원방제어 시스템설계

원방제어 시스템설계

1. 시스템구조의 선택

1)  중앙집중형

일반적인 시스템이나 복잡하지 않는 어플리케이션 및 가격이 중요한 요소일 때 중앙집중형 구조가 효율적이다. 모든 어플리케이션들은 단일 또는 이중 하드웨어 플랫폼에서 동작한다. 시스템을 집중화함으로써 시스템을 쉽게 구축하고 투입금액 및 유지 보수비가 적게 되는 정점이 있다.

2)  분산형

복잡한 어플리케이션들이 보다 광범위한 데이타 프로세싱과 유용성을 요구할 때 분산 구조가 훨씬 적당하다. 분산 시스템은 중앙집중형보다 많은 장점을 가진다. 데이타프로세싱이 네트워크 상에 여러 서버에 의해 공유되기 때문에, 다양한 서버들이 중앙 집중형보다 적은 프로세싱 파워를 요구한다. 이러한 방법으로 개별 하드웨어 플랫폼의 가격을 줄일 수 있다. 만약 부가적인 프로세싱 파워가 요구되면 서버를 추가하거나 업그레이드하는 것이 훨씬 쉽다. 분산 시스템에서 하나의 서버의 실패는 전체 시스템의 고장을 발생하지 않는다.

분산 구조는 어플리케이션별로 운용 시스템을 구분하기 위하여 필요하고 또는 성능 및 유용성 목적을 달성하기 위하여 기능을 분산하기 위하여 필요하다. 분산 시스템의 가장 일반적인 형식은 데이타 취득 기능 및 사용자 인터페이스 기능간의 업무를 분배 하는 것이다.

3)  백업/비상 제어 센터

자연재해 및 테러의 공격에 의한 제어 센터의 잠재적인 위험에 대한 우려가 증대되고 있으므로 이에 대한 대비책으로 중단 없이 시스템 운용을 절체 할 수 있는 백업 마스터 스테이션을 설치할 수 있다.

4)  주컴퓨터장치의 이중화

중요시스템일 경우 주컴퓨터장치 등을 이중화하여, 하나의 시스템이 장애가 발생하였을 경우 무순단으로 예비시스템으로 절체하는 기능을 가진 시스템을 구성할 수 있다. 예비 시스템은 액티브 또는 프라이머리시스템의 상태를 감시하고 프라이머리 시스템이 장애가 났을 때 즉시 프라이머리 역할을 가능하게 한다. 시스템간의 빠른 데이터 연결은 시스템간의 데이터베이스가 완전히 동기화되게 하고 백업 장치가 절체 되었을 때 기능 또는 데이터의 손실이 없게 한다.

SCADA SYSTEM 구성방식
                 

구성 방식				통신 선로	설명
점대점 구성	중앙제어부	단 말 기 1대	현장 장치 1대	단 독	가장 간단한 방식
다중 점대점 구성	중앙제어부	단말기 여러대	현장 장치 여러대	단 독	각 현장장치당 하나의 연결 단말기로 연결, 모든 현장장치는 중앙 제어부로 자료를 전송할 수 있으며, 중앙 제어부는 하나 이상의 현장장치로 동시에 메세지 전송 가능
다중점 성형 구성	중앙제어부	공통 단말기 1대	현장 장치 여러대	단독	중앙제어부는 하나의 공통 연결 단말기로 둘 이상의 지국과 연결되어 있다. 항상 단 하나의 현장장치 만이 중앙제어부로 자료를 전송할 수 있다. 중앙 원격제어 장치는 하나 이상의 현장장치로 자료를 전송하거나, 모든 지국으로 동시에 전체 메시지를 전송할 수 있다.
다중점 공동선 구성	중앙제어부	공통 단말기 1대	현장 장치 여러대	공동선	중앙제어부는 둘 이상의 지국과 공동선으로 연결되어 있다. 중앙과 지국 간의 정보 교환에 있어 발생하는 제한은 다중점 성형 구성의 그것과 같다.
다중점 고리구성 (공동선 고리 구성)	중앙제어부	공통 단말기 2대	현장 장치 여러대	공동선	모든 기지국 간의 통신로는 고리를 형성 한다. 이는 통신선로의 기용성을 높이는데 좋은 방법이다. 만일 어떤 지점에서 통로에 이상이 생기더라도, 모든 기지국은 고리의 양쪽에서 다 연결될 수 있으므로 완전한 통신이 중지된다.
복합구성	중앙제어부 여러대	공통 단말기 여러대	현장 장치 여러대	단독, 공동선	위의 방식을 조합한 방식

