전 세계적으로 신재생에너지와 에너지저장장치 등이 확대가 되면서, 전력계통에 분산자원(DER, Distributed Energy Resources)의 비중이 갈수록 높아지고 있다. 유틸리티들은 분산자원을 활용하여 부하에 근접한 에너지 공급원 설치로 손실을 경감하고, 전압 조정 부담의 감소, 신뢰도의 향상이 가능하며, 송배전 설비의 건설 연기와 첨두 부하 억제를 통해 신규 발전소 투자를 절감하고, 전력 품질 향상을 기대하고 있다.

소비자들도 분산자원을 활용한 수요 반응을 통해 전기요금 인하 및 요금제 다양화, 전력시장의 직접 참여, 중요 부하 설비에 비상 전력 공급, 전력 생산 시 발생하는 열과 같은 부산물을 활용하는 등 다양한 편익을 얻을 수 있다. 향후 탄소 거래가 가능해지면, 분산자원으로 친환경 사회에 직접 동참하는 길도 열린다.

전력계통도 대규모 분산자원의 수용을 위해 변화가 진행 중이다. 교류 기반의 전력계통에 태양광 등 직류 출력 특성을 지닌 분산자원을 연계하려면 다양한 전력변환장치 및 제어기와 소프트웨어 기술이 필요하다. 더욱이 분산자원들은 전력산업의 디지털화에 따라 새로운 운영시스템을 요구받고 있다. 이러한 시대 변화에 대비하기 위해 IEC 61850 표준(“전력 유틸리티 자동화를 위한 통신 네트워크와 시스템”)이 수립되었다.

IEC 61850은 전력기기들이 디지털 통신을 통해 신속/정확한 자동화 기능을 발현하고, 다양한 기기들의 상호운영성을 확보하기 위해 정보 전달의 관점에서 표준화된 공통 정보 모델들을 구축하는데 목적을 두고 있다. 본고에서는 IEC 61850의 여러 기술 분야 중 분산자원과 관련된 표준의 동향을 소개하고, 국내 관련 분야의 필요한 사항들을 언급한다. 

통상, 국제표준은 IEC의 각 기술 위원회엔 TC를 통해 IS(International Standard)로 발간되나, 분산자원 자체의 기술 표준과 관련해서는 유럽의 IEC보다 북미를 중심으로 한 IEEE를 통해 최초 제안되고 확장된 측면이 크므로 분산자원 자체 기술 표준 동향에 대해서는 북미를 중심으로 소개하고, 분산자원의 상호운용성 측면으로는 IEC 61850의 표준 동향을 위주로 소개한다.

1. 분산자원 관련 기술 동향

전통적으로 전력계통은 전원에서 발전한 전력을 부하로 보내는 단방향 전력 전송 전송에 근간을 두고 있다. 그러나 2000년 전후로 분산자원의 등장하면서 전력 조류가 양방향으로 변하였고, 분산자원의 대규모화는 고장 전류의 변화와 계통 탈락 시 계통 안정도에 심각한 영향을 주기 시작했다. 전력계통 측면에서의 분산자원의 접속, 보호에 대한 규정을 제정할 필요성이 대두되어 2003년에 IEEE 1547이 제정되었다. 분산자원과 관련된 여러 기술 기준 중에 가장 중요한 근간을 이루고 있으며, 부속 표준들이 현재도 지속적으로 재개정 작업을 진행하고 있다. 

그림 1의 IEEE 1547 주요 내용 변경 이력을 통해 전력계통의 관점에서 분산자원을 어떻게 바라보고, 어떤 요구사항이 발생했는지를 확인할 수 있다. 초기에는 분산자원의 영향이 미비하여 능동적인 전압 및 주파수 조정을 금지하고, 단지 고장과 같은 이상 상황에서는 반드시 트립하여 분리되도록 하였다. 그러나 분산자원의 대용량화로 계통에 미치는 영향이 커지자, 2014년에 전력계통의 이상 발생 시에 능동적인 전압 및 주파수 제어와 함께 라이드-스루(Ride-Through) 기능과 같이 전력계통의 안정도를 지원하는 Grid Support 기능을 구비하도록 규정하였다. 2018년에는 Grid Support(전력 계통 지원) 기능들을 의무화하는 내용을 표준에 반영하였다.

그림 2는 북미의 분산자원 관련 표준의 체계를 도시한 것으로, 표준은 소 단위의 지역 기술 기준으로부터  주 단위, 국가 단위로 확대되었다. 이러한 표준들은 분산자원 자체의 기능, 설치 시에 요구사항과 전력계통 측면에서의 기능 요구사항을 반영하고, 기술적으로는 연구개발, 제조, 운영 시에 필요한 통신 상호운용성 및 인증 시험의 기준으로 계층화되었다. 북미의 대표적 분산자원 규정으로는 신재생에너지 설치를 주도하는 지역인 캘리포니아의 Rule 21, 하와이 HECO Rule 14와 18이다. 연방정부 차원의 FERC(Federal Energy Regulatory Commission)와 NERC(North American Electric Reli ability Corporation)는 국가 전기 규제와 규정으로 표준을 적용하여, 산하 지역에서 분산자원의 전력계통 접속을 위해선 반드시 규정을 준수하는 제품을 공급하도록 하였다. 제품의 성능과 시험 인증을 위해서는 UL 1741을 통한 인증 시험을 통과해야 한다.

