서 론

최근 글로벌 디지털 변전소 보호 제어 자동화 시스템은 IEC 61850 Edition 2 기반의 제품 적용이 일반적인 추세로 자리매김하고 있다. IEC 61850 Edition 1은 20 01년부터 2004년 사이에 출간된 이후 해당 분야의 요구사항에 부응하여 개선 및 개정이 지속적으로 이루어져 Ed 2로 확장된 이후, 많은 글로벌 제작사들이 IEC 61850 Ed  2를 지원하는 IED 제품을 시판하고 있다.

이에 따른 국내의 현안으로는 기존의 국내 디지털 변전소에서 운영 중인 Edition 1 버전 중심의 운영 시스템과의 상호 호환성에 대한 해결 방안을 모색하기 위한 일환으로 Ed 1과 Ed 2 간의 혼용 구축 운영에 대비한 각 시험 항목 및 검증 환경에 대한 분석 연구를 최근 전력연구원에서 완료하였다.

Ed 1에서는 지원되지 않던 논리 노드와 CDC 등의 다양한 데이터 모델을 지원하고 있다. 향후 Ed 2를 지원하지 않는 제품 운영 시는 이들 데이터 모델들 간의 상호 운영성에 문제가 발생할 수 있으며, 이의 해결 방안 마련이 필요하다. 또한, Ed 2에서는 프로세스 버스 네트워크의 도입과 병행한 Full Digital 변전소의 적용을 고려하고 있으므로 프로세스 버스를 통하여 MU로부터 IED에게 SV 데이터의 전송 서비스 등을 통해 지능형 변전소의 운영 효율을 높일 수 있다.
 

본 론

1) IEC 61850 Ed 2 기술의 적용 환경 변화 
우선 디지털 변전소 IEC 61850 Ed 2.0 버전의 적용 기술 동향 파악을 위한 주요 배경으로는 현재의 Ed. 1 유지 시, 국제표준 기술 지원 및 보증이 불가하고 글로벌 트렌드에 도태할 수 있으며, Ed. 2 도입을 추진하게 되면 사전에 효용성 검증과 활용 방안을 모색하고, Ed. 1 혼용 방안 등에 대한 기술적 분석이 필요하기 때문이다. 즉, 디지털 변전소 신규 건설, 업그레이드 등에 대한 추진 대책안 마련이 필요하고, Ed 2 업그레이드의 필요성 및 운영 설비 상호 호환 방안 검토가 필요하기 때문이다.

2) IEC 61850 Ed 2 기술 도입 전망 개요
디지털 변전소의 도입은 계통 운영의 신뢰도와 안정성을 향상시키는 것이 주 목적이다. IEC 61850 표준과 관련한 핵심 설비인 지능형 보호제어기기(IED)의 경우, 과거 유도식 계전기로부터 시작하여 반전자식 보호계전기를 거쳐 최근 지능형 계전기인 IED로 발전해오고 있다.
2000년대 초반경부터 발간된 IEC 61850 Ed 1.0은 2013년부터 국내 적용을 시작하여 2019년 하반기 기준, 50개 이상의 변전소에 적용하여 운영 중에 있다. 또한, 2010년 이후부터 신 규격인 Ed 2.0이 발간되어 201 5년경부터 일부 글로벌 유틸리티에서 적용을 시작하였고, 최근 적용이 확대되는 추세에 있다.

기술 동향

1) 변전소 자동화 시스템의 핵심 ICT 기술
변전소 자동화 기술은 산업별 M2M/IoT 응용 기술로 운영 측면의 요구조건에 적합한 새로운 솔루션을 창출할 수 있다. 변전소 자동화 시스템에서의 주요 ICT 기술은 그림 1과 같으며, 4개의 주요 핵심(Key) 설비에 대한 구성 성분(Segments)으로는 OT(운영 기술, 데이터 관리 계층), IT(응용 및 연결 적용 플랫폼), Communica tion(통신 서비스, 통신 네트워크 설비), End Devices (IED, Swicth, 센서, 통신 모듈) 등이다.  
  
2) 변전소 자동화 및 통합 시장의 신규 및 보강 설치 시장 현황
그림 2(변전소 자동화 및 통합 시장의 신규 및 보강 설치 시장 현황)의 신규 설치 분야는 2016년에 18.1 Billion US$, 2022년에는 25.2 Billion US$에 이를 것으로 예상되고, 2016년부터 2022년까지 연평균 성장률은 5.7%로 예상된다.
새롭게 설치되는 변전소는 신규 변전소, 특히 배전급 변전소용의 수요 확대가 큰 기여를 할 것으로 보인다. 보강 설치 변전소 시장은 2022년에는 24.9 Billion US$에 이를 것으로 예상되고, 연평균 성장률은 6.2%로 예상된다
디지털 변전소 신규 구축과 관련한 운영 시의 대표적인 장점은 재래식 변전소에 비해 계전기 룸의 공간을 60% 이내로 축소시킬 수 있으며, IED 간의 통신을 위해 사용되는 광케이블을 이용하여 구리선의 사용을
80% 줄일 수 있으므로 케이블 단자의 터미널 블록 단자대를 90% 이상 감소시킬 수 있어 시스템의 고장율 저감과 신뢰도를 크게 향상시킬수 있다. 또한, 설치 시간은 재래식 변전소에 비해 40%까지 줄일 수 있다.

