KR101627429B1 - 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열화상 카메라와 실화상 카메라, 그리고 초음파 어레이 모듈 및 자외선 센서 모듈로 이루어지는 복합 센서를 이용하여 배전선로를 진단할 수 있도록 하는 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템은 카메라 영상을 이용하여 배전선로의 이상 유무를 진단하기 위한 시스템에 있어서, 진단 대상이 되는 배전선로 장비의 일반 영상을 촬영하는 실화상 카메라(120)와, 상기 배전선로 장비의 열화상 영상을 촬영하는 열화상 카메라(110)와, 상기 배전선로 장비에서 발생하는 초음파 신호를 검출하는 초음파 어레이 모듈(130)이 하나의 복합 센서로 구성되는 복합센서부(100)와; 상기 복합센서부(100)를 통하여 획득되는 데이터를 신호 처리하는 신호처리부(200)와; 상기 신호처리부(200)를 통하여 신호 처리되는 데이터 중 실화상 카메라(120)와 열화상 카메라(110)를 통하여 획득된 데이터를 분석하여 배전선로 장비의 외관 및 이상 고온 현상을 진단하고, 상기 초음파 어레이 모듈(130)을 통하여 획득된 데이터를 분석하여 배전선로 장비의 초음파 발생 위치를 검출하는 고장진단부(300);를 포함하여 이루어져, 배전선로 장비의 외형 손상, 이상고온 현상, 초음파 발생, 코로나 현상 등을 복합적으로 진단할 수 있도록 제공된다.

Description

복합센서 기반 배전선로 진단 시스템 {A MULTIPLE SENSOR BASED DIAGNOSTIC SYSTEM FOR THE POWER DISTRIBUTION LINE}

본 발명은 배전선로의 진단 시스템에 관한 것으로, 특히 열화상 카메라와 실화상 카메라, 그리고 초음파 어레이 모듈 및 자외선 센서 모듈로 이루어지는 복합 센서를 이용하여 배전선로를 진단할 수 있도록 하는 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템에 관한 것이다.

다양한 전력 인프라 중에서, 발전소에서 공급되는 전력을 수요자에게 배분하여 공급하는 배전선로는 기능적 특성 때문에 주택가와 도로 등 광범위하게 가설되어 있다. 이러한 배전선로에는 배전반과 애자, 각종 접속 기기 등 다양한 장비들이 구비되는데, 이러한 배전선로 장비들의 고장 유형으로는 장비의 이상고온 현상과 주변의 공기분자를 교란시켜 발생하는 초음파 현상 등이 있다.

즉, 배전선로는 전력을 공급하는 과정에서 고전압 이상에 의해 아크 방전, 단락, 지락 등의 이상고온 현상이 발생할 수 있으며, 이러한 고전압 이상 현상에 따라 주변 공기의 절연성이 부분적으로 파괴되어 주변 공기 분자가 교란되어 발생하는 초음파 현상 및 빛과 잡음이 나는 코로나 방전 현상이 발생할 수 있다.

이러한 배전선로의 이상을 진단하기 위해 종래에는 관리자가 배전선로가 설치된 전주에 직접 올라가 육안으로 확인하는 방법이 사용되었지만, 이러한 육안에 의한 진단 방법은 시간 및 정확성이 떨어지고 위험성이 상존하는 문제점이 있었다. 이러한 문제점에 따라 근래에는 진단 내용에 따라 열화상 카메라나 초음파 센서 등 개별 센서를 이용하여 배전선로를 촬영하고, 이를 분석하여 고장 부위를 진단하는 방법을 주로 이용하고 있다. 하지만, 이렇게 이러한 단일 센서에 의존하여 배전선로의 이상 유무를 진단하는 방법은 시간이 많이 소요되고 배전선로의 전반적인 이상 유무를 진단하기 어려우며, 이상이 검출되는 경우에도 정확히 어떤 위치에서 이상이 발생하였는지 파악하기 어려운 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-0984679호 (2010.09.27. 등록)

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 열화상 카메라와 실화상 카메라, 초음파 어레이 모듈 및 자외선 센서 모듈을 통합한 하나의 복합 센서를 이용하여 배전선로의 이상 유무를 복합적으로 진단할 수 있도록 하는 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템은 카메라 영상을 이용하여 배전선로의 이상 유무를 진단하기 위한 시스템에 있어서, 진단 대상이 되는 배전선로 장비의 일반 영상을 촬영하는 실화상 카메라와, 상기 배전선로 장비의 열화상 영상을 촬영하는 열화상 카메라와, 상기 배전선로 장비에서 발생하는 초음파 신호를 검출하는 초음파 어레이 모듈이 하나의 복합 센서로 구성되는 복합센서부와; 상기 복합센서부를 통하여 획득되는 데이터를 신호 처리하는 신호처리부와; 상기 신호처리부를 통하여 신호 처리되는 데이터 중 실화상 카메라와 열화상 카메라를 통하여 획득된 데이터를 분석하여 배전선로 장비의 외관 및 이상 고온 현상을 진단하고, 상기 초음파 어레이 모듈을 통하여 획득된 데이터를 분석하여 배전선로 장비의 초음파 발생 위치를 검출하는 고장진단부;를 포함하여 이루어진다.

