박경순
(Kyung-Soon Park)
1iD
최승호
(Seung-Ho Choi)
†iD
-
(Dept. of Railway Safety Engineering, Graduate School of Railway, Seoul National University
of Science and Technology, Republic of Korea. E-mail : kspark497@gmail.com)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers
Key Words
IEC 61850, Railway Power System, Communication Protocols, OMNET++/INET, Critical Transmitting Speed
1. 서 론
SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition) 시스템은 전력 시스템의 일부로, 통신·전자 제어·정보 기술의
최첨단을 통합하여 운영 감시, 제어, 지능화, 연결성을 향상시키기 위한 시스템을 말한다. “스마트” 시스템을 구현하기 위해 계측, 모니터링, 보호,
제어 분야에서 다양한 자동화 기술과 접근 방식이 시도되어 왔다. 변전소 자동화 시스템의 SCADA는 스위치, 모선 전압, 부하, 순환전류, 과부하,
변압기 고장, 모선 고장 등을 제어한다.
SCADA 시스템은 변전소 장비의 상태를 지속적으로 감시하고, 원격 제어 장치로 제어 데이터를 전송한다. SCADA는 장비의 모니터링 데이터를 반복적으로
수집하며, 장비의 오류·고장·사고가 발생하면 경보를 발생시킨다.
Fig.1은 변전소용 SCADA 시스템을 나타낸 것이다. 다양한 입·출력 장치는 변전소를 구성하는 스위치, 차단기, 커패시터, 배터리, 전류·전압
측정 장치 등에 연결된다 [1-3]. RTU(Remote Terminal Unit)는 I/O 장치에서 데이터를 수집하여 관제 센터로 전송한다. 그 역할과 구조 측면에서 SCADA 시스템은
IoT(사물인터넷) 시스템의 한 유형으로 볼 수 있다. SCADA 시스템은 역할과 아키텍처 모두에서 IoT 시스템과 핵심적인 특성을 공유한다.
그림 1. SCADA 구성
Fig. 1. SCADA Architecture
IoT(Internet of Things, 사물인터넷)는 최근 몇 년간 모든 분야에서 많은 관심을 받아왔다. IoT란 일상생활의 물리적 객체(예:
센서, 액추에이터, 가전제품 등) 가 인터넷에 연결되어 지능적으로 통신할 수 있는 패러다임을 의미한다. 오늘날 IoT 환경은 다양한 이종(heterogeneous)
장치들이 다수 존재하며, 이러한 장치들은 자원이 제한적(resource-constrained)인 경우가 많다. 이들은 특정 IoT 응용을 구현하기
위해 관심 지역에 대규모로 배치되는 특징이 있다. 또한, IoT 네트워크는 광범위한 IoT 응용을 지원하기 위해 다양한 프로토콜이 개발·표준화되었다.
IoT 시스템 구현에 반드시 필요한 것은 네트워크 시스템이며, 이 네트워크를 통하여 다양한 기기들의 정보를 주고받는다. 이러한 네트워크는 통신 기술,
소프트웨어 등을 활용하며, 데이터를 실시간으로 수집, 분석, 제어할 수 있도록 한다.
사물인터넷(Internet of Things, IoT)은 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition) 시스템의
운영 효율성과 의사결정 능력을 향상시키는 핵심 요소로 작용한다. 전통적인 SCADA 시스템은 발전소, 변전소, 제조 공정, 철도 전력 시스템 등 다양한
산업 분야에서 중앙집중식 모니터링과 제어 기능을 제공하며, 실시간 데이터 수집과 상태 시각화를 통해 안정적인 운영을 가능하게 해왔다. 그러나 기존
SCADA 환경은 주로 폐쇄형 네트워크와 제한된 프로토콜에 의존하여 확장성, 연결성, 데이터 분석 능력 측면에서 한계를 지니고 있었다.
사물인터넷(IoT)과 산업용 사물인터넷(IIoT)의 발전은 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운 패러다임을 제시한다. IoT/IIoT 기술은 다양한
센서, 엑추에이터, 지능형 장치가 인터넷을 통해 실시간으로 데이터를 교환하고 협업할 수 있는 환경을 제공한다. 이를 SCADA 시스템과 결합하면 다음과
같은 장점이 발생한다 [4].
확장된 연결성(Enhanced Connectivity), 원격지 및 분산된 설비까지 네트워크 확장이 용이, 무선 통신, LPWAN, 5G 등 다양한
IoT 통신 기술 활용 가능, 운용 효율성 향상(Improved Operational Efficiency), 실시간 빅데이터 수집·분석을 통한 예측
유지보수(Predictive Maintenance) 구현, 장애 대응 시간 단축 및 에너지 효율 최적화, 시스템 확장성(Scalability), 장치
추가·삭제가 용이하며, 대규모 네트워크 관리 가능. 다양한 산업 표준 및 프로토콜(DNP3, IEC61850 등) 과의 호환성 강화, 지능형 의사결정
지원(Intelligent Decision Making), AI/머신러닝 분석과 결합하여 이상 탐지, 부하 예측, 최적 제어 가능하다[5].
따라서 SCADA와 IoT/IIoT의 융합은 단순한 기술 결합이 아니라, 산업 자동화 전반의 지능화(Intelligence)와 디지털 전환(Digital
Transformation)을 가속화하는 핵심이다 [4][5].
본 논문에서는 철도 SCADA 시스템에 IEC61850을 도입하기 위한 네트워크 구조에 대해서 고려하여 보았다. 논문은 5장으로 구성되어 있으며,
2장에서는 SCADA 시스템과 네트워크, 3장은 네트워크 및 통신 4장에서는 Omnet을 이용한 시뮬레이션, 5장에서는 결론으로 구성되어 있다.
