스마트 미터 주변 제어 시스템
스마트 하우스는 정보기술을 사용해 가정의 소비전력을 제어하는 주택으로, 스마트 그리드를 구성하는 최소 단 위이기도 하다. 스마트 미터나 홈 게이트웨이와 함께 스마트 하우스의 중핵적인 구성 요소로 자리매김하고 있는 HEMS도 중요한 구성요소이다. 또한 빌딩이나 사무실, 커뮤니티에 대한 각종 에너지 관리 시스템도 검토되고 있다.
임근난 기자 fa@chomdan.co.kr
에너지 관리 시스템 개요
HEMS(가정 에너지 관리 시스템)는 이산화탄소 삭감과 전 력절감 등 가정의 에너지 이용 상황의 가시화에 의한 에코 활 동이나 전력 사용 요금 절약 등의 생활 향상, 태양광 발전 등 에 의한 가정에서의 전력관리, 그리고 전기자동차의 충전정보 관리 등에 활용될 것으로 기대되는 제어 시스템이다.
각각 가전기기의 전력 사용량이나 이산화탄소 배출량 표시, 에어컨등의온도조절, 조명기구의ON/OFF 등의자동제어외 에 태양광 발전이나 향후 도입이 진행될 것으로 예상되는 전기 자동차와 연결되어 주택 전체의 에너지 최적화를 도모한다.일 본에서는 가전 메이커 등이 이미 HEMS 컨트롤러 등을 상품화 하고 있으며, 신축 주택을 중심으로 판매가 전개되고 있다.
BEMS(빌딩 에너지 관리 시스템)는 업무용 빌딩 등에서 실내 환경, 에너지 사용 상황을 파악하고, 기기와 설비 등의 운 전관리에 따른 에너지 소비량을 줄이기 위한 시스템을 말한 다. 이 시스템은 계측·계량장치, 제어장치, 감시장치, 데이터 보존·분석·진단장치 등으로 구성된다.
빌딩의 전기 소비량은 공조가 2분의 1, 조명 등 기타가 약 4 분의 1, 콘센터 주변 PC 등 사무기기가 4분의 1을 차지한다. 빌딩 관리 관점에서는 공조 관련 디맨드 컨트롤이 TCP(Total Cost of Ownership) 삭감과 이산화탄소 삭감의 균형으로서 가장 효과적일 것이다.
공조의 디맨드 컨트롤은 빌딩 내 사람의 존재, 움직임을 센 서 등에 의해 감지하고, 온도 설정이나 스위치 개폐를 관리하 는 것으로, 모두 어느 정도의 온도로 할 것인가를 설정할 수 있는 알고리즘에 의해 30분 단위로 종량화 계산을 하는 프로 그램 등이 내장되어 있다.
일본 경제산업성에서는 주택·건축물 고효율 에너지 시스 템 도입촉진 사업으로써 NEDO를 통해 BEMS를 도입하는 사 람에 대한 보조사업을 시행하고 있다. 사업을 개시한 2002년 부터 2009년까지 총 채택 건수는 490건, 보조금 총액은 150 억 엔이다.
CEMS(지역 에너지 관리 시스템)는 HEMS, BEMS, 전기자 동차 및 충전 인프라의 연계에 의해 지역 전체 에너지 이용 상 황을 집약, 가시화, 수요 제어 등을 실현하는 시스템이다. 스마트 하우스에서 지역 전체 에너지 효율 향상을 지향하는 스마트 시티 혹은 스마트 커뮤니티가 구성되고 있으며, 실증실 험이 진행되고 있다.
스마트 커뮤니티는 에너지원에 이산화탄소 삭감을 고려한 재생 가능 에너지를 조합하여 효율적으로 사용함으로써 환경 부하를 없애고 쾌적한 생활을 유지하는 사회 인프라이며, 그 중핵을 담당하는 것이 CEMS이다. CEMS는 지역 내에 도입 되는 HEMS, BEMS, EV 및 충전 인프라와의 연계에 의해 지 역 내 에너지 이용과 이산화탄소 배출 가시화의 실현을 지향 하고 있다.
