3.1 IoT 기반 전기안전 관리시스템 구조

전기안전 관리시스템의 핵심 기능은 전기설비에서 전기안전 관련 데이터를 실시간으로 수집하는 것이다. 이를 위해 각 전기설비의 전기안전 데이터 전송을 위한 제어기와 각 전기설비들에서 수집 및 전달되는 데이터를 수집/저장/관리하기 위한 관리시스템이 필요하다. 관리시스템은 데이터의 수집 및 관리를 위한 데이터 수집 서버와 데이터를 기반으로 안전관리 서비스를 제공하는 관리서비스 서버로 구성된다. 현재 대부분의 전기설비는 통신기능이 있는 제어기가 탑재되어 있지 않거나, 통신기능을 지원하더라도 IoT 표준 기반 기능을 지원하지 않음에 따라, 전기설비의 안전관리에 필요한 전기안전 데이터를 제어기가 제공할 수 없는 경우가 많다. 따라서, 전기설비에 센서모듈을 추가 장착하여 전기안전 관련 데이터를 수집하고 있다. 하지만 센서모듈 또한 제어기와 마찬가지로 IoT 표준기술을 지원하지 않는 경우가 많으며, 모드버스 통신 프로토콜이 전기 설비들에 널리 사용되고 있다. 따라서, 기존의 모드버스 통신 프로토콜 기반의 전기설비들을 연동하기 위해서는 모드버스 통신 프로토콜을 수용하여 IoT 통신으로 변환할 수 있는 어댑터 기능을 가지는 장치가 필요하다^[7].

그림. 1. IoT 기반의 전기안전 관리시스템 개요

Fig. 1. Overview of IoT based electrical safety management system

그림 1은 전기설비 안전관리 서비스 제공을 위한 IoT 표준 기반의 전기안전 관리시스템 구조를 나타낸 것이다. 그림에서 표시된 것처럼, IoT 미지원 설비는 시리얼 통신의 모드버스 프로토콜을 사용하여 IoT 어댑터에 연결된다. IoT 지원 전기설비는 IoT 어댑터와 IoT 통신 프로토콜 중 하나인 OCF (Open Connectivity Foundation)의 표준 데이터 모델을 사용하여 연결된다. 소규모 전기설비를 관리하는 경우에는 IoT 지원 전기설비가 데이터 수집서버에 직접 OCF 통신 프로토콜로 연결될 수도 있다. IoT 어댑터와 데이터 수집 서버 간의 정보 교환은 OCF에서 제공하는 IoTivity 오픈 소스를 활용하여 구현하였다. 수집된 전기안전 데이터의 효과적인 관리를 위해 웹 기반의 전기안전 데이터 시각화 기능과 모바일 앱 기반의 시각화 기능을 제공한다^[8].

전기안전 관리시스템에서 상호운용성 보장을 위해서는 전기설비에서 측정되는 데이터를 표준화된 데이터 모델 형태로 정의하는 것이 필요하다. 이를 위해 설비별로 관리해야 할 데이터 유형을 분류하고 이에 따른 데이터 모델을 정의하여 표준화를 추진하는 것이 필요하다. 이러한 데이터에 대한 표준화가 잘 이루어져야 서로 다른 제조사들에 의해 만들어지는 설비들간의 상호운용성을 보장할 수 있으며, 추후 예측을 위한 데이터 분석도 용이하게 된다. 전기설비의 측정 데이터에 대한 데이터 모델은 대표적으로 IEC 61850을 비롯한 다양한 표준이 개발되어 널리 사용되고 있다^[9]. 그러나, 전기설비 측정 데이터들에 대한 IoT 표준 기반의 데이터 모델은 아직 초기 단계이며, OCF 국제표준으로 태양광 발전 설비에 대한 IoT 데이터 모델이 개발되었다^[10][11].

