스마트 그리드는 소비자 권한 부여, 신재생 에너지 및 보다 효율적인 에너지 사용, 온실가스 배출 감소, 일자리 창출, 그리고 기술 발전을 가능하게 해준다. 또한 데이터 보호는 중요한 문제이기 때문에 스마트 미터링 기술의 득과 실에 대한 이해를 높이고 정보를 제공하는 한편 보안에 대한 끊임없는 노력을 기울여야 한다. 이 글에서는 스마트 미터링과 스마트 그리드 시스템의 안전한 확산을 위한 방안을 알아본다.

전력 회사 전력망은 발전소를 통해 다수의 소비자에게 많은 양의 에너지를 공급하는데, 중앙 집중형 관리와 일방통행 전력 흐름 방식, 그리고 수동형 네트워크로 이루어져 있다.

그러나 이와 같은 전력망(power grid)에 대한 오래된 인식 체계는 이제 역사 속으로 사라지고 있다. 오늘날의 에너지 네트워크는 보다 많은 선로와 회로 차단기, 변압기는 물론 전자장치와 정보 및 통신 프로토콜들로 구성된다. 부하 사용에 관한 정보는 스마트 미터기를 통해 통신 채널로 보내지며, 이곳에서 전력 회사의 발전 및 제어 센터로 전송된다.

전력망에 이러한 변화를 가져오는 주된 요인은 환경문제이다. 전 세계는 온실가스의 배출을 향후 5년 동안에 1990년도에 비해 20% 줄인다는 목표를 가지고 다양한 방법을 모색 중이다. 스마트 그리드는 전자와 통신 분야의 미래이다. 그렇다면 전 세계적으로 스마트 그리드의 성공적인 채택을 보장하기 위해서는 무엇이 필요할까? 그 두 가지 필수 요소는 바로 표준화와 데이터 보호이다.

이러한 추세는 스마트 미터링 시스템의 출시 준비에 대한 유럽 위원회 권고 성명(European Commission Recom mendation, 2012/148/EU)에서 확인할 수 있다. 

스마트 그리드는 소비자 권한 부여, 신재생 에너지 및 보다 효율적인 에너지 사용, 온실가스 배출 감소, 일자리 창출 , 그리고 기술 발전을 가능하게 해준다. 따라서 회원국들은 진행 상황을 지켜보면서 성능과 구현은 물론 효율성 분석을 위한 지침을 확립해야만 한다. 

또한 데이터 보호는 관련 당사자 모두에게 가장 중요한 문제이기 때문에 스마트 미터링 기술의 득과 실에 대한 이해를 높이고 정보를 제공하는 한편 보안에 대한 끊임없는 노력을 기울여야 한다. 이러한 목표를 가장 잘 달성할 수 있는 길은 대대적인 런칭이나 대규모 시범 사업이다. 

그 이유는 좋은 실례를 만들어 낼 수 있는 기반을 마련할 수 있기 때문이다. 이러한 프로젝트를 통해 권장 사항들을 축적할 수 있고 이는 회원국 내에서 직접 적용할 때  검증된 방법론이 되어 줄 것이다. 유럽 위원회의 성명은 스마트 그리드 기술의 아래 두 가지 측면을 강조한다. 

• ‌스마트 그리드의 통신망에 대한 일반적으로 합의된 표준의 필요성
• ‌스마트 그리드와 스마트 미터링 시스템을 구현하는 한편 소비자 데이터 보호의 근본적인 권리를 보호하는 일의 중요성 
 
목표 달성 방법은?

시스템온칩(SoC) 생산업체는 전력 회사가 고객들의 미터기를 원격으로 판독하고 관리 할 수 있게 하는 제품개발에 집중하고 있다. 스마트 미터링 기능이 통합된 애플리케이션 분야의 IC 제조업체는 스마트 그리드 기술의 성공을 위해 위의 두 가지 포인트를 만족시켜야 한다.

업계의 스마트 그리드 시스템 관리 트렌드는 스마트 미터기 시스템온칩(SoC)에 정밀 미터링 기능과 유연하고 프로그램 가능한 프로세싱 기능을 통합하는 것이다. 

