[논문]IEC 61850 기반 병합단위장치의 시간 동기화를 위한 IRIG-B 프로토콜 구현에 관한 연구

김관수; 이홍희; 김병진

[국내논문] IEC 61850 기반 병합단위장치의 시간 동기화를 위한 IRIG-B 프로토콜 구현에 관한 연구
A Study on Implementation of IRIG-B Protocol for Time Synchronization of IEC 61850 based Merging Unit 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.13 no.4, 2008년, pp.303 - 310

김관수 (울산대 대학원 전기전자정보시스템공학과) , 이홍희 (울산대, 전기전자정보시스템공학부) , 김병진 (현대중공업(주) 기계전기연구소)

초록
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현재 변전소 자동화의 국제표준으로 대두되고 있는 IEC 61850은 스테이션 버스 뿐만 아니라 프로세서 버스까지도 표준화된 통신 기술을 채용하였고, 자동화에 필요한 모델을 제시하고 있다. 변전소 자동화에 사용되는 프로세서 버스의 대표적인 데이터 측정 및 전송장비인 병합단위장치를 IEC 61850 환경으로 구현할 경우 각각의 장치들이 취득한 정보들이 상호 연관성을 가지고 시스템을 제어하거나 모니터링하기 위해서는 시간 동기화가 필요하다. 본 논문에서는 IEC 61850 기반 병합단위장치를 개발하기 위해서 IRIG-B 프로토콜을 사용한 정밀한 시간동기화 기술을 제안한다. 제안된 IRIG-B 시간 동기화 프로토콜을 구현하고 실험을 통해서 안정적인 시간 동기화를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, IEC 61850 supports the standardized communication technique in both station bus and process bus, and presents substation automation model. In order to implement the IEC 61850 based communication in a substation using the MU (merging unit) which is one of the important data acquisition equipments in substation automation, the time synchronization is demanded for cooperative operation between the devices. This paper proposes the precision time synchronization technique using IRIG-B protocol to develop the MU under IEC 61850 communication protocol. The proposed technique is implemented and its performance is verified experimentally.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 EC 61850 프로세서 레벨에 적합한 시간 동기화 방법으로 IRIG-B 프로토콜을 사용한 방법을 제시하였다. 제안된 시간 동기화 장치는 기존의 GPS 위성으로부터 UTC 시간 정보를 받아서 NTP 나 SNTP 방식으로 각 노드들에 대한 시간 동기화를 수행하는 장치들보다 구조가 간단하며, 구현이 용이하고 높은 시간 정밀도를 제공한다.
본 논문에서는 IEC 61850 기반 병합단위장치들의시간 동기화를 위해 가격이 저렴하고 신뢰성이 높은 것으로 평가받고 있는 IRIG-B 시간 동기화를 구현하고자 한다. 즉, EC 61850 기반의 병합단위장치에 적용할 수 있는 시간 정밀도를 가진 IRIG-B 시간 동기화 프로토콜을 구현하기 위해 Verilog-HDL 하드웨어기술 언어를 사용하여 코드를 작성하고 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 IRIG-B 시간 동기화 장치를 FPGA 를 사용하여 구현하기 위해 다음과 같은 시간 정보를 획득하는 방법을 제안하였다. 그림 5는 IRIG-B 시간동기화 장치에서 시간 정보를 추출하는 방법을 설명하고 있다.
GPS 클럭 장치는 IHG^B 신호를 모든 IED 노드에 전송하고 각 IED 노드들은 내부에 구현된 IRIG-B 프로토콜을 사용하여 시간 동기화에 필요한시간 정보를 추출해 낸다. 본 논문에서는 SEL-2407 GPS 클럭 장치와 호환성을 맞추기 위해 TRIG 표준안 200-98에 따른 IRIG-B 프로토콜을 Verilog-HDL 하드웨어 기술 언어로 구현하였다. 제안된 알고리즘은 ALTERA 사의 FLEX 10K FPGA 칩을 사용하여 구현했으며 같은 회사의 Quartus II 툴을 사용하여 코드를 합성하고 검증 및 시뮬레이션을 수행하였다’

