고장 표시기는 지상전선 및 지하케이블 전력 분배 네트워크에 사용되는 기기로, 고장상태를 감지, 표시하는 데 사용된다.

또한 멀리 떨어져 있는 현장 인력에게 고장 상태를 알려주고 고장 지점을 파악하도록 한다. 고장 표시기를 제대로 설치한다면 고장 난 네트워크 부분의 정보를 바탕으로 운영비와 서비스 중단을 줄일 수 있다. 동시에 이 기기는 위험한 고장 진단 절차에 대한 필요성을 줄여주어 안전성을 높이고 장비 손상이 줄어든다. 고장 표시기는 그 위치 때문에 주로 배터리로 구동되어 저전력으로 운영되어야 한다. 본 백서에서는 초저전력 마이크로컨트롤러(MCU)를 이용해 스마트 고장 표시기를 구축하는 방법을 설명하고자 한다. 더불어 고장 표시기는 원격 핸드헬드 기기나 전신주 또는 전기 구조물 바닥의 단말장치와 통신할 수 있는 무선 커넥티비티 옵션을 갖고 있다. 

최근 초저전력 마이크로컨트롤러와 무선 커넥티비티 기술 발전에 따라 ‘스마트’ 고장 표시기가 개발됐다. 〈그림2〉는 스마트 고장 표시기 시스템 시나리오의 예다.

〈그림 2〉에서 고장 표시기는 지상 전력선 네트워크의 연결점에 있다. 송전선에서 측정된 온도 및 전류 데이터는 무선으로 원격단말장치/전신주 단말장치로 보내진다. 원격단말장치(RTU)는 GSM 모뎀을 이용해 이 데이터를 셀룰러 네트워크로 전달하기 위해 메인 스테이션에서 실시간 정보를 중계한다.

또한 메인 스테이션은 같은 데이터 경로에서 고장 표시기에 대한 진단을 제어 및 실행할 수 있다. 지하 케이블의 경우에는 이 고장 표시기가 RS-485와 같은 유선 네트워크를 통해 RTU에 연결 된다.

스마트 고장 표시기는 ‘커넥티드’ 고장표시기로 불린다. 수시로 메인 스테이션에 접속하기 때문이다. 수시로 메인 스테이션에 접속하는 경우에는 몇 가지 장점이 있다. 첫째, 메인 스테이션에서 고장 상태를 원격 모니터링할 수 있어 전기회사의 인력은 고장 위치를 찾기 위해 현장으로 나갈 필요가 없다. 또한 스마트 고장 표시기는 지속적으로 온도와 전류를 모니터링할 수 있다. 그러면 메인 스테이션의 컨트롤러는 배전 네트워크의 상태를 실시간으로 알게 된다.

이러한 추가 정보를 이용해 전기 사업자는 고장 위치를 빠르게 파악하고, 송전 중단시간을 최소화하며, 심지어 고장이 일어나기 전에 조치를 취할 수도 있다. 나아가 메인 스테이션의 인력은 필요한 간격에 따라 고장 표시기에 대하나 진단을 내려 정상 작동 여부를 확인할 수 있다.

고장 표시기는 배터리로 구동되고 전선에 설치되어 있기 때문에 초저전력 소비가 주요 시스템 요건이다. 가장 중요한 의사결정 중 하나가 올바른 마이크로컨트롤러를 선택하는 것이다. 게다가 기존의 제어 중심 기능들과 더불어, MCU의 고집적 아날로그 회로는 외부 아날로그 프론트엔드 회로의 크기와 시스템의 총 전력 소비를 크게 줄이는데 기여했다. 따라서 고장 표시기의 품질은 고장 표시기 내부의 MCU가 지원하는 기능들에 의해 결정된다.

본 백서에서는 고장 표시기에서 MSP430™ FRAM 마이크로컨트롤러의 이점들을 알리고자 한다. 초저전력 소비와 더불어 FRAM(Ferroelectric Random Access Memory) 메모리는 빠른 데이터 로깅 능력과 전력 상실 상태에서의 데이터 유지 능력을 갖고 있다. 에너지 수확 및 무선 통신을 위한 TI의 솔루션들에 대해서도 간략하게 검토하고자 한다.

