기존 변전소의 IEC 61850 기반 현장정보처리반을 이용한 디지털변전소 전환 가능성 검토에 관한 연구 A Study on the Possibility of Transforming to Digital Substations using IEC 61850 Field Information Processing Panel of Legacy Substation원문보기
전 세계적으로 국제 표준인 IEC 61850 통신규약을 사용하고 있고 국내에서도 2007년도부터 시험 적용과 연구개발을 통해 2013년부터 신규 건설되는 변전소는 IEC 61850 기반의 디지털변전소로 준공되어 지고 있다. 국내 대기업을 중심으로 디지털 변전소 운영시스템 개발을 위한 연구가 진행되어 LCP용 IED 전력응용기기를 개발하였으나, 기존 변전소에 설치되어 운전 중인 구형의 현장기기와 신형인 디지털 변전소 운영시스템에 사용되는 현장기기를 모두 수용할 수 있는 시스템 분야의 연구는 아직 미흡한 실정이다. 본 논문에서는 제안된 현장정보처리반을 IEC 61850 기반으로 구성할 수 있는 48VDC 입력모듈과 125VDC 출력모듈을 구현하고 패킷 분석 툴인 IEC 61850 클라이언트 인증 프로그램과 Wireshark를 사용하여 상태감시, 제어조작시험을 실시하여 현장 적용 가능성을 검증하였다.
전 세계적으로 국제 표준인 IEC 61850 통신규약을 사용하고 있고 국내에서도 2007년도부터 시험 적용과 연구개발을 통해 2013년부터 신규 건설되는 변전소는 IEC 61850 기반의 디지털변전소로 준공되어 지고 있다. 국내 대기업을 중심으로 디지털 변전소 운영시스템 개발을 위한 연구가 진행되어 LCP용 IED 전력응용기기를 개발하였으나, 기존 변전소에 설치되어 운전 중인 구형의 현장기기와 신형인 디지털 변전소 운영시스템에 사용되는 현장기기를 모두 수용할 수 있는 시스템 분야의 연구는 아직 미흡한 실정이다. 본 논문에서는 제안된 현장정보처리반을 IEC 61850 기반으로 구성할 수 있는 48VDC 입력모듈과 125VDC 출력모듈을 구현하고 패킷 분석 툴인 IEC 61850 클라이언트 인증 프로그램과 Wireshark를 사용하여 상태감시, 제어조작시험을 실시하여 현장 적용 가능성을 검증하였다.
The IEC 61850 communication standard is used worldwide, and within the country the new substation is built as a digital substation based on IEC 61850 from 2013, after field tests and R&D from 2007. Research on the development of digital substation operating system has been conducted mainly in large ...
The IEC 61850 communication standard is used worldwide, and within the country the new substation is built as a digital substation based on IEC 61850 from 2013, after field tests and R&D from 2007. Research on the development of digital substation operating system has been conducted mainly in large domestic companies, so the IED power application equipment for LCP are developed. However, there is still a lack of research in the field of systems that can accommodate all the field devices used for legacy substation and new digital substation. In this paper, we developed the 48VDC input modules and the 125VDC output modules which can construct proposed field information processing modules to IEC 61850 based type, and verified the field applicability from the state monitoring and control operation tests by using IEC 61850 client authentication program and Wireshark.
The IEC 61850 communication standard is used worldwide, and within the country the new substation is built as a digital substation based on IEC 61850 from 2013, after field tests and R&D from 2007. Research on the development of digital substation operating system has been conducted mainly in large domestic companies, so the IED power application equipment for LCP are developed. However, there is still a lack of research in the field of systems that can accommodate all the field devices used for legacy substation and new digital substation. In this paper, we developed the 48VDC input modules and the 125VDC output modules which can construct proposed field information processing modules to IEC 61850 based type, and verified the field applicability from the state monitoring and control operation tests by using IEC 61850 client authentication program and Wireshark.
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문제 정의
본 논문에서는 기존 변전소에 설치되어 운전 중인 구형의 현장기기와 신형인 디지털변전소 운영시스템에 사용되는 현장기기를 모두 수용할 수 있는 시스템 그리고 RTU(Remote Terminal Unit)와 축소형 모자익반(구성, 신형)을 교체 시 적용을 할 수 있는 현장정보처리반을 제안한다. 기존 사용 중인 현장정보처리반에 IEC 61850의 protocol을 내장하여 설계하고 통신 실험을 통하여 현장정보처리반을 IEC 61850기반 디지털 변전소에 적용할 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 일반 변전소에서 하드와이어(Hard-Wire) 설비와 연계되어 사용되고 있는 현장정보처리반을 디지털 변전소용의 IEC 61850 기반의 현장정보처리반을 적용할 수 있는지에 대해서 연구하였다. 기존에 사용되고 있는 현장정보처리반을 IEC 61850기반으로 구성할 수 있는 입력 모듈과 출력 모듈을 하드웨어, 소프트웨어, Panel을 설계하여 실험하였다.
