KR20170023967A - 데이터 통신 장치, 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20170023967A
KR20170023967A KR1020177001378A KR20177001378A KR20170023967A KR 20170023967 A KR20170023967 A KR 20170023967A KR 1020177001378 A KR1020177001378 A KR 1020177001378A KR 20177001378 A KR20177001378 A KR 20177001378A KR 20170023967 A KR20170023967 A KR 20170023967A
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본 지 아만
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데이비드 에이치 레딩거
로날드 디 제스메
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Abstract

데이터 통신 장치, 시스템, 및 방법이 설명된다. 데이터 통신 시스템은 지하 인클로저와 같은 인클로저에 대한 입구 포트 상에 배치된 트랜시버를 포함한다. 트랜시버는 하우징을 포함하고, 하우징은 입구 포트에 장착가능하며, 여기서 트랜시버는 지하 인클로저 외부의 네트워크와 통신하도록 구성된다. 데이터 통신 시스템은 또한 지하 인클로저 내의 실시간 상태와 관련된 데이터를 제공하는, 지하 인클로저 내에 배치된 모니터링 디바이스를 포함한다. 데이터 통신 시스템은 또한 모니터링 디바이스/센서로부터의 데이터를 처리하여 처리된 데이터 신호를 생성하고, 처리된 데이터 신호를 트랜시버에 전달하기 위한 센서 분석 유닛을 포함한다.

Description

데이터 통신 장치, 시스템 및 방법{DATA COMMUNICATION APPARATUS, SYSTEM, AND METHOD}
기계간 통신(machine to machine communication)은, 특히 에너지, 통신 및 보안 시장에 점점 더 중요해지고 있다. 그러한 산업들에서 사용되는 감시 제어 및 데이터 취득(Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA) 시스템은 제대로 기능하기 위해 원격 위치된 센서들로부터의 입력들에 의존한다. SCADA 시스템은 또한 현장에서 원격 장비를 작동시키기 위해 신호를 출력할 수 있다. 그 장비의 상당한 부분(미국 전기 유틸리티의 경우 대략 18%)이 지하에 위치하며, 지상과 지하 장비 사이에 무선 통신을 제공하는 것이 심각한 도전적 과제이다.
지하 케이블 결함을 찾는 데 사용되는 현재의 방법들은 여전히 느리고 노동 집약적이다. 비교적 짧은 기능 정지조차도 유틸리티들에 불리하게 사용될 수 있고 고객들에 대한 요금 조정으로 이어질 수 있으므로, 지하 결함을 찾고 수리하는 더 빠른 수단이 필요하다.
따라서, 지하 장비가 위치하는 지하 장비 볼트(vault) 및 다른 구조물 안팎으로 무선 신호를 통신하는 것에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 일 태양에서, 데이터 통신 시스템은 지하 또는 지반 레벨(grade level) 인클로저(enclosure)와 같은 인클로저에 대한 입구 포트 상에 배치된 트랜시버(transceiver)를 포함한다. 지하 인클로저 환경의 경우, 트랜시버는 하우징을 포함하고, 하우징은 입구 포트에 장착가능하며, 트랜시버는 지하 인클로저 외부의 네트워크와 통신하도록 구성된다. 데이터 통신 시스템은 또한 인클로저 내의 실시간 상태와 관련된 데이터를 제공하는, 인클로저 내에 배치된, 센서와 같은, 모니터링 디바이스를 포함한다. 데이터 통신 시스템은 또한 모니터링 디바이스/센서로부터의 데이터를 처리하여 처리된 데이터 신호를 생성하고, 처리된 데이터 신호를 트랜시버에 전달하기 위한 센서 분석 유닛을 포함한다.
다른 태양에서, 센서는 전력, 전압, 전류, 온도, 가연성 물질 또는 연소의 부산물, 기계적 변형, 기계적 움직임, 습도, 토양 조건, 압력, 유해 대기, 액체 유동, 누출, 컴포넌트 수명 종료 또는 수명, 인원의 존재, 물리적 상태, 광 수준 및 진동 중 적어도 하나를 검출한다. 추가의 태양에서, 센서는 센서식 케이블 액세서리에 통합되고, 전력 케이블의 상태를 모니터링하도록 구성된다.
또 다른 태양에서, 센서 분석 유닛은 디지털 신호 프로세서를 포함한다. 다른 태양에서, 센서 분석 유닛은 무선 네트워크 통신 칩을 포함한다.
다른 태양에서, 트랜시버 유닛은 강화된 지상 안테나 및 라디오를 포함한다. 다른 태양에서, 트랜시버는 집계된 정보를 업스트림으로 지상의 다른 집계 노드 또는 클라우드 서버로 전송하도록 구성된다. 추가의 태양에서, 집계된 데이터는 주기적인 상태 통지 및 비동기 경보 통지 중 하나 이상을 포함한다.
다른 태양에서, 입구 포트는 맨홀 커버를 포함한다. 추가의 태양에서, 트랜시버는 맨홀 커버에 고정되고, 트랜시버 하우징의 일부분이 입구 커버 내에 형성된 구멍을 통해 연장된다. 또 다른 태양에서, 입구 커버 내에 형성된 구멍을 통해 연장되는 트랜시버 하우징 부분은 입구 커버의 상부 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있다.
다른 태양에서, 입구 포트는 맨홀 커버 및 맨홀 커버를 수용하기 위한 링 부분을 포함하며, 트랜시버는 입구 포트의 링 부분에 고정된다.
다른 태양에서, 데이터 통신 시스템은 지하 인클로저 내에 위치된 적어도 하나의 전력 라인에 결합된 전력 수집 디바이스(power harvesting device)를 추가로 포함한다. 다른 태양에서, 전력 수집 디바이스는 센서 분석 유닛에 결합되고 센서 분석 유닛에 전력을 제공한다.
본 발명의 다른 태양에서, 데이터 통신 시스템은 지하 인클로저에 대한 입구 포트 상에 배치된 트랜시버를 포함한다. 트랜시버는 입구 포트에 장착가능한 하우징을 포함하며, 여기서 트랜시버는 지하 인클로저 외부의 네트워크와 통신하도록 구성된다. 시스템은 또한 지하 인클로저 내에 위치된 전력 라인에 장착된 센서식 케이블 액세서리를 포함하며, 센서식 케이블 액세서리는 지하 인클로저 내의 실시간 상태와 관련된 데이터를 측정하는 센서를 포함한다. 센서식 케이블 액세서리는 또한 측정된 데이터를 처리하기 위한 신호 처리 칩 및 처리된 데이터를 트랜시버에 전달하기 위한 통신 칩을 포함한다.
다른 태양에서, 센서식 케이블 액세서리는 신호 처리 칩 및 통신 칩에 전력을 제공하기 위해 전력 라인에 결합된 전력 수집 디바이스를 추가로 포함한다.
본 발명의 다른 태양에서, 데이터 통신 시스템은 유틸리티 장비를 포함하는 인클로저의 일부분 상에 배치된 트랜시버를 포함하며, 트랜시버는 하우징을 포함하고, 하우징은 인클로저에 장착가능하며, 여기서 트랜시버는 인클로저 외부의 네트워크와 통신하도록 구성된다. 시스템은 또한 인클로저 내의 실시간 상태와 관련된 데이터를 제공하는, 인클로저 내에 배치된, 센서와 같은, 모니터링 디바이스를 포함한다. 시스템은 또한 모니터링 디바이스/센서로부터의 데이터를 처리하여 처리된 데이터 신호를 생성하기 위한 센서 분석 유닛을 포함한다. 처리된 데이터 신호는 트랜시버에 전달될 수 있다.
다른 태양에서, 인클로저는 지하 볼트를 포함한다. 추가의 태양에서, 인클로저는 지반 레벨 또는 지상 인클로저를 포함한다.
본 발명의 상기의 개요는 본 발명의 각각의 예시된 실시예 또는 모든 구현예를 기술하고자 하는 것은 아니다. 하기의 도면 및 상세한 설명은 이들 실시예를 보다 상세히 예시한다.
본 발명이, 부분적으로, 그것의 비제한적인 예를 언급함으로써 그리고 도면을 참조하여 이하에 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 태양에 따른 데이터 통신 시스템의 개략도.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 다른 태양에 따른 대안적인 트랜시버 장착 및 구성의 측면도들.
도 3은 본 발명의 다른 태양에 따른 데이터 통신 시스템의 개략도.
도 4는 본 발명의 다른 태양에 따른, 지하 볼트로부터 데이터 신호를 생성하고 전달하기 위한 예시적인 프로세스의 흐름도.
도 5는 본 발명의 다른 태양에 따른 데이터 통신 시스템의 개략도.
도 6은 본 발명의 다른 태양에 따른 데이터 통신 시스템의 개략도.
도 7은 본 발명의 다른 태양에 따른 데이터 통신 시스템에 대한 예시적인 프로세스 흐름의 흐름도.
도 8은 본 발명의 다른 태양에 따른 패드-장착식 데이터 통신 시스템의 개략도.
도 9는 본 발명의 다른 태양에 따른 지하 데이터 통신 시스템의 개략도.
본 발명이 다양한 변경 및 대안적인 형태의 가능성이 있지만, 본 발명의 세부 사항이 도면에 예로서 도시되어 있으며 상세히 기술될 것이다. 그러나, 본 발명을 기술되는 특정 실시예로 제한할 의도는 아니라는 것이 이해되어야 한다. 반대로, 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 범주 내에 속하는 모든 변경, 등가물, 및 대안을 포함하고자 한다.
하기의 상세한 설명에서, 상세한 설명의 일부를 이루며, 본 발명이 실시될 수 있는 구체적인 실시예가 예로서 도시된 첨부 도면을 참조한다. 이와 관련하여, "상부", "하부", "전방", "후방", "선단", "전방으로", "후단" 등과 같은 방향 용어는 설명되는 도면(들)의 배향과 관련하여 사용된다. 본 발명의 실시예의 구성요소들이 다수의 상이한 배향으로 위치될 수 있기 때문에, 방향 용어는 예시의 목적으로 사용되며 결코 제한적인 것이 아니다. 다른 실시예가 이용될 수 있고, 구조적 또는 논리적 변화가 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 하기의 상세한 설명은 제한적인 의미로 받아들여지지 않아야 하며, 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위에 의해 한정된다.
