KR102420449B1 - 트레이별 센서의 네트워크 연계릍 통한 모니터링 방법 - Google Patents

트레이별 센서의 네트워크 연계릍 통한 모니터링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 트레이별 센서의 네트워크 연계 및 모니터링 방법은, 각 배터리 트레이별로 설치된 아크 감지 센서들에서 아크를 감지하는 제1단계; 상기 아크 감지 센서들에 의해 감지된 아크 감지 정보가 네트워크를 통해 모니터링부로 송신되는 제2단계; 상기 모니터링부에서 상기 송신된 아크 감지 정보로부터 배터리 트레이별 상태를 확인하고 모니터링하는 제3단계; 각 배터리 트레이별 모니터링 결과에 따라 경보단계를 구분하고 경고 출력부가 상기 경보단계에 따라 정상-주의-심각을 경고하는 제4단계;를 포함한다. 본 발명에 따르면 본 발명은, 아크 감지 센서를 이용하여 에너지저장장치의 배터리에서 발생하는 아크를 감지하고 모니터링 함으로써 배터리 내 아크 발생을 초기에 신속하고 편리하게 감지하여 화재를 미연에 방지하고, 에너지저장장치를 보호할 수 있다.

Description

트레이별 센서의 네트워크 연계릍 통한 모니터링 방법{Monitoring method through network connection of sensors for each tray}
본 발명은 트레이별 센서의 네트워크 연계 및 모니터링 방법에 관한 것이다.
에너지저장장치는 발전, 송배전, 수용가에 이르는 전력계통 전 과정에서 활용 가능하며 수요와 공급 정보의 실시간 교환을 통해 전력의 효율적 생산과 소비를 가능케 하는 스마트 그리드 구축의 핵심 요소이다.
그러나 최근 설치 용량 확대에 따라 에너지저장장치 관련 화재 사고가 증가하고 있다. '에너지기술평가원'의 에너지저장시스템 화재 회의보고서에 의하면 최근 발생된 21건의 에너지저장장치 관련 화재 원인은 충전중 배터리내 에너지 집중(서지) 현상에 의한 배터리 폭발 및 이의 연쇄 반응으로 보고되고 있다.
에너지저장장치 내 리튬 이온 배터리는 에너지 밀도가 높아 충격, 과열, 과전류 등에 따른 발화 위험성이 높다. 또한 사용 횟수 및 시간에 따라 점차 열화되어 아크 방전이 발생하며 이로 인해 화재가 발생한다. 에너지저장장치는 대용량으로 화재 발생 시 큰 불이나 인 명 피해로 이어질 수 있으며, 남은 배터리 열량이 완전 소진될 때까지 진화가 어렵고 전소가 돼 끝나는 특징이 있어 경제적 손실도 매우 크다. 따라서 에너지저장장치의 전기안전을 위한 안전장치로서 에너지저장장치용 열화감지시스템이 구비된다.
그러나 종래의 에너지저장장치용 열화감지시스템은 아크 진단에서 오동작이 발생하거나 배터리 내 아크 발생을 초기에 신속하고 편리하게 감지하기가 어렵다는 문제점이 있다.
한국등록특허(10-1579939)
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 에너지저장장치용 열화감지시스템에 있어서 배터리 내 아크 발생을 초기에 신속하고 편리하게 감지하여 에너지저장장치를 보호하기 위한 트레이별 센서의 네트워크 연계 및 모니터링 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 트레이별 센서의 네트워크 연계 및 모니터링 방법은,
각 배터리 트레이별로 설치된 아크 감지 센서들에서 아크를 감지하는 제1단계;
상기 아크 감지 센서들에 의해 감지된 아크 감지 정보가 네트워크를 통해 모니터링부로 송신되는 제2단계;
상기 모니터링부에서 상기 송신된 아크 감지 정보로부터 배터리 트레이별 상태를 확인하고 모니터링하는 제3단계;
각 배터리 트레이별 모니터링 결과에 따라 경보단계를 구분하고 경고 출력부가 상기 경보단계에 따라 정상-주의-심각을 경고하는 제4단계;
를 포함한다.
본 발명은, 아크 감지 센서를 이용하여 에너지저장장치의 배터리에서 발생하는 아크를 감지하고 모니터링 함으로써 배터리 내 아크 발생을 초기에 신속하고 편리하게 감지하여 화재를 미연에 방지하고, 에너지저장장치를 보호할 수 있다.
