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문제 정의
- 첫째, 나주, 서울, 천안 급전소 및 향후 제주 급전소까지 고려할 수 있는 다중급전소 운영에 따른 시스템 요건을 정의하였으며 둘째, EMS 시스템 역할 확대에 주안점을 두었다. 전통적 EMS는 단일 시스템으로 외부 시스템 연계가 어려웠음을 감안하여 개별 시스템에서 해석한 정보를 통합하고 이를 바탕으로 365일 24시간 전력계통운영을 책임지고 있는 중앙급전소에 핵심정보를 가공하여 제공할 수 있는 EMS를 구축하고자 하였다. 마지막으로 K-EMS에서 개발된 기능을 세분화하고, 상용시스템에 맞는 검증 및 안정성 확보, 유지보수 용이성 등을 강화하는 방향으로 설계를 진행하였다.
제안 방법
- 차기EMS의 SCADA는 첫째, 취득 기능 확장(Scalability)과 보안에 중점을 두고 설계하였다. IEC 61850 기반의 IED(Inteligent Electronic Device) 변전소, 현재 연구중인 광역제어시스템(WAMAC) 등 감시 포인트 확대에 대비하였고, 향후 데이터 연계(지역급전소, 배전관리시스템등) 요구에 대처할 수 있도록 IEC 61970 CIM 구조 채택, 비중앙발전기에 대한 취득기능과 일반 텍스트 파일이나 상용DBMS 연계 등 여러 연계요소를 고려하였다. 또한 사이버 보안 강화를 위해 Secure DNP, Secure ICCP 등 보안 프로토콜 지원이 가능하며, 연계 네트워크에는 침입방지 시스템 등을 설치하여 보안성을 확보하였다.
- 둘째, 차기EMS의 가용성은 이중화 구성과 기능별 분산시스템을 도입하여 확보하게 된다. 단순한 메모리 상주 여부가 아닌 메시지 교환방식을 통한 모든 프로세스의 감시, 데이터베이스 감시, 파일시스템 감시, 페이지 파일 및 네트워크 감시 등 모든 감시요소를 세분화해 ENABLE/STANDBY 상태를 결정하게 되며, 필요시 절체(Fail-Over) 기능을 통해 가용성을 확보할 수 있는 구조로 설계하였다.
- 즉 변수 및 함수에 대한 명명규칙, 주석 및 변경관리, 소프트웨어별 로깅, 메시지 등에 대한 기준과 작성방법을 명확하게 통일하고 설계문서에도 이러한 절차를 준수하여 개발함으로써 개발인력변화로 인한 위험을 최소화하고 향후 유지보수 용이성을 확보하도록 설계하였다. 또한, 체계적이고 문서화된 소프트웨어의 형상관리를 위해 IEEE 828-2005(IEEE Standard for Software Quality Assurance Plans)를 준수하여 개발과정에서 이루어지는 모든 작업에 대한 관리 및 감독을 통해 소프트웨어의 일관성 확보에 중점을 두었다.
- 전통적 EMS는 단일 시스템으로 외부 시스템 연계가 어려웠음을 감안하여 개별 시스템에서 해석한 정보를 통합하고 이를 바탕으로 365일 24시간 전력계통운영을 책임지고 있는 중앙급전소에 핵심정보를 가공하여 제공할 수 있는 EMS를 구축하고자 하였다. 마지막으로 K-EMS에서 개발된 기능을 세분화하고, 상용시스템에 맞는 검증 및 안정성 확보, 유지보수 용이성 등을 강화하는 방향으로 설계를 진행하였다.
- 전력거래소는 차기EMS의 비전을 국산화, 안정성 및 확장성을 통해 미래에너지 사회선도를 위한 최상의 IT 인프라 구축으로 선정하였다. 본론에서 제시한 설계연구 내용은 수년간의 EMS 운영경험과 자체 기술력을 통한 유지보수 경험 및 국내제작사와 긴밀한 기술적 협의를 통해 상세설계과정으로 이어질 것이다. 상세한 설계과정을 바탕으로 각 기능들이 제작될 것이며, 이렇게 만들어진 기능들은 단위시험, 통합시험, 공장시험, 현장인수시험, 실증시험, 가용성시험을 거쳐 나주급전소에서 그 성능을 발휘할 것이다.
