특 별 기 고 Special contribution 디지털변전소 Process bus 시스템의기술현황 1. 디지털변전소구성및현황 김석곤선임연구원한전전력연구원 blade@kepco.co.kr 가. 디지털변전소개요디지털변전소란자동화또는디지털화된변전소를의미하는것으로변전소자동화기술이접목된변전소라할수있다. 변전소자동화시스템 (SAS : Substation Automation System) 이란광역화 복잡화하는전력유통망에대하여원격운용의고도화를목적으로변전소전력설비의감시 제어 계측 보호기능을자동화하여처리하는시스템이라할수있다. 변전소자동화기술은 10여년전부터세계적으로연구개발또는상용화적용이추진되어왔으며, 기존의하드와이어드 (Wired) 시스템에서벗어나 IEC 61850 기반의디지털변전소로대체되어가고있는추세이다. 이는기존의아날로그로감시 / 제어신호를보내던방식에서벗어나, 이더넷으로대표되는통신네트워크를이용하여디지털정보를이용하여감시 / 제어가이루어지고있음을의미한다. 기존의아날로그방식은설비의진단을인력에의존하지만, 미래의시스템기반온라인디지털화방식은실시간진단과고장복구에있어서도자동복구 (Self Healing) 능력을가지며시스템정보기반의고장예지기능을갖는다. < 그림 1> 은변전소자동화시스템의발전추이를나타낸것으로, 현재는 Station bus를중심으로디지털화를구현한 Half 디지털변전소를구축한수준이며, 미래에는 Process bus System을포함한 Full 디지털변전소로발전해나갈전망이다. 82 계장기술
디지털변전소 Process bus 시스템의기술현황 As Was (Conventional SA) As Is (Today SA) To Be (Smart SA) SCADA( 원격감시제어 ) 구리선원격제어 / 보호반구리선 GIS HMI HMI Gateway Gateway 광케이블 Station Bus IEC 61850 광케이블 Station Bus IEC 61850 Process BUS To other bays To other bays GIS GIS 구리선 Analog 조작차단현장제어반구리선 Analog 조작 현장제어반구리선 Analog 조작차단 광 구리선 Analog 조작 현장제어반 광 Digital 조작 Digital 조작차단 아날로그변전소디지털변전소 (Half) 디지털변전소 (Full) < 그림 1> 변전소자동화시스템의발전추이 Station Level Server A / Workstation Server B / Workstation Engineering Workstation Maintenance Workstation Printer Dispatching Center Gateway GPS GPS Time Receiver Bay Level Switch Switch Station Bus : MMS, GOOSE (Message for Interiocking), SNTP IEC 61850 Protocol Converter Protection Protection Protection Bay Controller Bay Controller Third-Party IEDs Metering, DFR etc Process Bus : Sampled Value, GOOSE (Tripping/Binary/Binary Inputs), IEEE 1588, GMRP Process Level Optical Fiber Merging Unit Intelligent Breaker Controller Optical Fiber Merging Unit Intelligent Breaker Controller Electronic/Optical CT & PT Breaker : GIS/AIS Electronic/Optical CT & PT < 그림 2> 네트워크 Bus 시스템의구성구조도 Breaker : GIS/AIS 2015. 4 83