2. 분산자원 관련 IEC 61850 표준 동향

IEC 61850은 변전소 자동화의 통신 아키텍처에 대한 표준으로 전력 시스템에 대한 참조 모델을 개발하는 IEC 기술 위원회인 TC(Technical Committee) 57에서 주관한다. 최초 변전소 자동화를 위한 표준으로 제정되어 2판으로 개정되면서 전력 유틸리티 전체 시스템의 자동화를 위한 표준으로 확장되었다. 2판을 통해 매핑 및 어플리케이션 관련 표준 등으로 파생되면서 적용 범위가 대폭 증가했다.

1판이 변전소 자동화에 국한했던 반면, 분산자원을 포함한 전력 계통 전반의 자동화를 지향하기 시작했다. 시험 범위도 상호운용성 시험인 BAP(Basic Applica tion Profiles)의 적용, 웹 기반 서비스, 고정밀 시각 동기, 로직 기능과 기능에 대한 시험까지 통합을 추진하고 있다. 이외에도 다른 통신 프로토콜과의 호환, 변전소 간의 통신, 예방 진단 분야의 적용, 네트워크 엔지니어링 가이드, 싱크로페이저, 배전 자동화 분야의 표준 적용, 에너지저장장치 관련 표준, 전기자동차, FACTS(Flexible AC Transmission System, 유연 송전 시스템), 전력 품질 분야 표준 재정 등 전통적인 전력계통의 전체 범위와 최근 화두인 스마트그리드, 분산자원, 마이크로그리드를 포괄하는 기술 표준으로 진화를 하고 있다.

표 1은 IEC 61850 표준 중 분산자원과 관련된 하위 표준과 제정 현황이다. 분산자원 측면으로 가장 중요한 표준은 분산자원의 논리 노드를 정의한 7-420 표준과 분산자원이 전력계통에 연계될 때 사용되는 전력변환 설비의 기능에 대한 논리 노드를 정의한 90-7 표준이라 할 수 있다. 최근에는 신재생 분산자원에 대한 수용성을 제어할 목적으로 에너지저장장치의 전력계통 응용이 증가함에 따라 90-9의 에너지저장장치 논리 노드도 중요성이 부각되는 경향이다. IEC TC의 워킹그룹은 90-15, 90-23 표준 개정을 통해, 점차 군집화/대단위화 되는 분산자원들의 계측 구조와 통합을 위해 정보 논리 노드 및 마이크로그리드 전체로의 확장하는 작업을 진행 중이다.

분산자원의 효율적이고 안정적 운영을 위해 DERM S(Distributed Energy Resources Management Sytem) 분산자원 관리 시스템의 역할도 부각되고 있다. 소규모 분산자원 시스템의 경우 제조사와 국가별로 개별적 규격을 적용하는 상황이라, 상호운용성을 보장하는 IEC 61850 표준 기반의 시스템 구축은 갈수록 중요해질 전망이다. 산업계에서는 분산자원, 마이크로그리드 관점에서 DERMS를 마이크로그리드 공통 플랫폼 형태로 연구 개발 및 사업화를 하고 있다. 그림 3은 DERMS를 통한 분산자원의 전력계통 연계의 계층적 구조의 예이다.

IEC 61850-7-420 표준(그림 4)에서는 분산자원용 논리 노드를 정의하고 있다. 분산자원의 에너지 생성원으로부터 에너지 변환, 발전 설비, 전력계통 연계용 컨버터, 차단기 및 분산자원 플랜트 및 운영에 대한 모든 정보 교환용 논리 노드들이 포함되어 있으며, 7-420의 대표적인 논리 노드는 다음과 같다.

① 분산자원 플랜트를 위한 논리 노드
•DCRP : DER 회사 특성 - 소유관계, 운영 권한, 계약상 의무, 허가, 위치 등
•DOPA : DER 제어 권한 - 스위치 Open/Close 권한, 운영 모드 변경 등
•DOPR : DER 운영 특성 - DER 장치 타입, 연결 타입, 운영 모드 등
•DOPM : DER 운영 모드 가능한 운영 모드 세팅, 실제 운영 모드
•DPST : 실제 상태 - DER 연결 상태, 알람 등 
•DCCT : DER 운영을 위한 경제 급전 파라미터
•XCBR(차단기), CSWI(스위치), MMXU(계측) : IEC 61850-7-4 기본 논리 노드 사용
② 분산자원 유닛 제어기를 위한 논리 노드
•DRCT : DER 유닛 제어기 특성(DER의 종류, 전기적 특성, 정격 등)
•DRCS : DER 상태,
•DRCC : DER 제어 동작
•MMXU : DER 관계된 측정(유효, 무효 전력 등)
•CSWI : DER과 전력 시스템 간 스위치 투입, 개방

