KR102464536B1 - 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 송전용 활선접근 경보 시스템에 관한 것으로, 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일측면에 따르면, 정전유도감응, 자계, 고도, 기압 센서를 통해 데이터를 취득하는 활선접근 경보기; 및 상기 활선접근 경보기에 내장된 전자기장 유도코일 감지센서로 활선상태에서 생성된 전자기장만 저주파 필터링하여 증폭한 신호와 위치기반 고도센서를 접목하고, 현장 상황을 설정하여 연산하는 작업 명령을 순서대로 시행하도록 명령하는 알고리즘을 통하여 분석하는 단말;을 포함한다.

Description

자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템{Live line approach warning system for Magnetic and Electric field Sensor}

본 발명은 송전용 활선접근 경보 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보 시스템에 관한 것이다.

종래, 한국공개특허 제2002-0074295호, '근접 경보발생 시스템'외에 다수 출원 및 공개된 바 있다. 종래기술은 중장비의 외면 소정부에 위치되고, 그 내부의 제 1 적외선 발광소자 및 제 1 적외선 수광소자를 통해 작업자의 접근상태를 감지하여 경보하기 위하여 그 내부에 특정 코드로 기 설정된 적외선 발광신호를 발광시키거나, 기 설정된 특정 코드의 적외선광을 수광하여 신호처리 함으로써 경보를 구동시키기 위한 제 1 근접 경보발생 수단과; 작업자의 신체에 착용되고, 그 외면에 제 2 적외선 발광소자 및 제 2 적외선 수광소자가 부착되어 중장비의 접근상태를 감지하여 경보하기 위하여 그 내부에 특정 코드로 기 설정된 적외선 발광신호를 발광시키거나, 기 설정된 특정 코드의 적외선광을 수광하여 신호처리 함으로써 경보를 구동시키기 위한 제 2 근접 경보발생수단으로 구성되어 근접 상황이 동시에 쌍방향으로 감지되고 경보될 수 있게 된 것을 특징으로 한다.

최근 5년간 한국전력공사로부터 발표한 자료에 따르면 2016년부터 2020년 8월까지 한전 내 발생한 안전사고로 한전 직원 29명과 외주업체 직원 304명 등 333명의 사상자(사망 32명 포함)가 발생한 것으로 집계됐다.

전주를 신설하거나 대규모 정비공사 등 위험성이 높은 업무를 외주업체 직원들이 주로 담당하고 있어 사상자 10명 중 9명이 외주업체 직원이라고 지적했다

사고원인별 살펴보면 사상자 333명 중 34.2%인 감전 사고가 114명, 20%인 추락사고가 67명, 12.6%가 넘어짐 42명 등의 순으로 높았다.

이와 같이 가장 많이 발생하는 사고가 감전사고이다. 현재 사용되고 있는 경보기 실용성을 의심해 볼 수 있는 자료로 이 감전사고율을 줄이고 직원들에 대한 안전성 보장을 좀 더 높여주며 한국전력공사에 대한 안전 이슈를 향상시켜야 할 것으로 보인다.

안전관련법 개정 및 제정(공포)로 경영책임자 처벌수준이 강화되고 산업안전보건법 개정(20.1.16 시행) 및 중대재해처벌법(22.1.1시행)제정 공포로 안전관리시스템 미비등 으로 인한 인명사고 발생시 법인, 사업주, 경영 책임자, 정ㅇ부책임자를 처벌이 강화 되고있어 노동자, 시민의 안전과 생명을 보호하는 사회적 분위기에 경각심을 가져야 할 시점이다.

한전의 경우에도 기존 형사 피의보상 수준에서 지원하던 안전사고의 면책이 경영 책임자(사장, 안전담당 이사 등)으로의 처벌 수준이 강화되고 입증 책임 부여, 전력시설물에 의한 시민피해 발생시 처벌 적용이 가능하는 등 업무부담이 가중될 것으로 예상된다.

전기공사와 관련한 안전관리 법은 산업안전 보건법과 중대 재해처벌법, 전기안전관리법에 명시되어 있으며, 최근 제ㅇ개정을 통해 한층 강화된 산업안전보건법 및 중대재해처벌법은 사업주, 경영책임자의 위험방지 의무를 부과하고, 사업주, 경영책임자가 의무를 위반하여 사망, 중대 재해에 이르게 한때 사업주 및 경영책임자를 형사처벌하고, 해당 법인에 벌금을 부과하는 등 처벌 수위를 강화하고 있다. 이에 따라 안전관리를 한층 강화해야 할 필요성이 대두된다.

기존 송전용 활선접근 경보기는 단순한 감지 센서에 일정량의 전자계가 위험수준에 도달 하면 경보되는 장치로서, 사용 시 주변의 간섭 전자파 혹은 전자계에 의하여 활선에 접근하지 않아도 경보음이 울리는 등 오동작을 하며, 활선 상태에서 전류량에 따라서 자계의 변수로 오동작 되고 있으며, 또한 활선에서 전류의 흐름으로 발생하는 자계는 접지 상태에 따라서 주위에 환경조건(물체, 온도, 습도 등)에 흡수되는 변수로 작용하여 오동작을 일으킨다.

또한 경보기의 검전장치(헬멧 부착형)가 배터리 LOW 상태에서 오동작을 일으키며, 배터리 교체형 구조로써 외부충격과 방수 문제로 인하여 쉽게 고장이 발생하는데 이 또한 오동작의 원인이 된다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하고자 고안한 것으로, 송전용 활선접근 경보 시스템에 있어 오동작의 원인이 되는 문제를 해결하고 안전관리를 강화하는 송전용 활선접근 경보 시스템을 제공함에 목적이 있다.

본 발명에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템은 활선접근 경보기; 및 상기 활선접근 경보기에 내장된 전자기장 유도코일 감지센서로 활선상태에서 생성된 전자기장만 필터링하여 증폭한 신호와 위치기반 고도센서 신호를 수신하고, 현장 상황을 설정하여 경보상태를 선정하는 단말;을 포함하며, 상기 단말은 지상에서 철탑으로 이동시 수직, 수평거리를 감지하여 상기 활선접근 경보기로부터 수신한 높이에 따른 고도/기압의 변화율과 송전선 전압에 따른 자기장 변화율의 데이터를 토대로 경보음을 송신한다.

활선접근 경보기는 일정시간 간격으로 센서의 위치와 자기장의 세기를 측정하여 상기 단말로 전송한다.

단말은 일정시간 간격으로 위치와 자기장을 분석하여 주변 노이즈 상태인지 활선의 자기장 신호인지를 구분하는 파라미터와 state 데이터를 생성하되, 상기 state 데이터에 따라 경보 알람 또는 비상상태 경보 신호를 발생한다.

단말은 높이에 따른 고도/기압의 변화율과 송전전압에 따른 자기장 변화율의 데이터를 토대로 그래프를 만든 후, 상기 그래프의 수치값을 정량화하여 자기장과 고도/기압의 변화율을 토대로 경보 알람 또는 비상상태 경보 신호를 발생한다.

단말은 단말과 경보부를 블루투스 또는 LTE로 연결하는 연결모듈(210), 연결모듈을 통해 연결된 앱(App)상에서 송전전압 선택 후, 기본값을 설정하는 설정모듈(220), 상기 설정모듈을 통해 설정된 앱(App)상에서 센서부로 데이터를 요청하는 요청모듈(230), 경보부로부터 수신하는 환경데이터와 측정데이터를 기반으로 설정모듈의 기본값을 비교하여 그래프로 정규화하는 정규화 처리모듈(240), 일정시간 간격으로 위치와 자기장을 분석하여 주변 노이즈 상태인지 활선의 자기장 신호인지를 구분하는 파라미터를 포함하는 state 데이터를 생성하는 데이터모듈(250), 고도와 자기장의 수치를 토대로 state 데이터의 수치를 상기 정규화 처리모듈의 그래프에 연동하여 등급을 선정하는 위험등급 선정모듈(270) 및 상기 위험등급 선정모듈을 통해 선정된 등급에 따라 알림신호 또는 비상 경보발생신호를 경보부로 전송하는 알람신호 생성모듈(280)을 포함한다.

