[Corporation] IEC 61850(2)

에이블·2022년 3월 25일
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IEC 61850 네트워크 엔지니어링

기본 통신 구조

IEC 61850에서 기본이 되는 통신 환경은 Ethernet 기반의 BUS 구조를 지향하고 있다.

(Ethernet이란?)

이는 기존 전력자동화 분야의 serial 기반 1:1 통신 구조에서 BUS 구조를 통하여 단말간의 다대 다 통신이 가능하도록 하고 있으며, 빠른 속도와 함께 데이터의 안정성과 신뢰성을 높이는 구조이다.

다음은 ABB에서 제시하는 IEC 61850 기반 변전소 자동화 시스템의 통신 구조를 나타내고 있다.

IEC 61850 기반 변전소 자동화 시스템은 3개 구조를 이루고 있다.

  • station level
  • bay level
  • process level

Station level : 시스템의 중앙 서버 역할 부분
Bay level : 변전소에 있는 보호기기들의 부분
process level : 계측 설비들의 부분

이 구조는 변전소 내 설비들의 설치 구조가 아니라 통신만을 고려한
통신 계층 구조를 나타내고 있다.

protocol

IEC 61850에서 사용하는 통신 방식인 MMS, GOOSE, Sampled Value 들은 변전소 환경에 적합한 통신방식 및 데이터 모델링 등을 통합하여 IEC 61850 이라는 표준안을 제시한 것이라고 할 수 있다.

즉, 변전소라는 근거리의 한정된 제약적인 구조를 대상으로 통신에 대한 신뢰성이 확보된 가정 하에 사용되는 통신 프로토콜과 데이터 모델을 표준화 한것이다.

데이터 모델링

IEC 61850은 CDC(Common Data Class)라는 개념을 통해 모든 데이터를 객체지향 형태로 구성하고 해당 이름 짓는 방법까지 제공하고 있다.

IEC 61850에서 데이터들의 추가에 있어서 user 정의를 가능하도록 방법을 제시하고 있어 배전에 필요한 요소들을 logical device/node와 시켜야 한다.

모든 기능은 하나 이상의 물리 장치에 존재하는 LN으로 분리되는데, 각장치는 자신의이름 정보(nameplate information) 또는 자신을 관리감독한 결과를 담고 있는 'LN0'로 알려져 있는 LN이 반드시 필요하다.

이러한 LN들은 전용으로 데이터를 교환하기 위해 LC(Logical Connection)으로 연결되어 있다. LN은 기능(F)과 물리 장치(PD : physical devices)에할당되느데,장치들은 PC(physical connection)로 연결된다.

  • 물리장치 안에 논리장치로 분해
  • 논리장치 안에 논리 노드, 데이터 객체 및 데이터 속성으로 분해

"논리장치" 는 물리장치 즉 IED에서 지원하는 기능을 수행하는 첫 번째 레벨이다. 1개의 논리장치를 여러 IED에 분배할 수 없는 것을 제외하고는 물리장치에서 논리장치를 배치하는 방법은 표준에서 특정한 규칙은 없다.

주로 1개의 IED에서 관장한다. 논리장치는 주로 일반적인 자동화, 보호, 기타 기능 그룹을 표현한다.

논리장치는 IED의 통신 접근점과 관련 통신 서비스를 관장한다.
물리장치에서 여러 논리장치는 각각 개별적인 작업모드와 특성을 가질수 있다.

논리장치는 호스트로 사용하는 물리장치에 관한 정보 또는 논리장치가 제어하는 외부장치에 관한 정보를 제공한다.

여러 논리 노드 들로 앞에서 정의한 논리장치를 구성한다.
논리장치에 포함된 논리노드 들은 논리장치에 포함된 다른 논리 노드와 다른 작업모드를 가질 수 있다. 각각의 LN은 전체 논리장치에 관계없이 다른 속성을 가질 수 있다.

CDC

LN에 포함되는 Data는 LN을 정의하기 위해 여러 가지의 데이터 모델을 정의하였는데, 데이터 속성 정의시 공통된 속성으로 정의하기위해 CDC 모델로 구분하였고 핵심 그룹을 7가지로 나뉘어 아래와 같이 정의한다.

  • Status Information(상태 정보)
  • Measurand Information (측정된 정보)
  • Controllable Status (제어 가능한 상태 정보)
  • Controllable Analog (제어 가능한 아날로그 정보)
  • Status Settings(상태 세팅)
  • Analog Settings(아날로그 세팅)
  • Descriptive Information(설명 정보)

DA(Data Attribute)

DA는 데이터의 값이나 세부 속석으로서 약 120개 정도로 분류되고 여러 종류의 데이터 타입과 값을 가지고 있다.

물리장치와 논리장치의 이름을 사용자가 임의로 정할 수 있으나,
LN, Data, DA의 이름은 표준화되어 있다.

통신 방식과 특징

IEC 61850에서 사용되는 통신방식(프로토콜)은 크게 3가지로 볼수 있다.

MMS
IEC 61850에서 대부분의 service를 제공해주는 통신방식이다.
SCADA, OPC 서버 또는 게이트웨이와 같은 MMS 클라이언트가 모든 IED 객체에 수직적으로 액세스하는 것을 허용한다.

