계장기술(PROCON)

특별기고 배전 계통 운영을 위한 지리정보시스템 서비스 개발 및 활용

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 73회 작성일 22-09-15 14:46

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1. 서 론
  
최근 친환경 에너지원에 대한 관심 증가와 정부 신재생 분산 전원 확산 정책에 따라 배전 계통 내 분산 전원 투입이 증가되고 있는 상황이다. 2016년 기준으로 신재생 발전량(13.3GW)은 전체 발전량 대비 7%의 비중을 차지하지만, 재생에너지 3020 이행 계획이 완료될 2030년에는 63.8GW으로 확대되어 전체 발전량의 20%를 차지할 것으로 예상된다.

전체 전력 계통 중 말단에서 소비 지역에 전력 공급 역할을 수행하는 배전 계통은 신재생 분산 전원 연계가 가장 많은 특징을 갖고 있다. 신재생 분산 전원의 투입 확대 시에도 배전 계통의 전압 관리와 보호 협조의 원활한 운영을 위하여 배전 계통의 실시간 감시/제어를 위한 지능화 단말 장치를 2016년 기준으로 약 10만 대에서 2030년까지 17만 대 설치 확대 중이며, 별도로 IoT(Internet of Thing) 센서를 이용한 배전 계통 실시간 감시 시스템에 대한 연구 개발도 진행 중에 있다. 따라서 신재생 분산 전원과 같은 전력설비 확대로 배전 계통의 변동성이 커지고, 이에 비례하여 전력설비의 안정적인 운영을 위한 지능화 단말 장치의 확대 설치로 다양한 종류의 취득 데이터와 데이터 크기 증대로 배전 계통 운영 시스템의 복잡성이 심화될 것이다.

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현재 배전 계통 운영시스템은 전력 조류 관리를 위한 단선도와 계통도를 중심으로 구성되어 있는 상황으로, 미래 배전 계통의 효율적인 관리를 위해서 새로운 시각화 기술을 이용한 배전 계통 운영 시스템의 개선이 필요하다.

최근 국내외 정보화의 수준이 높아지면서, 공공 분야와 민간시장에서 공간 정보의 수요가 높아지고 있다. 지역 중심으로 다양한 데이터의 취합 및 분석을 통해 지역별 현상 파악으로 다양한 정책과 사업 계획 수립에 활용하고 있다. 따라서 배전 계통 운영 시 취득 정보와 타 시스템에서 관리 중인 정보들을 수집 및 분석하였고, 배전 운전원들의 배전 계통 상황 인지력 향상을 위해 GIS 도입이 필요하다. 이에 따라서 한국전력공사는 확대 보급 중인 차세대 배전 계통 운영 시스템(ADMS, Advanced Distribution Management System) 개발에 GIS 기술을 핵심 기술로 활용하여 유용한 정보를 배전 계통 운영자에게 효과적으로 전달하려고 한다.

본고에서는 배전 분야의 GIS 도입 현황과 관련 기술 동향을 기술하고, 배전 계통 운영을 위해 GIS 시스템 필요성과 GIS 기술 도입 시 해결해야 할 문제점을 분석하였다.

