지중 저압 전력선의 협대역 전력선통신 채널특성 및 적용성에 대한 연구 Study on Channel Characteristics and Feasibility of Narrowband Power Line Communication over Underground Low Voltage Power Lines원문보기
본 논문은 국내 지중 저압선에 대한 협대역 PLC 기술의 통신 채널 특성과 이를 기반으로 한 적용성 연구결과에 대해 기술한다. 지중 저압선이 매설된 실제 거주지역에 협대역 PLC 채널 측정을 위한 시스템을 구성하였으며, 이를 통해 채널 응답, 잡음 PSD, 선 임피던스를 포함하는 채널 특성을 측정하였다. 측정된 채널 특성을 분석하여 국내 지중 저압선의 채널 특성이 협대역 PLC 적용에 적합한 특성을 띠며, 250kHz 이후 주파수 대역이 특히 양호한 특성을 나타내는 것을 보였다. 이를 기반으로 IEEE P1901.2 규격을 채택, FCC High 대역을 이용하여 네트워크 테스트를 수행하였으며 이를 통해 국내 지중 저압선에 협대역 PLC 기술의 적용이 가능함을 확인하였다.
본 논문은 국내 지중 저압선에 대한 협대역 PLC 기술의 통신 채널 특성과 이를 기반으로 한 적용성 연구결과에 대해 기술한다. 지중 저압선이 매설된 실제 거주지역에 협대역 PLC 채널 측정을 위한 시스템을 구성하였으며, 이를 통해 채널 응답, 잡음 PSD, 선 임피던스를 포함하는 채널 특성을 측정하였다. 측정된 채널 특성을 분석하여 국내 지중 저압선의 채널 특성이 협대역 PLC 적용에 적합한 특성을 띠며, 250kHz 이후 주파수 대역이 특히 양호한 특성을 나타내는 것을 보였다. 이를 기반으로 IEEE P1901.2 규격을 채택, FCC High 대역을 이용하여 네트워크 테스트를 수행하였으며 이를 통해 국내 지중 저압선에 협대역 PLC 기술의 적용이 가능함을 확인하였다.
This paper presents in details channel and noise characteristics over narrow bands below 500kHz based on the field tests over underground low voltage(LV) power lines in residential areas in Korean grid. We show that the channel characteristics of narrowband signals over underground LV power line are...
This paper presents in details channel and noise characteristics over narrow bands below 500kHz based on the field tests over underground low voltage(LV) power lines in residential areas in Korean grid. We show that the channel characteristics of narrowband signals over underground LV power line are decent. We first describe methodology of channel characteristic measurements including channel frequency response, noise, and line impedance, and obtain channel characteristics over the underground LV lines in the residential areas. Also based on the measurement results, we adopt the IEEE P1901.2 standard on the FCC High band, and bring up narrow band power line communication network.
This paper presents in details channel and noise characteristics over narrow bands below 500kHz based on the field tests over underground low voltage(LV) power lines in residential areas in Korean grid. We show that the channel characteristics of narrowband signals over underground LV power line are decent. We first describe methodology of channel characteristic measurements including channel frequency response, noise, and line impedance, and obtain channel characteristics over the underground LV lines in the residential areas. Also based on the measurement results, we adopt the IEEE P1901.2 standard on the FCC High band, and bring up narrow band power line communication network.
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문제 정의
본 논문에서는 대한민국 지중 저압 전력선 구간 대상 통신 솔루션 확보 노력의 일환으로 수행된 협대역 PLC 기술의 적용성 연구에 대해 기술한다. 지중 저압 선로를 대상으로 500㎑ 이하 주파수 대역에 대해 측정한 채널특성을 기술하고, 이를 통해 협대역 PLC 기술의 적용성을 분석하였다.
본 논문에서는 대한민국 지중 저압 전력선 구간에 대한 협대역 PLC 기술의 적용성을 가늠하기 위해, 500㎑ 이하 주파수 대역에 대한 채널특성을 측정하고, 이를 기반으로 수행한 네트워크 테스트 결과를 나타내었다.
