전기연구원, 스마트 그리드 분산전원 핵심 연계 기술 개발

IEC 61850 기반 태양광 발전시스템 인터페이스 기술 확보

이 서 윤 기자

분산전원 보급확대에 기여할 것!

이번 기술개발은 한국전기연구원(이하 KERI) 스마트배전연구센터가 자체 기본사업인 ‘IEC 61850 기반 분산전원 인터페이스 기술개발’ 과제수행을 통한 것이다. IEC 61850은 스마트 그리드의 다양한 영역(전력생산, 송전, 배전, 태양광, 풍력, 전기자동차, 저장, 스마트홈)에서 사용되는 지능형 전자장치(IED)의 통신을 위한 핵심적인 국제 표준이다.

현재 전력설비들의 인터페이스 규격으로서 IEC 61850 표준을 적용하는 관련 규격 및 규정이 늘어나고 있다. 국내에서는 대기업을 중심으로 관련 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. IEC 61850은 다양한 성능과 기능을 가지는 설비들의 인터페이스에 대한 포괄적인 내용에 관해 언급하고 있어 그 내용이 매우 방대하고 복잡하다.

분산전원을 생산하는 기업들이 이를 분석하고 구현하는 것이 현실적으로 대단히 어려울 수밖에 없다.

KERI 연구팀은 이러한 현실을 반영해 분산전원을 생산하는 기업이 국제적인 표준을 요구하는 여러 가지 환경과 조건에서 분산전원을 손쉽게 상위 시스템과 접속하도록 하는 해당 기술을 개발했다. 해당 기술을 이용하면 분산전원이 IEC 61850 기반의 인터페이스를 가지는 서버 혹은 클라이언트들과 정보교환을 할 수 있도록 해준다. 분산전원과의 접속은 직렬(Serial) 통신 방식을 기본으로 하며, 분산전원이 제공하는 다양한 방법에 맞춰서 주문 제작이 가능하다.

개발된 기술은 작고 저렴한 상용 임베디드 모듈을 이용해 구현됐다. 특히, 분산전원의 접속 및 운전과 더불어 전체 분산전원 시스템의 재구성을 자동으로 수행하는 ‘플러그 앤 플레이(PnP)’ 기능을 포함하고 있다는 점이 큰 특징이다.

분산전원이 PnP 기능을 이용해 손쉽게 상위 운영시스템과 연계돼 운전할 수 있도록 한 것은 아직 국제적으로 가장 앞선 기술력을 자랑하는 기업에서도 기술개발 보고가 없는 세계 최초의 기술이다.

개발된 분산전원의 인터페이스는 IEC 61850 국제 표준 규격의 적합성을 시험하는 ‘국제공인 Level A 인증시험기관’에서 적합성 시험까지 마쳐서 상품화에 필요한 시간과 비용을 최소화한 것도 큰 장점이다.

스마트배전연구센터 이재덕 책임연구원은 “이번에 개발한 분산전원의 인터페이스는 우선 태양광발전 시스템을 목표로 개발됐으며, 현재 마이크로그리드 테스트 베드에 연계해 실증 운전 중”이라며, “향후 접속하고자 하는 분산전원들의 데이터 모델을 변경하면 풍력 발전, 에너지 저장장치 등 다양한 분산전원의 인터페이스로 적용 가능하며 분산전원 보급 확대에 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 설명했다.

KERI 스마트배전연구센터는 현재 자체 보유한 실증 시험장에서 개발된 IEC 61850 인터페이스를 상용 태양광발전 시스템에 적용해 그 성능을 실증하고 있다. 향후 기술이전을 통해 우리나라의 분산전원 생산 기업들의 기술경쟁력 제고와 분산전원 관련 산업 성장에 기여할 것으로 전망된다.

전력설비 지능화를 위한 인터페이스 표준 제정 가속화

한편, 이번 연구는 전력설비 지능화를 위한 인터페이스의 표준 제정이 가속화되고 있는 가운데 전력설비 인터페이스의 국제 표준으로 등장한 IEC 61850 인터페이스를 적용한 태양광발전 시스템 연구에 착수했다.

