기존의 전력망이 스마트그리드로 진화하면서, 수많은 컴포넌트간의 상호운용을 위해 각종 통신 표준과 기술들이 사용되고 있다. 이러한 실정에, 운영센터에서 외부와의 연계를 위한 다양한 프로토콜 연계방안의 필요성이 대두되었다. 본 논문에서는 국내에 자동화 변전소가 급증하는 실정에 따라, 기존제어센터와 자동화 변전소의 프로토콜 연계인 DNP3와 IEC 61850의 프로토콜 연계 게이트웨이에 대해 연구하였다. 프로토콜 매핑을 위해 IEEE 1815.1 표준을 분석하였으며, 게이트웨이의 개발 방향을 제시하고 프로토타입을 개발해 실현가능성을 검증하였다. 이에 더불어, 발생가능 한 보안 문제를 제기하고 보안기술을 제시한다.
기존의 전력망이 스마트그리드로 진화하면서, 수많은 컴포넌트간의 상호운용을 위해 각종 통신 표준과 기술들이 사용되고 있다. 이러한 실정에, 운영센터에서 외부와의 연계를 위한 다양한 프로토콜 연계방안의 필요성이 대두되었다. 본 논문에서는 국내에 자동화 변전소가 급증하는 실정에 따라, 기존제어센터와 자동화 변전소의 프로토콜 연계인 DNP3와 IEC 61850의 프로토콜 연계 게이트웨이에 대해 연구하였다. 프로토콜 매핑을 위해 IEEE 1815.1 표준을 분석하였으며, 게이트웨이의 개발 방향을 제시하고 프로토타입을 개발해 실현가능성을 검증하였다. 이에 더불어, 발생가능 한 보안 문제를 제기하고 보안기술을 제시한다.
While the legacy electric grid evolving into the smart grid, various communication standards have been used for interoperability between many components. In this situation, the needs emerged for protocol conversion and mapping method for connecting the outside components to the operation center. In ...
While the legacy electric grid evolving into the smart grid, various communication standards have been used for interoperability between many components. In this situation, the needs emerged for protocol conversion and mapping method for connecting the outside components to the operation center. In this paper, according to the surge of IEC 61850-based substation automation, we studied the protocol conversion gateway for linking legacy DNP3-based control center and IEC 61850-based substation automation. This paper is based on the IEEE 1815.1 standard for the protocol mapping. We suggested the direction of development the gateway and developed prototype for evaluate the proposed gateway. Also, we bring up a security problem and give a solution.
While the legacy electric grid evolving into the smart grid, various communication standards have been used for interoperability between many components. In this situation, the needs emerged for protocol conversion and mapping method for connecting the outside components to the operation center. In this paper, according to the surge of IEC 61850-based substation automation, we studied the protocol conversion gateway for linking legacy DNP3-based control center and IEC 61850-based substation automation. This paper is based on the IEEE 1815.1 standard for the protocol mapping. We suggested the direction of development the gateway and developed prototype for evaluate the proposed gateway. Also, we bring up a security problem and give a solution.
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문제 정의
본 논문에서 제안하는 바는 Use case (a1)인 Greenfield의 프로토콜 변환 게이트웨이를 개발하기 위해서는 우선 새로운 자동화변전소를 설정하고, 기존에 사용하던 DNP3 프로토콜의 Capabilities를 확보한다. 위 과정의 방법론은 표준에 정의되어 있지는 않고, 프로토콜 매핑을 위해서 필수로 수반되어야 하는 과정이다.
본 논문에서는 국내 제어센터와 자동화 변전소 간 통신에서 IEEE1815.1 표준을 기반으로 DNP3와 IEC61850 간 이기종 프로토콜 변환 게이트웨이 구조를 제안하고, 검증 단계 수준에서 프로토콜 변환 게이트웨이를 구현하였다. DNP3와 IEC61850를 라이브러리를 활용해 동작시키고, 그 사이에서 실제 DNP3메시지와 IEC61850의 MMS메시지 간 데이터가 성공적으로 전송되는 것을 확인하였고, IEEE1815.