또한, 각 배터리 트레이별로 설치된 다수의 아크 감지 센서들을 네트워크로 연계시킴으로써 에너지저장장치의 전체적인 모니터링이 가능하여 에너지저장장치의 안전성을 확보할 수 있다.
또한 다른 파장영역의 빛보다 파장이 짧아 노이즈가 적은 자외선을 이용하여 아크를 검출하므로 검출 정확도가 개선된다.
또한, TCP/IP 무선 통신 방식을 이용함으로써 아크 감지 정보의 송수신 시간이 안전하여 신속한 대응이 가능하다.
또한 실시간 모니터링을 통해 실시간으로 발열 의심 영역에서 아크를 감지하므로써 종래의 수작업에 의한 주기적 점검에 비해 화재 사전 예방 효과를 높이고 편의성을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 트레이별 센서의 네트워크 연계 및 모니터링 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 에너지저장장치용 열화감지시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 아크 발생 시 파장 분석을 나타낸 도면이다.
도 4는 RS485통신을 나타낸 도면이다.
도 5는 TCP/IP 무선 통신 방식을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 트레이별 센서의 네트워크 연계 및 모니터링 방법을 자세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 트레이별 센서의 네트워크 연계 및 모니터링 방법은,
각 배터리 트레이별로 설치된 아크 감지 센서들에서 아크를 감지하는 제1단계(S10);
상기 아크 감지 센서들에 의해 감지된 아크 감지 정보가 네트워크를 통해 모니터링부로 송신되는 제2단계(S20);
상기 모니터링부에서 상기 송신된 아크 감지 정보로부터 배터리 트레이별 상태를 확인하고 모니터링하는 제3단계(S30);
각 배터리 트레이별 모니터링 결과에 따라 경보단계를 구분하고 경고 출력부가 상기 경보단계에 따라 정상-주의-심각을 경고하는 제4단계(S40);
로 구성된다.
이하, 제1단계(S10)를 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이 에너지저장장치용 열화감지시스템(10)은 아크 감지 센서(100), 모니터링부(200), 경고 출력부(300)로 구성된다.
에너지저장장치에 배치된 배터리에서 아크가 발생하는 경우 아크의 발생여부를 감지하기 위하여 일반적으로 에너지저장장치용 열화감지시스템(10)이 에너지저장장치 내 빛, 온도, 주파수 등과 같은 환경특성을 분석한다. 이를 위해 가시광선 반응 센서, 자외선 반응 센서, 적외선 반응 센서, 온도 감지 센서 등 여러 가지 방식의 아크 감지 센서(100)들이 이용될 수 있다. 배터리에서 발생하는 아크는 이러한 여러 가지 아크 감지 센서(100)들을 이용하여 여러 방식으로 검출될 수 있다.
아크 검출 방식의 일예로, 도 3 도시된 바와 같이 아크 발생 시 방출되는 빛의 파장을 분석하여 자외선 파장 검출을 통해 아크 발생을 검출한다. 에너지저장장치 내부에서 자외선 영역대에서 발생하는 강한 빛은 아크 발생으로 방출되는 빛으로 판단할 수 있다. 따라서 자외선 검출을 통하여 화재 발생 전 아크를 감지할 수 있다. 자외선은 다른 파장영역의 빛보다 파장이 짧아 노이즈가 적으므로 검출 정확도가 개선된다.
아크로부터 방출되는 자외선을 검출하기 위해 아크 자외선 포집기가 구비될 수도 있다.
아크로부터 방출되는 자외선은 자외선 반응 센서에 의해 감지된다. 자외선 반응 센서는 에너지저장장치 내부에 구비된 배터리들로부터 발생된 아크로부터 자외선을 감지하여 자외선 신호를 출력한다. 자외선 반응 센서는 광전자 방사 원리에 의해 발생되는 자외선을 감지하도록 구성될 수 있다. 광전자 방사 원리는 물체에 빛이 조사될 때 고체 내에 여기 전자를 진공으로 방출시키는 원리이다. 이를 이용하여 기체 증배관 소자가 자외선을 감지한다.
이 외에도 자외선 반응 센서는 광기전력 효과라든가 광도전 효과에 의해 자외선을 감지하도록 구성될 수 있다. 광 기전력 효과는 반도체에 빛이 조사될 때 기전력이 발생하는 원리를 이용하는 것이며 포토 다이오드(photo diode)를 이용하여 자외선을 감지하는 원리이다. 그리고 광도전 효과에 의한 자외선 감지 방식은 반도체에 빛이 조사될 때 자유 전자와 정공이 증가하고 광량에 비례하여 전류가 증가, 빛에 대하여 전기 저항이 변화하는 광도전 효과를 이용한다.
