스마트미터의양방향통신을위한 ANSI 통신프로토콜구현 이상일 * Implementation of ANSI Communication Protocol for Two-way Communications of Smart Meter Sang-il Lee* 요 약 본논문에서는스마트미터의북미국제표준인 ANSI 에서정의하는 노드의응용계층프로토콜을구현하였다. ANSI 에서는 OSI 7 계층중에서응용계층만을정의하고있다. 정보전송에필수요소인 1~4 계층은기존에사용되고있는프로토콜을사용할것을권고하고있으며, 이에따라본논문에서는통상적으로사용되고있는 TCP/IP 프로토콜을전송계층및네트워크계층프로토콜로사용하였다. ANSI C12.19 에서는전력량계에사용되는파라미터들을규정하고있으며, 응용계층은이전력량계파라미터들을네트워킹하기위한최소한의네트워크서비스와데이터구조들을정의하고있다. 이러한서비스와데이터구조들은네트워킹된전력량계를설정, 프로그래밍, 모니터링하거나전력량계의정보를수집할목적으로사용된다. 본논문에서는 응용계층을소프트웨어로구현하기위해임베디드보드를사용하였고, 기능테스트를위해서 AMI 응용서버역할을하는테스트프로그램을동시에개발하였다. ABSTRACT In this paper, application layer protocol of node, defined by ANSI is implemented. ANSI defines application layer only among the OSI 7 layers and recommends using the existing protocols for the 1~4 layer to transmit the information. TCP/IP which is one of the generally used protocols has been applied for the transport and network layer protocol in this paper. ANSI C12.19 defines the parameters for the watt-hour meter, and application layer defines the network services and data structures networking the watt-hour meter parameters at a minimum. This kind of services and data structures are used for the configuration, programming, monitoring of the networked watt-hour meter or collecting information of the watt-hour meter. A embedded board has been used to implement the application layer and a test program for the AMI application server has been developed for the functional test. 키워드 ANSI, ANSI C12.19, 스마트미터, AMI, 스마트그리드 Key word ANSI, ANSI C12.19, Smart meter, AMI, Smart grid * 정회원 : 목포대학교 ( 교신저자, leesi@mokpo.ac.kr) 접수일자 : 2013. 03. 06 심사완료일자 : 2013. 03. 27 Open Access http://dx.doi.org/10.6109/jkiice.2013.17.4.815 This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/li censes/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Copyright C The Korea Institute of Information and Communication Engineering.
한국정보통신학회논문지제 17 권제 4 호 Ⅰ. 서론스마트그리드는지능형전력망이라는의미로기존의전력망에 IT기능을부가하여전력공급자와소비자간양방향정보교환으로에너지효율을최적화하며, 이를통해에너지절감및 CO 2 감축을실현하는새로운전력망구조이다. 이러한지능형전력망을구현하기위해서는 AMI(Advanced Metering Infrastructure) 라는새로운전력통신용인프라가요구된다. 전력공급자와수요자간의실시간수요반응을실현하기위해실시간으로고지되는요금에따라최적시간대의전기사용을유도하는방식이다. AMI는기존의자동원격검침 (AMR: Automatic Meter Reading) 에서좀더진화된개념으로, 사용자수요반응을위한수요반응기기, 사용자에게전력사용정보를제공하는지능형전력량계또는스마트미터 (Smart Meter), 수집된수요반응정보및계측정보를관리할수있는지능형전력정보관리시스템, 그리고이러한시스템구성요소들을연결하는네트워크 (SUN: Smart energy Utility Network) 로이루어진다.[1-3] 본논문은 AMI 시스템의핵심구성요소인스마트미터의통신방식에관한연구로써, 미국의표준화단체인 ANSI (American National Standard Institutes) 에서정의한 통신프로토콜을분석하고, 이를구현하는것을목표로한다. C12.18은테이블전송을위한통신수단으로광통신을사용하며, C12.21은일반전화선에연결된모뎀을이용한다. 