지반 레벨, 지상 또는 지하 인클로저와 같은 인클로저에서 이용될 수 있는 데이터 통신 장치, 시스템 및 방법이 본 명세서에서 기술된다. 일 태양에서, 인클로저는 입구 포트를 통해 접근가능한 지하 인클로저이다. 데이터 통신 시스템은 볼트 또는 맨홀과 같은 지하 인클로저에 대한 입구 포트 상에 배치된 트랜시버를 포함한다. 트랜시버는 튼튼한 하우징을 포함한다. 몇몇 태양들에서, 튼튼한 하우징의 적어도 일부분이 입구 포트의 표면 위로 연장된다. 다른 태양들에서, 튼튼한 하우징은 하우징의 일부분이 입구 포트의 상부 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있고 하우징의 상당한 부분이 입구 포트의 상부 표면 아래에 배치되도록 입구 포트에 부착된다. 모니터링 디바이스가 볼트 내에 배치된다. 모니터링 디바이스는 볼트 내의 실시간 상태와 관련된 데이터를 제공하는 센서일 수 있다. 또한, 몇몇 태양들에서, 데이터 통신 시스템은 데이터를 트랜시버에 중계하는 게이트웨이 유닛을 포함할 수 있다. 다른 태양들에서, 센서 분석 유닛이 모니터링 디바이스로부터의 실시간 데이터를 처리 및 분석하고 그 처리된 데이터를 트랜시버에 중계할 수 있다. 추가의 태양에서, 센서와 센서 분석 유닛은 센서식 전기 액세서리의 일부로서 통합될 수 있다.
특히, 일 태양에서, 트랜시버는 물리적으로 강건한 안테나 및 라디오를 포함한다. 이 안테나/트랜시버는 지하 인클로저 내에 배치된 그 컴포넌트들/장비에 대한 환경, 컴포넌트 및 다른 전자 장비 상태에 관한 실시간 데이터를 제공하는 모니터링 디바이스(들)/센서(들)로부터의 무선 및/또는 유선 신호의 조합을 취할 수 있다. 또한, 통신 시스템은 다른 장소들에 지하에 배치된 다른 장비 및 컴포넌트들과 통신할 수 있다. 몇몇 태양들에서, 게이트웨이 유닛은 그러한 모니터링 디바이스들/센서들 및 지하 장비로부터의 데이터 페이로드를, 무선 액세스 포인트들, 모바일 라디오 셀들 및 개인 라디오들과 같은 지상 네트워크 요소들과 통신할 수 있는 트랜시버에 중계한다. 다른 태양들에서, 센서식 분석 유닛은 센서들에 의해 측정된 데이터에 대응하는 처리된 데이터를 트랜시버에 중계한다. 그렇기 때문에, 몇몇 태양들에서, 센서들은 지하 그리드 성능에 관한 실시간 정보를 제공하는 데 사용될 수 있고, 그러한 모니터링 디바이스들/센서들과 통신하기 위한 비용 효과적인 수단은 무선 네트워크를 사용하는 것에 의한다.
트랜시버는 융기 또는 동일 평면-장착된 구조로 배치되거나 내장될 수 있다. 다른 태양에서, 각각 지상 및 지하 송신을 위한 내장형 융기된 구조 안테나 및/또는 전자 장치의 정합 쌍이 지하 인클로저에 제공될 수 있다. 또한, 다수의 안테나(예를 들어, WiFi, GPS, 모바일 라디오 등의 신호를 송신/수신하는 안테나들)가 단일의 강건한 구조로 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 태양인, 데이터 통신 시스템(100)을 도시한다. 이 태양에서, 데이터 통신 시스템(100)은 지하 데이터 통신 시스템이다. 통신 시스템(100)은 예시적인 지하 인클로저, 여기서는 지하 볼트(10) 내에 배치된다. 이 예시적인 구현에서, 볼트(10)는 전기 라인들(105a 내지 105c)(예를 들어, 저전압, 중전압 또는 고전압 전력을 전달함)과 같은 하나 이상의 고전압 전기 라인, 스플라이스 또는 종단과 같은 관련 컴포넌트들 및/또는 액세서리들(도 1의 예에서는, 종단(110)이 그러한 관련 컴포넌트들 및/또는 액세서리들을 나타낼 것임), 강압 변압기(103)와 같은 변압기, 및 추가의 전기 라인들(107a 내지 107c)(저전압 전력(예를 들어, 440 V)을 인근 빌딩 또는 구조물에 전달함)과 같은 다양한 장비를 포함한다. 몇몇 볼트들에서, 변압기가 그것에 포함되지 않을 수 있다.
인클로저 또는 볼트(10)는, 금속 또는 비금속으로부터 형성될 수 있고 종래의 원형 형상을 가질 수 있는 종래의 맨홀 커버(50)를 포함하는 포털(portal) 또는 입구 포트(55)를 통해 지상으로부터 접근될 수 있다. 일 태양에서, 맨홀 커버(52)는 입구 포트(55)의 링, 프레임 또는 플랜지 구조물(52) 상에 장착될 수 있다. 이 태양에서, 볼트(10)는 전기, 가스, 물, 및/또는 다른 유틸리티들에 의해 일반적으로 사용되는 종래의 지하 볼트로서 구성될 수 있다. 그러나, 대안적인 태양들에서, 지하 데이터 통신 시스템(100)은 맨홀, 지하실, 지하 저장고(cellar), 구덩이(pit), 대피처(shelter), 파이프 또는 다른 지하 인클로저와 같은 다른 타입의 지하 인클로저 또는 유사한 구조물에서 이용될 수 있다.
볼트는 또한 볼트의 물리적 상태 또는 볼트 내에 위치된 컴포넌트들 또는 장비의 물리적 상태를 모니터링할 수 있는, 내부에 배치된 적어도 하나의 모니터링 디바이스를 포함한다. 그러한 상태들은 보통 지상으로부터 수집하거나 평가하기가 어려울 것이다. 아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 지하 데이터 통신 시스템은, 서비스 기술자가 그 상태들을 결정하기 위해 물리적으로 볼트에 들어가게 함이 없이, 볼트 상태 정보를 지상 네트워크 또는 SCADA로 중계하는 통신 인프라를 제공할 수 있다.
추가의 태양에서, 지하 통신 시스템은 지상 환경에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 통신 시스템(100)은 지반 레벨, 패드 장착식 인클로저 내에 장착될 수 있다. 통신 시스템은 구조물로 그리고 그로부터 무선으로 통신하는 수단을 제공할 수 있는데, 그 구조물은 그렇지 않으면 구조물의 내부 부분으로의 그리고 그로부터의 직접 무선 통신을 방해할 방식으로 구성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이 예에서, 종단(110)은 저전압, 중전압 또는 고전압 전력 케이블(105a 내지 105c)과 같은 전력 케이블에 대한 종단 연결을 제공한다. 모니터링 디바이스는 종단 상에 배치된 센서일 수 있다. 이 센서는 전압, 전류 및/또는 온도와 같은 케이블 상태를 측정하는 감지 능력들을 제공할 수 있다. 따라서, 이 예에서, 종단(110)은 하나 이상의 연결된 전력 라인의 상태에 관한 실시간 데이터를 제공할 수 있는 센서식 종단(110)으로 지칭될 수 있다.
예를 들어, 이 태양의 센서식 종단(110)은 전류의 도함수에 비례하는 전압을 생성하는 로고우스키 코일(Rogowski coil)을 포함할 수 있는데, 이는 전류에 비례하는 신호로 다시 되돌아가기 위해 적분기가 이용될 수 있음을 의미한다. 대안적으로, 전류 센서가 내부 도체 상의 전류에 비례하는 전류를 생성하는 자기 코어 변류기(current transformer)로서 구성될 수 있다. 또한, 센서식 종단(110)은 정확한 전압 측정을 제공하는 용량성 전압 센서를 포함할 수 있다. 센서식 종단(110)이 전류 센서 및 용량성 전압 센서 둘 모두를 포함할 수 있기 때문에, 센서식 종단은 위상각(역률), 볼트 암페어(VA), 볼트 암페어 리액티브(VAr) 및 와트(W)의 계산을 용이하게 한다. 예시적인 센서식 종단이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 가출원 제61/839,543호에 기재되어 있다.
도 1의 실시예가 센서식 종단으로서 구현된 모니터링 디바이스를 도시하지만, 본 발명의 다른 태양들에서, 모니터링 디바이스는 케이블 종단, 케이블 스플라이스 또는 전기 점퍼와 같은 보다 일반적인 센서식 전기 액세서리의 일부로서 구현될 수 있다.
따라서, 모니터링 디바이스가 이하의 센서들 중 하나 이상을 포함할 수 있는 것으로 고려된다: 전력, 전압, 전류, 온도, 가연성 물질 또는 연소의 부산물, 기계적 변형, 기계적 움직임(예를 들어, 분당 회전수), 습도, 토양 조건(산도(acidity), 수분 함량, 광물 함량), 압력, 유해 대기, 액체 유동, 누출, 컴포넌트 수명 종료 또는 수명(예를 들어, 음극 보호 센서), 인원의 존재(예를 들어, 누군가가 인클로저에 들어갔는지), 물리적 상태(예를 들어, 인클로저가 개방되어 있는지 또는 폐쇄되어 있는지, 도어가 개방되어 있는지 또는 폐쇄되어 있는지, 스위치 또는 밸브가 열려 있는지 또는 닫혀 있는지, 아이템이 조작되었는지), 광 센서, 진동(지진, 조작).
본 발명의 다른 태양에서, 데이터는 인클로저 내부의 모니터링 디바이스로부터 인클로저 외부에 위치된 네트워크 또는 SCADA로 전달된다. 이러한 통신은 게이트웨이 유닛과 트랜시버를 통해 성취될 수 있다. 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 게이트웨이 유닛은 원격 단말기 유닛에 통합될 수 있거나, 입구 포털 상에 장착된 트랜시버 디바이스에 통합될 수 있거나, 그것은 인클로저 내에 또는 인클로저 입구에서 독립형 유닛으로서 구현될 수 있다.
게이트웨이 유닛은 지하를, 유선 또는 무선 연결을 사용하여 다양한 모니터링 디바이스에 연결할 수 있다. 게이트웨이 유닛은 모니터링 디바이스로부터의 데이터의 로컬 분석 및 해석을 수행할 수 있다. 예를 들어, 게이트웨이 유닛은 모니터링 디바이스/센서 정보를 해석하여 유해 가스의 존재, 수분, 먼지, 화학 조성물, 부식, 해충 존재 등과 같은 환경 상태들을 결정할 수 있다. 또한, 게이트웨이 유닛은 스위치 열기 및 닫기와 같은 몇몇 로컬 액션들을 수행할 수 있다. 또한, 게이트웨이 유닛은 주기적인 상태 또는 비동기 경보 통지와 같은 집계된 정보를 업스트림으로 지상의 다른 집계 노드 또는 클라우드 서버로 전송할 수 있다. 게이트웨이 유닛은 또한 업스트림 집계 노드 또는 클라우드(예를 들어, SCADA) 서비스에 의해 그것에 전송된 메시지에 응답할 수 있다. 업스트림 노드 또는 클라우드 서비스로부터의 전형적인 명령들은 "상태 송신", "액션 수행", "구성 파라미터 설정", "소프트웨어 로딩" 등을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이 예에서, 센서식 종단들(110a 내지 110c)로부터의 데이터는 하나 이상의 통신 케이블(여기서 케이블들(130a 내지 130f), 각각의 센서식 종단에 2개의 케이블이 연결됨)을 통해 원격 단말기 유닛 또는 RTU(120)에 전달될 수 있다. RTU(120)는 볼트(10) 내에 중앙 위치에, 또는 벽 또는 다른 내부 볼트 구조물을 따라 장착될 수 있다. 본 발명의 이 실시예에서, RTU(120)는 게이트웨이 유닛(별도로 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 게이트웨이 유닛은 트랜시버(140) 내에 배치되거나 독립형 컴포넌트로서 구성될 수 있다. 게이트웨이 유닛 및 트랜시버가 아래에 더 상세히 설명된다.
