KR102499239B1 - 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 탐지 방법 및 장치 - Google Patents

전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 탐지 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

실시예는, 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 검출 방법 및 장치에 관한 것으로서, GPS 시각 위변조의 경우 한계 시각 변이량에 대응하는 ROCOF(Rate of Change of Frequency) 값 및 실제 전력 사고 발생시 ROCOF 값을 이용하여 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 여부를 판단할 수 있는 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 검출 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 탐지 방법 및 장치{FORGERY OF THE TIME THE POWER GRID WIDE AREA MONITORING SYSTEM DETECTING METHOD AND APPARATUS}
실시예는 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 탐지 방법 및 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 전력 그리드 광역감시시스템의 GPS 시각 위변조 탐지 및 오동작을 방지하는 시각 위변조 탐지 방법 및 장치에 관한 것이다.
현재의 전력시스템은 실제로 사용하는 전기보다 15%정도 많은 전기를 생산하도록 설계되어 있다. 이는 전력의 최대 소비량에 맞춰진 전기 생산량으로서, 혹시라도 더 많은 전기를 사용할 경우에 대비해 전기를 미리 확보하기 위함이다. 이에 따라 연료는 물론 각종 발전 설비도 추가적으로 필요하다. 또한, 버려지는 전기가 발생하여 에너지 효율이 떨어지며, 석탄, 석유, 가스 등을 연소하는 과정에서 이산화탄소 배출량이 늘어나는 문제점이 있다. 이하 도 1을 참조하여 전력 그리드(Power grid)의 개념을 설명한다.
도 1은 전력 그리드(Power grid)의 개념도이다. 전력 그리드는 기존의 전력망에 정보통신기술(Information Communication Technologym, ICT)을 융합하여 전력생산과 소비정보를 양방향, 실시간으로 교환함으로써 에너지 효율을 최적화할 수 있다. 이와 같이, 전력 그리드가 전력생산과 소비 정보를 양방향, 실시간으로 교환하기 위해서는 동일한 전력 그리드의 구성이 동일한 시각 정보를 이용할 필요가 있다. 이를 위해 GPS 신호에 따른 시각 정보가 이용될 수 있다.
현대에 들어와 시간은, 길이의 정의를 “미터는 빛이 진공에서 299,792,458 분의 1초 동안 진행한 경로의 길이이다.”로 정의할 정도로 가장 정확히 측정할 수 있는 물리량이다. 따라서 그 정확성으로 인해 시각 정보는 산업 전반에 활용될 가치가 충분하며, 그 활용을 위해 시각 정보를 관리하고 정확하게 유지하는 것이 중요하게 되었다.
이러한 시각 정보 중에는 국제원자시(TAI) 및 세계협정시(UTC) 이외에도 다수의 국가에서 관리, 유지되는 각국의 표준시가 있다. 또한, GPS(Global Positioning System) 위성에 탑재된 원자시계의 기준시 또한 시각 정보로 활용된다.
WAMS(Wide Area Monitoring System), WAMAC(Wide Area Monitoring and Control System), WAMPAC(Wide Area Monitoring Protection and Control) 등과 같이 전력계통을 실시간으로 감시할 수 있는 광역감시시스템은 송전선로와 변전소의 전압, 전류 및 위상을 동시에 측정하여 전력 그리드를 실시간으로 감시, 평가함으로써, 고장이 발생할 경우 운전자가 신속 대응할 수 있도록 한다. 따라서, 광역감시시스템의 시각동기는 전력 그리드의 안전성 및 신뢰성을 보장하기 위한 중요한 요소이다.
SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition), SA(Substation Automation) 등의 전력시스템에서의 고정밀 시각 동기(UTC 대비 1us 이하의 시각 동기) 요구사항을 만족하기 위해서, 대부분 GPS를 포함한 GNSS(Global Navigation Satellite System)를 사용하는 것이 일반적이다.
미국의 경우, 2003년 북미지역 대정전 이후, 미국 에너지부(DoE, Department of Energy)는 전력 그리드의 안정성 및 신뢰성 제고를 위하여, 기존 SCADA 시스템보다 100배 이상의 정밀도를 보장하는 시각동기(Time-synchronized) 위상측정 장치(PMU, Phasor Measurement Unit)의 설치, 운영을 명문화하고, “American Recovery and Reinvestment Act”를 통해 북미 전 지역에 1,000대의 PMU를 운영하고 있다. 대한민국 또한 2023년까지 PMU의 보급과 광역감시시스템의 운영을 계획하고 있다.
PMU를 이용하는 광역감시시스템은 GPS의 시각정보를 추출하여PMU 내부의 시각과 동기화하고, 각 PMU에서 측정된 전압 및 전류의 크기와 위상, 주파수 등의 전기특성을 분석하여 전력 그리드의 상태를 파악한다.
따라서, 광역감시시스템은 분산된 PMU의 시각 동기를 전제로 함으로, 의도적, 자연적 위성항법장치(GPS, Global Positioning System) 위변조에 취약하여, 전력 그리드의 상황 인식에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 문제점이 있다.
또한, 특정한 하나 또는 복수 개의 PMU가 GPS 시각 위변조로 인하여 시각기준점이 변경될 경우, 실제와 다른 위상이 측정될 수 있으며, 이러한 PMU의 오류는 광역감시시스템이 사용자에게 (간접적으로)시스템을 오동작 시킬 수 있는 원인을 제공하거나, (직접적으로)잘못된 제어 및 보호명령을 발생시킬 수 있는 문제점이 있다.
실시예에 따른 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 탐지 방법 및 장치는, GPS 시각 위변조를 탐지하고, GPS 시각 위변조로 인한 광역감시시스템의 오작동을 방지하기 위한 시각 위변조 탐지 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.
실시예는 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 검출 방법으로서, GPS(Global Positioning System) 신호를 수신하는 GPS 수신기 및 전력 그리드(grid)에 포함되는 지역의 전기 특성 정보를 측정하는 복수의 측정장치를 포함하는 전력 그리드의 광역감시시스템에 있어서, 상기 GPS 수신기가 GPS 신호로부터 시각 정보를 추출하는 단계, 상기 시각 정보와 상기 GPS 수신기의 내부 시각을 동기화하여 출력 시각신호를 생성하고 시각 기준점을 결정하는 단계, 상기 시각 기준점에 대응하여, 상기 복수의 측정장치에서 측정된 전기 특성 정보를 이용하여 상기 복수의 측정장치 각각의 제1 ROCOF(Rate of Change of Frequency) 값을 도출하는 단계, 그리고 상기 제1 ROCOF 값이 미리 설정된 제1 임계값 이상인 경우, 전력 사고가 발생한 것으로 판단하고, 상기 제1 ROCOF 값이 상기 제1 임계값 미만인 경우, GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함하며, 상기 전기 특성 정보는 상기 지역에서 생산되거나 상기 지역으로 공급되는 전기신호의 크기, 위상, 주파수 정보를 포함한다.
또한, 실시예에 따른 GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단하는 단계는, 상기 지역에서 전력 사고가 발생한 경우에 대응하는 전기 특성 정보를 이용하여 제2 ROCOF 값을 도출하는 단계, 상기 GPS 수신기가 홀드오버(Holdeover) 상태로 전환되지 않으면서 시각 오차를 누적할 수 있는 GPS 시각 위변조 한계량을 도출하는 단계, 상기 GPS 시각 위변조 한계량에 대응하는 제3 ROCOF 값을 도출하는 단계, 그리고 상기 제2 ROCOF 값과 상기 제3 ROCOF 값의 평균값을 상기 제1 임계값으로 설정하는 단계를 포함하며, 상기 홀드오버 상태는, 상기 GPS 수신기가 상기 GPS 신호를 수신할 수 없거나, 상기 GPS 신호에 대응하는 시각 신호와 상기 GPS 수신기의 내부 시각의 시각 편차가 기준값 이상인 경우, 상기 GPS 수신기가 상기 GPS 신호와 동기화된 출력 시각신호가 아닌 상기 GPS 수신기의 내부시각을 출력하는 상태이다.
