전기전자/정보통신

Nikkei Network_2022.6 특집 요약 (p34-41)

차세대 스마트 미터의 충격
사업자와 이용자가 서로 융통하는 스마트그리드(차세대 전송망)

일본 최초의 전기 가로등이 도쿄 긴자에 등장한 것이 1882년. 그 이후, 국내의 모든 장소에 전력망이 깔렸다. 이 전력망이 ‘100년에 한 번’의 변혁기를 맞이하고 있다. 사업자와 이용자가 전력을 서로 융통하는 ‘스마트 그리드(차세대 송전망)’가 그것이다.

-- 갱신기를 맞이하는 스마트 미터 --
스마트 그리드를 실현하기 위해서는 실시간으로 전력의 이용 상황을 파악하는 시스템이 필수다. 그래서 사용되는 것이 ‘스마트 미터’다. 스마트 미터는 전자식 전력/가스/수량계로, 통신 기능을 내장해 이용자 측의 에너지 사용량을 원격 감시할 수 있다.

전력 업계에서는 도쿄전력이 2014년에 도입한 것을 계기로, 기존의 아날로그 방식에서 본격적인 치환이 시작되었다. 공장이나 오피스 빌딩 등에서 사용되는 고압용 미터는 2016년도에 도입이 완료되었다. 일반가정 등에서 사용되는 저압용은 2024년도 말까지 도입을 완료할 예정이다.

-- 사양 통일로 조달 비용 절약 --
전력 미터의 사용 기한은 최장 10년으로 법률로 정해져 있다. 즉 2024년에는 초창기에 도입한 스마트 미터의 교환이 시작된다. 이것을 계기로 한층 더 고기능의 차세대 미터로 대체하는 것을 계획하고 있다. 전력 수급의 안정화나 이용자 측의 편리성 향상 등이 목적이다.

전력용 스마트 미터는 전력 사용량 등을 계측하는 ‘계량부’와 계측한 데이터를 송수신하는 ‘통신부’로 구성된다. 현행 저압용 미터는 2종류가 있다.

도쿄전력 파워 그리드나 주부전력 파워 그리드 등 8사가 채용하는 ‘일체형(계량부와 통신부가 일체)’과 간사이전력 송배전과 규슈전력 송배전을 채용하는 ‘유닛형(계량부와 통신부가 분리)’이다.

송배전망협의회에 따르면, 차세대형은 조달 비용의 저감이나 사업자 간 미터의 융통성 등을 고려해 일반 송배전 사업자 10사에서 사양을 통일할 방침이라고 한다. 일반 송배전 사업자는 전력 자유화의 일환으로서 발송전(發送電) 분리에 의해 독립된 송전망 운영회사를 가리킨다.

-- 차세대 규격이 거의 확정 --
자원에너지청은 20년 9월부터 22년 3월에 걸쳐 ‘차세대 스마트 미터 제도 검토회’를 개최, 전문가나 업계 관계자를 모아 차세대형에 요구되는 기능 등을 검토했다. 자원에너지청은 22년 3월 8일, 검토회에서 작성한 정리안을 공개.

22년 3월 하순에는 이 정리안에 대한 퍼블릭 코멘트(의견모집)를 실시했다. 퍼블릭 코멘트를 반영한 것을 초안으로 하여, 이르면 22년 상반기에 상세한 사양서를 작성할 계획이다.

당초에는 24년도부터 차세대형으로 교환을 시작할 예정이었다. 그러나 차세대형 논의를 바탕으로 일정을 정밀 조사해 1년 늦추기로 했다. 이 때문에 24년에 사용 기한을 맞이하는 미터는 현행형의 신품으로 교환하게 된다. 34년도에 모든 미터의 교환을 완료할 계획이다.

-- '5분값'으로 운용을 고도화 --
이제부터는 차세대 스마트 미터의 새로운 주요 기능인 ‘5분값’ ‘무선 LAN 접속’ ‘제3의 통신 경로’에 대해 설명한다. 우선 ‘5분값’이다. 이를 통해 상세한 전력 소비 정보를 수집한다. 5분값 자체를 설명하기 전에 스마트 미터의 통신 경로에 대해 설명해 두자.

스마트 미터의 통신 경로는 크게 2개다. 전력사업자에 있는 ‘미터 데이터 관리 시스템(MDMS)’과 연결되는 통칭 ‘A루트’와, 집합주택이나 빌딩의 에너지관리시스템(EMS)으로 연결되는 통칭 ‘B루트’이다. A루트는 계측한 데이터를 전력사업자에게 송신하는 ‘자동 검침’ 등에 사용한다.

