[국내외 스마트그리드 기술 동향] 제주 스마트그리드 실증단지 적용 기술 및 제품 사례

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[국내외 스마트그리드 기술 동향] 제주 스마트그리드 실증단지 적용 기술 및 제품 사례

2010년 2월 25일 (목) 16:10:46 | 지면 발행 ( 2010년 2월호 - 전체 보기 )

한전KDN㈜ 전력IT연구원(http://rnd.kdn.com)
연구기획팀_김봉균 팀장
(031)420-0703 / bobkim@kdn.com

개요

지난 2009년 12월 16일 이루어진 스마트그리드 실증단지 협약식을 통해 실증단지 참여기업 및 분야별 사업 내용에 대한 구체적인 윤곽이 드러났다.
이로써 실증단지로 선정된 제주 구좌읍에서는 실제 주거지역을 대상으로 2030년 세계 최초 국가단위 스마트그리드 구축을 위한 본격적인 사업 모델 실증이 전개되게 됐다.
이미 많은 사람이 알고 있듯이 스마트그리드는 전력 인프라에 ICT(Information & Communication Technology) 기술을 접목해 에너지 효율을 높이고 신성장동력으로서 새로운 부가가치 창출을 도모한다. 여기에는 전력산업을 중심으로 통신, 자동차, 가전 등 다양한 산업체가 참여해 기술 개발 및 교류를 통한 최첨단 기술이 집약된다.
한전KDN㈜는 제주 실증단지 분야별 사업 중 스마트 컨슈머(Smart Consumer), 스마트 트랜스포테이션(Smart Transportation), 스마트 리뉴어블(Smart Renewable) 등 3대 분야에 참여한다. 이를 위해 한전KDN㈜는 스마트그리드 구축에 필요한 스마트미터부터 광역 전력계통 감시 시스템에 이르는 제품 라인업(Line-up) 9종을 개발 완료했다.

많은 기업들이 가장 적극적으로 참여하고 있는 분야는 스마트 컨슈머이다. 스마트 컨슈머는 전력 공급자와 소비자 간 양방향 커뮤니케이션(AMI) 기반의 수요반응(DR)을 통해 전력을 통합적으로 관리하는 인프라와 서비스를 뜻한다(<그림 1> 참조). 한전KDN㈜는 이미 스마트미터, 스마트 에너지 시스템, IHD(In-Home Display : 에너지 정보 표시장치) 등의 관련 기술과 제품을 다양한 사업 경험 및 R&D를 통해 확보하고 있다.
또한 스마트그리드에서 중요한 것은 정보 보안의 안전성 확보이다. 한전KDN㈜는 지식경제부 사이버안전센터 구축 및 운영 경험과 자체 보안 솔루션인 Virtual HoneyNet 감시 시스템을 가지고 있다.
이외에도 전력IT 국가과제 및 자체 연구과제 등의 수행을 통해 확보한 기술력으로 인정받은 여러 종류의 전력망 지능화 관련 시스템 등이 있다.
본고에서는 제주 실증단지에 도입되는 제품 및 시스템 종류와 각각의 기능 및 장점 등을 살펴보고자 한다.

스마트미터

스마트미터는 그동안 한전KDN㈜가 국내 5만 6천 가구에 설치한 원격검침(AMR) 시스템 구축 기술력을 기반으로 국내 최초로 개발한 제품이다.
이 제품은 스마트그리드의 핵심이 되는 양방향 전력 거래가 가능한 AMI(Advanced Metering Infrastructure) 서비스를 제공하는 저압 수용가용제품으로, 한전 표준형 전자식 전력량계의 기본 기능을 모두 포함한다. 또한 ▲ CPP(Critical Peak Pricing)나 RTP(Real Time Pricing) 요금 적용 ▲ 양방향 계량 기능 ▲ 원격전력 차단/복구 기능 ▲ 최대 수요전력 제한 기능 ▲ 정전 감시 기능 ▲ 도전방지를 위한 Tamper 감지 기능 ▲ Sag, Swell 측정기능 ▲ 전압, 전류, 주파수 측정 기능 등 스마트미터의 다양한 기능을 포함하고 있으며, IEC 국제규격인 DLMS 통신 프로토콜을 탑재했다.

