[논문]ANSI C12.22 국제 통신 프로토콜이 적용된 스마트미터 개발

이상일

doi:10.6109/jkiice.2013.17.12.2952

ANSI C12.22 국제 통신 프로토콜이 적용된 스마트미터 개발
Development of a Smart meter Applying the ANSI C12.22 International Communication Protocols 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.17 no.12, 2013년, pp.2952 - 2959

이상일 (Department of Information and Electronics Engineering, Mokpo National University)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 국제 통신 프로토콜이 적용된 스마트미터를 개발하였다. 스마트미터는 전력 공급 사업자와의 데이터 교환을 위해 양방향 통신 및 제어 기술, 전기 기기의 등록 및 해제를 위한 통신 프로토콜이 요구된다. 스마트미터의 통신 프로토콜은 미국과 유럽을 중심으로 표준화가 진행되고 있으며, 본 논문에서 제안하는 스마트미터의 통신 프로토콜은 북미방식인 ANSI C12.22 표준을 채택하여 적용하였다. 스마트미터는 또한 전력 사용자에게도 실시간으로 소비 전력 정보와 요금 정보를 제공해야 하며, 사용자는 이 정보를 바탕으로 적절하게 수요반응을 할 수 있어야한다. 본 논문에서는 스마트미터에서 측정되는 전력량이 실시간으로 사용자에게도 보고될 수 있도록 하였으며, IHD(In Home Display)를 윈도우즈 소프트웨어로 구현하여 개발된 스마트미터와의 연동을 실현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a smart meter applying the international communication protocols has been developed. A smart meter requires communication protocols for two-way communication and control technology, registration and deregistration of electronic devices between electric power suppliers to exchange data. Standardization for communication protocols of a smart meter has been proceeding both in the US and Europe. The smart meter developed in this paper applied ANSI C12.22 as a communication protocol which is a north american standard. A smart meter should also provide the electric consuming information and electricity charge information to the customer in real time. Thus, the customer can behave the demand response based on this information. In this paper, the measured electricity from the smart meter is reported to the customer, and IHD(In Home Display) implemented with the windows software presents the reported real time data.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

스마트미터의 통신 프로토콜은 스마트미터에서 사용되는 데이터 형식과 통신방식을 중심으로 미국과 유럽 주도로 각각 표준화가 진행되고 있다. 본 논문에서는 북미 방식인 ANSI C12.22 표준을 채택하여 이를 적용한 스마트미터를 개발하였다.
본 스마트미터는 실시간 전력 측정과 측정 결과의 실시간 전송이 가능하도록 설계되었다. 실시간 전력 측정을 위해서 TI사의 MSP430칩을 탑재하였으며, 통신모듈은 CDMA와 와이파이 통신이 동시에 가능한 형태로 개발하였다.

