KR101366759B1 - 하이브리드형 에너지 하베스팅 장치 및 이를 이용한 안전진단 감시 시스템 - Google Patents

하이브리드형 에너지 하베스팅 장치 및 이를 이용한 안전진단 감시 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 에너지 하베스팅 장치 및 이를 이용한 전력감시 장치 및 방법에 관한 것으로, 전력설비물의 구조적인 특성에서 오는 진동요소 및 주변환경에서 취득 가능한 에너지원을 하이브리드형으로 집적화하여 전력IT 장치에 단독운영이 가능한 전원을 공급하여 하계 및 동계 피크 부하시 원격에서 통제 가능한 범위를 확대하므로서 탄력적인 전력 공급 및 분배가 가능하도록 한다. 본 발명에 따르면, 송전첩탑에 감시 진단용으로 설치되는 장치의 단독전원 사용을 위한 기존 단일방식(태양광) 충전 및 발전방식과 달리 송전철탑에서 취득가능한 모든 에너지원 특히 송전철탑에서 발생하는 고유진동주파수와 파장을 진동센서를 이용 계측하여 또한 진동센서의 압전소자를 통해 전원 충전하고 이와 동시에 솔라셀을 통해 충전원을 다중화(하이브리드) 하여 전력 IT 장치의 보다 안정적인 전원을 공급할 수 있다.

Description

하이브리드형 에너지 하베스팅 장치 및 이를 이용한 안전진단 감시 시스템{A Hybrid energy harvesting apparatus and a safety inspection and survellience system by using the apparatus}
본 발명은 송전 철탑 등 진동요인이 있는 구조물에서 자연적으로 발생하는 진동요인을 에너지원과 구조물 안전진단 감시요인으로 활용하는 하이브리드형 에너지 하베스팅 장치와 진단에 관한 것이다. 최근 각광받고 있는 녹색성장, 녹색에너지 확보 일환으로 주변환경에서 얻을 수 있는 청정에너지(빛, 열, 진동)를 수집하고 이를 극대화하여 에너지 절약과 안정적인 전원 공급이 가능하게 하며 동시에 송전철탑등 전력설비 구조특성상에서 감지되는 진동요소(주파수, 파장)를 감지하여 최근 자연재해(눈, 비, 바람) 및 천재지변(지진, 해일등)에 의한 전력설비물 구조안전진단을 실시간 감시하여 안정적이고 신뢰성 있는 전력계통운전에 기여하고자 한다.
또한 본 발명에서 제안한 하이브리드형 에너지 하베스팅 장치 및 이를 이용한 안전진단 감시 시스템은 전력설비의 진동요인을 이용하여 단독운전이 가능한 전력저장장치에 충전전원을 공급하고 이와 동시에 지속적으로 발생하는 전력설비의 진동요인을 On Line 감시하여 설비물의 이상징후를 사전 감지하여 설비물의 건전성을 평가하여 전력계통의 안정적 운전에 기여할 것이다.
이와 더불어 전력IT의 급속한 발전에 따라 급속하게 전력IT장치(외부전원과 축전지가 내장된)에 설치하여 원격제어 및 현장설정에 의해 전력부하 피크시간대 자동으로 외부전원을 차단하고 자체 축전지로 동작하게 하고 이때 에너지 하베스팅 장치는 축전지의 상태를 감시하여 지속적인 충전을 통해 전력부하 피크 시간대(약 4시간)동안 전력IT 장치의 동작을 보장하게 하여 동계 및 하계 전력난을 일부 해소가 가능하리라 판단된다.
송전첩탑에 감시 진단용으로 설치되는 장치의 단독전원 사용을 위한 기존 단일방식(태양광) 충전 및 발전방식과 달리 송전철탑에서 취득가능한 모든 에너지원 특히 송전철탑에서 발생하는 고유진동주파수와 파장을 진동센서를 이용 계측하여 또한 진동센서의 압전소자를 통해 전원 충전하고 이와 동시에 솔라셀을 통해 충전원을 다중화(하이브리드) 하여 전력IT장치의 보다 안정적인 전원을 공급할 수 있다.
