KR101740896B1 - 해상 풍력발전기 구조물의 건전성 모니터링 시스템 및 방법 - Google Patents

해상 풍력발전기 구조물의 건전성 모니터링 시스템 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101740896B1
KR101740896B1 KR1020160045487A KR20160045487A KR101740896B1 KR 101740896 B1 KR101740896 B1 KR 101740896B1 KR 1020160045487 A KR1020160045487 A KR 1020160045487A KR 20160045487 A KR20160045487 A KR 20160045487A KR 101740896 B1 KR101740896 B1 KR 101740896B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
natural frequency
vibration
marine structure
natural
monitoring
Prior art date
Application number
KR1020160045487A
Other languages
English (en)
Inventor
서윤호
김재승
김현실
김봉기
김상렬
이성현
마평식
Original Assignee
한국기계연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국기계연구원 filed Critical 한국기계연구원
Priority to KR1020160045487A priority Critical patent/KR101740896B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101740896B1 publication Critical patent/KR101740896B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G01H1/10—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of torsional vibrations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/30—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. mechanical strain gauge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/006—Crack, flaws, fracture or rupture
    • G01N2203/0062—Crack or flaws

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

본 발명은 해상 풍력발전기 구조물의 건전성 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해상 풍력발전기 구조물이 갖는 고유 진동수를 측정하고 측정된 고유 진동수에 주변 환경의 영향을 제거한 후 기준 데이터와 비교함으로써 우수한 정확도로 상기 해상 풍력발전기 구조물의 건전성을 모니터링 할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

해상 풍력발전기 구조물의 건전성 모니터링 시스템 및 방법{A system and method for monitoring offshore wind turbine structure}
본 발명은 해상 풍력발전기 구조물의 건전성 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해상 풍력발전기 구조물이 갖는 고유 진동수를 측정하고 측정된 고유 진동수에 주변 환경의 영향을 제거한 후 기준 데이터와 비교함으로써 우수한 정확도로 상기 해상 풍력발전기 구조물의 건전성을 모니터링 할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
풍력 발전은 신재생에너지 가운데 비교적 효율이 높으며 시장경쟁력을 갖추고 있어, 기술 개발 및 활용이 점차 늘어나고 있는 추세이다. 초기 풍력 발전은 육상 풍력 발전을 위주로 발달했으나, 터빈의 대형과, 소음 및 진동, 장소의 제한 등의 문제로 최근 해상 풍력 발전이 각광받고 있다. 특히, 우리나라는 삼면이 바다인 지형적 특성으로 인해 해상 풍력 발전에 매우 유리한 조건을 가지고 있어, 전망이 매우 밝다고 볼 수 있다.
일반적으로 해상 풍력 발전기는 크게 Rotor-nacelle assembly라 불리는 발전기 구성물(10)와 지지구조물(Supporting structure)(20) 2개 부분으로 나뉠 수 있다. 이 지지구조물(20)은 타워(Tower)(21), 하부구조(Sub structure)(22)와 기초(Foundation)(23)로 구분된다(도 1 참고).
해상 풍력 발전기와 같은 대형 구조물은 최초 준공 후 시간이 경과됨에 따라 결함 부분이 발생하며, 따라서 구조물의 건전성 여부를 파악하기 위한 상태 점검이 필요로 된다. 특히, 구조물에 파도나 바람, 해류 등의 외부 하중이 작용함에 따라 구조물과 해저면의 경계 부분이 특히 취약하다. 이에 따라, 구조물이 설치된 지반의 침하, 세굴 또는 구조물의 기울어짐 등의 문제가 발생하기 쉽다.
일반적으로, 종래에는 대형 해상 구조물에 직접 침하, 세굴, 기울기 등을 측정하는 센서를 설치하여 구조물의 상태를 직접적으로 측정하였다. 그러나, 이는 수중에 센서를 설치해야 하므로 어려움이 있으며, 더 나아가 센서에 잦은 고장이 발생함에 따라 주기적으로 유지보수를 수행해야 하는 단점이 있다.
한편, 구조물의 건전성을 평가를 위해 구조물의 고유 진동수를 이용하는 기술이 국내공개특허 제 2014-0033681호에 개시된 바 있다. 상기 종래기술은 대형 구조물의 고유 진동수 및 진동 모드에 대한 기준 데이터를 수립하고, 반복 측정을 통해 기준 데이터와 비교함으로써 건전성을 평가하는 기술이다.
