[특별기고] 전력선통신(PLC)(2) 고압 PLC 액세스망 구축 및 성능분석기술

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[특별기고] 전력선통신(PLC)(2) 고압 PLC 액세스망 구축 및 성능분석기술

2008년 1월 4일 (금) 23:46:00 | 지면 발행 ( 2007년 12월호 - 전체 보기 )

PLC 가입자망 개념 일반적으로 전력선을 통하여 목적지까지 전기에너지를 전송하는 방법으로는 세 단계의 전압레벨의 감압을 통하여 전달하는 방법이 있다. 전력 배전망은 전압 범위에 따라 100kV이상의 초고전압(HV : High Voltage), 1kV~100kV의 고전압(MV : Medium Voltage) 그리고 1kV이하의 저전압(LV : Low Voltage)으로 구분하고 있다. 전력공급 시스템은 발전소에서 도시 근처의 변전소까지의 장거리는 초고압 송전망을 통해 보내진 후 고압으로 변환해서 배전계통 선로(3,000V~22,900V)를 통하여 수용가 인근 지역까지 보내진 후, 다시 주상 변압기에서 220V/110V로 변환되어 인입선망(LV)을 경유해 각 수용가의 부하기기로 공급되는 60Hz의 전기에너지 신호의 유통시스템이다. 배전계통의 선로는 지중(under-ground)이나 가공(over-head)에 설치되며, 각각 다른 형태의 케이블을 이용하고 있다. 또한 가장 많이 이용되는 고압 배전망의 토폴로지는 수지식(tree system), 환상식(loop system), 망상식(network system)으로 구분되며 일반적인 전송거리는 20km 내외이다.

특히 MV/LV 계통이 연계된 신호경로는 <그림 1>과 같이 전력선 통신회로를 구성하여 타 통신망과의 연계를 통해 가입자망을 구성할 수 있다. 이러한 전력선통신은 전력선의 이용형태에 따라 하나의 건물 내에 부설되어 있는 110V/220V 저압 배전 케이블을 이용하는 옥내(In-Home, In-Building) 전력선통신과 변전소에서 가정용 전력량계에 이르는 고압(22.9kV)과 저압 배전선로를 이용하는 옥외(Access) 전력선통신으로 구분할 수 있다. 옥외 전력선 통신은 다시 변전소에서 고압 배전선로를 이용하여 통신망을 구성하는 고압 전력선통신과 주상 변압기에서 가정용 전력량계까지의 저압 인입선을 이용하는 옥외 저압 전력선통신으로 구분할 수 있다. 이러한 이용형태의 전력선통신 액세스망의 구조는 <그림 2>와 같다.

유비쿼터스 PLC 가입자망 개념 전력선통신은 사용하는 주파수 대역 및 속도에 따라 <표 1>과 같이 구분할 수 있다. 주로 저속 및 중속 전력선 통신은 조명, 가스밸브, 에어컨, 방범센서, 가전제품 등의 전기기기 제어에 활용되며 고속 전력선통신은 전기기기 제어뿐만 아니라 인터넷 관련 정보기기 및 멀티미디어 등 고속 데이터 서비스가 가능하다.

전력선 통신의 장점은 어디에나 존재하는 전력선을 사용하기 때문에 차세대 유비쿼터스의 핵심 기술이라는 것이다. <그림 3>은 무선랜과 연동을 통한 유비쿼터스 PLC 네트워크 액세스 망의 개념도를 나타낸 것이다. 용량성 신호결합장치 고압 배전선로용 전력선통신 신호결합장치는 신호결합장치로서의 기본적인 특성과 함께 고압 배전선로에 적용되기 위해 특별히 고안된 기능을 통해 최적화 되어야 한다. 신호결합장치는 고압 배전선로에 전력선통신 모뎀에서 출력되는 전력선통신 신호를 주입하거나, 고압 배전선로상의 전력선통신 신호를 전력선통신 모뎀으로 전달하며, 주상 변압기 또는 각종 손실요소의 신호감쇠를 우회하여 신호를 전달하는 용도로 사용된다. 고압 배전선로용 신호결합장치는 크게 용량성(Capacitive) 신호결합장치와 유도성(Inductive) 신호결합장치로 구분된다. 본고에서는 가공 배전선로용에서 주로 사용되는 용량성 신호결합장치에 한하여 설명한다. 고압 배전선로용 용량성 신호결합장치의 구조는 크게 커플링 커패시터부, 드레인 코일부, 임피던스 매칭부로 나뉘어진다. 커플링 커패시터부는 전력선 연결부와 전력선 통신신호의 커플링을 담당하며, 고주파 통신신호(1.7MHz~40MHz)는 커패시터에서 감쇠 없이 통과된다. 드레인 코일부는 접지선과 연결되며 저주파신호 및 절연 파괴시 유입될 수 있는 전력주파수(50~60Hz)를 방류 코일을 통해 접지로 흐르게 하는 역할을 한다. 임피던스 매칭부는 모뎀에서 출력되는 신호의 연결선과 커플링 커패시터부와의 부정합 손실을 줄이기 위한 부분으로 임피던스 부정합에 의한 반사손실을 줄여 고압 배전선로 전력선 통신망의 신호전송거리와 통신 성능을 개선한다. <그림 4>는 고압배전선로용 전력선통신 신호결합장치의 외형을 나타낸 것이다.