본 논문에서는 일반형 변전소 시스템의 IEC 61850설비와 통신 연계가 불가한 점과 디지털 변전소의 하드와이어 설비와의 연계가 불가한 점들을 해결하기 위하여 현장정보처리반을 IEC 61850 기반으로 구현하는 방법을 제안한다.
제안 방법
IEC 61850 기반의 현장정보처리반은 그림 6과 같이 구현하였으며, IEC 61850 Client가 인증된 소프트웨어로 운영에 필요한 상태감시와 제어에 대해서 시험을 할 수 있도록 구성을 하였다. IEC 61850-10 적합성 시험 절차에 따라 제어 시험은 SBO(Select Before Operate) 제어와 상태 감시 시험의 Unbuffered Reporting의 정상 동작 여부를 가지고 시험을 하였고 시험 시 현장정보처리반의 입력 모듈과 출력 모듈에서 정상적으로 제어 조작이 되는지 그리고 정상적으로 상태 감시가 되는지를 인가된 상태감시전압과 제어 출력 시 정상적으로 전압이 나오는지 전압계를 가지고 검증하고 통신 검증은 통신 패킷을 캡처하여 정상적인 IEC 61850 메시지로 모듈의 동작 및 통신하는지를 확인 하였다[8].
IEC 61850 기반의 현장정보처리반은 그림 6과 같이 구현하였으며, IEC 61850 Client가 인증된 소프트웨어로 운영에 필요한 상태감시와 제어에 대해서 시험을 할 수 있도록 구성을 하였다. IEC 61850-10 적합성 시험 절차에 따라 제어 시험은 SBO(Select Before Operate) 제어와 상태 감시 시험의 Unbuffered Reporting의 정상 동작 여부를 가지고 시험을 하였고 시험 시 현장정보처리반의 입력 모듈과 출력 모듈에서 정상적으로 제어 조작이 되는지 그리고 정상적으로 상태 감시가 되는지를 인가된 상태감시전압과 제어 출력 시 정상적으로 전압이 나오는지 전압계를 가지고 검증하고 통신 검증은 통신 패킷을 캡처하여 정상적인 IEC 61850 메시지로 모듈의 동작 및 통신하는지를 확인 하였다[8].
입력 모듈의 신호 검출단과 내부회로단의 절연을 할 수 있는 포토커플러 절연방식으로 입력단을 설계하고, 감시전원은 48VDC로 설계하였다. 경고장 및 중고장 설정용 콘솔 포트를 내장하여 상위시스템에서 설정이 가능하도록 하였다.
본 논문에서는 기존 변전소에 설치되어 운전 중인 구형의 현장기기와 신형인 디지털변전소 운영시스템에 사용되는 현장기기를 모두 수용할 수 있는 시스템 그리고 RTU(Remote Terminal Unit)와 축소형 모자익반(구성, 신형)을 교체 시 적용을 할 수 있는 현장정보처리반을 제안한다. 기존 사용 중인 현장정보처리반에 IEC 61850의 protocol을 내장하여 설계하고 통신 실험을 통하여 현장정보처리반을 IEC 61850기반 디지털 변전소에 적용할 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 일반 변전소에서 하드와이어(Hard-Wire) 설비와 연계되어 사용되고 있는 현장정보처리반을 디지털 변전소용의 IEC 61850 기반의 현장정보처리반을 적용할 수 있는지에 대해서 연구하였다. 기존에 사용되고 있는 현장정보처리반을 IEC 61850기반으로 구성할 수 있는 입력 모듈과 출력 모듈을 하드웨어, 소프트웨어, Panel을 설계하여 실험하였다. 그리고 IEC 61850 Client 인증 프로그램과 Wireshark를 사용하였으며, 실험결과, 상태감시 시험에서 입력모듈 DC 48V를 확인 할 수 있었고, 제어조작 시험에서 출력모듈 125VDC를 확인할 수 있었다.
또한 현장정보처리반과 IED 간의 IEC 61850 통신을 할 수 있도록 구성을 하였고 IEC 61850 기반 현장정보처리반 구성에 필요한 하드웨어 요구사항과 운용사항을 고려하여 입력 모듈과 출력 모듈을 설계하였다.
