CPS (4): 응용 첫 번째, 스마트그리드 (Smart Grid)

스마트그리드는 깨끗하고 경제적인 에너지를 제공하고 보다 높은 수준의 시스템 효율, 신뢰성, 탄력성 및 보안을 달성하기 위해 채택한 차세대 전력 시스템이다. 재생 에너지의 활용과 전력망 현대화에 대한 요구가 새로운 지능형 기술 및 비즈니스 모델의 개발을 촉진하여 기존 전력 시스템을 스마트그리드로 진화시킨다.

 

이를 위해 관련 네트워킹 기술뿐 아니라 수많은 센서와 액추에이터가 스마트그리드의 곳곳에 배치되므로 스마트그리드는 대표적인 CPS 응용으로 생각할 수 있다. 이 응용의 주요 구성 요소로는 전력 분배 시스템 내에 광범위하게 설치된 스마트계량기(smart meter)가 있는데, The Edition Foundation에 따르면 지난 10년 동안 미국 내의 스마트 계량기 수는 7백만 대에서 7천만 대로 증가했으며, 2020년까지는 9천만 대가 될 것으로 예상된다. 스마트 계량기는 전력 유틸리티와 가정 간의 게이트웨이 역할을 한다. 스마트 계량기가 각 가정의 에너지 사용량을 몇 분마다 샘플링하면, 이 데이터는 AMI(advanced metering infrastructure)를 통해 통합되어 분배 관리 시스템 (distribution management system; DMS)이나 홈 에너지 관리 시스템(home energy management system; HEMS)의 부하(load) 분배, 모델링 및 예측과 같은 기능을 수행하는 데 활용된다. 예측된 총 부하 곡선은 전력 수요에 대한 대응, volt/VAR(volt-ampere reactive) 제어, 전력 손실 최소화, 고장 감지 및 원인 격리, 복구 등에 추가로 사용될 수 있다. 또한, DMS나 HEMS의 서로 다른 응용 기능들은 스마트그리드 데이터를 직접 또는 간접적으로 공유하고 액추에이터(예 : 스마트 기기, 전기 자동차, 전압 조정기)를 통해 물리 시스템 제어를 수행한다.

 

[Bo Chen et al., "Cyber-physical perspective on smart grid design and operation," IET CPS: Theory & Applications, Vol. 3, No. 3, pp. 129-141.]

위 그림은 스마트그리드를 CPS의 관점에서 본 것이다. 전력 생산, 전송, 분배 및 고객(예: 주거, 상업 및 산업) 도메인의 물리적 구성 요소는 파란색 블록으로 표시되어 있다. 센서 및 액츄에이터 신호를 전송하는 데 사용되는 통신 기술은 노란색 블록으로, 물리 시스템이 수집한 정보를 기반으로 수행되는 응용은 녹색 블록으로 표시되었다. 마지막으로, 서비스 제공자, 운영자, 전력 시장(market)은 물리적 시스템과 직접 상호 작용하지 않으므로 분홍색 블록으로 표시했다. 각 하위 도메인 또는 개체 아래에는 많은 CPS가 있다. 한 예로, 가정의 HEMS는 실시간 에너지 사용량과 에너지의 시장 가격에 따라 전용 통신 네트워크를 통해 스마트 가전(예 : 냉장고, 세탁기/건조기, 식기 세척기, 오븐), 홈 에너지 저장 장치, 플러그인 차량 및 태양광 패널을 조정하는 중앙 컨트롤러 역할을 할 수 있다. 또한 각각의 스마트 가전 자체도 CPS로 볼 수 있다. 전력 분배 도메인의 주거, ​​상업, 산업과 변전소 개체들은 전송 라인이나 스위치 같은 필드 장치와 연결되어 대규모 물리 시스템을 형성한다. SCADA나 다른 소스에서 수집된 데이터를 기반으로 DMS와 기타 그리드 응용은 시스템 성능을 최적화하기 위한 고급 제어 전략을 수행한다. 마찬가지로 전송 및 전력 생산 도메인에서 시스템 운영 상태는 광역 네트워크를 통한 SCADA에 의해 감독되고, 안정성과 신뢰성을 보장하기 위해 에너지 관리 시스템(energy management system; EMS)에 의해 제어된다. 서비스 제공자, 운영자와 전력 시장은 제어 루프에 적극적으로 참여할 수 있다. 끊임없이 변화하는 시스템의 요구와 재생 에너지 상황으로 인해 실시간 서비스가 필수적이므로, 서로 다른 두 도메인 간의 상호 운용성을 보장하기 위해서는 통신 시스템이 매우 중요하다.

 

그럼 스마트그리드 CPS를 위해 해결해야 하는 문제들에는 어떤 것들이 있는가? 첫째는 스마트그리드 CPS를 위한 개발 참조 모델과 기능 추상화를 위한 표준을 제정해야 한다. 유사한 용도로 사물인터넷(IoT) 개발을 위한 oneM2M 표준 등이 있지만 CPS에서는 시간 제약이 매우 중요하고 '시스템의 시스템(system-of-systems)'이라고 불리는 만큼 더욱 더 다양한 성질을 가진 물리, 가상 시스템들이 연결되기 때문에 시스템들의 완전한 통합이 필수적이다. 이러한 목적으로 유럽의 CEN/CENELEC/ETSI Smart Grid Coordination Group Reference Architecture 워킹 그룹에서 스마트그리드 구조 모델(smart grid architecture model; SGAM) 프레임워크를 제시하였다. 적절한 구조와 추상화 모델이 제시되면 스마트그리드 비즈니스 모델과 기술들이 고안될 수 있다.

 

둘째는 위의 참조 모델을 기반으로 설계된 스마트그리드 CPS를 시험하기 위한 테스트베드와 수학적 모델링 기법이다. 아무리 주의 깊게 CPS를 설계한다 하더라도 스마트그리드 시스템들은 매우 이질적인 성질을 가지기 때문에 그 정확성을 보장하기 어렵다. 단적인 예로, 물리 세계의 전력 시스템들은 아날로그 값들을 다루고, 가상 세계의 연산 시스템들은 디지털 값을 다루기 때문에 이들의 통합될 때 발생할 문제는 완벽히 예측하기 어렵다. 또한 CPS 응용마다의 요구 사항도 매우 다르기 때문에 통신 네트워크 기술의 특성(지연시간, 패킷 손실, 링크 단절, 토폴로지)도 고려해야 한다. 따라서 상태 머신(state-machine)이나 오토마타를 이용한 수학적 모델링, 그리고 시뮬레이션 도구를 활용한 테스트는 매우 중요하다. 네트워크 시뮬레이터로는 OPNET, NS-3, OMNET++ 등이 있고, 전력 시스템 모델링 도구로는 PSCAD, PSLF, RTDS, MATLAB/Simulink, OpenDSS, Opal-RT 등이 있다.

 

세째는 보안이다. 기존의 네트워크 보안은 일반적으로 수동적(passive) 보안이다. 바이러스 등의 문제가 발생하면 이를 해결하기 위한 프로그램 패치를 수행하거나 방화벽을 통해 DoS 공격을 방어한다. 하지만 스마트그리드 CPS는 국가와 시민의 안전을 위해 매우 중요한 인프라이기 때문에 지능 기술에 기반한 사전 침입 탐지 기술 등이 필요하다.