스마트 미터링 기술 및 시장동향

최근, 세계 주요 선진국 및 전력회사에서는 스마트 그리드 사업을 연구 또는 추진 중이거나 계획단계에 있다. 스마트 그리드 시스템은 시대적 변화에 대응하여 에너지 절감과 대고객 서비스 수준 향상 그리고 전력설비의 효율적 운영을 위한 필수 인프라이다.


스마트 그리드의 구현을 위한 필수 영역인 AMI 및 스마트 미터링 기술은 광대역 고속 통신망을 이용하여 지능화된 스마트 미터로부터 수집된 다양한 데이터와 부하 측의 각종설비를 제어하기 위한 제어신호를 신뢰성 있게 전송 가능하도록 한다. 스마트 그리드 시스템의 전 분야에서 핵심적인 역할을 수행하게 될 스마트 미터와 스마트 미터링 및 AMI 시스템의 개념적 정의를 명확히 하고, 향후의 스마트 미터링 관련 산업의 시장동향과 전망에 대해 고찰해 보고자 한다.

글: 김석곤 선임연구원
한국전력공사 전력연구원 송배전연구소(blade@kepco.co.kr)

용어 소개 : 스마트 미터 & 미터링 

스마트 미터란 AMI를 구축하는데 있어서 이종의 네트워크시스템과 인터페이스를 지원하는 통신시스템과 함께 AMI를 구성하는 핵심 설비이다. 
Meter란 통상적으로 미터링(계량)을 위한 계량설비를 나타내는 말로 스마트그리드 시스템 기술에서 설명되고 있는 Meter는 주로 전력량계(Electricity Meter or Watt Hour Meter)을 의미한다.  


미터링 기술이 산업현장에 본격적으로 활용되기 시작한 시점에서의 용어적 정의를 살펴보면 미터링이란 물리적인 값에 대한 분량을 계산하는 것을 말하며, 측정이라고도 표현된다. 계측이 가장 적합한 측정방법을 연구하여 그것을 실현할 장치와 설비를 설계 및 제작, 측정하고 측정결과에 따른 연산과 필요한 정보를 얻는 광의적 개념이라면, 계량은 특정시간 동안 축적된 측정 데이터의 양을 나타낸다. 따라서 계량기는 계량의 기능을 수행하는 기기를 말하며, 계량기의 종류에는 전기요금의 산정을 위한 전력량계 외에도 가스 계량기, 수도 계량기 등이 있다.


근래에는 일반적인 계량의 수준보다는 더욱 지능화된 의미의 스마트 계량이라는 용어가 자주 나타난다. 스마트 미터링 기술은 앞서 설명한 바와 같이 전력량은 물론, 가스와 수도 계량 등이 포함되는 범위이나 최근 전 세계적으로 추진되고 있는 스마트 그리드 사업의 예에서는 전력망 지능화에 초점을 맞추고 있으므로 데이터의 측정 및 수집 능력이 향상된 지능형 전력계량 시스템 기술이라 불러도 무방하다 하겠다.


 즉, 스마트 미터링 기술은 현재의 집중화된 전력공급망의 한계를 극복하고 공해배출의 억제 및 전력 효율의 향상을 도모할 수 있는 미래 혁신형 기술이라 할 수 있으며, 또한 전력사용자의 전력에너지의 효율적인 이용과 재생 에너지와 같은 다양한 전력공급방식 환경변화에 대해 사용자 입장에서 전력수용변화에 대체하는 기술로서 인텔리그리드와 스마트그리드 등의 기술과 연계하여 발전되고 있는 전력 IT 기술의 일부분으로 단위 시스템으로 구분한다면 지능형 전력량계(Smart Meter)와 지능형 통신 시스템(Intelligent Communication System)으로 구분할 수 있다.


한편, 스마트 미터란 유/무효 전력 사용량과 역율 등을 주로 측정하는 현재 일반적으로 사용 중에 있는 전자식 전력량계보다 더욱더 지능적인 부가 기능을 보유한 전력량계를 일컫는다. 미래 지향적인 미터란 의미의 진보된 미터(Advanced Meter) 또는 스마트 미터란 용어가 혼용되어 사용되고 있으나, 근래에는 스마트 미터라는 용어로 표준화 되어가고 있다고 볼 수 있다. 