2. 철도 전력 시스템용 SCADA
2.1 철도 변전소 SCADA 시스템
철도 SCADA 시스템은 중앙집중식 제어 플랫폼으로, 다양한 철도 하위 시스템을 모니터링하고 관리하여 효율성, 안전성, 운영 신뢰성을 보장한다. 이
시스템은 데이터 수집, 처리, 감시 제어를 위한 하드웨어와 소프트웨어를 통합하여 실시간 모니터링, 중앙 제어, 향상된 안전 기능을 구현한다.
철도 시스템은 인간, 기계, 전기, 통신 인프라를 포함한 다양한 구성 요소가 결합된 대규모·복합 네트워크이며, 모든 구성 요소가 신뢰성 있게 동시에
운용되어야 한다. 이 중 어느 한 영역(예를 들어 선로 결함, 가선(catenary) 문제, 열차 제어 장치 손상, 전력 공급 장애)에 문제가 발생하면
전체 철도 네트워크에 영향을 미친다. 특히 전력 공급 설비에서의 작은 결함도 심각한 서비스 중단으로 확산될 수 있으며, 이는 인명 안전 위협뿐 아니라
장시간 운행 중단, 막대한 복구 비용 등 수백만 원~수억 원 규모의 경제적 손실로 이어질 수 있다.
교류(AC) 철도 전력 공급 시스템은 산업 전력망과 몇 가지 면에서 다르며, 특히 단상(single-phase) 구조를 가진다. 한국의 표준 가선
전압은 25kV 단상이며, 이는 삼상 고전압 송전망에서 변전소를 거쳐 공급된다. 각 철도 급전 변전소(feeder substation)에는 일반적으로
154/50(25×2) kV 전력변압기 2기가 설치되어 있다. 고압 측은 전력회사의 삼상 모선(busbar)에 연결되고, 저압 측은 단상 모선을 통해
가선에 전력을 공급한다. 철도 전력 SCADA는 보통 3개의 기능 영역으로 구분된다 [6~7].
• 변전소 – RTU(Remote Terminal Unit), IED(Intelligent Electronic Device), MU(Merging
Unit), 센서, 액추에이터 등 포함
• 통신 인프라 – 현장 장치와 관제 센터 간의 안정적 데이터 전송 기능 제공
• 관제 센터(Control Center) – 중앙 데이터 처리, 감시 제어, 운영자 인터페이스 수행
SCADA 네트워크가 철도 인프라에 직접 매핑되고 전력 설비가 변전소 부지에 집중 배치되기 때문에, 철도 전력 시스템의 국가 단위 네트워크 토폴로지는
일반적인 전국 전력망에 비해 비교적 단순하다.
2.2 통신 프로토콜
SCADA는 원격 계측(telemetry)과 데이터 수집(data acquisition)을 통합한 제어 시스템이다. 현장 장치에서 데이터를 수집하여
중앙 관제 센터로 전송하고, 분석·시각화 후 필요시 제어 명령을 현장 장치로 다시 전송한다.
SCADA 통신 프로토콜은 마스터 스테이션, RTU, IED 등 장치 간 데이터 교환을 위한 규칙, 구문(syntax), 의미(semantics),
절차를 정의한다. 주요 항목은 물리적 전송 수단 (유선 또는 무선), 메시지 구조 및 형식, 데이터 필드 의미, 오류 검출·처리 및 흐름 제어 방식
등이 있다 [8].
철도 및 기타 에너지 산업의 변전소 자동화에서는 IEC 60870, Modbus, DNP3, IEC61850 등이 널리 사용된다.
Modbus : 요청·응답(request–response) 방식의 간단한 마스터/슬레이브 구조 프로토콜로서 RTU/ASCII 방식은 RS-232 또는
RS-485 직렬통신을 사용하며, Modbus TCP는 이더넷 기반에서 동작한다.
DNP3 : 유틸리티 SCADA에서 널리 사용되는 계층형 마스터/슬레이브 프로토콜로서 우선순위 데이터 전송, 타임스탬프 지원, 오류 검출 및 안정적
동작을 특징으로 하며, RS-232/RS-485 또는 TCP/IP 기반으로 구현된다 [9].
IEC 60870-5-101/104 : IEC 101은 RS-232/RS-485 직렬통신을 사용하고, IEC 104는 TCP/IP 기반으로 LAN,
WAN, 인터넷까지 확장 가능하다.
IEC 61850 : 전 세계 변전소 통신을 위한 이더넷 기반 국제 표준.
객체지향 데이터 모델링, MMS(Manufacturing Message Specification), GOOSE 메시지, SV(Sampled Values)를
지원하며, 멀티벤더 환경에서 상호운용성을 보장한다.
2.3 데이터 전송 속도
앞서 설명한 각 프로토콜의 데이터 전송 속도를 Table 1에 요약하였다.
이러한 전송 속도는 주로 물리적 통신 인터페이스와 프로토콜 유형(예: Ethernet, RS-232, RS-485)에 의해 결정된다.
