KR101889969B1

KR101889969B1 - 수위 증가율 감시를 이용한 누설 조기 경보 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101889969B1
Application number: KR1020170117855A
Authority: KR
Inventors: 박치용; 김대웅; 김양석; 이병오; 민지호; 하훈권; 오정학
Original assignee: 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2017-09-14
Publication date: 2018-08-20

Abstract

누설 조기 경보 시스템은 수위 계측기, 신호 처리부, 패턴 모델 학습부, 잔차 생성부, 및 오경보 방지부를 포함한다. 수위 계측기는 집수조의 수위를 계측한다. 신호 처리부는 수위 계측기의 측정 신호를 입력받아 잡음을 제거한 후 수위 증가율을 실시간으로 계산한다. 패턴 모델 학습부는 과거의 수위 신호 데이터로부터 수위 증가율을 계산하여 패턴 모델을 만들고, 패턴 모델로부터 수위 증가율 예측값을 실시간으로 생성한다. 잔차 생성부는 수위 증가율의 현재값과 수위 증가율의 예측값을 입력받아 현재값과 예측값의 차인 잔차를 생성한다. 오경보 방지부는 잔차 생성부에서 출력한 잔차의 부호와 정상 범위를 초과한 잔차의 발생 시간에 근거하여 경보 신호를 출력한다.

Description

수위 증가율 감시를 이용한 누설 조기 경보 시스템 및 방법 {LEAKAGE EARLY WARNING SYSTEM AND METHOD USING MORNITORING WATER LEVEL GROWTH RATE}

본 발명은 누설 조기 경보 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발전소의 유체 기기나 배관 등에서 발생하는 누설을 신속하게 탐지할 수 있는 누설 조기 경보 시스템 및 방법에 관한 것이다.

발전소의 유체 기기나 배관 등에서 누설이 발생한 경우, 누설된 유량은 유체 기기 또는 배관의 하부에 위치한 집수조에 수집된다. 따라서 집수조의 수위 증가를 관측하면 누설을 탐지할 수 있다.

도 4는 종래 기술에 의한 누설 경보 방법에 따른 수위 증가율 계산 과정을 나타낸 그래프이다.

도 4를 참고하면, 계측기의 수위 신호(L)를 일정 시간만큼 수집하여 평균값을 계산하고, 이전의 평균값과 현재의 평균값의 차분을 이용하여 수위 증가율(V)을 계산한다. 수위 증가율의 계산은 일정 시간 간격으로 수행되며, 계산된 수위 증가율이 경보 설정치(V_hi)를 초과하면 경보를 발생시킨다.

그런데 전술한 방법에서는 수위 증가율 계산에 상당한 시간 지연이 발생한다. 수위는 주로 초음파 계측기로 측정되는데, 계측기 자체의 측정 오차와 잡음이 있으며, 수위 요동으로 인한 측정치 진동도 발생한다. 따라서 유효한 수위 증가율을 계산하기 위해서는 상당한 시간 동안 수위 신호의 축적이 필요하다.

또한, 전술한 방법으로는 소량 누설로 인한 미세한 수위 증가를 탐지하기 어렵다. 유체는 정상 운전 중에도 소량이 누설되므로 집수조의 수위는 상시 증가한다. 이때 추가적인 누설이 발생하여 수위 증가율이 미세하게 높아지더라도 누설이 축적되어 경보 설정치 이상이 되기 전에는 경보가 발생하지 않아 파악이 불가능하다.

