원격검침 설비의 네트워크 상태감시를 위한 SNMP 기반의 저압 AMI 망관리시스템 개발 Development of AMI NMS (Network Management System) using SNMP for Network Monitoring of Meter Reading Devices원문보기
한국전력공사는 200년부터 저압 고객에 대한 AMI (Advanced Metering Infrastructure) 기반의 검침시스템을 구축하여 운영하고 있다. 한전의 AMI 검침시스템은 현재 255만호에 설치되어 운영되고 있으며 2020년까지 2200만호를 설치하여 운영할 예정이다. 본 연구에서는 원활한 AMI 검침망 운영을 위해 DCU (Data ConcentrationUnit) 및 모뎀에 대한 네트워크 동작상태를 감시할 수 있는 AMI 망관리시스템을 개발하였다. AMI 망관리시스템은 네트워크 장비에 대한 속성 데이터 및 네트워크 토플로지 정보, 통신성능 정보, 장애정보 등을 수집하고, 데이터 분석을 통해 장애내역을 생성하며, 원격에서 장비를 제어하는 등의 기능을 제공하고 있다. AMI 망관리시스템은 전력선 통신망에서 네트워크 장비에 대한 약 370여개의 MIB (Management Information Base) 정보를 SNMP (Simple Network Management Protocol)를 이용하여 수집과 제어를 수행하고 있다. 본 논문에서는 AMI 망관리시스템에 대한 주요 기능과 설계내용, 구현된 서비스 화면을 소개하고자 한다.
한국전력공사는 200년부터 저압 고객에 대한 AMI (Advanced Metering Infrastructure) 기반의 검침시스템을 구축하여 운영하고 있다. 한전의 AMI 검침시스템은 현재 255만호에 설치되어 운영되고 있으며 2020년까지 2200만호를 설치하여 운영할 예정이다. 본 연구에서는 원활한 AMI 검침망 운영을 위해 DCU (Data Concentration Unit) 및 모뎀에 대한 네트워크 동작상태를 감시할 수 있는 AMI 망관리시스템을 개발하였다. AMI 망관리시스템은 네트워크 장비에 대한 속성 데이터 및 네트워크 토플로지 정보, 통신성능 정보, 장애정보 등을 수집하고, 데이터 분석을 통해 장애내역을 생성하며, 원격에서 장비를 제어하는 등의 기능을 제공하고 있다. AMI 망관리시스템은 전력선 통신망에서 네트워크 장비에 대한 약 370여개의 MIB (Management Information Base) 정보를 SNMP (Simple Network Management Protocol)를 이용하여 수집과 제어를 수행하고 있다. 본 논문에서는 AMI 망관리시스템에 대한 주요 기능과 설계내용, 구현된 서비스 화면을 소개하고자 한다.
KEPCO installed AMI (Advanced Metering Infrastructure) metering system for low-voltage customers from 2008. AMI metering system of KEPCO has operated 2.55 million customers and will plan to operate 22 million customers until 2020. KEPCO developed AMI NMS (Network Management System) to operate the me...
KEPCO installed AMI (Advanced Metering Infrastructure) metering system for low-voltage customers from 2008. AMI metering system of KEPCO has operated 2.55 million customers and will plan to operate 22 million customers until 2020. KEPCO developed AMI NMS (Network Management System) to operate the meter reading network efficiently. NMS monitors the network status of DCUs (Data Concentration Unit) and modems. NMS provides functionalities of data collection and analysis. It collects property data of network device, network topology information, communication performance information, fault information, and etc. It analyzes collected data and controls network devices by remote access. AMI NMS collects about 370 MIBs (Mangement Information Bases) using SNMP (Simple Network Management Protocol). This paper introduces main functionalities, designed context, and implemented service screen.
KEPCO installed AMI (Advanced Metering Infrastructure) metering system for low-voltage customers from 2008. AMI metering system of KEPCO has operated 2.55 million customers and will plan to operate 22 million customers until 2020. KEPCO developed AMI NMS (Network Management System) to operate the meter reading network efficiently. NMS monitors the network status of DCUs (Data Concentration Unit) and modems. NMS provides functionalities of data collection and analysis. It collects property data of network device, network topology information, communication performance information, fault information, and etc. It analyzes collected data and controls network devices by remote access. AMI NMS collects about 370 MIBs (Mangement Information Bases) using SNMP (Simple Network Management Protocol). This paper introduces main functionalities, designed context, and implemented service screen.