상기 복합센서부에는 열화상 카메라와 실화상 카메라가 스테레오 카메라 형태로 상하 또는 수평 방향으로 배치되고, 상기 신호처리부에는 열화상 카메라와 실화상 카메라의 위치 차이에 따른 변수를 계산하고 보정하여, 열화상 카메라를 통하여 획득된 열화상 영상 및 실화상 카메라를 통하여 획득된 실화상 영상을 하나의 영상으로 정합하는 스테레오 정합모듈이 구비된다.

여기에서, 상기 스테레오 정합모듈은 열화상 카메라와 실화상 카메라에서 동시에 관찰 가능한 원형 또는 정사각형 배열의 보정용 지그를 통하여 제공되는 절대 좌표에 따른 위치 관계를 해석하여, 두 카메라의 위치 차이에 따른 변수를 계산하게 된다.

특히, 상기 스테레오 정합모듈은 열화상 카메라와 실화상 카메라의 위치 차이에 따른 내부 변수 및 외부 변수를 계산하고, 계산된 내부 변수 및 외부 변수를 통하여 열화상 카메라를 통하여 촬영한 열화상 영상과 실화상 카메라를 통하여 촬영된 실화상 영상의 크기 및 좌표축을 일치시켜 하나의 영상으로 정합하게 된다.

또한, 상기 고장진단부에는 실화상 카메라를 통하여 획득된 실화상 영상 위에 상기 열화상 카메라를 통하여 획득된 열화상 영상을 표출하여, 온도 변화가 발생한 위치를 실화상 영상에서 확인 가능하도록 하는 열화상 표출모듈이 구비된다.

뿐만 아니라, 상기 고장진단부에는 상기 열화상 표출모듈을 통하여 표출되는 실화상 영상 및 열화상 영상을 분석하여, 상기 진단 대상이 되는 배전선로 장비의 실화상 영상 영역에서 열화상 영상 영역을 추출하여 이상 고온 여부를 검출하는 고장 진단모듈이 구비될 수 있다.

한편, 상기 복합센서부에 구비된 초음파 어레이 모듈은 4×2의 배열 형태로 배치되고, 상기 고장진단부에는 초음파 어레이 모듈을 통하여 획득되는 초음파 신호를 분석하여 초음파 발생 위치 및 강도를 추정하며, 추정된 초음파 발생 위치를 실화상 카메라를 통하여 획득된 실화상 영상 위에 표출하는 초음파 음원위치 표출모듈이 구비된다.

여기에서, 상기 초음파 음원위치 표출모듈은 초음파 어레이 모듈을 통하여 획득되는 초음파 신호 중 배전선로 장비가 고장나는 경우 발생하는 40kHz 대역의 음파 신호를 검출하고, 기준 센서로부터 수집되는 신호와 다른 각 센서를 통하여 수집되는 신호의 시간 지연을 검출하여 센서 배열의 전방에 있는 음원의 발생 위치를 추정하는 지연-합(delay and sum) 빔형성 방법을 통하여 음원의 발생 위치를 추정하게 된다.

이때, 상기 기준 센서와 각 센서 사이의 시간 지연은 다음의 수학식을 통하여 계산된다.

(여기에서, θ는 음원의 입사각, ｄ는 각 센서 사이의 거리, ｃ는 초음파 음원의 전파속도(340m/sec)를 나타낸다)

또한, 상기 고장진단부는 상기 실화상 카메라를 통하여 획득된 실화상 영상과, 상기 열화상 카메라를 통하여 획득된 열화상 영상과, 상기 초음파 어레이 모듈을 통하여 획득되어 파악되는 초음파 발생 위치를 하나의 영상 화면으로 동시에 표출하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 복합센서부에는 진단 대상이 되는 배전선로 장비의 코로나 방전 현상을 검출하기 위한 자외선 센서 모듈이 구비되고, 상기 고장진단부에는 상기 자외선 센서 모듈로부터 획득된 데이터를 분석하여 배전선로 장비의 코로나 방전 발생 빈도를 검출하는 자외선 검출모듈이 구비된다.

본 발명에 따른 배전선로 진단 시스템은 열화상 카메라와 실화상 카메라, 초음파 어레이 모듈 및 자외선 센서 모듈이 통합된 복합 센서를 이용하여 배전선로 장비를 진단함으로써, 배전선로 장비의 외형 손상, 이상고온 현상, 초음파 발생, 코로나 현상 등을 복합적으로 진단할 수 있는 효과가 있다.