현행형 미터에서는 이용자의 전력 사용량을 30분 단위로 취득(30분값)하고, 이를 A루트를 통해 전력사업자에게 전송하고 있다. 전력사업자는 이 데이터를 기본으로 전기요금 등을 계산한다. 차세대형은 이용자의 전력 사용량이나 전압 등의 데이터를 5분 단위로 계측해 전송할 수 있다. 이게 5분값이다.

기존 운용에서는 고압의 전선로에 설치한 센서 내장형 개폐기(센서 개폐기)를 통해 계통 전체의 전기 흐름이나 전압을 감시 및 제어해 왔다. 그러나 태양광 발전 시스템 등의 재생가능에너지가 도입되면 전력 수급의 정밀한 파악과 제어가 요구된다. 재생가능에너지는 발전량이 날씨 등의 상황에 좌우되기 때문이다.

재생가능에너지에 의한 전력 공급이 수요를 초과하면 전력망의 전압이나 주파수 등의 전력 품질이 저하되거나 예상치 못한 역조류(이용자 측에서 전력사업자의 발전 설비로 전기가 역류하는 현상)가 발생해 정전을 초래할 우려가 있다.

-- 5분값 수집은 일부 미터만 --
“그러한 이유로 차세대형의 5분값을 활용하여 배전 계통의 정밀한 감시·제어를 목표로 한다”(송배전망협의회). 5분값 데이터를 분석해 전기의 흐름이나 전압 제어 등에 활용한다.

예를 들어, 특정 지역에서의 전력 수급이나 전압 변동 등을 실시간으로 분석해 전기의 흐름이나 전압을 정밀하게 제어한다. 이를 통해 재생가능에너지를 보다 많이 받아들일 수 있도록 한다. 결과적으로 재생가능에너지의 도입 확대로 연결한다.

다만, 모든 미터의 5분값을 전력회사에 전송하는 것은 비용적으로 어렵다. “A루트의 통신 부하나, 5분값을 받는 시스템의 부하가 매우 커진다”(전력업계 관계자). 그래서 일부 미터를 통해서만 수집한다. 전체상은 통계적인 방법 등을 이용해 보충하는 어프로치다.

차세대형에서는 모든 미터가 5분값을 본체 내에 저장한다. 이 중 10% 정도의 미터로부터 히스토리컬 데이터로서 수일 이내에 수집한다. 또한 3% 정도의 미터로부터 실시간 데이터를 10분 이내에 수집한다. 5분값의 활용으로 얻을 수 있는 경제 효과와 통신∙시스템의 증강에 드는 비용을 계산해서 수집하는 미터의 비율을 결정했다고 한다.

-- B루트에 무선 LAN을 채용 --
차세대형 스마트 미터의 새로운 기능 중에서 이용자에게 유익한 기능은 B루트에 2.4GHz대의 무선 LAN을 채용하는 점이다. B루트를 경유해 계측 데이터를 받은 EMS가, 소비전력의 가시화나 전력의 공급 상황에 따라 이용자의 전력 사용을 제어하는 '디맨드 리스폰스' 등에 활용한다.

가정 전용의 EMS를 ‘HEMS’, 빌딩 전용의 EMS를 ‘BEMS’라고 부른다. 현행의 전력 미터에서는 B루트에 사용할 수 있는 무선 통신 규격은 ‘Wi-SUN’뿐이다. Wi-SUN은 IoT용으로 개발된 920MHz대의 전파를 사용하는 규격이다.

현행 미터에서 Wi-SUN이 채용된 주된 이유는 ‘쉬운 연결성’이다. 스마트 미터는 일반적으로 야외에 설치된다. 이 때문에 스마트 미터와 가옥 내 네트워크 사이에는 벽 등의 장애물이 있는 경우가 많다. Wi-SUN이 사용하는 920MHz대 전파는 무선랜이 사용하는 2.4GHz대나 5GHz대 전파에 비해 도달성이 높아 장애물의 영향을 받기 어렵다.

현행 미터에 채용이 결정되었을 당초에는 “HEMS 기기나 가전제품 등이 Wi-SUN에 대응할 것으로 기대를 했었다”(Wi-SUN 관련 사업자). 소비자의 에너지 절약에 대한 의식이 높아지면서 정부가 HEMS 도입 촉진 사업 등을 실시했기 때문이다.

