PMU 및 광역 모니터링에 NI 제품을 선택해야 하는 이유

개요

PMU는 그리드 데이터를 고속으로 수집하도록 지원하며, 페이저 데이터를 주기당 1샘플과 같이 빠르게 포착하는 유틸리티도 갖추고 있습니다. PMU 데이터의 도입과 활용이 증가함에 따라, 유틸리티 그리드의 동적인 상태를 더욱 철저하게 모니터링하고 제어하는 작업이 새로운 분야로 떠오르고 있습니다. NI 기술을 토대로 하는 PMU는 유틸리티 및 전력 시스템 엔지니어와 그리드 연구자가 그리드의 상태를 더욱 정확히 파악할 수 있도록 지원하는 몇 가지 유용한 기능이 있습니다. 본 문서에서는 NI의 PMU 및 광역 모니터링 시스템 기술의 4가지 장점을 구체적으로 설명합니다.

내용

플랫폼 기반 접근 방식

오늘날의 그리드에 막대한 영향을 끼치고 있는 과제 중 하나는 바로 변화입니다.  플러그인 전기 자동차 및 가정용 저장 시스템이 속속 출시되고 시장에서 비중이 커짐에 따라 부하가 변화하고 있습니다. 대부분 인버터를 통해 가동되는 분산 재생 에너지원이 점차 보급되면서 따라 발전 방식 역시 달라지고 있습니다. 컴퓨터 기반 계측 기술도 변화하고 있습니다. 산업용 사물 인터넷(IoT) 기술의 등장을 계기로, 운영 개선과 운영비 절감이라는 두 마리 토끼를 잡는 일도 이제 꿈은 아닙니다. 이러한 변화에 대처하고 새로운 기술을 활용하려면 큰 비용을 들이지 않고서도 획기적인 발전에 보조를 맞춰갈 수 있는 장비 도입 전략이 필요합니다. NI 기술은 개발 및 관리 비용에 부담을 주지 않으면서 상용 기술 곡선을 따라갈 수 있도록 플랫폼 기반으로 설계되었습니다. NI의 플랫폼 접근법은 임베디드 I/O 시스템을 설계하는 데 필요한 로우레벨 미들웨어를 추상화하므로 도메인 전문가가 당면 과제에만 집중할 수 있습니다. 예를 들면, 최초 CompactRIO 컨트롤러(195 MHz Power PC 프로세서)용으로 개발된 LabVIEW 코드를 최신 CompactRIO 컨트롤러(듀얼/쿼드 코어 INTEL ATOM) 중 하나로 이식하는 데 기존의 설계 방식보다 훨씬 적은 시간이 소요됩니다. 구체적인 예로서, NI 고객인 Prolucid는 cRIO-9076 컨트롤러의 마이크로그리드 통신 코드를 cRIO-9068을 기반으로 하는 신형 듀얼 코어 ARM9 프로세서로 포팅하는 데 채 하루가 걸리지 않았습니다.  

"Prolucid는 처음에 VxWorks 리얼타임 OS를 기반으로 NI cRIO-9076 컨트롤러를 사용했지만 이후에 cRIO-9068로도 어플리케이션을 포팅했습니다. 이를 통해 프로세서 성능이 향상되고 FPGA가 확장되며, 개방형 리얼타임 OS 에코시스템을 이용하고 견고성이 강화되는 등 다양한 이점을 즉각적으로 누릴 수 있었습니다.

Prolucid의 엔지니어 팀은 cRIO-9068을 최초로 수령한지 24시간 이내에 cRIO-9076의 LabVIEW 어플리케이션을 포팅하여 프로세서 성능 향상을 체감할 수 있었습니다. cRIO-9076에 탑재된 400 MHz 싱글 코어 프로세서의 벤치마크 결과는 어플리케이션 실행 중 CPU 사용률이 70%에 달했습니다. 동일한 LabVIEW 코드를 cRIO-9068 프로세서로 실행한 결과는 종합 CPU 사용률 17%로, 성능이 4배 개선된 것으로 나타났습니다. 이와 더불어 FPGA 패브릭이 대형화되어 더 많은 처리 알고리즘을 수용할 수 있었습니다."  

"마이크로그리드로 전력 서비스의 신뢰성 및 에너지 안전성 향상" 사례 연구에서 발췌한 내용입니다.

