KR101468033B1 - 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템 - Google Patents

수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수중 음향신호를 이용하여 해저 전력케이블의 고장점을 신속하고 정확하게 파악할 수 있도록 구성되는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 해저 전력케이블의 고장점에서 발생하는 방전음(수중 음향신호)을 감지하는 하이드로폰 수신기, 아날로그 신호 처리기, 수신된 아날로그 신호를 변환시켜주는 A/D 변환기, 수신된 신호의 실시간 모니터링 및 자료 취득을 위한 S/W 등을 포함하여, 서지 발생기(Surge Generator)를 이용하여 해저 전력케이블에 전압을 일정시간 간격으로 입력하여 고장점에서 방전음(스파크)이 발생하면, 수중에 위치한 수신기(하이드로폰)로 수중 음향신호(방전음)를 수신하고 각 채널에 처음으로 도달한 수중 음향신호의 도달시간을 이용하여 신호가 발생한 고장점을 탐지함으로써, 해저 전력케이블의 고장점을 신속하고 정확하게 파악할 수 있도록 구성되는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템이 제공된다.

Description

수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템{Submarine power cable failure point detecting system using underwater acoustic signal}
본 발명은 엔지니어링 목적의 지구물리탐사 분야와 전기공학적 분야의 융합기술에 의해 해저에 설치되는 전력케이블의 고장점 위치를 탐지하는 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 해저 전력케이블의 고장점에서 발생하는 방전음의 물리적 성질을 이용하여 해저 전력케이블의 고장점을 신속하고 정확하게 파악할 수 있도록 구성되는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 해저 전력케이블의 고장점에서 발생하는 방전음(수중 음향신호)을 감지하는 하이드로폰 수신기, 아날로그 신호 처리기, 수신된 아날로그 신호를 변환시켜주는 A/D 변환기, 수신된 신호의 실시간 모니터링 및 자료 취득을 위한 S/W 등을 포함하여, 서지 발생기(Surge Generator)를 이용하여 해저 전력케이블에 전압을 일정시간 간격으로 입력하여 고장점에서 방전음(스파크)이 발생하면, 수중에 위치한 수신기(하이드로폰)로 수중 음향신호(방전음)를 수신하고 각 채널에 처음으로 도달한 수중 음향신호의 도달시간을 이용하여 신호가 발생한 고장점을 탐지함으로써, 해저 전력케이블의 고장점을 신속하고 정확하게 파악할 수 있도록 구성되는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 음향 신호의 도달시간 계산시, 최소자승법을 이용하여 고장점에서 발생한 음향신호 발생시점(Trig Time)을 계산하고, 각 채널에 수신된 신호에서 추출한 최초 음향신호 도달시간(초동파 주시)에서 음향신호 발생시점을 보정하는 것에 의해 음향신호 발생 후 각 채널에 도달한 시간을 구하고, 음향신호의 전달속도를 곱하여 고장점과 수신채널과의 거리를 계산하며, 계산된 각 채널과의 거리와 각 채널의 위치정보를 이용하여 방전음이 발생한 해저 전력케이블의 고장점을 신속하고 정확하게 파악할 수 있도록 구성됨으로써, 기존의 해저 전력케이블의 고장점 탐지 기술에 비하여 보다 신속하고 정확하게 고장점의 위치를 파악할 수 있으며, 그것에 의해, 더욱 신속한 해저 전력케이블의 수리가 가능하여 해저 전력케이블의 고장으로 인한 사회적 경제적 손실을 최소화할 수 있도록 구성되는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 해저 전력케이블은, 수중에 매설된 시설물로서 수 km에서 수백 km 길이로 설치되어 있으며, 이러한 해저 전력케이블의 고장점을 탐지하기 위해서는, 종래, 육상에서 신호를 주고 받아 개략적인 위치를 거리 계산으로 확인하고 해당 위치에 잠수사나 원격제어 잠수정(remotely operated vehicle ; ROV)과 같은 장비를 투입하여 실제 고장점을 확인하는 방식이 사용되고 있다.
여기서, 상기한 바와 같은 해저 전력케이블의 고장점을 탐지하기 위한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1145504호에 제시된 바와 같은 "선박을 활용한 해저 매설물 점검시스템"이 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허 제10-1145504호에 제시된 선박을 활용한 해저 매설물 점검시스템은, 선박의 일측에 설치되어 해저 매설물을 측정하는 해저 매설물 측정장치 및 해저 매설물 측정장치에서 측정한 정보를 해저 매설물의 매설위치정보와 해저 매설물의 매설 심도를 포함하는 상태정보 및 해저 매설물의 고장점 정보로 변환하는 데이터 처리장치를 포함하여, 해저 매설물에 대한 매설위치를 실시간으로 탐지하고, 매설심도 측정을 포함한 매설물의 상태를 진단하며, 해저 케이블 고장점을 탐지하도록 구성되는 선박을 활용한 해저 매설물 점검시스템에 관한 것이다.
또한, 상기한 바와 같은 해저 전력케이블의 고장점을 탐지하기 위한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0983561호에 제시된 바와 같은 "해저 케이블 고장점 탐색 시스템 및 방법"이 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허 제10-0983561호에 제시된 해저 케이블 고장점 탐색 시스템 및 방법은, 해저 케이블의 개략적인 고장점을 탐지하는 고장점 검출기, 방전유도전압을 발생하는 고전압발생기, 고전압발생기로부터 인가된 방전유도전압에 의해 해저 케이블의 고장점에서 발생하는 수중방전을 검출하는 수중방전 검출기 및 수중방전 검출기로부터 검출된 수중방전의 정보를 통해 해저 케이블의 고장점을 탐지하는 수신기를 포함하여, 해저 케이블의 고장점에서 누설전류 및 누설자계의 변화량이 작은 경우에도 고장점의 상세 위치 탐색이 가능하도록 구성되는 해저 케이블 고장점 탐색 시스템 및 방법에 관한 것이다.
아울러, 상기한 바와 같은 해저 전력케이블의 고장점을 탐지하기 위한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0971991호에 제시된 바와 같은 "해저 케이블의 고장점을 탐지하기 위한 방법, 시스템 및 판별 방법" 및 한국 등록특허공보 제10-0649620호에 제시된 바와 같은 "유인잠수정에 의한 해저 케이블 점검시스템"이 있다.