- 하지만, 차기EMS는 CS방식의 유지보수 어려움과 기술 종속의 문제점을 해결하고, 사용자 인터랙티브 제고 및 다수데이터 분석 및 연관정보 융합과 같은 매쉬업 기능을 지원하는 RIA(Rich Internet Application)을 지원하는 강력한 UI 기능으로 설계하였다. 실시간 성능 확보를 위해 최적화된 DB 엔진 구현을 통해 최대 20,000포인트에 대해 2초 갱신을 성능조건으로 설계하였다. 보안 이슈인 Active-X 사용은 지양하고 순수 웹언어(html)을 사용하여 향후 확정될 html-5 표준에도 시스템 적용이 용이한 기술방식을 채택하였다.
- 현재 연구 중인 풍력예측시스템 연계는 물론, 수요반응과 관련한 예비력 산정, 신재생에너지 제어방안 수립 등을 설계에 반영하였으며 둘째, 제어신호에 따른 출력변화를 수치화한 발전기 응답모델 사용 및 미추종 여부 판단, 그룹제어 도입 등 발전기 제어기능을 강화하였으며 셋째, 주파수취득 이중화 및 RTU 취득 주파수 유효성 검증, 발전단/송전단 변환기능, 예비력 모델링 기능 도입, 다중급전소간 제어상태 동기화 등 전력거래소가 운영하면서 도출된 개선점을 시스템 설계에 반영하였다. 이 밖에 주파수제어를 위해 타임에러 보정방식의 계획기능 도입, 제어동작 최소화를 위한 동적제어부동대 운영, 미소신호 누적기, 오버슈팅 방지를 위한 피드백제어기 등에 대한 기술조건을 마련하였으며, 전력계통의 최적화된 발전기별 경제적 배분량을 결정하기 위해 증분연료비 및 손실계수 동시 고려, 예비력 제약, 발전기 운전제약 등을 고려할 수 있게 설계하였다.
- 이를 위해 IT 기반구조는 코딩 표준화, 웹기반 사용자 인터페이스, 서비스 지향 아키텍쳐 도입, 시스템 관리 요소에 중점을 두고 설계하였으며, EMS의 핵심 응용기능인 SCADA, 자동발전제어, 계통해석, 급전원 훈련시뮬레이터의 기능을 강화하였으며, 대전력계통운영을 위한 시각화 시스템을 도입하여 국내 기술력 기반의 해외수출이 가능한 최신의 EMS를 설계하였다. 본론에서는 이러한 내용을 중점으로 기술하였다.
- 차기EMS IT Infra-Structure는 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition), AGC(Automatic Generation Control), NA(Network Analysis), DTS(Dispatcher Training Simulator) 등 핵심응용프로그램이 최적의 성능을 발휘하기 위해 선제적으로 고려할 필수요소라고 할 수 있다. 이를 위해 차기EMS는 응용프로그램의 개발뿐만 아니라 디버깅, 수정, 추가 등 전력계통 진화에 따른 확장성과 안정성을 담보하기 위한 코딩 표준화, RIA(Rich Internet Application) 형태의 웹 사용자 인터페이스 도입 및 여러 개의 단위시스템과 정보공유를 위한 SOA(Service Oriented Architecture) 등 최신 기술 및 표준을 준수한 IT 기반구조를 통해 선진 EMS 제품 대비 우수성을 확보할 수 있는 시스템 구조로 설계되었다.