본 논문에서는 국내 환경에 적합한 IEC61850-DNP3 간 프로토콜 변환 게이트웨이 전체적인 시스템 아키텍처를 Fig. 4.와 같이 정의하고, 이를 바탕으로 제어메시지 매핑 게이트웨이의 이기종 간 메시지 송수신에 대해 통신기능이 정상적으로 동작할 수 있는지를 검증하기 위한 모듈을 연구하였다. 게이트웨이를 구현함에 있어서 IEEE1815.
본 논문에서는 신규 디지털 변전소가 구축되고 있는 국내 운영 현황에 적합한 IEEE1815.1 매핑 모델인 Use case(a1): Greenfield 모델을 우선적으로 반영할 것이다.
본 논문은 변전소와 제어센터에서 DNP3 프로토콜[2]과 IEC61850 프로토콜[3]을 사용하게 되는 환경에서 IEEE1815.1의 표준[4]에 정의된 내용을 기반으로 프로토콜 매핑을 수행하고, 이 때, 발생할 수 있는 보안 문제를 제기하고자 한다. 본 논문에서는 DNP3 모듈로는 TurnerTech의 DNP3 protocol[5]을 이용하였으며, IEC61850 모듈로는 SISCO사의 MMS-EASE lite[6]를 사용하였고, Ubuntu14.
본 장에서는 IEEE1815.1에서 기술하고 있는 DNP3와 IEC61850 매핑의 유즈케이스와 매핑기술을 파악하고 국내환경에 적용가능 한 이기종 프로토콜 변환 게이트웨이 모델을 제안한다. 이와 더불어 보안성 제공을 위해 필요한 기술을 제안한다.
1에서 기술하고 있는 DNP3와 IEC61850 매핑의 유즈케이스와 매핑기술을 파악하고 국내환경에 적용가능 한 이기종 프로토콜 변환 게이트웨이 모델을 제안한다. 이와 더불어 보안성 제공을 위해 필요한 기술을 제안한다.
제안 방법
게이트웨이 구조에서 핵심부인 매핑모듈은 IEEE1815.1 표준을 근거로 하여 DNP3 Analog Input 형태의 데이터와 IEC61850의 하나의 변수를 1:1 매핑하였으며, 구현된 게이트웨이 검증을 위해 DNP3 로부터 Read Request를 받아 IEC61850이 구현된 MMS 모듈로부터 Read Response를 받을 수 있도록 설계하였다. 결과적으로 Fig.
본 논문에서는 게이트웨이의 역할 및 현실성을 고려하여 매핑과 게이트웨이 설정은 사전에 수행하고, 게이트웨이는 DNP3, IEC61850 통신을 제공하면서 프로토콜 변환을 수행할 수 있는 게이트웨이로 구성하였다. 게이트웨이의 동작은 기능별로인 DNP3통신모듈, IEC61850 통신모듈, 매핑 모듈을 각각 별개의 프로세스로 구성하는 방안을 선택하고, IPC(프로세스 간 통신)을 이용하여 필요한 정보를 주고받을 수 있도록 구성하였다. DNP3는 Turner Tech의 라이브러리를 사용했고, IEC61850은 SISCO의 MMS-EASE lite를 사용해 검증하였다.
본 논문에서 제안하고자 하는 구조는 Fig. 2.의 Use case(a)의 형태이다. 국내 SCADA와 변전소의 통신구조에서 국내흐름은 변전소가 우선 IEC61850 기반으로 운영되는 Use case(a)의 형태이기 때문에, 우선적으로 Use case(a)와 같은 상황에서 동작하는 이기종 변환 게이트웨이를 구축해야 한다.
본 논문에서는 게이트웨이의 역할 및 현실성을 고려하여 매핑과 게이트웨이 설정은 사전에 수행하고, 게이트웨이는 DNP3, IEC61850 통신을 제공하면서 프로토콜 변환을 수행할 수 있는 게이트웨이로 구성하였다.