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2. 배전 분야 지리정보시스템 관련 연구

1) 국내 배전 분야 GIS 적용 현황
2000년대 초반에 개발된 한국전력공사의 신배전 정보 시스템(NDIS, New Distribution Information System)은 배전설비 설계 및 유지 보수를 위한 통합 관리 역할을 수행하고 있다. 신배전 정보 시스템은 계획, 설계, 공사 관리, 설비 운영의 배전 업무 단계별로 수행되는 순시, 점검, 측정 등 현장 업무의 수행 이력을 체계화하고, 수집된 정보의 종합 분석을 통해 합리적인 투자와 보수 계획 수립을 지원하는 GIS 기반의 배전설비 통합관리 시스템이다. 이 신배전 정보 시스템은 GE(General Electric)의 Small World GIS 플랫폼을 기반으로 구축되었으며, Magik이라는 객체 지향 프로그래밍 언어를 통하여 다중 상속, 다형성을 지원한다. 또한 VMDS(Version Managed Data Store) 데이터베이스 기술을 통하여 대량의 공간 및 위상 데이터를 저장, 분석, 관리한다.
신배전 정보 시스템은 오랜 기간 동안 배전 설계와 공사 처리 업무 분야에서 활용되어 왔으나, SW 개발 기술의 노후화로 최신 IT 기술의 접목이 어려워졌고, 데이터 용량 증가 등의 요인으로 처리 속도 저하로 업무 수행에 지장을 주면서, 전력산업의 변화를 반영했고, 신 IT 기술을 융합하여 차세대 신배전 정보 시스템 개발에 착수하였다. 차세대 신배전 정보 시스템은 실시간 처리 속도와 업무 지원 범위 확대라는 큰 방향으로 Web GIS 기반에 최신 IT 기술을 접목해 개방성과 확장성을 목표로 개발 중이다. 15개의 본부 단위로 관리되던 설비 DB를 전국 기반의 하나의 DB로 통합하였으며, 관련된 배전 서비스들을 Web GIS 기반으로 구축하였다. 
 2) 국외 GIS 솔루션 현황
오랜 기간 축적된 GIS 기술을 활용하여 ArcGIS는 배전과 송전 분야에서 정전 분석, 영향 분석, 배전 네트워크 모델링, 현장 위험 요소 관리 등 다양한 전력 관련 솔루션 제공뿐만 아니라, 사용자가 직접 수정 및 보완할 수 있는 모델러(Modeler) 기능을 제공하고 있다. 예를 들어서, ArcGIS의 정전 관리 기능은 지역별 정전 통계 차트와 관련 정보를 GIS 시스템 상에 함께 보여주어 사용자에게 제공하며, 사용자의 정보 탐색 기능을 지원하고 있다. 그림 3은 ArcGIS 설비관리 시스템의 모습을 보여준다.
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3) 해외 ADMS GIS 활용
전 세계 유틸리티 개발사들은 배전 계통 운영 시스템의 최신 모델인 ADMS(Advanced Distribution Manage ment System) 개발에 집중하고 있다. Navigant 보고서는 ADMS를 GIS 정보 모델을 기반으로 상태 감시, 고장 관리, 계통계획 기능 등을 중심으로 하는 시스템으로 정의하고 있다. ADMS는 미래 배전망 종합 운영을 목적으로 공통 플랫폼 위에서 SCADA, DMS, OMS 등을 통합 가능한 모듈 형태로 제공하며, GIS 기반의 계통 도로 관리 및 운영할 수 있다. 즉 GIS 계통도와 SCADA, DMS, OMS 모듈 간에 유기적으로 연동이 가능하다.

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3. 오픈소스 지리정보시스템 기술 현황

1) 오픈소스 GIS 발전 동향
GIS 기술의 확대와 공개 협업 개발 활성화를 위하여 설립된 오픈소스 지리공간 재단(OSGeo, Open Source Geospatial Foundation)에 의해서 지원되고 있는 오픈소스 GIS는 데스크탑 GIS, 웹 GIS 서버, 웹 GIS 클라이언트, 공간 DBMS, 3D GIS, 좌표계 변환 등의 공간 정보 처리를 위한 대부분의 분야에서 활용되고 있다. 2018년 기준으로 오픈소스 GIS 분야에서는 350여 개의 GIS SW 기술들이 개발되었다. 이러한 양적 및 질적 향상을 통해 최근 오픈소스 GIS SW 기술은 상용 제품에 비해 성능과 기능 측면에서 대등한 수준으로 평가되고 있다.
일반적으로 오픈소스 GIS 기술은 DBMS, 지도 서버, 사용자 클라이언트 등으로 구분 가능하다. DBMS는 벡터 데이터나 이미지 파일과 같은 GIS의 공간 데이터 관리의 최적화를 지원한다. 지도 서버는 웹 기반으로 지도 서비스를 클라이언트들에게 제공 역할을 수행하며, 대표적인 오픈소스 SW로 GeoServer가 존재한다. 사용자 클라이언트는 독립된 PC 환경에서 대부분의 공간 데이터 처리/분석/표현 기능을 수행하며, 대표적인 툴로써 QGIS가 있다. 이들 대부분은 WFS(Web Feature Service)와 WMS(Web Map Service) 등 국제표준을 준수하고 있어 상호운용성이 매우 뛰어나다.
과거 오픈소스 GIS는 적은 검증 사례, 부족한 기능, 유지 보수의 어려움이라는 여러 취약점을 가지고 있었다. 그러나 최근 오픈소스 시장이 커지면서 다양한 기능 개발과 많은 커뮤니티를 통한 오픈소스 기술의 보편화가 이루어졌으며, 오픈소스 전문 유지 보수 업체들이 생겨나게 되면서 오픈소스에 대한 우려가 많이 해소되었다. 상용 솔루션 기업들도 자사 솔루션과 오픈소스를 통합하거나 오픈소스로 공개하고 있다. 또한 오픈소스 GIS를 기반으로 상업적 GIS 솔루션 제공을 목적으로 하는 이탈리아의 GeoSolutions, 미국의 Boundless 등과 같은 회사가 등장하고 있다. Google은 구글 어스에 오픈소스 GIS인 GDAL을 사용하고 있으며, 2011년에 ESRI는 오픈소스로 ArcGis GeoPortal Server를 전환하고, ArcGIS 계열의 모든 제품에 오픈소스 GDAL(Geospatial Data Abstrac tion) 라이브러리를 사용하고 있다.

