[논문]라즈베리파이 전류와 전압 센서를 이용한 IEC 61850 샘플 값 전송

황성호

doi:10.7236/jiibc.2018.18.6.157

라즈베리파이 전류와 전압 센서를 이용한 IEC 61850 샘플 값 전송
Transmission for IEC 61850 Sampled Values Using Current and Voltage Sensors of Raspberry Pi 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.18 no.6, 2018년, pp.157 - 162

초록
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본 논문에서는 전류와 전압 값을 측정하기 위해 센서와 라즈베리파이를 사용하고, 측정한 샘플 값들을 IEC 61850-9-2 프레임에 실어서 네트워크로 전송한다. IEC 61850-9-2 프레임을 이용한 샘플 값 전송을 위해 실험실 모델을 구성하였다. IEC 61850-9-2 프레임 발생의 정확한 검증을 위해, 와이어샤크를 이용하여 프로토콜 분석을 수행하였다. 수신한 전류와 전압 샘플 값들을 그래프로 모니터 상에 출력하여 시각 분석을 수행하였다. 그리고 네트워크 장비를 거쳐서 송수신된 IEC 61850-9-2 샘플 값들이, IEC 61850 메시지 유형의 성능 요구사항을 만족하는지를 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study uses sensors and Raspberry Pi to measure the values of current and voltage and transmits the measured sampled values to a network, carrying them in the frame of IEC 61850-9-2. A laboratory model was composed to send the sampled values, using the frame of IEC 61850-9-2. This study conducted a protocol analysis, using Wireshark for the accurate verification of the occurrence of the frame of IEC 61850-9-2. A visual analysis was conducted by displaying the received sampled values of current and voltage on the monitor in graphs. In addition, this study tested if the sampled values of IEC 61850-9-2 sent and received through the network equipment would meet the performance requirements of the message types of IEC 61850.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. IEC 61850 SV 프레임 분석 Fig. 1. Dissection of IEC 61850 SV frame
그림 그림 2. 샘플 값 전송 시나리오 Fig. 2. Sampled Values Transfer Scenario
그림 그림 3. 전류센서와 전압센서 Fig. 3. Current Sensor and Voltage Sensor
그림 그림 4. 네트워크 스위치 Fig. 4. Network Switch
그림 그림 5. 전류센서, 전압센서와 라즈베리파이 Fig. 5. Raspberry Pi with Current and Voltage sensors
표 표 1. IEC 61850 메시지 유형의 성능 요구사항 Table 1. Performance Requirements of IEC 61850 Message Types
그림 그림 6. 하드웨어 시스템 Fig. 6. Hardware System
그림 그림 7. 샘플 값 캡쳐 출력 Fig. 7. Sampled Values Capture Output
그림 그림 8. 전류와 전압의 시각 분석 Fig. 8. Visual Analysis of Current and Voltage
그림 그림 9. 샘플 값 평균 전송 지연 Fig. 9. Sampled Values Mean Transfer Delay
표 표 2. 샘플 값 최대 전송 지연 Table 2. Sampled Values Maximum Transfer Delay with 1Gbps

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 저렴하고, 융통성 있고, 오픈 소스 플래폼인 라즈베리파이를 사용한다. 본 연구의 목적은 라즈베리파이를 이용하여 전류와 전압 샘플 값들을 측정하고, 샘플 값들을 IEC 61850-9-2 이더넷 프레임 형태로 전송하는 것이다.