가설 설정
2 FCC 대역 물리계층 규격을 준용하여 수행한 Monte-Carlo 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 시뮬레이션은 AWGN 채널환경을 가정하여 D8PSK(Differencial 8 Phase Shift Keying), DQPSK(Differencial Quadrature Phase Shift Keying), DBPSK(Differencial Binary Phase Shift Keying), ROBO(Robust OFDM) 변조 방식에 대해 수행되었다. 가장 신뢰도가 뛰어난 변조 방식인 ROBO(Robust OFDM) 모드의 경우, -2dB의 SNR에서 10% 이내의 FER(Frame Error Rate)을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
제안 방법
지중 저압선의 PLC 채널특성을 측정하기 위한 장비연결 구성 도식도를 그림 1에 나타내었다. MV(Medium Voltage)-LV(Low Voltage) 변압기의 2차 LV측에 모뎀을 연결하여 데이터집중장치로 모델화하고, 각 저압고객측 전자식 전력량계에 모뎀을 연결하여 슬레이브모뎀을 모델화함으로써 실제 AMI 시스템과 동일한 네트워크 구조를 갖도록 구성하였다. 양 측 모뎀에 각각 오실로스코프를 병렬로 연결하여 채널특성 측정 데이터를 취득하였다.
네트워크 테스트에 사용된 시험용 협대역 PLC 모뎀은 Texas Instruments사의 F28M35 MCU(MicroController Unit)를 기반으로 설계되었고, 해당 모뎀의 Tone Mask 기능을 통해 FCC High 대역(323∼487.5㎑)을 사용하여 PLC 통신을 수행하도록 설정하였다.
2장의 결과를 통해 확인한 바와 같이 500㎑ 이하 전 주파수 대역에서 양호한 채널특성이 확보되지는 않는다. 따라서 채널특성이 좋은 특정 대역만을 선택하여 통신에 활용하는 Tone Mask 기능을 탑재하고 있는 IEEE P1901.2[14] 기술을 채택하여 네트워크 테스트를 수행하였다. 네트워크 테스트에 사용된 시험용 협대역 PLC 모뎀은 Texas Instruments사의 F28M35 MCU(MicroController Unit)를 기반으로 설계되었고, 해당 모뎀의 Tone Mask 기능을 통해 FCC High 대역(323∼487.
채널 측정은 송신 모뎀에서 기준신호(50∼450㎑ Chirp 신호)를 발생시켜 송출하고 상대 모뎀에서 수신되는 신호를 오실로스코프를 통해 저장, Matlab을 이용하여 가공하는 과정을 거친다. 또, 양방향 통신 채널 특성을 모두 파악하기 위하여 데이터집중장치측(슬레이브모뎀으로부터 데이터집중장치 방향 통신 채널)과 슬레이브모뎀측(데이터집중장치로부터 슬레이브모뎀 방향 통신 채널)에서 각각 채널 측정을 수행하였다.
지중 저압 선로를 대상으로 500㎑ 이하 주파수 대역에 대해 측정한 채널특성을 기술하고, 이를 통해 협대역 PLC 기술의 적용성을 분석하였다. 또한, 분석 결과를 검증하기 위해 실제 협대역 PLC 네트워크를 구성, 필드테스트를 수행하고 그 결과를 나타내었다.
상기 두 종류의 네트워크 테스트를 48번 변압기와 21, 22, 25, 29∼32번 계량기를 포함하는 지역을 대상으로 추가 수행하였다.
그림 12는 48번 변압기 측 A, B, C 상에서 10회 이상 연속하여 측정된 선 임피던스 그래프를 겹쳐 나타낸 것이다. 연속된 측정의 시간 간격은 1ms로 하였고, 이를 통해 선 임피던스의 변화 주기인 AC 전력의 Zero-crossing 주기(8.33ms@60㎐) 이상 변화 경향을 관찰할 수 있도록 하였다. 측정결과를 통해 실제 환경에서 선 임피던스는 고정된 값이 아닌, 어느 정도 범위를 갖고 시간에 따라 변화하는 것을 알 수 있다.
양 측 모뎀에 각각 오실로스코프를 병렬로 연결하여 채널특성 측정 데이터를 취득하였다. 오실로스코프의 프로브는 매우 높은 임피던스를 갖는 것을 사용하여 측정 결과에 영향을 주지 않도록 하였다.
우선 협대역 PLC 기술의 적용성 판단기준을 마련하기 위해 시뮬레이션을 수행하고, 종합적인 채널 특성을 나타내는 인자 중 하나인 SNR(Signal to Noise Ratio)과 통신성능간의 관계를 살펴보았다. 그림 3은 Matlab으로 IEEE P1901.
본 논문에서는 대한민국 지중 저압 전력선 구간 대상 통신 솔루션 확보 노력의 일환으로 수행된 협대역 PLC 기술의 적용성 연구에 대해 기술한다. 지중 저압 선로를 대상으로 500㎑ 이하 주파수 대역에 대해 측정한 채널특성을 기술하고, 이를 통해 협대역 PLC 기술의 적용성을 분석하였다. 또한, 분석 결과를 검증하기 위해 실제 협대역 PLC 네트워크를 구성, 필드테스트를 수행하고 그 결과를 나타내었다.
