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스마트 전기 계량기를 활용한 실시간 현장 진단

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글/코시모 카리에로(Cosimo Carriero), 아나로그디바이스 FAE

전력 송전 분야는 100여 년 넘는 기간 동안 기술적으로 거의 변화하지 않았으나 최근 들어 전력망에서 일대 변화가 일어나고 있다. 기술적 진화가 지배하는 세상에서, 에너지 분야는 풍력이나 태양광 같은 재생 에너지원을 포함하도록 발전하고 있다. 이 과정에서 양방향 에너지 흐름, 재생 에너지원을 사용할 때의 간헐적 발전, 전력 분배, 전력선 상에서의 잡음 방사 같은 새로운 과제들이 제기되면서 잠재적 네트워크 안정성 이슈를 낳고 있다. 전력 회사들은 최종 고객들에게 지속적이고 우수한 품질의 서비스를 제공하기 위해 스마트 계량기를 도입하고 있다. 스마트 계량기를 사용하면 전력망을 실시간으로 진단하고 결함을 신속하게 감지할 수 있다. 이것은 전력 회사와 최종 사용자 모두에게 유익함을 가져올 것이다. 이 글에서는 스마트 계량기의 아키텍처를 설명하고 스마트 계량기가 어떻게 현장 진단을 향상하는지 알아본다.

스마트 전기 계량기

스마트 전기 계량기는 에너지 분배망에서 필수적인 역할을 한다. 스마트 계량기는 에너지 소비를 모니터링할 뿐 아니라, 공급되는 전력 품질에 대한 데이터를 수집할 수 있다. 예를 들어 무효 에너지, 총 고조파 왜곡, 고조파 성분, 전압 서지와 트랜션트, 주파수 변동성 등을 측정하고, 이러한 데이터를 통해 전력망 상태를 파악할 수 있다. 그렇다면 전기 계량기는 어떻게 작동할까?

그림 1은 전기 계량기용 단상 시스템과 3상 시스템의 블록 다이어그램을 보여준다.

스마트 계량기에서 전력 품질을 확인하기 위한 기본적인 측정 항목은 전압과 전류 측정이다. 이러한 측정은 아날로그 프런트 엔드(AFE)에서 이루어지고, 측정 결과는 마이크로컨트롤러로 전달된다. 마이크로컨트롤러는 이를 디스플레이에 표시하거나 또는 원격지로 전송하기 위해 통신 노드로 전달한다. 전원 관리 유닛이 이 전체적인 구조를 완성한다.

[그림 1] 단상 및 3상 스마트 전기 계량기 블록 다이어그램

전압과 전류 측정에 사용되는 센서들

전기 계량기에서 특히 중요한 것이 전류 측정이다. 전압 측정이 공칭 값과 크게 차이가 나지 않는 것과 달리, 전류는 동적 범위가 수 밀리암페어(mA)에서부터 수백 암페어(A)에 이르기까지 매우 넓을 수 있으며 이 전체 범위에 걸쳐서 극히 정밀한 측정을 필요로 한다. 전압 측정에는 간단한 저항 분할기나 또는 드물게 트랜스포머를 사용하는데, 전류를 측정하기 위해서는 다양한 방식의 센서를 사용할 수 있다. 대표적인 것으로서 션트, 전류 트랜스포머(CT), 로고스키 코일(Rogowski coil), 홀 효과 센서(Hall effect sensor)의 네 가지 유형을 들 수 있다. 각 방식마다 나름의 장단점이 있다. 일례로 션트는 주택용 계량기에 널리 사용되며, 비용적으로 유리하고 실용적이다. 가장 큰 단점은 줄 효과 발열(Joule effect heating)이다. 이 때문에 고전류에서 사용하기에는 한계가 있다.

