[논문]Synchro-Phasor 기반의 Smart WAMAC 인프라 아키텍쳐 설계

김지영; 우덕제; 김상태; 최미화; 김용광

doi:10.5370/kiee.2010.59.9.1549

Synchro-Phasor 기반의 Smart WAMAC 인프라 아키텍쳐 설계
Designing of Smart WAMAC Infra Architecture based on Synchro-Phasor 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.59 no.9, 2010년, pp.1549 - 1559

김지영 (한전KDN(주) 송변전IT연구그룹) , 우덕제 (한전KDN(주) 송변전IT연구그룹) , 김상태 (한전KDN(주) 송변전IT연구그룹) , 최미화 (팜즈커뮤니케이션 기술사업본부) , 김용광 (팜즈커뮤니케이션 시스템개발본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Modern power system is operated and managed in closed network environment with treating a great variety of data, and requirement of real time power system data is more increasing. However, it is difficult for operators to fast evaluate the condition of power system using only isolation network system such as SCADA or EMS regarding unexpecting situations occurring. Recent technology achievement in areas of distributed computing, networking high speed communications and digital control as well as the availability of accurate GPS time source are rapidly becoming the enabling factors for the development of a new generation of real time power grid monitoring tools. In this paper, architecture of WAMAC which is the wide area monitoring and control system not only to control but also to monitoring in real time is proposed and the plan of integration interface with legacy system such as EMS for providing power system analysis base data effectively is suggested.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서, 데이터 통합 및 공유를 위해서는 모든 전력 시스템이 참조 할 수 있는 데이터베이스의 공통된 표준 데이터 스키마가 필수적이다. 본 논문에서는 데이터 베이스를 전력 공통 정보 모델인 CIM 기반의데이터 스키마로 설계하는 것을 제안한다.
이와 더불어 스마트 그리드 구현을 위해서는 감시, 평가, 제어 시스템에 적합한 인프라 구축이 선행되어야 하며 기존 K-WAMS 시스템 뿐만 아니라 SCADA, EMS, MOS(Market Operating System), DAS(Distribution Automation)와 Synchro-Phasor 데이터를 공유하여야 할 것이다. 본 논문에서는 향후 자가치유(Self-Healing) 시스템으로의 기반이 되는 WAMAC(Wide Area Monitoring And Control) 시스템 인프라를 구축하기 위한 아키텍쳐를 제안하고자 한다.
IEC(International Electrotechnical Commission) 61970은 EMS(Energy Management System) 개발을 위한 API(Application Program Interface)를 정의한 것이다. 이 표준은 CCAPI(EPRI Control Center API) 연구 프로젝트의 결과로써 EMS나 다른 시스템에 새로운 응용 프로그램을 추가하기 위해 필요한 비용이나 시간을 줄이고, 기존 응용 프로그램 및 시스템을 상호 연결하기 위한 통합 프레임워크를 제공하기 위한 것이다. IEC 61970은 가이드라인과 기본 요구사항, 어휘, CIM(Common Information Model), CIS(Component Interface Specification) 및 CIS 기술 매핑으로 주요 5가지 부분으로 구성되어 있다.