- 차기EMS는 이러한 문제점을 해소하고 개발된 소프트웨어의 가독성을 높이기 위해 코딩 표준을 정립하고, 표준화 검사 툴을 도입하여, 마치 한 명의 개발자가 작성한 것처럼 일관된 스타일을 유지하는 방식을 채택하였다. 즉 변수 및 함수에 대한 명명규칙, 주석 및 변경관리, 소프트웨어별 로깅, 메시지 등에 대한 기준과 작성방법을 명확하게 통일하고 설계문서에도 이러한 절차를 준수하여 개발함으로써 개발인력변화로 인한 위험을 최소화하고 향후 유지보수 용이성을 확보하도록 설계하였다. 또한, 체계적이고 문서화된 소프트웨어의 형상관리를 위해 IEEE 828-2005(IEEE Standard for Software Quality Assurance Plans)를 준수하여 개발과정에서 이루어지는 모든 작업에 대한 관리 및 감독을 통해 소프트웨어의 일관성 확보에 중점을 두었다.
- 차기EMS와 함께 추진 중인 차기MOS(Market Operating Systen)와 연계 유연성 확보 및 거래소가 운영중인 여러 개의 단위 시스템 연계를 위해 전력거래소는 웹서비스 형태의 SOA(Service Oriented Architecture)를 차기EMS의 연계표준으로 설계하였다. 분산환경에서 정보 교환은 XML(eXtensible Markup Language) 형태의 SOAP(Simple Object Access Protocol) 메시지 교환으로 이루어지게 되며, 기존 함수 호출이나 데이터 교환 등이 서비스 모델로 가능해짐에 따라 EMS 기능 확장이 용이(Vendor Independent)해지고 데이터 교환 비용이 감소할 것으로 기대된다.
- 차기EMS의 AGC에 대한 설계방향은 첫째, 스마트그리드 시대에 대비한 제어방안 수립에 중점을 두었다. 현재 연구 중인 풍력예측시스템 연계는 물론, 수요반응과 관련한 예비력 산정, 신재생에너지 제어방안 수립 등을 설계에 반영하였으며 둘째, 제어신호에 따른 출력변화를 수치화한 발전기 응답모델 사용 및 미추종 여부 판단, 그룹제어 도입 등 발전기 제어기능을 강화하였으며 셋째, 주파수취득 이중화 및 RTU 취득 주파수 유효성 검증, 발전단/송전단 변환기능, 예비력 모델링 기능 도입, 다중급전소간 제어상태 동기화 등 전력거래소가 운영하면서 도출된 개선점을 시스템 설계에 반영하였다.
- 차기EMS의 SCADA는 첫째, 취득 기능 확장(Scalability)과 보안에 중점을 두고 설계하였다. IEC 61850 기반의 IED(Inteligent Electronic Device) 변전소, 현재 연구중인 광역제어시스템(WAMAC) 등 감시 포인트 확대에 대비하였고, 향후 데이터 연계(지역급전소, 배전관리시스템등) 요구에 대처할 수 있도록 IEC 61970 CIM 구조 채택, 비중앙발전기에 대한 취득기능과 일반 텍스트 파일이나 상용DBMS 연계 등 여러 연계요소를 고려하였다.
- 전력거래소는 차기EMS 구축을 위한 기본 설계방향으로 다음과 같은 점을 주요 목표로 정하였다. 첫째, 나주, 서울, 천안 급전소 및 향후 제주 급전소까지 고려할 수 있는 다중급전소 운영에 따른 시스템 요건을 정의하였으며 둘째, EMS 시스템 역할 확대에 주안점을 두었다. 전통적 EMS는 단일 시스템으로 외부 시스템 연계가 어려웠음을 감안하여 개별 시스템에서 해석한 정보를 통합하고 이를 바탕으로 365일 24시간 전력계통운영을 책임지고 있는 중앙급전소에 핵심정보를 가공하여 제공할 수 있는 EMS를 구축하고자 하였다.
- EMS는 실시간 전력계통 제어를 위한 시스템으로 대개의 경우 실시간 제어 성능 확보를 위해 클라이언트-서버방식(CS)을 통해 UI를 구현하는 것이 일반적이다. 하지만, 차기EMS는 CS방식의 유지보수 어려움과 기술 종속의 문제점을 해결하고, 사용자 인터랙티브 제고 및 다수데이터 분석 및 연관정보 융합과 같은 매쉬업 기능을 지원하는 RIA(Rich Internet Application)을 지원하는 강력한 UI 기능으로 설계하였다. 실시간 성능 확보를 위해 최적화된 DB 엔진 구현을 통해 최대 20,000포인트에 대해 2초 갱신을 성능조건으로 설계하였다.
