[논문]세대집중화장치를 포함하는 스마트 전력량계를 이용한 AMI 시스템

박재삼

doi:10.13067/jkiecs.2019.14.3.537

세대집중화장치를 포함하는 스마트 전력량계를 이용한 AMI 시스템
AMI System Using Smart Electricity Meter Embedded with Home Concentrate Unit 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.14 no.3, 2019년, pp.537 - 546

박재삼 (인천대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 스마트 전력량계에 세대집중화장치를 내장하여 AMI에 필요한 가스, 수도, 온수, 난방 검침을 일괄검침하는 시스템과, 검침데이터를 에너지정보표시장치(IHD: In House Display)와 서버로 전송하는 방법을 구성하여 보다 경제적으로 AMI 시스템을 구축하는 방법을 제시한다. 개발된 시스템은 기존 시스템 보다 네트워크 구성에 있어서 가격이 저렴하고 운영비용이 절감되며 설치가 용이하다. 개발된 시스템을 적용하면 전기, 수도, 가스, 온수 및 난방의 5종 계량기의 계량값을 원격검침 하고 이에 대한 AMI 적용을 보다 용이하게 구성 가능하다. 주요개발 내용은 스마트 전력량계 구성과 세대집중화장치 결합 및 이들 데이터를 IHD와 서버로 전송하는 방법이며, 이들 요소들을 연계하여 시스템을 구성하고 실제 검침 동작구성을 테스트하고 그 결과를 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a system that integrates a home concentrate unit(HCU) in a smart electricity meter to collects water, gas, hot water, and heating usage required for AMI has been proposed. The collected data could be transmitted to the in house display(IHD) and server to provide a more economical AMI system. The developed system is less expensive in the network configuration than the existing system, which could reduce the operating cost, and be easy to install. By applying the developed system, the usage of electricity, water, gas, hot water and heating could be measured and these make it easier to apply AMI system. The main contents of the development are the smart electricity meter and embedding of HCU into the smart electricity meter, and transferring these data to IHD and server to structure the AMI system. The each developed unit has been networked to structure the AMI system to perform the actual meter reading operation and show the result.

주제어

표/그림 (10)

표 표 1. 원격검침과 첨단계량인프라 비교 Table 1. Comparison of AMR and AMI
그림 그림 1. 시스템 구성 Fig. 1 Structure of developed system
그림 그림 2. (a) 기존 시스템과 (b) 개발 시스템의 네트워크 연결 비교 Fig. 2 Network comparison between (a) convensional system and (b) developed system
그림 그림 3. 전류 및 전압측정 회로 구조 Fig. 3 Structure of current and voltage measurement circuit
그림 그림 4. 메인보드 구성 Fig. 4 Schematic of main board
그림 그림 5. 전압입력을 위한 아날로그 프론트 엔드 Fig. 5 Analog front end for voltage inputs
그림 그림 6. 전류입력을 위한 아날로그 프론트 엔드 Fig. 6 Analog front end for current inputs
그림 그림 7. HCU를 위한 DC-PLC 회로 Fig. 7 DC-PLC dircuit for HCU
그림 그림 9. 테스트 장면 Fig. 9 A view of system testing
그림 그림 8. (a) 포그라운드 프로세스, (b) 백그라운트프로세스, (c) HCU 프로세스 Fig. 8 (a) Foreground process, (b) Background process, (c) HCU process

