[논문]IoT 기반 가스 원격검침(AMI) 플랫폼과 서비스의 실증 연구

이승우; 이상신; 송민환; 권영민

doi:10.7842/kigas.2020.24.3.1

[국내논문] IoT 기반 가스 원격검침(AMI) 플랫폼과 서비스의 실증 연구
An Empirical Research on the IoT Basis Gas AMI Platform and Smart Metering Services 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.24 no.3, 2020년, pp.1 - 10

이승우 (전자부품연구원) , 이상신 (전자부품연구원) , 송민환 (전자부품연구원) , 권영민 (전자부품연구원)

초록
AI-Helper

이 논문은 가스 산업 현장에서 사용하기 위한 스마트 가스미터링 (AMI)의 아키텍처와 서비스의 개발에 관한 내용을 기술하고 있다. 일반적인 가스 AMI 시스템은 스마트 가스 계량기, IoT 네트워크, AMI 플랫폼, 보안 및 운영관리 시스템으로 구성되어 진다. 제안된 가스 AMI 플랫폼은 스마트 미터링 장치와 AMI 서비스 간의 양방향 통신을 지원하고, 여러 타사의 가스미터와 이종 IoT 네트워크와의 상호 운용을 위한 oneM2M 기반의 표준이 적용된다. 제안한 플랫폼을 적용한 AMI 시스템의 실증을 위하여 약 2,900대의 스마트 가스미터를 실제 환경에 설치하고, 1년 동안 가스AMI 시스템을 가동시켰다. 약 94%의 가스미터가 정상적으로 동작하고, 원격검침 서비스가 어떤 에러나 고장 없이 안정적으로 운용되었음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the development of a smart advanced metering infrastructure(AMI) architecture and services for using smart metering in gas industry. A general gas AMI system is composed of a smart gas meter, IoT network, the AMI platform, and an operation management system with security functions. The proposed gas AMI platform supports two-way communication between smart metering devices and AMI services and is applied by oneM2M standard to support interoperability between various types of metering devices and heterogeneous IoT networks. To demonstrating AMI system with the proposed platform, we installed about 2,900 smart gas meters in real environments and operated AMI systems for one year. We verified that about 94% of gas meters are normally worked and AMI services are stably operated without error or malfunction.

주제어

표/그림 (15)

표 Table 1. Comparison of LPWA network characteristics
그림 Fig. 1. Architecture of gas AMI for remote metering services.
그림 Fig. 2. A flow diagram of the gas AMI platform.
표 Table 2. Specification of smart gas meter
그림 Fig. 3. Data flow for interoperability between the gas AMI platform and a network server.
그림 Fig. 4. The model of gas AMI data resources.
그림 Fig. 5. Security of the gas AMI system.
그림 Fig. 6. Mutual authentication procedure.
그림 Fig. 7. End-to-end security procedure.
표 Table 3. Functional requirements for AMI security
그림 Fig. 8. Installed smart gas meter.
그림 Fig. 9. Installed gateway for LoRa network.
표 Table 4. The performance evaluation results of AMI Platform
그림 Fig. 10. Gas AMI management system.
표 Table 5. The deployment results of gas meter

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 가스 AMI 시스템 도입을 위한 기술적 기반 확보 및 신뢰성 확보를 위하여 무선 검침 시스템을 위한 표준 기술연구와 실증 시험을 진행하였다. 가스미터 원격검침은 2004년부터 근거리 무선통신 기술인 Zigbee 네트워크 기술을 사용하여 무선검침 기술 도입이 시도되었다.
본 논문에서는 도시가스의 원격검침 서비스를 지원하는 국내환경에 적합한 가스 AMI 시스템 구축 및 이를 구성하는 요소와 플랫폼에 관한 연구를 진행하였다. 이를 위해, 해외 사례 및 표준 기술을 조사를 기반으로 국내 환경에 맞는 가스 AMI 시스템의 개발 및 실증환경 구축하고 운용을 통해 가스 AMI 기술을 검증하였다.
산업부의 가스 AMI 보급 계획은 에너지신산업 성과확산 및 규제개혁 종합 대책의 일환으로 2022년까지 1,660만호 가스에너지 사용자를 대상으로 기계식 계량기를 무선검침기반 스마트 계량기로 교체를 하는 것을 계획하였다. 이를 통해, 방문검침의 불편을 해소하고 검침 신뢰성 확보와 안전점검 품질 개선을 통해 산업 경쟁력을 높임으로써 도시가스 선진화를 목표로 하였다. 하지만 가스 AMI 의 전면 보급에 앞서 무선검침의 정확도, 배터리 및 보안 등 기술적 문제로 인해 무선검침 관련 실증 기술 확보가 선결과제로 대두 되었으며, 가스 AMI 와 스마트가스미터의 기술 확보 후, 시범사업을 거쳐 단계적으로 전면 보급을 하는 것으로 추진하고 있다.

