KR101149648B1 - 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템은, 지상변압기에 설치되어 수용가의 전력량계로부터 취득한 검침 데이터를 지중 고압선로 구간에 FDD 전력선통신 리피팅 방식으로 전송하는 데이터 집중 장치; 지상입상관 또는 다가구용 인입선에 설치되어 데이터 집중 장치와 상위 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 구성하고, 인근 수용가의 전력량계에 장착된 무선통신 모뎀들과 하위 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 구성하는 무선 수집 장치; 및 인근 수용가의 전력량계에 장착된 무선통신 모뎀들 및 무선 수집 장치와 하위 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 구성하고, 해당 수용가의 전력량계와 주기적으로 통신하여 검침 데이터를 수집 및 저장하고, 데이터 집중 장치로부터의 검침 데이터 요청에 따라 무선 수집 장치를 통해 데이터 집중 장치로 저장된 검침 데이터를 전달하는 무선통신 모뎀을 구비한다.

Description

유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템{Automatic meter reading system based on wired and wireless communication for underground distribution line}
본 발명은 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 광대역으로 분포한 저압구간의 각 수용가에서 사용하는 에너지 사용량을 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 이용하여 수집하고, 수집한 에너지 사용량을 고압구간의 지상변압기 간에서는 장거리 통신을 가능하게 하는 FDD 전력선통신 리피팅 기술을 이용하여 전송하는 지중용 원격검침 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
국내외적으로 원격검침 사업화 초기 단계에 있으며, 국내에서는 저압구간에서 전력선 통신 방식을 이용하여 일부 가공구간을 대상으로 원격검침 사업화가 시작되었으며, 단계적으로 전국 사업화를 목표로 추진 중에 있다.
도 1은 기존 가공구간을 대상으로 한 원격검침 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 기존 가공구간용 원격검침 시스템의 구성은 착탈식용 전력선 통신 모뎀을 포함하며 수용가(30)에 설치되는 전자식 전력량계(10), 변대주(20)에 설치되며 수용가(30)의 전자식 전력량계(10)로부터 검침 데이터를 주기적으로 수집하여 주변 DCU(40;Data Concentration Unit)와 고객정보 데이터베이스(65)를 포함하는 FEP(50)/원격검침 서버(60)로 전송하는 DCU(40), 및 FEP(50)/원격검침 서버(60)로 구성된다. 기존 가공구간용 원격검침 시스템은 수용가(30)의 전자식 전력량계(10)와 DCU(40) 간의 통신(70)은 전력선통신 방식, RF, 혹은 전용통신 회선을 사용하며, DCU(40) 간의 통신(80)은 RF, 전용통신 회선 또는 전력선통신 방식을, DCU(40)와 FEP(50)/원격검침 서버(60) 간의 통신(90)은 CDMA(Code Division Multiple Accessing), HFC(Hybrid Fiber Coaxial), 디지털 TRS(Trunked Radio System)방식 등을 사용한다.
한편, 최근 늘어나는 재개발 사업과 신도시(신규 사업은 대부분 지중으로 전력을 전송)의 증가로 지중구간에서의 원격검침이 중요한 문제로 부각되고 있다.
그러나, 가공구간과 달리 지중구간의 저압선로의 경우 주상변압기(가공용)에 비해 지상변압기(지중용)의 용량이 크기 때문에 지상변압기 한대가 최대 약 500가구의 저압 수용가(보통 100~300 정도의 저압수용가)에 전력을 공급하는 구조이다. 그리고, 지상변압기로부터 수용가까지의 넓은 전력공급 서비스 영역과 지상변압기와 수용가 사이에 전력선이 지중으로 매설되고, 다수의 지중 접속함 및 다가구 공동주택의 전원공급을 위한 지상입상관에서의 다분기에 따른 전력선통신 성능저하가 발생하고 있으며, 지중으로 매설되어 있는 전력선 때문에 전력선 통신 장애 발생시 즉각적인 대처가 불가능하다.
때문에 지중 저압구간에서 원격검침을 위한 효과적인 통신방법의 필요성과 최대 500가구의 수용가로부터의 에너지 사용량을 최단시간 동안 효율적으로 취득하는 방법이 요구되고 있다.
가공구간 고압선로의 경우 변대주 간 장애물이 없기 때문에 동축 케이블과 같은 통신선로 포설이 용이하고, 무선방식을 사용할 경우 안테나를 변대주 상단에 부착함으로써 LOS(Line Of Sight) 보장에 따른 원하는 무선통신 성능을 기대할 수 있다.
그러나, 지중구간 고압선로의 경우에는 별도의 통신선로를 지중에 포설하는 것은 경제적으로 사실상 불가능하며, 지상변압기 간 무선방식을 사용한다고 하더라도 지상변압기 간 거리가 멀 경우 낮은 안테나 설치 위치와 차량 및 사람들의 잦은 이동경로에 위치하는 지상변압기 설치 장소의 구조적인 한계점으로 인해 충분한 LOS 환경을 제공할 수 없으므로, 지중 고압구간에서는 원하는 무선통신 성능을 기대할 수 없다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서,
지중 고압구간에서의 검침 데이터 전송시에는 고압전력선 자체를 통신선로로 활용할 수 있는 전력선 통신 방식을 이용하되, 지중 고압구간에서 장거리 전송이 가능한 FDD(Frequency Division Duplex) 리피팅 방식을 이용하며, 지중 저압구간에서의 검침 데이터 전송시에는 멀티홉(Multihop) 통신에 의한 넓은 서비스 커버리지 제공과 self-healing/self-organization 기능으로 망 장애시 망 복구 신뢰성을 제공할 수 있는 무선 메쉬(Mesh) 네트워크 기술을 이용해줌으로써, 효과적인 지중용 원격검침 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템은, 지상변압기에 설치되어 수용가의 전력량계로부터 취득한 검침 데이터를 지중 고압선로 구간에 FDD 전력선통신 리피팅 방식으로 전송하는 데이터 집중 장치; 지상입상관 또는 다가구용 인입선에 설치되어 상기 데이터 집중 장치와 상위 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 구성하고, 인근 수용가의 전력량계에 장착된 무선통신 모뎀들과 하위 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 구성하는 무선 수집 장치; 및 인근 수용가의 전력량계에 장착된 무선통신 모뎀들 및 상기 무선 수집 장치와 하위 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 구성하고, 해당 수용가의 전력량계와 주기적으로 통신하여 검침 데이터를 수집 및 저장하고, 상기 데이터 집중 장치로부터의 검침 데이터 요청에 따라 상기 무선 수집 장치를 통해 상기 데이터 집중 장치로 저장된 검침 데이터를 전달하는 무선통신 모뎀을 구비한다.
특히, 상기 데이터 집중 장치는, 상기 상위 및 하위 무선 메쉬 네트워크를 통해 각 수용가에 대한 검침 데이터를 취득하는 저압구간 통신 네트워크 모듈; 상기 저압구간 통신 네트워크 모듈을 통해 취득한 검침 데이터를 하나의 프레임으로 변환하고, 상기 변환된 검침 데이터가 상기 지중 고압선로 구간으로 전송되도록 제어하는 마이크로 컨트롤러; 및 상기 마이크로 컨트롤러의 제어에 따라 상기 변환된 검침 데이터를 상기 지중 고압선로 구간의 R상, S상, T상 중에 적어도 하나 또는 중성선을 통해 상기 지중 고압선로 구간에 전송하는 고압구간 통신 네트워크 모듈을 구비한다.
또한, 상기 마이크로 컨트롤러는, 상기 지상변압기 2차측으로부터 취득한 전류 및 전압값을 이용하여 상기 지상변압기 2차측에서의 총 공급 전력량을 산출하고, 산출된 총 공급 전력량과 상기 무선 수집 장치를 통해 취득한 수용가들의 총 사용 전력량을 LP 주기를 기준으로 비교 분석하여 전력손실 및 도전을 감시하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로 컨트롤러는, DLMS/COSEM 기반의 검침 프로토콜 엔진을 구비하며, 상기 무선통신 모뎀에 주기적으로 검침 데이터를 요청하는 것을 특징으로 한다.