스마트 미터 및 연계 구성 요소
1. 스마트 그리드의 개요와 스마트 미터
스마트 그리드와 그 중요 부품인 스마트 미터가 에너지 정책에서 중요 과제로 등장한 것은 미국 부시 정권이 2007년 12 월에 법제화한‘에너지 자급·안전보장법(EISA : Energy Independence and Security Act of 2007)’이 계기가 됐다. 에너지 자급, 온난화 대책 등을 내놓은 이 법의 제13장에는 전 력망 시스템의 근대화를 지향한 스마트 그리드 및 스마트 미 터의 보급이 특별 기재되어 있다.
EISA에서는 스마트 그리드 추진정책의 기술적 담당 부문으 로서 미국 상무부 표준기술연구소(NIST)가 지명되었고, 그 후 NIST 주도로 스마트 그리드, 스마트 미터와 관련된 개념 설계와 기술 표준화가 진행됐다. NIST에서는 스마트 그리드에 대 해 7가지 도메인을 가진 개념도를 기안했다.
일본에서도 2010년 5월부터 경제산업성이 설치한‘스마트 미터 제도 검토회’가 발족해 스마트 그리드에 스마트 미터의 제도 검토가 시작됐다. 이 검토회에서는 협의의 스마트 미터 개념으로써‘전력회사 등의 계량 관련 업무 등에 필요한 쌍방향 통신 기능이나 원격 개폐 기능 등을 가진 미터’라는 정의를 부여하고, 광의로는‘협의의 개념에 에너지 소비량 등의 가시 화나 홈 에너지 관리 기능 등도 가진 것’으로 정의했다.
2. 스마트 미터의 개요
스마트 그리드에서 전력 공급 사업자와 수요자를 연결하는 창구 기능 하는 것이 전력계, 즉 스마트 미터이다. 전력 외에 가스나 수도도 여기에 따르는 구성을 이루고 있다.
스마트 미터에 대해서는 원격 자동검침, 원격 개폐, 계측 데 이터의 수집·전송 등의 기능을 가지는 협의의 개념과 쌍방향 통신을 가지는 가정 내 기기 통신 네트워크, 가정 내 에너지 관리용 데이터 활용 등을 포함한다. 미래의 스마 트 미터 기능을 고려해 이러한 미래의 스마트 미 터 개념을 유럽에서는 AMI(Advanced Metering Infrastructure)라고 부른다.
스마트 미터는 기본 구성으로서 (1) 계량 보드 를 포함하는 전력계량부, (2) 개폐 스위치부, (3) 통신 보드를 포함하는 통신부로 구성되어 있다.
스마트 미터가 다루는 정보로는 전력계량부에 서 계측되는 전력량 계량값, 전압, 전류, 주파수, 전력, 고조파, 이상값(정전, 순간정지, 플리커, 결상, 전선 접속 상태 감시), 계기 정보(고객 번 호, 계약 내용, 검정 유효 기간), 계량값 버퍼, 각 종 컨트롤 데이터 등을 들 수 있다. 현재 일본에서는 주로 전 력량 계량값만 다룬다.
개폐기 부분은 통신에 의해 원격 개폐가 가능하다. 통신부 를 구성하는 통신 단말기는 유선과 무선이 있으며, 사용 메리 트에 따라서 서로 다르다. 통신 미디어는 PLC(배전선 반송)와 무선 GPRS(일반 휴대무선)로 나뉘며, 최근에는 PLC가 중요 해지고 있다. PLC의 규격에는 PRIME(Powerline Intelligent Metering Evolution), G3, TWACS(Two-Way Automatic Communications System) 등이 있다.
한편, 무선 GPRS로는 ZigBee, WiMax, M-bus(독일) 등의 규격이 있으며, 배터리 구동 가스, 수도 미터를 위한 저소비전 력화가 과제가 되고 있다.
