전 세계를 스마트 그리드로 연결하는 데에 다양한 방식이 있다. 이글에서는 다른 접근 방식으로 하드웨어(아날로그 및 디지털)와 소프트웨어를 결합해 더 똑똑하고 더 촘촘한 스마트 그리드를 구축하는데 몇 가지 장애가 되던 문제를 해결할 수 있는 시스템 솔루션을 개발하는 방법을 소개한다.

사물 인터넷(IoT)은 인프라를 통해 가정과 연결되어 더 많은 정보와 기기를 연결할 수 있는 똑똑한 스마트 그리드를 만들어 줄 것이다. 사물 인터넷을 통해 소비자나 제조사, 유틸리티 업체는 새로운 방법으로 장치를 관리할 수 있어 스마트 미터, 홈 게이트웨이, 스마트 플러그, 네트워크에 연결된 가전제품을 이용하면서 궁극적으로 자원을 보호하고 비용도 절약할 수 있다.

그리드 인프라, 각종 산업 장비에 연결

소비자와 제조사, 유틸리티 업체에 가치 있는 정보를 제공하는 사물 인터넷이 2020년이면 500억 회선까지 늘어날 전망이다(시스코, 2011). 사물 인터넷 안에서는 인터넷과 P2P(peer-to-peer) 연결은 물론이고 스마트 그리드 인프라에서 사용하는 폐쇄 망을 통해서도 각종 산업 장비가 연결될 것이다.

사물 인터넷은 에너지와 수자원 관리 및 보존에 국제적 관심이 집중되면서 현재 유틸리티 업체가 하는 자원 보급, 자동화, 모니터링 이상으로 스마트 그리드 연결을 통해 편익을 누릴 수 있게 한다. 가정이나 건물 관리 시스템으로 소비자는 자신의 이용 습관을 모니터링하고 소비 행동을 고칠 수 있다. 이런 시스템은 에너지 소비가 한산한 시간대에 자동으로 작동하며 센서에 연결되어 건물에 사람이 있는 지나 조명 등을 조절한다. 이 모든 것이 훨씬 지능적이며 촘촘한 그리드로 시작될 것이다.

국면을 바꾸려면 그리드가 필요하다

스마트 그리드를 구축한다는 것을 간단히 말하면 전력원은 부족하나 인구는 빠르게 증가하는 빠른 미래 세대를 위한 에너지 공급원의 확보라고 할 수 있다. 스마트 그리드는 에너지 손실을 줄이고 효율은 높여 에너지 수요 분포를 최적화하며 태양열이나 바람과 같은 대규모 재생 에너지를 이용할 수 있게 해 준다.

인프라가 낡으면서 세계 곳곳의 대규모 산업 도시가 번갈아 가며 정전이 되는 것이나 인도 같은 국가는 전기 에너지 중 30% 이상이 가정으로 가는 도중 유실된다. 또한 프랑스와 호주는 식수 중 35%가 누수로 버려지는 등 현재 공익 자원공급망은 심각한 문제를 겪고 있다. 앞으로 공익 자원공급망은 중앙 공급 식에서 벗어나 다양한 에너지원을 동적으로 흡수하는 분산된 토폴로지로 옮겨가야 한다.

따라서 자기회복 그리드를 구현하고 전반적인 효율을 높이며 자가 모니터링과 의사 결정 수준을 높이는 데 사용할 에너지 데이터를 측정, 모니터링, 전송할 수 있는 원격 감지 장비를 배치하는 식으로 실시간으로 에너지 소비량과 공급 수요 비를 추적해야 한다. 그리드 망은 미래의 각양각색의 에너지 관련 장비를 모두 연결하는 통신 네트워크이다. 배전 인프라와 전기, 상수도, 가스, 난방 계량기부터 가정과 건물 자동화까지 텍사스 인스트루먼트(TI)는 전 세계가 직면한 스마트 그리드 과제를 해결하고 그리드 장치에 연결할 시스템 솔루션을 구축하고 있다. 사물 인터넷 세상을 만드는 스마트 그리드의 첫 단계는 스마트 미터를 대거 구축하는 것이다.