일 태양에서, RTU(120)는 센서식 종단(110)으로부터 수신된 데이터 신호를 처리하고 그러한 데이터 신호를 감시 제어 및 데이터 취득(SCADA) 시스템에서 사용가능한 신호로 변환하도록 구성된다. 게다가, RTU(120)는 또한 볼트 내에 위치된 하나 이상의 컴포넌트 또는 장비를 제어하기 위해 SCADA 시스템으로부터 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 데이터는 종래의 동축 케이블을 포함할 수 있는 케이블(130)을 통해 RTU(120)와 트랜시버 유닛(140)(아래에 설명됨) 사이에서 전달될 수 있다.
본 발명의 다른 태양에서, RTU(120)는 무선 네트워크 송신기/수신기로 구현될 수 있다. 지하 장소에서 사용될 수 있는 예시적인 무선 네트워크들에는 WiFi, 지그비(ZigBee), ANT, 블루투스(Bluetooth), 적외선 및 다른 것들의 임의의 조합이 포함된다. 따라서, RTU(120)는 트랜시버(140) 및/또는 볼트(10) 내에 위치된 모니터링 디바이스들 및/또는 장비와 무선 통신하도록 구성될 수 있다. 이 장비는 센서식 종단들, 또는 무선 통신 능력이 추가된 앞서 언급된 다른 센서 타입들 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
통신 시스템(100)은 센서식 종단(110)/RTU(120)로부터 지상 SCADA 또는 무선 통신 네트워크로(그리고 그 반대로) 정보를 전달하는 트랜시버 유닛(140)을 추가로 포함한다. 몇 가지의 상이한 트랜시버 유닛 구성들(140a 내지 140e)이 도 2a 내지 도 2e에 도시되어 있으며 아래에 더 상세히 설명된다.
본 발명의 대안적인 태양에서, 지하 데이터 통신 시스템이 RTU를 완전히 생략할 수 있음에 유의한다. 이러한 방식으로, 트랜시버 유닛(140)은 지하 장비/모니터링 디바이스들이 지상 통신 네트워크들과 통신하도록 허용할 게이트웨이 유닛을 제공할 수 있다. 몇몇 태양들에서, 트랜시버 유닛(140)은 WiFi, WiMax, 모바일 전화(3G, 4G, LTE), 사설 면허 대역 등과 같은 널리 사용가능한 지상 무선 통신 네트워크들과 통신하는 라디오에 결합되는 환경적으로 강화된 지상 안테나를 포함한다. 트랜시버 유닛은 또한 게이트웨이 전자 장치를 포함하는 게이트웨이 유닛을 포함할 수 있는데, 이 게이트웨이 전자 장치는 제2 안테나를 통해 무선으로 또는 구리 및/또는 파이버 케이블링을 이용한 게이트웨이 유닛에의 직접 연결을 통해 지하 모니터링 디바이스들/장비에 지상 라디오 신호들 및 통신들 간의 인터페이스를 제공한다. 게이트웨이 유닛은 지상 네트워크와 지하 네트워크 간의 네트워크 연결, 보안 및 데이터 변환 기능들을 수행한다.
상기에 언급된 바와 같이, 일 태양에서, 단일 게이트웨이 유닛이 볼트(10) 내에 구현된 다수의 지하 모니터링 디바이스/장비 중 하나 이상과 통신할 수 있다. 전술한 바와 같이, 모니터링 디바이스들은 독립형 센서들, 또는 볼트 내에 배치된 장비 및 컴포넌트들과 통합된 센서들, 예를 들어 센서식 종단들(110)의 센서 부분(들), 및 다른 볼트 센서들, 예를 들어 수분 센서, 공기 품질 센서, 압력 센서 등을 포함할 수 있다.
도 2a 내지 도 2e는 트랜시버 유닛(140)에 대한 몇 가지 상이한 구성을 도시한다. 예를 들어, 도 2a는 본체 부분(142)을 포함하는 하우징(141)을 갖는 트랜시버 유닛(140a)을 도시한다. 안테나 부분(147) 및 라디오 부분(도시되지 않은 라디오 전자 장치를 포함할 수 있음)이 본체 부분(142) 내에 배치될 수 있다. 이러한 구성에서, 트랜시버 유닛(140a)은 지상으로부터 볼트(10)에 들어가는 것을 허용하는 맨홀 커버(50)에 장착된다. 이 태양에서, 맨홀 커버(50)는 트랜시버 유닛(140a)의 적어도 베이스 부분(base portion)을 지지하도록 구성된 리세스된 부분(recessed portion)(51)을 포함할 수 있다. 일 태양에서, 라디오 및 안테나 컴포넌트들 외에, 트랜시버 유닛(140a)은 프로세서, 데이터 저장 유닛, 통신 인터페이스, 전력 공급 장치, 및 인간 인터페이스 디바이스를 추가로 포함할 수 있다.
하우징(141)은 밀봉 구조일 수 있고, 커버 및 베이스 플레이트와 같은 하나 이상의 하우징 부품을 포함할 수 있다. 하우징 부품들 중 적어도 일부가 성형가능한 플라스틱 재료로 제조될 수 있다. 하우징 부품들의 재료는 공격적인 물질에 대해 저항력이 있을 수 있다. 하우징은 그 안에 포함된 라디오, 안테나 및 다른 컴포넌트들을 보호하도록 밀봉될 수 있다. 그래파이트-함유 재료와 같은 적절한 재료의 시일(seal)을 사용함으로써, 외부 환경에 존재할 수 있는 가솔린 또는 오일과 같은 공격적인 물질에 대항하여 시일이 추가적으로 제공될 수 있다.
대안적인 태양에서, 하우징(141)은 성형, 기계 가공 또는 주조될 수 있는 높은 내충격성 수지로 제조된 라디오 주파수 투과성 도로 표지병(pavement marker)으로서 구성될 수 있다. 예시적인 대안적인 구성이, 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 제6,551,014호에 기재되어 있다. 이러한 대안적인 태양에서, 마커의 반사율(reflectivity)은 볼트 내의 장비의 상태를 시각적으로 나타내도록 변경될 수 있다. 예를 들어, 깜박이는 또는 깜박이지 않는 광이 정상/비정상 상태를 나타낼 수 있다. 또한, 천천히 깜박이는 마커 광이 주의를 나타낼 수 있고/있거나, 빠르게 깜박이는 광이 위험 상태를 나타낼 수 있다. 이 예에서, 액정 필터가 반사기의 전방에 장착될 수 있고, LC 극성이 마이크로프로세서로 변조될 수 있다. 대안적으로, 내부 광원, 예를 들어, LED가 직접 변조될 수 있다.
하우징(141) 내에 포함된 전기 또는 전자 컴포넌트들은 능동, 수동, 또는 능동 및 수동 둘 모두일 수 있다. 따라서, 트랜시버 하우징(141)은 라디오/안테나가 예를 들어 볼트 내에 위치된 RTU(120)에 전기적으로 연결되도록 허용하면서 안테나를 지하 볼트 또는 인클로저의 외부 표면 상에 장착하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 안테나 연결부 또는 도관(145)이 케이블(130)을 트랜시버 유닛(140a)에 결합할 수 있다. 이러한 태양에서, 케이블(130)은 종래의 동축 케이블일 수 있다. 도관(145)은 스크류-온(screw-on) 구성을 가질 수 있고, 맨홀 커버(50) 내에 태핑된(tapped) 적절한 크기의 구멍 내로 나사 결합될 수 있다. 또한, 이용되는 안테나 설계의 타입은 맨홀 커버(50)를 형성하는 데 사용되는 구성 및 재료를 고려할 수 있다. 바람직한 태양에서, 맨홀 커버(50)는 일반적인 종래의 맨홀 커버를 포함하는데, 왜냐하면 다양한 크기 및 구성의 기존 커버들이 트랜시버/안테나에 맞도록 쉽게 변경될 수 있기 때문이다.
따라서, 이러한 구성에 의해, 센서식 종단의 센서 부분과 같은 모니터링 디바이스가 라인 결함을 감지하면, 트랜시버 유닛(140a)이 실시간 결함 위치 정보를 전력 유틸리티 네트워크 또는 SCADA 시스템에 전달할 수 있다.
도 2b는 본 발명의 대안적인 태양인, 본체 부분(142)을 포함하는 하우징(141)을 갖는 트랜시버 유닛(140b)을 도시하며, 여기서 안테나 부분(147) 및 라디오 부분이 본체 부분(142) 내에 배치될 수 있다. 이러한 특정 구성에서, 트랜시버 유닛(140b)은 맨홀 커버(50)에 실질적으로 동일 평면-장착되고, 강건하고 두꺼운 하우징을 포함한다. 예를 들어, 하우징은 폴리우레탄 코어를 갖는 폴리카르보네이트 재료와 함께, 폴리카르보네이트 재료가 균열되지 않도록 가요성을 제공하는 리브 형성된 영역(ribbed area)을 포함할 수 있다.
안테나 연결부 또는 도관(145)이 케이블(130)을 트랜시버 유닛(140b)에 결합할 수 있다. 트랜시버(140b)의 내부 컴포넌트들 및 동작은 트랜시버(140a)와 관련하여 전술된 것과 동일할 수 있다.
도 2c는 본 발명의 다른 대안적인 태양인, 본체 부분(142)을 포함하는 하우징(141)을 갖는 트랜시버 유닛(140c)을 도시하며, 여기서 안테나 부분(147) 및 라디오 부분이, 수반되는 전자 장치와 함께, 본체 부분(142) 내에 배치될 수 있다. 이러한 특정 구성에서, 트랜시버 유닛(140b)이 얇은 맨홀 커버(50a)에 리세스-장착되고(recessed-mounted), 종래의 볼트를 통해 그에 고정된다. 안테나 연결부 또는 도관(145)이 케이블(130)을 트랜시버 유닛(140c)에 결합할 수 있다. 트랜시버(140b)의 내부 컴포넌트들 및 동작은 트랜시버(140a)와 관련하여 전술된 것과 동일할 수 있다.
