KR101813067B1

KR101813067B1 - IoT 감시 기능을 갖는 게이트웨이 및 스카다 유지보수 관리 시스템

Info

Publication number: KR101813067B1
Application number: KR1020170113748A
Authority: KR
Inventors: 홍석민
Original assignee: 홍석민
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2017-12-28

Abstract

본 발명은 멀티 프로토콜을 지원하는 게이트웨이에 사물인터넷(IoT) 감시 기능을 부가하거나 IoT 감시노드를 이용하여 신속한 유지보수를 가능하게 한 IoT 감시 기능을 갖는 게이트웨이 및 스카다 유지보수 관리 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 게이트웨이는, 원격단말(RTU)과 인터페이스하기 위한 원격단말(RTU) 인터페이스부; 지능형 단말(IED)과 인터페이스하기 위한 지능형 단말(IED) 인터페이스부; 스카다 서버와 인터페이스하기 위한 서버 인터페이스부; 프로토콜 변환을 통해 다양한 프로토콜의 단말들을 스카다 서버로 연결하기 위한 프로토콜 변환부; 상기 서버 인터페이스를 통해 전송되는 패킷을 캡춰하는 패킷 캡춰; 캡춰된 패킷을 분석하여 감시할 데이터를 추출하는 프로토콜 분석기; 상기 프로토콜 분석기에 의해 추출된 감시 데이터를 소정의 기준치와 비교하여 장애 여부를 판단하는 상태 감시부; 및 상기 상태 감시부에서 장애를 감지하면 사물인터넷(IoT) 망을 통해 장애정보를 스카다 유지보수 관리서버로 전송하는 엘티이엠(LTE-M) 통신모듈로 구성된다.
본 발명에 따르면, 현장의 시스템 관리자가 아닌 유지보수업체에서 현장의 장애 상황을 직접 실시간으로 모니터링하여 신속하게 현장에 출동하여 유지보수를 신속하게 처리할 수 있다.

Description

IoT 감시 기능을 갖는 게이트웨이 및 스카다 유지보수 관리 시스템{SCADA MAINTENANCE MANAGING SYSTEM AND A GATEWAY WITH IoT MONITORING FUNCTION}

본 발명은 스카다 시스템의 유지보수 관리 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 멀티 프로토콜을 지원하는 게이트웨이에 사물인터넷(IoT) 감시 기능을 부가하거나 IoT 감시노드를 이용하여 신속한 유지보수를 가능하게 한 IoT 감시 기능을 갖는 게이트웨이 및 스카다 유지보수 관리 시스템에 관한 것이다.

스카다(SCADA: Supervisory Control And DataAcquisition) 시스템은 통신 경로상의 아날로그 또는 디지털 신호를 이용하여 원격장치의 상태 정보 데이터를 원격단말(RTU: remote terminal unit)로 수집하고 이를 저장 및 표시하며, 이를 바탕으로 중앙 제어 시스템에서 원격 장치를 감시 제어하는 시스템이다.

스카다 시스템에서 대부분의 제어 동작은 RTU와 PLC에 의해 자동으로 이루어지며, 운영자가 내릴 수 있는 제어 명령은 보통 기본적인 작업 변경이나 관리 수준의 작업 조정에 한한다. 데이터 취득은 RTU나 PLC(Programmable Logic Controller)에서 시작되며, 스카다 시스템이 필요로 하는 계측기 수치를 읽거나 각 장비의 상태를 보고하는 작업 등이 여기에 해당된다. 이렇게 얻어진 자료들은 관제 센터에서 HMI를 사용하는 운영자가 시스템 관리를 위해 적절한 판단을 내릴 수 있도록 사람이 이해할 수 있는 형태로 알맞게 변환된다. RTU나 PLC는 이렇게 운영자가 내린 결정에 의해 명령이 변경되거나 조정된다. 스카다 시스템은 보통 분산형 데이터베이스를 가지고 있으며, 태그나 포인트라고 불리는 데이터를 가지고 있기 때문에 보통 태그 데이터베이스(Tag Database)로 일컬어진다. 포인트는 시스템에 의해 감시/제어되는 하나의 입력 또는 출력부를 말한다.

한편, 스카다 게이트웨이는 현장의 분산된 RTU를 호스트 컴퓨터와 연결하는 중개장치로서, 통상 현장의 산업용 필드버스(Field Bus) 프로토콜을 서버측의 이더넷 프로토콜로 변환하는 기능을 수행한다. 현장의 산업용 필드버스는 센서, 루프 제어기, 밸브, PLC, 모터 등의 각종 산업용 제어 및 자동화 장비들이 연결되며, IEC 61850, MOD 버스, 프로피 버스(Profibus), CAN 버스, CC-Link 등이 널리 알려져 있다.

또한 현재 국내 변전소에 가장 많이 사용되고 있는 통신 프로토콜은 DNP 3.0 과 Modbus 등의 필드버스지만 최근 IEC 61850 통신 프로토콜이 국제표준규격으로 급격하게 사용이 늘어나고 있다. IEC 61850은 변전소 자동화 시스템용 프로토콜로서 다양한 제작사에서 개발된 전력기기, 지능형 단말(IED: Intelligent Electronic Device) 및 응용 소프트웨어 등의 장치들이 원활하게 통신할 수 있도록 개발된 국제표준이다. 이와 같이 국제적인 표준으로 부각되고 있는 변전소 자동화용 프로토콜인 IEC 61850의 등장으로 기존 IED와 신형 IED가 서로 다른 프로토콜을 사용하고 있기 때문에 Modbus 및 DNP 3.0 프로토콜과 새로운 IEC 61850 프로토콜 간의 인터페이스를 위한 게이트웨이가 필요하게 된다.