이에 비해 전류 트랜스포머는 최대 전류 측면에서 션트의 한계점을 극복할 수 있으며, 기본적으로 절연을 이루고 있다는 점이 큰 장점이다. CT는 토로이드(toroid) 형태로 제공되고, 일차 권선을 도체로 표현할 수 있으며, 측정하고자 하는 전류가 이 링을 통해서 흐른다. 이차 권선은 강자성 소재 위에 감겨지고, 이 권수에 따라서 트랜스포머 권수비가 결정된다. 션트와 비교하면 CT는 가격이 더 높고 풋프린트가 더 크다. 전류 트랜스포머의 가장 큰 단점은 강자성 코어에 있다. 이 코어가 포화되었을 때 스마트 계량기의 동작을 심각하게 훼손시킬 수 있다. 포화가 발생되는 요인들로는 AC에서 DC 오프셋, 높은 전류 피크, 또는 외부적 자기장(영구 자석에 의해서 발생되는 것과 같은)을 들 수 있다. 이 때문에 전류 트랜스포머를 사용하는 시스템은 무단조작을 방지하기 위해서 차폐나 그 밖에 다른 보호 장치를 필요로 한다.

홀 효과 센서는 주파수 응답이 우수하고 높은 수준의 전류를 측정할 수 있다. 하지만 높은 온도 드리프트가 단점이다. 따라서 요구되는 정밀도를 달성하기 위해서 시스템의 여러 지점에서 캘리브레이션을 실시할 필요가 있다.

전류 트랜스포머나 홀 효과 센서와 마찬가지로, 로고스키 코일도 기본적으로 절연이 되어 있다. 로고스키 코일은 인덕터가 도체와 결합된 것으로서, 측정하고자 하는 전류가 이 코일을 통해서 흐른다. 공심(air core)을 통해서 자기 결합이 이루어지므로 강자성 소재의 전형적인 포화 문제를 일으키지 않는다. 로고스키 코일의 독특한 특성은 센서에 의해 발생된 신호가 전류 도함수에 비례한다는 것이고, 이에 따라 원래 신호를 복원하기 위해서 적분기가 필요하다.

넓은 동적 범위와 높은 선형성을 달성하고 매우 높은 전류를 측정하기 위해서, 로고스키 코일을 사용하는 전류 검출에는 안정적인 적분기 사용이 필요하다. 또한 로고스키 코일은 외부 자기장에 특히 취약하므로 전력 측정의 무단 조작이 가능할 수 있다.

차세대 스마트 계량기용 mSure 기술

스마트 계량기는 비교적 긴 기간에 걸쳐서 자신의 기능을 정확하게 수행해야 하며, 이 수명 기간이 10년을 넘을 수도 있다. 정교하게 설계되어 안정적 성능을 제공하는 실리콘 전자 부품은 수년 간에 걸쳐 높은 수준의 정확도를 유지할 수 있다. 하지만 낙뢰, 전류 스파이크, 전압 트랜션트 같은 조건들이 센서 성능에 영구적인 변화를 일으킬 수 있다. 이러한 변화들을 잡아내기 위해서는 향상된 진단 시스템이 필요하다. mSure®는 아나로그디바이스(Analog Devices)가 개발한 새로운 계량기 진단 기술로서, 측정 체인의 상태를 실시간으로 검사하고, 센서에서 환경적 영향을 차단하도록 한다. 뿐만 아니라 mSure 기술은 환경의 영향에 영향을 받지 않으며, 진단을 통해서 무단조작을 감지할 수 있다.

그림 2는 mSure 기술의 동작 원리를 보여준다. 표준 계량기는 피드백 경로를 사용하지 않고 개방형 루프로 동작한다. 센서에서 전류와 전압을 변환하고, 프로세싱 체인이 이득을 추가하고, 끝으로 아날로그-디지털 컨버터를 사용해서 디지털 영역에서 바로 데이터를 추출한다. 이 각각의 부품들이 총 오차에 기여한다. EOL(end-of-line) 캘리브레이션을 사용해서 초기 오차를 보정하고 계량기가 정해진 정확도 이내가 되도록 한다.

