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문제 정의
- IEC 61850이 담당하는 영역은 변성기, 개폐기, IED 그리고 스테이션 레벨의 장치들이 포함된다. IEC 61850의 목적은 IED의 호완성이며 자유롭게 시스템을 구성할 수 있다는 장점과 장시간의 안정성을 도모할 수 있다는 것이다. 즉 이전의 데이터 수집에서 데이터 관리로 관심이 이전되면서 IEC 61850의 필요성이 증대되고 있다.
- 본 연구에서는 스마트그리드의 주요 기술인 IEC61850 실시간 네트워크 기술, GPS 정밀시각동기 기술과 객체화된 데이터 모델 설계를 통하여 자율형 상태관측기를 제안한다. 전력계통의 상태를 측정하는 위해서 SEL사, GE사, AREVA사 IED를 각각 사용하였고 서버용 시뮬레이터를 이용하여 다양한 시험이 가능하게 구성하였다.
제안 방법
- 기존의 상태관측기과 제안된 자율형 상태관측기를 비교하면 계측오차와 통신잡음을 검출 할 수 있고 IEC61850 표준 프로토콜을 통해서 제어성, 편리성 그리고 확장성을 확보하였다. GPS 시각 동기화된 정밀한 위상검출 정보와 상태관측기에서 시각정보를 감시하므로 위상 정보가 갖는 에러를 검출하였다. 기존의 시리얼 통신을 광통신으로 변경하여 전자기간섭(EMI)를 해결하였으며 IEC61850 표준 프로토콜과 데이터베이스 기술을 이용하여 계통의 정보를 자동적으로 상태관측기가 인식할 수 있는 자율형 상태관측기를 구성하였다.
- 그림 1은 WLS 방식을 이용한 상태관측의 흐름도를 나타내고 있다.[6] 전력계통을 모델링하고 편미분방정식인 Jacobian 상태관측기의 정확도를 증명하기 위해서 그림 2와 같은 IEEE-14 전력계통에 계측오차를 발생시켜 오차를 검출하고 보상하는 것을 확인하였다. 발전원은 1, 2, 3, 6 그리고 8번 모선에 각각 연결되어 있고 IED를 통해서 각 모선의 전압, 위상, 유효전력과 무효 전력을 계측하여 IEC61850 통신방식으로 SCADA에 전송하게 구성하였다.
- 전력계통의 상태를 측정하는 위해서 SEL사, GE사, AREVA사 IED를 각각 사용하였고 서버용 시뮬레이터를 이용하여 다양한 시험이 가능하게 구성하였다. 각각의 IED와 시뮬레이터는 100Mbps 광통신케이블과 네트워크 스위치에 연결되어 IEC61850 통신을 수행하였다. 또한, OPC(OLE for process control) 클라이언트, 데이터베이스, SCADA 그리고 상태관측기로 구성하여 모의전력계통인 IEEE14 계통에 적용하여 성능을 검증하였다.
- GPS 시각 동기화된 정밀한 위상검출 정보와 상태관측기에서 시각정보를 감시하므로 위상 정보가 갖는 에러를 검출하였다. 기존의 시리얼 통신을 광통신으로 변경하여 전자기간섭(EMI)를 해결하였으며 IEC61850 표준 프로토콜과 데이터베이스 기술을 이용하여 계통의 정보를 자동적으로 상태관측기가 인식할 수 있는 자율형 상태관측기를 구성하였다. 향후, 실시간 데이터베이스 기술을 이용하여 광역계통에 적용할 수 있는 자율형 상태관측기를 연구할 예정이다.
- 각각의 IED와 시뮬레이터는 100Mbps 광통신케이블과 네트워크 스위치에 연결되어 IEC61850 통신을 수행하였다. 또한, OPC(OLE for process control) 클라이언트, 데이터베이스, SCADA 그리고 상태관측기로 구성하여 모의전력계통인 IEEE14 계통에 적용하여 성능을 검증하였다.