도 2d는 본 발명의 또 다른 대안적인 태양인, 상부 몸체 부분(142) 및 하부 몸체 부분(144)을 포함하는 이중 하우징(141a, 141b)을 갖는 트랜시버 유닛(140d)을 도시하며, 여기서 상부 몸체 부분(142)은 제1 안테나 부분(147a) 및 라디오 부분을 수용하고, 하부 몸체 부분(144)은 제2 안테나 부분(147b) 및 라디오 부분을 수용한다. 제1 안테나 부분(147a)은 지상 무선 네트워크와 통신하도록 구성될 수 있고, 제2 안테나 부분(147b)은 케이블(130)을 통해 지하 네트워크와 통신하도록 구성될 수 있다. 이러한 특정 구성에서, 상부 몸체 부분(142)은 맨홀 커버(50)의 제1 면(side)에 동일 평면-장착되고, 하부 몸체 부분(144)은 맨홀 커버(50)의 제2 면에 동일 평면-장착된다. 이러한 특정 설계는, 단일 구멍을 드릴링하고, 맨홀 커버(50) 내에 태핑된 적절한 크기의 구멍 내로 나사 결합될 수 있는 스크류-온 타입 도관(145)을 이용함으로써 기존의 맨홀 커버에의 간단한 설치를 허용한다. 하우징(141a)은 강건하고 두꺼운 하우징 재료로부터 형성될 수 있다. 하부 하우징(141b)은 동일하거나 상이한 재료로부터 형성될 수 있다.
도 2e는 본 발명의 또 다른 대안적인 태양인, 상부 몸체 부분(142) 및 하부 몸체 부분(144)을 포함하는 이중 하우징(141a, 141b)을 갖는 트랜시버 유닛(140e)을 도시하며, 여기서 상부 몸체 부분(142)은 제1 안테나 부분(147a) 및 라디오 부분을 수용하고, 하부 몸체 부분(144)은 제2 안테나 부분(147b) 및 라디오 부분을 수용한다. 또한, 트랜시버 유닛(140e)은 데이터를 제1 프로토콜(예를 들어, 지하에서 사용되는 지그비)로부터 제2 프로토콜(예를 들어, 지상에서 사용되는 4G)로 변환하는 게이트웨이 유닛(143)을 추가로 포함한다. 그렇기 때문에, 제1 안테나 부분(147a)은 지상 무선 네트워크와 통신하도록 구성될 수 있고, 제2 안테나 부분(147b)은 지상 무선 네트워크와는 상이할 수 있는 지하 무선 네트워크와 통신하도록 구성될 수 있다. 이러한 특정 구성에서, 상부 몸체 부분(142)은 맨홀 커버(50)의 제1 면에 동일 평면-장착된다. 별개의 구조물을 포함할 수 있거나 하우징(141b) 내에 포함될 수 있는 게이트웨이 유닛(143), 및 하부 몸체 부분(144)은 맨홀 커버(50)의 제2 면에 동일 평면-장착될 수 있다. 게이트웨이 유닛은 모니터링 디바이스로부터 데이터를 수신하고, 데이터를 판독하고, 데이터를 분석하고, 데이터를 집계하고, 데이터를 분류하고, 데이터에 기초하여 볼트 상태를 추론하고, 데이터에 기초하여 액션을 취하는 적절한 회로 및/또는 전자 장치를 포함할 수 있다. 또한, 게이트웨이 유닛(143)은 이벤트 상관(event correlation)을 위한 클럭 소스를 제공할 수 있다.
역시, 이러한 특정 설계는, 단일 구멍을 드릴링하고, 맨홀 커버(50) 내에 태핑된 적절한 크기의 구멍 내로 나사 결합될 수 있는 스크류-온 타입 도관(145)을 이용함으로써 기존의 맨홀 커버에의 간단한 설치를 허용한다. 하우징(141a)은 강건하고 두꺼운 하우징 재료로부터 형성될 수 있다. 하부 하우징(141b)은 동일하거나 상이한 재료로부터 형성될 수 있다.
일 태양에서, 트랜시버 및/또는 게이트웨이 유닛의 컴포넌트들 중 적어도 일부를 수용하는 데 이용될 수 있는 예시적인 구조가, 전체적으로 본 명세서에서 참고로 포함되는 미국 특허 제8,135,352호에 기재되어 있다.
다른 태양에서, 다수의 안테나가 동일 하우징(또는 하우징 부분) 내에 내장되어, 지상 및 지하 둘 모두에서 다수의 통신 방법을 허용할 수 있다. 예를 들어, WiFi 및 4G 안테나가 GPS 안테나와 함께 동일한 지상 안테나 하우징 내에 내장되어, GPS 위치 확인 및 타이밍 정보와 함께 다수의 네트워크 연결을 제공할 수 있다. 블루투스 안테나가 지상 하우징 내에 내장되어, 트랜시버/게이트웨이 유닛에 매우 근접해 있는 인원에게 로컬 통신을 제공할 수 있다. 예를 들어, 트랜시버/게이트웨이 유닛 위로 운행하는 기술자가 블루투스를 사용하여 아래에 있는 볼트 내의 센서들을 직접 판독할 수 있다. RFID 안테나가 지상 하우징 내에 내장되어, RFID 판독기로 지하 센서 데이터를 판독하는 것을 허용할 수 있다.
다른 태양에서, 전력이 다양한 수단을 통해 지하 데이터 통신 시스템(100)의 컴포넌트들에 제공될 수 있다. 하나의 태양에서, 이미 볼트(10) 내에 위치된 AC 또는 DC 전원을 통해 장비가 작동될 수 있다. 사용가능한 AC 또는 DC 전원이 없는 경우, 다른 태양에서, 전력 수집 코일이 볼트(10) 내의 컴포넌트들에 전력을 제공할 수 있는 종단(110)과 같은 전기 장비 상에 설치될 수 있다. 대안적으로, 압전 변환기가 볼트(10) 내에서 발견된 기계적 진동을 배터리 또는 수퍼 커패시터에 저장될 수 있는 전기 에너지로 변환하는 데 이용될 수 있다. 예를 들어, 종래의 압전 변환기가 마이드(Mide)(www.mide.com)로부터 입수가능하다. 다른 태양에서, 열전기 변환기가 지상과 지하 간의 자연적인 온도 차이를 전기 에너지로 변환하는 데 이용될 수 있다. 예를 들어, (http://www.idtechex.com/research/reports/thermoelectric-energy-harvesting-2012-2022-devices-applications-opportunities-000317.asp)를 참조한다. 추가의 태양에서, 태양 전지 패널이 배터리 또는 다른 내부 컴포넌트에 조금씩 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 태양에서, 다수의 지하 데이터 통신 시스템이 특정 볼트 위치 외부의 지하 유틸리티 인프라 내에 위치된 모니터링 디바이스들 및/또는 장비와 통신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3은 저전압/중전압/고전압 라인들을 볼트들에 제공하는 스플라이스 인클로저(10c)가 개재된 제1 볼트(10a)와 제2 볼트(10b)를 갖는 무선 지하 맨홀 유틸리티 인프라를 도시한다. 볼트(10a)는 제1 지하 데이터 통신 시스템(100a)(전술된 그 구현들과 유사한 방식으로 구성됨)으로 구현될 수 있고, 볼트(10b)는 제2 지하 데이터 통신 시스템(100b)(또한 전술된 그 구현들과 유사한 방식으로 구성됨)으로 구현될 수 있다. 일례에서, 제1 지하 데이터 통신 시스템(100a)은 지그비 네트워크로 구현된다. 원하는 간격으로, 제1 지하 데이터 통신 시스템(100a)의 RTU 또는 게이트웨이 유닛이 볼트(10a)와 인클로저(10c) 사이에, 볼트(10a)의 외부에 위치된 스플라이스(108a)의 상태를 모니터링할 수 있다. 또한, 제1 지하 데이터 통신 시스템(100a)의 RTU 또는 게이트웨이 유닛이 인클로저(10c)에 또는 그 부근에 위치된 컴포넌트들(108b) 및/또는 스플라이스들(108c)의 상태를 모니터링할 수 있다. 유사한 방식으로, 제2 지하 데이터 통신 시스템(100b)이 또한 지그비 네트워크로 구현될 수 있고, 볼트(10b)와 인클로저(10c) 사이에, 볼트(10b)의 외부에 위치된 스플라이스(108d)의 상태를 모니터링할 수 있다.
또한, 다수의 지하 데이터 통신 시스템이 유틸리티 SCADA 시스템과 같은 지상 네트워크와 통신할 뿐만 아니라, 서로 통신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 지하 데이터 통신 시스템(100a)은 지상 네트워크와 통신하는 것에 더하여, 제2 지하 데이터 통신 시스템(100b)과 직접 통신할 수 있다.
더 상세하게, 도 4는 지하 데이터 통신 시스템의 기능들 중 일부를 예시하는 예시적인 흐름도를 제공한다. 상기에 언급된 바와 같이, 게이트웨이 유닛은 독립형 유닛일 수 있고, 그것은 RTU와 통합될 수 있거나, 그것은 트랜시버의 일부로서 통합될 수 있다.
이 실시예에서, 게이트웨이 유닛은 트랜시버와 공동-배치된다. (앞서 기술된 바와 같은) 예시적인 센서식 종단의 전류 및 전압 센서로서 구성될 수 있는, 이 예에서는 능동 센서(260)인, 모니터링 디바이스가 전기 라인의 실시간 상태의 측정을 수행한다(단계 262). 예를 들어, 실시간 상태에 대응하는 아날로그 신호가 디지털화될 수 있다. 이 예에서, 측정치는 (무선으로 또는 유선을 통해) RTU로 전달될 수 있거나 그것은, 이용되는 센서의 타입에 따라, 능동 센서 자체에 의해 처리될 수 있다. 데이터가 RTU로 전송된다고 가정하면, RTU는 주파수 및 위상각을 계산함으로써 측정된 신호를 처리한다(단계 264). 측정된 데이터가 측정 데이터 패킷으로 포맷된다(단계 266). 데이터 패킷이 이어서 암호화되고 근거리 통신망(LAN) 패킷으로서 송신된다(단계 268). 이 예에서, LAN은 지그비 LAN이고 RTU는 지그비 라디오를 포함한다. 대안적으로, RTU가 사용되지 않으면, 신호 처리는 모니터링 디바이스에 의해 수행될 수 있으며, 이 모니터링 디바이스는 이어서 데이터를 게이트웨이 또는 가장 가까운 지그비 라디오에 직접 전달할 수 있다.