2.  하드웨어 규모산정

1)  적용범위

철도 전철전력 원격감시제어설비용 컴퓨터장치의 하드웨어 규모산정시 아래의 하드웨어 규모산정을 참조로 하여 설계하며 적용대상설비는 철도교통관제센터, 소규모 SCADA SYSTEM, CU장치, 원격진단장치 및 컴퓨터를 이용하여 원격으로 감시제어를 수행하는 시스템에 적용한다.

2)  규모산정 대상

규모산정 대상은 H/W 뿐만 아니라 S/W나 네트워크를 포함하고 있으나, 이 기준은 H/W에 대하여만 규정한다. 하드웨어 구성분야는 여러 가지가 있지만 시스템 가격 및 성능 측면에서 가장 중요한 CPU, 메모리, 디스크 등 세 분야를 규모산정 분야로 정의하고, 규모산정대상에 따라 개별 컴퓨터의 규모를 산정하고, 컴퓨터의 수량 등은  전체시스템의 기능요구사항에 따라 설계한다.

규모산정 대상

CPU	해당 업무를 처리하기 위한 CPU 규모를 계산한 후 적정한 성능을 지닌 컴퓨터 기종을 선정한다.
메모리	CPU 규모산정에 따른 컴퓨터 구성방안에 의지하여, 컴퓨터에 설치되는 시스템 S/W, 응용프로그램 등의 메모리 사용량을 산정한다.
디스크	CPU규모산정에 따른 컴퓨터 구성방안에 의거하여, OS, 시스템 S/W, 데 이터베이스의 데이터, 백업영역, 응용프로그램을 위한 용량 등을 감안하게 총량을 산정한다.

① 시스템의 구성 설계  

시스템구성을 설계하기 전에 다음의 정보가 조사되고 분석되어야 한다.  

가. 호스트 노드 수  

나. 각 호스트 타입  

다. 각 호스트에 대한 IP 접속 수  

라. 콘솔 수  

마. 콘솔 타입  

바. 각 콘솔에 대한 IP 접속 수  

사. PC 콘솔의 수  

아. 통신 서버의 수  

자. 통신 서버에 접속한 IP 접속 수  

차. 프린터 수  

카. 각 프로토콜에 대한 원격소장치(CU, RTU)의 수  

타. 원격소장치(CU, RTU) 타입에 대한 포인트 타입 수  

② CPU 선정  

CPU는 운용체계, 시스템 요구사항을 고려하여 선정한다.  

③ 메모리 선정  

메모리는 시스템의 처리량을 계산하여 용량을 선정한다.

메모리 계산의 예

항목	내용	기준치	계산과정	계산결과
①	N etwor k Lo g i n 및 Shell	Tel n et 혹 은 Rlo g i n	사용자수 * 0.4MB	20*0.4 = 8
		Shell Size	사용자수*0.4MB
②	DB 사용자당 필 요 메 모리	1.5MB	① + 1.5MB * 사용자수	8 + 1.5 * 20 = 38
③	Middleware 사용자당 필요 메모리	0.5MB	② + 0.5MB * 사용자수	38 + 0.5 * 20 = 48
④	Data Size에 의한 가중치 부여	전체 메모리의 10∼20%	(③*1.1)	48*1.1 = 52.8
⑤	OS/Utility	128MB	(④+전체크기) 사용자수와 사용 Application에 따라 차등으로 적용	52.8 + 320(OS,DBMS,M iddleware,Applic ation) = 372.8
	DBMS	최대 64MB
	Middleware	최대 64MB
	Applications	최대 64MB
⑥	Cl u ster 예비 율	20 ∼ 40%	상대방의 Memory Si z e를 고려한 여유 율	372.8 * 1.4 = 521.92
⑦	B u ffer Cache	전체 메모리의 30 ∼ 40%	I/ O 횟 수를 줄 이고 효 과적인 Data 관리	521.92 * 1.3 = 678.496
총 소요 메모리		678.496 MB

④ 디스크용량 산정  

하드디스크는 기본적으로 5가지의 디스크 사용자(운영체제, 소스코드, 실행파일, 데이터베이스, 스왑공간)를 고려하여 설계한다.  

