계장기술(PROCON)

기획특집 실시간 전력설비 관리를 위한 IoT 솔루션

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 91회 작성일 22-04-15 12:33

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1. 머리말

기존 전기 생산에서 소비에 이르는 전력계통시스템의 구성 설비 관리시스템은 폐쇄망으로 운영되던 구조에서 스마트그리드를 통해 진화하고 있고, 디지털 변환의 일환으로 에너지 신산업으로 일컬어지는 전력산업의 환경 변화를 이끌어가기 위한 ICT 기술을 이용하여 다양한 서비스 및 아이디어가 도출되고, 이를 토대로 각 서비스별 시스템 구축이 진행되고 있다.

최근 에너지 전력 분야 디지털 변환은 ‘데이터의 수집 및 분석을 통한 새로운 가치 창출’로 정의하고 있다. AI, IoT, Cloud, Big Data, Mobile 등 디지털 기술과 전력설비 등에서 생산되는 전력 빅데이터 분석 결과, 도출된 인사이트를 통해 사내외 비즈니스를 혁신하는 등 데이터 중심의 산업 패러다임이 구조적 전환이 진행되고 있다.

본고에서는 실시간 전력설비 관리시스템을 구현할 수 있는 에너지 전력 분야 IoT 표준인 e-IoT1)와 무선통신 표준인 e-WSN2)을 중심으로 서비스 솔루션 기술 내용과 적용 사례를 소개하고자 한다.

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2. 실시간 전력설비 관리 IoT 솔루션 개요
IoT 기술은 사물과 사람, 사물과 사물 간을 연결하여 정보를 전달하고 상호 통신하는 지능형 인프라 및 서비스 솔루션으로서, 상태 감시와 원격제어뿐만 아니라 상태 예측이 가능한 전력설비 관리 체계화의 핵심적인 기능을 제공한다.

한전은 에너지 전력 분야에 IoT 기술을 도입하기 위해 LwM2M3) /CoAP4) 기반의 e-IoT 규격을 단체표준으로 제정(2021년 국가표준 제정)하고, 관련 공통기술 개발과 다수의 제조사 간에 상호호환성을 만족시키기 위해 상호운용성 시험 지원, 현장 사업화를 통해서 IoT 생태계 확산과 조성에 기여하고 있다. e-IoT 표준 기반 전력 시설에 구축되는 IoT 디바이스)를 연결하여 IoT 디바이스에서 측정된 정보를 수집하고 제어할 수 있으며, 수집된 측정 데이터를 IoT 플랫폼에서 실시간 설비 정보 모니터링 및 상태 진단 분석이 이루어진다. e-IoT 플랫폼 및 게이트웨이는 전력 현장에 설치된 IoT 센서 데이터를 수집·분석·처리하는 솔루션으로서 전력설비 감시, 점검 등의 지능형 전력망을 구현할 수 있다.

e-IoT 서비스는 물리 가상의 사물과 연계, 협업하여 지능형 서비스를 제공하는 IoT 플랫폼, 모든 사물들은 인터넷을 통해 상호 연결하여 소통하는 IoT 네트워크, 사물을 지능화시켜 스마트 인터렉션을 제공하는 IoT 디바이스, 프라이버시 보호와 안전한 시스템 운영을 보장하는 IoT 보안 등을 통해 제공된다.
e-IoT 표준 이용, 국제표준 기술 수용성 확대를 통한 서비스 공통 솔루션을 개발하여 에너지 IoT 플랫폼 및 표준 기반 다양한 활용 기술 인프라 확대, 무인 변전소 및 지중 시설물 대상 지능형 원격 감시 및 효율적 순시 점검 등 에너지 ICT 분야 신사업 기반 솔루션 구조는 다음과 같이 구현되는 형태다.

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3. 실시간 전력설비 관리 IoT 솔루션 요소
1) 표준화
e-IoT 표준은 LwM2M, oneM2M, OCF5) 등을 검토하였고, 에너지 전력산업용 현장 디바이스 특성을 고려하여 LwM2M 기반으로 규격화되어 있다. 디바이스, 게이트웨이 및 플랫폼 간 통신 인터페이스와 CoAP 기반을 응용 프로토콜을 정의하고, 단말 등록 및 관리 절차, 데이터 수집 방법 등의 서비스 절차가 반영되어 있다. 특히 협대역 네트워크 환경을 고려하여 단순화된 단말 등록 방식과 다수의 센서값들을 하나의 보고 메시지에 통합하여 전달할 수 있는 방식이다.