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구 개발에서는 계기에 환경설정, 시간입력 등을 위한 별도의 자료 입력기가 필요 없이 동작하도록 하였다. 따라서 필요한 자료를 계기에 입력하기 위하여 조작 스위치를 구비토록 개발하였다. 조작 스위치는 시간대별 요금제 종류를 자유롭게 설정하는 한편 시간설정 및 수정과 자동검침일 수정 등이 가능하도록 하였다.
본 논문에서는 스마트 전력량계에 세대집중화장치를 내장하여 AMI에 필요한 가스, 수도, 온수, 난방 검침을 일괄검침하는 시스템과, 검침데이터를 세대정 보표시장치(IHD: In House Display)와 서버로 전송하는 방법을 구성하여 보다 경제적으로 AMI 시스템을 구축하는 방법을 제시하였다.
본 논문에서는 일반가정에서 가장 많이 사용되는 단상 2선식 스마트 미터기(전력량계) 기능과 미터기 내에 세대집중화장치(HCU)를 포함하도록 하여 하나의 미터기로 자체 전력사용량과 가정내 수도, 가스, 온수, 열량계의 계량값을 통합하여 검침하고 이를 IHD로 전송하여 IHD에서 현재 검침값을 보여주고 이 검침데이터는 IHD를 통하여 서버로 전송되어 저장하도록 개발한다. 그림 2에 기존 시스템과 개발 시스템의 구성의 차이를 보여준다.
크리스탈은 온도 의존성과 전압변동 의존성이 높아 시계의 정밀도에 영향을 줄 수 있으므로 10PPM이내의 X-tal을 사용하였다. 본 연구 개발에서는 계기에 환경설정, 시간입력 등을 위한 별도의 자료 입력기가 필요 없이 동작하도록 하였다. 따라서 필요한 자료를 계기에 입력하기 위하여 조작 스위치를 구비토록 개발하였다.
본 연구에서 개발한 스마트 전력량계는 5종 에너지 미터 사용량을 IHD로 전달하고 이를 통합 서버로 데이터를 전달하기 위한 원격검침 기능을 포함하여 에너지 데이터의 효율적인 관리 및 관리 비용을 절감할 수 있는 첨단 계량 인프라 시스템이다. 연구에 따른 장치는 세대 스마트 전력량계에서 각 세대에 설치된 수도 계량기, 온수 계량기, 가스 계량기, 열량계 검침 데이터들을 수신한 데이터와, 자체내에서 계산된 전력 사용량 데이터들을 IHD로 전송하여 디스플레이하며, IHD에서 상기 검침 데이터들을 원격검침 서버로 송신한다.

