* 책임저자, 서울과학기술대학교, 철도전문대학원, 철도전기신호공학과, 석사과정 E-mail : chungcu@vitzrosys.com TEL : (02)970-6883 ** 서울과학기술대학교, 철도전문대학원, 철도전기신호공학과, 교수 † 교신저자, 서울과학기술대학교, 전기공학과, 교수
IEC 61850
과
IEC 61970
을 표준으로 하는
전철변전소 종합자동화 모델에 관한 연구
A Study on the Model of A Electric Railway Substation Automation
Based on IEC 61850 and IEC 61970
고중구
*
장우진† 최규형**
Chung-Ku Ko
Woo-Jin Jang
Kyu-Hyoung Choi
ABSTRACT
The substation automation is a system to remote-monitor and control electric power flow. And in line with
electrification of railway, an interest in electric railway substation automation is increasing. IEC standardized IEC
61850, IEC 61968 and IEC 61970 communication protocol for the telecommunication standardization of the electric
power automation industry. The recent SCADA systems in managed electric railway substations are have the
problem about the compatibility with the products which fit to the international standard specification afterward.
In this paper, the model of electric railway substation automation based on IEC 61850 and IEC 61970 is
presented. And the method supporting the compatibility between the equipment is proposed.
1. 서론
전력IT 산업의 통신 표준화에 대한 관심과 노력이 전력산업에서 큰 비중을 차지하면서, 전력계통의 운영이 측정치 기반의 off-line 해석을 통한 운영방법으로부터 측정 데이터와 통신을 함께 이용하여 시 스템의 효율을 높여 직접 운영할 수 있는 환경으로 변화하고 있다. 통신을 이용하는 새로운 환경에 따 라 이미 IEC는 IEC 61850, IEC 61968, IEC 61970을 중심으로 전력자동화 산업의 통신표준화에 주력하 고 있다. IEC 61850은 변전소 자동화용 통합 프로토콜 및 데이터 모델을 다룬 표준화이며, 또한 변전소 가 아닌 다른 계통영역으로 활용 범위를 넓히고 있다. IEC 61970은 EMS의 상위 application들에 대한 연동 및 결합에 대한 interface의 내용을 제시하고 있다.[1] 위의 표준들을 기반으로 한 변전소 종합자동화는 전력의 흐름에 대한 원격 감시와 제어를 수행하는 시스템으로 철도 변전소 종합자동화에 대한 관심이 늘어나고 있다. 현재 철도변전소에서 운영되고 있는 SCADA 감시 시스템은 향후 국제표준규격에 맞춰 개발될 제품들과의 호환성 및 유지보수성에 대한 문 제점이 대두 되고 있다. 본 논문에서는 IEC 61850과 ICE 61970을 표준으로 하는 전철변전소 종합자동화에 대한 표준모델을 설계하고 적합성을 검토하여 설비 간 상호 호환성을 지원하고 기종간의 결함을 해결하기 위한 방안을 제시하였다. 2. SCADA System 구성
이터처리와 시스템관리, 데이터 저장 등을 실행하는 마스터 컴퓨터장치(주컴퓨터장치)와 현장의 다양한 기기로부터 데이터를 취득하여 상위시스템으로 전달하는 통신제어장치(FEP) 그리고 통신제어장치와 마 스터 컴퓨터 장치간 원활한 데이터 교류를 가능하게 하여주는 통신장치부와 운영자에게 사용자 인터페 이스를 제공하는 인간 기계 연락장치(MMI), 전체 현장의 데이터를 한눈에 볼 수 있도록 전력계통을 표 시하는 전력계통반, 현장의 각종 전력기기의 데이터를 처리하여 송신하여 주는 원격소장치(RTU)로 구 분할 수 있다.[2] 일반적인 SCADA 시스템의 구조를 그림 1에 나타내었다.[4] 그림 1. 일반적인 SCADA 시스템 네트워크 구조 기존의 변전소 시스템은 전철급전, 전력설비진단, 전력품질 시스템이 상호 연계 없이 개별로 운영되고 있으며 인터페이스 환경 또한 다수의 프로토콜 규격(DNP, Modbus, User-defined-Protocol 등) 사용의 Protocol 비표준화, 데이터베이스 비표준화로 인하여 시스템 간 호환성 및 확장성에 많은 제약이 발생하 고 있다. 또한 각 전철급전, 전력설비진단, 전력품질 시스템은 그 통신 인프라의 개별투자로 인하여 통 신설비의 비용이 중복되어 과다 책정되어 있고, 운영방식과 종류가 다양한 시스템의 혼재로 인하여 유 지보수가 어렵고, 제품 수명 주기가 제한적이다. 3. IEC 61850과 IEC 61970 3.1 IEC 61850
IEC 61850의 표준화 문서 제목은 Communication networks and systems in substations이다. 변전소 에서 사용되는 통신 네트워크와 시스템에 대한 표준화를 제시하고 있다. IEC 61850에서 기본이 되는 통 신 환경은 그림 1과 같은 Ethernet 기반의 BUS 구조를 지향하고 있다. 이는 기존 전력자동화 분야의 serial 기반 1:1 통신 구조에서 BUS 구조를 통하여 단말간의 다대 다 통신이 가능하도록 하고 있으며, 빠른 속도와 함께 데이터의 안전성과 신뢰성을 높이는 구조이다.[3]
그림 1. Ethernet 기반 BUS 구조
그림 2는ABB에서 제시하는 IEC 61850 기반 변전소 자동화 시스템의 통신 구조를 나타내고 있다. 이 러한 통신 구조를 통해서 IEC 61850 기반 변전소 자동화 시스템은 station level, bay level, process level의 3개 구조를 이루고 있다. Station level은 시스템의 중앙 서버 역할을 하는 부분이고, bay level은 변전소에 있는 보호기기들의 부분이고, process level은 계측 설비들의 부분이다. 이 구조는 변전소내 설 비들의 설치 구조가 아니라 통신만을 고려한 통신 계층 구조를 나타내고 있다.[3] 그림 2. IEC 61850 기반 변전소 자동화 시스템의 구조 IEC 61850에서 사용하는 통신 방식들은 변전소 환경에 적합한 통신 방식 및 데이터 모델링 등을 통 합하여 변전소라는 근거리의 한정된 제약적인 구조를 대상으로 통신에 대한 신뢰성이 확보된 가정 하에 사용되는 통신 프로토콜과 데이터 모델을 표준화한 것이다.
