현재 변전소 자동화를 위해서는 국제 표준인 IEC 61850 통신규약이 사용되어지고 있고, 국내에서도 2007년도부터 시험 적용과 연구개발을 통해 2013년부터 신규 건설되는 변전소는 IEC 61850 기반의 디지털변전소로 준공되어 지고 있다. 하지만 기존 변전 설비들(변압기, T/L GIS, D/L GIS 등)은 그대로 사용하면서 기존 RTU 기반의 변전소 운영 시스템을 IEC 61850 기반의 SA 변전소 운영시스템으로 전환한 사례는 거의 없다. 따라서 기존 변전설비의 IEC 61850 도입은 기존 설비 재사용으로 변전소의 지속가능성을 증대시키고 또한 최신 도입되는 타 변전소와의 상호운영성을 개선하고 기존 변전소를 무인화 운전에 적합한 시스템으로 전환할 수 있는 이점이 있다. 본 논문에서는 기존의 RTU 기반 변전소 운영시스템을 IEC 61850 기반의 현장정보처리반, 이더넷 스위치반, SA 운영시스템을 이용하여 디지털 변전소화한 사례를 소개하고, 패킷 분석 툴인 IEC 61850 클라이언트 인증 프로그램과 Wireshark를 사용하여 IEC 61850 적합성 및 그 타당성을 실증을 통하여 검증하였다.
현재 변전소 자동화를 위해서는 국제 표준인 IEC 61850 통신규약이 사용되어지고 있고, 국내에서도 2007년도부터 시험 적용과 연구개발을 통해 2013년부터 신규 건설되는 변전소는 IEC 61850 기반의 디지털변전소로 준공되어 지고 있다. 하지만 기존 변전 설비들(변압기, T/L GIS, D/L GIS 등)은 그대로 사용하면서 기존 RTU 기반의 변전소 운영 시스템을 IEC 61850 기반의 SA 변전소 운영시스템으로 전환한 사례는 거의 없다. 따라서 기존 변전설비의 IEC 61850 도입은 기존 설비 재사용으로 변전소의 지속가능성을 증대시키고 또한 최신 도입되는 타 변전소와의 상호운영성을 개선하고 기존 변전소를 무인화 운전에 적합한 시스템으로 전환할 수 있는 이점이 있다. 본 논문에서는 기존의 RTU 기반 변전소 운영시스템을 IEC 61850 기반의 현장정보처리반, 이더넷 스위치반, SA 운영시스템을 이용하여 디지털 변전소화한 사례를 소개하고, 패킷 분석 툴인 IEC 61850 클라이언트 인증 프로그램과 Wireshark를 사용하여 IEC 61850 적합성 및 그 타당성을 실증을 통하여 검증하였다.
Currently, the new substation automation uses the international standard IEC 61850 communication protocol. KEPCO is also constructing a new substation based on IEC 61850 from 2013 through the pilot application and research and development starting from 2007. However, there are few cases where existi...
Currently, the new substation automation uses the international standard IEC 61850 communication protocol. KEPCO is also constructing a new substation based on IEC 61850 from 2013 through the pilot application and research and development starting from 2007. However, there are few cases where existing substations(Transformer, T/L GIS, D/L GIS, etc.) have been used, and RTU based substations operating systems have been changed to SA substations based on IEC 61850. Therefore, the introduction of IEC 61850 in existing substation facilities has the advantage of enhancing the substantiality of the substation by reusing existing facilities, improving the interoperability with the latest substations introduced, and converting existing substations into systems suitable for unmanned operation. In this paper, we introduce a case of changing the existing RTU based substation operation system to digital substation using IEC 61850 field information processor, Ethernet switch and SA operation system. Also, IEC 61850 client authentication program and Wireshark, which is a packet analysis tool, verify IEC 61850 conformance and its feasibility.
Currently, the new substation automation uses the international standard IEC 61850 communication protocol. KEPCO is also constructing a new substation based on IEC 61850 from 2013 through the pilot application and research and development starting from 2007. However, there are few cases where existing substations(Transformer, T/L GIS, D/L GIS, etc.) have been used, and RTU based substations operating systems have been changed to SA substations based on IEC 61850. Therefore, the introduction of IEC 61850 in existing substation facilities has the advantage of enhancing the substantiality of the substation by reusing existing facilities, improving the interoperability with the latest substations introduced, and converting existing substations into systems suitable for unmanned operation. In this paper, we introduce a case of changing the existing RTU based substation operation system to digital substation using IEC 61850 field information processor, Ethernet switch and SA operation system. Also, IEC 61850 client authentication program and Wireshark, which is a packet analysis tool, verify IEC 61850 conformance and its feasibility.
