2.1 혼복합 AMI 네트워크 구성

그림. 1. 혼복합 통신 시스템 구성도

Fig. 1. Configuration of Hybrid Communication for AMI

혼복합 AMI 네트워크는 그림 1과 같이 DCU, 유무선 브릿지, 유무선 모뎀, 스마트미터로 구성된다. DCU는 변대주 근처에 있는 검침모뎀과 직접 통신하여 검침데이터를 수집하고 통신환경이 열악한 지역의 검침데이터를 수집하기 위해 유무선 브릿지와 통신한다. DCU는 2개의 공통 통신인터페이스를 가지고 있으며 이종의 통신망을 통해 검침데이터 수집이 가능하다. 유무선 브릿지는 유무선 검침모뎀과 통신하며 이종 네트워크 연계 및 검침데이터 중계 기능을 한다. 또한, 유무선 검침모뎀은 시리얼 통신을 통해 스마트미터로부터 검침데이터를 수집하며 다양한 통신 방식(국산 고속PLC, 외산 고속 PLC, 저속 PLC, WiSUN, TVWS)을 이용하여 DCU 또는 브릿지와 통신하는 모뎀으로 총 5종의 모뎀을 개발하였다. 스마트미터는 수용가의 전력사용량을 계측하는 장치이다.

2.2 공통 통신인터페이스

DCU와 유무선 브릿지는 다른 종류의 통신방식을 지원하도록 설계하였다. 현재 적용되고 있는 AMI 통신모뎀들의 전기적 특성(소모전력, 사용전원 등), 물리적 인터페이스 특성(커플러, 안테나 등), 통신 인터페이스(MII, SPI, UART 등)을 분석, 적용함으로써 하나의 인터페이스를 통해 이종의 통신방식이 연결할 수 있도록 공통 통신인터페이스를 구현하였다.

표 1은 공통 인터페이스 핀의 용도를 표현한 핀맵이다. 공통 통신인터페이스는 하나의 인터페이스로 전원 공급, 저속/고속 통신 및 여러 가지 데이터 통신방식(PLC, WiSUN, TVWS 등)의 수용이 가능하다.

$\quad$ · 전원 Pin(1~4, 38~40) : 12V/3.3V 전원공급

$\quad$ · 모드 Pin(8~10) : 시리얼, 고속, 간선망 통신 구분

$\quad$ · 저속통신 Pin(5~6) : 시리얼 통신용 정보교환

$\quad$ · 고속통신 Pin(15~33) : 고속 통신용 정보교환

2.3 공통 통신 프로토콜

혼복합된 네트워크에서 검침데이터 중계, 이종 네트워크의 연계 및 관리를 위해서는 유무선 AMI 통신망에 최적화된 통신 프로토콜이 필요하며 혼복합 AMI 통신시스템에서의 통신 요구사항은 다음과 같다.

$\quad$ · 데이터중계가 용이하도록 동일한 프레임포맷 사용

$\quad$ · 이기종망에서의 검침데이터 수집 및 중계

$\quad$ · 통신방식별 망관리 정보 수집

$\quad$ · 혼복합 AMI 네트워크 구성에 적합한 보안기능(인증, 암호, End-to-End 보안) 지원

이를 위해 IP 네트워크의 통신에 적합하도록 이더넷 프레임 기반의 혼복합 AMI용 검침데이터 포맷을 설계하였다. 이와 같이 프레임 포맷을 설계함으로써 5종의 유무선 모뎀과의 통신을 하나의 프레임포맷을 통해 통신이 가능하게 하였으며, 환경에 따라 유연한 통신망의 구성 및 관리가 가능하다.

또한, 검침데이터와 망관리 정보가 동일한 프레임포맷으로 전달되도록 설계하여 검침데이터가 어떤 통신방식을 통해 전달되는지 확인할 수 있으며, 통신기술별로 망관리 정보를 전달할 수 있도록 확장 가능한 구조로 설계하여 미래의 새로운 통신기술도 수용하여 AMI 네트워크를 구성할 수 있도록 설계하였다.