또한 단말은 상기 정규화 처리모듈을 통해 정규화하는 과정에서 주변 노이즈 상태인지 활선의 자기장 신호인지를 구분하는 파라미터로 노이즈 데이터를 판별하여 제거하는 노이즈 판별모듈(260)을 더 포함한다.

활선접근 경보기는 센서를 통해 기압을 측정 후, 고도를 산출하는 환경 데이터와 0.1초 간격으로 센서의 위치와 자기장의 세기를 측정하는 측정 데이터를 생성하는 측정모듈(110), 상기 센서 중, 전자기장(정전유도감응+자계)과 고도, 기압 센서를 통해 취득된 데이터를 기반으로 설정되는 기본값에 적용하여, Flag register를 통해 0단계부터 9단계의 값을 얻는 동작로직모듈(120), 상기 환경 데이터와 측정 데이터를 실시간으로 전송하는 전송모듈(130) 및 상기 단말로부터 수신하는 알림신호 또는 경보발생신호를 출력하는 출력모듈(140)을 포함한다.

본 발명에 따르면, 송전용 활선접근 경보 시스템에 있어 오동작의 원인이 되는 문제를 해결하고 안전관리를 강화하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템을 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템의 경보기 및 스마트폰을 통한 자기장 감지과정에서의 노이즈 데이터를 정규화 데이터로 처리하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템의 형상을 나타낸 도면이다.
도 7은 홀 효과를 나타낸 도면이다.
도 8은 자기장 측정을 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템에서 자기장 센서의 스위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템의 자기장 측정 실험을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 Data Studio에서 측정한 데이터 그래프이다.
도 12는 정전유도감응기 처리 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 13은 주파수 변조 연속파 전파고도계 블록도를 나타낸 도면이다. 동작원리(주파수 변조 연속파 방식)를 살펴보면 다음과 같다.
도 14는 MEMS 기압계 회로를 나타낸 것이다.
도 15는 고속 전송기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템에서, 활선접근 경보기의 MCU를 나타낸 도면이다.
도 17은 리튬-이온 배터리 구조를 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 19는 본 실시예에 따른 시스템의 2차(쌍극)필터를 나타낸 도면이다.
도 20은 본 실시예에 따른 시스템의 자계측정 센서의 형상을 나타낸 도면이다.
도 21은 본 실시예에 따른 시스템의 정전유도감응의 형상을 나타낸 도면이다.
도 22는 본 실시예에 따른 시스템의 고도측정 센서의 형상을 나타낸 도면이다.
도 23은 정전용량식 셀 구조를 나타낸 도면이다.
도 24는 기압측정 센서의 제품형상 및 설계도를 나타낸 도면이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 스마트폰 앱 화면을 나타낸 도면이다.
도 26은 활선접근 경보기 작동 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템의 기본값 셋팅을 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 설명을 생략하였다.

본 발명에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템은 정전유도감응, 자계, 고도, 기압 센서를 통해 데이터를 취득하는 활선접근 경보기 및 상기 활선접근 경보기에 내장된 전자기장 유도코일 감지센서로 활선상태에서 생성된 전자기장만 저주파 필터링하여 증폭한 신호와 위치기반 고도센서를 접목하고, 현장 상황을 설정하여 연산하는 작업 명령을 순서대로 시행하도록 명령하는 알고리즘을 통하여 분석하는 단말(또는 본체)을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템은 활선접근 경보기(100), 단말(200)을 포함한다.

본 실시예에 따른 시스템의 최신 AI 알고리즘을 설명하면, 다음과 같다. 활선접근 경보기는 0.1초 간격으로 센서(헬멧)의 위치와 자기장의 세기를 측정하여 스마트폰인 단말로 전송한다. 이후, 단말에서 1분 간격으로 위치와 자기장을 분석하여 주변 노이즈 상태인지 활선의 자기장 신호인지를 구분하는 파라미터와 state 데이터를 저장한다. state 데이터가 5가 되면 경보 알람, 9가 되면 비상상태 경보 신호를 발생하는 알고리즘을 수행한다. 이러한 알고리즘은 높이에 따른 기압의 변화율과 전압에 따른 자기장 변화율의 데이터를 토대로 그래프를 만든 후 여러번의 실제 테스트로 기존 그래프의 여러 수치값을 정량화시킨다. 정량화시킨 그래프가 알고리즘의 핵심이다. 기존에 제품의 문제는 자기장의 변화율만으로 계산해서 알림을 준다면, 본 제품은 자기장과 기압의 변화율을 토대로 계산을 해서 알림을 주기 때문에 송전철탑 높이와 주변 환경(기압등)이 바뀌더라도 정확도를 높일 수 있다.

활선접근 경보기(100)는 내장된 전자기장 유도코일 감지센서, 위치기반 고도센서 등으로 생성된 측정데이터를 스마트폰인 단말(200)로 전송한다. 이러한 기능을 수행하기 위한 활선접근 경보기(100)는 측정모듈(110), 동작로직모듈(120), 전송모듈(130), 출력모듈(140)을 포함한다.

측정모듈(110)은 센서를 통해 기압을 측정 후, 고도를 산출하는 환경 데이터와 0.1초 간격으로 센서(헬멧)의 위치와 자기장의 세기를 측정하는 측정 데이터를 생성한다.

동작로직모듈(120)(ALU)은 측정모듈의 센서 중, 전자기장(정전유도감응+자계)과 고도, 기압 센서를 통해 취득된 데이터를 기본으로 기본값 설정시 아래 0에 해당하는 기본값에 적용하여, Flag register를 통해 0단계부터 9단계의 값을 얻는다.(기본 값은 현재 높이와 자계 및 정전유도감응기의 수치를 말한다.)

기존 방식은 단순하게 환경 값을 받아오기 때문에 Noise 데이터가 섞여 있어 오동작의 횟수가 많았지만, 본 실시예에 따른 시스템에서는 기본값(현재 높이와 자계, 전계 수치)을 설정한 후, 데이터를 받아올 때 지상에서의 방해파, 간섭파를 구별하기 위한 계산을 하게 된다. 급격한 변수의 변화율을 감지하면 이를 잡음으로 인식하고 해당 데이터를 그래프의 정규화하는 과정에서 제거하므로써 전압별 안전거리(접근 한계거리)를 인식하고 경보를 발생하게 된다. 이러한 동작로직모듈은 활선접근 경보기의 MCU로서, 임베디드 애플리케이션을 위해 설계되었으며, 개인용 컴퓨터가 다양한 요구에 따라 동작하는 일반적인 일에 사용된다면, MCU는 기능을 설정하고 정해진 일을 수행하도록 프로그래밍되어 장치 등에 장착되어 동작한다.

전송모듈(130)은 환경데이터와 측정데이터를 단말(200)에 실시간으로 전송하는 구성이다.

출력모듈(140)은 단말로부터 수신하는 위험등급선정에 따라 알림신호 또는 경보발생신호를 출력하는 구성이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 자기장(정전유도+자계)센서와 고도계, 기압계에서 센싱한 데이터를 프로그밍된 자체 알고리즘에 의해 처리하고 최적의 값(안전 접근거리 계산) 후 경보를 발생시키고 BLE 5.0 기술을 이용하여 앱에 전송한다.

단말(200)은 활선접근 경보기에 내장된 전자기장 유도코일 감지센서로 활선상태에서 생성된 전자기장만 저주파 필터링하여 증폭한 신호와 위치기반 고도센서 신호를 수신하고, 현장 상황을 설정하여 경보상태를 선정하여 활선접근 경보기로 신호를 전송하여 경보를 발생시키도록 하는 구성이다.

이러한 기능을 수행하기 위한 단말(200)은 연결모듈(210), 설정모듈(220), 요청모듈(230), 정규화 처리모듈(240), 데이터모듈(250), 노이즈 판별모듈(260), 위험등급 선정모듈(270), 알람신호 생성모듈(280)을 포함한다.