는좀더확장된개념으로특정통신수단을정의하지않는다. 즉, 전송수단은가능한통신수단어떤것을사용해도되도록정의하였다. C12.19 테이블과 C12.18, C12.21, 그리고 프로토콜의관계를그림 1에표시하였다. 본논문에서는 규격을구현대상으로하였고, 프로토콜테스트를위하여제한적으로일부의 C12.19 테이블을구현하였다.[6-8] 그림 1. ANSI C12 규격의구조 Fig. 1 Structure of ANSI C12 Specification ANSI 에서정의하는네트워크참조토폴로지 (network reference topology) 는그림 2와같다. Ⅱ. 스마트미터의통신프로토콜 ANSI C12 시리즈는스마트미터의통신프로토콜을정의하는일련의규격들이다. 1990년대미국에서시작된전력량계표준화작업의성과로 C12.19 규격이먼저정리되었다. C12.19는전력량계에사용되는각종파라미터들을몇개의그룹으로나누어서정리한테이블들을규정한다. 테이블에는각종운용정보와실시간과금정보들이포함된다. 이러한테이블들은필요에따라지능형전력정보관리시스템과스마트미터사이에서갱신되고전송된다. 이러한테이블전송을위하여만들어진규격이 C12.18, C12.21, 그리고 프로토콜이다.[4-5] 그림 2. 네트워크참조토폴로지 Fig. 2 Network Reference Topology 그림 2에서보는바와같이 네트워크의구성요소는마스터릴레이, 릴레이, 노드, 게이트웨이등이다. 마스터릴레이는 네트워크의전체구조를관 816
스마트미터의양방향통신을위한 ANSI 통신프로토콜구현 장하며 AMI 응용서비스와의인터페이스를담당한다. 릴레이는 네트워크를구성하는네트워크세그먼트들을서로연결하는역할을한다. 게이트웨이는 네트워크를이종의네트워크와연결하는역할을한다. 노드는 네트워크의단말기로스마트미터와통신모듈을포함하는장치로정의된다. 노드는다시 단말기와 통신모듈로구성된다. 실제구현은전력량계역할을하는 단말기와네트워크통신을담당하는통신모듈로나누어서구현할수도있고, 두기능을합쳐서하나의 노드로구현할수도있도록정의되어있다. 본논문에서는두기능이합쳐진형태인 노드로구현하였다. Ⅲ. ANSI 프로토콜구현본논문에서는 에서정의하는 노드의응용계층프로토콜을구현하였다. 에서는 OS I(Open System Interconnection) 7 계층중에서응용계층만을정의하고, 정보전송에필수요소인 1~4 계층은기존에사용되고있는프로토콜을사용할것을권고하고있다. 본논문에서는가장일반적이고보편적으로사용되고있는 TCP/IP 프로토콜을전송계층및네트워크계층프로토콜로사용하였다. 응용계층은 C12.19 에서정의하는테이블을내장하고있는전력량계를네트워킹하기위해최소한의네트워크서비스와데이터구조들을정의하고있다. 이러한서비스와데이터구조들은네트워킹된전력량계를설정, 프로그래밍, 모니터링하거나전력량계의정보를수집할목적으로사용된다. 본논문에서는 응용계층을소프트웨어로구현하기위해임베디드보드를사용하였고, 기능테스트를위해서 AMI 응용서비스역할을하는테스트프로그램을동시에개발하였다. 전체적인개발및실험구성은그림 3과같다. Node 인터넷 Test Application Server 그림 3. 구현및실험구성도 Fig. 3 Implementation and Test Diagram 3.1. 노드의소프트웨어구성 의응용계층은 C12.19 테이블, EPSEM (Extended Protocol Specification Exchange Message) 그리고 ACSE(Association Control Service Element) 블록으로구성된다. EPSEM은 C12.18에서정의된 PSEM을확장한개념으로 노드가마스터릴레이및 AMI 서버와주고받는메시지이다. 이 EPSEM 메시지를통하여 AMI 서버는 노드를제어하거나설정하기도하고 C12.19 테이블을읽어오거나쓸수도있다. ACSE는 EPSEM 메시지를주고받을때필요한주소, SAR(Segmentation and Reassembly), 보안기능등을담당한다. 그림 4는 응용계층과전송계층그리고두계층간제어를위한주제어부 (Main Control) 로구성된소프트웨어구조를나타낸다. MainControl C12.19 Table EPSEM ACSE TCP/IP Ethernet Application Layer Transport and Network Layer Physical Layer 그림 4. 프로토콜스택구조 Fig. 4 Structure of Protocol Stack 3.2. EPSEM 규격에서는 EPSEM에다음과같이 13개의네트워크서비스를정의하고있다. 각서비스는 <request> 817
