▲ 정정화 한양대 교수. 정정화 한양대 교수

스마트 그리드는 기존의 전력망과 IT기술을 접목시킨 차세대 전력망으로 보다 효율적인 전력사용을 가능하게 한다. 현재 스마트 그리드에 대한 연구는 통신, 전력, 기기 등 다양한 분야에서 기술 연구가 이루어지고 있으며 적용분야가 국가와 도시 단위부터 가정 내부 전력망까지 매우 넓어 미래시장으로 주목받고 있다.

미국은 스마트 그리드의 국제 표준화를 주도하고 있으며 유럽은 EU중심의 마이크로 그리드 시스템개발에 착수중이다.

일본도 마이크로 그리드사업을 통한 5개의 실증단지 운영을 진행 중이며 우리나라도 제주도에 2011년 완공을 목표로 하는 스마트 그리드 실증단지 구축 사업을 올해부터 진행 중에 있다.

스마트 그리드 시스템에서 가장 중요한 요소 2가지는 변전소 자동화 시스템과 자동 검침 시스템(Advanced Metering Infrastructure:AMI) 이다. 변전소 자동화 시스템은 국제 규격인IEC61850 통신을 사용하는 지능형 전력장치(IED)를 적용한 마이크로 그리드(Micro Grid)시스템 사업이 추진 중에 있다.

자동 검침 시스템은 기존의 전력 사용량 미터링 기능에 정보통신 기술을 융합하여 전력 공급/소비 상태와 전력요금, 실시간 전력 가격 정보 등을 전력 소비자와 공급자에게 양방향으로 전달을 한다. 또한 가정 내 통신시스템(Home Are Network : HAN)과 연결되어 전력 가격 정보에 따라 전력기기를 제어하여 전력 소비자로 하여금 전력을 저렴한 가격에 효율적인 이용을 가능하게 해준다.

△스마트 미터기의 구성 블럭도
자동 검침 시스템에서 전력 공급/소비 상태와 전력요금, 실시간 전력 가격 정보 등을 전력 소비자와 공급자에게 양방향으로 전달을 하는 기기는 스마트 미터(Smart meter)이다.

스마트 미터는 계측 모듈, 외부 유무선 통신 모듈, 내부 유무선 통신 모듈, 정보판단처리모듈, 추가모듈 등으로 구성되어 있다. 계측모듈에서는 사용전력량을 계측하고 그 정보를 디지털신호로 변환하여 처리하는 모듈로 센서와 아날로그-디지털 변환기(ADC)가 장착되어 있다.

이렇게 처리된 전력정보는 디스플레이 장치에 표시되고 외부 유무선 장치들의 광역 네트워크 (Wide Area Network : WAN)를 통하여 공급자에게 전달되게 된다.

공급자는 소비자의 전력정보를 받고 현재의 전력요금을 소비자에게 광역 네트워크(WAN)를 통하여 전달한다. 광역 네트워크(WAN)를 통하여 제공받은 전력요금상황을 분석하여 전력요금이 현재 높은 가격일 경우 정보판단처리장치에서 필요에 따라 불필요한 장치들을 가정 내 통신시스템(HAN) 유무선 통신으로 제어, 차단하도록 구성이 되어있다. 이외에도 Wi-Fi와 GSM, RFID등의 추가 통신장치 지원모듈로 보다 지능적인 정보처리통신기술을 포함하고 있다.

이러한 스마트 미터기는 전기요금이 비쌀 경우 가정 내 불필요한 전력소모와 전기요금을 줄일 수 있으며 전기요금이 낮을 경우 여유 전력을 사용하여 배터리 충전 등의 효율적인 전력소비시스템을 구현하며 가정의 전력요금의 절감뿐만 아니라 동시대 전력소모를 제어하여 전력공급 차원에서도 발전량의 효율성을 증가시킬 수 있는 효과가 있을 것으로 기대된다.

△지그비(Zigbee)를 이용한 HAN구성
가정 내 전기장치들의 스마트 시스템은 무엇보다 통신기술의 융합을 들 수 있다. 지그비 통신은 범위가 작다는 단점이 있으나 적은 소비전력과 메쉬(Mesh) 네트워크 형태의 자가 치료 기능, 높은 안정성, 설치가 용이한 여러 가지 장점을 가지고 있다.