제안 방법

AMI 플랫폼이 지원가능한 가스미터의 최대규모를 측정하기 위해 검침 데이터 처리 성능 테스트를 수행하였다. 실험에 사용된 AMI 플랫폼의 하드웨어는 2대의 서버로 구성되어 있으며, 각각 듀얼 Xeon E5 CPU 와 16GB RAM 의 사양을 가진다.
무선 통신망을 통해 플랫폼에 전달된 데이터를 규격화된 형식으로 서비스를 제공하고 상호운영성 확보를 위해 범용화된 데이터 모델 형식이 필요하다. 가스 AMI 아키텍처에서 장치 관리 가스미터링 관리를 위해 필요한 ID 체계, 버전 정보, 검침 정보, 계량기 정보, 안전, 상태 등의 정보를 가스 AMI 데이터 모델로 정의하였다. Fig.
NB-IoT 는 LTE 에서 사용되는 주파수와 동일한 라이센스 주파수 대역을 사용하며, QPSK 변조 방식을 사용한다[6]. 기존 LTE 통신에 비해 전송 속도와 기능을 단순화하여 장치 비용을 줄이고, 배터리 소비를 최소화하는 핸드 오버 및 채널 품질 모니터링을 위한 측정 기능과 이중 연결과 같은 LTE 에서 제공하는 기능을 제거하였다. NB-IoT 는 새로운 망을 구축하는 대신 기존 LTE 이동통신 네트워크를 업그레이드를 시켜서 적용이 가능하다.
가스 AMI Bridge 레이어는 통신망 플랫폼과 oneM2M 표준의 공통 플랫폼간의 상 호 연동을 위한 기능을 수행한다. 다양한 가스미터로 부터 수집된 다양한 포맷의 비표준 형식의 데이터를 가스미터 표준 데이터로의 변환하고, 호환성을 제공하기 위한 공통된 표준 데이터 규격으로 변환한다. 또한, 통신사 서버와 공통플랫폼간의 데이터간의 상호 전달 및 서비스 연계를 위한 기능을 수행한다.
도시가스사의 가스 AMI 의 운영 및 관리 및 모니터링을 위해 운영시스템을 개발하여 구축하였다. 운영 시스템은 도시가스사인 삼천리의 요구사항을 수렴하여 진행되었다.
본 논문에서 제안된 가스 AMI 시스템 및 서비스의 실증을 위해 삼천리 도시가스사 테스트베드를 구축하였다. Fig.
하지만, 근거리 통신망의 짧은 통신 거리, 협소한 대역폭으로 인한 통신 처리량의 한계 및 데이터 전송의 불안정함, 그리고 배터리의 과도한 사용 문제로 인하여 시범사업 이후 상용화 및 원격검침 기술의 본격적인 보급 ․ 확산으로 이어지지 못하였다. 본 연구에서는 가스 AMI 의 기술적 기반 확보와 검증을 위해 저전력 광역 통신망을 가스미터에 적용하였으며, oneM2M 표준 기반의 AMI 플랫폼과 서비스 구축을 통한 실증적 연구를 수행하였다. 제안하는 가스 AMI 기술의 신뢰성 확보를 위하여 2,900대가 넘는 가스미터를 실제 가정에 설치하여 실증시험을 진행하였고, 데이터의 수신이 되는 간헐적 통신단말기를 포함한 약 98.
실험에 사용된 AMI 플랫폼의 하드웨어는 2대의 서버로 구성되어 있으며, 각각 듀얼 Xeon E5 CPU 와 16GB RAM 의 사양을 가진다. 부하 성능 측정을 위해 Apache Jmeter 테스트 툴을 사용하여 가스미터의 검침 데이터를 2000개를 생성하여 플랫폼에 전송하였으며, 플랫폼에서 데이터를 초당 처리하는 속도를 10회 반복 측정 실험하였다. SKT LoRa 기반 가스미터 및 LGU NB-IoT 망을 사용하는 계량기 데이터의 10회 반복 데이터 처리 성능(TPS)은 Table 4에 나타나 있다.
무선 통신을 기반으로 하는 가스 AM 환경은 데이터의 외부 노출이나 해킹 등 침입이 발생할 수 있으며, 따라서 가스 사용량 등 개인정보 관련 데이터를 보호하는 보호기술이 필요하다. 이를 위해, 가스미터 및 서버 플랫폼은 보안을 위한 모듈 및 종단(End-to-End) 간의 상호 인증 및 종단 간 송수신 메시지에 대한 데이터 보안 프로토콜을 통하여, 정보를 보호한다.
본 논문에서는 도시가스의 원격검침 서비스를 지원하는 국내환경에 적합한 가스 AMI 시스템 구축 및 이를 구성하는 요소와 플랫폼에 관한 연구를 진행하였다. 이를 위해, 해외 사례 및 표준 기술을 조사를 기반으로 국내 환경에 맞는 가스 AMI 시스템의 개발 및 실증환경 구축하고 운용을 통해 가스 AMI 기술을 검증하였다.
가스 AMI 플랫폼 : 스마트가스미터의 데이터를 수집‧관리하기 위한 체계이다. 이종 통신, 플랫폼간 상호 운용성 확보를 위하여 표준 oneM2M 기반의 개방형 플랫폼으로 이를 위해 오픈 API 를 제공한다. 또한 이종 통신망과의 상호운영성 및 검침 데이터를 표준화하여 저장 및 관리한다.
종단간 보안 기술은 스마트가스미터와 플랫폼간의 상호 인증 과정 이 후 생성된 세션 키(Session Key)를 사용하여 전송하는 데이터(검침, 상태, 제어)를 AES128 기반 암호화를 하여 전송하고, 암호화 데이터를 받은 종단은 복호화 및 검증을 수행한다. Fig.

