포커스 스마트그리드에서의 AMI 네트워크기술동향 안윤영 * 박창민 * 스마트그리드는전력에너지의공급과소비가양방향으로이루어지며, 인터넷기술을사용하여실시간으로전력정보를제공하므로피크전력을감소시키면서에너지절약및효율적인에너지사용을가능하게한다. 최근계속되는국내의전력난을해결하기위해신규발전소의건립과같은발전공급설비증대를통한해결방안보다는, 기존전력량의효율적인사용과배전단과소비자단에서분산신재생에너지와에너지전력저장장치의효율적인활용을위해정보통신기술 (ICT) 을기반으로실시간모니터링과제어를가능하게하는 AMI(Advanced Metering Infrastructure) 의중요성이강조되고있다. 본고에서는국내외스마트그리드기술현황과스마트그리드서비스제공의근간이되는 AMI 를위한네트워크구조및사용되는통신기술을살펴보았다. I. 서론 Ⅰ. 서론 Ⅱ. 국내외기술동향 Ⅲ. AMI 네트워크구조 Ⅳ. AMI 통신기술 V. 결론 * ETRI 표준기반연구팀 / 책임연구원 스마트그리드는기존의전력망 (Grid) 을관리제어하기위해정보통신기술 (Smart) 을접목하여전력공급자와소비자간에양방향으로실시간전력정보를교환함으로써피크전력을감소시키고에너지사용효율을최적화하면서안정적으로고품질의전기를지속적으로공급하기위한차세대전력망기반의개방형시스템통합인프라기술이다. 국내에서는한국형스마트그리드를전력-IT 기반의지능형전력망구축을넘어중전, 통신, 가전, 건설, 자동차, 에너지등과같은유관산업과의융합및시너지기 1
주간기술동향 2012. 10. 4. 회를제공하는국가단위의녹색성장플랫폼으로정의하고있다. 스마트그리드는신재생에너지, 전기자동차등청정녹색기술의접목및확장이용이한개방형전력시스템으로기후변화대응및에너지효율향상을위한신성장동력인프라라고할수있다. 스마트그리드는에너지인프라와 ICT 인프라의융합으로구축되는개방형플랫폼이며, 핵심응용서비스로다음과같이 6 대서비스를정의하고있다. 이들핵심서비스들의적용범위가클수록스마트그리드시스템의효율성은더욱커질수있을것이다 [1]. - 광역상황인식 - 수요반응 (Demand Response: DR) - 전력저장 (Energy Storage) - 전력수송 (Electric Vehicle) - 첨단계량인프라 (Advanced Metering Infra: AMI) - 배전망관리이러한스마트그리드핵심응용서비스를지원하기위해 2 개의우선인프라기술로사이버보안과네트워크통신을제안하고있다. 특히, 스마트그리드분야에서네트워크통신분야와가장밀접한연관성을가지는 AMI 구축기술은새로운네트워크통신기술과사이버보안기술을활용하는분야로전력유틸리티기업과 ISP(Internet Service Provider) 간의아주민감한영역이라할수있다. 스마트그리드사업자들은 CAPEX (Capital Expenditure) 와 OPEX(Operational Expenditure) 를고려한 AMI 기술이스마트그리드서비스를제공하기위한개방형시스템을위해최우선적으로구축되어야할기반서비스이다. II. 국내외기술동향 1. 한국형스마트그리드우리나라는지구온난화에대비한저탄소녹색성장을국가발전의새로운패러다임으로제시하면서, 스마트그리드를기후변화대응, 에너지효율성향상및신성장동력창출을위한전략산업으로써집중육성하기위해세계적수준의전력ㆍ통신인프라를기반으로 2030 년까지세계최초로국가단위의스마트그리드를구축한다는계획을가지고있 2 www.nipa.kr