또한, 실시예에 따른 측정장치는 제1 측정기와 제2 측정기를 포함하며, 상기 제1 ROCOF 값을 도출하는 단계는, 상기 제1 측정기가 송전선로 일단의 전압 및 전류의 제1 위상각 및 제1 주파수를 측정하는 단계, 상기 제2 측정기가 상기 송전선로 타단에 설치되어 전압 및 전류의 제2 위상각 및 제2 주파수를 측정하는 단계, 제어부가, 상기 제1 주파수에 대응하는 제4 ROCOF 값을 도출하는 단계, 상기 제2 주파수에 대응하는 제5 ROCOF 값을 도출하는 단계, 그리고 상기 제4 ROCOF 값과 상기 제5 ROCOF 값 중 더 큰 값을 가지는 ROCOF 값을 상기 제1 ROCOF 값으로 설정하는 단계를 포함한다.
또한, 실시예에 따른 제1 ROCOF 값을 도출하는 단계는, 상기 제1 위상각과 상기 제2 위상각의 차이값인 비정상 위상각을 도출하는 단계, 그리고 상기 비정상 위상각이 미리 설정된 제2 임계값 이상인 경우, 상기 송전선로가 설치된 지역의 제어 및 보호 명령을 생성하는 단계를 더 포함한다.
또한, 실시예에 따른 GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단하는 단계는, 상기 비정상 위상각이 상기 제2 임계값 이상이고, 상기 제1 ROCOF 값이 상기 제1 임계값 이상인 경우, 상기 제1 ROCOF 값이 측정된 지역에 전력사고가 발생한 것으로 판단하는 단계를 더 포함한다.
또한, 실시예에 따른 GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단하는 단계는, 상기 비정상 위상각이 상기 제2 임계값 이상이고, 상기 제1 ROCOF 값이 상기 제1 임계값 미만인 경우, 상기 제1 ROCOF 값이 측정된 지역에 GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단하는 단계를 더 포함한다.
또한, 실시예에 따른 GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단하는 단계는, 상기 전력사고가 발생한 것으로 판단되는 경우, 상기 전력사고가 발생한 지역에 전력 그리드 제어 및 보호 신호를 송신하여 상기 전력 그리드의 안정화 조치를 수행하는 단계, 그리고 상기 GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단되는 경우, 상기 GPS 시각 위변조가 발생한 지역에 상기 제어 및 보호 신호와 관련된 모든 조치 수행을 금지하고, 상기 GPS 시각 위변조가 발생한 지역에서 측정된 전기 특성 정보를 무효화하는 단계를 더 포함한다.
또한, 실시예에 따른 제1 내지 제5 ROCOF 값은, 상기 지역에 공급되거나, 상기 지역에서 생성되는 전압 또는 전류의 시간에 따른 주파수 변화량을 측정하는 방법 및/또는 상기 추출된 시각 정보의 시각 변이량으로부터 위상 변이량을 도출하고, 상기 도출된 위상 변이량으로부터 주파수 변이량을 도출하고, 상기 도출된 주파수 변이량을 미분하여 상기 ROCOF 값을 도출하는 방법을 이용하여 도출된다.
또한, 실시예에 따른 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 검출 장치는, GPS(Global Positioning System) 신호를 수신하고, 상기 GPS 신호로부터 시각 정보를 추출하며, 상기 시각 정보와 내부 시각을 동기화 하여 출력 시각신호를 생성하고 시각 기준점을 결정하는 GPS 수신기, 상기 시각 기준점에 대응하여, 전력 그리드(grid)에 포함되는 지역의 전기 특성 정보를 측정하는 복수의 측정장치, 그리고 상기 측정된 전기 특성 정보를 이용하여 상기 복수의 측정장치 각각의 제1 ROCOF(Rate of Change of Frequency) 값을 도출하며, 상기 제1 ROCOF 값이 미리 설정된 제1 임계값 이상인 경우, 전력 사고가 발생한 것으로 판단하고, 상기 제1 ROCOF 값이 상기 제1 임계값 미만인 경우, GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단하는 제어부를 포함하며, 상기 전기 특성 정보는 상기 지역에서 생산되거나 상기 지역으로 공급되는 전기신호의 크기, 위상, 주파수 정보를 포함한다.
또한, 실시예에 따른 제어부는, 상기 지역에서 전력 사고가 발생한 경우에 대응하는 전기 특성 정보를 이용하여 제2 ROCOF 값을 도출하고, 상기 GPS 수신기가 홀드오버(Holdeover) 상태로 전환되지 않으면서 시각 오차를 누적할 수 있는 GPS 시각 위변조 한계량을 도출하며, 상기 GPS 시각 위변조 한계량에 대응하는 제3 ROCOF 값을 도출하고, 상기 제2 ROCOF 값과 상기 제3 ROCOF 값의 평균값을 상기 제1 임계값으로 설정하며, 상기 홀드오버 상태는, 상기 GPS 수신기가 상기 GPS 신호를 수신할 수 없거나, 상기 GPS 신호에 대응하는 시각 신호와 상기 GPS 수신기의 내부 시각의 시각 편차가 기준값 이상인 경우, 상기 GPS 수신기가 상기 GPS 신호와 동기화된 출력 시각신호가 아닌 상기 GPS 수신기의 내부시각을 출력하는 상태이다.
또한, 실시예에 따른 측정장치는, 송전선로 일단의 전압 및 전류의 제1 위상각 및 제1 주파수를 측정하는 제1 측정기, 그리고 상기 송전선로 타단에 설치되어 전압 및 전류의 제2 위상각 및 제2 주파수를 측정하는 제2 측정기를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 제1 주파수에 대응하는 제4 ROCOF 값을 도출하고, 상기 제2 주파수에 대응하는 제5 ROCOF 값을 도출하며, 상기 제4 ROCOF 값과 상기 제5 ROCOF 값 중 더 큰 값을 가지는 ROCOF 값을 상기 제1 ROCOF 값으로 설정한다.
또한, 실시예에 따른 제어부는, 상기 제1 위상각과 상기 제2 위상각의 차이값인 비정상 위상각을 도출하고, 상기 비정상 위상각이 미리 설정된 제2 임계값 이상인 경우, 상기 송전선로가 설치된 지역의 제어 및 보호 명령을 생성한다.
또한, 실시예에 따른 측정장치는, 송전선로 일단의 전압 및 전류의 제1 위상각 및 제1 주파수를 측정하는 제1 측정기, 그리고 상기 송전선로 타단에 설치되어 전압 및 전류의 제2 위상각 및 제2 주파수를 측정하는 제2 측정기를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 제1 주파수에 대응하는 제4 ROCOF 값을 도출하고, 상기 제2 주파수에 대응하는 제5 ROCOF 값을 도출하며, 상기 제4 ROCOF 값과 상기 제5 ROCOF 값 중 더 큰 값을 가지는 ROCOF 값을 상기 제1 ROCOF 값으로 설정한다.
또한, 실시예에 따른 제어부는, 상기 제1 위상각과 상기 제2 위상각의 차이값인 비정상 위상각을 도출하고, 상기 비정상 위상각이 미리 설정된 제2 임계값 이상인 경우, 상기 송전선로가 설치된 지역의 제어 및 보호 명령을 생성한다.
또한, 실시예에 따른 제어부는, 상기 비정상 위상각이 상기 제2 임계값 이상이고, 상기 제1 ROCOF 값이 상기 제1 임계값 이상인 경우, 상기 제1 ROCOF 값이 측정된 지역에 전력사고가 발생한 것으로 판단한다.
또한, 실시예에 따른 제어부는, 상기 비정상 위상각이 상기 제2 임계값 이상이고, 상기 제1 ROCOF 값이 상기 제1 임계값 미만인 경우, 상기 제1 ROCOF 값이 측정된 지역에 GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단한다.