자외선 반응 센서 연계 회로도는 400khz 고속 I2C 기반으로 하며, 데이터 고속 검출을 위한 32BIT MCU 임베디드가 사용된다.
자외선 반응 센서는 약 208-400nm 파장대에 해당하는 자외선에 반응하여 아크를 감지한다. 그러나 이에 한정되지 않으며 315-380nm 또는 280-315nm 등 자외선이 정밀하게 감지되는 파장대를 변경 선택할 수 있다.
자외선 반응 센서는 아크의 주성분인 가시광선, 적외선 및 자외선 중 자외선에 반응하는 동작 특성을 나타내기 때문에 주변의 조명 및 외란광에 의한 영향을 받지 않는다. 따라서 이러한 자외선 반응 센서를 사용하여 아크를 감지할 경우, 이 주변광에 의한 오동작을 방지할 수 있어 정확한 아크 감지가 가능하다.
아크 검출의 방식의 다른 일예로, 전류 및 가시광선 검출을 통해 아크 검출할 수 있다. 이 방식은 노이즈 발생 시 아크 진단에서 오동작 발생한다.
아크 검출의 방식의 다른 일예로, 분포형 온도측정방식으로 감지하는 방식은 에너지저장시스템 배터리 배치 공간에 많은 양의 온도 감지 센서를 전기화재 발생 가능성이 높은 곳에 집중적으로 분포시켜 핫스팟(Hot Spot) 발생을 신속하게 파악할 수 있다. 이 방식은 다수의 온도 감지 센서의 설치가 필요하여 비용이 증가한다.
아크 검출의 방식의 다른 일예로, 온도 감지 센서를 이용한 열화감지방식은 태양광 발전시스템 내 온도 감지 센서의 감지신호를 입력받고 기설정된 기준 온도와 비교 분석하여 다이오드의 열화를 판단하는 비교분석부가 감지한다. 이 방식은 초기 아크 발생 시 온도변화는 거의 없어 초기 감지가 어렵다.
아크를 감지하는 아크 감지 센서(100)들은 각 배터리 트레이별로 설치된다.
이하, 제2단계(S20)를 설명한다.
자외선 반응 센서, 적외선 반응 센서, 온도 감지 센서 등과 아크 감지 센서(100)들이 감지한 아크 감지 정보, 즉 감지된 자외선, 적외선, 온도 등에 관한 정보를 네트워크를 통해 모니터링부(200)로 송신된다. 아크 감지 정보는 아크 감지 센서(100)의 종류에 따라 자외선, 적외선, 온도 등에 관한 다양한 정보를 의미하며 발생시간, 지속시간, 발생양, 변화량 등과 같은 정보가 포함될 수 있다.
아크 감지 정보의 송신에 이용되는 네트워크 기술의 일예로, 네트워크 기술은 시리얼 통신 방식이다. 바람직하게는 도 4에 도시된 바와 같이 1:N 방식의 RS485통신이다. 이 방식은 비용이 저렴하다. 그러나 연결된 센서의 수가 많을수록 시간이 지연되고 장애가 발생할 가능성이 높다.
아크 감지 정보의 송신에 이용되는 네트워크 기술의 일예로, 네트워크 기술은 무선통신 기반 센서 네트워크 기술을 이용한다. 바람직하게는 도 5에 도시된 바와 같이 무선 통신 기반의 센서 네트워크 기술은 TCP/IP 무선 통신 방식이다.
TCP/IP는 인터넷 네트워크의 핵심 프로토콜이다. TCP/IP는 인터넷에서 전송되는 정보나 파일들이 일정한 크기의 패킷들로 나뉘어 네트워크상 수많은 노드들의 조합으로 생성되는 경로들을 거쳐 분산적으로 전송되고, 수신지에 도착한 패킷들이 원래의 정보나 파일로 재조립되도록 한다. 따라서 회선 교환 방식의 취약점, 즉 전송로 중 일부에 문제가 생기면 전송로 전체가 마비되는 한계를 패킷 교환 방식이 극복하게 해준다.
전송 조절 프로토콜인 TCP는 전송할 파일을 좀 더 작은 패킷들로 나누어 인터넷 네트워크를 통해 전송하는 일과 수신된 패킷을 원래의 메시지로 조립하는 일을 담당한다. IP는 각 패킷의 주소 부분을 처리해 패킷들이 목적지에 정확하게 도달하도록 하는 기능을 수행한다.
이하, 제3단계(S30)를 설명한다.