현재 송전철탑에 대한 구조물 안전진단 및 건정성 평가를 위한 실시간 On Line 감시시스템이 부재한 실정이며 구조물 안전진단을 위해 관리자의 개입 및 통상적인 유지관리 업무를 통해 지반침하 및 구조물의 변형상태를 주기(1회/1년)적으로 육안 확인하여 이상진단을 유지관리자가 경험에 의거한 1차 판단 후 2차 전문인력을 투입하여 보강공사를 하는 실정으로 고장을 사전에 예지하거나 및 판단근거가 미약한 실정이다.
송전철탑의 경우 전력IT장치에 전원을 공급하기 위해서는 인근저압선로(AC220 ~ 380)에서 별도의 배전선로를 시설하여야 하므로 시설공사비가 과다발생하고 개통지연요소 발생하는 등의 문제점이 있다.
현재는 일반적으로 태양광 판넬 및 축전지를 이용하여 전원을 공급하는 방식을 사용하므로 야간 및 일조량이 적은 기후(안개, 비, 장마등)에서는 적당한 충전 및 발전이 불가능하여 전력IT 장치 전원의 차단이 빈번하게 발생한다.
기존 송전철탑 및 전력설비물의 구조물안전진단은 거의 시행되고 있지 않으며 특히 설비물에서 발생하는 통상적인 진동요인을 이용한 감시진단은 미미한 상태이다. 또한 최근 풍향/풍속 및 환경적인 요소를 감시하는 수준이나 정작 구조물 자체의 이상 징후를 감지하는 기술접근은 미미한 상태이다.
배전선로상에 설치되어 있는 전력IT장치(FRTU, DCU등 약 15만대)는 전력소비량에 대한 계량을 하지 않고 있는 실정이다. 그러므로 이러한 통제 및 관리되고 있지 않는 전력소비를 통제 제어하고 하계 및 동계 부하피크시 일정시간 외부전원을 OFF하여 부하피크를 억제하는 효과를 제공할 수 있다.
한국공개특허 2008-0035198호는 압전발전기를 이용한 전력용 변압기 감시시스템에 관한 것으로써, 특히 전력설비 감시, 진단을 위해 전력용 변압기로부터 발생되는 진동에너지를 전기에너지로 변환하여 감시시스템 구동 전원으로 사용하고, 센서 어셈블리를 이용한 신뢰성 향상, 시스템-인-패키지 기법 적용으로 시스템의 소형화, SoC 및 파워관리기법을 적용하여 저 전력으로 구성한 전력용 변압기 감시시스템에 관한 것이다. 상기 특허문헌에 의하면, 현재 전력 설비 감시 시스템의 단점을 획기적으로 개선하여 새롭게 발명한 기술로 감시 시스템의 고장 비율을 줄일 수 있고, 설치 및 운전 유지의 용이성, 수명의 연장 및 시스템 운영비용을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 그러나, 상기 특허문헌은 단지 압전발전기를 이용한 전력용 변압기 감시시스템에 대해서만 기재할 뿐, 본원 발명의 하이브리드형 에너지 하베스팅 장치 및 이를 이용한 안전진단 감시 시스템에 대해서는 기재하고 있지 않다. 한국공개특허 2009-0099760호는 지하에 매설되어 휘발유와 디젤 등 기름을 운송하는 송유관의 기름 유출을 감시하는 송유관 감시 시스템에 관한 것으로, 본원 발명의 하이브리드형 에너지 하베스팅 장치 및 이를 이용한 안전진단 감시 시스템에 대해서는 기재하고 있지 않다.
본 발명은 하이브리드형 에너지 하베스팅 장치 및 이를 이용한 안전진단 감시 시스템에 관한 것으로, 전력설비물의 구조적인 특성에서 오는 진동요소 및 주변환경에서 취득 가능한 에너지원을 하이브리드형으로 집적화하여 전력IT 장치에 단독운영이 가능한 전원을 공급하여 하계 및 동계 피크 부하시 원격에서 통제 가능한 범위를 확대하므로서 탄력적인 전력 공급 및 분배할 수 있도록 한다.
