[논문]ICT융복합 기술을 이용한 차세대 배전계통 운영 시스템 설계 및 검증

김동욱; 박영배; 추철민; 조성호; 서인용

doi:10.17662/ksdim.2019.15.4.019

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, with the rise of environmental issues and the change of government policy (Renewable Energy 3020 Implementation Plan), a large amount of renewable energy such as solar and wind power is connected to the power system, and most of the renewable energy is concentrated in the power distributio...

Recently, with the rise of environmental issues and the change of government policy (Renewable Energy 3020 Implementation Plan), a large amount of renewable energy such as solar and wind power is connected to the power system, and most of the renewable energy is concentrated in the power distribution network. This causes many problems with the voltage management and the protection coordination of the grid due to the its intermittent power generation. In order to effectively operate the distribution network, it is necessary to deploy more intelligent terminal devices in the field to measure the status of the distribution network and develop various operation functions such as visualization and big data analysis to support the power distribution system operators. In addition, the failover technology must be supported for the non-stop operation of the power distribution system. This paper proposes the system architecture of new power distribution management system to cope with high penetration of renewable energy. To verify the proposed system architecture, the functional unit test and performance measurement were performed.

주제어

표/그림 (21)

그림 <그림 1> 전력계통 변화
그림 <그림 2> DAS 시스템 구성도
그림 <그림 3> 배전계통 운전을 위한 HMI(단선도)
그림 <그림 4> 해외 ADMS 솔루션 SW아키텍처
그림 <그림 5> 배전계통운영시스템의 아키텍처 변화
그림 <그림 6> 배전계통 감시용 IoT 센서
그림 <그림 7> 다중 프로토콜 지원
그림 <그림 8> 전력정보시스템 망분리
그림 <그림 9> OpenAPI기반 전력 시스템 통합
그림 <그림 10> 차세대 배전운영시스템 미들웨어 역할
그림 <그림 11> CIM 표준 기반 데이터 모델링 예
그림 <그림 12> CIM 활용 예시
그림 <그림 13> 배전계통운전을 위한 대쉬보드와 GIS화면
그림 <그림 14> 차세대 배전운영시스템 SW아키텍처
그림 <그림 15> 차세대 배전운영시스템 HW 구성도
그림 <그림 16> 단위기능 시험 환경
그림 <그림 17> 성능 시험 환경
표 <표 1> 단위시험용 구축 장비
표 <표 2> 주요 단위시험 내용
표 <표 3> 성능시험용 구축 장비
표 <표 4> 성능시험 측정값

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 현재 배전계통 운영시스템의 현황과 관련 기술 동향을 기술하고, 미래의 배전계통 변화에 대비하기 위한 새로운 배전계통 운영시스템의 요구 기능과 시스템 아키텍처에 대해 기술하였다

가설 설정

그리고 배전계통내 고장 발생시 5분 이내 정전 복구를 피해를 처리해야하기 때문에 현장 설비의 실시간 감시·제어 기능은 배전운영시스템의 핵심 기능이다. 배전계통에 감시 대상 설비 증가와 이에 따른 대량으로 발생하는 다양한 형태의 데이터는 실시간 처리의 장애요인이다. 이에 따라서 배전계통에 투입된 장치들로부터 대량의 이벤트가 수시로 발생하는 상황을 대처할 수 있는 실시간 데이터 버스 기술이 요구된다.
<그림 12>는 CIM 모델링 활용을 통한 이종 시스템간의 상호운영성 향상 사례를 나타낸다. 배전관리시스템(DMS), 원격감시시스템(SCADA)에서 수집된 정보는 CIM 표준에 따라 모델링 되어져, EBS와 같은 서비스 연계 버스를 통해 전력정보시스템들간에 공유되어진다

제안 방법

개발 중인 차세대 배전운영시스템의 검증을 위하여 기능 단위시험을 수행하였다. 시험환경은 가상화 기술을 활용하여 <그림 16>과 <표 1>같은 시험용 장비들로 구성하였다.
본 논문에서는 미래 배전계통 변화에 대비하기 위한 차세대 배전운영시스템의 기술적 요구조건을 분석하고, SW와 HW 아키텍처를 설계했다. 향후 차세대 배전지능화시스템의 유용성 증대를 위하여 여러 전력정보시스템들 간의 데이터 불일치 문제와 계통 해석 기능 개발을 수행할 예정이다.

대상 데이터

기능 검증을 위하여 전체 1,023개 요구사항 중에서 기능 요구사항을 추출하여 929개 단위시험 항목을 도출하여 단위시험을 수행하였다. <표 2>는 차세대 배전 운영시스템의 주요 컴포넌트의 시험 내용을 나타내고 있다.
물리적 특성을 반영한 통신 연계 검증을 위한 지능형 단말장치(FRTU, Field Remote Terminal Unit)와배전계통을 모의하기 위한 FRTU SW시뮬레이터를 시험 검증장비로 활용하였다. 본 시험을 위해서 요구되는 설비와 배전계통 정보는 현재 운영중인 DBMS 의 데이터를 적용하였다.