특히, 본 발명은 복합센서를 통한 배전선로 장비의 진단 결과를 일반 영상을 기준으로 온도에 이상이 있는 부분과 초음파 발생 위치 및 자외선 검출 부위를 표현함으로써 사용자로 하여금 고장 부위를 쉽고 빠르게 파악할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템의 블럭 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템의 장치 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템의 장치 정면도,
도 4는 본 발명에 따른 원형 배열 형태의 보정용 지그 일례,
도 5는 본 발명에 따른 초음파 어레이 모듈의 일례,
도 6은 본 발명에 적용된 지연-합 빔형성 방법의 일례,
도 7은 본 발명에 따른 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템을 통하여 배전선로의 이상 고온 및 초음파 발생 유무를 진단하는 과정을 나타낸 흐름도,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정사각형 배열의 보정용 지그 일례,
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 보정용 지그의 해리스 코너 알고리즘의 수행 결과 일례,
도 11은 본 발명에 따른 보정용 지그의 특징정 집합이 추출된 일례,
도 12는 본 발명에 따른 보정용 지그의 최종적으로 추출된 열 영상의 특징점 집합 일례,
도 13은 본 발명에 적용된 지연-합 빔형성 방법의 원리를 나타낸 개념도,
도 14는 본 발명에 따른 지연-합 빔형성 방법의 음원 위상 차에 따른 신호의 합을 나타낸 일례이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템의 블럭 구성도를 나타낸 것이다. 또한, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템의 장치 사시도를 나타낸 것이고, 도 3은 장치 정면도를 나타낸 것이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템은 진단 대상인 배전선로 장비를 촬영하여 데이터를 수집하는 복합센서부(100)와, 상기 복합센서부(100)를 통하여 수집되는 데이터를 신호 처리하는 신호처리부(200)와, 상기 신호처리부(200)를 통하여 신호 처리된 데이터를 분석하여 배전선로 장비의 고장 유무를 진단하는 고장진단부(300)를 포함하여 이루어진다.

상기 복합센서부(100)는 배전선로 장비를 촬영하여 영상을 획득하는 장치로서, 이 복합센서부(100)에는 진단 대상이 되는 배전선로 장치의 열화상 영상을 촬영하는 열화상 카메라(110)와, 배전선로 장비의 일반 컬러 영상을 촬영하는 실화상 카메라(120)와, 배전선로 장비에서 발생하는 초음파를 감지하는 초음파 어레이 모듈(130)과, 배전선로 장비에서 발생하는 코로나 현상을 감지하는 자외선 센서 모듈(140)이 구비된다.

본 발명의 실시예에서 상기 열화상 카메라(110)와 실화상 카메라(120)는 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 장치의 몸체 전면 일측에 상하로 배치되고, 상기 초음파 어레이 모듈(130)과 자외선 센서 모듈(140)은 몸체 전면 타측에 상하로 배치된다. 즉, 진단 대상인 배전선로 장비에서 방출되는 온도를 탐지하여 열화상 영상으로 표출하는 열화상 카메라(110)와 배전선로 장비의 외관을 촬영하여 표출하는 실화상 카메라(120)는 스테레오 카메라 형태로 상하로 배치하여 열화상 및 실화상 영상을 획득하게 되는데, 이러한 열화상 카메라(110)와 실화상 카메라(120)는 좌우로 배치되어 영상을 획득할 수도 있다. 또한, 상기 초음파 어레이 모듈(130)은 4×2의 형태로 배열되어 총 8채널로 이루어져 초음파 신호를 감지하게 되고, 상기 자외선 센서 모듈(140)은 2개의 센서가 나란히 배열되어 총 2채널로 이루어져 코로나 방전 현상을 감지하게 된다.

상기 신호처리부(200)는 복합센서부(100)를 통하여 획득되는 데이터를 컴퓨터에서 분석 가능하도록 신호 처리하는 장치로서, 이 신호처리부(200)에는 열화상 카메라(110)와 실화상 카메라(120)를 통하여 획득된 영상을 하나의 영상으로 정합하는 스테레오 정합모듈(210)과, 초음파 어레이 모듈(130)을 통하여 획득된 신호를 디지털 신호로 변환하는 8채널 ADC(Analog-to-Digital Converter)(230)와, 자외선 센서 모듈(140)을 통하여 획득된 신호를 디지털 신호로 변환하는 2채널 ADC(240)가 구비된다.

상기 스테레오 정합모듈(210)은 열화상 카메라(110)와 실화상 카메라(120)의 차이를 보정하는 신호 처리장치로서, 상기 스테레오 정합모듈(210)은 열화상 카메라(110)와 실화상 카메라(120)가 동시에 관찰 가능한 보정용 지그를 이용하여 카메라 사이의 위치 변수를 찾아 보정하게 된다. 즉, 스테레오 카메라 형태인 수직 방향으로 열화상 카메라(110)와 실화상 카메라(120)를 배치하게 되면 두 카메라 사이에 시차가 발생하게 되며, 이렇게 두 개의 카메라를 보정할 때는 개별 카메라의 정확한 변수와 두 카메라 사이의 위치적 상관관계가 명확하게 정의되어 있어야 한다. 핀홀 카메라 모델을 사용한 변수로는 카메라의 주점과 초점거리 그리고 왜곡을 정의하는 카메라 내부변수 및 두 카메라의 위치관계를 정의하는 외부변수가 있다. 이러한 카메라 변수를 추정하기 위해 두 카메라의 기준이 되는 체스보드를 촬영한 영상을 필요로 한다. 하지만, 열화상 카메라(110)는 온도 분포만을, 실화상 카메라(120)는 색상 차이만을 감지하기 때문에, 본 발명의 실시예에서는 두 카메라에서 동시에 관찰 가능한 원형 또는 정사각형 배열의 보정용 지그를 제작하여 이용하게 되는데, 도 4는 원형 배열 형태의 보정용 지그 일례를 나타낸 것이다. 도 4에 도시된 정합용 지그 영상에서 개별 원의 중심점을 Hough 원 검출 알고리즘을 통하여 구하게 된다. 이렇게 구한 원의 중심점 집합은 카메라 보정방법에 의해 개별 카메라의 내부변수인 A를 구하고, 실화상 영상과 열화상 영상의 두 원 중심점 집합의 상관관계를 계산하여 두 카메라의 위치관계를 나타내는 외부변수인 R과 t를 구한다. 이렇게 구한 카메라 변수를 이용하여 열화상에 대한 실화상의 크기 및 두 카메라의 좌표축이 일치되도록 보정함으로써 카메라 정합을 수행하게 된다.