단계 270에서, LAN 패킷이 게이트웨이 유닛에 의해 해독되고 디코딩된다. 단계 272에서, 디코딩된 데이터가 게이트웨이 유닛에 의해 해석된다. 예를 들어, 게이트웨이 유닛에는 사전 설정된 또는 다운로드된 상태들 또는 기존 상태들의 조합들에 기초하여 특정 결함의 분류 또는 심각도 수준의 지정을 제공하도록 주요 결함들의 라이브러리가 업로드될 수 있다. 해석에 기초하여, 게이트웨이 유닛이 로컬 액션을 취할 것인지 여부를 결정한다(단계 275). 로컬 액션이 필요한 경우, 게이트웨이가 단계 278에서 액션을 취하기 위해 신호를 장비에 전달한다(예를 들어, 회로 차단기 트립, 커패시터 뱅크 턴 온/오프 등).
또한, 게이트웨이가 또한 단계 280에서 업스트림 통지가 필요한지 여부를 결정할 수 있다. 만약 필요하다면, 게이트웨이 유닛이 광역 네트워크(WAN) 패킷을 포맷하고(단계 282) WAN 패킷을 암호화 및 송신할 수 있다(단계 284). WAN 패킷은 전술한 바와 같이 WiFi, 로컬 라디오 등을 통해 전송될 수 있다. WAN 수신기(예를 들어, 적절한 앱(App)이 로딩된 통신 디바이스를 갖는 서비스 기술자와 같은 모바일 수신기 유닛, 또는 서비스 제공자의 운영 센터)가 WAN 데이터 패킷을 수신하고, WAN 패킷을 해독 및 디코딩할 수 있다(단계 286). WAN 데이터 패킷을 수신하는 엔티티(entity)(예를 들어, 운영 센터 또는 서비스 차량)가 이어서 게이트웨이 유닛으로부터의 통지에 따라 동작할 수 있다.
일 태양에서, 이러한 타입의 통신 시스템은 유틸리티 회사가 지하 결함 위치를 정확하게 찾아내도록 허용하여서, 들어가서 그리드 내의 다수의 결함 위치를 물리적으로 검사하는 시간 및 비용을 줄인다. 또한, 적절한 로컬 액션들의 수행은 고객들에 대한 서비스를 신속하게 복구하고 그리드 자체에 대한 추가의 손상을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 태양인, 지하 데이터 통신 시스템(200)을 도시한다. 통신 시스템(200)은 예시적인 지하 인클로저, 여기서는 지하 볼트(11) 내에 배치된다. 이 예시적인 구현에서, 볼트(11)는 전기 라인들(205a 내지 205c)(예를 들어, 저전압, 중전압 또는 고전압 전력을 전달함)과 같은 하나 이상의 전기 라인을 포함한다.
상기에 논의된 것과 유사하게, 대안적인 태양에서, 지하 통신 시스템(200)은 지상 환경에서 구현될 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 인클로저 또는 볼트(11)는 금속 또는 비금속으로부터 형성될 수 있고 종래의 원형 형상을 가질 수 있는, 종래의 또는 변경된 맨홀 커버(51)와 같은, 포털을 통해 지상으로부터 접근될 수 있다. 이 태양에서, 볼트(11)는 전기, 가스, 물, 및/또는 다른 유틸리티들에 의해 일반적으로 사용되는 종래의 지하 볼트로서 구성될 수 있다. 그러나, 대안적인 태양들에서, 지하 데이터 통신 시스템(200)은 맨홀, 지하실, 지하 저장고, 구덩이, 대피처, 파이프 또는 다른 지하 인클로저와 같은 다른 타입의 지하 인클로저 또는 유사한 구조물에서 이용될 수 있다.
볼트는 또한 볼트의 물리적 상태 또는 볼트 내에 위치된 컴포넌트들 또는 장비의 물리적 상태를 모니터링할 수 있는, 내부에 배치된 적어도 하나의 모니터링 디바이스를 포함한다. 예를 들어, 이 태양에서, 전류의 도함수에 비례하는 전압을 생성하는, 로고우스키 코일과 같은, 전류 센서(210a 내지 210c)가 각각의 전기 라인(205a 내지 205c) 상에 제공된다. 대안적으로, 전술한 것들과 같은 다른 센서 디바이스들이 인클로저(11) 내에서 이용될 수 있다.
원시 데이터 신호들은 센서들로부터 신호 라인들(230a 내지 230c)을 통해 센서식 분석 유닛(SAU)(220)으로 전달될 수 있다. SAU(220)는 볼트(11) 내의 중앙 위치에, 또는 벽 또는 다른 내부 볼트 구조물을 따라 장착될 수 있다. SAU(220)는 그러한 데이터 신호들을 수신, 조작, 분석, 처리하거나, 달리 감시 제어 및 데이터 취득(SCADA) 시스템에서 사용가능한 신호들로 변환하는 디지털 신호 프로세서(DSP) 또는 시스템 온 칩(SOC)을 포함한다. 또한, DSP는 SCADA와는 독립적으로 몇몇 동작들을 수행할 수 있다. 예를 들어, DSP는 결함 검출, 격리, 위치 찾기 및 상태 모니터링 및 보고를 수행할 수 있다. 또한, DSP/SAU는 Volt, VAR 최적화, 페이저(phasor) 측정(싱크로페이저), 초기 결함 검출, 부하 특성화, 사후 이벤트 분석, 시그니처 파형 식별 및 이벤트 캡처, 자가 치유 및 최적화, 에너지 감사, 부분 방전, 고조파/저조파 분석, 플리커 분석 및 누설 전류 분석과 같은 추가적인 기능들을 제공하도록 프로그래밍될 수 있다.
또한, SAU 요구에서 이용되는 DSP 및 다른 칩들은 대략 10 W 미만의 저전력 레벨만을 요구하도록 구성될 수 있다. 이 태양에서, SAU(220)는 전력 케이블(217)을 통해 SAU에 충분한 전력을 제공하기 위해 전기 라인들 중 하나에 결합될 수 있는 전력 수집 코일(215)을 통해 전력을 제공받을 수 있다.
또한, SAU(220)는 백업 배터리(도시되지 않음)로 구현될 수 있다. 또한, SAU(220)는 예를 들어 인클로저 내의 환경 상태들을 모니터링하기 위한 추가적인 센서들을 포함할 수 있다.
SAU(220)로부터의 처리된 데이터는 트랜시버(240)를 통해 네트워크 또는 SCADA에 전달될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 트랜시버(240)는 환경적으로 강건한 통신 게이트웨이로서 구성된다. 이 태양에서, 트랜시버(240)는, GPS 및 다목적 라디오 통신 모듈들과 함께, 완전히 통합된 매우 낮은 전력 전자 장치들(시간 동기 이벤트들을 검출하기 위한 SOC)을 포함할 수 있다. 트랜시버(240)는 배터리 소스 또는 무선 전력(예를 들어, 도시되지 않은 무선 전력 송신기)에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 트랜시버(240)는 상이한 응용들을 위해 다양한 패키지들에 다양한 추가적인 센서들을 설치하는 융통성을 갖도록 모듈 방식으로 장착/설계될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 트랜시버는 입구 커버(51) 상에 직접 장착될 수 있다. 이 태양에서, 트랜시버(240)의 일부분이 입구 커버(51) 내에 형성된 구멍 또는 도관을 통해 연장되도록 구성된다. 또한, 트랜시버(240)의 상부 부분은 입구 커버(51)의 상부 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있도록 설계된다. 이러한 방식으로, 외부 요소들로부터의 트랜시버에 대한 손상의 위험이 감소된다.
트랜시버(240)는 단거리 통신 프로토콜(예를 들어, 블루투스, WiFi, 지그비, ANT)을 통해, SAU(220)와 같은, 내부 인클로저 컴포넌트들과 통신할 수 있다. 이러한 방식으로, 트랜시버 유닛(240)은 지하 장비/모니터링 디바이스들(예를 들어, SAU(220))이 지상 통신 네트워크들과 통신하도록 허용하는 게이트웨이를 제공할 수 있다. 이 태양에서, 트랜시버 유닛(240)은 또한 전술한 바와 같은 환경적으로 강화된 지상 안테나를 포함한다. 지상 안테나는 입구 커버의 상부 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있거나 그 위로 연장되는(예를 들어, 도 1 참조) 그리고 WiFi, WiMax, 모바일 전화(3G, 4G, LTE, GSM), 사설 면허 대역, 비면허 대역 등과 같은 널리 사용가능한 지상 무선 통신 네트워크들과 통신하는 라디오에 결합되는 트랜시버(240)의 부분 내에 수용될 수 있다. 트랜시버(240)는 또한 제2 안테나를 통해 무선으로 SAU(220)에 지상 라디오 신호들 및 통신들 간의 인터페이스를 제공하는 게이트웨이 전자 장치를 포함할 수 있다. 대안적으로, SAU(220)는 구리 및/또는 파이버 케이블링(도 1에 도시된 케이블(130)과 유사함, 그러나 도 5에 도시되지 않음)을 이용한 직접 연결을 통해 트랜시버(240)에 통신할 수 있다. 트랜시버는 지상 네트워크와 지하 네트워크 간의 네트워크 연결, 보안 및 데이터 변환 기능들을 수행한다. 다른 태양들에서, 게이트웨이 전자 장치는 SAU 내에 제공될 수 있으며, 이 SAU는 데이터 패키지들을 적절한 네트워크 포맷으로 포맷하고 포맷된 신호들을 표준 신호 케이블을 통해 트랜시버의 송신 안테나로 전송할 수 있다.
이 태양에서, 트랜시버(240)는 적어도 12 내지 15년 동안 정격인 대형 일차 배터리를 포함한다. 이 태양에서, 통신 시스템(200)은 주기적으로 동작함으로써 트랜시버(240)에 의해 사용되는 전력을 보전하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 예컨대 하루 한 번의 상태 확인에 더하여, SAU(220)는 문제가 있는 주요 이벤트가 발생할 때만 트랜시버(240)에 신호들을 전송하도록 프로그래밍될 수 있다.
대안적인 태양에서, 트랜시버(240)는 전력 수집 디바이스(215) 또는 다른 전기 라인에 결합된 다른 전력 수집 디바이스로부터 이용가능한 전력과 같은, 외부 전원에 의해 전력을 공급받을 수 있다.
