[기고] 어플리케이션을 통한 IEC61850의 고찰

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[기고] 어플리케이션을 통한 IEC61850의 고찰

2006년 4월 2일 (일) 11:47:00 | 지면 발행 ( 2006년 3월호 - 전체 보기 )

어플리케이션을 통한 IEC61850의 고찰 Siemens Korea 전력자동화사업부_정종찬(jongchan.jung@siemens.com) 전력IT의 실현과 관련하여, 변전소 자동화처럼 근자에 자주 회자되는 것이 없는 듯하다. 변전소 자동화를 위하여 IEC61850이라는 국제 통신 규격이 주창이 되었으며, 어느덧 여러 현장에 IEC61850 시스템이 설치되어 새로운 시스템의 편리성과 안정성을 평가해볼 수 있게 되었다. 따라서, 필자는 실제 현장 적용 사례를 통하여 IEC61850의 시스템 구성을 고찰해 보고자 한다. 우선 IEC61850과 UCA2.0의 차이점을 확인해 보고, 운영되고 있는 IEC 61850 기반의 Case Study를 통하여 간단히 소개하고, 시스템 구성의 이해를 돕기 위해, 시스템 구성을 위한 IED, Control system, Network Device등의 기기들에 대해 간단히 설명한다. IEC 61850과 UCAtm2.0의 차이 많은 사람들이 IEC61850 과 UCA 2.0이 유사한 규격으로 알고 있다. 그러나 이 규격들에는 많은 차이점이 있으므로, 우선 그 차이점에 대하여 간단히 언급하고자 한다. 오늘날, UCAtm (Utility Communications Architecture) (UCA는 EPRI의 상표임)는 많은 의미를 지니고 있다. 첫째, 유틸리티 사업을 위한 통신 및 정보기술의 새로운 접근방법을 정의하기 위한 일반적인 이름의 의미를 가질 수 있다. 통신 및 정보기술의 새로운 이 접근 방법은 주로 네트워크 표준기술과 정보데이터의 모델링을 포함한다. 둘째, UCA는 EPRI 프로젝트 (1987-1999)의 이름이었다. 최종적으로 이 이름은 일반적으로 UCA2라고 불리는 IEEE 기술보고서 1550의 이름으로 사용되게 되었다. 넓은 의미에서 UCA는 IEC TC 57 (전력시스템 표준협회)의 표준화에 방향을 제시해 주었다. TASE.2 (ICCP, IEC 60870-6) 표준 시리즈와 IEC 61850은 UCA 프로젝트와 IIEC 60870-5의 결과의 기반 위에서 수립되었다. UCA2(IEEE TR 1550 : 1999)와 통신 및 정보기술에 대한 새로운 접근 방법은 IEC TC 57 WG 10,11,12 안에 속하던 IEC 61850의 새로운 입력 자료로 사용되곤 하였다. IEC 61850의 국제 표준화 작업은 1990년 중반부터 시작되었다. IEEE TR 1550의 기술적인 자료들은 IEC 61850의 중요한 기반 자료로서 받아들여졌다. IEEE TR 1550은 미국시장의 요구중심으로 편중되어 있었다. 반면에 IEC 61850은 세계 유틸리티 시장의 모든 요구사항을 고려하여 넓은 범위의 요구사항을 반영할 수 있도록 설계되었다. 1998년 IEC TC 57와 IEEE SCC 36은 단일 국제 표준을 제정하는 것에 동의를 하였다. 그 후, IEEE TR 1550은 기술적인 사양을 확정하고, 공표하였다. 그러나 모든 그룹들은 IEC 61850을 국제 규격으로 사용하는데 있어 동의를 하였으며, 아래의 표에 언급된 IEC 61850의 장점에 따라, TR 1550을 IEEE 규격으로서 사용하지 않는 것에 대하여 동의를 하였다. 2001년 이후로, IEC 61850 컨셉의 검증을 위해 많은 시스템의 상호운용성(interoperability) 테스트가 실시되고 있다. 두 가지의 중요한 차이점은 <표 1>과 같다. IEEE TR 1550(UCA 2.0)는 통신 및 정보기술의 새로운 접근방법에 있어서는 과거의 이정표로서의 역할을 담당하였다. IEEE TR 1550은 변전소 자동화 기기의 규격으로서의 서비스를 멈춘 상태이며, 다만 오늘날 UCA(tm) 이 새로운 기술 접근 방법의 상표로서 존재하고 있다. 최근에 설립된 'UCA 국제 사용자 그룹'은 IEC 61850과 TASE.2를 포함하여 반영하고 있다. 변전소 자동화를 위한 기기 및 시스템의 기준으로서 IEC 61850이 명실공히 자리 잡았다고 말할 수 있다. UCA 국제 사용자 그룹, IEEE TR 1550(UCA 2.0), IEC 60870-6 TASE.2(ICCPP), IEC 61850의 관계를 <그림 1>에 도식하였다.

