2.1 차세대 배전지능화시스템

그림 1은 ADMS의 구조 및 기능을 나타낸 것이다. ADMS는 human machine interface, geographic information system, outage management system 및 기존의 계통운영을 위한 응용 프로그램과 분산전원 연계와 같이 새로운 응용 프로그램 간의 데이터 교환이 가능한 계통운영 플랫폼이다.

ADMS의 middleware message platform은 교환될 정보에 대한 메타데이터의 역할을 하는 프로파일을 사용하여 응용 프로그램의 데이터를 직렬화(Serialization) 및 역 직렬화(De-serialization)하는 과정을 통해 정보교환을 수행한다. 직렬화는 프로그램이 전달하고자 하는 데이터를 프로파일에 따라 메시지 형태로 변환한다. 반대로 역 직렬화는 메시지 형태로 변환된 데이터를 프로그램이 사용할 수 있도록 객체화하는 것이다.

Platform 내 상호운용성을 위해서는 모든 응용 프로그램 및 SCADA와 같은 이종 시스템을 위한 프로파일이 정의되어야 한다. ADMS는 프로파일 정의를 위하여 표준공통정보모델 (IEC 61970-301)을 채택하였으며, 표준화된 모델확장 규칙에 따라 확장된 표준공통정보모델을 사용하고 있다.

2.2 공통정보모델

그림 2는 UML로 표현된 에너지관리시스템을 위한 표준공통정보모델의 예시이다. UML은 계통을 구성하는 객체를 나타내는 클래스와 그 클래스의 관계를 통해 표현된다. Equipment 클래스는 계통에 관계된 기계 및 전기적 장치를 나타낸다. 상속은 대표적인 클래스의 관계로써, 상위 클래스를 기준으로 하여 하위 클래스를 세분화한다. ConductingEquipment 클래스는 Equipement 클래스 중 전도성 특성을 갖는 기기를 의미한다. 클래스는 다른 클래스와 연관관계를 갖는다. Terminal은 전기적 접속점을

나타내는 것으로 하나의 ConductingEquipment는 terminal을 갖을 수 있다. 또한, EquipementContainer는 다수의 Equipment를 포함하는 관계를 갖는다. 차세대 배전지능화시스템은 UML로 표현된 공통정보모델을 사용하여 데이터 모델과 메시지 교환용 프로파일을 정의한다.

2.3 표준공통정보모델 개정이력

계통의 환경적 변화가 발생하게 되면 공통정보모델 역시 이를 반영하여 변경 및 수정을 거치게 된다. International Electrotechnical Commission (IEC)는 공통정보모델 사용자의 모델 수정에 대한 요구사항을 수집하고 심의하여 주요 변화가 발생할 때마다 개정된 표준모델을 제공하였다.

표 1은 표준공통정보모델의 개정 이력을 요약한 내용이다. 2003년 초판에서는 10개의 패키지로 분류된 정보모델이 정의되었다. 2판에는 계통의 지역별 관리체계를 위한 모델을 추가되었다. 3판에서는 계통에 접속한 모든 기기의 운전범위를 정의하기 위한 OperationalLimits Package가 추가되었으며, 4판에서는 상태추정기능을 정의한 StateVariables Package가 추가되었다. 5판에서는 계통도를 정의하는 DiagramLayout Package와 계기용 변성기와 같은 부속설비 등을 나타내는 AuxillaryEquipment Package가 추가되었다. 또한, 변압기는 3상 불평형 상태에서의 동작을 나타낼 수 있는 모델로 수정되었다. 6판에서는 계통에서 HVDC의 확산에 따라서 모델이 추가되었다. 2022년에 개정된 7판에서는 변전소의 SCADA 간 데이터 교환을 위한 통신프로토콜 (Inter-control center protocol)을 위한 Package가 추가되었으며, 배전계통운영을 위한 Feeder 모델이 새롭게 Core Package에 추가되었다.