그러나, 해상 구조물의 경우 고유 진동수가 조위차, 온도, 지반상태 등 외부 환경 변화에 따라 변화하는 특성을 갖는데, 상기 종래기술은 이와 같은 환경의 영향을 전혀 반영하지 않고 있다는 문제가 있다.
국내공개특허 제 2014-0033681호("구조물의 거동분석을 통한 구조 건전성 평가 방법 ", 공개일 : 2014.03.19)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 해상 풍력발전기 구조물의 건전성을 모니터링하기 위한 고유 진동수 산출 시, 조위차 및 온도 등 외부 환경 변화를 고려한 고유 진동수를 산출함으로써 보다 정확히 건전성을 판단할 수 있도록 하는 해상 구조물의 건전성 모니터링 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 고유 진동수를 기반으로 해상 구조물의 건전성을 모니터링하는 방법은, 상기 해상 구조물에서 발생되는 진동을 측정하는 진동 측정 단계; 상기 진동 측정 단계에서 획득한 진동 데이터에서 상기 해상 구조물의 고유 진동수를 산출하는 고유 진동수 산출 단계; 산출된 상기 고유 진동수에서 주변 환경 변화에 따른 오차를 제거하는 환경 요인 제거 단계; 및 환경 요인이 제거된 상기 고유 진동수를 데이터베이스에 저장된 기준 고유 진동수와 비교하여 상기 해상 구조물의 건전성 여부를 판단하는 건전성 평가 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 진동 측정 단계 이전에 해상 구조물의 재질, 형상, 해저면의 경계 조건을 토대로 시뮬레이션을 통해 산출된 고유 진동수 데이터 및/또는 실제 해저면에 설치된 상기 해상 구조물의 고유 진동수를 수회 실측하여 통계적으로 산출된 고유 진동수 데이터를 기준 데이터로 하여 데이터베이스화하는 데이터베이스 구축 단계;를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
또, 상기 고유 진동수 산출 단계는 상기 진동 데이터의 주파수 응답을 구하고 피크(peak)를 검출하여 고유 진동수를 산출하거나, 상기 진동 데이터를 곡선 맞춤(curve fitting)하여 고유 진동수를 산출할 수 있다.
또한, 상기 환경 요인 제거 단계에서 시간과 계절에 따라 선형적인 변화 패턴을 보이는 환경 요인은 PCA(principal components analysis) 알고리즘을 적용하여 데이터 차원을 축소함으로써 제거할 수 있다.
아울러, 상기 진동 측정 단계는 해상 풍력에 의해 자연적으로 발생되는 진동을 측정하는 단계; 및 상기 해상 구조물에 설치된 가진 장치에 의해 인위적으로 발생되는 진동을 측정하는 단계;를 포함하여 이루어지며, 상기 고유 진동수 산출 단계는 자연적 발생 진동 및 인위적 발생 진동에 따른 각각의 고유 진동수를 산출할 수 있다.
또, 상기 건전성 평가 단계는 자연적 발생 진동에서 산출된 고유 진동수와 인위적 발생 진동에서 산출된 고유 진동수를 비교하여 지반 변형에 따른 비선형성을 파악함으로써, 지반-구조물의 건전성을 평가할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 고유 진동수를 기반으로 해상 구조물의 건전성을 모니터링하는 시스템은, 상기 해상 구조물에 설치된 가진 장치의 타격에 의해 발생되는 진동 또는 해상 풍력에 의해 발생되는 진동 데이터를 측정하는 센싱부; 상기 센싱부로부터 획득한 진동 데이터에서 상기 해상 구조물의 고유 진동수를 산출하는 고유 진동수 산출부; 산출된 상기 고유 진동수에서 주변 환경 변화에 따른 오차를 제거하는 환경 요인 제거부; 및 환경 요인이 제거된 상기 고유 진동수를 데이터베이스에 저장된 기준 고유 진동수와 비교하여 상기 해상 구조물의 건전성 여부를 판단하는 건전성 평가부;를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에서는 해상 구조물의 진동 데이터로부터 고유 진동수를 추출하고, 환경 변화에 따른 고유 진동수의 변화를 보정함으로써, 매우 우수한 정확도로 해상 구조물의 건전성을 모니터링 할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 진동 측정 시 바람에 의해 자연적으로 발생하는 진동과 가진 장치에 의해 인위적으로 발생하는 진동을 모두 측정하고 두 진동 데이터로부터 추출한 고유 진동수를 비교함으로써, 지반 변형에 따른 비선형성을 파악할 수 있어, 추가적인 지반-구조물의 건전성을 평가할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 해상 풍력 발전기의 예시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 해상 구조물의 건전성 모니터링 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 해상 구조물의 건전성 모니터링 방법의 순서도.