상기 8채널 ADC(230)는 4×2의 8개 센서로 이루어지는 초음파 어레이 모듈(130)로부터 전송되는 8채널 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하는 변환장치이고, 2채널 ADC(240)는 2개의 자외선 센서로 이루어지는 자외선 센서 모듈(140)로부터 전송되는 2채널 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하는 변환장치이다.

상기 고장진단부(300)는 신호처리부(200)를 통하여 처리된 데이터를 분석하여 화면에 표시하고 고장 유무를 진단하는 장치로서, 이 고장진단부(300)에는 열화상 표출모듈(310)과, 초음파 음원위치 표출모듈(320), 자외선 검출모듈(330), 고장 진단모듈(340)이 구비되어 있다.

상기 열화상 표출모듈(310)은 스테레오 정합모듈(210)을 통하여 정합된 열화상과 실화상 영상을 하나의 영상으로 화면에 표출하는 프로그램 모듈로서, 관리자는 화면에 표출되는 영상을 통하여 진단 대상이 되는 배전선로 장비의 실화상 및 열화상을 육안으로 확인하여 이상 유무를 판별할 수 있게 된다.

상기 초음파 음원위치 표출모듈(320)은 초음파 어레이 모듈(130)을 통하여 획득된 신호를 분석하여 초음파 발생 위치와 신호 강도를 추정하여 화면에 표출하는 프로그램 모듈로서, 이 초음파 음원위치 표출모듈(320)은 추정되는 초음파 발생 신호를 시각화하여 실화상 영상 위에 표출함으로써 관리자가 화면에 표출되는 영상을 통하여 배전선로 장비의 초음파 발생 영역을 실화상 영상 내에서 확인할 수 있도록 제공하게 된다.

비접촉식 진단 방법인 초음파 검출 방법은 배전선로 장비가 고장날 경우 발생하는 40kHz 대역의 초음파 수집을 통해 진단 대상이 되는 배전선로 장비인 현수 애자, 라인 포스트 애자, 전선의 바인드 침식 등을 검출하게 된다. 기존의 초음파 검출 방법은 초음파 신호를 가청음역대로 변형시켜 음을 청취할 수 있게 해주는 방식을 이용하고 있는데, 이러한 방법은 신속한 진단이 가능한 장점이 있으나 정확한 고장위치의 검출이 어려운 단점이 있다. 정확한 고장위치 검출을 위해서는 발생하는 초음파의 음원위치를 알아내는 것이 중요한데, 일반적인 초음파 센서는 음원의 발생 위치를 추정할 수 없기 때문에, 본 발명의 실시예에서는 4×2 배열의 초음파 어레이 모듈(130)을 이용하여 초음파 신호를 수집하고 수집된 초음파 신호를 분석하여 음원의 위치를 시각화하여 추정하도록 하고 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 어레이 모듈의 일례를 나타낸 것으로, MEMS 마이크로폰(초음파 센서)을 사용하여 4×2 배열의 초음파 어레이 모듈(130)을 제작하여 음원의 위치를 시각화하여 추정하도록 하였다. 이러한 2차원 센서 배열을 이용한 음원 추정은 빔형성 방법을 통해 시각화하게 되며, 지연-합(delay-and-sum) 빔형성 방법을 사용하게 된다. 상기 지연-합 빔형성 방법은 기준 마이크로폰으로부터 수집되는 신호의 시간지연을 검출함으로써 센서 배열의 전방에 있는 음원의 발생위치를 추정하는 방법으로 4×2 격자식 배열을 통해 구현된다.

도 6은 이러한 지연-합 빔형성 방법을 나타낸 것으로, 센서 배열의 수직방향에서 입사되는 음원은 위상지연이 발생하지 않지만 비스듬히 입사되면 기준 마이크로폰으로부터 각 마이크로폰에 입사되는 신호의 위상지연이 발생하게 된다. 이때 지연되는 시간을 통해 음원의 입사각을 계산할 수 있으며, 이를 각 신호에 더하여 실제 음원을 추정하기 위해 각 마이크로폰에 입사된 신호의 세기를 더하여 배열된 마이크로폰의 개수로 나누어 실제 음원의 발생 위치를 추정할 수 있게 된다.

다음의 수학식 1은 이렇게 음원 사이의 시간지연을 구하기 위해 정의된 수식이다.

