DC Local Grid는 직류 운용을 통해 낮은 전력변환 단계로 고효율을 달성할 수 있으며, 주파수 제어가 필요 없어 제어가 단순하고, 높은 신뢰성을 확보할 수 있다는 장점을 가져 관심을 받고 있다. DC Local Grid는 계통 연계 및 독립 운전 모드로 운전할 수 있다. 이와 같은 두가지 운전 모드 간의 전환 시 연속적인 전력을 부하에 공급하기 위한 무순단 절환 제어 기법이 요구된다. 한편, 전력망의 새로운 위협인 사이버 공격이 등장하였다. 차단기 오동작을 목표로 하는 사이버 공격이 발생할 경우 기존 절환 제어 기법들은 유효성을 상실하게 되나, 이에 대한 고려가 이루어지지 않고 있다.
그림 1. Conventional ZSCC reduction control block diagram.
그림 1은 제안하는 시간 지연 기반 무순단 절환 기법이다. GFM Droop 제어를 확장한 구조로 3가지 구성 요소로 설계되었다. 차단기 양단의 전압 및 주파수 오차를 필터링하여 Droop 제어기 내부로 보상한다. 해당 보상 값은 Compensator Timing Controller(CTC)에 의해 주입 시점이 결정된다. CTC는 입력이 High에서 Low로 전환될 경우 일정 시간의 딜레이 이후 보상값의 주입을 비활성화한다. Event Detection Circuit은 AC 계통 고장 및 동기화 신호가 Nand 게이트로 입력되어 차단기 동작 신호를 출력한다. 이를 통해 계통 연계 및 독립 운전 모드 양방향 모드 전환 시 인위적인 전력 조절 없이 단일 제어기를 통한 무순단을 구현할 수 있다.
그림 2. Cyber attack vulnerabilities in the proposed method.
그림 2는 제안하는 절환 기법 내 EDC를 대상으로 차단기 오동작을 유발할 수 있는 사이버 공격인 MSCI, MPCI, Replay 공격에 대한 취약점을 식별하고 모델링하여 이에 대한 영향성 분석을 진행하였다. MSCI공격은 EDC 출력인 차단기의 상태를 즉각적으로 변조한다. MPCI 공격은 EDC 출력의 기준이 되는 기준 파라미터를 외부에서 변조하여 오동작을 유발하도록 하며, Replay 공격은 EDC의 입력부에 과거 데이터를 주입시켜 현재 계통의 상태를 은폐하고 로직의 오판단을 유도한다. 해당 사이버 공격에 대한 모델링은 정상, 고장, 동기화 구간에 해당하는 구간 동안 각각 수행되었다. 정상 구간은 AC 계통이 강건하며, 계통 연계 운전 모드로 동작되는 구간을 말하며, 고장 구간은 AC 계통에 고장이 발생하여 독립 운전 모드로 운전 중인 구간이다. 또한 동기화 구간은 AC계통 복구 후 EDC에 의해 차단기 양단의 동기화 판단이 이루어지기 전 독립 운전모드로 운전되는 구간이다.
그림 3. Simulation verification waveform.
(a) without proposed, (b)with proposed
그림 3은 제안하는 시간 지연 기반 절환 기법에 대한 검증 파형이다. PSCAD 시뮬레이션을 통해 검증하였으며, 그림 3(a)는 제안된 기법 적용 전, 그림 3(b)는 적용 후를 나타낸다. 제안된 기법을 적용하였을 때 AC 계통 고장 발생으로 인한 독립 운전 모드로의 전환 시 발생하는 과도를 65.4% 저감하였으며, AC 계통 복구 후 계통 연계 운전 모드로의 재연계 시 84.6% 저감되는 것을 확인하였다. 그림 3(b)는 더욱 신뢰도 높은 검증을 위해 계통 특성을 모의할 수 있는 실시간 시뮬레이터 RTDS 기반 C-HILS 검증 파형이다. 모드 전환 전 구간에서 98.7%의 전압 유지율을 달성하며 제안한 기법의 유효성을 검증하였다.
그림 4. C-HILS verification waveform.
그림 4는 더욱 신뢰도 높은 검증을 위해 계통 특성을 모의할 수 있는 실시간 시뮬레이터 RTDS 기반 C-HILS 검증 파형이다. 모드 전환 전 구간에서 98.7%의 전압 유지율을 달성하며 제안한 기법의 유효성을 검증하였다.
제안하는 기법은 단일 제어기를 통해 인위적인 전력 조절 없이 비계획된 상황에서도 무순단을 구현하였다. 그러나 물리적인 고장에 강건한 절환 기법 역시 차단기 오동작을 유발하는 사이버 공격에는 취약하며 시스템에 악영향을 끼치는 것을 확인하였다. 이를 통해 사이버 보안을 고려한 절환 제어 기법 연구로의 확장이 필요하다.
