전력망 설비의 개요

전력망 설비는 발전 회사 및 송배전 회사가 관리하는 전력 공급자 측 설비와 전력을 사용하는 사용자 측 설비로 구분될 수 있다. <그림 1>은 전력망 설비를 개괄적으로 표시한 것으로, 녹색 점선으로 표시된 부분은 전력 공급자 측 설비를 나타내고, 보라색 실선으로 표시된 부분은 사용자 측 설비를 표시한다. 전력 공급자 측 설비들의 관리를 위해서는 IEC 61850(Communication networks and systems for power utility automation ; 전력설비 자동화를 위한 통신 네트워크 및 시스템 표준)이 널리 사용되고 있다. 특히, 전력 공급자 측 설비의 안전을 관리하는 방법은 IEC 61850-90-3(Communication networks and systems for power utility automation-Part 90-3 : Using IEC 61850 for condition monitoring diagnosis and analysis ; 전력설비 자동화를 위한 통신 네트워크 및 시스템 표준 ­ 제90부-3 : 전력설비 상태 감시 및 분석을 위한 IEC 61850 표준 사용)에 제시되어 있다. 그러나 사용자 측 설비는 사용자별로 자체적으로 관리되고 있으며, 사용자 측 전력설비의 안전 요소 등 을 관리하기 위한 표준들은 아직 미흡한 상태이다.
IoT 기술의 확산에 따라, 사용자 영역인 가정, 건물, 공장 등의 설비들을 OCF(Open Connectivity Founda tion) 표준 플랫폼을 활용하여 연결하기 위한 표준 규격 및 오픈소스의 개발이 활발히 진행되고 있으나, 전기설비를 OCF 기반으로 IoT 연결을 제공하는 작업은 아직 초기 단계이다. 현재 OCF 국제표준화기구에서 태양광발전설비를 IoT 기반으로 연결하기 위한 데이터 모델을 개발하였으나, 그외 전기설비에 대한 OCF 데이터 모델은 아직 개발이 진행되고 있지 않다. 태양광발전설비의 OCF 데이터 모델은 IEC 61850 데이터 모델을 참조하여 개발되어 있다.

사용자 측에 도입된 대부분의 전기설비들은 IoT 통신 기능을 제공하지 않고 있으며, Modbus와 같은 통신 프로토콜을 적용하여 설비 간 통신에 활용하고 있다. 따라서, IoT 기능을 지원하지 않는 사용자 측의 전기설비를 OCF 기반의 IoT 환경으로 연결하기 위해서는 Mod bus 데이터 모델을 OCF 데이터 모델로 변환하기 위한 표준화된 방법이 필요하다. 본고에서는 Modbus 데이터 모델을 OCF 데이터 모델로 변환하기 위한 브릿지 기술 표준 현황에 대해 기술한다.
앞에서 기술한 것처럼, 전력설비는 전력 공급자 측 설비와 사용자 측 설비로 구분될 수 있으며, <표 1>과 같이 분류할 수 있다. 본고에서는 사용자 측의 설비 중 고압 또는 분산전원 관련 설비를 대상으로 하며, 분산전원 설비 중 특히 태양광발전설비를 적용 대상으로 한다.

태양광발전설비 운용 시나리오 및 OCF 데이터 모델

여기에서는 분산전원 중 태양광 발전설비의 운용 시나리오를 기술한다. <그림 2>는 태양광 발전설비 구성도를 나타낸 것이다. 그림에 도시된 것처럼, 태양광 패널을 통해 생산된 전력은 생산량 또는 전력 사용 정책 등에 따라 구내 배전망을 통해 전력을 공급하거나, 배터리 시스템에 생산된 전력을 저장 후, 전력부하관리 등의 정책에 맞춰 전력을 공급한다. 태양광 패널에서 생산된 DC 전류는 DC/AC 인버터를 통해 AC로 전환된다. 태양광발전설비와 구내 배전망과의 연결점에는 차단기를 설치하여 이상 발생 시 발전설비를 구내 배전망에서 차단할 수 있도록 한다. 본고에서는 태양광 패널, 배터리 시스템, DC/AC 인버터, 차단기를 태양광발전 디바이스로 한정하고, 이들 디바이스에 대한 OCF 기반의 브리징 방법을 기술한다.
앞에서 기술된 바와 같이, 태양광발전설비의 기본 구성 디바이스는 PV 패널, 배터리 시스템, 인버터, 차단 스위치로 구분될 수 있다. OCF 표준에서는 IEC 61850 -7-420, 7-2, 7-3, 7-4 표준을 참조하여 태양광발전 시스템의 기본 구성 디바이스들의 역할 및 리소스별 기능이 정의되었다. <그림 3>은 IEC 61850-7-420에 정의된 분산전원 중 태양광발전설비의 구성요소를 나타낸 것이다.