표 1. 프로토콜 속도 비교 [11]
Table 1. Protocol Speed Comparison[11]
|
Protocol
|
Communication
Type
|
Typical
Speed
|
Max Speed
(Theoretical/Practical)
|
Interface
|
Real-Time
Capability
|
|
Modbus RTU
|
Serial (Polling)
|
9.6 – 38.4 kbps
|
115.2 kbps
|
RS-232 /
RS-485
|
No
|
|
Modbus TCP
|
Ethernet (Polling)
|
10 – 100 Mbps
|
1 Gbps
(depends on network)
|
Ethernet
|
No
|
|
DNP3 Serial
|
Serial (Event-based)
|
9.6 – 115.2 kbps
|
115.2 kbps
|
RS-232 /
RS-485
|
Limited
|
DNP3 over
TCP/IP
|
Ethernet
Event-based)
|
10 – 100 Mbps
|
1 Gbps
|
Ethernet
|
Better than
Modbus
|
|
IEC 60870-5-101
|
Serial (Mixed)
|
9.6 – 19.2 kbps
(typical)
|
115.2 kbps
|
RS-232 /
RS-485
|
Limited
|
IEC 61850
(GOOSE)
|
Ethernet
(Peer-to-peer)
|
100 Mbps
(standard)
|
1 Gbps
(optical or fast Ethernet)
|
Ethernet / Fiber
Optic
|
Yes
(<4 ms)
|
|
IEC 61850 (SV)
|
Ethernet (Streaming)
|
100 Mbps
(typical)
|
1 Gbps
(for high sampling rates)
|
Ethernet / Fiber
Optic
|
Yes (μs-level)
|
각 인터페이스는 지원 가능한 대역폭과 전송 지연 특성이 다르며, 이는 실시간 SCADA 운용에서의 데이터 수집 주기, 명령 반응 속도, 전체 시스템
성능에 직접적인 영향을 미친다.
2.4 네트워크 토폴로지
SCADA 통신 프로토콜은 버스(bus), 성형(star), 링(ring), 메시(mesh), 포인트투포인트(point-to-point), 하이브리드(hybrid)
등 다양한 네트워크 구성을 지원한다. 물리적 전송 매체로는 RS-232, RS-422, RS-485, 이더넷 등이 사용된다. 이더넷 기반에서는 MAC
주소와 CSMA/CD가 사용되지만, 현대 시스템은 L2 스위치를 통해 풀 듀플렉스(full-duplex) 통신을 구현한다.
그림 2. 여러 라우터가 있는 네트워크 예시 [11][12]
Fig. 2. A Network Example with Multiple Routers[11][12]
각 통신 프로콜에 따라서
Modbus : 직렬 모드(RTU/ASCII)는 RS-485 멀티드롭 구성이나 RS-232 포인트투포인트 링크를 사용하며, 이더넷 모드(Modbus
TCP)는 TCP/IP를 사용해 대역폭, 거리, IT 인프라 통합성을 향상시킨다. 무선 Modbus는 메쉬 네트워크로 원격 현장 적용이 가능하다.
DNP3 : 직렬 및 TCP/IP를 모두 지원하며, 주기적 폴링과 이벤트 기반 보고를 제공한다.
IEC 60870-5-101/104 : IEC 101은 직렬 포인트투포인트/멀티드롭, IEC 104는 TCP/IP 기반으로 유연한 확장이 가능하다.
IEC 61850 : MMS, GOOSE, SNTP 기반 동기화 등 모든 통신이 이더넷/TCP-IP에서 수행된다.
따라서 SCADA 네트워크 설계 시에는 변전소 운전 이벤트를 고려하여, 연결된 장치들이 요구되는 시간 내에 적절한 대응 조치를 수행할 수 있도록 해야
한다.
가장 큰 설계 과제 중 하나는, Fig.2와 같이 SCADA 시스템이 다수의 네트워크로 구성되어 있다는 점이다 [10]. 효과적인 네트워크 설계를 위해서는 먼저 변전소 운전 계획을 수립하고, 변전소 간 상호작용 이벤트를 식별하는 과정이 필요하다.
이를 기반으로, 네트워크는 변전소의 운전 요구사항을 충족할 수 있는 응답 시간(response time)을 보장하도록 설계되어야 한다.
3. 분산형 SCADA 시스템
3.1 변전소 운전 기능
전기철도 SCADA 시스템은 기본적으로 일반 변전소 SCADA 시스템과 동일한 구조를 갖는다. 다만, 철도 SCADA 시스템은 철도 견인 부하(traction
load)를 직접 제어하지 않는다. 운전 기능은 Fig. 3에 나타나 있으며, SCADA 네트워크는 철도 인프라 전반의 여러 지점에서 운전 데이터를 수집하는 분산형 원격 장치(Remote Units)로 구성된다
[13][14].
표 2. 전력 시스템의 전체 결함 제거를 위한 시간 예산 [15]
Table 2. Time budget for overall fault clearance in power system [15]
Protection
Relay
|
Sender
(Processing unit)
|
Telecommunication
Link (L2 Switch)
|
Sender
(Processing
unit)
|
Main
Protection IED
|
Receiver
(Processing unit)
|
Protection
Relay
|
Circuit
Breaker
|
Total
|
Fault
Recognition
Time
|
Acquired Signal
Processing Time
|
Signal Transmitting
Time
|
Acquired
Signal
Processing
Time
|
Signal
Transmitting
Time
|
Signal Processing
and Decision
|
Relay
Working
Time
|
Mechanical
Response
Time Arcing
Extinguishing
Time
|
|
|
10~60ms
|
1~5ms
|
0~5ms
|
1~5ms
|
0~5ms
|
10~50ms
|
30~40ms
|
30~80ms
|
82~250ms
|
이러한 시스템은 지능형 제어 장치를 통합함으로써, 과거 수작업으로 수행되던 전력 배전 기능을 자동화한다.
