KR20210060223A - IEC61850 연동을 위한 다중 IoT 프로토콜 변환 방법 - Google Patents

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KR20210060223A
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Abstract

IEC61850 연동을 위한 다중 IoT 프로토콜 변환 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 IoT 디바이스로부터 수집된 정보를 IEC61850 정보 모델로 맵핑하는 제1 단계와, 상기 제1 단계를 통해 맵핑된 정보를 데이터베이스에 저장하는 2단계, IEC61850 통신을 위해 SCL(Substation Configuration Language) 파일을 구성하는 3단계, 제3 단계를 통해 구축된 IEC61850과 IoT 게이트웨이를 상호 연결하여 IEC61850와 IoT 게이트웨이를 상호 정합하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 IEC61850 연동을 위한 다중 IoT 프로토콜 변환 방법이 개시된다.
본 발명에 따른 IEC61850 연동을 위한 다중 IoT 프로토콜 변환 방법에 의해서 IEC61850으로 구성된 통신망에서 IoT 센서 정보를 취득할 수 있고, 취득한 정보를 데이터베이스에 저장하여 데이터 수집 및 분석에 용이하게 되었다.

Description

IEC61850 연동을 위한 다중 IoT 프로토콜 변환 방법{METHOD FOR CONVERTING MULTIPLE IoT PROTOCOLS TO IEC61850}
본 발명은 IEC61850 연동을 위한 다중 IoT 프로토콜 변환 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 MQTT 모듈, CoAP 모듈 및 HTTP 모듈을 구비하여 다양한 IoT 장치와 상호 연동할 수 있는 IEC61850 연동을 위한 다중 IoT 프로토콜 변환 방법에 관한 것이다.
IEC61850은 변전소 자동화 통신 프로토콜이다. IEC61850은 변전소 내부와 외부 통신에서 모두 사용할 수 있는 기술로서 변전소의 정보를 논리적인 객체로 표현하며, 표준화된 형태로 데이터 메시지를 정의한다. IoT 게이트웨이는 연결된 디바이스의 데이터를 수집하고, 외부에서 각각의 디바이스와 연결할 수 있는 인터페이스 역할을 한다. IoT 표준 프로토콜은 HTTP, CoAP, MQTT가 있으며 IoT 게이트웨이는 이러한 프로토콜을 수용해야 한다. 한편, 변전소 내 전력설비의 정보를 수집하기 위해서 IoT 기술이 사용되며, 기존 IEC61850이 적용된 변전소 운영 시스템에서 실시간으로 전력설비의 정보 공유를 위해서는 IEC61850과 IoT 게이트웨이 간의 상호 호환을 할 수 있는 기술이 필요하다.
대한민국 등록특허 제10-1743904호 (2017.05.31)
본 발명인 IEC61850 연동을 위한 다중 IoT 프로토콜 변환 방법은 IEC61850와 IoT 게이트웨이 간의 상호 호환을 위한 기술이며, 기존 IEC61850이 적용된 변전소 운영 시스템에서 추가로 IoT 표준 프로토콜을 사용하는 전력설비를 설치하기 위해 이미 설치된 시스템을 전반적으로 수정하지 않고 최대한 유지함으로서 확장성 및 효율성을 확보하는 것이 목적이다.
본 발명에 따른 IEC61850와 IoT 게이트웨이 간의 상호 호환 방법은, IoT 디바이스로부터 수집된 정보를 IEC61850 정보 모델로 맵핑하는 제1 단계와, 상기 제1 단계를 통해 맵핑된 정보를 데이터베이스에 저장하는 2단계, IEC61850 통신을 위해 SCL(Substation Configuration Language) 파일을 구성하는 3단계, 제3 단계를 통해 구축된 IEC61850과 IoT 게이트웨이를 상호 연결하여 IEC61850와 IoT 게이트웨이를 상호 정합하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명인 IEC61850 연동을 위한 다중 IoT 프로토콜 변환 방법은 IEC61850으로 구성된 통신망에서 IoT 센서 정보를 취득할 수 있고, 취득한 정보를 데이터베이스에 저장하여 데이터 수집 및 분석에 용이하며, IoT 표준 프로토콜을 사용한 시스템을 IEC61850을 사용하는 시스템으로 변경하기 위한 추가 비용이 들지 않게 한다.
도 1은 IEC61850와 IoT 게이트웨이와의 상호 연동 구조도.
도 2는 MQTT 토픽 및 정보 구성도.
도 3은 MQTT 정보 교환 시퀀스 다이어그램.
도 4는 CoAP URI 및 정보 구성도.
도 5는 CoAP 정보 교환 시퀀스 다이어그램.
도 6은 HTTP URI 및 정보 구성도.
도 7은 HTTP 정보 교환 시퀀스 다이어그램.
도 8은 Data Access Layer의 구성과 각 프로토콜 스택.
도 9는 Data Cross-Mapping Layer 구성도.
도 10은 Database 구성도.
도 11은 센서 정보를 IEC61850 정보 모델로 변환하여 SCL 구성도.
본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.