또한, 지상변압기 2차측으로부터 취득한 전류값 및 전압값을 이용하여 유효 및 무효전력, 역률, 피상전력, 및 부하 프로파일(LP)을 산출하는 미터링 모듈; 및 기 지상변압기 2차측로부터 전력을 공급받아 구동에 필요한 직류 전압 또는 직류 전류를 생성하고, 상기 지상변압기 2차측의 전류 및 전압값을 감지하는 전원 모듈을 더 구비한다.
또한, 상기 고압구간 통신 네트워크 모듈은, 고압구간 통신 네트워크 관리를 위한 DSP 기능, 이더넷 브리지 역할과 전력선통신 변복조 및 FDD 리피팅 기능이 가능한 고압 전력선통신 모듈; 및 상기 지중 고압선로 구간의 R상, S상, T상 중에 적어도 하나 또는 중성선을 통해 공급되는 전원은 차단하고 전력선통신 신호만을 주입, 추출, 및 증폭하는 AFE를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로 컨트롤러로부터 검침 데이터를 전달받아 Wibro 모듈, CDMA 모듈, 및 케이블 모뎀 중 하나 이상을 사용하여 FEP/원격검침 서버로 전송하는 FEP/서버 연계용 통신 네트워크 모듈을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 저압구간 통신 네트워크 모듈은, MIMO를 지원하는 이중 편파 안테나를 이용하여 인근 지상입상관 또는 다가구용 인입선에 설치되어 있는 하나 이상의 무선 수집 장치로부터 검침 데이터를 수신하는 복수 개의 무선통신부; 및 상기 복수 개의 무선통신부에 의해 수신된 검침 데이터가 상기 마이크로 컨트롤러에 전달되도록 처리하고, IEEE 802.11s, IEEE 802.11e, IEEE 802.11a/b/g/n, 및 IEEE 802.15.4 프로토콜을 지원하는 네트워크 처리부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무선 수집 장치는, 상기 지상입상관 또는 다가구 인입선으로부터 전력을 공급받아 구동에 필요한 직류 전압 또는 직류 전류를 생성하고, 상기 지상입상관 또는 다가구 인입점에서의 전류 및 전압값을 감지하는 전원모듈; 및 상기 전원모듈에 의해 감지된 아날로그 전류 및 전압값을 디지털값으로 변환하고, 변환된 전류 및 전압값을 이용하여 유효 및 무효전력, 역률, 피상전력, 및 부하 프로파일(LP)을 산출하는 미터링 모듈을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미터링 모듈에 의해 변환된 전류 및 전압값을 이용하여 상기 지상입상관 또는 다가구 인입점에서의 총 공급 전력량을 산출하고, 상기 하위 무선 메쉬 네트워크에 속해 있는 무선통신 모뎀들로부터 취득한 전력 사용량을 이용하여 총 사용 전력량을 산출하고, 산출된 총 공급 전력량과 총 사용 전력량을 비교 분석하여 전력손실 및 도전을 감시하는 것을 특징으로 하는 네트워크 처리부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지중 고압선로 구간에 설치되어 상기 데이터 집중 장치의 FDD 전력선통신 리피팅을 지원하는 비접촉식 커플러를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 비접촉식 커플러는, 서로 다른 전력선통신 주파수 대역신호 주입을 위해서 하나의 비접촉식 커플러에 하나의 통신 단자에 T 연결자가 부착되어 서로 다른 주파수 대역의 전력선통신 신호를 동시에 주입 및 추출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터 집중 장치에는 상기 지상변압기 내부의 철 구조물에 부착하기 위한 자성체가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 방법은, 무선통신 모뎀이, 수용가의 전력량계와 주기적으로 통신하여 검침 데이터를 수집 및 저장하는 단계; 상기 무선통신 모뎀이, 데이터 집중 장치로부터의 검침 데이터 요청에 따라 하위 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 통해 지상입상관 또는 다가구용 인입선에 설치되어 있는 무선 수집 장치로 저장된 검침 데이터를 전송하는 단계; 상기 무선 수집 장치가, 복수 개의 무선통신 모뎀들로부터 수신한 검침 데이터를 상위 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 통해 지상변압기 내부에 설치되어 있는 데이터 집중 장치로 전송하는 단계; 및 상기 데이터 집중 장치가, 상기 무선 수집 장치로부터 수신한 검침 데이터를 지중 고압선로 구간에 FDD 전력선통신 리피팅 방식으로 전송하는 단계를 포함한다.
특히, 상기 데이터 집중 장치가, 상기 지상변압기 2차측으로부터 전류 및 전압값을 취득하고, 취득한 전류 및 전압값을 이용하여 상기 지상변압기 2차측에서의 총 공급 전력량을 산출하는 단계; 및 산출된 총 공급 전력량과 상기 무선 수집 장치를 통해 취득한 수용가들의 총 사용 전력량을 비교 분석하여 전력손실 및 도전을 감시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터 집중 장치가, 상기 무선 수집 장치로부터 수신한 검침 데이터를 Wibro 모듈, CDMA 모듈, 및 케이블 모뎀 중 하나 이상을 사용하여 FEP/원격검침 서버로 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터 집중 장치가, 상기 무선 수집 장치로부터 수신한 검침 데이터를 지중 고압선로 구간에 FDD 전력선통신 리피팅 방식으로 전송하는 단계는, 상기 수신한 검침 데이터를 하나의 프레임으로 변환하고, 상기 변환된 검침 데이터를 상기 지중 고압선로 구간의 R상, S상, T상 중에 적어도 하나 또는 중성선을 통해 상기 지중 고압선로 구간에 전송하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터 집중 장치가, 상기 무선 수집 장치로부터 수신한 검침 데이터를 지중 고압선로 구간에 FDD 전력선통신 리피팅 방식으로 전송하는 단계는, 상기 지중 고압선로 구간에 설치되어 상기 데이터 집중 장치의 FDD 전력선통신 리피팅을 지원하는 비접촉식 커플러를 이용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 비접촉식 커플러는, 서로 다른 전력선통신 주파수 대역신호 주입을 위해서 하나의 비접촉식 커플러에 하나의 통신 단자에 T 연결자가 부착되어 서로 다른 주파수 대역의 전력선통신 신호를 동시에 주입 및 추출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
하나의 대용량 지중변압기가 수백 가구 정도의 수용가에 전력을 공급하는 지중 저압구간에서 광대역 구간에 통신망을 쉽게 포설할 수 있고, self-healing/self-organization 기능으로 자동망 복구 기능을 제공하는 무선 메쉬 네트워크와 지중 고압구간에서 장거리 통신이 가능한 FDD 전력선 리피팅을 제안하고, 두 기능을 연계 및 DLMS/COSEM 프로토콜 기반의 DCU와 전자식 전력량계간 검침 데이터 수집 절차를 개선하여 검침 데이터 수집의 정확도 향상 및 수집 시간을 최소화시킬 수 있는 지중구간에 특화된 원격검침 시스템이 구현된다.
도 1은 기존 가공구간을 대상으로 한 원격검침 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 지중용 원격검침 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 지중용 원격검침 시스템의 마스터 데이터 집중 장치(Master DCU)의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 마스터 데이터 집중 장치의 저압구간 통신 네트워크 모듈의 구성을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 지중용 원격검침 시스템의 무선 수집 장치의 구성을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 지중용 원격검침 시스템의 무선통신 모뎀의 구성을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 지중용 원격검침 시스템에 적용되는 FDD 리피팅 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 원격에서 데이터 집중 장치, 무선 수집 장치, 또는 무선통신 모뎀을 효과적으로 관리하기 위해서 필요한 DM(Device Management) S/W스택을 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 지중용 원격검침 시스템에 적용되는 FDD 리피팅용 비접촉식 커플러를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 9의 FDD 리피팅용 비접촉식 커플러를 사용한 지중용 원격검침 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 상위 및 하위 무선 메쉬 네트워크를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 기존 데이터 집중 장치와 전자식 전력량계 간의 통신 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 데이터 집중 장치와 전자식 전력량계 간의 통신 절차를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 유/무선 통신 기술을 이용한 원격검침 시스템을 첨부된 도면을 통하여 자세하게 설명하면 아래와 같다.
