[테크] FPGA를 이용한 스마트 그리드 장비 디자인 향상

글. John Johnson

Market Development Manager, Industrial Business Unit, Altera Corporation

현행 전력망 인프라는 더 우수한 효율, 신뢰성, 안전성을 달성하기 위해서 향상을 필요로 한다. 표준화 기관들과 엔지니어들이 이러한 요구를 충족하기 위해서 전력망에 관련된 많은 문제들을 해결하는 작업에 나섰다.

“스마트 그리드”라고 하는 것은 바로 이와 같은 해결책들을 구현하고 있는 것이다. 그런데 스마트 그리드 시스템은 엔지니어들에게 설계 상의 많은 과제를 제기한다. 이러한 시스템은 신뢰성 측면에서 뿐만 아니라 성능과 부품 조달 측면에서 장기적인 수명을 보장해야 하기 때문이다.

현대의 전력 공급 아키텍처(그림 1)는 전력 생산, 전송 및 분배(transmission and distribution), 최종 사용자로 이루어진다. 스마트 그리드는 여러 면에서 기존 시스템과 다르다.

즉 재생 에너지원을 포함하고, 에너지를 저장할 수 있고, 소비자 미터링 및 전력망 성능 분석을 위한 측정이 가능하다. 전력망을 잘 제어하기 위해서는 광범위한 통신의 사용, 전력망 파라미터의 면밀한 모니터링 및 제어, 신뢰성 및 보안성을 달성하기 위한 조치들을 필요로 한다.

그림 1: 스마트 그리드 개요

1990년대 중반까지는 국제적인 전력망 표준이 존재하지 않았으므로 에너지 공급자들이 상호운용 가능한 장비들을 구축할 수 없었다. 제어와 유연성을 향상시키기 위해서 단일 네트워크의 전송 라인이 통신과 전력 공급을 위한 네트워크 쌍으로 전환하는 것이 필요하게 되었다. IEC(International Electrotechnical Commission)는 서브스테이션 아키텍처, 통신, 보안, 타이밍 및 동기화를 정의하는 일련의 표준 규격들을 개발하였다.

이 작업은 1995년에 IEC 61850 표준 “서브스테이션의 통신 네트워크 및 시스템(Communication Networks and Systems in Substations)”에서부터 시작되었다. 이 표준은 서브스테이션을 쇄신하고 견고한 통신 네트워크와 자동화를 가능하게 하는 프레임워크를 구축하기 위해서 IEC와 ANSI(Americal National Standards Institute)가 협력해서 개발한 것이다.

IEC 61850에 따른 해결 과제

IEC 61850은 도입 이후에 수력발전, PV 발전 플랜트, 분산 에너지 자원 등을 포함하도록 기능을 하나씩 추가하면서 범위를 확대하여 왔다. 내부 서브스테이션 인프라 관점에서 이 표준은 광섬유 케이블을 통해서 통신하는 서브스테이션 장비 네트워크를 이용해서 상호운용성, 유연성, 제어를 가능하게 한다.

그런데 이 네트워크는 유연성과 상호운영성 측면에서 많은 문제들을 해결하나 또 다른 새로운 과제를 제기한다. 예를 들어서 이 광섬유 네트워크(그리고 이에 관련된 통신 하드웨어 및 통신 스택 층)는 저-지연 구리 와이어 배선을 대체하며, IEC 61850을 달성하도록 통신 스택 층을 바이패스함으로써 지연시간을 낮추는 특수한 메시징을 지원한다.

IEC 61850 등의 서브스테이션 자동화 표준에서는 어떤 단일 결함으로 인해서 시스템 중단이 일어나지 않도록 해야 한다고 지정하고 있으며, 그러기 위해서는 서브스테이션 아키텍처로 모든 핵심적 요소들에 대해서 여분의 중복성을 사용해야 한다.

뿐만 아니라 서브스테이션 시스템 엔지니어들은 결함 복구 시간 기준을 충족해야 한다. IEC 61850에서는 IEC62439-3, Parallel Redundancy Protocol(PRP)(그림 2)과 High-Availability Seamless Redundancy(HSR)(그림 3)를 사용하도록 정하고 있다.