또한, 본 명세서에서, "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에 또는 상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에 또는 상부에" 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
IEC61850은 변전소 자동화 프로토콜의 표준이다. IEC61850은 IED(Intelligent Electronic Device)들 간의 효율적인 통신을 목표로 하고 있으며, 전력 시스템 내의 모든 IED를 추상화하여 모델링한 후 정보를 교환한다. IoT 게이트웨이는 다수의 IoT 디바이스로부터 정보를 수집하며, 수집되는 정보는 MQTT, CoAP, HTTP 프로토콜에 담겨 전송된다. IoT 게이트웨이로부터 수집된 정보는 IEC61850의 정보모델로 변환되어 데이터베이스에 저장되며, IEC61850 Server에서 변환된 정보를 읽어와 IEC61850 Client와 통신하게 된다. 도 1은 IEC61850와 IoT 게이트웨이와의 상호 연동이 적용된 구조를 도시한 것이다.
MQTT(Message Queue Telementry Transport)는 IBM(International Business Machines)에서 개발한 IoT와 M2M을 위한 프로토콜이다. TCP/IP 통신을 이용하지만 Broker를 기반으로 데이터를 교환하기 때문에 데이터를 발행하는 Publisher와 데이터를 구독하는 Subscriber는 Broker와의 연결 설정만으로 데이터를 주고받을 수 있다. Broker는 토픽을 이용하여 데이터를 관리하는데 Publisher가 특정 토픽과 함께 데이터를 보내면 Broker는 해당 토픽에 대한 Message Queue를 만들고 데이터를 저장한다. 이후 Subscriber가 해당 토픽에 대한 구독을 신청하면 Broker는 해당 토픽에 대한 Message Queue에서 데이터를 꺼내 Subscriber에게 전송한다. MQTT의 토픽은 계층구조로 설정할 수 있으며 각 계층을 구분할 때는 ‘/’를 이용한다.
CoAP(Constrained Application Protocol)는 간단한 전자 기기들의 인터넷 통신을 사용하기 위해 만들어졌다. UDP/IP 통신을 이용하며 기본적으로는 일대일 통신을 이용하지만 UDP/IP 멀티캐스트를 이용하여 일대다 통신을 사용할 수 있다. 4Byte의 고정 헤더와 가변길이의 optional 필드로 구성된 간단한 헤더를 이용하기 때문에 메시지 길이가 짧고 헤더를 분석하는데 소요되는 시간이 짧다. CoAP는 HTTP와 호완가능하게 만들어졌기 때문에 데이터는 URI를 이용하여 구분한다.
HTTP(HyperText Transport Protocol)는 TCP/IP와 UDP/IP 둘 모두를 사용할 수 있다. HTTP의 가장 큰 특징은 연결 상태를 유지하지 않는다는 것이다. Client가 데이터를 얻기 위해 Server에 데이터를 요청하면 Server는 해당 데이터를 전송한 후 연결을 닫는다. 연결을 유지하지 않기 때문에 네트워크 자원을 적게 소모한다는 장점이 있다.
IEC61850의 정보 모델은 IEC61850-4의 데이터 모델과 IEC61850-2의 ACSI(Abstract Communication Service Interface)로 구성되어 있다. IEC61850 기본 정보 모델은 Server Class > Logical Device Class > Logical Node Class > Data Class > DataAttribute Class 구조로 되어 있으며, 상위 구조는 하위 구조를 포함한다. IEC61850 Client는 IEC61850 Server에게 데이터를 요청할 때 위의 구조 경로를 문자열 형태로 작성하여 사용한다. 이러한 정보 모델은 SCL(Substation Configuration Language)에 정보 모델을 작성하여 IEC61850 Server를 구성할 수 있다.
본 발명은 위와 같은 특성을 이용하여 IEC61850과 IoT 게이트웨이 간의 상호 호환성을 구현하도록 구성되는데 먼저, IoT 디바이스가 센서로 부터 정보를 수집하여 MQTT나 CoAP, HTTP를 이용하여 IEC61850 and IoT Gateway Interworking System으로 전달한다. 해당 system의 Data Access Layer에서는 IoT 디바이스가 사용한 프로토콜에 따라 각 모듈을 이용하여 데이터를 취득한다. 취득된 정보는 Data Cross-Mapping Layer로 전달되고 해당 layer에서는 IEC61850 정보 모델을 참조하여 생성된 데이터베이스의 구성에 맞게 취득된 정보와 토픽, URI를 분석하여 데이터베이스에 정보를 저장한다. IEC61850 Server는 데이터베이스에 접근하여 저장된 정보를 가져오고 해당 정보를 이용하여 IEC61850 Client에게 정보들을 전송한다.
IoT 디바이스에서 MQTT Publisher를 이용하여 토픽과 정보를 전송한다. 도 2와 같이 토픽은 LD(Logical Device)와 LN(Logical Node), FC(Function Code), DO(Data Object), DA(Data Attribute)로 구성한다. 정보는 IoT Device에서 수집한 정보를 보낸다. 해당 정보는 IEC61850 and IoT Gateway Interworking System 내부의 MQTT Module의 MQTT Broker에게 전송되고 MQTT Broker는 MQTT Subscriber에게 해당 값을 전달한다.