실시간 시각화, 데이터 로깅 및 추세 분석, 경보 생성, 전압·전류·역률 제어 등의 기능을 통해 SCADA 시스템은 전력 배전망의 성능 최적화와 안정성
유지에 핵심적인 역할을 수행한다.
IED(Intelligent Electronic Device) 또는 RTU(Remote Terminal Unit)를 활용하여, SCADA 시스템은
전력 배전망 내 장비의 자동 모니터링, 보호, 제어를 가능하게 한다. 이로써 장애 발생 시 신속한 서비스 복구를 지원하고, 최적의 운전 상태를 유지할
수 있도록 돕는다 [17].
철도 전력 SCADA 시스템에서의 분산 자동화(Distributed Automation)는 각 변전소와 주요 전력 설비에 설치된 지능형 전자 장치(IEDs),
원격 단말 장치(RTUs), 머징 유닛(MUs) 등의 현장 장치를 통해 구현된다.
그림 3. 철도 SCADA 시스템 구성 [15]
Fig. 3. Railway SCADA System Architecture[15]
3.2 Substation Event Speed
각 이벤트에 필요한 응답 시간은 Table 2에 나타나 있다.
특히 주파수 변동(frequency fluctuation) 이벤트의 경우, 수 밀리초(ms)에서 수 시간까지 교정(correction) 시간이 소요될
수 있는데, 이는 해당 변동이 매우 다양한 원인에 의해 발생할 수 있음을 의미한다. 일반적으로, 보호계전기의 고장 검출 및 트립(tripping)에는
전력 시스템 주기 2사이클 정도가 소요되며, 차단기의 기계적 동작에는 추가로 2사이클이 소요된다. 시간 예산(time budget)은 전압 등급에
따라 상이하며, EHV(Extra High Voltage), HV(High Voltage), MV(Medium Voltage) 네트워크 각각은 이에
맞춰 다른 시간 여유를 설정한다. 전체 운전 시간은 고장 발생 시점부터 물리적 고장 제거 시점까지 여러 구성 요소로 세분화되며, Table 3은 IEC 60834-1 기준을 바탕으로 한 전력 시스템 보호 네트워크의 표준 시간 배분 예시를 보여준다.
표 3. 다양한 전압 레벨에 대한 결함 학습을 위한 시간 예산 할당 [1]
Table 3. Time budget allocation for fault learance for different voltage level [1]
|
Category
|
What it include
|
Range
according to
IEC60834-2[ms]
|
Typical
Assumption
for EHV[ms]
|
Typical
Assumption
for HV[ms]
|
Typical
Assumption
for MV[ms]
|
Fault
Recognition
Time
|
Analog input stage
Protection
Algorithm execution
|
10~30
|
20
|
25
|
35
|
Relay
Decision
Time
|
Trip decision in
application Output relay
Operating time
|
0~30
|
5
|
5
|
5
|
|
Trip Relay
|
Trip relay Operating
time
|
n/a
|
5
|
5
|
5
|
Operating Time of
Primary equipment
I.e Circuit Breaker
|
Circuit Breaker Coil
Circuit Breaker
Mechanical Movement
|
30~80
|
35
|
40
|
40
|
|
Total
|
|
40~140
|
65
|
75
|
85
|
3.3 IEC61850 Time Constraints
변전소에 발생되는 event 별 처리에 필요한 시간은 Fig. 4와 같다. 메시지 유형 및 구조는 IEC 61850에 따르면 다양한 메시지는 다음과 같이 분류된다. 퍼포먼스 클래스의 2개의 독립된 그룹으로서 7개의
타입으로 세분화 된다 [18].
그림 4. 필요한 서비스의 운영 시간 척도 [1]
Fig. 4. Operation Time scales for services needed [1]
IEC 기반 변전소 자동화 시스템(SAS) 메시지 유형을 요약하면 Table 4와 같다[19].
Type 1 (A, B) – 고속 메시지로서 1A: ‘트립’ 명령 전송 (매우 엄격한 시간 요구, 최우선 처리), 1B: 닫기·시작·정지·블록 등
기타 고속 명령에 적용된다.
Type 2 – 중속 메시지로서 일반 상태 정보 전송, 시간 태그 포함되며, 응답 지연이 중요하지 않고, 예를 들어서 정기/이벤트 트리거 MMS 메시지
등에 적용된다.
Type 3 – 저속 메시지 & Type 7 – 명령 메시지로서 Type 3: 저속 제어, 이벤트 기록, 설정 읽기/변경, 비전기 데이터(압력·온도
등), Type 7: 암호 보호 기능이 추가된 제어 명령 (Type 3 변형)에 적용된다.
Type 4 – 무가공(raw) 데이터 메시지로서 계기 변성기 측정값의 주기적 샘플링에 적용되며, 예를 들어서 MU → P&C IED로 전송되는 SV(Sampled
Values)에 적용된다.
Type 5 – 파일 전송 메시지로서 기록·정보·구성 파일 전송 (대용량 데이터), 소블록 분할로 다른 네트워크 활동과 병행 가능에 적용되며. 예로서는
FTP 기반 파일 전송에 적용된다.
Type 6 – 시간 동기화 메시지로서 IED 내부 시계 동기화, 주기성은 응용 정확도에 따라 결정 및 요구 정밀도보다 최소 한 자릿수 높은 정확도가
필요하게 된다.