IEC 61850은 기존의 변전소 자동화를 위한 전력설비 인터페이스(IEC 61850)에서 변전소간 인터페이스(IEC 61850-90-1), 상위시스템과 변전소간의 인터페이스(IEC 61850-80-1), 풍력발전 관련 설비 인터페이스(IEC 61400-25), 수력발전 설비 인터페이스(IEC 61850-7-410), 분산전원 인터페이스(IEC 61850-7-420)의 표준으로 적용 영역이 확대돼 왔으며 AMI 매핑 모델(IEC 61850-80-4), 진단(IEC 61850-90-3), 배전자동화(IEC 61850-90-6), PMU 인터페이스(IEC 61850-90-5), 인버터 기반 분산전원(IEC 61850-90-7), 전기자동차(IEC 61850-90-9), FACTS (IEC 61850-90-14), 그리고 가장 최근에 발표된 전기품질 정보 모델 (IEC 61850-90-17) 등 전력 설비의 전 분야로 확대 적용되고 있다.

국내의 IEC 61850 관련 기술은 차세대 지능형 변전소의 송전·배전 보호 IED나 머징 유닛, IEC 61850 게이트웨이 등 디지털 변전소의 솔루션을 제공하는 연구에 집중하고 있으며, 신재생에너지나 분산전원으로 확대돼가는 국제적 추세에 대응하지 못하고 있는 실정으로 IEC 61850 기반의 통신 시스템을 구현하기 위해서는 관련 표준에 대한 상당한 사전지식을 필요로 하고 전체 네트워크 설계를 위한 엔지니어링 절차 습득 및 이해도 필요함에 따라 IEC 61850 기술 개발에 많은 시간과 비용이 투입되어야 하는 문제점이 있다.

이번 연구는 이러한 문제점을 해결하고자 분산전원에 IEC 61850 기반의 표준 인터페이스를 제공하는 기술을 개발하고 보다 손쉽게 원격 접속 및 감시제어가 가능하도록 하고자 했으며 세계 최초로 Plug & Play 기능을 개발하고 이를 실증하고자 했다.

연구 내용은 IEC 61850 표준 규격 검토 분석 및 관련 기술 습득, IEC 61850-7-420 분산전원 관련 규격 분석 및 데이터 모델 적용, IEC 61850-7-420 모델 적용 태양광 발전 시스템 접속, 운전과 실증, IEC 61850 개발 환경 구축(MS Windows, 임베디드 리눅스 기반), 분산전원 인터페이스용 인터페이스 개발, 기능 시험을 위한 client 프로그램 개발, IEC 61850 통신 적합성 시험, Plug & Play 기능 구현 등이다.

이번 연구를 통해 개발된 태양광발전 시스템 인터페이스는 적용할 분산전원 모델을 교체함으로써 다양한 신재생 분산전원들의 인터페이스로 변경 가능하므로 분산전원 보급확대에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

분산전원 보급확대는 대규모 발전소의 증설을 늦추는 효과와 함께 효율적 전력 사용에 기여할 것으로 기대외며, 특히 IEC 61850은 스마트 그리드 구현을 위한 핵심적인 국제 통신 표준으로서 이번 과제에서의 개발 내용은 분산전원 보급 확대뿐만 아니라 타 시스템과의 연계에 의해 다양한 목적의 스마트 그리드 감시제어 시스템에 활용될 수 있을 것으로 보인다. 또한, 개발된 IEC 61850 기반 분산전원 인터페이스는 에너지저장장치, 풍력발전 시스템 등 다양한 분산전원에 확대 적용될 예정으로 전 산업계에 관련 기술 확산이 기대된다.

IEC 61850 표준란?

