2.1 IEC 61850 클라이언트 적합성 시험 개요

디지털변전소의 국제표준 IEC 61850 Ed 1.0에서는 변전소를 구성하는 지능형 전자장치와 HMI(Human Machine Interface) 등 상위시스템을 구현하기 위한 데이터 모델과 통신서비스를 정의하고 이를 설계할 수 있는 변전소 구성언어(SCL:Substation Configuration description Language)를 다루고 있다.

Fig. 1. Structure of IEC 61850 Ed 2.0

새롭게 개정된 IEC 61850 Ed 2.0 에서는 변전소를 포함한 전력계통(Power Utility) 전체에 대한 표준의 적용 범위를 확대하여 전력시스템 내 다양한 분야의 연관성을 고려하여 그림 1과 같이 각 영역의 구조를 세분화하고, 엔지니어링의 효과적 시행, 전력계통 전반을 표현할 수 있는 정보모델(Logical Node)의 확대 및 데이터의 객체화, 표준이 적용되는 변전자동화시스템의 구현에 대한 가이드라인을 다루고 있다^(8-12).

IEC 61850의 기본적인 목적은 변전소에서 사용되는 IED와 운영시스템의 상호운용성을 보장하는 데 있으므로, IEC 61850 part 10은 서버로 동작하는 IED와 클라이언트로 동작하는 운영시스템에 대해서 데이터와 통신서비스를 국제표준에 따르는지를 검증할 수 있는 적합성 시험을 명시하고 있다. 특히 본 논문에서 다루고자 하는 클라이언트 적합성 시험은 시험대상 장치에 대한 문서의 버전 검사, 데이터 모델 및 서비스 모델 검사로 이루어져 있으며, 시험절차 제정기관인 UCA IUG(Utility Communication Architect International Users Group)에서는 클라이언트 적합성 시험을 수행할 수 있는 시험절차서를 정의하고 있다⁽¹⁴⁾.

IEC 61850 클라이언트 적합성 검사를 수행하는 목적은 디지털변전소에서 클라이언트 기능을 가지는 변전소 운영을 담당하는 HMI와 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)와 연계를 담당하는 게이트웨이의 규격 호환의 문제점을 사전에 발견하여 변전소 구축과 유지보수과정의 비용과 시간문제를 줄이고자 하는 것이다. 클라이언트 적합성 시험은 기본교환, 제어, 데이터교환을 위한 Report와 데이터셋, 시각동기, 트래킹, 파일서비스 등 약 120여개의 시험항목으로 구성되며 클라이언트 적합성 시험을 실행하기 위한 시험시스템의 구성은 그림 2와 같다.

Fig. 2. Configuration of IEC 61850 Client Conformance Testing System

시험대상이 되는 클라이언트와 IEC 61850 정보를 주고 받게 되는 IED 서버는 네트워크 스위치에 연결되어 IEC 61850 규격에 따라 디지털신호를 교환하게 된다. 이때 그림 2의 통신장치는 클라이언트가 요청하는 통신서비스와 IED 서버가 전송하는 통신 응답을 복사(신호 캡처) 하여 Client 적합성 시험시스템에 전송하게 되고, Client 적합성시험시스템은 입력받은 IEC 61850 통신메시지가 시험절차의 판정기준과 국제규격에 적합한지를 판단하게 된다.

2.2 연구개발 필요성

IEC 61850 Ed 1.0을 지원하고 현재 디지털변전소 현장과 IEC 61850 국제공인시험기관에서 사용하고 있는 디지털변전시스템의 IEC 61850 클라이언트 적합성 시험시스템은 시험절차를 모델링하는 방법이 직렬시험 모델을 사용하기 때문에 순차적 배치만 가능하여 실제 제작사별로 다른 운영장치의 서비스 요청에 능동적으로 대처하지 못하는 제약사항이 있으므로 적합성 시험수행을 완벽하게 자동화지 못하고 부분적으로 수작업으로 진행하고 있다. 또한, 통신트래픽 판정 시에 단일 변수 요청만 확인 가능하여 동시에 여러 개의 데이터변수를 요청하는 서비스에 대해서는 시험분석이 불가능해 시험대상장치의 실제 변전소에 사용하는 기능이 아닌 시험통과를 위해 별도로 구현된 기능으로 시험을 진행해야 하는 한계점과 시험결과를 최종판정하기 위해서는 시험대상인 운영시스템과 시험 툴 간의 정보교환서비스가 시험모델링과 정확히 일치하는지를 시험자가 통신내용을 직접 눈으로 확인해야 하는 불편함도 존재하였다.

