전력선 통신

3. 종류

전력선 통신(PLC)은 사용하는 주파수 대역과 설치 장소에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.
주파수 대역에 따른 분류

• 저속 PLC (Narrowband PLC): 450kHz 이하의 주파수를 사용하며, 최대 전송 속도는 수 kbps에서 128kbps이다.^[31] 1987년에 일본에서 법 제도가 정비되었다.
• 고속 PLC (Broadband PLC): 2MHz에서 30MHz 사이의 주파수를 사용한다. 2001년부터 일본 총무성에서 광대역 인터넷 접속의 일환으로 연구회를 개최하여 옥외 PLC 실용화를 검토했다.^[32] 2006년에는 실내 사용이, 2013년에는 옥외 사용(실내 전기 배선과 직접 연결된 경우)이 제도화되었다.

• '''실내 PLC''': 가정 자동화와 같은 근거리 통신망(LAN) 및 협대역 실내 응용 분야에 사용된다. 가정 내 전력 배선을 이용하여 데이터를 전송한다.
• '''실외 PLC''': 저주파 PLC (원격 측정 및 전력망 제어용)와 BPL (전력망을 통한 인터넷 전송)과 같이 주 전력선 전송에 적용된다. 높은 전압을 처리할 수 있는 견고한 장비가 필요하다.

• 리플 제어: 교류(AC) 전력선에 가청 주파수 톤(100~2400Hz)을 추가하여 고객 장비를 제어한다.
• 전력선 반송파 통신(PLCC): 변전소 간의 통신, 원격 보호 및 원격 모니터링에 사용되며, 진폭 변조 방식을 사용한다.^[3]
• 배전선 캐리어(DLC) 시스템: 9kHz ~ 500 kHz의 주파수 대역을 사용하며, 최대 데이터 전송 속도는 576 kbit/s이다.^[15]
• 직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM): 무선 주파수 간섭을 일으키지 않고 더 빠른 비트 전송률로 데이터를 전송하는 현대적인 방식이다.
• 횡단 모드 표면파 전파 방식: 단일 도체만 필요로 하며, 마이크로파 주파수까지 사용하여 훨씬 더 높은 정보 전송 속도를 제공한다. E-Line으로 판매된다.

4. 기술 방식

전력선 통신(PLC)은 전력을 공급하는 전력선을 이용하여 음성이나 데이터를 고주파 신호에 실어 통신하는 기술이다. 기존 PLC 기술(콘덴서 접촉식)은 전력선만으로 전송 데이터의 고주파를 전력선 전압과 정합(Matching)할 수 없다는 문제점이 있었다. 고주파 데이터 신호가 공중으로 방사되어 손실되거나, 지하 전력선에서는 습도와 밀폐된 공간으로 인해 신호 왜곡이 심해져 전송률이 낮아지는 현상이 발생했다.^[3]

1997년부터 언론을 통해 전력선 통신이 널리 상용화된 것처럼 알려졌으나, 실제로는 여러 가지 이유로 제한적인 범위에서만 사용되었다. 예를 들어, 홈 네트워킹 분야에서는 삼성전자가 전력선 통신 제품을 출시하여 미국 시장에서 판매했지만, 경제성 문제로 2004년에 생산을 중단했다. 수용가구에서 주상 변압기까지의 데이터 전송에는 스펙트럼 확산 방식이 사용되기도 했지만, 실제 전력선은 잡음이 많아 통신 품질이 좋지 않았다. 또한, 디지털 적산 전력계 기업인 옴니 시스템은 신축 건물에 별도의 배선을 설치하여 원격 검침을 하고 있으며, 이는 전력선 통신만으로는 안정적인 검침이 어렵다는 것을 보여준다.

전력선 통신의 문제점으로는 다음과 같은 것들이 있다.

• 각 수용가구에 연결된 다양한 전기 기기(백열전등, 전열기, 변압기, 형광등, 냉장고 등)로 인해 전력선의 임피던스가 낮아져 데이터 손실이 발생한다.
• 전자레인지, 삼파장 램프, 진공청소기 등에서 발생하는 잡음이 전력선을 통해 흘러 통신을 방해한다.
• 전력선 통신을 위해서는 각 수용가구마다 대용량 정전 변압기를 설치해야 하는데, 이는 경제성이 떨어진다.