본 발명은 집수조의 수위 증가율을 최소한의 시간 지연으로 신속 정확하게 계산하고, 계산된 수위 증가율을 패턴 학습하여 이상 여부를 진단함으로써 누설을 조기에 경보할 수 있는 누설 조기 경보 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 누설 조기 경보 시스템은 수위 계측기, 신호 처리부, 패턴 모델 학습부, 잔차 생성부, 및 오경보 방지부를 포함한다. 수위 계측기는 집수조의 수위를 계측한다. 신호 처리부는 수위 계측기의 측정 신호를 입력받아 디지털 필터를 이용하여 잡음을 제거한 후 선형 회귀법을 이용하여 수위 증가율을 계산한다. 패턴 모델 학습부는 과거의 수위 신호 데이터로부터 수위 증가율을 계산하여 패턴 모델을 만들고, 패턴 모델로부터 수위 증가율 예측값을 실시간으로 생성한다. 잔차 생성부는 신호 처리부에서 계산한 수위 증가율의 현재값과, 패턴 모델 학습부에서 생성한 수위 증가율의 예측값을 입력받아 현재값과 예측값의 차인 잔차를 생성한다. 오경보 방지부는 잔차 생성부에서 출력한 잔차의 부호를 확인하여 음의 잔차일 때 경보 대상에서 제외하고, 정상 범위를 초과한 잔차의 발생 시간이 미리 설정된 머무름 시간을 초과할 때 경보 신호를 출력한다.

패턴 모델 학습부는 과거 정상 운전 중 수위 신호로부터 정상 수위 증가율을 계산하여 패턴 모델을 구축할 수 있고, 패턴 모델은 복수의 수위 계측기에서 계산된 수위 증가율 신호를 그룹화하여 사용할 수 있다.

패턴 모델 학습부는 구축된 패턴 모델과 실시간으로 계산된 현재 수위 증가율 패턴을 비교하여 수위 증가율의 예측값을 실시간으로 생성할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 누설 조기 경보 시스템은 수위 계측기, 신호 처리부, 패턴 모델 학습부, 잔차 생성부, 및 오경보 방지부를 포함한다. 수위 계측기는 집수조의 수위를 계측한다. 신호 처리부는 수위 계측기의 측정 신호를 입력받아 잡음을 제거한 후 수위 증가율의 현재값을 실시간으로 계산한다. 패턴 모델 학습부는 과거의 수위 신호 데이터로부터 수위 증가율을 계산하여 패턴 모델을 만들고, 패턴 모델로부터 수위 증가율의 예측값을 실시간으로 생성한다. 잔차 생성부는 수위 증가율의 현재값과 수위 증가율의 예측값을 입력받아 현재값과 예측값의 차인 잔차를 생성한다. 오경보 방지부는 잔차 생성부에서 출력한 잔차의 부호와 정상 범위를 초과한 잔차의 발생 시간에 근거하여 경보 신호를 출력한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 누설 조기 경보 방법은, 집수조의 수위를 측정하여 측정 신호를 출력하는 제1 단계와, 측정 신호의 잡음을 제거하고, 수위 증가율의 현재값을 실시간으로 계산하는 제2 단계와, 과거 수위 신호 데이터로부터 수위 증가율을 계산하여 패턴 모델을 구축하고, 패턴 모델로부터 수위 증가율의 예측값을 실시간으로 생성하는 제3 단계와, 수위 증가율의 현재값과 수위 증가율의 예측값의 차인 잔차를 생성하는 제4 단계와, 잔차의 부호를 확인하여 음의 잔차일 때 경보 대상에서 제외하고, 정상 범위를 초과한 잔차의 발생 시간이 미리 설정된 머무름 시간을 초과할 때 경보 신호를 출력하는 제5 단계를 포함한다.

제2 단계에서, 디지털 필터를 이용하여 측정 신호의 잡음을 제거할 수 있고, 선형 회귀법을 이용하여 수위 증가율의 현재값을 실시간으로 계산할 수 있다.

제3 단계에서 패턴 모델은 과거 정상 운전 중 수위 신호로부터 정상 수위 증가율을 계산하는 것에 의해 구축될 수 있으며, 복수의 수위 계측기에서 계산된 수위 증가율 신호를 그룹화하여 사용할 수 있다.

제3 단계에서 수위 증가율의 예측값 생성은 구축된 패턴 모델과 실시간으로 계산된 현재 수위 증가율의 비교를 이용할 수 있다.