공통 통신 프레임포맷은 표 2와 같이 프레임 헤더, 프레임 페이로드, 프레임 테일로 구성된다. 데이터의 구분과 제어를 담당하는 프레임헤더는 start flag, network type, frame control, frame option, sequence number, source address, destination address 필드 등으로 이루어진다.

$\quad$ · start flag : 프레임의 시작을 알림(2바이트)

$\quad$ · network type : 통신방식을 구분(0x00 : PLC, 0x01 : Wi-SUN 등)

$\quad$ · frame control : 멀티 프레임 구분, ack 요청 등 프레임 제어를 위한 정보

$\quad$ · frame option : 프레임의 종류(ack, bypass, 검침, 제어, 보안 등), address/network status/security 필드 유무를 구분하는 필드로 이 필드의 정보에 따라 각 필드의 길이가 다름

$\quad$ · network status : 모뎀의 네트워크 정보(모뎀 ID, RSSI 등) 확인을 위한 필드

프레임페이로드는 검침 정보, 네트워크 관리정보 등 실질적으로 전송하고자 하는 데이터를 담는 필드이며, payload, security control(1바이트), nonce(8바이트), 인증태그(32바이트), 전자서명(64바이트) 등으로 구성된다. Security 필드의 정보에 따라 암호화, 인증, 전자서명 등의 보안기능이 달라진다.

마지막 프레임테일은 프레임의 끝을 표시하는 필드로 데이터의 무결성을 검증하기 위한 2바이트의 cyclic redundancy check (CRC) 데이터를 포함한다.

그림 2는 공통 인터페이스를 이용한 통신절차를 나타내고 있다. DCU와 직접 연결된 모뎀은 검침데이터를 DCU로 전송하고, 브릿지를 통해 DCU와 연결되는 모뎀은 브릿지를 통해 DCU로 검침데이터를 전송한다. 망관리데이터는 DCU가 수집주체가 되어 DCU와 직접 연결된 모뎀과 브릿지를 통해 네트워크가 연결된 모뎀에 망관리데이터 요청 명령을 전달하고 이에 대한 응답을 받는 방식으로 수집한다. 검침정보와 망관리 정보는 상위 운영서버로 전송하기 위해 다수의 검침 정보와 망관리 정보를 전송하는데 적합한 Front End Processor (FEP) 프로토콜과 Simple Network Management Protocol (SNMP) 프로토콜로 변환되어 전송된다. 이와 같이 검침데이터 수집성능 향상을 위해 검침데이터가 생성될 때마다 상위 시스템으로 보고하는 Push 형식의 통신절차로 설계하였고, 다양한 통신기술이 혼합 및 복합된 네트워크에서 이기종 망의 관리정보를 수집할 수 있도록 통신 절차를 설계하였다.

그림. 2. 공통 인터페이스를 이용한 통신 절차

Fig. 2. Communication Procedure using Common Interface

2.4 Push기반 검침프로세스

전국의 AMI 인프라 구축에 비용이 많이 소비되기 때문에 DCU당 수용호수를 늘리기 위한 노력이 계속되고 있지만 인증, 데이터 요청, 응답 등의 여러 단계의 프로세스를 거쳐 데이터를 수집하는 기존의 polling 프로세스로는 쉽지 않다. 이는 시리얼 인터페이스를 사용하고 있는 모뎀과 스마트미터 구간에서 병목 현상이 발생하여 한 대의 DCU로 200호 이상의 수용가를 수집하는 것은 이론상 불가능하고, DCU 한 대당 수용호수가 많아질 경우 polling 방식은 검침데이터 적시 수집률이 저하된다는 문제점이 있다. 따라서 DCU 수용호수를 증가시키면서 적시 수집률을 향상시키기 위해서는 데이터 수집 프로세스의 간략화가 필요하며, 이를 위해 그림 3과 같이 최근 이슈가 되고 있는 Device Language Message Specification (DLMS) Push 프로세스를 기반으로 하여 검침 프로세스를 변경하였다.