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DC Local Grid는 직류 운용을 통해 낮은 전력변환 단계로 고효율을 달성할 수 있으며, 주파수 제어가 필요 없어 제어가 단순하고, 높은 신뢰성을 확보할 수 있다는 장점을 가져 관심을 받고 있다. DC Local Grid는 계통 연계 및 독립 운전 모드로 운전할 수 있다. 이와 같은 두가지 운전 모드 간의 전환 시 연속적인 전력을 부하에 공급하기 위한 무순단 절환 제어 기법이 요구된다. 한편, 전력망의 새로운 위협인 사이버 공격이 등장하였다. 차단기 오동작을 목표로 하는 사이버 공격이 발생할 경우 기존 절환 제어 기법들은 유효성을 상실하게 되나, 이에 대한 고려가 이루어지지 않고 있다.
그림 1은 제안하는 시간 지연 기반 무순단 절환 기법이다. GFM Droop 제어를 확장한 구조로 3가지 구성 요소로 설계되었다. 차단기 양단의 전압 및 주파수 오차를 필터링하여 Droop 제어기 내부로 보상한다. 해당 보상 값은 Compensator Timing Controller(CTC)에 의해 주입 시점이 결정된다. CTC는 입력이 High에서 Low로 전환될 경우 일정 시간의 딜레이 이후 보상값의 주입을 비활성화한다. Event Detection Circuit은 AC 계통 고장 및 동기화 신호가 Nand 게이트로 입력되어 차단기 동작 신호를 출력한다. 이를 통해 계통 연계 및 독립 운전 모드 양방향 모드 전환 시 인위적인 전력 조절 없이 단일 제어기를 통한 무순단을 구현할 수 있다.
그림 2. Cyber attack vulnerabilities in the proposed method.
그림 2는 제안하는 절환 기법 내 EDC를 대상으로 차단기 오동작을 유발할 수 있는 사이버 공격인 MSCI, MPCI, Replay 공격에 대한 취약점을 식별하고 모델링하여 이에 대한 영향성 분석을 진행하였다. MSCI공격은 EDC 출력인 차단기의 상태를 즉각적으로 변조한다. MPCI 공격은 EDC 출력의 기준이 되는 기준 파라미터를 외부에서 변조하여 오동작을 유발하도록 하며, Replay 공격은 EDC의 입력부에 과거 데이터를 주입시켜 현재 계통의 상태를 은폐하고 로직의 오판단을 유도한다. 해당 사이버 공격에 대한 모델링은 정상, 고장, 동기화 구간에 해당하는 구간 동안 각각 수행되었다. 정상 구간은 AC 계통이 강건하며, 계통 연계 운전 모드로 동작되는 구간을 말하며, 고장 구간은 AC 계통에 고장이 발생하여 독립 운전 모드로 운전 중인 구간이다. 또한 동기화 구간은 AC계통 복구 후 EDC에 의해 차단기 양단의 동기화 판단이 이루어지기 전 독립 운전모드로 운전되는 구간이다.
(a) without proposed, (b)with proposed
그림 3은 제안하는 시간 지연 기반 절환 기법에 대한 검증 파형이다. PSCAD 시뮬레이션을 통해 검증하였으며, 그림 3(a)는 제안된 기법 적용 전, 그림 3(b)는 적용 후를 나타낸다. 제안된 기법을 적용하였을 때 AC 계통 고장 발생으로 인한 독립 운전 모드로의 전환 시 발생하는 과도를 65.4% 저감하였으며, AC 계통 복구 후 계통 연계 운전 모드로의 재연계 시 84.6% 저감되는 것을 확인하였다. 그림 3(b)는 더욱 신뢰도 높은 검증을 위해 계통 특성을 모의할 수 있는 실시간 시뮬레이터 RTDS 기반 C-HILS 검증 파형이다. 모드 전환 전 구간에서 98.7%의 전압 유지율을 달성하며 제안한 기법의 유효성을 검증하였다.
그림 4. C-HILS verification waveform.
그림 4는 더욱 신뢰도 높은 검증을 위해 계통 특성을 모의할 수 있는 실시간 시뮬레이터 RTDS 기반 C-HILS 검증 파형이다. 모드 전환 전 구간에서 98.7%의 전압 유지율을 달성하며 제안한 기법의 유효성을 검증하였다.
제안하는 기법은 단일 제어기를 통해 인위적인 전력 조절 없이 비계획된 상황에서도 무순단을 구현하였다. 그러나 물리적인 고장에 강건한 절환 기법 역시 차단기 오동작을 유발하는 사이버 공격에는 취약하며 시스템에 악영향을 끼치는 것을 확인하였다. 이를 통해 사이버 보안을 고려한 절환 제어 기법 연구로의 확장이 필요하다.
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