특별기고 Special contribution 나. 디지털변전소네트워크 Bus 시스템구성네트워크 Bus 시스템구성은 < 그림 2> 와같이 Process/ Bay/Station level 및네트워크 Bus 시스템, 그리고 IED, MU, 변전설비및센싱소자등으로구성된다. 변전소의 1차기기가위치한필드의 CT, PT로부터센싱한전압, 전류값은 Process bus를통해 Bay level 의다양한 IED와상위 HMI부의클라이언트로데이터가전송된다. IED로부터 HMI까지는 Station bus 를통해데이터의송수신이이루어지게된다. 회로구성의특징은전력계통의보호, 제어, 감시, 계측인터록기능을위해기존의시스템에서는 Relay, Contact, F/R 등으로구성되지만, 디지털화변전소에서는 IED가이러한기능을통합대체하며, 변전소내감시를위해서는기존시스템에서는축소형모자익반, 집중감시제어반이사용되지만, 디지털화변전소에서는 SA 운영장치가그기능을대체한다. 다. Station bus 및 Process bus 특징 < 표 1> 은디지털변전소에서의 Station bus 및 Process bus 특징을상호비교한것이다. Process bus 시스템은대용량의데이터전송이이루어지며, Processing 시간에있어서실시간고속처리를필요로하며, 프로토콜은이 Three Phase Capacitive Voltage Transformer Current Transformer Circuit Breaker Isolator Ethernet Switch Ethernet on two fiber optic cores HV Conductor CT/VT Secondary Time Sync(1PPS) Trip/Close/Monitor Ethernet To substation control room Circuit Breaker IED 1 Bus Time Synchroniser Time Synchroniser Time Synchroniser 1PPS 1PPS 1PPS Merging Circuit Merging Merging Unit Breaker Unit Unit IED 6 4 6 4 6 4 Circuit Breaker IED 2 Bus To Transformer To Feeder < 그림 3> Digital Process Connections 적용디지털변전소의구성 84 계장기술
디지털변전소 Process bus 시스템의기술현황 더넷기반의신개념 HSR & PRP 기술을적용해야한다. 또한토폴로지구조는 Station bus system에비해매우복잡한구조를갖는다. 구분 Station Bus Process Bus 트래픽데이터량적음대용량데이터 Processing 시간저속실시간고속처리 프로토콜이더넷 ( 산업용 ) 이더넷기반신개념 HSR & PRP 적용 Topology 구조간단복잡 < 표 1> Station bus 및 Process bus 의비교 < 그림 3> 은 Process bus의디지털화를적용한디지털변전소의상세연결구성도를표현한것이다. 최근의구축환경변화는스위치야드에있는 CT와 VT를제어실로연결하기위해필요한구리케이블의수량이증가하고있고, 또한시장가격이증가하고있다. Process bus는 SV 측정값과상태정보를 1차플랜트로부터 SAS로전송되며, 디지털네트워크상에서 SAS로부터 1차플랜트장비로명령을전달하게된다. 2. 국내외현황 가. 국내현황현재국내에서신규로건설되고있는변전소들은 IEC 61850 기반의디지털변전소로건설되고있다. 주로 Station bus를적용한 Station 레벨에한정하여 IEC 61850 기반으로건설되고있으며, Process bus 시스템의구현은기술적인한계로기존의하드와이어드방식을그대로사용하고있다. 상호연계되는송전선로와변전소를가지는고전압전력망은통신및기타유틸리티등전기를필요로하 는모든일상생활에있어서전력공급을위한중요한부분을차지한다. 전기에대한수요증가와새로운전력망구축에대한제반환경은전력설비운영기술을증가시키도록유도하고있다. 우리나라의송전선로는 154/ 345kV, 그리고가장높은 765kV까지운영되고있으며, 국외의경우최대 1,000kV 이상급으로운영하기도한다. 