농촌 지역에서 스마트 그리드 통신 사용

스마트 그리드에서 전력 사용과 비용 효율을 최적화하는 데 필요한 데이터를 교환하려면 안정적인 통신 프레임워크가 필수적입니다. 전력선 통신(PLC) 솔루션은 낮은 인구 밀도, 거리, 지형 때문에 다른 통신 방법을 사용하기가 불편한 농촌 지역에서 편리한 데이터 통신 수단을 제공합니다. 스마트 계측기나 그리드에 연결된 에너지 수확 시스템에서 통신을 구현하려는 엔지니어는 PLC 설계에 Atmel, Cypress Semiconductor, STMicroelectronics, Texas Instruments와 같은 제조업체에서 제공되는 장치를 활용할 수 있습니다.

농촌 지역에서 전력선은 안정적이고 비용 효과적인 스마트 그리드 통신을 보장하기 위한 최고 옵션인 경우가 많습니다. 이러한 지역에서 사용자 종단점은 대개 지리적으로 널리 흩어져 있고, 무선 같은 대체품은 충분한 범위를 제공하지 못하며, 유선 또는 셀 방식 광대역은 쉽게 사용할 수 없거나 충분히 안정적이지 않습니다. 이러한 대체품과 달리 PLC는 수급 계량기와 소비자 가전 스마트 계측기 간에 데이터를 교환하기 위한 비용 효율적이고 신뢰할 수 있는 메커니즘을 제공할 수 있습니다.

PLC 설계

일반적인 PLC 모뎀 설계에서는 AFE(아날로그 프런트 엔드)와 프로세서가 주요 기능을 제공합니다(그림 1). AFE에서는 신호 전송 및 수신을 포함한 아날로그 작업을 처리하고, 프로세서에서는 특정 PLC 프로토콜과 연결된 통신 소프트웨어 스택을 실행합니다.

그림 1: PLC 모뎀은 결합, 대역 통과, 회로 보호와 함께, 신호 전송 및 수신을 위한 AFE(아날로그 프런트 엔드)와 통신 스택 처리를 위한 MCU를 결합합니다(Texas Instruments 제공).

PLC 솔루션을 구축하는 경우, 설계자는 Texas Instruments AFE030 및 AFE031과 같은 독립형 AFE를 Texas Instruments C2000 C28x Piccolo MCU 등의 외부 MCU와 결합할 수 있습니다. 이 접근 방식을 사용하면 C2000 C28x 코어와 ARM Cortex-M3를 결합한 Texas Instruments Concerto 멀티코어 MCU와 같은 고성능 MCU를 선택하여 PLC 모뎀의 성능을 확장할 수 있습니다. 실제로, 아래에서 언급된 직교 주파수 분할 다중화(OFDM)와 같이 고급 변조 체계의 경우, 복잡한 통신 소프트웨어 스택을 처리하기 위해 고성능 멀티코어 프로세서가 필요할 수도 있습니다.

또는 설계자가 PLC 통신의 점점 더 많은 부분을 단일 칩에 통합하는 폭넓은 PLC 솔루션 어레이를 이용할 수도 있습니다. 예를 들어, Cypress Semiconductor의 CY8CPLC10은 PHY 레이어와 네트워크 프로토콜 스택을 통합하고, CY8CPLC20은 한층 더 나아가 CY8CPLC10의 기능을 더 복잡한 PLC 스택을 실행할 수 있는 Cypress PSoC 코어와 통합합니다(그림 2).

그림 2: 제조업체에서 제공하는 PLC 솔루션의 통합 수준이 점점 더 높아지고 있습니다. 예를 들어, Cypress Semiconductor CY8CPLC10은 PHY와 네트워크 프로토콜 스택을 통합하고 Cypress CY8CPLC20은 CY8CPLC10을 PSoC 코어와 통합하여 완전한 스택 처리 기능을 제공합니다(Cypress Semiconductor 제공).