또한, 실시예에 따른 제어부는, 상기 전력사고가 발생한 것으로 판단되는 경우, 상기 전력사고가 발생한 지역에 전력 그리드 제어 및 보호 신호를 송신하여 상기 전력 그리드의 안정화 조치를 수행하고, 상기 GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단되는 경우, 상기 GPS 시각 위변조가 발생한 지역에 상기 제어 및 보호 신호와 관련된 모든 조치 수행을 금지하고, 상기 GPS 시각 위변조가 발생한 지역에서 측정된 전기 특성 정보를 무효화한다.
또한, 실시예에 따른 제1 내지 제5 ROCOF 값은, 상기 지역에 공급되거나, 상기 지역에서 생성되는 전압 또는 전류의 시간에 따른 주파수 변화량을 측정하는 방법 및/또는 상기 추출된 시각 정보의 시각 변이량으로부터 위상 변이량을 도출하고, 상기 도출된 위상 변이량으로부터 주파수 변이량을 도출하고, 상기 도출된 주파수 변이량을 미분하여 상기 ROCOF 값을 도출하는 방법을 이용하여 도출된다.
실시예에 따른 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 탐지 방법 및 장치는, GPS 시각 위변조를 탐지하고, GPS 시각 위변조로 인한 광역감시시스템의 오작동을 방지하기 위한 시각 위변조 탐지 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 전력 그리드의 개념도이다.
도 2는 실시예에 따른 광역감시시스템의 구성도이다.
도 3은 실시예에 따른 GPS 수신기의 구성도이다.
도 4는 실시예에 따른 시각 동기화 방법의 흐름도이다.
도 5는 GPS 시각 위변조 크기에 따른 성공확률 그래프이다.
도 6은 실시예에 따른 GPS 신호와 출력 시각 신호의 시각변이량 그래프이다.
도 7은 실시예에 따른 GPS 위변조 한계선의 위상 변이 그래프이다.
도 8은 실시예에 따른 GPS 위변조 한계선의 주파수 변이 그래프이다.
도 9는 시간당 시각 변이량이 50ns/s인 경우, 위상 변이 그래프이다.
도 10은 시간당 시각 변이량이 50ns/s인 경우, 주파수 변이 그래프이다.
도 11은 시간당 시각 변이량이 50ns/s인 경우, ROCOF 값을 나타낸다.
도 12는 전력 사고 발생시 위상 변이 그래프이다.
도 13은 전력 사고 발생시 주파수 변이 그래프이다.
도 14은 전력 사고 발생시 ROCOF 그래프이다.
도 15는 실시예에 따른 제1 임계값 설정 방법의 흐름도이다.
도 16은 실시예에 따른 전력 그리드 광역감시시스템 시각 위변조 탐지 방법의 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도 2를 참조하여 실시예에 따른 전력 그리드 광역감시시스템의 개략적인 구성을 설명한다.
도 2는 실시예에 따른 광역감시시스템의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 광역감시시스템(1)은, GPS 수신기(100), 복수의 PMU(Phasor Measurement Unit)(200), 제어부(300)를 포함한다. 먼저, GPS 수신기(100)는 GPS(Global Positioning System) 위성으로부터 GPS 신호를 수신한다. GPS 수신기(100)는 GPS 신호를 수신하여 출력 시각 신호를 생성한다.
출력 시각 신호에는 1PPS(Pulse-per-second) 신호 및 10Mhz 주파수 신호가 포함될 수 있다. 또한, GPS 수신기(100)는 출력 시각 신호 생성과 더불어 광역감시시스템의 시각 기준점을 결정하여 광역감시시스템의 시각 동기화를 수행한다. GPS 수신기(100)의 시각 동기화 방법은 후술하는 도3 및 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
실시예에 따른 광역감시시스템(1)은 WAMS(Wide Area Management System), WAMAC(Wide Area Monitoring And Controlling System), WAMPAC(Wide Area Monitoring, Protection And Controlling System)과 같이, 전력 그리드(Power grid)의 안정화를 위하여 전력 계통의 다양한 정보를 실시간으로 감시, 평가할 수 있는 모든 시스템을 의미한다.
또한, 실시예에 따른 전력 그리드는 스마트 그리드(Smart Grid), 마이크로그리드(Micro Grid), 스마트 파워그리드(Smart Power Grid), 수퍼 그리드(Super Grid) 등과 같이 시각 동기화를 이용하는 모든 전력망을 의미할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 전력 그리드는 전력 계통, 전력망과 같은 의미로 사용될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 GPS 신호는 한가지로 한정되는 것은 아니며, 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS(Global Navigation Satellite System), 유럽의 GALILEO(Europian Satellite Navigation System) 등과 같은 GNSS(Global Navigation Satellite System) 신호 또는 기준시 또는 시각 정보를 포함하는 모든 신호를 포함할 수 있다.
제1 PMU 내지 제n PMU(200)는 전력 그리드에 포함된 복수의 변전소 또는 다른 구성에 설치되어, 전압, 전류, 크기, 주파수, 유효전력, 무효전력 등의 다양한 전기 특성 정보를 측정한다. 또한, 제1 PMU 내지 제n PMU(200)는 GPS 수신기(100)으로부터 출력 시각 정보 및 시각 기준점을 수신하여 PMU(200)가 설치된 지역에 대하여 시각 동기화된 전기 특성 정보를 취득 및 모니터링 할 수 있다. 다만, 실시예가 PMU(200)로 한정되는 것은 아니며, 전기 특성 정보를 측정할 수 있는 모든 측정장치를 포함할 수 있다.
또한, 복수의 PMU(200) 각각은, 각 PMU(200)가 설치된 지역의 송전선로 일단에 설치된 제1 측정기(미도시)와 송전선로 타단에 설치된 제2 측정기(미도시)를 포함할 수 있다. 제1 측정기와 제2 측정기는 송전선로에서 전압, 전류의 위상각, 주파수 등 전기 특성 정보를 측정할 수 있다. 실시예에 따른 제1 측정기 및 제2 측정기는 전기 특성 정보를 측정할 수 있는 모든 장치를 포함할 수 있다. 또한, 제1 측정기 및 제2 측정기는 제1 BUS 및 제2 BUS에 대응될 수 있다.
제어부(300)는, 복수의 PMU(200)에서 측정된 시각 동기화된 전기 특성 정보를 이용하여 사용자가 전력 그리드의 다양한 정보를 실시간으로 감시, 평가할 수 있도록 한다. 또한, 실시예에 따른 제어부(300)는, 제1 PMU 내지 제n PMU(200) 각각의 ROCOF(Rate of Change of Frequency) 값을 도출할 수 있다.
또한, 제어부(300)는 제1 측정기에서 측정된 제1 주파수와 제2 측정기에서 측정된 제2 주파수 각각의 ROCOF값을 도출하고, 더 큰 ROCOF 값을 제1 ROCOF 값으로 설정할 수 있다. 즉, 제1 측정기와 제2 측정기의 ROCOF값 중 더 큰 주파수 변화율을 가지는 값을 제1 ROCOF값으로 설정한다.
제어부(300)는, 도출한 제1 ROCOF 값과 제1 임계값을 비교하여 PMU가 설치된 지역에 전력 사고가 발생하였는지 또는 GPS 시각 위변조가 발생하였는지 여부를 판단할 수 있다. 또한, 제어부(300)는 비정상 위상각을 도출하여 제2 임계값과 비교하여 전력 그리드 제어 및 보호 신호의 생성 여부를 판단할 수 있다.
구체적으로, 제1 측정기에서 측정된 제1 위상각과 제2 측정기에서 측정된 제2 위상각을 비교하여 비정상 위상각을 측정할 수 있으며, 비정상 위상각이 미리 설정된 임계값 이상인 경우에는 해당 지역에 전력 사고 또는 시각 위변조 등 전력 그리드에 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
따라서, 제어부(300)는 비정상 위상각이 미리 설정된 임계값 이상인 경우에는 전력 그리드의 안정화를 위해 제어 및 보호 명령을 생성할 수 있다. 이 때, 사용자의 설정에 따라 다르게 설정할 수 있다. 실시예에 따른 GPS 시각 위변조 및 전력 사고를 판단하는 방법은 후술하는 도 5 내지 도 16을 참조하여 상세히 설명한다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 실시예에 따른 광역감시시스템의 시각 동기화 방법을 설명한다.