스미트 미터 제조사로서는 전력량 계량값, 트랜스듀서 기능 관련, 이상값 검출, 계기정보, 계량값 버퍼, 각종 컨트롤 등의 정보 취득을 생각할 수 있으며, 전력회사는 기본적으로는 전 력량 계량값, 관리를 위한 계약 내용과 관련된 정보에 관심을 두고 있다.
유럽과 미국에서는 홈 에너지 기능 등을 포함한 광의의 스마트 미터로서의 정보 취득에 방향을 맞추고 있는 한편, 일본 에서는 협의의 스마트 미터의 범위에 대한 검토가 진행되고 있다.
3. 해외 동향
스마트 미터 도입에 이르기까지 배경과 계기는 각국의 사정 에 따라 다르다. 일본에서는 향후 증가하는 재생 가능 에너지 에 대한 고려와 고효율, 고품질, 고신뢰성 전력 공급 시스템 구축을 목표로 하여 도입을 진행하고 있다.
미국에서는 정전에 의해 큰 사회적 손실이 발생하고 있다는 전력 계통 리스크와 불확실성 증가가 그 배경이라 할 수 있으 며, 또한 향후 재생 가능 에너지의 증가에 의해 접속을 고려할 필요가 있다.
유럽에서는 재생 가능 에너지의 증가와 함께 만성적인 도전 (盜電)의 발생, 에너지 절감 추진이라는 배경도 있어 그러한 과 제에 대한 대책으로써 스마트 미터의 도입이 진행되고 있다.
스마트 미터 도입 현황
1. 유럽…2020년까지 100% 도입
유럽 각국에서는 스마트 미터의 도입이 조기에 진행되고 있 다. 현재, 이탈리아, 스웨덴, 핀란드 각국에서 100% 보급률을 자랑하며, 그 외에도 영국 40%, 네덜란드 30%, 프랑스 20%, 독일 10%의 보급률을 보이고 있다.
유럽에서는 제3차 EU 전력 자유화 지침에서 미터의 경제적 합리성 및 비용 대비 효과 등에 대해 분석하고, 그 결과가 긍 정적으로 평가될 경우, 2020년까지 적어도 수요가의 80%에 대해 스마트 미터를 도입해야 한다고 규정하고 있다. 이것이 뒷받침되어 영국, 프랑스 등에서 2020년까지 100%의 도입이 전망되고 있다.
2. 미국…도입 의무화 등으로 급증
미국의 스마트 미터 도입은 40%로 유럽의 도입 선진국에 비해 늦었지만, 증가하는 전력수요에 따른 공급량 부족 해소 와 송배전 설비의 투자 억제 및 노후화에 의한 공급 신뢰도 저 하를 개선하는 관점에서 디맨드 리스폰스와 조합하여 도입을 촉진하고 있다.
펜실베니아주에서는 주법으로 향후 15년 이내에 모든 수요 자(약 600만)에 대해 스마트 미터 설치가 의무화되었다. 캘리 포니아주에서는 여러 사업자가 2011-2012년까지 수백만 대 의 도입을 계획하고 있다.
3. 한국…2020년까지 전국 보급 완료
현재 국내는 고압수용가만 스마트 미터가 보급되어 있으며 저압수용가는 보급이 저조한 실정이다. 따라서 정부는 한국전 력과 함께 스마트그리드 구축과 연계하여 2020년까지 총 1조 1,367억원을 투자하여 저압수용가를 대상으로 차세대 전략량 계인 스마트 미터의 보급을 완료키로 했다.
한국전력은 이를 위해, 전국의 고객을 월간 전력 사용량에 따라 2단계로 구분하고 월 400kWh 미만의 주택용 고객에게 는 2만원 수준의 E-type(경제형) 계기를, 400kWh 이상을 사 용하는 주택과 상가 및 심야전력 고객에게는 역률, 피크 관리 및 실시간 요금 관리 기능이 부가된 5만원 대의 G-type(일반 형) 계기를 설치할 계획이다. 또한 전력품질의 감시와 관리가 필요한 곳에는 전압 및 주파수, 고조파 관리 기능을 추가로 장 착한 S-type(특수형) 계기를 개발, 설치할 예정이다.