다. 이를위해한국정부는국가로드맵을통해스마트그리드구축을위한 3 단계의계획을수립하였다 [2]. 우선 1 단계 (2010~2012 년 ) 에서는실증단지구축및운용을통해신기술을검증하고, 2 단계 (2013~2021 년 ) 에서는거점도시및광역단위지구로확장하여소비자측의지능화를완료하며, 3 단계 (2021~2030 년 ) 에서는전체전력망의지능화를통해국가단위의스마트그리드를완성하는것을목표로하고있다. 이에따라스마트그리드실증단지가 2009 년 12 월부터제주도구좌읍일대약 6,000 호를대상으로구축및운용이진행되고있다. 제주실증단지는기본단계로서인프라구축이완료되었고, 현재는확장단계로서통합운영을통한다양한기술및서비스에대한검증이진행되고있다. 2016 년까지 1 차기본계획으로 7 대거점도시스마트그리드구축을완성하고, 2021 년까지 2 차기본계획으로광역단위의스마트그리드구축이계획되어있다. 제주실증단지에구축된한국형스마트그리드서비스는비즈니스분야별로지능형전력망 (Smart Power Grid), 지능형서비스 (Smart Electricity Service), 지능형소비자 (Smart Consumer), 지능형신재생 (Smart Renewable) 및지능형운송 (Smart Transportation) 5 개의영역으로구분하고있다. 2. 해외기술동향 [3] 북미는스마트그리드 IT 의여러분야에서초기시장을이끌어가고있지만향후 5 년에걸쳐유럽이나아시아시장이더욱중요하게될것으로예상되고있다. 유럽은 20-20-20 타킷을통해신재생통합, 에너지효율화및에너지보안관련이슈에집중하고있고, 아시아태평양지역에서는중국이전력인프라에대규모투자를하고있으며, 일본과한국은국내인프라의중요성과미래의기술수출기회측면에서스마트그리드를바라보고있다. 가. 북미미국은 2009 년경기대책법 ARRA(American Recovery and Reinvestment Act) 를성립하여스마트그리드기술구축과이와관련된녹색일자리창출을가속화하기위해 45 억달러를스마트그리드분야에투자하고있다. 초기에이러한투자는 AMI 구축관련많은파일럿프로그램생성의바탕이되고있고, 스마트그리드에서 IT 를초기리더로만들 3
주간기술동향 2012. 10. 4. 어주었다. 현재미국은이들투자로부터소비자절감과운용효율측면에서실제이익을보여줘야한다는압박을받고있다. 또한, 다이나믹요금제와유연성있는 DR 시스템으로 AMI 데이터를이용할필요성을이끌어내고있고, Outage 관리와 Asset 관리도점차적으로데이터통합이효율성을향상시킬수있는분야로주목받고있다. 유틸리티들은지금에너지효율화와신재생통합을더많이강조하고있고, IT 와 OT 에대한통합을요구하고있는상황이다. 나. 유럽유럽은스웨덴과이탈리아를제외하고는 AMI 구축에있어서미국에뒤지고있으며, 신재생통합이스마트그리드투자를주로이끌고있는상황이다. 즉, 유럽은신재생, EV(Electric Vehicle), 스마트미터, 수요반응에집중하고있는미국과는달리스마트그리드를위한통합요구사항에더욱포커스를맞추고있다. 유럽은 AMI 구축을위해사용하는통신솔루션으로주로 PLC 와 GPRS 를선호하므로미국과는차이를보이고있다. EU 의 20-20-20 목표는 GHG(Greenhouse Gas) 배출 20% 감소, 에너지효율 20% 개선, 신재생에너지 20% 증가를포함하고, EU 는 2020 년까지 80% 를목표로스마트미터구축을위해유럽국가들을독려하고있다. 다. 일본스마트그리드에대한일본의비전은미래지향적이고, 소비자와저탄소에너지자원관련개발에집중하고있다. 따라서, 일본은소비자단솔루션을제공하기위한홈기반의전력관리플랫폼과통신기술개발에집중하고있으며, 마이크로그리드와전기차충전기를통합하여도시단위의 Community-Grid 를구축하고있다. 특히, 도시바, 파나소닉및히타치같은일본회사들은 Community-Grid 관련영역을목표로스마트그리드를위한관련기술을개발하고있다. 라. 중국중국은 2009 년 12 월에서 2010 년 7 월까지 7 개월동안 4,200 만대의스마트미터가구축되어있다고예측되며 (By 파이크리서치 ), 이는단지전체의 5% 만을나타낸다. 2009 년 SGCC(State Grid Corporation of China) 는공식적으로 Strong Smart Grid 개 4 www.nipa.kr