첫 번째로 47번 변압기를 중심으로 10∼12, 14, 17∼19번 계량기를 포함하는 지역을 대상으로 네트워크 테스트를 수행하였다.
앞서 서술된 채널 특성 측정 결과는 국내 지중 전력선 구간의 협대역 PLC 기술 적용 가능성에 대해 긍정적인 지표를 나타내고 있다. 협대역 PLC 기술의 적용성을 보다 구체적으로 확인하기 위하여, 동일 테스트베드에 실제로 협대역 PLC 네트워크를 구성하여 네트워크 테스트를 수행하였다. 본 장에서는 네트워크 테스트를 위한 구성 및 방법과 그 결과에 대해 서술한다.
대상 데이터
MV(Medium Voltage)-LV(Low Voltage) 변압기의 2차 LV측에 모뎀을 연결하여 데이터집중장치로 모델화하고, 각 저압고객측 전자식 전력량계에 모뎀을 연결하여 슬레이브모뎀을 모델화함으로써 실제 AMI 시스템과 동일한 네트워크 구조를 갖도록 구성하였다. 양 측 모뎀에 각각 오실로스코프를 병렬로 연결하여 채널특성 측정 데이터를 취득하였다. 오실로스코프의 프로브는 매우 높은 임피던스를 갖는 것을 사용하여 측정 결과에 영향을 주지 않도록 하였다.
채널 측정을 위해서 대전 유성구 관평동 일대를 테스트베드로 선정하였다. 채널 측정 대상 지역의 위치를 그림 2에 나타냈다.
데이터처리
이렇게 구성된 PLC 네트워크를 통해 실제 데이터를 전송하여 Delivery Ratio 측정 테스트를 수행하였고, 그 결과를 그림 16에 나타내었다. X축은 각 모뎀이 설치된 계량기 번호를 나타내며, Y축은 Delivery Ratio를 1을 기준으로 나타낸다.
성능/효과
측정 결과를 종합해보면, 500㎑ 이하 주파수 대역을 사용하는 협대역 PLC 기술은 대한민국의 지중 전력선에 적합한 통신 솔루션으로 판단된다.
2장의 결과를 통해 확인한 바와 같이 500㎑ 이하 전 주파수 대역에서 양호한 채널특성이 확보되지는 않는다. 따라서 채널특성이 좋은 특정 대역만을 선택하여 통신에 활용하는 Tone Mask 기능을 탑재하고 있는 IEEE P1901.
X축은 각 모뎀이 설치된 계량기 번호를 나타내며, Y축은 Delivery Ratio를 1을 기준으로 나타낸다. 3홉으로 연결된 14번 계량기 설치 모뎀에 대한 Delivery Ratio가 95% 수준으로 비교적 떨어지는 것을 제외하고는 전체적으로 100%에 가까운 Delivery Ratio를 얻을 수 있었다.
그림 15에 네트워크 테스트 대상 지역과 설치된 PLC 모뎀간에 형성된 네트워크 구조를 나타내었다. 7개의 계량기에 설치된 모든 슬레이브 모뎀이 변압기측의 마스터 모뎀과 연결되어 100%의 Connectivity를 확보하는 것이 가능함을 확인하였다. 변압기와 비교적 가까이 위치한 10, 11, 12, 17, 19번 계량기에 설치된 슬레이브 모뎀은 마스터 모뎀과 1홉으로 직접 연결되었고, 18번 계량기 설치 슬레이브 모뎀은 17번 계량기 설치 모뎀을 통해 2홉으로, 14번 설치 모뎀은 18, 17번 설치 모뎀을 통해 3홉으로 연결되었다.
시뮬레이션은 AWGN 채널환경을 가정하여 D8PSK(Differencial 8 Phase Shift Keying), DQPSK(Differencial Quadrature Phase Shift Keying), DBPSK(Differencial Binary Phase Shift Keying), ROBO(Robust OFDM) 변조 방식에 대해 수행되었다. 가장 신뢰도가 뛰어난 변조 방식인 ROBO(Robust OFDM) 모드의 경우, -2dB의 SNR에서 10% 이내의 FER(Frame Error Rate)을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 10% 이하의 FER이 발생하는 경우, MAC 계층에서 ARQ(Automatic Repeat reQuest) 기능을 통해 에러 발생률을 0%에 가깝게 만드는 것이 가능하다.
협대역 PLC 채널 특성은 실제 지중 저압선이 매설된 거주지역에서 필드테스트를 통해 얻어냈으며, 250㎑ 이후 주파수 대역에서 중계기 없이 170m 이상 통신이 가능한 정도로 양호한 채널특성이 나타남을 확인하였다. 또한 선 임피던스 역시 일부 대역을 제외하고는 협대역 PLC 모뎀 실제 운용에 적합한 값을 갖는 것을 확인하였다.