해당 과정에 대한 시퀀스 다이어그램은 도 3과 같다.
CoAP의 URI는 도 4와 같이 ‘coap://LD/LN/FC/DO/DA’로 나타낸다. IoT 디바이스의 CoAP Server에서 URI를 이용하여 IoT 디바이스에서 수집한 정보를 저장하고 있다. IEC61850 and IoT Gateway Interworking System 내부의 CoAP Module에서 URI를 이용하여 정보를 요청하면 CoAP Server에서는 해당 URI에 맞는 정보를 전달한다.
해당 과정에 대한 시퀀스 다이어그램은 도 5와 같다.
HTTP는 URI를 이용하여 정보를 구분한다. URI는 도 6과 같이 ‘http://LD/LN/FC/DO/DA’로 나타낸다. IoT 디바이스의 HTTP Server에서 URI를 이용하여 IoT 디바이스에서 수집한 정보를 저장하고 있다. IEC61850 and IoT Gateway Interworking System 내부의 HTTP Module에서 URI를 이용하여 정보를 요청하면 HTTP Server에서는 해당 URI에 맞는 정보를 전달한다.
해당 과정에 대한 시퀀스 다이어그램은 도 7과 같다.
위의 MQTT Module과 CoAP Module, HTTP Module을 하나로 묶어서 IEC61850 and IoT Gateway Interworking System 내부의 Data Access Layer를 구성한다. Data Access Layer의 역할은 MQTT Publisher와 CoAP Server, HTTP Server가 획득한 정보를 각각의 Module을 이용하여 받고 이렇게 획득한 정보를 Data Cross-Mapping Data로 전달한다. 각 프로토콜의 스택은 도 8과 같다.
Data Cross-Mapping Layer는 각 프로토콜들로부터 취득한 정보들을 IEC61850 정보 모델로 맵핑하여 데이터베이스에 저장을 요청하는 역할을 수행한다. MQTT의 토픽과 Coap와 HTTP의 URI를 도 9와 같이 Logical Device와 Logical Node, Function Code, Data Object, Data Attribute, Timestamp로 분리하여 각각의 값을 데이터베이스에 전달한다. 이렇게 저장된 정보는 IEC61850 Server가 데이터베이스에서 각각의 값들을 가져가고, 이를 이용하여 IEC61850 Client에게 해당 값들을 전달한다.
Database는 도 10과 같이 구성한다. Database Index 0에는 Logical Node 정보가 담겨져 있으며 Key값은 정보를 가지고 있던 IoT 디바이스의 MAC 주소가 된다. 내부의 값들은 해당 디바이스의 IP 주소값과 디바이스가 가지고 있는 센서의 ID, Logical Node를 가지고 있다. Logical Node는 Database의 Index 1로 정의된다.
Index 1은 맵핑된 정보를 저장하며 Key값은 Logical Device와 Logical Node를 합친 값으로 사용한다. 내부의 값들은 실제 정보의 값과 정보가 취득된 시간, 해당 디바이스에서 이전까지 취득한 모든 정보를 담고 있는 Index 2를 가지고 있다. Index 2는 Key값으로 LogKey를 이용하며 내부에 정보를 취득한 시간 별로 각 정보들을 저장하고 있다.
도 11은 IoT 디바이스로부터 수집된 센서 정보를 IEC61850 정보 모델로 변환하며, 변환된 정보를 바탕으로 SCL(Substation Configuration Language)을 구성하는 예시이다. SCL은 변전소 환경을 구성하기 위한 언어로 IEC61850 통신을 위해 IEC61850 정보 모델을 구성하기 위해 사용되며, 수집된 센서 정보를 SCL에 맞게 맵핑하는 과정이 필요하다. 수집된 온도 센서 정보는 IEC61850의 온도 센서 관련 LN(Logical Node)으로 사용되는 STMP(Temperature supervision)으로 맵핑되며, 온도 센서의 세부 정보에 따라 DO(Data Object)와 CDC(Common Data Class)를 구성한다. 각각 맵핑된 정보는 SCL 파일에 기술하여 IEC61850 통신 환경 구성을 완료한다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

Claims (1)

  1. IoT 디바이스로부터 수집된 정보를 IEC61850 정보 모델로 맵핑하는 제1단계와,
    상기 제1 단계를 통해 맵핑된 정보를 데이터베이스에 저장하는 제2단계와,
    IEC61850 통신을 위해 SCL(Substation Configuration Language) 파일을 구성하는 제3단계 및
    상기 제3 단계를 통해 구축된 IEC61850과 IoT 게이트웨이를 상호 연결하여 IEC61850와 IoT 게이트웨이를 상호 정합하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 IEC61850 연동을 위한 다중 IoT 프로토콜 변환 방법.
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