[그림 2] 스마트미터

특히 도전 방지를 위한 Tamper 감지 기능은 스마트미터의 본체, 단자 부분, 통신모뎀 부분 등에 적용했으며, 원격 전력 차단 및 복구 기능을 위한 릴레이(Relay)를 스마트미터 내부에 실장함으로써 기존의 계기함을 그대로 사용할 수 있도록 설계했다.

스마트 에너지 시스템

수용가와 전력회사 사이의 전력 서비스에 대한 정보화 인프라로서, 수용가의 에너지를 효율적으로 관리할 수 있도록 진화한 양방향 전력 시스템이다.
이 시스템을 통해 수용가는 실시간으로 에너지 사용량에 대한 정보를 제공받아 가정 및 기업의 에너지 비용 절감에 활용이 가능하다. 또한 전력회사는 검침 및 유지관리 비용의 절감뿐만 아니라 에너지부하 제어와 Demand Response(수요반응)를 통해 피크 사용량을 줄임으로써, 에너지 생산 비용과 추가적인 인프라 확장 비용을 절감할 수 있다.
이 시스템은 검침 관련 국제표준 프로토콜인 DLMS와 ZigBee Alliance의 국제표준 근거리 통신방식인 ZigBee 통신 등의 Open Standard를 준수했으며, 보안 알고리즘(ECC)을 통한 데이터 보안기능을 지원하는 것이 특징이다.

[그림 3] 스마트 에너지 시스템

에너지 정보 표시장치

일명 'IHD(In-Home Display)'는 가정 내에서 사용한 전력 정보를 고객에게 실시간으로 제공해 능동적으로 에너지 절감에 동참할 수 있도록 하는 장치이다.

[그림4] 에너지 정보 표시장치

한전KDN㈜는 다양한 소비자 계층과 사용 환경을 고려해 액자형과 포터블형 모델을 개발했다. 또한 실시간으로 전력 사용에 따른 탄소 배출량을 안내하고 있어, 각 가정에서도 손쉽게 온실가스 배출로 인한 기후변화에 대응할 수 있다. 기술적으로는 무선통신의 표준 프로토콜인 ZigBee Smart Energy Profile을 적용해 호환 및 확장에 용이하다. 특히 7인
치 LCD 화면을 가진 액자형 IHD의 경우, 최신 스마트폰 개발에 적용되는 '안드로이드'플랫폼을 적용해 여러 가지 멀티미디어 서비스를 제공한다.

Virtual HoneyNet 감시 시스템

세계 최초로 상용화된 가상화 기반의 네트워크 침입 탐지 및 대응 메커니즘을 제공하는 시스템이다. 이 시스템은 해커의 공격 및 위협이 전력 인프라 네트워크에 확산되기 전에 조기에 탐지할 뿐만 아니라, 전력 인프라 네트워크 내부에 감염된 웜(Worm), 봇(Bot) 등의 악성 자가 전파코드가 외부네트워크를 공격하기 전에 이를 탐지한다.
특히방화벽등의기존정보보호설비가Signature에 기반을 두고 알려진 공격만 탐지하는 데 비해, Virtual HoneyNet 감시 시스템은 행위기반의 분석을 통해 알려지지 않은 공격에 대해서도 실시간 탐지 및 분석을 함으로써 선행적으로 대처할 수 있는 장점이 있다. 현재 이 시스템은 한전KDN㈜의 네트워크에 접목해 필드테스트를 완료한 상태이며, 전력사이버 안전센터 및 지식경제부 사이버안전센터에 실망 연동 테스트를 준비하고 있다. 이 테스트를 통해 기존 정보 보호설비가 탐지하지 못한 신종 공격에 대한 신속한 탐지 및 운용 용이성이 검증되면, 국내뿐 아니라 세계적으로도 전력망 보안 분야에서 큰 이정표가 될 것으로 보인다.