도 3은 실시예에 따른 GPS 수신기의 구성도이다.
도 3을 참조하면, GPS 수신기(100)는 GPS 신호(S1)에 대응하는 시각 신호와 GPS 수신기(100) 내부 시각을 동기화하여 출력 시각 신호(S4, S5)를 생성한다. 또한, 광역감시시스템(1)의 시각 기준점을 결정할 수 있다.
구체적으로, GPS 수신기(100)는 Antenna(110)를 이용하여 위성 또는 위성항법장치로부터 GPS 신호(S1)를 수신할 수 있다. 하지만 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, Antenna(110)는 위성 또는 위성항법장치뿐만 아니라 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS, 유럽의 GALILEO 등과 같은 GNSS 신호 또는 기준시 또는 시각 정보를 포함하는 신호를 송수신할 수 있는 장치로부터 신호를 수신할 수 있다.
Position/Time Calulator(120)는 Antenna(110)로부터 GPS 신호(S1)를 수신하여, 제1 시각 신호(S2)를 생성할 수 있다. 제1 시각 신호(S2)는 GPS 신호(S1)에 대응하는 시각 정보를 포함하는 신호를 의미한다. Phase Comparator(130)는 제1 시각 신호(S2)와 제2 출력 시각 신호(S5)간의 시각 편차(S3)를 측정한다. 또한, 시각 편차(S3)는 제2 출력 시각 신호(S5)를 포함할 수 있다. 제2 출력 시각 신호(S5)는 107 counter(160)에서 생성되는 출력 시각 신호로서, 1 PPS 신호에 대응될 수 있다.
Phase control(140)은 시각 편차(S3)를 이용하여 GPS 수신기(100)의 내부 시각 신호(S5, S6)가 GPS 신호(S1)에 따른 표준시(UTC, Universal Time Coordination)와 동기화 되도록 한다. 구체적으로, Phase control(140)은 Phase Comparator(130)에서 측정된 시각 편차(S3)에 대응하여 제2 출력 시각 신호(S6)에 따른 1PPS 신호를 조정한다. 따라서 제1 시각 신호(S2)와 동기화된 제2 시각 신호(S4)를 생성한다.
GPSDO(GPS Disciplined Oscillator, 150)는, 제2 시각 신호(S4)에 대응하여 10Mhz의 주파수를 가지는 제1 출력 시각 신호(S5)를 생성한다. 따라서, GPSDO(150)는 GPS 신호(S1)에 대응하는 주파수의 출력 신호를 생성할 수 있다. 또한, 107 counter(160)는 제1 출력 시각 신호(S5)를 이용하여 제2 출력 시각 신호(S6)를 생성한다. 즉, 107 counter(160)는 제1 출력 시각 신호(S5)에 대응하는 1PPS 신호를 생성할 수 있다.
GPS 수신기(100)는 GPS 신호(S1)에 동기화된 출력 시각 신호(S5, S6)를 생성함으로써, 복수의 PMU(200)에서 동일한 시각 신호를 전달할 수 있다. 따라서, 복수의 PMU(200)가 동일한 시각을 기준으로 데이터를 측정, 비교 등을 할 수 있도록 한다.
또한, GPS 수신기(100)는 GPS 신호(S1)를 수신할 수 없는 경우, GPS 신호(S1) 또는 제1 시각 신호(S2)와 제2 출력 시각 신호(S6)간의 시각 편차가 기준값 이상인 경우, 홀드오버(Holdover)상태로 전환하여 동작한다.
GPS 신호(S1)를 수신할 수 없는 경우의 예시로는 음영지역에 위치하는 경우, GPS Jamming 공격 등이 해당할 수 있다. 또한, 시각 편차가 기준값 이상인 경우에는 GPS 신호의 품질이 좋지 않은 경우, GPS Spoofing 공격 등이 해당할 수 있다.
홀드오버 상태에서는, Phase Comparator(130)와 Phase control(140)에서 제1 시각 신호(S2)와 제2 출력 시각 신호(S6)를 동기화하지 않는다. 즉, GPS 신호(S1)에 GPS 수신기의 내부 시각(S5, S6)를 동기화하지 않고, GPSDO(150)에서 생성된 내부 시각(S5)를 이용하여 출력 시각 신호(S5, S6)를 생성한다.
도 4는 실시예에 따른 시각 동기화 방법의 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 단계(S110)에서는 GPS 수신기(100)가 GPS 신호(S1)를 수신한다. 단계(S120)에서는 GPS 신호(S1)에 대응하는 시각 정보를 추출한다. 즉, Antenna(110)에서 GPS 신호(S1)를 수신하고, Position/Time Calulator(120)에서 GPS 신호(S1)에 대응하는 제1 시각 신호(S2)를 생성한다.
단계(S130)에서는, GPS 신호(S1)에 대응하는 시각 정보를 포함하는 제1 시각 신호(S2)와 제2 출력 시각 신호(S6)를 동기화 한다. 따라서, GPS 신호(S1)에 동기화된 출력 시각 신호(S5, S6)가 생성될 수 있도록 한다. 하지만, GPS 수신기(100)가 GPS 신호(S1)를 수신할 수 없는 경우이거나 GPS 신호(S1) 또는 제1 시각 신호(S2)와 제2 출력 시각 신호(S6)간의 시각 편차가 기준값 이상인 경우, 홀드오버 상태로 전환하여 동작한다.
단계(S130)에서, 홀드오버 상태로 동작하는 경우에는, GPS 신호(S1)에 GPS 수신기의 내부 시각(S5, S6)를 동기화하지 않고, GPSDO(150)에서 생성된 내부 시각(S5)을 이용하여 출력 시각 신호(S5, S6)를 생성한다.
단계(S140)에서는, 출력 시각 신호(S5, S6)를 생성하며, 시각 기준점을 설정할 수 있다. 따라서, 복수의 PMU(200)에서 동일한 시각 신호를 전달할 수 있다. 더불어, GPS 수신기(100)는 시각 기준점을 설정하여, 복수의 PMU(200)가 동일한 시각을 기준으로 데이터를 측정, 비교 등을 할 수 있도록 한다.
상술한 바와 같이, GPS 수신기(100)는 기본적으로 GPS 신호(S1)와 내부 시각(S5, S6)을 동기화하며, GPS 신호(S1)와 내부 시각(S5, S6)의 시각 편차가 기준 값 이상인 경우에는 홀드오버 상태로 동작한다. 따라서, 위성항법신호(S1)를 이용하여 GPS 수신기(100)를 위변조하기 위해서는 GPS 수신기(100) 내부의 오실레이터(150)와 위성항법신호(S1)의 시각 편차가 특정 임계치 미만인 경우에만 가능하다.
이하, 도 5 및 도 8을 참조하여 실시예에 따른 GPS 위변조 한계선을 설명한다.
도 5는 GPS 시각 위변조 크기에 따른 성공확률 그래프이다.
도 5를 참조하면, x축은 시간당 GPS 시각 위변조 크기를 나타내며, y축은 GPS 시각 위변조 크기(속도)에 따른 위변조 성공 확률을 나타낸다. GPS 위변조 성공 확률은 GPS 수신기(100)가 홀드오버 상태로 전환되지 않고, 위변조된 GPS 시각에 따라 출력 시각 신호(S5, S6)가 동기화 되는 것을 의미한다. GPS 수신기(100)는 GPS 신호(S1)와 내부 시각(S5, S6)의 시각 편차가 기준 값 이상인 경우에는 홀드오버 상태로 동작한다. 따라서, 이러한 조건을 수식으로 표현하면 아래의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021007671558-pat00001
r(t)는 GPS 시각 신호, s(t)는 GPS 수신기(100)의 내부 시각 신호, Td는 시각 편차 기준값을 의미한다.
더불어, 시각 편차 기준값(Td)은 GPS 시각 위변조 크기(속도)에 시간을 곱하여 도출할 수 있다.
