[논문]차세대 검침 기반구조를 위한 스마트 미터 집중기 제어 프로토콜의 구현과 성능분석

장순건; 최인지; 박병석; 김영현; 윤종호

차세대 검침 기반구조를 위한 스마트 미터 집중기 제어 프로토콜의 구현과 성능분석
Implementation and Performance Evaluation of the Smart Meter Concentrator Control Protocol for Advanced Metering Infrastructure 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. TC, 통신, v.48 no.3 = no.405, 2011년, pp.41 - 49

장순건 (한국항공대학교 정보통신공학과) , 최인지 (한국전력공사) , 박병석 (한국전력공사) , 김영현 (한국전력공사) , 윤종호 (한국항공대학교 정보통신공학과)

초록
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본 논문에서는 스마트 전력량계 집중장치와 검침서버간에 사용할 수 있는 개방형 프로토콜을 제안하고 성능을 분석하였다. 기존의 집중장치는 DLMS/COSEM 표준프로토콜 기반에서 스마트 전력량계에 대한 연결설정 및 데이터 수집절차를 수행한다. 하지만 수집된 자료를 전달할 때 필요한 집중장치와 검침서버간에는 표준화된 프로토콜이 없어 제품마다 다양한 방식으로 구현되고 있다. 본 논문에서는 집중장치와 검침서버간의 프로토콜로 기존의 DLMS/COSEM 표준프로토콜을 확장한 개방형 프로토콜인 Smart Meter Concentrator Control Protocol(SMCCP)를 제안하였다. 이것은 집중장치로 하여금 검침서버를 대신하여 검침자료를 수집할 수 있는 프록시모드 뿐만 아니라 검침서버와 전력량계간의 직접 통신이 가능한 릴레이모드도 설정하고 자료를 수집할 수 있는 기능을 제공하도록 설계된 것이다. 본 논문에서는 이의 동작을 실증할 수 있는 에뮬레이터 및 프로토콜 분석도구를 구현하였다. 또한 각 모드에 대한 동작과 성능을 평가하기 위하여 OMNET++기반의 시뮬레이터를 구현하여 모드별 평균세션유지시간 및 통신링크 점유율을 측정하고 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an open protocol to be employed between a smart meter concentrator and a metering data collection server, and also evaluate its performance. Legacy concentrators performs the connection establishment and data gathering operations with DLMS/COSEM protocol standards. However, we note that there are no standardized protocols between the concentrator and the collection server, which inevitably conduces each commercial smart metering system to have its own proprietary protocol. In order to solve this problem, we propose an open protocol - Smart Meter Concentrator Control Protocol(SMCCP) by extending the existing standard protocol(DLMS/COSEM). The SMCCP can provide the proxy mode to enable efficient transmission between the concentrator and the data collection server. It also can support the relay mode to enable a direct communication between the data collection server and each far end smart meter. We also implement an emulator system and a protocol analyzer to provide its operation. In addition, we evaluate the session holding time and the link usage ratio in both relay and proxy modes with OMNET++ simulator.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 스마트 전력량계와 검침서버간의 효율적인 검침자료 수집을 지원할 수 있는 집중장치와 검침서버간의 개방형 프로토콜을 제안하고 시뮬레이션을 통하여 성능을 분석하였다. 또한 동작을 실증할 수 있는 에뮬레이터도 구현하였다.
본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 SM과 SMC간에만 사용되는 DLMS/COSEM 표준프로토콜을 확장하여 집중장치와 검침서버간에서도 사용할 수 있도록 프록시모드 뿐만 아니라 검침서버와 전력량계간의 직접 통신이 가능한 릴레이모드도 함께 제공할 수 있는 개방형 프로토콜인 Smart Meter Concentrator Control Protocol(SMCCP)를 제안하고 동작을 실증할 수 있는 에뮬레이터 및 프로토콜 분석도구를 구현하였다. 그리고 릴레이모드와 프록시모드에 대한 OMNET++기반의 시뮬레이터를 구현하여 평균세션유지시간 및 통신링크 사용률을 비교하였다.