스마트 고장 표시기의 기능 블록

〈그림 3〉은 TI MSP430 FRAM 마이크로컨트롤러에 기반한 스마트 고장 표시기의 기능 블록 다이어그램이다. 전류 변환기는 전력선 전류에 비례해 아날로그 전압을 생산한다. 이 전압 신호는 연산증폭기에 의해 조절(증폭 및 여과)되고, 연산증폭기의 출력은 MCU에서 ADC(Analog-to-Digital Converter)에 의해 샘플링 된다. 그런다음 ADC로부터 디지털 스트림에 대한 데이터 분석이 실행된다. <그림 3>에서는 이 연산증폭기 출력도 MCU의 비교기로 루팅된다.

이 비교기는 입력 레벨이 미리 정해둔 쓰레스홀드를 넘어서면 마이크로컨트롤러의 CPU에 플래그를 발생시킬 것이다.

전류 측정에 대한 분석은 시간 도메인이나 주파수 도메인에서도 실시할 수 있다. 전력선의 전류 파형은 사인파가 아닌 파형의 불규칙성이 문제가 될 때, 때때로 스펙트럼 분석의 전력선 상태 평가는 간단하다.

최대 주파수가 100 Hz인 경우, 라인전류를 적어도 5밀리초마다 샘플링 해야 한다. 64포인트 FFT(Fast Fourier Transform)는 3 Hz의 분해능으로 0~100 Hz를 망라하는 스펙트럼을 제공한다. MSP430 마이크로컨트롤러 CPU는 16 MHz에서 이러한 FFT를 실행하는데 약 1밀리초가 소요된다. 로우패스 필터는 고주파수 잡음이 발생하는 앨리애싱을 제거하기 위해 연산증폭기로 구현해야 한다. 이 스펙트럼 분석 결과는 전력선의 전류가 정상 상태인지를 판단하는데 사용된다.

라인 온도 역시 전력선의 건전성과 관련해 중요한 데이터 포인트다. 온도 센서 출력은 보통 전압이며, MCU의 ADC에 의해 직접 이를 감지된다.

프로세싱이 완료되면 고장 표시기는 그 출력 데이터를 무선 링크를 통해 RTU로 전송한다. 주로 Sub-1GHz 접속기술은 전력 소비를 최소화하는 동안 필요한 전송 거리를 맞추는데 선택된다. 지상선의 경우, 이 데이터는 RS485 인터페이스로 출력될 수 있다. MCU는 시스템의 보안 요건에 맞춰 데이터를 암호화해야 할 수도 있다. 전통적인 LED 라이트는 고장 표시기가 고장 상태를 감지할 때 켜질 것이다.

고장 표시기는 배터리로 구동되는 기기다. 이것은 지상 송전선이나 지하 전력케이블에 설치된다. 한번 설치하면 접근이 매우 제한적이기 때문에 배터리 수명이 긴 것이 필수이다. 배터리로 부터 전력을 끌어내는 것을 최소화하기 위해 다음의 두 단계를 취할 수 있다.

(1) 마이크로컨트롤러의 저전력 모드 활용
라인 전류 샘플들을 취하는 사이사이와 데이터 프로세싱이 필요하지 않을때, MCU는 저전력 모드에 들어갈 수 있다. 이 시간 동안 연산증폭기는 꺼져 있어야 한다. 대기모드에서 MSP430 FRAM MCU의 전력소비 범위는 0.4~1 μA다.