그림 9와 그림 10은 Wireshark로 캡처된 로그(Log)로 감시 시험 시 캡처된 통신 패킷이다. 상태감시 시험은 48VDC를 입력 모듈에 P(+)상을 해당 포인트에 입력하여 IEC 61850 Client 시험 소프트웨어에서 감시가 되는지 확인하였고 제어 시험은 IEC 61850 Client 시험 소프트웨어에서 제어를 하여 실제 출력모듈에서 릴레이 접점이 동작하여 제어 전압 125VDC가 나오는지를 표 1과 같이 확인하였다. IEC61850 적합성은 그림 11과 같이 KTL (Korea Testing Laboratory, 한국산업기술시험원)에서 IEC 61850 Certificate Level A 시험을 통하여 검증하고 인증을 받았다.
입력 모듈의 신호 검출단과 내부회로단의 절연을 할 수 있는 포토커플러 절연방식으로 입력단을 설계하고, 감시전원은 48VDC로 설계하였다. 경고장 및 중고장 설정용 콘솔 포트를 내장하여 상위시스템에서 설정이 가능하도록 하였다.
출력 모듈은 디지털 축소형 모자익반과 RTU-MPD 또는 디지털변전소 운영시스템으로부터 통신으로 전송된 모든 제어신호를 출력 모듈에 의하여 디지털 출력으로 변환하여 현장 변전설비에 제어 신호를 보낼 수 있도록 설계하였다(그림 5).
출력 모듈의 상세 하드웨어 구성도 IEC 61850에 적합한 통신 속도 구현을 위하여 원칩 마이크로컨트롤러 16Bit, 60MIPS이상으로 하고, 저 소비전력의 CMOS 소자를 사용하고 워치독 타이머가 내장되고 응답속도는 10msec 이내로 동작하도록 하였다. 구동 릴레이 접점정격으로는 AC 250V 5A이상, 구동Coil의 정격은 DC24V, 180mW 이내로 구성되었고, 제어 출력 신호는 릴레이(Relay) 접점이며 제어홀딩타임(Holding Time)은 100msec에서 6000msec로 가변이 가능하고 제어 전압은 24VDC로 구성되었다.
154kV 변전소의 IEC 61850 기반 현장정보처리반은 그림 3과 같이 구성하였다. 현장정보처리반에 IEC 61850 Server 기능을 내장하여 IED 및 표준시각동기장치 그리고 SA운영장치와 IEC 61850 통신을 할 수 있도록 구성하였고 입력 모듈과 출력모듈을 내장하여 일반 변전소의 하드와이어 신호도 받을 수 있도록 하였다.
현장정보처리반의 입력 모듈은 현장의 모든 변전설비의 운전 및 경보 상태를 입력 모듈로 입력 받아 광(Fiber Optic)통신 신호로 변환하여 디지털 축소형 모자익반과 RTU-MPD 또는 디지털변전소 운영시스템에 상태 신호를 전송할 수 있도록 설계하였다(그림 4).
대상 데이터
상태감시 시험은 48VDC를 입력 모듈에 P(+)상을 해당 포인트에 입력하여 IEC 61850 Client 시험 소프트웨어에서 감시가 되는지 확인하였고 제어 시험은 IEC 61850 Client 시험 소프트웨어에서 제어를 하여 실제 출력모듈에서 릴레이 접점이 동작하여 제어 전압 125VDC가 나오는지를 표 1과 같이 확인하였다. IEC61850 적합성은 그림 11과 같이 KTL (Korea Testing Laboratory, 한국산업기술시험원)에서 IEC 61850 Certificate Level A 시험을 통하여 검증하고 인증을 받았다.
그림 7 및 그림 8과 같이 노트북, 이더넷스위치 그리고 현장정보처리반 통신 모듈을 구성하였으며, IEC 시험용 노트북에는 통신 규격을 검증할 수 있는 IEC 61850 Client 프로그램을 내장하였고 통신 패킷을 캡처할 수 있는 Wireshark 프로그램을 내장하고 현장정보처리반 통신 모듈의 이더넷스위치와 연결되는 통신 시험시료를 준비하였다. 이더넷스위치는 IEC 61850-3 환경시험 인증된 시료로 구성하였다.
이더넷스위치는 IEC 61850-3 환경시험 인증된 시료로 구성하였다. 시험 검증 장비로는 IEC 61850 Level A기관에서 인증받은 SPiN-CNAS 소프트웨어와 프로토콜 분석소프트웨어 Wireshark, IEC 61850-3 환경 인증된 이더넷스위치 MAR1020을 가지고 환경을 구성하여 시험하였다.
