[Corporation] IEC 61850

에이블·2022년 3월 23일
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본 Velog는 국가표준번호 KS C IEC61850-1

전력 유틸리티 자동화를 위한 통신 네트워크 및 시스템 — 제1부: 개요 및 총론

의 내용을 따릅니다.

현재 전력관련 회사를 다니고 있는데 지역 변전소와 중앙의 통신을 위해
표준 프로토콜을 이용한 기술이 필요하여

프로젝트 진행 전 정리하고
진행하며 추가적인 내용을 작성할 예정입니다.

✅ 용어, 정의 및 약어

  1. 추상 통신 서비스 인터페이스(Abstract Communication Service Interface, ACSI)
    추상 통신 서비스를 지원하는 IED의 가상 인터페이스
    접속, 가변 접근, 자발 데이터 전송, 장치 제어 및 파일 전송 서비스이며 실제 통신 스택이나 사용된 프로파일에 무관하다.

  2. 베이(Bay)
    변전소의 일부분으로 공통적인 기능을 가지고 다른 부분과 긴밀히 연결되어 변전소를 구성

  3. 장치(Device)
    차단기, 계전기, 변전소 컴퓨터 등과 같이 요구에 부합하는 기능을 수행하도록 설계된 메커니즘이나 장비

  4. 지능형 전자장치(Intelligent Electronic Device, IED)
    전자식 다기능 계측기, 디지털 계전기, 제어기와 같이 외부 소스와 데이터 또는 제어를 송 수신하는 기능을 가진 여러 프로세서를 가진 장치

  5. 논리 노드(Logical Node, LN)
    데이터를 교환하는 기능의 가장 작은 부분
    데이터와 메소드로 정의된 객체(Object)

  6. 논리 장치(Logical Device, LD)
    연관된 논리 노드의 집합체로 존재하는 가상장치

  7. 프로세스 버스(Process Bus)
    프로세스 버스는 일차장비 레벨에서 IED가 다른 IED와 연결된 통신 네트워크이다.

  8. 스테이션 버스(Station Bus)
    베이 레벨의 IED간의 연결, 스테이션 레벨의 IED 간의 연결 및 베이 레벨 IED와 스테이션 레벨 IED를 연결하는 통신 네트워크

  9. 특정 통신 서비스 매핑(Specific Communication Service Mapping, SCSM)
    ACSI 서비스와 객체를 특정 프로토콜 스택/통신 프로파일로 매핑하는 구체적인 표준화된 절차

표준의 목적

전력 유틸리티 자동화 시스템 구축의 가능성은 현재 유용한 빠르고 강력한 마이크로프로세서에 의한 고밀도 집적회로의 기술개발에 달려있다.

그 결과 기존 변전소의 2차 시스템(감시 및 제어 시스템)은 전기 기계식에서 디지털 장치로 진화하였다.

이에 따라 지능형 전자장치(IED)를 사용하여 필요한 기능(보호, 원격 감시 제어 등)을 수행할 수 있는 전력 유틸리티 자동화를 구축할 수 있는 방법이 제공되었다.

결과적으로 IED간의 효율적인 통신 즉, 표준 프로토콜에 대한 필요성이 대두 되었다.

지금까지는 각 제조사가 개발한 전용 프로토콜을 사용해왔기 때문에 현장에 설치된 다른 제조사의 IED를 사용해야 할 경우에는 복잡하고 비싼 프로토콜 변환장치를 사용해야 한다.

이러한 상황에 대해 제조사가 서로 다른 IED 간에 상호 운용성을 제공할 수 있도록 표준화된 의미, 다른 프로토콜과 매핑할 수 있는 추상통신서비스, 다른 제조사의 IED와 상호운용성을 지원할 수 있는 구성 기술 및 엔지니어링 프로세스의 개발 필요성을 계속해서 제기해 왔다.

상호운용성은 동일 네트워크나 통신 경로를 통해 정보를 공유하고 명령을 수행할 수 있는 기능을 의미한다. 상호 운용성은 전력회사와 장비 공급자를 비롯해 표준화 단체들의 공통적인 목표이다.

전력 유틸리티 자동화 시스템 표준화의 목적은 미래의 기술 발전을 도모하면서 기능과 성능 요구조건을 만족하는 통신표준을 개발하는 것이다.

통신 표준은 변전소나 전력망에 분산된 플랜트의 운용 기능을 지원해야 한다. 어플리케이션 기능은 통신 요구사항을 정의하기 위해 구별하고 설명해야 한다. 프로토콜은 가급적 최대한 기존 표준과 통신 및 엔지니어링 원칙을 활용해야 한다.

