고속전력선 통신의 고주파 신호 결합과 해석기술

이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다. 고속전력선 통신의 고주파 신호 결합과 해석기술 고속전력선 통신의 신호결합기술과 배전계통의 전송로 해석 고속 전력선통신(PLC: Power Line Communication)은 기존의 배전선, 전등선을 통신선으로 이용하므로 새로운 통신선 부설의 투자가 필요치 않다. 때문에 저비용으로 통신 네트워크를 실현하는 기술로 기대된다. PLC의 비즈니스 모델로는 액세스계와 택내계 2종류가 있다. 액세스계란 전화선이나 광섬유 대신 전력선을 사용해 통신 네트워크를 구성하는 서비스 형태이다. 변전소나 대규모 주택까지는 광네트워크로 연결하고 수요가까지의 5~10㎞ 거리를 기존의 배전선을 이용해 통신한다. 택내계는 각 가정까지는 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)이나 광 네트워크를 사용하고, 택내에서는 전등선을 이용해 통신 네트워크를 구축하는 서비스 형태이다. 또 택내 LAN (Local Area Network)이나 AV (Audio Visual)계 네트워크로 이용할 수 있다. 해외(스페인 등)에서는 액세스계를 중심으로 상용 서비스가 전개되고 있지만 일본에서는 현재 규제완화를 위해 각 사가 기초 데이터를 수집하고 있는 단계이다. 향후 통신 인프라가 미정비 지역에서의 보급이 기대된다. 실제로 서비스를 시행하는 데에 있어서 본래 전력을 송전하는 설비를 통신선으로 이용하기 위한 기술개발은 중요과제이다. 여기서는 주로 액세스계에서 배전선으로 전송신호를 결합하는 기술, 신호가 배전계통을 어떻게 전송하는지를 해석하는 기술에 관해 설명한다. 신호결합장치 1. 신호결합방식 신호를 배전선에 결합하는 방법은 크게 나눠 정전결합(Capacitive Coupling)방식과 전자결합(Inductive Coupling)방식이 있다. 정전결합방식을 이용한 신호결합장치를 CCU(Capacitive Coupling Unit), 전자결합방식을 이용한 신호결합장치를 ICU(Inductive Coupling Unit)라 한다. CCU는 신호감쇠가 적지만 절연성능을 고려할 필요가 있으며 설치성에 어려움이 있다. ICU는 신호감쇠가 CCU와 비교해 약간 크지만 설치성에 뛰어나고 절연성능도 CCU만큼 고려하지 않아도 된다. 여기서는 두 가지 방식에 관해 설명한 후 개발한 ICU의 특성에 관해 서술한다. (1) 정전결합방식 신호를 수천 pF정도의 커패시턴스를 끼워서 결합하는 방법이다. 상용주파수(50 혹은 60㎐)에 대해서는 커패시턴스의 임피던스가 높아지기 때문에 배전계의 전압은 신호 측에 영향을 주지 않는다. 또한 고속 PLC로 이용되는 신호주파수(2~30㎒)에서는 커패시턴스의 임피던스가 낮아지기 때문에 배전계에 신호를 결합할 수 있다. 직접 배전선에 결합할 수 있어서 신호의 감쇠가 적다는 이점이 있다. 다만 충전부에 직접 접촉하기 때문에 수10㎸의 배전선에 적용할 경우는 절연성능을 만족시킬 필요가 있으며 설치성에도 고려를 요한다. (2) 전자결합방식 페라이트와 같은 투자율(透滋率)이 높은 자성재료를 이용함으로써 신호선과 배전선 간에 발생하는 전자결합을 이용해 신호를 결합하는 방법이다. 기본원리는 변류기(Current Transformer: CT)와 동일하다. 이러한 방식은 충전부와는 비접촉하기 때문에 설치성에 뛰어나다. 단, 자성재료는 배전선을 흐르는 상용주파수 전류에 따라 자기포화 할 가능성이 있어서 포화 특성을 고려한 코어 재료의 선정, 코어 형상의 검토가 필요하다. 또한 상호 인덕턴스를 끼운 결합이 되므로 정전결합방식과 비교하면 신호의 감쇠가 약간 크다. <그림1>에 신호결합장치의 설치 방법을 나타냈다.