데이터처리
게이트웨이의 동작은 기능별로인 DNP3통신모듈, IEC61850 통신모듈, 매핑 모듈을 각각 별개의 프로세스로 구성하는 방안을 선택하고, IPC(프로세스 간 통신)을 이용하여 필요한 정보를 주고받을 수 있도록 구성하였다. DNP3는 Turner Tech의 라이브러리를 사용했고, IEC61850은 SISCO의 MMS-EASE lite를 사용해 검증하였다. 이는 세 PC를 사용해 구축하였으며, DNP3 Master, 게이트웨이, IEC61850 Server를 각각 구현하였으며, 이들은 모두 Ubuntu 14.
이론/모형
1의 표준[4]에 정의된 내용을 기반으로 프로토콜 매핑을 수행하고, 이 때, 발생할 수 있는 보안 문제를 제기하고자 한다. 본 논문에서는 DNP3 모듈로는 TurnerTech의 DNP3 protocol[5]을 이용하였으며, IEC61850 모듈로는 SISCO사의 MMS-EASE lite[6]를 사용하였고, Ubuntu14.04기반[7]에서 실험하였다.
0과 IEC61850 게이트웨이 기능 설계”[8]에서 DNP3와 IEC61850의 프로토콜 변환 기능이 포함된 게이트웨이를 설계하였고, 이는 프로토콜 변환 게이트웨이를 설계하는 일반적인 접근 방식을 두 프로토콜에 적용하여 매핑 가능한 데이터 오브젝트와 서비스를 추출하고 이를 상호 변환 시킬 수 있는 게이트웨이를 설계하였다. 하지만 위 논문에서는 매핑하는 방식을 자체적으로 설계하였고, 본 논문에서는 국제표준인 IEEE 1815.1의 절차를 따른다. 마찬가지로, 일찍이 미국, 유럽 등지에서는 제조사별로 제각각인 룰을 이용해 매핑게이트웨이를 설계하였고, 2011년에 NIST가 후원하는 SGIP(Smart Grid Interoperability Panel)에서 DNP3와 IEC61850의 상호운용을 위한 매핑 가이드라인 개발을 시작으로 IEEE1815.
성능/효과
1 표준을 기반으로 DNP3와 IEC61850 간 이기종 프로토콜 변환 게이트웨이 구조를 제안하고, 검증 단계 수준에서 프로토콜 변환 게이트웨이를 구현하였다. DNP3와 IEC61850를 라이브러리를 활용해 동작시키고, 그 사이에서 실제 DNP3메시지와 IEC61850의 MMS메시지 간 데이터가 성공적으로 전송되는 것을 확인하였고, IEEE1815.1 표준을 기반으로, 프로토콜 변환 게이트웨이로써 정상적으로 동작할 수 있음을 보였다. 더불어 이러한 프로토콜 변환 게이트웨이의 보안 요구사항을 제시하였다.
1 표준을 근거로 하여 DNP3 Analog Input 형태의 데이터와 IEC61850의 하나의 변수를 1:1 매핑하였으며, 구현된 게이트웨이 검증을 위해 DNP3 로부터 Read Request를 받아 IEC61850이 구현된 MMS 모듈로부터 Read Response를 받을 수 있도록 설계하였다. 결과적으로 Fig. 5.와 같이 DNP3 Request 패킷을 받고 변환하여 MMS(IEC61850) 패킷을 전달하고, 다시 Response를 받아 매핑 후 DNP3 디바이스에 정상적으로 전달되었음을 보였다.
따라서 게이트웨이 내부적으로 처리되는 데이터 및 매핑룰 등에 대한 자체적인 보안 기술도 동반되어야 한다. 결과적으로는 양단의 네트워크에 대한 보안 및 게이트웨이 기기보안을 통해 DNP3기기로부터 IEC61850기기까지의 네트워크 측면에서 End-to-End와 유사한 수준의 보안이 성립될 수 있도록 구성해야한다.
