CPS 컨텍스트 분석을 활용한 신재생에너지 설비 비지도학습 기반 이상탐지 모델 연구

2-1 관련연구

이상탐지(Anomaly Detection)는 비정상 데이터를 탐지하는 기법으로 이상 데이터의 샘플을 보유하고 있다면 측정 결과의 정확도를 높일 수 있다. 그러나, 이상 데이터에 대한 샘플을 확보하는 것은 쉽지 않고, 특히 발전시설의 사이버 보안 측면이라면 더욱 힘들 개연성이 크다. 이상탐지는 데이터셋의 레이블 가용도에 따라 모델이 구분된다. 학습 데이터 셋에 비정상적인 샘플이 포함되는지, 각 샘플에 레이블이 존재하는지, 비정상적인 샘플의 성격이 정상 샘플과 어떻게 다른지, 정상 샘플의 클래스가 단일 클래스 인지 멀티 클래스 인지 등에 따라 다른 용어를 사용한다. 본 절은 데이터 샘플 여부 확보에 따른 이상탐지 방법론의 분류기법으로 지도식 이상탐지, 반지도식 이상탐지, 비지도식 이상탐지로 구분할 수 있고, 구성항목은 그림 1과 같다[2],[3],[8]-[11].

Fig. 1.

Anomaly detection model

이상에는 특정 값이 나머지 값들 대비 이상하다는 점 이상과, 하나의 값이 아닌 전체적인 맥락에서의 이상 여부를 의미하는 맥락적 이상으로 구분되며, 맥락 관련 변수는 다음과 같이 정의된다.

가. 맥락적 속성: 맥락 변수(contextual attribute)로 표현되며, 시공간 상에서 관계성을 가지는 변수들을 의미한다. 예를 들면, 재생에너지 발전량 변수와 기상데이터 변수간 관계성이 맥락 변수를 의미한다.

나. 행동적 속성: 행동 변수(behavioral attribute)라고도 하며 맥락적이지 않은 특성을 나타낸다. 예를 들면, 기상 데이터 중 평균 풍속에 대한 데이터가 있을 때, 각 위치에서의 데이터는 상호관계에 관계가 없는 행동 데이터에 해당한다.

이를 통계적 관점에서 봤을 때, 맥락 변수는 종속변수, 행동 변수는 독립변수가 된다. 이 경우 이상 여부는 특정한 맥락에서 행동변수의 값으로 판단하게 되는데, 맥락상 정상이라고 판단되는 일정 범주 내에 행동변수가 존재하지 않는다면, 그것은 모종의 이상이 있다고 판단할 수 있는 것이다.

제어망 이상징후 탐지방법은 크게 두가지 형태로 분류할 수 있다. 첫째 비정상행위 탐지기법(Anomaly based detection)과 시그니처 기반탐지 기법(Signature based detection, misuse detection)이다. 비정상행위 탐지기법은 정상적인 범주를 벗어나는 비정상 트래픽을 감시할 수 있으며, 새로운 공격 탐지가 가능하다. 그러나, 시스템 구현에 어려움이 있고 오탐으로 인한 오경보 가능성이 높다. 시그니처 기반탐지 기법은 시스템 및 프로그램의 알려진 취약점을 기반으로 탐지하므로 탐지율이 우수한 편이나, 새로운 공격에 대한 탐지룰이 반영되기전까지는 탐지가 불가능하다는 문제점이 있다. 전력제어망 이상징후 탐지기법의 한계를 극복하기 위해 산업현장의 실제Contents를 취득 및 데이터의 흐름을 분석하고, 정상적인 데이터의 모델을 정립하고 이에 따라 이상징후를 판단할 수 있다[4].