여기에서, τ는 기준 마이크로폰과 각 마이크로폰 사이의 시간지연을 의미하며, θ는 음원의 입사각, ｄ는 각 마이크로폰 사이의 거리, ｃ는 초음파 음원의 전파속도(340m/sec)를 나타낸다. 상기 수학식 1에서 계산된 τ를 통해 음원의 입사각 θ를 추정할 수 있으며, 이를 통하여 초음파 음원 위치 및 세기를 추정할 수 있게 된다.

이렇게 초음파 음원위치 표출모듈(320)을 통하여 추정되는 초음파 음원 위치 및 세기 정보는 실화상 카메라(120)를 통하여 촬영된 실화상 영상 위에 표출됨으로써, 관리자가 초음파 발생 위치를 실화상 영상 내에서 확인할 수 있게 된다.

상기 자외선 검출모듈(330)은 자외선 센서 모듈(140)을 통하여 측정된 신호를 통하여 배전선로 장비의 고장 현상 중 하나인 코로나 방전 현상을 검출하기 위한 프로그램 모듈로서, 이 자외선 검출모듈(330)은 2개의 센서로 이루어진 자외선 센서 모듈(140)을 통하여 검출되어 전송되는 신호를 분석하여 일정시간 동안 얼마만큼의 코로나 방전이 발생했는지, 즉 코로나 현상 발생 빈도를 검출하게 된다.

상기 고장 진단모듈(340)은 열화상 표출모듈(310), 초음파 음원위치 표출모듈(320), 자외선 검출모듈(330)을 통하여 표출되고 검출되는 정보를 통하여 진단 대상이 되는 배전선로 장비의 이상 유무를 진단하는 프로그램 모듈이다. 상기 고장 진단모듈(340)은 열화상 표출모듈(310)을 통하여 표출되는 실화상 영상 중 진단하고자 하는 배전선로 장비의 영역을 식별한 후, 해당 영역 내에서의 열화상 영역을 추출하여, 해당 영역에서 기준 이상의 열 발생 유무를 판단함으로써 이상 고온에 따라 고장 여부를 판단하여 경고하게 된다. 또한, 상기 고장 진단모듈(340)은 진단 대상이 되는 실화상 영상 위에 초음파 발생 영역이 표출되는지를 검출하여, 초음파 발생 여부 및 발생 위치를 파악하여 이를 경고하게 된다. 또한, 상기 고장 진단모듈(340)은 자외선 검출모듈(330)을 통하여 자외선 발생이 검출되면, 일정 시간동안 얼마간의 코로나 방전이 발생했는지 검출하여 이를 경고하게 된다.

이하, 상기의 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템을 통하여 배전선로의 진단이 이루어지는 과정에 대하여 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템을 통하여 배전선로의 이상 고온 및 초음파 발생 유무를 진단하는 과정을 나타낸 흐름도이다.

단계 S110, S120 : 먼저, 배전선로를 진단하고자 하는 관리자는 진단 대상이 되는 배전선로 장비를 선정한 후(S110), 배전선로 장비를 진단하기 위해 복합센서부(100)에 구비된 열화상 카메라(110)와 실화상 카메라(120) 및 초음파 어레이 모듈(130), 자외선 센서 모듈(140)을 구동하게 된다(S120).

단계 S130, S140 : 먼저, 복합센서부(100)에 구비된 열화상 카메라(110)와 실화상 카메라(120)를 통하여 촬영되는 배전선로 장비 영상은 신호처리부(200)의 스테레오 정합모듈(210)을 통하여 보정 과정을 거친 후 하나의 영상으로 정합되어(S130), 고장진단부(300)의 열화상 표출모듈(310)을 통하여 화면에 표출되게 된다(S140).

상기 스테레오 정합모듈(210)은 열화상 카메라(110)와 실화상 카메라(120) 보정을 위한 변수와 두 카메라 사이의 위치적 상관관계를 정의한 후, 이러한 카메라 변수를 이용하여 열화상에 대한 실화상의 크기 및 좌표축이 일치되도록 보정하게 된다.

이러한 카메라 변수에 있어, 핀홀 카메라 모델을 사용한 변수로는 수학식 2 및 수학식 3과 같이, 카메라의 주점과 초점거리 그리고 왜곡을 정의하는 3×3 행렬의 카메라 내부변수가 있고, 두 카메라의 위치관계를 정의하는 외부행렬은 3×3 행렬의 회전 행렬과 3×1 행렬의 병진벡터로 구성되어 있다. 그리고 단안 카메라 보정과는 달리 스테레오 카메라 보정 할 때는 두 카메라의 위치적 상관관계를 의미하는 외부행렬이 매우 중요하다.

여기서, (

) 는 X,Y 축의 초점 거리이고, (

) 는 영상의 중심을 나타내는 X,Y 축의 주점이다. 또한, 수학식 2의 R 과 t 는 회전행렬과 병진벡터를 나타낸다.