주파수 대역

PLC 작동 주파수는 지역별 규정에 따라 특정 대역으로 제한됩니다. 북미와 캐나다에서는 PLC가 FCC(미국 연방 통신 위원회) 섹션 15에서 지정된 10kHz ~ 490kHz 주파수 대역에서 작동합니다. 아시아와 일본에서는 ARIB(일본 전파 산업 협회)에서 지정된 10kHz ~ 450kHz 주파수 대역에서 작동합니다. 유럽의 경우는 Cenelec(유럽 전기 표준화 위원회) EN50065에 따라 PLC 통신에 사용되는 A 대역(3kHz ~ 95kHz) 및 B 대역(95kHz ~ 125kHz)과, 관련 응용 제품을 위한 C 대역(125kHz ~ 140kHz) 및 D 대역(140kHz ~ 148.5kHz)을 포함하는 저주파 대역 범위가 정의됩니다. 중국의 경우는 EPRI(전력 연구소)에서 3kHz ~ 500kHz 대역을 지정합니다.

독립형 AFE를 사용하든 또는 통합 PLC 장치를 사용하든, 제조업체는 다양한 장치 제품군에 대해 특정 주파수 대역과 변조 체계를 지원합니다. 예를 들어, TI AFE030 및 AFE031은 CENELEC EN50065 대역 A, B, C, D를 지원하고, Cypress CY8CPLC10 및 CY8CPLC20은 CENELEC EN50065 및 FCC Part 15 작동을 지원합니다. 마찬가지로 STMicroelectronics의 PLC 장치 계열도 특정 지역 주파수 대역을 지원합니다. 예를 들어, STMicroelectronics ST7538Q 및 ST7540은 Cenelec EN50065를 지원하도록 설계되었고, ST의 ST7580은 ARIB, Cenelec EN50065 및 FCC Part 15를 지원합니다.

전력선 잡음

할당된 주파수 대역 내에서, PLC 시스템은 잡음이 심한 전기적 환경을 극복해야 합니다. 전력선은 임펄스 잡음, 모터 잡음, 소비자가 다양한 가전이나 공구 및 장비를 켜고 끌 때 발생하는 전원 공급 장치 및 기타 소스의 고조파 간섭과 같이 지속적으로 변하는 잡음 소스로 가득합니다(그림 3).

그림 3: 저전압 전력선은 소비자의 사용에 따라 변하는 잡음 소스로 가득 차 있으며, 전기 칫솔의 충전 스탠드(B)와 같은 작은 생활용품에서도 임펄스 잡음(A)과 광대역 잡음이발생합니다(A: Texas Instruments 제공, B: Echelon Corporation 제공).

실제로 전력선 잡음은 변동이 심합니다. 특정 대역에서 일정 기간 선명한 통신 채널을 제공하다가 갑자기 사용자의 가정, 사무실 또는 농장 등의 소스에서 간헐적인 잡음이 넘칠 수도 있습니다. 따라서 PLC 수신기가 신호-잡음 특성이 매우 나쁜 소스에서 신호를 추출하는 경우도 많습니다.

ST의 ST7538Q, ST7540, ST7580을 비롯한 PLC 장치는 진폭 변동과 대역 근처 전파 방해에 대한 내성을 제공하는 바이너리 주파수 전환 키(B-FSK)를 제공합니다. FSK 변조 체계에서는 열악한 신호-잡음 환경에서 우수한 솔루션을 제공하며 대부분의 전력선에 영향을 미치는 광대역 잡음에는 더욱 견고한 통신 체계가 필요합니다.

잡음 저항 변조

PLC 신호 전송에서 변동 폭이 큰 전력선 잡음 소스의 효과를 완화하기 위해 STMicroelectronics ST7570과 같은 PLC 트랜시버는 수급 계량기의 PLC 사용에 적용되는 표준인 IEC 61334에 지정된 분산 주파수 편이 방식(S-FSK) 변조를 제공합니다. 훨씬 더 열악한 환경에서는 설계자가 ST ST7590 및 TI AFE030/31과 같은 PLC 장치의 OFDM 지원을 활용할 수 있습니다. OFDM에서는 다중 채널을 사용하기 때문에 전력선 통신과 같이 잡음이 심한 환경에서 사용하기에 특히 좋습니다.