- [6] 전력계통을 모델링하고 편미분방정식인 Jacobian 상태관측기의 정확도를 증명하기 위해서 그림 2와 같은 IEEE-14 전력계통에 계측오차를 발생시켜 오차를 검출하고 보상하는 것을 확인하였다. 발전원은 1, 2, 3, 6 그리고 8번 모선에 각각 연결되어 있고 IED를 통해서 각 모선의 전압, 위상, 유효전력과 무효 전력을 계측하여 IEC61850 통신방식으로 SCADA에 전송하게 구성하였다.
- 본 연구에서는 SISCO사의 AX4-MMS를 이용하였고 그림 5와 같이 OPC 클라이언트, 데이터베이스, SCADA 그리고 상태관측기로 시스템을 구성하였다. IED로부터 계측된 정보는 IEC61850 data change 리포트 방식으로 SCADA에 있는 IEC61850 클라이언트에 전송된다.
- 본 연구에서는 스마트그리드에서 제시하는 정보통신기술인 IEC61850 실시간 네트워크 기술, GPS 정밀시각동기 기술과 객체화된 데이터 모델 설계를 통하여 자율형 상태관측기를 구성하였다. 정확한 상태관측을 어렵게하는 계측에러와 통신잡음을 해결하기 위해서 IEC61850 통신기술을 적용 하였다.
- 문제점은 잡음으로 인해 측정값이 틀리는 경우가 많다는 것이다. 이를 해결하기 위해 가중치를 도입해 영향도를 차별화한다. 가중치는 각각의 측정값과 방정식에 적용되는 통계적 불확실성모델로부터 계산된다.
- 전형적인 전력계통인 IEEE14 모델에서 제어와 보호에 필요한 상태를 축출하여 상태 모델방정식을 데이터베이스에 구축하였다. SCADA으로부터 수집된 계측정보를 상태 모델 방정식의 입력으로 사용하면 상태값의 변화나 미지 상태값을 관측할 수 있게 된다.
- 정확한 상태관측을 어렵게하는 계측에러와 통신잡음을 해결하기 위해서 IEC61850 통신기술을 적용 하였다. 제안된 상태관측기의 성능을 검증하기 위해서 IEEE14 계통에 적용하여 성능을 검증하였고 IEC61850 Client, SCADA 그리고 상태관측기를 제작하여 상태관측기의 성능을 실험을 통해서 검증하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 스마트그리드의 주요 기술인 IEC61850 실시간 네트워크 기술, GPS 정밀시각동기 기술과 객체화된 데이터 모델 설계를 통하여 자율형 상태관측기를 제안한다. 전력계통의 상태를 측정하는 위해서 SEL사, GE사, AREVA사 IED를 각각 사용하였고 서버용 시뮬레이터를 이용하여 다양한 시험이 가능하게 구성하였다. 각각의 IED와 시뮬레이터는 100Mbps 광통신케이블과 네트워크 스위치에 연결되어 IEC61850 통신을 수행하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 상태추정은 계측값에 포함된 오차의 합을 최소로 하는 최소자승법을(WLS: Weight Least Square)방식을 사용하였다. 최소자승법을 이용하여 m개 상태 추정오 차를 식(1)과 같이 표현할 수 있고 이 값을 최소화하면 실제 계통에 부합하는 상태값을 갖는다.
- 모델링 값과 운전원이 입력한 값을 의사측정(pseudo measurements)이라고도 한다. 상태관측은 측정값을 이용한 방정식과 키르히호프의 전류법칙을 이용한 방정식으로 구성된다. 측정값이 많을수록 더 정확하게 계산할 수 있고, 틀린 측정값을 찾아낼 수 있다.
- IED로부터 계측된 정보는 IEC61850 data change 리포트 방식으로 SCADA에 있는 IEC61850 클라이언트에 전송된다. 이 값을 같은 PC 나 네트워크에 연결된 다른 PC의 데이터베이스에 전송하기 위해서 표준 통신프로토콜인 OPC를 이용하였다. 마지막으로 SCADA는 데이터베이스 값을 이용하여 상태관측을 수행 하는 방식으로 구성되었다.