📋 IEC 61850 표준이 보장해야 하는 특징

  • 완전한 통신 프로파일은 기존의 IEC, IEEE, ISO, OSI 통신 표준이 있다면 그것을 기반으로 한다.
  • 사용된 프로토콜은 공개되어야 하며 자체 설명장치를 지원한다. 따라서 기능을 새로 추가하는 것이 가능해진다.
  • 표준은 전력 산업의 요구와 관련된 데이터 객체를 기반으로 한다.
  • 통신 구문(Syntax)와 의미(Semantics)는 전력 시스템과 관련된 공통 데이터 객체의 사용을 기반으로 한다.
  • 통신 서비스는 최신 기술을 사용한 프로토콜과 매핑 될 수 있어야 한다.
  • 통신 표준은 변전소가 전력망의 1개 노드에 속해 있는 변전소 즉, 전력 유틸리티 자동화 시스템이 전체 전력 제어 시스템을 구성하는 1개의 구성요소로 본다.
  • 전력 시스템의 전체 구조(단선도), 발전/소비된 정보, 모든 IED간의 정보 흐름은 읽기 가능한 언어를 사용하여 규정한다.

표준화 접근법

IEC 61850 시리즈의 접근은 다음의 3가지 방법들의 장점을 적절히 섞는 것이다.

  • 기능 분해(function decomposition)
  • 데이터 흐름 모델링(data flow modeling)
  • 정보 모델링(information modeling)

기능 분해는 분산되어 있는 기능 요소들 사이의 논리적 관계를 이해하기 위한 것으로 기능과 부속 기능을 비롯해 기능 인터페이스를 설명하는 논리 노드로 나타낸다.

데이터 흐름은 분산되어 있는 기능 요소들과 기능적 성능 요구사항 간의 정보 교환을 지원해야 하는 통신 인터페이스를 이해하는 데 사용한다.

정모 모델링은 교환되는 정보의 추상 구문과 의미를 정의하기 위한 것으로 데이터 객체 클래스와 타입, 속성, 추상 객체 메소드(서비스) 및 이들 간의 관계로 나타낸다.

기능과 통신 인터페이스의 표현

IEC 61850 표준의 목적은 여러 제조사에서 공급한 IED들이 서로 상호 운용성을 가질 수 있도록 하기 위한 프레임워크를 제공하는 것이다.

장치들에 기능을 배치하는 것과 제어 수준은 고정되지 않는다.
일반적으로 배치는 유용성 요건, 성능 요건, 비용 제약, 최신 기술, 전력회사의 운용규정 등에 따라 달라진다. 따라서 해댱 표준은 어떠한 기능 배치에 대해서도 지원이 가능해야 한다.

IED에 기능 배치가 자유롭게 되기 위해서는 서로 다른 업체에서 공급한 장치로 전력 유틸리티에서 수행되는 기능의 상호 운용성을 제공해야 한다.

기능은 서로 통신은 하지만 서로 다른 IED에서 수행하는 부분으로 분할 할 수 있다.

따라서 논리 노드(LN)라고 하는 모듈의 통신 특성은 IED가 필요한 상호운용성을 지원해야 한다.

전력 유틸리티 자동화 시스템의기능(어플리케이션 기능)은 제어, 감독 뿐만 아니라 주요 장치와 전력망의 보호와 감시에 관한 것이다.

기타 기능들은 통신 감시와 같은 시스템 자체에 관한 것이다.

기능은 3개 레벨에 구분할 수 있다.

  • 스테이션 레벨
  • 베이 레벨
  • 프로세스 레벨

전력 유틸리티 자동화 시스템의 장치는 서로 다른 기능 레벨에 물리적으로 설치할 수 있다.

프로세스 레벨 장치는 일반적인 원격 입출력, 지능형 센서 및 액츄에이터 들이다.

베이 레벨 장치는 각 베이의 제어, 보호 또는 감시 장치를 포함한다.

스테이션 레벨 장치는 데이터베이스, 운영자의 작업장, 원격 통신 인터페이스를 갖춘 스테이션 컴퓨터를 포함한다.

상호 운용성의 표준화 목표를 달성하기 위해서는 전력 유틸리티 자동화 시스템 내의 공통적인 기능들을 식별하고 논리 노드로 분할 하는 것이다.

논리 노드는 다른 장치나 다른 레벨에 위치 할 수 있다.
기능이 다른 물리장치에 위치한 2개 이상의 논리 노드에서 수행되는 경우 "분산되었다"라고 말한다.

모든 기능들은 어떠한 방식으로든 통신을 하기 때문에 로컬 기능 또는 분산기능의 정의는 불분명하지는 않지만 기능이 종료될 때 까지 수행되는 기능 단계의 정의에 따라 달라진다.

분산기능의 구현에 있어서 논리 노드나 내장된 통신회선의 고장에 적절한 대처가 이루어져야 한다. 필요한 경우 기능을 완벽히 차단하거나 시스템을 축소 구성하여 운전을 지속할 수 있도록 해야 한다.

통신 서비스

IEC 61850 표준은 전력 유틸리티 자동화 시스템의 구성요소 간의 정보를 호환 가능한 교환이 허용되도록 추상 통신 서비스(추상 통신 서비스 인터페이스, ACSI)를 표준화 하였다.

IEC 61850 표준은 3가지 타입의 통신모델을 제공한다.