3.1 모델변경에 따른 프로파일 관리방안의 개요

그림 3은 본 연구에서 제시한 정보모델 변경에 따른 프로파일 관리방안 절차를 나타낸 것이다. 자동화된 모델변경 내용을 추적하기 위해서는 UML로 작성된 Enterprise Architecture (EA) 파일이 필요하고 이는 공통정보모델 사용자 그룹에서 취득할 수 있다. ⁽¹²⁾. cim-compare는 공통정보모델 사용자 그룹(CIM user group)에서 개발한 Opensource 프로그램으로서 EA file로 작성된 정보모델을 비교하고 그 결과를 제공한다 ⁽¹³⁾.

비교결과는 모델, 패키지, 클래스, 속성 및 연관 관계 순의 트리형식으로 구조화된 XML 형식으로 출력된다. 이때, 패키지, 클래스, 속성과 같은 요소에 대하여 두 모델 간 변경내용이 없으면, 해당 요소에 대하여 Status 태그에 “Identical”이라는 string data를 입력한다. 만약, 새롭게 추가된 요소가 발생하면 “Model only”라는 string data를 입력되고, 변경된 요소에 대해서는 “Changed”, 그리고 삭제된 요소에 대해서는 “Baseline only”라는 string data가 입력된다. 변경된 항목에 대하여 출력결과는 parsing을 통해 변경내용을 관리 및 추적하는데 자동화 도구로 사용할 수 있다.

XML로 출력된 결과는 Python을 사용하여 parsing 과정을 거쳐 모델 및 프로파일의 변경된 내용을 목록화하고 변경된 내용을 2가지 Case로 분류한다. 즉, 변경된 모델을 구성하는 클래스에 대한 속성의 변경만 발생한 경우 Case 1로 분류하고, 클래스의 변경이 발생한 경우 Case 2로 분류한다.

3.2 Case 1: 클래스 속성변경에 대한 관리절차

그림 4는 Case 1에 해당하는 클래스 속성변경에 따른 프로파일 관리절차를 나타낸 것이다. 해당 Case에 대한 관리절차를 설명하면 다음과 같다.

[Step 1] 모델 비교를 수행한 뒤 속성이 변경된 클래스 목록을 생성하고 클래스를 순차적으로 선택한다. 선택한 클래스가 관리대상이 되는 프로파일에 부합하는지 확인한다. 만약 클래스가 프로파일에 부합하지 않는다면 다른 클래스를 선택한다.

[Step 2] 클래스에서 변경된 속성을 선택하고 해당 속성의 변경유형에 따른 관리방안을 적용한다. 즉, 속성이 삭제되었다면 [Step 3-1]을 적용하고 새롭게 생성 또는 변경된 것이라면 [Step 3-2]를 따른다. 이는 삭제된 속성의 경우 ADMS의 기능적 요구사항에 따라 이를 대체해야 하기 때문이다.

[Step 3-1] 표준모델 갱신에 따라 속성이 삭제되었을 때, 삭제된 내용을 프로파일에 반영할지 판단한다. 만약 해당 속성이 정보교환에 필요한 데이터를 나타내는 것이라면 속성을 프로파일에 유지한다. 그러나 해당 속성이 데이터 교환에 필요하지 않으면 삭제하여 프로파일을 갱신한다.

[Step 3-2] 표준모델 갱신에 따라 속성이 새로이 추가되었을 때, 추가된 속성을 프로파일에 반영하는 방법을 판단한다. 즉, 기존의 프로파일에 해당 속성이 확장모델의 형태로 반영된 것이라면 확장모델에서의 프로파일을 삭제하고 표준형태로 반영한다. 그러나, 프로파일에 고려되지 않았던 속성일 경우 표준모델에서 제시한 속성변경에 따라 프로파일을 갱신한다.

[Step 4] 이 모든 과정은 [Step 1]에서 선택한 클래스 및 속성에 대하여 반복함으로 함으로써 모델변경에 대한 프로파일 갱신의 누락을 회피한다.

3.3 Case 2: 클래스 변경에 대한 관리절차

그림 5는 클래스 변경(추가, 삭제, 변경)에 따른 프로파일 관리절차를 나타낸 것이다.