또한 필요한 스마트 그리드 모니터링 및 제어 데이터 모두를 안전하고 효과적으로 송수신하기 위해서는 커넥티비티 서브시스템이 있어야 한다. 현재로서는 전력 케이블을 통신 수단으로 이용하는 전력선 통신(PLC, Power Line Communication)이 스마트 미터링 및 스마트 그리드 시스템에 채택할 수 있는 가장 적합한 커넥티비티 기술일 것이다. 

마지막으로, 데이터 전송을 위한 첨단 보안 방법이 마련되어야 한다. 설계 단계부터 신중하게 접근하면 이 모든 기능들을 하나의 SoC에 통합하고, PLC 링크를 이용해 데이터를 미터기로부터 데이터 수집 장치(DCU, Data Collection Unit)로 송신할 수 있다. 

따라서 계량 기능과 함께 고성능 애플리케이션 코어가 탑재된 프로그래머블 PLC 모뎀을 집적한 스마트 그리드용 SoC가 이상적이라 할 수 있다(그림 1).

그림 1. ‌스마트 미터링용 SoC를 위한 최적의 아키텍처는 애플리케이션 관리를 위한 일차 디지털 코어와 커넥티비티 관리를 위한 이차 디지털 코어, 아날로그 방식의 전력 전용 미터링 기능 그리고 신호를 제대로 감지하여 전력선에 결합시키기 위한 PLC 서브시스템으로 구성된다

한편 스마트 미터기 설계와 구현 시 효율성은 전체 스마트 그리드 시스템의 성능에서 가장 핵심적인 요소라 할 수 있다. 따라서 스마트 에너지 네트워크를 통한 데이터의 실시간 전달을 위해 효과적인 스마트 미터링 프로세스를 통신 프로토콜의 표준화에 맞추는 일과 데이터 보안성이 중요하다. 

반도체 제조업체들은 통신 및 안전 표준(Communication and Safety Standard)을 국제적으로 통일하기 위해 협력해야 한다. 이러한 표준을 각 나라와 지역의 표준에서 최대한 투명하게 스마트 미터 SoC에 이용함으로써 가능한 많은 스마트 그리드 애플리케이션에 탑재할 수 있는 스마트 미터링용 PLC를 구축해야 한다.

이 같은 스마트 미터 시스템의 목표는 그리드의 실시간 제어 및 적용성, 분산되어 생성되는 신재생 에너지원들의 통합, 그리고 다수의 통신 표준 지원 등이다.

이 표준들의 보안은 물리적인 라우터나 통신 암호화와 같은 소프트웨어 방화벽에 의해 이루어져야만 한다. 스마트 그리드 셀 내의 에너지 흐름에 관한 정보는 신뢰성이 높고 안전해서 에너지 낭비를 예방할 수 있으며 전 과정이 최적화된 에너지 관리가 실현돼야 한다.

앞서 말했듯이 스마트 미터기 통합 솔루션의 성공을 위해서는 이러한 표준을 보편적으로 이용할 수 있어야 하고, 스마트 그리드 내의 에너지 흐름이 최적으로 관리되도록 데이터 보호가 보증되어야 한다. 

그래서 모든 스마트 미터링 솔루션이(PLC 커넥티비티의 경우) METERS AND MORE, PRIME, G3-PLC 및 IEEE1901.2와 같이 널리 보급되어 있는 통신 표준을 지원할 수 있어야 한다. 

이러한 프로토콜로 원격 재구성(reconfiguration)할 수 있어서 안전하고 효과적인 전 과정의 통신을 보장해준다. 또한 계량 서브시스템은 전력 측정에 대한 국제적인 미터링 표준을 따라서 서브시스템이 정확성 요건을 충족시키도록 해야 한다.  

정확성 요건을 충족시키고, 다양한 통신 표준을 지원하는 것으로 보안성과 호환성이 우수한 스마트 미터링 시스템 개발에 도움이 될 것이다. 