고압 장거리 전력선통신용 중계기술 농어촌 및 산간 오지 등과 같이 동축 케이블이나 광케이블의 포설이 어려운 지역에서는 기존의 완벽한 전력선 인프라를 사용하여 광대역 액세스망을 구축하는 방안이 매우 효과적이라 할 수 있다. 하지만 이들 지역에서는 10km 이상되는 22.9kV 고압 선로를 통해 고속 데이터를 전송하여야 하므로 신호 감쇠 및 왜곡 현상이 매우 심각하다. 따라서 수용가까지 고품질의 신호 전송을 위해 중계기(Repeater)를 사용한다. 중계기는 SNR(Signal to Noise Ratio, 신호대잡음비)이 규정치 이하로 떨어지는 위치에 중계기(Repeater)를 설치하여 규정치 이상의 SNR을 유지시키는 장치로서, 단순히 데이터 신호 증폭을 위한 장치가 아니라 전력선 통신 프로토콜과 원하는 데이터 포맷으로 정의된 특정 대역의 데이터만을 재생·증폭하여 수신 신호와 간섭이 일어나지 않도록 재송신하는 장치이다. 고압 배전선로상에서 장거리 전송을 위해 모뎀과 배전선로사이의 임피던스 매칭, 신호결합장치를 이용한 우회, 블로킹 필터를 이용한 셀의 분리 등의 여러 가지 사항을 고려할 수 있으며, 이들과 더불어 고압 장거리 전송을 위해 고려해야 할 것이 중계 알고리즘이다. 현재 이러한 중계 알고리즘은 HomePlug 표준과 UPA 표준의 중계 알고리즘이 대표적이다. 네트워크 구성상 두 표준 모두 마스터-슬레이브 구조를 갖는 셀(Cell) 개념을 포함하고 있으며, 네트워크 확장을 위해 리피터를 사용한다. 또한 셀 간의 통신에 있어 두 표준 모두 주파수 대역을 달리하여 통신하는 FDM방식을 사용한다. 셀 내부의 채널 액세스 방식에 있어 두 스펙 모두 TDMA와 CSMA를 사용하지만, 그 구현 방법은 서로 다르다. 홈플러그의 경우 AC Line Cycle에 동기화한 비콘(Beacon)기반의 TDMA 스케줄링을 이용하여 슬레이브들에 채널을 할당하는데 반해, UPA 알고리즘은 토큰(Token)을 이용하여 슬레이브들에 채널을 할당한다. 옥외용 전력선통신 전자파 적합성 기술 기준 우리나라는 2004년 12월 전파법 제58조, 2005년 6월 전파법시행령 제46조의 개정에 따라 고속 전력선통신의 방사출력 기준(54dBuV/m@3m,1.7MHz~30MHz)이 결정되었다. 또한, 세부 주파수 대역에 대하여 2005년 12월 전력선 통신 설비가 운용할 수 없는 주파수 대역이 고시 되었다. 이 고시는 전력선통신 설비가 다른 통신에 방해를 주지 않도록 그 운용을 금지하는 주파수대역을 <표 2>와 같이 고시하고 있으며, 특히 조난·긴급·안전통신 및 인명안전을 위한 업무통신을 행하는 해안국(90개소)의 반경 1km 이내에서는 전력선 통신을 금지하고 있다. 전력선통신 가입자망 관리 시스템 네트워크의 복잡성이 증가함에 따라 단순한 동작상태만을 넘어 더 많은 관리를 위한 정보를 필요로 하게 되었으며, 각기 다른 업체에서 만든 각종 장비를 공통적인 방법으로 관리하기 위한 표준적인 네트워크 관리 방안이 필요하게 되었다. 그리하여 현재 고압 배전선로용 전력선통신 NMS(Network Management System)는 네트워크 관리 프로토콜로 SNMP(Simple Network Management Protocol)를 기초로 WebNMS 툴을 사용하여 구현하였다. WebNMS는 네트워크 장비, 시스템 그리고 어플리케이션 같은 관리 대상 시스템과 상호통신하기 위한 SNMP, TL1, XML, CORBA, Telnet/CL1 프로토콜을 지원하는 패키지를 포함하고 있다. 이 중 전력선통신 네트워크 관리기능을 제공하기 위해 사용되는 SNMP는 매니저-에이전트(Manager-Agent) 패러다임 구조로 되어있다. 관리 대상의 장치에는 SNMP 에이전트가 삽입되어 관리대상의 장비 정보를 수집하며, 매니저는 네트워크 운용자가 장비를 관리할 수 있도록 에이전트로부터 정보를 수집하고 처리하는 기능을 한다. 이러한 전력선통신 망관리 시스템은 운영자가 찾고자하는 관리대상을 SNMP 프로토콜을 이용하여 전력선통신 장비에 대한 추적 및 제어기능을 편리하게 수행할 수 있도록 하는 구성관리, 스케줄링에 의해 마스터, 리피터, 슬레이브 모뎀의 성능 데이터를 수집하는 성능관리가 주 기능이다.