제안 방법

있다. GPS 클럭 장치는 IHG^B 신호를 모든 IED 노드에 전송하고 각 IED 노드들은 내부에 구현된 IRIG-B 프로토콜을 사용하여 시간 동기화에 필요한시간 정보를 추출해 낸다. 본 논문에서는 SEL-2407 GPS 클럭 장치와 호환성을 맞추기 위해 TRIG 표준안 200-98에 따른 IRIG-B 프로토콜을 Verilog-HDL 하드웨어 기술 언어로 구현하였다.
즉, EC 61850 기반의 병합단위장치에 적용할 수 있는 시간 정밀도를 가진 IRIG-B 시간 동기화 프로토콜을 구현하기 위해 Verilog-HDL 하드웨어기술 언어를 사용하여 코드를 작성하고 시뮬레이션을 수행하였다. 구현된 IRIG-B 시간 동기 코드를 인터페이스 보드 상의 FPGA 칩에 다운로드하고, GPS 위성클럭 장치로부터 IRIG-B 신호를 수신하여 시간 동기화를 수행하는 실험 장치를 구성하고 실험을 통해 안정적인 시간 동기화를 확인하였다.
만약 첫 번째 신호가 소멸되거나 일시적으로 방해를 받으면 병합 단위장치는 내부 클럭에 따른 두 번째 신호를 A/D 컨버터로 보낸다. 그리고 동기 입력 신호가 재개되면 즉시 첫 번째 신호를 추종하여 병합 단위장치의 동기화를 수행한다.
하고 실험을 수행하였다. 또한 GPS 위성 클럭장치로부터 수신한 IRIG-B 신호를 통해 각 노드에서 UTC 시간 정보를 획득하여 시간동기화를 수행하였다. 시간 동기화 실험을 통해서 그림 10에서 나타난 바와같이 200 [ns]의 시간 정밀도를 확인할 수 있었다.
하지만 시스템 공급업체 간 통신 프로토콜이 표준화 되지 않아 변전소 자동화 설비를 교체할 때마다 전력회사들은 서로 다른 통신기술의 적용에 따른 장비 간 호환성 결여로 큰 어려움과 함께 높은 비용을 감수할 수밖에 없는 현실이었다. 이에 따라 통신프로토콜 표준화의 필요성이 강하게 제기되었고, 1990 년대 표준화 작업을 시작하여 UCA 2.0과 유럽의 경험을 기반으로 최근 변전소 자동화용 단일 세계 표준인 IEC 61850을 IEC 주관 아래 개발하였다. 이러한 세계기술 동향을 반영해 변전소 자동화의 경우 IEC 61850 을 기반으로 하는 통신시스템이 구축되기 시작했고, 이와 함께 SCADA와 보호계전 시스템의 기능(감시, 제어, 계측, 보호)을 IED에 구현함으로써, 전력운전정보를 IED내에 저장하고 상위로 전송하는 것이 가능하게 되었다.
제안된 IRIG-B 시간 동기화 장치의 성능을 검증하기 위해 그림 9와 같은 기본적인 시간 동기화 통신 실험 장치를 구성하고 IRIG-B 시간 동기화 실험을 수행하였다. 실험에서 GPS 위성 클럭 장치에서 첫 번째 노드사이의 거리는 2 [m]로 설정하였고, 두 번째 노드 및 세 번째 노드 사이의 거리는 각각 10 [m] 로 설정하였다.
제시하였다. 제안된 시간 동기화 장치는 기존의 GPS 위성으로부터 UTC 시간 정보를 받아서 NTP 나 SNTP 방식으로 각 노드들에 대한 시간 동기화를 수행하는 장치들보다 구조가 간단하며, 구현이 용이하고 높은 시간 정밀도를 제공한다. 또한 FPGA 칩 상에서 VHDL 이나 Verilog*HDL 같은 하드웨어 언어를 사용하여 구현이 가능하기 때문에 병합 단위장치와의 인터페이스가 용이하고 병합 단위장치 시스템 내에 같이 설계할 수 있다.
한다. 즉, EC 61850 기반의 병합단위장치에 적용할 수 있는 시간 정밀도를 가진 IRIG-B 시간 동기화 프로토콜을 구현하기 위해 Verilog-HDL 하드웨어기술 언어를 사용하여 코드를 작성하고 시뮬레이션을 수행하였다. 구현된 IRIG-B 시간 동기 코드를 인터페이스 보드 상의 FPGA 칩에 다운로드하고, GPS 위성클럭 장치로부터 IRIG-B 신호를 수신하여 시간 동기화를 수행하는 실험 장치를 구성하고 실험을 통해 안정적인 시간 동기화를 확인하였다.

대상 데이터

본 논문에서 사용한 IRIG-B 신호 발생장치는 SEL 사의 SEL-2407 GPS 위성 동기화 클럭 장치로 IRIG 규격서 200-98을 따르며 IRIG-B 시간 포맷(Modulated IRIG-B12X, Demodulated IRIG-BOOX, X:0, 2)을 지원한다.
변조 신호가 복조신호에 비해 정밀도가 떨어지는 원인은 하이- 및 로- 비트 상태 천이를 감지하는데 사용되는 영교차 (Zero-crossing) 방법 때문이다回. 본 논문에서 사용한 SEL-2407 GPS 클럭 장치가 제공하는 시간 정밀도는 +100 [ns] 이다.
실험에서 GPS 위성 클럭 장치에서 첫 번째 노드사이의 거리는 2 [m]로 설정하였고, 두 번째 노드 및 세 번째 노드 사이의 거리는 각각 10 [m] 로 설정하였다.