가. 하드디스크 설계시 최소 여유 공간을 고려하여 설계한다.  

나. 하드디스크용량은 원격감시제어장치를 위한 포인트수량 및 장래의 증설계획, 데이타베이스, 디스플레이, 보고서, 기타 관련화일들의 저장용량을 고려하여 설계 하여야 한다.  

다. 프로젝트 고유 디스플레이를 위한 공간을 추정시 사용자가 시행하려고 계획하는 원격소장치수와 각 원격소장치에 대해 구축하려고 계획하는 디스플레이 수를 파악해야 하며, 응용 프로그램을 위한 디스플레이의 수를 추정하여 계산한다.

 

 

3. 통신 프로토콜 선정

 

원격감시제어장치(SCADA SYSTEM)의 프로토콜은 크게 감시 및 데이터처리와 시스템관리, 데이터 저장 등을 실행하는 마스터 컴퓨터장치(주컴퓨터장치)와 현장의 다양한 기기로부터 데이터를 취득하여 상위 시스템으로 전달하는 통신제어장치(FEP), 운영자에게 사용자인터페이스를 제공하는 인간기계연락장치(MMI), 전체 현장의 데이터를 한눈에 볼 수 있도록 전력계통을 표시하는 전력계통반등 사령실 내부의 프로토콜 및  통신제어장치와 현장의 각종 전력기기의 데이터를 처리하여 송신하여 주는 원격소장치 (RTU) 또는 CU(Communication Unit)간의 프로토콜, CU(Communication Unit)와 전자식배전반간의 프로토콜로 구분 할 수 있다.

1) 국내외 Protocol 최근 기술동향 분석

이전의 Protocol은 특정회사의 독자개발로 폐쇄적으로 운용하여 증설 또는 개량 시 자장치 설비를 자기회사 제품만 사용토록 하였다. 1990년대 중반기 이후 개방형 Protocol 채택의 확산과 Host가 기존 Protocol을 모두 수용할 수 있는 시스템으로 개발되어 최근 시스템은 Protocol 수용에 문제점이 줄어들고 있다.

국외에서는 지역별로 표준화된 Protocol 선정이 필요하여 유럽지역에서는 국제전기 기술위원회(IEC)에서 정한 표준 Protocol IEC 60870-5-103, -101을, 북미지역에서는  전력산업표준인 DNP 3.0을 사용중에 있으며, 국내에서는 한국전력공사와 한국가스공사에서 DNP 3.0을 표준으로 채택하여 현재 사용중에 있으며 철도에서는 철도교통관제 센터의 구축에 따라 전국의 SCADA SYSTEM의 통신 프로토콜을 DNP 3.0으로 표준화 하고 있으며 향후 구축되는 설비들은 모두 DNP 3.0으로 표준화하여 구축하고 있다. 향후 TCP/IP방식을 고려한 SCADA 통신 프로토콜 사용을 설계중에 있다.

2) 철도 SCADA SYSTEM 원격감시제어 Protocol 선정

통신 방식 : DNP V3.0

통신 속도 : 비동기 방식, 62.5KBPS 이상

통신속도 선정사유 : CU(디지털통신장치) 1대에 디지털계전기(IED)는 최대 24개가 설치된다고 가정하면, 각종 차단기의 변화(Un-Commanded Event) 상태는 2초 이내에 SCADA SYSTEM 으로 보고되어야 하고, 제어명령에 따른 차단기 상태 또한 제어 실행 후 약 2초 이내에 제어 명령 결과가 Update 되어야 한다. (만약 2초 이후에 보고되면 SCADA SYSTEM은 제어 실패로 기록됨) 따라서 CU에서 각각의 디지털계전기(IED) SCAN(Polling 방식)은 약 83㎳(2000㎳ ÷ 24개)이내에 이루어져야 한다. 62.5KBPS 사용시 디지털계전기(IED) 각각의 Data 수집시간은 약 20㎳(송신 Data량에 따라 약 4㎳에서 16㎳까지 변동됨)정도가 소요되고, 현재 SCAN 중인 디지털계전기(IED)와 다음에 SCAN할 디지털계전기(IED)간의 Message Delay 시간을 최소 60㎳를 보장