4. 1. 변조 방식

• 직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM 방식)
• 스펙트럼 확산 변조 방식(SS 방식)
• 펄스 위치 변조 (PPM)
• 이진 위상 편이 변조 (BPSK)

4. 2. 네트워크 구성

4. 3. 통신 규격

5. 전력선 통신의 이용

전력선 통신(PLC)은 다양한 분야에서 활용되지만, 여러 가지 이유로 널리 상용화되지는 못했다. 1997년부터 언론을 통해 원격 검침 및 인터넷이 가능한 기술로 알려졌으나, 실제 상용화는 경제적 타당성 부족, 기술적 문제, 낮은 검침 확률 등의 이유로 제한적이었다.^[3]

기존 전력선 통신 방식은 홈 네트워킹 분야에서 일부 상용화되었으나, 삼성전자는 경제성 및 수익률 저하로 2004년부터 전력선 모뎀 생산을 중단했다. 주상 변압기까지의 데이터 전송은 홈 네트워킹과는 개념적으로 큰 차이가 있다. Spread Spectrum 방식이 마치 상용 가능한 것처럼 인식되기도 했지만, 실제 전력선의 주파수 스펙트럼은 잡음이 많아 통신 선로로 사용하기에는 어려움이 있었다. 새로운 변조 방식(OFDM) 도입에 대한 기대가 컸지만, 현실적인 제약이 많았다.

디지털 적산 전력계 기업인 옴니 시스템은 신축 건물에 별도의 배선을 통해 원격 검침을 하고 있으며, 이는 기존 전력선만으로는 검침이 어렵다는 것을 보여준다. 전력선 통신을 이용한 원격 검침 시스템은 일부 시공 사례가 있지만, 높은 시공비, 선로 분기점 문제, 중계기 설치 등 여러 요소가 필요하여 범용적인 상용화에는 어려움이 있었다. 가로등 점멸의 경우 80% 이상의 성공률을 보였으나, 이 역시 현실적인 상용화로 이어지지는 못했다. 가전 홈 네트워크는 상용화되었지만, 주상 변압기까지의 데이터 전송은 여전히 어려운 과제였다.

전송 출력을 높여 통신 신뢰성을 높이려는 시도는 전력선에 연결된 다양한 부하(저항, 코일, 콘덴서 등)로 인해 데이터 손실이 발생하여 효과적이지 않았다. 이는 마치 자동차의 사이드 브레이크를 걸고 엔진 출력을 높이는 것과 같았다. 수용 가구의 부하 상태에서 측정한 직류 저항 값은 매우 낮아, 전력선은 단순한 안테나 연장선에 불과했다. 통신 불가능 시 대기 후 통신하는 방식은 전자레인지, 삼파장 램프 등에서 발생하는 잡음으로 인해 통신 신뢰도를 오히려 떨어뜨렸다.

언론 매체의 성공 보도와는 달리, 전력선 통신을 통해 경제적 실익을 얻을 수 있게 상용화된 곳은 없었다. 실험실 내에서의 성공과 달리, 실제 환경에서는 선로 굴절, 신호 손실, 매칭 환경의 열악함 등으로 인해 범용적인 상용화가 불가능했다. 전력선 통신을 위해서는 각 수용 가구마다 대용량 정전 변압기를 설치해야 하는데, 이는 전력 손실률 및 단가 측면에서 경제성이 없었다. 정합(Matching) 불가능 문제는 기술적 진보로 극복하기 어려운 근본적인 문제였다.

최근에는 유도 전류를 이용한 전력선 통신 방법(미국 특허 US9106318, 대한민국 특허 10-1599107)이 제안되어 기존 문제점을 해결하고 상용화에 기여할 것으로 평가받고 있다.

전력선 통신 시스템은 변조된 반송파 신호를 배선 시스템에 추가하는 방식으로 작동하며, 다양한 유형의 전력선 통신은 서로 다른 주파수 대역을 사용한다. 전력 분배 시스템은 원래 50 또는 60 Hz의 주파수에서 교류 전력을 전송하도록 설계되었기 때문에, 전력선 회로는 더 높은 주파수를 전달하는 능력이 제한적이다.