한국정보통신학회논문지제 17 권제 4 호 와 <response> 로구성되며다음과같다. 1) Identification Service : 노드의기능, 규격, 버전등의정보를제공한다. 2) Read Service : 노드로부터 C12.19 테이블데이터를읽어낸다. 3) Write Service : 노드에 C12.19 테이블데이터를쓴다. 4) Logon Service : 세션을설정한다. 5) Security Service : 노드의 C12.19 테이블에필요한패스워드를전송한다. 6) Logoff Service : 세션을종료한다. 7) Terminate Service : 비정상적으로세션을강제종료한다. 8) Disconnect Service : 비정상적으로세션을강제종료하고 노드를네트워크에서제거한다. 9) Wait Service : 세션이타이머에의해종료되는것을방지한다. 10-11) De/Registration Service : 노드를네트워크에등록 / 해제한다. 12) Resolve Service : Native network address를얻기위해사용된다. Native network address는 노드사이에직접적으로통신할때사용된다. 13) Trace Service EPSEM 13개서비스를포함하는 EPSEM 메시지는 에서그림 5와같이정의된다. EPSEM은 <epsemcontrol> field를필수적으로포함하고 <ed-class> 를선택적으로포함할수있으며, 13개서비스요구 / 응답중 1개이상을포함하고 <0x00> 으로끝난다. 본논문에서는 EPSEM 메시지를 C언어를사용하여구현하였다. 그림 5. EPSEM 메시지구성 Fig. 5 Construction of EPSEM Message 에서 <acse-pdu> 는아래의그림 6과같이정의되며, <0x60> 으로시작되고 <element-length> 와 <element> 로구성된다. <element> 는우선적으로 <unsegmentedacse-element> 로구성되지만그크기가하위전송계층의최대전송가능길이보다크면 segment되어여러개의 <segmented-acse-element> 로교체된다. 이렇게구성된 <acse-pdu> 는 Transport Layer를거쳐상대편으로전송된다. 본논문에서는 <acse-pdu> 를 C언어를사용하여구 현하였다. 3.3. ACSE ACSE는응용계층의최하위프로토콜모듈로스마트미터와 AMI 서버간 Application의 Association 설정과해제를담당한다. ACSE는 <acse-pdu> 를정의하고이를통하여 EPSEM 메시지를전송하며, 또한인증 (authentication), 보안 (security) 과같은제어파라미터들을전송한다. ACSE는 PSEM 메시지를받아 <acse-pdu> 를구성하고 <acse-pdu> 의 segmentation과 reassembly 기능을수행한다. 또한 ApTitle을사용하여 네트워크상에서 노드의 addressing 기능을담당한다. 그림 6. <acse-pdu> 구성 Fig. 6 Construction of <acse-pdu> 818
스마트미터의양방향통신을위한 ANSI 통신프로토콜구현 Ⅳ. 실험 의응용계층프로토콜스택테스트를위하여 C12.23에있는 C12.18 PSEM 테스트절차를준용하였다. C12.23에는 를위한테스트절차가아직마련되어있지않으며, 테스트절차상의차이는없을것으로판단된다. 그림 7은결과실험을위한시스템구성도를보여주고있다. 테스트를위하여 End Device는먼저 Registration을수행하고, 이후 Test Application에서 Identification, Logon, Read, Write, Logoff, Terminate의순서대로 EPSEM 서비스를실행한다. 의두노드즉, End Device와 Test Application 간통신을위해서는 ACSE에서사용하는 Address인 ApTitle이필요하다. 본테스트에서는 End Device의 ApTitle은 1.2로, 그리고 Test Application의 ApTitle은 1.1로하였다. 그림 8. Registration 수행을캡처한그림 Fig. 8 Captured Figure of Registration Process 4.2. Identification Test Application의메뉴에서 Identification을선택하여서비스를시작한다. 그림 9에서보여주는바와같이 Test Application은 End Device의정보를요구하는 Identification Request 메시지를전송하고 End Device는 Identification Response 메시지로응답한다. 그림 7. 실험을위한시스템구성도 Fig. 7 Figure of Test System 4.1. Registration End Device는전원을켜면 네트워크에등록절차를수행한다. End Device는 EPSEM에정의된 Registration Request 메시지를보내고등록결과를 Registration Response 메시지를통해통보받는다. 그림 8 은 Test Server의 Test Application에서 Registration Request와 Response 메시지를캡처한그림이다. 그림 8 에서보면, Log 메시지가위 / 아래두곳에나타나는데, 위쪽에나타나는메시지는 EPSEM 메시지로그이고, 아래쪽의메시지는 ACSE APDU 로그이다. 그림 9. Identification 수행을캡처한그림 Fig. 9 Captured Figure of Identification Process 4.3. Logon Test Application의메뉴에서 Logon을선택하여서비스를시작한다. User_id 와 User를입력받게되어있으며, End Device에서는 user_id=2, user= TestUser 로설정되어있다. 그림 10에서보여주는바와같이, End Device는 Logon Request를수신하여저장되어있는 user id와 user 값을비교하여두값이같으면 Logon을허용하고 Response를전송한다. 819