<표 2>는 OCF 표준에서 대상으로 하는 태양광발전시스템의 각 구성 디바이스별 역할 및 세부 수행 기능을 나열한 것이다.

상기 디바이스 중 <표 3>은 차단기의 리소스 모델을 나타낸 것이다. 다른 디바이스에 대한 리소스 모델은 O CF 2.0.5 규격에 상세히 제시되어 있다.

Modbus 변환 브릿지 개요

모드버스(Modbus)는 종래의 전기설비를 시리얼 통신케이블로 연결할 때 널리 사용되는 필드버스의 일종으로, 단순한 구조 및 자체적으로 데이터 필드를 정의하여 사용할 수 있는 유연성 덕분에 다양한 전기설비 제조사들이 사용하고 있다. 모드버스가 적용되는 전기설비로는 차단기, 변압기, 배터리, 신재생에너지 설비(태양광 패널, 풍력 터빈 등) 등이 있다. 모드버스를 이용하여 설비의 상태 정보를 수집하여 모니터링을 수행할 수 있다. 모드버스를 통해 지원받을 수 있는 통신 프로토콜로는 시리얼 통신 프로토콜인 RS232/485와 이더넷 프로토콜이 대표적이다. 모드버스는 기본적으로 마스터/슬레이브 방식으로 동작하며, 모드버스 메시지 기반의 단대단 또는 단대다 방식의 비동기 통신 방법을 지원하여 시리얼 인터페이스에서 범용적으로 사용되고 있다.

모드버스의 특징은 다음과 같다.
•시리얼 통신을 지원하며, 마스터/슬레이브 방식의 프로토콜
•ID : 슬레이브의 주소
•요청(Request) / 응답(Response) 방식의    트랜잭션 지원
•유니캐스트 또는 브로드캐스트 방식 지원

<그림 4>는 시리얼 라인의 통신 방식을 사용할 때 모드버스의 프레임을 도시한 것이다. 모드버스 프로토콜을 특정 버스 또는 네트워크에 매핑하면 프로토콜 데이터 유닛에 몇 가지 추가 필드가 도입된다.

모드버스 트랜잭션을 시작한 클라이언트는 모드버스 PDU(Protocol Data Unit)를 작성한 다음, 적절한 통신 PDU를 구성하기 위한 필드를 추가하여 통신할 수 있다.
•시리얼 라인 기반의 모드버스 프레임에서 주소 필드는 모드버스 슬레이브 노드의 주소를 배치하여 슬레이브를 구분한다. 유효한 슬레이브 노드 주소는 0~247 십진수 범위이다. 개별 모드버스 슬레이브 장치에 1~247 범위의 주소가 할당된다. 모드버스 마스터가 모드버스 슬레이브와 통신하기 위해서는 주소 필드에 슬레이브 주소를 삽입하여 슬레이브를 지정한다. <그림 5>는 마스터와 슬레이브 간 통신 모드를 도시한 것이다. 슬레이브가 응답 시 주소 필드에 자신의 주소를 저장하여 모드버스 마스터가 어떤 모드버스 슬레이브로부터 데이터를 수신하였는지 확인할 수 있다. 브로드캐스트 모드로 슬레이브와 통신하는 경우에는 마스터가 슬레이브 주소에 0을 지정하여 송신하게 되며, 브로드캐스트 메시지를 수신한 슬레이브는 마스터에 응답하지 않고, 메시지 내에 포함된 동작을 수행한다.
•기능 코드는 서버가 어떤 종류의 작업을 수행할 것인가를 표시한다. 기능코드 뒤에는 요청 및 응답 과정에서 필요한 파라미터들을 포함하는 데이터 필드가 올 수 있다.
•CRC 필드는 메시지 내용에 대해 오류 체크를 위해 사용되며, 전송 방식의 종류(RTU 또는 ASCII)에 따라, 두 가지의 CRC 계산 알고리즘을 적용한다.

<그림 6>은 모드버스와 OCF 데이터 모델 간 변환 기능을 수행하는 브릿지의 개념도를 나타낸 것이다. 일반적으로 모드버스 장치는 타임스탬프 정보를 지원하지는 않지만, OCF 데이터는 타임스탬프 정보를 필수로 가지고 있다. 따라서, 모드버스 서버로부터 전송된 데이터에 타임스탬프 정보를 추가해 주어야 한다. 모드버스 서버로부터 수신된 정보가 OCF 데이터로 변환될 때 타임스탬프 처리 모듈을 통해 OCF 데이터 모델에서 사용하는 타임스탬프 형식으로 타임스탬프를 생성하여 변환 프로세스로 전달한다. OCF에서 정의된 태양광발전설비는 OCF 서버에서 OCF 클라이언트로 단방향 읽기 동작만을 지원하고 있으므로, 브릿지에서도 모드버스 서버로부터 전송되는 데이터를 OCF 데이터 모델로 변환하여 OCF 클라이언트로 전달하는 단방향 읽기 동작만 지원한다.