HEMS와의 연계
일본 경제산업성 에너지청의 스마트 미터 제도검토회에서 는 스마트 미터와 HEMS의 연계에 의해 (1) 원격 검침(원격 개 폐), (2) 데이터를 활용한 수요가에 의한 에너지 절감, 이산화 탄소 절감, (3) 계통 안정화를 위한 수요가 측의 기기 제어 등의 기능을 기대하고 있다.
스마트 미터 제도검토회에서는 장래 HEMS를 별도로 설치 하지 않고 모든 수요가에 대해 HAN 구성이나 그에 따른 가정 내 기기 제어 등이 가능해질 것으로 기대하고 있다.
그러나 한편에서 HEMS 기능도 미터에 일체화되기 때문에 미터 설치 후의 기술적인 발전에 대한 대응이 곤란하고, 미터 장치 갱신 사이클이 HEMS 측 기술 개발 제약이 될 수 있다는 등의 과제도 존재한다. 또한 현시점에서는 기능 추가에 드는 비용 상승에 의해 기기 제어 니즈가 없는 수요가까지 막대한 부담을 요구하게 될 수 있다는 점이 우려된다.
홈게이트웨이와의 연계
홈게이트웨이(HGW)는 전력 관리를 하는 스마트 미터 외에 외부 서비스 사업자와 기능에 따라서는 전력회사의 정보 교환 을 하는 접점이 되는 게이트웨이로, 스마트 미터와의 연계도 검토되고 있다. 이로써 장래 스마트 하우스에 각종 서비스를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
가정 내 네트워크 HAN과의 연계
광의의스마트미터AMI(Advanced Metering Infrastructure) 가 되면, 홈 게이트웨이의 기능을 가지며, 가정 내 기기와 연 계한 HAN이 구성된다. 정보 수집 및 에어컨 등의 간단한 기 기 제어도 가능하다. 기능으로서 명확하게 기재된 것 외에도 디맨드 리스폰스 기능, 기기 제어 기능을 포함하는 예도 있다.
또한 HAN 측에서의 통신 방식에 대해서는 ZigBee나 Wi- Fi 등의 무선, PLC(Power Line Communication) 등의 유선 이 후보로 검토되고 있다. 미국에서는 스마트 미터와 홈게이 트웨이를 ZigBee로 접속하는 상품이 시장에 투입되고 있다 (EnergyHub사의 Dashboard 등).
외부 네트워크 WAN과의 연계
스마트 미터 제도검토회에서는 수요가에 대한 정보제공을 전제로 하여 (1) 원격검침, 개폐 등의 최저한의 쌍방향 통신 기 능을 가진 협의의 미터와 (2) 수요가 기기 제어기능 등도 가진 광의의 미터(AMI) 2가지를 상정하고 있다. 수요가 기기의 제 어에 대해서는 전력회사가 수급 조정 관점에서 하는 것과 수 요가가 에너지 절감 등의 관점에서 하는 것의 2가지를 생각할 수 있다.
쌍방향 통신에 대해서는 ZigBee 등 단거리 무선통신 기술 에 의한 솔루션과 전력선 통신에 의한 유선 솔루션이 제안되 고 있다.
스마트 하우스에서의 보안
1. 스마트 하우스에 상정되는 위협
수요가 내부의 리스크로서는 생활자의 정보가 누설될 리스 크나 HEMS로 관리된 가전기기가 DDoS 등의 공격을 직접 받 아 부하에 견디지 못하고 정지되는 것과 같은 리스크가 있을 수 있다.
보안 관점에서는 HAN에서의 통신로 보안, HEMS 컨트롤러 혹은 홈 게이트웨이 자체의 보안과 함께 에너지 수지 등의 가시화로 연결되는 부분에서의 정보 수집을 위한 기기 간 통 신 데이터 보안 등을 들 수 있다.
