통신 및 디지털 연산 기술의 비약적인 발전은 변전소 내부의 정보를 공유 및 통합시켜 변전소 자동화 시스템을 등장할 수 있는 계기가 되었다. 그러나 변전소에 적용된 자동화 시스템은 152 종류의 서로 다른 프로토콜이 사용되어 IED(Intelligent Electronic Device)간 통신이 어려움에 직면하게 되었다. 따라서 이종 IED간 원활한 정보 공유가 가능하도록 변전소에 표준화된 통신 아키텍쳐로서 IEC 61850 통신 프로토콜이 규정되었다. 이 논문은 변전소 내부에 IEC 61850 통신 프로토콜을 이용한 IED간 통신 클라이언트 모듈을 개발한 사례를 소개하고자 한다.
전력계통은 발전, 송전, 변전, 배전계통으로 구성되지만 정전을 수반하는 대형고장은 전력계통 구성의 특성상 대부분 변전분야에서 발생하게 된다. 이러한 고장의 원인은 여러 가지로 분류할 수 있겠으나 특히 Human Error에 의한 고장 발생시 그 파급영향은 막대하다. 하지만 지금까지 변전설비의 고장 원인을 Human Error 측면에서 연구한 논문은 국내에서는 찾아보기가 힘들다. "전력계통의 고신뢰성 유지를 위한 변전분야 Human Error 예방대책"이란 논문이 2008년 한국전력 사내에서 발표된 정도이다. 본 논문에서는 해마다 끊이지 않고 반복되어지는 변전분야의 Human Error에 의한 고장에 대한 발생원인을 분석하고 현장 실행 위주의 예방대책을 제시하고자 한다.
IEC 61850은 변전소 자동화에 있어서 변전소 감시, 보호, 제어, 운전에 필요한 모든 부분에 IT 기술을 적용한 디지털 제어 기반의 차세대 변전소 자동화 시스템을 설계, 개발, 운용하는 기술로서 변전소 운전의 자동화 및 무인화를 위한 핵심 기술이다. IEC 61850 기반의 변전소 자동화 시스템의 스테이션 레벨 Station HMI 구현을 위하여 논리노드 데이터 클래스가 매핑된 MMS와 OPC를 연계하였으며 OPC 통신을 지원하는 HMI툴을 사용하여 IEC 61850 스테이션 레벨 Station HMI를 구현하였다.
기존에는 보호 계전기가 어떠한 상황이 되어 동작을 하게 되면 그 당시의 기록을 직접 인터페이스 하여 계전기 동작원인에 대해 분석을 하였다. 하지만 최근 변전소 자동화시스템이 도입되어 세계적으로 변전소 자동화 시스템이 구축되어 가고 있다. 이에 따라 업체들 또한 변전소 자동화 국제 표준 프로토콜인 IEC 61850규격에 맞추어 장비들을 개발함으로서 변전소 자동화가 진전되고 있다. 본 연구에서는 변전소 자동화용 IED들이 이벤트가 발생했을 때 IED들이 제대로 동작하였는가에 대한 평가를 하는 진단 모듈을 IEC 61850 기반으로 개발하여 변전소 자동화용으로 개발된 보호 계전 IED들에 대한 진단을 IEC 61850에서 정의하고 있는 서비스들을 이용하여 기존방식 보다 편리하고 좀 더 정확하게 보호 계전 IED들을 진단 및 검증하는 방법을 제안한다.
디지털 변전소를 위해 IEC61850 국제 표준 프로토콜을 적용한 보호계전기(IED), 게이트웨이, HMI등이 필드에서 사용되고 있고, 전체 디지털 변전소를 위한 병합장치(Merging Unit: MU)등도 실제 운영되고 있다. 디지털 변전소는 기존 변전소를 효과적으로 운영하기 위해 필요한 높은 수준의 가용성과 전송능력이 필요하다. IEC TC 57 WG10은 디지털 변전소를 위한 이중화 사양으로 IEC SG65C WG15의 IEC62439-3/4 고속 절체 네트워크 운영 프로토콜(Highly Available Seamless Redundancy: HSR),(Parallel Redundancy Protocol: PRP)들을 추천하고 있다. 본 논문에서는 프로세스 버스의 병합장치(MU)로부터 계측된 전류와 전압을 고속 이더넷을 통해 샘플 계측값(Sampled Measured Values: SMV)을 전송받고, 고정밀 IEEE1588v2 PTP(Precision Time Protocol) 시각동기를 하며, 스테이션 레벨에서 MMS와 GOOSE 통신을 하는 계전기와 성능에 대한 것이다.