제안 방법

이 샘플은 전용 48 비트 레지스터에 추가 처리 되고 누적된다. 1 초동안의 샘플이 누적되면 포그라운 드로 데이터가 준비되었다고 통보하고, 포그라운드에 서는 이를 받아 전압-RMS, 전류-RMS, 전력 및 에너지의 값을 계산한다. 이들 과정은 그림 8(b)에 요약하여 보여준다.
그림 1에 본 논문에서 개발하는 시스템의 구성을 보여주고 있다. 개발하는 전력량계에 포함된 세대 집중화 장치에서 DC-PLC 통신으로 수도, 온수, 열량, 가스 미터기가 연결되어 2선으로 각 미터기에 전력공급과 동시에 통신으로 사용량 정보를 일괄 검침하여 전력계산부로 전달한다. 전력계산부는 전기사용량을 포함한 검침데이터를 RS-485 통신을 통하여 IHD로 전송한다.
개발한 시스템의 테스트는 단위세대별 4종 계량기의 사용량 데이터를 HCU를 통하여 전력량계에서 읽어 계량값을 전력량계의 LCD창에 순차적으로 표시하고 IHD 및 PC로 전송하도록 시스템을 연결 하였다. 그림 9에 조립된 전체 시스템 연결 테스트 장면을 보여준다.
세대정합장치를 포함한 스마트 전력량계 펌웨어는 IAR Embedded workbench를 사용항 C언 어로 작성하였다. 기능은 전력 사용량 계량으로서 순방향 유효전력량 및 역방향 유효전력량을 계산하고, 계량값 표시는 5종(전기/수도/가스/온 수/열량)의 검침값을 5초 주기로 LCD에 순환 표시하도록 하였다. 전체 동작은 포그라운드 프로세스와 백그라운드 프로세스의 두 가지 주요 프로세스로 동작된다.
정전시 지금까지 동작하여 계량된 자료의 보존은 Flash RAM을 사용하므로 정전이 되더라도 문제가 없지만 시계기능 등의 유지를 위하여 정전보상 회로를 구비하여야 한다. 또한 일반 정전 보상회로의 차원을 넘어 100일 이상의 정전이 발생하여도 정전되기 이전의 자료를 보존할 수 있는 회로를 구성하였다. 정전 보상용 감시부는 전원복구시 회복 기능을 제공한다.
서버프로그램은 PC에서 동작하는 기본 프로 그램을 작성하였으며, 데이터베이스 기능 등은 생략하고 동작테스트 위주의 소프트웨어를 Visual C++로 작성하였다.
계기에는 날짜, 시간을 표시할 수 있는 기능을 구비하였다. 시계기능을 구현하기 위해서 전원 주파수(line frequency)를 이용하는 방법, RTC(real time clock)를 사용하는 방법 및 CPU 에서 분주하여 시계 기능을 구현하는 방법이 있는데 본 개발에서는 CPU에서 분주하여 시간을 생성하는 방법을 사용하도록 설계 및 개발 하였다. 시계기능의 정확도를 좌우하는 가장 기본요인은 시계회로를 이루는 부품중의 하나인 크리스탈의 정밀도이다.
전원측정을 위하여 주 전원의 전압(AC 230V/110V)를 1V 이내로 낮추어야 한다. 아날로그 프론트 엔드 전압은 스파이크 보호 바리스터와 간단한 전압 분배기 및 앤티 앨리어싱 필터처럼 작동하는 RC 로우 패스 필터를 이용하여 설계한다. 그림 5는 주 전압 230V의 전압 입력을 위한 아날로그 프론트 엔드를 보여준다.
본 연구에서 개발한 스마트 전력량계는 5종 에너지 미터 사용량을 IHD로 전달하고 이를 통합 서버로 데이터를 전달하기 위한 원격검침 기능을 포함하여 에너지 데이터의 효율적인 관리 및 관리 비용을 절감할 수 있는 첨단 계량 인프라 시스템이다. 연구에 따른 장치는 세대 스마트 전력량계에서 각 세대에 설치된 수도 계량기, 온수 계량기, 가스 계량기, 열량계 검침 데이터들을 수신한 데이터와, 자체내에서 계산된 전력 사용량 데이터들을 IHD로 전송하여 디스플레이하며, IHD에서 상기 검침 데이터들을 원격검침 서버로 송신한다.
원격검침 서버에 수집된 데이터들은 첨단 계량 인프라 처리를 위해 데이터베이스화하며, 상기 검침 데이터들에 기초하여 이벤트 발생을 감지하여, 사전에 설정된 이벤트가 발생한 것으로 판단되면 상기 발생된 것으로 판단되는 이벤트에 상응하는 제어를 수행 함으로써, 각 세대의 세대원이 계량 데이터를 직접 확인할 수 있고, 홈넷 기능과 원격검침 기능이 하나의 장치로 구현됨으로써 설치 및 관리 비용을 감소시킬수 있고 원격검침뿐만 아니라 첨단 계량 인프라 기능도 구현 가능하도록 한 것이다.
이를 위하여 두가지 기능이 필요한데 첫째는 미터기로부터 계량 데이터를 읽어 메모리에 저장하고, 이값들을 순차적으로 LCD에 디스플레이 하는 기능이 고, 둘째는, 이들 계량값을 IHD와 서버로 데이터를 전송하는 기능이다. 이들 두 가지 기능을 처리하기 위하여 UART 포트중에서 1개는 12V DC-PLC 인터페이스로 4종류의 미터기와 연결하여 2선 연결로 통신과 DC 전압공급을 동시에 하도록 하여 미터기의 배터리 소모문제와 통신 문제를 해결하였다. 다른 1개의 UART 포트는 RS-485 인터페이스로 IHD와 연결한다.
따라서 필요한 자료를 계기에 입력하기 위하여 조작 스위치를 구비토록 개발하였다. 조작 스위치는 시간대별 요금제 종류를 자유롭게 설정하는 한편 시간설정 및 수정과 자동검침일 수정 등이 가능하도록 하였다. 정전시 지금까지 동작하여 계량된 자료의 보존은 Flash RAM을 사용하므로 정전이 되더라도 문제가 없지만 시계기능 등의 유지를 위하여 정전보상 회로를 구비하여야 한다.
시계기능의 정확도를 좌우하는 가장 기본요인은 시계회로를 이루는 부품중의 하나인 크리스탈의 정밀도이다. 크리스탈은 온도 의존성과 전압변동 의존성이 높아 시계의 정밀도에 영향을 줄 수 있으므로 10PPM이내의 X-tal을 사용하였다. 본 연구 개발에서는 계기에 환경설정, 시간입력 등을 위한 별도의 자료 입력기가 필요 없이 동작하도록 하였다.

