적절한 통신이 없는 전기 그리드(electricity grid)는 단순한 전력 "전송"에 불과하다. 쌍방향 통신이 추가됨으로써 전력망이 "스마트"해졌다. 전력회사는 통신을 통해 2가지 주요 목적인 지능 모니터링, 보안, 그리고 부하 밸런싱을 수행할 수 있다. 쌍방향 통신을 이용해 그리드에 위치한 센서 및 계량기로부터 데이터를 수집하고 그리드 운영자의 제어실로 직접 전송 가능하다. 이렇게 추가된 통신 기능은 제어실의 운영자에게 충분한 대역폭을 제공해 그리드를 적극적으로 관리하도록 한다.

통신은 신뢰할 수 있어야 하고 안전해야 하며 비용이 저렴해야 한다. 전기 그리드 네트워크의 규모 자체 만으로 통신 기술을 구현함에 있어서 비용은 중요한 고려사항이다. 전체 시스템을 커버하는 데 필요한 모뎀과 집선기(concentrator) 수를 최소화하는 솔루션을 선택함으로써 인프라 비용을 크게 줄일 수 있다. 동시에 선택된 기술은 그리드 네트워크에서 양방향으로 전송되는 모든 데이터 트래픽을 처리할 수 있을 정도의 충분한 대역폭을 제공해야 한다.

통신 네트워크 및 프로토콜
스마트 그리드에서 통신은 세 부분으로 나뉠 수 있다.
WAN (Wide Area Network)은 커맨드센터(command center)에서 지역 다운스트림(neighborhood downstream)까지 장거리를 커버한다.
NAN(Neighborhood Area Network)은 중간 전압 라인을 사용하여 WAN과 주거 지역 네트워크 사이에 모든 정보를 관리한다.
HAN(Home Area Network)은 최종 사용자 가정이나 사업장 내의 최종 지점까지 통신을 확장한다.

각각은 노드나 게이트웨이를 통해 상호 연결되어 있는데, WAN과 NAN 사이에는 집선기, NAN과 HAN 사이에는 전자식 계량기(e-meter)가 있다. 각 노드는 네트워크를 통해 인접한 노드와 통신한다. 집선기는 계량기로부터 데이터를 종합하여 정보를 그리드 운영자에게 전송한다. 전자식 계량기는 홈 네트워크 게이트웨이로 통신하거나 게이트웨이 자체로 기능함으로써 가정이나 사업장의 전력 사용 데이터를 수집한다.
각 부분에는 전송 환경 및 전송되는 데이터 양에 따라 서로 다른 통신 기술과 프로토콜이 활용될 수 있다. 무선 및 전력선통신(PLC) 사이에 아키텍처 외에도, 무선 및 PLC 프로토콜 사이에서 선택해야 할 것이 많이 있다(표 1).





WAN은 그리드 운영자와 집선기 간의 통신 경로로, 이더넷이나 셀룰러 프로토콜을 이용해 파이버 또는 무선 미디어를 통해 구현될 수 있다. 그리드 운영자와 집선기 사이에 가장 일반적으로 사용되고 있는 것이 셀룰러 또는 WiMAX짋이다.
NAN은 집선기와 계량기 사이의 경로로, 무선 또는 PLC를 이용한다. 일반적으로 집선기는 사용된 통신 프로토콜 및 그리드 토폴로지에 따라 몇 개에서 수백 개의 계량기까지 어느 곳에서나 통신한다. 현재 이러한 네트워크 부분에 대한 표준이 없기 때문에, 대부분 독자적인 무선 또는 PLC 기술을 이용하고 있다. 지금은 몇몇 표준 단체가 무선 및 PLC 프로토콜 표준 정립을 위해 전력 회사 및 기술 제공업체와 협력하고 있다. IEEE 802.15.4g 표준은 무선을 대상으로 하고 있고, IEEE P1901은 OPEN 계량기를, ITU-T G.hnem 표준은 PLC를 위해 개발 중에 있다(표 2).



HAN은 전력회사가 통신 경로를 가정 내 기기까지 도달 범위를 확장하는 데 사용된다. 이 네트워크는 피크 부하 상태 동안 에어컨 중단, 가정 내 디스플레이로 소비 데이터 공유, 카드 활성화된 선불 시스템과 같은 기능을 지원할 수 있다. 전기/플러그인 하이브리드 전기자동차(EV/PHEV)의 도입은 HAN에 특수한 통신 시나리오를 제시한다. 표준 단체들은 차량 충전 시스템과의 통신을 위한 PLC 프로토콜을 정의하고 있다.
스마트 그리드 액티비티를 위한 데이터 요건 지원과 더불어, HAN은 가정 내 기기 간 P2P(peer-to-peer) 통신, 휴대용 원격 제어 장치, 조명 제어, 가스 또는 수도 계량기는 물론 광대역 트래픽과의 통신도 포함한다. RS-485, ZigBee, Z-Wave, HomePlug와 같은 프로토콜이 이 네트워크에 사용된다. 별도의 홈게이트웨이가 있는 경우, 추가적인 프로토콜을 사용하여 기기, 서모스탯, 기타 장치들과 통신할 수 있다.
HAN에 통신 대안이 존재할 수도 있지만, 전력회사의 지원은 회사의 주요 목적을 수행하는 데 필요한 기술에 한정된다.

