발전소 통신망의 응용 메세지 규약 및 현황

정보통신에 관한 인식의 변화와 반도체 및 광전송 등 소자기술의 발달로 통신 전 분야에 걸친 큰 변화가 일어나고 있다. 이러한 변화에 따라서 발전 시설 및 발전소 내부에서도 유/무선 통신 기반의 메시지 교환 서비스에 대한 요구가 늘어나고 이에 따른 신뢰성 있는 통신망 기술이 필요해 지게 되었다.
글_ 김동성 교수, 금오공대 전자공학부 (dskim@kumoh.ac.kr)
1. 서론
정보통신에 관한 인식의 변화와 반도체 및 광전송 등 소자기술의 발달로 통신 전 분야에 걸친 큰 변화가 일어나고 있다. 이러한 변화에 따라서 발전 시설 및 발전소 내부에서도 유/무선 통신 기반의 메시지 교환 서비스에 대한 요구가 늘어나고 이에 따른 신뢰성 있는 통신망 기술이 필요해 지게 되었다.
발전 시설의 상위 통신망 기술들은 대단위 발전소 단지 내의 신뢰성 있는 통신과 다른 발전시설간과의 통신, 화상 회의와 같은 멀티미디어 서비스 등에 폭 넓게 적용된다. 다양한 분산 제어 스테이션들이 산재한 발전소 내부의 통신망 요구 사항을 보면 이를 실시간으로 신뢰성 있게 처리할 망 기술이 필요하다는 쉽게 알 수 있다.
본 원고에서는 최근 국제 표준으로 사용되는 발전 및 에너지 관련 시설을 위한 통신 규약의 상위 메시지 규약을 살펴보고 그 현황에 대해서 알아본다.
2. 발전 시설용 통신망 규약 (ICCP/TASE.2)의 이해
실시간 정보교환은 발전 시설간 및 발전소 내부에서 상호 연결된 시스템에서 중요한 부분을 차지하는 요소이다. 이러한 환경을 위해서 국제적으로는 IEC(International Electrotechnical Commission) 의 TASE.2(Telecontrol Application Service Element Two)로 알려진 ICCP(Inter Control Center Protocol)[1]는 미국의 발전소 관련기구와 미국 전력연구소(EPRI; Electric Power Research Institute)가 주축으로 해서 만든 발전소용 메시지 규약이다.
ICCP와 TASE.2는 기술적으로 볼 때 국제표준화기구(ISO; International Organization for standardization)의 생산메세지 규약(MMS; Manufacturing Message Specification)[2][3]의 API 기능이 강화된 MMS 부가 표준안으로 볼 수 있다. MMS 표준은 기본 표준안인 ISO 9506-1, 2와 부가표준안인 ISO 9506-3, 4, 5, 6으로 이루어져 있다. 대표적 필드버스 포로토콜인 프로피 버스의 FMS나 FIP의 응용 메시지 규약이 MMS의 또 다른 부가 표준안의 형태인 것과 유사하다고 볼 수 있다.
수력, 원자력, 화력 등의 전기 발전 관련 및 에너지 산업에 관련된 산업 기기 제작 관계사와 관련 기관들이 실시간 데이터 교환 및 정보 모델링을 위한 TASE.2를 표준안으로 선택하는 것에 있어서 합의했다. 미국에서는 TASE.2가 ICCP로 통하고 있으며 EPRI의 전력관련 통신 규격(Utility Communication Architecture)의 실질적인 첫 결과물이 되었다. 개방성을 제공하고 유연성을 가진 국제 생산 메시지 규약 기반의 TASE.2의 객체 모델은 응용층의 프로토콜과 독립적으로 이루어지기 때문에 미래의 보수 및 확장에 많은 장점들을 가지고 있다.
3. UCA 규격의 이해
UCA(Utility Communications Architecture)는 미국의 EPRI(Electric Power Research Institute)에서 만들어진 발전소용 표준 통신망 구조이며 UCA의 응용 계층 규격의 일부로 MMS가 사용되고 있다. UCA는 7계층 구조와 3계층 구조의 두가지로 나누어질 수 있다[1][2].
가. 7계층 구조의 UCA 규격
UCA의 7계층 구조 규격은 OSI 모형에 기초한다. 일곱개의 각 계층에서는 적당한 규약들이 지정된다. 하나의 계층에 대해 여러개의 규약들 중 하나를 선택할 수 있기 때문에 규약들의 조합이 다양하게 구현될 수 있다.
일곱개의 계층 중 최상위의 계층은 응용 계층이다. 이 계층은 일곱개의 계층중 규약에 대한 선택의 폭이 넓다. UCA의 경우에는 MHS 1984를 제외하고는 모든 규약들이 ACSE, 연결지향 표현, 그리고 연결지향 세션을 이용한다. 따라서 UCA에서 세션, 표현, 응용 계층을 구성하는 규약들은 그림 1과 같이 조합될 수 있다.