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문제 정의
1과 같이 배전전주에 DCU를 설치하고 고객의 댁내에 존재하는 계기와 전력선 통신(PLC: Power Line Communication)을 이용하여 검침데이터와 네트워크 데이터를 수집할 수 있도록 지능형검침인프라 (AMI) 기반의 원격검침시스템을 구현하였다 [2]. 본 논문에서는 원격검침을 위해 필요한 통신장비인 모뎀과 DCU 장비에 대한 네트워크 감시 및 성능분석, 관리를 담당하는 AMI 망관리시스템에 대해 소개하고자 한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
본 연구에서는 저압고객의 원격검침을 위해 필요한 통신장비인 DCU와 모뎀에 대한 관리를 담당하는 AMI 망관리시스템을 개발하였다. AMI 망관리시스템은 15분 단위로 DCU의 통신관련 정보를 수집하고 30분 단위로 모뎀의 통신정보를 수집하여 장애 발생여부를 3단계로 구분하여 분류하고, 중복장애 여부를 검토하여 불필요한 장애를 제거하고, 상위장비에서 장애가 발생한 경우 하위장비의 장애내역을 제거하여 장애목록을 최소화하게 된다.
이때 사전점검 대상은 정기 검침일 3일전(D-3) 계기부터 금일이 정기 검침일(D)인 고객에 대한 검침실패 계기수량만을 대상으로 한다. 저압원격검침시스템을 개발하는 가장 큰 목적은 매월 1회씩 정기 검침 일에 검침원이 고객을 방문하여 계기의 월 전력사용량을 검침해 오는 수동검침을 시스템을 통해 자동으로 수집하는 것이다. 따라서 99% 이상의 정기 검침율을 유지하기 위해 검침일 3일 전 계기부터 우선적으로 정상검침 여부를 집중 관리할 필요가 있다.
제안 방법
펌웨어 이미지는 60 KByte로 분할하여 전송하며, 전송 블록은 블록순번 (1 Byte)과 분할데이터 길이 (60 KByte), 옵션 (1 Byte), CRC값 (2 Byte)으로 구성된다. DCU는 블록단위 이미지 전송 (dcuFWTransferImage 또는 plcUpgradeImage) SET-Request를 수신하면 분할된 블럭 이미지의 CRC 검사와 ACK OID 갱신을 수행하고, 에러 발생 시 Response-PDU의 error-status를 resourceUnavailable 로 세팅하여 응답한다. 이미지 전송이 정상적으로 수행되면 잔여 이미지를 반복적으로 전송하며 최종 블록 전송 시에는 NMS FEP이 전송 블록의 옵션값을 최종블록을 나타내는 9로 설정하여 전송하고, DCU는 수신 받은 분할된 이미지에 대한 조립 및 무결성 검증을 수행한 후 무결성 체크 결과를 trap으로 전송한다.
7(b)는 사전점검 대상 계기들에 대한 고장관리 화면으로 해당 계기들과 관련된 DCU 및 모뎀, 계기의 정보를 조회하고, DCU에 대한 실시간 ping값 수집 및 DCU 리셋, 모뎀에 대한 실시간 BPS 수집, 모뎀 리셋 등의 원격제어 기능을 수행할 수 있다. DCU의 고장상태는 매 15분 주기로 ping을 점검하여 30분 동안 ping 실패시 마이너 장애, 1시간 실패시 메이저 장애, 3시간 실패시 크리티컬 장애로 구분하였다. DCU에 장애가 발생하는 경우에는 해당 DCU에 연결된 모뎀들의 장애는 모두 삭제하여 담당자가 점검해야할 설비 목록을 최소화 하였다.
검침 FEP에서 주기적/비주기적 검침 또는 미터 설정, 상태값 조회, DCU 환경설정, 레포트 설정, 이벤트 알림 등의 작업을 나타내는 JOB 들을 묶어 Task 스크립트를 작성하여 DCU에 전송하면, DCU는 Task 스크립트를 분석하여 해당 JOB 들을 추출하고 DLMS 통신을 이용하여 미터로부터 필요한 정보를 수집하고 처리결과를 검침 FEP으로 전송하게 된다. SMCP 방식은 제주 구좌읍에 설치하여 B-CDMA와 전력선 통신, WiBro 등의 통신망을 이용하여 검증을 수행하였다 [11]. 또한 기존의 검침방식과의 성능비교를 위해 실험실에서 동일한 통신 환경에서 30대의 계기를 하나의 모뎀에 설치하고 두가지 방식의 LP검침 성능을 비교한 결과 기존의 폴링방식은 검침시간 5분이 소요되었으나 SMCP 방식은 50초가 소요되여 약 6배 이상 LP검침 수집속도가 향상되는 것으로 나타났다 [12].
