스마트그리드를 구성하는 설비기기 중 전력 공급 측과 일반 수요가 측의 접점에 설치되는 전력량계를 스마트 미터라 하며, 이는 스마트 미터 시스템의 주요 구성 요소로 자리매김하였다. 본고에서는 스마트 미터란 어떠한 기능을 하는 것이며, 또 어떠한 경위로 보급·도입되는지에 대해 살펴보기로 한다.
 

번역·정리 김대근 기자

 

해외 특히, 유럽에서는 계기의 실내 설치로 검침은 수요가에서 자진 신고하는 구조를 취하고 있기 때문에 도전(盜電)과 비리가 끊이지 않고, 공급 측이 정규 요금을 징수할 수 없는 상황으로 만성화가 진행되고 있었다. 전력판매의 당초부터 공급 측은 선납방식을 권장하고 있었으며, 프리페이드(Prepaid) 계기(선불 계기)가 준비되어 있었다. 특히, 최근에는 메모리칩을 내장한 카드를 이용하여 선불 요금을 기억시키고, 카드를 계기에 내장된 리더기로 읽어 지불한 분의 전력을 공급하는 형태가 보급되었다. 이 IC카드를 스마트 카드1)라고 부른다. 이 카드의 기능 자체가 계기에 내장되고, 여기에 추가 기능을 더해 새로운 다기능 계기를 만들어냈는데 이것이 바로 스마트 미터이다. ‘스마트’에는 똑똑함, 고기능 등의 의미가 있어 ‘스마트 미터’라는 표현이 정착하게 되었다. 선납하지 않은 고객을 포함해 전 가정의 자동검침화를 도모함으로써 도전 및 비리를 방지하고, 적정한 거래 구조를 확립시키기 위해 스마트미터의 보급화가 추진되었다. 미국에서는 전력망이 노후화되고, 주마다의 전력 독립 공급 시스템으로 인해 정전발생 빈도가 높으며, 복구시간이 오래 걸리는 등 전력수요의 세심한 관리와 전력망 제어가 요구되고 있었다. 그래서 사용량을 세세하게 파악할 수 있는 스마트 미터의 보급을 확대해 나가기로 했다.

스마트 미터는 ①전력량 계측 ②원격 개폐기 ③쌍방향 통신(자동검침)의 기능을 겸비한 전력량계로 전 세계에 널리 보급·확산되고 있다.
 

스마트 미터의 각 부분의 기능을 아래에 설명한다.

 

평균전력은 P=EI cosθ로 구할 수 있지만, 전력은 P≥0이며. 전력회사에서 전기를 구입해 사용한 양이 이에 해당한다. P≥0의 영역은 cosθ가 기함수이기 때문에 -90°≤θ≤90° 즉, 제1상한과 제4상한이 된다. 이것이 수요가 측에서 보아 전기를 구입해 사용한 부분이 되는 것이다. P≤0의 영역은 90°≤θ≤270° 즉, 제2상한과 제3상한이며, 수요가측에서 보아 전기를 전력회사에 판매한 것이 된다. 이것은 태양광 등 분산형 전원으로 발전한 전기를 판매하는 것을 의미한다.([그림 2] 참조) 전력량계의 동작은 아래와 같다.

전력량계 부분에는 아래와 같이 다양한 계량을 실행하는 기능이 있다.

① 전력량 계량치

현재값·계량확정치·30분치 n일분, 5분치, 15분치, 60분치 등의 기억·출력, 시간대별 계량치

② 트랜스듀서(Transducer) 기능

전압출력, 전류출력, 주파수 출력, 전력출력(종합·상별) 고조파 검출

③ 이상치 검출

정전, 순시정전, 플리커(Flicker), 결상, 전선 접속상태 감시

④ 계기정보

ID 번호, 계약내용(정격전류, 시간대), 검정유효기간

⑤ 가스·수도 미터 계량치 임시 저장

그 중에는 무효전력량 계측·최대수요전력(디맨드 감시)의 기능을 겸비한 계기도 있다.