본 발명은 앞에서 언급한 기존 원격검침 시스템의 문제점을 해결하고자 한 것으로서, 지중 고압구간에서는 FDD 리피팅 전력선통신 방식을 중성선 또는 고압전력선에 적용하여 별도의 통신선로 포설없이 장거리 전송을 가능하게 하고, 지중 저압구간에서는 넓은 통신 커버리지를 제공함과 동시에 망 장애시 복구기능이 있는 멀티홉 기반의 무선 메쉬(mesh) 네트워크 기술과 수용가의 전자식 전력량계와 데이터 집중 장치(DCU)간에 에너지 사용량 수집 프로세스를 개선함으로써, 트래픽 병목 현상 방지를 통한 효과적인 지중구간 원격검침 시스템을 제공하는데 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지중용 원격검침 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 지중용 원격검침 시스템은, 고객정보 DB(65), FEP/원격검침 서버(50,60), 데이터 집중 장치(100a,100b,100c), 무선 수집 장치(200), 무선통신 모뎀(220), 및 비접촉식 커플러(500)를 구비한다.
FEP/원격검침 서버(50,60)는 데이터 집중 장치(100a)로부터 검침 데이터(예,에너지 사용량)를 수집하고, 수집된 검침 데이터를 DB에 저장하고, 각 수용가의 에너지 사용에 따른 요금정보를 산출한다. 이때, FEP/원격검침 서버(50,60)는 CDMA, Wibro, HFC 등과 같은 통신망을 통해 데이터 수집 장치(100a)와 연결될 수 있다.
데이터 집중 장치(100a,100b,100c,DCU:Data Concentration Unit)는 지상변압기(600a,600b,600c) 내부에 설치되어 수용가의 전력량계로부터 취득한 검침 데이터를 지중 고압선로 구간에 FDD 전력선통신 리피팅 방식으로 전송한다. 예를 들어, 슬레이브 데이터 집중 장치(100b,Slave DCU)는 무선 수집 장치(200)와 상위 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 구성하여 에너지 사용량을 수집하고, 장거리 전송이 가능한 FDD 전력선통신 리피팅 방식을 이용하여 수집한 에너지 사용량을 마스터 데이터 집중 장치(100a,master DCU)로 전송한다.
무선 수집 장치(200,WGU:Wireless Gathering Unit)는 지상입상관(210)에 설치되어 지상입상관(210)으로부터 전력을 공급받는다. 그리고, 무선 수집 장치(200)는 해당 데이터 집중 장치와 상위 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 구성하고, 인근 수용가의 전자식 전력량계에 장착된 무선통신 모뎀(220)들과 하위 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 구성한다. 즉, 무선 수집 장치(200)는 무선통신 모뎀(220)이 수용가의 전자식 전력량계로부터 주기적으로 수집하여 저장하고 있던 검침 데이터를 데이터 집중 장치로 전달할 때, 상위/하위 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 제공한다.
비접촉식 커플러(500)는 검침 데이터를 지중고압 전력선(R상, S상, T상) 또는 중성선(Neutral)에 전력선통신 신호를 주입하거나 추출한다.
무선통신 모뎀(220)는 DLMS/COSEM 검침 프로토콜을 이용하여 전자식 전력량계를 통해 주기적으로 전기/가스/열량/수도 등의 에너지 사용량을 수집하여 저장하고, 데이터 집중 장치로부터의 요청시 상위 및 하위 무선 메쉬 네트워크를 통해 데이터 집중 장치로 각 수용가의 에너지 사용량을 전달한다.
한편, 상기한 전자식 전력량계는 전기/수도/가스/수도/열량을 측정할 수 있는 전자식 계량기로 대체할 수 있으며, 이는 당업자에게는 자명한 사실이다.
전력회사의 입장에서 보면, 각 수용가에 설치된 전자식 전력량계(220)가 각종 전자식 계량기 중 마스터(master) 역할을 하는 것이 바람직하며, 각종 전자식 계량기에 내장 또는 외장으로 연결되는 무선통신 모뎀 간에 최소 리피팅 기능이나 멀티홉(mesh) 기능이 있는 통신 방식을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 전자식 전력량계와 전자식 가스계량기, 전자식 수도계량기 또는 전자식 열량계량기가 무선통신 장애로 전자식 전력량계와 직접 통신할 수 없는 경우에는 전자식 가스계량기, 전자식 수도계량기, 전자식 열량계량기 중 하나 이상이 중계 역할을 수행하여 우회 경로를 형성해줌으로써 댁내에서의 넓은 무선통신 서비스 커버리지 제공과 높은 통신 신뢰성을 제공할 수 있기 때문이다.
DLMS/COSEM 검침 프로토콜은 전기/가스/수도/열량 등 모든 에너지에 대해 사용할 수 있다. 경우에 따라서는 가스는 가스 회사가 정한 프로토콜, 수도는 수도 회사가 정한 프로토콜을 상기 전자식 계량기와 전자식 전력량계 구간에 사용할 수 있다. 하지만, 전자식 전력량계에 부착된 무선통신 모뎀(220)에서는 DLMS/COSEM 스택을 이용하여 무선통신 모뎀(220)에서부터 데이터 집중 장치(100a) 또는 FEP/원격검침 서버(50,60)까지는 동일 DLMS/COSEM 프로토콜을 사용하여 원격검침의 상호호환성 또는 서비스의 효율을 높일 수 있다. 댁내 이종 계량기간 통신 방식으로는 와이파이(Wi-Fi), 지그비(ZigBee), 바이너리 CDMA(Binary CDMA)같은 비허가 무선통신에 리피팅 또는 멀티홉(mesh) 기능이 있는 통신방식이 필요하다.
도 3은 본 발명에 따른 지중용 원격검침 시스템의 마스터 데이터 집중 장치(Master DCU)의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 슬레이브 데이터 집중 장치(Slave DCU)는 마스터 데이터 집중 장치(Master DCU)와 동일한 구조를 가지며, 상황에 따라서 FEP/서버 연계용 통신 네트워크 모듈(170)을 구비 하지 않을 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 마스터 데이터 집중 장치(100)는 저압구간 통신 네트워크 모듈(110), 고압구간 통신 네트워크 모듈(120), 센서(130), 전원모듈(150), 메모리(160), FEP/서버 연계용 통신 네트워크 모듈(170), 및 마이크로 컨트롤러(180), 미터링 모듈(190), RTC 모듈(195), 및 통신 인터페이스(이더넷/시리얼,172,174),을 구비한다.
저압구간 통신 네트워크 모듈(110)은 지중 저압선로 구간의 지상입상관 또는 다가구 수용가 인입선 근처에 설치된 무선 수집 장치와 상위 무선 mesh 네트워크를 구성하고, 이를 통해 각 수용가의 에너지 사용량을 수집한다.
고압구간 통신 네트워크 모듈(120)는 동일한 지중 고압선로 구간(DL: Distribution Line)에 위치한 지상변압기 내부에 설치된 복수 개의 슬레이브 데이터 집중 장치(100b,100c)와 장거리 전력선 통신을 수행한다.
고압구간 통신네트워크 모듈(120)은 장거리 전력선통신을 수행하기 위해서 FDD(Frequency Division Duplexing) 리피팅 기능이 있는 고압구간용 전력선 통신모듈이 필요하다. 고압구간 전력선 통신모듈은 고압전력선/중성선의 AFE(Analogue Front End)를 통해 들어오거나 나가는 전력선통신 신호를 A/D(Analog to Digital) 또는 D/A(Digital to Analog)화하는 AD 변환기 및 DA 변환기, 이더넷 브리지 역할과 전력선통신 변복조 기능 및 고압구간 통신네트워크 모듈의 제어 및 관리를 수행하는 마이크로프로세서(미도시)로 구성된다.
현재 상용의 전력선통신 칩은 도 7의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 할당된 단일 주파수 대역(대략 1MHz~30MHz 정도)을 동기신호에 의한 송신과 수신을 교대로 번갈아 하는 TDD(Time Division Duplexing)통신 방식을 사용하고 있다.
그러나, 변전소로부터의 지중구간 고압선로 전 구간은 설치 지역에 따라 다르지만 대략 3~5km 정도의 거리이며, 지중 고압선로의 모든 구간에 전력선통신 방식으로 통신하기 위해서는 감쇄되어 미약해진 전력선통신 신호를 일정구간(대략 100~300m 정도)마다 리피터(repeater)를 설치하여 전력선통신 신호를 재생하는 작업이 필요하다.