전력선 통신의 주파수를 결정하는 주요 문제는 무선 서비스와의 간섭을 제한하는 법규이다. 많은 국가에서 무선 송신기와 유사하게 규제하며, 비면허 사용은 500 kHz 미만 또는 비면허 무선 대역 내로 제한된다.

데이터 전송 속도 및 거리 제한은 전력선 통신 표준에 따라 다양하다. 저주파수(약 100–200 kHz) 반송파는 장거리 통신에 사용될 수 있지만, 데이터 속도는 낮다. 고속 통신은 짧은 거리에서만 가능하다.

리플 제어는 교류 전력선에 가청 주파수 톤(100~2400 Hz)을 추가하는 방식으로, 고객 장비를 제어하고 전력망 운영을 효율화하는 데 사용된다. 유틸리티 회사는 특수 커플링 커패시터를 사용하여 무선 송수신기를 AC 전력 전달 도체에 연결하며, 전력량계는 소형 변압기를 사용한다.

전력선 반송파 통신(PLCC)은 주로 변전소 간 통신, 원격 보호 및 원격 모니터링에 사용되며, 진폭 변조 방식을 사용한다. 파형 트랩은 고주파 반송파를 차단하고 전력 주파수 전류를 통과시켜 전력망을 구획화하고 고장을 방지한다.

PLC는 자동 검침, 스마트 그리드 시스템, 협대역 전력선 통신 등 다양한 분야에서 활용된다. 오픈 스마트 그리드 프로토콜(OSGP)은 스마트 계량을 위한 협대역 PLC 기술 중 하나이며, 전 세계적으로 5백만 개 이상의 스마트 미터에 설치되어 운영되고 있다.

광대역 전력선 통신은 직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM)을 사용하여 고속 데이터 전송을 가능하게 한다. PRIME 연합, G3-PLC 연합 등 여러 단체에서 관련 기술 개발 및 표준화를 추진하고 있다.

PLC는 전력선을 통해 라디오 프로그램을 전송하는 데에도 사용될 수 있다.

5. 1. 광대역 인터넷 접속 (Access BPL)

5. 2. 실내 전력선 통신

6. 역사

Power Line Communications^영어 (PLC)는 전력선을 통신 회선으로도 이용하는 기술이다. 450kHz 이하의 주파수를 사용하는 것을 "저속 PLC(Narrowband PLC)", 2 - 30MHz를 사용하는 것을 "고속 PLC(Broadband PLC)"라고 부른다.

• 1987년: 일본에서 10kHz에서 450kHz까지의 주파수를 사용한 저속 PLC 법 제도가 정비되었으며, 최대 전송 속도는 수 kbps - 128kbps이다.^[31]
• 2001년: 일본에서 광대역 인터넷 접속의 일환으로 총무성이 광대역 전력선 반송 통신에 관한 최초의 연구회를 개최하였다. 주로 전봇대에서 건물로의 라스트 마일 해소를 위해, 전력 회사의 가공 전력선을 활용하는 옥외 PLC의 실용화를 검토했다.
• 2004년 1월: 고속 전력선 반송 통신 설비에 관한 실험 제도가 도입^[33]되어, 고속 PLC의 연구 개발 및 기존의 통신·방송과의 공존 연구 개발이 지속되었다.
• 2006년 10월: 일본에서 실내에 한해 2MHz에서 30MHz의 주파수 사용을 허용하는 성령 개정을 통해, 대응 제품이 유통되었다.
• 2013년: 일본에서 옥외 이용(실내 전기 배선과 직접 전기적으로 연결된 옥외 전력선에 한함)이 제도화되어, 주택 내의 홈 네트워크 용도에서, 빌딩·공장의 전력선을 활용한 기기 제어 및 감시 용도로 확산되고 있다.