도 4는 시간에 따른 고유 진동수 및 수심의 관계를 나타낸 그래프의 일예.
도 5는 3개의 특징(feature) 데이터를 도시한 그래프의 일예.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 해상 구조물의 건전성 모니터링 방법의 순서도.
본 발명은 모든 구조물이 고유한 진동수를 가진다는 원리를 이용하여 해상 풍력 발전기와 같은 해상 구조물의 고유 진동수를 측정하고 이를 이용하여 구조물의 건전성을 모니터링 하는 기술에 관한 것이다.
더욱 구체적으로, 바람과 같이 넓은 주파수 대역의 진동을 유발하는 외력이 대형 구조물에 가해지게 되면 모니터링 대상 구조물이 흔들리게 되며, 이때 대상 구조물의 구조적 변화가 발생하지 않는다면 거동의 지배적인 주파수는 항상 일정한 값들을 갖게 된다는 원리를 이용한다.
해상 구조물 중 해상 풍력 발전기를 예로 들면, 상기 발전기를 구성하는 지지 구조물(Supporting structure)의 고유 진동수는 지반과의 경계면 상태(경계 조건)와 밀접 연관된다. 예를 들면, 해저면에 설치된 상태가 견고하면 지지 구조물의 고유 진동수는 증가하게 되고, 설치 후 시간이 경과되고 파도나 해류 등에 의한 하중이 가해짐에 따라 설치 상태가 약화되면 고유 진동수가 감소하게 된다.
따라서, 지지 구조물의 고유 진동수를 알면 구조물의 설치 상태 및 지반과의 상호 작용에 따른 지반의 침하, 세굴 또는 구조물의 기울어짐 등의 결함을 파악할 수 있게 되는 것이다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 해상 구조물의 건전성 모니터링 시스템의 구성도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 해상 구조물의 건전성 모니터링 방법의 순서도이다.
도 2에 도시된 것처럼, 본 발명의 일실시예에 따른 건전성 모니터링 시스템은 센싱부(100), 고유 진동수 산출부(200), 환경 요인 제거부(300), 및 건전성 평가부(400)를 포함한다.
상기한 바와 같이 구성되는 시스템을 이용하여, 본 발명의 일실시예에 따른 건전성 모니터링 방법을 도 3을 참고하여 단계적으로 설명한다.
가장 먼저, 진동 측정 단계(S200)는 센싱부(100)가 해상 구조물에서 발생되는 진동을 측정하는 단계이다. 이때, 진동은 해상 풍력에 의해 자연적으로 발생되는 진동일 수 있으며, 또는 별도로 해상 구조물의 특정 위치에 가진 장치를 설치해놓고 필요 시 구조물을 타격함으로써 인위적으로 발생되는 진동일 수 있다.
참고로, 센싱부(100)는 해상 구조물에 부착되어 가속도 응답을 측정하는 단수 또는 복수개의 가속도센서일 수 있다. 센서의 개수 및 위치는 측정하고자 하는 고유 진동수와 모드 형상에 따라 결정된다.
구체적으로, 해상 풍력발전기와 같이 외팔보(cantilever beam) 형상의 구조물에 대해 고유 진동수 최저차 1개의 고유 진동수를 측정한다고 가정하면, 최상단에 설치한 1개의 가속도 센서만으로 충분한 측정이 가능하다. 하지만, 2차 이상의 고유 진동수를 측정하거나 형상이 복잡한 구조물에 대한 측정은 다수의 가속도계를 필요로 할 수 있다.
또는 상기 센싱부(100)로 구조물에 부착된 가속도센서 대신 원거리에서 레이저 측정기를 이용할 수도 있다. 레이저 측정기를 이용하여 해상 구조물 상에 일정 위치 별로 레이저 광을 조사함으로써 구조물의 거동 응답을 측정하는 것이다.