현재, 세계표준으로 전력량의 최소단위를 30분으로 통일하고 있다. 계기는 누적치를 계측하고 있기 때문에 30분치라는 것은 30분간의 사용전력량이 아니라, 0분, 30분마다의 지시값을 나타내고 있다. ([그림 3] 참조)

통신에 의해 원격개폐가 가능하다. 해외에서는 특정 시간대의 전력정지를 통해 전력요금을 할인하는 계약이 있으며 이러한 경우에 이용한다. 일본에서는 이동처리 및 정지정해(停止停解) 장치, 계약 차단 기능으로 이용하는 방향이다. 

통신에 대해서는 여러 가지 종류의 매체(미디어)가 있어 각각의 사용자에 의해 다양한 방식으로 채택되고 있다. 한편, 계량기로부터의 데이터 정보는 거래 및 증명에 사용되기 때문에 휴대전화 등의 통상적인 통신보다 더욱 신뢰성이 요구된다. 즉 데이터 수집 시스템의 정확하고 올바른 처리가 요망된다. 채택되고 있는 통신 미디어를 크게 구분하면 무선과 배전선 반송(PLC)으로 나뉜다. 이는 스마트 미터에서 핵심이 되는 부분이며, 정보 전달로 쌍방향 통신이 가능한 것이어야 한다. 스마트 미터에서의 주된 정보는 전력량의 30분치이며, 이들을 A루트(스마트 미터 → 전력회사)와 B루트(스마트 미터 → HEMS의 서버)의 각각에 전송하는 역할을 맡고 있다. 현재, 일본의 스마트 미터는 통신 단말부분을 분리하여 계기에 탈착 가능한 구조를 취하고 있다. 해외에서는 통신 미디어를 고정화하여 스마트 미터와 일체화하려는 경향이 강해지고 있다.

통신수단이 다양한 검토를 통해 발전해나가는 가운데, 스마트 미터의 통신에는 현재 무선과 배전선 반송이 유력한 수단이 되었다. 현재 일본의 계측방식은 스마트 미터로부터 전력사용량의 30분치를 센터의 컴퓨터(서버)에 모으고, 센터 측에서 요금제도에 맞는 TOU(시간대별 요금)로 할당하여 수요관리(Demand Response)를 실행하는 방식을 채용하고 있다. 해외처럼 TOU를 스마트 미터에서 할당해 표시하는 것은 아니다. 따라서 전력사용량의 30분치를 확실하게 센터에 전달할 필요가 있다. 통상의 휴대전화 등에서의 통신과는 다른 신뢰성이 요구된다.

무선은 멀티홉으로 다른 계기를 경유하면서 센터로 데이터를 보내는 방법(메시 방식)과 광역 중계국으로서 안테나와의 사이에서 통신을 실시하는 1:N의 2가지 방법이 있다. 기본적으로는 무선은 모바일용으로 이용되는 것이 최적으로 간주되지만, 전력량계는 모바일이 아니라, 고정된 발신원이며, 환경 변화의 대응에 한계가 있어 이에 어떻게 대처할 것인가가 앞으로의 과제로 남아있다.
 

GPRS(일반 휴대무선), Zig-Bee, 3G,

특정 소전력 무선, WiMax, M-bus,

ZWAVE, On-Ramp, Flexnet

 

또 가스 및 수도의 미터는 전원공급이 없어 배터리 구동으로 장기간 사용 가능한 것이어야 하는 등 무선의 저소비 전력화가 한층 요구되고 있다.
 

이전의 PLC는 데이터 속도가 느리고, 전송용량이 적은데다가 비용이 높다는 단점 때문에 좀처럼 보급되지 못 했다. 그러나 최신의 기술 개발과 함께 증폭기 및 필터 등이 없이도 신호가 트랜스를 통과하는 ‘트랜스 통과 기술’이 확립되면서 신호의 확실성 및 신뢰성이 재검토되고 있다.
 

PRIME, G3, TWACS

Meters & More, Enverv
 

[그림 4]는 일본의 스마트 미터의 예를 나타낸 것이다.

① 케이스는 플라스틱 케이스(내구성 강화)

② 계량부분과 단자 블록부는 분리 구조, 계량부 교환 가능, 단자 블록부는 상설

③ 개폐기 내장

④ 통신부 내장

⑤ 서비스 차단 기능(전류제한): 절전, 에너지 절약