<그림1>은 전주상의 배전선으로 신호결합 할 경우의 모식도이며, 광네트워크로 전송된 신호는 전기신호로 변환해 모뎀, 신호결합 장치를 끼우고 배전선에 결합되어 각 가정으로 전송된다. ICU는 비접촉하기 때문에 배전선에 신호를 결합할 수 있고 기본적으로 시공 시 정전작업을 수반하지 않으므로 기존배전선의 설치가 용이하다. 이미 ICU의 시작을 완료했고 향후 시공성을 중시한 ICU를 개발할 예정이다. 다음은 개발한 ICU의 특성에 관해 설명한다. 2. ICU의 특성 개발품은 수 10㎸의 배전선에 접속하는 것을 고려하고 있고 수 10㎸의 전압에 견딜 수 있는 절연구조를 갖추고 있다. ICU내의 페라이트재는 주파수 2~30MHz라도 고투자율을 갖고 있어 포화자속밀도가 높은 재료를 사용하고 있다. 배전선을 흐르는 전류로 인한 자기포화를 방지하기 위해 갭을 만들고 있지만 갭 길이를 넓히면 상호 인덕턴스가 저하돼 ICU의 결합효율이 떨어져 버린다. 이 때문에 3차원 전자계 해석에 따라 페라이트형상과 갭 길이의 최적화를 만들고 있다. <그림2>에 그 특성을 나타냈다. 결합효율은 9MHz부근에서 절정을 이루는 성능이 된다. 배전계 특성해석 고속 PLC에서는 수100V~수10㎸의 배전선을 통신 네트워크로 이용하는데 당연히 고속 PLC에서 이용되는 주파수 대역의 경우 신호전송 특성은 고려되지 않고 임피던스 부정합에 따른 반사로 인해 전송특성이 열화된다. 전송특성의 열화로 결합신호의 통신 가부를 어느 정도 책상 위에서 검토할 수 있으면 전송곤란으로 추정되는 장소의 추출, 대책검토 등 PLC 네트워크의 설계 및 운용지원, 서비스 가입 희망자에게 서비스 레벨의 정보제공을 실현할 수 있게 된다. 그러기 위해서는 배전계통의 전송특성을 추정할 필요가 있다. 배전계통은 보통 상용전원주파수에 맞춘 기기설계로 됐기 때문에 수 MHz에서 수십 MHz 대역에서의 움직임을 파악하는 것은 필요불가결하다. 여기서는 배전계의 전송해석 방법으로 배전선, 배전기기의 모델화 방법, 및 작성한 모델을 이용한 배전계통의 전송로 해석방법에 관해 서술한다. 1. 배전계통의 모델화 (1) 배전선 배전선의 모델화에 필요한 파라미터로서 도선경, 도선을 덮고 있는 절연피막의 실효비유전율, 유전정접, 배전선의 길이, 특성 임피던스와 같은 파라미터를 들 수 있다. 이들 파라미터를 이용함으로써 배전선을 모델화 할 수 있다. 모델화 한 배전선을 이용해 신호가 배전선을 전송할 때의 전송로스 계산방법을 이하에 나타낸다. 전송로스의 요인으로 볼 수 있는 것은 전기 저항에 따른 도체손, 도체 주위의 절연피막에 따른 유전손, 다른 종류의 배전선 간이나 분기부를 전송할 때의 특성 임피던스의 차이에 따른 반사손이다. 이 중, 도체손은 도체의 치수나 특성에 따라 유전손은 도선을 덮고 있는 절연피복의 유전정접과 배전선 구조에 따라 결정된다. 일반적으로 도체손과 유전손은 exp(-aℓ)와 같은 식으로 나타낼 수 있다. ℓ은 배전선 길이(m), a는 감쇠정수이다. a는 식(1)에서 근이적으로 계산할 수 있다. 단, 식(1)은 R<<ωL, G<<ωC 일 때 성립된다. 이번 검토할 주파수 대역 2~30MHz에서 이 조건은 채워진다. a=½(R/Z0+GZ0)..................................... (1) Z0: 배전선의 특성 임피던스 (Ω) R : 배전선의 저항 (Ω/m) G : 배전선의 컨덕턴스 (S/m) 식(1)에서 R은 식(2)로 나타낼 수 있다. 단, 비교적 사용 주파수가 높은 경우, 전류가 흐르는 도체면적 S(㎡)를 고려할 경우에 따라 도체표면으로 밖에 흐르지 않기 때문에 그 만큼을 고려해 면적을 계산할 필요가 있다. 전류가 흐르는 도체표면부터의 깊이를 표피 깊이(=d)라 하고, 식(3)으로 나타낼 수 있다. 