그림 2는 모드버스 기반의 전기설비와 IoT 어댑터 및 데이터 수집서버 간의 연결 구성을 나타낸 것이다. 수배전 설비 자체적으로 제어기가 탑재되어 있는 경우에는 모드버스를 사용하는 시리얼 통신을 통해 IoT 어댑터와 연결된다. 전기설비에 제어기가 탑재되어 있지 않은 경우나 별도의 전기안전 센서를 추가 탑재한 경우에는 센서장치 제어기가 센서 장치로부터 전기안전 데이터를 취합하여 시리얼 통신을 통해 IoT 어댑터로 모니터링 데이터를 전달한다. IoT 어댑터는 전기설비 및 센서로부터 전달된 데이터를 OCF 표준에서 정의된 IoT 기반 센서 데이터 메시지로 생성 후, 데이터 수집서버로 인터넷을 이용하여 전달한다. 데이터 수집서버와 IoT 어댑터 간에는 OCF에서 제공하는 IoTivity 공개 소프트웨어를 활용하여 데이터 전송을 수행한다. 전기안전 관리시스템에서는 수집된 데이터를 기반으로 안전에 문제가 있다고 판단되는 경우 차단기의 제어기로 차단 명령을 보내서 자동 제어 기능을 수행할 수 있다.

그림. 2. 모드버스 기반 전기설비와 IoT 어댑터 간 상세 연결 구조

Fig. 2. Connection structure for modbus based electrical equipment and IoT adaptor

그림 3은 전기안전 관리시스템에서 제공하는 웹 기반의 시각화 기능 화면을 나타낸 것이다. 웹 기반의 시각화 기능은 사용자 등록, 자가용 전기설비 등록 (설비, 센서 장치), 전기안전 관리 시나리오 등록, 전기설비의 식별자 등록 등을 수행하기 위한 관리자 모드를 제공한다. 사용자 모드에서는 주요 데이터 및 세부 데이터 확인, 전기안전 관리 시나리오 구동, 전기 안전도, 결선도, 시험 결과서 열람 등의 기능을 제공한다. 그림 4는 현장에서 사용하기 위한 모바일 앱 기반의 시각화 기능 화면을 나타낸 것이다. 모바일 앱에서는 현장 혹은 외부에서 현재 데이터 모니터링, 점검 및 확인 시 날짜/시간별 검색, 전기안전 제어 시나리오 현황 확인, 전기 안전도 확인 등의 기능을 제공한다.

그림. 3. 전기안전 관리시스템의 웹 기반 시각화 기능

Fig. 3. Web based visualization function for electrical safety management system

그림. 4. 모바일 앱 기반 시각화 기능

Fig. 4. Mobile application based visualization function

3.2 IoT 표준 기반 전기설비 연동을 위한 OCF 데이터 모델

본 절에서는 전기설비 중 분산전원 용도로 가장 널리 사용되는 태양광 발전 설비에 대하여, IoT 기반 연동을 위한 OCF 데이터 모델을 기술한다. IoT 기술의 확산에 따라, 사용자 영역인 가정, 건물, 공장 등의 설비들을 IoT 기반의 OCF 플랫폼을 활용하여 연결하기 위한 표준 및 오픈소스의 개발이 활발히 진행되고 있으나, 전기설비를 OCF 기반으로 IoT 연결을 제공하는 작업은 아직 초기 단계이다. 따라서, 사용자 측의 전기설비를 OCF 기반으로 IoT 연결을 제공하고, 전력 공급자측 전력 설비와의 연결을 제공하기 위해서 IEC 61850 표준과 호환 가능한 OCF 데이터 모델의 개발이 진행되고 있다. 그림 1에서 도시되었던 바와 같이, OCF 데이터 모델을 지원하는 전기설비는 IoT 어댑터와 IoT 통신으로 직접 연결될 수 있다. 태양광 발전 설비의 기본 구성 디바이스는 태양광 패널, 배터리 시스템, 인버터, 차단기로 구분될 수 있으며, 각 설비의 기능은 IEC 61850-7-420 국제표준을 참고하여 정의된다^[12]. 그림 5는 본 논문에서 고려하는 태양광 발전 설비의 구성요소를 나타낸 것이다.

그림. 5. 태양광 발전 설비 기본 구성

Fig. 5. Basic configuration of PV generation facility

표 1은 본 논문에서 대상으로 하는 태양광 발전 시스템의 각 구성 설비별 역할 및 세부 수행 기능을 나열한 것이다.