그림. 3. 혼복합 통신 AMI의 검침데이터 수집 프로세스

Fig. 3. Metering Data Collecting Process of Hybrid AMI System

Push 방식의 검침은 모뎀이 주기적으로 검침을 수행하고 이를 DCU로 보고하는 방식이다. 따라서 검침을 위해 전력량계를 순차적으로 검침할 필요가 없고 전력량계와의 DLMS 통신상의 세션을 DCU가 아닌 모뎀이 관리하므로 관리상의 문제가 사라진다. Push방식의 경우 한전에서 자체 개발한 Smart Metering Control Protocol (SMCP) push⁽¹¹⁾와 전력량계 국제 표준 통신 프로토콜인 DLMS push 방식이 있다. DLMS push 방식은 실시간 데이터 전송은 가능하나 Push 패킷이 랜덤하게 발생하므로 전송과정에서 패킷 충돌 가능성이 높아진다. 본 연구에서는 기존 DLMS Push 메커니즘에 ack 및 재전송 메커니즘을 적용하여 Push 방식의 신뢰성을 향상시켰다. DLMS push 기능설정이 지원되는 스마트 미터는 pre-established AA를 이용하여 push 스케줄러에 의해 Data Notification 데이터를 push 방식으로 전송하고 이를 수신한 DLMS 클라이언트인 DCU는 Data Ack를 전송한다. 전송과정에서 충돌이 발생하여 스마트미터가 Timeout 시간내 Ack를 받지 못하면 스마트미터는 DLMS 패킷을 재전송한다. 만약 두 번의 재전송에도 불구하고 데이터 전송에 실패하면 DLMS Client인 DCU가 누락검침 프로세스에 따라 검침데이터를 수신하지 못한 스마트미터로부터 폴링방식으로 검침데이터를 수집하여 검침성공율을 향상시킨다.

2.5 공통 인터페이스기반 AMI 시제품

유무선 통신기술을 혼합 및 복합하기 위해서는 네트워크 중계 및 네트워크 관리를 담당하는 DCU 및 브릿지의 기능 설계가 상당히 중요하다. DCU와 브릿지의 핵심기능은 데이터 리피팅, 이기종 미디어 변환, 검침데이터 관리, 유무선 네트워크 최적 경로 관리 및 망 운영정보 관리이며 이를 위해 소프트웨어 구조를 그림 4와 같이 설계하였다. 혼복합 DCU의 필수 소프트웨어는 Configuration Manager, Fault Agent, DLMS Agent 및 Security Agent이다. Configuration Manager, Fault Agent는 혼복합 네트워크의 구성관리 및 장애 관리기능을 담당하고 DLMS Agent는 검침데이터의 수집 및 관리를 위해 DLMS 패킷 분석 및 데이터 처리를 담당한다. Security Agent는 검침데이터의 안전한 전송을 위해 검침데이터의 암호화, 메시지 인증 기능을 수행한다.

그림. 4. 혼복합 DCU 소프트웨어 구조

Fig. 4. Software Architecture of Hybrid DCU

그림 5은 혼복합 DCU의 블록도로 응용 소프트웨어 및 커널이 동작하는 64Mbyte SDRAM, 부트로더와 커널 이미지 및 검침데이터를 저장하는 NAND 플래시, 이기종 통신을 지원하기 위한 공통 통신인터페이스로 구성된다. 혼복합 DCU는 2개의 공통 통신인터페이스를 지원하고 있으며, 하나의 인터페이스로 고속과 저속 통신을 동시에 지원할 수 있기 때문에 최대 4개의 이종 통신모뎀과 통신이 가능하다. 또한, 간선망 통신을 지원하기 위해 WAN 통신 포트 1개도 지원하며 현장 점검을 위한 콘솔 방식으로 B-CDMA 통신도 지원한다.

그림. 5. 혼복합 DCU 블록도

Fig. 5. Block Diagram of Hybrid DCU

혼복합 통신 시작품은 용도에 따라 통신망을 가변적으로 구성할 수 있도록 통신모듈의 탈부착이 가능한 구조이다. 그림 6은 고속 PLC와 WiSUN 두가지 통신 방식을 동시에 수신할 수 있는 DCU이다. 브릿지는 DCU와 동일한 하드웨어 구조로 되어있지만 검침데이터 및 망관리 데이터 관리기능은 수행하지 않고 데이터 중계 역할만 수행한다.