UCA의 전송 계층의 기본적인 규약은 TP4(ISO Transport Class 4)이고 망 계층의 기본적인 규약은 CNLP(ISO Connectionless Network Protocol)이다. 이것은 그림 1에 잘 나타나 있다.
나. 3계층 구조의 UCA 규격
UCA의 3계층 구조는 위의 7계층에서 응용 계층, 데이터 링크 계층, 그리고 물리 계층만을 사용한다. 이 3계층 구조는 실시간이 요구되는 산업용 제어망인 필드버스망에서 현재 많이 사용된다.
근거리 통신망(LAN)에서 사용되는 3계층 구조는 MMS(Manufacturing Message Specification)와 LLC(Logical Link Control), 그리고 매체를 다루는 규약으로 이루어진다. 매체를 다루는 규약은 CSMA/CD, 토큰 버스(token bus), 또는 토큰 링(token ring)이다. 3계층 구조는 그림 2에 잘 나타나 있다.
3계층 구조에서 데이터 링크 계층과 물리 계층에 대한 규격은 다음의 몇가지를 제외하면 7계층 구조에서와 같다.
◆ LLC의 경우 유형 1 뿐만아니라 유형 3까지 지원된다. 이는 ISO 8802/2에 지정되어 있다.
◆ FDDI는 3계층 구조에서는 지원되지 않는다.
◆ 예외 조건을 검출하기 위하여 전송하는 LLC는 MMS 표준내에 정의된 MMPM(Manufacturing Message Protocol Machine)에게 상태를 알려주어야 한다.
다. UCA에서의 MMS 사용
MMS는 UCA에서 응용계층을 구성하는 규격중의 하나로 사용되고 있다. MMS는 7계층과 3계층 UCA에 모두 사용되고 있으며 주 컴퓨터와 지능형 제어기 사이의 통신을 담당하고 있다. EPRI에서 발행한 UCA관련 보고서에는 MMS를 사용한 UCA의 예를 그림 3과 같이 들고 있다. 이 그림에서 제어기A와 B는 7계층 UCA와 MMS를 사용해서 주 컴퓨터와 통신을 한다. 그러나 제어기B는 3계층 UCA를 사용하는 MMS 통신도 지원하도록 되어 있어 좀더 단순한 시스템인 제어기C, D와 통신을 하는 경우에도 MMS를 사용하고 있다.
UCA의 응용 중에서 MMS를 사용하는 분야와 그 분야에서의 MMS의 역할을 살펴보면 다음과 같다.
– 제어 센터(control center) 분야
다양한 장치들을 감시하고 제어하며 실시간 데이터들을 교환하는 기능을 제공하여 전압이나 VAR을 제어한다든지, 전력 시스템을 감시하고 제어한다든지 전력이 모자랄 경우에 자동으로 전력을 생산하도록 하는 시스템에 사용된다.
– 발전소(power plant) 분야
발전소의 기기들을 원격으로 감시하고 제어할 수 있는 기능을 제공하여 발전소를 감시하고 제어한다든지, 운전 환경을 감시한다든지, 원자력 발전소에서 방사능 누출을 감시하는데 사용되고 있다.
– 송전(transmission) 분야
변전소나 고압 송전선 상의 장치들을 감시하고 제어하는 기능을 제공하여 차단기나 스위치의 상태를 감시하거나 선로의 부하를 감시하고, 부하의 흐름을 제어하는 곳에 사용된다.
– 배전(distribution automation) 분야
배전용 변전소나 배전망의 장치들을 감시하고 제어하는 기능을 제공하여 부하의 분배, 시스템의 재설정, 전압이나 VAR의 제어등에 사용된다.
– 고객 관련(customer interface) 분야
제어와 감시 및 간단한 파일 전송 서비스를 지원하여 부하를 제어하거나, 원격으로 사용량을 측정하거나 정전의 검출등을 담당한다.
3. ICCP(간소화된 국제생산메세지 규약)
제어센터(control center)란 하나이상의 공장에 대해서 작업과정을 감시하고 결과를 예측하고 공정을 스케쥴링하는 시스템들의 집합을 말한다. 이런 제어센터들은 여러개의 LAN에 접속되어 있어서 작업에 필요한 정보들을 얻기도 하지만 멀리 있는 다른 제어센터들과 필요한 정보들을 교환하기 위하여 상호 접속되기도 한다. 이러한 접속을 위해 생산 공정에서 많이 사용되는 응용계층의 규약으로 MMS가 있다. 그러나 MMS는 범용의 생산 메시지 규격이므로 여기에서 제공되는 서비스를 사용하기 위해서는 응용프로그램을 제작하는 사람이 MMS의 각종 서비스에 대해서 많은 것을 알아야 한다. 그러므로 이러한 불편을 없애기 위해서 전력산업 통신 규약(Utility Communication Specification) 워킹 그룹에서 MMS의 특정한 서비스들만을 모아 그 기능을 이용하여 제어센터들 사이의 통신을 위해 필요한 서비스들을 정의한 것이 ICCP(Inter-Control Center Communication Protocol)이다[3].