제안 방법

1대의 상용 SM과 2대의 컴퓨터를 각각 SMC와 SMCS로 구성된 시험환경을 구축하여 릴레이모드와 프록시모드에서의 동작을 시험하였다.
60초 동안의 시뮬레이션을 수행하여 SMCS가 릴레이 모드 또는 프록시 모드로 각각 동작하는 SMC를 경유 하여 N개의 SM 각각에 대하여 NREQ의 Get-Request 메시지를 송신하여 이에 대한 응답메시지 길이에 따른 평균세션유지시간 및 SMC-SMCS간 링크점유율을 비교하였다. 여기서 평균세션유지시간은 SMCS가 시뮬레이션 시간 동안 평균적으로 데이터 수집이 완료되는 시간을 의미한다.
SMCS는 SMC에 대한 TCP 상위계층에서의 클라이언트기능으로 구현하였다. SMCS관리자는 SMC 와의 결합을 설정한 후 필요한 SM의 오브젝트를 지시하는 OBIS와 애트리뷰트 식별자가 수납된 GET-REQEUST 메시지를 송신하고 SMC로부터의 응답을 수신한다.
SMC는 SM에 대한 클라이언트 기능을 수행할 수 있도록 plcMAC모듈 위에 etherEcap모듈과 클라이언트모듈로 구성하면서 동시에 SMCS에 대한 TCP기반의 서버기능도 함께 구현하였다. 또한 SMC는 2가지의 동작모드 즉 릴레이모드와 프록시모드를 모두 지원하도록 하였다.
SMC는 동작모드에 따라 릴레이모드 및 프록시모드 등 2가지 모드를 지원하도록 설계 하였다.
SM은 OMNET++가 제공하는 EtherMAC을 참조하여 앞에서 언급한 오버헤드를 반영한 plcMAC모듈을 구현하고 이를 일종의 이더넷 드라이버인 etherEcap모듈에 연결하고 다시 서버모듈에 연결하여 구성하였다. SM의 서버모듈은 SMC로부터의 요청에 대하여 검침된 자료를 응답하는 기능을 수행한다.
그리고 SMC는 HDLC SNRM/UA절차 또는 TCP절차에 의한 통신로 설정과정을 지원할 수 있도록 하였다. 특히 HDLC의 경우 링크계층에서의 SNRM 및 UA, Receive Ready(RR) 응답기능 등을 사용하였고, 해당 SM과의 HDLC연결이 설정되어 있지 않으면 HDLC의 SNRM/UA절차에 의해 해당 연결을 설정하는 기능도 함께 구현하였다.
SM은 SMC로부터의 계절별 시간대별 차등 과금을 위한 time-of-use(TOU)테이블을 내려 받아 미리 지정된 시간간격에 따른 전력소모량을 검침한다. 그리고 SMC로부터의 지시된 Object Identification System(OBIS)항목에 대한 GET-REQUEST에 대하여 수집된 값이 GET-RESPONSE메시지로 응답한다.
그리고 논리적인 service access point를 처리하는 LLC와 TCPWrapper도 함께 구현하였다. 장치간 COSEM계층간의 연계 (association)동작과 데이터 추출 및 생성동작을 지원하여 AARQ/AARE절차에 의한 응용 계층간 연결설정 및 데이터 전달과정은 cosemHandler에 의해 수행하도록 하였다.
본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 SM과 SMC간에만 사용되는 DLMS/COSEM 표준프로토콜을 확장하여 집중장치와 검침서버간에서도 사용할 수 있도록 프록시모드 뿐만 아니라 검침서버와 전력량계간의 직접 통신이 가능한 릴레이모드도 함께 제공할 수 있는 개방형 프로토콜인 Smart Meter Concentrator Control Protocol(SMCCP)를 제안하고 동작을 실증할 수 있는 에뮬레이터 및 프로토콜 분석도구를 구현하였다. 그리고 릴레이모드와 프록시모드에 대한 OMNET++기반의 시뮬레이터를 구현하여 평균세션유지시간 및 통신링크 사용률을 비교하였다.
1Mbps의 물리계층속도를 지원 한다. 그리고 주기적으로 채널추정절차를 수행한다. 또 그림 8.
릴레이모드 및 프록시모드를 표시하기 위해 Conformance block의 확장, GET-REQUEST/RESPONSE 메시지임을 인지할 수 있도록 Invoke-Id-And-Priority 비트를 확장하였다. 또 SAP=0x00를 사용하여 프록시모드를 사용할 시 Global(All)주소의 의미를 가지도록 하였고, 새로운 Container Object를 정의하여 수집된 SM별 데이터를 통합하여 SMCS에 전송 할 수 있도록 하였다.
