변전소자동화 시스템의 신뢰도 향상

명지대학교 차세대전력기술연구센터 이승재 소장 최근 국내외적으로 ‘변전소자동화시스템’이 매우 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 변전소 자동화를 구현하는 데 있어 가장 큰 문제점은 IED(Intelligent Electronic Device)마다 제작 회사가 달라서 각자 독립적인 기술로 IED를 개발하므로 원활한 정보 교환이 어렵다는 점이다. 이를 극복하기 위하여 변전소 내의 시스템 구조 및 통신 네트워크를 포함하는 통합 표준의 필요성이 대두됐다. 변전소 자동화 표준에 대한 연구는 1990년대 초반 미국과 유럽에서 동시에 시작됐다. 미국에서는 EPRI가 UCA2.0을 만들고 유럽에서는 IEC가 IEC61850을 개발했다. 이 두 가지 표준은 UCA2.0의 데이터 모델과 서비스를 기반으로 하고, 이를 포괄하는 IEC61850으로 통합됐다. 우리나라에서도 전력IT 사업의 추진에 따라 한전에서는 IEC61850 기반의 변전소자동화시스템을 도입할 계획을 수립했으며, 현재 산학연에서 매우 활발한 연구가 진행되고 있다. 변전소는 계통 운용의 핵심 요소로 변전소의 정보 수집, 보호, 제어 등 모든 기능을 담당하는 자동화 시스템의 신뢰도는 전 전력 계통의 신뢰도 및 안전도에 직결되는 문제다. 일반적으로 전력 계통 보호 설비의 신뢰도를 높이기 위하여 사용되는 방법은 후비보호의 도입 또는 2계열화 방법이나 이는 비용이 매우 높은 방법이다. 모든 정보가 통신에 의하여 이루어지는 IEC 61850 기반 시스템에서는 경제적이면서 고신뢰도를 보장하는 새로운 신뢰도 향상 기법이 가능하다. 본고에서는 ‘명지대 차세대전력기술연구센터’에서 진행되고 있는, 변전소자동화시스템의 신뢰도를 높이는 새로운 기술에 대하여 소개한다. IEC61850 기반 변전소자동화 특징적 요소 본고에서 소개하는 변전소자동화시스템 신뢰도 향상 방안은 IEC61850의 여러 가지 기능을 활용하여 설계됐다. 따라서 기존 변전소보호제어시스템에는 적용할 수 없고, IEC61850 표준을 따르는 변전소자동화시스템에서 활용할 수 있다. 소개하는 신뢰도 향상 방안을 가능하게 하는 IEC61850 표준의 대표적인 3가지 요소는 네트워크 기반 디지털 데이터 전송, 표준 인터페이스, SCL(Substation Configuration Language) 기반 엔지니어링이다. 디지털 데이터 전송 기존 변전소보호제어시스템 구조에서는 변압기, 차단기 등 1차 전력 설비에 설치된 CT, PT로부터 하드 와이어를 통해 아날로그 신호인 전압, 전류가 보호 계전기로 인가된다<그림1-a>. 기계식 보호 계전기인 경우에 이 아날로그 전압, 전류가 직접 사용되고, 디지털 보호 계전기인 경우에는 보호 계전기 내부에서 보조CT, 보조PT, 필터 및 A/D 변환기를 거쳐 아날로그 전압, 전류 신호가 디지털 데이터로 변환되어 사용된다. IEC61850 기반 변전소자동화시스템에서는 아날로그 신호가 1차 전력 설비에서 설치된 프로세스 IED에서 디지털 신호로 변환되고 프로세스 버스를 통해 베이 IED로 전송된다<그림1-b>. 이 두 가지 방식의 가장 큰 차이점은 운영 중에 신호의 전송 경로가 달라질 수 있는가 하는 점이다. 기존 방식에서는 하드 와이어로 아날로그 신호가 전송되므로 결선을 바꾸지 않는 한 신호의 전송 경로를 바꿀 수 없다. 하지만 프로세스 버스를 이용하는 경우, 디지털 신호가 이더넷을 통하여 전송되므로 데이터 패킷의 목적지 주소만 바꾸면 신호 전송 경로를 변경할 수 있다. 