도 5의 그래프에 따르면, 시간당 GPS 시각 위변조 크기가 ±50ns/s 이하인 경우에만, 100%의 확률로 GPS 수신기(100)의 홀드오버 상태 동작없이 GPS 시각 위변조가 성공한다.
시간당 GPS 시각 위변조 크기가 ±50ns/s를 초과하는 경우에도 GPS 시각 위변조가 일부 성공하지만, 지속적으로 시각 오차를 누적하기 위해서는 시각 위변조 크기를 ±50ns/s 이하로 설정하여야 한다. 따라서, 시각 편차 기준 값(Td)를 최대 ±50ns로 설정할 수 있으며, 이에 따른 시각 변이량을 GPS 위변조 한계선으로 설정할 수 있다. 이때, 50ns/s는 예시에 불과하며, 시각 편차 기준 값(Td)은, GPS 수신기의 종류, GPS 송수신 상태 등에 의해 다양한 값으로 설정할 수 있다.
도 6은 실시예에 따른 GPS 신호와 출력 시각 신호의 시각변이량 그래프이다.
도 6를 참조하면, x축은 시간을 나타내고, y축은 시각 변이량(Time Offset)을 나타낸다. 도 6의 그래프는 시각 편차 기준 값(Td)을 가지는 GPS 위변조 시각 신호(s(t))에 GPS 수신기(100)의 내부 시각 신호(r(t))가 동기화 되는 경우의 그래프를 나타낸다. 따라서, 내부 시각 신호(r(t))가 GPS 위변조 시각 신호(s(t))에 따라 계단식으로 상승한다.
하지만, GPS 위변조 시각 신호(s(t))의 시각 변이량이 시각 편차 기준 값(Td) 이상인 경우에는, GPS 시각 위변조 성공 확률이 100%가 아니므로 일정한 확률로 GPS 시각 위변조가 실패할 수 있다. 즉, GPS 위변조 시각 신호(s(t))의 시각 변이량이 시각 편차 기준 값(Td) 이상인 경우, 일정한 확률로 GPS 수신기(100)가 홀드오버 모드로 동작한다.
이러한 경우에는, 내부 시각 신호(r(t))가 GPS 위변조 시각 신호(s(t))에 따라 계단식으로 상승하지 않고, 내부 시각 신호(r(t))가 시각 변이량이 0인 상태로 일정하게 유지될 수 있다. 즉, 도 6의 GPS 위변조 시각 신호(s(t))는 GPS 위변조가 가능한 가장 빠른 경로인 GPS 위변조 한계선을 나타낸다. 또한, GPS 위변조 한계선은 GPS 수신기(100)가 홀드오버 상태로 전환되지 않고 동작할 수 있는 최대의 시간변이 그래프에 해당할 수 있다.
또한, 시간 변이량과 위상 변이량과의 관계식을 이용하여, 도 7과 같이 위상 변이 그래프를 도출할 수 있다.
도 7은 실시예에 따른 GPS 위변조 한계선의 위상 변이 그래프이다.
도 7은, 도 6의 GPS 위변조 한계선에 대응하는 시간당 위상 변이량(Phase Offset)을 나타낸다. 즉, x축은 시간, y축은 GPS 위변조 시각 신호(s(t))의 위상 변이량을 나타낸다. 또한, 도 7의 GPS 위변조 한계선은, GPS 위변조 시각 신호(s(t))의 시각 변이량이 시각 편차 기준 값(Td)인 경우의 위상 변이량을 의미할 수 있다.
60Hz의 전력시스템에서 시각 기준점 오차로 인한 위상각 변화는 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112021007671558-pat00002
△t는 GPS 시각 위변조로 인한 시각 변이량,
Figure 112021007671558-pat00003
는 위상각 변화를 나타낸다.
수학식 2를 이용하여 시각오차에 따른 위상각 변화에 관계식을 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112021007671558-pat00004
또한, 위상 변이량을 이용하여 도 8과 같이 주파수 변이량을 도출할 수 있다.
도 8은 실시예에 따른 GPS 위변조 한계선의 주파수 변이 그래프이다.
도 8은, 도 7의 GPS 위변조 한계선에 대응하는 주파수 변이량(Frequency Offset)을 나타낸다. 즉, x축은 시간, y축은 GPS 위변조 시각 신호(s(t))의 주파수 변이량을 나타낸다. 또한, 도 8의 GPS 위변조 한계선은, GPS 위변조 시각 신호(s(t))의 시각 변이량이 시각 편차 기준 값(Td)인 경우의 주파수 변이량을 나타낸다.
주파수 변이량은 위상각 변이량으로부터 도출할 수 있으며, 아래의 수학식 4 를 이용하여 도출할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112021007671558-pat00005
f(t)는 주파수, f0는 기준 주파수,
Figure 112021007671558-pat00006
는 위상각 변화를 나타낸다.
또한, 아래의 수학식 5와 같이 주파수를 미분하여, 주파수 변이량을 도출할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112021007671558-pat00007
△f(t)는 주파수 변이량,
Figure 112021007671558-pat00008
는 위상각 변화를 나타낸다.
이하, 도 9 내지 도 11을 참조하여 시간당 시각 변이가 50ns/s인 경우, 위상 변이량, 주파수 변이량, ROCOF 값을 설명한다.
도 9는 시간당 시각 위변조 크기가 50ns/s인 경우, 위상 변이량 그래프이다.
도 9를 참조하면, x축은 시간, y축은 위상 변이량을 나타낸다. 상술한 수학식 3에 따라, 50ns/s의 속도로 GPS 시각을 위변조 할 경우 아래의 수학식 6이 도출된다.
[수학식 6]
Figure 112021007671558-pat00009
Figure 112021007671558-pat00010
는 위상각 변화, t는 시간을 나타낸다.
따라서, 수학식 6을 이용하면, 특정값의 위상각 오차를 발생시키기 위해, 얼마의 시간이 필요한지 도출할 수 있다. 예를 들어, 7°의 위상 변이가 필요한 경우, 아래의 수학식 7과 같이 시간을 도출할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112021007671558-pat00011
따라서, 50ns/s의 속도로 GPS 시각을 위변조하는 경우, 7°의 위상 변이를 발생시키기 위해 6,481초가 소요된다는 것을 의미한다.
도 10은 시간당 시각 변이량이 50ns/s인 경우, 주파수 변이량 그래프이다.
도 10을 참조하면, 상술한 수학식 5에 상술한 수학식 6을 병합하고, 각도 360°를 라디안(Radian) 값인 2π로 표시하면 아래의 수학식 8을 도출할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112021007671558-pat00012
△f(t)는 주파수 변이량을 나타낸다.
따라서, 50ns/s의 속도로 GPS 시각을 위변조 하는 경우, 주파수 변이량이 3[μHz]가 측정된다.
도 11은 시간당 시각 변이량이 50ns/s인 경우, ROCOF 값의 그래프이다.
도 11을 참조하면, ROCOF 값은 시간에 따른 주파수 변화량이므로, △f(t)를 미분하여 도출할 수 있다. 도 10에서와 같이 50ns/s의 속도로 GPS 시각을 위변조하는 경우, 주파수 변이량이 3[μHz]로 측정된다. 따라서, 주파수 변이량이 상수 값을 가지므로, ROCOF 값은 0[Hz/s]이다.
이와 같이, GPS 위변조 한계선에 대응하여 도출한 ROCOF 값과 실제 전력 사고 발생시의 ROCOF 값을 이용하여 GPS 위변조와 실제 전력 사고 발생을 구분할 수 있다.
이하, 도 12 내지 도 14를 참조하여 실제 전력 사고 발생시, 위상 변이량, 주파수 변이량, ROCOF 값을 설명한다.
도 12는 전력 사고 발생시 위상 변이 그래프이다.
도 12 내지 도 14는 실제 전력 사고 발생시 주파수 패턴을 이용하여 도출할 수 있다. 실제 전력 사고 발생시 주파수 패턴은 아래의 표 1과 같다.