연결모듈(210)은 단말과 활선접근 경보기를 Bluetooth 5.0과 LTE기반을 활용하여 연결하는 구성이다.

설정모듈(220)은 연결모듈을 통해 연결된 앱(App)상에서 전압 선택 후, 기본값을 설정하는 구성이다.

요청모듈(230)은 설정모듈을 통해 설정된 앱(App)상에서 활선접근 경보기로 데이터를 요청하여 수신하는 구성이다.

정규화 처리모듈(240)은 환경데이터와 측정데이터를 기반으로 단말(200)의 App상에서 설정되는 기본값을 비교하여 그래프로 정규화하는 구성이다.

데이터모듈(250)은 현재 고도를 시작 지점 0의 state로 저장하고, 1분 간격으로 위치와 자기장을 분석하여 주변 노이즈 상태인지 활선의 자기장 신호를 구분하는 파라미터를 포함하는 state 데이터를 생성한다.

노이즈 판별모듈(260)은 정규화 처리모듈을 통해 정규화하는 과정에서 주변 노이즈 상태인지 활선의 자기장 신호인지를 구분하는 파라미터로 노이즈 데이터를 판별하여 제거하는 구성이다.

위험등급 선정모듈(270)은 고도와 자기장의 수치를 토대로 state 데이터의 수치를 상기 정규화 처리모듈의 그래프에 연동하여 등급을 선정하는 구성이다. 이때 위험등급은 설정모듈을 통해 설정된 기본값에 따라 특정 위치별 안전수치 단계의 값을 생성하되, 정규화 처리모듈을 통해 정규화된 데이터의 전압별 접근 한계거리에 따라 경보등급을 알림신호 또는 비상 경보발생신호로 선정한다.

알람신호 생성모듈(280)은 위험등급 선정모듈을 통해 선정된 등급에 따라 알림신호 또는 경보발생신호를 활선접근 경보기로 전송하는 구성이다.

본 실시예에 따른 활선접근 경보 시스템을 살펴보면 다음과 같다.

활선이라 함은 설비가 전기 에너지원에 연결됨으로써 전압을 보유한 상태이며. 한편, 활선작업이라 함은 노출 충전된 도체나 기기 등을 작업자의 보호구착용 여부와 관계없이 손, 발 또는 신체의 기타 부분으로 만지거나 시험 기기로 접촉하는 행위를 말한다. 이러한 작업을 수행하는 경우에는 근로자에게 개인용 보호구를 지급하여 착용케 하거나, 절연용 버킷 절연 사다리를 이용한다.

아울러 활선상태를 확인하기 위하여 활선 검지/경보기(전압검출기, 검전기)를 부가적으로 사용한다. 이때 무전압 임을 확인하기 위해 적합한 사용전압 내의 검전기를 사용하여야 한다.

활선접근 경보기는 충전된 전선로 휴전작업 중 작업자의 착각 또는 오판 등으로 충전된 기기, 전로에 근접시 감전위험을 경고하는 장치이다.

송전선로에 전압이 인가되고 전류가 흐르면 발생하는 전자계(정전유도,자계)를 감지하는 센서를 통해 일정 이상의 세기가 감지되면 위험을 알리는 경보음을 발생한다.

그러나 현재 배전용 활선접근 경보기는 각 공사 현장에서 활발히 활용하고 있으나 송전용은 운영기준 부재, 미활용, 기존 개발제품의 사용 오차 과다, 오동작 발생으로 활용하지 못하고 있다.

한편, 중장비 접근제한 장치로는 중장비 전력선 접근 경보장치로서, 절연 행거장치를 이용하여 전력선에 직접 설치하여 중장비 접근시 다기능 장치(중장비 동작 감지기, 접근경고장치(음향, LED)), CCTV 등을 활용하여 접근을 제한한다.

국내의 산업현장에서 사용되고 있는 일부의 활선 검전기 및 경보기들의 외형과 그 특성을 살펴보면, 작업의 형태나 사용목적에 따라 그 형태나 특성을 달리하고 있다.

현재 산업현장에서 사용중인 활선접근 경보기는 사진에서 언급했듯이 대부분 저압용(220V) 및 배전용(22.9kV)으로 사용되어지고 있으며, 송전용(154kV, 345kV, 765kV) 경보기는 기술력 또는 분석 알고리즘 부재로 과다오차 및 전자기기 전자파에서 오동작하여 사용되어지지 않고 있다.

국외(해외)의 경우도 국내 기술과 유사한 저압(220V) 및 배전용(22.9kV) 활선접근 경보기가 사용되고 있으며, 검전기용으로 Hot Stick에 설치후 음향, 발광 방식의 240V/2kV/6/11/22/33/132/275kV 범위의 비접촉식 검전기가 사용되고 있으나 이는 활선접근 경보기와는 다른 기술이다.

또한 한전에서 자체 제안에 의해 제작된 중장비 전력선 접근 경보장치는 절연 행거장치를 이용 전력선에 직접 설치하여 중장비 접근시 다기능 장치(중장비 동작 감지기, 접근경고장치(음향, LED)) 및 CCTV등을 활용 접근을 제한하나, 전력선에 직접 설치 사용한다는 점에서 이 또한 활선접근 경보기와는 다른 기술이다.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템의 기술적인 측면을 설명하면 다음과 같다.

기존 방식은 전자파, 전자계, 온도, 습도, 장애물 등 환경조건에 따라 잘못된 경보를 울리기 때문에 거의 사용할 수 없을 수준이다. 그러나, 새로 개발되는 송배전용 활선접근 경보기 운영방식은 동적인 환경변수들을 즉각 계산하고 반영하여 기술적인 측면에서 정확도가 대폭 상승할 것으로 보인다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템을 비교하여 설명하기 위한 도면이다.

본 실시예에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템은 디지털 장치 회로가 내장되어 있어 측정 데이터(정전유도, 자계, 외부환경 변수 등)를 저장 및 출력 전송이 가능하며, 체계적으로 안전관리 신뢰성을 담보할 수 있다. 또한 본 실시예에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템은 전기절연, 중량 및 강도, 제작, 사용 편의성을 높여 활용가치 상승이 가능하고, 손쉬운 사용(장착) 및 Bluetooth 5.0과 LTE기반을 활용한 핸드폰과의 데이터 송수신으로 사용자 편의성 확보가 가능하다.

또한 전주를 신설하거나 대규모 정비공사 등 위험성이 높은 업무를 외주업체 직원들이 주로 담당하고 있어 사상자 10명 중 9명이 외주업체 직원이며, 이중 가장 많이 발생하는 사고가 감전사고이다. 현재 사용되고 있는 경보기의 실용성을 의심해 볼 수 있는 자료이다. 이 감전 사고율을 줄이고 직원들에 대한 안전성 보장을 좀더 높여주며, 한국전력공사에 대한 안전 이슈를 높혀줄 수 있을 것으로 보인다.

또한 한층 강화된 산업안전보건법과 중대 재해처벌법은 사업주, 경영책임자의 위험방지 의무를 부과하고, 사업주, 경영책임자가 의무를 위반할 시에 형사처벌하고, 벌금을 부과하는 등 처벌수위를 명시하고 있다.

이는 한전 발주공사의 도급수급인인 협력회사, 한전KPS, 입찰공사 전문 회사등도 포함된다. 따라서 한전도 본 기술을 적용하여 안전관리에 선제적 대응을 할 수 있게 된다.

사회 경제적 측면에서 보면 활선접근 경보기 착용은 안전사고 예방으로 사회적 손실을 줄일 수 있으며(387,036천원/인/년), 전기공사 현장 뿐 아니라 공업계측, 환경 제어분야 등 전반적인 산업 시설등 다양한 응용기술 확대를 기대할 수 있다. 이에 본 실시예에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템은 활선접근 경보기에 대한 AI기반 기술을 국산화함으로써 해외수출 등 부가가치 창출이 가능하다.