이미 수백만 대의 스마트 전기 계량기가 연결됐다

전 세계적으로 스마트 미터 중 전기 계량기가 가장 먼저 자리를 잡고 있다. 일례로 미국의 경우 스마트 전기 계량기(e-계량기) 채택률은 50%에 육박해 현재 수백만 대의 전기 계량기가 그리드에 연결되어 정기적으로 데이터를 주고받고 있다. 기본적으로 전기 계량기는 에너지 측정 장치에서 그림 1과 같은 양방향 통신 시스템으로 그 기능이 확대되고 있다.

현대식 e-계량기는 스마트 그리드 양산에 중요한 특정 기준을 충족해야 한다. 첫째로 계량기는 가정과 건물의 에너지 소비량 정보를 공익사업장으로 보내야 한다. 미국에 적절한 솔루션은 1 GHz 미만의 그물형 네트워크를 이용하는 저에너지 RF(LPRF) 통신이다. 하지만 국가나 지역의 그리드 특성에 따라 무선 솔루션이 최고의 선택이 아닐 수도 있다.

특히 스페인이나 프랑스처럼 유선 협대역 OFDM PLC(power line communication) 기술을 사용하는 곳이 그렇다. 사물 인터넷을 실현하려면 유선부터 무선까지, 때로는 이 둘을 합칠 수 있는 거대한 포트폴리오가 있어야 한다. 둘째 계량기는 가정 내 디스플레이나 게이트웨이로 전력소비량에 대한 유용한 정보를 전달할 필요가 있다. 소비자는 이 정보로 에너지 소비 방식을 조정하여 전기료를 아낄 수 있다. 미국에서는 스마트 에너지 애플리케이션 포트폴리오와 함께 IEEE 802.15.4 2.4 GHz ZigBee짋 표준을 사용하고 있다.

영국이나 일본 등지의 다른 국가는 RF와 PLC를 모두 사용하는 조합이나 좀 더 넓은 도달 범위를 구현하기 위해 1 GHz 미만 RF나 PLC 솔루션을 평가하는 중이다. 전기 계량기가 그물형 네트워크 속에 서로 연결된 가정과 건물 안팎에서 양방향으로 통신하는 스마트 센서 역할을 하는 동시에 공익사업장으로는 필수 에너지 데이터를 보고하는 기능을 하고 있다. 계량기 업체의 경우 스마트 미터로 이동하면 그림 1과 같이 계기의 위상에 큰 영향을 주게 된다. 에너지 소비량을 측정하는 계측구 위에 여러 개의 무선이나 PLC 솔루션이 계기에 통합되어 있다.

간혹 선불형 근거리 자기장 통신(NFC, Near Field Communication) 기능이 구현되기도 한다. 호스트 MCU(마이크로컨트롤러) 수요가 변하면서 메모리 크기나 연결성 및 보안 옵션도 더 강화되고 있다. 또한 유틸리티 업체가 계량기마다 일일이 기술자를 보낼 필요가 없도록 스마트 미터의 MCU는 동적 가격산정/수요 반응, 원격 연결과 연결 해제, 네트워크 보안, 무선 다운로드, 설치 후 업그레이드와 같은 고급 기능을 지원해야 한다.

다양한 연결 솔루션의 요구 지원

TI는 실물 시험을 마친 계측구 평가 키트의 가용성을 높여 메모리, 보안, 정밀도가 향상된 계측구 IC 포트폴리오를 키우고 있다. 일례로 그 방대한 MCU 포트폴리오의 하나로 MSP430F6679 SoC를 기반으로 한 TI의 신제품 다상계측 키트로 개발자는 최상의 정밀도, 고집적 메모리, 고급 변경 방지 보호기능을 이용할 수 있다.

이 SoC로 IEC 62053-22와 ANSI C12.20 클래스 0.2 표준을 포함한 스마트 다상 e-계량기 국제 규정 이상의 요건을 충족하는 전기 측정 정밀도를 구현할 수 있다. 그 밖에도 대형 512 KB 통합 플래시 메모리로는 동적 요율표, DLMS/COSEM, 연결 스택 등 더욱 정교한 계측 기능까지 구현하는 것도 가능하다.