고전압송전선로의운용은변전소의크기를증가시키고있고, 전류와전압을측정하기위해사용되는계측용변성기에게더큰부담을부여하고있어전력설비의감시와보호제어를위한노력이더욱중요해지고있다. 나. 국외현황산업용으로광범위하게사용되는이더넷과같은네트워크기술은이제스위치야드에서의 Process level 과 Bay level 제어실간의통신용으로고려되고있다. 다른응용영역에서광범위하게사용되고있고, 더많은시간임계서비스와응용이이더넷에서수행되고있으며, 각각다른환경에서네트워크의가용성을최적화하기위해 Link aggregation, Spanning tree, Fast ethernet ring protocol 등의상이한기술들이네트워크의높은가용성을보증하기위해출현되고있다. 세계적으로 HSR 1) 및 PRP 2) 를적용한 Process bus 시스템의현장적용은초기단계이며, Station bus 단계에서의선행연구를기반으로 Process bus의적용성고찰이필요하다. Process bus 네트워크시스템의설계및구현과관련한 IEC 표준은다음과같다. 1) IEC 61850-5 IEC 61850-5(Ed2.0, 2013) 는 Communication Net 1) HSR : High-availability Seamless Redundancy Protocol 2) PRP : Parallel Redundancy Protocol 2015. 4 85
특별기고 Special contribution works and Systems for Power Utility Automation 의 Part 5-Communication Requirements for Functions and Device Models를정의한표준으로 SAS를핵심으로하는전력유틸리티자동화시스템에적용되는표준이다. 이표준에는 IED 사이에서의통신을명세하며, 이를위해필요한시스템요구사항을정의한다. 이런요구사항에는메시지타입별전송시간, 통신유형별고장복구시간, 타이밍클래스별샘플링정확도등이있다. 2) IEC 62439-1 IEC 62439-1은 General concepts and calculation methods 를나타낸것으로 Ed1.1(2013.07) 과 ISO/ IEC 8802-3(IEEE 802.3) 의이더넷기술에기반을둔고가용성자동화네트워크에적용되는표준으로 IEC 62439 시리즈이외의파트를위한공통요소및정의, 적합성테스트명세 ( 규범 ), 네트워크특징의분류정보, 그리고네트워크가용성을추정하는방법론 ( 정보 ) 등을기술하고있다. 3) IEC 62439-2 IEC 62439-2는 Media Redundancy Protocol (MRP) 을명세한것으로, Ed1.0(2010.02) 과 ISO/IEC 8802-3(IEEE 802.3) 의이더넷기술에기반을둔고가용성자동화네트워크에적용되는표준으로잉여매니저노드의제어하에상호-스위치링크나네트워크상의스위치에서발생한단일한실패에대해결정론적으로반응하도록설계된링토폴로지에기반한회복프로토콜을기술한다. 4) IEC 62439-3 IEC 62439-3은 Parallel Redundancy Protocol (PRP) and High-availability Seamless Redundancy (HSR) 을명세한것으로 Ed2.0(2012.07) 에서는동일 한스키마인 Lan의복제, 즉전송된정보의복제에기반을두는상호연결된링크나, 네트워크상에있는연결망에서단일한실패가발생했을때고른회복을제공하도록설계된두개의잉여프로토콜을기술하고있다. 디지털변전소의보호, 계측, 조작등디지털변전소운영을위한데이터는제한된시간안에누락없이목적지에도달해야하기때문에높은가용성이필요하다. PRP는네트워크자체를이중화하여가용성을높이는방법이며, HSR은한노드가두개의동일한물리적주소와인터페이스를가지는노드이중화로네트워크의가용성을높이는방법이다. 3. Process bus 시스템기술가. 기술개발의필요성 Station bus 보다더욱복잡한토폴로지구조를갖는 Process bus를적용한디지털변전소의구축을위해서는건설이전단계에서부터토폴로지시스템의설계분석과성능시뮬레이션을수행할수있는기반기술확보가필요하다. 