2.1 관련 연구

자가용 전기설비의 식별체계를 적용할 때 고려해야 할 사항은 서비스 융합과 가독성, 추상화, 확장성, 교체 및 유지 관리 등이다. 사물인터넷포럼 단체 표준으로 승인된 자가용 전기설비 식별체계 요구사항^[8]과, 수변전설비 및 센서 장치 식별체계^[9]를 소개한다.

2.1.1 자가용 전기설비 구조

전력설비의 전체 구조도는 그림 1과 같이 계층적으로 나눌 수 있다. 발전소에서 만들어진 전기는 특고압 혹은 고압(본 논문에서는 고압으로 표기) 교류로 송전과 배전을 거쳐 각 용도에 따라 154kV와 364kV는 대규모 공장이나 초대형 아파트로 배전하고, 주로 22.9kV는 철도와 관공서, 건물, 전주에 있는 주상변압기로 들어간다.

본 논문의 범위에 해당하는 자가용 전기설비는 건물이나 공장에서 고압을 수전하여, 저압으로 변전해서 구내배전하여 사용하는 수용가 측 전기설비를 의미한다.

본 논문에서 다루는 식별체계를 적용할 대상에 해당하는 수변전설비가 큐비클 내부에 설치된 경우를 그림 2에 나타내었다. 수변전설비는 중요 전기설비인 변압기를 중심으로 운전 중 이상이 감지되면 전기를 끊어주는 차단기, 전력 사용량을 측정하기 위해 전력량계로 유입되는 전압을 낮춰주는 계기용 변성기, 낙뢰를 대처하는 피뢰기, 점검 시 사고를 방지하기 위해 설치하는 단로기가 있다. 운전 중 지락과 과전류, 과전압을 측정하는 각종 계전기, 변압기의 2차 측과 연결된 배선용 차단기 외에도 다양한 전기설비로 구성되어 있다.

과거에는 기계적으로 만들어진 수변전설비를 안전하게 운전하기 위해서, 인력기반으로 직접 점검하여, 시각이나 청각, 제조 연도와 운전 기간에 따라 유지 보수 및 개별 설비를 관리했다면, 지금은 센서 장치와 통신 기술로 원격에서 상태 관리 및 동작 운영이 가능하다. 하지만, 이것 역시 제조사에서 제공하는 정보와 필요에 따라 설치된 센서 정보를 통합 관리하기 어려운 구조이다. 즉 표준화된 IoT 플랫폼을 적용하고, 데이터 프로파일을 공유하고, 표준화된 식별체계를 이용하여 데이터 이용과 부가 서비스 개발할 필요가 있다.

2.1.2 수변전설비의 식별체계

자가용 전기설비 식별체계 표준에 정의된 수변전설비와 센서 장치의 식별체계는 문자열(String) 형태로 네이밍(Naming)을 사용할 수 있다. 과거에는 컴퓨팅과 통신 속도의 제한으로 인해 크기가 정해진 숫자를 사용했지만, 컴퓨팅 속도가 빨라지면서 네이밍 형태의 문자열이 많이 이용되고 있다. IoT 플랫폼에서는 다양한 기기를 식별하기 위해 문자열을 사용하고 있다. 본 논문에서 소개하고자 하는 수변전설비의 식별체계도 고객 번호와 수변전설비 명, 그리고 해당 수변전설비가 설치되어있는 공간 분류명을 조합하여 식별자를 설정한다.

그림 3의 a)는 수변전설비 식별체계이다. 고객 번호는 자가용 전기설비 단위를 구분한다. 또한 공간 분류명은 동일한 수변전 설비가 있을 경우 설치된 공간 분류에 따라 구분한다.

그림 3에 있는 b)는 센서 장치의 식별체계이다. 수변전설비 식별체계와 마찬가지로 자가용 전기설비 단위의 구분을 위한 고객 번호가 앞에 있다. 센서 장치의 종류와 개수를 구분하는 센서 장치명과 센서가 감지하는 대상을 구분하는 수변전설비 명, 수변전설비 단위 내에서 구분을 위한 공간 분류명이 있다.