3) IED 및 통신 네트워크 모듈용 시장 규모
IED를 포함한 통신 네트워크 시스템 등 변전소 자동화 시스템 통합 시장은 2016년에 35.4 Billion US$이고, 2022년에는 50.1 Billion US$에 이를 것으로 예상되며, 이 기간 동안의 연평균 성장률은 5.9%로 예상되며, 특히 통신 네트워크 분야의 연평균 성장률은 9.8%의 높은 성장률이 예상된다. 태양광산업 분야의 변전 자동화 솔루션 수요 증가가 시장 성장을 주도하는 주요소로 작용할 전망이다.

4) 변전소 자동화 설비의 최근 환경 변화 추이
IEC 61850 기반 Ed 2.0 도입을 통한 변전소 자동화 시스템의 효율적인 운영을 위해 변전소의 디지털화와 지속적인 업그레이드, 그리고 기능 확장 등에 대한 적용 환경 추이에 대한 고찰이 필요하며, 점진적으로 지능화되고 있는 변전소 자동화 설비의 최근 환경 변화 추이는 다음과 같다. 
 
① 스마트그리드 견인을 위한 디지털화 변전소 운영 기술 고도화 및 환경 변화 
전력설비의 운영 정보를 고신뢰 초고속으로 교환하기 위한 IEC 61850 Ed 2.0은 Ed 1.0에서는 지원되지 않던 논리 노드와 CDC 등의 고효율성을 갖는 다양한 데이터 모델을 지원하고 있고, 상호 호환 측면의 통신 에러 발생 문제를 크게 개선하고, 적용 범위를 변전소 외의 기타 전력설비로 확대하고 있어 향후에는 생산 제품이 Ed 2를 지원하지 않을 경우, 상호 운용성은 물론 변전소 고장 검출과 예방 진단 등을 위해 대규모의 데이터를 효과적으로 센싱 및 활용하는데 있어서 어려움을 겪을 수 있다. 

② 디지털 변전소 운영 신뢰도 향상 및 안정화 위한 신 규격 업그레이드 
IEC 61850 Ed 2 변경 기능의 적용성을 고찰해 보면, Ed 2의 입장에서는 Ed 1이 약 800건의 TISSUE 발간을 통한 개선 사항 반영과 두 버전과의 모호한 호환성 문제 해결 등 시스템의 안정화를 향상시킨 특성을 가진다. 한편, 유틸리티에서 Ed 2를 도입하여 활용하게 될 경우와 Ed 1과 Ed 2 혼재 시스템을 구축하게 될 경우에는 양 버전 간의 호환성 부분 해결을 위해 개선된 엔지니어링 툴을 이용하여 활용이 가능하게 될 것이나, 가능한 한 혼재 시스템으로 운용하기보다는 최신 규격을 적용하는 것이 바람직하며, 불가피하게 혼재 시스템으로 운용 시에는 시스템의 안정화 단계까지 지속적인 주의와 점검이 필요하며, 신규 설비에 대한 Ed 2의 적용 및 도입은 적극 반영할 필요가 있다.

③ 변전소 영역에서 전력설비 전 분야로의 확장성을 갖는 최신 운영 기능 활용   
IEC 61850 Ed 2은 변전소에 국한된 것이 아니라, 발전 계통의 설비는 물론, 분산전원과 ESS 설비 등의 발송배전 계통 설비 전체를 아우르는 유틸리티 자동화를 지향한다. IEC 61850 Ed 2의 도입을 전력 계통 시스템의 운용 관점에서 볼 때, Ed 2를 Ed 1 버전과 비교해 보면, 기존 버전 대비 변화 측면의 특징보다는 적용 대상의 확장 개념에 관심을 가지고 접근해 볼 필요성이 있다.
또한, 신 규격에서는 IEEE 1588 PTP 표준을 통해 고정밀 시각 동기화 기술을 제공하여 클럭의 시각 정확도 향상과 시간 간격(Time Scale)을 고도화함으로서 전력설비의 감시 제어 기술을 한층 더 안정화시켜 변전소 자동 고장 복구, 자율운전 변전시스템, 자동 예방진단 시스템 등 미래의 지능형 전력설비의 안정적인 구축과 운영에 효과적인 기여를 할 수 있다.    