데이터처리

Verilog-HDL 로 구현된 IRIG-B 프로토콜은 ALTERA사의 Quartus H 툴을 사용하여 그림 8과 같이 검증 및 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 SEL-2407 GPS 클럭 장치와 호환성을 맞추기 위해 TRIG 표준안 200-98에 따른 IRIG-B 프로토콜을 Verilog-HDL 하드웨어 기술 언어로 구현하였다. 제안된 알고리즘은 ALTERA 사의 FLEX 10K FPGA 칩을 사용하여 구현했으며 같은 회사의 Quartus II 툴을 사용하여 코드를 합성하고 검증 및 시뮬레이션을 수행하였다’

이론/모형

본 논문에서는 IRIG 규격인 200-04 에 정의되어 있는 규격 코드 포맷을 적용한 IRIG 포맷을 적용한다.
본 실험에서는 IRIG-B 시간 포맷을 IRIG-B002로 셋팅을 하고 실험을 수행하였다. 또한 GPS 위성 클럭장치로부터 수신한 IRIG-B 신호를 통해 각 노드에서 UTC 시간 정보를 획득하여 시간동기화를 수행하였다.

성능/효과

동작함을 확인할 수 있었다. 또한 실험을 통해 본 논문에서 제안한 시간 동기화 장치가 EC 61850 기반의 병합 단위장치에 적용할 수 있는 시간정밀도를 가지고 있다는 것을 확인할 수 있었다.
병합 단위 장치의 시간 동기화를 위해 시간 동기화 장치와 GPS 위성 클럭 장치를 사용한 시간 동기화 환경에서 IRIG-B 신호를 사용한 시간 동기화 실험은 성공적으로 동작함을 확인할 수 있었다. 또한 실험을 통해 본 논문에서 제안한 시간 동기화 장치가 EC 61850 기반의 병합 단위장치에 적용할 수 있는 시간정밀도를 가지고 있다는 것을 확인할 수 있었다.
시간 동기화 실험을 통해서 그림 10에서 나타난 바와같이 200 [ns]의 시간 정밀도를 확인할 수 있었다. 실험 결과 GPS 위성 클럭 장치로부터 거리가 멀어질수록 지연시간이 늘어나며, 약 10m 당 100 [ns] 의 지연이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
초 데이터)를 수신하여 나타낸 것이다. 이 실험은 시간 동기화 장치에서 수신한 IRIG-B 신호로부터 시간 정보를 분리하고 RS232 통신을 통해 PC 상에서 하이퍼터미널로 하루 동안의 데이터를 저장하여 수신된 데이터를 분석한 것이다’ 실험 결과 하루 동안 정확한 시, 분, 초 데이터를 수신하고 있는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

또한 FPGA 칩 상에서 VHDL 이나 Verilog*HDL 같은 하드웨어 언어를 사용하여 구현이 가능하기 때문에 병합 단위장치와의 인터페이스가 용이하고 병합 단위장치 시스템 내에 같이 설계할 수 있다. 따라서 향후 시간 동기화가 필요한 EC 618S) 기반 장치에 간단한 IRIG-B 인터페이스 보드의 추가만으로 적용할 수 있다.

참고문헌 (10)

박종찬, 김병진, 김수곤, 전희종, "비선형 부하에 적용이 가능한 IED에 관한 연구", 전력전자학회 논문지, 제8권 제5호, pp. 381-388, 2003. 10

원문보기 상세보기
이홍희, 김관수, 최웅, "IEC61850 기반 네트워크 시스템 구현에 관한 연구", 2005년 전력전자학술대회논문집, pp. 605-608, 2005
F. Engler, T. L. Kern, "IEC 61850 based digital communication as interface to the primary equipment", Cigre 2004 Paris, B3-205, 2004
D. L. Mills, DARPA, "Network Time Protocol (Version 3) Specification, Implementation and Analysis", IETF RFC-1305, 1992, March
D. L. Mills, "Simple Network Time Protocol (SNTP) Version 4 for IPv4, IPv6 and OSI", IETF RFC 2030, 1996, October
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"IEC 61850-9-1-Ed. 1.0: Communication networks and systems in substations - Part 9-1: Specific Communication Service Mapping(SCSM) - Sampled values over serial unidirectional multi-drop point-to-point link", International Electrotechnical Commission, First edition 2003-05
IEEE Standard C37.118-2005, "IEEE Standard for Synchrophasors for Power Systems."
"Synchronized Event Data Reporting", NPCC SP-6 Report, Editorial Revisions, 2006, October

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