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FPGA를 이용한 스마트 그리드 장비 디자인 향상

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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 아키텍처는 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.

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. 이표준은 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)과 High-Availability Seamless Redundancy(HSR)를 사용하도록 정하고 있다.

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.

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.

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. ©

www.altera.com

아이씨엔 매거진 2013년 04월호

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힐셔, 산업용사물인터넷 지원 netIOT 활용방안 제시

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힐셔 netIOT

산업용 통신 솔루션 선두업체인 힐셔(Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH)는 11월 2일(금), 인터컨티넨탈 서울 코엑스에서 기자 간담회를 개최하여 힐셔의 혁신적인 netIOT 전략 및 netIOT 인터페이스의 다양한 솔루션을 활용한 IoT 기술 활성화 방안에 대해 소개하는 자리를 가졌다.

힐셔 netIOT

netIOT

힐셔 프로덕트 매니저인 크리스토프 훙어(Christof Hunger)는 “IoT 시장이 성장함에 따라 설비 제조업체들은 필드 디바이스의 정보를 기반으로 예방적 유지보수, 상태 모니터링과 같은 새로운 클라우드 기반의 부가가치 서비스를 구현하고자 한다”며 “힐셔는 디바이스 제조업체들이 힐셔의 netIOT 인터페이스 솔루션을 이용해서 산업용 이더넷, 트랜스페어런트 이더넷(Transparent Ethernet)과 함께 OPC UA 서버 및 MQTT 클라이언트 기능을 쉽게 추가할 수 있도록 더욱 집중하였고, 힐셔 솔루션을 통해 고객들이 스마트 팩토리를 구축하는데 도움이 되길 바란다.” 라고 말했다.

인더스트리 4.0과 IIoT는 4차 산업혁명으로 센서에서 클라우드까지 지속적인 통신을 요구한다. 힐셔는 이를 산업용 클라우드 통신이라 칭하고 고객들이 Industry 4.0, 스마트팩토리 및 IoT를 구현하도록 돕기 위해서 힐셔 netIOT 제품군이라는 솔루션을 구축하고, 지속적으로 프로모션을 진행하고 있다. netIOT는 netIOT 서비스(Service), netIOT 엣지(Edge), netIOT 인터페이스(Interface)와 같이 총 3개의 영역으로 구분된다. 특히 netIOT 인터페이스는 IoT 기능을 갖는 netX기반의 통신제품으로 netIC IOT와 같은 모듈형 제품을 생산 및 공급하고 있다.

힐셔 넷프록시

netPROXY

 

netIC IOT는 필드 디바이스용 지능형 멀티 프로토콜 모듈로 하나의 하드웨어만으로 모든 Real-Time Ethernet 슬레이브 프로토콜을 지원한다. OEM 고객들은 엔지니어링 툴을 이용하여 고객 어플리케이션 소프트웨어에서 한번만 개발하면 되는 고객 디바이스용 프로토콜 독립형 객체 모델을 생성한다. 네트워크 프로토콜 변경은 툴 내에서 ‘Build Process’를 통해 전적으로 진행되기 때문에 어플리케이션에 필요한 네트워크 별 조정이 없으며 OEM은 정확히 하나의 하드웨어와 소프트웨어 설계로 진정한 멀티 프로토콜 디바이스를 구현할 수 있다.

힐셔코리아 원일민 지사장은 “스마트 팩토리의 구축에 있어 가장 중요한 포인트는 IT영역과 OT영역의 연결에 있다”고 언급하며, “힐셔는 netIOT를 통해 시스템 설치시 발생할 수 있는 리스크를 최소화시킬 수 있게 하고자 한다. 기존OT영역의 사용자들이 IT영역으로 데이터를 전송하거나 클라우드에 연결함에 있어서 사용자의 실수나 의도치 않은 수고를 덜어줄 수 있는 제품과 서비스를 지원하고 있어 시스템 설계나 설치시 발생할 수 있는 오류나 리스크를 최소화 시켜준다”고 덧붙혔다.

힐셔 netIOT 제품에 대한 자세한 설명은 홈페이지 https://www.hilscher.com/products/product-groups/industrial-internet-industry-40/ 에서 확인할 수 있다.

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[포토] PTC, 3D CAD에 증강현실 접목해 디지털 트윈 현실화

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'2018 코리아 CAD 서밋'에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다.

'2018 코리아 CAD 서밋'에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다.