최근 IEC에서는 2nd Ed의공개 (13.8) 를통해 HSR 및 PRP의네트워크적용을핵심으로하는 Network Engineering Guideline(61850-90-4) 를제시하고있어, Process bus에서의 HSR 및 PRP 적용을포함한 154/345kV 변전소의디지털화를위한최적토폴로지설계기술과성능검증연구와국내도입을위한현장적용가능성에대한선행기술개발이필요한시점이다. 또한, 고도화된국내의전력공급구조를고려한다면, 고도의신뢰성과안정성, 그리고고가용성을갖는토폴로지시스템의기술개발을위해서는 Traffic Latency, Time delay, 그리고 Clock synchronization 기술과의연계기술개발을고려하여야한다. 86 계장기술
디지털변전소 Process bus 시스템의기술현황 그러므로, 154kV/345kV 변전소의풀디지털변전소자동화사업을촉진하기위해서는 Process bus 시스템에대한신뢰도와가용성을조기에확보하기위한지원연구가필요하다. Process bus 네트워크토폴로지시스템의설계에있어서 GOOSE 3) 및 SV 4) 를활용한통신서비스와시각동기화기술은상호밀접한관련을갖는기술로서 Process bus 네트워크토폴로지의성능검증을위해서는반드시병행연구되어야할핵심기술이라할수있다. bus 는대용량데이터를실시간으로고속처리해야하는복잡한네트워크시스템으로이더넷기반의신개념 HSR 및 HRP 프로토콜을적용하는것을특징으로전송데이터의이중화를효과적으로수행하기위한이중화절체시간을최소화하여시스템의실시간데이터처리및제어능력을향상시켜야하며, HSR 및 HRP를적용한네트워크토폴로지의설계와성능검증연구는디지털변전소의구축을위해필수적으로선행되어져야한다. 1) 국내 154kV 적용현황최근국내에서는 10여곳이상의디지털변전소구축을완료했으며, 향후에도디지털변전소구축사업이확대시행될것으로예상되고있으나, 154kV 변전소에대하여 Station bus 네트워크시스템의디지털화를중심으로진행되고있으므로실질적인풀 (Full) 디지털변전소는구현되지못한상태라할수있으며, Process bus를포함한디지털변전소를구축하기위해서는 Station bus와 Process bus를통합한네트워크시스템의토폴로지설계와성능검증이필수적으로선행되어야한다. 2) 국내 345kV 적용현황 345kV 변전소의자동화구축사업은일부변전소에서 M.Tr 보호용 IED를적용하여부분적으로시범적용하고있는정도이며, 향후사업화계획은기술적요인및기타환경의영향으로 Process bus에대해서는전압, 전류값을동케이블대신광케이블로대체하는수준의개선을고려하고있기때문에실질적인 Process bus의디지털화는포함하지않고있다. 1) 신뢰도평가기술 IEC 61850 고속통신을이용한새로운개념의변전자동화시스템은기존설비보다훨씬저렴한비용으로설비구축및확장, 유지가가능한지에대한신뢰도지수를정량화하여비교분석함으로써전력의안정화및생산측면에서잠재적비용절감효과를얻을수있다. 신뢰도란, 특정주기의시간동안특정환경하에서의도한기능을수행하기위한장비또는시스템의측정으로표현한것으로정의할수있으며, 주요현안은변전자동화시스템의정량적신뢰도평가가중요한해석적문제로대두되고있고, 정성적인관점으로부터변전소제어용네트워크토폴로지의신뢰도를고려하는데몇가지사전작업이필요하다. 2) 신뢰성및가용성네트워크시스템의구성형태를나타내는네트워크토폴로지는구성형태에따라서시스템의신뢰도와안정성, 그리고유지보수및운영성능에많은영향을미친다. 이더넷은이더넷스위치의도움으로다양한구조물의구성관점에서융통성을규정한다. 그러나적용 나. Process bus 신뢰도비교적간단한구조를갖는 Station bus에비해 Process 3) GOOSE : Generic Object Oriented Substation Event 4) SV : Sampled Value 2015. 4 87