대한민국 특허청 등록특허공보(B1)에 등록번호 제10-1727530호로 공고된 "모바일 앱 기반 전기시설의 유지보수 시스템"은 적어도 하나 이상의 전기 시설과 연결되어 전기 시설에 대하여 이상 유무를 진단하기 위한 계측 데이터를 수집하며 이를 송신하는 센서 수단과, 센서 수단으로부터 전기 시설의 계측 데이터를 수신 및 저장하고, 계측 데이터를 분석하여 전기 시설의 이상 유무를 진단하며 이와 관련된 진단 데이터와 이벤트 현황을 생성 및 출력하는 운영 서버와, 운영 서버에 접속하여 운영 서버에서 분석되는 전기 시설의 진단 데이터와 이벤트 현황을 제공받는 사용자 단말을 개시하고 있다.

또한 등록특허공보(B1)에 등록번호 제10-1082522호로 공고된 "전력정보 제공용 다기능 게이트웨이 시스템"은 IEC 61850 통신프로토콜로 통신하며 다수의 IED와 통신하여 IED 데이터를 수집하는 IEC 61850 모듈, DNP 3.0 통신프로토콜로 통신하는 DNP 3.0 모듈, DNP 3.0 프로토콜을 이용하여 취득한 데이터와 IEC 61850 프로토콜을 통해 취득한 데이터를 서로 매핑하여 주는 데이터 매핑 모듈, 및 정보처리 모듈을 포함하고, 데이터 매핑 모듈의 정보 매핑은 DNP 3.0 프로토콜과 IEC 61850 프로토콜 사이에 프로토콜을 변환/역변환하는 데이터 변환 모듈에 의하여 정보의 프로토콜을 변환한 후에 매핑이 이루어지는 것이다.

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10-1727530

B1

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10-1191547

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10-0976306

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스카다 시스템에서 현재 가장 많이 이용하고 있는 프로토콜은 DNP 3.0 방식이나 최근 IEC 61850 통신 프로토콜이 국제표준규격으로 널리 보급되면서 급격하게 사용이 늘어나 현재는 다양한 프로토콜을 지원하는 멀티 프로토콜 게이트웨이가 요구된다. 그런데 종래의 멀티 프로토콜 게이트웨이는 연결된 원격단말(RTU)들이나 지능형 단말(IED)들의 상태 및 자기진단을 유지보수 사업자의 시스템과 연결하는 기능이 미흡한 문제점이 있다.