더 상세하게는, 먼저, 상기한 등록특허 제10-0971991호에 제시된 해저 케이블의 고장점을 탐지하기 위한 방법, 시스템 및 판별 방법은, 해저 케이블의 고저항 지락고장시에 발생되는 방전 노이즈를 검출, 분석하여 고장점을 탐지하는 고장점 탐지장치 및 상기 고장점 탐지 장치를 취부하여 해저 케이블의 고장점에 접근하는 유인 잠수정에 대하여 상기 유인 잠수정의 위치를 추적하고, 표정(標定)한 뒤, 상기 표정된 데이터를 통하여 상기 유인 잠수정 및 고장점의 정확한 위치를 추적하는 위치추적 장치를 포함하여 구성되는 해저 케이블의 고장점을 탐지하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
더욱이, 상기한 등록특허공보 제10-0649620호에 제시된 유인잠수정에 의한 해저 케이블 점검시스템은, 탐사선박과는 별도로 운영되는 유인잠수정에 탐지카메라, 조명, 로봇 암, 고도계(Altimeter) 및 탐지센서를 설치하여, 해저 케이블과 파이프라인을 포함한 각종 해저 시설물을 유인잠수정이 단독으로 점검하고 데이터를 분석할 수 있으며, 탐지카메라 및 조명에 의해 해저에 노출된 해저 케이블을 육안으로 점검함은 물론, 탐지센서에 의해 해저에 묻힌 해저 케이블도 점검할 수 있으며, 점검된 고장점은 로봇 암을 동작시켜 유인잠수정에서 직접 보수작업도 진행할 수 있도록 구성되는 유인잠수정에 의한 해저 케이블 점검시스템에 관한 것이다.
상기한 바와 같이, 종래, 해저 전력케이블의 고장점을 탐지하기 위한 여러 가지 방법들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 탐지방법들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.
즉, 해저 전력케이블의 고장점을 탐지하기 위한 방법으로는, 크게 나누어, 머레이루프 시험법을 이용한 탐지, 내압시험-절연저항을 통한 탐지, TDR(Time Domain Reflectometer)을 이용한 탐지, 서치 코일(Search coil)을 이용한 탐지 등이 있으며, 먼저, 머레이루프 시험법은, 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge)의 원리를 이용한 방법으로, 회로구성이 간단하고 조작이 용이하나, 회로구성을 위한 건전선로의 휴전이 수반되어야 하는 번거로움이 있다.
또한, 내압시험-절연저항을 통한 탐지는, 절연저항으로 케이블의 고장유무를 판단하고 내압시험을 통해 누설전류와 방전시간을 측정하여 고장점의 위치를 파악하는 방법으로, 고장점의 위치 파악에 많은 시간이 소요되고 오차가 크다는 단점이 있으며, TDR을 이용한 탐지 방법은, 고장점으로부터 반사되는 펄스파의 전달속도로 고장점의 위치를 파악하는 방법으로, 고장점의 위치가 멀어질수록 신호가 미약하여 탐지하기 어렵고, 전기의 전달 속도가 빨라 펄스의 도달시간 검출에 따라 오차의 범위가 커지며, 실제 해저 전력케이블을 시공한 거리와 케이블의 위치가 정확히 일치하지 않아 정확한 고장점의 위치를 파악하기 어렵다는 단점이 있다.
아울러, 서치 코일(Search coil)을 이용한 탐지방법은, 자계의 변화를 검출하여 고장점을 확인하는 방법으로 자장의 변화가 미약할 경우에는 정확성이 낮은 단점이 있으며, 장비의 운용에 별도의 ROV가 동반되어야 하므로 신속성과 고가의 조사비용이 요구되는 단점이 있다.
즉, 상기한 바와 같이, 종래의 해저 전력케이블의 고장점 탐지방법은, 계산에 의해 미리 개략적인 위치를 추정하고 해당 위치에 잠수사나 원격제어 잠수정(ROV)을 투입하여 실제 고장점을 확인하는 방식이 주로 사용되고 있으나, 실제 해저에 설치된 전력케이블은 직선이 아닌 상하좌우 및 지그재그 형태로 설치되어 있으므로, 계산된 거리가 정확하다 하더라도 실제 위치와 일치하지 않아 정확한 고장점의 위치를 파악하기 어려운 경우가 많으며, 또한, 고장점이 육상에서 멀리 떨어져 있을 경우는 펄스 에너지의 감소로 인해 고장점의 반사신호를 파악할 수 없는 경우도 발생한다.
더욱이, 종래의 탐지방법들은, 고장점 위치를 파악하기 위해 해저 전력케이블의 길이를 이용하여 개략적인 위치에서 고장점에 접근하는 방식으로 이루어짐으로 인해 고장점 탐지 및 수리에 많은 시간이 소요되는 문제도 있었다.
여기서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여는, 예를 들면, 지진파 연구분야에서 지진이 발생한 후 각 지진 관측소에서 관측된 지진파를 분석하여 지진이 발생한 진원과 진앙의 위치를 파악하기 위해 음파를 이용하여 음원의 위치를 파악하는 기술을 이용할 수 있다.
더 상세하게는, 수신된 지진파를 이용하여 진원과 진앙의 위치를 파악하는 기술에는, P파와 S파의 도달시간차를 이용한 방법과, 각 지진 관측소에서 동일한 지진신호를 관측하고 지진파 신호가 도달한 시간을 이용하여 거리를 계산하는 것에 의해 파악하는 방법이 있으며, 이러한 원리를 해저 전력케이블의 고장점 탐지에 적용하면, 수중에서 발생하는 음파를 수신하여 초동시간을 취득하고 각 수신채널의 초동시간과 위치 정보를 이용하여 음파가 발생한 위치를 결정하는 것에 의해, 해저 전력케이블의 고장점에서 전기 스파크로 인해 발생하는 방전음의 위치를 파악할 수 있다.