△메쉬(Mesh) 네트워크
지그비 통신장치는 센서와 결합하여 움직임을 감지하거나 열을 감지하여 이상 유무 감지에 효과적으로 사용될 수 있으며 스위치와 결합하여 간단한 지그비 스위치 설치만으로도 무선으로 스위치를 온/오프 할 수 있는 기능을 가지고 있다. 이와 같은 장점은 기존의 작은 전구나 난방 기구에 추가적인 정보통신 장치와 차단장치를 내장할 필요 없이 지그비스위치만을 전기선에 설치하여 가정 내 스마트 그리드 네트워크의 구현이 가능하도록 한다.

특히 지그비는 메쉬 네트워크라는 통신 특성을 가지고 있는데 이것은 지그비 장치들이 근접한 거리에서 서로의 데이터를 전달할 수 있는 네트워크를 말한다. 메쉬 네트워크 기능은 온도계나 스마트 미터기에서와 차단스위치와의 통신에서 고장 등의 문제로 인해 기존의 통신노드(Node)가 끊기더라도 근접 지그비들과의 통신을 통해 자동으로 네트워크를 재구성하여 자체 네트워크 복구를 하는 기능으로 지그비가 소규모 무선네트워크에서 안정성을 인정받는 큰 장점 중에 하나로 볼 수 있다.

AMI에서도 각 가전기기에서 스마트 미터기에 정보 전달을 담당하고 필요에 따라 전력차단이 가능한 무선통신 장치로 지그비를 선호하고 가정 내 스마트 그리드 시스템을 구축하기 위한 가정 내 통신시스템(HAN)에서 각 가전기기들의 무선 통신 장치로서 적합한 평가를 받고 있다.

현재 지그비 얼라이언스(ZigBee Alliance)라는 지그비 제품 회사들이 모여서 지그비를 활용한 스마트 제품과 기술개발을 연구 중에 있으며 지그비차단기, 온도센서, 전등스위치, 모뎀 등의 많은 스마트 그리드 제품이 상품화되고 있는 추세이다.

△PLC
전력선을 이용하여 정보를 고주파 신호에 실어 통신하는 PLC는 WAN과 HAN에 전부 사용가능한 유선통신망이다. 가전기기들의 전력사용을 위해서는 전력선이 필요하며 이러한 전력선에 전기뿐만 아니라 정보를 담아 통신하여 PC나 스마트 미터기와의 데이터 교환을 위한 HAN에서 사용하고 특히 전파가 도착하기 어려운 곳에서 PLC를 사용하여 무선 랜을 보완할 수 있다.

전력선과 조합하여 가정 내 가전, 전열, 조명 기기 등의 전자 제품들을 제어 할 수 있으며 같은 건물 내 통신망을 별도의 네트워크 회선 작업을 하지 않고도 구축이 가능하다는 장점을 가지고 있다. HAN에서 지그비가 무선 통신을 담당한다면 PLC는 유선 통신으로서 관심이 집중되어 있으며 많은 연구가 이루어지고 있다.

△스마트 그리드 장치의 발전 방향
앞서 소개된 스마트 미터기와 지그비, PLC등은 전력장치와 통신기술을 접목한 좋은 예이며 가전기기 내 통신 모듈장착을 통한 HAN 구현이 현재 연구되고 있다. 앞으로 유무선통신이 가능한 가전기기들의 증가는 기존 배전 계통 의 패러다임 변화와 가정 내 스마트 그리드 기기 시장의 확대를 가져 올 것이며 가정뿐만 아니라 공장이나 학교 등의 큰 규모의 건물에서도 스마트 그리드 장치가 도입되어 분산전력과 친환경에너지개발 분야인 마이크로 그리드 구현을 통해 미래지향적인 스마트 그리드 전력망이 이루어질 것이다.

이를 위해 전력계통에 적합한 통신표준의 지속적인 연구와 새로운 전력기기들의 개발과 쌍방향 전력 전송 및 실시간 제어 등의 신개념 미래혁신 기술을 통하여 기존의 노후된 전력기기들과 전기장치들에 통신모듈 설치, 또는 스마트 기기들로의 교체를 통해 세계적인 스마트 그리드 시장으로의 빠른 대처와 발전이 필요할 것이다.

▲ 지그비 개념도. 지그비 개념도