그리고 이와 같이 현장의 상태를 유지보수 사업자의 시스템과 연결하는 기능이 없어 종래에 스카다 시스템의 유지보수 방식은 장애가 발생되면 현장의 시스템 관리자가 유지보수 회사로 전화 연락을 하면 유지보수 요원이 출동하는 방식이므로 유지보수 회사에서는 현장의 상황을 파악하기 어렵고, 이에 따라 유지보수가 지연되는 문제점이 있다. 특히, 다수의 분산된 현장을 갖는 유지보수 사업자의 경우 각 현장의 상황을 파악하기 어려워 유지보수 인력의 배치가 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 멀티 프로토콜을 지원하는 게이트웨이에 IoT 감시 기능을 부가하여 신속한 유지보수를 가능하게 한 IoT 감시 기능을 갖는 게이트웨이 및 스카다 유지보수 관리 시스템을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 게이트웨이는, 원격단말(RTU)과 인터페이스하기 위한 원격단말(RTU) 인터페이스부; 지능형 단말(IED)과 인터페이스하기 위한 지능형 단말(IED) 인터페이스부; 스카다 서버와 인터페이스하기 위한 서버 인터페이스부; 프로토콜 변환을 통해 다양한 프로토콜의 단말들을 스카다 서버로 연결하기 위한 프로토콜 변환부; 상기 서버 인터페이스를 통해 전송되는 패킷을 캡춰하는 패킷 캡춰; 캡춰된 패킷을 분석하여 감시할 데이터를 추출하는 프로토콜 분석기; 상기 프로토콜 분석기에 의해 추출된 감시 데이터를 소정의 기준치와 비교하여 장애 여부를 판단하는 상태 감시부; 및 상기 상태 감시부에서 장애를 감지하면 사물인터넷(IoT) 망을 통해 장애정보를 스카다 유지보수 관리서버로 전송하는 엘티이엠(LTE-M) 통신모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 유지보수 관리 시스템은, 각 현장에 설치된 원격단말들을 스카다 서버측과 중개하는 게이트웨이와, 상기 게이트웨이로부터 각 현장의 정보를 수신받아 스카다 시스템의 유지보수를 관리하기 위한 유지보수 관리서버로 구성되고, 상기 게이트웨이는 원격단말(RTU)과 인터페이스하기 위한 원격단말(RTU) 인터페이스부; 지능형 단말(IED)과 인터페이스하기 위한 지능형 단말(IED) 인터페이스부; 스카다 서버와 인터페이스하기 위한 서버 인터페이스부; 프로토콜 변환을 통해 다양한 프로토콜의 단말들을 스카다 서버로 연결하기 위한 프로토콜 변환부; 상기 서버 인터페이스를 통해 전송되는 패킷을 캡춰하는 패킷 캡춰; 캡춰된 패킷을 분석하여 감시할 데이터를 추출하는 프로토콜 분석기; 상기 프로토콜 분석기에 의해 추출된 감시 데이터를 소정의 기준치와 비교하여 장애 여부를 판단하는 상태 감시부; 및 상기 상태 감시부에서 장애를 감지하면 사물인터넷(IoT) 망을 통해 장애정보를 스카다 유지보수 관리서버로 전송하는 엘티이엠(LTE-M) 통신모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 스카다 유지보수 관리 시스템은, 운영자 단말기와, 유지보수자 단말기를 더 포함하고, 상기 유지보수 관리 서버는 유지보수 사업자의 시설에 설치되어 각 현장에서 사물인터넷(IoT) 망을 통해 수신된 각 현장의 장비 상태 정보를 표시함과 아울러 장애 정보가 수신되면 상기 운영자 단말기로 이를 전달하고, 해당 현장에 가까운 유지보수자 단말기로 출동 메시지를 전송하는 것이다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 유지보수 관리 시스템은, 각 현장에 설치되어 현장의 장비 상태를 실시간으로 전송하기 위한 사물인터넷(IoT) 감시노드; 운영자 단말기; 유지보수자 단말기; 및 상기 사물인터넷(IoT) 감시노드로부터 각 현장의 감시 데이터를 수신받아 각 현장의 장비 상태를 표시하고, 수신된 감시 데이터를 분석하여 장애로 판단되면 상기 운영자 단말기로 이를 보고함과 아울러 해당 현장과 가까운 유지보수자 단말기로 출동 메시지를 전송하여 스카다 시스템의 유지보수를 관리하기 위한 유지보수 관리 서버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 사물인터넷(IoT) 감시노드는 서버 인터페이스를 통해 전송되는 패킷을 캡춰하는 패킷 캡춰와, 상기 캡춰된 패킷을 분석하여 감시할 데이터를 추출하는 프로토콜 분석기와, 상기 프로토콜 분석기에 의해 추출된 감시 데이터를 사물인터넷(IoT) 프로토콜에 따른 데이터 전송 패킷으로 조립하는 패킷 조립부와, 상기 조립된 전송 패킷을 사물인터넷(IoT) 망을 통해 상기 스카다 유지보수 관리 서버로 전송하기 위한 엘티이엠(LTE-M) 통신모듈을 포함하는 것이다.

본 발명에 따른 스카다 유지보수 관리 시스템은 다양한 프로토콜을 자원하는 멀티 프로토콜 게이트웨이에 IoT 감시 기능을 구비하고 이를 유지보수 사업자 서버와 연결함으로써 현장의 시스템 관리자가 아닌 유지보수업체에서 현장의 장애 상황을 직접 실시간으로 모니터링하여 신속하게 현장에 출동하여 유지보수를 신속하게 처리할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면, 현장에 설치된 기존 설비를 그대로 둔 체 IoT 감시 노드만 부가한 후 IoT 망을 통해 유지보수 사업자의 서버와 연결함으로써 매우 저렴한 비용으로 유지보수 관리 시스템을 구축할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스카다 유지보수 관리 시스템의 구성을 도시한 개략도,
도 2는 도 1에 도시된 IoT 감시 기능을 갖는 게이트웨이의 동작 순서도,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스카다 유지보수 관리 시스템의 동작 순서도,
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스카다 유지보수 관리 시스템의 구성을 도시한 개략도,
도 5는 도 4에 도시된 IoT 감시 노드의 세부 구성 블럭도,
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스카다 유지보수관리 시스템의 동작 순서도,
도 7은 본 발명에 적용되는 IoT의 MQTT 프로토콜을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명에 적용되는 IoT의 CoAP 프로토콜을 설명하기 위한 도면,
도 9는 본 발명에 적용되는 DNP 3.0 프로토콜 데이터 포맷을 도시한 도면,
도 10은 본 발명에 적용되는 IEC 61850 프로토콜의 데이터 구조 예이다.

본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

본 발명의 스카다 유지보수 관리 시스템은 IoT 감시기능을 구현하는 레벨에 따라 RTU나 IED와 같은 원격 단말에 구현하는 방식과, 게이트웨이에 구현하는 방식, 스카다 서버의 버스에 연결하는 방식 등이 가능한데, 본 발명의 실시예에서는 게이트웨이에 구현한 예를 제 1 실시예로 하고, 스카다 서버 측에 설치한 예를 제 2 실시예로 하여 설명한다. 원격 단말에 IoT 감시기능을 구현할 경우에는 각 원격 단말 제조사에서 해당 기능을 구현해 주어야 하므로 본 발명에서는 통상 유지보수 업체에서 접근하기 용이한 게이트웨이에 구현한 예와, 스카다 서버 측에 구현한 예를 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스카다 유지보수 관리 시스템의 구성을 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 IoT 감시 기능을 갖는 게이트웨이의 동작 순서도이며, 도 7은 본 발명에 적용되는 IoT의 MQTT 프로토콜을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명에 적용되는 IoT의 CoAP 프로토콜을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 스카다 유지보수 관리 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 각 현장에 설치된 스카다 시스템들(A,B)과, 스카다 시스템(A,B)의 각 게이트웨이들(100)과 무선 통신망(102)을 통해 연결되어 각 현장의 스카다 시스템(A,B)의 상태를 모니터링하기 위한 유지보수 사업자의 스카다 유지보수 관리 서버(10)와, 유지보수자 단말기(20), 유지보수 관리 시스템의 운영자 단말기(30)로 구성된다.