두 개의 선도적인 PLC 표준 PRIME(Power line Intelligent Metering Evolution) 및 G3에서는 잡음이 심한 전력선에서 통신을 줄이기 위해 OFDM을 지정합니다. 실제로, G3에는 호환 PLC 장치를 통해 잡음 간섭이 심한 서브 대역에서 통신을 끌 수 있는 적응 방법이 사용됩니다. 이 장치는 잡음이 심한 환경에서 견고한 성능을 발휘할 수 있기 때문에, 소비자 가전에 전력을 공급하는 저전압 전선뿐만 아니라 변압기를 통해 일반적으로 변압기와 송전 기지국을 연결하는 중간 전압 전선에 사용되는 데이터 집선기로 통신을 제공하는 경우에도 유용합니다.

이러한 프로토콜은 복잡하기 때문에 호환 PLC 모뎀에는 동일하게 더 복잡한 PLC 장치가 필요합니다. 예를 들어, TI AFE031 PLC IC는 PRIME 및 G3를 지원하지만 해당 통신 소프트웨어 스택을 실행하는 데 필요한 관련 프로세서의 경우는 이중 코어 Concerto 제품군과 같은 고성능 MCU를 사용하는 것이 좋습니다.

사용 가능한 통합 PLC 장치 중에서, Atmel의 ATPL230A 및 ATPL250A는 각각 PRIME 및 G3와 호환되는 PLC 모뎀 IC입니다. 두 장치는 모두 Atmel SAM4C MCU 제품군과 같은 고성능 MCU와 작동하도록 설계되었습니다. 단일 칩 솔루션을 원하는 설계자를 위해 Atmel SAM4CP16B 이중 코어 ARM Cortex-M4 기반 PLC MCU는 PHY와 Atmel에서 제공한 PLC 통신 스택을 통합하는 단일 IC에서 PRIME과 G3를 모두 지원합니다(그림 4).

그림 4: PRIME 및 G3 PLC 설계의 경우, 엔지니어가 Atmel의 ATPL2x PLC 장치와 SAM4C MCU로 구성된 이중 칩셋이나 이중 칩셋과 동급의 기능을 제공하는 단일 칩 솔루션인 SAM4CP16B를 사용하여 구축할 수 있습니다(Atmel 제공).

개발 키트

PLC 설계의 복잡성을 간소화하기 위해 설계자는 주요 PLC IC, 프로세서, 소프트웨어를 결합하는 여러 개발 키트를 사용할 수 있습니다. Cypress Semiconductor Corp CY3274 개발 키트를 이용하면 Cypress CY8CPLC20 통합 PLC 장치를 활용하려는 개발자에게 빠른 시작을 지원할 수 있습니다(그림 2 참조).

STMicroelectronics STEVAL-IPP004V1 개발 키트는 ST7590 PLC 장치와 ST STM32F103 MCU(고성능 STM32 F1 ARM Cortex-M 기반 MCU 제품군에 포함)를 중심으로 구축된 완전한 PRIME 호환 모듈을 제공합니다.

마지막으로, TI TMDSPLCKIT-V3 C2000 전력선 모뎀 개발자 키트는 PRIME 또는 G3 호환 PLC 솔루션을 개발할 수 있도록 AFE031 및 TMS320F28069 C28x Piccolo MCU를 S-FSK 및 OFDM을 지원하는 PLC 소프트웨어 제품군과 결합합니다.

결론

농촌 지역에서 스마트 계측기, 가전 제품, 장치를 스마트 그리드에 연결하려는 경우 PLC를 통해 효율적인 솔루션을 제공할 수 있습니다. 그러나 PLC 설계자는 규정 제한, 국제 표준, 전력선 특성의 조합으로 인해 큰 어려움을 겪을 수 있습니다. 설계자는 사용 가능한 PLC IC 및 MCU를 활용하여 저전압 전선과 변압기를 통한 중간 전압 전력 그리드에서 작동이 가능한 견고한 PLC 솔루션을 더욱 쉽게 구현할 수 있습니다.

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