그림. 6. 혼복합 DCU 메인보드(PLC↔WiSUN)

Fig. 6. Hybrid DCU　Mainboard(PLC↔WiSUN)

3.1 테스트 베드 구축

단독주택 및 연립주택이 주로 분포된 대전 전민동 일대의 552가구를 대상으로 테스트베드로 선정하였으며, 그림 7과 같이 혼복합 AMI 통신망을 구성하였다. PLC만을 이용해서 시스템을 구축할 경우 PLC신호가 변압기를 통과할 수 없어 1번 지역만 AMI 시스템 구축이 가능하지만, 혼복합 AMI 시스템을 이용하여 총 9개의 변압기로부터 수전받는 저압 고객의 검침정보 수집할 수 있도록 구성하였다.

그림. 7. 혼복합 통신 테스트베드 구성도

Fig. 7. Architecture of hybrid AMI Testbed

그림 7에서 D는 고속PLC와 WiSUN 두가지 통신방식을 지원하는 혼복합 DCU를 나타내며, B1은 DCU와 고속 PLC로 통신하고, 스마트미터와 저속PLC로 통신하는 브릿지이고, B2는 DCU와 고속 PLC로 통신하고, 스마트미터와 WiSUN으로 통신하는 브릿지이다. 1번과 2번 지역은 각각 고속PLC와 WiSUN를 이용해서 DCU가 직접 검침하는 지역이고, 3번과 4번 지역은 브릿지까지는 고속 PLC를 이용하고 스마트미터까지는 각각 저속 PLC와 WiSUN을 이용하는 지역이다.

1번 지역은 DCU가 설치된 변대주로부터 30m이내의 거리에 있는 수용가를 고속PLC로 검침하며, 3번 영역은 새로운 변대주로부터 15m이내에 있는 수용가를 저속PLC로 검침하는 지역이다. PLC만으로는 검침범위 확장에 제한이 있어 30m이상의 범위에 있는 수용가에 대해서는 WIiSUN 통신을 사용하였다. 그림 7의 4번 지역에서 안정적인 통신이 가능하도록 무선망 시뮬레이터⁽¹⁰⁾를 이용하여 Wi-SUN 통신망을 설계하여 3대의 브릿지와 5대의 리피터를 설치함으로 직경 500미터 이내의 전체 테스트베드에서 –50 ~ -65dBm의 RSSI를 확보하였다.

3.2 검침성능 분석

그림 8는 테스트베드의 일간 검침성공률이다. 녹색 실선이 4번 지역의 고속PLC+WiSUN 사용시 검침성공률을 나타내며, 유동인구가 많은 저녁시간대가 주간시간대보다 검침성공률이 변화가 크다. 검정색 실선은 고속PLC+저속PLC를 사용하는 3번 지역의 검침성공률을 나타내는데, 저녁시간대에 발생하는 생활 잡음의 영향으로 약 1시간 동안 검침데이터 전송이 불가능한 상황이 일시적으로 발생하기도 하였다. 회색 실선은 고속PLC만을 사용하는 1번 지역의 검침성공률을 나타내며, 24시간 동안 100%의 검침성공률을 보였다.

그림. 8. 일간 검침 성능

Fig. 8. Daily metering performance

표 3은 3주 동안 5분 주기로 Load Profile(LP)을 검침한 평균 검침성공률을 보여 주는데, 고속PLC 영역은 94.4%, 저속PLC 영역은 94.1%, WiSUN 영역은 97.5%의 검침성공률을 보여준다. 테스트 베드 전체의 평균 검침성공률은 96.2%이다. 그림 8과는 달리 저속PLC 영역의 평균 검침성공률이 높게 나온 것은 3주간의 평균이기 때문이다.

표 4는 기존 고속PLC 시스ㅏ과의 성능을 비교한 것이다. 고속PLC기반 AMI 시스템은 200m 이내의 200호를 검침하는데 최소 15분이 소요되는 반면, 혼복합 AMI 시스템은 500m 이상의 범위를 대상으로 검침이 가능할 뿐만 아니라, 500호 이상의 가구를 검침하는데 5분이 소요된다. 더불어 혼복합 AMI 시스템은 고정형 네트워크가 아니라 환경에 따라 유연하게 검침망을 구성할 수 있는 장점이 있다.