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2) 국내외 오픈소스 적용 현황
INSPIRE는 EU 회원국과 관련 협약 가맹국 간의 공간 정보 공유와 활용을 위한 전 세계에서 가장 큰 통합 공간 정보 인프라로써 뷰잉 서비스, 디스커버리 서비스, 다운로드 서비스 등에 오픈소스 GIS 기능을 활용하고 있다. 기존에 INSPIRE는 상용 GIS 제품을 사용했는데, 아래 그림 6처럼 오픈소스 GIS와 병행으로 운영하는 계획을 추진하고 있으며, 오픈소스의 비중을 단계적으로 확장해갈 계획이다. 또한 미 국방부는 군사 안보 분야 활용을 목적으로 GeoShape를 개발하였고, 미국 NASA는 NASA의 인공위성 사진을 공개하기 위해 오픈소스 GIS를 이용하여(World Wind를 개발하여) 운영 중이다.
이러한 세계적인 오픈소스 GIS 활용 추세에 한전 전력연구원에서도 배전 분야 운영을 위하여 GIS 기반 솔루션인 GeoPOMS(Power Operation Managment System) 개발하여 개발도상국을 대상으로 하는 해외 사업에 활용 중이며, 전력 분야 공용 플랫폼인 Hub-Pop, MDMS, 스마트시티 개발에서도 오픈소스 GIS를 기반으로 한 공간 정보 서비스 개발이 진행 중이다.

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4. 국내 배전 계통 운영 현황

배전설비들의 원격 감시·제어를 통한 배전 계통 최적화 운전을 위하여 TDAS(Total Distribution Automation System, 배전자동화 시스템)이 현장에서 활용되고 있다. 1997년 개발을 시작하여 2002년 전사 배포가 완료된 TDAS는 지금까지 18년 동안 우리나라 배전 계통 운영을 담당하고 있다. TDAS는 약 20년 가까이 안정적인 배전 계통 운전에 큰 기여를 하였지만, 최신 기술 적용의 어려움과 신재생 분산 전원 투입 등과 같은 배전 계통의 큰 변화에 따라서 차세대 배전운영 시스템인 ADMS 개발을 완료(1단계)하여 전사 보급 중이며, 기능 고도화(2단계)를 진행 중에 있다. ADMS에서는 복잡해지는 배전 계통 운영의 몇몇 문제들을 해소하고, 운영의 효율성 향상을 위해 GIS를 도입하였다.

첫째, 한국전력공사의 배전 계통 운전원은 고장 발생 시 5분 이내 고장 조치를 수행해야만 하는 반면, 전력소비량이 높은 도심지의 경우에는 가전 기기 대형화와 보급률 증가로 배전설비의 밀집도가 증가하며, 고장과 같은 이벤트 발생 시 사령원이 현장 위치를 파악하는 것이 점점 어려워지고 있다.

둘째, 기존 배전 계통 운전은 전력 조류 흐름과 고장 인지에 최적화된 GUI(Graphic User Interface) 화면인 단선도와 계통도를 사용하고 있기 때문에, 복잡한 계통 현황을 현재의 GUI 화면에 표현하는데 많은 제한이 따른다. 또 감시 및 제어 중심의 운전 기능과 별도로 외부 시스템으로부터 취득한 데이터를 이용한 계통 분석 중심의 기능 구현 증대에 따른 효율적인 시각화 기술이 요구된다.