일부 프로세스 버스 IED는 MMS를 지원하지 않지만 이 트래픽은 스테이션 버스와 프로세스버스 모두에 전송한다.

이 방법은 IP 기반으로 TCP/IP stack을 따르고 있다.
네트워크 계층에서 클라이언트 - 서버(유니캐스트) 프로토콜 동작이다.
즉, IP 주소를 가지고 동작하며 라우터를 거친다.

데이터의 안정성과 신뢰성을 확보하는 방식으로
OSI 7 Layer 중에 4개의 Layer들(Transport, Network, Link, Physical)을 통한 일반적인 통신 방식이다. 데이터의 전송 후 확인과정까지 거치기 때문에 2개의 Layer만 거치는 GOOSE 보다 속도가 느리다.

따라서 IEC 61850에서 MMS는 일반적인 정보 수집, 파일 전송 및 평상시 제어 명령에 사용하고 있다.

GOOSE
GOOSE는 IEC 61850에서 event 처리나 trip 명령과 같은 빠른 데이터 전송이 필요할 때 사용하는 통신방식이다.

베이 간에 수평으로 데이터를 교환하거나 베이와 프로세스 버스 간에 수직 데이터 교환을 허용하며, 특히 상태 정보 신호와 트립 신호, 종종 인터록 신호에 사용된다.

Publisher/Subscriber 구성을 원칙으로 동작하고
통상적으로 스테이션 버스와 프로세스 버스 간에 전송된다.

MMS와는 달리 빠른 속도를위해 TCP/IP의 OSI 7 layer에서 2계층(Link, Physical)만 이용하여 빠른 속도로 전달되지만 데이터 유실 가능성도 존재하는 통신 방식이다. Link Layer에서 동작하기 때문에 LAN을 벗어나지 않으며 라우터를 통과할 수 없다.

하지만 데이터 유실에 대비하여 한번만 보내는 것이 아니라 여러 번 message를 보낸다.

IEC 61850 기반의 변전소 자동화 시스템에서는 공간 제약적인 통신 환경을 갖추고 있기 때문에 활용이 가능한 방식으로도 볼 수 있으며, 각 IEC 61850 기반의 디지털 변전소 환경에 따라 요구 속도를 다양한 기준으로 정하고 있다.

Sampled Value
Sampled Value는 IEC 61850에서 CT나 PT가 설치되어 있는 계측 지점의 Merging Unit을 통하여 데이터(전압, 전류 신호)를 IED로 전송할 때 사용하는 통신 방식이다.

통상적으로 프로세스 버스 간에 흐르나 모선 보호나 페이서 측정과 같은 스테이션 버스 상에서도 전송될 수 있다.

Process level에서 M.U를 통해 계측된 값들을 Bay level의 IED에 전송되는데, 이 과정에서 real-time의 특징을 가지기 위해 60Hz 16샘플링 기준 정확하게 960개/초의 데이터가 전달되어야 한다.

SV는 주기적으로 정보를 보내고 GOOSE는 이벤트 발생시 정보를 보낸다
MMS도 event driven 방식이다.

스테이션 버스와 프로세스 버스

2개의 주요 인터페이스는 스테이션 버스와 프로세스 버스이다.
Station Bus
전체 변전소를 상호 연결하고 중앙 관리 장치와 개별 베이 간의 연결성을 제공한다. 또한 베이 안의 보호 및 제어 장치, 서로 다른 베이 및 SCADA 또는 그리드 제어 게이트웨이가 있는 베이를 연결한다.

스테이션 버스는 최대 수백 개의 IED를 연결한다. 대규모 네트워크에서 스테이션 버스는 단편화되지만 단편화된 모든 스테이션 버스는 스테이션 레벨에서 함께 모인다. 수평적 접속 유무에 관계없이 보통 전압 레벨별로 1개씩 물리적으로 구분된여러 스테이션 버스를 사용한다.

스테이션 버스는 일반적으로 GOOSE(계층 2 멀티캐스트) 트래픽과 TCP/UDP(유니캐스트) 트래픽(MMS, SNTP 등)은 물론 비디오 감시와 같은 IEC 61850이 아닌 트래픽을 전달한다.

스테이션 버스는 일반적으로 가벼운 실시간 품질 서비스만 제공한다.

스테이션 버스는 또한 SV 트래픽(계층 2 멀티캐스트)을 전달할 수 있다.
이 경우, 모선 보호를위해 프로세스 버스와 동일한 서비스 품질을 제공한다.
따라서 스테이션 버스르 2개의 네트워크, 즉 하나는 SV 트래픽 전용 다른 하나는 가벼운 실시간 트래픽 전용으로 분리하는 것이 좋다.

프로세스 버스
프로세스 버스는 1차 계측 및 제어 장비를 IED에 연결한다.
일반적으로 베이로 제한된다. 특히 모선 보호 및 차동 보호와 같은 어플리케이션에서는 여러 베이에 걸쳐 있다.

일반적으로 SV(멀티캐스트), GOOSE(멀티캐스트) 트래픽을 전달한다.

프로세스 버스는 엄격한 실시간 서비스 품질을 제공할 것으로 기대된다.
즉, 전송은 최악의 경우의 전송시간을 보장한다.

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