제안된 릴레이모드와 프록시모드를 모두 지원하는 SMC와 SMCS간의 프로토콜을 시험하기 위하여 SMC 와 SMCS를 구현하고 SM은 상용화된 제품을 사용하여 AMI시스템을 에뮬레이션하였다. 또한 SMC-SMCS 간의 프로토콜을 분석할 수 있는 기능도 함께 구현하였다.
SMC는 SM에 대한 클라이언트 기능을 수행할 수 있도록 plcMAC모듈 위에 etherEcap모듈과 클라이언트모듈로 구성하면서 동시에 SMCS에 대한 TCP기반의 서버기능도 함께 구현하였다. 또한 SMC는 2가지의 동작모드 즉 릴레이모드와 프록시모드를 모두 지원하도록 하였다.
본 논문에서는 스마트 전력량계와 검침서버간의 효율적인 검침자료 수집을 지원할 수 있는 집중장치와 검침서버간의 개방형 프로토콜을 제안하고 시뮬레이션을 통하여 성능을 분석하였다. 또한 동작을 실증할 수 있는 에뮬레이터도 구현하였다.
릴레이모드 및 프록시모드를 표시하기 위해 Conformance block의 확장, GET-REQUEST/RESPONSE 메시지임을 인지할 수 있도록 Invoke-Id-And-Priority 비트를 확장하였다. 또 SAP=0x00를 사용하여 프록시모드를 사용할 시 Global(All)주소의 의미를 가지도록 하였고, 새로운 Container Object를 정의하여 수집된 SM별 데이터를 통합하여 SMCS에 전송 할 수 있도록 하였다.
본 논문에서 제안된 SMCCP의 릴레이모드와 프록시 모드의 동작에 대한 AMI 망에서의 성능을 추정하기 위하여 HomePlug1.0기반의 MAC/PHY를 사용하는 SM 과 SMC, 그리고 이더넷 기반의 MAC/PHY를 사용하는 SMCS를 모두 고려한 시뮬레이터를 구현하여 성능을 분석하였다. 사용된 시뮬레이터는 OMNET++4.
본 논문에서 제안하는 SMCCP는 SMC-SMCS간에도 기존의 DLMS/COSEM프로토콜 규격을 준수하면서 SMC가 릴레이모드와 프록시모드를 모두 지원할 수 있도록 DLMS/COSEM Application Layer 규격 인 62056-53의 “Abstract syntax of ACSE and COSEM APDU” 규격을 확장한 것으로써 개방형 통신 프로토콜을 지향한다.
본 시뮬레이션 결과에서 다루는 성능은 특정 SMC에 대하여 응답메시지의 길이에 따라 릴레이모드와 프록시 모드에 대하여 SMCS의 클라이언트 모듈과 MAC모듈에서 수집되는 SMC-SMCS간 링크사용율과 평균세션 유지시간을 비교한 것이다.
그리고 논리적인 service access point를 처리하는 LLC와 TCPWrapper도 함께 구현하였다. 장치간 COSEM계층간의 연계 (association)동작과 데이터 추출 및 생성동작을 지원하여 AARQ/AARE절차에 의한 응용 계층간 연결설정 및 데이터 전달과정은 cosemHandler에 의해 수행하도록 하였다.
본 서론에 이어, 제 Ⅱ장에서는 기존 AMI시스템의 구성을 다룬 후 제 Ⅲ 장에서는 제안된 개방형 프로토콜인 SMCCP의 구성을 다룬다. 제 Ⅳ 장에서는 SMCCP의 동작을 실증하기 위한 에뮬레이터의 구현을 다룬 후 제 Ⅴ장에서는 OMNET++기반의 시뮬레이션을 통한 성능분석을 하였다. 마지막으로 제 Ⅵ장에서 결론을 맺는다.
제안된 릴레이모드와 프록시모드를 모두 지원하는 SMC와 SMCS간의 프로토콜을 시험하기 위하여 SMC 와 SMCS를 구현하고 SM은 상용화된 제품을 사용하여 AMI시스템을 에뮬레이션하였다. 또한 SMC-SMCS 간의 프로토콜을 분석할 수 있는 기능도 함께 구현하였다.
그리고 SMC는 HDLC SNRM/UA절차 또는 TCP절차에 의한 통신로 설정과정을 지원할 수 있도록 하였다. 특히 HDLC의 경우 링크계층에서의 SNRM 및 UA, Receive Ready(RR) 응답기능 등을 사용하였고, 해당 SM과의 HDLC연결이 설정되어 있지 않으면 HDLC의 SNRM/UA절차에 의해 해당 연결을 설정하는 기능도 함께 구현하였다.
하나의 SMC와 여기에 shared PLC망으로 접속된 N 개의 SM, 그리고 하나의 SMCS로 망을 구성하였다. 그림 9는 순서대로 OMNET++로 구현된 AMI 망 구성, SMC의 내부구성, SM의 내부구성, 그리고 SMCS의 내부구성도이다.