따라서, 본 논문에서는 기존 클라이언트 적합성 시험시스템이 가지고 있는 단점으로 인해 시험과정을 자동화할 수 없었던 제약사항을 극복하고, IEC 61850 Ed 2.0 국제표준에서 제시하는 새로운 통신서비스를 이용하여 디지털변전소의 운영시스템에 대한 정보교환서비스를 보다 정확하게 판정하고, 시험자의 인적실수를 최소화함과 동시에 시험시간을 단축할 수 있는 새로운 병렬 시험 모델을 아래와 같이 제시하고 한다. 또한, 이를 기반으로 하는 IEC 61850 클라이언트 적합성 시험자동화시스템을 개발하여 새로운 시험 방법의 효과를 증명하고 디지털변전소 현장에 활용하고자 한다.

2.3 병렬 시험 모델 개발 및 시험시스템 구현

본 논문의 IEC 61850 클라이언트 적합성 시험자동화시스템은 디지털변전소의 운영장치를 시험하기 위한 시험절차 모델링을 순차 또는 병렬 모두를 지원하는 것이 가능하여 시험대상이 되는 운영장치가 내보내는 서비스의 순서와 상관없이 시험이 가능하며, 운영장치가 사용하는 서비스의 입력데이터양도 단수 또는 복수에 상관없이 처리할 수 있고, 운영장치의 통신서비스를 주고받는 IED 서버로부터 IEC 61850 통신메시지를 입력받아 시험의 정확도를 향상하여 적합성 시험을 자동으로 수행할 방법을 사용하고자 한다.

Fig. 3. Implementation example of parallel test model based IEC 61850 Client Conformance Testing System

병렬 시험 모델은 그림 3의 실시 예와 같이 시험대상이 되는 운영장치가 사용하고자 하는 통신서비스를 병렬로 배치할 수 있고 배치된 시험 모델을 AND 또는 OR로 설정하여 시험판정 시 조건 모두를 만족할 것인지 아니면 일부 만족을 하면 성공으로 간주할지를 결정할 수 있으며, 시험 모델의 배치를 설계자의 이동 동작(실례: 컴퓨터 마우스 이동) 때문에 순차 또는 병렬 배치를 결정할 수 있다. 병렬 시험 모델을 기반으로 하는 IEC 61850 클라이언트 적합성 시험장치의 자동화된 시험 방법은 그림 4의 순서도와 같다.

Fig. 4. Flow Chart of parallel test model based IEC 61850 Client Conformance Testing Automation Method

클라이언트 적합성 시험장치는 병렬처리기반 시험절차 모델링에 따라 시험대상인 운영장치의 정보교환을 IED 서버와 실행하게 한다. 이때 시험대상장치가 보내는 정보교환서비스와 이에 대한 IED 서버의 응답에 대한 통신트래픽을 수집하고, 시험장치는 수집된 통신트래픽 중 병렬로 설계된 시험절차 모델링이 기다리는 정보교환서비스 중 한 개라도 인식이 되면 정보교환서비스의 변수 리스트가 단수 또는 복수인지를 구분한다. 변수가 단수이면 단수형 데이터 요청 및 응답확인 과정을 통해 해당 단수변수가 시험절차 모델링이 가지고 있는 데이터와 일치하고 응답이 기대하는 동작과 같은지 확인하고, 변수가 복수이면 복수형 데이터 요청 및 응답확인 과정을 통해 시험대상장치가 요청하는 변수 중 시험절차 모델링이 가지고 있는 데이터와 일치하는지 확인하고 각 변수에 대한 시험장치의 응답이 기대하는 동작과 같은지를 확인한다. 병렬 시험 모델이 모두 만족할 때까지 위의 과정은 반복되며 통신트래픽을 통해 분석한 내용이 시험절차 모델링의 판정조건에 따라 성공과 실패로 결정되면 시험을 종료하게 된다.