국외의 스마트 전력량계 정의 사례를 살펴보면, 미국의 NETL은 2008년 'Advanced Metering Infrastructure'에서 스마트 미터는 '전자식 프로그램이 가능한 장치로 매우 많은 기능을 수행할 수 있는 미터'라고 간략히 규정하고 있고 DoE에서는 'Guidance for Electric Metering in Federal Building'을 통하여 '스마트 미터는 시간 간격 간 데이터(전력의 경우 최소 시간별 데이터)를 측정하고 기록하는 능력을 가지고 진보된 미터링 시스템(Advanced Metering System)에 쉽게 통합될 수 있는 형식으로 데이터를 원격지점으로 통신할 수 있어야 한다'라고 정의하고 있으며 스마트 미터링 관련 글로벌 연구기관인 글로벌 스마트 에너지에서는 스마트 전력량계란 '소비되는 에너지의 양과 발생시간을 측정하고 내부적으로 측정할 수 있는 능력을 가져야 하고 측정결과를 자동 전송할 수 있어야 하며, 양방향 통신이 가능하여야 한다'라고 정의하고 있다.

시스템 기술 소개

스마트 미터링 시스템
미국의 FERC는 'Advanced Metering'란 "고객이 소비하는 량(가능한 한 다른 항목들도 포함)을 시간 간격 또는 더 짧은 시간간격으로 주기적으로 기록하고 측정된 값을 통신망을 통해 중앙 수집지점으로 매일 또는 더 짧은 시간간격으로 전송할 수 있어야 한다"라고 정의하고 있으며, DoE에서는 'Guidance for Electric Metering in Federal Building'에서 "진보된 미터링 시스템(Advanced Metering system)은 즉석 요구에 의하거나 사전에 예약된 스케줄에 의해 통신망 시스템을 통하여 진보된 미터로부터 차별화된 에너지 사용 데이터를 수집하는 시스템이다"라고 정의하고 있다.


즉, 전력 사용자의 전력 에너지의 효율적인 이용과 신재생 에너지와 같은 다양한 전력공급방식에 맞춰, 전력 에너지 분산화, 전력 시스템의 고 효율화를 요구하고 있고, 이것은 최종적으로 전력 사용에 대한 방안을 제시하는 기술이 필요하게 되었다. 이런 필요성에 따라 스마트 미터링 기술이 발전하게 되었으며. 스마트 미터링 기술의 도입으로 인한 결과론적 기대효과는 상기와 같은 다양한 전력공급 방식을 갖는 환경에서 사용자 입장에서 전력수용 변화에 적극 대처 가능하다. 


AMI 시스템 및 활용 기술
AMI 기술은 AMR 및 AMM 기술수준보다 더 진보 된 기술로 단순히 한 가지 기술이 아닌, 현존하거나 새로운 프로세스 및 애플리케이션 등이 통합되어 구성된 기반 시스템이다.
 

AMR 기술이 검침원이 직접 검침하던 것을 자동화한 시스템으로서 잔력량계의 지침을 자동검침하고 전기사용량의 산정과 과금 기능을 갖는 시스템이라면 AMI는 그 구축목표가 검침자료를 이용한 전력생산 및 유통기반을 정보화하고 활용적 측면에서는 현재의 다양한 수요정보 활용 뿐 아니라, 미래에 발생 가능한 수요정보 활용 서비스를 담당하여 특정 목적에 따라 시스템을 구현하기보다, 수요정보의 획득/수집/가공이 가능한 수단을 마련하고, 사용자에게 다양한 서비스를 제공하는 미래 지향적인 시스템이다.


한편 AMM 기술은 AMR에서 AMI로 진행되는 중간단계의 활용기술로 전력량계 데이터의 효율적 처리, 유용한 정보의 추출 그리고 다양한 기술분야와 연계활용이 시스템으로서 초기 단계의 스마트 미터링 시스템 활용과 응용을 위한 시스템이다.