특별기고 Special contribution IEC 61850-9-2 8 IEEE Std 1588 IEC 61850-8-1 Test Control (TCP/IP) 1PPS Time Sync Test Controller RTDS Power System Model SV Source SV Source Relay Monitor Transparent Clock & Slave Clock Network Impairment Simulator Redundant Grandmaster Clock Traffic Generator Process Bus Switch & Grandmaster Clock Protection Relay Protection Relay Protection Relay Protection IEDs Station Bus Switch < 그림 4> Bus 시스템성능시험구성도 할수있는이더넷구성에대한신뢰성과가용성은이더넷이변전소에서중요한응용프로그램에대해구현되기이전에분석되어질필요가있다. 신뢰도블록다이어그램 (Reliability Block Diagram) 을이용하여실제적인이더넷스위치구성에대한신뢰성과가용성평가가이루어져왔다. 3) 신뢰도계산신뢰도의계산은만약, 어떤하나의변전소자동화시스템구성품이고장나더라도변전소는운영이계속되어져야한다라고하는기본적인전제하에서신뢰도는 IED의더향상된운영을필요로한다. 이것은 MTBR 5) 이합리적으로높아야함을의미한다. 다. Process bus 기술개발현황 1) 주요기술개발분야 Process bus 네트워크의구조와토폴로지는활동적인연구의영역이며, 특별한관심을갖는 Process bus 관련네트워크의신뢰도를함께연구할수있다. SV Process bus 이더넷토폴로지는 PTP 링크또는스위치드네트워크로분류하여연구될수있다. 2) Process bus 실증사례실제프로세스버스를이용한 SMV 데이터의랩단위의전송성능시험이여러리서치에서검증되었다. 5) MTBR : Mean Time Between Repair 88 계장기술
디지털변전소 Process bus 시스템의기술현황 Ingram 사는 IEEE 1588을이용한시각동기화를구현한프로세스버스를구성하고, 다양한환경에서시각동기화와 Sampled value 의관계를특정하였다. 시험내용은주로 Zitter를측정하여시각동기화와 Sampled value 와의상관관계를증명하였다. Zitter는동일한간격으로전송되는 Sampled valued의데이터간 Inter-arrival time의분산값으로 Zitter 값이작을수록동일한간격으로 Sampled value 가수신됨을의미한다. 그구성은 < 그림 4> 와같으며, 그시험결과값은 < 그림 5> 와같다. B사의경우 Jitter 값이양호한방면, A사의경우상대적으로큰값을보이고있으며불규칙적으로나타나고있음을알수있다. Density 0.000.004 0.008 0.012-1000 1PPS Output Vender A Slave Vender B Slave PTP with 8x SV Streams -800-600 -400-200 0 200 Jitter (ns) < 그림 5> 실증시험결과그래프 < 그림 6> 은 P2P 방식 Process bus의구조를나타낸것이다. 2) LAN Type Process Bus LAN Type의 Process Bus는 Double-LAN 방식의 Parallel operation 구조를가지며, 다중 Relay, 다중 MU 와동일한기능을수행하며, LAN을통한 Data Sharing 이용이하고, 네트워크감시및스위치를통한포트의분배와확장이용이하다. < 그림 7> 은 LAN 방식의 Process bus 구조를나타낸것이다. < 그림 7> LAN Type Process Bus 의구조 4. 적용기대효과 Bus Relay MU MU MU MU MU MU < 그림 6> P2P Process Bus 의구조 Bus Relay Switch IED2 IED2 IED3 IED2 MU MU MU MU MU MU 라. Process bus 구조별적용방식 1) P2P Process Bus P2P 방식의 Process Bus는광범위한광케이블접속이통신불량의위험을증가시키고, IED와접속하는광포트의인터페이스포인트의증가는 IED 내의전력소모증가와함께소자를가열시켜수명에영향을끼치게되며, 네트워크감시와데이터공유가불가능하다. 가. 변전소디지털화구축사례국외지역에서 Process bus 시스템을포함한풀디지털변전소의구축사례를통한특징을살펴보면건설에소요되는빌딩의면적이약 20% 감소하였으며, 기존의 2층빌딩에서 1층빌딩만으로도구축이가능해졌다. < 그림 8> 은단순화된디지털화변전소의면적축소및외관변경모습을나타낸것이다. 2015. 4 89