변전소는 에너지 측면에서 볼 때 에너지를 연계하거나 분리 또는 변환하는 지점에 설치되어지며 변전소 자동화 시스템은 이러한 변전소의 주요 기기들이나 각 피더를 감시하고 보호하는 역할을 수행하게 된다. Microprocessor 기술의 발전과 통신기술 및 프로그래밍 기술의 발전을 통하여 변전소의 시스템 또한 90년경부터 디지털화가 가속되어 그 시스템 또한 구조적으로 변화하게 된다. 기존 아날로그 시스템의 경직된 구성에서 탈피하여 변화의 속도 또한 점차 증가하고 있으며 이러한 흐름을 파악하기 위해 변전소 자동화 시스템의 현재 발전 상황과 앞으로의 변화 방향에 대하여 서술한다.
본 논문에서는 지속적인 대형고장 재발에 따른 근원적 고장예방대책으로 실질적인 위기대응훈련과 변전분야 근무 직원의 역량강화를 위해 변전분야 교육과정을 현장실습 및 사례위주 실무중심토론식 수업으로 개편하는 방안에 대하여 연구하였다. 그리고 실설비와 연계된 모의고장 시뮬레이터 실습교육장을 구축하고, 변전설비 축소형 모듈을 제작하여 주요 변전설비를 실제로 조립하면서 설비에 대한 이해를 고취시키고자 한다. 교육내용과 목표가 중복되는 유사교육과정을 통폐합하여 변전교육의 효율화를 도모한다. 또한, EMTP 전문반과 같은 특화된 전문기술교육과정을 개설을 추진하며, 전문자격증 취득을 위한 과정을 개발하여 교육수요자의 요구사항이 반영되는 교육을 실현하고자 한다.
국내외적으로 전력산업분야의 가장 큰 화두중 하나는 변전소 단위의 디지털화이며 특히 국외에서는 국제표준 변전자동화 시스템 연구와 제품개발 등에 인력을 집중 투자하고 있다. 국제적으로 지금까지 축적된 변전소 관련 제반 기술력 및 경험 둥을 바탕으로 전 세계적으로 단일화시키고 표준화된 변전소 자동화 규격인 IEC 61850 (Communication networks and systems in substations) 규격이 제정되었으며 따라서 향후 전력 관련 기업은 시스템 엔지니어링 기술, 전력기기 공급능력, 유지/보수/운영기술 등을 종합적으로 보유하고 자산 및 위험관리를 종합적으로 제공할 수 있어야만 세계시장에서 생존할 수 있다. 또한 전력기기를 수출하는 국내업체는 향후 IEC(International Electrotechnical Commission) 등 국제표준에 따른 전력설비를 개발하지 않으면 수출경쟁력을 잃게 될 것이다. 이러한 세계화 추세에 발맞추어 한국전력공사와 관련 업체들은 공동으로 2005년 10월부터 6년의 기간으로 "디지털 기술기반의 변전소 자동화 시스템 개발" 사업을 진행 중에 있으며 특히 한국전력공사는 변전자동화 시스템의 성능검증 및 실증시험 절차를 구축하기 위한 과제를 수행 중이다.
디지털변전소의 정보를 최적화하여 변전소 Self-Healing, 자동고장복구 등 다양한 차세대 응용시스템을 개발하기 위해서는 변전소의 모든 설비를 네트워크로 연결하여 디지털화하는 Process 버스기반 디지털변전시스템은 필수적으로 필요하며, 이를 통해 변전소를 구축하고 엔지니어링 하는 과정전반이 컴퓨터 프로그램에 의해 쉽고 간편한 작업이 가능하게 되어 공간활용을 극대화할 수 있고 건설 및 유지보수 비용을 큰 폭으로 감소시킬 수 있다. 본 논문은 이러한 디지털변전소의 시대적 변화에 부합하여 국내에서 개발된 Process 버스 기반의 IED와 MU에 대하여 현장 적용을 위한 성능검증 방안을 제시하고, 국내 최초로 Process 버스 기반 디지털변전시스템 실증시험장을 제주 성산변전소에 구축하는 과정에서 수행한 검증결과를 설명하고자 한다.
PICOM (Piece of Information for COMmunication)은 논리노드 간에 교환되는 정보를 기술하기 위하여 정의되어 있다. 변전소의 기능은 여러 논리노드로 분할되어 서로 상호작용하며 동작한다. 변전소 자동화 시스템 검사는 단일 IED만의 기능 시험이 아니며 IED들간에 메시지를 교환을 통하여 변전소 기능을 정의된 성능을 만족하며 수행하는지 검사하는 것이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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