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문제 정의
IEC 61850 변전자동화시스템은 국제규격의 통신서비스를 이용하여 각 기기들 간의 상호운용성의 보증을 기반으로 운영되기 때문에 시스템을 구성하는 IED와 상위운영시스템의 통신상의 적합성 검증이 중요하며, 본 논문에서 실증하고자 하였든 일반형 RTU 기반의 변전소 운영시스템을 디지털 변전자동화시스템에 적합한 IEC 61850 기반의 변전소로의 전환에 있어서 현장정보처리반이 IEC61850 기반의 IED와 같이 효과적으로 현장 설비 및 상위운영시스템과의 통신상의 적합성을 만족 하였다.
본 논문에서는 RTU 및 축소형 모자익반 기반으로 운전 중인 한국전력공사의 진동변전소, 비아변전소의 GIS 인터페이스 설비 및 보호 장치, 변압기 인터페이스 설비 및 보호 장치 등은 교체하지 않고, 감시실의 RTU 설비 및 주변 설비들을 IEC 61850 적용이 가능한 SA 운영 시스템과 IEC 61850 기반의 현장정보처리장치 및 DI 모듈, DO 모듈, AI 모듈로 구성된 현장정보처리반으로 교체하여 RTU 기반 변전소의 IEC 61850 기반 SA 변전소로의 전환에 대한 타당성을 실증하였다.
본 논문에서는 노후화로 교체주기가 도래한 기존 변전소에 설치되어 운전 중인 구형의 현장기기인 RTU에 연결되어 있는 하드와이어(Hard Wire) 정보를 IEC 61850 프로토콜 기반의 현장정보처리반으로 대체하고, 기존의 축소형 모자익반을 IEC 61850 기반의 SA(Substation Automation) 운영시스템과 HMI(Human Machine Interface)로 대체하여 SA 변전소 운영시스템화 하는 방법을 제시하고 실 사례를 기반으로 가능성을 검증하였다.
본 논문에서는 변압기, GIS 등의 일반 변전소 설비의 계측, 제어 신호가 연결된 RTU 및 관련 설비를 디지털 SA 변전소에 적합한 IEC 61850 기반으로 전환할 수 있는지에 대해서 실증 연구하였다. 기존에 사용되고 있는 RTU 기반의 현장정보처리반을 IEC 61850기반으로 구성할 수 있는 IEC 61850기반의 현장정보처리반, 이더넷스위치반, SA 시스템반, SA 운영장치를 현장에 설치하여 실증하였다.
제안 방법
IEC 61850 적합성에 대한 검증 항목을 요약하면, 다음 표 1과 같으며, 본 논문에서는 한국전력공사가 현장에서 사용 중인 IEC 61850 클라이언트 기능을 위주로 검증하였으며, 또한 본 현장정보처리반에 탑재된 IEC 61850은 서버의 기능임으로 GOOSE 메시지에 대한 시험도 진행하였다. 그림 8과 같이 Wireshark Log 패킷 분석을 통하여 IEC 61850 클라이언트와 현장정보처리장치의 IEC 61850 서보 시스템이 상호 IEC 61850 Basic Exchange 메시지를 원활이 주고받음을 확인할 수 있었다.