2.4 사례적용 및 분석

2.3절에서 설명한 병렬 시험 모델과 이를 기반으로 하는 IEC 61850 클라이언트 적합성 시험시스템이 현재 사용하고 있는 시험시스템과 비교하여 개선된 내용을 검증하고 새로운 방법의 활용 가능성을 검증하기 위하여 그림 5의 IEC 61850 클라이언트 적합성 시험절차서 중 하나인 cRp1을 가지고 사례적용 및 분석을 수행하였다. cRp1은 디지털변전소의 운영장치가 IED로부터 계측과 상태데이터를 받기 위한 URCB (UnBuffered Report Control Block) 정보모델의 리스트를 가지고 오기 위한 IEC 61850 통신서비스인 GetLogicalnodeDirectory (URCB)를 확인하는 시험이다⁽¹⁴⁾.

Fig. 5. cRp1 test case of UCA IUG

일반적으로, 디지털변전소의 IED는 물리적으로는 1개의 장치이지만 IEC 61850으로 내부의 기능을 표현하기 위해 다수의 가상장치(Logical Device)로 구성된 정보모델을 가지고 있으며, 운영장치는 각각의 가상장치에 대해 GetLogicalnodeDirectory(URCB)를 요청하고 사용자가 개입을 안하는 부분이기 때문에 가상장치에 대한 요청순서는 제작사별로 다른 특징을 가지고 있다. 시험시스템의 구성은 그림 2와 같으며, 시험대상이 되는 클라이언트는 그림 6과 같이 국내 디지털변전소 현장에서 IED의 IEC 61850 기능과 설정 내용을 시험하기 위해 사용되는 KEPCO IED Explorer(이하 KIE)을 사용하였다. KIE의 IEC 61850 적합성 시험을 진행하는 클라이언트 적합성 시험시스템은 현재 사용하고 있는 시험시스템(1세대)과 본 논문에서 설계한 병렬 시험 모델을 지원하는 시험자동화시스템(2세대)을 동시에 네트워크에 연결하여 cRp1 시험에 대한 진행결과를 비교하였다.

Fig. 6. KIE as DUT (Device Under Test)

KIE가 클라이언트 적합성 시험을 위해 연결된 IED 서버는 계측, 보호, 제어, 알람으로 구분된 4개의 가상장치를 가지고 있으며 각 가상장치에 대한 GetLogicalnodeDirectory(URCB) 순서는 임의로 설정하였으며, cRp1에 대한 KIE와 가상 IED의 통신트래픽을 그림 7과 같이 네트워크 패킷 분석장치(Wireshark)를 이용하여 분석한 결과 모든 IEC 61850 서비스의 요청과 응답이 정상적으로 진행되었음을 확인하였다.

Fig. 7. IEC 61850 traffic between KIE and IED Server on cRp1

Fig. 8. Comparative analysis between old version and new version of IEC 61850 client conformance testing system

그림 8은 cRp1 시험에 대한 현재 사용하고 클라이언트 적합성 시험시스템과 본 논문의 병렬 시험 모델을 적용한 클라이언트 적합성 시험시스템의 시험 진행결과를 보여준다.

직렬 시험 모델로 구현(①)한 기존 1세대 시험시스템은 KIE가 직렬 시험 모델의 구현순서와 달리 GetLogicalnodeDirectory(URCB)를 가상장치에 요청을 하면 그림 8과 같이 시험 중간 진행이 멈추어(③) 시험판정이 불가능했다. 반면, 병렬 시험 모델로 구현(②)한 본 논문의 2세대 클라이언트 적합성 시험시스템은 KIE의 가상장치에 대한 GetLogicalnodeDirectory(URCB) 요청순서와 상관없이 그림 7의 모든 IEC 61850 통신서비스를 처리하여 cRp1의 시험을 정상적으로 수행(④)하는 것으로 확인되었다. 따라서 이와 같은 사례분석을 통해 클라이언트 적합성 시험시스템이 병렬모델을 적용하는 경우에는 제작사별로 다른 IEC 61850 구현기능을 자유롭게 시험이 가능하다는 것을 입증하였다.