또한, 해저 전력케이블의 고장점에서 발생되는 방전음(스파크)도 미소진동과 같은 음향파로 간주되어 충분한 에너지를 가지고 있으므로, 지진파 자료 취득시스템을 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
즉, 상기한 바와 같이, 정확한 고장점의 위치를 파악하기 어려우며 고장점 탐지 및 수리에 많은 시간이 소요되는 문제가 있었던 종래기술의 해저 전력케이블의 고장점 탐지방법들의 문제점을 해결하기 위하여는, 지진파의 원리를 해저 전력케이블의 고장점 탐지에 적용하여, 고장점의 위치를 정확히 결정할 수 있는 동시에, 조사하는데 필요한 시간을 획기적으로 단축할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 해저 전력케이블 고장점 탐사방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
1. 한국 등록특허공보 제10-1145504호 (2012.05.04.) 2. 한국 등록특허공보 제10-0983561호 (2010.09.15.) 3. 한국 등록특허공보 제10-0971991호 (2010.07.16.) 4. 한국 등록특허공보 제10-0649620호 (2006.11.17.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 계산에 의해 미리 개략적인 위치를 추정하고 해당 위치에 잠수사나 원격제어 잠수정(ROV)을 투입하여 실제 고장점을 확인하는 방식으로 이루어짐으로 인해 계산된 거리와 실제 위치가 일치하지 않아 정확한 고장점의 위치를 파악하기 어려운 경우가 많으며, 고장점이 멀리 떨어져 있을 경우는 펄스 에너지의 감소로 인해 고장점의 반사신호를 파악할 수 없게 되는 문제가 있었던 종래기술의 해저 전력케이블 고장점 탐지방법들의 문제점을 해결하기 위해, 해저 전력케이블의 절단 및 단락, 피복 파괴 등이 발생한 고장점에서 발생하는 수중 음향신호를 이용하여, 해저에 설치되어 있는 전력케이블의 상부에서 다중채널의 수신기를 이용하여 직접적으로 방전음을 수신하고, 각 수신채널의 위치로부터 방전음이 발생하는 고장점의 위치를 직접적으로 확인하여 해저 전력케이블의 고장점 위치를 기존의 방법에 비해 신속하고 정확하게 파악할 수 있도록 구성됨으로써, 해저 전력케이블의 고장으로 인해 발생하는 사회적 및 경제적 손실을 최소할 수 있도록 구성되는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 계산에 의해 미리 개략적인 위치를 추정하고 해당 위치에 잠수사나 원격제어 잠수정(ROV)을 투입하여 실제 고장점에 접근하는 방식으로 이루어짐으로 인해 고장점 탐지 및 수리에 많은 시간이 소요되는 문제가 있었던 종래기술의 해저 전력케이블 고장점 탐지방법들의 문제점을 해결하기 위해, 고장점의 방전음 신호와 같은 음파를 이용하여 수신위치에서 고장점까지의 거리를 계산하는 것에 의해 고장점의 위치를 정확히 결정할 수 있는 동시에, 고장점 탐지가 해저 전력케이블 루트 상에서 이루어짐으로써 전체 해저 전력케이블을 조사하는데 필요한 시간을 획기적으로 단축할 수 있도록 구성되는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 해저 전력케이블의 절단, 단락 및 피복 파괴를 포함하는 고장이 발생한 고장점에서 발생하는 수중 음향신호를 이용하여 상기 해저 전력케이블의 고장점 위치를 신속하고 정확하게 파악할 수 있도록 구성되는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템에 있어서, 상기 해저 전력케이블의 고장점에서 발생하는 방전음 신호를 수신하는 다중채널 수중음향 수신기(multi-channel hydrophone array); 상기 다중채널 수중음향 수신기를 상기 해저 전력케이블의 상부에서 일직선으로 예인하여 상기 다중채널 수신기의 수중 위치를 결정하는 수중 예인체; 수중에서 상기 다중채널 수중음향 수신기의 위치를 파악하기 위한 수중 위치결정부(underwater positioning system); 상기 해저 전력케이블에 전압을 일정시간 간격으로 입력하기 위한 서지 발생기(Surge Generator); 및 상기 다중채널 수중음향 수신기에 의해 수중에서 수신된 음향신호를 처리하고 저장하는 데이터 처리부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템이 제공된다.
여기서, 상기 탐지시스템은, 상기 다중채널 수중음향 수신기를 상기 수중 예인체의 후미에 장착하고, 상기 다중채널 수중음향 수신기의 위치를 결정하기 위한 상기 수중 위치결정부를 상기 수중 예인체에 부착하며, 상기 서지 발생기를 이용하여 상기 해저 전력케이블에 전압을 미리 정해진 일정 시간 간격으로 입력하여 상기 고장점에서 방전음(스파크)이 발생하면, 수중에 위치한 상기 다중채널 수중음향 수신기를 통해 상기 해저 전력케이블에서 발생하는 수중 음향신호(방전음)를 수신하고, 수신된 상기 음향신호를 조사선박에 탑재된 상기 데이터 처리부로 전송하여 디지털 데이터로 변환한 후 저장하는 동시에, 상기 방전음의 도달시간을 계산하고 계산 결과에 근거하여 상기 방전음이 발생된 위치를 결정하는 처리과정을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다중채널 수중음향 수신기는, 복수의 수중음향 수신기(hydrophone)가 띠 형태로 배치되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 수중 위치결정부는, DGPS(Differential GPS)를 포함하는 위치결정 시스템을 이용하여 상기 다중채널 수중음향 수신기의 다중의 수신채널의 위치를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 데이터 처리부는, 상기 음향신호를 증폭하기 위한 아날로그 신호처리기; 상기 음향신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D 변환기; 및 상기 방전음의 도달시간을 계산하고 계산 결과에 근거하여 상기 방전음이 발생된 위치를 결정하는 연산처리 및 상기 탐지시스템 전체를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 컴퓨터(PC)에 상기 연산처리 및 상기 탐지시스템 제어용 프로그램을 설치하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 탐지시스템은, 상기 다중채널 수중음향 수신기를 이용하여 수신된 상기 음향신호의 초동시간을 확인하고, 동일한 시간을 영점으로 가정하여 임의의 시간으로부터 초동이 발생하는 지점까지의 음파 전달 시간을 계산하기 위해 최소자승법을 적용하여 음향신호 발생시점(Trig time)을 계산하고, 상기 다중채널 수중음향 수신기를 이용하여 수신된 상기 음향신호의 초동시간을 확인하고 정확한 전달거리를 계산하기 위한 수중 음파 전달속도를 결정하기 위해 최소자승법을 적용하여 음파전달 속도를 계산하며, 평면상의 공간에서 진앙지점의 위치를 파악하기 위해 적어도 3개 이상의 수신기까지의 거리를 이용하여 지진파의 진원과 진앙을 계산하는 지진파 분석방법을 적용하여, 상기 다중채널 