스마트 미터링 시스템 시장 동향

스마트 미터링 시스템 표준화
국내에서는 전자식 전력량계의 국제표준 도입은 이미 완료한 상태이며 최근 스마트그리드 사업 추진의 일환으로 스마트 미터링 분야를 포함한 스마트 그리드 기술 전반에 대한 표준관련 기술개발과 국제 표준화에 대한 관심을 높이고 있다.


스마트 미터의 표준화 추진은 상위 개념인 스마트 미터링 시스템의 아키텍처의 일부로서 추진되어야 하며, 표준화의 중요성에 대한 공감대 형성이 중요하다.


한편 미국, 유럽을 중심으로 각 국의 정부 및 기업에서는 표준화에 대한 특허 선점과 이를 바탕으로 표준화 활동을 적극적으로 펼쳐가고 있다.
그리고 국내에서도 스마트 그리드 사업의 일환으로 'AMI 시스템 구축' 연구과제를 추진 중에 있으며 스마트 미터링 시스템 관련분야에 대한 특허와 표준에 대응할 수 있는 정보의 수집과 및 정책 수립을 위한 노력을 더욱 더 확대해 나갈 시점이라 판단되며 스마트 미터링 기술의 표준화는 개방형의 유연한 구조를 갖도록 하고, 제조업체간, 응용분야간 상호 운용성을 확보하며 규모의 경제 달성, 기술혁신과 경쟁환경 조성, 국가 내 또는 국가간 그리드 상호작용면에서 공통 경험을 확보하도록 추진되는 것이 바람직하다.


유럽에서는 이탈리아 ENEL사의 Telegestore 사업이 성공적으로 진행되는 과정에서 일부 참여업체들이 세계시장으로 확대하려는 노력의 일환으로 표준화 활동을 시작하였으며, 미국에서는 EPACT 2005, EISA 2007을 제정하면서 정부차원에서 표준화를 주도하려는 노력을 하고 있으며 구체적으로는 DoE의 Gridwise, EPRI의 Intelligrid를 시스템 아키텍처로 하여 세계 AMI 표준화를 주도하려 하고 있다.

이탈리아의 스마트 미터링 시스템 사업추진 사례
스마트 미터링 시스템은 이탈리아 최대 배전 전력회사 ENEL사가 2001년도부터 2006년 까지 5년간에 약 3,000만 세대에 1세대 스마트형 미터를 대량 보급 설치한 Telegestore 사업으로 시작되었으며, 이것이 스마트 미터링 시스템의 시초라고 할 수 있다.
그림 2 및 그림 3은 ENEL사의 Telegestore 사업을 위한 시스템 구성도 및 활용효과를 설명한 것이다. 


ENEL사의 미터링 시스템은 Telegestore 미터, 데이터 집중장치(Concentrator), 중앙 시스템 등으로 구성된다. 데이터는 AMM에서 처리되며, ENEL사가 IBM과 협력하여 개발하였다. ENEL사의 Telegestore 사업이 추진될 당시에는 표준화에 대한 개념보다는 새로운 비즈니스 모델을 성공시켜야 된다는 생각이 우선시 되었다.


스마트 미터를 활용한 Telegestore 사업의 주요효과로는 고객의 입장에서는 실질적인 에너지 소비량의 인지기능 외에 원격계약관리를 가능하게 하고 과금비용을 절감케 하며, 전력회사 및 전력시스템의 운용 측면에서는 Peak 저감을 통한 부하율 향상과 에너지 사용효율 향상 및 이산화탄소 저감효과와 고객만족과 운용비용 절감 등을 기대 할 수 있다.


호주의 스마트 미터 설치 사업
호주에서는 약 16억 유로의 예산을 들여 2016년까지 전국적으로 약 500만대의 기존 전력량계를 스마트 미터로 교체할 예정이다. 이미 2007년까지 Energie AG & SIMENS사를 통해 스마트 미터 설치 시험 프로젝트를 완성하였으며, 호주 내에서는 Victoria 주에서 양방향 통신과 원격투입 기능이 포함된 스마트 미터의 설치를 주도하고 있다. 그림 5는 스마트 그리드 산업분야별 글로벌 기업 및 산업구조 연계 체계를 나타낸 것이다.