대상 데이터

그림 4에 메인보드 구성을 보여준다. LCD 드라이 버는 MPU 자체내장으로 사용하고, LCD는 독자적으로 개발한 LCD를 사용하였다. 계기에는 날짜, 시간을 표시할 수 있는 기능을 구비하였다.
그림 3은 이들 요소들을 측정하기 위한 회로 구조를 보여준다. 대상 AC 전압 및 주파수는 230 V 또는 120 V 및 60 Hz 또는 50 Hz이다.
백그라운드 프로세스는 ΣΔ 인터럽트를 트리거로 사용하여 전압 및 전류 샘플 (총 3 개의 값)을 수집 한다.
스마트 전력량계 개발을 위하여 선택한 MCU는 TI 사의 MSP430F6736(A)이다. MSP430F6736(A)는 아날 로그 프런트 엔드 2차 시그마-델타 기반의 최대 3개의 24비트 ΣΔ 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 가지고 있어, 차동 입력을 지원하는 아키텍처.

이론/모형

전류신호는 전압신호와는 다르게 부하의 크기에 따라서 값이 변하는 성분이다. 본 개발에서는 CT(: Current Transformer)를 이용하여 전류변환을 하도록 하며, 이는 일반적으로 많이 사용하는 전류 센싱 방법 중의 하나이다. 계기의 오차 등급(class)를 좌우하는 부분이므로 계기의 정밀도(class 1.

성능/효과

개발 시스템은 AMI 시스템 기능을 구현하는데 있어서 홈넷에서 사용하는 단지 서버에 원격 검침 서버의 기능을 수행하도록 함으로써, 원격 검침을 위한 서버 비용이 발생하지 않으므로 서버 구입비와 설치비 및 운영비가 상당히 절약되도록 가능함을 볼 수 있다.
개발 시스템은 세대 내에 설치된 월패드를 IHD 로 사용하여 검침 데이터를 받고, 이 데이터를 월패드 에서 디스플레이하며, 월패드의 메인부에서 상기 계량 데이터들을 세대 인터넷으로 전송 가능하므로 각 세대에 설치된 각종 계량기들에 대한 원격검침 기능 뿐만 아니라 비상시 또는 요구에 의하여 계량기의 차단 기능 등 원격 제어 기능과, 상기 계량 데이터들에 기초하여 이벤트 발생을 감지하여 사전 설정된 이벤트가 발생한 것으로 판단되면 상기 발생된 것으로 판단 되는 이벤트에 상응하는 제어를 수행할 수 있다. 개발된 시스템은 기존 시스템 보다 네트워크 구성에 있어서 가격이 저렴하고 운영비용이 절감되며 설치가 용이하다.
개발 시스템은 세대 내에 설치된 월패드를 IHD 로 사용하여 검침 데이터를 받고, 이 데이터를 월패드 에서 디스플레이하며, 월패드의 메인부에서 상기 계량 데이터들을 세대 인터넷으로 전송 가능하므로 각 세대에 설치된 각종 계량기들에 대한 원격검침 기능 뿐만 아니라 비상시 또는 요구에 의하여 계량기의 차단 기능 등 원격 제어 기능과, 상기 계량 데이터들에 기초하여 이벤트 발생을 감지하여 사전 설정된 이벤트가 발생한 것으로 판단되면 상기 발생된 것으로 판단 되는 이벤트에 상응하는 제어를 수행할 수 있다. 개발된 시스템은 기존 시스템 보다 네트워크 구성에 있어서 가격이 저렴하고 운영비용이 절감되며 설치가 용이하다. 스마트 전력량계 구성과 세대집중화장치 결합및 이들 데이터를 IHD와 서버로 전송하는 방법과, 이들 요소들을 연계하여 시스템을 구성하고 실제 검침 동작구성을 테스트하고 그 결과를 보면 개발된 시스템을 적용시 세대내 계량기의 계량값을 원격검침 하고 이에 대한 AMI 적용을 보다 용이하게 구성 가능할 것이다.
테스트연결 동작 결과 개발 시스템은, HCU 역할을 전력량계에서 하고 수집된 데이터를 세대내의 IHD에 직접 디스플레이 하므로 원격 검침 기능 구현 시에 설치 및 관리 비용을 혁신적으로 감소하고, 세대 내 검침 데이터를 확인할 경우에 가정 내 계량기의 데이 터와 홈넷 시스템에서 표출되는 데이터가 항상 일치 하도록 하여 시스템의 신뢰성를 향상시실 수 있음을볼 수 있다. 또한 양방향 통신이 수월하여 , 원격 검침 서버에 서 각 세대에 설치된 각종 계량기들에 대한 원격 검침과 원격 제어 기능 수행이 가능하고 원격 검침된 데이터들을 데이터 서버에서 통합 관리하여 생성된 빅데이터를 통해 효율적인 에너지 생산 및 관리가 이루어지는 첨단 계량 인프라 기능 수행이 가능한 것을 확인할 수 있다.
또한, 개발 시스템은 각 세대의 계량 데이터를 수신하는 세대집중화장치를 따로 설치할 필요가 없고, 복수의 빌딩들 각각에 설치된 빌딩 집중화 장치들도 따로 설치할 필요가 없고, 복수의 단지들 각각에 설치된 단지 집중화 장치들도 설치할 필요가 없으므로 AMI 검침 시스템 구입 및 설치 비용이 획 기적으로 감소할 수 있다.
시그마-델타 ADC(ΣΔ24)는 독립적으로 동작하여 출력 24비트로 전압과 전류를 동시에 샘플링하여 함께 그룹화 할 수 있으므로 본 개발 시스템이 적합하다.
테스트연결 동작 결과 개발 시스템은, HCU 역할을 전력량계에서 하고 수집된 데이터를 세대내의 IHD에 직접 디스플레이 하므로 원격 검침 기능 구현 시에 설치 및 관리 비용을 혁신적으로 감소하고, 세대 내 검침 데이터를 확인할 경우에 가정 내 계량기의 데이 터와 홈넷 시스템에서 표출되는 데이터가 항상 일치 하도록 하여 시스템의 신뢰성를 향상시실 수 있음을볼 수 있다. 또한 양방향 통신이 수월하여 , 원격 검침 서버에 서 각 세대에 설치된 각종 계량기들에 대한 원격 검침과 원격 제어 기능 수행이 가능하고 원격 검침된 데이터들을 데이터 서버에서 통합 관리하여 생성된 빅데이터를 통해 효율적인 에너지 생산 및 관리가 이루어지는 첨단 계량 인프라 기능 수행이 가능한 것을 확인할 수 있다.