표 4. IEC 61850 프로세스 메시지 버스의 시간 제약 [19]
Table 4. Time constraints for IEC 61850 process message bus [19]
|
Message Type
|
Example Application
|
Time
Constraint
|
1A-High speed
Messages
|
Circuit Breaker commands and
states (GOOSE)
|
≤ 3ms
|
1B-Fast message,
other
|
The same as above
|
≤ 20ms
|
2-Medium speed
messages
|
RMS values calculated from
type 4 messages
|
≤ 100ms
|
3-Low speed
messages
|
Alarms, non-electrical
measurements, configuration
|
≤ 500ms
|
4-Raw data
messages
|
Digital representation of
electrical measurement(SV)
|
≤ 3ms
|
5-File Transfer
functions
|
Files of data for recording
settings
|
≤
1000ms
|
6-Time
synchronization
messages
|
IED internal clock
synchronization
|
none
|
3.4 Network Design for IEC61850
GTX-A와 같은 급행선의 전력 공급 시스템(power supply system)은 Fig. 5에 나타나 있다. 급행선에는 3개의 변전소가 설치되어 있으며, 그림에서는 GTX-A와 연결된 두 노선 각각을 단일 변전소로 단순화하여 표현하였다.
그림 5. GTX-A 및 SRT 노선의 전력 공급 시스템 다이어그램 [22]
Fig. 5. Power Supply System Diagram of GTX-A and SRT Lines[22]
그러나 실제로는 두 노선 모두 그림에 표시되지 않은 추가 변전소를 보유하고 있다. Fig. 5는 급행선의 전력 공급 구성을 보여주며, 이 구성은 3개의 변전소에서 지원된다. 연결된 두 노선은 도식의 단순화를 위해 각 1개의 변전소로만 표시되어
있지만, 실제 운용에서는 더 많은 변전소가 배치되어 있다. SCADA 시스템용 네트워크는 급행노선 GTX-A(express line)을 특성을 이용하여
도출할 수 있으며, 이는 네트워크 토폴로지가 노선의 지리적 특성에 크게 의존하기 때문이다. 이 네트워크는 스위치(switch)와 라우터(router)를
활용한 이더넷 통신(Ethernet communication)을 사용한다 [14].
각 전력 설비 지점(예: SP, SSP, SS)은 네트워크의 노드(node)가 된다. 각 노드는 스위치 또는 라우터의 위치가 되며, IED(Intelligent
Electronic Device), 스위치, 라우터를 거쳐 관제 센터(control center)와 연결된다. 노선에 대한 개념적 네트워크 구성은
Fig. 5에 나타나 있다. 이 네트워크는 루프 토폴로지(loop topology)를 사용하여 통신 경로의 이중화(redundancy)를 구현하였다.
그림 6. 급행선과 연결된 선에 대한 개념적 네트워크
Fig. 6. Conceptual Network for an express line and the connected lines
이 네트워크는 Fig. 6에 나타난 게이트웨이(gateway)를 통해 외부 네트워크와 연결된다. IEC 61850에서 제시하는 시간 제약(time constraints) 충족
여부를 검증하기 위해서는 통신 지연 분석(communication delay analysis)이 필요하다. 이 분석은 네트워크 구성 요소별 지연 시간(latency)과
종단 간(End-to-End) 지연 시나리오를 포함해야 한다 [14][19].
네트워크 구성 요소의 지연 시간 요소는 다음과 같다. Layer 2 스위치 지연, MPLS 기반 라우터 지연, 큐잉 지연(Queueing delay),
HSR(High-availability Seamless Redundancy) 인터페이스 지연, NAT 게이트웨이 지연 등에 의해서 지연된다 [20~21]. 각 장치에서 소요되는 시간을 Table 5에 나타내었다.
기본 지연 모델 (End‑to‑End Delay)은 어떤 패킷 pp가 송신 IED에서 수신 IED까지 가는 총 지연은 식(1)와 같이 나타낼 수 있다
여기서,
d
s
e
: 프레임 직렬화
t
i
m
e
=
L
[
b
s
]
R
[
b
p
s
]
d
p
r
o
p
: 전송 매체 전파 지연 (광섬유 ≈ 5µs/km)
d
p
s
: 스위치/라우터/HSR/PRP/NAT/MPLS 라벨 처리 등 장비 내 처리 지연
d
q
u
e
: 혼잡 시 대기 지연(트래픽/스케줄러에 의존)
Table 5는 각 장비들에 대한 latency를 나타낸 것이다.
4장에서는 Simulator를 이용하여 패킷 전달 속도를 구하였다.
표 5. 네트워크 구성 요소의 지연 시간
Table 5. Latency Time of Network Components
|
Component
|
Symbol
|
Typical Value
(Example)
|
Remarks
|
L2 Switch (Store &
Forward)
|
d
12
s
e
|
~5 µs
|
Serialization time
depends on link
speed/frame size
|
Router (MPLS
Label)
|
d
R
p
r
o
c
|
~50 µs +
label 5 µs
|
Recommend reflecting
actual equipment
specifications
|
|
NAT Gateway
|
d
N
A
T
p
r
o
c
|
200–1000 µs
|
May increase in case of
table miss
|
HSR/PRP Node
Processing
|
d
H
S
R
p
r
o
c
|
~5–20 µs
|
Overhead from
redundant
transmission/discarding
|
Serialization (e.g.,
100 Mb/s)
|
d
s
e
|
L
/
R
|
Example: 256 B (2048
b) → 20.48 µs
|
Propagation (Optical
Fiber)
|
d
p
r
o
p
|
5 µs/km
|
Calculated based on
conduit distance
|
|
Queueing
|
d
q
u
e
|
0 – several
ms
|
Affected by load,
scheduler, and priority
settings
|
4. Simulation
4.1 OMNET++
본 연구에서는 네트워크 시뮬레이션에 OMNeT++를 사용하였다. OMNeT++(Objective Modular Network Testbed in C++)는
모듈 기반의 이산 이벤트 시뮬레이터로, 네트워크 프로토콜, 통신 시스템, 분산 시스템, 그리고 복잡한 IT 및 사이버 물리 시스템의 모델링과 분석에
널리 활용된다 [23]."