이어서 수행되는 고유 진동수 산출 단계(S300)는 고유 진동수 산출부(200)가 상기 진동 측정 단계(S200)에서 획득한 진동 데이터에서 해상 구조물의 고유 진동수를 산출하는 단계이다.
센싱부(가속도센서 또는 레이저 측정기)(100)에서 측정된 시간 영역의 진동 데이터를 푸리에 변환 등을 이용하여 주파수 영역으로 변환함으로써 구조물의 주파수 응답을 구할 수 있으며, 주파수 응답 그래프에서 피크(peak)를 검출한다. 이때, 검출된 피크(peak)의 주파수가 고유 진동수이다. 만약, 다양한 주파수 성분의 외부 가진력이 존재하여 다양한 주파수 성분이 복합적으로 포함된 거동 응답이 나타날 때에는, 가진력 성분을 측정하여 기측정한 응답에서 가진력 성분을 제외함으로써 고유 진동수를 구별해 낼 수 있다.
또한, 다른 방법으로서 주파수 분석이 아닌 시간 영역의 진동 데이터를 곡선 맞춤(curve fitting)하여 고유 진동수를 추출할 수 있다. 즉, 측정된 진동 데이터에는 고유 진동수에 의해 특정한 경향이 나타나게 되며, 그 경향에 가장 적합한 곡선을 파악함으로써 고유 진동수를 알 수 있는 것이다.
아울러, 상술한 바와 같이 센싱부(100)에 의해 미리 설정된 여러 포인트를 측정하게 되면, 구조물의 거동 상태에 대한 고유 진동수뿐만 아니라 모드 형상 분석도 가능해진다.
이후, 환경 요인 제거부(300)에 의해 산출된 상기 고유 진동수에서 주변 환경 변화에 따른 변화를 제거하는 환경 요인 제거 단계(S400)가 수행된다.
이때, 환경 요인은 구조물의 고유 진동수를 변화시키는 외부적인 요인을 뜻하며, 파랑(wave), 해류(oceanic current), 지반 온도, 조위차(range of tidal) 등이 있다. 그 중 조위차는 해상에서 달과 태양이 끌어당기는 힘에 의해서 발생되는 밀물과 썰물의 차이로, 이러한 조위차는 결국 수위의 변화를 야기하므로 해상 구조물의 고유 진동수를 상당히 변화시킨다. 또한 이와 유사하게 계절별 온도 변화에 따라 지반의 특성 계수(영률(Young's modulus) 또는 전단 강성(shear modulus))들이 변화할 수 있으며, 이에 따라 고유 진동수도 변화할 수 있다.
이와 관련되어, 도 4(a)는 시간에 따른 고유 진동수 변화를, 도 4(b)는 시간에 따른 수심의 변화의 일예를 도시한 것으로, 고유 진동수가 수심과 매우 밀접한 연관이 있음을 확인할 수 있다. 이와 같은 고유 진동수의 변화는 실제 구조물 및 지반 특성의 변화에 따른 고유 진동수 변화가 아니기 때문에, 이를 제거해야만 환경 변화에 무관한 고유 진동수를 추출할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 환경 요인 제거부(300)는 주성분 분석 방법인 PCA(Principal Components Analysis) 알고리즘을 적용하여 데이터 차원을 축소함으로써 환경 요인을 제거할 수 있다.
일예로, 조위차는 시간과 계절에 따라 일정한 주기로 변화되기 때문에 다수개의 측정 데이터들 사이에는 일정한 변화 패턴(선형적 관계)이 존재할 수 있다. 따라서 상기 PCA 알고리즘을 이용하면, 다수개의 측정 데이터 중에서 선형적 관계가 성립하는 데이터를 제거하여 차원을 축소시킬 수 있다.
더욱 구체적으로, 다차원의 특징 벡터(feature vector)(본 발명에서는 고유 진동수)로 이루어진 데이터 x에 대해, 데이터의 성분 축(PCA 축)을 구하고 이 축에 데이터 x를 사영(projection)시켜 차원을 축소하는 것이다. 이때, PCA 축을 구하기 위해, 고유벡터(eigen vector) 및 고유값(eigen value)을 이용하는 방법 또는 SVD(Singular Value Decomposition)을 이용하는 방법이 대표적으로 사용된다.
