디지털 변전소는 전력 분야에서 4차 산업혁명 기술이 적용되고 있는 분야 중 하나라고 할 수 있다. 디지털 변전소란 4차 산업혁명을 이끌 에너지 신산업 핵심 분야로써 변전 설비를 보호하고, 고장을 방지하며, 설비 운전 신뢰도를 향상시키는 것을 목표로 설비 간 연결망을 구리선에서 광케이블로 전환하고, 다양한 형태의 지능형 기기를 도입한 디지털화된 전력 시스템을 의미한다.
전력기기의 지능화를 위해 환경 특성, 시스템 운영 목적, 기능 및 성능 등에 따라 다양한 통신 기술이 고려되고 있으며 그중에서도 IEC 61850 국제표준은 전략계통 자동화 구현을 위한 대표 프로토콜로써 가장 인지도가 높아 전 세계적으로 적용 범위가 빠르게 증가하고 있는 국제규격이다.

현재 국내에서도 한국전력공사의 주도하에 기존의 변전 시스템에 IT 기술을 융합한 디지털 변전소로 전환하고 있으며, 신규 디지털 변전소를 구축하는 프로젝트도 진행 중으로 이때 IEC 61850 표준이 준용되고 있다. 국제적으로는 변전소 내의 자동화 구현을 위한 목적으로 2002년 IEC 61850 Ed. 1 시리즈 문서를 발간한 IEC TC57 WG10은 2009년 전력계통 전반의 자동화로 그 범위가 확대된 Ed. 2 시리즈로 개판하였으며, Ed. 2.1 작업이 마무리 단계로 Ed. 3에 대한 논의가 시작되고 있다.

그러나 IEC 61850 기반 지능형 전력기기가 IEC 61 850 통신 규약에 따라 동작하면서 정확한 기능 수행 여부 만큼이나 중요도를 가지는 통신 성능을 확인할 수 있는 시험 방법 및 시험기관이 국내에는 전혀 없는 상황이다. IEC 61850이 적용된 전력기기 제조사는 국내에서 하드웨어 특성을 확인하는 환경, 안전, EMC 시험과 IEC 61850 규격을 준용하여 개발되었는지를 확인하는 적합성 시험을 통해 시험성적서 및 인증서를 획득함으로써 제품의 기본 사항을 증명하고 있다.

하지만 이벤트 발생 시 전력기기가 이를 감지하고, IE C 61850 표준 규약에 따라 메시지를 전송하는 데 걸리는 시간, 즉 통신 성능에 대한 검증은 수요처의 제품 선택에 있어 민감한 요소임에도 불구하고, 명확한 기준이 없어 제품 사양으로 제시하지 못하고 있는 상황이다. 특히, 최근에는 지능형 전력기기의 빠르고 정확한 통신 성능이 뒷받침되어야만 완성도를 보장할 수 있는 다양한 형태의 전력 어플리케이션 시장도 활성화되고 있어, 변전소 보호 제어 자동화 기술 고도화 구현을 위해 전력기기의 통신 성능 시험에 대한 필요성이 높아지고 있다.
 
디지털 변전소를 포함한 IT 기술이 융합된 차세대 전력시스템에서 지능형 전력기기의 통신 성능은 전체 전력시스템의 성능을 결정할 중요한 요소이며, 특히, 한국전력공사가 주도하면서 확산되고 있는 디지털 변전소를 시작으로 지중케이블 감시 진단, 분산전원 계통 연계 등 다양한 분야에서 IEC 61850 국제표준 적용 범위가 확대되고 있으며, 동시에 메시지의 정확한 송수신 여부뿐만 아니라 통신 성능 또한 중요한 이슈로 부각되고 있다.

예를 들어, 과전류 보호 IED의 경우 Merging Unit으 로부터 계측되어 전달된 전류에서 이상 전류(과전류)가 감지되면 계통 보호를 위하여 차단기 개방(Open)을 시도하는데, 이때 빠른 처리를 통한 피해 절감을 위하여 차단기 제어 IED는 3ms~10ms 내에 차단기를 개방(Open)하기 위한 GOOSE(Trip) 메시지를 제어 IEC에 전송해야 한다. 이처럼 과전류 보호 계전기 IED의 보호 동작에서 통신 메시지 전송 처리 속도, 즉 통신 성능은 전체 시스템의 성능(시간)을 결정하는 매우 민감한 요소이다.

