IEC 61850 Sampled Value 기술이란?

IEC 61850 Sampled Values (SV) 기술은 디지털 변전소의 핵심 요소로, 아날로그 신호를 디지털로 변환하여 이더넷 네트워크를 통해 전송하는 방식을 말합니다. 이 기술을 활용한 제품과 기대 효과, 그리고 데이터 분석 기능에 대해 자세히 알아보겠습니다.

1. IEC 61850 SV 기능 활용 제품 및 사용 분야

현재 IEC 61850 SV 기능을 활용한 제품들은 주로 디지털 변전소 자동화 시스템의 프로세스 버스(Process Bus) 환경에서 활발하게 사용되고 있습니다.

• 주요 제품:
  • Merging Unit (MU): 변류기(CT)나 전압 변성기(VT)에서 받은 아날로그 신호를 IEC 61850-9-2 표준에 따라 디지털 SV 메시지로 변환하여 이더넷 네트워크로 전송하는 장치입니다. 지멘스(Siemens)와 같은 여러 주요 제조업체에서 공급하고 있습니다.
  • 보호 계전기 (Protection Relays): 이더넷 네트워크로부터 SV 메시지를 수신하여 전력 계통의 보호 및 제어 로직을 수행합니다. 예를 들어, Siemens의 SIPROTEC 5 시리즈는 SV를 직접 처리할 수 있습니다.
  • 디지털 고장 기록 장치 (Digital Fault Recorders, DFR): 기존의 아날로그 입력 대신 SV 데이터를 직접 수신하여 고장 분석 및 전력 품질 모니터링을 수행합니다.
  • 스마트 변전소 제어 및 보호 장치: ABB의 SSC600과 같은 중앙 집중식 장치는 여러 IED의 기능을 통합하고 프로세스 버스를 통해 SV 데이터를 수신하여 변전소 전체를 보호하고 제어합니다.
• 주요 사용 분야:
  • 변전소 자동화: 변전소 내의 기기 간 통신을 디지털화하여 시스템의 효율성과 신뢰성을 높입니다.
  • 보호 및 제어 시스템: 실시간으로 디지털화된 전압, 전류 값을 기반으로 빠르고 정확한 보호 동작을 수행합니다.
  • 전력 품질 모니터링: 고해상도의 샘플링 데이터를 분석하여 전압 새그(Sag), 스웰(Swell), 고조파 등 다양한 전력 품질 문제를 정밀하게 분석합니다.

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2. IED에 SV 기능 적용 시 기대 효과

전력기기(IED)에 IEC 61850 SV 기능을 적용하면 다음과 같은 상당한 이점을 기대할 수 있습니다.

• 배선 비용 및 복잡성 감소: 전통적인 구리선 케이블 대신 광섬유 이더넷 케이블을 사용하게 됩니다. 이로 인해 수많은 아날로그 배선이 사라져 설계, 설치, 시운전 및 유지보수 비용이 획기적으로 절감됩니다.
• 안전성 향상: 위험한 고전압, 대전류가 제어반으로 직접 들어오지 않으므로 작업자의 안전이 크게 향상됩니다. 또한, 광케이블을 사용하므로 전기적 노이즈(EMI)의 영향을 받지 않아 신호의 정확성이 높아집니다.
• 설치 공간 감소: 아날로그 입력 카드와 배선을 위한 공간이 필요 없어지므로 IED와 제어반의 크기를 줄일 수 있습니다. 이는 특히 공간이 제한적인 기존 변전소의 설비를 교체할 때 큰 장점이 됩니다.
• 유연성 및 확장성 증대: 시스템 구성 변경 시 물리적인 배선을 다시 할 필요 없이 소프트웨어 설정 변경만으로 데이터 흐름을 바꿀 수 있습니다. 새로운 IED를 추가하거나 기능을 확장하기가 매우 용이해집니다.
• 데이터 활용도 향상: 하나의 Merging Unit에서 생성된 SV 데이터는 네트워크를 통해 여러 IED(보호, 감시, 제어, 분석 장치 등)에서 동시에 사용할 수 있어 데이터의 활용 가치를 극대화할 수 있습니다.

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3. SV 데이터 분석 기능 개발 시 필요 기능 리스트

IEC 61850 Sampled Value 데이터를 분석하는 기능을 개발한다면, 다음과 같은 기능들이 필수적으로 요구될 것입니다.

