[논문]라즈베리파이를 이용한 IEEE 802.15.4와 IEC 61850 간의 브리지

황성호

doi:10.7236/jiibc.2017.17.5.181

초록
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IEC 61850은 전력 설비 자동화를 위한 표준안이다. 이더넷을 사용하는 IEC 61850을 사용하면, 소규모 배전 변전소인 경우 그 가치보다 자동화하는데 더 많은 비용이 소요될 수 있다. 따라서 소규모 배전 변전소 자동화에는 적은 비용과 간편한 설치가 요구된다. 본 논문에서는 저렴하고 설치가 간편한 IEEE 802.15.4를 사용하고, 기존의 IEC 61850 장비와 연결하기 위해 라즈베리파이를 이용한 IEC 61850과 IEEE 802.15.4간의 브리지를 구현하였다. IEEE 1588을 사용하여, SV, GOOSE와 MMS 같은 IEC 61850 트래픽 성능 평가를 수행하였다. IEC 61850 요구 사항과 성능 평가 결과를 분석하여, IEEE 802.15.4의 적용 범위를 결정하였다.

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IEC 61850 is a standard for power utility automation. Using IEC 61850 that uses ethernet may consume more costs for the automation than its value in small distribution substations. Thus, less expense and installation cost are required for the automation of small distribution substations. This study ...

IEC 61850 is a standard for power utility automation. Using IEC 61850 that uses ethernet may consume more costs for the automation than its value in small distribution substations. Thus, less expense and installation cost are required for the automation of small distribution substations. This study used inexpensive and easy-to-install IEEE 802.15.4 and implemented a bridge between IEC 61850 and IEEE 802.15.4, using Raspberry Pi to connect the existing IEC 61850. Using IEEE 1588, IEC 61850 traffic performances were evaluated, such as SV, GOOSE and MMS. Analyzing IEC 61850 requirements and performance evaluation results, the scope of application of IEEE 802.15.4 was decided.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존의 IEC 61850과 연동하기 위하여 IEC 61850과 IEEE 802.15.4간의 브리지를 구현하였다. 그리고 Wireshark과 IEEE 1588을 사용하여, IEC 61850트래픽 유형에 따른 성능 분석을 수행하였다.

제안 방법

IEC 61850의 SV, GOOSE와 MMS 트래픽들을 라즈베리파이와 IEEE 802.15.4 모듈을 사용하여 전송하였고, 각 트래픽에 따른 평균 지연과 최대 지연을 구하였다. 성능 분석 결과, 본 논문에서의 IEEE 802.
4간의 브리지를 구현하였다. 그리고 Wireshark과 IEEE 1588을 사용하여, IEC 61850트래픽 유형에 따른 성능 분석을 수행하였다.
본 논문에서는 IEEE 802.15.4와 IEC 61850 브리지를 라즈베리파이로 구성하고, 실제 장비를 통해 성능 분석을 수행하였다.
본 논문에서의 라즈베리파이를 이용한 IEEE 802.15.4와 IEC 61850 간의 브리지는, 소규모 배전 변전소에서 시간에 민감하지 않은 디바이스들을 MMS 메시지를 사용하여 모니터링 할 수 있다.
표 2의 IEC 61850 메시지 유형의 성능 요구사항 분석을 위해 트래픽 형태에 따른 지연(Delay)을 측정하였다. 그림 1에서 SV와 GOOSE는 MAC 계층에서 직접 Application 계층에 전달된다.
Reserved는 예약되어 있고, APDU는 응용PDU로서, SV와 GOOSE에서 필요한 정보를 이 필드를 통해 보낸다. 프레임 검사 시퀀스(FCS: Frame Check Sequence)를 통해 에러 검출을 수행한다.

대상 데이터

Nowak^[7]는 컴퓨터 시뮬레이션인 OMNet++를 사용하여 실험하였다. SV나 GOOSE 프레임과 같은 IEC 61850의 프레임 언급 없이 IEEE 802.15.4의 실험만 수행하였다. IEEE 802.
4 모듈은 한백전자의 Zigbex를 사용하였다. 네트워크 스위치는 시스코사의 Catalyst 2950을 사용하였다. 성능 분석을 위해Qotom사의 miniPC를 사용하였고, 운영체제는 Ubuntu를 사용하였으며, 프로토콜 분석은 Wireshark을 사용하였다.
4와 IEC 61850간의 브리지 실험을 위한 실험실 구성을 그림 8과 같다. 라즈베리파이 III를 사용하였고, IEEE 802.15.4 모듈은 한백전자의 Zigbex를 사용하였다. 네트워크 스위치는 시스코사의 Catalyst 2950을 사용하였다.

데이터처리

네트워크 스위치는 시스코사의 Catalyst 2950을 사용하였다. 성능 분석을 위해Qotom사의 miniPC를 사용하였고, 운영체제는 Ubuntu를 사용하였으며, 프로토콜 분석은 Wireshark을 사용하였다.