모니터링부(200)는 배터리 트레이별로 설치된 아크 감지 센서(100)로부터 멀리 떨어진 사무실에 배치되며 사무실의 컴퓨터로 구현될 수 있다. 모니터링부(200)는 발열이 우려되는 배터리 트레이별로 설치된 아크 감지 센서(100)로부터 각각의 아크 감지 정보를 취합하여 각 배터리 트레이별 아크 감지 정보에서 신호의 강도 및 패턴을 분석하고 이미지화하여 표시하거나 그래프화하여 표시한다.
모니터링부(200)에서 배터리 트레이별 상태를 확인하고 모니터링하는 것은 실시간으로 이루어진다. 아크 감지 센서(100)는 배터리 트레이에서 아크를 감지하여 관련 정보를 실시간으로 모니터링부(200)로 전송한다. 모니터링부(200)는 실시간으로 아크 감지 센서(100)로부터 전송된 아크 감지 정보를 가공하여 전송한 아크 감지 정보를 화면에 디스플레이하고, 디스플레이된 정보에 대해 발열 감지가 필요한 영역을 설정하여 설정된 영역의 발열을 감지할 수 있다.
한편, 아크 감지 정보를 분석하기 전에 아크 감지 센서(100)로부터 송신된 신호로부터 유입될 수 있는 화이트 노이즈를 분리한다. 아크 감지 센서(100)는 주변의 다른 구성요소나 기타 외란의 영향으로 인해 감지 대상의 특성뿐만 아니라 화이트 노이즈가 유입될 수 있다. 이로 인해 아크 검출에 오작동 유발될 수 있으므로 정밀한 분석을 위해 화이트 노이즈를 제거하는 과정이 추가될 수 있다.
이하, 제4단계(S40)를 설명한다.
아크 감지 정보를 분석하여 배터리 트레이별 상태를 확인한 모니터링부(200)는 모리터링 결과에 따라 경보단계를 구분한다. 경보를 알리는 기준 설정치는 3단계로 구분되어 순차적으로 경보를 알리거나 차단기를 차단하여 화재를 미연에 방지할 수 있다. 모니터링부(200)가 아크 감지 센서(100)로부터 아크 감지 정보를 받으면 정상범위를 기준으로 기준 설정범위를 초과하는 경우 순차적으로 아크 감지 대응 동작이 시작된다. 경보단계는 정상범위 이내인 경우 "정상", 제1 기준설정범위 내인 경우 "주의", 제2 기준설정범위 내인 경우 "심각"으로 구분된다.
경고 출력부(300)는 모니터링부(200)의 경보단계에 따라 "정상"인 경우 "정상"임을 표시하고, "주의"의 경우 1레벨의 경고알림을 표시하고, "심각"인 경우 2레벨의 경고알림을 표시하고 차단기를 작동시켜 배터리에서의 아크 발생을 정지시킨다. 경고알림은 모니터 상에 출력되는 모니터링 프로그램 상에 텍스트로 아크감지를 출력하거나 적색 또는 눈에 띄는 색을 이용하여 경보신호를 출력한다.
10: 에너지저장장치용 열화감지시스템
100: 아크 감지 센서
200: 모니터링부
300: 경고 출력부

Claims (5)

  1. 각 배터리 트레이별로 설치된 자외선 반응 센서들에서 아크를 감지하는 제1단계;
    상기 아크 감지 센서들에 의해 감지된 아크 감지 정보가 TCP/IP 무선 통신 네트워크를 통해 모니터링부로 송신되는 제2단계;
    상기 모니터링부에서 상기 송신된 아크 감지 정보로부터 배터리 트레이별 상태를 확인하고 실시간으로 모니터링하는 제3단계;
    각 배터리 트레이별 모니터링 결과에 따라 경보단계를 구분하고 경고 출력부가 상기 경보단계에 따라 정상-주의-심각을 경고하는 제4단계를 포함하며,
    상기 자외선 반응 센서는,
    기본적으로 208-400nm 파장대에 해당하는 자외선에 반응하여 아크를 감지하되,
    아크를 정밀하게 감지할 때는, 상기 자외선 반응 센서는, 감지하는 자외선의 파장대를 315-380nm 또는 280-315nm로 변경하여, 자외선에 반응하여 아크를 감지하며,
    상기 자외선 반응 센서의 연계 회로도는 400khz 고속 I2C 기반으로 하며, 데이터 고속 검출을 위한 32BIT MCU 임베디드가 사용되는 것을 특징으로 하는 트레이별 센서의 네트워크 연계릍 통한 모니터링 방법.
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