기능 카테고리	세부 기능 리스트	설명
실시간 데이터 수집 및 시각화	- SV 패킷 수신 및 디코딩 - 실시간 파형 모니터링 (전압, 전류) - 벡터 다이어그램(Phasor Diagram) 표시	네트워크로부터 SV 스트림을 실시간으로 수신하여 파형과 위상 관계를 직관적으로 볼 수 있게 합니다.
전력 품질 분석	- 고조파(Harmonics) 분석 (THD, 개별 차수 분석) - 전압 변동(Flicker, Sag, Swell, Interruption) 감지 - 주파수 변동 분석	고속으로 샘플링된 데이터를 기반으로 다양한 전력 품질 지표를 정밀하게 계산하고 분석합니다.
계통 안정도 분석	- 동기위상(Synchrophasor) 측정 및 분석 - 위상각 차이(Phase Angle Difference) 모니터링 - 저주파 동요(Low-Frequency Oscillation) 검출	GPS 등과 연동하여 시간 동기화된 데이터를 분석함으로써 광역 전력 시스템의 안정도를 평가합니다.
고장 분석 및 이벤트 기록	- 고장 발생 시점의 파형 데이터 저장 (Triggering 기능) - 고장 위치 추정(Fault Location) 알고리즘 - 이벤트 순서 기록(Sequence of Events, SOE)	과전류, 저전압 등 특정 조건이 만족될 때의 데이터를 자동으로 기록하여 고장 원인을 신속하게 분석할 수 있도록 돕습니다.
데이터 관리 및 보고	- COMTRADE 형식 등 표준 파일 형식으로 데이터 내보내기 - 장기간 데이터 저장 및 통계 분석 - 사용자 정의 보고서 생성 기능	분석 결과를 표준화된 형식으로 저장하고, 장기적인 추이 분석 및 보고서 작성을 지원합니다.
시스템 설정 및 진단	- 네트워크 구성 및 SV 스트림 설정 - 데이터 품질 진단 (누락 패킷, 타임스탬프 오류 등) - 통신 상태 모니터링	분석 시스템 자체의 설정과 SV 데이터의 무결성을 진단하고 관리하는 기능입니다.

이러한 기능들은 전력 시스템의 신뢰성과 안정성을 높이고, 문제 발생 시 신속하게 대응하는 데 핵심적인 역할을 할 것입니다.

이 비디오는 IEC 61850의 기본 개념 중 하나인 Sampled Values에 대해 설명하며, 디지털 변전소에서의 역할과 구성을 이해하는 데 도움을 줄 수 있습니다.IEC 61850 심층 분석: 샘플링된 값

 

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1. IEC 61850 SV 활용 제품 및 사용 분야

현재 다수의 제품이 있으며 활발하게 사용되고 있습니다.

• 주요 제품: 머징 유닛 (Merging Unit, MU)
  • IEC 61850 SV 기능을 구현하는 가장 대표적인 장치입니다.
  • 변전소 현장(Primary)의 **CT(변류기) 및 VT(전압 변압기)**로부터 아날로그 전압/전류 신호를 받아, 이를 디지털 데이터(SV)로 변환하여 이더넷 네트워크로 전송하는 역할을 합니다.
  • 최근에는 아날로그 신호를 입력받는 MU 외에도, NCIT(Non-Conventional Instrument Transformer)라 불리는 광학식 CT/VT와 직접 연결되어 디지털 신호를 받는 MU도 사용됩니다.
• 주요 사용 분야: 디지털 변전소 (Digital Substation)의 '프로세스 버스 (Process Bus)'
  • **프로세스 버스(Process Bus)**는 변전소의 1차측 설비(CT/VT, 차단기 등)와 2차측 설비(보호/제어 IED) 간의 통신 네트워크를 의미하며, IEC 61850-9-2(SV) 표준을 기반으로 합니다.
  • 기존 변전소에서는 CT/VT에서 계측된 아날로그 신호를 두꺼운 구리 케이블로 제어실의 보호반(IED)까지 직접 연결했습니다.
  • 디지털 변전소에서는 현장에 Merging Unit을 설치하여 아날로그 신호를 SV로 변환하고, 이를 **광케이블(이더넷)**을 통해 여러 보호 IED(보호 계전기 등)에 전송합니다.
  • 즉, SV는 '디지털 변전소의 아날로그 신호 전송'을 담당하는 핵심 기술입니다.

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2. IEC 61850 SV 적용 시 기대 효과

IED(지능형 전력기기, 예: 보호 계전기)가 SV를 직접 수신하여 처리할 경우 다음과 같은 효과를 기대할 수 있습니다.