 

그림 1. 플랫폼 기반 설계를 채택한 NI의 하드웨어와 소프트웨어는 
그리드 전문가가 오늘날의 그리드에서 새롭게 대두되는 문제에 대처하여 맞춤 디바이스를 구축하는 데 많은 도움을 줍니다.

 

맞춤형 유틸리티 프로토콜 선택

여러 공급업체의 시스템이나 여러 표준을 사용하는 시스템을 통합하려면 개별 컨트롤러에서 중계 소프트웨어를 실행하여 시스템 경계를 넘을 때마다 변환 작업을 수행해야 하는 경우가 많습니다. NI 컨트롤러는 LabVIEW를 통해 하드웨어 통신 포트 및 여러 가지 소프트웨어 기반 프로토콜 툴킷에 프로그래밍 방식으로 액세스할 수 있습니다. NI PMU의 코어 컨트롤러에는 최대 2개의 ENET 포트, 2개의 RS-232 시리얼 포트 및 1개의 RS-485 포트를 탑재할 수 있습니다. 따라서 단일 시스템에서 ENET 포트 중 하나를 통해 IEEE C37.118.2 프로토콜로, 다른 하나를 통해 IEC 61850-GOOSE로, 시리얼 포트 중 하나를 통해 DNP3로, 다른 하나를 통해 MODBUS로 통신할 수 있습니다. 이러한 유연성을 활용하면 데이터 관리 및 통신 체계를 완전히 재편성하지 않고도 NI 기술을 채용한 PMU를 기존 시스템에 통합할 수 있습니다.

다음과 같은 널리 사용되는 프로토콜이 지원됩니다.

  • DNP3
  • IEEE C37.118.2
  • IEC 61850 (MMS, GOOSE 및 SMV)
  • IEC 60870-5
  • 이더넷 및 RS-232를 통한 Modbus
  • 시리얼

 

LabVIEW용 개방형 PMU 프로젝트

소프트웨어 역시 NI 기술을 그리드 구축에 활용하는 데서 오는 중요한 장점 중 하나입니다. NI 그리드 자동화 시스템에 탑재되는 PMU 소프트웨어 이미지는 무료 다운로드 및 수정이 가능합니다. 따라서 유틸리티 및 그리드 연구자는 IEEE C37.118.2-2011 표준에 부합하는 표준 아키텍처를 기반으로 로컬 그리드의 고유한 요구사항에 맞게 수정할 수 있습니다. 이러한 수정의 예로는 PMU 측정 스트림에 전력 품질 측정 기능 추가, 고조파 분석, 이벤트 감지 시 파형 데이터 로깅 등이 있으며 이외에도 제약 없이 맞춤 설정할 수 있습니다.

LabVIEW 및 Electrical Power Suite에는 통계 수학, 다항식 보간, 파형 처리, 광범위한 전력 측정 및 품질 함수를 비롯하여 사전 개발된 수천 가지 처리 및 분석 함수가 포함되어 있습니다. LabVIEW 및 개방형 PMU 프로젝트를 다루는 도메인 전문가는 연구실 및 공급업체와 협업하여 계측기를 새롭게 설계하는 기존 방식 대신, 이러한 기본 구성요소를 사용하여 솔루션을 설계하고 보다 신속하게 시뮬레이션할 수 있습니다.

Open PMU LabVIEW Code

그림 2. LabVIEW용 개방형 PMU 프로젝트는 무료로 다운로드할 수 있습니다.  도메인 전문가는 이 코드를 출발점으로 삼아 
맞춤 알고리즘, 새로운 프로토콜 등의 기능을 추가하여 로컬 그리드의 요구사항을 충족하는 맞춤형 디바이스를 구축할 수 있습니다.

 

그리드 엣지의 처리 성능

그리드 측정 및 제어를 위해 소프트웨어가 점점 복잡해짐에 따라, 시스템을 원활하고 견고하게 운영하려면 적절한 지점에 충분한 처리 성능을 구현해야 합니다. 모든 CompactRIO 컨트롤러는 코어 프로세서와 FPGA를 함께 갖추고 있으며, LabVIEW 개발 환경으로 두 요소를 모두 프로그래밍할 수 있습니다.