도 1을 참조하면, 무선 통신망(102)은 각 현장에 설치된 게이트웨이들(100)과 IoT 프로토콜에 따라 접속되는 사물인터넷(IoT) 망으로서, 비면허 대역의 LoRa 망(SK사), Sigfox, 면허 대역의 LTE-M(KT, SK), NB-IoT(KT 및 U+) 등이 있으나 본 발명의 실시예에서는 LTE-M 기술을 사용하는 것을 예로 든다. IoT 망에서 사용되는 프로토콜로는 MQTT와 CoAP 프로토콜이 있는데, MQTT(Message Queue Telemetry Transport)는 스마트 디바이스와 같이 대역폭이 제한된 환경에 최적화되어 개발된 푸시 기술 기반의 경량 메시지 전송 프로토콜이다. 일반적인 푸시 기술에 사용되는 클라이언트/서버 방식 대신, 브로커를 통해 송신자가 특정 메시지를 Publish하고, 수신자가 메시지를 Subscribe하는 Publish/Subscribe 방식을 사용한다. MQTT는 개방적이고 비교적 쉽게 구현할 수 있고, Publish/Subscribe 관계 모델 구조로 설계되었기 때문에 수 많은 클라이언트가 하나의 서버에서 지원된다. 이를 통해 M:N 송출이 가능하고, 메시지를 전후방으로 전송함으로써 간결함과 직관성을 보장한다. MQTT의 기본 구조는 도 7에 도시된 바와 같다.

CoAP 프로토콜은 소형 디바이스들의 인터넷 통신을 지원하기 위해 IETF에서 개발된 프로토콜로, 저전력 센서, 스위치 등을 표준화된 인터넷 환경에서 사용하기 위한 목적을 지니고 있다. CoAP은 Request/Response 모델로 동작하며, 메시지의 반복전송을 통해 신뢰성을 확보한다. 또한 CoAP 메시지는 2진 포맷으로 인코딩되고, 타입-길이-값(TLV) 포맷을 따라 헤더가 고정된 크기를 가지고 생성되며, 프레임 내의 베이스 헤더는 버전, 메시지 타입, 토큰 길이, 메시지 종류 코드 등으로 구성되어 있다. CoAP 프로토콜 전송계층은 UDP와 애플리케이션 사이에 위치하고 있으며, 두 가지 레이어로 정의할 수 있다. CoAP 기본 구조는 도 8에 도시된 바와 같다.

다시 도 1을 참조하면, 스카다 유지보수 관리 서버(10)는 유지보수 사업자의 사무실 등에 설치되어 있고 각 현장에서 IoT 망(102)을 통해 수신된 각 현장의 장비 상태 정보를 실시간으로 표시한다. 또한 스카다 유지보수 관리 서버(10)는 각 현장의 구성 정보와 게이트웨이(100), 유지보수자 단말기(20), 운영자 단말기(30)의 정보를 데이터베이스로 관리하고 있고, 현장에서 장애 정보가 수신되면 해당 현장에 가까운 유지보수자의 단말기(20)로 출동 메시지를 전달한다. 이를 위해 유지보수 관리 서버(10)는 유지보수자 단말기(20)의 현재 위치를 추적하여 관리할 필요가 있다.

유지보수자 단말기(20)에는 유지보수 관리를 위한 앱(App))이 탑재되어 있고, 앱(App)은 무선통신망(102)을 통해 스카다 유지보수 관리 서버(10)와 연결되어 장애정보와 출동명령을 수신받아 유지보수자가 현장으로 신속히 이동할 수 있게 한다.

운영자 단말기(30)에는 유지보수 관리를 위한 앱(App)이 탑재되어 있고, 앱은 무선통신망(102)을 통해 스카다 유지보수 관리 서버(10)와 연결되어 각 현장의 상태를 실시간으로 확인할 수 있게 되어 있다.

각 현장의 스카다 시스템(A,B)은 Mod 버스나 DNP3.0 프로토콜을 지원하는 RTU(50A)와, IEC 61850을 지원하는 IED(60A), 본 발명에 따라 다양한 프로토콜의 원격 단말들(50A,60A)을 스카다 서버(40A)에 연결하고 각 원격 단말기(50A,60A)로부터 스카다 서버(40A)로 전달되는 패킷을 캡춰한 후 분석하여 장애 여부를 감시하여 IoT 망(102)을 통해 서버(10)로 전송하는 게이트웨이(100)와, 스카다 서버(40A)로 구성된다.