제어시스템 환경에서 발생 할 수 있는 공격 및 오동작 유형을 15개 그룹으로 분류 후, Network계층, Protocol Specification, Control, Statistic로 이루어진 4계층으로 이루어진 화이트리스트를 제시하였다. 그러나, 화이트리스트(Whitelist) 기반 이상 행위 탐지 기법은 Protocol Specification과 Control Message 등 특정 Protocol 중심으로 제시가 되어있어 실제 비표준 프로토콜 기반의 폐쇄적인 특성을 가진 발전제어망에 적용하기 에는 한계가 있는 상황이다[5]-[7].

3-1 풍력발전 이상탐지 (ADS:Anomaly Detection System) 모델

이상징후를 탐지하고 표현하는 방법은 유효 데이터 여부를 검증하고, 유효 데이터에 대한 상관행렬을 산출한다. 1초 기반의 풍력 단지 분석 결과에 따르면 1개월치의 데이터에 있어서 상관계수 값의 변화는 있었으나, 발전소의 3개월 동안 1분 단위 데이터를 대상으로 이상탐지 모델을 설계하여 이상여부 판단을 수행한다. 모델 학습을 위해 인버터 데이터, 환경센서 데이터, 기상청 데이터를 활용하였으며, 세부 유형별 항목은 표 1에 제시하였다. 데이터의 기본 정보를 바탕으로 데이터 구조, 변수명, 숫자형, 문자형, 논리형의 변수별 데이터 유형, 결측값, 이상치, 데이터의 산점도와 분포 모양을 탐색하였다.

Table 1.

Model training data

수집한 풍력 발전소 현장/기상 정보 수집, 단면 데이터 판정, 데이터 분석/검증, 이상탐지의 절차를 거쳐, 예측값과 이상값을을 예측하여 실측값과 비교와 차이의 학습을 통해 탐지성능을 지속적으로 향상 시키기 위한 모델을 구현하고자 한다.

이러한 개념적 특성에 기반하여 이상탐지시스템의 전체적 구성은 그림 2과 같이 데이터 수집, 데이터 전처리, 데이터 분석, 모델링, 검증, 결과 분석의 단계로 되어 있다.

Fig. 2.

Process

풍력발전 이상탐지 모델을 실제 시스템에서 운영할 수 있도록 서빙 시스템을 구축하여 신규 데이터 입력 시, 해당 모델을 통해 실시간으로 이상탐지 확인이 가능하다. 또한, 모델을 버전별 관리를 통해 발전소의 운영 특성에 맞추어 계통 안정성, 수익 최대화 등의 활용 목적에 따라 선별적으로 모델을 활용할 수 있고, 풍력발전 이상탐지 모델을 실제 시스템에서 운영할 수 있도록 서빙 시스템을 그림 3와 같이 구축하여 신규 데이터 입력 시, 해당 모델을 통해 실시간으로 이상탐지 확인 한다.

Fig. 3.

Anomaly detection model serving architecture

3-2 풍력발전 ADS(Anomaly Detection System) 방법론

세부 방법론은 CSV 기반의 수집 데이터 파일을 업로드하면, 유효 데이터 여부를 검증하고, 유효 데이터에 대한 상관행렬을 산출한다. 1초 기반의 성산풍력 단지 분석 결과에 따르면 1개월치에 데이터에 있어서 상관계수 값의 변화는 있었으나, 상대적인 순위는 변화가 거의 없었고 이 경우 상관계수 순위가 바뀌는 것은 이상치가 있음을 암시한다고 볼 수 있다. 이는 데이터 정상/이상을 판단하는 중요한 기준의 하나로 설정된다.

풍력발전 ADS의 수행절차와 구성항목간의 구성요소는 그림 4와 같이 수집된 원천 데이터를 제안 모델을 통한 이상징후 판단과 통지 수행의 과정으로 처리된다.

Fig. 4.

Data collection for wind power generation anomaly detection

그림 5는 이상탐지를 위한 점수 표현 방법론으로 풍력발전 CSV파일을 통해 유효 데이터 필드 선정과 데이터 기본 분석을 통해 상관행렬의 순서 비교를 통해 이상탐지를 위한 점수 표현을 위한 절차이다.