상기 카메라 변수를 추정해 내기 위해 도입한 Zhang의 알고리즘은 두 카메라의 기준이 되는 체스보드를 촬영한 영상을 필요로 한다. 하지만, 열상 카메라는 온도 분포만을, 일반 카메라는 색상 차이만을 감지하기 때문에, 일반적인 체스보드를 가지고는 열상 카메라에서 문양을 검출할 수가 없다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 체스보드 형태의 지그를 새로이 제작하고 이를 촬영하여 열 영상과 일반 영상을 획득하게 된다. 상술한 도 4에는 원형 배열의 보정용 지그를 설명하였는데, 도 8은 다른 형태인 정사각형 배열의 보정용 지그를 통하여 획득된 일반 영상과 열 영상 일례를 나타낸 것이다. 체스보드 영상을 보정에 활용하기 위해서는 정사각형 패턴의 코너 좌표가 필요한데, 본 발명의 실시예에서는 입력 영상인 열 영상과 일반 영상에서 정사각형의 코너점을 찾기 위해 해리스 코너 알고리즘을 적용하였다.

도 9 및 도 10은 해리스 코너 알고리즘의 수행 결과를 나타낸 것으로, 1차적으로 해리스 코너 알고리즘을 수행할 경우 도 9의 영상의 전 영역에서 특징점이 찾아지며, 추정한 코너 특징점에서 보정용 지그 영역만 도 10처럼 제한하게 된다. 이렇게 제한된 특징점은 무작위로 배치되어 있는데, 보정 과정을 위해서 각각의 영상의 점 그룹의 순서를 정렬해야 하며, 보정용 지그에서 정사각형 문양의 좌측상단, 우측상단, 좌측하단, 우측하단의 점 위치를 기준으로 정하여 위치 정렬을 시작한다.

여기서 p1, p2는 어느 한 줄의 특징점들 가운데 양 끝단의 점을 의미하며 TargetP는 그 점들 중에서 속하는 점을 의미한다. 또한 a는 두 점을 잇는 직선의 기울기이며 d는 TargetP가 p1, p2를 잇는 직선에서의 수직 거리값을 나타낸다. p1, p2 사이의 점들에서 일정 문턱치 값 이하의 d를 걸러낸 뒤 p1을 기준으로 개별 점들까지의 거리 값으로 버블 정렬을 수행하면 최종적으로 도 11처럼 순차적으로 정렬된 보정용 지그의 특징점 집합을 추출하게 된다.

도 12는 최종적으로 추출한 열 영상의 특징점 집합을 표현하고 있다. 이렇게 표현된 코너 특징점 집합으로부터, Zhang의 카메라 보정법에 의해. 개별 카메라의 내부변수인 A를 구하고, 일반 영상과 열 영상의 두 특징점 집합의 상관관계를 계산하여 두 카메라의 위치관계를 나타내는 외부변수인 R과 t를 구한다. 이렇게 구해지는 카메라의 내부변수와 외부변수를 이용하여 두 카메라의 차이가 보정되며, 이를 통하여 열 영상과 일반 영상이 하나의 영상으로 정합되어 화면에 표출되게 된다.

단계 S150, S160 : 상기 과정을 통하여 열 영상 및 일반 영상이 하나의 영상으로 정합되어 화면에 표출되면, 관리자는 육안을 통하여 실제 이상 고온 현상이 발생한 영역을 확인하여 파악할 수 있다. 또한, 고장진단부(300)의 고장 진단모듈(340)이 열화상 표출모듈(310)을 통하여 표출되는 실화상 영상 중 진단 대상이 되는 실 영역 내에서의 열화상 영역을 추출하여, 해당 영역에서 기준 이상의 열 발생이 있었는지를 판별할 수 있다(S150). 만약, 영상 내에 이상 고온이 발생한 영역이 검출되면, 고장 진단모듈(340)은 이상 고온이 발생한 영역을 화면에 표시하여 이를 경고하게 된다.

단계 S220, S230, S240 : 한편, 실화상 카메라(120) 및 열화상 카메라(110)를 이용하여 배전선로 장비의 이상 고온 현상을 진단하는 과정과 병행하여, 초음파 어레이 모듈(130)이 구동되어 진단 대상이 되는 배전선로 장비에서 발생하는 초음파 신호를 검출하게 되고(S220), 검출되는 8채널의 초음파 신호는 디지털 신호로 변환된 후(S230), 고장진단부(300)의 초음파 음원위치 표출모듈(320)을 통하여 초음파가 발생된 위치를 추정하게 된다(S240).

본 발명의 실시예에서는 상기 초음파 발생 위치를 추정하는 방법으로 도 5 및 도 6에서 상술한 바와 같이 지연-합 빔형성 방법을 이용하게 되는데, . 도 5와 도 6 및 도 13에 도시된 바와 같이, 지연-합 빔형성 방법은 기준 센도 13은 지연-합 빔형성 방법의 원리를 나타낸 개념도이다서로부터 수집되는 신호와 각 센서의 시간 지연을 검출하여 센서 배열의 전방에 있는 음원의 발생 위치를 추정하는 방법으로써, 배열의 수직방향에서 입사되는 음원은 위상지연이 발생하지 않지만, 비스듬히 입사되는 신호는 입사각에 따라 위상지연이 비례하는 원리를 이용한 것이다.

이때 입사되는 음파 신호의 수신모델은 음원과 센서 사이의 거리에 의해 평면파와 구면파 모델로 구분된다. 음원의 한 파장의 길이 λ, 센서 배열의 크기 Ｄ, 음원과 센서 사이의 거리

라고 할 때, 음파의 수신모델은 다음의 수학식 5와 같이 정의된다.