수중음향 수신기의 각 채널에 수신된 상기 방전음의 초동시간으로부터 계산된 상기 음향신호 발생시점(Trig time)과 상기 음파 전달속도에 의해 구해진 거리값을 이용하여 상기 고장점의 정확한 X, Y, Z 좌표를 포함하는 3차원 위치를 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 탐지시스템은, 상기 수중 위치결정부를 이용하여 상기 다중채널 수중음향 수신기의 위치를 결정하고, 상기 다중채널 수중음향 수신기에서 상기 방전음이 발생된 고장점까지의 거리를 이용하여 상기 고장점의 위치를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템을 이용하여 상기 해저 전력케이블의 고장점을 탐지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지방법이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 해저 전력케이블의 절단 및 단락, 피복 파괴 등이 발생한 고장점에서 발생하는 수중 음향신호를 이용하여, 해저에 설치되어 있는 전력케이블의 상부에서 다중채널의 수신기를 이용하여 직접적으로 방전음을 수신하고, 각 수신채널의 위치로부터 방전음이 발생하는 고장점의 위치를 직접적으로 확인하여 해저 전력케이블의 고장점 위치를 기존의 방법에 비해 신속하고 정확하게 파악할 수 있도록 구성되는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템이 제공됨으로써, 계산에 의해 미리 개략적인 위치를 추정하고 해당 위치에 잠수사나 원격제어 잠수정(ROV)을 투입하여 실제 고장점을 확인하는 방식으로 이루어짐으로 인해 계산된 거리와 실제 위치가 일치하지 않아 정확한 고장점의 위치를 파악하기 어려운 경우가 많으며, 고장점이 멀리 떨어져 있을 경우는 펄스 에너지의 감소로 인해 고장점의 반사신호를 파악할 수 없게 되는 문제가 있었던 종래기술의 해저 전력케이블 고장점 탐지방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 고장점의 방전음 신호와 같은 음파를 이용하여 수신위치에서 고장점까지의 거리를 계산하는 것에 의해 고장점의 위치를 정확히 결정할 수 있는 동시에, 고장점 탐지가 해저 전력케이블 루트 상에서 이루어짐으로써 전체 해저 전력케이블을 조사하는데 필요한 시간을 획기적으로 단축할 수 있도록 구성되는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템이 제공됨으로써, 계산에 의해 미리 개략적인 위치를 추정하고 해당 위치에 잠수사나 원격제어 잠수정(ROV)을 투입하여 실제 고장점에 접근하는 방식으로 이루어짐으로 인해 고장점 탐지 및 수리에 많은 시간이 소요되는 문제가 있었던 종래기술의 해저 전력케이블 고장점 탐지방법들의 문제점을 해결할 수 있으며, 그것에 의해, 해저 전력케이블의 고장으로 인해 발생하는 사회적 및 경제적 손실을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탐지시스템에서의 신호 및 처리의 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템의 자료취득 및 처리과정을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템에서 고장점의 위치를 결정하는 개념을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템의 성능을 검증하기 위한 현장시험의 시험조건에 대한 고장점 및 수신기의 위치를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템의 성능을 검증하기 위한 현장시험에서 획득된 자료의 각 채널 수신신호 및 주파수 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템의 성능을 검증하기 위한 현장시험에서 취득된 자료 중 서지 발생기의 에너지별 음원 파형을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템의 성능을 검증하기 위한 현장시험에서 취득된 자료 중 서지 발생기의 에너지별 음원 에너지별로 초동 진폭의 크기를 계산하여 그래프로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템의 성능을 검증하기 위한 현장시험에서 취득된 자료의 처리과정에서 최소자승법을 이용한 음파전달 속도 및 음향신호 발생시점(Trig Time) 계산 결과를 각각 그래프로 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템의 성능을 검증하기 위한 현장시험에서 취득된 자료로부터 각 수신채널의 거리를 이용하여 위치를 결정하는 도면이다.
도 12는 각 채널별 수신시간을 이용하여 음원과 수신기간의 거리 및 오차율을 계산한 결과를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 13은 각 수신기에 수신된 음파의 초동 신호를 이용한 거리계산을 거친 후 위치를 계산한 결과를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 계산에 의해 미리 개략적인 위치를 추정하고 해당 위치에 잠수사나 원격제어 잠수정(ROV)을 투입하여 실제 고장점을 확인하는 방식으로 이루어짐으로 인해 계산된 거리와 실제 위치가 일치하지 않아 정확한 고장점의 위치를 파악하기 어려운 경우가 많으며, 고장점이 멀리 떨어져 있을 경우는 펄스 에너지의 감소로 인해 고장점의 반사신호를 파악할 수 없게 되는 문제가 있었던 종래기술의 해저 전력케이블 고장점 탐지방법들의 문제점을 해결하기 위해, 해저 전력케이블의 절단 및 단락, 피복 파괴 등이 발생한 고장점에서 발생하는 수중 음향신호를 이용하여, 해저에 설치되어 있는 전력케이블의 상부에서 다중채널의 수신기를 이용하여 직접적으로 방전음을 수신하고, 각 수신채널의 위치로부터 방전음이 발생하는 고장점의 위치를 직접적으로 확인하여 해저 전력케이블의 고장점 위치를 기존의 방법에 비해 신속하고 정확하게 파악할 수 있도록 구성됨으로써, 해저 전력케이블의 고장으로 인해 발생하는 사회적 및 경제적 손실을 최소할 수 있도록 구성되는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 계산에 의해 미리 개략적인 위치를 추정하고 해당 위치에 잠수사나 원격제어 잠수정(ROV)을 투입하여 실제 고장점에 접근하는 방식으로 이루어짐으로 인해 고장점 탐지 및 수리에 많은 시간이 소요되는 문제가 있었던 종래기술의 해저 전력케이블 고장점 탐지방법들의 문제점을 해결하기 위해, 고장점의 방전음 신호와 같은 음파를 이용하여 수신위치에서 고장점까지의 거리를 계산하는 것에 의해 고장점의 위치를 정확히 결정할 수 있는 동시에, 고장점 탐지가 해저 전력케이블 루트 상에서 이루어짐으로써 전체 해저 전력케이블을 조사하는데 필요한 시간을 획기적으로 단축할 수 있도록 구성되는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템에 관한 것이다.