서  론

발전소에서 생산된 전기를 전국 각지의 고객들에게 안정적으로 전달하기 위한 전력계통은 발전·송전·배전으로 구성되어 있으며, 계통 내의 전력조류 방향은 발전에서 고객까지 수직적 단방향으로 이루어진다. 국내에서는 전력계통 관리를 위하여 전력설비의 전압·전류 취득을 위한 지능화 단말장치와 고장 발생 시 고장 구간의 원격 분리가 가능한 개폐기들을 대량으로 설치하여, 원격감시제어시스템(SCADA, Supervisory Control And Data Acquisition) 형태의 계통 관리시스템을 발전·송전·배전 도메인별로 운영하고 있다.

 근래 환경 문제 대두와 재생에너지 3020 정책 시행에 따라 풍력, 태양광과 같은 신재생에너지가 전력계통에 연계되고 있으며, 배전계통에 대부분의 신재생에너지 투입이 집중되고 있다. 이에 따라 기존의 발전소에서 고객에게 전력을 공급하는 수직적 단방향에서 고객도 전력을 공급할 수 있는 수평적 양방향 방식으로 전력계통이 변화되고 있다.

그리고 신재생에너지는 대형 발전소에서 안정적으로 생산되는 발전량에 비해 기상 조건에 따라 발전량이 불규칙적으로 변화되는 특징을 갖고 있어, 배전계통에 대규모 신재생에너지가 투입되면 전력계통의 불안정성이 커지는 문제를 초래한다.
신재생에너지 투입에 의한 전력조류 변화와 불규칙한 발전량 문제는 배전계통의 전압 유지관리와 고장 시 보호 협조 운영의 장애를 초래하기에, 안정적인 배전계통 운용을 위해서는 정밀한 전압·전류·부하 변화 감시 및 출력 예측 기능이 필요하다.

해외 전력사들도 계통 변화에 대응하기 위해서 IT (Information Technology)와 계통운영 기술인 OT(Oper ation Technology)의 융복합 기술을 이용하여 경쟁력 향상과 업무 효율화를 추진하고 있으며, 계통운영 솔루션 개발사인 Schneider, Siemens 및 GE사들은 IT와 OT 기술 기반의 차세대 배전계통 관리시스템(ADMS, Advan ced Distribution Management System) 제품을 제공하고 있다.

계통의 변화를 대응하기 위해서 더 많은 지능화 단말장치들의 현장 설치가 필요하며, 배전계통 상황을 효과적으로 분석·판단하기 위해서 기존의 단순 감시·제어 목적의 배전계통 운영시스템에서 벗어나 계통 운전원이 직관적으로 이해할 수 있도록 지원하는 다양한 계통 관리 기능 개발이 요구된다.

국내외 관련 연구

1) 국내 배전계통 관리 및 발전 현황
한전 전력연구원에서 1997년 개발한 배전자동화시스템(DAS, Distribution Automation System)은 큰 기술적 변화 없이 배전계통을 안정적으로 운영하고 있다. 또 전국 배전계통을 197개의 지역 사업소별로 독립된 배전계통 관리시스템이 운영되고 있다.
배전자동화시스템(DAS)은 감시·제어 기능 제공을 목적으로 하는 SCADA 형태의 시스템으로, 배전계통에 설치된 지능화 단말장치(FRTU, Field Remote Terminal Unit)와 개폐기를 통신 연계 기능 모듈인 전단 처리기(F EP, Front End Processor)를 통해서 전압·전류 계측값 취득 및 제어신호 전달을 수행한다.
시각적인 배전계통 정보 제공을 위한 HMI(Human Machine Interface)는 단선도와 계통도로 구성되어 있다. 운전원은 HMI를 통해 배전계통의 상황을 파악하고, 고장 발생 시, 고장 처리 및 정전 복구 업무를 수행한다.
2010년 한전 전력연구원은 배전계통 해석 및 상태 추정, 분산전원 관리 기능이 포함된 새로운 계통운영시스템인 SDMS(Smart Distribution Management System)와 Mi-DAS(Microgrid DER Interconnected Active Dis tribution System) 개발에 착수하여 국내 실증 및 해외 사업화를 진행하였다. 최근 한전 전력연구원은 변화하는 배전계통 운영을 목표로 차세대 배전계통 관리시스템을 개발하고, 현장 시범운영 중이다.