본 발명의 누설 조기 경보 시스템 및 방법에 따르면, 누설에 의한 집수조의 수위 증가를 조기에 경보할 수 있고, 미세한 누설도 쉽게 감지할 수 있다. 따라서 운전원의 사고 대처 시간을 확보할 수 있고, 사고를 조기에 종결시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 조기 경보 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 조기 경보 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 실시예의 누설 조기 경보 시스템을 이용한 수위 증가율 계산 과정을 나타낸 그래프이다.
도 4는 종래 기술에 의한 누설 경보 방법에 따른 수위 증가율 계산 과정을 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 조기 경보 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 조기 경보 방법을 나타낸 순서도이다.

도 1과 도 2를 참고하면, 누설 조기 경보 시스템(100)은 수위 계측기(110), 신호 처리부(120), 패턴 모델 학습부(130), 잔차 생성부(140), 및 오경보 방지부(150)를 포함한다.

그리고 누설 조기 경보 방법은 집수조의 수위를 측정하는 제1 단계(S10), 수위 증가율을 계산하는 제2 단계(S20), 패턴 모델로부터 수위 증가율의 예측값을 생성하는 제3 단계(S30), 수위 증가율의 현재값과 예측값으로부터 잔차(residual)를 생성하는 제4 단계(S40), 오경보 회피 과정을 거쳐 조기 경보를 발생시키는 제5 단계(S50)를 포함한다.

수위 계측기(110)는 집수조에 설치되어 일정 시간 주기로 집수조의 수위를 측정하며, 측정 신호를 신호 처리부(120)로 출력한다(제1 단계). 신호 처리부(120)는 디지털 필터를 이용하여 측정 신호에 포함된 잡음을 제거하고, 선형 회귀법을 이용하여 수위 증가율을 계산한다(제2 단계).

삭제

선형 회귀(linear regression)법은 종속 변수와 한 개 이상의 독립 변수와의 선형 상관 관계를 모델링하는 공지의 회귀 분석 기법으로서, 선형 회귀법을 적용하면 종래보다 짧은 시간 동안의 수위 신호를 이용하여 보다 정확한 수위 증가율을 계산할 수 있다. 신호 처리부(120)는 수위 증가율의 현재값을 출력한다.

패턴 모델 학습부(130)는 과거 수위 신호 데이터로부터 수위 증가율을 계산하여 패턴 모델을 만들고, 패턴 모델을 이용하여 실시간으로 수위 증가율의 예측값을 생성한다(제3 단계).

누설로 인한 집수조의 이상 수위 증가를 조기 감지하기 위해서는 과거 정상 운전 중 집수조의 수위 증가율을 이용하여 패턴 모델을 구축해야 한다. 그러나 수위 계측기(110)는 집수조의 수위만 측정할 수 있으므로, 패턴 모델 학습부(130)가 과거 정상 운전 중 수위 신호로부터 정상 수위 증가율을 계산한 후 패턴 모델을 구축할 수 있다.

이때 패턴 모델에는 동일한 시스템의 누설을 탐지할 수 있는 복수의 수위 계측기에서 계산된 수위 증가율 신호가 그룹화되어 사용될 수 있다. 구축된 패턴 모델은 하기 수학식 3과 같은 행렬 형태의 데이터 기반 모델(Data Driven Model)일 수 있다.

수학식 3의 행렬에서, 각 행은 동일한 집수조의 수위 계측기로부터 계산된 시간별 신호들이고, 각 열은 동일한 시간에 계산된 집수조의 수위 계측기별 계산 신호들이다. 패턴 모델의 신뢰성을 높이기 위해 발전소의 한 주기 이상의 정상 운전 데이터를 이용할 수 있다.

패턴 모델 학습부(130)는 구축된 패턴 모델에 AAKR(Auto Associative Kernel Regression) 기법을 적용하여 예측값을 계산할 수 있다. AAKR 기법은 정상 운전 동안 수집된 과거 데이터 기반의 패턴 모델과, 현재 측정된 변수를 비교하여 정상 상태에서 예상되는 변수의 값을 추정하는 기법이다.

