박유영
(Yu-Yeong Park)
1iD
김석곤
(Seok-Kon Kim)
2iD
박철원
(Chul-Won Park)
†iD
-
(Dept. of Electrical Engineering, Gangneung-Wonju National University, Korea.)
-
(Next Generation Transmission & Substation Lab, KEPCO Research Institute, Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Digital substation, IEC 61850, IED, Interoperability, Trouble simulator
1. 서 론
한국전력공사는 2020년 1월 기준 약 60개소의 디지털변전소를 운전 중이다. 디지털변전소는 2013년부터 신규 154kV 변전소를 대상으로 구축하고
있으며 30여 개의 다양한 제작사 중에서 4 ~ 6개의 제작사 장치가 선정되는 멀티벤더기반의 시스템(multi-vendor-based system)으로
구축되고 있다. 도입 초기에는 IEC 61850 국제표준을 만족한 전자장치를 사용할 경우 상호 간에 호환성 문제가 없을 것으로 판단하였지만, 최초
운전부터 지금까지 디지털변전소에는 크고 작은 장애 요인이 발생하고 있다. 이는 장치의 고장을 제외하고 설비 간 정보 교환에서 통신 메시지를 해석하고,
장애 발생 시 이에 대한 대처 및 해석 방식이 제작사별로 상이한 것이 주요 원인이 되었다(1-3). IEC 61850 국제표준은 모든 표현 방식을 같게 사용하도록 정의한 것이 아니라, 일정한 범위에서는 제작사들이 자유롭게 구현할 수 있는 범위가
존재하고, 또한 운영환경과 소프트웨어의 지속적인 변화로 인해 디지털변전소의 상호운용성에 영향을 줄 수 있다(4-7).
디지털변전소의 핵심이 되는 IEC 61850 국제표준은 2012년부터 새로운 데이터와 통신 서비스가 제시된 Edition 2.0으로 개편되었다. 이는
Edition 1.0에서 확보하지 못한 디지털변전소 시스템의 상호운용성의 부족한 부분이 보완되었으며 이를 기반으로 하는 제품이 시장에 출시되고 있다(8-10).
본 논문에서는 디지털변전소 장애 시험을 위한 개발한 트러블 모의장치 구성과 실제 적용 사례에 대하여 논하고자 한다.
2. 본 론
2.1 디지털변전소 변전 자동화 시스템
디지털변전소 시스템은 기존 제어케이블(Hard-wire)에 의한 1대1 신호전송방식에서 벗어나 디지털 네트워크를 통해 정보 교환을 하는 것이 특징이다.
운영시스템-IED, IED-IED가 IEC 61850 국제표준에 따라 동일한 해석이 가능한 디지털신호로 정보를 교환할 수 있다(8).
2.2 트러블 모의장치
트러블 모의장치(trouble simulator)는 디지털변전소에서 발생하는 현장 장애사항을 재현하여 디지털변전소의 기존/신규 장치들의 성능을 시험하기
위한 장치이다. 또한, 발생 가능한 장애사항을 사전에 모의하고 시험함으로써 대비책을 마련하고 디지털변전소 시스템의 상호운용성을 확보할 수 있다(11-12).
2.2.1 장치 구성
트러블 모의장치는 그림 1과 같이 신호발생장치, 신호변조장치, 경로구성장치 및 HMI 시스템으로 구성된다.
그림 1 트러블 모의장치 연계 구성도
Fig. 1 Configuration diagram for trouble simulator connection
세 개의 장치들과 HMI 시스템은 각 장치의 데이터베이스와 연계된다. HMI 시스템은 장치의 설정, 명령과 상태 확인 및 이력 관리를 DB를 통해
수행한다. 각 장치들은 DB에 저장된 설정 정보를 읽어와 설정을 적용하고 분석한 정보와 상태를 DB에 다시 저장하면 HMI에서 주기적으로 읽어간다.