념을제안하고, 2015 년까지 2,650 억달러이상을투자할예정이다. SGCC 는 GE, Cisco, Siemens 를포함하는글로벌기업들과 HVDC(High-Voltage Direct Current) 분야에서밀접하게작업하고있으며, 최근 IBM 은 SGCC 와의스마트그리드프로젝트를통해중국에서의파트너쉽을강화하고있다. III. AMI 네트워크구조 AMI 는스마트미터를기반으로미터링디바이스와통신해서요구시또는주기적으로에너지사용량을측정및수집하여분석하는시스템으로하드웨어, 소프트웨어, 통신, 소비자에너지디스플레이및제어, 소비자관련시스템, 미터데이터관리소프트웨어, 공급비즈니스시스템을모두포함한다. 이러한시스템을구축하기위해서는측정디바이스와비즈니스시스템사이의정보교환을위한양방향통신네트워크가필요하며, 이를 AMI 네트워크라고한다. ( 그림 1) 과같이 AMI 네트워크는일반적으로하위시스템으로구성되는소비자측에서운용센터까지 HAN(Home Area Network), NAN(Neighbor Area Network), WAN (Wide Area Network) 으로구분가능하다. ( 그림 1) AMI 네트워크구조 5
주간기술동향 2012. 10. 4. HAN 은스마트소비자분야에서디지털디바이스들사이의통신전달네트워크기술로정보가전의제어및응용서비스를디스플레이하기위한통신네트워크이다. 기존의전력선통신인 PLC(Power Line Communication) 기술과 WPAN(Wireless Personal Area Network) 영역의대표기술인 ZigBee 기술, WLAN(Wireless Local Area Network) 기술인 WiFi 기술등이대표후보기술로사용되고있다. NAN 은배전단내필드영역의모든컴포넌트를연결하기위한통신네트워크기술로서 AMI 에서는스마트미터와데이터집선장치 (Data Collection Unit: DCU) 사이의연계를위한네트워크기술이다. IEEE 802.11s WiFi 매시기술, PLC 기술, ZigBee 기술등이이영역의대표후보기술로사용되고있으나, IEEE802.15.4g 기반의 SUN(Smart Utility Network) 무선매시네트워크기술이효율성을강조하며새로운시장기술로표준화를진행중이다. WAN 은 Core/Metro 네트워크와 Backhaul 네트워크로구성되며, 미터데이터를수집하는유니트들로부터운용센터로데이터를전달하는통신네트워크이다. 중계시스템간의연동은 Ethernet 기반의유선네트워크를사용할수있고, 전력시스템과관리시스템간에는 NAN 영역에서사용되는무선및이동통신네트워크기술인와이브로와 CDMA 기술이사용가능하며, 3GPP LTE 기술이핵심기술로등장하고있다. ( 그림 2) 초고속통신망기반의 AMI 네트워크 6 www.nipa.kr
AMI 네트워크는기본적으로 ( 그림 1) 에서제시된구조로새롭게구축할수도있지만초고속통신망과같이기구축되어있는인프라를활용하여 ( 그림 2) 와같은구조를가질수도있다. 도심지역은초고속통신망이이미구축되어있으므로이를활용하여기존의홈게이트웨이와스마트미터를연동하므로미터링데이터를운용관리센터로수집할수있다. 또한, HAN 의게이트웨이는홈내가정기기및장치들의정보를수집하여운용센터로보내는기능을수행하고있고, 필요에따라가정내에너지관리기능도제공할수있다. AMI 네트워크는각각의설치환경및특성에맞는표준방식의통신기술로구축되어야하며, 필요에따라서 DCU 없이미터로부터운용센터로데이터를바로수집할수도있다. 각국가별, 지역별로독자방식의통신네트워크기술로구축이가능하지만다양한 AMI 서비스를위한 CAPEX 와 OPEX 를고려하여가장경제적이고효율적인네트워크통신기술의선택이필요하다. IV. AMI 통신기술 1. 기존 AMI 통신기술 AMI 네트워크는각서비스영역의특성과다른네트워크와의상호운용성을고려하여가장적합한통신기술을선택하여야한다. 본절에서는스마트그리드 AMI 용으로제시된각각의표준통신기술중에서현재설치되어사용되고있는통신기술에대해설명한다. 가. PLC PLC 기술은전력을공급하는전력선을매체로사용하는통신방식으로전력선을타고가정으로들어오는 50 60Hz 주파수대의교류전기가흐르는구리전기선에수십 수백 khz 의고주파통신신호를함께실어보내고, 이때모뎀을이용하여전기선에서통신신호만을골라내인터넷통신을가능하게한기술이다. 데이터전송속도에따라서는저속 60bps 10kbps, 중속 10kbps 1Mbps, 고속 1 10Mbps 로구분되며, 이에따라저속은홈네트워킹의제어용으로, 중속은홈네트워킹의데이터통신용으로, 고속은외부망액세스용으로통신목적을나눌수있다. PLC 는무선통식방식에비해단말기를저렴하게공급할수있고, 기존전력선을그대 7