제안 방법

그림 16은 CIM 기반의 데이터 교환을 위한 메시지 포맷과 관련된 개략도 이다. WAMAC 데이터베이스에서 전송하고자 하는 데이터들을 Exporter를 통해 추출하고 CIM RDF 스키마를 이용하여 전송할 CIM/XML 문서로 변환한다. 이와는 반대로WAMAC 시스템이 외부 레거시 시스템의 데이터에 접근하기 위해서는 웹 서비스를 통해 필요한 데이터의 정보를 요청하고, CIM/XML 문서로 도달한 정보는 CIM RDF 스키마를 이용하여 시스템에 맞는 데이터 형태로 변환한다.
WAMAC 시스템은 선행과제에서 개발한 광역계통 감시 시스템을 연계하여 실시간 데이터의 동시성을 보장하고, 안정적인 제어 시스템을 구축하기 위한 인프라 구성을 위해 그림 7과 같이 네트워크를 구성하였다. WAMAC 아키텍쳐는 EMS나 DMS와 같은 레거시 시스템과 통합될 수 있고, SCADA와 연계하여 제어신호를 전송할 수 있도록 하였다.
WAMAC 시스템은 선행과제에서 개발한 광역계통 감시 시스템을 연계하여 실시간 데이터의 동시성을 보장하고, 안정적인 제어 시스템을 구축하기 위한 인프라 구성을 위해 그림 7과 같이 네트워크를 구성하였다. WAMAC 아키텍쳐는 EMS나 DMS와 같은 레거시 시스템과 통합될 수 있고, SCADA와 연계하여 제어신호를 전송할 수 있도록 하였다.
WAMAC은 GID(Generic Interface Definition)를 적용하여 어플리케이션 별 공통 인터페이스를 제공하고자 한다. GID는 GDA(Generic Data Access), HSDA(High Speed Data Access), GES(Generic Event and Subscription), TSDA(Time Series Data Access)로 구성되어 있으며, 그림 9는 HSDA 서비스 개발을 위한 Sequence Diagram이다.
i-PIU는 GPS를 통해 시각 동기화 되어 CT와 PT를 통해 취득된 전류, 전압 Phasor 데이터를 상위 운영 시스템으로 전송한다. 데이터 전송은 공중망 혹은 전용선을 사용하며, 변전소마다의 각기 다른 통신환경을 고려하여 CSU(Channel Service Unit)를 적용하였다. 전국 변전소에서 전송되는 데이터를 통합하기 위해 Multi-Type CSU를 사용하고 FEP(Front End Processor)을 통해 상위 운영 시스템으로 데이터를 전달하는 구조로 하드웨어가 구성되었다.
WAMAC 시스템은 그림 8과 같이 WAMAC과 LAMAC(Local Area Monitoring And Control)으로 계층 구조화 할 수 있으며, LAMAC 시스템은 해당 지역별로 실시간Phasor 데이터를 수집하고, 지역별 계통 이벤트들을 분석하여 지역별 이벤트 상호 연관관계 및 특정 이벤트 파급상황을 판단, 인지할 수 있는 전력계통 전문가 시스템(Expert System)으로 구축할 예정이다. 또한 WAMAC 시스템은 LAMAC 시스템을 제어하고 감시할 수 있는 형태로 구축하여 특정 시스템의 Fail-Over시 자동 절체 되는Active-Standby 방식의 무 중단 고 가용성 시스템으로 설계할 것이다.
또한, 각 변전소 및 발전소에서 취득되는 실시간 Phasor 데이터를 처리 관리하기 위하여 별도 데이터 집중장치를 두었고, 데이터를 가공하기 위한 서버 및 계통 해석 알고리즘, 수도권 부하 차단 알고리즘과 같은 알고리즘 서버를 별도로 두어 시스템 리소스를 최적화 할 수 있도록 하였다. WAMAC 시스템의 주요 목적은 제어 알고리즘이 수행되어 적절한 시간에 제어 신호를 전송하여 전력 계통을 안정적으로 운영하는데 있다.
i-PIU는 스마트 그리드를 구현하기 위한 필수적인 장비인 PMU(Phasor Measurement Unit)로써 16ms 마다 주기적으로 데이터를 계측하여 기존 전력제어 시스템 보다 더 정밀한 데이터를 제공한다. 또한, 외란발생시 계측된 데이터를 분석이 용이한 WaveForm으로 저장하여 운영자의 별도 노력 없이 데이터 접근이 가능하도록 하였다.
그림 6은 WAMAC 시스템의 인프라 개발 구성도 이다. 본 논문에서 제시하는 제어 영역은 수도권을 중심으로 하는 전압안정화를 위한 부하차단과 발전단지 과도 안정도를 위한 발전기 차단으로나눌 수 있고, 기타 감시지역으로 나눌 수 있다.
본 논문에서 제안한 WAMAC 시스템의 인프라 아키텍쳐는 기본적으로 데이터 통합 및 어플리케이션 통합을 위해 IEC 61970 CIM 모델과 GID를 가능하게 하는 웹 서비스를 인프라의 근간으로 하였고, 실시간 데이터의 동시성 확보, 신뢰성이 보장된 제어 시스템 구축, 기존 레거시 시스템과의 연계 및 각 하드웨어 자원들의 리소스 최적화를 고려하여 설계하였다. 또한 향후 시스템 확장을 위한 확장성과 유연성은 시스템 개발의 매우 중요한 조건이다.
데이터 전송은 공중망 혹은 전용선을 사용하며, 변전소마다의 각기 다른 통신환경을 고려하여 CSU(Channel Service Unit)를 적용하였다. 전국 변전소에서 전송되는 데이터를 통합하기 위해 Multi-Type CSU를 사용하고 FEP(Front End Processor)을 통해 상위 운영 시스템으로 데이터를 전달하는 구조로 하드웨어가 구성되었다.