OMNeT++는 오픈소스(academic-free)로 제공되는 네트워크 시뮬레이션 플랫폼으로, C++ 기반의 핵심 시뮬레이션 엔진과 NED(Network
Description) 언어를 이용한 네트워크 구조 정의 방식을 제공한다. 주요 활용 분야는 유·무선 통신망, IoT, 5G/6G, 위성 통신 등과
같은 통신 시스템 연구뿐 아니라, SCADA, IEC 61850 기반 전력망 통신, 철도 전력 시스템 등의 산업용 네트워크 분석에도 폭넓게 적용된다.
또한, OMNeT++는 네트워크의 지연 시간(latency), 처리량(throughput), 패킷 손실률(packet loss rate), 라우팅
효율성(routing efficiency) 등 다양한 성능 지표 평가에 활용된다. 한편, OMNeT++ 기반으로 개발된 INET Framework는
유·무선 네트워크 연구를 위한 표준 확장 라이브러리로, 다양한 네트워크 프로토콜과 구성 요소를 제공하여 통신망 시뮬레이션의 효율성과 확장성을 높인다.
OMNeT++는 오픈소스(academic-free)로 제공되는 네트워크 시뮬레이션 플랫폼으로, C++ 기반의 핵심 시뮬레이션 엔진과 NED(Network
Description) 언어를 이용한 계층적 네트워크 구조 정의 기능을 제공한다. 본 플랫폼은 유·무선 통신망, IoT, 5G/6G, 위성 통신 등
차세대 통신 시스템 연구뿐 아니라, SCADA, IEC 61850 기반 전력망 통신, 철도 전력 시스템 등 산업용 네트워크 분석에도 폭넓게 활용된다.
또한 OMNeT++는 네트워크의 지연 시간(latency), 처리량(throughput), 패킷 손실률(packet loss rate), 라우팅 효율성(routing
efficiency) 등 주요 성능 지표를 정량적으로 평가하는 데 사용된다.
한편, OMNeT++ 기반으로 개발된 INET Framework는 유·무선 네트워크 연구를 위한 표준 확장 라이브러리로, 다양한 프로토콜 스택과 네트워크
구성 요소를 제공함으로써 통신망 시뮬레이션의 정확성(accuracy)과 확장성(scalability)을 동시에 향상시킨다.
4.2 네트워크 모델링OMNET++
네트워크 모델은 Fig. 5와 Fig. 6을 기반으로 Fig. 7과 Fig. 8에 제시된 topology 형태로 구성하였다. 본 모델은 라우터와 스위치를 함께 사용한 네트워크 구성과, 스위치만으로 구성된 네트워크 두 가지 형태로
구현하였다.
그림 7. 주소 할당 후 라우터와 스위치로 구성된 네트워크
Fig. 7. A Network Consisting of Routers and Switches After Address Allocation
Fig. 7은 라우터와 스위치로 구성된 네트워크를, Fig. 8은 스위치만으로 구성된 네트워크를 나타낸다. 두 네트워크 모두 루프(loop) 구조를 가지고 있으며, 스위치만으로 구성된 루프형 네트워크의 경우 패킷
폭주(packet storm)가 발생하여 통신이 불가능해진다. 이러한 문제를 방지하기 위해 STP(Spanning Tree Protocol), RSTP(Rapid
Spanning Tree Protocol), MSTP(Multiple Spanning Tree Protocol) 등의 루프 방지 프로토콜을 적용해야
한다. 이들 프로토콜을 적용한 경우, 네트워크 기동 시 약 10~60초의 초기화 시간이 소요되며, 이후 정상적으로 패킷 전송이 가능해진다.
그림 8. 주소 할당 후 스위치로만 구성된 네트워크
Fig. 8. A Network Consisting Solely of Switches After Address Allocation
그림 9. 라우터-스위치 네트워크
Fig. 9. A Network with Routers and Switches
네트워크 구성 요소인 라우터(router)와 스위치(switch)는 OMNeT++ /INET에서 제공하는 기본 특성을 활용하였으며, 통신 채널의 전송속도는
10 kbps에서 100 Gbps까지 설정할 수 있다. 본 시뮬레이션에서는 100 Mbps의 채널 속도를 적용하였다.
OMNeT++/INET은 시뮬레이션 결과 분석을 위한 다양한 측정 항목(measurementRecorder)을 제공하며, 주요 항목으로는 다음과 같다.
● flowIncomingPacketLengths: vector
● flowIncomingDataRate: vector
● flowDataRate: vector
● meanBitLifeTimePerPacket: vector
● meanBitElapsedTimePerPacket: vector
● meanTotalBitDelayingTimePerPacket: vector
이외에도 약 20여 종의 추가 측정 지표가 제공되어, 네트워크의 성능 및 트래픽 특성을 정량적으로 분석할 수 있다.
4.3 시뮬레이션 결과
라우터–스위치 혼합 네트워크 시뮬레이션은 Fig. 9의 구성도를 기반으로 수행하였다. 라우터 3에 연결된 client1과 라우터 2에 연결된 server1은 가장 먼 거리에 위치한 단말로 설정하였으며,
두 노드 간의 전송 지연시간(transmission delay)을 측정하였다.