TI는 다양한 연결 솔루션에 대한 요구를 해결하기 위해 업계에서 가장 광범위한 1 GHz 미만, 2.4 GHz, Wi-Fi짋, ZigBee, NFC, PLC 스마트 그리드 연결 포트폴리오를 보유하고 있다. 또한 주요 PLC 연합의 설립 회원으로서 활발한 활동을 전개하는 것 외에도 폭넓은 경험과 현장에서 얻은 지혜를 바탕으로 하나의 칩에서 PRIME, G3, 기초 IEEE P1901.2 협대역 OFDM PLC를 지원하는 PLC 디바이스를 업계 최초로 만들었다.

이 디바이스로 쉽게 어떤 나라에서건 기존 전력선을 이용해 데이터를 효율적으로 전송할 수 있는 미래 유망 스마트 e-계량기를 제작할 수 있다. 스마트 미터 보드 3.0 동영상에서도 확인할 수 있듯이 TI는 전 세계의 각종 스마트 미터 아키텍처 옵션을 지원하도록 소프트웨어 스택을 연결해 아날로그와 디지털 하드웨어 요소를 결합한 고유의 시스템 솔루션을 제공한다.

다음은 스마트 유량계 배치

처음에 망에 연결한 계량기가 전기 계량기였다면, 이제 유량계 시장(가스, 상수도, 난방, 난방-비용 할당기)에서도 스마트 미터가 탄력을 받기 시작하여 얼마 안 있어 수백만 대가 설치될 것이라 기대하고 있다. 전 세계 스마트 수도 계량기 설치 기반을 보면 2011년 1,030만 대에서 2017년 2,990만대로 꾸준히 성장할 것으로 전망하고 있다(Pike Research, 2012). 특히 가스 계량기의 경우 연간 출고량이 2010년 190만 대에서 2016년에는 780만대로 늘어날 것으로 보인다(Pike Research, 2011).

값싸고 지속적인 에너지 공급을 위한 장기 전략으로 EU의 에너지 효율 지침(Energy Efficiency Directive, EED)이 내세우고 있는 20-20-20 발의 중 하나인 에너지 효율 20% 정책은 영국(2,200만대로 가장 높은 배치율)과 이탈리아(2,100만대), 프랑스(1,100만대) 같은 나라의 스마트 가스 계량기 대량 설치의 원동력이 되고 있다(van Dyck, 2011 and Itron, 2010). 다시 말해 단순한 계량기가 스마트 유량계가 되려면 통신을 연결하고 장비 간 연결망도 구축해야 한다.

그림 2는 일반적인 유량계 토폴로지에서 가능한 여러 연결 옵션을 나타낸 것이다. 그물형 네트워크에 있는 배터리식 가스나 수도 계량기와 다른 계량기 간 통신에는 LPRF 무선을 보통 사용하거나 유선 MBUS 같은 일반 유선 솔루션 상부의 데이터 수집기를 사용한다. 계량기도 NFC 시스템을 이용하기도 하는 선불제와 결합해 요율 정보를 받거나 펌웨어 업그레이드, 밸브 작동 차단도 가능하다.

배터리 기대 수명은 10~ 15년 이상으로 유량계 제조사가 해결해야 하는 문제다. 배터리를 사용하지 않고도 필요한 출력과 무선 성능을 유지할 수 있는 전원공급장치를 사용해 시스템 수준에서 동력을 관리할 필요가 있다. 예를 들어 TPS62730 스텝다운 컨버터와 MSP430™ MCU를 TI의 포트폴리오 중 하나인 1 GHz 미만 wM-Bus 솔루션(SimpleLink™ CC1120 RF 트랜시버 등)와 조합하면 차단 성능까지 완벽히 구현할 수 있다. 시스템 수준의 솔루션이 시스템 전력 소비량도 최저치이므로 배터리를 교환하지 않고도 현장에 수년간 계량기를 유지할 수 있다.

유량계, 시스템 수준에서 접근해야

유량계를 연결하거나 무선 센서 같은 배터리식 말단 노드를 연결하려면 아날로그와 디지털 하드웨어를 소프트웨어와 결합하는 등 시스템 수준에서 접근해야 한다. 한 예로 TI는 802.15.4e MAC 계층을 TSCH와 RPL 라우팅 프로토콜을 사용하는 IPv6와 결합하여 센서 네트워크의 수명, 신뢰도, 수용력, 확장성까지 크게 향상시켰다.