그림 2: PRP(Parallel Redundancy Protocol) 네트워크 개요

그림 3: HSR(High-Availability Seamless Redundancey) 네트워크 개요

FPGA와 SoC를 이용한 스마트 그리드 애플리케이션

스마트 그리드를 “스마트”하게 하기 위해서는 전력망 장비로 신호 프로세싱, 통신 관리 기능, 전용 하드웨어 블록을 포함해야 한다. 이들 기능을 위해서 이들 시스템은 통상적으로 DSP, CPU, FPGA를 이용한다.

FPGA의 성능과 통합 수준이 향상됨에 따라서 많은 스마트 그리드 애플리케이션이 FPGA나 SoC를 이용해서 이들 모든 블록들을 구현함으로써 유연성, 신뢰성, 유지보수, 비용 측면에서 많은 이점을 거두고 있다. 이들 디자인은 또한 이들 디바이스의 10/100/1000 이더넷을 활용할 수 있다.

스마트 그리드 애플리케이션에 이용할 수 있는 FPGA의 한 예로서 Altera와 스마트 그리드 설계 파트너인 Flexibilis에서 개발한 것으로서 HSR, PRP, IEEE1588-2008을 지원하는 4포트 이더넷 스위치 제품을 들 수 있다(그림 4).

이 디자인은 4포트 스위치이고, 8포트로 확장할 수 있다. 이 디바이스 제품은 10/100/1000 이더넷, IEC 62439-3에 따른 PRP/HSR 구현, IEEE1588-2008을 지원하며 외부 메모리를 필요로 하지 않는다. 전송 릴레이 같은 서브스테이션 자동화 장비를 위해서는 Cyclone V SoC로 이 구현과 그 외 기능들을 통합할 수 있다.

그림 4: PRP/HSR 스위치 아키텍처

이 SoC FPGA는 800MHz로 동작하는 듀얼 코어 ARM Cortex-A9 프로세서를 포함하며 임베디드 플래시, RAM, 캐시, GPIO, 그리고 스마트 그리드 시스템에 이용되는 주요 통신 포트들을 제공한다. 이 FPGA 패브릭은 스마트 그리드 개발자들을 위해서 많은 이점을 가능하게 하며 통합, 성능 가속화, 업그레이드 가능성을 제공한다.

신뢰성, 성능, 출시 시간 단축

오늘날 FPGA와 SoC는 스마트 그리드 장비의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 여러 특성들을 갖추고 있다. 높은 통합 수준은 필요한 부품 수를 줄일 수 있도록 하므로 MBTF/FIT 성능을 향상시킬 수 있다. ECC(error correction code) 메모리 기능과 다중 프로세서는 신뢰할 수 있는 동작을 달성할 수 있도록 한다.

또한 어떤 구성에서는 FPGA 패브릭 내에 소형 RISC 코어를 구현할 수 있으며, 또 다른 디자인에서는 단순히 2개 ARM Cortex-A9 프로세서 코어 중 하나의 레벨 1 캐시를 봉쇄해서 진단 용도를 위한 전용 코어로 이용할 수 있다.

이 28nm 저전력 저비용 SoC는 듀얼 코어 ARM Cortex-A9을 이용해서 최대 4,000 MIPS 성능을 제공한다. 각각의 코어에는 배정도 부동소수점 NEON 코프로세서가 딸려있다. 각각의 프로세서가 32KB의 L1 코히어런트 캐시를 포함하며 512KB의 L2 캐시를 공유한다. 실시간 연산 성능을 필요로 하는 애플리케이션은 FPGA 패브릭으로 하드웨어 가속화를 구현할 수 있다.

FPGA는 산업표준 CPU 코어, 최첨단 개발 툴, 규격형 IP를 이용해서 고객들이 출시 시간을 단축할 수 있도록 한다.

유지보수 및 장기적 수명

제품 수명이 장기적인 제품으로 솔루션을 공급할 때는 신뢰성을 달성하도록 하거나 제품 수명이 끝날 때까지 그 솔루션을 공급하도록 하는 것만이 중요한 것이 아니다. 생산 공정 중에 또는 현장에 나간 후에라도 제품을 재구성하고 업그레이드할 수 있도록 하는 것 또한 중요하다.

특히나 오늘날에는 표준 규격들이 계속해서 진화하고 있기 때문이다. FPGA는 단순한 소프트웨어 변경을 넘어서 제품 업데이트가 가능하도록 확장가능성과 재구성가능성을 제공함으로써 바로 그와 같은 요구를 충족할 수 있도록 한다.
알테라 www.altera.com