주간기술동향 2012. 10. 4. 로활용함으로써투자비가저렴하고기존변압기를그대로활용하므로공간점유비용이불필요하여현재의초고속통신망의단점인높은설치비를현저하게줄일수있다. 반면, PLC 는제한된전송전력, 높은부하간섭과잡음 (High noise), 가변감쇠 (High attenuation), 임피던스레벨 (Impedance level) 잡음, 그리고신호왜곡 (Signal distortion) 등의해결해야할문제점들을지니고있다. 나. IEEE 802.11s(WiFi Mesh) 무선랜매시네트워크는매시노드간에멀티홉경로를구성하여데이터를전송하므로네트워크확장이용이하고유지, 보수가쉬운장점이있다. 또한, 자동화된환경설정과낮은관리비용을바탕으로무선인터넷접속, 재난공지, 보안, 군등다양한응용분야에서활용되고있다. 무선랜매시네트워크표준인 IEEE 802.11s 는멀티홉기반의근거리통신망을구성하여인터넷서비스및여러산업분야에서통신서비스를제공하는무선네트워크기술이다. 표준에서는무선매시노드들간의효율적인멀티홉데이터전송을위해 HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol) 라고불리는 MAC 계층의경로설정기법을정의하고있다. 이러한 IEEE 802.11s 무선랜매시네트워크기술은고속통신능력과확장성, 자동관리등의특성을고려하였을때, 대용량데이터가수시로발생하는스마트그리드의통신기간망구성에적합하다고볼수있다. 다. IEEE 802.15.4(ZigBee) WPAN 은개인주변의영역을주동작범위로하여저가격, 저전력, 근거리, 소형화를추구하는네트워크개념이다. ZigBee 는 868MHz, 902~928MHz 및 2.4GHz 에서동작하는 WPAN 규격으로 IEEE 802.15.4 에서 PHY/MAC 을정의했으며, ZigBee Alliance 가상위 3 개계층, Datalink, Network, Application 계층을정의하였다. ZigBee 를사용하면 WPAN 내에서통상 50m 이내의거리에떨어져있는주변장치들간에최고 250kbps 의속도로데이터를주고받을수있다. ZigBee 의특징은모든노드간통신기능과라우팅기능이 tree/star 방식이외에매시방식으로도지원되며, 중계기역할을하는라우터에의해센서네트워크기반의라우팅알고리즘을바탕으로통신신뢰성이향상되고있다는점이다. ZigBee 는홈네트워크, 8 www.nipa.kr
빌딩및산업기기의자동화, 컴퓨터주변장치연결, 가전제품제어, 물류, 환경모니터링, 군사, 보안, 재고관리, 동물관리, 자연재해관리, 지능형교통시스템 (ITS), 텔레매틱스, 건강관리 (Health Care) 나환자관리와같은휴먼인터페이스등의다양한유비쿼터스컴퓨팅환경의시장에폭넓게응용될전망이다. 라. IEEE 802.3(Ethernet, 초고속통신망 ) 이더넷은 1973 년제록스사에서 2.94Mbps 전송속도를가지는최초의이더넷이발표된이후제록스사와 DEC(Digital Equipment Corporation), 인텔사가연합으로표준을개발하여 DIX 이더넷 이라하고, 1980 년에 10Mbps 의이더넷을개발하게되었으며, 저렴한가격과당시의 10Mbps 라는고속전송능력때문에많은발전을거듭해왔다. IEEE 에서는현재의유명한 802 프로젝트를결성하고첫회의를 1980 년미국샌프란시스코에서개최하였다. IEEE 802 위원회는모든 LAN 을포함하는단일표준안의도출이어렵다고보고여러개의워킹그룹으로분할하여각각의표준안을도출하도록하였으며 802.3 은이더넷기반의 LAN 을표준화하였다. 