ICCP는 기본적으로 MMS의 클라이언트/서버 모델을 가정하고 있다. ICCP에서의 서비스는 스테이션이 서버로 동작할 경우에는 실행모듈(action), 클라이언트로 동작할 경우에는 동작모듈(operation)이라고 한다. 그러므로 응용프로그램의 작성자는 동작모듈의 사용법만을 잘 알면 된다. 실행은 ICCP를 구현하는 쪽에서 적당한 메커니즘을 제공한다. ICCP에서는 제어센터들간의 통신을 위해 필요한 8종류 31개의 동작모듈 들을 제공한다. 각 동작모듈 들은 해당하는 서버측의 실행모듈이 정해져 있다. 각 동작모듈과 실행모듈에서 하나이상의 MMS 서비스들을 이용한다. 예를 들면, 데이터값 가져오기(Get Data Value)나 기기선택(Select Device)라는 동작모듈과 이것들의 실행모듈은 MMS의 읽기 서비스만을 적절히 사용한다. 그러나 동작기기(Operate Device)와 같은 동작 모은 MMS의 쓰기 서비스를 사용하고 실행모듈에서는 쓰기 서비스와 사건 통지 서비스를 사용하여 구현한다.
4. 결론
최근 들어 발전 설비 규격의 상위 표준으로 MMS가 사용됨으로써 UCA및 ICCP/TASE.2 관련 발전 설비 및 관련 업체들은 MMS 기반의 응용 프로그램 및 관련 통신 기기 개발에 많은 관심을 가지게 되었다.
국외에서는 이미 사이클사와 시스코사가 오랜 기간 동안 국제생산메세지 규격인 MMS 개발 툴 및 소스 코드를 판매하고 있으며, 이를 이용해 최근에는 UCA관련 툴 및 다양한 ICCP용 소프트웨어 패키지 및 개발 툴을 국내 라이센스 업체를 통해 판매하고 있다.
국내에서는 서울대학교의 제어정보시스템 연구실에서 SNU-MMS[6]를 개발하여 공장 자동화용 응용 패키지 개발에 사용하였으며, 이를 이용해 ICCP를 구현하는 것이 가능하도록 되어 있다. 특히 3계층 구조의 경우는 국제 생산 메시지 규약을 추가적 변경 없이 사용할 수 있어 발전시설 관련 업체 및 관련 기관에서 ICCP 국산화에 활용할 수가 있다. 이를 이용한다면 ICCP 관련 장비 및 응용 소프트웨어 개발의 용이하게 이루어질 수 있다.
향후 10년간 발전소 관련 메시지 표준과 관련 소프트웨어 및 유무선 통신 장비는 발전소 설비의 IT화와 함께 빠르게 발전되리라고 본다. 이미 산업 현장에서 경험한 것처럼 오피스용 고속 이더넷 기술 및 무선 기술이 신뢰성이 추가된 형태로 공장 자동화용 장비, 무인 기차 및 선박 통신 기술에 이용 되어져 왔다. 이제 산업 현장에서 검증된 고신뢰성 통신 기술들이 다양한 검증 과정 및 개발을 통해 발전 설비에도 적용될 것이다.
< 참 고 문 헌>
[1]EPRI, “Fundamentals of Utilities Communication Architecture”, IEEE Computer Applications in Power, pp.15-21 vol.14, No.3, July, 2001
[2]ISO 9506-1: Industrial automation systems – Manufacturing Message Specification – Part1 : Service definition, 2004
[3]ISO 9506-2: Industrial automation systems – Manufacturing Message Specification – Part2 : Protocol specification, 2004
[4]Lee, S.T., “The EPRI common information model for operation and planning”, IEEE Power Engineering Society Summer Meeting, pp. 866 – 871, Vol.2, July 1999
[5] Becquet, E.; Locher, H.-N.; Gressier, E.; “Component-based industrial messaging services design for utilities”IEEE Confernce on Emerging Technologies and Factory Automation, Vol. 2, pp. 622 628, 2003
[6] D.S.Kim, W.H.Kwon and Z.J.Hass, “Virtual Industrial Communication System using Manufacturing Message Specification”, The Handbook of Industrial Information Technology, CRC Press, FL, June, 2004
아이씨엔 매거진 2008년 03월호