표피 깊이는 주파수에 따라 바뀌므로 결과적으로 R은 주파수의 관수가 된다. R= (Ω/m) (2) σ : 도전율(S/m) σ : 도체면적(㎡) d= (3) f : 주파수 (Hz) μ: 투자율 (H/m) 식(1)에서 G는 식(4)로 나타낼 수 있으며, 식(4)의 C는 배전선 간의 정전용량(F/m)으로 식(5)에서 계산할 수 있다. G도 주파수의 관수이므로 감쇠정수 a는 주파수에 따라 다르다. G=2πfC tan δ (S/m) (4) G= (F/m) (5) tan δ : 유도정접 ε0 : 진공중의 유전율 (F/m) εr : 비유전율 a : 도선의 반경 (m) d : 도선중심 간의 거리(m) 다음으로 특성 임피던스의 차이에 따른 반사손에 관해 생각한다. 배전선의 특성 임피던스는 배전선의 구조나 도선 주위의 절연피막에 따른 실효비유전율 등으로 결정되어 선 종류에 따라 수십 Ω에서 수백 Ω까지 변동한다. 또한 분기가 있던 경우에도 특성 임피던스 바뀌기 때문에 신호가 반사된다.반사손은 특성 임피던스의 값으로 결정되며, 가령 특성 임피던스가 Za의 경로와 Zb의 경로 간의 반사손은 반사계수 Г를 이용해 식(6)으로 나타낼 수 있다. Г = (6) Za, Zb : 배전선의 특성 임피던스 (Ω) 반사손에 따른 전송로스는 반사계수 Г를 이용해 식(7) 로 나타낸다. 1-Г2 (7) 이상, 배전선 파라미터에서 도체손, 유전손, 반사손을 계산하는 방법을 나타냈다. 이들 손실을 계산함으로써 배전선에 따른 감쇠를 구할 수 있다. 여기서 배전선만 모의배전 계통일 경우 전송로스 실 측정결과와 실 측정한 배전계로 사용되고 있는 배전선을 모델화하고 계산에 따라 구한 전송로스를 비교한다. <그림3>에 측정한 모의배전 계통의 외관을 나타낸다. VVF (PVC (Polyvinyl Chloride) insulated PVC sheathed cable-Flat type)와 OW(Outdoor Weather proof PVC insulated wire)가 혼재하는 계이다. <그림3>의 계에 관해서 전송로스의 실 측정결과와 배전선 모델에서 계산한 전송로스를 <그림4>에 나타낸다.

<그림4>에서 전송로스 실 측정결과와 계산결과는 거의 일치한다. 즉, 도체손, 유전손, 반사손을 계산함으로써 배전선만 간단하고 쉬운 계통 전송로스는 계산할 수 있다. (2) 배전기기 배전선과 달리 변압기, 차단기, 콘덴서 뱅크와 같은 배전기기는 구조가 복잡하며 배전선과 같은 수법으로 모델화 하는 것은 곤란하다. 때문에 수십 종류의 배전기기의 전송특성을 실제로 측정하고 각 배전기기의 전송특성을 파악해 배전기기의 등가회로 모델을 작성함으로써 전송로 해석으로 사용한다. 2. 배전계통의 전송로 해석 <그림5>의 2단자대 회로를 이용했을 때 각 단자대의 전압·전류 관계는 식(8)로 나타내는 4단자행렬 ( F행렬)로 표시된다. 배전계의 전송로 해석은 앞서 서술한 배전선, 배전기기 모델을 F행렬로 변환해 가고 있다. F행렬을 이용함으로써 모델의 F 행렬을 곱함으로써 전송 특성을 계산할 수 있다. F행렬은 <그림6>(1)에 나타내듯이 종속해 있는 모델에 관해 그대로 곱함으로써 전송특성을 계산할 수 있으므로 이러한 해석에 의미가 있다. 또한 가령 분기와 같이 병렬접속으로 보이는 경우는 분기점에서 본 임피던스가 병렬로 접속된 격이 되므로 <그림6>(2)와 같이 F행렬에서는 표시된다. 일반적으로 전송특성은 F행렬이 아닌 S행렬로 나타내는데 예를 들면 S21은 F행렬 값을 변환해서 식(9)로 줄 수 있다. 단, 입력 임피던스와 출력 임피던스는 일정하게 ZL로 하고 있다. 예를 들면, 배전선 4단자행렬은 식(10)과 같이 부여한다. ℓ : 선로길이 Ζc : 배전선의 특성 임피던스 여기서 γ는 전방정수이고 식(11)로 표시된다. γ=a+βj a 는 전항에서 계산한 감쇠정수, β는 위상정수이다. 위상정수는 선로 길이나 임피던스의 미스매치 등으로 인한 반사의 영향으로 변동하는데 이 해석에서는 별도계산을 통해 산출하고 있다. 이상, 배전선으로써 계통을 용이하게 모델화 할 수 있고 신호 결합위치에서 수요자까지의 전송특성을 구할 수 있다는 것을 나타냈다. 고속 PLC에 필수가 되는 배전계의 신호결합방법 및 결합장치, 및 배전계의 전송로 해석방법에 관해서 서술했다. 향후 기존 배전선으로의 설치성을 고려한 제품화 검토를 실시함과 더불어 배전계통의 전송로 특성해석을 툴 화하고, 용이하게 배전계의 전송로 해석이 가능해 지는 시스템 개발을 진행해 나갈 예정이다.