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템(10)은, 크게 나누어, 복수의 수중음향 수신기(hydrophone)가 띠 형태로 배치되어 해저 전력케이블의 고장점에서 발생하는 방전음 신호(음파)를 수신하는 다중채널 수중음향 수신기(multi-channel hydrophone array)(11)와, 다중채널 수중음향 수신기(11)를 해저 전력케이블의 상부에서 일직선으로 예인하면서 다중채널 수신기(11)의 수중 위치를 결정하는 수중 예인체(12)와, 수중에서 다중채널 수신기(11)의 위치를 파악하기 위한 수중 위치결정부(underwater positioning system)(13) 및 수중에서 수신된 신호를 신호처리를 통하여 PC 등에 저장하는 데이터 처리부(14)를 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템(10)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 다중채널 수중음향 수신기(11)를 수중 예인체(12)의 후미에 장착하고, 다중채널 수중음향 수신기(11)의 위치를 결정하기 위한 수중 위치결정부(13)를 수중 예인체에 부착하고, 도 2에 나타낸 바와 같이, 서지 발생기(Surge Generator)(21)를 이용하여 해저 전력케이블에 전압을 일정시간 간격으로 입력하여, 고장점에서 방전음(스파크)이 발생하면 수중에 위치한 다중채널 수중음향 수신기(11)를 통해 해저 전력케이블에서 발생하는 수중 음향신호(방전음)를 수신하고, 수신된 음향신호를 조사선박에 탑재된 데이터 처리부(14)로 전송하여 디지털 데이터로 변환한 후 저장하는 동시에, 방전음의 도달시간을 계산하고 계산 결과에 근거하여 방전음이 발생된 위치를 결정하는 일련의 처리과정을 수행하도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 다중채널 수중음향 수신기(11)는 하이드로폰(hydrophone)과 증폭기(pre-amplifier) 및 신호케이블로 구성될 수 있고, 상기한 수중 예인체(12)는, 별도의 동력이 필요 없이 선박과 연결되어 후미에 장착된 다중채널 수중음향 수신기(11)를 예인할 수 있는 구조체로 구성될 수 있으며, 상기한 수중 위치결정부(13)는, 예를 들면, DGPS(Differential GPS) 등과 같은 위치결정 시스템을 이용하여 구성될 수 있다.
또한, 상기한 데이터 처리부(14)는, 다중채널의 데이터를 취득하는 시스템으로서, 아날로그 신호처리기, A/D 변환기, 수신기 및 각각의 하드웨어를 통제하는 소프트웨어를 포함하여 구성될 수 있으며, 이때, 상기한 신호처리기 및 A/D 변환기는 현장 이동성을 높일 수 있도록 PC 기반으로 구성될 수 있다.
즉, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탐지시스템(10)에서의 신호 및 처리의 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3에 있어서, 도 3의 하단부는 수신기가 설치된 시험장을 나타낸 모식도로서, 스파크가 발생하는 고장점(source)과 5채널의 수신기가 4m, 10m(고장점), 18m, 26m, 34m에 각각 설치된 모습을 나타내고 있다.
더 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따른 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템(10)의 신호 및 처리 흐름은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 먼저, 수신기(Receiver)를 통하여 해저 전력케이블의 고장점에서 발생하는 방전음 신호(음파)가 수신되면, 증폭기를 통해 신호를 증폭하고(amplification), A/D 변환기(A/D converter)를 통하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 후, 자료취득 시스템(PC)으로 보내어 수신 신호를 저장하고 고장점의 위치에 대한 분석을 수행하도록 구성된다.
여기서, 도 3에 나타낸 수신기는 수신장치인 하이드로폰의 방전음 신호의 수신 원리를 표현한 것으로, 고장점에서 발생한 방전음의 신호가 전파되어 수신장치에 감지되는 모습을 나타내고 있다.
또한, 도 3에 나타낸 증폭기는 수신된 신호를 증폭시켜주는 장치로서, 수신된 신호의 신호대 잡음비를 증폭시켜 방전음의 초동 발췌를 보다 정확히 할 수 있도록 하기 위한 것이고, 도 3의 A/D 변환기는 PC 등과 같은 처리장치에서 보다 편리하고 정확하게 신호를 인식하도록 하기 위해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜주는 장치이다.
아울러, 도 3에 나타낸 자료취득 시스템은, 도 1에 나타낸 데이터 처리부(14)에 해당하는 것으로, 디지털로 변환된 신호를 디스플레이하고 저장하는 장치로서, 전용의 하드웨어나 PC를 이용하여, 소프트웨어를 통해 시스템의 전체적인 동작을 제어하고, 실시간으로 모니터링을 행하여 음파의 수신여부를 파악하고 고장점의 위치를 계산하여 표시하도록 구성될 수 있다.
계속해서, 도 4를 참조하여, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템(10)의 자료취득 및 자료처리 과정에 대하여 설명한다.
즉, 도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템(10)의 자료취득 및 처리과정을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템(10)의 자료취득 및 처리과정은, 먼저, 이미 위치를 알고 있는 다중채널 수중음향 수신기(11)를 통하여 해저 전력케이블의 고장점에서 발생된 음파가 아날로그 형태로 취득되면, 수신된 신호는 전치증폭기 및 신호 케이블을 통해 아날로그 신호처리기에 전달되고, 전달된 신호는 아날로그 신호처리기 내에서 대역통과필터(Band pass filter)를 통해 설정된 정보에 따라 잡음(noise)값이 1차적으로 필터된 후, 아날로그 신호에서 디지털 신호로 전환을 위해 A/D 변환기로 이동하게 된다.
또한, A/D 변환기를 통하여 디지털로 변환된 신호는 데이터 처리부(14)를 통해 탐지결과가 화면에 디스플레이되고 해당 자료는 저장된다.
여기서, 해저 전력케이블에서 방전된 음파 신호는, 채널별로 도달하는 초동시간 및 수중에서의 음파의 전달속도를 안다면 음파의 전달시간과 전달속도를 이용하여 방전음이 발생한 위치에서 수신기까지의 거리를 계산할 수 있다.
즉, 도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템(10)에서 고장점의 위치를 결정하는 개념을 나타내는 도면이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 탐지시스템(10)에서 고장점의 위치를 결정하는 방법은, 지진파의 연구에서 사용되는 방법을 적용하여, 3개 이상의 수신기까지의 거리를 이용하여 지진파의 진원과 진앙을 계산하는 방법으로, 수중 위치결정부(13)를 이용하여 수신기의 위치를 결정하고, 수신기에서 방전음이 발생된 고장점까지의 거리를 이용하여 고장점의 위치를 결정한다.