5) IEC 61850 Edition 2 기술 및 활용 분석
IEC에서는 IEC 61850의 첫 번째 버전인 Ed 1에 대한 유틸리티의 활용 결과를 분석하고, 현장에서 발생한 장애 사항을 TISSUE 형태로 관리하여 개선 방안을 지속적으로 모니터링하고, 이를 보완하여 Ed 2를 발간함으로서 IEC 61850의 활용성을 크게 개선시키고 있다. IEC 61850의 핵심 개념으로 IEC 61850-7에서 정의한 ‘유연한 데이터 모델 개념’과 ‘ACSI 인터페이스’는 다른 기타의 기술 영역들이 TC 57 WG 10과 효과적으로 협력하도록 목표와 동기를 부여하고 있고, Ed 1에서는 지원되지 않던 논리 노드 및 다양한 데이터 모델을 지원, 프로세스 버스 네트워크의 도입과 병행한 Full Digital 변전소의 적용 효과 향상, 그리고 새로운 XML 스키마인 버전 2.0 스키마를 제시하여 향후 지능형 스마트 변전소의 통신 장애를 최소화시키고, 운영 효율을 향상시킬 수 있는 토대를 갖추고 있다.
한편, 국외 주요 유틸리티는 디지털 변전소 구축 시, 주요 설비의 공급은 단일 제작사의 제품을 적용하고 있기 때문에 Conformance 항목의 적용 여부는 공급 제작사 주도로 진행해도 큰 무리가 없을 것으로 예상된다. 반면, 국내에서 디지털 변전소 구축 시는 다수의 제작사가 설비를 공급하므로 Conditional 및 Mandatory 항목을 포함한 Conformance 항목의 선택 시는 Test Case의 기능별 상호 연관성을 가지고 동작되는 구조이므로 디지털 변전소의 구축 시에는 구매 요건과 규격의 설계에 있어서 관련 설비의 운용을 위한 상호 호환성에 특히 주의하여 추진할 필요가 있다.

6) IEC 61850 적합성 시험 방안 및 Ed 1&2 혼재 시스템 운용

① IEC 61850 Ed 2 적합성 시험 방안
IEC 61850 Ed 2 신 규격의 적합성 시험방안과 관련규격의 검토와 관련하여 Ed 2 개정 표준을 적용한 IED와 HMI 설비의 적합성 시험 방안과 함께 개정 표준의 적합성 시험 규격안의 도출이 매우 중요하며, Ed 2의 변경 표준 적합성 시험 절차 설계는 UCAIug에서 개정한 IEC 61850-8-1 Ed 2 서버 장치 통신 적합성 시험 절차서와 IEC 61850 Ed 2 클라이언트 시스템 통신 적합성 시험 절차서를 기준으로 설계하는 것이 필요하다.
② IEC 61850 Ed 1 및 Ed 2 혼재 시스템 엔지니어링 방안 
디지털 변전소의 정보 모델 및 통신 서비스에 대한 국제표준 IEC 61850이 제정된 이후 전 세계적으로 가속화되고 있는 변전소의 IEC 61850을 적용한 디지털화는 전력의 수요가 급증하는 개발도상국 뿐만 아니라, 변전소의 노후화로 인해 새로운 설비 교체를 필요로 하는 북미와 유럽 등의 선진국에서도 그 필요성이 확대되어 가고 있다.
국내 50여 곳 이상의 154kV 디지털 변전소가 Ed 1 기준으로 운용되고 있는 점을 고려할 때, 신규 변전소에 대한 IEC 61850 표준의 적용은 물론, 기존 Ed 1 버전으로 시설된 기설 변전소에 대한 확장과 설비 교체 시에는 현실적으로 기존의 Ed 1 시스템을 단순히 Ed 2로 업데이트만 하여 운영할 수 있는 것이 아니라, 두 개의 다른 버전을 갖는 제품이 혼용되어 운용될 수도 있다.
상기의 호환성 문제 해결을 위한 엔지니어링 절차와 방안을 소개하면 먼저, Ed 1 IED 및 Ed 2 IED 간의 GOOSE 통신 엔지니어링 절차, 두 번째로 Ed 1 운영장치 및 Ed 2 IED 간의 MMS 통신 엔지니어링 절차, 그리고 마지막으로 Ed 1 및 Ed 2 혼재 시스템 상호운용성 적합성 시험 방안 등을 고려해야 한다.