위의 기술적 측면과 사회적, 산업적 측면의 기댓값으로 미루어 보아 한국전력공사의 이미지 상승과 새로운 방식을 도입하여 헬멧의 올바른 사용을 할 수 있을 것으로 기대된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템의 원리를 설명하기 위한 도면이다. 본 실시예에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템은 기존 활선접근 경보기의 오동작으로 인한 감전 안전사고를 90% 이상 줄일 수 있는 최신 AI기술을 접목한 시스템 개선 방안을 제안하고자 한다.

도 3에 도시된 바와 같이 송전용 활선접근 경보 시스템은 정전유도감응, 자계, 고도, 기압 센서로 데이터를 취득하고, 최신 알고리즘이 내장된 MCU에서 연산하여 BLE5.0 기술로 App.에 전송하여 표현(경보)한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 이러한 경보기 및 스마트폰에 내장된 기술을 토대로 활선접근경보기와 스마트폰으로 구분하여 설명하면 다음과 같다.

활선접근 경보기는 송전선로의 자기장을 감지한다. 스마트폰은 철탑높이, 전압, 경보음 기준값(cm)을 설정한다. 이에 경보기에서 선로와 주변의 자기장을 검출하여 스마트폰으로 송신한다. 스마트폰은 경보기로부터 수신하는 검출데이터를 기반으로 철탑 높이, 전압 등을 비교해서 선로의 자기장을 검출한다. 이에 활선접근 경보기는 가변적인 철탑 높이와 수평거리를 감지하고, 스마트폰에서 단계별 경보음 송신과 자체 경보를 발생시킨다. 이러한 송전용 활선접근 경보 시스템은 작업자가 지상에서 철탑으로 올라갈 때 수직, 수평거리를 감지하여 경보기로부터 수신한 데이터를 스마트폰에서 알고리즘으로 연산하여 단계별로 경보음을 송신(스마트폰->활선접근 경보기)한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템의 경보기 및 스마트폰을 통한 자기장 감지과정에서의 노이즈 데이터를 정규화 데이터로 처리하는 과정을 나타낸 도면이다.

활선접근 경보기에 내장된 전자기장 유도코일 감지센서로 활선상태에서 생성된 전자기장만 저주파 필터링하여 증폭한 신호와 위치기반 고도센서를 접목하고, 현장 상황을 설정하여 연산하는 작업 명령을 순서대로 시행하도록 명령하는 알고리즘을 통하여 분석함으로써 정확도를 높이고, 스마트폰을 기반으로 디바이스 단가를 낮추어 실용성을 높일 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템의 형상을 나타낸 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 송전용 활선접근 경보 시스템의 형상은 손목 부위, 벨트 부위, 헬멧 등으로 제작될 수 있다.

본 실시예에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템의 구성을 살펴보면 다음과 같다.

자계센서, 정전유도감응센서, 고도센서, 기압센서, 본체, 앱(App)으로 분류할 수 있다. 자계센서는 자기장 센서의 프로브(probe)로 자기장을 측정한다. 정전유도감응센서는 내부 전극 사이 부유용량, 경보기와 인체 접지간의 정전용량을 통해 정전유도 수준을 측정 한다. 고도센서는 주파수 변조 연속파(FMCW) 전파 고도계를 활용하여 신호처리를 한다. 기압센서는 고도에 따라 달라지는 기압을 바탕으로 기압을 측정한다. 본체는 자계, 정전유도감응, 고도, 기압센서를 연결하고, 연결된 센서의 각 측정 데이터를 블루투스 저전력 프로토콜(BLE, Bluetooth Low Energy)로 스마트폰(단말)의 앱(App)으로 전송한다. 앱(App)은 전압, 고도 설정, 자기장, 전계계산, 고도 및 기압 기록, 위험 상황 발생시 스마트폰(단말)을 통해 알람을 발생한다.

자기장(자계)측정 센서는 최대

200μT(

2gauss)의 자기장을 측정한다. 수직, 수평 방향의 자기장을 선택적으로 측정할 수 있다. 자기장 센서는 홀 효과(Hall effect)를 이용하여 자기장을 측정한다.

도 7은 홀 효과를 나타낸 도면이다. 도 6과 같이 전류가 흐르는 전도체 또는 반도체에서 전류의 방향에 수직으로 자기장이 작용하면, 자기력에 의해 전하 운반자(charge carrier)가 한 쪽으로 몰리는 현상이 발생한다. 따라서 전도체 또는 반도체 양 단의 전하밀도가 달라지게 되며 이로 인해 전위차가 발생한다. 이를 홀 효과(Hall effect)라고 한다. 따라서, 전도체 또는 반도체에 흐르는 전류의 크기와 양단의 전위차를 측정하면 자기장의 세기를 측정할 수 있다.

도 8은 자기장 측정을 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템에서 자기장 센서의 스위치를 설명하기 위한 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 자기장 센서의 프로브(probe) 내부에는 두 개의 측정 소자가 위치하며 각각 프로브의 수직 방향과 축 방향의 자기장을 측정한다. 프로브 표면의 하얀색 점은 각 소자의 측정 중심을 표시한다. 자기장 센서에 내장된 스위치의 기능은 다음과 같다. 선택 스위치는 RADIAL, AXIAL, TARE, 1X, 10X, 100X로 구성된다. RADIAL은 수직방향의 자기장을 측정한다. AXIAL은 수평 방향의 자기장을 측정한다. TARE은 영점 조정한다. 1X는 측정범위

0.1T (분해능 5

10-5T), 10X는 측정범위

0.01T (분해능 5

10-6T), 100X는 측정범위

0.001T (분해능 5

10-7T)이다. 적용규격으로는 KS C 1003(랜덤샘플링), IEC 60068-2(내한,내열), IEC 60076-3(절연), 60212(고체절연 표준)이다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템의 자기장 측정 실험을 설명하기 위한 도면이다.

자기장 측정에 있어 직선 도선에서의 자기장을 살펴보면, 다음과 같다. 직선 도선에 전류가 흐를 때, 도선 주위에 발생하는 자기장 분포곡선을 엑셀을 사용하여 그려보면, 이상적인 직선도선(반지름R→0)의 경우, 도선 주위의 자기장은 다음의 공식에 따라 분포한다.

[수식1]

그러나 실제 도선은 일정한 반경 R이 존재하며, 도선 내부 및 외부의 자기장은 다음과 같이 도체의 중심에서 자기장은 0이고, r=R까지는 선형적으로 r에 비례해서 증가하며, r=R을 넘어서면서 1/r로 감소한다.

[수식2]

[수식3]

실험에서는 도선 내부의 자기장을 측정할 수는 없으므로, 실제로는 반경 R 이상의 거리에서부터 측정됨을 염두해둔다. Data Studio에서 측정한 데이터를 사용, Excel을 활용하여 실측값 및 이론값의 자기장 분포 곡선을 그려보면 도 11과 같다. 도 11은 Data Studio에서 측정한 데이터 그래프이다.

본 실시예에 따른 시스템의 정전유도감응 센서를 설명하면 다음과 같다.

정전유도감응 센서의 구성은 경보기 전극, 레벨검출, 단속회로, 음향회로로 구성되며, 구동전원으로 리튬이온 전지를 사용한다. 센서타입으로 60Hz 에서 20kHz 측정이 가능하다. 충전체(전력선)와 경보기 내부의 전극 사이의 부유용량 Co1과 경보기와 인체 접지간의 정전용량 Co2를 통해 나간 전류 Io를 검출하여 동작한다. 전계를 측정하는 방법은 송전선 원형도체에 154kV, 345kV, 765kV 전압이 인가 되었을 때 디지털 3축 측정방식을 채택한다. 방향탐지(지향성)는 등방향성(균등) 특성을 채택한다. 측정범위는 연속측정 정렬방식으로 하며, 표시 분해능은 0.1mV/m, 0.1

, 0.1

, 0.001

으로 한다. Setting 시간은 일반적으로 1초이며, 0~90% of meas. 값을 가진다. 측정단위는 mV/m, V/m,

, mA/m,

, mW/m2,

으로 다양하다. 자체 테스트 스위치를 내장하여 동작여부를 확인할 수 있다. 도 12는 정전유도감응 센서 처리 다이어그램을 나타낸 도면이다.