• 경제성 (비용 절감)
  • 구리 케이블 대체: 가장 큰 효과입니다. CT/VT에서 제어실까지 수백 미터에 달하는 값비싸고 무거운 구리 케이블 대신, 저렴하고 가벼운 광케이블을 사용하게 됩니다.
  • 설치 및 시공 비용 감소: 케이블 포설, 트렌치 공사 등에 드는 막대한 토목/건축 비용과 인건비가 획기적으로 줄어듭니다.
• 안전성 향상
  • 전기적 위험 제거: 제어실 보호반 패널 뒷면에 더 이상 CT 2차측의 고전류 또는 VT의 고전압 회로가 존재하지 않게 됩니다. 이는 유지보수 작업자의 감전 및 안전사고 위험을 원천적으로 차단합니다.
  • CT 개방 위험 해소: 기존 CT 회로의 유지보수 시 발생할 수 있는 'CT 2차측 개방'으로 인한 설비 소손 및 안전사고 위험이 사라집니다.
• 유연성 및 확장성 증대
  • 데이터 공유 용이: 하나의 MU가 생성한 SV 데이터(예: A상 전류)를 네트워크에 연결된 다수의 IED (주보호, 후비보호, 미터링 장치 등)가 동시에 구독(Subscribe)하여 사용할 수 있습니다.
  • 설계 변경 용이: 기존에는 계전기 추가 시 CT 회로부터 다시 연결해야 했지만, SV 환경에서는 네트워크에 IED를 추가하고 SV 스트림을 구독하도록 설정만 변경하면 됩니다.
• 신뢰성 및 정확도 향상
  • 노이즈 저항성: 아날로그 신호는 장거리 전송 시 노이즈나 신호 왜곡에 취약하지만, 디지털 광통신(SV)은 이러한 외부 간섭에 매우 강합니다.
  • 정밀 시각 동기: PTP(IEEE 1588)와 같은 정밀 시각 동기 기술을 사용하여 변전소 내 모든 IED가 마이크로초(µs) 단위로 동일한 시간에 샘플링된 데이터를 사용하므로, 데이터의 일관성과 정확도가 높아집니다.

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3. IEC 61850 SV 데이터 분석 기능 리스트

만약 SV 데이터를 분석하는 소프트웨어나 장치를 개발한다면, 다음과 같은 기능들이 필수적으로 요구됩니다.

• 1. SV 스트림 수신 및 디코딩 (기본 기능)
  • 실시간 패킷 캡처: 네트워크 인터페이스(NIC)를 통해 SV (IEC 61850-9-2LE) 및 관련 프로토콜(GOOSE, PTP) 패킷을 실시간으로 캡처해야 합니다.
  • 프로토콜 디코딩: 캡처된 이더넷 프레임을 파싱(Parsing)하여 SV 페이로드(Payload)에 담긴 전압, 전류 샘플 값(정수형)과 품질(Quality) 플래그, 샘플 카운트(smpCnt) 등을 해석해야 합니다.
  • SCL(SCD) 파일 연동: 변전소 구성 파일(.SCD)을 임포트하여, 특정 SV 스트림(AppID, MAC 주소 기준)이 어떤 CT/VT에서 온 데이터인지 식별하고 공학 단위(A, V)로 변환하는 기능이 필요합니다.
• 2. SV 스트림 상태 및 건전성 분석 (진단 기능)
  • 샘플 카운트(smpCnt) 모니터링: smpCnt 값이 순차적으로 증가하는지 감시하여 패킷 손실(Packet Loss) 여부를 실시간으로 탐지해야 합니다.
  • 데이터 품질(Quality) 플래그 감시: SV 데이터에 포함된 품질 비트를 분석하여, MU나 CT/VT 자체의 이상 상태(예: Test 모드, 유효하지 않은 값)를 탐지해야 합니다.
  • 타임스탬프 및 동기화 분석: PTP(IEEE 1588) 동기화 상태를 모니터링하고, SV 패킷의 타임스탬프를 분석하여 **데이터 지연(Latency)이나 지터(Jitter)**가 허용 범위 내에 있는지 확인해야 합니다.
  • 스트림 유효성 검사: 구성(SCL) 파일에 정의된 대로 SV 스트림이 정확한 주기(예: 4kHz)와 사양으로 전송되고 있는지 검증해야 합니다.
• 3. 전력 계측 및 분석 (분석 기능)
  • 실시간 파형(Waveform) 표시: 수신된 샘플 값(V, I)을 이용해 실시간으로 전압/전류 파형을 오실로스코프처럼 시각화합니다.
  • 페이저(Phasor) 연산 및 표시: 파형 데이터를 기반으로 전압/전류의 크기(Magnitude)와 위상(Angle)을 계산하고, 이를 페이저 다이어그램으로 시각화합니다.
  • 주파수 및 전력(P, Q, S) 계산: 실시간 주파수, 유효 전력(P), 무효 전력(Q), 피상 전력(S)을 연산하여 표시합니다.
  • 전력 품질(Power Quality) 분석: 고조파(Harmonics, THD), 플리커(Flicker), 전압 변동(Sag/Swell) 등 전력 품질 지표를 분석하는 기능을 추가할 수 있습니다.
• 4. 이벤트 기록 및 저장 (기록 기능)
  • 트리거(Trigger) 기능: 특정 조건(예: 과전류, 저전압, 패킷 손실)이 발생했을 때를 '이벤트'로 정의하고, 이벤트 발생 전후의 SV 데이터를 자동으로 저장해야 합니다 (디지털 고장 기록(DFR) 기능과 유사).
  • 데이터 로깅 및 재생: 수신된 SV 데이터를 PCAP 또는 COMTRADE와 같은 표준 형식으로 저장하고, 저장된 파일을 다시 불러와 재생(Playback) 및 분석할 수 있어야 합니다.

이러한 기능들은 디지털 변전소의 시운전, 유지보수, 고장 분석 시 매우 중요하게 사용됩니다.