Event Date Description Parameter Variations
△t △f △Hz/s
Sep. 8, 2011 Southwest Blackout 6.0s 0.195Hz 0.0325
Aug. 23, 2011 East Coast Earthquake 7.0s 0.062Hz 0.0089
Apr. 27, 2011 Southeastern Tornado 8.8s 0.090Hz 0.0102
표1 은 전력 사고 중 대표적으로, 2011년 9월 8일에 발생한 Southwest Blackout, 2011년 8월 23일에 발생한 East Coast Earthquake, 2011년 4월 27일에 발생한 Southeastern Tornado 사고 발생시 시간 변이량, 주파수 변이량, ROCOF 값을 나타낸다.
전력 그리드에 전력 사고가 발생한 경우에는 대부분 10초 이내의 시간 동안 급격한 주파수의 변화를 동반한다. Southwest Blackout의 경우 ROCOF 값이 0.0325로 측정되었다. East Coast Earthquake의 경우, ROCOF 값이 0.0089로 측정되었으며, Southeastern Tornado의 경우 ROCOF 값이 0.0102로 측정되었다.
따라서, 가장 완만한 주파수 변화를 나타내는 East Coast Earthquake 사례를 분석하여 GPS 시각 위변조의 경우와 비교하는 경우, 더욱 가파른 주파수 변화가 일어나는 전력 사고와 GPS 시각 위변조를 구분할 수 있다.
도 12를 참조하면, x축은 시간, y축은 East Coast Earthquake 사례에 따른 전력 그리드의 위상 변이량을 나타낸다. 도 9 내지 도 11을 참조하여 설명한 GPS 위변조 한계선에 따른 주파수 변화와 비교하기 위해서, 위상 변이량이 7°인 경우를 설명한다.
실제 전력 사고 발생시에는 10초 이내의 시간 동안 급격한 주파수의 변화가 발생한다. East Coast Earthquake 사례에서는, 시간 변이량(△t)이 7.0s로 측정되었으며, 주파수 변이량(△f)이 0.062Hz로 측정되었다.
따라서, 위상 변이량과 주파수 변이량에 관한 관계식인 수학식 5를 위상 변이량에 관하여 이항 및 적분하고, 시간 변이량(△t)이 7.0s로 측정되었으며, 주파수 변이량(△f)이 0.062Hz를 대입하면 아래의 수학식 9를 도출할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112021007671558-pat00013
Figure 112021007671558-pat00014
는 위상각 변화, t는 시간을 나타낸다.
위상각 변화(
Figure 112021007671558-pat00015
)에 7°를 대입하면, 시간(t)은 2.095s가 필요한 것을 확인할 수 있다. 따라서, 2.095초가 경과한 후 7°의 위상 변이가 전력 계통에 발생하였음을 알 수 있다.
도 13은 전력 사고 발생시 주파수 변이 그래프이다.
도 13을 참조하면, x축은 시간 y축은 East Coast Earthquake 사례에 따른 전력 그리드의 주파수 변이량을 나타낸다. 상술한 표 1에 따라 East Coast Earthquake 사례의 경우, 7초간 0.062Hz의 주파수 변화가 나타난 것으로 측정되었다. 따라서, 주파수 변이량 0.062Hz를 7s로 나누면 주파수 변이량의 기울기 및 아래의 수학식 10을 도출할 수 있고, 수학식 10에 따라 도 13의 주파수 변이 그래프를 도출할 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112021007671558-pat00016
△f(t)는 주파수 변이량을 나타낸다.
또한, 주파수 변이량을 미분하면 도 14와 같이ROCOF 값을 도출할 수 있다.
도 14는 전력 사고 발생시 ROCOF 그래프이다.
도 14를 참조하면, x축은 시간, y축은 East Coast Earthquake 사례에 따른 전력 그리드의 ROCOF 값을 나타낸다. ROCOF 값은 주파수 변이량(△f(t))을 미분하여 도출할 수 있다. 따라서, 수학식 10의 0.0089t를 미분하는 경우, ROCOF 값은 0.0089 Hz/s가 도출된다.
따라서, East Coast Earthquake 사례와 같은 실제 전력 그리드의 전력 사고시 ROCOF 값과 GPS 위변조 한계선에 따른 ROCOF 값을 이용하여 제1 임계값을 설정할 수 있다. 더불어, 복수의 PMU 각각에서 측정된 제1 ROCOF 값과 제1 임계값을 비교하여 GPS 위변조와 전력 사고 발생 여부를 구분할 수 있다.
이하, 도 15를 참조하여 실시예에 따른 제1 임계값 설정 방법을 설명한다.
도 15는 실시예에 따른 제1 임계값 설정 방법의 흐름도이다.
도 15를 참조하면, 제1 임계값은 ROCOF 값에 따라 GPS 위변조와 전력 사고 발생 여부를 구분하기 위한 기준값으로서, 전력 사고 발생시의 전기 특성과 GPS 시각 위변조 한계선을 이용하여 도출된다. 제어부(300)은 복수의 PMU에서 측정된 각각의 제1 ROCOF 값과 제1 임계값을 비교하여, PMU가 설치된 지역의 전력 사고 발생 여부 및 GPS 위변조 여부를 판단할 수 있다.
단계(S510)에서는, 제어부(300)가 전력 사고 발생시 전기 특성 정보를 저장한다. 이때, 전기 특성 정보에는 전기신호, 전류, 전압 등의 크기, 위상, 주파수 정보 등 전력 그리드와 관련된 정보를 모두 포함할 수 있다. 또한, PMU(200)에서 측정되는 정보를 포함할 수 있다.
단계(S520)에서는, 제어부(300)가 전력 사고 발생시 전기 특성 정보를 이용하여 제2 ROCOF 값을 도출한다. 즉, 제2 ROCOF 값은 전력 그리드에 전력 사고가 발생한 경우 ROCOF 값을 의미한다.
따라서, 제2 ROCOF 값은 한가지 값으로 한정되는 것이 아니며, 복수의 전력 사고 사례를 분석하여 주파수 변화가 가장 완만한 경우를 선택할 수 있다. 또한, 복수의 전력 사고 사례의 평균 ROCOF 값을 이용하거나, 사용자가 임의의 값으로 설정하는 방법을 이용할 수도 있다. 또한, ROCOF 값은 도 7 내지 도 14를 참조하여 기재한 방법과 같이, 시각 변이량, 위상 변이량, 주파수 변이량 중 적어도 하나 이상을 이용하여 도출할 수 있다.
구체적으로, 제어부(300)는 시각 변이량을 수학식 2 또는 수학식 3에 대입하여 위상 변이량을 도출할 수 있다. 또한, 도출한 위상 변이량을 수학식 5에 대입하여 주파수 변이량을 도출할 수 있으며, 도출한 주파수 변이량을 미분하여 제2 ROCOF 값을 도출할 수 있다.
또한, 전력 사고 사례에서 측정된 시각 변이량 및 주파수 변이량을 수학식 9 및 수학식 10에 대입하여 주파수 변이량과 시간에 관한 관계식을 도출할 수 있다. 그리고, 주파수 변이량과 시간에 관한 관계식을 미분하여 제2 ROCOF 값을 도출 할 수 있다.
단계(S530)에서는, 도 6을 참조하여 상술한 바와 같이, 제어부(300)가 GPS 위변조 한계선을 설정한다. 따라서, GPS 위변조 한계선은 GPS 수신기(100)가 홀드 오버 상태로 동작하지 않으며, 시각 오차를 누적할 수 있는 최대 시간 변이 그래프이다. 더불어, GPS 위변조 한계선은 GPS 위변조가 가능한 최단 경로를 의미할 수도 있으며, GPS 수신기의 종류, 성능, GPS 신호 송수신 상태 등에 따라 다르게 설정될 수 있다.
단계(S540)에서는, 도 5 내지 도8을 참조하여 상술한 바와 같이, 제어부(300)가 GPS 위변조 한계선에 대응하는 제3 ROCOF 값을 도출한다. 즉, 제3 ROCOF 값은 GPS 위변조 한계선에 따른 시각 편차 기준 값으로부터 도출된 ROCOF 값을 의미한다.