③ 분산자원 발전기를 위한 논리 노드 
•DGEN : DER 발전기 동작
•DRAT : DER 발전기 정격
•DRAZ : DER 상세 발전기 특성
•DCST : 비용과 관련된 발전기 동작
•RSYN : 발전기 동기화
•FPID : PID 조정기(IEC 61850-7-410)
•DREX : DER 여자기 정격
•DEXC : 발전기 여자기 요소

④ 분산자원 장치 제어기를 위한 논리 노드
•DFCL : 연료전지 제어기 특성
•DSTK : 연료전지 스택
•DFPM : 연료 처리 모듈
•CSWI : 연료전지와 인버터 간 스위치 (IEC 61850-7-4)
•YINV : 인버터
•MMXU : 출력 전기량 측정(IEC 61850-7-4)
•MMXN : 중간 DC의 측정
•DRCT : DER 일반 제어기 특성
•MITV : 계측 정보
•FUEL : 연료 특성
•BATT : 보조 배터리
•BATC : 보조 배터리 충전기
•MTMP : 열 특성
•MPRS : 압력 특성
•MEMS : 배출(가스) 특성
•MVIB : 진동 특성

표 2는 분산자원용 논리 노드를 사용하여 전력계통의 여러 영역인 계층별 시스템의 구성요소, 통신 프로토콜, 전달 정보 및 기능과 비즈니스 등을 통합의 관점으로 정의하였다. 전력 사업자와 EMS(Energy Management System)를 기반으로 한 통합 에너지 관리 영역에서는 송전급으로 IEC 61970, 배전급으로 IEC 61968 표준이 사용된다. 최상위 에너지 시장 거래 영역에서는 IEC 62325와 같은 고유의 표준이 사용되나, 프로세스 영역의 현장 장치로부터 필드 영역의 제어기 및 상위 시스템, 운영에 이르는 스테이션 영역까지 IEC 61850의 분산자원 논리 노드는 분산자원 시스템의 구성과 여러 기능을 구현하기 위해서 광범위하게 사용된다.

3. 분산자원 표준 관련 국내 동향 및 시사점

국내는 한국전력의 디지털 변전소 구축 시행과 함께2013년부터 IEC 61850 표준을 적용한 시스템을 도입을 시작했다. 2019년 말 기준 기설 33개를 포함하여 약 97의 변전소를 구축되었다. 표준의 도입 초기에는 국내 제조사 측면에서 관련 표준의 미흡한 이해, 구현을 위한 기술적인 애로 사항들이 일부 존재하였다.

하지만 전력연구원, 전기연구원 등의 공공 연구기관의 기술 보급 및 시험 지원 활동을 통해 제품, 기술 개발 평준화 수준에 이르렀다. 국내 IED나 게이트웨이 같은 시스템 단품 제조사와 전력 설비(차단기, 변압기 등) 제조사들은 상호운용성 확보를 계기로 국내 관련 사업뿐만 아니라 해외시장의 수요에도 대응할 수 있는 기틀을 마련하였다. 실제로 산업계에서는 종래는 수요가 없었던 디지털 변전소의 EPC 사업 수주, IED가 장착된 전력 설비에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있는 추세다.

변전소 자동화 분야는 한국전력이 디지털 변전소 정책을 추진하여 상호운용성 확보가 체계적으로 진행되고 있는 측면이 있으나, 그 외에 스마트그리드, 특히 분산자원으로 대표되는 마이크로그리드 분야는 제품과 제조사의 다양성과 그간 적용할 수 있는 관련 표준의 부재 등으로 상호운용성이 확보되지 못한 경향이 크다. 최근 태양광 및 ESS 해외 사업 시에 IEC 61850 표준을 적용한 제품 사양을 요구하는 사용자가 증가하고 있으며, 이런 사용자 그룹 및 글로벌 제조사의 전문가들이 분산자원 관련 IEC 61850 표준화 작업을 선점하여 앞서 기술한 표준들이 속속 제정되고 있는 실정이다.

상호운용성의 의미는 단순한 기술 표준의 의미를 넘어서 국내외 전력 자동화 분야 사업을 존속할 수 있느냐 없느냐를 가늠하는 잣대와 같은 기준이 되었다. 해외의 경우 다소 적대적인 기업체들도 표준화를 위해서는 상호 협력하고 시장 진입의 장벽으로 표준을 이용하고 있다.

국내에서도 현재까지 일부 대학과 공공 연구기관의 표준화 활동으로 기여는 하고 있지만, 진정한 산업 발전 및 시장 창출을 위해서는 산업체 실무자들의 보다 적극적인 참여가 필요하다. 산업 현장에서 느꼈던 기술 애로 사항의 반영, 국내 산업체의 의견 개진, 표준화 결과의 신속하고 정확한 제품 반영에 사활을 걸어야 분산자원 관련 글로벌 시장 경쟁에서 우위를 차지할 수 있다.

fmman5@empas.com