다음의 표1에서는 항목별 전계측정을 나타내었다.

(표1)

고도계(고도측정 센서)를 설명하면 다음과 같다.

고도계는 높이 올라감에 따라 기압이 낮아지는 원리를 이용한 기압고도계(Barometric Altimeter)다. 기압은 해면에서 1기압(=1013헥토파스칼=millibar), 해면온도가 15℃일 때를 기준으로 하여 고도가 9m 상승할 때마다 약1헥토파스칼씩 떨어지는 것으로 알려져 있다. 고도계는 피토관(Pitot Tube)의 정압공(static hole)이라는 작은 구멍을 통해 바깥 기압을 감지하고, 그 정보를 바탕으로 고도를 계산해서 고도계에 나타내는 구조로 되어있다. 기압고도계에 의한 고도는 일종의 가상 고도라는 것이다. 기압은 대기의 상태나 해면온도의 변화에 따라 쉽게 변하기 때문이다. 따라서 이 고도는 오차가 발생하기 쉽다.

오차 감소방안을 살펴보면 다음과 같다. 예를 들어 고도계에 40,000피트로 표시되어 있어도, 실제로는 39,000피트 상공을 날고 있을 가능성도 있는 셈이다. 고도계는 항공기 또는 고도계도 같은 기준에 근거한 기압고도계를 사용하고 있다. 기본적으로, 고고도(2만9000피트= 약 8800m 이상)를 비행하는 모든 항공기는 기압고도계의 기준을 1기압으로 설정해둔다. 이렇게 해두면 모든 고도에 오차가 생기는 방법도 같아진다. 실제의 고도와 상관없이 고도계에 표시된 40000 피트상공을 비행하고 있는 항공기는 주위에 자신밖에 없다는 것이다. 만일 실제로 3만9,000피트를 날고 있다고 하더라도 고도계에 표시된 39000피트를 비행하고 있는 다른 항공기와 부딪칠 일은 없다. 그 항공기는 실제로는 3만9000피트보다 낮은 고도를 유지하고 있기 때문이다. 또한 관제사는 항공기간의 비행 간격을 정해주고 있다. 고도계는 고고도에서 수평(전후)방향으로 5마일 (약9.26km), 수직방향으로 1000~2000피트(약610~1,220m)를 두게 된다.

기압고도계와는 달리, 항공기에서 발사한 전파가 지표에 부딪쳐 돌아올 때까지의 시간을 측정하는 전파고도계도 있다. 이것은 저공(2500피트= 약760m 이하)에서는 매우 정확한 수치를 나타내기 때문에 절대 고도계라고도 불리며, 이착륙 단계에서 사용한다. 따라서, 이번 본 실시예에서 채택할 고도계는 저공(2500피트= 약760m 이하)에서 매우 정확한 수치를 나타내는 전파고도계를 기본으로 하여 응용한 주파수 변조 연속파(FMCW) 전파고도계를 사용하고자 한다.

도 13은 주파수 변조 연속파 전파고도계 블록도를 나타낸 도면이다. 동작원리(주파수 변조 연속파 방식)를 살펴보면 다음과 같다.

주파수 변조 연속파(FMCW) 전파 고도계의 신호처리 알고리즘 및 실용적 평가 방안을 기본으로 한다. 전파고도계는 초기에 탐색 모드로 동작하여 고도를 탐색하고, 유효한 고도가 탐색되면 추적모드로 전환되어 측정된 고도를 표시한다. 고도 탐색/추적 시 기준고도 또는 추적 고도에 따라 변조 대역폭을 제어함으로써 비트 주파수 대역폭을 제한하며, 송신출력과 수신이득의 제어를 통해 고도 변화에 따라 늘어난 수신 전력의 동적 범위를 보상하도록 설계한다. 추적 모드에서는 상대적으로 저고도에서 송신 전력 및 수신 이득 제어를 통해 넓은 고도 범위와 낮은 감청 확률(LPI: Low Probability of Intercept)의 결과를 가져온다.

다음의 표2에서는 FMCW 방식의 센서 비교를 나타낸 표이다.

(표2)

표 2의 적용규격으로는 IEC 60068-2(내한,내열), IEC 60076-3(절연), 60212(고체절연 표준)이다.

본 실시예에 따른 시스템의 기압계(기압측정 센서)에 있어서, 기압계 대기압은 해수면에서의 높이에 따라 결정된다. 이러한 기압계는 이 원리를 이용하여 사용된다. 일반적으로 GPS 센서를 사용하여 고도를 매우 정밀하게 측정할 수 있으며, 온도, 습도, 시간, 날씨 변화 등을 알려주는 다기능 기압계가 사용되어 진다.

참고로, 기압계는 대기를 측정하는 장치로서, "기압계"라는 단어는 "무게"와 "측정 값"을 의미하는 그리스어 단어에서 유래되었다. 기압계에 의해 기록된 대기압의 변화는 기상학에서 기상 예보를 위해 가장 자주 사용된다.

본 실시예에 따른 시스템의 기압계 유형을 살펴보면 다음과 같다.

수성 기압계는 대부분 물이 반쯤 채워진 밀봉 된 유리 볼로 구성되며 공의 몸체는 수위 아래에서 좁은 주둥이로 연결되어 수위 위로 올라가 공중에 열려 있다. 스파우트의 수위는 유리 구가 밀봉되었을 때 보다 대기압이 낮을 때 상승하고, 공이 밀봉되었을 때의 압력을 초과하면 공기압이 떨어진다. 수은 기압계는 한쪽 끝이 닫혀있는 유리관을 사용하여 공기에 개방된 수은으로 채워진 저장소에 서 있다. 수은 기압계는 수중 기압계와 동일한 원리로 작동하지만 수은 기압계보다 읽기 쉽고 민감하다. 진공 펌프 오일 기압계는 증기압이 매우 낮은 진공 펌프 오일을 사용하는 액체 기압계이다. 무액 기압계는 액체를 사용하여 압력을 측정하지 않고 대신 유연한 금속 캡슐의 팽창 또는 수축에 의존하는 기압계 유형이다. barographs는 무액 기압계를 사용하여 펜이나 바늘을 움직여 압력변화 그래프를 만든다. 이외에 MEMS (microelectromechanical systems) 기압계, 폭풍우 안경 또는 괴테 기압계, 스마트 폰 기압계 등이 있다. 바람직하게 본 실시예에서는 성능과 특성이 우수하고 소형이며, 간편한 MEMS (microelectromechanical systems) 기압계를 채택하여 내장할 수 있다.

기압과 날씨의 관계에서, 기압은 지구 표면을 누르는 대기의 무게를 측정한 것이다. 이에 따라 높은 대기압은 아래로 향하는 힘이 있고, 공기가 아래로 압력을 가한다는 것을 의미한다. 공기가 아래로 이동하면 따뜻해져 구름과 폭풍의 형성을 억제하는데, 기압계가 지속적인 고압 판독 값을 등록하는 경우 높은 압력은 일반적으로 맑은 날씨를 의미한다.

기압이 떨어지면 공기가 상승 할 수 있다. 상승함에 따라 냉각되고 수분을 유지하는 능력이 떨어진다. 구름 형성과 강수량이 유리해진다. 따라서 기압계가 압력 강하를 기록할 때 맑은 날씨가 구름으로 변할 수 있다.

데이터 취득부의 기압계 사용 방법은 단일 기압 측정값이 너무 많은 것을 알려주지는 않지만, 기압계를 사용하여 며칠 동안 측정 값을 추적, 날씨 변화를 예측할 수 있다. 압력이 일정하게 유지되면 날씨 변화가 없을 것이며, 압력의 극적인 변화는 대기의 변화와 관련이 있다. 고도에 따라 기압은 달라지므로 기압을 바탕으로 고도를 측정할 수 있다. 고도가 높아지면 기압이 낮아지고 고도가 낮아지면 기압이 높아지는 원리를 이용하는 것이다. 이를 기압고도(Pressure Altitude)라고 하며, BMP180센서를 활용하고 I2C (InterIntegrated Circuit) 통신 프로토콜을 통해서 데이터를 추출한다.