(2) 에너지 하베스팅 이용
〈그림 3〉의 블록 다이어그램은 두 가지 에너지 하베스팅 원천이다. 태양 전지판(전류 변환기를 통한)과 송전선이다. 이 전력관리 장치는 태양 전지판과 같이 여러 가지 고출력 임피던스 DC에서 생성된 전류를 마이크로와트(μW)부터 밀리와트(mW)까지 추출하도록 설계되어 있다. 이 배터리 관리 기능은 저장 배터리가 추출된 전력에 의해 과충전 되지 않게 한다. 또한 타깃 시스템에 두 번째 파워 레일을 제공하기 위해 고효율 나노파워 벅 컨버터를 집적한다.

MSP430 FRAM 마이크로컨트롤러 

MSP430 초저전력 FRAM MCU를 고장 표시기 애플리케이션에 권장하는 이유는 이것이 고유의 임베디드 FRAM과 전체론적 초저전력 시스템 아키텍처를 병합하기 때문이며, 이를 통해 혁신가들은 낮아진 에너지 예산에서도 성능을 높일 수 있다. FRAM 기술은 훨씬 낮은 전력에서 플래시의 안정성 및 신뢰성과 함께 SRAM의 속도, 유연성, 내구성을 갖추고 있다. MSP430 FRAM 마이크로컨트롤러 제품군의 전체 목록은 해당 웹사이트(www.ti.com/fram)에서 볼 수 있다.

MSP430FR58/59xx FRAM MCU 제품군은 스마트 고장 표시기 애플리케이션에서 다음과 같은 이점을 제공한다.

· 최적화된 초저전력 모드 소비와 16-bit RISC 아키텍처, 최대 16 MHz 클록
  - 액티브 모드: 약 100 μA/MHz
  - 대기 모드: 0.4~1 μA
· 최대 256 KB의 FRAM
· 고성능 아날로그
  - 입력이 미리 정해놓은 범위 내인지를 확인하는데 사용되는 아날로그 비교기
  - 아날로그 입력을 위한 디지털 스트림으로 읽어 데이터를 처리하기 위한 12-bit ADC
· 보안 암호화/해독 및 데이터 무결성 확인을 위한 128/256-bit AES와 16/32 bit CRC 가속기
· 통신을 위한 다수의 UART/SPI/I2C 포트들

플래그십 디바이스인 MSP430FR 5994 MCU는 FRAM MCU 제품군에 공통하는 기능들 외에도 신호 처리모듈을 위한 첨단 DSP(Digital Signal Processing) 기능을 초저전력 애플리케이션에 대한 제공하기 위해 저에너지 가속기(LEA: Low-Energy Accelerator)를 포함한다.

신호 처리를 위한 저에너지 가속기는 벡터 기반 연산과 신호 조절을 효율적으로 수행하도록 설계된 TI 전용 가속기이다. 가장 흔한 LEA 연산들로는 FFT, FIR(Finite Impulse Response) 필터 매트릭스 곱셈, 덧셈, 뺄셈 등이 있다.

LEA 모듈은 CPU와 완전히 별개로 실행된다. LEA 모듈은 CPU가 저전력 모드에 있을 때 실행시킬 수 있다. LEA 주변장치는 67 μA/MHz만 소비하는데, 이것은 CPU의 약 30%에 불과하다. 예를 들어, LEA 모듈은 3060 사이클 128 복합 포인트 FFT를 완료한다. 같은 계산으로 DSP 라이브러리를 가진 MSP430 MCU의 CPU는 34960 사이클이 든다.

LEA의 모듈은 다른 MSP430 MCU CPU와 비교했을 때 128 복합 포인트 FFT를 완료하는데 에너지의 약 6%만 쓴다. 이러한 장점으로 인해 집약적 연산이 필요할때 LEA 모듈이 좋은 선택이다.

고객이 TI의 MCU로 제품을 개발하기 쉽도록 하기 위해 사용하기 편리한 평가모듈로 마이크로컨트롤러 LaunchPad™ 개발 키트를 설계했다.

TI MCU LaunchPad 키트에 관한 자세한 정보는 해당 웹사이트(www.ti.com/launchpad)에서 볼 수 있다.
TI는 하드웨어 툴과 더불어 소프트웨어 라이브러리도 제공하는데, 주변장치 모듈들을 MSPWare 라이브러리라 불리는 MSP430 MCU에 설치할 수 있는 종합 소프트웨어다.