제안 방법

C12. 22 프로토콜 아키텍쳐 상 C12.22 프로토콜의 하위 계층인 전송계층은 TCP를 사용하도록 하였으며 IETF의 권고안에 따라 포트 1153번을 사용하도록 하였다. 데이터 전송을 위한 물리계층은 CDMA 또는 와이파이를 선택적으로 또는 동시에 사용할 수 있도록 하였다.
실시간 전력 측정을 위해서 TI사의 MSP430칩을 탑재하였으며, 통신모듈은 CDMA와 와이파이 통신이 동시에 가능한 형태로 개발하였다. C12.22 스마트미터 프로토콜은 내부에 태스크 형태로 구현하였으며, 스마트미터에서 측정한 소비 전력량을 실시간으로 사용자에게 보여주기 위해서 IHD를 윈도우즈 환경에서 자바 어플리케이션의 형태로 개발하였다. C12.
22 프로토콜의 하위 계층인 전송계층은 TCP를 사용하도록 하였으며 IETF의 권고안에 따라 포트 1153번을 사용하도록 하였다. 데이터 전송을 위한 물리계층은 CDMA 또는 와이파이를 선택적으로 또는 동시에 사용할 수 있도록 하였다. 그림 5는 제작된 스마트 미터의 시작품을 보여주고 있다.
IHD는 실시간 전압, 전류, 유효전력, 피상전력, 역률 등의 측정값을 화면에 표시하고, 현재까지 누적된 소비 전력량과 함께 예상되는 전기요금을 표시하도록 하였다. 또한 24시간 단위로 소비 전력량을 그래프로 표시하여 사용자가 쉽게 소비 전력량을 파악할 수 있도록 하였다.
실시간으로 측정된 전력을 5초 단위로 최대 24시간까지 그래프로 나타내고, 스마트미터에서 측정한 전압, 전류, 유효전력, 피상전력, 그리고 역률을 표시하도록 하였다. 또한 한전의 전기요금 체계에 따라 사용한 전력량 대비 추정 요금을 표시하도록 하였다.
미터링 서버에서는 스마트미터가 등록되면 C12.22의 EPSEM에 정의된 서비스들을 차례로 실행시켜서 스마트미터가 C12.22 규격대로 동작하는지 검증하였다. 그림 7은 EPSEM 서비스 중에서 최초로 실행되는 등록 서비스 실행 검증 결과를 나타내었다.
본 논문에서 개발한 스마트미터는 C12.22 국제통신 프로토콜의 권고안에 따라 전력 측정 모듈과 통신모듈을 분리하여 개발하였으며 두 모듈간의 통신은 I2C 방식으로 가능하도록 구현하였다. 측정모듈과 통신모듈은 필요에 따라 각각 제 3의 제품과 결합할 수 있도록 하였다.
EPSEM은 데이터 테이블 전송과 제어를 위한 메시지들을 정의하고 있고, ACSE는 EPSEM 메시지를 네트워크상에서 전송하기 위한 PDU(Protocol Data Unit) 포맷을 정의하고 있다. 본 논문에서는 C12.22에서 정의하는 EPSEM과 ACSE를 구현하였으며 전송계층과 네트워크계층 프로토콜은 TCP/IP를 사용하였다. 이러한 C12.
스마트미터는 가정 내에서 사용하는 전력량을 측정하기 위한 전력량계의 기능과 함께 미터링 서버와 통신을 하기위한 WAN 통신 기능, 그리고 IHD와 통신을 하기위한 LAN 통신 기능을 구비해야 한다. 본 논문에서는 기본적으로 전력 측정 모듈을 구현하였으며, WAN 통신을 위해 CDMA (Code Division Multiple access) 모듈을, 그리고 LAN 통신을 위해서 와이파이 모듈을 구현하였다. 본 논문에서 개발한 스마트미터의 하드웨어 구조는 그림 2에서, 소프트웨어 구조는 그림 3에서 보여주고 있다.
본 실험은 제작된 스마트미터가 국제 통신 프로토콜인 ANSI C12.22에 따라 동작하는지를 확인하는 프로토콜 검증과 스마트미터로써의 계획된 기능을 정상적으로 수행하지를 검증하는 기능시험으로 구성된다. C12.
스마트미터에서 측정한 소비 전력량을 실시간으로 사용자에게 보여주기 위해서 IHD를 자바 어플리케이션으로 구현하였다. IHD는 실시간 전압, 전류, 유효전력, 피상전력, 역률 등의 측정값을 화면에 표시하고, 현재까지 누적된 소비 전력량과 함께 예상되는 전기요금을 표시하도록 하였다.
스마트미터의 통신모듈은 WAN 인터페이스와 LAN 인터페이스가 모두 필요하며, WAN 억세스를 위한 CDMA 모뎀과 LAN 억세스를 위한 와이파이 기능을 동시에 구현하였다. CDMA 모뎀은 EIA/TIA의 IS-2000(CDMA2000-1xRTT) 규격과 IS-856(CDMA 2000-1xEVDO) 규격을 만족한다.