AMI 시스템 시장 현황
그림 5는 스마트 그리드 산업분야별 글로벌 기업 및 산업구조 연계 체계도를 나타낸 것이다. 이중 일부 기업은 각 해당분야외의 연계분야에서도 주도적 역할을 하고 있다.


연계도에서 나타나는 바와 같이 스마트 미터링 시스템과 연계된 스마트 그리드 관련 산업분야는 스마트 미터, 스마트 홈, 커넥티비티, 애플리케이션 & 소프트웨어 그리고 AMI 분야로 구분 가능하며, 애플리케이션 & 소프트웨어 분야는 Demand Response, Data Management, Clean Energies Integration & Storage 분야 등으로 구분된다. 이중에서 AMI는 스마트 그리드 및 스마트 미터링 시스템에서 양방향 통신을 가능케 하는 핵심설비로서 각 개체간 또는 분야 간 통신 또는 접속은 AMI와 Demand Response 등의 스마트 그리드 애플리케이션을 통하여 이루어진다.  

스마트 미터 및 AMI 시스템 시장 전망
스마트 미터 시장은 향후 지속적으로 성장할 것으로 예상되며, 스마트 미터 시장은 스마트 그리드 환경구축을 위한 관련 산업분야의 시장규모와 그 맥을 같이한다. 2020년까지 미국이 스마트 미터 시장 성장을 주도하게 될 것으로 예상되며, 뒤를 이어 유럽지역에서는 많은 국가들이 100% 설치 완료를 목표로 사업을 진행하고 있다. 한편 아시아 지역에서는 중국의 관련산업 활성화 정책을 시행함에 따라 급격한 성장을 할 것으로 예상되며 한국과 호주, 일본에서 주도적인 역할을 할 것으로 예상된다.


그림 6은 2010년∼2015년 간의 세계 전 지역에서의 AMI 시스템 구축을 위한 무선통신 기술 분야의 수익 예상치를 보여준다. 전체 시장규모에서 유럽지역 및 북미지역에서의 산업규모가 80% 이상을 차지하고 있으며, 무선통신설비의 시장규모는 곧 스마트 미터 산업의 성장률과 비례적 관계를 갖는다. 


아래 그림 7은 전력량계 설치 수량 기준 전 세계 전력량계 시장규모를 나타낸 것이다. 2008년부터 2015년까지 전력량계 총 설치수량은 약 1,300만 대이며 기존의 전력량계는 지속적으로 감소하는 대신 스마트 미터는 지속적인 성장세를 보일 것으로 예상되며 2015년에는 240만의 전력량계가 설치될 전망이다. 

표 1은 유럽지역 국가별 스마트 미터 생산 예상수량을 나타낸 것이다. 2007년부터 2012년 까지는 이탈리아와 북유럽국가들이 주도하고 있으며 프랑스와 영국 등의 국가에서는 2012년 이후로 집중적인 활용이 예상된다. 한편 유럽지역에서의 출하량 대비 스마트 미터의 점유율은 2007년의 19%에서 2013년에는 95까지 성장할 것으로 예상되며 설비 보급수량 측면에서는 2007년 14%에서 2013년에는 32%까지 도달하여 6년간의 보급율은 200% 이상 성장할 것으로 예상된다.  

국내 스마트 미터링 시스템 연계 에너지정보표시장치(IHD) 보급사업
국내에서 추진 중인 'AMI 시스템 구축' 사업은 홈 내 기기간의 인터페이스를 위한 홈 네트워크 시스템, 온도조절장치를 비롯한 댁내 제어기기와의 통신, 지능형 전력량계, 미터로부터 지역 데이터 수집 장치에 이르는 통신 네트워크, 데이터 센터와 연계하기 위한 백홀 통신망, 미터 데이터 관리 시스템(MDMS), 그리고 현존하거나 새로운 소프트웨어 애플리케이션 플랫폼으로의 데이터 통합 등을 모두 포함한다.


한편 스마트 그리드 및 스마트 미터링 사업의 활용성 증대를 위해서는 각 가정내 에너지정보를 표시하는 디스플레이 장치(IHD)의 개발 및 보급 사업이 중요한 역할을 수행한다.