표준 계량기는 일단 현장에 설치된 다음에는 정확도를 테스트하기 위해서 계량기를 물리적으로 떼어서 시험소로 가져가야 한다. 표준형 계량기와 달리, mSure 기술을 채택한 계량기는 그림 2에서 보는 것과 같은 폐쇄형 루프 시스템을 사용해서 현장에서 실시간으로 정확도를 검사할 수 있다. 이 폐쇄 루프 시스템은 레퍼런스 블록을 사용해서 안정적이고 정밀한 신호를 생성하고 이것을 센서로 주입한다. 이 신호가 전체적인 측정 체인을 통과한 다음, 검출 블록에서 검출된다. 그러므로 이 전체 신호 체인을 실시간으로 모니터링하고 어떠한 오차(이득, 드리프트 등)도 포착할 수 있다. 그에 따라서 지속적으로 캘리브레이션을 해서 오차를 교정할 수 있다. mSure 기술의 또 다른 중요한 장점은 무단조작을 잡아낼 수 있다는 것이다. 대부분의 무단조작은 측정 체인의 이득을 조작하는 것이므로, mSure는 개방형 루프 시스템과 달리 이 변화를 즉시 감지할 수 있다.

[그림 2] 개방형 루프 시스템과 mSure 기술을 사용한 폐쇄 루프 시스템 비교

mSure는 비침습적이라서 계량기가 작동하고 있는 동안에도 진단이 가능하다. 정확한 판독을 위해서 최종적 에너지 측정에 대한 mSure 디바이스의 기여분을 차감한다. 그러므로 레퍼런스 블록의 정확도에 따라 계량기의 정확도가 좌우된다. 레퍼런스는 기본적으로 시스템에 사용되는 센서보다 정확도가 더 높다.

또한 어느 때나 자동 캘리브레이션을 실행할 수 있다. 캘리브레이션 데이터는 전류와 전압 측정 체인의 이득으로 이루어진다. mSure 기술은 고가의 캘리브레이션 장비에 의존할 필요 없이 높은 정밀도로 이 데이터를 추출할 수 있다. 계량기를 전압 소스에 연결하면 자가 캘리브레이션이 시작된다. 부하를 연결하는 것은 선택적이다.

mSure 기술을 적용한 스마트 계량기를 현장에 설치한 다음에는 계량기 정확도를 연속적으로 또는 정해진 시간 간격으로 검사할 수 있다. 계량기의 정확도가 달라지면 캘리브레이션 데이터를 교정할 수 있다. 현재로서는 표준형 계량기의 경우, 현장에서 캘리브레이션 데이터를 변경하는 것이 법적으로 허용되지 않는다. mSure 기술을 사용하면, 전력 회사가 필요할 때 즉시 대응에 나서고 에너지 측정이 정확하게 이루어지도록 할 수 있을 것이다.

ADE9153B와 ADE9322B는 아나로그디바이스의 mSure 가능 에너지 미터링 IC로서, 차세대 스마트 계량기에서 센서 모니터링과 자가 캘리브레이션이 가능하게 해준다.

[그림 3] 전기 계량기를 지원하기 위한 에지-대-클라우드 솔루션

EAS(Energy Analytics Studio)

mSure 포트폴리오는 EAS(Energy Analytics Studio)를 지원한다. EAS는 mSure 기술을 지원하기 위한 클라우드 분석 서비스로서, 이 서비스를 사용해서 각 계량기의 건전성을 검사할 수 있고(health monitoring), 궁극적으로 매출을 보호할 수 있다. 시스템 마이크로컨트롤러 상에서 실행되는 mSure Manager 소프트웨어가 계량기 파라미터에 관한 데이터를 보고한다. 이 보고 빈도는 사용자가 설정할 수 있다. mSure Manager를 사용해서 단일 계량기나 특정 구역 내의 모든 계량기(예를 들어서 극단적인 기상 조건에 노출된 계량기 등)나 특정 생산 배치에 속하는 모든 계량기의 상태를 검사할 수 있다. 

맺음말

혁신적인 mSure 기술을 사용해서 현장에서 전기 계량기를 실시간으로 진단할 수 있다. 아울러 EAS(Energy Analytics Studio)를 사용해서 계량기 건전성을 모니터링하고 무단조작을 방지할 수 있다. 그러므로 전력 회사가 최적화된 계량기 관리를 통해서 매출 손해를 줄임으로써 수익을 높일 수 있으며, 궁극적으로 계량기 수명을 연장할 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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