사물 인터넷 요건이 미래의 연결 장치에 영향을 준다면 장치와 응용프로그램은 사물 인터넷의 실현 가능성을 좌우한다. 그 밖에 모듈식 위험 회피형 접근방식일수록 BOM의 단가가 높지만, 설계를 재사용하면 다중 시장을 목표로 하는 복잡한 스마트 미터 설계비용을 절약할 수 있다. 예를 들어 1 GHz 미만 및 2.4 GHz 시장용으로 초저전력 MSP430F5435A MCU를 기반으로 하는 동일 MCU 플랫폼을 사용하거나, 가스와 수도 계량기 솔루션으로 TI의 SimpleLink CC1200 1 GHz 미만 트랜시버를 기반으로 하는 RF 모듈을 사용할 수 있다.

IC 공급자는 보통 메모리나 배터리 시스템 성능을 높인 핀 호환 MCU나 RF 파생 장치도 공급한다(Stefanov, 2012). 이런 유연성이 있다면 뒤이은 설계 변경에 필요한 자원도 크게 줄일 수 있다. 계량기 제조사의 경우를 보면 제조 단가가 줄어 투자 대비 수익을 그대로 유지하거나 더 높일 수도 있다. 스마트 그리드라면 망 연결 장치 보급 속도가 빨라져 정식 규정이 자리를 잡고 제대로 정의된 표준이 마련될 것이다.

규정과 표준, 장치 대량 보급의 열쇠

규정은 스마트 미터 채택률이나 계량기의 기능을 결정하는 규격에 영향을 준다. 일례로 미 국방부는 GSA(연방정부 총무청)가 관리하는 정부 인프라를 대상으로 연방 예산을 줄이고 있는 듯하다. 미국처럼 중국은 중국에서 시작한 스마트 시티 프로그램으로 에너지 절약의 중추 역할을 하고 있다. 특히 대형 아파트 건물까지 포괄하기 위해 1 GHz 미만 주파수 대역을 사용한 것에 주목해야 한다.

표준은 여러 업체 간 상호운용성을 보장하고 스마트 그리드를 대량 설치하여 현실화하는데 큰 역할을 한다. 일례로 오늘날의 협대역 OFDM 전력선 통신망 표준으로 스페인이나 폴란드, 프랑스의 G3-PLC Alliance, 네덜란드, 일본 등지에서 PRIME Alliance의 전기 계량기 전면 도입이나 준비 프로그램이 가능한 것이다. 유량계의 경우 유럽에서는 무선 MBus 169 MHz 통신 표준이 마련되어 프랑스와 이탈리아에서는 가스 계량기 대량 배치 계획을 세우고 있다. 동시에 표준은 변화의 속도에 맞춰(하드웨어와 소프트웨어를) 올바로 구현할 수 있도록 끊임없이 진화하고 있기도 하다.

예를 들어 지구 차원에서 전력선 통신망을 가속하고 스마트 그리드 개발자에게 미래에 전도유망한 설계를 제시하기 위해 TI는 수많은 전문가와 현장 경험을 토대로 하나의 칩에서 PRIME, G3, 기초 IEEE P1901.2 협대역 OFDM PLC를 지원하는 PLC 디바이스를 업계 최초로 개발했다.

RF 프론트에서는 영국의 에너지기후변화부(DECC, Department of Energy and Climate Change)가 스마트 계측 장비 기술 규격(Smart Metering Equipment Technical Specifications, SMETS) 제 2판을 작업하고 있다. 이 SMETS v2에서 영국은 가스 계량기 용으로 제안한 ZigBee SEP v1.x와 함께 2.4 GHz와 868 MHz 주파수를 RF 통신으로 권장하고 있다. 2.4 GHz 기반 계량기는 앞으로도 계속 발전하고 보급될 것이지만, 868 MHz 기반 계량기를 지원하게 될 가능성이 있어 미래에도 쓸 수 있는 스마트 미터 설계가 좀 복잡한 상황이다.

스마트 그리드 망이 정착하기 위해서는 정규 표준을 준수해야 한다. 주류 PLC 연합의 멤버인 TI는 ZigBee, WISUN, IEEE 802.15.4g 등을 포함하여 다양한 표준 기구에 적극적으로 참여하며 첨단 하드웨어와 소프트웨어 솔루션을 보급하고 있다. 다양한 표준과 규정이 있기에 스마트 그리드와 사물 인터넷에서 소프트웨어와 통신 스택의 가용성이 중요한 의미를 갖는 것이다.