도 5는 예로서 3개의 특징(feature) 데이터를 도시한 그래프의 일예이다. Feature 1은 고유 진동수, feature 2는 수위, feature 3은 온도의 변화의 예라고 가정할 수 있다. 도시된 각 feature 1 ~ 3은 아래와 같은 수식으로 표현될 수 있으며, 이때 3개의 특징 데이터에서 진폭만 상이한 부분에 대해서는 각 특징 간의 선형적 관계가 성립하므로 환경이 영향으로 판단하며, y1의
Figure 112016035618587-pat00001
부분은 환경변화와는 독립적으로 존재하는 결함에 의한 고유 진동수의 변화로 판단하게 되는 것이다. 예로서 고유 진동수의 변화를 정현파(sin함수)로 가정했으나, 여타 다른 형태의 변화도 가능하다.
- feature 1
Figure 112016035618587-pat00002
- feature 2
Figure 112016035618587-pat00003
- feature 3
Figure 112016035618587-pat00004
한편, 본 발명에서 제시한 상기 PCA 방법은 하나의 예이며, 이외에 저주파 대역 필터링(low pass filtering) 또는 상관관계 분석법이 사용될 수도 있으며, 위의 결과를 조합하여 좀 더 정확한 결과를 도출할 수도 있음은 물론이다.
마지막으로, 건전성 평가 단계(S500)에서 환경 요인이 제거된 고유 진동수를 건전성 평가부(400)에 의해 도 2의 데이터베이스(10)에 저장된 기준 고유 진동수와 비교하여 해상 구조물의 건전성 여부를 판단한다.
구체적으로, 측정된 고유 진동수가 기준 고유 진동수에 비해 일정 수준 이하로 낮아지면 구조물이 설치된 지반이 약화되었음을 알 수 있다. 또한, 데이터베이스(10)에는 기준이 되는 모드 형상도 저장되어 있어, 측정 데이터와 비교하면 어느 영역에 결함이 발생되었는지도 파악할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 기준 데이터가 저장된 데이터베이스(10)를 구축하는 단계(S100)가 사전에 수행되는 것이 바람직하다. 데이터베이스 구축 단계(S100)는 해상 구조물의 재질, 형상, 해저면의 경계 조건 등을 토대로 시뮬레이션을 통해 산출된 고유 진동수 및 모드 형상 데이터, 및/또는 실제 해저면에 동일한 구조물을 굳건하게 설치하였을 때의 실측 데이터를 수회 획득하여 통계적으로 산출한 고유 진동수 및 모드 형상 데이터를 기준 데이터로 하여 데이터베이스화하는 단계이다. 이와 같은 데이터베이스는 장기간 실제 측정 결과에 따라 업데이트되며, 환경 변화 이외의 특징(운전 조건 및 유지 보수 작업)이 포함될 수도 있다.
정리하자면, 건전성 평가부(400)는 시뮬레이션 및/또는 통계적 데이터를 이용하여 미리 계산된 기준 고유 진동수와의 비교를 통해 구조물이 설치된 지반과의 경계 조건을 파악하여 해상 구조물의 침하, 세굴, 기울어짐을 포함한 상태를 진단한다.
이와 같이, 본 발명에서는 주기적으로 또는 필요시마다 상기한 단계들을 반복 수행함으로써 해상 구조물의 건전성을 지속적으로 모니터링 할 수 있으며, 특히 환경 요인 제거 단계(S400)를 통해 환경 변화에 따른 고유 진동수의 변화를 보정함으로써, 매우 우수한 정확도로 해상 구조물의 설치 상태를 모니터링 할 수 있는 효과가 있다.
<실시예 2>
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 해상 구조물의 건전성 모니터링 방법의 순서도로, 이하 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예 2를 설명한다. 이때, 실시예 2 또한 실시예 1과 동일한 시스템을 이용하여 구현되며, 실시예 1과 동일한 구성 및 단계에 대한 설명은 생략하고, 상이한 부분에 대해 구체적으로 설명한다.