7) 신 규격 도입 시 기대 효과
신 규격의 국내 도입 및 적용 시의 주요 기대 효과는 크게 3가지로 구분할 수 있다.
첫째, 통신 에러 감소와 상호 호환성 강화를 통해 설비 운영 신뢰도 및 안정도를 향상시킨다. 둘째, 국제표준 체계와 연계한 효과적 시행을 통해 변전소 구축과 운영에 있어서의 제반 비용 절감이 가능하다. 셋째, 국제표준 기반의 미래 기술 접목을 통해서 변전 설비의 효과적인 감시와 진단이 가능한 효과를 기대할 수 있으며, 신 규격인 Ed 2의 채택 및 현장 적용 시에는 향후 준공검사 시행 단계에서도 시험 편의성을 크게 향상시킬 수 있다.  
이를 통해 향후, 설비의 적용 환경 변화에 능동적으로 대응하고, 국내 디지털 변전소의 안정적 운영 체계 구축에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

결 론

1) IEC 61850 Ed 2 신 규격 도입 검토 종합
IEC 61850 기반의 변전 자동화 시스템의 취급 기관 또는 유틸리티의 입장에서 Ed 2의 도입과 적용 시의 장점은 IEC 61850 Ed 1의 운영 중에 발견된 일부 에러 및 상호 운용성 문제를 해결하고, 이것을 신 규격인 Ed 2에 반영함으로서 설비 운영의 신뢰도와 안정성을 강화시킬 수 있다는 것이다. 즉, IEC에서는 Ed 1의 운영 중에 확인된 다양한 형태의 기술적인 문제를 TISS UES로 발간하여 신 규격인 Ed 2에 반영해오고 있고, 이러한 측면을 고려할 때 디지털 변전 설비의 신뢰도와 안정도 향상을 위해 Ed 2의 도입을 적극적으로 검토할 필요가 있다. 특히, 미래 지능형 Full Digital 변전소 구현을 위해서는 Process bus 시스템의 적용이 필수적이다.

최근 글로벌 디지털 변전소는 OCT와 OVT를 적용한 현장 취득 신호의 디지털화를 가속화하고 있고, K EPCO에서도 실용화 기술개발을 진행 중에 있다. 현장으로부터 대용량의 SV 값 등 다양한 데이터를 효과적으로 센싱하고, 고정밀 시각 동기화 수준을 갖춘 다양한 어플리케이션을 개발 적용함으로서 향후 변전소 자동 고장 복구와 자율운전 시스템을 구현해 나갈 수 있다. 

2) IEC 61850 Edition 변화 전망
IEC 61850에서는 Ed 2를 포함한 향후의 표준 개선 또는 개정을 위해 지속적인 검토 작업을 진행 중에 있다. 대부분의 일반적인 시스템은 전형적인 수명 기간 중의 고장 발생 특성 곡선(Bath-tube Curve)에 따라 설비의 전 수명 기간 중에 초기 적용 시에 다양한 형태의 고장 또는 개선 사항이 가장 많이 발생한다.
그러므로 Ed 2에서 Ed 3로의 버전 변화는 Ed 1에서 Ed 2로의 버전 변화와 비교했을 때 매우 미미한 수준의 변화를 예상할 수 있으며, 전면적인 개정 수준의 변경이 발생할 가능성은 거의 없다고 할 수 있다.
IEC 61850 Ed 2 기반 변전소 보호 제어 자동화 시스템의 핵심 기능 변화 내용은 ‘기존 Ed 1 버전에 대한 장해 개선+신규 기능 추가+표준 적용 범위’ 등으로 요약할 수 있다. 한편, 주변 산업 분야와 연계한 IEC 61850 기술은 전력설비 지능화 및 전력산업 전 분야와의 융합화를 가속시키는 촉매제가 될 것으로 전망된다. 표 2는 전력산업 자동화 기술 분야와 산업혁명과의 연계 발전 추이를 나타낸 것이다.
 

맺는 말

이와 같이 Ed 2의 도입이 필연적일 수밖에 없는 국내외 환경 변화를 고려한 향후 국내에서의 상용화를 신속하게 추진하기 위한 임박성 측면의 사유로서는 이종기기 간 통신 에러 문제의 개선과 취득 데이터의 활용성 확대를 고려해야 하며, IEC/UCA가 Ed 1의 종료 시한을 2021년으로 통지하고, 이에 따른 국제 공인인증시험의 중단 상황 등을 염두에 두어야 한다.

향후 신 규격을 적용한 지능형 디지털 변전소를 구현하게 된다면, 변전 설비 고장 감소 및 전력공급 신뢰도의 향상을 통한 운영 기술을 고도화할 수 있으며, IEC 6 1850 기반 변전소 자동화 분야 글로벌 트렌드 반영함으로서 운영 효율을 최적화할 수 있다.

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