Fig. 5.

Score expression methodology for anomaly detection

2번째 범주로는 그림 6과 같이 데이터 필드별 실측 데이터의 변동 범위로 설정하였는데, 과거 데이터의 변동 범위에 대한 최소, 최대값을 설정하고 특정 데이터 필드가 해당 범위를 벗어나면(아웃라이어로 간주) 감점하는 형태로 신뢰도를 낮출 수 있다.

Fig. 6.

Data range measurement

개별 변수의 제약 조건은 1초(데이터 최소 주기)당 변량, 특성값의 최대-최소 범위로 제한되는데, 이를 기반으로 시계열 분석을 적용할 수 있다. 단면 데이터 분석을 수행하여 변수간 상관관계 분석을 통한 정량 매트릭스(상관행렬)를 생성할 수 있고, 2가지 분석 항목들에 대한 가중치 적용하여 트러스트(신뢰도) 기반의 점수화를 시도하는 것이 기본적 접근 개념이다. 유의미한 특성 변수에 대해, 현재 측정값과 변량에 대한 범위 내 여부를 검토하는 것이다. 예를 들면, 데이터 필드가 10개 존재하고 이중 1개의 데이터 필드가 범위를 벗어나게 되면 –10점을 감점하는 방식이다. 데이터 필드가 100개가 되면 –1점을 감소시키는 형태로 개별 데이터의 단위 감점 수준이 떨어지게 된다. 또한, 일정 시간 주기동안에 이러한 개념을 적용한다면 시간대별로 점수를 다시 할당하거나 중복 감점을 적용할 수 있다. 이를 일반화하면 다음 그림 5와 같은 형태로 3가지 범주에 대한 100점 만점의 점수를 할당하고 이를 기반으로 점수가 차감될수록 이상으로 분류될 확률이 높아지는 개념으로 이해할 수 있다.

4-1 데이터 추이

풍속은 발전출력에 가장 큰 영향을 미치는 변수이므로 출력과의 관계를 살펴야 한다. 그림 8과 그림 9와 같이 출력과 풍속 그래프를 보면 두 변수는 선형 관계를 보이며, 풍속 3m/s 이상 구간에서 대부분의 발전 출력을 보인다. 만일, 일정 수준 이상의 풍속에도 출력이 매우 낮거나 없는 경우에는 해당 시점에서의 다른 변수의 값 및 변량 등을 통해 이상 여부를 확인해야 한다.

Fig. 8.

Change in power output due to wind speed

Fig. 9.

Relationship between wind speed and power generation of 1sec, 1min

데이터의 전처리로 수집 가능한 필드를 모두 활용하였으며, 수집된 데이터 중 결측이 발생한 경우 선형보간법으로 대치 하여 보완하였다.

발전기 전류는 발전기의 기어오일온도, 발전출력, 발전기 속도 등과 연계성을 가지게 된다. 예를 들어 발전출력이 지속적으로 높으면 기어오일온도는 상승할 확률이 높으나 급격한 변화를 보이지는 않는다. 이러한 특성을 기어오일온도 측정값과 변량에 적용하여 그림 10과 같이 이상여부를 탐지하는 재료 주요 데이터로 검증하였다.

Fig. 10.

Key data for wind power plants

4-2 결과분석

풍력 데이터는 그림 11과 같이 발전기 출력을 포함하여 44개의 필드로 구성되어 있으며, 각 필드는 1초 단위로 2월 한 달(02.01~02.29) 데이터와 4월 한 주(04.14~04.23) 데이터로 필드별로 3,301,205개의 데이터를 갖는다. 필드 유형에 따라 데이터는 Numerical Type과 Categorical Type으로 구분되며, 13개의 Categorical Type이 존재한다. 이 중 12개 필드는 Pt_Created를 나타내는 미사용 Tag이며, 마지막 44번째 필드인 WDSS_WindStatus_SS01는 풍력설비 1호기 운전상태(Run, Stop, Emergency)를 의미한다. 하기 그림은 풍력 데이터 종류 및 유형은 나타낸다.