본 발명에 따르면, 송전첩탑에 감시 진단용으로 설치되는 장치의 단독전원 사용을 위한 기존 단일방식(태양광) 충전 및 발전방식과 달리 송전철탑에서 취득가능한 모든 에너지원 특히 송전철탑에서 발생하는 고유진동주파수와 파장을 진동센서를 이용 계측하여 또한 진동센서의 압전소자를 통해 전원 충전하고 이와 동시에 솔라셀을 통해 충전원을 다중화(하이브리드) 하여 전력IT장치의 보다 안정적인 전원을 공급할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 진동 압전소자 및 태양광을 통해 취득된 발전 전원을 이용한 하이브리드형 에너지 하베스팅 장치는, 대상물의 진동 감지를 위한 센서부와 압전효과를 이용한 발전원을 포함한 일체형 진동 압전소자 및 진동센서; 태양광을 발전원으로 사용하기 위한 태양광 판넬; 축전지; 및 자동전원 제어 장치를 포함하여 구성되며, 상기 자동전원 제어 장치는 정류기, Boost-up 회로 및 linear regulator 인 LDO(Low Drop Output)을 포함하여 구성되며, 상기 진동 압전소자를 통해 취득된 발전 전원과 태양광 판넬로부터 취득되는 발전 전원을 통합하여, 태양광과 상기 진동 압전소자 및 진동센서에서 취득된 충전원의 상태를 감지하여 자동절체하며, 충전 및 방전상태를 실시간 확인하여 충전전류를 자동 조정하는 것을 특징으로 하여 전력IT장치의 보다 안정적인 전원을 공급할 수 있다.
아울러, 본 발명의 대상물의 안전진단 감시 시스템은, 상기 대상물에 대한 하이브리드형 에너지 하베스팅 장치; 상기 대상물에 대한 진동감시용 master IED; 하나 이상의 하부 slave IED; 및 상위 감시 주장치; 를 포함하여 구성되며, 상기 진동감시용 master IED는 하나 이상의 하부 slave IED 간 디지털 TRS 직접통신모드를 이용하여 데이터 및 이벤트를 수집하고, 수집된 정보를 상위 감시 주장치에 무선통신방식 혹은 디지털 TRS Trunked 모드로 전송하는 것을 특징으로 하여 산악지역에서의 음영지역이 많은 상용 무선망(WCDMA등) 보다 효과적이고 철탑의 복합가공지선(OPGW) 광코어를 사용하는 번거러움 보다 경제적인 통신망 구성을 할 수 있다.
상기 하이브리드형 에너지 하베스팅 장치는 진동 압전소자 및 태양광을 통해 취득된 발전 전원을 이용하고, 상기 대상물의 진동 감지를 위한 센서부와 압전효과를 이용한 발전원을 포함한 일체형 진동 압전소자 및 진동센서; 태양광을 발전원으로 사용하기 위한 태양광 판넬; 축전지; 및 자동전원 제어 장치를 포함하여 구성되며, 상기 자동전원 제어 장치는 정류기, Boost-up 회로 및 linear regulator 인 LDO(Low Drop Output)을 포함하여 구성되며, 상기 진동 압전소자를 통해 취득된 발전 전원과 태양광 판넬로부터 취득되는 발전 전원을 통합하여, 태양광과 상기 진동 압전소자 및 진동센서에서 취득된 충전원의 상태를 감지하여 자동절체하며, 충전 및 방전상태를 실시간 확인하여 충전전류를 자동 조정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 IED는 진동감시 센서로부터 수신된 주파수 및 진폭을 분석하는 수단; 진동 패턴분석 알고리즘 처리부; 상위 감시 주장치와의 통신부 및 하위 slave 장치로부터 데이터를 수집하는 통신 모듈을 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 상기 IED는 최초 설치후 미리 지정된 데이터 취득기간을 두어 대상물 및 설비가 가지고 있는 고유진동수를 기준 패턴화하여 데이터베이스에 저장하고, 그 이상의 패턴변화 요인이 지정된 시간이상 발생할 경우 해당내용을 관리자에게 보고하고 이벤트 처리하는 것이 가능하다.
본 발명은 하이브리드형 에너지 하베스팅 장치 및 이를 이용한 안전진단 감시 시스템에 관한 것으로, 전력설비물의 구조적인 특성에서 오는 진동요소 및 주변환경에서 취득 가능한 에너지원을 하이브리드형으로 집적화하여 전력IT 장치에 단독운영이 가능한 전원을 공급하여 하계 및 동계 피크 부하시 원격에서 통제 가능한 범위를 확대하므로서 탄력적인 전력 공급 및 분배가 가능하도록 한다.