시뮬레이션 조건은 한 IED(Intelligent Electronic Device)에서 1200 bytes의 데이터를 전송하는 경우를 가정하였다.
100 Mbps 전송 채널에서는 약 104.17 μs 간격으로 한 패킷을 송신할 수 있다. 따라서 라우터와 스위치를 순차적으로 통과하는 경우, 패킷
전송 주기는 104.17 μs보다 길게 설정해야 하며, 그렇지 않을 경우 큐잉 지연(queuing delay)이 증가하여 전체 전송 지연이 커지게
된다.
본 시뮬레이션은 (1) 라우터–스위치 혼합 네트워크와 (2) 스위치 단독 네트워크의 두 가지 환경에서 수행되었다. 각 네트워크에 대해 패킷 전송 주기를
104.17 μs 이하, 근접 구간, 이상 구간으로 구분하여 분석하였다. 또한, 축소형 스위치 단독 네트워크에서는 전송속도 1에 해당하는 최적의 네트워크
토폴로지를 탐색하기 위한 추가 시뮬레이션을 수행하였다.
1) 라우터-스위치 네트워크
시뮬레이션 결과는 Table 8에 정리하였다.
표 8. 라우터-스위치 네트워크 패킷전송time
Table 8. Packet transmission time for routers-switches network
|
packet size
|
Transmission
Period
|
Mean elapsed time between
Client1 and Server1
|
|
1200Bytes
|
101μs
|
22.142±12.71 ms
|
|
1200Bytes
|
110μs
|
1.509ms
|
|
1200Bytes
|
150us
|
1.509ms
|
그림 11. 라우터-스위치 네트워크 패킷전송주기 101μs
Fig 11. Packet transmission period 101μs for Ruters-Switch network
그림 12. 라우터-스위치 네트워크 패킷전송주기 110μs 및 150
Fig 12. Packet transmission period 101μs and 150μs for Ruters-Switches network
2) 스위치로 구성된 네트워크
표 9. 스위치 네트워크 패킷전송 time
Table 9. Packet transmission time for switch only network
|
packet size
|
Transmission
Period
|
Mean elapsed time between
Client1 and Server1
|
|
1200Bytes
|
101μs
|
44.254±0.097 ms
|
|
1200Bytes
|
110μs
|
1.405ms
|
|
1200Bytes
|
150us
|
1.405ms
|
그림 13. 스위치로 구성된 네트워크 패킷전송주기 101μs
Fig 13. Packet transmission period 101μs for Switch-only network
그림 14. 스위치로 구성된 네트워크 패킷전송주기 101μs
Fig 14. Packet transmission period 101μs for Switch-only network
시뮬레이션 결과, Fig. 11과 Fig. 13에서와 같이 패킷 전송량이 전송선로의 용량을 초과할 경우 전송 지연시간이 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 반면, 전송 용량 이하의 패킷 전송 구간에서는
Fig. 12와 Fig. 13과 같이 일정한 전송 지연이 유지되었다.
또한, Fig. 9에 제시된 네트워크 구성은 Table 4의 IEC 61850에서 정의한 7가지 시간 제약 조건을 모두 만족하는 것으로 확인되었다.
이러한 결과를 통해, 전송되는 정보량이 증가할수록 큐잉 지연(queuing delay)이 비례적으로 증가함을 확인할 수 있다. 중간 규모의 IEC
61850 기반 변전소(약 50~100개의 IED로 구성)의 경우, 정상 상태 운전 시 전체 데이터 생성 속도는 일반적으로 0.5~5 Mbps 범위에
해당한다.
시스템 이상이나 사고 등의 교란 상황에서는 GOOSE, 샘플드 값(Sampled Value, SV), 알람 메시지 등이 동시에 발생함에 따라 데이터
전송량이 약 20~50 Mbps까지 순간적으로 증가할 수 있다. 반면, 기존 SCADA 폴링(SCADA polling)을 통해 변전소와 관제센터 간에
이루어지는 통신 링크는 RTU 또는 IED의 집계 방식과 보고 설정에 따라 일반적으로 64 kbps~1 Mbps 수준으로 제한된다. 따라서 GOOSE
메시지의 3 ms 송신 요구 조건을 만족하기 위해서는 패킷의 유통량(traffic load)을 적절히 제어하는 것이 핵심적인 변수임을 알 수 있다.
5. 결 론
본 논문에서는 IEC 61850 기반 전력설비 SCADA 시스템에서 요구되는 데이터 전송 시간을 검증하기 위해 OMNeT++/INET 환경에서 네트워크를
구성하고 시뮬레이션을 수행하였다. 7가지 메시지 유형 중 가장 짧은 전송 시간이 요구되는 Circuit Breaker Commands and States
(GOOSE) 조건을 기준으로 분석한 결과, 시뮬레이션 결과는 중간 규모 변전소의 순간 최대 데이터 발생량이 약 50 Mbps 수준임을 나타내었다.
따라서 시스템은 최소 60 μs 간격으로 데이터를 전송할 수 있어, 나머지 6가지 메시지 유형의 전송 요구조건 또한 충분히 충족함을 검증하였다.