표 2는 차단기 (Circuit Breaker) 설비의 리소스 정의 모델을 나타낸 것이다. 리소스 모델은 리소스를 표현하기 위한 세부 요소별로 요소 명칭, 값, 필수 여부 등을 정의하고 있다. 차단기 이외의 설비에 대해서도 표와 같은 형태로 리소스 모델이 정의되고 있다^{[8][10][11][13]}. 정의된 설비별 리소스 모델을 기반으로 OCF의 다른 장치들에서 태양광 발전 설비들과 연동이 가능할 수 있다.

3.3 모드버스 데이터 모델과 OCF 데이터 모델 간 연동을 위한 모드버스/OCF 연동 브리지

분산전원용 발전설비 중 태양광 발전 설비의 주요 디바이스인 태양광 패널, 차단기, 배터리, 인버터에 대한 IEC 61850 모델 송배전 설비의 자동화를 위해, 송배전 설비 내 다양한 전기 설비들의 데이터 모델링 방법을 정의하는 표준 기반의 OCF 데이터 모델이 OCF 2.0.5 표준 규격으로 제정 완료되었다^[8]. 그러나, 현재까지 모드버스 기반의 전기설비가 널리 사용됨에 따라, 모드버스를 사용하는 전기 설비를 OCF 기반의 IoT 환경으로 연동하기 위해서는 모드버스 데이터 모델을 OCF 데이터 모델로 변환하는 방법이 필요하다. 이러한 데이터 모델의 변환은 모드버스/OCF 연동 브리지 (Bridge)를 통해 지원될 수 있다. 모드버스/OCF 연동 브리지 기능은 별도 장치에 구현되거나, 본 논문의 3.1절에서 기술된 IoT 어댑터 내에 탑재될 수 있다.

그림 6은 모드버스 데이터 모델을 사용하는 차단기의 데이터 모델 예를 나타낸 것이다. 모드버스 데이터 모델은 총 4개의 입출력 가능한 데이터 모델이 있으며, 각 데이터 모델 별 주소체계를 사용한다. 주소는 각 데이터 모델 별로 일련번호를 부여하는 형식으로 모드버스를 구현하는 측에서 임의로 설정할 수 있다. 각 설비 제조사마다 자체적인 모드버스 데이터 모델을 사용할 수 있으므로, 상이한 제작사 설비간 상호 호환이 어려운 문제점이 있다. 표 3은 모드버스 데이터 모델의 분류를 나타낸 표이다.

그림. 6. 차단기의 모드버스 데이터 모델 예

Fig. 6. An example of modbus data model for circuit breaker

모드버스 데이터 모델을 OCF 데이터 모델로 변환하기 위해서는 표 4와 같이 동일한 데이터 명칭을 사용하는 데이터를 OCF의 대응되는 데이터로 변환하는 과정을 수행하면 된다^[13].

표 4에 표시된 것처럼, 모드버스 데이터 모델과 OCF 데이터 모델이 동일한 데이터 명칭을 사용하여 1:1로 대응되는 쉽게 변환이 될 수 있다. 그러나, 1:1로 대응이 되지 않는 경우에는 별도의 매핑 작업이 필요하다. 표 5는 모드버스 데이터 모델과 OCF 데이터 모델이 직접 매핑되지 않는 경우의 예를 나타낸 것이다. 모드버스 입력 레지스터 419번을 절연저항 데이터로 사용하고 데이터의 이름이 ‘resistance of insulation’으로 표기되어 있으나, OCF 데이터 모델에서는 절연저항을 ‘insulation resistance’로 사용함에 따라 단순 매핑이 이루어지지 않는다. 모드버스 입력 레지스터 420번의 전류는 세부적으로 어떤 전류를 의미하는지 명확하지 않다. 변환 가능한 OCF 데이터 모델의 전류 항목은 정격차단전류, 정격전류, 누설전류 등 3가지가 존재하므로, 매핑을 위한 추가 고려가 필요하다. 입력 레지스터 421번의 차단횟수는 대응되는 OCF 데이터 모델이 존재하지 않으므로 변환이 불가능하다.