구체적으로, AAKR 기법은 패턴 모델을 구성하는 각 패턴과 현재 수위 증가율의 패턴을 비교한 후 유사성을 평가하여 유사성이 높은 패턴에 높은 가중치를 부여하고, 유사성이 낮은 패턴에 낮은 가중치를 부여한 후, 가중치와 각 패턴간의 가중 평균을 이용하여 수위 증가율의 예측값을 계산할 수 있다.

잔차 생성부(140)는 신호 처리부(120)로부터 입력받은 수위 증가율의 현재값과, 패턴 모델 학습부(130)로부터 입력받은 수위 증가율의 예측값으로부터 잔차(residual)를 생성한다(제4 단계). 잔차는 수위 증가율의 [현재값 - 예측값]으로 이루어진다. 잔차가 미리 설정된 정상 범위를 초과하면 누설이 발생한 것으로 판단할 수 있다.

그런데 잔차의 크기만으로 경보를 발생할 경우 계산 신호의 특성으로 인해 잘못된 경보(오경보)를 발생할 수 있다. 오경보 방지부(150)는 경보 발생 조건을 강화한 오경보 회피 과정을 거쳐 조기 경보를 발생시킨다(제5 단계).

먼저 오경보 방지부(150)는 잔차의 부호를 확인하고, 잔차가 음(-)의 부호일 때 경보를 발생시키지 않는다. 집수조가 일정 수위를 넘어서면 펌프를 이용하여 배수하는데, 이 과정에서 수위가 급격히 낮아져서 수위 증가율은 큰 음의 값을 가지게 되고, 잔차 또는 음의 값을 가지게 된다. 배수 과정은 정상적인 운전 과정이므로 오경보를 피하기 위해 음(-)의 전차는 경보 발생 대상에서 제외한다.

그리고 수위 신호를 수집하는 과정에서 수위 계측기(110)나 신호 처리부(120)의 오류 등으로 인해 신호에 순간적인 비정상 노이즈가 포함될 수 있다. 종래에는 비교적 긴 시간 동안 신호의 평균값을 취하여 수위 증가율을 계산하기 때문에 순간적인 노이즈는 경보에 큰 영향을 미치지 않는다.

그러나 본 실시예의 방법은 훨씬 짧은 기간의 수위 신호를 이용하기 때문에 순간적인 노이즈가 수위 증가율 계산에 영향을 미쳐 오경보가 발생할 수 있다. 오경보 방지부(150)는 머무름 시간(Stay Time)을 설정하고, 정상 범위를 초과한 잔차의 발생 시간이 머무름 시간을 초과할 때 경보를 발생시킨다.

도 3은 본 실시예의 누설 조기 경보 시스템을 이용한 수위 증가율 계산 과정을 나타낸 그래프이다. 도 3과 도 4는 동일한 시간 동안 미세한 누설에 의해 동일한 수위 증가율의 변화가 발생한 경우를 나타낸다.

먼저 도 4에 도시한 종래의 방법에서는 계산된 수위 증가율이 경보 설정치 이하이므로 경보가 발생하지 않는다. 즉 종래의 방법으로는 이상 수위 증가를 감지하지 못한다. 반면 도 3에 도시한 본 실시예의 방법에서는 수위 증가율의 변화를 조기에 감지하여 경보를 발생시킨 것을 확인할 수 있다.

이와 같이 본 실시예의 누설 조기 경보 시스템 및 방법에 따르면, 누설에 의한 집수조의 수위 증가를 조기에 경보할 수 있고, 미세한 누설도 쉽게 감지할 수 있다. 따라서 운전원의 사고 대처 시간을 확보할 수 있고, 사고를 조기에 종결시킬 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100: 누설 조기 경보 시스템
110: 수위 계측기 120: 신호 처리부
130: 패턴 모델 학습부 140: 잔차 생성부
150: 오경보 방지부