본고에서 소개하는 변전소자동화시스템 신뢰도 향상 방안에서는 IED의 결함을 검사하고, 여분의 IED로 대체하는 과정에서 데이터의 전송 경로를 변경하기 위하여 IEC61850 표준에서 프로세스 버스와 스테이션 버스 기반으로 한 디지털 신호 전송 체계를 활용한다. SCL기반 엔지니어링 IEC61850은 다양한 IED들을 쉽게 통합하기 위해 IED의 기능 정의와 데이터 전달체계 구현에 필요한 표준화된 엔지니어링 기법을 소개하고 있다. IEC61850의 엔지니어링은 System Configurator와 IED Configurator, 이 두 가지 소프트웨어를 중심으로 구성된다. <그림2>는 IEC61850의 엔지니어링 과정을 설명하고 있다. System Configurator는 시스템에 관한 정보를 포함한 SSD(System Specification Description) 파일과 IED에 관한 정보를 포함하는 ICD(IED Capability Description) 파일로부터 변전소 내의 정보를 취득하고, 그 정보들을 이용해 IED들의 기능과 데이터 흐름을 설정하는 SCD(Substation Configuration Description) 파일을 생성한다. 이 과정에서 사용되는 파일들은 XML을 기반으로 하는 SCL(Substation Configuration Language)로 구현된다. IED Configurator는 SCD 파일을 전송받아 해당 IED에 맞는 포맷의 설정 파일인 CID(Configured IED Description) 파일을 생성해 IED에 전송한다. 본고에서 소개하는 변전소자동화시스템 신뢰도 향상 방안에서는 IED 결함을 검출하는 과정에서 테스트 IED로 들어가거나 나오는 모든 데이터가 백업 IED로 전송되도록 시스템을 재구성해야 하는데, 이것은 SCL기반의 엔지니어링이 있으므로 가능한 것이다. 표준 인터페이스 IEC61850에서는 변전소 내의 모든 정보를 LN(Logical Node)이라는 표준 인터페이스로 모델링하고 있다. 즉, IED 하드웨어의 구성이 다르고 내부 알고리즘과 구현 방법이 달라도 표준 인터페이스인 LN만 일치되면 데이터의 상호 교환을 자유롭게 할 수 있다. <그림3>에서 볼 수 있듯이, 서로 다른 제작사에서 만들어진 두 대의 거리계전기 IED가 있다고 할 때 신호 필터링, 실효치 계산, 고장 판정 등의 알고리즘과 하드웨어 구조가 서로 다르더라도 외부 인터페이스에 사용되는 Logical Node 및 서비스가 같다면 데이터의 상호 교환이 가능하다는 것이다. LN기반의 표준 인터페이스는 다른 회사에서 다르게 구현된 기능들의 연결을 가능하게 해준다. IEC61850 기반 고신뢰도 시스템 시스템 구조 본고에서 소개하는 IEC61850 기반 변전소자동화시스템 신뢰도 향상 기법의 구조는 <그림4>와 같다. <그림4>에서 Station Unit, Bay IED, Process IED 및 Engineering 유닛은 IEC61850 표준을 따르는 일반적인 변전소자동화시스템 구성이다. 신뢰도 향상을 위하여 추가된 부분은 Backup IED와 Trouble Manager이다. Trouble Manager는 테스트 패턴을 베이 IED로 전송하고 계산 결과를 미리 정해진 결과와 비교해 베이레벨 IED의 결함을 검출한다. Backup IED는 여분의 IED로 베이 IED에 고장이 발생하면 엔지니어링 유닛으로부터 소프트웨어를 다운받고 시스템에 투입된다. IED 결함 검사 절차 IED 결함을 검출하기 위한 동작 순서는 다음과 같다. ① Trouble Manager가 Engineering Unit에게 검사 대상 Bay IED와 Backup IED의 정보와 함께 