2. 새로운 AMI 통신기술 IEEE 802 에서는스마트그리드서비스를유스케이스로이에적합한통신기술의표준화를진행중이다. ( 그림 3) 에서는 IEEE 802 의각 WG 에서기존의통신기술을바탕으로스마트그리드특성에적합한통신기술을새롭게표준화하거나표준화중인통신기술의유즈케이스중하나로스마트그리드를제안하고있는통신기술들을나타내었다. 가. IEEE 802.15.4g(SUN) IEEE 802.15.4g 에서는스마트그리드와연계하여넓은지역내의다양한네트워크등을응용지원할수있는스마트유틸리티네트워크같은국제공통규격의무선전송기술의표준을제정하기위해 2009 년 1 월부터표준화를시작하여연내표준안을발간할예정이다 [4]. SUN 은발전과배전에관련된기존전력망에가정과상업지구에존재하는미터기, 가전기기, 공공시설및전기자동차의전력소비량계측과모니터링을능동적이고쉽게수행하기위해필요한양방향통신을제공하고, ( 그림 3) 과같이 SUN 을이용하여각가정 9
주간기술동향 2012. 10. 4. 에서사용하는전력량을위주로한수도 / 가스등의양방향통합원격자동검침망을구 축하는것이다. ( 그림 3) 스마트그리드를위한 IEEE 802 무선표준 나. IEEE 802.11ah( 광역무선랜 ) IEEE 802.11ah 는일반적으로 1GHz 이하주파수대역을사용하는무선랜을일컫는데, 주된응용분야는 WiFi 를이용하는스마트그리드, 센서네트워크나 M2M 통신, 셀룰러오프로딩 (cellular off-loading) 및광역무선랜서비스등이다 [5]. IEEE 802.11ah 표준화는 2012 년가을에정식 TG(Task Group) 가결성되어, 현재 Draft 의골격초안에해당하는 Spec. Framework 공식문서를작성하고있는단계이며, 2012 년 9 월에는이를정식승인하고, 2012 년 11 월에 D1.0 을기반으로한첫번째 LB (Letter Ballot) 가시행될예정으로있다. IEEE 802.11ah 의주요요구사항은다음과같다. - 최소 100kbps 를서비스거리 1km 에대해전송할수있어야한다. - PHY SAP 에서최대 STA 총합 20Mbps 를전송할수있는모드도 cellular offloading 기능을위해추가할수있다. - 2,000 개이상의 STA 들이하나의 AP 에접속할수있는기능을지원하여야한다. 10 www.nipa.kr
- 동일대역을사용할가능성이높은 IEEE 802.15.4 및 IEEE 802.15.4g 기기와의상호공존을지원할수있어야한다. - 장기교체주기를갖는저전력기기응용을위해무선랜의전력절약기능을대대적으로확충해야한다. 다. IEEE 802.16p(M2M) IEEE 802.16 에서는 2010 년 3 월부터 PPC(Project Planning Committee) 에서 M2M (Machine to Machine) 관련신규 PAR(Project Authority Request) 승인을위해연구보고서작성을시작하여같은해 7 월미국샌디에고 IEEE plenary 회의를통해 PAR 작성을완료하였고, 이에대해 802 집행위원회 (Executive Committee, EC) 의최종승인을받았다 [6]. 공식 M2M 워킹그룹의명칭은 IEEE 802.16p 이며, 2012 년 6 월까지표준문서개발을추진할예정으로시작되었다. IEEE 802.16 표준화작업에서고려하는 M2M 의특징은다음과같다. - 매우다양한비즈니스시나리오및유스케이스가존재 - 잠재적으로수천개이상의기기와의연결을고려해야함 - M2M 기기마다시간적으로매우긴지연을가지는적은양의버스트트래픽발생 - 상향트래픽이하향트래픽보다더많은비율을차지 - M2M 기기의저전력, 저가격이요구됨 - 주변 M2M 네트워크에서다른무선접속기술과의상호공존이고려되어야함기기간통신에기반해서시스템운영비용절감과효율화, 그리고산업생산성향상을주목적으로하는 M2M 은텔레매틱스, 스마트그리드, 물류, 디지털사이니지등전방위영역으로확산되어수많은응용서비스들이등장할것으로예상된다. 