구체적으로, 제3 ROCOF 값은 상술한 바와 같이, 제어부(300)는 GPS 수신기(100)가 홀드오버 상태로 전환되지 않고 GPS 시각을 위변조할 수 있는 시각 위변조 크기(속도)를 설정한다. 또한, 설정된 시각 위변조 크기에 시간을 곱하여 시각 편차 기준값(Td)을 도출할 수 있다.
수학식 2 및 수학식 3을 이용하여 시각 편차 기준값(Td)에 따른 위상 변이량을 도출할 수 있으며, 수학식 5를 이용하여 주파수 변이량을 도출하고, 주파수 변이량을 미분하여 제3 ROCOF 값을 도출할 수 있다.
또한, 도 9 내지 도 11을 참조하여 상술한 바와 같이, 설정된 시각 위변조 크기 및 위상각 오차 값을 수학식 6에 대입하여, GPS 위변조시 위상 변이를 발생시키기 위한 소요 시간을 도출할 수 있다. 그리고, 수학식 8에 설정된 시각 위변조 크기 및 소요 시간을 대입하여 주파수 변이량을 도출하고, 주파수 변이량을 미분하여 제3 ROCOF 값을 도출할 수 있다.
단계(S550)에서는, 제어부(300)가 제2 ROCOF 값 및 제3 ROCOF 값을 이용하여 제1 임계값을 설정할 수 있다. 구체적으로, 제1 임계값은 제2 ROCOF 값과 제3 ROCOF 값의 평균값으로 설정할 수 있다. 하지만 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 사용자의 목적에 따라 제2 ROCOF 에 가까운 값 또는 제3 ROCOF에 가까운 값으로 설정하거나, 제2 ROCOF 값과 제3 ROOCF의 반영 비율을 조절하는 방법 등이 이용될 수도 있다.
이하, 도 16을 참조하여 실시예에 따른 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 탐지 방법을 설명한다.
도 16은 실시예에 따른 전력 그리드 광역감시시스템 시각 위변조 탐지 방법의 흐름도이다.
도 16을 참조하면, 단계(S610)에서, 복수의 PMU(200) 각각은, 각 지역의 송전선로 일단에 설치된 제1 측정기(미도시)를 이용하여 송전선로에 흐르는 전압, 전류의 제1 주파수 및 제1 위상각을 측정한다. 단계(S620)는 송전선로 타단에 설치된 제2 측정기(미도시)를 이용하여 송전선로에 흐르는 전압 전류의 제2 주파수 및 제2 위상각을 측정한다.
단계(S630)에서는, 제어부(300)는, 제1 위상각과 제2 위상각의 차이를 이용하여 비정상 위상각을 도출한다. 단계(S640)에서, 제어부(300)는 비정상 위상각과 제2 임계값의 크기를 비교한다. 비정상 위상각이 미리 설정된 제2 임계값 보다 작은 경우에는, 전력 그리드에 전력 사고 또는 시각 위변조가 발생하지 않은 것으로 판단한다. 따라서, 비정상 위상각이 미리 설정된 제2 임계값 보다 작은 경우에는, 다시 단계(S610)를 수행한다.
단계(S630)에서, 비정상 위상각이 제2 임계값보다 큰 값을 가지는 경우에는, 비정상 위상각이 측정된 지역에 전력 사고 또는 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 비정상 위상각이 제2 임계값보다 큰 값을 가지는 경우, 제어부(300)는 전력 그리드를 안정화하기 위한 제어 및 보호 신호를 생성할 수 있다.
단계(S650)에서, 제어부(300)는, 제1 주파수에 대응하는 제4 ROCOF 값을 도출하고, 제2 주파수에 대응하는 제5 ROCOF 값을 도출할 수 있다. 단계(S660)에서, 제어부(300)는 제4 ROCOF 값과 제5 ROCOF 값 중 더 큰 값을 제1 ROCOF 값으로 설정한다. 즉, 송전선로 양단에서 측정된 주파수 중 더 큰 주파수 변화값을 제1 ROCOF 값으로 설정한다.
단계(S670)에서, 제어부(300)는, 제1 ROCOF 값과 제1 임계값의 크기를 비교한다. 상술한 바와 같이 제1 임계값은, 실제 전력 사고 발생시 전기 특성 데이터를 이용하여 도출한 제2 ROCOF 값과 GPS 위변조 한계선에 대응하는 제3 ROCOF 값을 이용하여 설정된다.
단계(S670)에서, 제1 ROCOF 값이 제1 임계값보다 큰 경우, 단계(S680)에서, 제어부(300)는 제1 ROCOF 값이 측정된 지역에 전력 사고가 발생한 것으로 판단한다. 또한, 단계(S681)에서, 전력 사고가 발생한 것으로 판단되는 지역에 제어 및 보호 신호를 송신하여 전력 그리드의 안정화를 수행한다. 따라서, 제어 및 보호 신호는 전력 그리드 안정화를 위한 조치를 수행하도록 하는 모든 제어 신호 또는 보호 신호 또는 관련 조치를 포함할 수 있다.
단계(S670)에서, 제1 ROCOF 값이 제1 임계값보다 작은 경우, 단계(S690)에서, 제어부(300)는 제1 ROCOF 값이 측정된 지역에 GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단한다. 따라서, 단계(S691)에서는, GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단되는 지역에 제어 및 보호 신호와 관련된 조치가 수행되는 것을 금지한다. 또한, 단계(S692)에서는, GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단되는 지역의 PMU(200)에서 측정된 전기 특성 정보를 무효화한다. 따라서 위변조된 GPS 시각에 의해 전력 그리드 광역감시시스템이 오작동하는 것을 방지한다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 안되며 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
1 : 광역감시시스템
100 : GPS 수신기
110 : 안테나
120 : Position/Time Calulator
130 : Phase Comparator
140 : Phase control
150 : GPSDO
160 : 107 counter
200 : PMU
300 : 제어부

Claims (16)

  1. GPS(Global Positioning System) 신호를 수신하는 GPS 수신기 및 전력 그리드(grid)에 포함되는 지역의 전기 특성 정보를 측정하는 복수의 측정장치를 포함하는 전력 그리드의 광역감시시스템에 있어서,
    상기 GPS 수신기가 GPS 신호로부터 시각 정보를 추출하는 단계,
    상기 시각 정보와 상기 GPS 수신기의 내부 시각을 동기화 하여 출력 시각신호를 생성하고 시각 기준점을 결정하는 단계,
    상기 시각 기준점에 대응하여, 상기 복수의 측정장치에서 측정된 전기 특성 정보를 이용하여 상기 복수의 측정장치 각각의 제1 ROCOF(Rate of Change of Frequency) 값을 도출하는 단계, 그리고
    상기 제1 ROCOF 값이 미리 설정된 제1 임계값 이상인 경우, 전력 사고가 발생한 것으로 판단하고, 상기 제1 ROCOF 값이 상기 제1 임계값 미만인 경우, GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함하며,
    상기 전기 특성 정보는 상기 지역에서 생산되거나 상기 지역으로 공급되는 전기신호의 크기, 위상, 주파수 정보를 포함하고,
    상기 GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단하는 단계는,
    상기 지역에서 전력 사고가 발생한 경우에 대응하는 전기 특성 정보를 이용하여 제2 ROCOF 값을 도출하는 단계,
    상기 GPS 수신기가 홀드오버(Holdeover) 상태로 전환되지 않으면서 시각 오차를 누적할 수 있는 GPS 시각 위변조 한계량을 도출하는 단계,
    상기 GPS 시각 위변조 한계량에 대응하는 제3 ROCOF 값을 도출하는 단계, 그리고
    상기 제2 ROCOF 값과 상기 제3 ROCOF 값의 평균값을 상기 제1 임계값으로 설정하는 단계를 포함하며,
    상기 홀드오버 상태는, 상기 GPS 수신기가 상기 GPS 신호를 수신할 수 없거나, 상기 GPS 신호에 대응하는 시각 신호와 상기 GPS 수신기의 내부 시각의 시각 편차가 기준값 이상인 경우, 상기 GPS 수신기가 상기 GPS 신호와 동기화된 출력 시각신호가 아닌 상기 GPS 수신기의 내부시각을 출력하는 상태인, 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 검출 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정장치는 제1 측정기와 제2 측정기를 포함하며,
    상기 제1 ROCOF 값을 도출하는 단계는,
    상기 제1 측정기가 송전선로 일단의 전압 및 전류의 제1 위상각 및 제1 주파수를 측정하는 단계,
    상기 제2 측정기가 상기 송전선로 타단에 설치되어 전압 및 전류의 제2 위상각 및 제2 주파수를 측정하는 단계,
    제어부가, 상기 제1 주파수에 대응하는 제4 ROCOF 값을 도출하는 단계,
    상기 제2 주파수에 대응하는 제5 ROCOF 값을 도출하는 단계, 그리고
    상기 제4 ROCOF 값과 상기 제5 ROCOF 값 중 더 큰 값을 가지는 ROCOF 값을 상기 제1 ROCOF 값으로 설정하는 단계