SMCP 방식은 단위 작업을 수행하는 JOB과 다수의 JOB을 묶음으로 관리하는 Task를 이용하여 DCU에 작업을 지시하게 된다. 검침 FEP에서 주기적/비주기적 검침 또는 미터 설정, 상태값 조회, DCU 환경설정, 레포트 설정, 이벤트 알림 등의 작업을 나타내는 JOB 들을 묶어 Task 스크립트를 작성하여 DCU에 전송하면, DCU는 Task 스크립트를 분석하여 해당 JOB 들을 추출하고 DLMS 통신을 이용하여 미터로부터 필요한 정보를 수집하고 처리결과를 검침 FEP으로 전송하게 된다. SMCP 방식은 제주 구좌읍에 설치하여 B-CDMA와 전력선 통신, WiBro 등의 통신망을 이용하여 검증을 수행하였다 [11].
5와 같은 절차에 따라 테스트를 진행하도록 설계하였다. 또한 DCU 및 모뎀에 잘못된 기능을 패치하거나 새로운 기능을 추가할 수 있도록 Fig. 6과 같이 SNMP 통신을 이용한 펌웨어 이미지 전달방식을 설계하였다. DCU 펌웨어의 전송 시작은 dcuFWUpgradeImageAck를 이용하여 알려주고, 모뎀 펌웨어의 전송 시작은 plcUpgradeImageAck를 이용한다.
특히 한전은 그동안 쌓아온 기술력을 바탕으로 “고객 PLC 정보교환 기술”을 작성하여 2006년에 한국표준(KS X4600-1)으로 등록하였으며, 이를 ISO/IEC에 제출하여 2009년에 ISO/IEC 12139-1 표준으로 정식 발간하였다 [6]. 또한 한전은 꾸준한 기술개발을 통해 얻은 전력선 통신 기술을 원격검침 사업에 적용하여 저비용, 고효율의 원격검침망을 구축하였다. 정부의 지능형전력망 기본계획에 따라 저압원격검침시스템을 개발하고 2008년 5만호 설치를 시작으로 2010년까지 55만호, 2015년까지 255만호를 설치하여 운영하고 있다 [6][7].
본 연구에서는 AMI 망관리시스템을 크게 3개의 서버로 나누어 구현하였다. 3개의 서버는 SNMP 통신으로 DCU로부터 통신망 관련 정보를 수집하는 NMS FEP 서버와, 수집된 데이터를 저장하는 데이터베이스 서버, 관리자에게 정보를 제공하는 웹 서버로 구성된다.
따라서 저압원격검침시스템을 안정적으로 운영하기 위해서는 주기적으로 DCU의 통신 상태를 확인하고, DCU 하단의 모뎀과의 통신 상태를 감시할 수 있는 망관리시스템이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 망관리시스템 개발을 위해 저압 원격검침 사업소 담당자들과 공청회를 통해 기능적 요구사항을 수집하였으며 분석 작업을 통해 Fig. 3과 같이 프로세스 다이어그램을 정의하였다.
현재 설치된 DCU의 SNMP Agent는 모뎀의 장애가 발생한 경우 관리자가 실시간으로 모뎀의 상태를 점검할 수 있는 방법을 제공하지 못하고 있다. 본 연구에서는 모뎀에 대한 실시간 점검을 위해 DCU의 MIB에 loopback 테스트와 MAC ping 테스트, BPS 테스트, 계기 현재검침값 수집 등을 수행하는 PLCRealTimeControlEntry를 설계하여 추가하였다. loopback 테스트는 계기 통신접속 단자의 정상통신 여부를 테스트 하는 것으로 Fig.
시스템 설계 단계에서는 요구사항 분석을 통해 도출된 프로세스들을 반영하여 Fig. 4와 같이 망관리시스템을 4개의 계층으로 나누어 설계하였다.
대상 데이터
통신 담당자는 AMI 망관리시스템을 이용하여 장애목록을 확인하고, 원격제어를 통해 장애에 대응하며, 모뎀의 통신계층을 파악하고 통신감도 분석을 통해 신호보강 개소를 파악하여 통신망을 안정적으로 관리하게 된다. 본 연구에서 개발된 AMI 망관리시스템은 현장에 설치되어 10개 지역의 DCU 4만대를 감시하고 있다. 한 달간의 시스템을 운영데이터를 분석한 결과 DCU는 평균 99.