마지막으로 현재 배전 계통 운전원의 50% 이상이 경력 7년 이상 전문화된 인력으로써, 시스템 지원 없이도 사령원의 경험과 숙련도에 의해서 사고 대처와 업무 처리가 가능한 상황이다. 그러나 대규모 세대교체 등으로 인한 업무 핵심 인력의 변화와 신재생 분산 전원 투입에 따른, 빈번한 배전 계통 변화에 따른, 업무 과중에 따른 배전 계통 운영에 지장을 줄 가능성이 높기 때문에 이를 효율적으로 지원할 수 있는 시스템적 기능 개발이 요구된다.

따라서 ADMS는 단선도와 계통도 중심의 단순 GUI 화면에서 벗어나 복잡한 배전 계통 상황 인지를 향상시킬 수 있는 GIS 기술 기반의 새로운 시각화 기능을 지원하고, 다양한 데이터를 취합/분석하여 운전원들의 의사결정(Decision Making)을 지원하도록 개발하였다.

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5. 배전 계통 운영을 위한 GIS 적용 방안

배전자동화 시스템은 국가 기간망인 배전 계통 운영을 목적으로 하는 시스템으로써 외부의 악의적 침입에 의해 파괴될 시 사회적 혼란을 야기할 수 있기에 별도의 통신망 내로 분리 구축하여 외부의 침입을 원천 차단하고, 일부 인가된 배전 계통 운전원들만 접근할 수 있도록 운영되고 있다. 따라서 별도 업무망에 구축된 배전설비 관리 시스템인 NDIS에서 활용 중인 GIS 서비스를 배전자동화 시스템에서는 접근이 불가능하기 때문에 ADMS에서는 별도의 GIS 기본도 확보와 시스템 운영 환경 구축부터 고려해야만, 정전 및 작업 관리와 같은 배전 계통 운전에 특화된 GIS 서비스 개발로 이어질 수 있다.

1) 기본도 구축
정보기술의 발달로 다양한 분야에서 GIS 도입이 이루어짐에 따라서 데이터의 중복 구축 방지 및 GIS 구축 시 초기 진입 장벽 제거를 목적으로 국가 차원에서 가장 기본이면서 공통적으로 활용 가능한 국가 지리정보 데이터를 제공한다. 이것을 보통 기본도 또는 국가 기본도라 명칭하고 있다.
기본도에는 공개 제한 정보를 제외한 지형지물의 위치 정보와 속성 정보를 지도상에 표현하고 있다. 배전 계통 운영을 위한 기본도는 행정 경계, 도로, 건물, 하천, 공원 등의 지형지물이 표현되야 하며, 모든 기본도는 이러한 지형지물을 기본적으로 다 포함하고 있다. 기본도는 공공기관과 네이버, 카카오 등 포털 업체에서 자체적으로 지도 서비스를 제공하고 있으며, 기관별 지도의 지형지물을 표현하는 색상 및 선 두께와 같은 스타일이 기관마다 조금씩 차이를 보인다.
국토교통부는 최근 2018년 국가 공간 정보정책 시행 계획을 통해 기존의 2년 주기의 국가 기본도 갱신을 도로나 건물 등의 객체 중심의 수시 갱신 방법으로 전환하였다. 따라서 그 동안은 자체 지도 서비스를 하는 기업이나, 네비게이션 사업을 영위하는 기업에서 수시로 갱신되는 지도가 현실 반영도가 뛰어났으나, 앞으로는 공공기관에서 제공하는 지도 데이터도 현실 반영도가 상용 제품과 비슷할 것으로 전망된다.
기본도의 연계는 온라인과 오프라인 두 가지 방법이 존재하고 있으나, ADMS 특성상 폐쇄망 내에서 운영되는 점을 고려하면 보안 위험에 노출시키는 온라인 연계 방법보다는 오프라인을 통한 연계 방법을 추진해야 한다. 하지만 오프라인 연계 방법 역시 데이터 추출에 오랜 시간이 소요되는 문제를 개선하고 해결해야만 한다.