통상적으로 장거리 전력선통신을 위하여 최대로 설치할 수 있는 TDD 방식의 리피터수는 최대 3개로 보고 있으며, 그 이유는 TDD방식의 리피터를 설치하여 신호를 재생하면 지연시간 증가에 의한 송/수신 타임 슬롯(time slot)의 동기를 맞추는 것을 힘들게 하여, 오히려 통신 속도 저하 및 최대 전송거리 제약과 같은 통신 성능의 열하가 발생할 수밖에 없기 때문이다.
도 7은 이러한 문제점을 해결할 수 있는 FDD 리피팅 방식을 보여주고 있다.
도 7의 (a)는 TDD 통신을 할 때의 송수신 주파수 사용을 보여주고 있으며 도 7의 (b)는 시간 도메인 상에서의 송수신 흐름을 보여주고 있다. 도 7의 (c)와 같이, PLC_A(320)와 PLC_C(360)사이에 PLC_B(380)처럼 TDD 리피터를 장거리 통신을 위하여 사용한다면 PLC_A(320)와 PLC_C(360) 사이에 발생하는 지연시간(latency)은 TDD 리피터가 없는 경우에 비해서 지연시간이 2배로 증가한다. 결국, TDD 리피터 수의 증가는 지연시간 증가와 직결되며, 지연시간 증가는 송/수신 타임 슬롯(time slot)의 동기를 맞추는 것을 힘들게 하여 통신 속도 저하 및 최대 전송거리 제약과 같은 통신 성능의 열하가 발생할 수밖에 없으며, VoIP(Voice over IP) 또는 실시간 통신을 요하는 통신 네트워크에서는 지연시간에 의한 심각한 문제가 발생할 수 있다. 일반적으로 장거리 전력선통신을 위하여 최대로 설치할 수 있는 TDD 방식의 리피터수는 최대 3개 이하로 보고 있기 때문에 하나의 변전소로부터 공급받는 지중선로 3~5km를 전체를 전력선통신기반의 망을 구축하기 하기 위해서는 다른 리피팅 방법이 필요하다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 도 7 (d)와 같이 PLC_A(320)와 PLC_C(360) 사이에 FDD방식의 PLC_B 리피터(380)를 사용하여 PLC_A(320)와 PLC_B(340)는 1~10MHz 대역을 이용한 TDD 전력선통신을 수행하고, PLC_B(340)와 PLC_C(360)는 20~30MHz 대역을 이용한 TDD 전력선통신을 수행하면 TDD 리피터를 사용하는 것보다 지연시간을 절반으로 줄일 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 고압구간 전력선 통신모듈(122a)과 제2 고압구간 전력선 통신모듈(122b)을 병렬로 연결하여 FDD 리피터를 구현하여 장거리 전송을 가능하게 하였다. 각 고압구간 전력선 통신모듈은 내부적으로 고속의 MII인터페이스로 연결되었으며, DSP 기능이 추가된 마이크로 컨트롤러(180)에 의해 제어된다. 고압구간 통신 네트워크 모듈(120)은 FDD 리피팅이 필요하지 않을 경우, 복수 개의 고압구간 전력선통신 모듈(122a,122b) 중 하나만 사용하여 TDD 리피팅을 수행한다.
마이크로 컨트롤러(180)는 32bit 이상의 CPU, 주변장치 I/O 인터페이스, 각종 데이터 저장장치인 ROM/RAM, 이더넷 트랜시버 및 스위치 등으로 구성된다. 마이크로 컨트롤러(180)는 저압구간 통신 네트워크, 고압구간 통신네트워크 및 FEP/서버 연계용 통신 네트워크로 분리하고 각 네트워크를 제어 및 관리하며 각 네트워크에 있는 단말 장치 및 노드를 관리한다. 마이크로 컨트롤러(180)의 스위치(switch)또는 Gateway 기능을 이용하여 논리적으로 각 네트워크로 분리한다.
마이크로 컨트롤러(180)는 데이터 집중 장치(100)에 구비된 각종 주변장치를 제어하고, 각 수용가로부터 수집한 검침 데이터의 연산, 처리, 및 관리한다.
보다 상세하게는, 마이크로 컨트롤러(180)는 저압구간 통신 네트워크 모듈(110)을 통해 취득한 검침 데이터를 하나의 프레임으로 변환하고, 변환된 검침 데이터가 지중 고압선로 구간으로 전송되도록 제어한다.
그리고, 마이크로 컨트롤러(180)는 DLMS/COSEM 기반의 검침 프로토콜 엔진을 구비하며, 수용가의 전자식 전력량계에 설치된 무선통신 모뎀에 주기적으로 검침 데이터를 요청하여 수용가로부처 검침 데이터를 획득한다.
그리고, 마이크로 컨트롤러(180)는 지상변압기 2차측으로부터 취득한 전류값 및 전압값을 이용하여 지상변압기 2차측에서의 총 공급 전력량을 산출하고, 산출된 총 공급 전력량과 상기 무선 수집 장치를 통해 취득한 수용가들의 총 사용 전력량을 비교 분석하여 전력손실 및 도전을 감시한다. 이때, 마이크로 컨트롤러(180)는 통상 손실률 기준으로 급격한 손실률 변화가 발생한 경우, 도전 또는 이상 징후로 판단하여 운영자에게 통보하는 도전 감시기능을 수행한다.
센서(130)는 지상변압기 내부의 온도/습도/도어 상태 등을 감지한다.
전원모듈(150)은 지상변압기 2차측(예,220/380V)으로부터 취득한 전류값 및 전압값을 이용하여 데이터 집중 장치(100)의 구동에 필요한 직류 전압 또는 직류 전류를 생성하고, 지상변압기 2차측의 전류값 및 전압값을 감지하는 역할을 수행한다. 이때, 전원모듈(150)은 서지 보호회로 및 전자파 차폐모듈을 내장하는 것이 바람직하다.
메모리(160)는 데이터 집중 장치(100)의 동작에 필요한 데이터를 저장한다.
FEP/서버 연계용 통신 네트워크 모듈(170)은 마이크로 컨트롤러(180)가 수용가로부터 취득한 총 사용 전력량과 지상 변압기 2차측으로부터 취득한 전류값 및 전압값과 이를 연산하여 생성한 총 공급 전력량을 비교 분석하고, 이를 토대로 생성한 손실 및 도전 감시 데이터와 수용가로부터 취득한 각종 에너지 사용량 데이터를 FEP/원격검침 서버로 전송한다. 이를 위해 FEP/서버 연계용 통신 네트워크 모듈(170)은 확장 또는 FEP/원격검침 서버와의 연동을 위한 Wibro 모듈(176), CDMA 모듈(178), 및 케이블 모뎀(179)을 구비한다.
미터링 모듈(190)은 지상변압기 2차측으로부터 취득한 전류값 및 전압값을 이용하여 유효 및 무효전력, 역률, 피상전력, 및 부하 프로파일(LP:Load Profile)을 산출한다. 이때, 미터링 모듈(190)은 전원모듈(150)을 통해 수집한 지상변압기 2차측의 전류/전압 아날로그값을 고성능 ADC(Analogue to Digital Converter)와 DSP(Digital Signal Processing)를 이용하여 디지털화된 값으로 변환하여, 상기한 전력 데이터를 생성한다.
RTC(Real Time Clock) 모듈(195)은 데이터 집중 장치(100)의 시간 동기화를 위해 정확한 시간을 생성한다.
한편, 상위 시스템으로부터(WAN) 마스터 데이터 집중 장치(100a,Master DCU)의 고압구간 전력선 통신모듈(122)에만 공인 아이피(IP)를 부여 받고 슬레이브 데이터 집중 장치(100b,Slave DCU)의 고압구간 전력선 통신모듈(미도시)은 port forwarding 방식을 이용 사설 아이피(IP) 사용을 가능하게 한다.
이는 즉 하나의 지중고압 선로당(DL) 하나의 공인 아이피만 필요하며 저압구간 통신 네트워크는 별도의 하위 동일 네트워크로 구성함으로써, 사설 아이피를 사용하여 네트워크 확장을 용이하게 할 수 있다. 따라서 부족 현상을 보이고 있는 공인 아이피 사용을 최소화하면서 네트워크 확장을 용이하게 할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 저압구간 통신 네트워크 모듈(110)의 구성을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 저압구간 통신 네트워크 모듈(110)은 네트워크 처리부(111), 복수 개의 무선통신부(112a,112b) 및 그에 대응되는 안테나(113a,113b), 시리얼 통신 인터페이스(114), 이더넷 인터페이스(115), 메모리(116), 및 RTC 모듈(117)을 구비한다. 상기한 저압구간 통신 네트워크 모듈(110)은 WMN(Wireless Mesh Network) 모듈이라 호칭되기도 한다.