해야 한다고 하면 각각의 디지털계전기(IED)를 SCAN 하는데 소요되는 시간은 약 80㎳가 된다. 따라서 현재 국내외에서 가장 많이 사용하고 있는 DNP 프로토콜과 통신속도는 62.5Kbps 이상을 사용한다. 다음은 국제 표준으로 사용하고 있는 DNP와 IEC 프로토콜기능을 비교한 내용이며 DNP는 미국,IEC는 유럽에서 많이 사용되고 있기 때문에 철도 SCADA SYSTEM에 공급되는 원격감시제어설비(철도교통관제센터, 소규모제어시스템, RTU, CU 등)는 국제규격준수 및 해외시장 개발에 따라 유연성을 가질 수 있도록 DNP3.0과 IEC 60870-5-103,101프로토콜을 다 수용 할 수 있도록 지원하여야 한다.

 

Protocol 비교

 

검토 내용	DNP 프로토콜	IEC 60870-5-101, 103	비고
개발 주체	Harris >> D N P U ser G ro u p	Technical Committee57 Working Group03
발표 시기	1990 년 도	1990년도
통신 속 도	19.2K ～ 62.5KBPS	19.2K～62.5KBPS
적용 대상	∙EMS,SCADA HOST ~ RT U , I ED ∙RTU ~ IED	∙SCADA HOST ～ IED
통신 방식	∙Async,1Start,1Stop,8Data ∙Solicited & Unsolicited	∙Async,1Start,1Stop,8Data ∙Solicited & Unsolicited
계층 구성	4 계층구성 ∙User Process ∙Application 계층 ∙Transport 계층 ∙Data-Link 계층 ∙Physical 계층	3 계층구성 ∙User Process ∙Application 계층 ∙Data-Link 계층 ∙Physical 계층	DNP가 데이터 전송 효율이 제일 높다(4계층)
기능 코드	다양한 기능 ∙기능 Object 다양(약 300개) ∙RTU & Network 연결 가능 ∙H/W 구조 탈피 프로토콜 ∙시스템 & Network 프로토콜 ∙기능보강 및 추가 용이	다양한 기능 ∙기능 Object 제한 ∙RTU & Network 연결가능 ∙H/W구조 탈피 프로토콜 ∙시스템 & Network 프로토콜 ∙기능보강 및 추가 어려움
전송 용량(1회)	∙기능 코드별 256Byte Block Frame 단위 전송 ∙256Byte x 8Bit/Pts =2,048Pts ∙4 Multi_Frame 전송 가능	∙기능 코드별 256Byte Block Frame 단위 전송 ∙256Byte x 8Bit/Pts =2,048Pts
전송 소요 시간	계측 250 Pts 기준 ∙250 x 3Byte/Pts x 10Bits = 7,500Bit ∙약 9,600BPS (Over Head 포함)	계측 250 Pts 기준 ∙250 x 3Byte/Pts x 10Bits = 7500Bit ∙약 9,600BPS(Over Head 포함)
전송 에러 검증	3단계 계층별 에러제어 ∙Application, Transport, Data Link ∙16Byte 단위 Block CRC	4가지 타입 에러검사 방식 ∙Even Parity ∙8Bit Checksum ∙8Bit CRC ∙16Bit CRC

검토 내용	DNP 프로토콜	IEC 60870-5-101, 103	비고
전송 신뢰도	계층간 에러검증 기능 메시지 Sequence 제어 기능 Data Link Confirm, Ack 기능 (전송신뢰도 높음)	계통간 에러검증 기능 메시지 Sequence 제어 기능 전송 신뢰도 높은편
전 송 효 율	전송효율 높음 8Bit / Byte 전체가 Data	전송효율 높음 8Bit/Byte 전체가 Data
원격소 관리	RTU 및 Point 단위 관리 RTU 및 Point 종류에 관계없이 관리 가능	RTU 및 Point 단위 관리 RTU 및 Point 종류에 관계없이 관리 가능
특징	기능성 시스템 프로토콜 개방적 Network 프로토콜 S/W의 H/W 구조 수용 다양한 포인트 속성 지정 가능 사용자 데이터 우선권 지정가능 DB DLL 가능 구성 변경 가능 기능의 확장성 유연성	기능성 시스템 프로토콜 덜 표준화된 프로토콜 S/W 작업이 어렵다 다양한 포인트 속성 지정 가능 사용자 데이터 우선권 지정 가능 DB DLL 가능 기능 확장 어려움