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2) 공간 정보 기반 배전설비도 구축
GIS 화면은 여러 개의 특정 목적의 레이어(Layer)를 중첩시켜서 단일 맵으로 생성하는 랜더링 처리를 통해서 생성된다. 배전 계통 운영 GIS 개발을 위해서 국가 기본도를 바탕으로 배전설비 정보를 표출하는 배전설비도 레이어가 올려지고, 다시 계통 운영에 정전 구간 표시와 같은 서비스 레이어가 위치하는 방식이다. 이론적으로 레이어 중첩의 한계는 없지만, 레이어 단계가 복잡할수록 처리 시간이 지연으로 업무 처리에 지장을 줄 수 있다.
배전설비도 확보는 NDIS의 배전설비 관리 정보와 ADMS의 배전 계통 운영 정보를 취합하여 구축해야 한다. 특정 배전설비에서 고장이 발생하였을 경우, 해당 고장 이벤트가 계통운영 시스템인 ADMS의 단선도에 출력되고, GIS 화면 상에는 해당 설비의 위치와 상세 정보가 출력되어야 한다. 이때 단선도에는 ADMS의 설비 정보가 활용되고, GIS 화면은 NDIS의 설비 정보가 이용되고 두 개의 설비 정보는 연결 관계를 갖고 있어야 한다. 이 두 개의 설비 정보를 매칭시키기 위해 식별 값으로 전산화 번호를 사용해야 하는데, 매칭 시 불일치 오류가 일부 존재할 수 있다. 이 불일치 오류는 NDIS와 ADMS가 분리 운영되는 시스템이기 때문으로, 데이터 관리자에 의해 매칭 오류 시 교정 작업이 요구된다.

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3) 설비 연결성 모델 구축
생산된 전기를 고객에게 안정적으로 전달하기 위한 배전 계통은 고압 전선, 개폐 기기, 변압기, 전주 등 다양한 설비의 연결로 이루어져 있기 때문에 고장 발생 및 전압 변화와 같은 변화들은 인접 설비들에 그 영향이 파급된다. 따라서 배전 계통 운영을 위해서 고장 발생 시 고장 파급 범위를 표시하기 위한 정전 구간 표시, 개폐기와 차단기 제어에 따른 배전 계통의 활선 변화 표시, 작업자 현장 파견 시 출발지부터 도착지까지 계통 추적을 위해서 설비 간의 연결성 모델(NDM, Network Data Model) 구축이 필요하다.
설비 연결성 모델은 고압 전선, 인입선, 고압 케이블과 같이 선으로 표현 가능한 설비를 링크(Link) 정의하고, 변압기와 전주와 같이 점으로 표현 가능한 설비들을 노드(Node)로 정의하여 이들 간의 위상관계(Topology)를 나타낸다. 위상관계 생성은 한 링크의 출발지와 목적지로 노드들을 추출하고, 이 노드 정보를 링크의 연결 정보로 관리하는 정보 테이블을 생성하는 것이다. 이렇게 생성된 설비 연결성 모델을 이용하여 GIS 지도상에 계통 추적 기능을 수행하였을 때, 연결된 설비들의 정보를 추적할 수 있다. 그림 12에서 변전소의 CB에서 시작되는 DL 내의 배전설비들의 연결 상태와 이에 대한 연결성 모델을 나타내고 있다.
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6. 배전 계통 GIS 서비스 개발

한전에서 개발한 차세대 배전지능화시스템(ADMS)은 단선도와 계통도 기반의 전통적인 배전 계통 운전에서 벗어나 효과적인 의사결정 지원을 목표로 ADMS에서는 지리정보시스템(GIS) 기반에서 계통을 조회하고 운영할 수 있는 GIS Viewer를 제공한다. 사용자들은 전통적인 시각화 도구인 계통도와 단선에서 확인하기 힘든 설비의 위치와 주변 환경을 GIS Viewer에서 실시간 조회할 수 있고, 실계통에서 취합된 데이터 분석을 통해서 히트맵과 같은 다양한 시각화 방식으로 사용자들에게 In sight를 제공하고자 한다.

해당 기능 제공을 위해서 오픈소스 GIS 기술을 활용하여 기본도와 설비도를 구축하고, 배전 계통 운영에 필요한 데이터를 수집/처리하여(자체 NDM 구현하여) 차세대 배전지능화시스템(ADMS)의 지리정보시스템 운영 환경을 구축하였다. 구축된 지리정보시스템 운영 환경을 기반으로 GIS 지형도 기반 계통도 조회, 설비 위치 조회 및 검색, 실시간 알람/이벤트 현황 조회 기능이 제공된다.

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