그림 3과 같이 연결된 일반형 RTU 기반의 154kV 변전소에 연결되어 있는 변압기, GIS 등의 각종 변전설비의 제어, 계측 케이블을 그림 4와 같이 IEC 61850 기반의 현장정보처리반, 이더넷스위치반(E/S), SA 시스템 및 SA 운영장치 스테이션(Station)을 적용한 IEC 61850 SA 변전소로 전환하기 위하여, 현장정보처리반은 IEC 61850장치와 CT, PT 및 변압기 Tap Changer 등의 아날로그 신호를 위한 아날로그 입력 모듈, CB, DS, ES 상태, 로컬/원격 제어 스위치 등의 디지털 입력 신호를 위한 디지털 입력 모듈, CB, DS, ES 등의 제어를 위한 디지털 출력 모듈 그리고 온도, 습도 측정 및 통신 기능을 구비한 판넬 감시진단장치로 구성되었다. 또한 현장정보처리장치에는 IEC 61850 Server 기능을 내장하여 IED 및 표준시각동기장치 그리고 SA운영장치와 IEC 61850 통신을 할 수 있도록 구성되었으며, 기존 RTU가 수행 중이든 인터록 등의 로직(Logic)을 수행할 수 있도록 로직제어기를 탑재하였고, 전면 LCD에는 각종 현장정보처리반의 상태를 확인할 수 있도록 구성하였다.
본 논문에서는 변압기, GIS 등의 일반 변전소 설비의 계측, 제어 신호가 연결된 RTU 및 관련 설비를 디지털 SA 변전소에 적합한 IEC 61850 기반으로 전환할 수 있는지에 대해서 실증 연구하였다. 기존에 사용되고 있는 RTU 기반의 현장정보처리반을 IEC 61850기반으로 구성할 수 있는 IEC 61850기반의 현장정보처리반, 이더넷스위치반, SA 시스템반, SA 운영장치를 현장에 설치하여 실증하였다. 그리고 IEC 61850 Client 인증 프로그램과 Wireshark를 사용하여 시각동기, 상태감시, 상태제어,GOOSE 메시지 등이 IEC 61850 국제 규격에 적합하게 동작함을 확인할 수 있었다.
그림 3과 같이 연결된 일반형 RTU 기반의 154kV 변전소에 연결되어 있는 변압기, GIS 등의 각종 변전설비의 제어, 계측 케이블을 그림 4와 같이 IEC 61850 기반의 현장정보처리반, 이더넷스위치반(E/S), SA 시스템 및 SA 운영장치 스테이션(Station)을 적용한 IEC 61850 SA 변전소로 전환하기 위하여, 현장정보처리반은 IEC 61850장치와 CT, PT 및 변압기 Tap Changer 등의 아날로그 신호를 위한 아날로그 입력 모듈, CB, DS, ES 상태, 로컬/원격 제어 스위치 등의 디지털 입력 신호를 위한 디지털 입력 모듈, CB, DS, ES 등의 제어를 위한 디지털 출력 모듈 그리고 온도, 습도 측정 및 통신 기능을 구비한 판넬 감시진단장치로 구성되었다. 또한 현장정보처리장치에는 IEC 61850 Server 기능을 내장하여 IED 및 표준시각동기장치 그리고 SA운영장치와 IEC 61850 통신을 할 수 있도록 구성되었으며, 기존 RTU가 수행 중이든 인터록 등의 로직(Logic)을 수행할 수 있도록 로직제어기를 탑재하였고, 전면 LCD에는 각종 현장정보처리반의 상태를 확인할 수 있도록 구성하였다. 그림 5는 현장 설치된 현장 정보처리반이며, 그림 6은 SA 운영시스템 및 HMI가 설치된 사진이며, 그림 7은 현장정보처리반에 구현된 인터록 로직편집기 캡처 환면이다.
실증을 위한 클라이언트 IEC 61850 적합성을 검증하기 위한 시험항목에 대한 요약은 다음과 같다[6,7,8]. 본 논문에 적용된 IEC 61850 기반 현장정보처리반은 클라이언트와 연결되는 IEC 61850 서버 기능을 탑재하고 있음으로 기존 정의된 클라이언트와의 상호 통신과 기능 동작을 기준으로 적합성을 검증하였다. 실증을 위한 클라이언트 IEC 61850 적합성을 검증하기 위한 시험항목에 대한 요약은 다음과 같다[6,7,8].
대상 데이터
또한 그림 13과 같이 현장 설치된 현장정보처리반은 기존의 IEC 61850 기반의 IED들과 상호 GOOSE 메시지를 정상적으로 주고받았다. IEC 61850 기반 통신 연결, DI 모듈을 통한 정보 수집, DO 모듈을 통한 현장 설비 제어, AI 모듈을 통한 전류, 전압 획득 및 GOOSE 연동 시험을 통하여, 본 논문에서 제안된 IEC 61850 기반의 현장정보처리반이 RTU를 효과적으로 대체하여 IEC61850 기반의 IED와 동일한 기능을 수행함을 확인하였다.
