단점은 센서의 출력이 전류의 진정한 RMS 값이 아니라는 점이다. 이것은 측정 전류에 정비례하는 분화된 파형으로 세심하게 프로세싱을 해야 진정한 RMS 값을 복구할 수 있다. 신호 복구를 하려면 로고스키 출력 파형 M(dI/dt)을 적분해야 한다. 여기에서 M은 그림 4에서처럼 코일의 상호 인덕턴스이고, I는 전류이다. 이 적분기는 DSP나 아날로그 회로로 구현할 수 있다. DSP 기반 디지털 적분기는 저주파수 잡음 제거, 전체 주파수 대역에서의 최소 페이즈 오류, 넓은 다이내믹 범위 제공 등에서 아날로그 기반 적분기보다 성능이 뛰어나다. 이들 모두는 스마트그리드 애플리케이션에서 매우 중요하다. 회로 과부하, 오픈 회로, 무선 주파수 간섭 같은 까다로운 조건에서 그리드의 전력 품질을 알아내려면, 정확한 전류 탐지와 전력 분석이 필요하기 때문이다. 스마트그리드 시스템에 이상적인 DSP는 이중정밀 부동소수점 유닛, 낮은 레이턴시 복합 신호처리, 효율적인 FFT 엔진 등을 갖추고 있어야 한다.



이 적분기 설계의 한 가지 예가 그림 4에 나와 있다. 여기에서 적분기는 대역 밖 신호를 18.4 dB로 감쇠시키고 있다. 이 예에서 적분기에 대한 입력은 500 Hz 신호이다. 이것은 기본 주파수 60 Hz의 8.3배에 달하는 것이다. 주된 적분기 기능은 기본 주파수를 회복하고 이보다 높은 주파수 컴포넌트는 거절하는 것이다. 적분기에 대한 500 Hz 입력의 경우, 출력은 그림 5처럼 20×log10(60/500), 즉 -18.4 dB이 되어야 한다. 또한 이 DSP 설계에서 적분기 출력 데이터는 메모리에 저장된 다음, FFT 엔진이 이 데이터를 처리하여 컴퓨터 화면에 FFT 플롯으로 표시를 한다.
계량
전기 시스템에 대한 정확하고 믿을 수 있는 계량이야말로 스마트그리드의 개발과 안정성에 필수적인 요소이다. 이러한 계량은 전압 급상승 및 급하강(voltage swells and sags), 고조파, 과도전류 같이 그리드에서 전력 품질 불량 증상을 탐지해내는 데 사용된다. 이와 같은 현상은 무엇보다도 릴레이의 트립핑 장애(false tripping), 퓨즈 끊어짐, 전기장치의 고장 등으로 이어질 수 있다. 더 나아가 불량한 전력 품질을 파악하여 제거하면 수입 낭비도 크게 줄일 수 있다. 2007년 유럽 전역에서 이루어진 조사에 따르면, 전력 품질 불량은 유럽에서만 1,500만 유로 이상의 손실을 냈다.
전기계량에는 RMS 전류 및 전압, 무효 전력, 유효 전력, 피상 전력 등의 컴포넌트와 전력 신호의 주파수 등과 같은 파미미터들의 측정이 수반된다. 이들 계량 파리미터들의 계산에는 몇 가지 곱셈누적(multiply-and-accumulate) 연산이 사용될 때가 많다. 예를 들어, “n” 샘플 {X1, X2, …., Xn} 집합에 기반을 한 RMS 전류 계산 방법 중 하나는 각 샘플에 대해 제곱평균(mean of the square)을 알아낸 후 공식을 이용해 그 제곱근을 구하는 것이다:
 

고정밀을 요구하지 않는 애플리케이션의 경우, 전용 고정소수점 저성능 마이크로컨트롤러가 적합하다. 그러나 보다 높은 정밀성과 빠른 응답시간을 요구하는 애플리케이션의 수가 점점 늘어나고 있다. 이러한 애플리케이션에는 부동소수점 DSP가 더 적합하다. 예를 들어, 부동소수점 DSP는 512사이즈 이중정밀 부동소수점 버퍼의 RMS 값을 약 2.9 us(1300 사이클@456 MHz)에 계산할 수 있다.