성능/효과
- 또한 사이버 보안 강화를 위해 Secure DNP, Secure ICCP 등 보안 프로토콜 지원이 가능하며, 연계 네트워크에는 침입방지 시스템 등을 설치하여 보안성을 확보하였다. 둘째, 다중급전소(나주, 천안, 서울) 운영에 따른 취득 데이터 동기화를 위해 각 급전소별 업무범위에 따른 권한관리 기능을 도입하여 취득데이터에 대한 정합성을 항시 보장할 수 있도록 설계하였으며, 다중급전소간 데이터 취득 역시 장애시에 대비하여 이중화 취득 기능을 보유하게 된다. 셋째, 취득 데이터의 정확도를 제고하기 위해 모선에 연결된 모든 설비의 유, 무효 전력의 합계와 허용오차를 비교, 개방된 개폐장치에 흐르는 유, 무효 전력 검출 등 취득 데이터 검증 기능을 통해 취득 데이터 유효성을 제고할 수 있는 기능을 보유하게 될 것이다.
- 또한 관리프로그램은 모델링 기능을 제공하여 새로운 기능 추가 등 프로그램 관리의 유연성을 확보할 수 있을 뿐 아니라 복잡한 기능 수행에 대한 사용자 이해도를 제고할 수 있을 것이다. 둘째, 차기EMS의 가용성은 이중화 구성과 기능별 분산시스템을 도입하여 확보하게 된다. 단순한 메모리 상주 여부가 아닌 메시지 교환방식을 통한 모든 프로세스의 감시, 데이터베이스 감시, 파일시스템 감시, 페이지 파일 및 네트워크 감시 등 모든 감시요소를 세분화해 ENABLE/STANDBY 상태를 결정하게 되며, 필요시 절체(Fail-Over) 기능을 통해 가용성을 확보할 수 있는 구조로 설계하였다.
- IEC 61850 기반의 IED(Inteligent Electronic Device) 변전소, 현재 연구중인 광역제어시스템(WAMAC) 등 감시 포인트 확대에 대비하였고, 향후 데이터 연계(지역급전소, 배전관리시스템등) 요구에 대처할 수 있도록 IEC 61970 CIM 구조 채택, 비중앙발전기에 대한 취득기능과 일반 텍스트 파일이나 상용DBMS 연계 등 여러 연계요소를 고려하였다. 또한 사이버 보안 강화를 위해 Secure DNP, Secure ICCP 등 보안 프로토콜 지원이 가능하며, 연계 네트워크에는 침입방지 시스템 등을 설치하여 보안성을 확보하였다. 둘째, 다중급전소(나주, 천안, 서울) 운영에 따른 취득 데이터 동기화를 위해 각 급전소별 업무범위에 따른 권한관리 기능을 도입하여 취득데이터에 대한 정합성을 항시 보장할 수 있도록 설계하였으며, 다중급전소간 데이터 취득 역시 장애시에 대비하여 이중화 취득 기능을 보유하게 된다.
- 또한 실시간 동적안정도 평가기능을 도입하여 P-V 및 Q-V 커브분석을 통한 전압안정도를 분석하고 불안정시 대책을 제공하게 되며, 외란 이후의 과도시간 동안 발전기 위상각, 출력, 전압 및 주파수 모의를 통한 과도안정도를 평가하고, 지역간 저주파진동과 계통파라미터 민감도 분석 등 미소신호안정도 평가 역시 가능하게 설계되었다. 마지막으로 공용데이터서버 개념을 도입하여 PSS/E 응용프로그램에서 사용하는 조류계산용(RAW), 고장해석용(SEQ), 안정도해석용(DYN) 데이터 파일과 차기EMS 계통해석 기능에서 사용하는 데이터와 원할한 연계관리를 통해 실무부서에서의 EMS 활용도를 대폭 향상시킬 수 있도록 하였다.