플랫폼은 현장 디바이스들의 모든 정보를 수집하여 관리하며, 공개 API를 통해 다양한 IoT 서비스를 가능하게 해주는 기능이 구현되어 있다. e-IoT 식별자는 장치 식별자 및 리소스 프로파일 식별자로 구분하고, 장치 식별자는 게이트웨이 및 디바이스를 구별하고, 리소스 프로파일 식별자는 실제 데이터를 표현하는 리소스를 구분하는 데 사용한다.

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2) 네트워크
IoT 산업이 확산됨에 따라 다양한 통신 기술이 출현하고, 다수의 단말을 관리, 정보 연계에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히 에너지 전력 분야 IoT 기술 적용 시, 네트워크 분야는 보안 이슈와 관련해서 지능형 전력망의 구축 및 운영에 대한 보안 요구사항을 규정하고 있는 ‘지능형 전력망 정보의 보호조치에 관한 지침’을 따라야 한다. 공항, 가스, 원자력 등 국가 안보상 중요한 제어시스템 구축 시 해당 시스템을 업무망 인터넷망 상용망과 분리 운용해야 하며, 지능형 전력망 기기와 정보통신실 간 무선통신망(무선랜, 3G 통신, 근거리 통신 등) 이용을 최소화하여야 한다.
이와 같이 지능형 전력망을 이용 IoT 환경을 구축할 경우, IoT 대상 기기는 지능형 전력망과 연계된 장치로서 상기 지침에 언급된 보안 사항을 준용해야 하며, IoT 인프라 확대 보급 및 큰 걸림돌로 작용될 수 있어 이에 대한 대책이 필요하다.
e-IoT 시스템에서는 380MHz 및 900MHz 주파수대역 협대역 통신 기술 e-WSN6)과 LPLWA7) 기술을 접목하여 디바이스와 게이트웨이 간 무선통신망을 구성하고, 표준을 기반으로 정보 연계를 용이하게 할 수 있도록 네트워크 기술이 적용된다.
 e-IoT 및 e-WSN 기술은 단말 간 정보 연동 및 관리 방법을 용이하게 함으로서 IoT 망을 손쉽게 구축, 활용할 수 있는 특징을 가지고 있다. 특히 기술의 빠른 활용을 위해 SDK 및 HW Reference를 동시에 제공함으로서 제조사 및 개발자는 기술의 빠른 습득 및 손쉬운 활용 서비스 개발이 가능하다.
특히 e-WSN 통신 기술은 전력설비 제어에 활용되는 380MHz 주파수대역의 기존 통신 방식은 유럽 표준 테트라 TETRA8) 대비 전송할 수 있는 데이터량이 늘어남에 따라 AMI는 물론, 전력 사용량 모니터링 및 수요관리 서비스, 과금 및 충전량 등의 정보를 교환하는 전기차 충전시스템 등 전력 서비스 제공을 위한 통신 인프라 구축에 확대 사용할 수 있다. 따라서, 신뢰성 있는 실시간 통신 환경 구축이 가능해짐에 따라 전력설비의 원격 감시 및 제어를 수행하는 배전지능화, 분산전원 등 제어용 통신망에 활용될 수 있다. 이는 향후 연간 1조 원 규모에 달하는 전 세계 IoT 시스템 시장 진입도 가능할 것이다.

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3) 플랫폼
e-IoT 시스템은 종단의 에너지 전력설비에 부착될 디바이스와 이들을 플랫폼에 연결해 주는 게이트웨이, 최종적으로 디바이스들의 모든 정보를 수집하고, 디바이스들을 관리하여 다양한 e-IoT 서비스를 가능하게 해 주는 플랫폼으로 구성된다. 디바이스는 게이트웨이를 통하거나, 또는 플랫폼에 직접 연결될 수 있다.
e-IoT 플랫폼을 적용하면 머신러닝과 빅데이터 기술 등을 적용해 전력망의 실시간 분석과 상태 예측이 가능하다. 전력선의 전력 흐름과 과부하 등 고장 위험이 큰 전력설비의 상태 센서를 통해 감지하고, 이상 증상이 발생하기 전 전력설비를 수리 또는 교체함으로써 전력망 운영 및 유지보수 비용을 줄일 수 있다.

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4. 솔루션 활용 형태 및 서비스 현황

송전철탑, 배전전주, 변압기 등 전력설비와 연계하여 실시간으로 설비 현황과 현장 안전 상태를 확인하고, 진단 및 점검할 수 있는 솔루션을 제공하며, 인공지능 및 데이터 기반의 서비스 확산에 따라 데이터 수집 단계에서부터 표준화된 데이터 모델을 정의하고, 분석·처리 단계에서도 활용 가능해 지능화된 서비스를 창출하게 된다.