계량 애플리케이션에서 추가적으로 사용되는 DSP는 고차 유한 임펄스 응답 필터(FIR)나 무한 임펄스 응답 필터를 이용해 입력 파형의 DC 컴포넌트를 제거하거나, 전력선과 커플링된 노이즈나 간섭을 제거하는 것이다. 이 DSP는 주파수 도메인과 시간 도메인 둘 다에서 시스템의 과도응답을 분석하는 데에도 유용하다.
전력품질 모니터 시스템은 전압 급상승과 전압 급하강, 서지와 과도전류, 단기 인터럽션과 고조파 같은 이상들을 탐지할 수 있어야 한다. 예를 들어, 고조파의 존재는 트랜스포머를 과열시키고 릴레이에 트립핑 장애를 일으키고, 심지어 육안으로 볼 수 있는 번갯불까지 일으킬 수 있다. 전력 신호에 존재하는 고조파를 알아내는 한 가지 방법은 DFT(Discrete fast-Fourier Transforms)나 FFT를 이용하는 것이다. FFT나 DFT를 입력 전력 신호에 적용시키면, 그 출력을 이용해 그 입력 신호에 존재하는 다른 주파수들을 알아낼 수 있다. DSP는 특화된 곱셈누적 명령 때문에 FFT와 DFT를 수행하는데 매우 효율적이다. 예를 들어, 텍사스 인스트루먼트의 TMS320C674x 부동소수점 및 고정소수점 DSP는 8us(3696 사이클@456 MHz)에서 256 포인트 단독정밀 복잡 FFT를 계산할 수 있다. 응답시간 또한 이런 종류의 계량에서 매우 중요하다. 시스템이 마이크로초의 범위 내에서 빠르게 반응해야 장비가 손상되는 것을 막을 수 있기 때문이다. 이 응답시간은 DSP의 성능 내에서 충분한 시간이다.
전력선통신(PLC)
스마트그리드 적용을 가능하게 하는 또 다른 중요 구성요소가 전력선통신이다. 이것은 서비스 사업자가 원거리 장소에 설치된 전기계량기와 통신을 할 때 좋은 방법이다. 고급 계량 인프라가 대규모 거주지와 상업지에 서비스를 제공하려면 적당한 데이터 속도가 필요한데, PLC는 가장 믿을 수 있는 통신 방식 중 하나이기 때문이다. 여기에서 가장 큰 문제는 다른 무선 네트워크와의 간섭이다.
DSP 기반 PLC 설계는 주문형반도체(ASIC) 같은 다른 구현 방식보다 장점이 많다. 그 중 가장 큰 장점은 PLC 표준이 나라마다 달라 수많은 포맷과 프로토콜을 지원하는 설계가 있어야 한다는 점이다. 예를 들어, 유럽의 주된 표준은 PRIME과 G3이지만, 미국은 FCC G3이다. 이들 표준들은 대역폭과 변조 체계가 다르기 때문에 그림 2처럼 단 하나의 탄력적인 DSP로 서로 다른 여러 가지 프로토콜을 실행하는 것이 가장 좋다.
요약
DSP는 스마트그리드 애플리케이션이 고급 전력 분석, 전력선통신, 무선통신 등과 같은 다음 배치 페이즈로 나아감에 따라 그 중요도가 점점 더 커지고 있다. 오늘날 겪고 있는 에너지 문제의 해결을 돕기 위해 스마트그리드 표준들이 계속 정의, 수정, 승인되고 있다. DSP는 새로운 스마트그리드 표준에 정확히 맞는 시스템을 엔지니어가 신속하게 개발할 수 있도록 해줄 뿐만 아니라, 레거시 표준과의 호환성을 유지하고 하드웨어를 다시 설계하지 않아도 변화에 적응할 수 있게 해준다.