추가의 대안적인 태양에서, 지하 인클로저는 트랜시버(240) 부근에 장착된 무선 전력 송신기를 추가로 포함할 수 있다. 무선 전력 송신기는 (근거리장 유도 결합과 같은 유도 결합을 통해) 무선으로 트랜시버에 전력을 송신할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 송신기는 트랜시버(240) 내에 위치된 제2 인덕터와 결합하는 제1(일차) 인덕터를 포함할 수 있다. 무선 전력 송신기는 지하 인클로저 내에 장착된 힌지식 지지 아암을 통해 트랜시버(240)에 매우 근접하게 될 수 있다. 일 태양에서, 무선 송신기는 트랜시버(240)까지의 거리가 사용된 반송파 주파수의 약 1/3 파장보다 더 가까울 수 있는 동작 위치로 배치될 수 있다. 무선 전력 송신기 및 트랜시버 내의 안테나 배치는 상황에 따라 추가로 최적화될 수 있다. 무선 전력 송신기는 그 자체가 디바이스(215)와 같은 전력 수집 디바이스에 의해 전력을 공급받을 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 태양인, 통신 시스템(300)을 도시한다. 통신 시스템(300)은 예시적인 지하 인클로저, 여기서는 지하 볼트(11) 내에 배치된다. 이 예시적인 구현에서, 볼트(11)는 전기 라인들(305a 내지 305c)(예를 들어, 중간 내지 고전압 전력을 전달함)과 같은 하나 이상의 고전압 전기 라인을 포함한다.
인클로저 또는 볼트(11)는 금속 또는 비금속으로부터 형성될 수 있고 종래의 원형 형상을 가질 수 있는, 종래의 또는 변경된 맨홀 커버(51)와 같은, 포털을 통해 지상으로부터 접근될 수 있다. 이 태양에서, 볼트(11)는 전기, 가스, 물, 및/또는 다른 유틸리티들에 의해 일반적으로 사용되는 종래의 지하 볼트로서 구성될 수 있다. 그러나, 대안적인 태양들에서, 지하 데이터 통신 시스템(300)은 맨홀, 지하실, 지하 저장고, 구덩이, 대피처, 파이프 또는 다른 지하 인클로저와 같은 다른 타입의 지하 인클로저 또는 유사한 구조물에서 이용될 수 있다.
볼트는 또한 볼트의 물리적 상태 또는 볼트 내에 위치된 컴포넌트들 또는 장비의 물리적 상태를 모니터링할 수 있는, 내부에 배치된 적어도 하나의 모니터링 디바이스를 포함한다.
이 태양에서, 모니터링 디바이스와 SAU는 센서식 케이블 액세서리 내에 완전히 통합된다. 센서식 케이블 액세서리, 이 경우에 센서식 케이블 스플라이스들(310a 내지 310c)은 센서식 케이블 액세서리의 일부로서 완전히 통합된 시스템 분석 장치들(311a 내지 311c)(DSP 칩 및 시스템 통신(예를 들어, 블루투스) 칩을 포함함)을 추가로 포함한다.
일 태양에서, 필요에 따라, DSP 칩, 시스템 통신 칩, 및 A/D 변환기 및 타이밍 칩과 같은 다른 칩들이 케이블 스플라이스의 전력 전달 도체의 절연 층 주위로 연장되는 격리된 전극 요소에 결합되는 연성 회로 또는 소형 인쇄 회로 기판(예를 들어, FR4) 상에 장착될 수 있다. 이러한 방식으로, 통합 센서식 케이블 액세서리가 원시 센서 데이터 신호들을 수신, 조작, 분석, 처리하거나, 달리 감시 제어 및 데이터 취득(SCADA) 시스템에서 사용가능한 신호들로 변환할 수 있기 때문에, 별도의 SAU가 시스템(300)에 필요하지 않다.
또한, 전력 수집 디바이스(예를 들어, 디바이스들(315a 내지 315c))가 DSP/블루투스 칩셋에 충분한 전력을 제공하기 위해 센서식 케이블 스플라이스들(310a 내지 310c)의 일부로서 통합될 수 있다. 본 발명의 이 태양에서 이용되는 전력 수집 디바이스는, 예를 들어, 전체적으로 참고로 포함되는, EP 특허 출원 EP 14169529.6호에 기술된 에너지 수집 디바이스와 유사한 방식으로 구성될 수 있다. 이러한 예시적인 구성에서, 에너지 수집 디바이스는 센서식 케이블 액세서리의 일부로서 공동-배치된 감지 디바이스에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다.
센서식 케이블 액세서리(310a 내지 310c)로부터의 처리된 데이터는 트랜시버(340)를 통해 네트워크 또는 SCADA에 전달될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 트랜시버(340)는 환경적으로 강건한 통신 게이트웨이로서 구성된다. 이 태양에서, 트랜시버(340)는, GPS 및 다목적 라디오 통신 모듈들과 함께, 완전히 통합된 매우 낮은 전력 전자 장치들(시간 동기 이벤트들을 검출하기 위한 SoC)을 포함할 수 있다. 트랜시버(340)는 전술한 바와 같은 배터리 소스에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 트랜시버(340)는 입구 커버(51) 상에 직접 장착된다. 또한, 트랜시버(340)의 상부 부분은 입구 커버(51)의 상부 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있도록 설계된다. 이러한 방식으로, 외부 요소들로부터의 트랜시버에 대한 손상의 위험이 감소된다.
트랜시버(340)는 단거리 통신 프로토콜(예를 들어, 블루투스)을 통해, 센서식 케이블 액세서리(310a 내지 310c)와 같은, 내부 인클로저 컴포넌트들과 무선으로 통신할 수 있다. 이 태양에서, 트랜시버 유닛(340)은 또한 전술한 바와 같은 환경적으로 강화된 지상 안테나를 포함한다. 지상 안테나는 입구 커버(51)의 상부 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있거나 그 위로 연장되는(예를 들어, 도 1 참조) 그리고 WiFi, WiMax, 모바일 전화(3G, 4G, LTE), 사설 면허 대역 등과 같은 널리 사용가능한 지상 무선 통신 네트워크들과 통신하는 라디오에 결합되는 트랜시버(340)의 부분 내에 수용될 수 있다. 트랜시버(340)는 또한 제2 안테나를 통해 무선으로 센서식 케이블 액세서리에 지상 라디오 신호들 및 통신들 간의 인터페이스를 제공하는 게이트웨이 전자 장치를 포함할 수 있다.
대안적인 태양에서, 트랜시버(340)는 또한 환경(예를 들어, 가스, 연기, 온도 등) 센서와 같은 하나 이상의 센서와 통합될 수 있다. 트랜시버(340)는 또한 환경 센서와 네트워크 또는 SCADA 사이에서 통신하기 위해, 필요에 따라, DSP 칩, 시스템 통신 칩 및 다른 칩, 예를 들어 A/D 변환기 및 타이밍 칩을 포함할 수 있다.
또한, 다수의 지하 데이터 통신 시스템이 유틸리티 SCADA 시스템과 같은 지상 네트워크와 통신할 뿐만 아니라, 서로 통신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 지하 데이터 통신 시스템(100a)은 지상 네트워크와 통신하는 것에 더하여, 제2 지하 데이터 통신 시스템(100b)과 직접 통신할 수 있다.
보다 상세하게, 도 7은 예시적인 통신 방식을 보여주는 다른 예시적인 통신 흐름도를 제공한다.
시스템(200)(도 5에 도시됨)의 실시예와 유사하게, 통신 게이트웨이 유닛이 트랜시버(240)와 공동-배치된다. 다른 태양들에서, 통신 게이트웨이 유닛이 SAU와 공동-배치될 수 있다.
도 7의 예에서, 센서 측정치는 SAU로 전달될 수 있거나(무선으로 또는 와이어를 통해) 그것은, 이용되는 센서의 타입에 따라, 능동 센서 자체에 의해 처리될 수 있다. 데이터가 SAU로 전송된다고 가정하면, SAU는 하나 이상의 분석 모드를 수행함으로써 측정된 신호를 처리한다. 이 예에서, SAU(220)는, 이 예에서 센서(310a)와 같은 모니터링 디바이스로부터의, 전기 라인의 실시간 상태의 측정치를 기록할 수 있다(단계 362). SAU(220)는 포맷된 데이터를 트랜시버/게이트웨이 유닛에 송신할지 여부를 결정한다(단계 364). 송신하지 않는다면, 단계 366에서, SAU는 그것이 데이터를 분석해야 하는지를 결정한다. 데이터가 분석되지 않는다면, 그것은 데이터 저장소로 전송된다(단계 374). 데이터가 분석되어야 한다면, 분석 및/또는 이벤트 검출이 SAU에 의해 수행될 수 있다(단계 368). 분석에 기초하여, SAU는 제어 액션과 같은 소정 액션을 지시할 수 있고/있거나, 데이터가 메모리에 저장된다(단계 374).
데이터가 인클로저의 외부로 전달되어야 한다면, 단계 375에서 포맷된/측정된/분석된 데이터가 트랜시버/게이트웨이 유닛에 전달된다(무선으로 또는 통신 라인을 통해). 이 태양에서, 트랜시버(240)는 전형적으로 슬립 모드로 유지되고(단계 380), 데이터 저장소에 저장되는(단계 376) SAU로부터의 데이터 신호의 수신 시에 웨이크 업(wake up)하도록 신호를 받을 것이다(단계 377). 그렇지 않으면, 이 태양에서, 트랜시버/게이트웨이 유닛은 미리 결정된 시간에 웨이크 업한다.
단계 378에서 데이터 송신에 대해 (SAU 또는 트랜시버/게이트웨이 유닛에서) 결정이 이루어진다. 데이터가 전송되지 않는다면, 트랜시버/게이트웨이 유닛은 다시 슬립 모드에 놓일 수 있다(단계 380). 데이터 패키지가 게이트웨이 유닛에 의해 포맷되고, 트랜시버로부터 표준 또는 사설 전기통신 프로토콜을 통해(단계 399) 클라우드 데이터 서비스 또는 SCADA로 송신된다(단계 398). 데이터를 수신하는 엔티티(예를 들어, 운영 센터 또는 서비스 차량)가 이어서 트랜시버/게이트웨이 유닛으로부터의 통지에 따라 동작할 수 있다. 예를 들어, WAN 수신기(예를 들어, 적절한 앱이 로딩된 통신 디바이스를 갖는 서비스 기술자와 같은 모바일 수신기 유닛, 또는 서비스 제공자의 운영 센터)가 트랜시버로부터 패킷 데이터를 수신하고, 그 정보를 쿼리, 해독 및/또는 디코딩할 수 있다(단계 390에서). 이 정보는 인터넷 또는 네트워크 통신을 통해(단계 395), 웹 애플리케이션에 의한 데이터 소비를 갖고서(단계 396), 클라우드 데이터 서비스 또는 SCADA(398)로부터/로 전달될 수 있다. 예를 들어, 단계 396에서, 구상적인 상태 전송이 발생할 수 있어서, 서버에서 정보가 생성, 판독, 업데이트 및/또는 삭제될 수 있다.