본 발명에 따르면, 송전첩탑에 감시 진단용으로 설치되는 장치의 단독전원 사용을 위한 기존 단일방식(태양광) 충전 및 발전방식과 달리 송전철탑에서 취득가능한 모든 에너지원 특히 송전철탑에서 발생하는 고유진동주파수와 파장을 진동센서를 이용 계측하여 또한 진동센서의 압전소자를 통해 전원 충전하고 이와 동시에 솔라셀을 통해 충전원을 다중화(하이브리드) 하여 전력IT장치의 보다 안정적인 전원을 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드형 에너지 하베스팅 장치 및 이를 이용한 안전진단 감시 시스템의 전체 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 하이브리드형 에너지 하베스팅 장치 및 이를 이용한 안전진단 감시 시스템의 바람직한 실시의 예를 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 하이브리드형 에너지 하베스팅 장치 및 이를 이용한 안전진단 감시 시스템의 전체 구성도이다.
송전첩탑에 감시 진단용으로 설치되는 장치의 단독전원 사용을 위한 기존 단일방식(태양광) 충전 및 발전방식과 달리 송전철탑에서 취득가능한 모든 에너지원 특히 송전철탑에서 발생하는 고유진동주파수와 파장을 진동센서를 이용 계측하여 또한 진동센서의 압전소자를 통해 전원 충전하고 이와 동시에 솔라셀을 통해 충전원을 다중화(하이브리드) 하여 전력IT장치의 보다 안정적인 전원을 공급할 수 있다.
자연상태에서의 진동수와 스트레스 분산은 일반적으로 0 ~ 50Hz범위에서 결정되며 필터는 5Hz 미만과 100Hz이상의 진동신호를 제거하기 위해 Band 필터를 사용한다. 측정은 약 15분마다 10초 동안 채집하며 최초 설치후 일정시간(약 3개월)의 데이터 취득기간을 두어 철탑 및 전력설비가 가지고 있는 고유진동수를 기준 패턴화하여 데이터베이스에 저장하고 그 이상의 패턴변화 요인이 지정된 시간이상 발생할 경우 해당내용을 관리자에게 보고하고 이밴트 처리한다.
송전철탑에서 주변 환경요인에 의해 발생하는 진동에 의해 압력이 발생하면 전기유도되는 현상을 이용하는 것으로 에너지 변환효율이 가장 높은 압전효과 방식을 사용한다. 특히 안전율이 높은 단결정 재료를 사용하여 효율을 극대화 시킬 수 있다.
특히 각 Master 장치와 Slave장치간 통신망은 보안성이 강화된 디지털 TRS 근거리 무선통신방법(DMO : Direct Mode Operate)을 사용하고 Master 장치와 상위 감시시스템간 통신은 디지털 TRS TMO(Trunked Mode Operate)방식을 사용하여 통화 트래픽을 분산하고 무선자원의 효율적인 운용이 가능하도록 한다.
에너지 하베스팅 장치는 전력설비물의 구조적인 특성에서 오는 진동요소 및 주변환경에서 취득 가능한 에너지원을 하이브리드형으로 집적화하여 전력IT 장치에 단독운영이 가능한 전원을 공급하여 하계 및 동계 피크 부하시 원격에서 통제 가능한 범위를 확대하므로서 탄력적인 전력 공급 및 분배가 가능하도록 한다.
본 발명에 따른 Master/Slave로서의 송전철탑 진동 감시용 IED (Intelligent Electronic Device)의 구성과 동작을 설명하면 다음과 같다.
상기 송전철탑 진동 감시용 IED는 진동감시 센서로부터 수신된 주파수 및 진폭을 분석하는 수단, 진동 패턴분석 알고리즘 처리부, 무선통신부(DTRS) 및 slave 장치로부터 데이터를 수집하는 모듈로 구성된다.