Fig. 11.

Wind power generator data types

풍력발전 데이터는 44개 필드로 구성되며, 각 필드는 795,601 데이터를 가지고 있다. 풍력발전 Tag 중 12개는 미사용 데이터이며, Pt_Created 값으로 되어 있고 아래의 회색 음영부분으로 표기되었다. 43, 44번째 필드는 WindStatus을 나타내며, Run or Stop 값을 갖는 범주형 데이터로 녹색 음영 부분이다.

특성 데이터 간의 상관관계 분석을 통해 단면(cross-sectional) 데이터 측면에서 상관관계가 높은 데이터 쌍을 가려내고, 상관관계의 우선순위를 정하여 신규 데이터가 유입될 경우 상관관계의 상대적 순위가 유지되는지 변화는지 여부에 따라 이상/정상 여부를 판별하였고, 그림 12와 같이 데이터 필드간의 상관관계 분석을 수행하였다.

Fig. 12.

Attribute variable correlation

예측모델 성능은 그림 13와 같이 MAPE: 6.4%, RMSE: 5.4kW로 매우 높은 정확성을 보이며, 구간별 발전오차는 11kW 미만에서 98.99%의 비율을 차지하고 있다. 이는 발전소 설비용량의 10%에 해당하는 수치로 매우 작다고 볼 수 있다.

Fig. 13.

Comparison of model prediction results and power generation errors

그림 14는 이상탐지 기준 신뢰도 초과 발전전력 추이를 보여주며, 모델이 제시한 범주내에서 정상 작동하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 14.

Trend of generated power that exceeds the reliability of the anomaly detection standard

발전출력과 직접적인 관련성을 갖는 발전기 정보(전류, 전압, 온도) 제외하고 발전출력에 대한 피어슨 상관분석 결과 풍속은 0.90, 로터 속도는 0.83으로 매우 강한 양의 상관계수를 갖는다. 그림 15는 발전출력에 대한 피어슨 상관분석 결과를 보여준다. 이는 풍속이 증가할수록 발전출력이 증가함을 의미하며, 로더속도 역시 터빈의 블레이드 회전에 의해 증가한다. 단, 풍속은 실시간으로 변화하게 되지만 블레이드의 회전속도는 기계적 관성이 있기 때문에 풍속과 같이 실시간으로 변하는 것이 불가능하기에 과거 풍속의 변화에 따른 출력의 관계를 잘 파악하는 것이 풍력발전기 출력 예측에 중요한 부분이다.

Fig. 15.

Pearson's correlation coefficient

그림 16의 측정 결과를 통해 앙상블 모델 중에서는 RandomForest 알고리즘이 가장 높은 수치를 보였으며, GradientBoosting 알고리즘이 가장 낮은 결과를 보여주었다. 부스팅 모델은 약한 학습기를 순차적으로 학습을 하되, 이전 학습에 대하여 잘못 예측된 데이터에 가중치를 부여하여 오차를 보완해 나가는 방식이지만, 제한적인 과거 데이터 수로 인해 지속적인 오차 갱신이 이루어지지 않은 결과로 볼 수 있다.

Fig. 16.

MAPE result

모델 서빙은 학습한 모델을 저장하고 내보내어 실시간으로 신규 데이터에 대한 예측 결과를 전달하는 시스템으로 학습모델에서 예측 결과를 가져오고 Flask API를 통해 최종 사용자에게 해당 결과를 전달하며, 그림 17은 모델 서빙을 통한 예측 결과를 보여준다. 예측치와 실측치의 오차 검증을 통해 모델의 성능이 의미 있음을 알 수 있다.

Fig. 17.

Predicted results through model serving