일 태양에서, 이러한 타입의 통신 시스템은 유틸리티 회사가 지하 결함 위치를 정확하게 찾아내도록 허용하여서, 들어가서 그리드 내의 다수의 결함 위치를 물리적으로 검사하는 시간 및 비용을 줄인다. 또한, 적절한 로컬 액션들의 수행은 고객들에 대한 서비스를 신속하게 복구하고 그리드 자체에 대한 추가의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 이러한 통신 시스템은 유틸리티가 특정 인클로저, 트랜시버 및/또는 SAU와 직접 통신하여 시스템 설정, 표, 전력 및 환경 감지를 위한 임계치를 재구성하거나 업데이트하도록 허용한다.
상기에 논의된 것과 유사하게, 대안적인 태양에서, 지하 통신 시스템(300)은, 예를 들어 저전압, 중전압 또는 고전압 케이블이 지하로부터 들어가고 지반 레벨 장비에서 노출되는, 지상 환경에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 센서식 케이블 스플라이스들 및 트랜시버가 지상 변압기 인클로저에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 이들 통신 시스템 중 하나 이상을 이용할 수 있는 지반 레벨 또는 지상 디바이스들은 예를 들어 전력 또는 분배 변압기, 모터, 스위치 기어, 커패시터 뱅크 및 발전기를 포함한다. 또한, 이들 통신 시스템 중 하나 이상은 교량, 고가 도로, 차량 및 표지판 모니터링, 지하철, 댐, 터널 및 건물과 같은 자체 모니터링 응용들에서 구현될 수 있다. 모니터링 디바이스들 자체 또는 SAU와 결합된 바와 같은 모니터링 디바이스들은 이벤트 발생, 식별, 위치 및 자체 전력 공급 유닛을 통해 취해진 액션에 의해 구동되는 매우 낮은 전력 계산 능력을 필요로 하는 시스템들에 이식될 수 있다. 또한, 시간 동기화 이벤트와 함께 GPS 능력의 통합은 주요 구조 또는 유틸리티 컴포넌트들의 다양한 초기 응용/결함/성능 저하에 대해 설정된 임계치 및 알고리즘을 이용한 조기 검출로 주요 문제들을 찾는 것으로 이어진다. 다른 변수는 상당히 위험한 응용들에서 이용될 수 있는 능력을 가질 비파괴적 기계 구조이다.
예를 들어, 도 8은 통신 시스템(400)을 포함하는 지반 또는 지상에서 구현될 수 있는 예시적인 인클로저(20)를 도시한다. 이 예시적인 구현에서, 인클로저(20)는 전기 라인들(405a 내지 405c)(예를 들어, 저전압, 중전압 또는 고전압 전력을 전달함)과 같은 하나 이상의 전기 라인을 포함한다. 대안적인 태양들에서, 인클로저(20)는 커패시터 뱅크, 모터, 스위치 기어, 전력 또는 분배 변압기, 발전기 및/또는 다른 유틸리티 장비를 수용할 수 있다.
인클로저(20)는 또한 볼트의 물리적 상태 또는 볼트 내에 위치된 컴포넌트들 또는 장비의 물리적 상태를 모니터링할 수 있는, 내부에 배치된 적어도 하나의 모니터링 디바이스를 포함한다. 예를 들어, 이 태양에서, 전류의 도함수에 비례하는 전압을 생성하는, 로고우스키 코일과 같은, 전류 센서(410a 내지 410c)가 각각의 전기 라인(405a 내지 405c) 상에 제공된다. 게다가, 환경 센서(413)가 또한 포함될 수 있다. 전술한 것들과 같은 다른 센서 디바이스들이 또한 인클로저(20) 내에서 이용될 수 있다.
원시 데이터 신호들은 센서들로부터 신호 라인들(430a 내지 430c)을 통해 센서식 분석 유닛(SAU)(420)으로 전달될 수 있다. SAU(420)는 인클로저(20) 내의 중앙 위치에, 또는 벽 또는 다른 내부 구조물을 따라 장착될 수 있다. SAU(420)는 그러한 데이터 신호들을 수신, 조작, 분석, 처리하거나, 달리 감시 제어 및 데이터 취득(SCADA) 시스템에서 사용가능한 신호들로 변환하는 디지털 신호 프로세서(DSP) 또는 시스템 온 칩(SOC)을 포함한다. 또한, DSP는 SCADA와는 독립적으로 몇몇 동작들을 수행할 수 있다. 예를 들어, DSP는 결함 검출, 격리, 위치 찾기 및 상태 모니터링 및 보고를 수행할 수 있다. 또한, DSP/SAU는 Volt, VAR 최적화, 페이저 측정(싱크로페이저), 초기 결함 검출, 부하 특성화, 사후 이벤트 분석, 시그니처 파형 식별 및 이벤트 캡처, 자가 치유 및 최적화, 에너지 감사, 부분 방전, 고조파/저조파 분석, 플리커 분석 및 누설 전류 분석과 같은 추가적인 기능들을 제공하도록 프로그래밍될 수 있다.
또한, SAU 요구에서 이용되는 DSP 및 다른 칩들은 대략 10 W 미만의 저전력 레벨만을 요구하도록 구성될 수 있다. 이 태양에서, SAU(420)는 전력 케이블(417)을 통해 SAU에 충분한 전력을 제공하기 위해 전기 라인들 중 하나에 결합될 수 있는 전력 수집 코일(415)을 통해 전력을 제공받을 수 있다. 또한, SAU(420)는 백업 배터리(도시되지 않음)로 구현될 수 있다.
SAU(420)로부터의 처리된 데이터는 트랜시버(440)를 통해 네트워크 또는 SCADA에 전달될 수 있다. 이 태양에서, 트랜시버(440)는, GPS 및 다목적 라디오 통신 모듈들과 함께, 완전히 통합된 매우 낮은 전력 전자 장치들(시간 동기 이벤트들을 검출하기 위한 SOC)을 포함할 수 있다. 트랜시버(440)는 인클로저(20) 내의 라인 전원, 배터리 소스 또는 무선 전력(예를 들어, 도시되지 않은 무선 전력 송신기)에 의해 전력을 공급받을 수 있다. SAU(420)는 구리 및/또는 파이버 케이블링(431)을 이용한 직접 연결을 통해 트랜시버(440)에 통신할 수 있다.
이 태양에서, 트랜시버(440)는 인클로저(20)의 상부(또는 다른) 표면 상에 직접 장착될 수 있다. 트랜시버(440)는 케이블들(430a 내지 430c)을 통해 SAU(420)와 같은 내부 인클로저 컴포넌트들과 통신할 수 있다. 트랜시버(420)는, 필요한 경우, 외부 네트워크와 내부 네트워크 간의 네트워크 연결, 보안 및 데이터 변환 기능들을 수행할 수 있다.
다른 태양에서, SAU(420)는 모듈식 또는 업그레이드 가능한 유닛으로서 구성될 수 있다. 그러한 모듈식 유닛은 하나 이상의 인터페이스 포트를 통한 동글 또는 별도의 모듈 부착을 허용할 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 다수의 센서(410a 내지 410c, 413)가 SAU(420)에 연결된다. 그러한 구성은 전력 라인들 및/또는 가스, 물, 진동, 온도, 산소 수준 등과 같은 파라미터들을 검출할 수 있는, 센서(413)와 유사한, 다양한 추가적인 환경 센서들의 모니터링을 허용할 수 있다. 예를 들어, 하나의 대안적인 태양에서, 센서(413)는 인클로저 내의 환경 및 컴포넌트들의 온도 프로파일을 관찰하기 위한 열 영상 카메라를 포함할 수 있다. 전술한 DSP/다른 칩들은 해석, 필터링, 활성화, 구성 및/또는 트랜시버(440)에의 통신을 위한 계산 능력들을 제공할 수 있다. 동글 또는 커넥터 블록들은 아날로그-디지털 프런트 엔드를 생성하기 위한 추가적인 회로를 수용할 수 있다. 동글 또는 커넥터 블록들은 또한 삽입된 감지 모듈을 자동으로 식별 및 인식하기 위한(그리고 적절한 동기화, 타이밍 및 다른 적절한 통신 조건들을 자동으로 설정하기 위한) 플러그 앤 플레이 전기 회로를 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 태양인, 지하 데이터 통신 시스템(500)을 도시한다. 통신 시스템(500)은 예시적인 지하 인클로저, 여기서는 지하 볼트(11) 내에 배치된다. 이 예시적인 구현에서, 볼트(11)는 전기 라인들(505a 내지 505c)(예를 들어, 저전압, 중전압 또는 고전압 전력을 전달함)과 같은 하나 이상의 전기 라인을 포함한다.
인클로저 또는 볼트(11)는 변경된 맨홀 커버(50') 및 링 또는 플랜지(52)를 포함하는 입구 포트(55)를 통해 지상으로부터 접근될 수 있다. 이 태양에서, 볼트(11)는 전기, 가스, 물, 및/또는 다른 유틸리티들에 의해 일반적으로 사용되는 종래의 지하 볼트로서 구성될 수 있다. 그러나, 대안적인 태양들에서, 지하 데이터 통신 시스템(500)은 맨홀, 지하실, 지하 저장고, 구덩이, 대피처, 파이프 또는 다른 지하 인클로저와 같은 다른 타입의 지하 인클로저 또는 유사한 구조물에서 이용될 수 있다.
볼트는 또한 볼트의 물리적 상태 또는 볼트 내에 위치된 컴포넌트들 또는 장비의 물리적 상태를 모니터링할 수 있는, 내부에 배치된 적어도 하나의 모니터링 디바이스를 포함한다. 예를 들어, 이 태양에서, 전류의 도함수에 비례하는 전압을 생성하는, 로고우스키 코일과 같은, 전류 센서(510a 내지 510c)가 각각의 전기 라인(505a 내지 505c) 상에 제공된다. 대안적으로, 전술한 것들과 같은 다른 센서 디바이스들이 인클로저(11) 내에서 이용될 수 있다.
원시 데이터 신호들은 센서들로부터 신호 라인들(530a 내지 530c)을 통해 센서식 분석 유닛(SAU)(520)으로 전달될 수 있다. SAU(520)는 볼트(11) 내의 중앙 위치에, 또는 벽 또는 다른 내부 볼트 구조물을 따라 장착될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, SAU는 볼트(11)의 상부 벽 상에 장착될 수 있다. SAU(520)는 그러한 데이터 신호들을 수신, 조작, 분석, 처리하거나, 달리 감시 제어 및 데이터 취득(SCADA) 시스템에서 사용가능한 신호들로 변환하는 디지털 신호 프로세서(DSP) 또는 시스템 온 칩(SOC)을 포함한다. 또한, DSP는 SCADA와는 독립적으로 몇몇 동작들을 수행할 수 있다. 예를 들어, DSP는 결함 검출, 격리, 위치 찾기 및 상태 모니터링 및 보고를 수행할 수 있다. 또한, DSP/SAU는 Volt, VAR 최적화, 페이저 측정(싱크로페이저), 초기 결함 검출, 부하 특성화, 사후 이벤트 분석, 시그니처 파형 식별 및 이벤트 캡처, 자가 치유 및 최적화, 에너지 감사, 부분 방전, 고조파/저조파 분석, 플리커 분석 및 누설 전류 분석과 같은 추가적인 기능들을 제공하도록 프로그래밍될 수 있다.