- 본 연구에서는 스마트그리드에서 제시하는 정보통신기술인 IEC61850 실시간 네트워크 기술, GPS 정밀시각동기 기술과 객체화된 데이터 모델 설계를 통하여 자율형 상태관측기를 구성하였다. 정확한 상태관측을 어렵게하는 계측에러와 통신잡음을 해결하기 위해서 IEC61850 통신기술을 적용 하였다. 제안된 상태관측기의 성능을 검증하기 위해서 IEEE14 계통에 적용하여 성능을 검증하였고 IEC61850 Client, SCADA 그리고 상태관측기를 제작하여 상태관측기의 성능을 실험을 통해서 검증하였다.
성능/효과
- 제안된 자율형 상태관측기의 성능을 검증하기 위해서 그림 6과 같이 모선2와 3번에서 계측된 전압에 고의로 오차를 인가하였을 때에 오차의 크기를 추정하고 보상하여 일정한 주기 이후에 상태 추정값이 허용범위에 수렴하는 것을 확인하였다. 그림 7과 같이 운전 중에 모선 12, 13, 14번에서 측정된 전압과 위상에 100%의 오차를 고의로 부가하였을 때에 오차를 검출하고 이 오차를 보상하여 두 주기 이후에 오차 허용범위로 수렴하는 것을 확인하였다.
- 기존의 상태관측기과 제안된 자율형 상태관측기를 비교하면 계측오차와 통신잡음을 검출 할 수 있고 IEC61850 표준 프로토콜을 통해서 제어성, 편리성 그리고 확장성을 확보하였다. GPS 시각 동기화된 정밀한 위상검출 정보와 상태관측기에서 시각정보를 감시하므로 위상 정보가 갖는 에러를 검출하였다.
- SCADA으로부터 수집된 계측정보를 상태 모델 방정식의 입력으로 사용하면 상태값의 변화나 미지 상태값을 관측할 수 있게 된다. 제안된 자율형 상태관측기의 성능을 검증하기 위해서 그림 6과 같이 모선2와 3번에서 계측된 전압에 고의로 오차를 인가하였을 때에 오차의 크기를 추정하고 보상하여 일정한 주기 이후에 상태 추정값이 허용범위에 수렴하는 것을 확인하였다. 그림 7과 같이 운전 중에 모선 12, 13, 14번에서 측정된 전압과 위상에 100%의 오차를 고의로 부가하였을 때에 오차를 검출하고 이 오차를 보상하여 두 주기 이후에 오차 허용범위로 수렴하는 것을 확인하였다.
후속연구
- 기존의 시리얼 통신을 광통신으로 변경하여 전자기간섭(EMI)를 해결하였으며 IEC61850 표준 프로토콜과 데이터베이스 기술을 이용하여 계통의 정보를 자동적으로 상태관측기가 인식할 수 있는 자율형 상태관측기를 구성하였다. 향후, 실시간 데이터베이스 기술을 이용하여 광역계통에 적용할 수 있는 자율형 상태관측기를 연구할 예정이다.
- 현재, 국내에서 2005년 10월부터 시작된 국가전략과제, 전력IT를 통해서 IEC61850의 기초연구가 이뤄졌고 2007년 한전 154kV 산청변전소를 시작해서 신울산 변전소, 연천 변전소, 동두천 변전소, 제주 성산변전소 그리고 2010년 한전 154kV 풍동변전소까지 시범사업을 수행하고 있고 향후 한전 변전소의 자동화 표준으로 모든 신설변전소에 적용될 계획이다. 민수용 변전소의 경우에는 하이닉스 반도체나 현대 제철 등 같이 규모가 크면서 높은 신뢰성을 요구하는 대수용가에 적용되고 있다.
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