시험을 위한 전력 부하로는 2단계 강도 조절이 가능한 전열기를 사용하였고, 전열기를 켜기 전과, 1단으로 켰을 때, 그리고 2단으로 켰을 때 각각의 소비 전력을 측정하였다. IHD 어플리케이션은 스마트미터의 와이파이 모듈을 통해 TCP로 접속하고, 스마트미터로부터 매 1초마다 측정된 소비전력을 전송받는다.
본 스마트미터는 실시간 전력 측정과 측정 결과의 실시간 전송이 가능하도록 설계되었다. 실시간 전력 측정을 위해서 TI사의 MSP430칩을 탑재하였으며, 통신모듈은 CDMA와 와이파이 통신이 동시에 가능한 형태로 개발하였다. C12.
IHD는 스마트미터의 기능시험을 위하여 윈도우즈 환경에서 자바 어플리케이션의 형태로 구현하였다. 실시간으로 측정된 전력을 5초 단위로 최대 24시간까지 그래프로 나타내고, 스마트미터에서 측정한 전압, 전류, 유효전력, 피상전력, 그리고 역률을 표시하도록 하였다. 또한 한전의 전기요금 체계에 따라 사용한 전력량 대비 추정 요금을 표시하도록 하였다.
22 프로토콜 검증을 위한 테스트 장비는 상용화된 제품이 아직 없기 때문에 프로토콜 검증을 위해서는 별도의 미터링 서버 에뮬레이터 개발이 필요하다. 윈도우즈 환경에서 자바 어플리케이션의 형태로 에뮬레이터를 구현하였으며, C12.19의 미터 데이터 테이블 기능을 포함하여 모두 구현하였다. C12 프로토콜의 규격적합성 시험 규격이 발표되면, C12.
IHD 어플리케이션은 스마트미터의 와이파이 모듈을 통해 TCP로 접속하고, 스마트미터로부터 매 1초마다 측정된 소비전력을 전송받는다. 이렇게 전송된 데이터는 5초 간격으로 소비전력, 전압, 전류, 유효전력, 피상전력, 역률 등의 형태로 IHD에 표시되도록 하였다. IHD는 또한 24시간 누적 사용량과, 전체 누적 전력 사용량을 표시하도록 하였다.
전압측정은 우선 220V AC 전압을 12V AC로 하향 변환하고, 전압분배를 통해 피크 투 피크 전압이 5V가 되도록 조정한 후 10 비트 ADC를 통해 0~5V 사이의 실시간 전압을 측정할 수 있도록 하였다. 전류 측정은 전류 트랜스포머를 이용하였다. 전류 1A 당 55mV의 전압을 발생시키는 것으로, 최대 100A가 소비될 경우 5.
MSP 430의 AFE는 16 bit 2차 sigma-delta ADC(Analog-to-Digital Converter)를 3개까지 지원한다. 전압과 전류를 측정하는데 2개의 ADC를 사용하였으며, 남은 1개의 ADC는 다른 기능으로 활용할 수 있도록 남겨 두었다. 그림 4는 본 논문에서 구현하고자하는 실시간 전력 측정과 측정 결과의 실시간 전송이 가능한 스마트미터의 설계도면을 보여주고 있다.
스마트미터의 전력 측정 모듈은 가정으로 인입되는 전력선에 연결되어 전압과 전류를 측정하며, 이를 통해 가정 내 부하에서 소비되는 전력량을 계산할 수 있다. 전압측정은 우선 220V AC 전압을 12V AC로 하향 변환하고, 전압분배를 통해 피크 투 피크 전압이 5V가 되도록 조정한 후 10 비트 ADC를 통해 0~5V 사이의 실시간 전압을 측정할 수 있도록 하였다. 전류 측정은 전류 트랜스포머를 이용하였다.
측정된 전압과 전류는 10 비트 ADC를 통해서 샘플링 되었으며 이로부터 유효전력과 피상전력을 계산하였다. 측정된 전압, 전류, 유효전력, 실효전력 값은 매 주기마다 통신 모듈로 전송되고, 통신 모듈은 이 측정값들을 서버나 IHD로 전송하도록 하였다. 실시간 전력 측정 결과를 보여주는 IHD 연동 테스트를 위하여 그림 8와 같이 테스트 환경을 설정하였다.
측정된 전압과 전류는 10 비트 ADC를 통해서 샘플링 되었으며 이로부터 유효전력과 피상전력을 계산하였다. 측정된 전압, 전류, 유효전력, 실효전력 값은 매 주기마다 통신 모듈로 전송되고, 통신 모듈은 이 측정값들을 서버나 IHD로 전송하도록 하였다.
통신모듈은 CDMA와 와이파이 통신이 동시에 가능한 형태로 개발하고, 내부에 태스크 형태로 C12.22 스마트미터 프로토콜을 구현하였다. C12.