IEC 61850에서 사용하는 통신 방식은 MMS, GOOSE, Sampled Value로 특징은 다음과 같다.[3]
3.1.1 MMS
MMS는 IEC 61850에서 대부분의 service를 제공해주는 통신방식이다. 이 방법은 IP 기반으로 TCP/IP stack을 따르고 있다. 데이터의 안전성과 신뢰성을 확보하는 방식으로 OSI 7 layer 중 4개의 layer들 (Transport, Network, Link, Physical)을 통한 일반적인 통신 방식이다. 데이터의 전송 후 확인 과정까지 거치기 때문에 2개의 layer만 거치는 GOOSE 보다 속도가 느리다. 따라서 IEC 61850에서 MMS는 일반 적인 정보 수집, 파일 전송 및 평상시 제어 명령에 주로 사용하고 있다.
3.1.2 GOOSE
GOOSE는 IEC 61850에서 event 처리나 trip 명령과 같은 빠른 데이터 전송이 필요할 때 사용하는 통 신 방식이다. MMS와는 달리 빠른 속도를 위해 TCP/IP의 OSI 7 layer에서 2계층(Link, Physical)만 이 용하여 빠른 속도로 전달되지만 데이터의 유실 가능성도 존재하는 통신 방식이다. 하지만 데이터 유실 에 대비하여 한번만 보내는 것이 아니라 여러 번 message를 보내고 있으며 상황에 따라 개발자가 acknowledgement를 구현하기도 한다. IEC 61850 기반의 변전소 자동화 시스템에서는 공간 제약적인 통신 환경을 갖추고 있기 때문에 활용 이 가능한 방식으로도 볼 수 있으며, 각 IEC 61850 기반의 디지털 변전소 환경에 따라 요구 속도를 아 양한 기준으로 정하고 있다. 3.1.3 Sampled Value
Sampled Value는 IEC 61850에서 CT나 PT가 설치되어있는 계측 지점의 Merging Unit(M.U.)을 통하 여 데이터를 IED로 전송할 때 사용하는 통신 방식이다. Process level에서 M.U.를 통해 계측한 값들은 Bay level의 IED에 전송되는데, 이 과정에서 real-time의 특징을 가지기 위해 60[Hz] 16샘플링 기준 으 로 960개/초의 데이터가 전달되어야 한다.
3.2 IEC 61970
IEC 61970의 목적은 감시 및 제어 application들의 통합이라고 할 수 있다. 관련 application들 간에 사 용되는 데이터 구조의 통일뿐만 아니라 interface에 대한 표준화이다. 이를 통해서 각 application에서 통 신으로 송수신하는 규칙의 중복 및 남용을 피하기 위하여 CIS(Component Interface Specification)를 통 해 서로 통일성 있는 통신 방식으로 처리하는 형태이다. 따라서 IEC 61970에 대한 전력분야에서의 장점 은 전력시스템 운용을 위한 여러 시스템들 간 연동이 가능하도록 각각의 시스템 간 데이터 모델을 표준 화하여 interface 표준을 제시한 것이라고 볼 수 있다.