또한, SAU 요구에서 이용되는 DSP 및 다른 칩들은 대략 10 W 미만의 저전력 레벨만을 요구하도록 구성될 수 있다. 이 태양에서, SAU(520)는 전력 케이블(517)을 통해 SAU에 충분한 전력을 제공하기 위해 전기 라인들 중 하나에 결합될 수 있는 전력 수집 코일(515)을 통해 전력을 제공받을 수 있다.
또한, SAU(520)는 백업 배터리(도시되지 않음)로 구현될 수 있다. 또한, SAU(520)는 예를 들어 인클로저 내의 환경 상태들을 모니터링하기 위한 추가적인 센서들을 포함할 수 있다.
SAU(520)로부터의 처리된 데이터는 트랜시버(540)를 통해 네트워크 또는 SCADA에 전달될 수 있다. 이 태양에서, 트랜시버(540)는, GPS 및 다목적 라디오 통신 모듈들과 함께, 완전히 통합된 매우 낮은 전력 전자 장치들(시간 동기 이벤트들을 검출하기 위한 SOC)을 포함할 수 있다. 트랜시버(540)는 배터리 소스 또는 무선 전력(예를 들어, 도시되지 않은 무선 전력 송신기)에 의해 전력을 공급받을 수 있다. SAU(520)는 구리 및/또는 파이버 케이블링(531)을 이용한 직접 연결을 통해 트랜시버(540)에 통신할 수 있다. 대안적으로, 트랜시버(540)는 또한 제2 안테나를 통해 무선으로 SAU(520)에 지상 라디오 신호들 및 통신들 간의 인터페이스를 제공하는 게이트웨이 전자 장치를 포함할 수 있다.
이 태양에서, 트랜시버(540)는 입구 포트(55)의 링 또는 플랜지 부분(52) 상에 직접 장착될 수 있다. 이 태양에서, 브래킷 또는 장착 구조물(541)이 링 또는 플랜지(52)에 장착하고 트랜시버(540)를 그 안에 고정하도록 구성될 수 있다. 입구 커버(50')는 트랜시버/브래킷 구조물의 외형과 정합하는 그의 주연부(perimeter)를 따라 절결 부분(53)을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 트랜시버(540)의 상부 부분은 입구 커버(50')의 상부 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있도록 설계된다. 따라서, 외부 요소들로부터의 트랜시버(540)에 대한 손상의 위험이 감소된다. 또한, 입구 커버(50')가 적절히 제거되지 않는 경우 트랜시버(540)에 대한 손상 또는 케이블(531)의 단선의 위험이 감소된다.
트랜시버(540)는 케이블들(530a 내지 530c)을 통해 그리고/또는 단거리 통신 프로토콜(예를 들어, 블루투스, WiFi, 지그비, ANT)을 통해 SAU(520)와 같은 내부 인클로저 컴포넌트들과 통신할 수 있다. 이러한 방식으로, 트랜시버 유닛(540)은 지하 장비/모니터링 디바이스들(예를 들어, SAU(520))이 지상 통신 네트워크들과 통신하도록 허용하는 게이트웨이를 제공할 수 있다. 이 태양에서, 트랜시버 유닛(540)은 또한 전술한 바와 같은 환경적으로 강화된 지상 안테나를 포함한다. 지상 안테나는, 입구 커버의 상부 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있고 WiFi, WiMax, 모바일 전화(3G, 4G, LTE, GSM), 사설 면허 대역, 비면허 대역 등과 같은 널리 사용가능한 지상 무선 통신 네트워크들과 통신하는 라디오에 결합되는 트랜시버(540)의 부분 내에 수용될 수 있다. 트랜시버는 지상 네트워크와 지하 네트워크 간의 네트워크 연결, 보안 및 데이터 변환 기능들을 수행한다. 다른 태양들에서, 게이트웨이 전자 장치는 SAU 내에 제공될 수 있으며, 이 SAU는 데이터 패키지들을 적절한 네트워크 포맷으로 포맷하고 포맷된 신호들을 표준 신호 케이블을 통해 트랜시버의 송신 안테나로 전송할 수 있다.
이제 본 발명이 몇 가지 개별 실시예를 참조하여 기술되었다. 전술한 상세한 설명은 단지 이해의 명료함을 위해 제공되었다. 그것으로부터 불필요한 제한이 이해되거나 취해져서는 안된다. 방향에 대한 언급뿐만 아니라 우측, 좌측, 전방, 후방, 위 및 아래에 대한 언급 모두는 단지 예시적인 것이며 청구된 발명을 제한하지 않는다. 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 기술된 실시예들에서 많은 변경이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범주는 본 명세서에 기술된 상세 사항 및 구조로 제한되는 것이 아니라, 오히려 청구범위의 표현에 의해 기술된 구조 및 그 구조의 등가물에 의해 제한되어야 한다.

Claims (24)

  1. 데이터 통신 시스템으로서,
    인클로저(enclosure)에 대한 입구 포트 상에 배치된 트랜시버(transceiver) - 트랜시버는 하우징을 포함하고, 하우징은 입구 포트에 장착가능하며, 트랜시버는 인클로저 외부의 네트워크와 통신하도록 구성됨 -;
    인클로저 내의 실시간 상태와 관련된 데이터를 제공하는, 인클로저 내에 배치된 모니터링 디바이스; 및
    모니터링 디바이스/센서로부터의 데이터를 처리하여 처리된 데이터 신호를 생성하고, 처리된 데이터 신호를 트랜시버에 전달하기 위한 센서 분석 유닛을 포함하는, 데이터 통신 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 모니터링 디바이스는 센서를 포함하는, 데이터 통신 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 센서는 전력, 전압, 전류, 온도, 가연성 물질 또는 연소의 부산물, 기계적 변형, 기계적 움직임, 습도, 토양 조건, 압력, 유해 대기, 액체 유동, 누출, 컴포넌트 수명 종료 또는 수명, 인원의 존재, 물리적 상태, 광 수준 및 진동 중 적어도 하나를 검출하는, 데이터 통신 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 센서는 센서식 케이블 액세서리에 통합되고, 전력 케이블의 상태를 모니터링하도록 구성되는, 데이터 통신 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 트랜시버는 통신 게이트웨이 유닛을 포함하는, 데이터 통신 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 센서 분석 유닛은 디지털 신호 프로세서를 포함하는, 데이터 통신 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 센서 분석 유닛은 무선 네트워크 통신 칩을 포함하는, 데이터 통신 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 트랜시버 유닛은 강화된 지상 안테나 및 라디오를 포함하는, 데이터 통신 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 트랜시버는 집계된 정보를 업스트림으로 지상의 다른 집계 노드 또는 클라우드 서버로 전송하도록 구성되는, 데이터 통신 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 집계된 데이터는 주기적인 상태 통지 및 비동기 경보 통지 중 하나 이상을 포함하는, 데이터 통신 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 트랜시버는 업스트림 집계 노드 또는 클라우드에 의해 트랜시버에 전송된 메시지에 응답하도록 구성되는, 데이터 통신 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 인클로저는 지하 인클로저를 포함하고, 입구 포트는 맨홀 커버 및 맨홀 커버를 수용하기 위한 링 부분을 포함하는, 데이터 통신 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 트랜시버는 맨홀 커버에 고정되고, 트랜시버 하우징의 일부분이 입구 커버 내에 형성된 구멍을 통해 연장되는, 데이터 통신 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 입구 커버 내에 형성된 구멍을 통해 연장되는 트랜시버 하우징 부분은 입구 커버의 상부 표면과 실질적으로 동일 평면 상에 있는, 데이터 통신 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 트랜시버는 입구 포트의 링 부분에 고정되는, 데이터 통신 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 인클로저 내에 위치된 적어도 하나의 전력 라인에 결합된 전력 수집 디바이스(power harvesting device)를 추가로 포함하는, 데이터 통신 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 전력 수집 디바이스는 센서 분석 유닛에 결합되고 센서 분석 유닛에 전력을 제공하는, 데이터 통신 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 센서 분석 유닛은 하나 이상의 환경 센서에 연결하도록 구성된 복수의 인터페이스 포트를 포함하는, 데이터 통신 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 트랜시버는 유도 결합을 통해 전력을 공급받는, 데이터 통신 시스템.
  20. 데이터 통신 시스템으로서,
    지하 인클로저에 대한 입구 포트 상에 배치된 트랜시버 - 트랜시버는 하우징을 포함하고, 하우징은 입구 포트에 장착가능하며, 트랜시버는 지하 인클로저 외부의 네트워크와 통신하도록 구성됨 -; 및
    지하 인클로저 내에 위치된 전력 라인에 장착된 센서식 케이블 액세서리 - 센서식 케이블 액세서리는 지하 인클로저 내의 실시간 상태와 관련된 데이터를 측정하는 센서, 측정된 데이터를 처리하기 위한 신호 처리 칩, 및 처리된 데이터를 트랜시버에 전달하기 위한 통신 칩을 포함함 - 를 포함하는, 데이터 통신 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 센서식 케이블 액세서리는 신호 처리 칩 및 통신 칩에 전력을 제공하기 위해 전력 라인에 결합된 전력 수집 디바이스를 추가로 포함하는, 데이터 통신 시스템.
  22. 데이터 통신 시스템으로서,
    유틸리티 장비를 포함하는 인클로저의 일부분 상에 배치된 트랜시버 - 트랜시버는 하우징을 포함하고, 하우징은 인클로저에 장착가능하며, 트랜시버는 인클로저 외부의 네트워크와 통신하도록 구성됨 -;
    인클로저 내의 실시간 상태와 관련된 데이터를 제공하는, 인클로저 내에 배치된 모니터링 디바이스; 및
    모니터링 디바이스로부터의 데이터를 처리하여 처리된 데이터 신호를 생성하고, 처리된 데이터 신호를 트랜시버에 전달하기 위한 센서 분석 유닛을 포함하는, 데이터 통신 시스템.
  23. 제21항에 있어서, 인클로저는 지하 볼트(underground vault)를 포함하는, 데이터 통신 시스템.
  24. 제21항에 있어서, 인클로저는 지반 레벨(grade level) 또는 지상 인클로저를 포함하는, 데이터 통신 시스템.
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