또한 전력선 모뎀으로부터 발생하는 장애 상황을 실시간으로 또는 데이터베이스에 저장된 이력으로 인지할 수 있도록 하는 장애관리, 데이터 및 데이터 처리 자원, 네트워크 연계의 가용성을 확보하고, 네트워크를 통하여 전송 또는 처리되는 정보의 정확성, 안전성 및 일관성을 통한 정보의 무결성, 신뢰성을 확보하며, 허가된 사용자의 접근만을 허용하기 위한 보안관리 등의 기능을 제공한다. <그림 5>는 경기도 의왕시에 소재한 고압 배전선로 기반 전력선통신 가입자망 시범단지의 관리 시스템 메인 화면을 나타낸 것이다. 전력선통신 전기안전 기술 기준 이상전압과 이상전류에 대한 위해 방지를 주목적으로 하는 보호회로는 '전기통신설비의 기술기준에 관한 규칙' 제6조 제4항의 규정의 전력선통신을 행하기 위한 전기통신설비의 위해방지 등에 대한 세부기술기준에 의거하여 교류 600V초과의 전력선을 이용하는 전력선통신장치는 보안장치 또는 이와 동등한 보안기능을 가지는 장치를 통하여 전력선에 접속되어야 한다. 아울러 보안장치에 접속되는 전력선통신장치는 국제전기기술위원회 규격 IEC-60950에 적합하여야 한다. <그림 6>은 고압 배전선로용 전력선통신기기의 접속을 위한 서지 보호회로의 구성도를 나타낸 것이다.

주요 부품들 중 E는 어스(Earth)라고 부르는 것으로 그라운드 또는 접지라고도 하며, 전기적으로 지구와 같은 전위로 하는 것이다. 이 때문에 대지와 낮은 저항값으로 전기적으로 접속할 필요가 있다. 전기 설비 기준에는 공사기준을 <표 3>과 같이 두고 있다. 특히, 고압 중성선의 경우 매 전주마다 다중으로 접지하여야 하나, 인가가 없는 야외 지역과 접지 저항치를 얻기 용이한 지역에서는 매 300m 이하마다 1개소 이상 접지할 수 있다. 고압 중성선과 대지 사이의 합성 저항치는 매 km당 5Ω 이하가 되도록 하여야 하며, 각 접지개소의 접지선을 중성선으로 부터 분리하였을 경우 그 접지선의 단독 접지 저항치는 100Ω이하여야 한다. 중성선 접지 시공 기준은 <그림 7>과 같다. 전력선통신 성능분석 기술 고압 전력선통신 액세스망의 전력선통신 장비의 성능을 측정은 일반적인 이더넷 통신 장비의 네트워크 성능을 시험하기 위한 RFC2544와 RFC2285의 시험 규정에 따라 시험을 실시한다. RFC2544는 망 상호 접속 장치의 성능을 측정하고 평가하기 위한 테스트를 정의하는 것으로, 전력선통신 모뎀간의 처리율(Throughput), 프레임 손실(Frame Loss), 지연시간(Latency), 연속 프레임 전송률(Back-to-Back Frame Forwarding) 등의 성능을 테스트한다. RFC2285는 MAC 계층에서 프레임을 교환하는 LAN 교환 장치의 성능을 측정하기 위한 테스트를 정의한 것으로, 전력선통신 모뎀간의 동보 전송률(Broadcast Forwarding Rate), 밀집제어(Congestion Control), 오류 프레임 필터링(Error Frame Filtering), 일대다/다대일 그물형 트래픽(One-to-Many/Many-to-One Meshed Traffic), 주소 캐싱 용량(Address Caching Capacity) 등의 성능을 테스트 한다.

전력선통신 장비의 성능을 측정하기 위해서는 <그림 8>과 같이 고압 전력선통신 액세스망의 두 지점에 이더넷 테스터기를 설치하여 측정한다. <그림 9>, <그림 10>은 동일한 배전선로에 연결된 2개의 전력선통신용 모뎀간의 RFC2544 테스트를 실시하였을 경우의 처리율과 지연시간을 측정한 결과의 예를 나타낸 것으로, 각각 이더넷 데이터 프레임의 크기를 조정하였다.