본고에서는 데이터 콘센트레이터를 중심으로 스마트 그리드 AMI에 대하여 알아본다. 텍사스 인스트루먼트(TI)의 시타라(Sitara)™ 프로세서가 지능형 AMI 유닛 자동화에서 어떤 역할을 맡고 있는지 종합 시스템 레퍼런스 솔루션을 통해 논증할 것이다.

서론

미국에는 2012년 8월 기준으로 약 3600만 개의 스마트 계량기가 설치되어 있다. 유럽연합에서는 스마트 계량기가 빠르게 배치되고 있어, 2020년까지 80%의 가정에서 이를 이용할 것으로 내다봤다. 설치된 계량기는 모두 유틸리티 서버와 직접 통신을 해야 하기 때문에 기술적, 경제적 문제가 발생하며 이 때문에 솔루션은 실용적이지 못하게 된다. 대규모 설치 기반에서는 자동계량인프라(AMI, automated metering infrastructure)를 반드시 확립해야 한다.
자동계량기검침(AMR, automated meter reading)이 있으면, 중앙 청구지로의 계량기 데이터 통신이 원활해질 것이다. 유틸리티 공급자는 청구에 쓰일 에너지 사용량 정보를 수집하는 것 외에도, AMI를 이용해 계량 네트워크에 생긴 장애를 해결, 분석할 수 있다.
데이터 콘센트레이터는 AMI에서 중요한 노드이다. 이 애그리게이터(aggre-gator)는 여러 개의 유틸리티 계량기와 중앙 유틸리티 서버에 연결돼 있기 때문에 계량기와 에너지 서비스 공급자간의 데이터 통신이 용이해진다. 인프라의 여러 지점에 있는 데이터 콘센트레이터는 관리 가능한 수의 계량기에서 데이터를 안전하게 통합한 후 이 정보를 중앙 유틸리티 서버로 중계한다.
확장형 TI 프로세서 포트폴리오는 데이터 콘센트레이터의 요건을 기준으로 맞춤형 플랫폼 솔루션을 구축할 수 있다.

데이터 콘센트레이터

스마트 그리드 기술의 발전은 에너지 부문을 변화시켰다. 인프라의 향상으로 에너지와 데이터 정보의 양방향 흐름이 가능해졌다. 이 복잡한 지능형 시스템 네트워크의 열쇠는 핵심 컴포넌트의 자동화에 있다(그림 1).
AMI에는 정기적으로 전기 소비를 기록하여 유틸리티 공급자에게 데이터를 제공하는 지능형 계량기가 들어 있다. 이 데이터 피드백의 빈도는 시간당 피드백 계량기부터 양방향 통신 구조가 내장된 실시간 계량기까지 다양하다. 이러한 시스템은 동시에 발생하는 정보를 기록, 전송할 수 있는 능력을 가지고 있다. 기록된 데이터는 활발하게 에너지를 소비하는 여러 엔드 포인트의 로드에서 더 많은 정보를 제공한다.
데이터 콘센트레이터는 AMI에서 데이터 에너지 관리의 핵심이다. 이것은 에너지 사용량 데이터를 측정, 수집할 수 있는 기술을 제공한다. 이 정보를 분석하여 중앙 유틸리티 데이터베이스로 전달하도록 콘센트레이터를 프로그래밍할 수도 있다. 유틸리티 공급자는 이 정보를 청구 서비스에 쓸 수 있고, 실시간 에너지 분석과 사용량 정보 통신 같은 소비자 서비스 강화를 통해 고객 관계를 개선할 수도 있다. 장애 감지와 초기 진단 같은 추가적인 장점으로 운영비를 최적화할 수도 있다.

데이터 콘센트레이터에는 두 가지 종류의 네트워크가 연결된다(그림 2).
- NAN: Neighborhood Area Network
- WAN: Wide Area Network

데이터 콘센트레이터는 여러 계량기의 정보를 통합함으로써 그리드를 통해 정보를 전달한다. 이것의 장점은 다음과 같다.

- 스마트 계량 - 즉각적인 검침, 로드 프로파일, 청구 정보, 원격 관리
- 재고 관리 - 유틸리티 회사들이 회사의 자산을 더욱 명확하게 파악 가능
- 네트워크 최적화 - 실시간 토폴로지 디스플레이, 성능 관리 및 벤치마크

그림 3에 데이터 콘센트레이터의 기능 블록 다이어그램을 나타낸다. 오늘날 AMI 시장에는, 특히 데이터 콘센트레이터 애플리케이션에서 여러 가지 문제들이 있다.