7. 대한민국 현황 및 과제

대한민국에서 전력선 통신(PLC)은 1997년부터 언론을 통해 원격 검침 및 인터넷 서비스로 상용화될 것처럼 알려졌으나, 실제로는 여러 문제점들로 인해 극히 제한적으로만 사용되고 있다.^[7]
기술적 문제

• 전력선 환경의 한계: 전력선은 원래 통신용으로 설계된 것이 아니기 때문에 통신 품질과 안정성을 확보하기 어렵다.
• 잡음 및 임피던스 불일치: 전력선은 잡음이 많고, 연결된 기기들에 의해 임피던스가 달라져 데이터 손실이 발생한다.
• 통신 신뢰도 문제: 전송 출력을 높여도 전력선에 연결된 다양한 가전제품(백열등, 변압기, 냉장고 등) 때문에 신뢰도를 높이기 어렵다. 이는 마치 자동차의 사이드 브레이크를 걸고 엔진 출력을 높이는 것과 같다.^[8]
• 통신 불가 상황: 전자레인지, 삼파장 램프, 청소기 등 특정 가전제품 사용 시 발생하는 잡음은 전력선 통신을 방해한다.
• 주파수 간섭: 사용하는 주파수가 단파 라디오, 아마추어 무선 등과 겹쳐 혼선을 일으킬 수 있다.

• 제한적 상용화: 기술적 문제와 경제성 부족으로 인해 상용화는 매우 제한적이다.
• 홈 네트워킹의 한계: 삼성전자가 미국 시장에 전력선 통신 기반 홈 네트워킹 제품을 출시했지만, 경제성 문제로 생산을 중단했다.^[9]
• 과장된 기대: 새로운 변조 방식(OFDM) 도입에 대한 기대가 과도하게 확대된 측면이 있다.

• 새로운 통신 방식: 유도 전류를 이용한 전력선 통신 방법(미국 특허 US9106318, 대한민국 특허 10-1599107)이 제안되어 기존 문제점들을 해결할 가능성이 제시되고 있다.^[15]

7. 1. 현황

7. 2. 과제

• 기술적 문제
• 기존 전력선 환경의 한계: 전력선은 고주파 통신을 고려하지 않고 설계되어 통신 품질 및 안정성 확보가 어렵다.
• 통신 선로 부적합: 전력선은 잡음이 많고 임피던스 불일치로 데이터 손실이 발생한다.
• 통신 신뢰도 향상 난제: 전송 출력을 높여도 전력선에 연결된 다양한 전기 기기(저항, 코일, 콘덴서 소자 등) 때문에 신뢰도 향상이 어렵다.
• 통신 불가 상황: 전자레인지, 삼파장 램프, 진공청소기 등 가전제품 사용 시 발생하는 잡음이 통신을 방해한다.
• 주파수 대역 문제: 사용 주파수가 단파 대역 전파와 겹쳐 단파 라디오, 아마추어 무선, 비상 통신 등에 혼신을 일으키고 전파 천문학에 영향을 준다.
• 통신 속도 저하: 전력선에 연결된 다양한 가전 기기 작동에 따라 속도가 저하될 수 있다.
• 다른 규격 PLC 사용, 교류 배선 위상 측 연결, 노이즈 필터 부착 테이블 탭에 모뎀 접속, 노이즈 발생 기기(드라이어, 조광 기능 조명, 냉장고, 청소기, 전자레인지 등) 사용, 임피던스가 낮아 PLC 신호를 흡수하는 기기(휴대 전화 충전기 등) 사용 등이 원인이다.
• 정밀 기기·의료 기기 오작동 우려: 특히 의료 기기에 악영향을 줄 위험이 있어 후생노동성이 안전성 통지를 냈다.^[54]

• 상용화의 어려움
• 제한적 상용화: 기술적 문제, 경제성 부족 등으로 극히 제한적으로만 상용화되었다.
• 홈 네트워킹 분야 한계: 전력선 모뎀 생산 중단 사례처럼 경제적 채산성 및 수익률 저하 문제가 있다.
• 과장된 기대: 새로운 변조 방식(OFDM) 도입에 따른 기대가 과대하게 확대되었다.