2.2.2 장치 기능
(1) 신호발생장치
그림 2는 신호발생장치의 실행화면이다. 신호발생장치는 IEC 61850 서버 시뮬레이터와 부하발생기로 구성되어 있다.
IEC 61850 서버 시뮬레이터는 사용자로부터 SCL 파일을 입력받아 Logical Node를 구성하여 가상서버를 생성하며 사용자로부터 제어 명령을
받아 기동/중지 제어를 수행한다. 사용자로부터 데이터 시뮬레이션 명령을 받으면 가상서버는 임의의 가상 데이터를 생성하여 운영시스템(Client)으로
Report를 전송한다.
가상서버 구동화면은 그림 3과 같으며, SCL 파일로부터 생성된 가상서버의 정보를 확인하고 데이터를 변경할 수 있다.
그림 2 신호발생장치 실행화면
Fig. 2 Execution screen of signal generator
그림 3 가상서버 구동화면
Fig. 3 Operation screen of virtual server
그림 4 부하발생기 실행화면
Fig. 4 Execution screen of traffic generator
부하발생기는 연결된 네트워크로 임의의 ARP, TCP, UDP 패킷을 전송하여 네트워크에 부하를 발생시키는 기능을 가진다. 사용자가 입력한 PCAP
파일을 기반으로 데이터를 재생하므로 패킷 내용을 가공할 수 있다.
그림 4는 신호발생장치에서 부하발생기를 실행한 화면이다. 부하발생량은 디지털변전소의 IED단 네트워크 용량인 100M를 기준으로 하며, 최소 조절 단위는
0.1%(=0.1M) 이다. 최대 100%(=100M)까지 부하량을 증가시킬 수 있으며, 이는 IED단 네트워크를 마비시킬 수 있는 데이터양이다.
(2) 신호변조장치
신호변조장치는 디지털변전소 네트워크에서 발생하는 장치와 장치 간 패킷을 대상으로 하여 사용자가 정의한 규칙에 따라 패킷을 변조하는 기능을 가진다.
그림 5 신호변조장치 접속화면
Fig. 5 Connection screen of signal modulator
그림 5는 신호변조장치의 접속화면이다. 데이터를 삭제, 지연, 반복, 변조 처리하는 기능을 수행하며, 네트워크에 장애를 발생시킬 수 있다. GOOSE(Generic
Object Oriented Substation Event)와 MMS(Manufacturing Message Specification)에 대한 데이터
변조가 가능하다.
(3) 경로구성장치
경로구성장치는 네트워크 스위치의 포트를 구성해주는 기능을 가진다. 원격에서 경로 구성 정보를 입력 받아 포트설정을 변경하며, 40개 이상의 검사 대상
장치를 연결할 수 있는 포트를 가진다. 그림 6은 경로구성장치의 접속화면이다. 네트워크 스위치의 모든 포트가 활성화된 것을 볼 수 있다. 비활성화된 포트의 경우 회색으로 처리한다.
그림 6 경로구성장치 접속화면
Fig. 6 Connection screen of network path configuration tool
2.3 트러블 모의장치 사용 예시
트러블 모의장치는 신규 디지털변전소를 구축할 때 사전 시험을 통해 설치될 장치들의 검증에 사용될 수 있으며, 운전 중인 디지털변전소에서 장애 발생
시 동일한 장애를 실험실 환경에서 재현이 필요할 경우 사용할 수 있다. 지면의 한계로 본 논문에서는 트러블 모의장치의 일부 기능에 대하여 논하고자
한다.
그림 7 트러블 모의장치 설치 예시
Fig. 7 Example of trouble simulator installation
그림 7은 트러블 모의장치의 설치 예시이다. 운영시스템과 IED 사이에 설치가 되며, 운영시스템-IED, IED-IED간 발생하는 메시지 및 네트워크 자체에
트러블을 발생시킬 수 있다.