그림 7 및 그림 8과 같이 노트북, 이더넷스위치 그리고 현장정보처리반 통신 모듈을 구성하였으며, IEC 시험용 노트북에는 통신 규격을 검증할 수 있는 IEC 61850 Client 프로그램을 내장하였고 통신 패킷을 캡처할 수 있는 Wireshark 프로그램을 내장하고 현장정보처리반 통신 모듈의 이더넷스위치와 연결되는 통신 시험시료를 준비하였다. 이더넷스위치는 IEC 61850-3 환경시험 인증된 시료로 구성하였다. 시험 검증 장비로는 IEC 61850 Level A기관에서 인증받은 SPiN-CNAS 소프트웨어와 프로토콜 분석소프트웨어 Wireshark, IEC 61850-3 환경 인증된 이더넷스위치 MAR1020을 가지고 환경을 구성하여 시험하였다.
입력 모듈의 상세 하드웨어 구성으로는 원칩 마이크로컨트롤러(Micro-Controller)는 IEC 61850에 적합한 통신 속도 구현을 위하여 16Bit, 60MIPS 이상으로 하며, 저 소비 전력의 CMOS 소자를 사용하고 워치독 타이머(Watchdog Timer)를 내장하였다. 응답속도는 10msec 이내로 하며 입력 디바운스(Debounce) 시간은 4msec에서 64msec로 가변이 가능하다.
데이터처리
표 2는 구현된 IEC 61850 기반의 현장정보처리반의 시험 결과와 기존 현장정보처리반 시험 결과를 비교하였다. 결과로는 IEC 61850 기반의 현장정보처리반이 기존 현장정보처리반에 비해 제작 단가가 높은 단점이 있으나 IEC 61850 기반의 현장정보처리반 도입으로 기존 일반형 변전소 전력설비들을 IEC 61850 기반의 디지털형 변전소 전력설비로의 전환이 가능하고, 디지털 변전소 자동화에 적합한 데이터 처리속도와 변전소 설비의 시각동기화 등의 여러가지 장점 훨씬 클 것이다.
성능/효과
표 2는 구현된 IEC 61850 기반의 현장정보처리반의 시험 결과와 기존 현장정보처리반 시험 결과를 비교하였다. 결과로는 IEC 61850 기반의 현장정보처리반이 기존 현장정보처리반에 비해 제작 단가가 높은 단점이 있으나 IEC 61850 기반의 현장정보처리반 도입으로 기존 일반형 변전소 전력설비들을 IEC 61850 기반의 디지털형 변전소 전력설비로의 전환이 가능하고, 디지털 변전소 자동화에 적합한 데이터 처리속도와 변전소 설비의 시각동기화 등의 여러가지 장점 훨씬 클 것이다.
기존에 사용되고 있는 현장정보처리반을 IEC 61850기반으로 구성할 수 있는 입력 모듈과 출력 모듈을 하드웨어, 소프트웨어, Panel을 설계하여 실험하였다. 그리고 IEC 61850 Client 인증 프로그램과 Wireshark를 사용하였으며, 실험결과, 상태감시 시험에서 입력모듈 DC 48V를 확인 할 수 있었고, 제어조작 시험에서 출력모듈 125VDC를 확인할 수 있었다.
또한 IEC 61850 UCA 인증을 통하여, 적용된 시스템의 프로토콜 측면에서 적합성 검증과 적용의 가능성을 검증하였다. 기존 현장정보처리반을 IEC 61850 기반의 현장정보처리반으로 대체 적용함으로서 기설 변전소의 전력설비를 IEC 61850 기반의 디지털 변전소에 적합한 전력설비로 전환이 가능함을 증명하였다. 이후 논문 결과를 바탕으로 한국전력 변전소에 시범 적용을 거쳐 IEC 61850 기반으로 디지털화 되지 않은 변전소를 효과적으로 디지털화 할 수 있음을 검증해 나갈 계획이다.
또한 IEC 61850 UCA 인증을 통하여, 적용된 시스템의 프로토콜 측면에서 적합성 검증과 적용의 가능성을 검증하였다. 기존 현장정보처리반을 IEC 61850 기반의 현장정보처리반으로 대체 적용함으로서 기설 변전소의 전력설비를 IEC 61850 기반의 디지털 변전소에 적합한 전력설비로 전환이 가능함을 증명하였다.
후속연구
기존 현장정보처리반을 IEC 61850 기반의 현장정보처리반으로 대체 적용함으로서 기설 변전소의 전력설비를 IEC 61850 기반의 디지털 변전소에 적합한 전력설비로 전환이 가능함을 증명하였다. 이후 논문 결과를 바탕으로 한국전력 변전소에 시범 적용을 거쳐 IEC 61850 기반으로 디지털화 되지 않은 변전소를 효과적으로 디지털화 할 수 있음을 검증해 나갈 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
디지털변전소에 적용되는 국제 표준 통신규약은 무엇인가요?