4. 통신소요 예상 회선수 조사

 

전철전력설비 운용에 필요한 통신소요 예상 회선을 검토하고 설계에 반영한다. 대부분의 원격제어 회선은 모뎀을 사용하는 아날로그 통신방식으로 구성되고 있으며 속도는 1,200bps～9,600bps을 사용하고 있다. 최신 통신기술의 발달 및 데이터 처리 용량 증가 등으로 전철전력설비에서 디지털 통신방식의 필요성이 대두되고 있으며, 원격진단장치, 전력품질감시장치 등 데이터 용량이 큰 설비들은 DSU, CSU 등을 이용한 통신방식을  

적용할 필요가 있으며 원격제어 통신방식 개선방안에 따라 TCP/IP 방식의 통신도 적용 할 수 있다. 설계시 전철전력에서 필요한 통신방식과 통신회선 소요량을 통신과 협의하여 통신설비에 반영하여야 한다.

변전소 연결회선 수량의 예

회 선 내 역	수 량	접속 위치	비 고 (전송 설비 수용)	통신속도 [Kbps]	비고
급 전제어용회선	2P + 2P	CC,SP,SSP	4 W E & M × 2 (사용)	9.6
철도구내전화	3P	-	사용3	9.6	KR
일반 전화	2P	전화국	사용1, 예비1	-	KT
급 전사 령 전화	2P + 1P	CC,SP,SSP	4 W (사용2, 예비1)	-
급전직통전화	1P	급 전사 령 실	-	-
한전직통전화	1P	한전변전소	-	-
소규모제어회선	12P + 12P	SP, SSP	4 W E & M × 2(사용1,예비1) × 6개소	9.6
CCT V 회선	6P + 6P	SP, SSP	2048Kbps	2048
원격방송 및 감시회선	6P + 6P	SP, SSP	2Port × 6개소 (사용)	각 9.6
LOCATOR회선	12P + 12P	SP, SSP	4 W E & M × 2 (사용,예비) × 6개소	1.2	모뎀사용시 64Kbps (Max)
무인온라인 진단장치회선	12P+12P	SP, SSP	4W E&M × 2 (사용,예비) × 6개소	9.6
전력진단	2P+2P	CC	4 W E & M × 2 (사용1)	2048
전력품질보상 장치	2P+2P	CC, SS	4W E&M×2(사용1)	2048	필 요시
기 타	2P + 1P	-	LA N , F A X (사용)	-	전력용제외

 급전구분소, 보조급전구분소 연결회선 수량의 예

 

회 선 내 역	수 량	접속 위치	비 고 (전송 설비 수용)	통신속도 [Kbps]	비고
급 전제어용회선	2P + 2P	CC,S/S,SP,SSP	4W E&M × 2 (사용)	9.6
철도구 내 전화	1P + 1P	-	사용, 예비	9.6	KR
급 전사 령 전화	2P + 1P	CC,S/S,SP,SSP	4W (사용, 예비)	-
소규모제어회선	2P + 2P	인근 전철 S/S	4W E&M × 2 (사용, 예비)	9.6
CCTV회선	2P	인근 전철 S/S	2048Kbps	2048
원격방송 및 감시회선	2P	인근 전철 S/S	2Port (사용)	각 9.6
LOCATOR회선	2P + 2P	인근 전철 S / S	4 W E & M × 2 (사용, 예비)	1.2	모뎀사용시 64Kbps (Max)
무인온라인 진단장치회선	2P + 2P	인근 전철 S / S	4W E&M × 2 (사용, 예비)	9.6
전력품질보상 장치	2P+2P	SP	4W E&M×2(사용1)	2048	필요시