복수 통신 표준

이 계량기 설비는 서로 다른 지역에서 여러 가지 통신 표준을 지원한다. 플랫폼 솔루션을 설계하면서 새로운 프로토콜 외에 RS-485에 기초한 이전의 통신 인터페이스도 고려해야 한다. 확장형 콘센트레이터 플랫폼의 핵심은 규격 기술을 구현하는 여러 다양한 벤더들의 계량기와 백엔드 관리 시스템에서 온전히 제 기능을 구현함으로써 복수 벤더들간 상호작동성을 입증해내는 데 있다.

소프트웨어 인프라

복수의 통신 표준을 단일 시스템에 배치하려면, 튼튼한 소프트웨어 토대가 있어야 한다. 이론상 검증된 통신 펌웨어가 있다면 벤더는 시스템 상품을 맞춤 지정하는 애플리케이션 개발에 투자할 수 있다. 트랜스포머 감지와 에너지 균형 같은 스마트 그리드 애플리케이션은 이 진화된 기술을 활용하면 개발할 수 있다.
스마트 계량기 출시로 유틸리티 회사들은 풍부한 에너지 사용량 정보를 바탕으로 고객의 체험을 끌어올릴 수 있다. 이러한 정보 통합에는 데이터 관리 솔루션과 에너지 관리 솔루션이 필요하다. 데이터 관리와 네트워크 보안을 개선함으로써 유틸리티 회사들은 애플리케이션을 배치할 수 있고, 이를 통해 소비자는 자신의 에너지 소비를 한층 더 자세히 들여다볼 수 있다.

필드 승인
이 기술의 필드 테스트와 승인에는 많은 시간이 소비된다. 필드 입증 기술을 이용하면 리스크를 줄일 수 있어 출시 기간이 크게 향상된다. 이 옥외 설비에는 튼튼한 환경을 위해 통합률이 높은 시스템이 필수적이다.

TI 시스템 솔루션

TI의 시타라 AM335x 프로세서 기반 데이터 콘센트레이터 평가모듈(EVM)은 이러한 몇 가지 문제들을 해결하고 있다(그림 4). 입증된 하드웨어와 튼튼한 소프트웨어 솔루션으로 이 시스템 솔루션들은 출시기간을 크게 단축시키고 있다.
시스템 요건에 따라, TI는 성능과 비용, 접속 등의 옵션들이 다양한 데이터 콘센트레이터 EVM을 제공하고 있다. 최신 시타라 AM335x 프로세서 기반 TMDSDC3359 EVM은 더 높은 네트워크 성능을 지원한다. 확장성이 뛰어난 TI의 AM335x 프로세서는 탄력적인 주변장치들을 통해 더 많은 유무선 접속 옵션을 가능하게 한다. 300 MHz에서 1 GHz의 주파수 범위를 가진 이 핀 투 핀(pin-to-pin) 호환 프로세서는 자유롭게 더 많은 서비스 노드를 시스템에 추가할 수 있다.
이 시스템에 사용되는 통신 모드는 전력 인프라에 크게 좌우된다. 데이터 콘센트레이터는 유선이나 무선 통신에 기반할 수 있다. 전력선통신(PLC) 기반 유선 통신이 시장점유율을 늘리는 동안, 직렬 또는 이더넷 기반 시스템도 꾸준하게 성장을 이어나가고 있다. 무선 시스템은 주로 저전력 RF(IEEE 802.15.4g protocol) 통신에 기반하고 있다.
콘센트레이터에서 유틸리티 서버로의 데이터는 이더넷, GSM, GPRS, WiMAX, 기타 텔레콤 네트워크를 통해 전송할 수 있다. DDR2/3 메모리, 통합 Gbit-Ethernet, CAN, MMC/SD, USB, 최대 8개 UART 지원을 통해 TI 시타라 프로세서는 RS-232, RS-485, 적외선 무선 모듈 등 여러 가지 통신 미디어를 지원하고 있다.
시스템 테스트를 마친 리눅스™ 기반 소프트웨어 솔루션을 통해 이 TI 시스템 솔루션은 다음을 제공하고 있다.
- 전력선통신을 위한 전체 PHY 및 MAC 레이어 소프트웨어 (G3, PRIME, IEEE-1901.2)
- IPV4 / IPV6 / 6LowPAN 네트워킹 프로토콜
- 서드파티인 아리센트(Aricent)의 DLMS/COSEM 애플리케이션