상기 수학식 5와 같이 되는 음파의 수신모델은 센서 배열의 크기가 작을수록, 파장의 길이에 비하여 음원과 센서 사이의 거리가 멀리 떨어져 있을수록 음파를 평면파 모델로 간주할 수 있게 된다.

배전선로의 진단을 위해 수집되는 음원은 40kHz 대역의 초음파이며, 약 5∼10m의 거리에서 수집하게 된다고 할 때, 음파 수신 모델은 평면파라고 가정할 수 있고 인접한 두 센서 신호의 관계는 다음의 수학식 6과 같이 정의할 수 있다.

즉, n번째 센서에 입사되는 신호(

)는 인접한 센서 신호(

)에 τ만큼 시간 지연이 발생하며, 이때 τ는 상술한 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.

한편, 각 신호의 지연-합 신호 r(t)는 다음의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, τ는 평면파가 입사되는 각도 θ에 의해 결정되는 값으로서, 다음의 수학식 8과 같이 구할 수 있다.

상기 수학식 8에서 실제 음원의 입사각은 모든 방향에 대해 신호의 합을 구한 값이 최대가 되는 방향이 음원의 입사각 θ가 된다. 이는 추정된 시간 지연이 참값에 가까울수록 합이 최대가 됨을 의미한다.

도 14는 이러한 위상차에 따른 신호의 합을 나타낸 일례로서, 도 14의 (a)는 시간지연 τ가 음원의 입사각과 일치할 때를 나타내며, 이때 신호의 세기는 도 14의 (b)와 같다. 또한, 시간지연 τ가 음원의 입사각과 일치하지 않을 때 신호의 세기는 도 14의 (c)와 같이 서로 상쇄되어 나타나게 된다.

따라서, 각 신호의 시간지연 τ를 계산하게 되면 입사각 θ를 추정할 수 있고, 이를 통해 센서 배열 정면에서 입사되는 신호의 방향을 추정할 수 있게 된다.

단계 S250, S260, S270 : 상기 과정을 통하여 추정되는 초음파 음원 위치 및 세기 정보는 실화상 영상 위에 표출되는데(S250), 이렇게 초음파가 검출된 것으로 파악되면(S260), 초음파 발생 위치가 화면에 표출되는 동시에 이를 경고하게 된다(S270).

이렇게 실화상 영상 위에 표출되는 초음파 음원 위치는 열화상 영상과 함께 표출됨으로써, 하나의 영상에 실화상 영상, 열화상 영상, 초음파 발생 위치 영상 정보가 함께 표출되게 되며, 이에 따라 관리자는 하나의 영상을 통하여 배전선로 장비의 고온 이상 현상과 초음파 발생 여부를 한눈에 파악할 수 있게 된다.

한편, 상기 초음파 어레이 모듈(130)을 이용하여 배전선로 장비의 초음파 발생 여부를 진단하는 과정과 병행하여, 자외선 센서 모듈(140)이 구동되어 진단 대상이 되는 배전선로 장비에서 발생하는 코로나 방전 현상을 검출하게 된다. 이렇게 자외선 센서를 통하여 검출되는 코로나 방전 정보는 일정 시간동안 얼마만큼 일어났는지를 검출하여, 화면에 표출하고 경고하게 된다. 이때, 상기 자외선 센서 모듈(140)에 의해 획득되어 자외선 검출모듈(133)에 의해 획득되는 자외선 검출 정보 또한 실화상 영상 위에 표출하여 관리자가 해당 위치를 용이하게 확인할 수 있도록 제공할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템은 실화상 카메라(120)와 열화상 카메라(110), 초음파 어레이 모듈(130), 자외선 센서 모듈(140)을 하나의 복합센서로 구성하여 진단 대상인 배전선로 장비를 측정한 후, 이들을 통하여 획득되는 정보를 분석하여 배전선로 장비의 이상 고온 현상, 초음파 발생 현상, 코로나 방정 발생 현상을 등을 신속하고 정확하게 파악할 수 있게 된다.

한편, 상술한 실시예에서는 열화상 카메라(110)와 실화상 카메라(120)를 상하로 배치하였지만 이는 스테레오 방식에 따라 수평이나 대각선 등 다양한 방향으로 배치될 수 있으며, 초음파 어레이 모듈(130) 및 자외선 센서 모듈(140) 또한 센서의 개수나 배열 방식이 변경될 수 있음은 당연한다.