성능/효과
또한 현장에 운영 중인 일반형 RTU 및 모자익판넬을 대체하기 위하여 설치된 IEC 61850 기반의 현장정보처리장치는 기존 RTU가 수행하지 못하는 SNTP 시각동기를 그림 9와 같이 정상 수신하였음을 Wireshark Log 패킷을 통하여 확인할 수 있었다. Data Set, Substitution 및 Setting Group Selection은 IEC 61850 클라이언트와 IEC 61850 서버가 통신 규약이 일치하여만 통신이 가능하며, Unbuffered Reporting은 그림 10과 같이 정상 동작함을 확인하였다. 한국전력공사에서 사용 중인 IEC61850 클라이언트는 Buffered Reporting 기능을 사용하지 않음으로 본 논문에서는 검증하지 않았다.
또한 그림 13과 같이 현장 설치된 현장정보처리반은 기존의 IEC 61850 기반의 IED들과 상호 GOOSE 메시지를 정상적으로 주고받았다. IEC 61850 기반 통신 연결, DI 모듈을 통한 정보 수집, DO 모듈을 통한 현장 설비 제어, AI 모듈을 통한 전류, 전압 획득 및 GOOSE 연동 시험을 통하여, 본 논문에서 제안된 IEC 61850 기반의 현장정보처리반이 RTU를 효과적으로 대체하여 IEC61850 기반의 IED와 동일한 기능을 수행함을 확인하였다. 다만, SBO Control, Enhanced Direct Control, Enhanced SBO Control 및 File transfer 기능은 적용 현장에는 미사용 기능으로 적합성 검증은 향후 시험기관을 통하여 추가 검증해 나갈 계획이다.
기존에 사용되고 있는 RTU 기반의 현장정보처리반을 IEC 61850기반으로 구성할 수 있는 IEC 61850기반의 현장정보처리반, 이더넷스위치반, SA 시스템반, SA 운영장치를 현장에 설치하여 실증하였다. 그리고 IEC 61850 Client 인증 프로그램과 Wireshark를 사용하여 시각동기, 상태감시, 상태제어,GOOSE 메시지 등이 IEC 61850 국제 규격에 적합하게 동작함을 확인할 수 있었다.
IEC 61850 적합성에 대한 검증 항목을 요약하면, 다음 표 1과 같으며, 본 논문에서는 한국전력공사가 현장에서 사용 중인 IEC 61850 클라이언트 기능을 위주로 검증하였으며, 또한 본 현장정보처리반에 탑재된 IEC 61850은 서버의 기능임으로 GOOSE 메시지에 대한 시험도 진행하였다. 그림 8과 같이 Wireshark Log 패킷 분석을 통하여 IEC 61850 클라이언트와 현장정보처리장치의 IEC 61850 서보 시스템이 상호 IEC 61850 Basic Exchange 메시지를 원활이 주고받음을 확인할 수 있었다. 또한 현장에 운영 중인 일반형 RTU 및 모자익판넬을 대체하기 위하여 설치된 IEC 61850 기반의 현장정보처리장치는 기존 RTU가 수행하지 못하는 SNTP 시각동기를 그림 9와 같이 정상 수신하였음을 Wireshark Log 패킷을 통하여 확인할 수 있었다.
그림 8과 같이 Wireshark Log 패킷 분석을 통하여 IEC 61850 클라이언트와 현장정보처리장치의 IEC 61850 서보 시스템이 상호 IEC 61850 Basic Exchange 메시지를 원활이 주고받음을 확인할 수 있었다. 또한 현장에 운영 중인 일반형 RTU 및 모자익판넬을 대체하기 위하여 설치된 IEC 61850 기반의 현장정보처리장치는 기존 RTU가 수행하지 못하는 SNTP 시각동기를 그림 9와 같이 정상 수신하였음을 Wireshark Log 패킷을 통하여 확인할 수 있었다. Data Set, Substitution 및 Setting Group Selection은 IEC 61850 클라이언트와 IEC 61850 서버가 통신 규약이 일치하여만 통신이 가능하며, Unbuffered Reporting은 그림 10과 같이 정상 동작함을 확인하였다.