대상 데이터

스마트미터는 크게 전력량을 측정하는 부분인 에너지미터모듈과 외부통신을 위한 통신모듈로 구성된다. 에너지미터는 TI사의 MSP430 칩을 이용하였다. TI사의 MSP430칩은 RISC CPU와 함께 전력 측정을 위한 AFE(Analog Front End) 및 시리얼 통신 기능을 모두 갖추고 있기 때문에 스마트미터를 구현하는데 적당한 칩이다.

성능/효과

22 스마트미터 프로토콜은 내부에 태스크 형태로 구현하였으며, 스마트미터에서 측정한 소비 전력량을 실시간으로 사용자에게 보여주기 위해서 IHD를 윈도우즈 환경에서 자바 어플리케이션의 형태로 개발하였다. C12.22 프로토콜 검증은 자체 개발한 미터링 서버 에뮬레이터를 이용하여 수행하였으며, 검증 결과 본 스마트 미터는 국제통신 프로토콜인 ANSI C12.22에 따라 동작함을 확인 할 수 있었다.

후속연구

와이파이 AP는 LAN의 한 형태인 HAN 구성을 위해 사용된다. 향후에는 HAN을 통해 가정에서 사용하는 가전기기들까지 스마트미터에 연결될 예정이지만 본 논문에서는 IHD와 연결하는 수단으로 구현되었다. 본 논문에서 구현된 스마트미터의 와이파이는 IEEE 802.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트미터에서 WAN을 통해서는 무엇을 하는가?	스마트미터는 가정에서 사용되는 전력량 감시 및 제어, 전력 품질 감시, 계량, 안전 감시 등의 기능을 수행한다[1]. WAN(Wide Area Network)을 통해서는 전력 공급 회사의 계량제어 및 계량 데이터 관리서버와 연결 되어 실시간 계량 정보를 전송하고, 실시간 과금 데이터 및 요금 추정치, 기타 전기 이용과 관련된 정보를 서버로부터 수신한다. LAN(Local Area Network)을 통해서는 가정 내에 있는 IHD와 연결하여 사용전력량과 요금을 실시간으로 표시하는 역할을 한다.
	스마트미터와 미터링 서버 사이의 어플리케이션 통신 프로토콜은 어떻게 나눌 수 있는가?	스마트미터와 미터링 서버 사이의 어플리케이션 통신 프로토콜은 크게 유럽방식과 북미방식으로 나누어볼 수 있다[5]. 유럽방식은 IEC(International Electrotechnical Commission) 62056-21 규격으로, 그리고 북미방식은 ANSI(American National Standard Institutes) C12 규격으로 정의된다.
	스마트미터는 무엇을 수행하는가?	스마트미터는 가정에서 사용되는 전력량 감시 및 제어, 전력 품질 감시, 계량, 안전 감시 등의 기능을 수행한다[1]. WAN(Wide Area Network)을 통해서는 전력 공급 회사의 계량제어 및 계량 데이터 관리서버와 연결 되어 실시간 계량 정보를 전송하고, 실시간 과금 데이터 및 요금 추정치, 기타 전기 이용과 관련된 정보를 서버로부터 수신한다.

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원문보기 상세보기
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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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