본 발명의 실시예에서 RTU(50A)는 DNP 3.0 프로토콜에 따라 물리적인 장비와 연결되어 해당 장비로부터 측정 데이터, 각종 상태 데이터, 센서 데이터 등을 수신받아 스카다 서버(40A)측으로 전달하고, 스카다 서버(40A)로부터 수신된 명령에 따라 해당 장비의 액츄에이터나 릴레이 등을 제어하는 역할을 한다. 예컨대, 원격단말(RTU: Remote Terminal Unit; 50A)은 유/무인 변전소에 시설되어 전력설비를 직접 감시ㆍ제어 및 계측하는 설비로써 상위 SCADA 시스템으로부터 송출되는 명령을 수신한 뒤, 그 명령을 분석하여 전력설비를 제어하고, 전력설비로부터 취득한 상태감시 및 계측정보를 상위 SCADA 시스템으로 송출한다. RTU(50A)의 주요기능은 원격감시, 원격측정, 원격제어, 설비관리, 통신수행, 시스템진단 및 시간동기화 등이 있다. RTU(50A)는 중앙처리장치로서 각종 데이터를 처리하고 상위 제어시스템 및 현장처리장치와 통신을 관장하는 주처리장치(MPD: Main Processing Device), 현장 전력설비를 감시하고 제어하는 현장처리장치(FPD: Field Processing Device), 전력설비의 전압, 전류 등 각종 Meter 값을 취득하는 지능형 계측장치(IAPD: Intelligent Analog Processing Device), GPS로부터 표준시간을 받아 RTU 모든 장치의 시간을 동기화시키는 GPS수신기(GPS Time Sync.), 현장설비와의 전기적인 연결이 이루어지는 터미널장치(T/B: Terminal Block Device) 및 각 장치에 DC 전원을 공급하는 전원장치로 구성되어 있다.

이와 같이 본 발명에 따라 게이트웨이(100)를 통해 RTU(50A)와 스카다 서버(40A) 사이에 통신하는 DNP 3.0 프로토콜은 도 9에 도시된 바와 같은 데이터 포맷에 따라 원방 감시 제어 서비스를 처리한다. DNP 3.0 응용 계층에서는 사용자 데이터를 받아 ASDU(Application Service Data Unit)을 생성하는데, 하나의 사용자 데이터는 도 9에 도시된 바와 같이, 여러개의 ASDU로 분리도 가능하다. 도 9를 참조하면, 각각의 ASDU는 헤더에 해당하는 APCI(Application Protocol Control Information)와 결합하여 APDU(Application Protocol Data Unit)를 생성하며, 수신측 응용에서는 하나의 ASDU를 수신했을 경우, 앞의 APCI를 제거하고 ASDU를 어셈블(assemble)하여 완벽한 데이터를 생성한다. 객체 헤더(Object Header)는 DUI(Data Unit Identifier)로서 뒤따라오는 데이터 객체를 식별하기 위한 헤더이며, 데이터에는 객체 헤더에서 규정된 형태의 IO(Information Object)들이 포함된다.

요청 헤더(Request Header)는 AC(application control)와 FC(function control)로 구성되고, 응답 헤더(Response Header)에는 AC와 FC에 IIN(Internal Indication)이 추가된 형태이다. AC에는 첫 번째 분할된 ASDU나 마지막 ASDU를 지칭하는 FIR, FIN과 확인을 요청하는 CON, 그리고 순서번호가 포함된다. FC는 메시지의 목적을 나타내는데, 마스터의 요청과 슬레이브의 응답에서 이용되는 코드들은 FC=0x00(CONFIRM), FC=0x01(READ), FC=0x02(WRITE) 등이 있고, IIN은 응답시 처리결과를 나타내기 위한 목적으로 이용된다.

또한 지능형 단말(IED: Intelligent Electronic Device; 60A)은 차단기, 변압기와 같은 전력기기의 보호와 제어를 담당하는 마이크로프로세서 기반의 현장 제어기로서 디지털 기반의 변전 시스템에서는 IEC 61850 표준에 따른 프로토콜을 지원한다. 본 발명의 실시예에서 IED(60A)에 채택된 IEC 61850 프로토콜의 데이터 포맷은 도 10에 도시된 바와 같다. 도 10은 본 발명에 적용되는 IEC 61850 프로토콜 데이터 구조의 예이다. 도 10을 참조하면, 하나의 물리적 IED는 다수의 LN(Logical Node)으로 그 기능이 정의되고, 각 LN은 데이터와 데이터 속성으로 정의된다. 즉, 모든 기능은 하나 이상의 물리 장치에 존재하는 LN으로 분리되는데, 각 장치는 자신의 이름 정보(nameplate information) 또는 자신을 관리감독(self-supervision)한 결과를 담고 있는, ‘LN0’로 알려져 있는 LN이 반드시 필요하다. 이러한 LN들은 전용으로 데이터를 교환하기 위해, LC(Logical Connection)들로 연결되어있다. LN은 기능(F)과 물리 장치(PD: physical devices)에 할당되는데, 장치들은 PC(physical connections)로 연결된다. 각 LN(Logical Node)은 주고받은 데이터의 문법(syntax)과 의미(semantic)을 해석할 수 있어야만 서로 사용될 수 있는데, 이를 위해 응용에서는 3단계로 데이터를 모델링한다. 레벨 1 ACSI에서는 객체 모델(object model)로 구체화되는 도메인 즉 SAS의 항목을 접근하는데 사용되는 모델과 서비스로 구체화되는데, 이러한 모델과 서비스는 응용의 요구를 반영하여 적용한다. 이때 서비스는 응용의 객체 값을 읽거나 쓰는 기능뿐만 아니라 장비를 제어하는 기능도 수행한다. 레벨 2 CDC(Common Data Classes)에서는 하나 이상의 속성을 갖는 객체의 구조를 정의하는데, 이러한 속성들의 데이터 타입은 IEC 61850-7-1에 정의된다. 레벨 3 “호환 가능한 LN 클래스 및 객체 클래스(Compatible logical node classes and data classes)”에서는 CDC를 기반으로 하여, 기능 클래스와 데이터 클래스로 정의되는, 호환성 있는 객체 모델을 정의한다. IEC 61850의 데이터 클래스는 의미 있는 정보들을 나타내며, SetDataValue로 쓰거나 GetDataValue로 읽을 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 본 발명에 따라 IoT 감시기능을 갖는 게이트웨이(100)는 RTU(50A)와 인터페이스하기 위한 RTU 인터페이스부(110), IED(60A)와 인터페이스하기 위한 IED 인터페이스부(120), 스카다 서버(40A)와 인터페이스하기 위한 서버 인터페이스부(140), 프로토콜 변환을 통해 다양한 프로토콜의 원격 단말들을 스카다 서버(40A)로 연결하기 위한 프로토콜 변환부(130), 서버 인터페이스(140)를 통해 전송되는 패킷을 캡춰하는 패킷 캡춰(150), 캡춰된 패킷을 분석하여 감시할 데이터를 추출하는 프로토콜 분석기(160), 프로토콜 분석기(160)에 의해 추출된 감시 데이터를 소정의 기준치와 비교하여 장애 여부를 판단하는 상태 감시부(170)와, 상태 감시부(170)에서 장애를 감지하면 IoT 망(102)을 통해 장애 정보를 스카다 유지보수 관리 서버(10)로 전송하는 LTE-M 통신모듈(180)로 구성된다.