후속연구
해외에서는 Newton-Evans Research의 통계자료[1]에 의하면 변전소 내부 네트워크 프로토콜은 2014년 북미 전력 유틸리티 중 76%가 DNP3-Serial을 사용하고 있고, 47%는 DNP3 LAN을 사용하였으며, 2016년까지의 전망으로는 IEC61850의 급부상과 DNP3 over TCP/IP의 꾸준한 활용을 예상하고 있다. 변전소의 외부 연계도 마찬가지로 DNP3가 35%로 가장 높은 비율을 차지하고 있어 변전소의 연계구간에서 DNP3-IEC61850 프로토콜 변환 게이트웨이가 개발되고, 보안기술이 개발된다면 국내뿐 아니라 국외의 산업기반시설에 보안기술을 보급할 수 있을 것이다.
더불어 이러한 프로토콜 변환 게이트웨이의 보안 요구사항을 제시하였다. 향후에는 게이트웨이 양측 보안이 제공되는 경우 뿐 아니라 게이트웨이 자체적으로 보안성을 높일 수 있는 방법을 연구하여 DNP3 기기와 IEC61850 기기 간 End-to-End와 유사 수준의 보안을 제공해야 보다 안전한 연계 운용을 할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스마트그리드는 어떤 시스템인가?
스마트그리드는 발전-송·변전-배전에 이르는 지능형 전력 시스템으로, 수많은 구성 컴포넌트들 간의 연계를 위해 각종 통신 표준과 기술들을 사용하고 있다. 스마트그리드 운영센터는 외부 시스템과 연계를 위해 IEC61970/61968의 CIM(Common Interface Model)을 사용하고 있으며, 변전소 등 하위 시스템에서는 간 직접적인 매핑을 통한 프로토콜 연계 방안이 요구되기도 한다.
DNP3와 IEC61850 연계의 두 유즈 케이스의 차이는 무엇인가?
두 유즈 케이스는 매핑 자체를 수행하기 위한 기본 요소는 유사하나 그 의미와 입출력 데이터에 차이가 있다. 가장 큰 의미상의 차이는 Use case(a)는 제어센터와 변전소간 통신에서 제어센터가 DNP3 프로토콜을 유지하고, 변전소가 IEC61850 기반으로 교체되거나 새로 구축되는 경우이며, Use case(b)는 제어센터가 IEC61850 기반으로 교체되는 경우 기존에 DNP3 기반으로 동작하던 변전소를 수용하는 경우를 뜻한다.
스마트그리드 운영센터는 외부 시스템과 연계를 위해 무엇을 사용하는가?
스마트그리드는 발전-송·변전-배전에 이르는 지능형 전력 시스템으로, 수많은 구성 컴포넌트들 간의 연계를 위해 각종 통신 표준과 기술들을 사용하고 있다. 스마트그리드 운영센터는 외부 시스템과 연계를 위해 IEC61970/61968의 CIM(Common Interface Model)을 사용하고 있으며, 변전소 등 하위 시스템에서는 간 직접적인 매핑을 통한 프로토콜 연계 방안이 요구되기도 한다. 이러한 실정에, 국내 전력망 운영 면에서는 CIM, OPC UA(Open Platform Communications Unified Architecture) 등을 이용한 중앙 SCADA, K-EMS (Energy Management System), 차세대 EMS, 그리고 자동화 변전소 등 주요 전력 IT 시스템의 연계를 고려하고 있다.
참고문헌 (8)
The World Market for Substation Automation and Integration Programs in Electric Utilities 2005-2007, Newton-Evans Research Company, Sep. 2005.
IEEE1815-2012(DNP3), IEEE Standard Association, https://standards.ieee.org/findstds/standard/1815-2012.html, Oct. 2012
IEC61850 Series (Part7-3:2010), International Electrotechnical Commission, http://www.iec.ch/smartgrid/standards/, Dec. 2010
IEEE1815.1-2015 Standard, IEEE Stand ards Association, http://standards.ieee.org/findstds/standard/1815.1-2015.html, May. 2016
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