현재는 네트워크 접속 기능을 갖지 않은 냉장고 등의 백색 가전이 IP화됨에 따라 인터넷에 연결되게 되어, 거기서 보호 되지 않는 쓰기 기능 메모리와 같은 취약성이 있다면 위협 레 벨이 커지기 때문에 더욱 엄격한 보안 대응이 필요할 것이다.
2. 각국의 보안 대응
스마트 하우스와 관련된 보안 대응은 상정되는 사태의 형태 와 서비스 형태에 따라 서로 다른 면을 갖고 있다.
(1) 미국
2010년 9월 NIST가 처음으로 발표한 스마트 그리드 사이버 보안에 관한 가이드라인(Guidelines for Smart Grid Cyber Security)에서는 하이레벨 안전성 요건, 리스크 평가틀, 개인주택에서의 프라이버시 문제 평가, 부가 정보가 제시되어 있다.
이 가이드라인은 137개의 인터페이스를 측정하고, 공통 혹은 유사한 기능적 특성 및 안전상의 특성에 기초하여 22개의 카테고리로 분류하고 있다. 또한 스마트 그리드 전체 또는 특 정 부분이나 그에 부수되는 인터페이스 카테고리에 적용할 수 있는 189개의 하이레벨 안전성 요건을 상술하고 있다.
예를 들면, SCADA와 변전설비 사이, 변전소 내의 SCADA 와 DCS 사이, 고객 정보 시스템과 계기 정보 관리 시스템 사이 등의 인터페이스를들수있다.
(2) 유럽
유럽위원회의 가스&에너지국 내에 애드혹 조직인 스마트 그리드 태스크포스(SGTF)의 에너지 파트 그룹이 데이터 보안 을 포함하는 검토 결과를 보고서로 정리해 2011년 2월에 공표 했다.
이 보고서에서는 13개의 인터페이스상의 리스크가 제시되 었으며, 스마트 그리드와 관련된 데이터 보안에 대해 새로운 표준화가 필요하다고 권고하고 있다. SGTF가 제시한 인터페 이스는 미터에서 IHD(In-Home Display), HAN에서 LAN, LAN에서 WAN 등의 인터페이스를 들고 있으며, 타입과 취급 되는 데이터 등이 제시되어 있다. 137개의 인터페이스를 제시한 NIST와 같은 세분화는 이뤄져 있지 않지만, 미국과 동일한 개념에 기초하고 있다고볼수있다.
(3) 일본
스마트 미터 제도검토회 등에서 보안을 포함한 논의가 이루어지고 있지만, 구미와 같은 가이드라인이나 권고로서 정리된 것은 아직 나오지 않았다. 유럽의 동향을 주시하면서 일본사정에 대응한 보안 가이드 라인 검토가 이루어지고 있는 시점이다.
예를 들면, 스마트 미터 제도검토회에서는 스마트 미터용 정보 네트워크의 주요 보안 요건으로서 라이프라인 설비보호, 개인 및 기업 정보보호 등의 관점에서 부정 액세스 대책, 도청 및 정보누설 대책, 서비스 정지 대책이 중요하다고 지적되고 있다. 보안 대책으로서 암호화나 단말인증, 회선인증, 폐역망 구축 등의 복잡한 대책이 유효하며, 나날이 변화하는 보안 위협에 신속하게 대응하기 위해 네트워크 보안 오퍼레이션 체제 의 정비가 중요하다는 의견도 들린다.
또한 스마트 하우스 관련 멀티벤더 설비간 인터페이스, 스마트 하우스와 관련된 보안 가이드라인, 스마트 하우스와 관 련된 운용 가이드라인 책정 등을 진행하는 스마트하우스 정보 활용 기반 정비포럼에서는 데이터를 보호하기 위한 네트워크 보안이나 개인정보의 안전한 관리 방법을 검토하고, 운용에 관해서는 개인 정보를 취급하는 사업자 측의 운용 규칙이나 서비스 정밀도를 향상시키기 위한 기기나 서버의 시스템적인 인증 및 인증제도 등에 대해 검토되고 있다.