이와 같이 구성되어 IoT 감시기능을 갖는 게이트웨이(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 패킷을 캡춰하는 단계(S101), 캡춰된 패킷의 프로토콜을 분석하고, 상태 보고를 위한 감시 데이터를 추출하는 단계(S102,S103), 감시 데이터를 소정의 기준치와 비교하여 상태를 판단하고 장애로 판단되면 LTE-M 통신모듈(180)을 통해 스카다 유지보수 관리 서버(10)로 전송하는 단계(S104~S106)로 구성된다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스카다 유지보수 관리 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이 동작한다. 도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스카다 유지보수 관리 시스템의 동작 순서도이다.

도 3을 참조하면, 유지보수 관리 서버(10)에 각 현장의 구성정보를 데이터베이스로 구축하고, 각 현장에 설치된 게이트웨이(100)를 등록받으며, 유지보수자의 단말기(20)와 운영자의 단말기(30)를 등록받아 관리를 위한 데이터베이스를 구축한다(S201~S205). 각 단말기는 전화번호로 특정되고, 게이트웨이는 고유의 식별 아이디로 특정될 수 있다.

이어 각 현장에 설치된 게이트웨이(100)는 도 3에 도시된 바와 같은 절차를 통해 해당 게이트웨이에 속해 있는 설비들을 감시하다가 장애가 검출되면 IoT 망(102)을 통해 유지보수 사업자의 유지보수 관리서버(10)로 장애정보를 전송한다(S206). 유지보수 관리서버(10)는 각 현장의 장애정보를 수신받아 데이터베이스로 저장하고, 장애정보를 운영자 단말기(30)로 실시간으로 전송함과 아울러 해당 현장에 가장 가까운 유지보수 단말기(20)로 출동 메시지를 전송한다(S207~S209).

이에 따라 유지보수자는 해당 현장으로 신속히 출동하여 장애가 발생된 설비를 유지보수하고, 유지보수가 완료되면 단말기(20)의 앱을 통해 유지보수 완료정보를 관리서버(10)로 전송한다(S210,S211).

유지보수 관리서버(10)는 이를 데이터베이스에 저장하고, 운영자에게 유지보수 완료를 통지한다(S212,S213). 이후 유지보수 관리서버(10)는 일정 기간별(예컨대, 주간/ 월간 혹은 연간 단위로)로 각 현장의 정보를 통계 처리하여 운영자의 단말기(30)로 유지보수 현황 정보를 제공한다(S214,S215).

이와 같이 본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 다양한 프로토콜을 자원하는 멀티 프로토콜 게이트웨이(100)에 IoT 감시 기능을 구비하고 이를 유지보수 사업자 서버(10)와 IoT망(102)으로 연결함으로써 현장의 시스템 관리자가 아닌 유지보수업체에서 현장의 장애 상황을 직접 실시간으로 모니터링하여 신속하게 현장에 출동하여 유지보수를 신속하게 처리할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스카다 유지보수 관리 시스템의 구성을 도시한 개략도이고, 도 5는 도 4에 도시된 IoT 감시 노드의 세부 구성 블럭도이며, 도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스카다 유지보수 관리 시스템의 동작 순서도이다.

본 발명의 제 2 실시예에 따른 스카다 유지보수 관리 시스템은 도 4에 도시된 바와 같이, 각 현장에 설치된 스카다 시스템들(A,B)과, 스카다 시스템(A,B)에 설치된 IoT 감시 노드(230)와 무선 통신망(102)을 통해 연결되어 각 현장의 스카다 시스템의 상태를 모니터링하기 위한 유지보수 사업자의 스카다 유지보수 관리 서버(10)와, 유지보수자 단말기(20), 유지보수 관리 시스템의 운영자 단말기(30)로 구성된다. 제 2 실시예의 구성에서 제 1 실시예와 동일한 구성에 대해서는 반복을 피하기 위해 설명을 생략하고, 제 1 실시예와 다른 구성을 중심으로 설명하기로 한다.