- 차기EMS의 AGC에 대한 설계방향은 첫째, 스마트그리드 시대에 대비한 제어방안 수립에 중점을 두었다. 현재 연구 중인 풍력예측시스템 연계는 물론, 수요반응과 관련한 예비력 산정, 신재생에너지 제어방안 수립 등을 설계에 반영하였으며 둘째, 제어신호에 따른 출력변화를 수치화한 발전기 응답모델 사용 및 미추종 여부 판단, 그룹제어 도입 등 발전기 제어기능을 강화하였으며 셋째, 주파수취득 이중화 및 RTU 취득 주파수 유효성 검증, 발전단/송전단 변환기능, 예비력 모델링 기능 도입, 다중급전소간 제어상태 동기화 등 전력거래소가 운영하면서 도출된 개선점을 시스템 설계에 반영하였다. 이 밖에 주파수제어를 위해 타임에러 보정방식의 계획기능 도입, 제어동작 최소화를 위한 동적제어부동대 운영, 미소신호 누적기, 오버슈팅 방지를 위한 피드백제어기 등에 대한 기술조건을 마련하였으며, 전력계통의 최적화된 발전기별 경제적 배분량을 결정하기 위해 증분연료비 및 손실계수 동시 고려, 예비력 제약, 발전기 운전제약 등을 고려할 수 있게 설계하였다.
후속연구
- 개별 프로그램은 관리프로그램에 자신을 등록하여 사용하는 방법을 통해 프로그램의 수행, 중지, 재실행, 순차실행, 실행순서 제어 등이 이루어지게 되며, 이러한 관리는 프로그램 자체 뿐 아니라 특정 함수단위로 제어할 수 있는 환경을 통해 세분화된 관리가 가능하게 된다. 또한 관리프로그램은 모델링 기능을 제공하여 새로운 기능 추가 등 프로그램 관리의 유연성을 확보할 수 있을 뿐 아니라 복잡한 기능 수행에 대한 사용자 이해도를 제고할 수 있을 것이다. 둘째, 차기EMS의 가용성은 이중화 구성과 기능별 분산시스템을 도입하여 확보하게 된다.
- 시각화 시스템은 GIS(Geographic Information System) 기반의 맵을 통해 전국의 발전소, 변전소 및 송전선로를 표현하게 된다. 또한 기상정보와 낙뢰정보시스템을 통해 전국 레이더 사진과 실시간 낙뢰정보를 표현하게 되며, 상태추정, 상정사고, 동적안정도, 전압 Contour 등 다양한 레이어를 활용하여 전력계통의 현재 상태를 이상적으로 파악할 수 있게 할 것이다. 또한 확대 레벨에 따라 객체가 보여지는 지능형 확대 기능, 애니메이션, 3D, 각종 사용자 정의탭 기능 등 현재의 시각화 기술이 집약되어 있으며, 관리 효율성을 제고하기 위해 별도의 모델링 절차 대신 차기EMS의 모델을 활용하는 방법으로 구축될 것이다.
- 또한 기상정보와 낙뢰정보시스템을 통해 전국 레이더 사진과 실시간 낙뢰정보를 표현하게 되며, 상태추정, 상정사고, 동적안정도, 전압 Contour 등 다양한 레이어를 활용하여 전력계통의 현재 상태를 이상적으로 파악할 수 있게 할 것이다. 또한 확대 레벨에 따라 객체가 보여지는 지능형 확대 기능, 애니메이션, 3D, 각종 사용자 정의탭 기능 등 현재의 시각화 기술이 집약되어 있으며, 관리 효율성을 제고하기 위해 별도의 모델링 절차 대신 차기EMS의 모델을 활용하는 방법으로 구축될 것이다.