Claims

집수조의 수위를 계측하는 수위 계측기;
상기 수위 계측기의 측정 신호를 입력받아 디지털 필터를 이용하여 잡음을 제거한 후 선형 회귀법을 이용하여 수위 증가율을 계산하는 신호 처리부;
과거의 수위 신호 데이터로부터 수위 증가율을 계산하여 패턴 모델을 만들고, 패턴 모델로부터 수위 증가율 예측값을 실시간으로 생성하는 패턴 모델 학습부;
상기 신호 처리부에서 계산한 수위 증가율의 현재값과, 상기 패턴 모델 학습부에서 생성한 수위 증가율의 예측값을 입력받아 현재값과 예측값의 차인 잔차를 생성하는 잔차 생성부; 및
상기 잔차 생성부에서 출력한 잔차의 부호를 확인하여 음의 잔차일 때 경보 대상에서 제외하고, 정상 범위를 초과한 잔차의 발생 시간이 미리 설정된 머무름 시간을 초과할 때 경보 신호를 출력하는 오경보 방지부
를 포함하는 누설 조기 경보 시스템.
제1항에 있어서,
상기 패턴 모델 학습부는 과거 정상 운전 중 수위 신호로부터 정상 수위 증가율을 계산하여 상기 패턴 모델을 구축하고, 상기 패턴 모델은 복수의 수위 계측기에서 계산된 수위 증가율 신호를 그룹화하여 사용하는 누설 조기 경보 시스템.
제2항에 있어서,
상기 패턴 모델 학습부는 구축된 패턴 모델과 실시간으로 계산된 현재 수위 증가율 패턴을 비교하여 상기 수위 증가율의 예측값을 실시간으로 생성하는 누설 조기 경보 시스템.
집수조의 수위를 계측하는 수위 계측기;
상기 수위 계측기의 측정 신호를 입력받아 잡음을 제거한 후 수위 증가율의 현재값을 실시간으로 계산하는 신호 처리부;
과거의 수위 신호 데이터로부터 수위 증가율을 계산하여 패턴 모델을 만들고, 패턴 모델로부터 수위 증가율의 예측값을 실시간으로 생성하는 패턴 모델 학습부;
상기 수위 증가율의 현재값과 상기 수위 증가율의 예측값을 입력받아 현재값과 예측값의 차인 잔차를 생성하는 잔차 생성부; 및
상기 잔차 생성부에서 출력한 잔차의 부호와 정상 범위를 초과한 잔차의 발생 시간에 근거하여 경보 신호를 출력하는 오경보 방지부
를 포함하는 누설 조기 경보 시스템.
집수조의 수위를 측정하여 측정 신호를 출력하는 제1 단계;
상기 측정 신호의 잡음을 제거하고, 수위 증가율의 현재값을 실시간으로 계산하는 제2 단계;
과거 수위 신호 데이터로부터 수위 증가율을 계산하여 패턴 모델을 구축하고, 패턴 모델로부터 수위 증가율의 예측값을 실시간으로 생성하는 제3 단계;
상기 수위 증가율의 현재값과 상기 수위 증가율의 예측값의 차인 잔차를 생성하는 제4 단계; 및
상기 잔차의 부호를 확인하여 음의 잔차일 때 경보 대상에서 제외하고, 정상 범위를 초과한 잔차의 발생 시간이 미리 설정된 머무름 시간을 초과할 때 경보 신호를 출력하는 제5 단계
를 포함하는 누설 조기 경보 방법.
제5항에 있어서,
상기 제2 단계에서, 디지털 필터를 이용하여 상기 측정 신호의 잡음을 제거하고, 선형 회귀법을 이용하여 상기 수위 증가율의 현재값을 실시간으로 계산하는 누설 조기 경보 방법.
제5항에 있어서,
상기 제3 단계에서 상기 패턴 모델은 과거 정상 운전 중 수위 신호로부터 정상 수위 증가율을 계산하는 것에 의해 구축되며, 복수의 수위 계측기에서 계산된 수위 증가율 신호를 그룹화하여 사용하는 누설 조기 경보 방법.
제7항에 있어서,
상기 제3 단계에서 상기 수위 증가율의 예측값은, 상기 패턴 모델을 구성하는 각 패턴과 실시간으로 계산된 현재 수위 증가율 패턴의 비교에 의한 유사성 평가, 유사성 평가에 의한 가중치 부여, 가중치와 각 패턴 간의 가중 평균을 이용하여 계산되는 누설 조기 경보 방법.