제안 방법

IEC 61850-9-2 프레임이 정확히 전송되었는지 확인하기 위해 와이어샤크(Wireshark)를 사용하여 확인한다. 수신된 전류와 전압 샘플 값을 시각 분석 툴인 SVScout를 통해 확인한다.
[4][5] 그리고 측정된 전류과 전압 값을 시각적 분석(Visual Analysis)하기 위해 SVScout를 사용하여 실시간 그래프를 출력한다.^[6]마지막으로 라즈베리파이를 사용하여 발생된 IEC 61850-9-2 이더넷 프레임들의 지연을 측정한다.
^[4][5] 그리고 측정된 전류과 전압 값을 시각적 분석(Visual Analysis)하기 위해 SVScout를 사용하여 실시간 그래프를 출력한다.^[6]마지막으로 라즈베리파이를 사용하여 발생된 IEC 61850-9-2 이더넷 프레임들의 지연을 측정한다.
수신된 전류와 전압 샘플 값을 시각 분석 툴인 SVScout를 통해 확인한다. 그리고 성능 분석을 통해 발생된 IEC 61850-9-2 프레임 발생이 IEC 61850 메시지 유형에 따른 성능 요구사항을 만족함을 확인하기 위해 성능 분석을 수행한다.
ASDU는 측정된 값을 Data Set 필드에 저장한다. 본 논문에서는 Data Set필드에 측정된 전류와 전압 값들을 넣는다.
본 논문에서는 라즈베리파이, 전류센서와 전압센서를 이용하여 측정된 샘플 값들을 IEC 61850-9-2 프레임을 사용하여 전송을 하였다. 실험실 모델에서 라즈베리파이를 통해 발생시킨 트래픽들을 와이어샤크를 이용하여 정확하게 발생함을 확인하였다.
IEC 61850-9-2 프레임이 정확히 전송되었는지 확인하기 위해 와이어샤크(Wireshark)를 사용하여 확인한다. 수신된 전류와 전압 샘플 값을 시각 분석 툴인 SVScout를 통해 확인한다. 그리고 성능 분석을 통해 발생된 IEC 61850-9-2 프레임 발생이 IEC 61850 메시지 유형에 따른 성능 요구사항을 만족함을 확인하기 위해 성능 분석을 수행한다.

대상 데이터

네트워크 스위치는, 100Mbps 전송과 IEEE 1588 PTP시간 동기화를 위해 시스코사의 카타리스트 2950 스위치 2대를 사용하였다. 1Gbps 전송과 IEEE 1588 PTP 시간동기화를 위해 카타리스트 3650 스위치 2대를 사용하였다. 와이어샤크로 IEC 61850-9-2 프레임 분석을 위해 미니 PC 1대를 사용하였다.
와이어샤크로 IEC 61850-9-2 프레임 분석을 위해 미니 PC 1대를 사용하였다. SVScout를 이용한 시각분석(Visual Analysis)을 위해 미니 PC 1대를 사용하여, 총 2대의 미니 PC를 사용하였다.
네트워크 스위치는, 100Mbps 전송과 IEEE 1588 PTP시간 동기화를 위해 시스코사의 카타리스트 2950 스위치 2대를 사용하였다. 1Gbps 전송과 IEEE 1588 PTP 시간동기화를 위해 카타리스트 3650 스위치 2대를 사용하였다.
따라서 100Mbps 전송을 위해 라즈베리파이 3B를 3대, 1Gbps 전송을 위해 라즈베리파이 3B+를 3대 사용하여, 총 6대의 라즈베리파이를 사용하였다. 전류와 전압 센서들로부터 초당 480번 샘플링할 때마다, 샘플 값들을 IEC 61850-9-2 프레임으로 전송한다.
전류와 전압 센서로 부터 측정된 샘플 값은 IEC 61850-9-2 프레임으로 전송하기 위한 라즈베리파이 1대, IEC 61850-9-2프레임을 수신하기 위한 라즈베리파이 1대를 사용하였다. 라즈베리파이 간의 정확한 시간 동기화를 위해, IEEE1588 PTP(Precision Time Protocol)를 위한 라즈베리파이 1대를 사용한다. 라즈베리파이 3B는 100Mbps 속도로 전송할 수 있고, 라즈베리파이 3B+는 1Gbps 속도로 전송할 수 있다.
본 논문에서는 저렴하고, 융통성 있고, 오픈 소스 플래폼인 라즈베리파이를 사용한다. 본 연구의 목적은 라즈베리파이를 이용하여 전류와 전압 샘플 값들을 측정하고, 샘플 값들을 IEC 61850-9-2 이더넷 프레임 형태로 전송하는 것이다.
사용된 라즈베리파이 모델은 라즈베리파이 3B 모델과 라즈베리파이 3B+ 모델 두 개를 사용하였다. 네트워크 구성은, 네트워크 장비를 사용하여 송수신하는 방식과 네트워크 장비 없이 직접 라즈베리파이 간에 송수신하는 다이렉트(Direct) 방식으로 나눈다.
1Gbps 전송과 IEEE 1588 PTP 시간동기화를 위해 카타리스트 3650 스위치 2대를 사용하였다. 와이어샤크로 IEC 61850-9-2 프레임 분석을 위해 미니 PC 1대를 사용하였다. SVScout를 이용한 시각분석(Visual Analysis)을 위해 미니 PC 1대를 사용하여, 총 2대의 미니 PC를 사용하였다.
전류와 전압 센서는 그림 3과 같다. 전류 측정을 위해 ACS 712(Allegro Microsystems, Worcester, MA, USA)칩을 사용한 전류 센서 유닛을 사용하였다. 전압 센서는 ZMPT101B(Interplus Industry Co.
그림 6과 같이 실험실 하드웨어를 구성하였다. 전류와 전압 센서로 부터 측정된 샘플 값은 IEC 61850-9-2 프레임으로 전송하기 위한 라즈베리파이 1대, IEC 61850-9-2프레임을 수신하기 위한 라즈베리파이 1대를 사용하였다. 라즈베리파이 간의 정확한 시간 동기화를 위해, IEEE1588 PTP(Precision Time Protocol)를 위한 라즈베리파이 1대를 사용한다.
전류 측정을 위해 ACS 712(Allegro Microsystems, Worcester, MA, USA)칩을 사용한 전류 센서 유닛을 사용하였다. 전압 센서는 ZMPT101B(Interplus Industry Co. Ltd., Shenzhen,China)를 사용하였다.
라즈베리파이로부터 발생하는 IEC 61850-9-2 프레임을 전송하기 위한 통신 네트워크 장비는, 그림 4와 같이 시스코사의 카타리스트(Catalyst) 장비를 사용한다. 카타리스트 2950은 100Mbps 전송실험을 위해 사용하였고, 카타리스트 3650은 1Gbps 전송실험을 위해 사용하였다.