현재 IEC 61850은 Ethernet 기반 통신을 표준으로 채택하고 있으며, 이론적으로 DNP over TCP/IP, Modbus TCP 등 다양한
프로토콜을 통해 통신 네트워크를 구성할 수 있다. 반면, 기존에 사용되던 IEC 60870-5-101 프로토콜은 RS-232 또는 RS-485 기반으로
동작하기 때문에 광역 네트워크(WAN) 적용에 한계가 있다. 특히 IEC 61850은 Logical Node, Data Object, Attribute로
구성된 계층적 데이터 모델을 바탕으로 높은 상호운용성과 확장성을 제공함으로써, 기존 프로토콜 대비 기술적 우위와 효율성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
또한, IoT 기술의 확산으로 TCP/IP 기반 Ethernet 통신망을 별도로 구성하기가 용이해짐에 따라, IEC 61850 표준은 변전소 및 철도
전력 시스템에의 적용 가능성이 더욱 높아지고 있다. 향후 연구 과제로는 OMNeT++/INET 환경에서 변전소의 Station Level, Bay
Level, Process Level에 따른 SCADA 시스템 구조를 구체적으로 정의하고, 각 호스트에 IED 기능 및 센서 모델을 부여하여 실제
운용 환경에 근접한 시뮬레이션을 수행하는 것이 필요하다.
본 논문에서 제안한 네트워크 기반 OMNeT++/INET 시뮬레이터는 향후 실제 변전소에서 수행되는 MU 및 IED 시험뿐만 아니라, 철도 전력 시스템의
설계 및 검증 과정에서도 유용한 분석 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
References
Dave, , Electrical substation components & their workings
, Power system requirement
S.-I. Jang, B.-W. Min, 2007, Protection, control, and monitoring of power systems
through substation automation
A. Pala, R. Dash, 2015, A paradigm shift in substation engineering: IEC 61850 approach
T.-W. Kim, I.-H. Lim, M.-S. Choi, S.-J. Lee, S.-C. Kwon, 2011, Application of IEC
61850 in distribution automation systems, J. Korean Inst. Electr. Eng., Vol. 60, No.
4
S.-C. Lee, K.-W. Shin, Y.-S. Lee, 2004, A study on the design method of a small-scale
SCADA system for electric railways, J. Korean Inst. Electr. Eng., Vol. 53P, No. 2
T. V. Arun, L. Lathesh, A. R. Suhas, 2016, Substation automation system, Int. J. Sci.
Eng. Res., Vol. 7, No. 5
R. Leelaruji, L. Vanfretti, 2012, State-of-the-art in the industrial implementation
of protective relay functions, communication mechanism and synchronized phasor capabilities
for electric power systems protection, Electr. Power Syst. Res., Vol. 16, No. 7, pp.
4385-4395
S. Sharma, V. Kumar, P. Sharma, S. Gupta, A. Shukla, 2023, SCADA communication protocols:
Modbus & IEC 60870-5, IEEE
P. Jafary, P. Supponen, S. Repo, 2022, Network architecture for IEC 61850-90-5 communication:
Case study of evaluating R-GOOSE over 5G for communication-based protection, Energies,
Vol. 15, pp. 3915
E. Tapia, L. Sastoque-Pinilla, U. Lopez-Novoa, I. Bediaga, N. López de Lacalle, 2023,
Assessing industrial communication protocols to bridge the gap between machine tools
and software monitoring, Sensors, Vol. 23, pp. 5694
R. Khan, K. McLaughlin, D. Laverty, S. Sezer, Analysis of IEEE C37.118 and IEC 61850-90-5
synchrophasor communication frameworks
S. Mohagheghi, J.-C. Tournier, J. Stoupis, L. Guise, T. Coste, A. Claus, J. D. Andersen,
Applications of IEC 61850 in distribution automation
T. Yip, B. Xu, Z. Zhu, Y. Chen, C. Brunner, 2018, Application of IEC 61850 for distribution
network automation with distributed control
S. Meier, T. Werner, Performance considerations in digital substation applications
2015, Remote supervisory control equipment
A. Altaher, S. Mocanu, J.-M. Thiriet, 2015, Evaluation of time-critical communications
for IEC 61850-substation network architecture, Networking and Internet Architecture
H. León, C. Montez, O. Valle, F. Vasques, 2019, Real-time analysis of time-critical
messages in IEC 61850 electrical substation communication systems, Energies, Vol.
12, pp. 2272
R. Hunt, B. Popescu, Comparison of PRP and HSR networks for protection and control
applications
T. S. Sidhu, M. G. Kanabar, P. P. Parikh, 2008, Implementation issues with IEC 61850
based substation automation systems
Y. Rangelov, N. Nikolaev, M. Ivanova, The IEC 61850 standard – Communication networks
and automation systems from an electrical engineering point of view
M.-S. Kim, J.-Y. Jang, J.-M. Kim, 2020, A study on the design of rigid catenary power
supply systems considering section feeding, J. Korean Inst. Electr. Eng., Vol. 67,
No. 4, pp. 629-635
S.-Y. Park, M.-S. Kim, 2024, Network simulation guide using the INET framework of
OMNeT++, J. KIISE: Inf. Netw., Vol. 25, No. 5, pp. 23-29
저자소개
He received his master's degree in railway signaling from Seoul National University
of Science and Technology. he is currently pursuing his Ph.D degree in Seoul National
University of Science and Technology. His research interests include IEC61850-based
railway substation systems and power quality systems. E-mail: kspark497@gmail.com
He received the B.S. degree in Electronic Engineering from Hanyang University, Seoul,
Korea, in 1991, and the M.S. and Ph.D. degrees in Electrical Engineering from Korea
Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Daejeon, Korea, in 1993 and
1999, respectively. Since August 2002, he has been a Professor in the Department of
Electronic Engineering at Seoul National University of Science and Technology, Seoul,
Korea. E-mail: shchoi@seoultech.ac.kr