에너지 하베스팅과 통신 

에너지 하베스팅을 위한 전력관리
TI는 태양과 기타 원천들로부터 에너지를 수확하기 위한 다양한 IC 제품군을 제공한다. bq25570 디바이스는 특히 광전지(태양전지) 또는 열전 발전기(TEG: Thermal Electric Generators) 같은 다른 원천들을 붕괴시키는 것 없이 여러 가지 고출력 임피던스 DC 원천들에서 생성된 전력의 mW를 마이크로 와트부터 효율적으로 추출할 수 있도록 설계되어 있다.

이 배터리 관리 기능은 시스템 부하에 의해 안전 한계를 넘어 전압이 올라가거나 격감하더라도 추출된 전력에 의해 충전 배터리가 과충전되지 않게 한다. bq25570은 고효율 부스팅 충전기 외에도 전력 요건과 동작요건이 엄격한 무선 센서 네트워크와 같은 시스템들에 두 번째 파워 레일을 제공함으로써 고효율 나노파워 벅 컨버터를 집적한다. bq25570의 이 모든 기능들은 소형 풋프린트 20-lead 3.5-mm×3.5-mm QFN 패키지(RGR) 안에 들어 있다.

Energy Harvester BoosterPack™ 플러그인 모듈 레퍼런스 디자인은 bq25570을 사용한 평가 모듈이다. 이것은 다양한 전류 원천들 또는 온보드 태양전지에서 에너지를 하베스팅해 저전력 TI LaunchPad 키트를 구동한다. 이 설계는 매우 집적된 전력관리 솔루션으로 초저전력 애플리케이션에 적합하다.

Sub-1GHz 트랜시버
TI는 Sub-1GHz 솔루션으로 비용 효과적인 무선시스템의 초저전력 및 저전압 동작에서 고성능을 발휘하도록 설계된 완전 통합 싱글칩 무선 트랜시버를 제공한다. 모든 필터가 집적돼 있어, 값비싼 외부 SAW(Surface Acoustic Wave) 및 IF(Intermediate Frequency) 필터가 필요없다. 이 디바이스는 주로 산업과학의료(industrial, scientific, and medical) 용으로, 164~192 MHz, 274~320 MHz, 410~480MHz, 820~960 MHz의 단거리 디바이스(SRD: Short Range Device) 주파수 대역을 겨냥하고 있다.

TI Sub-1GHz CC1120 RF 트랜시버에 기반한 CC1120-CC1190 BoosterPack 플러그인 모듈은 MSP430 MCU LauchPad 개발 키트와 함께 작동하도록 설계됐다. SmartRF™ 애플리케이션 소프트웨어를 이용해 독립 모듈뿐만 아니라 CC1190 디바이스는 무선 거리 확장기다. 이 모듈에는 PCB 트레이스 안테나가 집적되어 있는데 미국의 경우에는 902~928 MHz 주파수 대역에서, 유럽의 경우 869~870 MHz ISM 주파수 대역에서 작동한다.

RS485 트랜시버
스마트 고장 표시기가 지상선에 설치되는 경우, RS485 링크는 주로 트랜스미터 장치와의 통신에 사용된다. SN65HVD7 2EVM은 설계자가 디바이스 성능을 평가하도록 도와주고 SN65HVD7x 계열의 RS485 트랜시버를 이용해 데이터 전송 시스템의 빠른 개발과 분석을 지원한다.

이 평가모듈 (EVM) 보드에는 SN65 HVD75(20 Mbps) 디바이스가 납땜되어 있다. 이 EVM 키트에는 SN65 HVD72(250 kbps)와 SN65HVD78(50Mbps) 디바이스, IC 샘플 팩이 들어 있다. SN65HVD75를 원하는 속도 급의 디바이스로 교체해 어느 디바이스든 평가할 수 있다.