어플리케이션을 위한 전력기기 (1) 보호 계전기(Protection Relay) IEC 61850의 통신 카드를 장착하고 있는 IED (Intelligent Electronic Device)이다. Siemens제품의 IED는 아래와 같은 종류가 있다. * 과전류 계전기 (Overcurrent Relay) : 7SJ6 시리즈 * 주파수 계전기 (Frequency Relay) : 7RW600 * 거리 계전기 (Distance Protection) : 7SA6 시리즈 * Transformer/Generator : 7UT6 시리즈 * Line differential Relay : 7SD6 시리즈 * Machine Protection Relay : 7UM6 시리즈 * 모선보호 계전기 (Busbar Protection) : 7SS5, 7SS52, 7SS60 시리즈 신뢰성이 중요시되는 IED는 완벽한 전력계통의 보호와 안정적 통신이 요구된다. SIEMENS의 IED는 현재 SIPROTEC4 라는 브랜드로, 앞서 설명한 바와 같이 많은 실제 현장에서 IEC 61850 기술 검증의 주된 역할을 하고 있다. (2) SICAM PAS PAS는 Power Automation System의 약어로, SICAM PAS는 전력 자동화 및 원격제어(Telecontrol)의 역할을 담당하는 디바이스다. SICAM PAS는 분산 자동화 환경에서의 요구사항들을 만족할 수 있도록 최적의 통신 및 integration interface를 수용할 수 있는 장점이 있다. SICAM PAS의 특징은 간단히 다음과 같다.

* 고 신뢰성 * 고성능의 수행능력 - 스위칭 동작의 정확한 모니터링을 위한 실시간 데이터 수집 - 분산 시스템 구조를 활용한 향상된 프로세서 능력 * 유연한 시스템 설정 기능 - 그래픽 기반의 편리한 시스템 설정 - 복잡한 네트워크의 수용 용이 * 통신 - IEC 61850 기반의 IED와 완벽한 모든 기능 호환 - OPC를 이용한 open communication 채택 - 유연한 타 네트워크와의 연결 (IEC 60870-5-101, IEC 60870-5-104, IEC 60870-5-103, TCP/IP, DNP v3.0, Profibus FMS ) * 고 가용성 - 전자 장해로부터의 견고성 * 최적화된 관리 SICAM PAS의 주요 기능은 다음과 같다. - 원격 통신 (Telecommunication) - 감시 기능 (Monitoring) - 자동화 (Automation) - 스위치 기어의 Local/Remote control - Visualisation을 통한 프로세스 정보 수집 <그림 2>는 분산 네트워크 구조에서의 SICAM PAS의 Hot-Hot 이중화 아키텍처 예를 보여주고 있다.