[그림5] Virtual HoneyNet 감시시스템

배전자동화 시스템

최신 IT 기술을 기반으로 사람이 현장에 출동하지 않고 원격으로 배전기기를 조작해 정전구간을 최소화하는 시스템이다. 이 시스템은 운영자가 배전선로를 감시하고 조작하는 중앙 제어장치, 현장에 설치되어 고장 상황을 검출하는 단말장치, 그리고 단말장치와 주장치를 연결해 데이터의 통로 역할을 하는 통신장치로 구성되어 있다.
특히 지능형 단말장치는 고장을 검출하는 알고리즘을 탑재하고 있으며, 배전설비에 센서를 부착해 열화감시를 진단할 수 있다.

[그림6] 배전자동화 시스템

또한 시스템 호환과 확장에 용이한 DNP와 IEC 60870 표준을 적용했다. 이 시스템은 고창 전력 시험 센터에서 현장 실증시험 및 기능시험을 완료했으며, 제주 스마트그리드실증단지에설치 할 예정이다. 또한 인도네시아 실증을 통해 신뢰성을 인정받을 경우 배전 자동화 시스템의 해외수출 확대도 전망된다.

[그림 7] 디지털변전소 종합 운영 시스템

디지털변전소 종합 운영 시스템

변전소 내 각종 전력설비의 상태 감시 및 제어를 목적으로 운영 중인 기존의 변전소 운영 시스템에 국제규격인 IEC 61850과 첨단 IT 기술을 접목한 차세대 변전소 종합 운영 시스템이다.
이 시스템은 ▲ 사용자 편의성 및 기능 개선 ▲ 전력계통 응용 프로그램 탑재로 제품 차별화를 확보한 종합 운영 HMI ▲ 디지털변전소와 급전(분)소 송변전 SCADA 시스템 간 연계를 위한 게이트웨이 ▲ OLTC와 SC에 대한 개별 및 통합 감시 기능이 탑재된 전압 안정화 제어 ▲ 변전소 상정사고 시 복구 절차 제시 및 사전 시뮬레이션 기능을 제공하는 변전소 자동복구 절차 가이드 등 다양한 기능이 탑재됐다.
이 시스템은 한전KDN㈜가 주관기관으로 수행한 전력IT 국가과제로, 현재 고창 전력시험센터에 테스트베드를 설치해 실계통에 적용하기 위한 다양한 실증시험을 실시하고 있다. 기대효과로는 변전 시스템의 지능화와 디지털화를 통한 시스템 안정도 [그림6] 배전자동화시스템 향상, 변전소건설비및운영비절감(154㎸변전소 1개소 당 약 30억 원) 등이다.

송전설비 온라인 감시 시스템

가공송전설비에서 실시간으로 취득한 기상 및 선로 정보를 바탕으로 최적의 송전용량을 자동 계산해 제공하는 시스템으로, 한전KDN㈜가 수행한 전력IT 국가과제 결과물 중 하나이다.
이 시스템을 통해 중요지역의 효율적인 선로 운영, 지상고 관리 및 전력 공급의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 또한 송전선로 주변의 실시간 영상 감시로 수목 접촉, 산불, 외부 접촉 등으로 인한 정전 및 고장 예방과 기상 데이터를 기상청 및 지방자치단체에 제공해 공익적으로 활용할 수 있는 특징이 있다.
주요 기능으로는 ▲ 풍향/풍속 감시 ▲ 일사량 감시 ▲ 정지영상 감시 ▲ 외부 기온 감시 ▲ 선로장력 감시 ▲ 선로 전류/온도/기울기 감시 기능이 있다.
이 시스템은 고창 전력시험센터에서 성공적으로 실증시험을 마쳤다. 향후 예정된 시범운영을 통해 신뢰성과 안정성이 입증 된다면 전국의 가공송전설비 중송전용량의 Up Rating이 필요한 개소나 별도의 온라인 감시가 필요한 철탑으로 확대 적용할 수 있다.