특별기고 Special contribution 2-Floor Building 1-Floor Building < 그림 8> 디지털화변전소외관변형모습 또한, 계전기룸을위한공간이약 34% 저감되었으며, 50% 이상의 IED 패널이감소되었고, 동케이블의소요량이약 80% 감소되었으며, 초기투자비용이 10% 이상절약되었다. 또한, 40% 의설계및엔지니어링업무가감소되었고, 40% 의정기유지보수비용이저감되었으며, 유지보수와보호제어설비의개선을위한정전시간이 50% 감소되었다. 구분 Non-Digital S/S Digital S/S Bus Protection 나. Process bus 시스템구축패널사례 < 그림 9> 에서보는바와같이디지털화이전변전소와이후변전소의 Protection 패널외형을살펴보면디지털화된변전소의구성이더욱단순화된구성을이루고있음을알수있다. 또한, 디지털변전소용광 CT와 ECVT를디지털변전소에적용한사례를살펴보면전압, 전류센싱값을 MU로전송하기위한신호케이블이더욱간단한구조를이루고있음을알수있다. 다. 예상기대효과상기의개선사례에서와같이, 고도의네트워킹운용기술을필요로하는 IEC 61850 Process bus의토폴로지개발과성능검증을통해국내 154kV/345kV급 Full Digital 변전소자동화시스템의상용화추진에기여할수있으며, IEC 61850 Process bus를적용한 Full < 그림 9> 디지털화변전소의 Protection 패널외형개선사례디지털변전소의구축은기존 Process level 에존재하는대규모의전기신호전송용케이블을제거함으로써변전소의케이블의구매비용및소요공간을저감시킬뿐만아니라변전소의설계비용을획기적으로저감시킬수있다. 또한, Bay level 의 IED로입력되는신호가전기신호가아닌광신호로운용됨에따라, 설비운용중설비의유지보수와설비개선업무를수행하는데있어서위험요소가제거되어안전도를크게향상시킬수있다. Process bus 토폴로지시스템의성능검증결과는향후디지털변전소구축사업진행과함께현장환경을고려한실증시스템의지속적인보완개발을시행함으 90 계장기술
디지털변전소 Process bus 시스템의기술현황 구분설비구조시스템구성 MU 광 CT IED IED Process Bus MU MU Optic Sensors ECVT MU Process Bus IED MU IED < 그림 10> 광 CT 및 ECVT 디지털변전소의적용사례 로써, 향후 Full Digital 변전소자동화시스템의설계와엔지니어링및운영기술확보에기여할수있을뿐만아니라, 국내기술의해외시장진출을통한수익창출에도기여할수있을것이다. 5. 결론디지털변전소 Process bus 시스템의토폴로지설계및구현기술의고도화와시스템에대한실증검증은풀디지털기술의성공적인현장적용을위해필수적인요건이라할수있다. 토폴로지의성능분석을위한 Power 시스템자동화기술과함께 Precision Timing 기술, Real-time Data Networking 기술을상호연계하여동시에연구개발하고, 그기술을축적함으로써실질적인 Full 디지털변전소의데이터전송능력과시간지연, 신뢰성에대한 실증검증기술을선도해나갈필요가있다. 최근, 국내에적용한 154kV 디지털변전소의현장구축초기에는다수의제작사에의한다종의제품이현장에설치됨에따라호환성확인을위한추가엔지니어링업무소요, 그리고네트워크토폴로지시스템에대한충분한사전검증과정없이진행되어신뢰도확보를위해준공시험단계에서시험지연요소가다수발생하였다. 디지털변전소의구축이전단계에서토폴로지의설계분석과시뮬레이션, 그리고실증성능검증등의수행이필요하며, 154kV에서는 Station bus 만을적용하였으나, 향후더욱복잡한구조를갖는 Process bus system 적용시는토폴로지시스템의설계및검증의중요도가더욱확대된다고할수있다. 2015. 4 91