 

그림 3. LabVIEW RIO 아키텍처는 프로세서, FPGA 및 I/O 요소를 하나로 결합합니다.  
LabVIEW 개발 소프트웨어와 조합된 이러한 하드웨어 요소는 임베디드 시스템의 기본 구성요소로서 기존의 방식보다 빠르게 측정 및 제어 디바이스를 설계하는 데 기여하며, 도메인 전문가가 임베디드 개발자 팀의 도움 없이도 자체 솔루션을 개발할 수 있도록 합니다.

 

코어 프로세서

듀얼 코어 ARM9(667 Mhz/코어)부터 쿼드 코어 INTEL 프로세서(1.91 GHz/코어)까지 다양한 코어 프로세서를 사용할 수 있습니다. 코어 프로세서는 일반적으로 파일 I/O, 디스크 관리, 웹 서비스, 프로토콜 통신 등의 시스템 기능 및 자유롭게 프로그래밍 가능한 연산 알고리즘을 처리합니다. 벤치마크로서 cRIO-9068 컨트롤러로 LabVIEW용 개방형 PMU 프로젝트의 출고 버전을 실행한 결과, 3상 버스 2개에 대한 PMU 알고리즘을 실행하는 데 25% 미만의 코어 프로세스 리소스를 사용한 것으로 나타났습니다.

FPGA

FPGA는 유틸리티 어플리케이션을 위한 여러 가지 기능을 갖추고 있으며,  ADC에서 샘플링한 파형에 대해 집약적인 인라인 신호 처리를 수행하기 위한 코프로세싱 요소로 사용되는 경우가 많습니다. 50/60 Hz 시스템에서 흔히 수행되는 신호 처리로는 zero-crossing 감지, 파형을 일정한 위상 각으로 리샘플링, zero-crossing 감지 향상을 위한 필터링 등이 있습니다.

FPGA의 다른 기능으로는 동기위상기 측정을 위해 ADC 샘플 포인트에 GPS 시계의 동기식 타임스탬프 적용 및 릴레이 어플리케이션을 위한 고속 입출력 제어 등이 있습니다.

FPGA의 장점

오늘날의 유틸리티 그리드 어플리케이션에는 동기화 및 코프로세싱을 위해 FPGA, DSP, ASIC 등의 다양한 하드웨어 기술이 사용됩니다. NI 기술 플랫폼에서 FPGA는 미래의 유틸리티 장비 도입 전략을 뒷받침하는 독특하고 핵심적인 몇 가지 장점을 가지고 있습니다.

  1. 컨트롤러를 현장에 구축한 후 FPGA의 펌웨어를 변경할 수 있습니다. 현재와 다른 미래의 전력 품질 상황을 포착하기 위해 처리 알고리즘을 변경해야 할 수 있기 때문에 이 기능은 매우 중요합니다. 장비를 새로 구입할 필요 없이 소프트웨어 업그레이드만으로 수년간의 알고리즘 연구 결과를 현장에 바로 적용할 수 있습니다. 반면 ASIC는 막대한 규모에서는 매우 경제적이지만, 기술 수준이 제조 시점으로 고정되기 때문에 표준이 변경되거나 새로운 문제가 발생하면 하드웨어를 전부 교체해야 한다는 단점이 있습니다.
  2. FPGA 기술은 다양한 처리 요소를 하나로 융합하는 방향으로 발전해 왔습니다. 오늘날의 FPGA는 논리 패브릭과 DSP 슬라이스를 포함하며 프로세싱 코어가 탑재되는 경우도 있습니다. 이러한 유연성은 소수의 추상적 설계 요소로 다양한 어플리케이션을 처리해야 하는 플랫폼 기반 설계에 매우 적합합니다.

기존에는 FPGA를 설계하려면 특수한 로우레벨 설계 툴을 몇 년에 걸쳐 학습해야 했습니다. CompactRIO와 같이 FPGA가 포함되어 있는 NI 제품은 LabVIEW로 프로그래밍할 수 있으므로 훨씬 빠른 시간에 실무 역량을 갖출 수 있습니다.

 

결론

그리드 전반, 특히 PMU 기반 계측기 분야는 급속한 발전을 거듭하고 있습니다. 기존에 출시된 고정 기능 디바이스를 보완하는 계측기 플랫폼 전략이 시급한 시점입니다. 전력 시스템 엔지니어 및 유틸리티 전문가는 NI의 툴과 기술로 그리드와 기술의 급속한 변화에 대응하기에 충분한 유연성을 갖춘 PMU 기반 계측기를 맞춤 개발할 수 있습니다.

 

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