    1. 클라이언트 - 서버 형태의 통신 서비스 모델
    1. Publisher - Subscriber 모델 기반의 빠르고 신뢰성 있는 시스템 단위의 데이터 분배. 다음의용도로 2개의 control 클래스를 정의
    • GOOSE : 아날로그, 디지털 멀티캐스트
    • GSSE : 멀티캐스트로 디지털 데이터 교환
    1. 멀티캐스트 계측 값에 대한 샘플값 모델(Sample Value)

통신 서비스 항목

  • 장치의 자체 설명의 검색
  • 상태 정보의 peer to peer 교환
  • 데이터(데이터 속성) 집합의 리포팅, SoE(Sequence of Event)
  • 데이터(데이터 속성) 집합의 로깅과 검색
  • 대체
  • 파라미터 세팅그룹의 처리와 설정
  • 센서로부터 샘플값의 전송
  • 시각 동기
  • 파일 전송
  • 제어장치(operate 서비스)
  • 온라인 구성

IEC 61850 SCL 언어

시스템 엔지니어링은 보통 시스템이 물리적으로 사용 가능하기 전에 착수한다.

최근 IED는 다수의 다양한 작업에 적용 할 수 있다.
그러나 각각의 장치에 포함된 기능을 인스턴스화하여 사용하도록 정의된 동일 장치에 대해 여러 기능을 수행할 수 있지만 모든 가능한 작업이 동시에 병렬로 실행할 수 있다는 것을 의미하지는 않는다.

따라서 장치가 자체 설명이 가능하더라도 IED 자체가 유용하고 엔지니어링되기 전에 장치 기능에 대한 시스템 파라미터 세부 구성이 표준 방식으로 이용 가능해야 한다.

서로 다른 제조사의 툴 간에 장치설명과 시스템 파라미터가 호환성을 가지고 교환될 수 있도록 표준을 정의하고 있다.

  • 시스템 기능 명세
  • IED 기능 설명
  • 전력 유틸리티 자동화 시스템 설명

이 언어는 시스템 설계의 표준화된 지원, 통신 엔지니어링, 설치 단계에서 장치 엔지니어링 툴의 시스템 통신 설명을 제공한다.

SCL 언어 자체는 XML을 기반으로 한다.
SCL 구성파일을 통해 전체 범위에서 언어는 전력 유틸리티 자동화 시스템의 객체 지향 모델을 설명하고 다음의 내용을 포함한다.

  • 주요 전력 시스템 구조: 사용된 전력설비의 기능과 설비간의 연결방법
  • 통신 시스템 : 서브 네트워크와 네트워크에 IED를 연결하는 방법. 통신 접근점 관점에서 전송하는 데이터를 집합으로 그룹화하는 방법. IED에서 전송을 트리거하는 방법. 다른 IED로 부터 필요한 데이터를 선택, 입력하는 서비스
  • 각 IED : IED에 구성된 논리장치, 각 논리장치에 속한 논리 노드 클래스와 타입, 리포트와 해당 데이터 내용, 접속, 로깅할 데이터
  • 논리 노드(LN) 타입 정의 : 사용자 정의 데이터 추가

SCL은 인스턴스시킨 논리 노드와 이러한 논리 노드를 호스팅한 IED 그리고 개폐소(기능) 사이의 관계를 설명하였다.

IED

표준에 따라 IED는 IEC 61850 시리즈에서 호환 가능하도록 고려해야 한다. 이를 위해 다음 사항을 동반해야 한다.

  • 장치의 기능을 설명하는 SCL 파일
  • 프로젝트 특정 구성과 기능을 설명하는 SCL 파일
  • 해당 SCL 파일을 생성할 수 있는 툴

IED에서는 가능한 설정, 통신 구성을 설명하는 시스템 구성파일을 직접 사용할 수 있어야 한다. 또한 IED에서 이러한 파라미터를 설정하는 시스템 SCL 파일을 불러오기 할 수 있는 기능을 가져야 한다.

IED 구성기(ICT, IED Configurator)는 제조사 전용이거나 특정 IED에 전용일 수 있으며 IEC 61850 표준에서 정의한 파일을 불러오기 하거나 내보내기 할 수 있는 툴이다.

이 툴은 IED를 설정하는데 사용하고 IED 전용 구성파일을 생성하거나 IED로 이러한 구성파일을 로딩할 수 있다.

시스템 구성기(SCT, System Configurator)는 IEC 61850 표준에서 정의한 파일을 불러오기 하거나 내보내기 할 수 있는 시스템 레벨의 툴로서 어떤 IED로부터 구성파일을 불러오기 하거나 다른 IED와 공유된 시스템 정보를 추가하기 위해 구성 엔지니어가 사용할 수 있다.

시스템 구성기는 표준에서 정의한 변전소 단위의 구성파일(SCL)을 생성할수 있고 시스템 관련 IED 구성에 대해 IED 구성기로 보낼 수도 있다.

또한 시스템 구성기는 시스템 엔지니어링을 시작하기 위한 기본으로 시스템 명세파일을 읽을 수 있어야 하며 동일한 변전소에 대해 엔지니어링된 시스템을 비교할 수 있어야 한다.

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