네트워크 처리부(111,NPU:Network Processor Unit)는 고속의 데이터 처리를 처리하는 네트워크 장치로서 32bit 이상의 MIPS 프로세서 이상이 바람직하며, 새로운 프로그래밍 수정 및 업그레이드 가능하고 유연성 확보가 쉬워야 한다. 네트워크 처리부(111)는 IEEE 802.11s 기반의 무선 메쉬(mesh) 네트워크 서비스 모드 및 라우팅 알고리즘(Routing algorithm)과 같은 메쉬 프로토콜 구현과 이를 이용한 self-healing/self-configuration 기능 및 IEEE 802.11e 기반의 QoS 기능을 수행한다. 또한 상기와 더불어 또는 독립적으로 IEEE15.4 기반 ZigBee 프로토콜을 탑재하여 메쉬 네트워크를 구현할 수도 있다. 그리고, 네트워크 처리부(111)는 IEEE 802.11 기반하에서 link cost 계산을 통한 최적 경로 구축 및 데이터 패킷 종류에 따른 차등 priority 제공 등의 각종 QoS 지원과 무선 메쉬 네트워크 모듈의 전반적인 제어 및 관리 기능을 수행한다.
무선통신부(112)는 복수 개의 안테나(113)를 통해 무선 수집 장치로부터 수신한 검침 데이터를 네트워크 처리부(111)에 전달한다. 무선통신부(112)는 상위 무선 메쉬 네트워크 구현시 성능향상을 위해서 독립적으로 동작하며, 저압구간 통신 네트워크 모듈(110) 내에 복수 개 구비되고, 멀티 RF를 지원한다.
무선 메쉬(mesh) 네트워크와 관련되어 진행되고 있는 표준은 WLAN 기반의 IEEE 802.11s, WPAN 기반의 IEEE802.15.5, WMAN 기반의 802.16a 및 휴대 인터넷과 관련된 IEEE 802.20등이 있으나, 본 발명에서 무선 메쉬 네트워크의 서비스 커버리지를 볼 때 WLAN 기반의 IEEE 802.11s 또는 IEEE 802.15.4기반의 ZigBee 기술을 사용하는 것이 바람직하다.
WLAN 기반의 무선 메쉬 네트워크용 무선통신부는 베이스밴드(baseband) 신호 생성부, PLL(Phase Locked Loop), 복수 개의 ADC/DAC, 복수 개의 베이스밴드(baseband) 필터부, 복수 개의 front end 회로를 포함하며, MIMO를 포함한 WLAN PHY/MAC 표준인 IEEE 802.11a/b/g/n 규격을 지원하며, 안테나 또한 MIMO를 지원하는 이중 편파(dual polarization) 안테나를 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 무선통신부(112)와 네트워크 처리부(112)는 miniPCI로 인터페이스 되는 것이 바람직하다.
시리얼 통신 인터페이스(114)는 콘솔 사용을 위한 인터페이스이다.
이더넷 인터페이스(115)는 기가비트 PHY 내장하며 외부(WAN)와의 연계를 위해 사용된다.
메모리(116)는 Flash/SDRAM 등으로 구성되며, 저압구간 통신 네트워크 모듈(110)의 동작을 위해 필요한 데이터를 저장한다.
RTC 모듈(117)는 저압구간 통신 네트워크 모듈(110)의 시간 동기화를 위해 정확한 시간을 생성한다.
도 5는 본 발명에 따른 무선 수집 장치의 구성을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 본 발명에 따른 무선 수집 장치(200)는 지상 입상관 또는 다가구 수용가 인입점에 설치되어 수용가의 전자식 전력량계에 설치된 무선통신 모뎀과 하위 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 구성하여 통신 경로를 제공한다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 무선 수집 장치(200)는 네트워크 처리부(211), 복수 개의 무선통신부(212a,212b) 및 그에 대응되는 안테나(213a, 213b), 시리얼 통신 인터페이스(214), 전원모듈(215), 메모리(216), RTC 모듈(217), 미터링부(218), 및 이더넷 인터페이스(219)를 구비한다.
네트워크 처리부(211)는 DLMS/COSEM 검침 프로토콜, IEEE 802.11s 기반의 무선 메쉬(mesh) 네트워크 서비스 모드 및 라우팅 알고리즘(Routing algorithm)과 같은 메쉬 프로토콜 구현과 이를 이용한 self-healing /self-configuration 기능 및 IEEE 802.11e 기반의 QoS 기능을 수행한다. 또한 상기와 더불어 또는 독립적으로 IEEE15.4 기반 ZigBee 프로토콜을 탑재하여 메쉬 네트워크를 구현할 수도 있다. 그리고 네트워크 처리부(211)는 IEEE 802.11 기반하에서 link cost 계산을 통한 최적 경로 구축 및 데이터 패킷 종류에 따른 차등 priority 제공 등의 각종 QoS 지원과 저압구간 통신 네트워크 모듈의 전반적인 제어 및 관리 기능을 수행한다.
그리고, 네트워크 처리부(211)는 미터링부(218)에서 생성한 입상관 또는 다가구 수용가의 인입점에서의 총 공급 전력량과, 하위 수용가로부터 취득한 전력 사용량의 총 합인 총 사용 전력량 비교 분석하여 전력손실 및 도전 감시기능을 수행한다.
무선통신부(212)는 ZigBee 또는 WLAN 기반의 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 지원하며, WLAN기반 무선통신부는 베이스밴드(baseband) 신호 생성부, PLL(Phase Locked Loop), 복수 개의 ADC/DAC, 복수 개의 베이스밴드(baseband) 필터부, 복수 개의 front end 회로를 포함하며, MIMO를 포함한 WLAN PHY/MAC 표준인 IEEE 802.11a/b/g/n 규격을 지원하며, MIMO 지원 및 이중 편파(dual polarization) 안테나를 사용하는 것이 바람직하다.
시리얼 통신 인터페이스(214)와 이더넷 인터페이스(219)는 콘솔 사용 및 외부와의 연결을 위한 통신 인터페이스이다.
전원모듈(215)은 지상입상관 또는 다가구 수용가의 분기점에 설치되어 구동에 필요한 직류 전압 또는 직류 전류를 생성하여, 무선 수집 장치(200)의 각 모듈에 필요한 전원을 공급하는 역할을 수행한다. 동시에 전원모듈(215)은 지상입상관 또는 다가구 수용가의 인입점에서의 전류값 및 전압값을 감지하는 역할을 수행한다. 전원모듈(215)은 서지 보호회로 및 전자파 차폐모듈을 내장하는 것이 바람직하다.
메모리(216)는 무선 수집 장치(200)의 동작을 위해 필요한 데이터를 저장한다.
RTC 모듈(217)는 무선 수집 장치(200)의 시간 동기화를 위해 정확한 시간을 생성한다.
미터링부(218)는 전원모듈(215)을 통해 수집한 전압값 및 전류값을 이용하여 유효 및 무효전력, 역률, 피상전력, 및 부하 프로파일(LP:Load Profile)을 산출한다. 이때, 미터링 모듈(218)은 전원모듈(215)을 통해 수집한 지상입상관 또는 다가구 수용가의 전류/전압 아날로그값을 고성능 ADC(Analogue to Digital Converter)와 DSP(Digital Signal Processing)를 이용하여 디지털화된 값으로 변환하여, 상기한 전력 데이터를 생성한다.