데이터처리

물리적 특성을 반영한 통신 연계 검증을 위한 지능형 단말장치(FRTU, Field Remote Terminal Unit)와배전계통을 모의하기 위한 FRTU SW시뮬레이터를 시험 검증장비로 활용하였다. 본 시험을 위해서 요구되는 설비와 배전계통 정보는 현재 운영중인 DBMS 의 데이터를 적용하였다.
성능 시험 환경하에서 시험노드들간에 현장 측정값의 공유 성능 검증을 위해 실시간 데이터 버스의 쓰기 (WRITE)와 동기화(Sync)의 성능을 측정하였다. <그림 17>의 시험노드별로 로컬공유저장소(Local Share Storage)에 700Byte 크기의 데이터를 반복적으로 쓰기(WRITE)하고, 이 데이터가 다른 시험노드들의 로컬공 유저장소(Local Share Storage)로 동기화되는 성능을 측정하였다.

성능/효과

본 단위시험을 통해서 몇 가지의 시험 이슈가 도출되었다. SW설계시 고려되지 못한 GIS의 기본도 갱신 방법과 복수의 배전센터에 걸쳐있는 전력설비의 관리 방법 등이 이슈화 되었으며, 차세대 배전운영시스템의 분산 서버들을 효율적으로 원격 관리하기 위한 IT 인프라 관리 방안이 요구사항 정의단계에서부터 누락되었음을 확인하였다. 도출된 이슈들은 보완 개발 계획에 반영될 예정이다.
따라서 차세대 배전지능화시스템은 단선도와 계통도 중심의 단순 시각화 화면에서 벗어나 복잡한 배전 계통상황 인지를 향상 시킬 수 있는 지리정보시스템 (GIS)과 중요 배전계통 정보를 가공/표출할 수 있는 대쉬보드와 같은 새로운 시각화 기능을 제공하여, 운전원들의 의사결정(Decision Making)을 지원해야 한다. 시각화 유용성을 향상시키기 위해서는 다양한 계통 분석 기능들이 필요하기 때문에 신 배전정보시스템(NDIS, New Distribution Information System) 및 계량데이터관리시스템(MDMS, Meter Data Management System)와 같은 타 전력정보시스템들로부터 중요 배전계통관련 정보들을 수집하여 정보들 간의 관계성에 따라 정제된 통합 데이터 DB 구축도 필요하다.
따라서 현재 개발 중인 차세대 배전운영시스템은 기존 업무 프로세스 통합 및 데이터의 표준화는 물론 가까운 미래의 요구사항을 고려하여 기능 확장이 가능한 유연한 시스템 아키텍처로 설계하였다.
<그림 6>의 IoT센서는 변압기와 개폐기 같은 현장 전력설비를 대상으로 온도, 진동, 기울기 값을 측정하여 설비의 건전성을 판단할 수 있다. 또한 IoT센서를 이용한 설비 주변의 온도, 습도, 풍향/풍속 측정은 기상청 예보보다 지역적으로 정밀한 정보를 제공할 수 있어서 신재생 에너지 출력 예측의 정확도를 향상시킬 수 있다.
시험 참여 노드의 수를 증가 시킬수록 데이터 쓰기(WRITE)의 평균처리시간은 최대 35%까지 증가된 70 μs로 측정된 반면에 전체 성능은 114,240 TPS로 향상되었다. 이 성능 값은 지능형 단말장치(FRTU)가 200 개의 포인트 측정값을 갖는다고 가정했을 경우, 약 570대의 지능형 단말장치(FRTU)의 상태를 실시간으로 공유할 수 있음을 의미한다.
이 성능 값은 지능형 단말장치(FRTU)가 200 개의 포인트 측정값을 갖는다고 가정했을 경우, 약 570대의 지능형 단말장치(FRTU)의 상태를 실시간으로 공유할 수 있음을 의미한다. 현재 한 사업소가 약 500대의 지능형 단말장치(FRTU)들을 이용하여 배전 계통을 운영하는 상황을 고려했을 때 개발 중인 실시간 데이터 버스가 적정한 성능을 지원하고 있음을 확인하였다.