[Step 1] 모델 비교를 수행한 뒤 변경된 클래스를 목록화하고 임의의 클래스를 순차적으로 선택하여 해당 클래스가 관리대상이 되는 프로파일에 해당하는 것인지 판단한다. 만약 모델갱신에 따라 변경된 클래스가 프로파일에 해당하지 않는다면 목록 내에서 다른 클래스를 선택한다.

[Step 2] 변경목록 중에 프로파일 관리대상이 되는 클래스는 변경유형에 따라 분류된 관리방안을 적용한다. 즉, 관리대상이 되는 클래스가 삭제된 것이면 [Step 3-1]의 관리절차를 따르게 되고, 클래스가 새롭게 생성되거나 세부적인 변경이 발생한 것이라면 [Step 3-2]에 따라 관리절차를 수행한다. 이렇게 분류된 이유는 클래스가 삭제된 경우 ADMS의 기능적 요구사항에 따라서 이를 대체해야 하는 것을 고려해야 하기 때문이다.

[Step 3-1] 변경된 표준모델에서 클래스의 삭제가 발생하였다면, 해당 클래스를 프로파일에서 삭제할지 아니면 유지할지 결정해야 한다. 만약, 삭제된 클래스가 ADMS에서 교환되어야 하는 정보를 다루고 있다면, 모델 내에서 삭제된 클래스를 대체할 수 있는 다른 클래스를 사용하거나, 표준에서 삭제된 클래스를 확장모델 형태로 프로파일에 반영한다.

[Step 3-2] 표준모델 변경에 따라 새롭게 생성된 클래스가 프로파일에 해당하면 기존에 사용하는 프로파일과 갱신된 클래스의 기능적 비교를 통해 프로파일 갱신을 한다. 즉, 새로운 클래스가 기존 프로파일에 확장모델 형태로 존재했던 것이라면 이를 삭제하고 새로운 클래스를 표준모델 형태로 반영한다. 반면 기존 프로파일에 존재하지 않은 클래스일 경우 표준모델에 따라 클래스의 변경내용을 프로파일에 추가한다.

[Step 4] 이 과정을 목록화된 마지막 클래스까지 수행한다.

4.1 Case 1: 속성 추가

표 2는 장치의 운영한계를 표현하기 위한 OperationalLmits 패키지에 대한 변경내용을 나타낸 것이다. 6판에서 7판으로 변경되는 과정에서 OperationalLmits 패키지를 구성하는 8개의 클래스 중 실질적인 운영한계치를 나타내는 VoltageLimt, CurrentLimit, ActivePowerLimt, 그리고 ApparentPowerLimt 클래스에서 normal Value 속성이 추가되었다. normalValue는 일반상태에서 해당 장치의 동작값을 나타낸다. OperationalLimitType 클래스는 운영한계값의 특성을 부여한다. 즉, 해당 장치의 운영한계치를 high, low, 그리고 절댓값으로 분류할 수 있을 뿐만 아니라, 한곗값에 방향을 부여하여 벡터 정보로 표현할 수 있다. 7판으로 갱신되면서 따라 운영한계치로 운영할 수 있는 지속시간을 구분할 수 있는 isIfiniteDuration 속성이 추가되었다. 즉 이러한 모델변경을 통해 EMS에서 장치의 운영한계치를 다양하게 표현하는 것이 가능해졌다. 이 사례에 대하여 모델변경에 따른 프로파일 관리절차를 적용하면 다음과 같다.

[Step 1] cim-compare를 사용하여 패키지 내 모델 변경내용을 확인하고 그 경우를 구분한다. OperationalLmits 패키지의 경우 총 8개의 클래스 중 5개의 클래스에서 속성의 변경이 발생한 것을 확인할 수 있고, Case 1(클래스 속성변경)에 대한 관리절차를 수행한다.

[Step 2] 속성의 변화가 확인된 5개의 클래스 중 VoltageLimit 클래스를 선택한 뒤 해당 클래스에서 추가된 속성을 확인한다. 이 경우 normalValue라는 속성이 추가되었다.

[Step 3] 추가된 normalValue는 기존의 ADMS의 어플리케이션용 프로파일에 확장모델 형태로 포함되었기 때문에 확장모델에서 해당 속성을 삭제하고 표준모델의 형태로 프로파일을 갱신한다.