도 4를 참조하면, 무선통신망(102)은 각 현장에 설치된 IoT 감시노드(230)를 유지보수 관리서버(10)와 IoT 프로토콜에 따라 연결하기 위한 IoT 망으로서, 비면허 대역의 LoRa 망(SK사), Sigfox, 면허대역의 LTE-M(KT, SK), NB-IoT(KT 및 U+) 등이 있으나 본 발명의 실시예에서는 LTE-M 기술을 사용하는 것을 예로 든다.

스카다 유지보수 관리 서버(10)는 유지보수 사업자의 사무실 등에 설치되어 있고 각 현장에서 IoT 망(102)을 통해 수신된 각 현장의 장비 상태 정보를 실시간으로 표시한다. 또한 스카다 유지보수 관리 서버(10)는 각 현장의 구성 정보와 IoT 감시노드(230), 유지보수자 단말기(20), 운영자 단말기(30)의 정보를 데이터베이스로 관리하고 있고, 각 현장의 장비상태를 실시간으로 모니터링하다가 장애가 검출되면 해당 현장에 가까운 유지보수자의 단말기(20)로 출동 메시지를 전달한다.

유지보수자 단말기(20)에는 유지보수 관리를 위한 앱(App)이 탑재되어 있고, 앱은 무선통신망(102)을 통해 스카다 유지보수 관리 서버(10)와 연결되어 장애정보와 출동명령을 수신받아 유지보수자가 현장으로 신속히 이동할 수 있게 한다.

각 현장의 스카다 시스템(A,B)은 Mod 버스나 DNP 3.0 프로토콜을 지원하는 RTU(50A)와, IEC 61850을 지원하는 IED(60A), 스카다 서버(210), 다양한 프로토콜의 원격 단말들(50A,60A)을 스카다 서버(40A)에 연결하는 멀티 프로토콜 게이트웨이장치(220)와, 해당 현장의 설비 상태를 감시하여 현장 데이터를 실시간으로 서버로 전송하기 위한 IoT 감시 노드(230)로 구성된다. 즉, IED(60A)는 IEC 61850 프로토콜에 따른 이더넷(204)으로 게이트웨이(220)와 연결되고, RTU(50A)는 Mod버스나 DNP3.0의 시리얼방식(206)으로 게이트웨이(220)에 연결되며, 스카다 서버(210)와 게이트웨이(220)는 이더넷(202)으로 연결된다.

IoT 감시 노드(230)는 도 5에 도시된 바와 같이, 서버 인터페이스를 통해 전송되는 패킷을 캡춰하는 패킷 캡춰(232)와, 캡춰된 패킷을 분석하여 감시할 데이터를 추출하는 프로토콜 분석기(234)와, 프로토콜 분석기(234)에 의해 추출된 감시 데이터를 IoT 프로토콜에 따른 데이터 전송 패킷으로 조립하는 패킷 조립부(236)와, 조립된 패킷을 IoT 망(102)을 통해 스카다 유지보수 관리서버(10)로 전송하기 위한 LTE-M 통신모듈(238)로 구성된다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스카다 유지보수 관리 시스템은 도 6에 도시된 바와 같이 동작한다. 도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스카다 유지보수 관리 시스템의 동작 순서도이다.

도 6을 참조하면, 유지보수 관리서버(10)에 각 현장의 구성정보를 데이터베이스로 구축하고, 각 현장에 설치된 IoT 감시노드(230)를 등록받으며, 유지보수자의 단말기(20)와 운영자의 단말기(30)를 등록받아 관리를 위한 데이터베이스를 구축한다(S301~S305). 각 단말기는 전화번호로 특정되고, IoT 감시노드는 고유의 식별 아이디로 특정될 수 있다.

이어 각 현장에 설치된 IoT 감시노드(230)는 도 5에 도시된 바와 같은 절차를 통해 해당 현장에 속해 있는 설비들의 감시 데이터를 IoT 망(102)을 통해 유지보수 사업자의 유지보수 관리서버(10)로 전송한다(S306). 유지보수 관리서버(10)는 각 현장의 감시 데이터를 수신받아 데이터베이스로 저장함과 아울러 감시 데이터를 분석하여 장애 여부를 판별하고, 판별결과 장애가 검출되면 운영자 단말기(30)로 이를 실시간으로 전송하면서 해당 현장에 가장 가까운 유지보수 단말기(20)로 출동 메시지를 전송한다(S307~S311).

이에 따라 유지보수자는 해당 현장으로 신속히 출동하여 장애가 발생된 설비를 유지보수하고, 유지보수가 완료되면 단말기(20)의 앱을 통해 유지보수 완료정보를 관리서버(10)로 전송한다(S312,S313).

유지보수 관리서버(10)는 이를 데이터베이스에 저장하고, 운영자에게 유지보수 완료를 통지한다(S314,S315). 이후 유지보수 관리서버(10)는 일정 기간별(예컨대, 주간/ 월간 혹은 연간 단위로)로 각 현장의 정보를 통계 처리하여 운영자의 단말기(30)로 유지보수 현황 정보를 제공한다(S316,S317).