(사진. PTC 코리아)


PTC코리아가 10월 18일 개최한 ‘2018 코리아 CAD 서밋’에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다. PTC의 3D CAD 소프트웨어 크레오(Creo®) 5.0은 디지털 트윈 솔루션을 현실화한 세계 최초이자 유일한 기술로 제품의 면면에 증강현실을 적용하여 물리적 세계와 디지털 세계를 연결한다. (사진. PTC 코리아)

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2016 스마트테크쇼, 6월 8~10일 코엑스서 개최

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인공지능 시대를 전망하고 사람을 위한 스마트 기술을 소개하는 ‘2016 스마트테크쇼(Smart Tech Show 2016)’가 6월 8일부터 10일까지 코엑스에서 개최된다. 

본 행사는 ‘Smart Tech for Human’라는 슬로건 아래, ▲드론/로봇 ▲가상/증강현실 ▲에듀테크 ▲스마트 모빌리티 ▲리테일테크 ▲3D프린팅 등 주요 이슈를 선정하여 국내 대표 스마트 기술 컨퍼런스 및 전시회를 개최하며, 관련 산업 간의 시너지를 창출할 수 있는 비즈니스의 장을 마련한다. KT, LG전자, ADT 시큐리티, 프로차일드, 한국과학기술원, 경북대학교 산학협력단 등 각 분야별 주요 기업·기관 125개사 400부스 규모로 이루어질 예정이다. 

유통과 IT산업의 융합을 위한 자리로 스마트 기기 체험과 첨단 리테일 솔루션을 접목한 리테일&테크 특별관이 구성되어 IT/유통산업 관계자를 대상으로 앞으로의 IT 리테일샵이 나아갈 방향을 제시한다. 더불어 한국마이크로소프트와 SGA임베디드 주최로 ‘스마트 리테일에 최적화된 MS IoT 솔루션 세미나’를 개최하여 리테일에 스마트한 혁신을 가져올 솔루션을 소개하는 자리를 마련한다. 

◇인공지능 시대, 일자리 전망 콘퍼런스 개최 

본 전시회와 더불어 ‘인공지능 시대의 일자리 창출과 직업능력 개발’을 주제로 분야별 전문가를 초빙하는 전문 콘퍼런스가 6월 8일과 9일 이틀간 열린다. 

첫째 날은 IBM 김연주 상무와 국내 대표 뇌공학자인 카이스트 정재승 교수의 기조강연과 핀란드 미래학자 마르쿠 윌레니우스(Markku wilenius) 교수의 특별강연을 시작으로 스마트기술의 산업과 일자리에 대해 블록체인OS 박창기 대표와 한국직업능력개발원 김영생 박사의 강연이 이어질 예정이다. 

둘째 날은 ‘새로운 일자리 창출 엔진으로서의 VR 그리고 교육훈련 플랫폼으로서의 가능성’에 대한 한국VR산업협회 현대원 회장의 발표와 ‘에듀테크가 가져올 교육의 혁명적 변화를 주제’로 휴넷 조영탁 대표의 기조연설 후에 스타트업 케이스 스터디를 통해 스마트시대에서 일하기 위한 우리의 성공 전략을 짚어볼 예정이다. 

◇드론에 스마트 기술의 미래를 담다 

드론 관련 신기술 촉진과 국내 드론산업 활성화를 목적으로 6월 대규모 드론 이벤트가 열린다. 드론톤은 우수한 엔지니어와 창의적인 메이커들이 드론 관련 기술을 뽐내는 자리로, 4인 1조로 팀을 꾸려 드론을 직접 제작하고 완성된 기체로 드론 게임을 진행하여 완성도와 비행능력을 종합하여 우승자를 가리게 된다. 

드론 조작에 능숙한 유저라면 도전해 볼 만한 대회도 있다. 다양한 장애물 통과 미션을 통해 드론 실력자를 가리는 ‘드론챌린지’가 9일 개최된다. 우승자에게는 최신 스마트 모빌리티가 수여되며, 참가를 원하는 이는 한국FPV협회 홈페이지를 통해 신청 가능하다. 

그밖에 스마트카, O2O, 핀테크 등 분야별로 이루어지는 테크니컬 세미나와 국내 대표 엑셀러레이터간 의 공동 데모데이를 통해 참가기업과 바이어 간의 비즈니스 기회를 마련한다. 

본 행사는 홈페이지에서 온라인 사전등록 시 무료로 관람할 수 있다.

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