일반형 RTU 및 현장정보처리반 기반의 변전소 운영시스템을 IEC 61850 기반의 SA 운영 시스템으로 대체 적용함으로서 기설 변전소의 변압기, GIS 등의 전력설비를 그대로 사용하면서 변전소를 IEC 61850 기반의 디지털 SA 변전소 운영 시스템으로 전환이 가능함을 실증하였다. 향후, 미검증 적합성 항목에 대해서는 시험기관을 통하여 추가 검증하고, 기설 변전소 복수 개소에 대체 적용하여 기존 일반형 RTU 기반의 변전소 운영 시스템을 효과적으로 SA 변전소 운영 시스템화 할 수 있음을 지속적으로 실증 검증 및 보완해 나갈 계획이다.
후속연구
IEC 61850 기반 통신 연결, DI 모듈을 통한 정보 수집, DO 모듈을 통한 현장 설비 제어, AI 모듈을 통한 전류, 전압 획득 및 GOOSE 연동 시험을 통하여, 본 논문에서 제안된 IEC 61850 기반의 현장정보처리반이 RTU를 효과적으로 대체하여 IEC61850 기반의 IED와 동일한 기능을 수행함을 확인하였다. 다만, SBO Control, Enhanced Direct Control, Enhanced SBO Control 및 File transfer 기능은 적용 현장에는 미사용 기능으로 적합성 검증은 향후 시험기관을 통하여 추가 검증해 나갈 계획이다.
일반형 RTU 및 현장정보처리반 기반의 변전소 운영시스템을 IEC 61850 기반의 SA 운영 시스템으로 대체 적용함으로서 기설 변전소의 변압기, GIS 등의 전력설비를 그대로 사용하면서 변전소를 IEC 61850 기반의 디지털 SA 변전소 운영 시스템으로 전환이 가능함을 실증하였다. 향후, 미검증 적합성 항목에 대해서는 시험기관을 통하여 추가 검증하고, 기설 변전소 복수 개소에 대체 적용하여 기존 일반형 RTU 기반의 변전소 운영 시스템을 효과적으로 SA 변전소 운영 시스템화 할 수 있음을 지속적으로 실증 검증 및 보완해 나갈 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
변전소의 디지털화가 요구되는 이유는?
전력시스템에 진보된 통신 기술과 새로운 전력 기술을 적용하여 효율성을 극대화하는 지능형 전력망 인프라 구축을 위해서는 변전소의 디지털화가 필요하다. 기존의 변전소 내 설비는 원방감시제어시스템(SCADA, Supervisory Control and Data Acquisition)을 중심으로 많은 부분 자동화, 무인화 되어 있다.
축소형 모자익 배전반은 무엇인가?
한국전력공사는 무인변전소에는 현장 설비의 운전상태를 자동으로 감시하는 원방감시제어시스템에 의한 변전설비 운전방식 및 디지털 신기술을 적용한 변전소 종합 자동화를 추진하고 있다. 축소형 모자익 배전반은 변전소 운전설비의 종합적인 감시, 제어 및 관리 기능을 수행하는 설비로서 2000년 중후반부터 변전소에 적용된 이후 현재까지 지속적으로 설치, 운영 중에 있다.
아날로그 신호형태로 개별적인 신호전송선에 의해 이루어진다면 겪는 문제점은 무엇인가?
변전소 내부에서는 전력소와 연결된 RTU(Remote Terminal Unit)에 구내에 설치된 전력기기들, 즉 변압기(Transformer), T/L GIS(Transmission Line Gas Insulated Switchgear), D/L GIS(Distribution Line Gas Insulated Switchgear) 등의 상태 정보 및 제어용 결선들이 아날로그 신호형태로 개별적인 신호전송선에 의해 이루어지고 있다. 그러나 변전설비의 확대 및 복잡화에 의한 보호설비의 증대로 제어케이블의 증가, 운용 보수업무의 증가 및 어려움과 더불어 설치 공간, 경제성, 공사 시공의 복잡화 등 여러 문제를 가지고 있다. 또한, 전력 설비들은 제조회사 별로 각각 다른 표준을 가지므로 상호 호환성을 기대할 수 없었다.
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