이 새로운 스마트 데이터 콘센트레이션 EVM은 TI의 폭넓은 보완 아날로그 포트폴리오의 사용 용이성을 부각해준다. 전체 TI 시스템 솔루션으로서, TMDSDC3359 EVM에는 TI의 전력관리, 인터페이스, 절연, 로직 등 포트폴리오에서 비롯된 20개 이상의 아날로그 컴포넌트가 탑재돼 스마트 그리드 개발자가 손쉽게 TI의 프로세서, 마이크로컨트롤러, 접속 솔루션 등을 이 아날로그 파트와 통합할 수 있다.
또한 레퍼런스 솔루션에는 DLMS/COSEM 같은 데모가 내재되어 개발자들은 시스템과 최종 제품에서의 용도를 쉽게 평가할 수 있다. 시스템 테스트를 거친 이 핵심 통신 소프트웨어 스택은 개발자가 데이터 콘센트레이터 디자인 솔루션을 맞춤 지정하여 시장에 더 빨리 내놓을 수 있게 제공한다.

TI 스마트 데이터 콘센트레이터 평가모듈의 기능과 장점

-  데이터 콘센트레이터에서 복잡한 라우팅 알고리즘을 구현하는 데 필요한 성능을 제공하는 TI의 시타라 AM3359 프로세서에 기반하고 있다. 이를 통해 시스템은 2,000개 이상의 전자 계량기와 연결될 수 있다.
- 시타라 AM335x 프로세서나 다른 Tiva™ C Series ARM짋 마이크로컨트롤러(MCU)를 구현하면 개발자는 더 다양한 성능(80 MHz to 1 GHz) 및 비용 옵션을 누릴 수 있다.
- 개발기간을 최대 9개월까지 줄이면서 2,000개 이상 스마트 전자계량기에 빠르게 접속할 수 있는 고급 하드웨어 및 소프트웨어가 포함돼 있다.
- 통합 통신 인터페이스에는 두 개의 이더넷(MAC) 포트와 USB, 최대 8개 UART가 들어 있어 스마트 그리드에서 다른 시스템과 빠르고 간편하게 접속할 수 있다.
- MAC 및 PHY 레이어를 위한 복수의 PLC 스택을 이용 가능하기 때문에 개발자들은 PLC-Lite, PRIME, G3, IEEE-P1901.2 등의 표준을 지원하는 디자인을 할 수 있다(그림 5, 6).
- 서드파티인 아리센트가 지원하는 DLMS/COSEM 애플리케이션 표준들은 데이터 콘센트레이터가 계측 데이터를 어떻게 구성하여 유틸리티로 전송할지 그 미래를 보여주고 있다.

결론

데이터 콘센트레이터는 AMI 시스템의 핵심으로 스마트 그리드 시스템의 전체 에너지 데이터 관리를 향상시킨다. 이 시스템은 에너지 이용 정보를 수집하여 그것을 중앙 유틸리티 서버로 중계하는 수단이 돼준다. 유틸리티 회사들은 이 데이터를 이용해 최종 소비자의 에너지 사용을 낱낱이 파악함으로써, 전반적인 고객 체험을 향상시킬 수 있다. 이러한 지능적 시스템이 있으면 원활한 청구 정보와 그리드 네트워크 장애 탐지를 통해 그리드의 운영 효율도 개선할 수 있다.
시타라 프로세서 기반 TI 데이터 콘센트레이터 EVM은 완성형 시스템 솔루션을 통해 출시 기간을 크게 단축시킨다. 이것은 필드에서 입증된 시스템 솔루션과 주요 그리드 통신 표준들을 지원함으로써 오늘날 데이터 콘센트레이터 시장의 문제들을 해결하고 있다. TI의 솔루션으로 이 시스템의 개발 기간이 크게 줄어들면서 출시 속도가 빨라지고 있다. 

데이터 콘센트레이터 EVM에 관한 자세한 정보: www.ti.com/dsp-arm-datacon-wp-sw
시타라 AM335x 프로세서에 관한 자세한 정보: www.ti.com/dsp-arm-datacon-wp-lp