본 발명의 실시예 2의 경우에도, 데이터베이스 구축 단계(S100'), 진동 측정 단계(S200'), 고유 진동수 산출 단계(S300'), 환경 요인 제거 단계(S400') 및 건전성 평가 단계(S500')를 포함하되, 상기 진동 측정 단계(S200')가 아래와 같이 두 단계로 이루어진다.
해상 풍력에 의해 자연적으로 발생되는 진동을 측정하는 1단계(S210')와 상기 해상 구조물에 설치된 가진 장치에 의해 인위적으로 발생되는 진동을 측정하는 2단계(S220')를 모두 수행하여, 센싱부(100)가 자연적 발생 진동과 인위적 발생 진동을 모두 측정한다.
이어지는, 고유 진동수 산출 단계(S300')에서는 자연적 발생 진동 및 인위적 발생 진동에 따른 각각의 고유 진동수를 산출하며, 환경 요인 제거 단계(S400')에서도 각 고유 진동수에서 환경 변화에 따른 오차를 제거한다.
일반적으로 고유 진동수는 가진 형태(자연 발생 또는 인위적 가진)에 상관없이 일정한 값이 측정된다. 하지만, 해상 풍력발전기가 설치되는 해양 지반은 변형이 커짐에 따라 비선형성이 증가하여, 진동 발생 크기에 따라 고유 진동수가 커질 수도 있으며 작아질 수도 있다. 위와 같은 비선형성에 의한 고유 진동수 변화 역시 지반과 구조의 건전성을 평가하는 변수가 될 수 있다.
따라서, 마지막 건전성 평가 단계(S500')에서는 가진 장치를 이용하여 인위적으로 발생시킨 가진력에 따라 추출된 고유 진동수와 자연적 발생 진동에 의한 고유 진동수와 비교하여, 고유 진동수가 증가 또는 감소했는지, 그 변화폭은 얼마인지를 확인한다. 이에 따라 지반 변형에 따른 비선형성을 파악할 수 있어, 추가적인 지반-구조물의 건전성을 평가할 수 있게 된다.
이와 더불어 가진 장치가 다양한 인위적 가진력을 제공할 수 있는 가진 장치인 것이 더욱 바람직하며, 이에 따라 다양한 가진력에 의한 고유 진동수 추출이 가능하여, 좀 더 많은 변수로부터 건전성에 대한 정보를 추출할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10 : 데이터베이스
100 : 센싱부
200 : 고유 진동수 산출부
300 : 환경 요인 제거부
400 : 건전성 평가부

Claims (7)

  1. 고유 진동수를 기반으로 해상 구조물의 건전성을 모니터링하는 방법에 있어서,
    상기 해상 구조물에서 발생되는 진동을 측정하는 진동 측정 단계;
    상기 진동 측정 단계에서 획득한 진동 데이터에서 상기 해상 구조물의 고유 진동수를 산출하는 고유 진동수 산출 단계;
    산출된 상기 고유 진동수에서 주변 환경 변화에 따른 오차를 제거하는 환경 요인 제거 단계; 및
    환경 요인이 제거된 상기 고유 진동수를 데이터베이스에 저장된 기준 고유 진동수와 비교하여 상기 해상 구조물의 건전성 여부를 판단하는 건전성 평가 단계;를 포함하며,
    상기 진동 측정 단계는,
    해상 풍력에 의해 자연적으로 발생되는 진동을 측정하는 단계; 및 상기 해상 구조물에 설치된 가진 장치에 의해 인위적으로 발생되는 진동을 측정하는 단계;
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 고유 진동수 산출 단계는,
    자연적 발생 진동 및 인위적 발생 진동에 따른 각각의 고유 진동수를 산출하는 것을 특징으로 하는 해상 구조물의 건전성 모니터링 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 진동 측정 단계 이전에,
    해상 구조물의 재질, 형상, 해저면의 경계 조건을 토대로 시뮬레이션을 통해 산출된 고유 진동수 데이터 또는 실제 해저면에 설치된 상기 해상 구조물의 고유 진동수를 수회 실측하여 통계적으로 산출된 고유 진동수 데이터를 기준 데이터로 하여 데이터베이스화하는 데이터베이스 구축 단계;
    를 더 포함하여 이루어지는 해상 구조물의 건전성 모니터링 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 고유 진동수 산출 단계는,
    상기 진동 데이터의 주파수 응답을 구하고 피크(peak)를 검출하여 고유 진동수를 산출하거나,
    상기 진동 데이터를 곡선 맞춤(curve fitting)하여 고유 진동수를 산출하는 것을 특징으로 하는 해상 구조물의 건전성 모니터링 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 환경 요인 제거 단계에서,
    시간과 계절에 따라 선형적인 변화 패턴을 보이는 환경 요인은 PCA(principal components analysis) 알고리즘을 적용하여 데이터 차원을 축소함으로써 제거하는 것을 특징으로 하는 해상 구조물의 건전성 모니터링 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 건전성 평가 단계는,
    자연적 발생 진동에서 산출된 고유 진동수와 인위적 발생 진동에서 산출된 고유 진동수를 비교하여 지반 변형에 따른 비선형성을 파악함으로써, 지반-구조물의 건전성을 평가하는 것을 특징으로 하는 해상 구조물의 건전성 모니터링 방법.