기존의 식별자와 가장 큰 차이는 수변전설비의 고객과 자원을 구분할 뿐만 아니라 센싱 대상과 공간 정보를 추가하여 식별자만으로도 설비의 사용자, 설비 종류, 설치 위치 등을 확인할 수 있어서 수변전설비와 센서 관리가 쉽다는 것이다. 또한, 계층을 가짐으로 확장성이 좋으며, 수집한 데이터와 장치 정보를 일관성 있게 참조하고 관리할 수 있다.

그림 3에 있는 고객 번호/수변전설비 명/ 센서 장치명/공간 분류명의 의미는 다음과 같다.

고객 번호는 전력업체나 전기안전관리 기관에서 사용하는 사용자 단위의 식별 번호이다. 주로 자가용 전기설비를 설치한 연도와 서비스별로 부여한 일련번호를 조합하여 사용하거나, 서비스 주체의 지역 번호와 설치 연도, 일련번호를 조합해서 사용하기도 한다.

수변전설비명은 자가용 전기설비를 이루고 있는 개별 설비를 의미하는 것으로 차단기, 단로기, 피뢰기, 변압기, 변성기, 등이 이에 해당한다. 센서 장치 식별체계에서 수변전설비 명은 센서 장치가 데이터를 측정하는 감지 대상설비가 되며, 공간 분류명과 함께 계층을 이룬다. 수변전설비 명은 IEC 61850 전력 장비 자동화 표준의 논리 노드 명을 참조하여 정의할 수 있다. 자가용 전기설비에서 변전소나 발전소까지 정보를 확장하여 연동할 수 있다.

센서 장치명은 수변전설비의 전기안전 및 환경 정보를 수집하기 위해 온도, 습도, 부분 방전, 전류, 수분, 유온, 수소 등을 측정하는 장치이다. 센서 장치명도 수변전설비 명과 같이 IEC 61850 논리 노드 명을 참조할 수 있다.

공간 분류명은 수변전설비가 설치된 장소를 명시하는 정보로 사용자가 구분 가능한 용어로 공간을 정의하는 위치 정보나 구역 이름 등을 이용할 수 있다. 즉 큐비클이 설치되어있다면, 큐비클 이름이 공간 분류명이 될 수 있다.

2.1.3 식별체계 구성 요소

본 논문에서 제안한 식별체계에 의해 센서 장치의 설치 위치에 따라 식별자를 할당하여 구분하는 방법을 그림 4에 나타내었다.

· 그림 4(a)는 센서 장치명으로 식별하는 예이다.

큐비클의 수변전설비 A에 고압 케이블마다 센서 장치가 설치된 방식으로 센서 장치명으로 각각의 센서 장치를 구분한다. 센서 장치명에 구분할 수 있는 구분자가 요구된다. 예를 들어 큐비클 1에 있는 변압기의 1차 측 A 상에 설치된 온도 센서는 TTMP1A_YPTR_cubicle1이 되고, 같은 변압기 1차 측 B 상에 설치된 온도 센서는 TTMP1B_YPTR_cubicle1이 식별자가 되어 두 센서를 구분한다. 즉 IEC 61850의 4자리 논리 노드 명에 추가로 구분자가 포함되어 있다.

· 그림 4(b)는 센서 장치명과 수변전설비 명으로 식별하는 예이다.

각각의 수변전설비 B와 C에 동일한 센서 장치 4와 5가 설치되었을 때, 센서 장치명에 구분자 없이도 센서 장치명과 수변전설비 명으로 구분될 수 있다. 예를 들어 큐비클 2에 차단기와 피뢰기가 있고, 온도 센서가 각각에 붙어 있는 경우, 차단기에 부착된 온도 센서는 TTMP_XCBR_cubicle2가 되고, 피뢰기에 설치된 온도 센서는 TTMP_ZSAR_cubicle2가 된다. 즉 수변전설비 명으로 구분할 수 있다.

· 그림 4(c)는 공간 분류로 식별하는 예이다.