후속연구

개발한 시스템을 실제 현장에 적용하려면 전자적합성 시험으로 정전기방전시험, 무선주파 방사 내성 시험, 급과도 버스트 내성 시험, 전자파 장해 시험 등을 인증 받아야 하고, 기계적 성능 시험으로서 충격 시험, 진동 시험, 방진 및 방수 시험 등을 인증 받아야 하며, 계량 및 계측 시험으로서 오차 시험 및 역률 시험 등을 인증 받아야 한다. 본 연구개발에서는 추후 이러한 인증을 신청할 예정으로 있다.
개발한 시스템을 실제 현장에 적용하려면 전자적합성 시험으로 정전기방전시험, 무선주파 방사 내성 시험, 급과도 버스트 내성 시험, 전자파 장해 시험 등을 인증 받아야 하고, 기계적 성능 시험으로서 충격 시험, 진동 시험, 방진 및 방수 시험 등을 인증 받아야 하며, 계량 및 계측 시험으로서 오차 시험 및 역률 시험 등을 인증 받아야 한다. 본 연구개발에서는 추후 이러한 인증을 신청할 예정으로 있다.
개발된 시스템은 기존 시스템 보다 네트워크 구성에 있어서 가격이 저렴하고 운영비용이 절감되며 설치가 용이하다. 스마트 전력량계 구성과 세대집중화장치 결합및 이들 데이터를 IHD와 서버로 전송하는 방법과, 이들 요소들을 연계하여 시스템을 구성하고 실제 검침 동작구성을 테스트하고 그 결과를 보면 개발된 시스템을 적용시 세대내 계량기의 계량값을 원격검침 하고 이에 대한 AMI 적용을 보다 용이하게 구성 가능할 것이다.
AMI는 표준화된 프로토콜을 통해 시스템 간 상호운용성을 확보하여 미터기를 통한 양방향 통신을 지원 한다. 이를 통하여 전력의 공급자와 수요자 간의 상호 정보제공 수단이 되며 TOU(: Time Of Use), CPP(:Critical Peak Pricing), RTP(: Real Time Pricing) 등 고도화된 Time-based 요금제 지원을 비롯한 다양한 유형의 부가서비스 제공이 가능므로, 이를 통해 수용가 측 DR을 통하여 능동적인 에너지 절감 참여 유도가 가능하고, 부하예상, 부하제어, 정전관리, 전력품질 모니터링 등 전력회사 측면에서의 효율적인 전력 수급을 위한 부가서비스 제공이 가능해 진다.

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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