대상 데이터

그림 17의 IEEE 39 모선 모델을 대상으로 그림 18처럼 CIM 오브젝트 모델로 표현해 보았다.

이론/모형

그림 15는 SOA 기반의 서비스 통합을 개념화한 것으로 ESB는 메시지 라우팅, 메시지 변환, 이벤트 수신 등 각 서비스 연결을 위한 공통 서비스들로 메시지 지향의 미들웨어로 표현하였고, 이들 서비스는 서비스 레지스트리인 UDDI에 등록된다. 또한 각 시스템별 메시지 교환을 위해서 SOAP을 이용하였다[11].
이러한 문제점을 해결하기 위해서 SOA(Service Oriented Architecture)의 ESB(Enterprise Service Bus)를 적용한다. ESB는 재사용 가능한 서비스가 사용자, 어플리케이션, 외부 타 시스템에 서 광범위하게 사용될 수 있도록 하는 인프라 소프트웨어로 그림 13(출처:http://www.

성능/효과

첫번째, TC57 PhysicalModel은 그림 20(참조: EPRI)과 같이 전력설비위주로 지역별 설비들을 트리구조로 볼 수 있다. 두번째, TC57 ClassModel은 그림 21(참조: EPRI)과 같이 전력 설비 오브젝트 별 트리형태 이다. 예를 들어 현재 모든 차단기 정보에 접근하고자 하는 경우 가장 적합하다.
본 논문에서 제안하는 시스템은 WAMAC(Wide Area Monitoring And Control) 시스템으로 WAMS(Wide Area Monitoring System) 기능에 제어(Control) 기능을 추가하여 2.1절의 선행 연구보다 향상된 시스템이라고 할 수 있다. 그림 6은 WAMAC 시스템의 인프라 개발 구성도 이다.