2.3.1 IEC 61850 기반 신호 발생/중지
(1) 가상서버 제어
그림 8은 신호발생장치에서 가상서버의 GOOSE 상태를 조절하는 제어부를 나타낸다. 중지 버튼을 누르면 가상서버가 발생하는 GOOSE 메시지를 일시적으로
중지시킨다. 이 경우 중지된 GOOSE 메시지를 받도록 설정되어 있던 타 IED는 더는 GOOSE 메시지를 수신하지 못하게 되어 GOOSE 메시지
수신실패 이력을 기록하게 된다.
그림 8 가상서버 GOOSE 발생 및 중지 제어화면
Fig. 8 Control screen of generate and stop of GOOSE by virtual server
또한, 데이터 시뮬레이션 기능으로 가상서버의 임의의 데이터 값을 변경할 목적으로 그림 9의 데이터 시뮬레이션 제어부에서 발생간격과 발생수를 입력하고 설정 버튼을 누르면 운영시스템과 타 IED에게 변경된 데이터 값을 송신한다.
운영시스템과 타 IED는 각각 수신받은 데이터의 발생간격과 발생수를 기록하게 되는데 이때 각 장치의 정밀도를 시험할 수 있다. 변경되는 임의의 데이터
값은 가상서버가 가지고 있는 데이터셋을 기반한다.
그림 9 데이터 시뮬레이션 설정화면
Fig. 9 Setting screen of data simulation
(2) 네트워크 트래픽 발생
신호발생장치의 부하발생기에서 네트워크에 발생시킬 트래픽의 종류를 선택하고 발생량(%)을 입력한 후 발생시작 버튼을 누르면 네트워크에 부하가 주입된다,
그림 10은 부하발생기가 ARP 부하를 발생하고 있는 상태를 보여준다. 10Mbps로 ARP 부하를 네트워크에 송신하고 있다.
그림 10 ARP 부하 발생 화면
Fig. 10 Generation screen ARP traffic
신호발생장치에서 GOOSE 대량 발생용 가상서버를 기동하고 GOOSE 부하발생량을 그림 11과 같이 10%로 입력하여 발생 버튼을 누르면, 기동된 가상서버는 각각 10%의 GOOSE 부하를 네트워크에 주입하게 되므로 10대인 경우 네트워크에는
100%(=100M)의 GOOSE 부하가 유입된다.
그림 11 GOOSE 부하량 제어화면
Fig. 11 Control screen of GOOSE traffic
2.3.2 데이터 변조
디지털변전소 네트워크에서 데이터가 장치결함 및 외부 요인으로 인해 삭제, 지연, 반복, 변조되는 경우를 모의할 때 사용할 수 있다. 그림 12는 신호변조장치의 필터 설정화면을 나타낸다. 데이터 변조를 위해 변조할 데이터의 source 또는 destination을 필터 설정화면에 입력한다.
그림 12 신호변조장치 필터 설정화면
Fig. 12 Setting screen of filter in signal modulator
이어서 변조할 규칙을 그림 13에서 보여주는 것과 같이 DROP, DELAY, REPEAT, MODULATE 중에서 선택한다. 데이터 삭제를 모의하는 경우 DROP을 규칙으로 입력하면,
필터된 데이터가 네트워크상에서 사라지도록 모의 된다.
그림 13 신호변조장치 규칙 설정화면
Fig. 13 Setting screen of rule in signal modulator
동일한 데이터를 여러 차례 반복하여 발생시키거나, 시간 지연을 추가하거나, 데이터 값을 임의로 0↔1로 바꾸는 등 사용자 입력한 규칙대로 변조 기능을
적용할 수 있다.
2.3.3 네트워크 경로 구성
경로구성장치에서 시험 대상이 되는 장치의 포트만 네트워크에 연결을 허용하고 이외의 포트를 소프트웨어적으로 분리하고자 할 때 사용할 수 있다. 연결하고자
하는 장치를 선택한 후 Apply를 누르면 즉시 적용된다. 그림 14는 시험대상이 되는 운영시스템#1과 IED#1, 두 장치만 네트워크에 연결한 상태를 보여준다.