[Step 4] VoltageLimit 클래스에 더 이상의 변경된 속성이 없으므로 [Step 1]에서 확인된 다른 클래스에 대하여 위 과정을 반복한다.

본 연구에서 제시한 관리절차에 따라 최신 표준공통정보모델에 기반한 운영한계를 위한 프로파일을 표현하면 그림 6과 같다. OperationalLmits를 구성하는 8개의 클래스 중 5개의 클래스에서 빨간 선으로 표현된 normalValue, isinfiniteduration의 속성이 추가되어 프로파일이 갱신되었다.

4.2 Case 2-1: 클래스 추가

신재생 에너지원의 계통 유입이 증가함에 따라 EMS에서 이를 관리 및 감독하기 위한 기능적 요구사항이 증가하고 있다. 동기발전기와 다르게 신재생 에너지원은 전력전자설비를 통해 계통에 접속된다. 표준공통정보모델의 Production 패키지에서 이러한 특징을 반영하여 PowerElectronicsUnit 클래스를 사용하여 신재생 에너지원에 대한 계통 접속 인터페이스를 정의하고 있다. 신재생에너지 자원을 묘사하는 클래스는 PowerElectronicsUnit 클래스를 상속받는 하위항목으로 분류된다. 6판에서는 Power ElectronicsWindUnit을 사용하여 풍력발전설비만을 정보모델로 나타내었지만, 7판에서는 표 3과 같이 태양광발전설비와 화학전지 기반의 에너지저장장치가 새롭게 세부 항목으로 추가되며 다양한 신재생 에너지원을 정의한다. 이 사례에 대하여 모델변경에 따른 프로파일 관리절차를 적용하면 다음과 같다.

[Step 1] 발전자원에 대한 정보를 정의하는 Generation 패키지에서 표준공통정보모델 갱신에 따른 추가, 변경, 삭제된 클래스를 cim-compare를 사용하여 분류하면 PhotovoltaicUnit과 BatteryUnit 클래스 2개를 확인할 수 있다.

[Step 2] 추가된 2개의 클래스 중 PhotovoltaicUnit을 선택하고 프로파일 관리절차를 수행한다.

[Step 3] 기존의 ADMS의 설비 관련 프로파일에 태양광발전설비에 정보가 확장모델 형태로 정의되었기에, 이를 삭제하고 갱신된 표준공통정보모델의 형태로 프로파일을 갱신한다.

[Step 4] 마찬가지로 BatteryUnit에 대해서 [Step 3]을 반복한다. 이 경우 역시 확장모델의 형태로 존재한 배터리모델을 삭제하고 표준모델에 준용하여 프로파일을 갱신한다.

본 연구의 관리절차에 따라 갱신된 모델에 기반한 재생에너지 자원을 정의하는 프로파일은 그림 7과 같다. PowerElectronicsUnit을 상속받는 하위 클래스에 PhotovoltaicUnit과 BatteryUnit이 추가된 형태를 확인할 수 있다. 이때, 파란선 외부에 있는 클래스는 Production 패키지에서 정의되지 않지만, 프로파일 정의를 위해 필요한 외부 패키지에 속한 클래스이다.

4.3 Case 2-2: 클래스 삭제 및 변경

표 4와 같이 표준공통정보모델 5판으로 개정되면서 변압기모델이 대대적으로 개편되었다. 기존의 변압기모델은 3상 평형 또는 단상에서 운전상태만 표현 가능했다. 그러나, 5판에서는 3상 불 평형상태를 포함한 변압기 운전을 표현하기 위하여 변압기의 상별 회로를 분류하여 모델을 구체화하였다.

기존의 PowerTransformer는 PowerTransformerEnd로 대체되면서 각 상에 대한 변압기의 회로 정보를 나타낼 수 있게 하였다. 이 과정에서 PowerTransformer 클래스는 모든 상의 개별 회로를 포함하는 하나의 집합체로서 변경되었다. 기존의 Transformer Winding은 삭제되고 TransformerEnd로 대체되었으며, PowerTrans formerEnd와 함께 결선 방식에 따른 변압기 개별 회로의 정보를 제공한다. 또한, TransformerStarImpedance, TransformerMesh Impedance, TransformerCoreAdmittance는 변압기 회로에 대한 부가적인 정보를 제공한다. 이 사례에 대하여 모델변경에 따른 프로파일 관리절차를 적용하면 다음과 같다.