후속연구

CIM RDF 스키마는 CIM 오브젝트 모델과 RDF 구문을 준수하여 추후 각 업무영역에서 생성된 다양한 형태의 데이터들을 변환하고 통합하기 위한 기초 데이터 스키마가될 것이다.
EMS 같은 기존 전력 시스템은 전력 계통 해석을 위해 필요한 모든 정보를 가지고 있지 않기 때문에 최소한의 데이터로 현재 전력 계통의 상황을 추정하거나 예측한다. K-WAMS 같은 고속 정밀한 PMU 데이터를 활용할 수 있다면 더 정확하고 신뢰성 현재 전력 계통 상황에 대한 판단을 가능하게 할 것이다. 이처럼 전력 분야의 데이터 통합은 다양한 전력 시스템의 잠재적인 성능향상을 기대할 수 있을 것이다.
WAMAC 시스템은 이들 TC57네임스페이스를 활용하여 사용자 요구사항에 가장 적합한 형태로 데이터베이스를 구성할 것이며 추후, 새로운 시스템과의 연계를 위해서 가장 유연한 형태의 데이터베이스를 갖출 것이다.
WAMAC 시스템의 사용자 인터페이스는 K-WAMS의 실시간 데이터의 트렌드 형태 및 각 전압, 전류, 위상각, 디지털 접점등과 같은 전력 데이터의 특징 표현이 가장 적절한 컴포넌트들을 제공하여 운영자의 업무별 가장 친숙한 형태로 화면을 동적 구성할수 있도록 설계할 예정이다. 또한, 다차원 분석차트, 3D형태의 디자인, GIS(Geographic Information System) 기술을 접목시켜 선행과제의 사용자 인터페이스와 차별화를 꾀할 예정이다.
WAMAC과 LAMAC은 감시 및 제어의 지역적 범위가 다르기 때문에 감시 및 제어 화면의 구성 역시 각 시스템 별 운영 특징이 반영되어야 하고 감시 지역 범위의 확대 및 변경될 경우를 고려하여 동적 확장 아키텍쳐를 도입할 예정이다.
WAMAC 시스템의 사용자 인터페이스는 K-WAMS의 실시간 데이터의 트렌드 형태 및 각 전압, 전류, 위상각, 디지털 접점등과 같은 전력 데이터의 특징 표현이 가장 적절한 컴포넌트들을 제공하여 운영자의 업무별 가장 친숙한 형태로 화면을 동적 구성할수 있도록 설계할 예정이다. 또한, 다차원 분석차트, 3D형태의 디자인, GIS(Geographic Information System) 기술을 접목시켜 선행과제의 사용자 인터페이스와 차별화를 꾀할 예정이다.
스마트 그리드는 통신망의 연결을 통해 하나의 데이터 관리 시스템으로 통합 관리할 수 있는 구조를 가지고 있으며 발전에서 수용가까지 이르는 데이터의 상호 교환이 가능한 지능형 전력망이다. 이와 더불어 스마트 그리드 구현을 위해서는 감시, 평가, 제어 시스템에 적합한 인프라 구축이 선행되어야 하며 기존 K-WAMS 시스템 뿐만 아니라 SCADA, EMS, MOS(Market Operating System), DAS(Distribution Automation)와 Synchro-Phasor 데이터를 공유하여야 할 것이다. 본 논문에서는 향후 자가치유(Self-Healing) 시스템으로의 기반이 되는 WAMAC(Wide Area Monitoring And Control) 시스템 인프라를 구축하기 위한 아키텍쳐를 제안하고자 한다.
K-WAMS 같은 고속 정밀한 PMU 데이터를 활용할 수 있다면 더 정확하고 신뢰성 현재 전력 계통 상황에 대한 판단을 가능하게 할 것이다. 이처럼 전력 분야의 데이터 통합은 다양한 전력 시스템의 잠재적인 성능향상을 기대할 수 있을 것이다.
그 이유는 전력 분야의 상호호환성과 데이터 통합이라는 것은 전력 시스템의 성능 및 신뢰도 향상과 밀접한 관련이 있기 때문이다. 전력 시스템 통합과 상호호환성은 IEC 61970 CIM과GID를 이용함으로써 전력 분야의 어플리케이션들의 데이터 통합이 점점 실현 가능해 질 것으로 예측된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	WAMS이란 무엇인가?	118-2005 Synchro-Phasor 기반의 실시간 광력 전력 계통 안전도(Security) 평가 및 감시 시스템 개발과 더불어 지능형 제어 시스템 개발에 박차를 가하고 있다. WAMS(Wide Area Monitoring System)는 Synchro-Phasor 기법을 이용하여 지역적으로 분산되어 있는 PMU(Phasor Measurement Unit)로부터 시각 동기화 된 Phasor 데이터를 실시간으로 수집하여 전력계통의 안정도(Stability)를 실시간으로 계산하고 평가하여 전력계통의 종합적인 안전도(Security)를 감시할 수 있는 시스템이며, 이러한 일환으로 우리나라에서도 한국형 광역 전력계통 감시 시스템(Korea-Wide Area Monitoring System, 이하 K-WAMS)을 개발하였다. 본 시스템은 현재 동서울, 아산, 신제천, 청양, 제주, 성산 변전소에 PMU를 설치하여 실시간 감시 및 이벤트 발생 시 사후 분석용도로 운영되고 있다[1,2].
	북미 대정전 이후 NERC(North America Electric Reliability Council)에서는 대정전 방지를 위해 GPS 기반의 실시간 Phasor 측정 및 감시 시스템인 무엇을 설치하라고 권고하였는가?	2003년 북미 대정전 이후 NERC(North America Electric Reliability Council)에서는 대정전 방지를 위해 GPS 기반의 실시간 Phasor 측정 및 감시 시스템인 WAMS(Wide Area Monitoring System) 설치를 권고하였다. 또한 IEEE에서는 이를 Synchro-Phasor Application이라 명하고 2005년도에 IEEE C37.
	한국형 광역 전력계통 감시 시스템에서 취득되는 Phasor 데이터의 장점은?	K-WAMS에서 취득되는 Phasor 데이터는 기존의 EMS(Energy Management System)나 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition) 보다 고속의 정밀한 데이터이므로, 기존 시스템과 K-WAMS의 Phasor 데이터를 서로 공유할 경우 보다 많은 지역의 정보를 실시간으로 제공하거나 정밀도를 향상 시킬 수 있게 되어 기존의 불확실한 상태 추정(State Estimation)이 아니라 상태 측정값으로 정확한 결과를 제공할 수 있다는 장점이 있다[3].