스마트 미터기 SoC에 이 솔루션을 채택하면 고정밀도의 신뢰성 있는 미터링 프로세스를 확보할 수 있다. EN50470-1, EN50470-3, IEC62053-21, IEC62053-22, 그리고 IEC62053-23 클래스1, 클래스0.5 및 클래스0.2 표준과 같은 고정밀도의 측정 표준들을 지원하기 때문이다.

스마트 미터기 SoC의 효율성이 어떻게 스마트 그리드 시스템의 전반적인 신뢰성을 향상시킬 수 있는지 살펴보자.

멀티코어 서브시스템

미터기 애플리케이션과 미터링 알고리즘을 실행하는 것이 일차 디지털 코어의 주된 기능이다. 턴키 및 유효 전력 계산을 위한 고정배선(hardwired) 디지털 프로세싱도 표준화된 알고리즘을 따르며 도울 수 있다. 

이차 디지털 코어는 PLC 신호처리 엔진으로서 필요하다. 주로 실시간 PLC 기능들을 실행함으로써 일차 코어의 성능에 영향을 미치지 않고 통신 데이터의 실시간 제어를 보장할 수 있다. 중요한 통신 작업 및 애플리케이션 펌웨어와는 분리되어 작업한다. 이 두 코어는 각각의 전용 메모리를 갖추고 있다. 

PLC 엔진은 고성능 PLC 프론트엔드 및 라인 드라이버(Line Driver)와도 직접 연결되어 선로와의 효과적인 신호 커플링과 안전하고 신속한 신호 제어를 보장해 준다. 계량 서브시스템은 고정밀도의 전압 및 전류 센서들로 구성되어 있으며, 그 입력 데이터는 일차 코어로 필터링 및 처리된 후에, 이차 코어로 코드화 되어 DCU로 선로를 통해 전송된다.

데이터 통신의 보안은 암호화 엔진을 이용해 이루어져야만 한다. 그래야 데이터 전송의 보안이 실패해도 시스템 전반의 보안은 영향 받는 일이 없게 된다. 이처럼 고도로 집적화된 스마트 미터기 SoC의 실례로 ST의 STCOMET 플랫폼을 들 수 있다.

이 플랫폼에는 다중 프로토콜 관리를 위한 완전 프로그램 가능형 PLC 신호처리 엔진과 애플리케이션 관리를 위해 프로그램 가능형 SRAM 및 플래시 메모리(그림 2)를 갖춘 ARM32비트 Cortex-M4F서브시스템이 내장되어 있다.

그림 2. STCOMET스마트 미터기 SoC의 블록도

임베디드 미터링 프론트엔드는 클래스 0.2 정밀도 이상의 미터기를 4 kHz의 대역폭으로 지원하는 3채널, 24비트의 시그마-델타 컨버터를 이용해 구현된다. 또한 최첨단 비트 보안 엔진이 탑재되어 있어 보안 데이터 통신은 물론 프라이버시, 무결성 및 인증 기능들을 가능하게 해준다. 

더불어 통합 PLC 엔진은 매우 높은 수신 감도를 가지며, 최고 28V의 피크 투 피크 값 송신 신호 레벨을 지원하여 최대 500 kHz에 달하는 확장 대역폭을 망라한다. 이는 전 세계의 모든 허용 대역폭(CENELEC, FCC, ARIB 등)을 이용하는 한편 가장 높은 링크 이동을 보장한다.

스마트 미터기 SoC는 유연성을 높이기 위해 USART, I2C, CAN과 같이 유명 통신 인터페이스로 구동된다.
스마트 그리드 기술은 향후 수년 내에 커다란 발전을 이룩할 것으로 전망되며, 이와 같은 시스템에서는 다기능 통합, 커넥티비티 표준화 및 전방위적인 보안이 극히 중요하다.

많은 전자 제조업체들은 이 모든 요구사항을 충족시킬만한 해결책을 연구하고 있다. 물론 업체들의 스마트 그리드 및 스마트 미터기 포트폴리오 중에는 일부 뛰어난 제품들도 포함되어 있기는 하지만, 요구사항에 부응할 수 있는 포트폴리오와 기술적 전문지식을 두루 갖추고 있는 반도체 제조업체는 아직 극소수에 불과하다.  

Paolo Scalisi _ ST마이크로일렉트로닉스