이론/모형

OSI COTP(Connection Oriented Transport Protocol)는TPKT를 사용한다. Presentation 계층에서는 ASN.1 표기법과 BER을 사용한다. ASN.
두 방식 중에 데이터 전달 속도가 더 빠른 방식은 Non-Beacon 모드이다.^[3][4] 본 논문에서는 IEEE802.15.4의 전달 모드는 Non-Beacon 모드를 사용한다.
명령메시지와 접근 제어 기능을 가진 파일 전달(Type 6)는 Type 3에 패스워드와 검증 절차를 추가한 것이다. 그리고 시간 동기화를 위해 IEEE 1588을 사용한다. 서로 다른 메시지 유형에 따른 성능 등급은 표 2와 같다.
TimeSync 메시지는 네트워크상에서 시간 동기를 위해 필요 한다. 본 논문에서는 IEEE 1588 PTP(Precision Time Protocol)을 사용하였다.

성능/효과

4의 실험만 수행하였다. IEEE 802.15.4의 Beacon 모드를 사용하여 Non-Beacon 모드에 비해 상대적으로 많은 전송 지연 결과를 도출하였다. Hamdy Saleh Khalil Elgohary^[8]은 IEC 61850 메시지 유형과 비교 없이, Deactivation 기간을 변화시켜 가면서 실험을 수행하였다.
4 모듈을 사용하여 전송하였고, 각 트래픽에 따른 평균 지연과 최대 지연을 구하였다. 성능 분석 결과, 본 논문에서의 IEEE 802.15.4를 사용한 IEC61850 트래픽 전송은, SV와 GOOSE 같이 시간에 엄격한 트래픽 전송 요구조건을 만족하지 못했다. 주요 원인은 IEEE 802.

후속연구

4 프로토콜을 그대로 사용하면 SV와 GOOSE 트래픽 전송 기준을 만족시키지 못한다. 향후 연구방향은 SV와 GOOSE 트래픽 기준을 만족시키기 위한, 개선된 IEEE 802.15.4 Backoff 알고리즘을 개발할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IEC 61850이란 무엇인가?	IEC 61850은 전력 설비 자동화를 위한 표준안이다. 이더넷을 사용하는 IEC 61850을 사용하면, 소규모 배전 변전소인 경우 그 가치보다 자동화하는데 더 많은 비용이 소요될 수 있다.
	IEC 61850의 한계는 무엇인가?	전력망에서 통신망과 시스템 분야의 주요 표준 중에 하나가 IEC 61850이다. 그러나 소규모 배전 발전소인 경우, 이더넷을 기반으로 하는 IEC 61850을 사용하면 소규모 배전 변전소 자체의 가치보다 자동화하는데 더 많은 비용이 소요될 수 있다. 소규모 배전 변전소 자동화에 적은 비용과 설치비가 요구된다.
	IEEE 802.15.4 프로토콜을 구성하는 물리계층과 MAC 계층이란 무엇인가?	4는 물리계층과 MAC 계층으로 구성되어있다. 물리계층은 상위 계층에서 보낸 전송 데이터를 무선 채널을 통해 전달한다. MAC 계층은 디바이스들 간의 신뢰성 있는 단일 홉(single hop) 통신을 제공한다. IEEE802.

참고문헌 (8)

IEC Std 61850-1, Communication networks and systems in substations, Part 1: Introduction and overview, 1st ed. 2003.
IEEE 802.15.4, Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs), 2003.
Sung-Ho Hwang, "Improved Unslotted IEEE 802.15.4 Algorithm for HAN in Smart Grids", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 15, No. 3, pp.1711-1717, 2014. 3. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2014.15.3.1711

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Sung-Ho Hwang, "GOOSE Traffic Generator Using Network Emulation", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication (IIBC), Vol. 16, No. 1, pp.209-214, 2016. 2. DOI: http://dx.doi.org/10.7236/JIIBC.2016.16.1.209

원문보기 상세보기
IEC Std 61850-8-1, Communication networks and systems for power utility automation, Part 8-1: Specific Communication Service Mapping (SCSM) - Mapping to MMS (ISO 9506-1 and ISO 9506-2) and to ISO/IEC 8802-3, 2011.
IEC Std 61850-5, Communication networks and systems for power utility automation, Part 5: Communication requirements for functions and device models, 2013.
D.Nowak, et al 2, "Integration of ZigBee and IEC 61850 networks for a substation automation system", 4th IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe(ISGT Europe), 2013. 10.
Hamdy Saleh Khalil Elgohary, et al 3, "D1 substation automation based on IEC61850 and Zigbee", International Conference on Engineering and Technology (ICET), pp. 928-931, 2012. 10. DOI : https://doi.org/10.1109/ICEngTechnol.2012.6396168

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