이미 수백만 대의 계량기가 망에 연결된 상태이며 이러한 그리드 망의 모멘텀은 점점 커지고 있다. 그렇지만 그 가능성을 최대한 끌어올리기 위해서는 기계식 계량기에서 스마트 전자 계량기로 스마트 그리드를 전환하여 계량기와 유틸리티 업체 간 양방향 통신을 구축하는 것이 급선무이다. 규정과 표준을 개발하면 힘을 얻을 수는 있지만, 하드웨어와 소프트웨어의 유연성도 밑바탕에 깔려 있어야 한다. 그 다음으로 변전소간 통신 네트워크를 구축해 송전망과 배전망을 연결할 수 있는 그리드 인프라를 자동화가 이뤄져야 한다.

스마트 변전소: 자동화는 연결이 가장 중요

방사식 중앙집중형에서 다양한 에너지원을 사용하는 그물형 네트워크로 그리드의 위상이 변하고 있다. 생산부터 소비까지 변전소는 공익사업장과 가정 및 건물을 이어주는 그리드의 핵심이다. 변전소가 변압을 하고 전기를 흘려보낸다. 이때 필요에 맞춰 전력선을 분리하고 경로를 재설정한다. 이 후 태양에너지부터 바람까지 분산형 에너지원을 관리 조정하고 정전과 동력 회복을 처리해야 한다(그림3 참조).

도시나 주, 국가적 차원에서 변전소를 배치, 지정, 모니터, 제어할 수 있어야 자동 배전으로 그리드 운영을 높일 수 있다. 다시 말하지만 변전소를 연결해 전력 정보망을 구축하는 것이 답이다. 우선 변전소 시스템은 다중 구리선 버스에서 이더넷 기반 통신으로 발전하고 있다. 변전소 안에 지능형 장비(IED)를 새로 설치하거나 기존 장비를 개량하면 이 통신 기능을 구현할 수 있다. 두 번째 계량기와 마찬가지로 변전소 내 여러 업체의 장비 간 상호운용성을 확보하고 수집한 데이터를 대량으로 운용할 수 있어야 한다.

IED에 구현한 IEC 61850 산업 표준이 이 문제를 해결했다. IEC 61850으로 차단기나 변압기, 발전기 같은 변전소 내 장비가 중앙 운영 센터로 변전소의 정보를 모으는 시간 반응형 망을 이루며 그와 동시에 양방향 통신망도 구축할 수 있다. 스마트 미터와 변전소 연결로 우리는 완벽한 그리드로 이동하고 있다(그림 3).

스마트 데이터 컨센트레이터의 보급

변전소 장비 중 하나로 변전소와 변압기 수준에 스마트 미터와 동급의 보급 속도로 통신 데이터 데이터 컨센트레이터가 보급되고 있다. 그림 4는 TI가 최근 발표한 스마트 데이터 컨센트레이터의 블록다이어그램을 나타냈다. 개발자는 다양한 성능에 비용과 연결 옵션을 선택할 수 있으며 유연성과 확장성도 최고여서 전 세계 어떤 스마트 그리드 표준에도 사용할 수 있는 데이터 컨센트레이터를 설계할 수 있다.

스마트 데이터 컨센트레이터로 고급 계측 인프라(AMI) 구축, 센서 네트워크 자동화, 공익사업장은 2,000여 e-계량기 동시 연결 및 관리가 가능하다. 스마트 데이터 컨센트레이터에는 1 GHz 미만, 2.4 GHz ZigBee, Wi-Fi, NFC, 다중 PLC 표준(G3, PRIME, IEEE P1901.2, PLC-Lite™)을 비롯한 다중 유무선 연결 옵션을 마음대로 선택할 수 있는 TI의 고도 확장성 Sitara™ AM3359 프로세서가 탑재됐다.