이론/모형

라즈베리파이에서 발생된 IEC 61850-9-2 이더넷 프레임을 검증하기 위해 와이어샤크(Wireshark)를 사용한다.^[4][5] 그리고 측정된 전류과 전압 값을 시각적 분석(Visual Analysis)하기 위해 SVScout를 사용하여 실시간 그래프를 출력한다.

성능/효과

따라서 1Gbps로 동작하는 라즈베리파이 3B+가 평균 전송 지연과 최대 전송 지연 모두 기준 값인 3 msec를 만족한다.
따라서 라즈베리파이 3B+를 이용한 IEC 61850-9-2샘플 값 발생하였을 경우에, 평균 지연과 최대 지연 모두 IEC 61850의 성능 요구사항을 만족함을 확인하였다.
그리고 수신한 IEC61850-9-2 샘플 값들의 파형을 시각 분석 통해 확인 할 수 있었다. 라즈베리파이로부터 발생시키는 샘플 값들의 지연을 측정을 해보니, 모두 3 msec 보다 훨씬 적은 평균0.22 ms 지연으로 발생함을 확인할 수 있었다. 최대 지연은 라즈베리파이 3B+를 사용하여 1Gbps로 동작하였을경우 3msec 기준값을 만족함을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 라즈베리파이, 전류센서와 전압센서를 이용하여 측정된 샘플 값들을 IEC 61850-9-2 프레임을 사용하여 전송을 하였다. 실험실 모델에서 라즈베리파이를 통해 발생시킨 트래픽들을 와이어샤크를 이용하여 정확하게 발생함을 확인하였다. 그리고 수신한 IEC61850-9-2 샘플 값들의 파형을 시각 분석 통해 확인 할 수 있었다.
22 ms 지연으로 발생함을 확인할 수 있었다. 최대 지연은 라즈베리파이 3B+를 사용하여 1Gbps로 동작하였을경우 3msec 기준값을 만족함을 확인할 수 있었다.

후속연구

향후 연구로는 네트워크 스위치의 관리 트래픽들이 IEC 61850-9-2 프레임 전송에 미치는 영향을 구체적으로 연구할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IEC 61850이란 무엇인가?	IEC 61850은 변전소 자동화 시스템을 위한 통신 프로토콜로서, 시스템 설치, 제어와 운영의 기능을 담당한다. 그렇지만 IEC 61850은 복잡하고 비싼 프로토콜이다.
	IEC 61850의 역할은 무엇인가?	IEC 61850은 변전소 자동화 시스템을 위한 통신 프로토콜로서, 시스템 설치, 제어와 운영의 기능을 담당한다. 그렇지만 IEC 61850은 복잡하고 비싼 프로토콜이다.
	성능 클래스(Performance Class)의 P7와 P8은 무엇을 의미하는가?	샘플 값 전송에 요구되는 성능 클래스는 P7과 P8이다. P7은 샘플 값들을 이용하여 보호 기능(Protection Function)을 위해 수용 가능한 지연을 의미하고, P8은 샘플 값들을 이용하여 다른 기능을 위해 수용 가능한 지연의 요구사항을 의미한다. 본 논문에서는 보호기능을 위한 P7 요구사항인 3ms 기준으로 정한다.

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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