도 6은 본 발명에 따른 무선통신 모뎀의 구성을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 무선통신 모뎀(240)은 DLMS/COSEM 검침 프로토콜을 이용 주기적으로 수용가의 전자식 전력량계로부터 각종 에너지 사용량을 수집 및 저장하고, 데이터 집중 장치로부터의 검침 데이터 요청시 각종 에너지 사용량을 무선 수집 장치를 거처 데이터 집중 장치에 전달하는 역할을 한다. 또한 인근 전자식 전력량계, 가스/수도/열량계 등의 무선통신 모뎀과 동일 무선 메쉬 네트워크를 구성하며, 이때 무선 수집 장치가 통신할 수 있는 서비스 커버리지를 최대한 확장하는 것이 바람직하다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 무선통신 모뎀은(240) 네트워크 처리부(241), 하나 이상의 무선통신부(242) 및 그에 대응되는 안테나(243), 전원모듈(245), 메모리 모듈(246), RTC 모듈(247), 및 시리얼 통신 인터페이스(248)를 구비한다.
네트워크 처리부(241)는 DLMS/COSEM 검침 프로토콜, IEEE 802.11s 기반의 무선 메쉬(mesh) 네트워크 서비스 모드 및 라우팅 알고리즘(Routing algorithm)과 같은 메쉬 프로토콜 구현과 이를 이용한 self-healing/self-configuration 기능 및 IEEE 802.11e 기반의 QoS 기능을 수행한다. 또한 상기와 더불어 또는 독립적으로 IEEE15.4 기반 ZigBee 프로토콜을 탑재하여 메쉬 네트워크를 구현할 수도 있다. 그리고, 네트워크 처리부(111)는 IEEE 802.11 기반하에서 link cost 계산을 통한 최적 경로 구축 및 데이터 패킷 종류에 따른 차등 priority 제공 등의 각종 QoS 지원과 무선 메쉬 네트워크 모듈의 전반적인 제어 및 관리 기능을 수행한다.
무선통신부(242)는 수용가의 전자식 전력량계로부터 취득한 검침 데이터(예, 에너지 사용량)를 무선 수집 장치로 전송한다. ZigBee 또는 WLAN 기반의 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 지원하며, WLAN 기반 무선통신부(242)는 베이스밴드(baseband) 신호 생성부, PLL(Phase Locked Loop), 복수 개의 ADC/DAC, 복수 개의 베이스 밴드(baseband) 필터부, 복수 개의 front end 회로를 포함하며, WLAN PHY/MAC 표준인 IEEE 802.11a/b/g/n 규격을 지원한다.
전원모듈(245)은 전자식 전력량계 설치전 저압선로 또는 전자식 전력량계 1차측(전류/전압 센서 CP/PT 이전 단)으로부터 전력을 공급받아 구동에 필요한 직류 전압/전류를 생성하여, 각 모듈에 필요한 전원을 공급하는 역할을 수행하며, 서지 보호회로 및 전자파 차폐장치를 내장하는 것이 바람직하다.
RTC 모듈(247)는 무선통신 모뎀(240)의 시간 동기화를 위해 정확한 시간을 생성한다. 시리얼 통신 인터페이스(248)는 콘솔 사용을 위한 인터페이스이다.
원격검침 시스템을 위해서는 최종 단말을 포함한 수많은 장치를 설치해야 하며, 이러한 장치의 유지/보수/관리/업그레이드를 위해서 기존처럼 인력에 의한 관리를 수행한다면 막대한 비용과 시간이 소요된다. 이러한 인력에 의한 문제점을 해결하고자 원격검침 시스템을 구성하는 단말을 원격에서 관리하기 위한 방법이 필요하다. 단말을 서버에 등록하기 위해서는 인력에 의한 수동 등록보다는 인증서를 기반으로 한 자동 등록이 바람직하며, 단말이 등록된 후에 원격에서 단말을 관리 할 수 있다.
도 8은 원격에서 데이터 집중 장치, 무선 수집 장치, 또는 무선통신 모뎀을 효과적으로 관리하기 위해서 필요한 DM(Device Management) S/W스택을 나타낸다.
데이터 집중 장치(DCU), 무선 수집 장치(WGU), 및 무선통신 모뎀의 각 마이크로 컨트롤러 또는 네트워크 처리부(NPU)에 디바이스 관리 모듈, 펌웨어 업데이트 모듈, 소프트웨어 관리 모듈 등을 내장하는 것이 바람직하다.
디바이스 관리 모듈은 각 단말의 각종 정보를 수집하거나 검침 서버로부터 할당받은 관리 기능을 수행한다. 즉 데이터 집중 장치(DCU), 무선 수집 장치(WGU), 또는 무선통신 모뎀에 펌웨어 업데이트가 필요할 경우, 원격검침 서버는 각 단말 상태 확인을 수행하고, 디바이스 관리 모듈은 펌웨어 업데이트에 필요한 서비스가 구동되어 있는지 메모리가 충분히 확보되어 있는지 등을 점검한다.
펌웨어 업데이트 모듈은 디바이스 관리 모듈에 의해 사전 프로세싱 완료 후 펌웨어 업데이트 서버(원격검침 서버) 에 접속하여 펌웨어 패키지를 다운받고, 다운 받은 펌웨어를 설치하고 업데이트 완료 후 리부팅을 수행하며, 리부팅 완료 후 업데이트 성공 여부를 디바이스 관리 모듈 및 검침 서버에 통보하는 기능을 수행한다.
소프트웨어 관리 모듈은 전술한 펌웨어 업데이트 모듈과 유사하나 소프트웨어 라이브러리 및 패키지를 다운 받으며, 다운로드 받은 소프트웨어를 설치 후 설치 상태에 대한 이벤트를 전송한다.
본 발명에서의 단말 관리 기술은 각 단말에 문제가 발생시 전체적인 수정을 하는 것이 아닌, 문제가 되는 해당 부분만 수정함으로써, 보다 효율적인 유지보수 및 관리가 가능하며, 각 단말의 기본 기능은 상기의 업무를 수행함과 별개로 동시에 동작 가능하다.
도 2에 도시된 데이터 집중 장치(100a)는 지상변압기(600a) 내부에 장착되며, 볼트/너트 같은 장치를 사용하지 않고, 데이터 집중 장치(100a)에 자석을 부착하여 지상변압기(600a) 내부 철 구조물에 장착되는 것이 바람직하다.
데이터 집중 장치(100a)의 고압구간 통신 네트워크 모듈(120)은 주변 지상 변압기에 설치된 고압구간 통신네트워크 모듈들과 전력선통신을 수행한다.
고압구간 통신 네트워크 모듈(122)이 전력선통신을 수행하기 위해서 고압 전력선에 신호를 주입 또는 추출하는 비접촉식 커플러가 필요하며, 도 9와 같이 3상 4선식(R, S, T, N) 방식인 지중구간 고압선로에서 R, S, T, Neutral중 하나의 선로를 이용하여 전력선통신을 수행할 수 있으며, 마스터 데이터 집중 장치(100a,master DCU)는 각 슬레이브 데이터 집중 장치(slave DCU)로부터 수집한 수용가의 검침 데이터를 HFC, Wibro, CDMA 등과 같은 통신망을 이용하여 FEP/원격검침 서버(50,60)로 전송한다.
도 9를 참조하여 보다 상세히 설명하면, 3상 4선식(R, S, T, N)방식인 지중 고압선로(400)에서 R, S, T, Neutral중 하나의 선로를 이용하여 FDD 리피팅을 하기 위해서는 2개의 비접촉식 커플러(500a, 500b) 및 고전압 전력선 FDD 리피터가 필요하다. 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 서로 다른 주파수 대역의 전력선통신 신호를 1개의 비접촉식 커플러(Coupler_1(500a), Coupler_1(500b))를 이용하여 주입/추출하기 위해서는 BNC 단자(520) 2개가 부착되어 있는 비접촉식 커플러(500)를 고안할 수 있으며, 기존의 비접촉식 커플러를 변형 없이 그대로 활용하여 비용 최소화를 위해서는 T 연결자(540)를 부착하여 사용할 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 FDD 비접촉식 커플러를 사용한 지중구간 원격검침 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에서는 고압구간 장거리 전력선통신을 수행하기 위해서 FDD 리피팅 기법을 고안하여 적용 하였으며, 도 10과 같이 중성선(Neutral)을 이용하여 제1슬레이브 데이터 집중 장치(100b,slave DCU1)의 고압구간 통신네트워크가 FDD 리피팅을 수행한다면, 마스터 데이터 집중 장치(100a,master DCU)로부터 전송되는 전력선통신 신호(예, 주파수 대역 1-10Mhz)를 비접촉식 커플러(500a)가 추출하고, 동시에 비접촉식 커플러(500a)는 제2슬레이브 데이터 집중 장치(100c, slave DCU2)에 송신하는 전력선통신 신호를(예, 주파수 대역 20-30Mhz) 중성선에 주입하는 역할을 수행한다. 이때, 원하는 주파수 대역만 사용할 수 있게 데이터 집중 장치에 외장 또는 내장형으로 대역 필터를 장착하는 것이 바람직하다.