• 법적, 제도적 문제
• 누설 전자기파 문제: 전력선에서 발생하는 누설 전자기파가 단파 방송, 아마추어 무선, 비상 통신 등에 혼신을 일으킬 수 있다.
• 전파 천문 관측 방해: 일본 천문학회는 전력선 통신이 전파 천문 관측에 미치는 영향에 우려를 표명했다.^[50]
• 다른 통신 기기 간섭: VDSL 등 다른 통신 기기와 상호 간섭이 발생할 수 있다.
• 행정 소송: PLC 기기 형식 지정 처분 취소 소송 등이 제기되었으나, 법원은 소송을 부적법하다고 판단했다.
• 인가 취소: 일부 PLC 기기 형식 지정이 취소되었으나, 이유는 공표되지 않았다.
• 사용 정지 명령 가능성: PLC 기기가 다른 무선 설비에 지속적이고 중대한 방해를 일으키면 사용 정지 명령이 내려질 수 있다.^[60]

• 소비자 관련 문제
• PLC 기기 사용 제한: 법령에 따라 특정 장소 및 조건으로 사용이 제한된다.
• 다른 가전제품 영향: PLC는 다른 가전제품에 영향을 주거나 받을 수 있다.
• 통신 속도 저하 요인: 가전제품에서 발생하는 전기 노이즈는 PLC 통신 속도를 저하시킨다.
• PLC 간 상호 간섭: 집합 주택 등에서 PLC 기기 간 상호 간섭으로 통신 속도가 저하될 수 있다.

• 해결 노력
• 새로운 통신 방식: 유도 전류를 이용한 전력선 통신 방법(미국 특허 US9106318, 대한민국 특허 10-1599107)이 제안되어 문제 해결 가능성이 제시되고 있다.^[15]

8. 국제 현황

미국에서는 연방 통신 위원회(FCC) 규정 part 15에 따라 Access BPL 및 In House BPL의 허용값 등이 정해져 있다.^[65]

• In House BPL:
• 비통신 시에는 멀티미디어 기기의 기술 기준인 CISPR 32를 준수한다.
• 통신 시에는 실제 주택 3채를 사용하여 주택 벽에서 주변 30m 지점에서 PLC로 인한 누설 전계 강도가 30μV/m 이하인지 평가하는 In-situ testing을 실시한다.
• Access BPL:
• FCC Part 15 Subpart G에서 허용값 등의 자세한 내용이 규정되어 있다.
• 통신 시에는 실제 가공선 3곳을 사용하여 가공선에서 실제 거리 30m 지점에서 PLC로 인한 누설 전계 강도가 30μV/m 이하인지 평가하는 In-situ testing을 실시한다.
• Subpart G에서 다음과 같은 운용 조건 등이 규정되어 있다.
• 비의도적 방사기로서의 기기 인증 필요
• 원격 제어 가능한 동적 노치 삽입 및 셧다운 기능
• 공적 데이터베이스에 등록
• 지정된 주파수 및 지역에서 특별히 지정된 주파수에 고정 노치 삽입 등

• 사용 대역에서 일률적인 허용값을 적용하는 것이 아니라 주변 환경 변화에 맞춰 동적으로 통신 신호를 변화시켜 공존을 꾀하는 기술
• 아마추어 무선 대역이나 항공 무선 대역에 고정 노치를 삽입하거나, 단파 방송 대역에는 고정 노치를 삽입하거나, 전력선에 실린 단파 방송 신호를 감지하여 방송 신호가 확인된 경우 해당 주파수 대역에 노치를 삽입하는 동적 노치 제어 기술

• 인터넷 액세스 서비스, 스마트 미터링 서비스, 에너지 관리 서비스 등과 같은 통신 서비스를 사용자에게 제공하기 위해 사용되는 Access BPL에 적용된다.
• 서비스 사업자에 의한 간섭이 없음을 현장에서 확인해야 한다. 이는 ex-post model이라고 불린다.
• 각국 당국은 통신 자유 경쟁 촉진을 위해 전력 회사에 부적절한 규제가 있다면 제거해야 한다.
• 본 서비스는 인가제가 권장되지 않는다.
• 간섭 문제가 당사자 간에 해결되지 않는 경우, 각국 당국은 공정하게 처리한다.

참조

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