참고문헌 (13)

Sang-Tae Kim, Ji-Young Kim,"Development of K-WAMS for Korean Power Grid Security, and Application to the Future IT Infrastructure Design", 2008 CIGRE
Sang-Tae Kim, Ji-Young Kim,"Performance Evaluation for K-WAMS under Field Operating Condition of Korea Power Grid", 2010 CIGRE
김상태, 김지영, 이정현, "345kV계통에서의 K-WAMS 구축 및 실증", 전력산업컨퍼런스 2009
한전KDN 외, "전력 인프라 Defense System 프로토타입 및 네트워크 구축 기술 개발" 2단계 최종 보고서, 2009
IEC, IEC 61970-301 Ed. 1: Energy management system application program interface (EMS-API) Part 301: Common information model (CIM) base, 2007.
IEC, IEC 61970-401 Ed. 1: Energy management system application program interface (EMS-API) - Part 401: Component interface specification (CIS) framework
김중인, 신동익, "SOA(Service Oriented Architecture) 관련 기술 동향과 전망", 정보화정책 제13권 제2호, 2006
김지영, 김상태, "전력 데이터 통합을 위한 CIM 기반의 데이터 마트 설계 방안", 전력IT연구회 춘계학술대회 2009
A.deVos, S.E.Widergren, J.Zhu, "XML For CIM Model Exchange", IEEE, 2001
R.E.Mackiewicz,"The Benefits of Standardized Web Services Based on the IEC61970 Generic Interface Definition for Electric Utility Control Center Application Integration" IEEE PSCE 2006
김지영, 이효정, 김상태 외, "SOA기반의 전력데이터 통합 설계 방안", 2009 하계학술대회
Jinzhang Cao, Mingwei Peng, Chuangxin Guo, Weng Sun and Jianbo Xin, CIM-based Information Model for Wide Area Measurement System,
Joe Hughes, The Integrated Energy and Communication Systems Architecture, EPRI Technical Analysis 2004

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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