사전점검대상 목록은 매일 8시 정각에 검침서버로부터 전일 오전 7시부터 당일 오전 7시까지 검침데이터가 하나도 없는 24시간 검침실패계기 목록을 전달받아 하루 한번만 생성한다. 이때 사전점검 대상은 정기 검침일 3일전(D-3) 계기부터 금일이 정기 검침일(D)인 고객에 대한 검침실패 계기수량만을 대상으로 한다. 저압원격검침시스템을 개발하는 가장 큰 목적은 매월 1회씩 정기 검침 일에 검침원이 고객을 방문하여 계기의 월 전력사용량을 검침해 오는 수동검침을 시스템을 통해 자동으로 수집하는 것이다.
성능/효과
SMCP 방식은 제주 구좌읍에 설치하여 B-CDMA와 전력선 통신, WiBro 등의 통신망을 이용하여 검증을 수행하였다 [11]. 또한 기존의 검침방식과의 성능비교를 위해 실험실에서 동일한 통신 환경에서 30대의 계기를 하나의 모뎀에 설치하고 두가지 방식의 LP검침 성능을 비교한 결과 기존의 폴링방식은 검침시간 5분이 소요되었으나 SMCP 방식은 50초가 소요되여 약 6배 이상 LP검침 수집속도가 향상되는 것으로 나타났다 [12].
8은 10개 지역의 DCU 및 모뎀 설치 수량과 한 달 평균 전일운전 가동률을 나타내는 그래프이다. 하나의 DCU 당 평균 14대의 모뎀이 연결되어 있으며, DCU 평균 가동률은 99.3%, 모뎀 평균 가동률은 98.5%로 나타났다. 모뎀 가동률을 살펴보면 DCU에 연결된 모뎀의 개수가 많을수록 가동률이 낮아지는 것을 알 수 있다.
본 연구에서 개발된 AMI 망관리시스템은 현장에 설치되어 10개 지역의 DCU 4만대를 감시하고 있다. 한 달간의 시스템을 운영데이터를 분석한 결과 DCU는 평균 99.3%의 가동률을 가지며, 모뎀은 98.5%의 가동률을 갖는 것으로 나타났으며, DCU당 연결 모뎀 개수가 많을수록 모뎀 가동률이 낮아지는 것을 알 수 있었다. 앞으로 본 연구결과를 바탕으로 모뎀의 장애내역 분석을 통해 신호보강이 필요한 지역을 자동으로 추천할 수 있는 기능을 개발할 예정이며, 현재 정의된 SNMP MIB 정보를 보강하여 망관리시스템을 고도화하는 연구를 지속할 예정이다.
후속연구
본 연구에서 개발된 AMI 망관리시스템은 현재 설치된 DCU 및 모뎀의 동작상태 및 통계를 한눈에 볼 수 있는 종합상황판 기능을 최우선적으로 필요로 하고 있으며, 상황판을 통해 현재 설치, 운영되고 있는 DCU 및 모뎀의 수량과 실시간 운전현황, 정기검침일에 해당하는 계기들의 미검침 현황, 전일 고장발생 현황 및 고장조치 결과조회 등의 정보를 제공해야 한다. 또한 네트워크 토폴로지 관리기능을 통해 통신장비의 네트워크 구성정보를 주기적으로 수집하여 운영자가 해당 설비의 네트워크 구조를 시각적으로 확인할 수 있는 기능을 제공해야 한다.
5%의 가동률을 갖는 것으로 나타났으며, DCU당 연결 모뎀 개수가 많을수록 모뎀 가동률이 낮아지는 것을 알 수 있었다. 앞으로 본 연구결과를 바탕으로 모뎀의 장애내역 분석을 통해 신호보강이 필요한 지역을 자동으로 추천할 수 있는 기능을 개발할 예정이며, 현재 정의된 SNMP MIB 정보를 보강하여 망관리시스템을 고도화하는 연구를 지속할 예정이다.
이는 고객이 밀집된 지역으로 제한된 범위 내에서 고객들의 다양한 전력사용으로 인한 잡음이 많아져서 전력선 통신 감도가 떨어져서 발생된 것으로 분석된다. 이러한 지역은 추후 통신감도 분석을 통해 신호보강 장치 등을 설치하여 가동률을 높일 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지능형전력망이란 무엇인가?