개발하고자 하는 제품의 spec과 회로도를 살펴보면, 다음의 표 3과 도 14에 도시된 바와 같다. 도 14는 MEMS 기압계 회로를 나타낸 것이다.

(표 3)

적용규격은 IEC 60068-2(내한,내열), IEC 60076-3(절연), 60212(고체절연 표준)이다.

본 실시예에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템의 송전용 활선접근 경보기는 헬멧용 검전기 장치에 블루투스 5.0 장치를 적용 스마트폰과 통신하는 알고리즘을 탑재한 송전용 활선접근 경보기이다.

블루투스 5.0에서, 긴 거리 전송 기술은 블루투스 4.2이하 버전에서는 전송거리 제약(약 10미터 이내)인 최대 전송 전력이 10mW이었으나 블루투스 5.0 에서는 이를 100mW로 개선하여 WiFi 및 다른 2.4G 대역의 무선 기술과의 간섭에 더욱 강하게 동작할 수 문제를 해결하여 최소 수십 미터에서 최대 수백 미터 전송 가능한 저전력 블루투스 5.0을 채택함으로 위급한 상황에서 안전한 검전기 기능을 발휘하도록 설계한다.

도 15는 고속 전송기술을 설명하기 위한 도면이다.

저전력 블루투스의 낮은 전송속도(1Mbps)로 인한 낮은 데이터 전송률(약300kbps) 문제 해결 및 기기의 전력 효율을 개선하기 위해 블루투스 5.0 방식을 채택한다. (기존의 블루투스 4.2 방식의 전송 속도인 1Mbps인데 비하여 블루투스 5.0 방식은 2Mbps로 빠른 정보 전달로 안전한 검전 기능을 수행할 수 있다.)

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템에서, 활선접근 경보기의 MCU를 나타낸 도면이다.

본체 MCU(Micro Controller Unit)는 전자기장(정전유도감응+자계)와 고도계, 기압계에서 센싱한 데이터를 자체 알고리즘에 의해 처리(연산)하고 최적의 값을 산출한 후 BLE 5.0기술을 이용하여 핸드폰 앱에 전송한다. 여기서, 자체 알고리즘에 따른 동작로직 및 MCU 구성은 도 16에 도시된 바와 같다. 도 16에 도시된 바와 같이, 활선접근 경보기는 자기장(전계+자계)과 고도, 기압 센서를 통해 취득된 데이터를 기본으로 기본값 설정시 아래 0에 해당하는 기본값에 적용하여, Flag register를 통해 0단계부터 9단계의 값을 얻는 동작로직의 알고리즘을 수행한다.

스펙(spec)을 살펴보면, MCU는 DC 15V 동작전원으로 모듈형 드라이브 IC를 가지고 있으며 전원 공급 장치는 3-5V로 내부 드롭 아웃 레귤레이터를 자가진다. 모듈 크기는 15.5 mm * 11.5 mm, 2.54mm 피치이다. 내장 작동 시간 편차 자기 센서 보정 알고리즘 기술을 가지며, 프로그램 제어 인터럽트 지원 제스처 인식, 패닝, 화면 줌, 스크롤, 빠른 감소 인터럽트, 높은 G 인터럽트, 제로 모션 센서, 터치 감지 흔들어 감지 기능을 내장한다. 3축 자이로와 가속도계의 통합형 6축 동작 감지 소자를 이용해 시스템 성능 향상 및 소비 전력을 감소시킬 수 있도록 제작된다. 일반 CPU 대비 60%의 전력 감소, 45%의 크기 감소의 특성을 갖는다.

스마트폰 앱의 기본정보 값은 다음 표 4와 같다.

(표 4)

데이터 처리 흐름을 살펴보면, 본 실시예에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템은 로그인 정보, 소속, 연락처, 알림 여부, 장비 페어리의 제1 단계, 사용전압, 목표고도 설정 목표 자기장 자동 계산, 지상의 고도 및 자기장 기록, 이동시 마다 현재의 고도, 자기장 표출(알림), 위험 상황 발생시 알람 발생의 제2 단계, 데이터는 자동 기록, 원하는 데이터에 대해 선택 가능, 시간대별 고도와 자기장 표출(알림)의 제3 단계를 포함한다.

본 실시예의 시스템에서 리튬-이온 배터리 기술을 살펴보면, 기존 활선접근 경보기에 사용되는 리튬전지는 가벼운 장점은 있지만 전류용량이 적어 빈번히 교체해야 한다. 교체를 쉽게 하려는 뚜껑은 반복 사용함으로 인한 쉽게 분리되는 문제점과 현장에서 작은 충격으로 인해 쉽게 분리되는 문제점을 갖고 있다.

이 문제점을 해결하기 위한 최신 리튬-이온 배터리 기술을 도입하여 어떠한 환경에도 전원 문제로 동작 에러를 최소화하는 데 목적이 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 리튬-이온 배터리는 가볍고 에너지 밀도는 160Wh/kg으로 니켈-카드뮴 배터리의 약 2배 성능을 가진다. 도 17은 리튬-이온 배터리 구조를 나타낸 도면이다.

기전력이 3.6V로 크기 때문에 이 배터리 하나로도 작동하기 충분하고 (일반적 배터리 1.5V) 방전시 메모리 효과가 없어 관리하기가 쉽다. 완전히 방전시키지 않고 어느 정도 충전된 상태에서도 충전할 수 있다.

충전방식은 활선접근경보기를 충전기 위에 올려놓으면 충전기에서 발생하는 자기유도 원리에 의하여 자동으로 충전이 된다. 호환성 높은 동작전원은 USB 5V(사무실, 차량 등에서 손쉽게 충전)이고, 동작 Spec 5V 300mA이다.

본 실시예에 따른 시스템의 알고리즘 아키텍처를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템은 0.1초 간격으로 센서(헬멧)의 위치와 자기장의 세기를 측정하여 스마트폰으로 전송하면, 스마트폰에서 1분 간격으로 위치와 자기장을 분석하여 주변 노이즈 상태인지 활선의 자기장 신호를 구분하는 파라미터를 포함하는 state 데이터를 저장한다. 본 실시예에 따른 시스템은 state 데이터의 기준치 5가 되면 경보 알람, 기준치 9가 되면 비상상태 경보 신호를 발생하는 알고리즘을 포함한다.

높이에 따른 기압의 변화율과 전압에 따른 자기장 변화율의 데이터를 토대로 그래프를 만든 후 여러 번의 실제 테스트로 기존 그래프의 여러 수치값을 정량화시킨다. 정량화시킨 그래프가 알고리즘의 핵심이다. 기존 제품의 문제는 자기장의 변화율만으로 계산해서 알림을 준다면, 본 시스템은 자기장과 기압의 변화율을 토대로 계산을 해서 알림을 주기 때문에 송전 철탑 높이와 주변 환경(기압 등)이 바뀌더라도 정확도를 높일 수 있다.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 실시예에 따른 시스템은 동적인 환경변수들을 즉시 계산 후 반영하고, 블루투스를 활용한 스마트폰과의 데이터 송수신으로 사용자 편의성을 확보하여, 송전선 작업시 감전 사고율을 획기적으로 줄이고 작업자의 안전성을 보장 할 수 있으며, 산업안전보건법과 중대재해법등 안전 관련법에 한전에서 선제적 대응이 가능하고 다양한 응용기술을 확대하여 해외수출 등 부가가치 창출이 가능하다.

본 실시예에 따른 시스템의 자계 측정 센서 특징을 설명하면 다음과 같다.