FDD 리피팅의 장점은 제1슬레이브 데이터 집중 장치(100b,Slave DCU1)와 제2슬레이브 데이터 집중 장치(100c,slave DCU2) 사이의 고압전력선 R상에서 임펄스 잡음과 같은 노이즈 때문에 통신채널이 안 좋을 경우에는 R상 대신 S상 또는 T상을 이용할 수 있다는 것이다.
FDD 리피팅을 하기 위해서는 도 9와 같이 서로 다른 주파수 대역의 전력선통신 신호를 하나의 비접촉식 커플러를 이용하여 주입/추출하기 위해서는 통신 커넥터(BNC 단자) 2개가 부착되어 있는 비접촉식 커플러를 고안할 수 있으며 기존의 비접촉식 커플러를 변형 없이 그대로 활용하여 비용 최소화를 위해서는 T 연결자를 부착하여 사용할 수 있다.
중성선(Neutral)을 이용할 경우에는 차폐층 및 외피 등에 의한 신호 감쇄가 없고, 중성선에 흐르는 전류가 미세하여 비접촉식 커플러의 최대전류 허용치를 크게 줄일 수 있고, 소량의 나노 크리스털(nano-crystal) 소자를 이용하기 때문에 저가의 비접촉식 커플러를 만들 수 있어 경제성이 뛰어나다.
도 11은 본 발명에 따른 상위 및 하위 무선 메쉬 네트워크를 설명하기 위한 도면이다.
도 11에 도시한 바와 같이, DCU(100,master 또는 slave 포함)의 저압구간 통신네트워크 모듈은 지상입상관 또는 수용가 주변에 설치된 WGU(200a~200e)와 상위 무선 메쉬 네트워크를 형성하여 지중 저압구간의 원격검침 서비스를 최대화한다.
지상변압기 외부에 장착되는 안테나는 inverted planner 타입으로서 이중 편파(dual polarization) 안테나를 사용하는 것이 바람직하며, 상위 무선 메쉬 네트워크는 DCU 및 WGU에 있는 복수 개의 transceiver 중 하나만 사용할 수 있거나(예를 들면, 거리나/전파 환경에 따라서 적절한 주파수 대역을 선택함: 2.4Ghz RF 대역 또는 5.8Ghz RF 대역) 복수 개를 사용할 수도 있다. 예를 들면, 도 11에서 DCU(100) 및 WGU2(200d)는 2.4Ghz RF transceiver, WGU2(200d) 및 WGU4(200c)는 5.8Ghz transceiver를 사용할 수 있다.
이러한 관계는 WGU간 하나의 RF transceiver 또는 복수 개의 RF transceiver를 사용하여 같은 대역 또는 서로 다른 RF 대역사용이 가능하다. WGU를 중심으로 한 그룹(셀)의 구성은 지상입상관 또는 다가구 수용가 인입선의 위치와, 그룹 내에 속해 있는 수용가의 수에 따라서 유동적으로 구성할 수 있다.
WGU 서비스 범위(셀)이 결정되면 WGU를 중심으로 전자식 전력량계용 무선통신 모뎀과 하위 무선 메쉬 네트워크를 구성하고 하위 무선 메쉬 네트워크의 ID는 전력서비스 사업자에서 정의한 전자식 전력량계의 고유 계기번호(제조회사 번호+계기종별+일련 번호)를 그대로 사용하거나 이것에 기초하여 일부 변형하여 사용하는 것이 바람직하다.
하위 무선 메쉬 네트워크의 RF 대역은 상위 무선 메쉬 네트워크의 RF 대역을 그대로 사용할 수 도 있으며, 이와는 다른 RF 대역을 사용할 수도 있다. 상위 및 하위 메쉬 네트워크는 메쉬 라우팅 알고리즘(mesh routing algorithm)을 기반으로 link metric을 구성하여 최적의 연결을 제공해 주며, 일부 단말의 고장 또는 통신 에러 발생시 메쉬 라우팅 알고리즘의 동작으로 link metric을 갱신 및 최적의 path를 선택하여 빠른 시간 내에 연결을 다시 제공한다.
DCU와 전자식 전력량계간에 가장 많이 사용하는 원격검침 통신 프로토콜은 IEC 62056(DLMS/COSEM) 프로토콜이다. 도 12과 같이 DLMS/COSEM 프로토콜은 전자식 전력량계로부터 검침데이터를 수집하기 위해서 접속설정, 인증의 과정이 필요하고 검침 데이터 획득 후 접속해제를 해야 하는 복잡한 단계를 가지고 있으며, 장애발생시 접속 설정부터 새로 시작하는 과정을 거치는 등 데이터 전송을 위한 오버헤드가 크다.
DLMS/COSEM 검침 프로토콜은 event notification을 제외하고는 항상 server-client 모델로 동작하며, 클라이언트 요청시 항상 서버가 응답하는 구조이다.
또한, 원격검침 사업화 중인 통신모뎀(현재는 PLC 모뎀)과 전자식 전력량계의 통신 인터페이스는 최대 속도 9.6kbps인 IrDA 통신방식이며, 통신모뎀(현재는 PLC 모뎀)은 DLMS/COSEM 패킷을 encapsulation/decapsulation만 수행하는 바이패스 기능만 수행한다.
즉, DCU는 전자식 전력량계까지 DLMS/COSEM 프로토콜을 이용 검침데이터 요청을 하고, 전자식 전력량계는 이에 대하여 검침 데이터를 응답하는 절차이다. 예를 들어, 이러한 절차는 DCU가 polling 방식으로 15분 동안 200～300가구의 수용가 전자식 전력량계에 부착된 통신 모뎀으로부터 15분간의 에너지 사용량(LP;Load Profile 같은 큰 사이즈의 검침 데이터)을 수집할 경우 통신모뎀과 전자식 전력량계 사이에서 트래픽 병목 현상과 통신에러 발생시 DLMS/COSEM 방식의 접속설정, 인증 후 검침 데이터를 요청하는 등의 시간 때문에 검침 데이터 수집률이 떨어지고 있다.
따라서, 도 13과 같이 전자식 전력량계(225)와 통신하는 무선통신 모뎀(220)의 NPU에 ZigBee, IEEE 802.11s 메쉬 프로토콜뿐만 아니라, DLMS/COSEM 프로토콜을 탑재하고, DCU(100)가 주기적으로 요청하는 검침데이터 요청과는 별도로 무선통신 모뎀(220)과 전자식 전력량계(225)간 상기에 언급한 DLMS/COSEM 통신 절차인 인증, 검침 데이터 획득 후 접속해제의 방법을 준수하면서, 스케줄링 기능처럼 일정 주기로(예를 들면, LP 기록주기 간격으로 전자식 전력량계가 생성하는 의미 있는 최소 주기 데이터) 전자식 전력량계에 검침 데이터를 요청하고, 수집한 검침 데이터를 무선통신 모뎀(220)에서 저장 후 DCU(100)의 검침 데이터 요청시 검침 데이터를 전자식 전력량계(225)로부터 받아오는 게 아니라, 무선통신 모뎀(220)이 자체적으로 가지고 있는 데이터를 WGU(200)를 통해 DCU(100)로 송신하는 절차를 제안한다.