후속연구

계통의 변화를 대응하기 위해서 더 많은 지능화 단말장치들의 현장 설치가 필요하며, 배전계통 상황을 효과적으로 분석·판단하기 위해서 기존의 단순 감시·제어 목적의 배전계통 운영시스템에서 벗어나 계통 운전원이 직관적으로 이해할 수 있도록 지원하는 다양한 계통운영기능 개발이 요구된다.
따라서 차세대 배전지능화시스템은 단선도와 계통도 중심의 단순 시각화 화면에서 벗어나 복잡한 배전 계통상황 인지를 향상 시킬 수 있는 지리정보시스템 (GIS)과 중요 배전계통 정보를 가공/표출할 수 있는 대쉬보드와 같은 새로운 시각화 기능을 제공하여, 운전원들의 의사결정(Decision Making)을 지원해야 한다. 시각화 유용성을 향상시키기 위해서는 다양한 계통 분석 기능들이 필요하기 때문에 신 배전정보시스템(NDIS, New Distribution Information System) 및 계량데이터관리시스템(MDMS, Meter Data Management System)와 같은 타 전력정보시스템들로부터 중요 배전계통관련 정보들을 수집하여 정보들 간의 관계성에 따라 정제된 통합 데이터 DB 구축도 필요하다.
본 논문에서는 미래 배전계통 변화에 대비하기 위한 차세대 배전운영시스템의 기술적 요구조건을 분석하고, SW와 HW 아키텍처를 설계했다. 향후 차세대 배전지능화시스템의 유용성 증대를 위하여 여러 전력정보시스템들 간의 데이터 불일치 문제와 계통 해석 기능 개발을 수행할 예정이다.
배전계통에 설치되는 장치 기술 변화에 대응하기 위해서 차세대 배전운영시스템은 현장의 다양한 장치들과 직접적인 연결을 지원하는 게이트웨이 기술을 지원하여야 한다. 현재 배전자동화시스템(DAS)에서 사용하고 있는 DNP(Distributed Network Protocol) 프로토콜뿐만 아니라, 대부분의 신재생 에너지에서 사용 중인 Modbus 프로토콜과 현재 배전 계통 감시를 위해 사업화 연구 진행 중인 IoT 통신 프로토콜(CoAP, HTTP, MQTT)을 지원해야 하며, 4 차 산업 기술 발달에 따라 향후 출현할 수 있는 미래의 통신 프로토콜 지원을 위하여 통신 프로토콜 확장 기능을 제공해야한다.
환경문제 대두에 따른 정부 정책 변화에 따라 무제한 분산전원 연계 정책으로 복잡해지는 배전계통의 안정도 확보 및 다양한 전력설비의 유연한 수용을 위하여 차세대 배전지능화시스템 개발이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SIEMENS는 어떤 시스템을 구축할 수 있는가?	배전망 운영을 위한 통합솔루션을 제공하는 Schneider는 ADMS 선도 회사로써 서비스 버스 기반에 원격감시제어시스템(SCADA), 배전관리시스템 (DMS, Distribution Management System), 정전관리시스템(OMS, Outage Management System), 수요관리시 스템(DRM, Demand Response Management System), 에너지관리시스템(EMS, Energy Management System)의 통합시스템 구축을 지원한다[7]. SIEMENS는 감시·운영, 분석·최적화, 추적·복구 기능을 통합한 3 in 1 기능조합을 지원하여 운용자별 맞춤형 계통 운영시스템을 구축할 수 있다[9].
	배전자동화시스템이란?	배전자동화시스템(DAS)은 감시·제어 기능 제공을 목적으로 하는 SCADA 형태의 시스템이다. 이 시스템은 배전 계통에 설치된 지능화 단말장치(FRTU, Field Remote Terminal Unit)와 개폐기를 통신 연계 기능모듈인 전단처리기(FEP, Front End Processor)를통해서 전압·전류 계측 값 취득 및 제어신호 전달을 수행한다.
	배전자동화시스템의 역할은?	배전자동화시스템(DAS)은 감시·제어 기능 제공을 목적으로 하는 SCADA 형태의 시스템이다. 이 시스템은 배전 계통에 설치된 지능화 단말장치(FRTU, Field Remote Terminal Unit)와 개폐기를 통신 연계 기능모듈인 전단처리기(FEP, Front End Processor)를통해서 전압·전류 계측 값 취득 및 제어신호 전달을 수행한다.

참고문헌 (10)

김명수, 하복남, 권성철, 박영배, 차세대 DMS 구축방안 연구 최종보고서, 한전전력연구원, 2016.
E.-K. Chan, H. Ebenhoh, "The implementation and evolution of a SCADA system for a large distribution network," IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 7, 1992, pp. 320-326.

상세보기
김헌태, 장성수, "3020신재생에너지 정책의 성공적 달성을 위한 전력계통 안정화 핵심기술 개발 방향," 대한전기학회, 전기학회논문지, 67(2), 2018, pp.149-157.

원문보기 상세보기
Kristian Steenstrup, IT and Operational Technology: Convergence, Alignment and Integration, Gartner, G00210814, 2011.
Ashish Garg, Fusion of IT and OT in Utilities, energycentral, Digital Utility Group, 2013.
Jeff Meyers, P.E, How the Convergence of IT and OT Enables Smart Grid Development, Schneider Electric, 2013.
Advanced Distribution Management System, https://www.schnider-electric.com
PowerOn Advantage-Advanced Distribution Management System(ADMS), https://www.ge.com
Spectrum Power ADMS, https://w3.usa.simens.com
Lauren Callaway, Richelle Elberg, Advanced Distribution Management Systems, Navigant research, 2015.

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