그림 14 경로구성장치 포트상태
Fig. 14 Port status of network path configuration
또한 운영시스템 또는 IED의 통신이중화시험을 진행할 때 주포트 절체를 모의하는 경우에도 사용할 수 있다.
3. 사례 연구
트러블 모의장치를 이용한 IEC 61850 통신 시험이 가능하도록 디지털변전소 상호운용성 Test-Bed에 시험 환경을 구축하였다. 시험에는 트러블
모의장치를 포함하여, 실제 디지털변전소에 설치 운용 중인 ○○사 운영시스템과 ○○사 IED가 사용되었다.
3.1 시험 환경 구성
(1) 가상 IED 엔지니어링
- GOOSE 메시지를 네트워크에 송신하도록 설정한다.
- 운영시스템에게 Report를 송신할 수 있도록 데이터셋을 구성한다.
(2) 실물 IED 엔지니어링
- 네트워크 스위치에 주, 예비 2개의 통신포트를 연결하여 통신할 수 있도록 한다.
- 가상 IED로부터 GOOSE 메시지를 수신하여 자신의 포인트에 맵핑 하도록 설정한다.
- 운영시스템에게 Report를 송신할 수 있도록 데이터셋을 구성한다.
(3) 운영시스템 엔지니어링
- 가상 IED와 실물 IED로부터 Report를 수신할 수 있도록 RCB를 각각 Enable 한다.
3.2 네트워크 트래픽 발생 시험
네트워크 트래픽 발생 시험 구성도는 그림 15와 같다. 신호발생장치는 가상서버를 구동하여 GOOSE 메시지를 네트워크에 주기적으로 전송한다. 이후 부하발생기를 이용하여 부하를 발생시키면 네트워크에
트래픽이 발생된다.
그림 15 네트워크 트래픽 발생 시험 구성도
Fig. 15 Configuration diagram for test of network traffic generation
그림 16은 네트워크 트래픽 발생 시험 순서도를 나타낸다. ARP 일반 부하 10%를 네트워크에 주입하고 10분이 경과 한 뒤 시험대상이 되는 IED와 운영시스템
사이의 통신 상태를 확인하였다.
그림 16 네트워크 트래픽 발생 시험 순서도
Fig. 16 Flowchart for test of network traffic generation
통신 상태는 정상이였으며, 시험대상 IED는 가상서버로부터 GOOSE 메시지를 정상적으로 수신하고 운영시스템으로 MMS Report도 정상적으로 송신하는
것을 확인하였다. 그러나 ARP 일반 부하를 30%이상 주입하는 경우에는 IED-운영시스템 간에 통신이 끊어지는 장애가 발생했다. 다만 부하를 제거하면
운영시스템과의 통신이 정상적으로 복귀되는 것을 확인할 수 있었다.
3.3 데이터 변조 기반 시험
데이터 변조 기반 시험 구성도는 그림 17과 같다. IED에서 운영시스템으로 보내는 MMS Report를 신호변조장치가 강제로 삭제하면 IED 측면에서는 MMS Report 정상 송신으로
판단하지만, 운영시스템 측면에서는 MMS Report 발생 여부를 판단할 수 없는 상태가 된다.
그림 17 MMS Report 삭제 시험 구성도
Fig. 17 Configuration diagram for test of MMS Report Drop
그림 18은 MMS Report 삭제 시험 순서도를 나타낸다.
그림 18 MMS Report 삭제 시험 순서도
Fig. 18 Flowchart for test of MMS Report Drop
신호변조장치는 변조할 패킷에 대하여 필터를 구성하고 삭제 규칙을 적용한다. 이후 IED에서 MMS Report를 발생시켰다. 그러나 운영시스템에서는
MMS Report 발생 여부를 확인하지 못하였다.