센서 장치 6이 큐비클 3이라는 공간 전체의 부분방전을 감지하는 경우, 센서 장치명과 함께 공간 분류명으로 다른 공간에 설치된 센서 장치와 구분할 수 있다. 예를 들어 큐비클 3에 계기용 변성기와 계전기가 있고, 부분 방전 센서가 특정 수변전설비가 아닌 큐비클 3 전체를 센싱 대상으로 하면 식별자는 SPDC_cubicle3이 되고, 큐비클 4에 설치된 센서장치7의 식별자는 SPDC_cubicle4가 된다.

2.2 식별자 관리 방법

앞 절에서 설명한 자가용 전기설비 식별체계를 적용하여 식별자를 만드는 방법과 만들어진 식별자를 등록/수정/삭제하는 방법을 기술한다.

2.2.1 센서 장치 구조에 따른 식별자 적용 범위

전기설비에 IoT 기술을 적용할 때 제어부와 센서 모듈로 구성되는 센서 장치는 그림 5와 같이 형태로 구성될 수 있다. 센서 장치는 사물인터넷 기능이 있을 경우와 없는 경우가 있으며, 센서 모듈은 하나만 있는 경우와 복수 개가 있는 경우가 있다. 그림 5의 (a)와 (b)는 사물인터넷 기능이 있는 경우이고 센서 모듈의 개수와 상관없이 제어부마다 하나의 식별자를 가진다. 사물인터넷 기능이 없는 경우는 그림 5(c)와 같이 사물인터넷 어댑터를 연동한다.

복합 센서의 경우는 한 자원(Resource)의 속성(Properties)으로 여러 개의 정보를 담을 수 있으므로, 별도의 식별자를 받을 필요는 없지만, 서비스 모델에 따라서 센서 모듈별로 식별자를 받을 경우도 있다. 주요한 알고리즘에 자주 해당 센서값이 참조되거나, 각각의 자원이 여러 위치에서 수집되는 경우에는 식별자를 하나의 제어부에 여러 개 할당한다.

2.2.2 식별자 정의 표를 위한 구성도

자가용 전기설비 중 용량이 1000kW 이하의 약식 수변전설비 예를 도식화하면 그림 6와 같다. 수변전설비들을 그림의 상단에 전선(electric line:blue solid line)으로 연결된 투명한 사각형에 표시하였다. 즉 승압변압기와 자동 고장 구분개폐기, 피뢰기, 파워퓨즈, 계기용 변성기, 컷아웃, 강압 변압기, 저압차단기 순으로 전기가 흐른다.

수변전설비의 안전관리를 위해 추가 설치한 접지저항 센서와 각종 제어기, 변압기의 유중 센서가 회색 상자에 표시되어 있다. 각 제어기로부터 들어온 센서 장치의 측정값이 그림 6의 하단에 표시되어 있으며, 각각의 자원 정보가 온도 센서, 부분 방전 센서, 유중 센서, 유속 측정, 전류계, 접지 저항으로 요약되어 있다.

그림 6에서는 기존의 수변전설비와 IoT표준 플랫폼을 회색 화살표와 두꺼운 검정색 선으로 구분하였다. 기존 수변전설비는 제조사가 제공하는 물리적 인터페이스와 데이터 프레임 포맷을 따르고, IoT 어댑터를 통해 데이터를 수집한 후 표준화된 IoT 플랫폼으로 데이터를 서버 혹은 클라우드 시스템으로 전송한다.

그림 6에서 구성도에 들어간 센서 장치와 수변전설비, 공간 정보를 표 2와 같이 식별자 정의 표로 나타낼 수 있다. 표 2에서 식별자 정의 표는 장치 분류와 논리 노드 명, 대상설비 논리 노드 명, 공간 분류명, 구분자로 구성된다. 고객 번호는 표 공간의 협소로 생략했다. 표 2의 분류 중 센서의 경우, 논리 노드 명으로 온도 센서는 TTMP, 부분 방전 센서는 SPDC, 유중 기체 측정은 MENV, 유속 측정은 MFLW, 접지저항은 GRIS로 정의하였다. IEC 61850 논리 노드 명의 알파벳 4자 중 첫 번째는 논리 노드의 그룹을 의미한다.