IHD의 개념
IHD는 소비자와 공급자간의 실시간 정보소통을 통해 소비자의 자발적인 수요반응(DR)을 유도함으로써 소비자와 공급자 모두에게 편익을 제공하기 위한 AMI 시스템의 소비자 측 정보채널 역할을 하는 기기이며 주요 운용방식은 PLC 타입과 지그비(ZigBee) 타입 등이 있다.


그림 8는 국내 전력사에서 시행한 제주 구좌지역 스마트 그리드 실증단지의 IHD 보급사업 대상지역을 나타낸 것이다. 지역내 스마트 그리드 실증단지에 포함된 6,000호중 실증대상에서 제외된 3,000호를 주요 대상으로 하였으며 사업의 주요 기대효과로는 주민 형평성 확보와 민원예방효과 그리고 스마트 그리드 붐 조성을 위한 목적도 병행하고 있다.


그림 10은 강릉지역 녹색 시범도시 지역에 IHD 보급사업을 시행한 주요지역을 나타낸 것으로 지자체(강릉시)의 제의에 의해 전력회사 시행한 사례로 시범도시내 약 4,000호를 대상으로 하고 있다. 본 사업은 지방자치 단체와의 협력모델을 구축하고 타 사업과의 연계를 통한 효과를 극대화하는 목적이 있다.

IHD 활용 시스템 구성도
그림 11 및 그림 12는 국내 전력사에서 시행한 IHD 활용 연계시스템의 구성도와 PLC 방식의 댁내 IHD 설치 구조도를 나타낸 것이다. IHD는 PLC와 ZigBee 등의 통신망을 통해 데이터수집장치(DCU)를 통해 지사 또는 지점의 AMI 서버에 데이터를 송수신하고 지사 AMI 서버는 본사의 영업서버와 IHD 서버와 연계된다.  


또한 IHD를 이용하여 전기, 가스, 수도의 통합검침도 가능하며, 각 누적 사용 계량값 및 요금 정보와, 현재 및 예측 사용량 및 요금 표시, 각 검침데이터의 상세정보 지원 그리고 검침계기 별 시간정보, 일간정보, 월간정보 등의 정보제공 기능 등을 포함한다.


결론

스마트 미터링 기술을 종합해 보면 스마트 미터가 기존의 전자식 전력량계와 크게 다른 점은 다양한 데이터의 실시간 측정 및 저장능력과 함께 전력계통 운용서버와 홈 내 다른 지능형 기기들과의 실시간 양방향 통신능력 측면에서 찾을 수 있다. 즉, 스마트미터를 가장 기본적이고 일반적으로 정의하면 '사용한 전력량을 다양한 시간 구간 또는 간격으로 계량하고 이를 전력량계에 프로그램할 수 있으며, 계기 정보를 다른 기기들과 통신할 수 있는 전자식 계기'라 할 수 있으며 또한 '계기와 전력회사 간에 양방향 통신을 지원하는 새로운 통신 기술이 동반된다'라고 할 수 있다.

한편, 스마트 미터와 홈 내 지능형 디바이스와의 연결은 인터페이스를 통하여 이루어지기 때문에 인터페이스에 대한 표준은 중요하며, 결국 통신수단 결정과 게이트웨이 기능을 어느 위치(장치)에 두는가를 결정하는 문제로 귀결된다고 할 수 있다.


스마트 미터의 단기적 발전전망은 스마트 미터링 사업을 추진하는 주요 국가들을 중심으로 진행될 것이며, 일반적인 주요 기능적 변화추이는 반전자식에서 디지털형 전력량계로 그리고 개별 분산 관리에서 통합 관리로, 양방향 통신과 함께 이동통신망의 활용에서 유무선망의 활용 등으로 변화할 것으로 예상되며, 이외에도 기능적인 발전전망으로는 측정값의 내부저장기능 강화, 다중 요금제 지원기능 추가, 전력품질 감시 및 기록, 원격 차단/투입, 도전 감시, 부하제어, 개방형 표준 채택 그리고 시간에 따른 요금 부과, 소비자와 공급자(전력회사)에 필요한 소비(사용)량 데이터 취득 및 실시간 활용, 순수 전력 사용량 측정 및 전력품질 감시 기능, 원격 차단/투입 및 전력손실(정전)/복구 통보, 부하제어 및 수요관리 시스템(DR) 적용, 도전 예방 및 감시 등이 있다.