2) 국외 배전계통 관리시스템 개발 현황
최근 국외 전력 분야의 대형 업체인 Schneider, SIE MENS, GE 등이 차세대 배전계통 관리시스템(ADMS)를 개발한 상태이다. 국외 차세대 배전계통 관리시스템(ADMS)을 배전계통 운영을 위한 IT와 OT 융복합 솔루션을 개방형 플랫폼 상에서 확장 가능한 아키텍처를 갖고 있다.
또한 배전망 운영을 위한 통합 솔루션을 제공하는 Schneider는 ADMS 선도 회사로서 서비스 버스 기반에 원격감시제어시스템(SCADA), 배전관리시스템(DMS, Distribution Management System), 정전관리시스템(OMS, Outage Management System), 수요관리시스템(DRM, Demand Response Management System), 에너지관리시스템(EMS, Energy Management System)의 통합 시스템 구축을 지원하고 있다. 또 SIEMENS는 감시·운영, 분석·최적화, 추적·복구 기능을 통합한 3 in 1 기능 조합을 지원하여 운용자별 맞춤형 계통 운영시스템을 구축할 수 있다.
이 솔루션들은 공통적으로 실시간 데이터 수집·전달 역할을 수행하는 메시지 미들웨어 기술과 외부 시스템과 정보 공유를 위한 ESB(Enterprise Service Bus) 기술을 적용한 플랫폼 기반 위에 전력계통 운영을 위한 배전관리시스템(DMS), 정전관리시스템(OMS), 원격감시제어시스템(SCADA)과 같은 계통 운영 기능들을 확장 가능한 형태로 제공하고 있다.

한국형 차세대 배전계통 관리시스템 개발 방향

국내에서는 다양한 신재생에너지 확산으로 배전계통의 복잡도가 증가하고 있고, 수직적 단방향 배전계통에서 수평적 양방향 배전망으로 진화 중에 있다. 또한 개별 시스템으로 분리되어 있는 업무의 통합 및 효율화의 필요성 대두로 다양한 타 시스템들의 데이터 통합이 요구되고 있으며, 자연재해와 테러 위협 등에도 대비한 높은 시스템 신뢰성을 요구하고 있다.
1) 플랫폼
차세대 배전계통 관리시스템 개발은 기존 계통 운전원 중심에서 전체 배전원들이 활용할 수 있도록 진화하여 배전사업소 업무 전반에 직간접적으로 관여하는 종합 업무 시스템을 목표로 진행되고 있다. 이는 필연적으로 지원 중인 업무 프로세스 통합 및 데이터 표준화를 포함하여 가까운 미래에 다양한 기능이 지원 가능하고, 플랫폼 아키텍처가 요구된다.
플랫폼은 다양한 업무 지원 기능 개발을 위한 핵심 기술과 표준화된 데이터를 제공하는 공통 인프라 역할을 수행하며, 플랫폼 목적에 따라서 통합되는 IT 기술 종류와 통합 방식이 결정된다.
차세대 배전계통 관리시스템 개발은 ICT 융복합 기술인 ICBM(IoT, Cloud, BigData, Mobile)을 근간으로 하고 있다. ICBM은 개별 기술들의 중요성뿐만 아니라, 구성 기술들의 융합 관점에서 중요성이 강조되고 있다. 예를 들어, 사물인터넷(IoT) 센서 기술을 활용하여 배전 선로의 전압·전류와 고객의 전력 사용량을 수집하고, 수집된 정보를 클라우드에 구축된 빅데이터 기술을 이용하여 분석 후 모바일 기반으로 배전원과 현장 순시원들에게 정보가 전달되어야 계통이 효율적으로 운전될 수 있다. 따라서 개별 관점에서 기술 활용 방법을 인지하는 것도 중요하지만, ICBM의 4개 기술들을 통합적 관점에서 볼 때 큰 시너지효과를 낼 수 있다.

2) 다양한 ICT 융복합 장치 활용
대량의 신재생에너지 연계로 인한 계통의 전압·전류 불안정 문제와 태양광, 풍력 그리고 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System)과 같은 다양한 현장 전력설비 증대로 인해 설비관리 문제가 증대되고 있다.
이에 따라 설비 건전성 감시를 위해서 IoT 센서 적용 연구가 진행 중에 있다. <그림 6>의 IoT 센서는 변압기와 개폐기 같은 현장 전력설비를 대상으로 온도, 진동, 기울기 값을 측정하여 설비의 건전성을 판단할 수 있다. 또한 IoT 센서를 이용한 설비 주변의 온도, 습도, 풍향/풍속 측정은 기상청 예보보다 지역적으로 정밀한 정보를 제공할 수 있고, 신재생에너지 출력 예측의 정확도를 향상시킬 수 있다.

배전계통에 설치되는 장치 기술 변화에 대응하기 위해서 차세대 배전계통 관리시스템은 현장의 다양한 장치들과 직접적인 연결을 지원하는 게이트웨이 기술을 지원하여야 한다. 배전자동화시스템(DAS)에서 사용하고 있는 DNP(Dis tributed Network Protocol) 프로토콜뿐만 아니라, 대부분의 신재생에너지에서 사용 중인 Mod bus 프로토콜과 배전계통 감시를 위해 사업화 연구 진행 중인 IoT 통신 프로토콜(CoAP, HT TP, MQTT)을 지원해야 하며, 4차산업 기술 발달에 따라 향후 출현할 수 있는 미래의 통신 프로토콜 지원을 위한 통신 프로토콜 확장 기능을 제공해야 한다.