실 시스템 구축 사례 (Case Study) 이제 실제적으로 구축된 IEC 61850 기반의 시스템을 소개하고자 한다. 서서히 많은 산업 분야에 IEC 61850이 적용되어 지고 있다. 그러나 여기에서는 두 가지의 적용 현장을 간단히 소개하고자 한다. (1) 에어 제품류 생산 공장 ( Air Product plant) 가스, 화학가스 및 향수 등 기체 제품을 생산하는 사업의 특징으로는 기술기반의 특징을 가지고 있으며, 에너지 사업과의 연계성, 건강관련 사업등 다양한 사업의 포토폴리오를 가지고 있다. 이 사례는 기체 화학 공장 배전 시스템에 적용된 SICAM PAS의 기술적 사양을 보여준다. 가. 범위 (Scope) - 34.5 KV /13.8KV/480V를 포함하는 SICAM PAS 이중화 시스템 - IEC 61850을 적용한 SIPROTEC4 Protection Relay (IED) 30대 연결. 링방식의 이더넷 이중화의 네트워크 - OSE 메시지 사용 - IEC 60870-5-103을 이용한 변환기(SIMEAS T) 16대 사용 - PAS 를 이용한 경보 장치 주 SCADA 시스템의 구성기기들은 이더넷을 이용한 링구조의 네트워크에 연결이 되어 있으며, 이 링구조의 네트워크는 이중화로 구성되어 있다. <그림 3>은 전체적인 시스템 구조를 나타내는 그림이다.

나. HMI (Human Machine Interface) SICAM PAS는 SIMATIC 랙에 설치된 두개의 PC에서 운영이 되며, 30개의 IED를 운영하기에 충분하므로 SICAM PAS Station Unit은 사용되지 않았다. 다. 링방식 연결의 이더넷 이중화 통신 <그림 4>는 통신연결 구성의 전체적인 구조를 보여주고 있다.

라. 자동화 기능 (Automation Function) * 부하 분배 기능 (Load Shedding) * 자동 절체 기능 (Auto Transfer) * 시각 동기 (Time Synchronisation) * 경보 장치 (Alarm Annunciator) 마. 프로젝트의 효과 * 400개의 경보등을 가지고 있던 기존의 시스템에 비해 현저한 원가절감 * 결선 작업의 현저한 감소 * 사이즈 축소로 인한 공간 확보성 용이 * 기존 시스템 대비 신뢰성 증가 고객이 요구하는 시스템은 SCADA 시스템, 경보 장치 판넬, 이벤트 기록 시스템으로서 세가지의 독립적인 시스템이었으나, SICAM PAS를 이용하여 단일 시스템으로 통합할 수 있었고, 나아가 이중화 기능의 고급기능을 구비하여 저렴하고 신뢰성 높은 시스템을 구축하였다. (2) 전력 유틸리티 (ATEL) 스위스에 본사를 두고 있는 ATEL은 일찍이 IEC 61850이 그들 변전소 기기에 적용하기에 많은 잇점이 있을 것이라는 것을 알고 있었다. 그래서 ATEL은 1개 변전소를 IEC 61850을 적용하기로 하였다. 적용대상 변전소는 상대적으로 타변전소 보다 작은 변전소로서 Medium 전압 레벨 9개의 베이(bay)를 가지고 있었다. 모든 베이에는 7SA6 거리계전기가 설치되어 있었고, SICAM PAS와 연결되어 있었다. 콘트롤 센터와는 IEC 60870-5-101로 SICAM PAS와 직접 연결이 되어 있었고 , 네트워크는 IEC 61850 기반의 100MB급 이더넷 링 구조로 구성되어 있었다. 따라서 이더넷 링 스위칭 모듈을 사용하여 모든 기기들에 대한 접속 속도를 1/1000 초안에서 접속 가능할 수 있도록 하였다. <그림 5>는 시스템의 구성도다.

결 언 적은 지면을 할애하여 IEC 61850 기반의 실제 설치 현장을 간단히 소개하였다. 국내에서도 IEC 61850에 대한 연구가 활발히 진행 중인 것으로 알고 있다. 세계적으로 많은 IEC 61850 기반의 전력 IT화된 현장이 급속히 증가하고 있다. 그 중 SIEMENS 제품이 상당히 많은 비중을 차지하고 있다. 국내에서도 SIEMENS제품을 가지고 IED 61850을 채택한 프로젝트가 진행 중에 있다. 프로젝트가 종료되면 이 지면을 통하여 다시 한 번 국내 최초의 IEC 61850 프로젝트를 소개하고 싶은 소망을 가져 본다. 신뢰성 있는 IED를 통한 전력시스템의 안정성. 이는 바로 IEC 61850 규격을 채택함으로써 전력IT의 실현에 기여하고, 전력IT화를 통하여 사람들에게 안전한 전력공급이 이루어질 수 있도록 하는 선진적인 기술의 도입을 기대해본다.