더 상세하게는, 평면상의 공간에서 진앙지점의 위치를 파악하기 위해서는 최소 3개의 수신장치가 필요하며, 수신기에서 음파가 발생한 고장점까지의 거리로부터 이하의 [수학식 1]과 같이 하여 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112014095689286-pat00001

여기서, 상기한 [수학식 1]에 있어서, D는 제 1 수신기와 제 2 수신기 사이의 거리, R1은 제 1 수신기와 음원 사이의 거리, R2는 제 3 수신기와 음원 사이의 거리, Δt1 ,2는 제 1 수신기와 제 2 수신기 사이의 시간차, θ는 측선 R2와 D의 교각, V는 수중에서의 음파 전달속도, Z는 D로의 수직교점을 각각 나타낸다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템(10)은, 다중채널 수중음향 수신기(11)를 이용하여 수신된 음향신호의 초동시간을 확인하고, 동일한 시간을 영점으로 가정하여 임의의 시간으로부터 초동이 발생하는 지점까지의 음파 전달시간을 계산하기 위해 최소자승법을 적용하여 음향신호 발생시점(Trig time) 및 음파 전달속도를 계산하며, 평면상의 공간에서 진앙지점의 위치를 파악하기 위해 지진파 분석방법을 적용하여, 다중채널 수중음향 수신기(11)의 각 채널에 수신된 상기 방전음의 초동시간으로부터 계산된 음향신호 발생시점(Trig time)과 음파 전달속도에 의해 구해진 거리값을 이용하여 고장점의 정확한 X, Y, Z 위치를 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 상기한 바와 같이 3개 이상의 수신기까지의 거리를 이용하여 지진파의 진원과 진앙을 계산하는 방법의 더욱 구체적인 내용은 종래기술의 문헌 등을 참조하여 당업자에게 자명한 사항이므로, 여기서는 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명은 생략하였음에 유념해야 한다.
계속해서, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템(10)의 실제 성능을 검증하기 위해 실제 실험을 통하여 검증한 결과에 대하여 설명한다.
즉, 본 발명자들은, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템(10)의 실제 성능을 확인하기 위해, 수중 음파를 수신할 수 있는 수신기(하이드로폰 센서)를 일정한 간격으로 설치하여 수중 음향신호를 이용한 고장점 탐지시험을 수행하는 것에 의해 실증 시험장에서 현장 모형 시험을 수행하였다.
더 상세하게는, 상기한 도 3의 하단부에 나타낸 바와 같이, 시험장 길이 36m를 기준으로, 4m-10m(고장점)-18m-26m-34m에 고장점을 중심으로 총 5개의 센서를 각각 설치하였다.
이때, 10m 위치에 설치한 센서는 고장점의 수평방향 지점(좌측 0.95m)에 위치시키고, 그 외의 센서는 같은 수평 지점에 수직으로 8m 간격으로 심도 0.1m 수중의 각 위치에 설치하였으며, 각각의 위치는 4m부터 시작하여 1 ~ 5번 채널로 명명하여 시험을 진행하였다.
또한, 시험장 내에 설치된 구조물을 제외하고 채널별 센서 위치 주변의 수중에 장애물이 없는 노이즈를 최소화할 수 있는 곳으로 선정하였다.
즉, 상기한 도 3에 있어서, 하단부에 나타낸 모형은 실증 시험장(2.5m×36.0m×2.0m)을 나타낸 것으로, 해저 전력케이블의 설치 상태와 고장점의 위치, 센서의 위치를 각각 나타내고 있다.
아울러, 고장점의 위치를 확인하기 위한 음원의 방전음 발생은 전기에너지 크기별로 실시하였고, 전기에너지는 2, 3, 4, 5, 6, 10kV로 공급하였다.
즉, 도 6을 참조하면, 도 6은 상기한 바와 같은 현장시험의 조건에 대한 고장점 및 수신기의 위치를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
여기서, 도 6에 있어서, 수신기의 위치는 고장점의 X, Y, Z좌표를 각각 (0, 0, 0)로 가정하여 진행하였으며, 각 축은 시험장에 대해서 X축은 폭, Y축은 길이, Z축은 심도(수심)를 나타내고 있다.
또한, 시험장 내에서는 음향파의 다중 경로로 인해 신호가 중첩되므로 주파수 분석시 잡음의 제거를 고려해야 하며, 이와 같이 수신된 신호에 대한 전기적 잡음을 제거하기 위해, 60Hz의 저역 차단 필터(low-cut filter) 처리 후 각 채널별로 수신된 신호의 초동을 피킹(picking)하고, 주파수 분석을 실시하였다.
즉, 도 7을 참조하면, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템의 성능을 검증하기 위한 현장시험에서 획득된 자료의 각 채널 수신신호 및 주파수 분석 결과를 나타내는 도면이다.
여기서, 도 7에 있어서, 도 7a는 각 채널별(1ch ~ 5ch) 수신신호 및 초동 피킹(picking)을 나타내고, 도 7b는 200Hz의 방전음원에 대한 수중 음향신호의 주파수 분석(FFT) 결과를 나타내고 있다.
이때, 주파수 분석은, 파형의 진폭이 가장 크고 상대적으로 잡음이 최소인 2번 채널의 조건별 결과들을 바탕으로 해석이 수행되었으며, 그 결과, 도 7b에 나타낸 바와 같이, 일정한 주파수 영역이 나타나고 있는 200Hz가 음원 에너지의 주파수인 것으로 파악되었다.
계속해서, 도 8 및 도 9를 참조하면, 도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템의 성능을 검증하기 위한 현장시험에서 취득된 자료 중 서지 발생기의 에너지별 음원(고장점 스파크, 방전음) 파형 및 진폭을 각각 나타내는 도면이다.
즉, 본 발명자들은, 서지 발생기의 전기에너지 공급으로부터 발생되는 해저 전력케이블 고장점의 방전음의 파형 특성을 파악하기 위해 에너지 크기별 파형의 진폭을 확인하여 전달되는 에너지의 세기가 가장 큰 2번 채널의 수신기에서 각 에너지별로 획득한 자료를 이용하여 진폭 분석을 실시하였으며, 이때, 정확한 진폭 분석을 위해서 방전음의 음원 파형의 초동이 발생되는 시점을 일치시켰다.
더 상세하게는, 도 8은 2 ~ 10kV의 에너지 크기별 파형 진폭을 나타낸 도면으로, 에너지의 상승에 따라 진폭이 커지는 것을 확인할 수 있다.