한국정보통신학회논문지제 17 권제 4 호 4.5. Write C12.19 테이블중에서가장간단하게 Write할수있는테이블은 5번으로, 5번테이블에 Write하도록하였다. 테이블 5는 End Device의 unique identifier를나타낸다. 본테스트에서는 identifier를 test-identification 으로하였다. 그림 12에서보여주는바와같이 End Device는테이블 5번에 test-identification 을 Write하고성공하면 <ok> Response를보낸다. 그림 10. Logon 수행을캡처한그림 Fig. 10 Captured Figure of Logon Process 4.4. Read Logon이성공하여 session이성립된상태에서이제 C12.19 테이블전송을위한 Read/Write Service를수행할수있다. 그림 11에서보여주는바와같이 Read Service는 Test Application에서 C12.19 테이블값 0을요청하고 End Device는테이블값 0을읽어서 Response하도록하였다. 4.6. Logoff Read/Write Service가완료되었으면 Logoff를수행한다. Logoff는 Test Application의메뉴를선택하여실행시킨다. 그림 13은 Logoff 수행결과를보여준다. 그림 13. Logoff 수행을캡처한그림 Fig. 13 Captured Figure of Logoff Process 그림 11. Read 수행을캡처한그림 Fig. 11 Captured Figure of Read Process 4.7. Terminate Test Application의메뉴에서 Terminate 서비스를수행한다. Terminate를수행하면 End Device는 네트워크에서제거된다. 그림 14는 Terminate 수행결과를보여준다. 그림 12. Write 수행을캡처한그림 Fig. 12 Captured Figure of Write Process 그림 14. Terminate 수행을캡처한그림 Fig. 14 Captured Figure of Terminate Process 820
스마트미터의양방향통신을위한 ANSI 통신프로토콜구현 Ⅴ. 결론스마트미터가전력공급자와통신을통하여요금정보와전기사용상황을서로주고받기위해서는서로약속된형식의프로토콜이필요하게된다. 이프로토콜은사용자의인증과보안을해결하고사용자측에서소비되는전기사용량을전기공급자에게전달하게된다. 전력공급자는전달받은데이터를처리하여상황에맞는명령이나기능, 정보를프로토콜을통해사용자의스마트미터에전달하게된다. 스마트미터는전력공급자와의통신뿐만아니라소비자측의여러전기기기와도통신을병행해야하기때문에양방향통신이필요하게된다. 따라서본논문에서는스마트미터에필수적인각기기간의양방향통신의구현을위해국제표준화단체의하나인 ANSI에서정의한 C12.19와 통신프로토콜을분석하고, 그중일부를구현하였다. 또한구현결과를실험하기위해서 AMI Application Server 역할을하는테스트프로그램을동시에개발하였다. 스마트미터에사용되고있는통신프로토콜과통신방법은아직까지표준이정해져있지않은상태로, 양방향통신에대한프로토콜을설계하고구현하는것은스마트미터의상용화에중요한기술적의미를제공한다. 본논문에서구현된 ANSI C12 프로토콜은국제표준이적용된스마트미터의개발에활용할수있을것이다. [5] Open Meter Official Website: http://www.open meter. com [6] Smart Grid Standardization Forum Official Website: http://www.sgstandard.org [7] ANSI, "Data Communication Protocol Specification," International Standard ANSI, 2009. [8] ANSI C12.19, "Utility Industry End Device Data Tables," International Standard ANSI, 2009. 저자소개 이상일 (Sang-il Lee) 1991년고려대학교전자전산공학과공학사 1994년고려대학교전자공학과공학석사 2002년워싱턴대학교공학박사 2003년 ~ 현재국립목포대학교정보전자공학과교수 관심분야 : 스마트그리드, 데이터통신, 전파통신, 마이크로파공학, 무선전송기술 참고문헌 [1] H. Farhangi, "The path of the smart grid," IEEE Power & Energy Mag., Issue 1, pp. 18-28, February, 2010. [2] Clark W. Gelllings, The Smart Grid: Enabling Energy Efficiency and Demand Response, Fairmont Press, 2009. [3] 장순건, 최인지, 박병석, 김영현, 윤종호, 차세대검침기반구조를위한스마트미터집중기제어프로토콜의구현과성능분석, 전자공학회논문지, 제 48 권 TC편제 3호, 2011, pp.41-49. [4] 박성찬, 진영규, 최태섭, 윤용태, 스마트그리드환경에서의스마트미터표준화방향, 2011 정보통신설비학술대회논문집, 2011, pp.228-232. 821