3) 외부 시스템과 정보 연계를 위한 개방성
국내 전력정보시스템은 보안 요구 수준에 따라서 외부 인터넷망(Internet), 업무망(OA, Office Automation) 및 제어망(FA, Factory Automation)으로 분리된 통신망에서 운영되며, 배전자동화시스템(DAS)은 국가주요정보통신기반시설 보호법에 따라 제어망에서 별도로 운영되고 있다.
근래, 복잡성이 증가하는 배전계통의 효율적인 운영을 위해서 기존의 설비 감시·제어를 넘어서 이종 데이터 분석의 중요성이 점진적으로 증가하고 있다. 데이터 분석의 신뢰도 향상을 위해서는 타 시스템에서 관리되고 있는 검침 정보 및 기상 정보와 같은 부가적 데이터들이 필요할 수 있다. 예를 들어 정전 발생 시 검침 정보를 이용하여 정전 피해를 최소화 시킬수 있으며, 기상 정보를 이용하여 신재생에너지 발전량을 예측하여 불규칙적인 발전량에 대비해 안정적인 배전계통 운전을 지원할 수 있다. 이러한 부가적 데이터들은 타 시스템에 의해서 생성/수집/관리되고 있는 상황이며, 또한 배전계통 운전을 통해 생성되는 데이터(전압·전력 측정값, 고장 정보)도 타 시스템에서 제공을 요구하고 있다.
따라서, 타 시스템들과 개별적인 데이터 공유 방식을 통일하기 위해서 표준 접근 인터페이스가 요구된다. 차세대 배전계통 관리시스템은 여러 시스템들과 다양한 데이터 또는 서비스 연계를 위해 Open-API Gateway 기술 적용이 필요하다. OpenAPI는 다양한 사용자들이 접근 가능하도록 HTTP 프로토콜을 이용하여 배포되기 때문에 시스템 환경에 독립적인 특징을 지닌다. 이러한 특징들로 인해 OpenAPI는 다양한 인터넷 서비스의 구현에 핵심 기반이 된다.

4) 기능 확장을 위한 실시간 데이터 버스
계측 장비들로부터 취득된 데이터들은 배전운영시스템 내의 여러 기능 컴포넌트에서 동시에 처리 작업이 이루어진다. 특정 지역의 배전계통 상세 정보 표출, 사업소 관할구역 전체 정보 표출, 배전계통의 안정성 및 이상 현상 분석을 계산하는 계통해석 그리고 이력 데이터 관리가 동시에 수행되는 특징을 갖고 있다. 따라서, 대량 데이터의 실시간 분배를 위한 Pub/Sub 방식 기반의 실시간 데이터 버스 개발이 요구된다. Pub/Sub 방식은 취득된 데이터들을 여러 기능 컴포넌트들에 동시에 1:N 분배할 수 있으며, 기존 운영 기능의 무정지 상태에서 신규 기능 확장도 지원할 수 있다.

그리고 배전계통 내 고장 발생 시 5분 이내 정전 복구를 해야 하기 때문에 현장 설비의 실시간 감시·제어 기능은 배전망 운영시스템의 핵심 기능이다. 배전계통에 감시 대상 설비 증가와 이에 따른 대량으로 발생하는 다양한 형태의 데이터는 실시간 처리의 장애 요인이다. 이에 따라서 배전계통에 투입된 장치들로부터 대량의 이벤트가 수시로 발생하는 상황을 대처할 수 있는 실시간 데이터 버스 기술이 요구된다.

기존 배전자동화시스템은 분산컴퓨팅 환경에서 클라이언트가 서버 측 기능을 원격 호출하기 위한 RPC(Re mote Procedure Call) 기술을 기반으로 하고 있다. 이 기술은 신뢰성 높은 분산 컴퓨팅 환경을 목적으로 개발된 기술로써 대량 이벤트 데이터 처리에 한계를 갖고 있다. 차세대 배전계통 관리시스템은 실시간 데이터 전달을 위해서 Message Queue 방식으로 처리가 필요하다. 또한 이 기술은 기기들로부터 수신된 대량 데이터를 다수의 Queue로 분리하여 병렬 처리가 가능하기 때문에 실시간 처리가 가능하다.