스마트 그리드 개발자는 TI의 PLC 소프트웨어 스택과 짝을 이루는 PLC SoM(System on Module)으로 단10분 만에 PLC를 연결해 간편히 데이터 컨센트레이터를 셋업할 수 있다. 하드웨어와 소프트웨어가 들어가는 완비형 시스템 수준 솔루션인 TI의 스마트 그리드 솔루션을 사용하면 복잡함이 줄고 상품화에 걸리는 시간을 단축할 수 있으며 사물 인터넷 구축이 쉽다. TI는 에너지 정보 측정부터 통신 관리까지 스마트 그리드와 사물 인터넷 개발자가 완벽한 솔루션을 만들 수 있는 보완 소프트웨어를 공급한다.

소비자를 위한 스마트 그리드와 사물 인터넷

미국은 전기 계량기 보급에 초기부터 자본을 투자하여 10개 주의 지역 공익사업장에서 예비 보급을 시작해 소비자가 기기에 적응하고 무엇보다도 에너지 절약을 위한 터를 닦고 있다. 스마트 그리드가 주는 부수적 이익 중 하나는 기술팀이 마을의 통신 시스템을 이용하여 정전 위험 가구를 찾아 미리 대비할 수 있다는 점이다. 가정과 사무실의 문의 증가에 힘입어 정전 자가 보고 방식보다 더 빨리 중요 인프라를 복구할 수 있었다. 수요 반응 시스템에서 가장 중요한 부분은 스마트 기기를 에너지 모니터링 포털에 연결하여 고객이 비첨두 시간대로 에너지 사용 패턴을 바꾸는 것이었다.

전기 스마트 플러그와 가정용 디스플레이, 스마트 온도조절장치(그림 5)는 가정에서 모니터 하길 원하는 내용에 따라 소비자가 선택하게 된다. 가전제품을 스마트 플러그에 꽂고 홈 네트워크에 연결하기만 하면 된다. 사용자는 ZigBee나 Wi-Fi를 통해 인터넷에 접속해 홈 게이트웨이를 통해 정보를 얻거나 스마트 폰이나 태블릿으로 클라우드 연결을 통해 직접 연결할 수도 있다.

스마트 기술이 구현된 고급 가전보다는 스마트 플러그 쪽이 가격이 싸고 쓰던 가전제품을 다시 쓸 수 있기 때문에 소비자 보급률이 높다. TI는 사용하기 쉽고 전력 소비량이 낮은 솔루션 속에 보완적 계측구와 연결 기능, 프로세서를 넣어 덜 복잡한 보조 계량기를 만들고 있다. 일례로 TI의 SimpleLink CC3000 Wi-Fi 모듈과 MSP430 MCU를 사용하면 기존의 내장형 응용프로그램보다 Wi-Fi 구현이 쉬워 보조 계량기를 간단히 설계할 수 있어 업계의 혁신을 자극하고 있다.

건물과 가정에 있는 장치를 한곳에 연결하면 스마트 그리드의 장점을 완벽히 활용할 수 있으며 수많은 혁신적인 솔루션과 편리한 애플리케이션이 이미 소비자에게 공급되고 있다. 영국이나 일본은 전용 가정 에너지 게이트웨이, 스마트 허브나 에너지 관리 시스템을 의무적으로 배치하도록 하였기 때문에 그리드 연결과 사물 인터넷 편익을 누리는 속도가 훨씬 빨라질 것이다.

결론

규정과 표준은 그리드 인프라부터 건물과 가정의 스마트 미터까지 스마트 그리드 산업 전반의 모든 장치를 그리드로 연결하는 원동력이다. 스마트 미터로 바꾸면 더욱 복잡해지긴 해도 고객 경험이 늘고 에너지 효율이 좋아지는 것 같은 투자 편익이 훨씬 크다. 그리드 자체도 바뀌고 있으며 데이터 컨센트레이터와 변전소 네트워크를 완전 자동화 하는 쪽으로 이동하고 있다.

사물 인터넷의 연결성과 접근성이 좋아지면 사용자 경험이나 효율이 높아져 소비자 상호작용이나 제어도 더 원활히 이루어진다. 그 밖에 사물 인터넷은 제조사와 유틸리티 업체에게 더 많은 정보를 제공하여 진단 비용을 절감하고 마을 전체의 계량기 값을 판독할 수도 있다. 궁극적으로 사물 인터넷으로 더욱 촘촘하고 비용대비 효율도 좋으며 더 똑똑한 스마트 그리드를 구축할 수 있다.