[그림 9] 능동형 텔레메트릭스 전력설비 상태 감시 시스템

능동형 텔레메트릭스 전력설비 상태 감시 시스템

한전KDN㈜가 총괄기관으로 수행한 전력IT 국가과제로 센서 네트워크로부터 전력설비의 데이터를 취득, 감시 진단 알고리즘을 통해 전력계통 운영자에게 전력설비 운영상태 정보를 제공한다. 이 시스템은 IEC 61850과 IEEE 1451 개방형 표준을 적용해 시스템 호환 및 확장에 용이하다. 또한 전력설비의 진단 분석 기능을 데이터 처리장치가 담당하므로 불필요한 통신 트래픽이 발생하지 않는다. 정전이 되더라도 감시할 수 있는 자율전원이라는 점도 차별화됐다.
현재 고창 전력시험센터에서 현장 실증시험 및 인증시험을 마쳤으며, 향후 시범운영을 통해 신뢰성을 인정받을 경우 전국의 송변전 전력설비 온라인 감시 진단 시스템으로 확대 설치되어 안정적인 전력 공급에 크게 기여할 것으로 기대된다.

한국형 광역 전력계통 감시 시스템(K-WAMS)

지역적으로 분산되어 있는 전력 데이터 취득장치(i-PIU : intelligent Power System Information Unit)로부터 실시간으로 Phasor 데이터를 취득 · 분석해 계통 동요 및 광역 정전을 사전에 예측하고 방지하는 시스템이다.

[그림 10] 한국형 광역 전력계통 감시 시스템(K-WAMS)

이 시스템은 IEEE C37.118 Synchro-phasor 표준을 채택해 본 표준을 기반으로 한 다른 취득장치들과의 호환성을 제공하고 이기종 시스템 간 인터페이스의 유연성을 갖추었다. 기존에는 외란 발생이나 고장 발생 이후에 수동으로 각 시스템에 저장된 데이터를 수집해야 했기 때문에 사용자의 별도의 노력이 들 뿐만 아니라 데이터 분석 결과도 정확하지 않았다. 그러나 이 시스템은 전력계통의 문제발생 시 바로 해당 지역의 데이터를 다운로드 해 분석할 수 있도록 사용자 인터페이스를 제공한다. 현재 K-WAMS(Korea Wide Area Measurement System)는 동서울, 아산, 청양, 신제천 변전소에 설치되어 수도권의 전압 안정도를 실시간으로 감시하고 있다. 또한 제주 변환소와 성산 변전소에 설치되어 풍력단지의 운전 특성 분석에 사용되어 그 기술력을 인정받고 있다. 향후 전국 확대 설치로 광역 정전 방지로 안정된 전력 공급뿐만 아니라 향후 예상치 못한 광역 정전 발생 시 원인 분석 및 대책을 수립할 수 있는 정확한 분석 데이터를 제공할 것으로 전망된다.

마무리

한전KDN㈜는 2009년 11월 20일 '녹색성장을 추구하는 글로벌 전력IT기업'이라는 '2020 New Vision'을 선포하고 국내시장 점유율 확대 및 해외진출을 본격 추진 중이다. 이를 위해 현재까지 출시된 제품을 업그레이드하는 한편, 제품군을 확장해 다양한 솔루션을 개발하고 있다.

페이저(Phasor)
정상 정현파량(교류전압, 교류전류 등)을 복소량으로서 표시한 것. 콤플렉서(Complexor)라고도 한다. 정현파량의 진폭과 위상을 나타내기 위한 것으로, 벡터가 아니다. 임피던스와 같이 복소량으로서 표현되는 양도 있으나 이것은 페이저가 아니다.