여기서, 도 8에 있어서, 진폭은 각 음원 에너지의 상대적인 크기로 나타내었고, 2kV 및 3kV의 파형은 상대적으로 작게 나타나 확대하여 나타내었다.
또한, 도 9를 참조하면, 도 9는 음원 에너지별로 초동 진폭의 크기를 계산하여 그래프로 나타낸 도면으로, 도 9에 나타낸 바와 같이, 음원 에너지의 크기가 커질수록 상대적인 진폭의 크기도 상승하는 것을 확인할 수 있다.
다음으로, 도 10을 참조하면, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템의 성능을 검증하기 위한 현장시험에서 취득된 자료의 처리과정에서 최소자승법을 이용한 음파전달 속도 및 음향신호 발생시점(Trig Time) 계산 결과를 각각 그래프로 나타낸 도면이다.
즉, 본 발명자들은, 상기한 바와 같이 하여 각 채널에서 수신한 음향신호에서 각 채널별로 음파의 도달시간을 피킹(Picking) 하여 각 채널별 초동시간을 계산하였으며, 도 10에 나타낸 바와 같이, 취득된 초동시간을 이용하여 음파의 전달속도를 계산하기 위해 최소자승법을 적용하여 1,511 m/s의 음파전달 속도를 얻었다.
또한, 본 발명자들은, 신호기록을 위한 발파의 트리깅(Trigging)이 동기화되지 않았으므로, 상기한 바와 마찬가지로 최소자승법을 적용하여 각 수신기의 위치에 따른 음원의 발파시점인 음향신호 발생시점(Trig time)을 계산하였으며, 도 10에 나타낸 바와 같이, 계산 결과 3.9msec로 확인되었다.
계속해서, 도 11 및 도 12를 참조하면, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템의 성능을 검증하기 위한 현장시험에서 취득된 자료로부터 각 수신채널의 거리를 이용하여 위치를 결정하는 도면이고, 도 12는 각 채널별 수신시간을 이용하여 음원과 수신기간의 거리 및 오차율을 계산한 결과를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
즉, 본 발명자들은, 도 11에 나타낸 바와 같이, 각 채널간의 도달시간을 이용하여, 음파의 전달 속도와의 곱을 이용하여 음원과 수신기간의 거리를 계산하였으며, 그 결과를 도 12에 나타내었다.
더 상세하게는, 도 12에 나타낸 결과는 각 채널 간격을 8m로 설치하여 취득된 결과이며, 도 12에 나타낸 바와 같이, 최소 0.64%에서 최대 26.71%의 오차를 보이고 있다.
여기서, 최대 오차를 나타내는 채널 2번(ch2)은 실제 거리가 너무 짧아서 오차가 크게 나타난 경우이며, 이에 비해 다른 채널에서는 오차율이 3% 미만으로 나타나고 있음을 확인할 수 있다.
아울러, 도 13을 참조하면, 도 13은 각 수신기에 수신된 음파의 초동 신호를 이용한 거리계산을 거친 후 위치를 계산한 결과를 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
즉, 도 13에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템은, 거리오차가 0.17443m로 계산되어 매우 정확하게 고장점 위치를 추적할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템을 구현할 수 있으며, 즉, 본 발명의 실시예에 따른 해저 전력케이블 고장점 탐지방법은, 해저 전력케이블의 고장점에서 발생하는 방전음을 음파의 신호로 수신하여 지진파 원리를 적용할 수 있는 고급 기술로서, 상기한 본 발명의 실시예에서 나타낸 바와 같이, 고장점의 위치를 확인하기 위해 공급하는 전력은 고장점에서 방전음(스파크)을 발생시키고, 이로 인해 발생된 음파는 수중으로 전달되어 하이드로폰 수신기에 수신되며, 수신된 신호의 주파수 분석 결과 고장점 방전음의 주파수는 200 ~ 300Hz의 범위를 가지는 것으로 나타난다.
따라서 본 발명의 실시예에 따르면, 해상에서 지진파의 원리를 적용하여 해저 전력케이블의 시공 루트를 따라 조사를 진행하여 고장점의 방전음 신호를 수신하면 각 채널에 수신된 신호의 초동시간을 측정하고, 수신채널의 위치에서 고장점까지의 거리를 계산하여 고장점의 위치를 정확히 결정할 수 있으며, 이와 같이 해저 전력케이블의 시공 루트를 따라 조사선을 운영하면서 조사를 실시함으로 인해 신속한 고장점의 탐지가 가능하게 된다.