[Step 1] cim-compare를 통해 Wires 패키지에서 변경된 클래스를 확인 후 목록화한다. 이때 Transformer와 관련된 클래스는 11개의 클래스로이며 이 중 8개는 추가 및 변경된 경우이고 3개는 삭제된 클래스이다.

[Step 2] 목록에 포함된 클래스 중 임의의 클래스를 선택하여 프로파일 관리절차를 수행한다.

[Step 3-1] 기존의 상을 고려하지 않는 변압기모델에서 상별 회로를 중심으로 개편된 변압기모델을 정의하기 위해 PowerTrans former는 일종의 container로써 사용되기 때문에 이를 고려하여 프로파일을 갱신한다.

[Step 3-2] 삭제된 TransformerWinding 클래스는 권선, 철심, 결선 등과 같이 변압기를 모델링하는데 필요한 정보이다. 따라서 확장모델로서 해당 정보를 대체하거나, 패키지 내 다른 클래스에 대체할 수 있는 클래스가 있는지 확인해야 한다. 모델이 갱신됨에 따라 TransformerEnd, PowerTransformerEnd, Transformer TankEnd, TransformerTank의 클래스가 추가되면서 상별로 따른 권선, 결선 등의 정보를 분리할 수 있게 되었다. 따라서 TransformerWinding를 삭제하고 위 언급된 클래스로 프로파일을 대체한다.

[Step 3-3] 삭제된 HeatExchange와 WindingTest는 변압기의 전기적 운전을 위한 것이다. ADMS의 변압기 프로파일 역시 해당 정보를 다루고 있지 않기 때문에 갱신된 표준모델을 반영하여 해당 클래스를 프로파일에서 삭제한다.

[Step 3-4] 변압기의 회로의 부가적인 정보를 제공하기 위해 추가된 TransformerStartImpedance, TransformerMeshImpedance, TransformerCoreAdmittance 프로파일에 포함한다. 다만, 이전 프로파일에서 이에 대한 정보과 확장모델로서 포함되어 있다면 이를 삭제한다.

[Step 4] 이 모든 과정을 목록화된 클래스에 대해 수행한다.

본 연구에서 제시한 관리절차에 따라 최신 표준공통정보모델에 기반한 변압기를 위한 프로파일을 표현하면 그림 8과 같다. 변압기를 나타내는 데 필요한 11개의 클래스 중 빨간 선으로 표시된 7개의 클래스는 모델갱신을 통해 새롭게 추가된 클래스이다. 녹색 선으로 표시된 PowerTransformer는 변경된 사항이 반영된 클래스이고, 보라색 선으로 표시된 3개의 클래스가 모델갱신에 따라 프로파일에서 삭제되었다.

4.4 프로파일 관리절차 적용 결과

표 5는 앞서 소개한 ADMS의 3가지 프로파일에 관하여 본 연구에서 제시한 모델변경에 따른 프로파일 관리방안을 적용한 결과를 보여준다. 8개의 클래스와 37개의 속성으로 구성된 Case 1의 프로파일은 모델변경으로 인하여 5개의 속성이 추가되었고, 6개의 클래스와 38개의 속성으로 구성된 Case 2-1은 3개의 클래스와 20개의 속성이 추가되었다. 마지막으로 4개의 클래스와 33개의 속성으로 구성된 Case 2-2에서 11개의 클래스와 52개의 속성이 추가, 삭제 및 변경되었다. Case 1에서는 소규모의 속성 변화가 있었으나, Case 2에서는 다수의 클래스와 속성의 추가, 변경, 삭제되는 결과를 확인할 수 있었다. 이는 모델변경에 대한 비교를 자동화하고 체계적인 관리방안으로 활용하는 본 연구에서 제시한 방법이 관리자의 오류를 방지하여 ADMS에서 상호운용성 확보를 위한 방법으로 사용 가능함을 보여준다.