3.4 네트워크 이중화 시험
네트워크 이중화 시험 구성도는 그림 19와 같다. 경로구성장치가 네트워크에 연결된 IED의 주 포트를 차단하면 IED는 더 이상 주 포트를 이용하여 통신할 수 없게 된다.
그림 19 네트워크 이중화 시험 구성도
Fig. 19 Configuration diagram for test of network redundancy
그림 20은 네트워크 이중화 시험 순서도를 나타낸다.
그림 20 네트워크 이중화 시험 순서도
Fig. 20 Flowchart for test of network redundancy
IED는 주 포트가 차단되는 즉시 예비 포트로 통신 회선을 변경하여 운영시스템과 통신을 유지하였다. 경로구성장치를 이용하여 주 포트를 네트워크에 다시
연결하였을 때는 IED가 즉시 주 포트로 통신을 재연결하는 것을 확인할 수 있었다.
4. 결과 및 고찰
시험 대상인 IED와 운영시스템은 실제 디지털변전소에서 설치 운용 중인 장치를 대상으로 하였다.
네트워크 트래픽 발생 시험에서 트래픽양이 증가하면 IED-운영시스템 간 통신 상태에 장애가 발생하는 것을 확인하였다. 처음에는 단순 통신 지연을 예상하였으나
IED의 알고리즘에 의해 일정 수준 이상의 트래픽이 IED로 유입되면 IED는 스스로를 보호하기 위해 차단 로직을 동작시키는 것을 추가로 확인 할
수 있었다. 데이터 변조 기반 시험에서는 MMS Report가 네트워크에서 사라지는 경우, 네트워크에 분명 장애가 발생했음에도 IED와 운영시스템의
관점은 모두 정상으로 판단하는 것을 확인할 수 있었다. IED는 MMS Report를 정상 송신한 것으로 인지하였고, 운영시스템은 MMS Report
발생 여부를 알지 못하여 네트워크에 문제가 없는 것으로 인지하였다. 마지막으로 네트워크 이중화 시험에서 IED의 통신 이중화 알고리즘이 정상적으로
작동하는 것을 확인하였다.
5. 결 론
국내의 디지털변전소는 30여 개의 다양한 제작사 중에서 4 ~ 6개의 제작사 장치가 혼합된 멀티벤더기반의 시스템으로 운영되고 있다. IED와 운영시스템은
장애 발생 시 이에 대한 대처 및 해석 방식이 제작사별로 상이하여 동일한 장애가 발생하더라도 때에 따라 디지털변전소 운영에 큰 영향을 미칠 수 있다.
이러한 결과로 디지털변전소의 상호운용성에 대한 시험 기술 확보에 대한 필요성이 지속적으로 증가하고 있다.
본 논문에서는 디지털변전소 장애 시험을 위한 트러블 모의장치 개발과 실제 적용 사례에 대하여 논하였다. 시험 결과는 디지털변전소를 보다 안정적으로
운영하기 위한 운영방안 마련의 기반이 될 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 제작사가 디지털변전소에 신규 장치를 등록하는 경우, 상호운용성을 시험하는
장치로써 활용될 수 있다.