자계 측정 센서의 센싱 기술을 설명하면 다음과 같다. 전도체 또는 반도체에 흐르는 전류의 크기와 양단의 전위차를 측정하여 자기장의 세기를 측정한다. 자기장 센서의 프로브(probe) 내부에는 두 개의 측정 소자가 위치하며 각각 프로브의 수직 방향과 축 방향의 자기장을 측정한다. 프로브 표면의 하얀색 점은 각 소자의 측정중심을 표시한다. 전계 센서를 통하여 수신한 후 타 물체 및 기계에서 형성된 불필요한 저주파를 필터링하여 제거하고 활선에서 형성된 미세한 자기장 신호를 증폭하여 MCU(Micro Controller Unit) 입력 신호로 연결한다.

도 19는 본 실시예에 따른 시스템의 2차(쌍극)필터를 나타낸 도면이다. 본 실시예에 따른 시스템은 저역 통과 필터(Low Pass Filter)를 채택하였다. 낮은 주파수에서는 높은 출력이 나타고 임계값 이상에서는 감쇠하는 특성을 가지는 필터로 특정 신호 (signal)를 출력시키는 역할을 하며, 낮은 주파수대 영역(60Hz)의 신호를 출력으로 나타내는 필터를 채택하였다. 도 20은 본 실시예에 따른 시스템의 자계측정 센서의 형상을 나타낸 도면이다.

본 실시예에 따른 시스템의 정전유도감응기 센서의 특징을 설명하면 다음과 같다

정전유도감응 센서의 구성은 경보기 전극, 레벨검출, 단속회로, 음향회로로 구성되며, 구동전원으로 리튬이온 전지를 사용한다. 센서타입으로 60Hz 측정이 가능하며, 전력선과 경보기 내부의 전극 사이의 부유용량과 경보기와 인체 접지간의 정전용량을 통해 나간 전류를 검출하여 동작한다.

본 실시예의 전계측정 센서는 송전선 원형 도체에 154kV, 345kV, 765kV 전압이 인가되었을 때 디지털 3축 측정방식을 채택하도록 한다.

전계 신호 증폭기(signal amplifier)를 설명하면 다음과 같다. 전계 감지기 센서로부터 공급되는 신호는 보통 마이크로 볼트 또는 밀리볼트 범위 내에 있어 신호를 증폭시켜 크기를 크게 하면, 신호 처리가 매우 수월해 짐으로 자계 측정 센서에 내장한다. 도 21은 본 실시예에 따른 시스템의 전계측정 센서의 형상을 나타낸 도면이다.

본 실시예에 따른 시스템에서 고도측정 센서의 특징은 다음과 같다.

고도측정 센서의 센싱기술은 주파수 변조 연속파(FMCW) 전파고도계의 신호처리 알고리즘 및 실용적 평가 방안을 기본으로 한다.

도 22는 본 실시예에 따른 시스템의 고도측정 센서의 형상을 나타낸 도면이다.

전파고도계는 초기에 탐색 모드로 동작하여 고도를 탐색하고, 유효한 고도가 탐색되면 추적모드로 전환되어 측정된 고도를 표시한다. 추적 고도에 따라 변조 대역폭을 제어함으로써 비트 주파수 대역폭을 제한하고, 송신출력과 수신이득의 제어를 통해 고도 변화에 따라 늘어난 수신 전력의 동적 범위를 보상 하도록 설계한다. 추적 모드에서는 상대적으로 저고도에서 송신 전력 및 수신 이득 제어를 통해 넓은 고도 범위와 낮은 감청 확률(LPI: Low Probability of Intercept)의 결과를 가져온다.

본 실시예에 따른 시스템의 기압측정 센서 특징을 설명하면 다음과 같다.

기압측정 센서의 센싱기술을 설명하면 다음과 같다.

고도에 따라 기압은 달라지므로 기압을 바탕으로 고도를 측정할 수 있다. 고도가 높아지면 기압이 낮아지고 고도가 낮아지면 기압이 높아지는 원리를 이용하는 것이다.

즉, 기압고도(Pressure Altitude)로 BMP180센서를 활용하고 I2C (InterIntegrated Circuit) 통신 프로토콜을 통해서 데이터를 추출한다.

본 실시예에 따른 시스템은 정전용량식 기술(AC 바이어싱)을 적용하였고, 이를 설명하면 다음과 같다. 혹독한 환경에서도 사용 가능한 최신 기술의 IOT 기압센서는 동작 추적 같은 기능을 위해서 높은 정밀도, 신속한 경보, 낮은 전력소모를 필요로 한다. 이러한 목적을 가진 검자기는 정확한 고도 변화, 수직 속도 및 동작 감지를 위해서

2cm 오차의 고도 정밀도 정전용량식 기술(AC 바이어싱)을 적용한 기압 센서를 사용한다.

0.002hPa(

2cm에 해당)의 정밀도를 제공하며, -40℃~85℃ 온도에서 300hPa~1200hPa범위의 기압을 측정할 수 있고, 압력/온도 민감도는 0.5Pa/K 이하이며. 온도 정확도는

0.5℃이다. 정전용량식 센서의 셀 구조로 차동측정이 가능하며, 온도 드리프트가 아주 낮다.

도 23은 정전용량식 셀 구조를 나타낸 도면이다.

도 24는 기압측정 센서의 제품형상 및 설계도를 나타낸 도면이다.

본 실시예에 따른 시스템은 BLE5.0 (Bluetooth Low Energy, 저전력 블루투스) 기술을 적용하였다. 또한 실시예에 따른 시스템은 100mW로 개선하여 WiFi 및 다른 2.4G 대역의 무선 기술과의 간섭에 더욱 강하게 동작할 수 문제를 해결하여, 최소 수십 미터에서 최대 수백미터 전송 가능하다. 고성능 Nordic사 nRF52계열 칩사용 통신 송,수신 신뢰도를 향상하고 UART Service(범용 비동기화 송수신기)를 사용한다. 저전력 블루투스의 낮은 전송속도(1Mbps)로 인한 낮은 데이터 전송률(약300kbps) 문제를 해결하고, 기기의 전력 효율을 개선한다.

본체 MCU(microcontroller unit)의 특징은 다음과 같다.

MCU는 임베디드 애플리케이션을 위해 디자인되었으며 임베디드 시스템에 널리 사용된다. 개인용 컴퓨터가 다양한 요구에 따라 동작하는 일반적인 일에 사용된다면, MCU는 기능을 설정하고 정해진일을 수행하도록 프로그래밍되어 장치 등에 장착되어 동작한다. 자기장(전계+자계)센서와 고도계, 기압계에서 센싱한 데이터를 프로그밍된 자체 알고리즘에 의해 처리하고 최적의 값(안전 접근거리 계산) 후 경보를 발생시키고 BLE 5.0 기술을 이용하여 앱에 전송한다.

스마트폰 앱(App)의 메인화면, 부가서비스는 다음과 같다.

도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 스마트폰 앱 화면을 나타낸 도면이다. 도 25에 도시된 바와 같이, 로그인 정보, 고도, 자기장 표현 위험발생 알람, 데이터 기록고도, 자기장 그래프 표현, 최종화면에 나타난 바와 같이 화면별 부가서비스를 제공한다.

본 실시예에 따른 시스템의 리튬-이온 배터리 특징은 다음과 같다.

리튬-이온 배터리는 기전력이 3.6V로 크기 때문에 이 배터리 하나로도 작동하기 충분하고 (일반적 배터리 1.5V) 방전시 메모리 효과가 없어 관리하기가 쉽다.완전히 방전시키지 않고 일부 충전된 상태에서도 충전 가능하다.

본 실시예에 따른 시스템의 알고리즘을 설명하면 다음과 같다. 자기장(전계+자계)과 고도, 기압 센서를 통해 취득된 데이터를 기본으로 기본값 설정시 아래(높이) 0에 해당하는 기본값에 적용하여, 0단계부터 9단계의 값을 얻는다. (기본값은 현재 높이와 자계 및 전계의 수치를 말한다)

기존 방식은 단순하게 환경 값을 받아오기 때문에 Noise 데이터가 섞여 있어 오동작의 횟수가 많았지만, 본 실시예의 시스템에서는 기본값(현재 높이와 자계, 전계 수치)을 설정한 후, 데이터를 받아올 때 지상에서의 방해파, 간섭파를 구별하기 위한 계산을 하게 된다. 급격한 변수의 변화율을 감지하면 이를 잡음으로 인식하고 해당 데이터를 그래프의 정규화하는 과정에서 제거하므로써 전압별 안전거리(접근 한계거리)를 인식하고 경보를 발생하게 된다.