  7. 고유 진동수를 기반으로 해상 구조물의 건전성을 모니터링하는 시스템에 있어서,
    상기 해상 구조물에 설치된 가진 장치의 타격에 의해 인위적으로 발생되는 진동 또는 해상 풍력에 의해 자연적으로 발생되는 진동 데이터를 측정하는 센싱부;
    상기 센싱부로부터 획득한 자연적 발생 진동 데이터 및 인위적 발생 진동 데이터에서 상기 해상 구조물의 고유 진동수를 산출하는 고유 진동수 산출부;
    산출된 상기 고유 진동수에서 주변 환경 변화에 따른 오차를 제거하는 환경 요인 제거부; 및
    환경 요인이 제거된 상기 고유 진동수를 데이터베이스에 저장된 기준 고유 진동수와 비교하여 상기 해상 구조물의 건전성 여부를 판단하는 건전성 평가부;
    를 포함하여 이루어지는 해상 구조물의 건전성 모니터링 시스템.
KR1020160045487A 2016-04-14 2016-04-14 해상 풍력발전기 구조물의 건전성 모니터링 시스템 및 방법 KR101740896B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160045487A KR101740896B1 (ko) 2016-04-14 2016-04-14 해상 풍력발전기 구조물의 건전성 모니터링 시스템 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160045487A KR101740896B1 (ko) 2016-04-14 2016-04-14 해상 풍력발전기 구조물의 건전성 모니터링 시스템 및 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101740896B1 true KR101740896B1 (ko) 2017-05-29

Family

ID=59053246

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160045487A KR101740896B1 (ko) 2016-04-14 2016-04-14 해상 풍력발전기 구조물의 건전성 모니터링 시스템 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101740896B1 (ko)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102115000B1 (ko) 2018-12-20 2020-05-26 제타이앤디 주식회사 해상풍력 지지구조물의 상태 모니터링 시스템
JP2020522645A (ja) * 2017-07-28 2020-07-30 湖南工程学院 自己給電式の水中固定基礎に対する流体洗掘のリアルタイム監視システム
KR102258133B1 (ko) * 2021-01-11 2021-05-31 효창엔지니어링 주식회사 레이저 도플러 진동계에 의한 상시미동에 따른 구조물의 고유주기의 변화를 계측하여 안전진단을 위한 구조물의 건전성을 모니터링하는 방법 및 그 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체
DE102020104547A1 (de) 2020-02-20 2021-08-26 fos4X GmbH Verfahren zur überwachung einer boden-struktur-interaktion für eine offshore-windenergieanlage und offshore-windenergieanlage
CN114151292A (zh) * 2021-11-29 2022-03-08 清华大学 海上风力发电机组基础冲刷在线监测系统及方法
JP7203291B1 (ja) * 2021-08-25 2023-01-12 三菱電機株式会社 検査装置および検査方法
CN118053046A (zh) * 2024-04-11 2024-05-17 中国海洋大学 一种海上风力发电连接结构健康状态融合表征及判定方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2992954B1 (ja) * 1998-12-22 1999-12-20 東日本旅客鉄道株式会社 橋脚の異常検知方法、システムおよび記録媒体
JP4996134B2 (ja) * 2006-05-18 2012-08-08 株式会社竹中工務店 固有振動モード抽出方法、固有振動モード抽出装置、および固有振動モード抽出用プログラム

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2992954B1 (ja) * 1998-12-22 1999-12-20 東日本旅客鉄道株式会社 橋脚の異常検知方法、システムおよび記録媒体
JP4996134B2 (ja) * 2006-05-18 2012-08-08 株式会社竹中工務店 固有振動モード抽出方法、固有振動モード抽出装置、および固有振動モード抽出用プログラム

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020522645A (ja) * 2017-07-28 2020-07-30 湖南工程学院 自己給電式の水中固定基礎に対する流体洗掘のリアルタイム監視システム
KR102115000B1 (ko) 2018-12-20 2020-05-26 제타이앤디 주식회사 해상풍력 지지구조물의 상태 모니터링 시스템
DE102020104547A1 (de) 2020-02-20 2021-08-26 fos4X GmbH Verfahren zur überwachung einer boden-struktur-interaktion für eine offshore-windenergieanlage und offshore-windenergieanlage
KR102258133B1 (ko) * 2021-01-11 2021-05-31 효창엔지니어링 주식회사 레이저 도플러 진동계에 의한 상시미동에 따른 구조물의 고유주기의 변화를 계측하여 안전진단을 위한 구조물의 건전성을 모니터링하는 방법 및 그 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체