표 2에서 분류 중 설비의 경우 논리 노드 명은 변압기는 YPTR, 피뢰기는 ZSAR, 자동 고장 구분 개폐기는 XCBR, 파워 퓨즈는 XFUS, 변성기는 TCTR, 컷아웃 스위치는 XFUS, 강압변압기는 YPTR, 저압 차단기는 XCBR로 정의한다. 이 중 IEC 61850-7-4 LN Classes 외에 IEC 61850-7-420의 마이크로 그리드 전기설비에 정의된 논리 노드를 적용했다.

공간 분류명은 센서 장치나 수변전설비가 설치된 위치 정보로, 공간을 구분하는 이름을 의미한다. 공간 분류명으로는 큐비클, 좌표, 구역 이름 등이 예로 사용될 수 있다. 공간 분류명은 문자열의 길이 제한이나 규칙 없이 사용할 수 있다.

구분자는 센서 장치가 측정하는 대상설비 및 수변전설비를 세부 구분하기 위해 사용한다. 즉 예를 들어 변압기의 각 3상 온도를 재는 세 개의 온도 센서가 서로 다른 두 개의 변압기에 설치된 경우를 예로 든다. 대상 설비의 논리노드 명으로 YPTR을 정하고, 온도 센서로 TTMP에 부가적으로 3상의 각 정보를 더 포함해야 한다. TTMP1A(1차측 A상에 설치된 온도센서)와 TTMP1B(1차측 B상에 설치된 온도센서), TTMP1C(1차측 C사에 설치된 온도센서)가 최종적인 센서 장치명이 된다. 센서 장치명과 수변전설비 명을 설정에 관한 것은 2.4.2절 식별자 예에서 더 자세한 사항을 기술한다.

표 2에 있는 식별자 정의 표에서 생략된 고객 번호는 자가용 전기설비 고객을 구분하는 값이다. 그림 7은 고객 번호로 사용할 수 정보 구성 일 예를 보여준다. 고객 번호로 설비분류 3자리와 설비 번호 10자리로 구성했다. 설비분류는 대분류, 중분류, 소분류로 되어 있으며, 대분류의 A는 자가용, B는 일반용, C는 사업용으로 전기설비 분류를 의미한다. 중분류는 수전 전압을 표현하고, A는 22.9kV, B는 154kV, C는 346kV, D는 765kV, 마지막으로 E는 380V 이하 저압을 의미한다. 소분류는 고압설비 사용 업종 구분으로 code 1은 1, 2차 산업, code 2는 3차 산업, code 3은 고층 건물, 공동 주택, 복합 건물, 방송 통신 보험업, 보관 및 창고업 등에 해당하고, code 4는 공공기관, 교육기관, 공연장, 병원, 대학, 도서관, 군부대, 체육시설 등으로 분류되어 있다.

설비 번호는 전기설비 설치 연도 4자리와 전기설비 안전관리 일련번호를 조합하여 만든다. 구현 방법에 따라서는 전기설비 안전관리 일련번호에 지역 정보 등이 포함될 수 있다. 본 논문에서는 고객 번호를 설비분류와 설비 번호를 조합해서 고객 번호의 유일성을 보장하였다. 계층을 가지는 고객 번호를 사용하면 관리자 및 안전 대행 기관에는 가독성을 높이고, 자가용 전기설비에 대한 통합 관리를 할 수 있는 장점이 있다.

2.2.3 식별자 관리 방법

수변전설비와 센서 장치에 식별자를 할당/관리하기 위해 식별자의 수정과 삭제 기능이 요구된다. 식별자를 관리하는 식별자 관리 서버, 식별체계의 메타 데이터에 해당하는 식별자 정의 표, 식별자의 변경 정보를 교환하기 위한 식별자 연동 저장소가 있다. 전기안전 데이터 수집 서버는 센서 장치나 수변전설비로부터 데이터를 주집 하는 장치로써 식별자의 변경과 삭제에 관여한다.

그림 8은 식별자를 등록하고, 사용을 위해 센서 장치나 수변전 설비에 식별자를 할당하는 순서를 메시지 시퀀스차트로 표현한 것이다.