    를 포함하는, 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 검출 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 ROCOF 값을 도출하는 단계는,
    상기 제1 위상각과 상기 제2 위상각의 차이값인 비정상 위상각을 도출하는 단계, 그리고
    상기 비정상 위상각이 미리 설정된 제2 임계값 이상인 경우, 상기 송전선로가 설치된 지역의 제어 및 보호 명령을 생성하는 단계
    를 더 포함하는, 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 검출 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단하는 단계는,
    상기 비정상 위상각이 상기 제2 임계값 이상이고, 상기 제1 ROCOF 값이 상기 제1 임계값 이상인 경우, 상기 제1 ROCOF 값이 측정된 지역에 전력사고가 발생한 것으로 판단하는 단계
    를 더 포함하는, 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 검출 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단하는 단계는,
    상기 비정상 위상각이 상기 제2 임계값 이상이고, 상기 제1 ROCOF 값이 상기 제1 임계값 미만인 경우, 상기 제1 ROCOF 값이 측정된 지역에 GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단하는 단계
    를 더 포함하는, 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 검출 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단하는 단계는,
    상기 전력사고가 발생한 것으로 판단되는 경우, 상기 전력사고가 발생한 지역에 전력 그리드 제어 및 보호 신호를 송신하여 상기 전력 그리드의 안정화 조치를 수행하는 단계, 그리고
    상기 GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단되는 경우, 상기 GPS 시각 위변조가 발생한 지역에 상기 제어 및 보호 신호와 관련된 모든 조치 수행을 금지하고, 상기 GPS 시각 위변조가 발생한 지역에서 측정된 전기 특성 정보를 무효화하는 단계
    를 더 포함하는, 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 검출 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 내지 제5 ROCOF 값은,
    상기 지역에 공급되거나, 상기 지역에서 생성되는 전압 또는 전류의 시간에 따른 주파수 변화량을 측정하는 방법 및/또는
    상기 추출된 시각 정보의 시각 변이량으로부터 위상 변이량을 도출하고, 상기 도출된 위상 변이량으로부터 주파수 변이량을 도출하고, 상기 도출된 주파수 변이량을 미분하여 상기 ROCOF 값을 도출하는 방법
    을 이용하여 도출되는, 전력 그리드 광역감시시시템의 시각 위변조 검출 방법.
  9. GPS(Global Positioning System) 신호를 수신하고, 상기 GPS 신호로부터 시각 정보를 추출하며, 상기 시각 정보와 내부 시각을 동기화 하여 출력 시각신호를 생성하고 시각 기준점을 결정하는 GPS 수신기,
    상기 시각 기준점에 대응하여, 전력 그리드(grid)에 포함되는 지역의 전기 특성 정보를 측정하는 복수의 측정장치, 그리고
    상기 측정된 전기 특성 정보를 이용하여 상기 복수의 측정장치 각각의 제1 ROCOF(Rate of Change of Frequency) 값을 도출하며, 상기 제1 ROCOF 값이 미리 설정된 제1 임계값 이상인 경우, 전력 사고가 발생한 것으로 판단하고, 상기 제1 ROCOF 값이 상기 제1 임계값 미만인 경우, GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단하는 제어부를 포함하며,
    상기 전기 특성 정보는 상기 지역에서 생산되거나 상기 지역으로 공급되는 전기신호의 크기, 위상, 주파수 정보를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 지역에서 전력 사고가 발생한 경우에 대응하는 전기 특성 정보를 이용하여 제2 ROCOF 값을 도출하고,
    상기 GPS 수신기가 홀드오버(Holdeover) 상태로 전환되지 않으면서 시각 오차를 누적할 수 있는 GPS 시각 위변조 한계량을 도출하며,
    상기 GPS 시각 위변조 한계량에 대응하는 제3 ROCOF 값을 도출하고,
    상기 제2 ROCOF 값과 상기 제3 ROCOF 값의 평균값을 상기 제1 임계값으로 설정하며,
    상기 홀드오버 상태는, 상기 GPS 수신기가 상기 GPS 신호를 수신할 수 없거나, 상기 GPS 신호에 대응하는 시각 신호와 상기 GPS 수신기의 내부 시각의 시각 편차가 기준값 이상인 경우, 상기 GPS 수신기가 상기 GPS 신호와 동기화된 출력 시각신호가 아닌 상기 GPS 수신기의 내부시각을 출력하는 상태인, 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 검출 장치.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 측정장치는,
    송전선로 일단의 전압 및 전류의 제1 위상각 및 제1 주파수를 측정하는 제1 측정기, 그리고
    상기 송전선로 타단에 설치되어 전압 및 전류의 제2 위상각 및 제2 주파수를 측정하는 제2 측정기
    를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 제1 주파수에 대응하는 제4 ROCOF 값을 도출하고,
    상기 제2 주파수에 대응하는 제5 ROCOF 값을 도출하며,
    상기 제4 ROCOF 값과 상기 제5 ROCOF 값 중 더 큰 값을 가지는 ROCOF 값을 상기 제1 ROCOF 값으로 설정하는, 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 검출 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 위상각과 상기 제2 위상각의 차이값인 비정상 위상각을 도출하고,
    상기 비정상 위상각이 미리 설정된 제2 임계값 이상인 경우, 상기 송전선로가 설치된 지역의 제어 및 보호 명령을 생성하는, 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 검출 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 비정상 위상각이 상기 제2 임계값 이상이고, 상기 제1 ROCOF 값이 상기 제1 임계값 이상인 경우, 상기 제1 ROCOF 값이 측정된 지역에 전력사고가 발생한 것으로 판단하는, 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 검출 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 비정상 위상각이 상기 제2 임계값 이상이고, 상기 제1 ROCOF 값이 상기 제1 임계값 미만인 경우, 상기 제1 ROCOF 값이 측정된 지역에 GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단하는, 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 검출 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전력사고가 발생한 것으로 판단되는 경우, 상기 전력사고가 발생한 지역에 전력 그리드 제어 및 보호 신호를 송신하여 상기 전력 그리드의 안정화 조치를 수행하고,
    상기 GPS 시각 위변조가 발생한 것으로 판단되는 경우, 상기 GPS 시각 위변조가 발생한 지역에 상기 제어 및 보호 신호와 관련된 모든 조치 수행을 금지하고, 상기 GPS 시각 위변조가 발생한 지역에서 측정된 전기 특성 정보를 무효화하는, 전력 그리드 광역감시시스템의 시각 위변조 검출 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 내지 제5 ROCOF 값은,
    상기 지역에 공급되거나, 상기 지역에서 생성되는 전압 또는 전류의 시간에 따른 주파수 변화량을 측정하는 방법 및/또는
    상기 추출된 시각 정보의 시각 변이량으로부터 위상 변이량을 도출하고, 상기 도출된 위상 변이량으로부터 주파수 변이량을 도출하고, 상기 도출된 주파수 변이량을 미분하여 상기 ROCOF 값을 도출하는 방법
    을 이용하여 도출되는, 전력 그리드 광역감시시시템의 시각 위변조 검출 장치.
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