- 셋째, 취득 데이터의 정확도를 제고하기 위해 모선에 연결된 모든 설비의 유, 무효 전력의 합계와 허용오차를 비교, 개방된 개폐장치에 흐르는 유, 무효 전력 검출 등 취득 데이터 검증 기능을 통해 취득 데이터 유효성을 제고할 수 있는 기능을 보유하게 될 것이다. 마지막으로, 한계치 감시, 과부하 감시, 전압 감시 등 감시요소가 세분화되고, 실시간 변경이 가능한 사용자정의 계산 기능 지원, 토폴로지 및 강화된 SOE 처리, 시험을 위한 SCADA 데이터 생성기, 전력계통 사고분석을 위한 SCADA 운전실적기록 기능 등이 포함되어 완벽한 실시간 전력계통감시의 이루어질 수 있을 것으로 기대하고 있다.
- 하지만, 실제 EMS는 매우 복잡한 구조와 기능들로 이루어져 있으며 제시한 기능 역시 매우 세분화된 기능조각들로 이루어져 있다. 복잡하지만 단순한 그리드 특성과 같이 각 각의 개별기능들은 촘촘한 부분과 느슨한 부분들로 다시 집합되고 분화되면서 스마트그리드 시대에 적합한 스마트한 EMS 모습으로 진화할 것이다. EMS는 국가의 핵심에너지원인 전력을 책임지는 국내유일의 시스템으로 그 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않을 것이다.
- 본론에서 제시한 설계연구 내용은 수년간의 EMS 운영경험과 자체 기술력을 통한 유지보수 경험 및 국내제작사와 긴밀한 기술적 협의를 통해 상세설계과정으로 이어질 것이다. 상세한 설계과정을 바탕으로 각 기능들이 제작될 것이며, 이렇게 만들어진 기능들은 단위시험, 통합시험, 공장시험, 현장인수시험, 실증시험, 가용성시험을 거쳐 나주급전소에서 그 성능을 발휘할 것이다.
- 둘째, 다중급전소(나주, 천안, 서울) 운영에 따른 취득 데이터 동기화를 위해 각 급전소별 업무범위에 따른 권한관리 기능을 도입하여 취득데이터에 대한 정합성을 항시 보장할 수 있도록 설계하였으며, 다중급전소간 데이터 취득 역시 장애시에 대비하여 이중화 취득 기능을 보유하게 된다. 셋째, 취득 데이터의 정확도를 제고하기 위해 모선에 연결된 모든 설비의 유, 무효 전력의 합계와 허용오차를 비교, 개방된 개폐장치에 흐르는 유, 무효 전력 검출 등 취득 데이터 검증 기능을 통해 취득 데이터 유효성을 제고할 수 있는 기능을 보유하게 될 것이다. 마지막으로, 한계치 감시, 과부하 감시, 전압 감시 등 감시요소가 세분화되고, 실시간 변경이 가능한 사용자정의 계산 기능 지원, 토폴로지 및 강화된 SOE 처리, 시험을 위한 SCADA 데이터 생성기, 전력계통 사고분석을 위한 SCADA 운전실적기록 기능 등이 포함되어 완벽한 실시간 전력계통감시의 이루어질 수 있을 것으로 기대하고 있다.
- 분산환경에서 정보 교환은 XML(eXtensible Markup Language) 형태의 SOAP(Simple Object Access Protocol) 메시지 교환으로 이루어지게 되며, 기존 함수 호출이나 데이터 교환 등이 서비스 모델로 가능해짐에 따라 EMS 기능 확장이 용이(Vendor Independent)해지고 데이터 교환 비용이 감소할 것으로 기대된다. 차기EMS의 SOA는 디버깅 및 진단 기능과 일관된 에러 처리, 다중 소비자 접근을 위한 동시성 지원, 보안, 권한, 암호화 및 대용량 데이터 지원을 통해 안정성과 성능 모두를 담보할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이를 통해 차기EMS는 차기MOS, 기상, 낙뢰, 수요자원 시스템, PSS/E 관리 등 다양한 업무를 수행하는 시스템과 SOA를 통해 전력IT 시스템의 핵심시스템으로 자리잡을 것이다.
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