그림 8에 있는 1)은 식별자 관리 서버가 식별자 정의 표를 참조하여, 식별자를 등록하고, 전기안전 데이터 수집 서버와 인증을 진행하면, 센서 장치나 수변전설비로부터 식별자 요청 메시지가 받을 준비가 되었다.

그림 8에 있는 2)과 같이 센서 장치나 수변전설비가 설치되어 전원이 켜지면 자동으로 부트스트랩(Bootstrap) 클라이언트가 동작하여, 부트스트랩 서버로부터 구성 및 설정 정보를 받으며, 이때 식별자 관리 서버 정보도 함께 받는다.

그림 8에 있는 3) 과정은 센서 장치 혹은 수변전설비가 식별자 관리 서버로 식별자를 요청하는 절차이다. 식별자를 요청하면, 식별자 관리 서버는 그림 8의 2)에서 등록된 식별자를 요청을 받았던 장치에 보냄으로써 식별자 할당을 수행한다.

그림 8에 있는 4) 식별자 연동을 위한 동기화는 식별자 관리 서버가 전기안전 데이터 수집 서버로 식별자가 업데이트 되었다는 정보를 보낸다. 식별자를 특정 기기에 할당 되었음을 의미하는 동시에 전기안전 데이터 수집 서버가 해당 식별자로부터 데이터를 받을 수 있음을 전달하는 것이다. 전기안전 데이터 수집 서버는 식별자 연동 저장소에 해당 정보를 저장한다.

2.2.4 식별자 변경 방법

수변전설비가 교체되거나 센서 장치가 이동 설치되면 식별자가 가지고 있는 공간 분류와 대상설비에 대한 정보를 사용할 수 없으므로 반드시 새로운 식별자를 할당받아야 한다. 그림 9은 식별자를 변경하는 절차이다. 그림 9의 1)에서와 같이 관리자에 의한 식별자 변경이 발생할 때, 관리자는 식별자 정의표를 참조하여 새로운 식별자를 등록한다. 등록된 식별자는 식별자 관리 서버를 통해 전기안전 데이터 수집 서버로 정보가 전달된다.

그림 9에 있는 2) 식별자 할당 요청은 이동 설치되었으므로 전기안전 데이터 수집 서버는 센서 장치 혹은 수변전설비로 식별자가 변경되었음을 통보하고, 새로운 식별자를 요청하고 할당하는 절차에 들어간다.

그림 9에 있는 3) 식별자 연동을 위한 동기화를 통해 식별자 관리 서버가 새로 할당한 식별자를 전기안전 데이터 수집 서버를 통해 식별자 연동 저장소에 저장한다.

2.2.5 식별자 삭제 방법

수변전설비와 센서 장치가 고장 등으로 철거되는 경우에 대한 식별자 삭제 절차를 그림 8에 나타내었다. 그림 8의 1) 철거 전 식별자를 삭제하는 경우는 센서 장치나 수변전설비에서 식별자 삭제 메시지를 식별자 관리 서버에 보내고 확인을 받는다. 그림 8의 2) 고장 등으로 식별자를 삭제하지 못하고 철거하는 경우는 관리자에 의해 식별자 연동 저장소의 식별자를 직접 삭제한다.

2.3 식별자 정의 표를 이용한 식별자 관리 서버 구현

2.3.1 식별자 관리 서버에 등록할 수변전설비 구성

식별자 관리 서버에서 식별자 정의 표를 이용하여 수변전설비와 센서 장치에 대한 식별자를 등록하는 기능을 웹으로 구현하였다. 수변전설비와 센서 장치가 구동되어 식별자를 요청하면 식별자 관리 서버는 등록된 식별자를 할당한다.