RF 통신
무선 통신은 자동 원격검침 시스템(Automatic Meter Reading, AMR)을 위한 일부 영역에 사용된다. 현재 몇몇 특허 및 표준화된 무선 프로토콜이 사용되고 있다. 해당 주파수 대역은 200 MHz ~ 3.9 GHz이다.
몇 개 블록이 RF 통신 구현을 위해 사용된다. 신호는 안테나를 통해 수신되어 대역통과 필터를 통해 전송되는데, 해당 주파수를 벗어나는 주파수는 거부된다. 그런 다음 신호는 수신 신호 체인으로 바뀌어, 한 개 이상의 다운컨버터가 반송파 주파수에서 중간 주파수(IF)로, 그 다음 동위상/4위상 (I/Q) 단계를 거쳐 베이스밴드로 변환된다.
보다 최신의 아키텍처에서는 low-IF 또는 zero-IF 샘플링 아키텍처로 1개 이상의 IF 다운컨버전 단계를 제거했다. 이들 설계는 high 또는 low IF 신호를 디지털화하는 단일 ADC나 일반적으로 복잡한 I/Q 베이스밴드 신호를 디지털화하는 ADC 2개를 사용한다. ADC 출력은 베이스밴드가 처리되는 디지털 ASIC 또는 DSP에 공급된다. 가끔 마이크로프로세서를 통해 더 높은 계층의 프로토콜을 처리하기도 한다. 전송을 위해, 프로세스 경로와 신호 체인이 바뀌어 신호가 안테나로 전달된다.
시스템은 몇 가지 방식으로 분할할 수 있다. 예컨대 ZigBee 또는 Maxim의 Simplelink 무선은 완전한 SoC 솔루션을 제공한다. 특허 프로토콜과 같은 기타의 경우 디지털 ASIC 및 RF 트랜시버를 통해 전체 무선 링크를 구축한다.

전력선 통신

변조 기법 개요
전력선 통신은 AC 전력선을 전송 매체로 이용한다. Maxim 제품과 같은 일부 시스템은 DC 및 콜드 와이어(cold wire)를 통해서도 동작한다. 오늘날 시장에는 몇 가지 전력선 프로토콜이 있다. 이들 프로토콜은 두 가지 기본 변조 기법, 즉 주파수 편이 방식(FSK)과 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 가운데 하나로 나뉜다.
FSK는 더 오래된 변조 기법으로 계량기에서 집선기까지의 드문드문한 단방향 통신과 같은 가장 기본적인 목적을 위해 과거 전력산업 분야에서 사용돼 오던 방식이다. 그러나 FSK에는 문제점이 있다. 간섭 신호가 전송 주파수 중 하나와 동시에 발생되면 수신자가 신호를 수신하지 못하는 것이다. FSK는 두 개의 주파수 사이에서만 스위칭 하므로 대역폭이 효율적으로 사용되지 못하여 데이터 전송률이 낮다. 이렇게 낮은 데이터 전송률은 양방향 제어를 요구하는 스마트 그리드 애플리케이션에서는 불충분하다.
실제 PLC 설치 시 최대 수백 개의 계량기가 네트워크 중전압(MV) 부분을 통해 단일 데이터 집선기에 연결되도록 요구하는 경우가 있다. 이는 저전압/중전압(LV/MV) 변압기를 통한 데이터 통신을 요구한다. 이들 변압기는 FSK 신호에 수십 데시벨의 신호 감쇄(주파수 선택적)를 일으킬 수 있으므로, FSK보다 더 발전되고 견고한 통신방법이 필요하다.
OFDM은 PRIME 같은 초기 세대 협대역 프로토콜은 물론, 디지털 라디오 및 TV, Wi-Fi, WiMAX 같은 현대의 여러 통신 시스템에 사용되고 있다. 현재 OFDM 기술은 PLC 네트워크를 위한 새로운 기능과 기술을 가능하게 한다. 가장 큰 이점으로, 이 기술은 전력 업계에 전력망에 인텔리전스를 구축하는 데 필요한 대역폭을 제공하여 공격적인 비용 목표를 충족시킬 수 있다.

G3-PLC 기술로 인한 발전
G3-PLC는 OFDM을 적용하여 대역폭 이용을 최적화한다. OFDM은 여러 개의 반송파를 이용하여 데이터를 전송하므로 특정 주파수에서 간섭 또는 주파수 선택적 감쇄가 효과적으로 제거될 수 있다. 신뢰성 증가와 더불어, 이 기능으로 훨씬 더 많은 데이터를 전송할 수 있게 됐다.
또한 OFDM의 스펙트럼 효율성으로 첨단 채널 코딩 기법을 이용할 수 있다. Maxim의 전력선 솔루션에서 첨단 채널 코딩은 OFDM과 함께 사용되어 불리한 채널 조건에서 통신 안정성을 극대화한다. 두 단계의 오류 정정 코딩(콘볼루션 및 Reed Solomon)을 사용해 신뢰할 수 있는 데이터 전송을 보장한다. 또 OFDM 반송파를 통과하여 시간 및 주파수 영역 모두에서 데이터가 인터리빙 되어 임펄스 노이즈에 대한 민감도를 줄이고 버스트 오류로부터 보호한다.