그러나 실제로는 Wi-SUN 대응의 HEMS 기기나 가전제품은 거의 보급되지 않았다. Wi-SUN은 물리층에 ‘IEEE 802.15.4g’, MAC 층에는 ‘IEEE 802.15.4/4e’라는 규격을 채용하고 있어 무선 LAN과는 사양이 전혀 다르다.

게다가 상위 프로토콜도 다른 부분이 많아, 무선 LAN의 하드웨어나 소프트웨어의 자산을 사용할 수 없다. 이 때문에 대응 비용이 높아진다. 이것이 B루트의 활용을 방해하는 장벽 중 하나가 된 것으로 보인다.

PC나 무선랜 라우터를 Wi-SUN 대응으로 하는 USB 동글 등도 제품화가 되었지만 거의 보급되지 않았다. 이렇게 현행 미터의 B루트 기능은 별로 사용하지 않는 ‘보물’이 되어 버렸다.

-- 무선 LAN 라우터와 직접 접속 --
차세대형에서는 이러한 반성을 바탕으로 2.4GHz대의 무선 LAN을 사용하기로 했다. 2.4GHz대의 무선 LAN은 홈 라우터, PC, 스마트폰 등 가정에 있는 다양한 기기에 탑재되어 있다. 무선 LAN을 매개로 스마트 미터에 접속할 수 있는 기기를 늘려, B루트의 활용을 촉진할 생각이다.

무선 LAN에 의한 B루트의 접속에는 가정 내의 무선 LAN 라우터 등을 이용한다. 이것을 ‘네트워크 공용’이라고 부른다.

차세대 스마트 미터 제도 검토회에서는, 스마트 미터와 무선 LAN 라우터를 HEMS를 매개로 접속하는 ‘네트워크 비공용’도 검토했다. 그러나 HEMS를 준비하지 않아도 B루트를 사용할 수 있는 편이, 이용자의 편리성이 높다고 판단해 네트워크 공용을 선택했다.

무선 보안에 관해서는, ‘WPA2 이상의 무선 LAN 라우터 밖에 접속할 수 없도록 제한을 걸면, 일정한 보안을 담보할 수 있다는 결론에 이르렀다”(자원에너지청 전력∙가스사업부 정책과).

-- 무선 LAN 기능은 옵션 --
앞에서 말한 바와 같이 스마트 미터는 전력을 계측하는 계량부와 계측 데이터 등을 송수신하는 통신부로 구성된다. 그러나 현행 미터에서는 암호키를 통해 양자를 잇는 페어링을 실시하고 있다.

이 때문에 일부를 제외하고는 교환 불가능한 구조로 되어 있다. 그래서 차세대형에서는 재페어링이 가능한 설계로 하여 통신부를 교환할 수 있도록 한다.

2.4GHz대의 무선 LAN을 사용한 B루트는 이 구조를 사용해 실현한다. 표준에서는 Wi-SUN 대응 통신부를 사용한다. 무선 LAN은 Wi-SUN에 비해 전파 도달성이 낮고 통신 범위가 좁다.

각 가정의 환경에 따라서는 연결되지 않을 가능성이 있기 때문이다. 이용자의 요구에 따라 전력사업자가 무선 LAN 대응 통신부로 교환한다. 교환할 때 이용자 측의 비용은 발생하지 않는다.

차세대 스마트 미터 제도 검토회에서는, 920MHz대의 전파를 사용하는 ‘IEEE 802.11ah’의 채용도 검토하고 있었다. 하지만 IEEE 802.11ah는 아직 대응 기기가 등장하지 않았기 때문에, 우선은 널리 보급되고 있는 2.4GHz대 무선 LAN을 사용하기로 했다. 장기적으로는 통신부를 교환함으로써 IEEE 802.11ah 등의 새로운 통신 방식에도 대응이 가능하도록 할 방침이다.

최근에 가정 내의 소비 전력량을 생활 행동의 분석이나 고령자 돌봄 등에 활용하는 시도가 활발해지고 있다. 또한 최근의 전력 부족을 배경으로, 디맨드 리스폰스에 의한 수급 밸런스 조정의 필요성도 높아지고 있다. 이러한 대응에는 B루트의 활용이 필수다.