시스템 재구성을 요청한다. ② Engineering Unit은 검사 대상 Bay IED의 기능을 Backup IED에 알려주어 Backup IED가 검사 대상 Bay IED의 역할을 수행하도록 내부 루틴을 구성한다. ③ Engineering Unit은 검사 대상 Bay IED와 데이터 교환을 하는 모든 IED가 Backup IED에게 데이터를 전달하도록 설정하는 .SCD 파일을 만든다. ④ Engineering Unit은 각 IED 제작사에서 제공된 IED Configurator를 이용해 .SCD 파일을 .CID 파일로 변환해 IED로 전송한다. 이 단계에서 Backup IED는 검사 대상 Bay IED를 대체하도록 재구성이 완료된다. ⑤ Engineering Unit은 검사 대상 Bay IED의 .CID 파일을 수정해 Trouble Manager로부터 데이터를 입력받고 출력도 Trouble Manager로 전송하도록 설정한다. ⑥ Trouble Manager는 미리 마련되어 있는 테스트 패턴을 프로세스 버스를 통해 검사 대상 Bay IED로 전송한다. Trouble Manager는 정상적으로 계산된 결과값을 가지고 있다. ⑦ 검사 대상 Bay IED는 입력 패턴에 대하여 정해진 출력을 스테이션 버스를 통해 Trouble Manager로 전송한다. ⑧ Trouble Manager는 입력 패턴에 대한 검사 대상 Bay IED의 결과값을 검사해 검사 대상 Bay IED의 결함 유무를 판정한다. ⑨ 검사 대상 Bay IED에 결함이 없다고 판단된 경우에는 Engineering Unit에게 요청해 검사 대상 Bay IED가 원래의 역할을 수행하도록 시스템을 재구성하고 다음 Bay IED에 대한 결함 검사를 계속한다. 검사 대상 Bay IED에 결함이 있다고 판단된 경우에는 운영자에게 알리고 수리하도록 한다. 이 경우 Backup IED는 수리가 완료될 때까지 검사 대상 Bay IED의 역할을 수행한다. IED 결함 검출 방법 어떠한 시스템이 임의의 입력에 대하여 이에 상응하는 적절한 출력을 생성하지 못하는 경우 결함이 있다고 정의할 수 있다. 시스템의 결함을 검출하기 위해서는 가능한 모든 입력 패턴에 대한 출력을 검사하는 것이 확실한 방법이다. 그러나 이것은 현실적으로 불가능하므로 제한된 범위의 입력 패턴에 대해서만 출력을 검사하고 시스템의 결함 유무를 판정해야 한다. 따라서 테스트 패턴을 어떻게 정하는가 하는 것이 매우 중요한 문제이다. 본 고에서는 Process IED가 Bay IED로 전송하는 샘플 데이터의 일부 패턴을 테스트 패턴으로 정해, Trouble Manager가 프로세스 버스를 통하여 검사 대상 Bay IED에 전송하고 결과를 스테이션 버스를 통해 전송 받아 비교함으로써 IED의 결함유무를 판정한다<그림6>. 테스트 패턴은 전력 계통 과도 현상 해석 장비인 EMTDC를 이용 생성했으며 IED의 종류에 따라 내부 루틴들을 모두 검사하도록 테스트 패턴 세트를 구성했다. 결론 본고에서는 최근 국제적인 표준으로 자리잡고 있는 IEC61850기반의 변전소자동화시스템에 적용할 수 있는 새로운 신뢰도 향상 기법을 소개했다. 본고에서 소개한 방법은 운영자의 손을 거치지 않고 보호 기능에 전혀 영향을 주지 않으면서 온라인 상태에서 자동으로 IED들의 고장 유무를 검사하고, 고장 발생 시 여분의 IED로 고장IED를 대체해 시스템 레벨에서 결함을 극복하는 신기술이다. 소개된 기술은 변전소자동화시스템 만이 아니라 많은 수의 IED 가 적용되면서 동시에 고신뢰도를 요구하는 다른 시스템에 적용이 가능하기에 앞으로 넓은 활용이 기대된다.