IEC 61850 규격이 가장 많이 적용된 한국전력의 디지털 변전소 시스템의 경우, 디지털 변전소를 구성하는 제품(IED, 운영시스템 등)에 대한 데이터 전송 시간, 즉 통신 성능에 대한 요구조건을 일반구매규격(GS, General Specifications)을 통해 명시하고 있다.

IEC 61850에 정의된 통신 방법은 크게 4가지 방식으로, TCP/IP 기반의 Server-Client 통신을 지원하는 MMS, UDP/IP 기반의 전력기기들 간 시간 동기를 맞추는데 사용되는 TimeSync(SMTP), 비교적 적은 데이터를 다수의 전력기기와 빠르게 공유하기 위해 사용되는 GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)와 SV(Sampled Values)로 구분된다. IEC 61850-5 표준문서에서는 전력기기가 메시지 교환을 통해 수행하고자 하는 기능의 목적에 따라 통신 성능, 즉 특정 메시지를 수신하여 처리 후 다시 타 기기에게 메시지를 송신하는데 걸리는 소요 시간의 제한치를 다르게 정의하고 있다.

통신 성능의 기준이 되는 메시지 전송 시간은 IEC 61 850-5에 명시한 방법처럼 다음과 같이 계산되나, 이는 전송되는 데이터의 크기와 동 시간대에 통신망에 운용되는 패킷의 양에 따라 상이하므로 10,000회 반복 시험하여 평균값으로 측정한다. 측정된 값은 메시지 유형에 따라 성능 등급(Performance Class)을 부여하여 구분하고 있다.

※ 한 개의 Ethernet switch를 통한 네트워크 딜레이는 0.1 ms 이하이므로, 는 고려하지 않음.

이때,  시간은 Sccan cycle 시간에서 Logic 처리 시간이며, Logic 처리 시간은 제품마다 다르지만 기본적으로   시간에 포함하기 위해 계산식에서 삭제된다.

결과적으로,  시간은  시간에서 제조사가 명시한 Scan Cycle 시간을 뺀 시간이다.

GOOSE 성능시험은 표 3과 같이 9가지에 대해 시험을 수행하여 최종 등급을 매겨서 UCAIUg 인증서를 발급한다.

시험을 위한 시험툴은 KTL에서 개발한 GOOSE 성능 시험평가 툴을 사용하여 자동화하여 시험을 수행할 수 있으며, 시험 환경은 그림 6과 같다.

KTL은 GOOSE 성능평가를 위한 UCAIug 국제인증 시험기관으로 지정 예정(20.2)이며, IEC 61850 Ed 1.0, Ed2.0 Client/Server UCAIug 국제 인증시험을 진행하고 있다. 최근 SV(Sampled Value) 시험을 위한 UC AIug 시험기관으로도 지정(19.12)되어 다양한 적합성 평가 서비스를 제공할 계획이다. 한편 이러한 시험평가에 사용되는 툴은 다양하게 있으며, KTL은 Server 시험평가 툴과 GOOSE 성능평가 툴을 자체 개발하여 사용하고 있고, Client 시험평가 툴은 한전 전력연구원에서 개발한 툴을 활용하고 있다.

 한국전력에서는 2021년부터 IEC 61850 Ed2.0 전환 계획을 준비 중이며, Process Bus에서의 Merging Unit 도입을 통한 Full-Digital 변전소 구축을 준비 중으로, 향후 디지털 변전소의 보호 동작에 대한 신뢰성 확립을 위한 GOOSE 성능 검증의 필요성이 증가할 것으로 예상된다. 궁극적으로 GOOSE 성능 검증은 디지털 변전소의 신뢰성을 확보하기 위해 확인되어야 할 사항 중 하나이며, 한전의 IEC 61850 Ed2.0으로의 성공적인 전환의 중요한 열쇠가 될 것으로 전망된다. 

jinyong@ktl.re.kr