라. IEEE 802.22b(TV White Space) 미국은 2008 년 TV White Space 에서의비면허기기사용을결정하였고, 2009 년 6 월디지털 TV 로전환하였다. WRAN(Wireless Regional Area Network) 의개념은 TV 대역인 VHF ㆍ UHF 에점유되어있지않은채널을활용하여미국과캐나다등넓은지역에서별도의주파수할당을고려하지않고무선으로인터넷이가능한네트워크운영을목표로하는것이다. 11
주간기술동향 2012. 10. 4. 이러한 WRAN 을위한표준제정을목적으로 IEEE 802.22 WG 이 2004 년 11 월에결성되었다. IEEE 802.22 에서는새로도입되는 WRAN 시스템을위한표준에는스펙트럼사용효율을높이기위해 TV white spaces 를대상으로주파수공유기술인 Cognitive Radio(CR) 기술이중요요소로자리한다. 2011 년 7 월새로운 SG(Study Group Regional area smart ( 그림 4) Regional Area 스마트그리드미터링 grid and critical infrastructure monitoring 이만들어졌고, PAR 문서가 2011 년 11 월 NesCom 과 IEEE SA 에통과되어 2012 년 1 월부터 IEEE P802.22b TG 에의해표준화를진행중이다. ( 그림 4) 는 IEEE 802.22b 에서스마트그리드의미터링을위한유저케이스를나타내었다 [7]. V. 결론 국민들의생활에아주밀접하고대부분의산업에서필요한전력에너지사용량은계속적인증가가예상되며, 발전소를추가로증설하여해결하려는방식은지구온난화의원인인 CO 2 감축과에너지의효율적사용문제를동시에해결할수는없다. 전력을가장많이사용하는여름과겨울의몇주를대비하기위해수력발전소, 원자력발전소등과같은대규모설비건설에엄청난비용을투자하기는너무비효율적이다. 이를단기간에해결하기위한방안으로실시간요금제, 수요반응서비스등과같은소비자단의에너지제어서비스와분산발전그리고전력저장장치등의분산에너지자원제어를위해전력정보및미터링데이터수집을위하여최우선적으로필요한 AMI 통신네트워크기술현황을살펴보았다. AMI 를위한통신네트워크기술은서비스사업자의 CAPEX 와 OPEX 를고려한가장 12 www.nipa.kr
경제적으로적합한네트워크기술이선정되어구축될것이며, 구축된 AMI 는상위에서제 공되는응용서비스의요구사항을보장할수있는네트워크품질을제공하는기술로구축 되어야할것이다. < 참고문헌 > [1] 스마트그리드방송통신융합확대방안, 한국정보화진흥원, 2009. 9. [2] 스마트그리드국가로드맵, 지식경제부, 2010. 1. [3] Smart Grid ICT, Pike Research, 2Q, 2012. [4] 신철호, 오미경, 최상성, IEEE 802.15.4g SUN 표준기술동향, NIPA, 주간기술동향, 1483 호, 2011. 2. [5] 정민호, 이석규, 방승찬, 차세대무선랜최신기술동향, ETRI, 전자통신동향분석제 27 권제 2 호, 2012. 4. [6] 김은경, 윤철식, 임광재, 응용서비스를위한 IEEE 802.16, ETRI, 전자통신동향분석제 27 권제 2 호 2012. 4. [7] Apurva N. Mody(BAE Systems) et al., Introduction to IEEE Std. 802.22-2011 and its Amendment PAR for P802.22b: Broadband Extension and Monitoring, Tutorial #1, IEEE 802 Plenary November 7 11, 2011. * 본내용은필자의주관적인의견이며 NIPA 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 13