대표적으로 적용된 분야에는 항공 장애 등 감시, 수전설비 감시, 송전선로 애자 감시, 송전선로 지능형 영상 감시, e-WSN 무선통신망 등 있다. IoT 기술을 활용한 실시간 전력설비 감시로 인력에 의한 유지보수 비용을 절감할 뿐만 아니라 설비 상태 분석에 따른 사고 예방 등 안정적인 설비관리 체계가 확보된다.

1) (센서 분야 사례) 고압 APT 수전설비 감시
노후 아파트의 잦은 정전사고 대응의 일환을 준공 15년 이상 노후 고압 아파트 변압기에 센서, 통신장치를 설치하고 데이터를 수집하여, 변압기 상태 분석과 실시간 전기 사용량 모니터링 기능을 제공하는 변압기 관리 및 정전 예방 보조 서비스이다. 변압기의 데이터를 수집 및 분석한 후 고장 위험도와 과부하 등의 변압기 상태 정보를 실시간으로 제공함으로써 아파트 주민 및 관리자는 스마트폰과 컴퓨터로 손쉽게 변압기 상태를 확인할 수 있고 조치 가이드를 안내받을 수 있다.

2) (영상 분야 사례) 송전선로 접근 중장비 감시
각종 개발에 따른 건설 현장 증가로 송전선로 중장비 근접 고장이 지속적으로 발생함에 따라 중장비 근접 고장 예방을 위한 서비스다. 공사 현장 주변 CCTV 설치를 통한 실시간 감시로, 단순 현장 영상 모니터링이 아닌 송전철탑의 위치를 가시적으로 표현하고, 개별 철탑 감시 기능에 따른 맞춤 알람 서비스와 직관적인 시각 정보를 제공받을 수 있다.

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5. 맺음말

지속적인 서비스 확장을 위해서는 표준 적합성 검증과 제품 간 상호운용성 확보가 중요하다. 이에 따라 한전은 TTA와 업무협력을 통해 에너지 전력 분야 e-IoT 시험인증제도를 시작하였다. e-IoT 시험인증 체계는 IoT 제품의 신뢰성과 호환성 검증에 활용되며, TTA가 시험 규격과 인증 기준을 개발하고, 한전 전력연구원이 기술 규격을 제공하는 방식으로 개발되었다. 또한 e-IoT 기술은 전남·광주 에너지 신산업 SW 클러스터 조성 사업 기반 기술로 이전되어 타 산업 분야 적용이 확대되는 등 IoT 생태계 조성에 기여하고 있다.
이와 같이 e-IoT 표준 기반 공통 기술을 토대로 생태계가 확대되어 기술개발 및 활용에 대한 선순환 구조를 통해 서비스 구축 비용 및 시간을 절감하고, 빠르게 사업화가 용이한 구조이다. 따라서 실시간 전력설비 관리를 위한 에너지 전력 분야 IoT 솔루션은 다양한 서비스 사업화 기술로 적극 활용될 것이며, 무인 변전소·지중 시설물 대상 지능형 원격 감시·효율적 순시 점검 등에 적용되어 안정적인 설비 운영체제 구현에 기여할 것으로 기대된다.

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1) e-IoT(energy-Internet of Things) : 전력연구원에서 개발, 단체표준 및 국가표준으로 등록된 에너지 전력 분야 사물인터넷 기술 규격
2) e-WSN(energy-Wireless Sensor Network) : 전력연구원에서 개발, 단체표준 등록 및 국제표준화 추진 중인 에너지 전력 분야 무선통신 기술 규격
3) LwM2M(Light weight Machine to Machine)
4) CoaP(Constrained Application Protocol)​

6) e-WSN(energy-Wireless Sensor Network)
7) LPWA(Low Power Wide Area)
8) TETRA(Terrestrial Trucked Radio)


이 주 현 소장 / 전력연구원 디지털솔루션연구소 joohyun.lee@kepco.co.kr
박 명 혜 수석연구원 / 전력연구원 디지털솔루션연구소 myunghye.park@kepco.co.kr
김 영 현 책임연구원 / 전력연구원 디지털솔루션연구소 younghyun@kepco.co.kr
강 수 경 선임연구원 / 전력연구원 디지털솔루션연구소 sk.kang@kepco.co.kr