성능/효과

또한 제안된 방식은 기존 DLMS/COSEM규격을 확장한 것이므로 기존 방식에 대한 호환성을 가지며 릴레이모드 및 프록시모드를 모두 활용할 수 있는 장점을 제공한다.
시뮬레이션 결과 릴레이모드에 비하여 링크를 덜 사용하면서도 주어진 시간 내에 더 많은 데이터를 수집할 수 있는 프록시모드의 성능이 우수함을 알 수 있다. 하지만 관리자가 특정 SM의 특정 오브젝트만 추출할 경우가 있으므로 프록시모드 뿐만 아니라 릴레이모드도 역시 구현되어야 할 것이다.
시뮬레이션 결과를 보면, 응답 메시지의 크기가 클수록 링크 점유율이 커짐을 알 수 있고, 표2를 보면, 평균 세션유지시간이 프록시모드인 경우가 더 짧은 것을 볼 수 있다. 이것은 프록시모드가 세션을 유지하는 시간이 짧아, 같은 시간대에 릴레이모드에 비해 더 많은 세션을 연결할 수 있고, SMC의 릴레이모드로 동작하는 경우 SMCS가 SMC를 경유하여 직접 SM에 대하여 자료를 수집해야 하므로 많은 시간이 소요된다.
그림 6-d는 이러한 과정에서 수집된 GET REQUEST/RESPONSE메시지에 대한 프로토콜을 분석하기 위해 구현된 프로토콜 분석도구의 분석결과이다. 이 결과로부터 DLMS/COSEM규격에 따른 PDU형식임을 검증할 수 있었다.

후속연구

마지막으로 본 논문에서 구현된 에뮬레이터 및 시뮬레이터는 전력뿐만 아니라 개스 및 수도사용량에 대한 원격 자동 검침기능에도 적용 가능하여 부하관리, 이벤트 처리, 원격 차단, 원격 재연결, 시간대별 차등과금, 장비의 원격감시 기능 등에 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	AMI가 전력망에 적용된 차세대 전력망은 어떻게 구성되는가?	이러한 AMI가 전력망에 적용된 차세대 전력망은 스마트한 전력량계(Smart Meter)와 이를 연결하는 추가 적인 통신장치인 Smart Meter Concentrator (SMC), 유무선 통신망, Smart Meter Central Server(SMCS)로 구성된다.
	AMI이란?	다양한 정보통신기술을 활용하여 전력, 개스, 물 등의 에너지생산/소비정보를 실시간 전달하여 에너지의 효율적인 활용을 지원하는 스마트 그리드 기술이 적용된 것을 Advanced Metering Infrastructure (AMI)라고 한다[1].
	상용화된 스마트 전력량계는 어떠한 방식을 이용해 검침자료요청에 응답하는가?	상용화된 스마트 전력량계(SM)는 Automated Meter Reading (AMR)기술이 채용된 전력량계이다. 일반적으로 저속의 Narrowband PLC통신방식 또는 Zigbee를 사용하여 SMC로부터의 검침요청에 대하여 검침자료를 응답한다. 이들 간의 이러한 요청 및 응답절차는 HDLC/LLC 또는 TCP/TCPwrapper 기반의 페이로드를 사용하여 연결설정 및 자료송수신을 수행하는 일종의 응용계층 프로토콜인 DLMS/COSEM 표준규격을 준수한다[2～4].

참고문헌 (9)

Advanced Metering Infrastructure http://en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Metering_Infrastructure.
IEC-62357 Power system control and associated communications - Reference architecture for object models, services and protocols, 2003.
IEC-62056-53 Electricity metering - Data exchange for meter reading, tariff and load control - COSEM Application layer, 2006.
IEC-62056-47 Electricity metering - Data exchange for meter reading, tariff and load control - COSEM transport layers for IPv4 networks, 2006.
Omnet++, http://www.omnetpp.org/.
Xavier Carcelle, "Power Line Communications in Practice," Artech House, 2009.
Jim Zyren, WhitePaper "HomePlug 1.0 MAC for Smart Grid and Electric Vehicle Applications", Atheros, 2009.
Min-Soo Kim,et al., "A Simulation Study of the PLC-MAC Performance using Network Simulator-2," ISPLC, 2008.
K. Lee et. al, "HomePlug 1.0 powerline communication LANs-protocol description and performance results," INTERNATIONAL JOURNAL OF COMMUNICATION SYSTEMS, 2003.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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