즉, 기존의 고장점 탐지 기술에서는 고장점 위치를 파악하기 위해 해저 전력케이블의 길이를 이용하여 개략적인 위치에서 고장점에 접근하는 방식으로 이루어짐으로써 고장점 탐지 및 수리에 많은 시간이 소요되었으나, 본 발명의 실시예에 따른 방법을 이용하면, 고장점 탐지를 위한 조사가 해저 전력케이블 루트 상에서 이루어짐으로써 시간당 6 ~ 10㎞의 해저 전력케이블을 조사 가능하여, 전체 해저 전력케이블을 조사하는데 필요한 시간을 1일 ~ 2일 이내로 획기적으로 단축할 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 방법을 이용하면, 현장조사 상황에 맞게 서지 발생기의 전압강도를 조절할 수 있고, 수중음향 탐지 모니터링 시스템을 운용할 수 있어 천소수심, 대수심 지역에서도 조사가 가능하므로 효율적인 탐사가 수행될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 실시예에 따른 고장점 탐지방법은, 현장시험에서 0.2m 이내의 위치오차를 가지는 정확성이 검증되었으며, 즉, 본 발명의 실시예에 따른 방법을 이용하면, 높은 정확도에 의해 해저 전력케이블의 수리에 소요되는 시간을 파격적으로 단축하여 해저 전력케이블의 고장으로 인해 발생하는 사회적 및 경제적 손실을 최소화할 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템을 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 해저 전력케이블의 절단 및 단락, 피복 파괴 등이 발생한 고장점에서 발생하는 수중 음향신호를 이용하여, 해저에 설치되어 있는 전력케이블의 상부에서 다중채널의 수신기를 이용하여 직접적으로 방전음을 수신하고, 각 수신채널의 위치로부터 방전음이 발생하는 고장점의 위치를 직접적으로 확인하여 해저 전력케이블의 고장점 위치를 기존의 방법에 비해 신속하고 정확하게 파악할 수 있도록 구성되는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템이 제공됨으로써, 계산에 의해 미리 개략적인 위치를 추정하고 해당 위치에 잠수사나 원격제어 잠수정(ROV)을 투입하여 실제 고장점을 확인하는 방식으로 이루어짐으로 인해 계산된 거리와 실제 위치가 일치하지 않아 정확한 고장점의 위치를 파악하기 어려운 경우가 많으며, 고장점이 멀리 떨어져 있을 경우는 펄스 에너지의 감소로 인해 고장점의 반사신호를 파악할 수 없게 되는 문제가 있었던 종래기술의 해저 전력케이블 고장점 탐지방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 고장점의 방전음 신호와 같은 음파를 이용하여 수신위치에서 고장점까지의 거리를 계산하는 것에 의해 고장점의 위치를 정확히 결정할 수 있는 동시에, 고장점 탐지가 해저 전력케이블 루트 상에서 이루어짐으로써 전체 해저 전력케이블을 조사하는데 필요한 시간을 획기적으로 단축할 수 있도록 구성되는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템이 제공됨으로써, 계산에 의해 미리 개략적인 위치를 추정하고 해당 위치에 잠수사나 원격제어 잠수정(ROV)을 투입하여 실제 고장점에 접근하는 방식으로 이루어짐으로 인해 고장점 탐지 및 수리에 많은 시간이 소요되는 문제가 있었던 종래기술의 해저 전력케이블 고장점 탐지방법들의 문제점을 해결할 수 있으며, 그것에 의해, 해저 전력케이블의 고장으로 인해 발생하는 사회적 및 경제적 손실을 최소화할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템
11. 다중채널 수중음향 수신기 12. 수중 예인체
13. 수중 위치결정부 14. 데이터 처리부
21. 서지 발생기

Claims (9)

  1. 해저 전력케이블의 절단, 단락 및 피복 파괴를 포함하는 고장이 발생한 고장점에서 발생하는 수중 음향신호를 이용하여 상기 해저 전력케이블의 고장점 위치를 신속하고 정확하게 파악할 수 있도록 구성되는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템에 있어서,
    상기 해저 전력케이블의 고장점에서 발생하는 방전음 신호를 수신하는 다중채널 수중음향 수신기(multi-channel hydrophone array);
    상기 다중채널 수중음향 수신기를 상기 해저 전력케이블의 상부에서 일직선으로 예인하여 상기 다중채널 수중음향 수신기의 수중 위치를 결정하는 수중 예인체;
    수중에서 상기 다중채널 수중음향 수신기의 위치를 파악하기 위한 수중 위치결정부(underwater positioning system);
    상기 해저 전력케이블에 전압을 일정시간 간격으로 입력하기 위한 서지 발생기(Surge Generator); 및
    상기 다중채널 수중음향 수신기에 의해 수중에서 수신된 음향신호를 처리하고 저장하는 데이터 처리부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탐지시스템은,
    상기 다중채널 수중음향 수신기를 상기 수중 예인체의 후미에 장착하고,
    상기 다중채널 수중음향 수신기의 위치를 결정하기 위한 상기 수중 위치결정부를 상기 수중 예인체에 부착하며,
    상기 서지 발생기를 이용하여 상기 해저 전력케이블에 전압을 미리 정해진 일정 시간 간격으로 입력하여 상기 고장점에서 방전음(스파크)이 발생하면, 수중에 위치한 상기 다중채널 수중음향 수신기를 통해 상기 해저 전력케이블에서 발생하는 수중 음향신호(방전음)를 수신하고,
    수신된 상기 음향신호를 조사선박에 탑재된 상기 데이터 처리부로 전송하여 디지털 데이터로 변환한 후 저장하는 동시에, 상기 방전음의 도달시간을 계산하고 계산 결과에 근거하여 상기 방전음이 발생된 위치를 결정하는 처리과정을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 다중채널 수중음향 수신기는,
    복수의 수중음향 수신기(hydrophone)가 띠 형태로 배치되어 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 수중 위치결정부는,
    DGPS(Differential GPS)를 포함하는 위치결정 시스템을 이용하여 상기 다중채널 수중음향 수신기의 다중의 수신채널의 위치를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는,
    상기 음향신호를 증폭하기 위한 아날로그 신호처리기;
    상기 음향신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D 변환기; 및
    상기 방전음의 도달시간을 계산하고 계산 결과에 근거하여 상기 방전음이 발생된 위치를 결정하는 연산처리 및 상기 탐지시스템 전체를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    컴퓨터(PC)에 상기 연산처리 및 상기 탐지시스템 제어용 프로그램을 설치하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 탐지시스템은,
    상기 다중채널 수중음향 수신기를 이용하여 수신된 상기 음향신호의 초동시간을 확인하고, 동일한 시간을 영점으로 가정하여 임의의 시간으로부터 초동이 발생하는 지점까지의 음파 전달 시간을 계산하기 위해 최소자승법을 적용하여 음향신호 발생시점(Trig time)을 계산하고,
    상기 다중채널 수중음향 수신기를 이용하여 수신된 상기 음향신호의 초동시간을 확인하고 정확한 전달거리를 계산하기 위한 수중 음파 전달속도를 결정하기 위해 최소자승법을 적용하여 음파전달 속도를 계산하며,
    평면상의 공간에서 진앙지점의 위치를 파악하기 위해 적어도 3개 이상의 수신기까지의 거리를 이용하여 지진파의 진원과 진앙을 계산하는 지진파 분석방법을 적용하여, 상기 다중채널 수중음향 수신기의 각 채널에 수신된 상기 방전음의 초동시간으로부터 계산된 상기 음향신호 발생시점(Trig time)과 상기 음파 전달속도에 의해 구해진 거리값을 이용하여 상기 고장점의 정확한 X, Y, Z 좌표를 포함하는 3차원 위치를 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 탐지시스템은,
    상기 수중 위치결정부를 이용하여 상기 다중채널 수중음향 수신기의 위치를 결정하고,
    상기 다중채널 수중음향 수신기에서 상기 방전음이 발생된 고장점까지의 거리를 이용하여 상기 고장점의 위치를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템.
  9. 청구항 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 기재된 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지시스템을 이용하여 상기 해저 전력케이블의 고장점을 탐지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 음향신호를 이용한 해저 전력케이블 고장점 탐지방법.
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