JP7203291B1 (ja) * 2021-08-25 2023-01-12 三菱電機株式会社 検査装置および検査方法
WO2023026382A1 (ja) * 2021-08-25 2023-03-02 三菱電機株式会社 検査装置および検査方法
CN114151292A (zh) * 2021-11-29 2022-03-08 清华大学 海上风力发电机组基础冲刷在线监测系统及方法
CN118053046A (zh) * 2024-04-11 2024-05-17 中国海洋大学 一种海上风力发电连接结构健康状态融合表征及判定方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101740896B1 (ko) 해상 풍력발전기 구조물의 건전성 모니터링 시스템 및 방법
Prendergast et al. An investigation into the effect of scour on the natural frequency of an offshore wind turbine
Liu et al. Experimental study of improved modal strain energy method for damage localisation in jacket-type offshore wind turbines
Iliopoulos et al. A modal decomposition and expansion approach for prediction of dynamic responses on a monopile offshore wind turbine using a limited number of vibration sensors
Ziegler et al. Structural monitoring for lifetime extension of offshore wind monopiles: Verification of strain-based load extrapolation algorithm
Koukoura et al. Identification of support structure damping of a full scale offshore wind turbine in normal operation
AU2017281204A1 (en) System and method for determining the risk of failure of a structure
KR102027252B1 (ko) 임의 지진구역 대상 무작위 생성 지진학습데이터를 이용한 지진여부판별 방법 및 이에 의한 진도예측 시스템
Siringoringo et al. Noncontact operational modal analysis of structural members by laser Doppler vibrometer
KR101452171B1 (ko) 타워형 구조물의 변위 추정 방법
US20110265547A1 (en) Sensor, methods of calibrating a sensor, methods of operating a sensor
Haeri et al. Inverse vibration technique for structural health monitoring of offshore jacket platforms
Bachynski et al. Dynamic response of a monopile wind turbine in waves: Experimental uncertainty analysis for validation of numerical tools
JP6521777B2 (ja) 津波監視システム
Pingle et al. Prediction of full field dynamic stress/strain from limited sets of measured data
Mao et al. Bayesian operational modal analysis with genetic optimization for structural health monitoring of the long-span bridge
KR101699856B1 (ko) 말뚝 및 타워형 구조물의 최 상단 가속도와 각속도를 이용한 손상 추정 방법
KR101557270B1 (ko) 스마트 구조물의 유지 관리를 위한 est 기반 단일 계측 시스템
Jiang et al. Damage identification of a jacket support structure for offshore wind turbines
Pingle et al. Limited experimental displacement data used for obtaining full-field dynamic stress strain information
Vestli et al. Case studies on structural health monitoring of offshore bottom-fixed steel structures
Yang et al. Structural health monitoring of offshore jacket structure
Nguyen et al. Vibration-based damage alarming criteria for wind turbine towers
Martins et al. Evaluation of fiber optic strain sensors for applications in structural health monitoring
Galván et al. Hydrodynamic identification of NAUTILUS FOWT platform from small scale tests

Legal Events

Date Code Title Description
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200309

Year of fee payment: 4