전 세계적으로 국제 표준인 IEC 61850 통신규약을 사용하고 있고 국내에서도 2007년도부터 시험 적용과 연구개발을 통해 2013년부터 신규 건설되는 변전소는 IEC 61850 기반의 디지털변전소로 준공되어 지고 있다. 국내 대기업을 중심으로 디지털 변전소 운영시스템 개발을 위한 연구가 진행되어 LCP용 IED 전력응용기기를 개발하였으나, 기존 변전소에 설치되어 운전 중인 구형의 현장기기와 신형인 디지털 변전소 운영시스템에 사용되는 현장기기를 모두 수용할 수 있는 시스템 분야의 연구는 아직 미흡한 실정이다.
디지털형 변전소 시스템은 어떻게 구성되어 있나요?
디지털형 변전소 시스템 구성은 그림 2와 같이 디지털변전소 운영시스템, SA(Substation Automation)운영장치, SA시스템반, 이더넷 스위치(Ethernet Switch)반과 IED로 구성되어 되어 있다. SA운영장치는 전력설비에 대한 운용자 인터페이스를 제공하는 장치로써 변전소의 모든 전력설비에 대한 정보를 화면에 보여주고, 운용자의 명령을 처리하는 장치로서, IEC 61850 기반의 IED로부터 전송받은 현장기기의 각종 운전정보를 연산하고, 데이터베이스 관련 처리를 수행하며, 취득된 데이터의 분석 진단 결과를 운용자에게 가청 및 가시적인 방법으로 알려주고, 운용자의 조작명령을 전송하는 역할을 한다.
일반형 154kV 변전소 시스템은 IEC 61850 설비와 통신 연계가 불가능한 것 외에 또 어떤 단점이 있나요?
일반형 154kV 변전소 시스템은 IEC 61850 설비와 통신 연계가 불가능하다. SNTP(Simple Network Time Protocol) 서버와 같은 표준시각(국제사회가 사용하는 과학적 시간의 표준, UTC(Universal Time Coordinated)) 장치와도 연계가 불가하며, 하드와이어 접점 설비들과만 연계가 가능한 문제점을 가지고 있다. 또한 감시실 크기는 2종류(10m×10m, 11m×11m)가 있으며 공간이 한정되어 노후설비 교체 시 물리적 제약 조건을 고려해야 한다.
참고문헌 (8)
Hyoung-Bae Moon, "A study on Substation Automation in Power System", the degree of Master Electrical Engineering, Seoul National University of Technology, 2006
You-Jin Lee, Yong-Hak Kim, Eung-Bo Shim, Jeong-Yeol Han, Jong-Hwen Lee, "Development of Substation Automation System based on IEC 61850", Journal of IKEEE, pp. 716-717, July, 2011
Doo-Yeon Kim, Nam-Ho Lee, Jeong-Yeol Han, You-Jin Lee, Seok-Gon Kim, Jong-Ki Choi, Byung-Tae Jang, "Introduction of the implementation case of IEC 61850 based digital substation", Journal of the Korean Institute of Illumination and Electrical Installation Engineers, May, 2014
Taw-Wan Kim, Ilhyung Lim, Myeon-Song Choi, Seung-Jae Lee, Sung-Chul Kwon, "IEC 61850 Application in Distribution Automation System", Journal of IKEEE, vol. 60. no. 4, pp. 687-693, April, 2011
Byung-Kwen Song, Geong-Ung Kim, "Design of the Gateway Function for DNP3.0 and IEC61850", Journal of IKEEE, vol. 12. no. 3, pp. 151-157, September, 2008
Min-Uk Yang, "Study of appling SCADA system with IEC 61850 based electrical substation automation protocol and protocol comparison", the degree of Master Electrical Engineering, Chung-nam University, 2009
You-Jin Lee, Jeong-Yeol Han, Jong-Kee Choi and Nam-Ho Lee, 2016, "A Study on the Engineering Verification and Analysis of the IEC 61850 Based 154㎸ Digital Substation in KOREA," Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 30, No. 12, pp. 67-74. December 2016
Nam-Ho Lee, Byung-Tae Jang, " Development of IEC 61850 Client Testing System for Verifying the Communication Conformance of Substation Automation", Journal of the Korean Institute of Illumination and Electrical Installation Engineers, vol. 24, no. 6, pp. 169-176, June, 2010
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