표 5. 모드버스와 OCF 데이터 모델간 불일치 예

Table 5. Example of difference between modbus and OCF data models

그림 7은 모드버스 데이터 모델을 사용하는 전기 설비와 OCF 설비 간의 연동을 위한 변환 프로세스 구조를 제시하고 있다. 모드버스/OCF 데이터 모델 변환을 위해 모드버스 데이터 정의 파일을 사전 교환 후, 해당 파일에 기록된 모드버스 데이터 정보를 OCF 데이터 모델로 변환하기 위한 변환 테이블을 구성한다. 그 후, 수신된 모드버스 데이터를 OCF 데이터로 변환하게 된다. 변환 이후 OCF 데이터 파일을 생성하여 OCF 서버측으로 전달하고, 최종적으로 OCF 클라이언트가 OCF 서버에 접속하여 OCF 데이터 모델로 변환된 모드버스 데이터를 읽을 수 있다.

그림. 7. 모드버스/OCF 데이터 모델 변환 프로세스

Fig. 7. Conversion process for modbus to OCF data models

일반적으로 모드버스 설비는 타임스탬프 정보를 지원하지 않지만 OCF 데이터 모델은 타임스탬프 정보를 필수로 가지고 있다. 따라서 모드버스 서버로부터 전송된 데이터에 타임스탬프 정보를 추가해 주어야 한다. 그림 8은 모드버스와 OCF 데이터 모델 간 변환 기능을 수행하는 연동 브리지 구조를 나타낸 것이다. 모드버스 서버로부터 수신된 정보가 OCF 데이터로 변환될 때 타임스탬프 처리 모듈을 통해 OCF 데이터 모델에서 사용하는 타임스탬프 형식으로 타임스탬프를 생성하여 변환 프로세스로 전달한다. OCF에서 정의된 태양광 발전 설비는 OCF 클라이언트에서 OCF 서버의 내용을 단방향으로 읽기 동작만을 지원하고 있으므로, 연동 브리지에서도 모드버스 서버로부터 전송되는 데이터를 OCF 데이터 모델로 변환하여 OCF 클라이언트로 전달하는 단방향 읽기 동작만 지원한다.

연동 브리지 내 모드버스 클라이언트는 모드버스 마스터 기능을 수행하며, 모드버스 서버는 모드버스 슬레이브 기능을 수행한다. 모드버스 클라이언트는 모드버스 서버로부터 수신된 데이터를 변환 프로세스로 전달한다. 변환 프로세스는 모드버스 프레임내 포함된 데이터를 OCF 데이터모델 형식으로 변환하여 OCF 서버로 전달한다. 데이터모델 변환 시 타임스탬프 정보는 별도의 타임스탬프 모듈을 통해 전달받는다. 모드버스 데이터모델을 변환하기 위해서는 모드버스 데이터 정보가 필요하며, 모드버스 데이터 정보 및 모드버스 서버가 지원하는 서비스는 사용자를 통해 입력받아 모드버스 데이터모델 DB에 저장된다. 저장된 모드버스 데이터모델 정보를 기반으로 모드버스 서버에서 전송된 데이터를 사전에 정의된 OCF 데이터모델로 변환한다.

그림. 8. 모드버스/OCF 데이터 모델 연동 브리지 구조

Fig. 8. Bridging architecture of modbus and OCF data model conversion

모드버스/OCF 연동 브리지는 변환 프로세스를 통해 OCF 통신과 모드버스 통신을 분리한다. 다음은 OCF와 모드버스 간의 정보 교환에 필요한 요구사항이다.

- 일반적으로 이벤트 주도로 전송되는 런타임 운영 정보 (상태 정보, 측정 정보)가 변환 프로세스를 통해 교환됨. 두 네트워크에서의 데이터 검색은 독립적이며 다른 속도로 수행될 수 있음

- 데이터 모델의 다른 정보 (매개 변수, 구성 및 설명 정보, 대체)에 대한 런타임 액세스는 게이트웨이에 의해 직접 전달되어야 하며, 이러한 데이터 모델을 사용하는 서비스도 매핑되어야 함