이와 같이, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

100 : 복합센서부 110 : 열화상 카메라
120 : 실화상 카메라 130 : 초음파 어레이 모듈
140 : 자외선 센서 모듈 200 : 신호처리부
210 : 스테레오 정합모듈 230 : 8채널 ADC
240 : 2채널 ADC 300 : 고장진단부
310 : 열화상 표출모듈 320 : 초음파 음원위치 표출모듈
330 : 자외선 검출모듈 340 : 고장 진단모듈

Claims (11)

1. 진단 대상이 되는 배전선로 장비의 일반 영상을 촬영하는 실화상 카메라(120)와, 상기 배전선로 장비의 열화상 영상을 촬영하는 열화상 카메라(110)와, 상기 배전선로 장비에서 발생하는 초음파 신호를 검출하는 초음파 어레이 모듈(130)이 하나의 복합 센서로 구성되는 복합센서부(100)와; 상기 복합센서부(100)를 통하여 획득되는 데이터를 신호 처리하는 신호처리부(200)와; 상기 신호처리부(200)를 통하여 신호 처리되는 데이터를 분석하여 배전선로 장비의 외관 및 이상 고온 현상을 진단하고 배전선로 장비의 초음파 발생 위치를 검출하는 고장진단부(300);를 포함하여 이루어지는 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템으로서,
   상기 복합센서부(100)에는 열화상 카메라(110)와 실화상 카메라(120)가 스테레오 카메라 형태로 상하 또는 수평 방향으로 배치되고, 초음파 어레이 모듈(130)에는 복수의 행과 열을 갖는 격자 형태로 초음파 센서가 배치되며,
   상기 신호처리부(200)에는 열화상 카메라(110)와 실화상 카메라(120)의 위치 차이에 따른 변수를 계산하고 보정하여 열화상 카메라(110)를 통하여 획득된 열화상 영상 및 실화상 카메라(120)를 통하여 획득된 실화상 영상을 하나의 영상으로 정합하는 스테레오 정합모듈(210)이 구비되며,
   상기 고장진단부(300)에는 스테레오 정합모듈(210)을 통하여 하나의 영상으로 정합된 실화상 영상 및 열화상 영상을 화면에 표출하여 온도 변화가 발생한 위치를 실화상 영상에서 확인 가능하도록 하는 열화상 표출모듈(310)과, 상기 초음파 어레이 모듈(130)을 통하여 획득되는 초음파 신호를 분석하여 초음파 발생 위치 및 강도를 추정하며 추정된 초음파 발생 위치를 실화상 카메라(120)를 통하여 획득된 실화상 영상 위에 표출하는 초음파 음원위치 표출모듈(320)이 구비되되,
   상기 초음파 음원위치 표출모듈(320)은 초음파 어레이 모듈(130)을 통하여 획득되는 초음파 신호 중 배전선로 장비가 고장나는 경우 발생하는 40kHz 대역의 음파 신호를 검출하고, 기준 센서로부터 수집되는 신호와 다른 각 센서를 통하여 수집되는 신호의 시간 지연을 검출하여 센서 배열의 전방에 있는 음원의 발생 위치를 추정하는 지연-합(delay and sum) 빔형성 방법을 통하여 음원의 발생 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 스테레오 정합모듈(210)은 열화상 카메라(110)와 실화상 카메라(120)에서 동시에 관찰 가능한 원형 또는 정사각형 배열의 보정용 지그를 통하여 제공되는 절대 좌표에 따른 위치 관계를 해석하여, 두 카메라의 위치 차이에 따른 변수를 계산하는 것을 특징으로 하는 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 스테레오 정합모듈(210)은 열화상 카메라(110)와 실화상 카메라(120)의 위치 차이에 따른 내부 변수 및 외부 변수를 계산하고, 계산된 내부 변수 및 외부 변수를 통하여 열화상 카메라(110)를 통하여 촬영한 열화상 영상과 실화상 카메라(120)를 통하여 촬영된 실화상 영상의 크기 및 좌표축을 일치시켜 하나의 영상으로 정합하는 것을 특징으로 하는 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템.
   
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,
   상기 고장진단부(300)에는 상기 열화상 표출모듈(310)을 통하여 표출되는 실화상 영상 및 열화상 영상을 분석하여, 상기 진단 대상이 되는 배전선로 장비의 실화상 영상 영역에서 열화상 영상 영역을 추출하여 이상 고온 여부를 검출하는 고장 진단모듈(340)이 구비된 것을 특징으로 하는 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템.
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 제 1항에 있어서,
   상기 기준 센서와 각 센서 사이의 시간 지연은 다음의 수학식을 통하여 계산되는 것을 특징으로 하는 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템.
   

   

   
   (여기에서, θ는 음원의 입사각, ｄ는 각 센서 사이의 거리, ｃ는 초음파 음원의 전파속도(340m/sec)를 나타낸다)
   
10. 제 1항에 있어서,
    상기 고장진단부(300)는 상기 실화상 카메라(120)를 통하여 획득된 실화상 영상과, 상기 열화상 카메라(110)를 통하여 획득된 열화상 영상과, 상기 초음파 어레이 모듈(130)을 통하여 획득되어 파악되는 초음파 발생 위치를 하나의 영상 화면으로 동시에 표출하는 것을 특징으로 하는 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템.
    
11. 제 1항에 있어서,
    상기 복합센서부(100)에는 진단 대상이 되는 배전선로 장비의 코로나 방전 현상을 검출하기 위한 자외선 센서 모듈(140)이 구비되고,
    상기 고장진단부(300)에는 상기 자외선 센서 모듈(140)로부터 획득된 데이터를 분석하여 배전선로 장비의 코로나 방전 발생 빈도를 검출하는 자외선 검출모듈(330)이 구비된 것을 특징으로 하는 복합센서 기반 배전선로 진단 시스템.

Images