최근 들어 화석연료 사용증가에 따른 과도한 CO2배출로 인한 지구온난화 문제와 전력 생산량의 부족으로 인한 대규모 정전사태 발생, 태양광 발전 및 조력, 풍력 발전 등의 신재생에너지원의 증가 등으로 인해 전력시스템에 새로운 변화인 지능형전력망에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 지능형전력망은 전력의 생산 및 분배 시스템에 정보기술을 적용하여 수요 측과 공급 측의 양방향 통신을 가능토록 하여 전력에너지의 효율성을 극대화하는 차세대 지능형 전력망 인프라로 그 핵심 기술은 지능형검침인프라 (AMI)의 양방향 통신망을 구축하는 것이다 [1].
지능형검침인프라의 두 가지 통신 영역은 각각 무엇인가?
지능형검침인프라는 크게 두 개의 통신영역으로 나눌 수 있다. 첫 번째는 센서나 가전제품에서 스마트미터나 DCU와 같은 집중장치로 전송하는 영역이 있으며, 두번째는 스마트미터나 집중장치에서 전력사의 데이터 센터로 데이터를 전송하는 영역이 있다. 첫 번째 영역에서는 전력선 통신이나 Zigbee, 6LowPAN, Z-wave 등과 같은 무선통신을 주로 사용하며, 두 번째 영역에서는 무선전화나 인터넷 통신을 주로 사용한다 [4].
지능형전력망 구축의 장점은 무엇인가?
지능형전력망 구축을 통해 고객의 15분 단위 검침 데이터를 실시간으로 수집하고, 단기 부하 프로파일을 생성하여 고객에게 정보를 제공할 수 있으며, 수요반응(Demand Response)이나 실시간요금제 (Real Time Pricing)와 같은 고부가 서비스를 고객에게 제공함으로써 전력 공급 효율성을 높여 에너지 위기에 대한 대응력을 높이거나 과도한 CO2 배출로 인한 지구온난화와 같은 환경 문제를 완화시키는 등의 효과를 얻을 수 있게 된다. 한전에서는 지능형전력망 구축의 일환으로 Fig.
참고문헌 (12)
V. Cagri Gungor, Dilan Sahin, Taskin Kocak, Salih Ergut, Concettina Buccella, Carlo Cecati, and Gerhard P. Hancke, "A survey on smart grid potential applications and communication requirements," IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol.9, no.1, pp.28-42, February, 2013.
Young-jun Kim, Do-eun Oh, Jong-min Ko, Young-il Kim, Shin-jae Kang, and Seung-Hwan Choi, "A Remote Firmware Upgrade Method of NAN and HAN Devices to Support AMI's Energy Services," Convergence and Hybrid Information Technology, Springer Berlin Heidelberg, pp.303-310, 2011.
David G. Hart, "Using AMI to Realize the Smart Grid," IEEE PES, General Meeting, pp.1-2, July, 2008.
Vehbi C Gungor, Dilan Sahin, Taskin Kocak, Salih Ergut, Concettina Buccella, Carlo Cecati, and Gerhard P. Hancke, "Smart grid technologies: communication technologies and standards," IEEE Transactions on Industrial informatics, vol.7, no.4, pp.529-539, November, 2011.
박병석, "PLC(전력선 통신) 기술개발 및 표준화 동향", 전기저널 2012년 6월호(통권 제426호), pp66-77, 6월, 2012.
이수묵, 정강식, 임기식, 김명호, "저압원격검침시스템 구축 현황 및 기술동향", 2011 대한전기학회 하계학술대회, pp488-489, 7월, 2011.
지식경제부, "제1차 지능형전력망 기본계획", 7월, 2012.
Su Mi Jung, Chung Ki Seo, and Sang Jin Kim, "The Design of Combined DCU (Data Concentration Unit) System with Power-Line Communication and DOCSIS Cable Modem for AMR (Auto Meter Reading)," Advanced Engineering Forum, vol.2, Trans Tech Publications, 2011.
한국전력공사, "한전일반구매규격: 저압 원격검침용 데이터 집중장치", 10월, 2015.
Byung-seok Park, Cheoul-shin Kang, Young-Hun Lee, and Sangyeom Lee, "Study on Smart Meter Concentration Protocol for AMI," International Information Institute (Tokyo), vol.17, no.3, pp-1065-1070, May, 2014.
Park, Byung-Seok, Cheoul-Shin Kang, and Young-Hun Lee, "Design and Implementation of Smart Meter Concentration Protocol for AMI", Communication and Networking, Springer Berlin Heidelberg, vol.265, pp.179-187, 2011.
박병석, 최인지, 명노길, 강수경, "종단 모뎀 자율검침 방식 AMI 시스템의 개발", 대한전기학회 스마트그리드연구회 추계학술대회 pp1-3, October, 2015.
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