대상 데이터

본 논문에서 제안된 가스 AMI 시스템 및 서비스의 실증을 위해 삼천리 도시가스사 테스트베드를 구축하였다. Fig. 8에서와 같이 삼천리 권역 경기도 지역에 난검침 지역, 공동주택 및 등에 약 2,900대가 넘는 규모의 가정용 스마트 가스미터의 설치하였다. 통신망은 Fig.
실험에 사용된 AMI 플랫폼의 하드웨어는 2대의 서버로 구성되어 있으며, 각각 듀얼 Xeon E5 CPU 와 16GB RAM 의 사양을 가진다.

이론/모형

LTE 표준에 통합되어 있는 무선 인터페이스로 LTE 망에서 수백 kbps 이하의 데이터 전송 속도와 10km 이상의 광역 서비스를 지원한다. NB-IoT 는 LTE 에서 사용되는 주파수와 동일한 라이센스 주파수 대역을 사용하며, QPSK 변조 방식을 사용한다[6]. 기존 LTE 통신에 비해 전송 속도와 기능을 단순화하여 장치 비용을 줄이고, 배터리 소비를 최소화하는 핸드 오버 및 채널 품질 모니터링을 위한 측정 기능과 이중 연결과 같은 LTE 에서 제공하는 기능을 제거하였다.

성능/효과

Table 4에서 AMI 플랫폼은 SKT 단말기로부터 데이터를 처리속도는 초당 882회이며, 이는 24시간 기준 7,620만개의 데이터 처리가 가능함을 알수 있다. 1대의 가스미터가 하루에 전송하는 횟수를 최대 8회로 가정할 때, 검침 데이터 전송이 스케줄링을 통해 시간대별로 균등하게 데이터 통신이 분배된다면 AMI 플랫폼은 최대 950만대의 가스미터와 통신이 가능함을 보여주었다.
다만, 비면허대역을 사용하는 LoRa 통신의 경우, 주변에 LoRa 모듈을 활용하는 다양한 장치가 있을 수 있으며, 기기간 동시 전송으로 인한 데이터 충돌 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이는 음영지역을 모니터링하여 문제가 발생한 곳을 대상으로 이동 통신망 기반의 NB-IoT 와의 혼용된 사용을 통해 통신 음영지역을 해소가 가능할 것으로 보여 진다.
본 연구에서는 가스 AMI 의 기술적 기반 확보와 검증을 위해 저전력 광역 통신망을 가스미터에 적용하였으며, oneM2M 표준 기반의 AMI 플랫폼과 서비스 구축을 통한 실증적 연구를 수행하였다. 제안하는 가스 AMI 기술의 신뢰성 확보를 위하여 2,900대가 넘는 가스미터를 실제 가정에 설치하여 실증시험을 진행하였고, 데이터의 수신이 되는 간헐적 통신단말기를 포함한 약 98.7%의 가스미터에서 원격 검침 서비스가 정상적으로 실시되고 있음을 확인하였다. 향후 지속적인 서비스 운용 및 음영지역 해소를 위한 중계기 설치 및 이종 통신망(NB-IoT)의 활용을 통해 보다 안정적인 지능형가스미터링 서비스가 제공될 수 있을 것으로 사료된다.