이러한 방법은 전자식 전력량계(225)와 무선통신 모뎀(220)간에 9.6kbps 통신이 아니더라도(보다 고속이더라도), DCU(100)가 polling 방식으로 수백 대의 전자식 전력량계까지 DLMS /COSEM 프로토콜로 직접 검침 데이터를 요청하는 부하를 무선통신 모뎀까지 줄임으로써 병목현상과, 시간지연 등에 의한 검침 데이터 수집 오류를 미연에 방지할 수 있다
이상, 전술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 하나의 대용량 지중변압기가 수백 가구 정도의 수용가에 전력을 공급하는 지중 저압구간에서 광대역 구간에 통신망을 쉽게 포설할 수 있고, self-healing/self-organization 기능으로 자동망 복구 기능을 제공하는 무선 메쉬 네트워크와 지중 고압구간에서 장거리 통신이 가능한 FDD 전력선 리피팅을 제안하고, 두 기능을 연계 및 DLMS/COSEM 프로토콜 기반의 DCU와 전자식 전력량계간 검침 데이터 수집 절차를 개선하여 검침 데이터 수집의 정확도 향상 및 수집 시간을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
50,60:FEP/원격검침 서버 65:고객정보 DB
100a,100b,100c:데이터 집중 장치 200:무선 수집 장치
220:무선통신 모뎀 130:센서
110:저압구간 통신 네트워크 모듈 150:전원모듈
120:고압구간 통신 네트워크 모듈 160:메모리
170:FEP/서버 연계용 통신 네트워크 모듈 180:마이크로 컨트롤러
190:미터링 모듈 195:RTC 모듈
110:통신 네트워크 모듈 111:네트워크 처리부
112a,112b:무선통신부 113a,113b:안테나
114:시리얼 통신 인터페이스 115:이더넷 인터페이스
116:메모리 117:RTC 모듈
211:네트워크 처리부 212a,212b:무선통신부
213a, 213b:안테나 214:시리얼 통신 인터페이스
215:전원모듈 216:메모리
217:RTC 모듈 218:미터링부
219:이더넷 인터페이스

Claims (19)

  1. 지상변압기에 설치되어 수용가의 전력량계로부터 취득한 검침 데이터를 지중 고압선로 구간에 FDD 전력선통신 리피팅 방식으로 전송하는 데이터 집중 장치;
    지상입상관 또는 다가구용 인입선에 설치되어 상기 데이터 집중 장치와 상위 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 구성하고, 인근 수용가의 전력량계에 장착된 무선통신 모뎀들과 하위 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 구성하는 무선 수집 장치; 및
    인근 수용가의 전력량계에 장착된 무선통신 모뎀들 및 상기 무선 수집 장치와 하위 무선 메쉬(mesh) 네트워크를 구성하고, 해당 수용가의 전력량계와 주기적으로 통신하여 검침 데이터를 수집 및 저장하고, 상기 데이터 집중 장치로부터의 검침 데이터 요청에 따라 상기 무선 수집 장치를 통해 상기 데이터 집중 장치로 저장된 검침 데이터를 전달하는 무선통신 모뎀을 구비하되,
    상기 무선 수집 장치는,
    상기 지상입상관 또는 다가구용 인입선으로부터 전력을 공급받아 구동에 필요한 직류 전압 또는 직류 전류를 생성하고, 상기 지상입상관 또는 다가구용 인입점에서의 전류 및 전압값을 감지하는 전원모듈; 및
    상기 전원모듈에 의해 감지된 아날로그 전류 및 전압값을 디지털값으로 변환하고, 변환된 전류 및 전압값을 이용하여 유효 및 무효전력, 역률, 피상전력, 및 부하 프로파일(LP)을 산출하는 미터링 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 데이터 집중 장치는,
    상기 상위 및 하위 무선 메쉬 네트워크를 통해 각 수용가에 대한 검침 데이터를 취득하는 저압구간 통신 네트워크 모듈;
    상기 저압구간 통신 네트워크 모듈을 통해 취득한 검침 데이터를 하나의 프레임으로 변환하고, 상기 변환된 검침 데이터가 상기 지중 고압선로 구간으로 전송되도록 제어하는 마이크로 컨트롤러; 및
    상기 마이크로 컨트롤러의 제어에 따라 상기 변환된 검침 데이터를 상기 지중 고압선로 구간의 R상, S상, T상 중에 적어도 하나 또는 중성선을 통해 상기 지중 고압선로 구간에 전송하는 고압구간 통신 네트워크 모듈을 구비하는, 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 마이크로 컨트롤러는,
    상기 지상변압기 2차측으로부터 취득한 전류 및 전압값을 이용하여 상기 지상변압기 2차측에서의 총 공급 전력량을 산출하고, 산출된 총 공급 전력량과 상기 무선 수집 장치를 통해 취득한 수용가들의 총 사용 전력량을 비교 분석하여 전력손실 및 도전을 감시하는 것을 특징으로 하는, 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 마이크로 컨트롤러는,
    DLMS/COSEM 기반의 검침 프로토콜 엔진을 구비하며, 상기 무선통신 모뎀에 주기적으로 검침 데이터를 요청하는 것을 특징으로 하는, 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 지상변압기 2차측으로부터 취득한 전류값 및 전압값을 이용하여 유효 및 무효전력, 역률, 피상전력, 및 부하 프로파일(LP)을 산출하는 미터링 모듈; 및
    상기 지상변압기 2차측로부터 전력을 공급받아 구동에 필요한 직류 전압 또는 직류 전류를 생성하고, 상기 지상변압기 2차측의 전류 및 전압값을 감지하는 전원 모듈을 더 구비하는, 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 고압구간 통신 네트워크 모듈은,
    고압구간 통신 네트워크 관리를 위한 DSP 기능, 이더넷 브리지 역할과 전력선통신 변복조 및 FDD 리피팅 기능이 가능한 고압 전력선통신 모듈; 및
    상기 지중 고압선로 구간의 R상, S상, T상 중에 적어도 하나 또는 중성선을 통해 공급되는 전원은 차단하고 전력선통신 신호만을 주입, 추출, 및 증폭하는 AFE를 구비하는 것을 특징으로 하는, 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 마이크로 컨트롤러로부터 검침 데이터를 전달받아 Wibro 모듈, CDMA 모듈, 및 케이블 모뎀 중 하나 이상을 사용하여 FEP/원격검침 서버로 전송하는 FEP/서버 연계용 통신 네트워크 모듈을 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 저압구간 통신 네트워크 모듈은,
    MIMO를 지원하는 이중 편파 안테나를 이용하여 인근 지상입상관 또는 다가구용 인입선에 설치되어 있는 하나 이상의 무선 수집 장치로부터 검침 데이터를 수신하는 복수 개의 무선통신부; 및
    상기 복수 개의 무선통신부에 의해 수신된 검침 데이터가 상기 마이크로 컨트롤러에 전달되도록 처리하고, IEEE 15.4, IEEE 802.11s, IEEE 802.11e, 및 IEEE 802.11a/b/g/n 프로토콜을 지원하는 네트워크 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템.
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 미터링 모듈에 의해 변환된 전류 및 전압값을 이용하여 상기 지상입상관 또는 다가구용 인입점에서의 총 공급 전력량을 산출하고, 상기 하위 무선 메쉬 네트워크에 속해 있는 무선통신 모뎀들로부터 취득한 전력 사용량을 이용하여 총 사용 전력량을 산출하고, 산출된 총 공급 전력량과 총 사용 전력량을 비교 분석하여 전력손실 및 도전을 감시하는 것을 특징으로 하는 네트워크 처리부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 지중 고압선로 구간에 설치되어 상기 데이터 집중 장치의 FDD 전력선통신 리피팅을 지원하는 비접촉식 커플러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 비접촉식 커플러는,
    서로 다른 전력선통신 주파수 대역신호 주입을 위해서 하나의 비접촉식 커플러에 하나의 통신 단자에 T 연결자가 부착되어 서로 다른 주파수 대역의 전력선통신 신호를 동시에 주입 및 추출하는 것을 특징으로 하는, 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 데이터 집중 장치에는 상기 지상변압기 내부의 철 구조물에 부착하기 위한 자성체가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 데이터 집중 장치는 상기 무선 수집 장치로부터 수신한 검침 데이터를 Wibro 모듈, CDMA 모듈, 및 케이블 모뎀 중 하나 이상을 사용하여 FEP/원격검침 서버로 전송하는 것을 특징으로 하는, 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템.
  17. 삭제
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 데이터 집중 장치가, 상기 무선 수집 장치로부터 수신한 검침 데이터를 지중 고압선로 구간에 FDD 전력선통신 리피팅 방식으로 전송하는 것은.
    상기 지중 고압선로 구간에 설치되어 상기 데이터 집중 장치의 FDD 전력선통신 리피팅을 지원하는 비접촉식 커플러를 이용하는 것을 특징으로 하는, 유무선 통신을 이용한 지중용 원격검침 시스템.
  19. 삭제
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