-- 제3의 루트를 신설 --
마지막 기능은 제3의 통신 경로 신설이다. ‘IoT 루트’라고 부른다. 전력 미터를 사용해 취득한 검침 값은 A루트를 경유해 전력 사업자에게 송신된다. 전력 미터는 대부분의 주택, 빌딩, 공장 등에 설치되므로, 전국 구석구석을 커버하는 네트워크를 형성한다. IoT 루트는 이 통신 인프라를 전력 미터 검침 이외에도 활용하기 위해 마련되었다.

IoT 루트에는 전력 이외의 미터를 연결한다. IoT 루트로 연결되는 미터는 2종류가 있다. ‘특례 계량기’와 ‘가스/수도 미터’다. 특례 계량기는 22년 4월 1일에 시작된 '특정 계량 제도'에 대응하는 미터다. 기존의 ‘계량법’에 근거하는 전기 계량 제도에서는, 엄격하게 정해진 검정시험에 합격한 미터를 갖추지 않으면 전력을 거래할 수 없었다.

그러나 최근 가정용 태양광 발전 시스템이나 전기자동차(EV), 대형 축전지와 같은 ‘분산형 전원’의 이용이 증가하고 있다. 이러한 기기가 취급하는 전력을 거래하기 위해서 계량법을 완화할 필요가 있었다. 그래서 탄생한 것이 특정 계량 제도이다.

-- 기기가 구비하는 데이터를 수집 --
특정 계량 제도는 계측 정확도 등이 일정 기준을 충족하면 계량법 검정을 받지 않은 미터라도 전력 거래에 사용할 수 있도록 하는 제도다. 이 새로운 제도에 근거하는 미터가 특례 계량기다.

이것에 의해, “EV에 축적된 전력을 거래하는 경우에 충방전 설비의 계측 데이터를 사용하고 싶다” “제3자가 각 가정의 지붕에 설치한 태양광 발전 시스템에게서 전력을 구입할 때 파워 컨디셔너(태양광 발전에 의한 직류 전력을 가정에서 사용할 수 있는 교류로 변환하는 장치)의 계측 데이터를 사용하고 싶다” 등의 요구에 대응할 수 있다.

-- 무선 경유로 일괄 수집 --
차세대 스마트 미터에서는 특례 계량기의 30분값을 IoT 루트 경유로 수집해, A루트로 전력사업자 측의 MDMS에 전송한다. 즉, 특례 계량기의 계측 데이터 수집을, 전력사업자가 대신한다. 특례 계량기 사업자 등이 활용할 수 있도록 MDMS가 수집한 계측 데이터를 주고받는 시스템도 마련한다.

차세대 전력 미터와 특례 계량기는 ‘무선 단말’이라고 부르는 게이트웨이 기기로 연결한다. 무선 단말은 특례 계량기의 계측 데이터를 축적하여 전력 미터로 보내는 기능이나, 통신 프로토콜 변환 기능 등을 구비한다.

특례 계량기와 무선 단말 사이는 유선 LAN 또는 무선 LAN으로 접속한다. 무선 단말과 전력 미터는 Wi-SUN의 사양 중 하나인 ‘Wi-SUN Enhanced HAN’으로 통신한다. Wi-SUN은 현행의 전력 미터의 B루트에도 사용하고 있기 때문에 전력 미터에 구현하는 것이 용이하다고 한다.

-- 가스/수도 미터가 합승 --
IoT 루트의 또 다른 접속처인 가스/수도 미터도 스마트 미터로 대체되기 시작했다. 예를 들어, 도쿄가스는 19년 3월부터 일부 지역에 설치하고 있다. 게다가 21년 6월 무렵부터는 안정된 통신이 가능한 미터에 대해 가스 사용량의 원격 감시를 실시하고 있다. 30년대 전반까지 전면 도입할 계획이다.

그러나 전력, 가스, 수도의 각 사업자가 각각 스마트 미터의 계측 데이터를 수집하는 시스템(검침 시스템)을 구축하는 것은 효율이 나쁘다. 그래서 차세대 전력 미터에서는, 가스/수도 미터가 전력의 검침 시스템에 ‘합승’할 수 있는 구조를 도입한다. 공동 검침이라고 부르는 대응이다.

구체적으로는, 차세대 전력 미터가 가스/수도 미터의 당일 계측 데이터를 IoT 루트 경유로 수집하고, A루트로 전력사업자 측에 전송한다. 전력사업자는 수집한 가스/수도 미터의 계측 데이터를 각각의 사업자에게 전송한다.

-- 기존의 규격을 활용해 연결 --

 -- 끝 --

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