그림 3. EMS-API component standard interface를 이용한 IEC61970의 EMS
그림 3은 IEC 61970의 적용을 통해 지금과 같이 일관성 없는 연결과 혼재된 데이터 교환 방식에서 data BUS와 표준 API를 이용한 통합을 이루어 개발 application들의 시스템 성능을 향상시키려는 표준 화의 기본적인 의도를 표한한 것이다.[1]
Component Execution System이라는 data BUS의 형태를 가지고 각 component라고 이름을 붙인 여 러 application들이 CIS를 통해 데이터를 공유하는 형태를 가지고 있다. IEC 61970은 EMS 관점에서의 여러 component들과의 data 연계를 위한 것이기도 하지만, 최상위 시스템 관점에서 다른 시스템들과의 연계를 위한 데이터 모델 및 interface 방안이라고 볼 수도 있다. 즉, IEC 61970은 최상위 시스템 관점에 서의 interface를 제시한 것이다. 4. 전철변전소 종합자동화 모델 본 논문에서 제안하는 IEC 61850과 61970을 표준으로 하는 전철변전소 종합자동화 모델을 그림 4에 나타내었다. 그림 4. IEC 61850, 61970을 표준으로 하는 전철변전소 종합자동화 모델 변전소 종합자동화 시스템에서 개별 현장의 근거리 제약 구조에 적합한 IEC 61850을 변전소, 급전구 분소, 보조급전구분소 단위로 표준화하여 통신망을 구축한다.
IEC 61850의 3가지 level 중 process level에 PT/CT와 DS/CB 등 계측설비 및 차단 스위치들이 위치 하며, IEC 61850의 통신방식 중 GOOSE 통신 방식을 적용한다. GOOSE는 event 처리와 같은 가장 빠 른 속도를 요구할 때 사용하는 통신 방식이다. 속도가 빠른 장점이 있지만 데이터 전송여부를 판단하는 layer를 포함하지 않아 데이터가 유실될 가능성도 존재한다. 따라서 본 연구에서 제안하는 전철변전소 종합자동화 모델에서 GOOSE는 중앙과 단말간의 통신이 아닌 단말기기가 차단기 또는 switch를 동작시 키는 부분에 적용하였다.
IEC 61850의 level 중 bay level에 보호기기가, Station level에 CU와 같은 중앙서버가 위치하게 되며, 통신 방식은 MMS 방식을 적용한다. MMS는 빠른 시간을 요하지 않으며 정확하고 안정된 정보 전달이 목적인 부분에서 활용하는 것이 좋다. 따라서 변전소 단위 모델에서 계측된 데이터를 중앙으로 전송해 주는 기능에 이 통신 방식이 적용되어야 한다. 또한 중앙에서 단말로 명령을 내릴 때 일부 명령의 순서 가 바뀌거나 전송되지 않은 경우를 대비하기 위하여 명령 전송의 시간보다 정확성이 더 요구된다고 할 수 있다. 따라서 이러한 부분도 마찬가지로 MMS를 사용해서 보다 안정적으로 데이터를 전송 할 수 있 다. MMS는 변전소 단위 모델에서 대부분의 통신에 활용될 것이다.
IEC 61970은 최상위 시스템 관점에서 data BUS 및 CIS를 통한 interface를 제시한 것이다. 변전소, 급전구분소, 보조급전구분소 단위의 데이터는 실시간으로 전송되어지는 CB/DS, PT/CT 상태나 제어위 주의 전철급전데이터와 유지보수를 목적으로 하는 전력설비진단, 전력품감시의 데이터를 통합하여 구성 된 모델들 즉 CU와 같은 중앙서버를 각각의 component라고 한다면, IEC 61970은 각 component들을 종 합하여 중앙과 통신을 수행하는 역할에 표준으로 적용된다. 5. 결론 현재 철도변전소에서 운영되고 있는 SCADA 감시 시스템은 향후 국제표준규격에 맞춰 개발될 제품들 과의 호환성 및 유지보수성에 대한 문제점이 있다. 따라서 본 논문에서는 IEC 61850과 ICE 61970을 표 준으로 하는 전철변전소 종합자동화에 대한 표준모델을 설계하고 적합성을 검토하여 설비 간 상호 호환 성을 지원하고 기종간의 결함을 해결하기 위한 방안을 제시하였다. 변전소 종합자동화 시스템에서 개별 현장의 근거리 제약 구조에 적합한 IEC 61850을 변전소, 급전구 분소, 보조급전구분소 단위로 표준화하여 통신망을 구축하였고, 철도 전철변전소 관할 구역의 종합자동 화를 구축하기 위한 최상위 시스템 관점에서의 interface를 제시한 IEC 61970을 표준으로 하여 각 component들이 중앙과 통신하도록 구성하였다. 향후 IEC 61850, 61970 표준화와 변전소의 통신망 시스템에 적용될 기존의 많은 설비들이 표준에 적 합한 형태로 개발하는 연구가 필요하다. 참고문헌 1. 김태완, “IEC 61968과 61970 기반의 배전운영 시스템 제안”, 대한전기학회논문집, 제60권, 제2호, pp.231-238, 2011. 2. 변재영 외 2명, “전기철도 전력 원방 감시제어 시스템 최적 구성방안 연구”, 한국철도학회 추계학술대 회 논문집, pp.38-44, 2005 3. 김태완 외 4명, “배전자동화 시스템에 IEC 61850 적용 방안”, 대한전기학회논문지, 제60권, 제4호, pp.687-693, 2011 4. 김영진 외 2명, “SCADA 시스템의 안전성 확보방안에 관한 연구”, 한국정보보호학회논문지, 제19권, 제6호, pp.145-152, 2009