도 26는 활선접근 경보기 작동 다이어그램을 나타낸 도면이다. 도 26에 도시된 바와 같이, 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템은 스마트폰과 전자계 센서부 블루투스 또는 LTE 연결한다(S1). 다음 단계는 어플리케이션에서 전압 선택후 설정하고(S2), 어플리케이션에서 전계 센서부로 데이터를 요청한다(S3). 다음 단계는 기압을 측정 후 고도를 계산한다(S4). 다음은 환경데이터를 실시간 전송(S5)하고, 노이즈데이터를 판별하여 필요한 정보만 저장한 후(S6), 현재 고도를 시작 지점 0의 state로 저장한다(S7). 다음 단계는 고도와 자기장의 수치를 계산하여 0부터 9까지의 state값을 계산 및 세팅한다(S8). 다음 단계는 state가 5가 되면 알림, 9가 되면 경보 발생 신호를 검전기 센서부(헬멧)로 전송하고(S9), 경보를 발생시킨다(S10). 이때, 단말기인 스마트폰은 S1 내지 S3, S6 내지 S9 단계에서 이뤄지고, 검전기 센서부는 S4, S5, S10 단계에서 이뤄진다.

도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템의 기본값 셋팅을 나타낸 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 송전용 활선접근 경보 시스템의 다양한 측면에서의 기대효과를 기술하기로 한다. 먼저, 수행기업의 기술적 측면에서 살펴보면 다음과 같다. 송배전용 활선접근 경보기는 동적인 환경변수들을 즉각 계산하고 반영하여 기술적인 측면에서 정확도를 대폭 상승할 수 있다. 전기절연, 중량 및 강도, 제작, 사용 편의성을 높여 활용가치를 높일 수 있고, 전기공사 현장뿐 아니라 공업계측, 환경 제어분야 등 전반적인 산업시설 등 다양한 응용기술 확대를 기대할 수 있다.

경제-산업적 측면에서, 현장의 외주업체 직원들은 전주를 신설하거나 대규모 정비공사 등 위험성이 높은 업무를 주로 담당하고 있다. 이때, 사상자는 10명 중 9명이 외주업체 직원이며, 이중 가장 많이 발생하는 사고가 감전사고이다. AI 알고리즘을 탑재한 송배전용 활선접근 경보기는 감전 사고율을 줄이고 직원들에 대한 안전성 보장을 좀더 높여주며, 한국전력공사에 대한 안전 이슈를 줄일 수 있을 것으로 보인다. 사회 경제적 측면에서 보면 활선접근 경보기 착용으로 인한 안전사고 예방으로 사회적 손실을 줄일 수 있다(387,036천원/인/년).

전력사업에 있어서, 기술적 측면을 살펴보면, AI 알고리즘을 탑재한 디지털장치 회로가 내장되어 있어 측정 데이터(전계, 자계, 외부환경 변수 등)를 저장 및 출력 전송이 가능하며, 체계적으로 안전관리 신뢰성을 담보할 수 있다. 손쉬운 사용(장착) 및 Bluetooth를 활용한 핸드폰과의 데이터 송수신으로 사용자 편의성 확보, 활용가치 상승이 가능하다.

전력사업에 있어서, 경제-산업적 측면을 살펴보면 다음과 같다. 한층 강화된 산업안전보건법과 중대 재해처벌법은 사업주, 경영책임자의 위험방지 의무를 부과하고, 사업주, 경영책임자가 의무를 위반할 시에 형사처벌하고, 벌금을 부과하는 등 처벌 수위를 명시하고 있다. 이는 한전 발주공사의 도급수급인인 협력회사, 한전KPS, 입찰공사 전문 회사 등도 포함된다. 따라서 한전도 본 기술을 적용하여 안전관리에 선제적 대응을 할 수 있게 된다. 본 실시예에 따른 시스템은 활선접근 경보기에 대한 AI기반 기술을 국산화함으로써 해외수출 등의 부가가치 창출이 가능하다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (7)

1. 활선접근 경보기; 및
   상기 활선접근 경보기에 내장된 전자기장 유도코일 감지센서로 활선상태에서 생성된 전자기장만 필터링하여 증폭한 신호와 위치기반 고도센서 신호와 기압센서 신호를 수신하고, 현장 상황을 설정하여 경보상태를 선정하는 단말;을 포함하며,
   상기 단말은 지상에서 철탑으로 이동시 수직, 수평거리를 감지하여 상기 활선접근 경보기로부터 수신한 높이에 따른 고도/기압의 변화율과 송전선 전압에 따른 자기장 변화율의 데이터를 토대로 경보음을 송신하는 것을 특징으로 하는 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 활선접근 경보기는 일정시간 간격으로 활선접근 경보기에 내장된 전자기장 유도코일 감지센서, 위치기반 고도센서, 기압센서의 위치와 자기장의 세기를 측정하여 상기 단말로 전송하는 것을 특징으로 하는 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 단말은 일정시간 간격으로 위치와 자기장을 분석하여 주변 노이즈 상태인지 활선의 자기장 신호인지를 구분하는 state 데이터를 생성하되,
   상기 state 데이터에 따라 경보 알람 또는 비상상태 경보 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 단말은 높이에 따른 고도/기압의 변화율과 송전전압에 따른 자기장 변화율의 데이터를 토대로 그래프를 만든 후, 상기 그래프의 수치값을 정량화하여 자기장과 고도/기압의 변화율을 토대로 경보 알람 또는 비상상태 경보 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 단말은
   단말과 상기 활선접근 경보기를 블루투스 또는 LTE로 연결하는 연결모듈(210),
   앱(App)상에서 송전전압 선택 후, 기본값을 설정하는 설정모듈(220),
   상기 앱(App)상에서 센서부로 데이터를 요청하는 요청모듈(230),
   상기 활선접근 경보기로부터 수신하는 환경데이터와 측정데이터를 기반으로 설정모듈의 기본값을 비교하여 그래프로 정규화하는 정규화 처리모듈(240),
   일정시간 간격으로 위치와 자기장을 분석하여 주변 노이즈 상태인지 활선의 자기장 신호인지를 구분하는 state 데이터를 생성하는 데이터모듈(250),
   고도와 자기장의 수치를 토대로 state 데이터의 수치를 상기 정규화 처리모듈의 그래프에 연동하여 등급을 선정하는 위험등급 선정모듈(270) 및
   상기 위험등급 선정모듈을 통해 선정된 등급에 따라 알림신호 또는 비상 경보발생신호를 상기 활선접근 경보기로 전송하는 알람신호 생성모듈(280)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 단말은 상기 정규화 처리모듈을 통해 정규화하는 과정에서 주변 노이즈 상태인지 활선의 자기장 신호인지를 구분하는 state 데이터로 노이즈 데이터를 판별하여 제거하는 노이즈 판별모듈(260)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 활선접근 경보기는
   센서를 통해 기압을 측정 후, 고도를 산출하는 환경 데이터와 0.1초 간격으로 센서의 위치와 자기장의 세기를 측정하는 측정 데이터를 생성하는 측정모듈(110),
   상기 센서 중, 전자기장(정전유도감응+자계)과 고도, 기압 센서를 통해 취득된 데이터를 기반으로 설정되는 기본값에 적용하여, Flag register를 통해 0단계부터 9단계의 값을 얻는 동작로직모듈(120),
   상기 환경 데이터와 측정 데이터를 실시간으로 전송하는 전송모듈(130) 및
   상기 단말로부터 수신하는 알림신호 또는 경보발생신호를 출력하는 출력모듈(140)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자계 및 전계센서를 탑재한 송전용 활선접근 경보시스템.

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