상기 송전철탑 진동감시용 IED(10)의 동작원리는, 먼저 진동감지 센서 및 압전소자(12)를 통해 전류형태로 제공되는 신호의 주파수 및 진폭을 실시간 샘플링하여 분석하며, IED는 최초 설치 시점부터 취득된 진동관련 정보를 데이터베이스화한다. 또한 IED는 데이터베이스화된 정보를 기준으로 하여 각 이상감지 유형에 대한 패턴형태를 분류하고 기준값 이상 과도정보가 발생할 경우 해당 정보를 상위 감시 주장치(30)의 운용자에게 통보하는 방식으로 운영한다.
상기 송전철탑 진동감시용 IED (10)는 하부 다수의 Slave IED (20) 간 디지털 TRS (DTRS) 직접통신모드(DMO : Direct Mode Operate) (18)를 이용하여 데이터 및 이벤트를 수집하고 수집된 정보를 상위 시스템에 무선통신방식(WCDMA, DTRS) (19)으로 전송한다.
본 발명에 따른 하이브리드형 에너지 하베스팅 장치 (11)의 구성과 동작을 설명하면 다음과 같다.
철탑의 진동을 감시하고 압전효과를 이용한 하이브리드형 에너지 하베스팅 장치는 진동 감지를 위한 센서부와 압전효과를 이용한 발전원을 포함한 일체형 (12) 구조이다.
상기 하이브리드형 에너지 하베스팅 장치 (11)의 동작원리는, 먼저 태양광 판넬 (13)로부터 취득되는 발전 전원과 진동 압전소자를 통해 취득된 발전 전원을 통합하여 자동전원 제어 (14)를 통해 축전지(폴리머) (15)에 충전하며, 전원제어장치는 정류기, Boost-up 회로 그리고 최종 Linear Regulator 인 LDO(Low Drop Output)을 포함하며 태양광과 진동센서에서 취득된 충전원의 상태를 감지하여 자동절체 운영이 가능하도록 한다. 또한 전원제어장치 (14)는 충전 및 방전상태를 실시간 확인하여 충전전류를 자동 조정하는 기능을 수행한다.
10: 송전철탑 진동감시용 IED Master 11: 하이브리드 에너지 하베스팅 장치
12: 압전소자 및 진동센서 13: 태양광 판넬
14: 전원제어장치 15: 축전지
16: 상위 통신부 17: 하위 통신부
18: DTRS 직접통신(DMO) 모드 19: 무선통신방식(DTRS, WCDMA) 모드
20: 송전철탑 진동감시용 IED Slave 30: 상위 감시 주장치

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 안전진단 감시 시스템에 있어서,
    전력설비물의 고유진동주파수를 계측하고, 상기 고유진동주파수에 대응하는 진동으로부터 발전전원을 취득하는 진동 압전소자, 태양광으로부터 발전전원을 취득하는 태양광 판넬, 축전지, 그리고 상기 진동 압전소자 및 상기 태양광 판넬을 통해 취득되는 발전전원으로 상기 축전지를 충전하는 전원 제어 장치를 포함하는 하이브리드형 에너지 하베스팅 장치; 및
    상기 진동 압전소자를 통해 획득되는 상기 전력설비물의 진동패턴을 분석하여 상기 전력설비물의 이상감지 기능을 수행하는 IED
    를 포함하는 안전진단 감시 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 전원 제어 장치는,
    정류기, Boost-up 회로 및 linear regulator 인 LDO(Low Drop Output)을 포함하며, 상기 축전지의 충전 및 방전상태를 실시간 확인하여 충전전류를 자동 조정하는 것을 특징으로 하는 대상물의 안전진단 감시 시스템.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 IED는,
    기 설정된 기간 동안 상기 전력설비물의 고유진동수를 데이터베이스화하며, 데이터베이스화된 상기 고유진동수를 토대로 각 이상감지 유형에 대한 패턴형태를 분류하는 것을 특징으로 하는 대상물의 안전진단 감시 시스템.
  5. 제 2항에 있어서, 감시 주장치를 더 포함하며,
    상기 IED는 기 설정된 값 이상의 패턴변화 요인이 기 설정된 시간 이상 발생하면, 대응하는 내용을 상기 감시 주장치에 보고하고 이벤트 처리하는 것을 특징으로 하는 대상물의 안전진단 감시 시스템.
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