‘IEC 61850 표준’은 원래 변전소에 설치되는 다양한 전력설비들 간의 정보 교환과 상호 운용성 확보를 위해 마련된 국제 통신 표준이다. 그러나 점차 그 적용범위가 확대되어 분산전원을 비롯한 대부분의 전력설비들의 인터페이스를 위한 국제 표준으로 자리매김하고 있다. 또한 그 적용범위는 계속 확대 중이며, 스마트 그리드 실현을 위한 가장 핵심적인 국제 통신 표준이다.

플러그 앤 플레이(PnP)란?

플러그 앤 플레이(Plug & Play : PnP)는 꽂아서(Plug) 바로 사용(Play)한다는 뜻으로 어떤 시스템에 주변기기를 추가할 때 별도의 물리적인 설정을 하지 않아도 설치만 하면 그대로 사용할 수 있도록 하는 기능을 말한다. IEC 61850 기반의 통신 시스템은 기본적으로 오프라인 설계를 바탕으로 시스템을 구성한다.

하지만 다양한 분산전원이 투입 또는 차단되는 스마트 그리드 환경에서는 고정된 오프라인 시스템 설계의 한계가 있으며 필연적으로 동적 구성이 가능한 시스템 구성 기술을 필요로 하는데 플러그 앤 플레이 기술이 그 요구를 충족한다.

개발된 분산전원의 플러그 앤 플레이 기술은 새로운 분산전원이 연결될 경우 자동으로 장치가 인식되고, 인식된 장치에 주소를 할당하고, 그 주소를 이용해 운전에 필요한 환경설정을 함으로써 기존 장치와 새로 추가된 장치들이 자동으로 동작할 수 있도록 하는 기술이다.

“세계시장에서 기술력 및 고부가가치 인정받을 것”

이번 성과의 차별성은 무엇인가?

태양광발전 시스템 인터페이스를 전력설비 인터페이스의 국제 표준인 IEC 61850 규격에 따라 국내 최초로 구현하고 전기연구원의 마이크로그리드 실증 시험장에서 시험했으며, 세계 최초로 IEC 61850 기반 분산전원의 Plug & Play 기능을 구현했다.

연구를 시작한 계기는?

IEC 61850은 신재생 분산전원을 포함하는 모든 전력설비의 표준 인터페이스로 확장되고 있다. 이에 따라서 분산전원의 개발사들 표준을 따를 수밖에 없는 실정이나 표준의 내용이 방대하고 구현이 어려워 이를 해결할 필요가 있다고 판단했다.

연구결과물의 사용 및 적용처는?

태양광발전 시스템의 상위시스템 연계, 태양광발전 시스템 간의 연계 등 다양한 인터페이스 목적으로 사용한다. 국제 표준에 따라 기능이 구현됐기 때문에 국내외 다양한 태양광발전사에서 적용 가능할 것으로 기대된다.

또한 풍력발전, 에너지저장장치 등 다양한 분산전원들도 데이터 모델을 교체함으로써 손쉽게 IEC 61850 표준의 통신을 할 수 있게 된다.

실용화까지 소요시간은?

태양광 발전용 인터페이스는 통신 적합성 시험과 마이크로그리드 실증시험을 완료해 실용화를 위한 추가 개발이 필요하지 않다.

태양광발전 이외의 분산 전원들의 경우 데이터 모델 변경에 따른 상세 기능 구현과 실증 시험에 약 6개월의 시간이 요구된다.

연구 에피소드가 있다면?

IEC 61850의 적용 분야는 연구진이 당초 예상했던 범위를 뛰어넘어 수용가 설비까지도 확산되고 있다. 이에 따라 많은 설비들의 인터페이스를 정의하는 기준 및 규정으로도 국제 표준 인터페이스를 적용하도록 할 가능성이 커진 상태이다. 더불어 상호 운용성에 대한 관심과 연구개발도 활성화되고 있다.

향후 꼭 이루고자 하는 목표는?

기술이전 및 상용화를 완료해 국내 및 세계시장에서 기술력 인정과 고부가가치를 창출하는 것을 목표로 한다.

SOLAR TODAY 이 서 윤 기자 (editor@infothe.com)