Maxim의 차세대 G3-PLC 기술은 다음의 추가 기능을 제공한다.

- AES-128 암호화 엔진을 이용한 MAC 레벨 보안
- 원격 네트워크 노드 사이에 최상의 경로를 결정하기 위한 메시 라우팅 프로토콜
- 최적의 대역폭 활용을 위한 적응형 톤 매핑
- 견고한 동작 모드로 노이즈가 있는 채널 조건에서 통신 향상
- 채널 평가를 통해 인접 노드 간에 최적의 변조 기법 선택
- 오래된 S-FSK 시스템과 공존

G3-PLC는 매우 견고하여 저렴한 커플러로 변압기를 통한 전송이 가능하다. 이로써 스마트 그리드 설치에 필요한 집선기 수를 줄이고 시스템 구현 비용을 절약하며 무선 지능형 검침 인프라(Advanced Meter Infrastructure, AMI)와 견줄 만한, 심지어는 보다 뛰어난 PLC 비용 경쟁력을 확보하고 있다. 저전압, 중전압 라인에서 구현되는 최대 6 km 거리로 원거리 사이트도 모니터링이 가능하다. 완전한 G3-PLC 프로파일 사양과 PHY 및 MAC 계층을 위한 사양은 korea.maxim-ic.com/G3-PLC에서 다운로드할 수 있다.
Maxim은 스마트 그리드 애플리케이션을 위해 고주파수 및 저주파수 PLC 칩셋을 제공한다. Maxim은 협대역 OFDM을 이용해 PLC에 대한 전 세계 스펙트럼 전력 밀도 표준에 적합한 스펙트럼(CENELEC짋, FCC, ARIB에서 ~500 kHz 이하)에서 데이터를 전송할 것을 권고한다.

시리얼 통신

노이즈 환경에서 장거리 케이블 실행 구현
공동주택 건물이나 산업용 장소와 같은 거칠고 시끄러운 환경에서는, RS-485 버스 아키텍처를 사용해 저렴한 비용의, 그러나 강력한 통신 네트워크를 구현할 수 있다. RS-485 신호 전송은 다른 성질을 갖고 있어 외부 간섭에 덜 민감하다. 또한 RS-485 사양은 멀티드롭 구성을 지원해 단일 버스에 여러 개의 계량기를 연결할 수 있다.
예컨대, RS-485는 아파트에서 사용되어 각각의 아파트 계량기로부터 개별 계량기에서 데이터를 종합한 중앙장치로 데이터를 전송함으로써 무선 또는 PLC 링크를 통해 검침이 가능하다. 여러 개의 코스트 센터를 검침해야 하는 산업 시스템에서도 유사한 방법을 사용할 수 있다.

RS-485 트랜시버 선택
노이즈가 있는 환경을 통과하는 장거리 케이블에서 신호 품질을 유지하기 위해, 설계자들은 다음 기능을 갖는 트랜시버를 고려할 수 있다.

- ESD 보호 기능으로 트랜시버 취급 및 연결 시 손상 방지
- 페일 세이프 회로로 개방 및 단락 회로 조건으로부터 설계 보호
- 슬루율 제한으로 EMI 방사 및 데이터 오류 감소
- 핫 스왑 기능으로 트랜시버 파워 업 또는 라이브 삽입 동안 버스에 오류 천이 제거
- 절연 기능으로 전압 스파이크, 접지 루프, 뇌우로부터 보호
- AutoDirection 제어로 절연 제어 채널의 필요를 제거함으로써 광커플러 불필요
- ±80 V 오류 보호 기능으로 폴리스위치 리미터 및 제너 다이오드 같은 외부 부품 불필요

RS-232 트랜시버로 점대점 링크 추가
RS-232 프로토콜은 두 기기 사이에 단거리 통신을 위한 것으로, 계량기 설계자들은 보통 RS-232를 이용해 전력회사 계량기와 컴퓨터, 원격 디스플레이 또는 모뎀 사이에 점대점 링크를 구현한다.
RS-232 포트는 일부 시간 만 사용하기 때문에 전력 절감을 위해 자동 셧다운 회로를 포함해야 한다. 추가적으로 설계자들은 취급 시 손상을 방지하기 위해 확장된 ESD 보호 기능을 갖춘 소자를 고려해야 한다.

설계 유연성을 제공하는 멀티프로토콜 트랜시버
프로토콜이 미리 알려져 있지 않거나 유연성을 필요로 하는 경우, Maxim의 멀티프로토콜 트랜시버는 단일 보드 레이아웃을 이용해 RS-232 또는 RS-485를 지원할 수 있도록 한다. 이로써 한 개의 설계로 다양한 시장 요구사항을 지원하고, 생산 시 필요한 프로토콜에 맞게 각각의 보드를 간편하게 프로그래밍 할 수 있어 시간을 절약할 수 있다.  ES