References
Nam-Ho Lee, Byung-Tae Jang, June 2010, Development of IEC 61850 Client Testing System
for Verifying the Communication Conformance of Substation Automation, Journal of KIIEE,
Vol. 24, No. 6, pp. 169-176
Nam-Ho Lee, Nam-Dae Kim, Yu-Yeong Park, June 2020, A Study on Verification of IEC
61850 based System Interoperability in order to Operate the Digital Substation configured
with Multi Vendor’s Devices, Journal of KIIEE, Vol. 34, No. 6, pp. 54-62
Nam-Ho Lee, Nam-Dae Kim, Yu-Yeong Park, July 2020, A Study on the Verification Way
to Solve Troubles of GOOSE Communication in the Digital Substation, Journal of KIIEE,
Vol. 34, No. 7, pp. 40-47
2005, IEC 61850-6, Communication network and systems in substation-Part6: Configuration
description language for communication in electrical substation related to IEDs
2005, IEC 61850-7-3, Communication network and systems in substation-Part7-3: Basic
communication structure for substation and feeder equipment-Common data classes
2005, IEC 61850-7-4, Communication network and systems in substation-Part7-4: Basic
communication structure for substation and feeder equipment-Compatible logical node
classes and data classes
2019, UCA IUG, “IEC 61850 Interoperability Testing Final Test Report, UCA
Nam-Ho Lee, Nam-Dae Kim, Yu-Yeong Park, August 2020, Development of IEC 61850 Client
Conformance Automation Testing System based on Parallel Test Model, Journal of KIIEE,
Vol. 34, No. 8, pp. 33-39
2009, UCA IUG, Conformance Test Procedures for client with IEC 61850-8-1 interface
Revision 1.1
2018, UCA IUG, Conformance Test Procedures for client with IEC 61850-8-1 Edition2
interface Revision 1.1.1
Yuyeong Park, Nam Ho Lee, Chang Seob Lee, Nam Dae Kim, Seok-kon Kim, Yong Ho An, Dong-Hoon
Jeon, October 2019, A Study on the Development of Trouble Simulator for Substation
Automation, KIEE conference, pp. 323-324
Yu-Yeong Park, Nam Ho Lee, Woo Joong Kim, Nam-Dae Kim, Seong Sik Shin, Seok-kon Kim,
Byung-Tae Jang, Yong Ho An, Chul-Won Park, July 2020, A Study on the Case of IED malfunction
by Increasing Network Load, KIEE summer conference, pp. 953-954
저자소개
He was born in Korea. He received his B.S. and M.S. degrees in Electrical Engineering
from Gangneung-Wonju National University, Wonju, Korea, in 2014 and 2016.
He has worked on his Ph.D. in the Department of Electrical Engineering at Gangneung-Wonju
National University since 2016.
From 2015 to 2018, he was a junior researcher at ENTEC.
He has worked at KEPCO Research Institute since 2019 and is currently a researcher.
His research interests include SAS, IED, power system modeling & control, and power
system protection.
He is a member of the KIEE and, KIIEE.
Tel : 033-760-8796, Fax : 033-760-8781
E-mail : orange1513@naver.com
He was born in Korea.
He received his B.S. degrees in Electronic Engineering from Changwon National University,
Korea, in 1993 and his M.S. degrees in Electrical Engineering from Chungnam National
University, Korea, in 2003.
He has worked at KEPCO Research Institute since 1993 and is currently a senior researcher.
His research interests include IEC 61850, SAS, and power restoration.
He is a member of the KIEE and KIIEE.
Tel : 042-865-5805, Fax : 042-865-5829
E-mail : skblade@kepco.co.kr
He was born in Korea.
He received his B.S., M.S. and Ph.D. degrees in Electrical Engineering from Sungkyunkwan
University, Seoul, Korea, in 1988, 1990, and 1996, respectively.
From 1989 to 1993 he was an associate researcher at Lucky GoldStar Industrial Systems.
From 1993 to 1996, he was a senior researcher at PROCOM system and lecturer at S.K.K.
University.
At present, he is a professor in the Department of Electrical Engineering at Gangneung-Wonju
National University, since 1997.
His research interests include power IT, IED, SAS, LVDC, HVDC, Microgrid, RES, PMU,
AI application to power grid, power system modeling & control, and computer application
in power system.
He is a member of the KIEE, KIIEE, and IEEE. Dr. Park was awarded the Paper Prize
of KIEE in 2010 and the Paper Prize of the KOFST in 2017.
Tel : 033-760-8786, 033-640-2972, 2749
Fax : 033-760-8781, 033-640-2747
E-mail : cwpark1@gwnu.ac.kr