브릿지 내 모드버스 클라이언트는 모드버스 마스터 기능을 수행하며, 모드버스 서버는 모드버스 슬레이브 기능을 수행한다. 모드버스 클라이언트는 모드버스 서버로부터 수신된 데이터를 변환 프로세스로 전달한다. 변환 프로세는 모드버스 프레임 내 포함된 데이터를 O CF 데이터 모델 형식으로 변환하여 OCF 서버로 전달한다. 데이터 모델 변환 시 타임스탬프 정보는 별도의 타임스탬프 모듈을 통해 전달받는다. 모드버스 데이터 모델을 변환하기 위해서는 모드버스 데이터 정보가 필요하며, 모드버스 데이터 정보 및 모드버스 서버가 지원하는 서비스는 사용자를 통해 입력받아 모드버스 데이터 모델 DB에 저장된다. 저장된 모드버스 데이터 모델 정보를 기반으로 모드버스 서버에서 전송된 데이터를 본 표준(참고문헌 1~2)에서 정의된 OCF 데이터 모델로 변환한다.

브릿지는 변환 프로세스를 통해 OCF 통신과 모드버스 통신을 분리하며, 다음은 OCF와 모드버스 간의 정보 교환에 필요한 요구사항이다.
•일반적으로 이벤트 주도로 전송되는 런타임 운영 정보(상태 정보, 측정)가 변환 프로세스를 통해 교환된다. 두 네트워크에서의 데이터 검색은 독립적이며, 다른 속도로 수행될 수 있다.
•데이터 모델의 다른 정보(매개 변수, 구성 및 설명 정보, 대체)에 대한 런타임 액세스는 게이트웨이에 의해 직접 전달되어야 하며, 이러한 데이터 모델을 사용하는 서비스도 매핑되어야 한다.
모드버스를 적용하는 장치는 모드버스 데이터 모델을 사용하여 측정 데이터를 저장하고, 다른 장치와 통신 시 사용한다. <그림 7>은 차단기 전기설비의 모드버스 데이터 모델의 예를 나타낸 것이다. 모드버스 데이터 모델은 총 4개의 입출력 가능한 데이터 모델이 있으며, 데이터 모델별 주소 체계를 사용한다. 주소는 데이터 모델별로 일련번호를 부여하는 형식으로 모드버스를 구현하는 측에서 임의로 설정할 수 있다. <표 4>는 모드버스 데이터 모델의 분류표이다.

<표 5>는 차단기의 모드버스 데이터 모델과 본고에서 기술된 OCF 데이터 모델 간의 변환 테이블의 예를 나타낸 것이다. 모드버스를 사용하는 태양광발전설비에 대해서 <표 5>와 같은 변환 테이블을 정의하여 모드버스 데이터 모델과 OCF 데이터 모델 간 변환을 할 수 있다.

결 론

본고는 전력망에서 사용자 측 전기설비 중 IoT 기능을 지원하지 않는 Modbus 기반의 태양광발전설비를 OCF 기반의 IoT 환경으로 연동하기 Modbus/OCF 브릿지 표준 동향에 대해 살펴보았다. 전력 사업자 측 설비에 비해 소규모 사용자 측 설비는 설비의 규모, 비용 등의 이유로 Modbus 기반의 시리얼 통신을 이용한 상태 정보의 단순 수집 수준의 관리 기능이 제공된다. IoT 기술의 확산에 따라, 사용자 영역인 가정, 건물, 공장 등의 설비들을 IoT 기반의 OCF 플랫폼을 활용하여 연결하기 위한 표준 및 오픈소스의 개발이 활발히 진행되고 있으므로, Modbus/OCF 브릿지 기술을 통해 IoT 기능을 지원하지 않는 전기설비를 OCF 기반으로 IoT 연결을 제공하고 관리할 수 있을 것으로 기대된다.

sjjeong@etri.re.kr

참고문헌

1. “OCF Device Specification,” OCF 2.0.5, 2019-09.
2. “OCF Resource Type Specification,” OCF 2.0.5, 20 19-09.
3. “Interfaces for interworking between Modbus-based PV systems and OCF platform,” TTA, 2019-12.
4. Sangjin Jeong, Yoon-Young An, Hyunjoo Kang, Taehyoung Shin, Sung-Hei Kim, “An IoT Stand ards-Based Electrical Equipment Status Monitoring System Supporting Modbus/OCF Bridging,” The Transactions of the Korean Institute of Electrical En gineers, vol. 69, no. 1, pp. 217-224, January 2020.
5. “Communication networks and systems for power utility automation-Part 7-420 : Basic communicat ion structure-Distributed energy resources logical nodes,” IEC 61850-7-420 Edition 1.0, 2009-03.
6. “Communication networks and systems for power utility automation-Part 1 : Introduction and over view,” IEC 61850-1 Edition 2.0, 2013-03.