이와 같이 본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 현장에 설치된 기존 설비를 그대로 둔 체 IoT 감시 노드(230)만 부가한 후 IoT 망(102)을 통해 유지보수 사업자의 서버(10)와 연결함으로써 매우 저렴한 비용으로 유지보수 관리 시스템을 구축할 수 있다.

이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

10: 스카다 유지보수 관리 서버 20: 유지보수자 단말기
30: 운영자 단말기 40A,210: 스카다 서버
50A: RTU 60A: IED
102: IoT망 100,220: 게이트웨이
110: RTU 인터페이스 120: IED 인터페이스
130: 프로토콜 변환부 140: 서버 인터페이스
150: 패킷 캡춰 160: 프로토콜 분석기
170: 상태 감시부 180: LTE-M 통신모듈
230: IoT 감시노드

Claims

원격단말(RTU)과 인터페이스하기 위한 원격단말(RTU) 인터페이스부;
지능형 단말(IED)과 인터페이스하기 위한 지능형 단말(IED) 인터페이스부;
스카다 서버와 인터페이스하기 위한 서버 인터페이스부;
프로토콜 변환을 통해 다양한 프로토콜의 단말들을 스카다 서버로 연결하기 위한 프로토콜 변환부;
상기 서버 인터페이스를 통해 전송되는 패킷을 캡춰하는 패킷 캡춰;
캡춰된 패킷을 분석하여 감시할 데이터를 추출하는 프로토콜 분석기;
상기 프로토콜 분석기에 의해 추출된 감시 데이터를 소정의 기준치와 비교하여 장애 여부를 판단하는 상태 감시부; 및
상기 상태 감시부에서 장애를 감지하면 사물인터넷(IoT) 망을 통해 장애정보를 스카다 유지보수 관리서버로 전송하는 엘티이엠(LTE-M) 통신모듈을 포함하는 사물인터넷(IoT) 감시 기능을 갖는 게이트웨이.
각 현장에 설치된 원격단말들을 스카다 서버측과 중개하는 게이트웨이와,
상기 게이트웨이로부터 각 현장의 정보를 수신받아 스카다 시스템의 유지보수를 관리하기 위한 유지보수 관리서버로 구성되고,
상기 게이트웨이는
원격단말(RTU)과 인터페이스하기 위한 원격단말(RTU) 인터페이스부;
지능형 단말(IED)과 인터페이스하기 위한 지능형 단말(IED) 인터페이스부;
스카다 서버와 인터페이스하기 위한 서버 인터페이스부;
프로토콜 변환을 통해 다양한 프로토콜의 단말들을 스카다 서버로 연결하기 위한 프로토콜 변환부;
상기 서버 인터페이스를 통해 전송되는 패킷을 캡춰하는 패킷 캡춰;
캡춰된 패킷을 분석하여 감시할 데이터를 추출하는 프로토콜 분석기;
상기 프로토콜 분석기에 의해 추출된 감시 데이터를 소정의 기준치와 비교하여 장애 여부를 판단하는 상태 감시부; 및
상기 상태 감시부에서 장애를 감지하면 사물인터넷(IoT) 망을 통해 장애정보를 스카다 유지보수 관리서버로 전송하는 엘티이엠(LTE-M) 통신모듈을 포함하는 스카다 유지보수 관리 시스템.
제2항에 있어서, 상기 스카다 유지보수 관리 시스템은,
운영자 단말기와, 유지보수자 단말기를 더 포함하고,
상기 유지보수 관리 서버는
유지보수 사업자의 시설에 설치되어 각 현장에서 사물인터넷(IoT) 망을 통해 수신된 각 현장의 장비 상태 정보를 표시함과 아울러 장애 정보가 수신되면 상기 운영자 단말기로 이를 전달하고, 해당 현장에 가까운 유지보수자 단말기로 출동 메시지를 전송하는 것을 특징으로 하는 스카다 유지보수 관리 시스템.
각 현장에 설치되어 현장의 장비 상태를 실시간으로 전송하기 위한 사물인터넷(IoT) 감시노드;
운영자 단말기;
유지보수자 단말기; 및
상기 사물인터넷(IoT) 감시노드로부터 각 현장의 감시 데이터를 수신받아 각 현장의 장비 상태를 표시하고, 수신된 감시 데이터를 분석하여 장애로 판단되면 상기 운영자 단말기로 이를 보고함과 아울러 해당 현장과 가까운 유지보수자 단말기로 출동 메시지를 전송하여 스카다 시스템의 유지보수를 관리하기 위한 유지보수 관리 서버를 포함하는 스카다 유지보수 관리 시스템.
제4항에 있어서, 상기 사물인터넷(IoT) 감시노드는
서버 인터페이스를 통해 전송되는 패킷을 캡춰하는 패킷 캡춰와,
상기 캡춰된 패킷을 분석하여 감시할 데이터를 추출하는 프로토콜 분석기와,
상기 프로토콜 분석기에 의해 추출된 감시 데이터를 사물인터넷(IoT) 프로토콜에 따른 데이터 전송 패킷으로 조립하는 패킷 조립부와,
상기 조립된 전송 패킷을 사물인터넷(IoT) 망을 통해 상기 스카다 유지보수 관리 서버로 전송하기 위한 엘티이엠(LTE-M) 통신모듈을 포함하는 스카다 유지보수 관리 시스템.