이상의 필드테스트를 통해 국내 지중 저압선에서 협대역 PLC 기술을 이용한 양방향 통신이 가능함을 알 수 있다. 메쉬 라우팅 방식을 통해 모든 설치모뎀이 마스터모뎀과 통신할 수 있었으며, 전체적으로 90% 이상의 Delivery Ratio를 확보할 수 있었다.
이상의 필드테스트를 통해 국내 지중 저압선에서 협대역 PLC 기술을 이용한 양방향 통신이 가능함을 알 수 있다. 메쉬 라우팅 방식을 통해 모든 설치모뎀이 마스터모뎀과 통신할 수 있었으며, 전체적으로 90% 이상의 Delivery Ratio를 확보할 수 있었다.
이렇듯 측정된 채널 특성은 모두 국내 지중 전력선 구간의 협대역 PLC 기술 적용 가능성에 대해 긍정적인 지표를 나타내고 있다. 협대역 PLC 기술의 적용성을 보다 구체적으로 확인하기 위해 IEEEP1901.2 기술을 채택, 채널 특성이 가장 좋은 FCC High 대역을 통해 직접 네트워크 테스트를 수행하였으며, 100%의 Connectivity와 90% 이상의Delivery Ratio를 얻어, 협대역 PLC 기술을 이용한 양방향 통신이 실제로 가능함을 보였다.
협대역 PLC 채널 특성은 실제 지중 저압선이 매설된 거주지역에서 필드테스트를 통해 얻어냈으며, 250㎑ 이후 주파수 대역에서 중계기 없이 170m 이상 통신이 가능한 정도로 양호한 채널특성이 나타남을 확인하였다. 또한 선 임피던스 역시 일부 대역을 제외하고는 협대역 PLC 모뎀 실제 운용에 적합한 값을 갖는 것을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PLC란 무엇인가?
PLC(Powerline Communication, 전력선 통신)는 전력선을 이용하여 통신신호를 전송하는 통신방식이다. 전력을 공급하기 위한 전력망은 이미 전국에 보급되어 현존하는 인프라 중 가장 광범위한 네트워크를 구성하고 있으며, 따라서 스마트그리드, AMI(Advanced Metering Infrastructure) 시스템 구축을 위한 최적의 통신 솔루션으로 여겨지고 있다.
최근, PLC 기술이 전송성능과 시스템 완성도 측면에서 빠른 성장을 보이게 된 배경은 무엇인가?
최근 PLC 기술은 적용 어플리케이션 및 활용 주파수 대역의 확장과 더불어 국내외의 활발한 연구 개발을 통해 전송성능과 시스템 완성도 측면에서 빠른 성장을 보이고 있다. 현재에는 500Mbps급 BPL(Broadband over Powerline, 광대역 전력선 통신) 기술[1] 개발이 완료된 상태이며, 그 이상의 고속 PLC 기술 개발[2,3] 역시 활발히 진행 중이다.
본 논문에서 수행한, 500㎑ 이하 주파수 대역에 대한 채널특성을 측정하고 이를 기반으로 수행한 네트워크 테스트 결과는 어떠한가?
협대역 PLC 채널 특성은 실제 지중 저압선이 매설된 거주지역에서 필드테스트를 통해 얻어냈으며, 250㎑ 이후 주파수 대역에서 중계기 없이 170m 이상 통신이 가능한 정도로 양호한 채널특성이 나타남을 확인하였다. 또한 선 임피던스 역시 일부 대역을 제외하고는 협대역 PLC 모뎀 실제 운용에 적합한 값을 갖는 것을 확인하였다.
이렇듯 측정된 채널 특성은 모두 국내 지중 전력선 구간의 협대역 PLC 기술 적용 가능성에 대해 긍정적인 지표를 나타내고 있다. 협대역 PLC 기술의 적용성을 보다 구체적으로 확인하기 위해 IEEEP1901.2 기술을 채택, 채널 특성이 가장 좋은 FCC High 대역을 통해 직접 네트워크 테스트를 수행하였으며, 100%의 Connectivity와 90% 이상의Delivery Ratio를 얻어, 협대역 PLC 기술을 이용한 양방향 통신이 실제로 가능함을 보였다.
참고문헌 (14)
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IEEE, IEEE Draft Standard for Low Frequency (less than 500kHz) Narrow Band Power Line Communications for Smart Grid, IEEE Draft Standard P1901.2/D0.06.07, Aug. 2012.
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