식별자 관리 서버에 등록할 수변전설비 구성 예를 그림 11에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 다섯 개의 큐비클에 각각 주요 수변전설비를 하나씩 설정하였다. 큐비클 1에는 승압변압기, 큐비클 2에는 자동고장구분개폐기, 큐비클 3에는 계기용 변성기, 큐비클 4에는 강압변압기, 큐비클 5에는 저압 차단기가 있다. 각각의 큐비클을 자세히 살펴보면, 큐비클1에 있는 승압변압기에는 6개의 온도 센서가 부착되어 있는데, 1차 측에 3상 전력선과 2차 측 3상 전력선에 각각 온도 센서가 있다. 부분 방전 센서는 큐비클1 내부에서 발생하는 부분 방전을 감지한다. 접지저항은 모든 큐비클에 연결된 접지선의 저항을 감지하는 센서로 큐비클1에 설치되어있다. 그림 11의 큐비클 2~5에도 이와 유사한 방식으로 부분 방전 센서와 온도 센서가 부착되어 있다.

2.3.2 식별자 정의 표를 적용한 식별자

표 3은 식별자 정의 표를 이용하여 식별자 관리 서버에 등록할 수변전설비와 센서 장치 목록이다. 센서 장치명과 센서 위치 구분자, 대상설비명, 장비 구분자, 공간 분류명, 설명을 열로 구성되어 있다. 센서 위치 구분자는 동종의 센서를 구분하는 문자열로 1A, 1B, 1C 혹은 2R, 2S, 2T등이 사용되었다. 장비 구분자는 같은 대상설비명에 대해 up, down과 같이 특징을 표시하여 식별자를 구분하는 용도이다. 센서 장치명과 대상설비명, 공간 분류명은 2.3.1절의 표 2를 참조하였다.

예를 들어, cubicle1에 설치된 승압 변압기 1차 측 A라인에 설치된 온도 센서는 표 3의 두 번째 행에서 보여주듯이 센서 장치명은 “TTMP”, 센서 위치 구분자는 “1A”, 대상설비명은 “YPTR”, 장비 구분자는 “up”, 공간 분류명은 “cubicle1”, 설명은 “변압기 1차 측 3상 A라인 온도 측정”이라고 쓸 수 있다.

2.3.3 관리 서버에 식별자 등록 결과

웹 기반 식별자 관리 서버에서 수변전설비와 센서 장치를 등록할 수 있도록 프로그램을 개발하였다. 본 예에서 고객 번호는 AA1-2019000007이다. 즉 자가용 전기설비 22.9kV로 2차 산업에 해당하는 전기이고 2019년에 7번째로 설치한 것으로 해석할 수 있다.

센서와 수변전설비는 각각 관리자 페이지에서 구분하여 식별자 정의 표를 참조하여 등록한다. 센서 장치의 경우 센서 위치 구분자와 대상설비명, 설비 구분자를 이용하여 식별자 일부를 만든다. 만들어진 중간 식별자는 공간 분류명을 등록한 후 고객 번호를 조합해 최종 식별자가 완성된다. 최종 식별자가 완성되면, 중복 테스트를 거쳐 식별자를 저장한다.

수변전설비의 경우 관리자 페이지에서 설비명과 장비 구분자를 통해 식별자 일부를 만들고, 공간 분류명과 고객 번호를 조합해서 최종 식별자가 완성된다. 센서 장치와 수변전설비의 식별자는 관리자가 장치를 등록할 때 할당되는 구조를 택했으며 DB 구성과 데이터 수집 운용이 편리한 장점이 있다. 그림 12는 식별자를 할당한 목록을 보여준다.

제안된 식별체계를 적용한 식별자를 사용해서 DB의 테이블을 만들과 관리했을 때의 기술적인 장점은 DB를 접근하는 횟수를 줄이는 것과 시각화 표현이 용이하다는 것이다. 숫자나 코드로 이루어진 ID로 정보를 읽어 올 경우 해당 데이터가 어느 장치의 것인지 알기 위해서는 장치와 ID를 매핑하는 구조를 유지해야 한다. 하지만, 식별자를 DB 테이블 명과 함께, ID로 사용하면 여러 번 DB를 호출하지 않고, 매핑하는 별도의 구조를 관리하지 않아도 된다. 또한, 동일한 식별 체계를 따르는 데이터는 DB만 공유해도 시각화 프로그램, 혹은 사용자 인터페이스를 구성할 수 있다.