5) 데이터 표준화
대부분의 전력정보시스템들은 통신망 분리와 부서별 업무 분장에 의해서 독립적으로 운영되고 있으며, 시스템 간 연계 필요시 개발자 또는 운영자 상호 협의 하에 비표준 방식으로 정보 공유가 이루어지고 있다. 따라서, 차세대 배전계통 관리시스템은 전력정보시스템들과의 원활한 정보 공유를 위하여 전력 표준 기반의 상호운영성을 지원하여야 한다.
IEC 61970 표준은 전력 분야 전력시스템들 사이의 정보 공유를 위한 표준 정보 모델인 CIM(Common Infor mation Model)과 표준 접근 인터페이스인 CIS(Com ponent Interface Specification)를 정의하고 있다. 차세대 배전계통 관리시스템에서는 CIM 기반의 표준 데이터 정보 모델링을 활용하여 인터페이스 개발이 필요하다.

<그림 11>은 CIM 모델링 활용을 통한 이종 시스템 간의 상호운영성 향상 사례를 나타낸다. 배전관리시스템(DMS), 원격감시시스템(SCADA)에서 수집된 정보는 CIM 표준에 따라 모델링되고, EBS와 같은 서비스 연계 버스를 통해 전력정보시스템 간에 공유된다.

6) 사용자 친화적 시각화 환경 제공
전력소비량이 높은 도심지의 경우에는 가전기기 대형화와 보급률 증가로 배전설비의 밀집도가 높기 때문에 고장 사고 발생 시 파급 영향이 크다. 그러나 기존 배전자동화시스템은 전력조류 흐름과 주요 지점의 고장 인지에 최적화된 GUI 화면인 단선도와 계통도만을 지원하고 있기 때문에 복잡한 계통 현황을 표현하는데 많은 제한이 따른다. 특히 도심지처럼 설비의 밀집도가 높은 경우에는 현장 설비 위치 조차 파악이 어려운 경우가 발생하고 있다.
따라서, 차세대 배전계통 관리시스템은 단선도와 계통도 중심의 단순 시각화 화면에서 벗어나 복잡한 배전계통 상황 인지를 향상시킬 수 있는 지리정보시스템(G IS)과 중요 배전계통 정보를 가공/표출할 수 있는 대시보드와 같은 새로운 시각화 기능을 제공하여 운전원들의 의사결정(Decision Making)을 지원해야 한다. 시각화 유용성을 향상시키기 위해서는 다양한 계통 분석 기능들이 필요하기 때문에 신 배전정보시스템(NDIS, New Distri bution Information System) 및 계량데이터관리시스템(MDMS, Meter Data Management System)과 같은 타 전력정보시스템들로부터 중요 배전계통 관련 정보들을 수집하여 정보들 간의 관계성에 따라 정제된 통합 데이터 DB 구축도 필요하다.

<그림 12>는 배전계통 운전을 위해서 요구되는 단선도, 대시보드, 지리정보시스템(GIS), 계통도의 예제이다. 고장 이벤트 발생 시, 단선도와 계통도 상의 해당 설비에 이벤트 정보가 최초로 표출되고, 자동으로 지리정보시스템(GIS) 화면이 해당 설비의 위치로 이동하여 운전원의 업무를 지원한다.

차세대 배전계통 관리시스템 개발 및 구축

차세대 배전계통 관리시스템은 배전계통 감시/제어에 특화된 SCADA 형태의 기존 배전운영시스템에서 벗어나, 실시간 계통운영 중에도 다양한 기능 또는 설비 추가를 시스템 중단 없이도 확장될 수 있는 표준 기반의 차세대 배전계통 관리 플랫폼 형태로 개발되었다. 이 플랫폼은 수집(FEP) → 저장(통합DB) → 가공(주장치), 분석 (빅데이터) → 서비스(HMI, GIS)로 이루어진 주요 기능 모듈들로 구성되어 있으며, 내부 기능 모듈들의 통합 및 확장을 위한 실시간 메시지 미들웨어와 외부망의 시스템과 데이터 교환을 위한 연계 GateWay 그리고 서비스 기능 확장을 위한 서비스 연계 미들웨어로 구성되어 있다. 또한 플랫폼 기반으로 다양한 계통 운영 기능 개발 활성화를 통한 ADMS 개발 생태계 확장을 위해 차세대 배전계통 관리시스템 SW 개발 도구, 개발 지원 문서, 참조용 SW 코드 및 검증 환경을 제공하는 ADMS 개발자 포털이 지원될 예정이다.
차세대 배전계통 관리시스템은 지역 사업소별로 운영되고 있는 기존의 배전자동화시스템(DAS)을 15개 광역 본부 단위로 운영하게 함으로써 시스템 유지보수 인력과 사업소의 전산 운영설비 업무를 경감시켰으며, 차세대 배전계통 관리시스템(ADMS)의 고장을 대비해 후비 시스템을 본사에 설치하여 운영의 신뢰도를 향상시켰다.

sungho_jo@kepco.co.kr