그리고, 스마트 미터링 시스템으로의 진화 방향에서 가장 중요한 키워드는 AMI이다. AMR 시스템은 검침 및 과금이라는 특정 용도에 목적을 둔 시스템으로서 검침업무 자동화의 측면에서 이해되었으나, 이후 AMM 시스템이 출현하였고 이러한 시스템은 곧 특정 애플리케이션에 목적을 두지 않는 수요정보 인프라 개념으로의 발전을 의미한다. EU 및 미국의 적용사례에서 보는 바와 같이 스마트 미터링 시스템은 전 세계적으로도 스마트 미터의 개발 및 보급을 통하여 최초 적용이 이루어지고 있다.


스마트 미터의 활용성 측면의 중장기적 고찰은 미국 스마트 미터링 사업 추진사례를 주목해 볼 필요가 있다. 계획 단계에서의 미국 스마트 미터링 시스템 적용사유는 비용 절감(42%), 고객 서비스 향상(14%) 등이다. 그러나 초기 설치목적과 비교하여 실질적인 활용성과 측면에서는 '도전 감지' 목적으로 설치 및 활용중인 것이 52%, 계획 중 19% 그리고 적용고려 13% 등 총 84%의 높은 비율을 보이고 있고 계속해서 '정전감시' 분야와 '원격 On/Off 제어', '산업용과 상업용에 대한 TOU 적용', '주택용에 대한 TOU 적용', '고객 에너지 관리' 등의 순으로 나타나고 있다.


그리고, 스마트 미터와 연계한 IHD를 활용하여 운용하는 시스템에서의 기대효과로는 소비자의 입장에서는 수요반응을 통한 합리적 전력소비를 유도하여 에너지비용을 절감하며, 전력회사 등 공급자의 입장에서는 설비운영 효율을 향상시키고, 투자비를 절감함으로서 경영효율성을 제고할 수 있다. 또한 글로벌 환경보호 측면으로는 온실가스 배출량 감축을 통한 기후변화에 대응하고 경제적 관점에서는 관련산업의 해외수출 활성화를 통해 녹색성장의 기반을 마련할 수 있다. 


스마트 미터링 관련산업 및 시장의 발전전망을 고찰해 보면, 2005년부터 약 5년간 미국의 스마트 미터링 관련산업 시장전망을 소요예산을 기준으로 참조해 보면 스마트 미터와 소프트웨어, 통신 하드웨어 분야가 지속적으로 일관성 있게 성장하는 반면, 유지보수 측면의 소프트웨어 지원분야와 네트워크 분야의 성장세가 급격히 증가 할 것으로 예상된다.


또한, 고객별 보급률 전망은 교통, 항공 등 운송 분야의 보급률이 가장 높게 예상되며 그 뒤를 이어 산업용과 상업용 고객의 순으로 예상된다. 단, 국가별 환경적 특성 또는 고객구성의 차이 측면에서 주거용 고객에 대한 스마트 미터링 시장의 적용전망 차이가 발생할 것으로 예상된다. 미국시장의 특징은 전력회사의 수가 상대적으로 매우 많고 주택용 고객의 전력사용량과 전기요금이 대체로 높아 주택용 고객에 대한 스마트 미터링 사업이 초기부터 비교적 활발히 진행된 편이나, 국내의 경우는 국내 주거문화의 특징으로 인해 아파트 등 상당수의 주택용 고객이 고압고객으로 관리되고 있으며, 단독 주택용 고객의 경우에도 고객 당 전력사용량과 전기요금 수준에서 미국 등 주요 선진 국가들에 비해 값이 저렴한 편으로 우리나라에서의 AMI 수준 스마트 미터링 사업의 추진은 300∼400kWh급 이하의 주택용 등 저용량 고객보다는 대규모 주택용과 상업용, 산업용 등 대용량 고객을 중점적으로 적용해 나가는 것이 효율적인 방법이 될 것으로 예상된다.

출처: http://www.epnc.co.kr/atl/view.asp?a_id=9026