후속연구

기술의 적극적인 보급이 이루어지기 위해서는 AMI 운영 가이드라인의 도출 및 스마트 가스미터 도입에 따른 비용 절감을 위한 계량기 공급자의 자산화와 소비자 편익 제고 방안이 필요하다. 따라서 사용자 정보 제공 앱(App) 개발, 에너지 사용량 절감 유도, 계량 정확도 개선과 같은 소비자의 편익 증대를 위한 추가적 연구가 잇따를 전망이다.
본 연구 에서는 가스 AMI 의 기술적 기반 마련을 위한 기술 개발과 검증을 수행하였고, 확보된 기술은 방문검침으로 인한 사생활 침해, 검침 신뢰성 저하 및 난검침과 같은 사회적 문제를 해결하는 데 활용이 될 것으로 예상된다. 현재의 가스 AMI 기술은 난검침 문제 해결 및 관리의 편의성 증대를 위한 도시가스 사업자 중심의 서비스로 개발·운영되고 있으나, 소비자 편익을 제공하기 위한 서비스는 아직 부족하다.
7%의 가스미터에서 원격 검침 서비스가 정상적으로 실시되고 있음을 확인하였다. 향후 지속적인 서비스 운용 및 음영지역 해소를 위한 중계기 설치 및 이종 통신망(NB-IoT)의 활용을 통해 보다 안정적인 지능형가스미터링 서비스가 제공될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스 AMI 보급 계획의 내용은 무엇인가?	산업부의 가스 AMI 보급 계획은 에너지신산업 성과확산 및 규제개혁 종합 대책의 일환으로 2022년까지 1,660만호 가스에너지 사용자를 대상으로 기계식 계량기를 무선검침기반 스마트 계량기로 교체를 하는 것을 계획하였다. 이를 통해, 방문검침의 불편을 해소하고 검침 신뢰성 확보와 안전점검 품질 개선을 통해 산업 경쟁력을 높임으로써 도시가스 선진화를 목표로 하였다.
	가스 AMI 기술의 적극적인 보급이 이루어지기 위해서 필요한 것은?	현재의 가스 AMI 기술은 난검침 문제 해결 및 관리의 편의성 증대를 위한 도시가스 사업자 중심의 서비스로 개발·운영되고 있으나, 소비자 편익을 제공하기 위한 서비스는 아직 부족하다. 기술의 적극적인 보급이 이루어지기 위해서는 AMI 운영 가이드라인의 도출 및 스마트 가스미터 도입에 따른 비용 절감을 위한 계량기 공급자의 자산화와 소비자 편익 제고 방안이 필요하다. 따라서 사용자 정보 제공 앱(App) 개발, 에너지 사용량 절감 유도, 계량 정확도 개선과 같은 소비자의 편익 증대를 위한 추가적 연구가 잇따를 전망이다.
	가스 AMI 시스템은 어떻게 구성되는가?	이 논문은 가스 산업 현장에서 사용하기 위한 스마트 가스미터링 (AMI)의 아키텍처와 서비스의 개발에 관한 내용을 기술하고 있다. 일반적인 가스 AMI 시스템은 스마트 가스 계량기, IoT 네트워크, AMI 플랫폼, 보안 및 운영관리 시스템으로 구성되어 진다. 제안된 가스 AMI 플랫폼은 스마트 미터링 장치와 AMI 서비스 간의 양방향 통신을 지원하고, 여러 타사의 가스미터와 이종 IoT 네트워크와의 상호 운용을 위한 oneM2M 기반의 표준이 적용된다.

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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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