KR20230152432A

KR20230152432A - 센서 모니터링을 통한 케이블 상태 진단방법

Info

Publication number: KR20230152432A
Application number: KR1020220052189A
Authority: KR
Inventors: 조성용; 김요한; 김세권
Original assignee: 주식회사 엘시스; 전남대학교산학협력단
Priority date: 2022-04-27
Filing date: 2022-04-27
Publication date: 2023-11-03

Abstract

본 발명의 목적은 전력케이블 설비(큐비클 등)에 다수의 센서를 장착하고, 각 센서로부터 진동, 온도, 부하, 전류, 정보를 수집 및 디지털 신호처리한 후 각각의 수신 데이터를 다수 개의 라우터를 통해 관리 컴퓨터로 전송함으로써, 시스템 관리의 안정성과 운용 편의성을 도모할 수 있는 센서 노드를 이용한 케이블 상태 모니터링 시스템을 제공하는 것에 있다.

Description

센서 모니터링을 통한 케이블 상태 진단방법{Cable condition diagnosis method through sensor monitoring}

본 발명은 전력케이블의 모니터링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력케이블 설비(큐비클 등)에 다수의 센서를 장착하고, 각 센서로부터 진동, 온도, 부하, 전류, 정보를 수집 및 디지털 신호처리한 후 각각의 수신 데이터를 다수 개의 라우터를 통해 관리 컴퓨터로 전송함으로써, 시스템 관리의 안정성과 운용 편의성을 도모할 수 있는 센서 노드를 이용한 케이블 상태 모니터링 시스템에 관한 것이다.

케이블 관리 기술의 경우 개략적인 고장위치 탐지는 머레이 루프법, 펄스 레이더법 등이 있고, 상세 위치를 확인하는 방법으로는 써칭 코일법, 음향 탐지법 등이 개발됨

시간 영역 반사파 계측법(Time Domain Reflectometry, TDR)은 임피던스 불일치 지점에서 전자기 신호의 반사 현상을 이용해 고장 위치를 탐지하는 방법으로 케이블 고장을 탐지하는데 가장 많이 사용됨

해외에서도 TDR, 주파수 영역 반사파 계측법(Frequency Domain Reflectometry, FDR), 광학 시간 영역 반사파 계측법(Optical Time Domain Reflectometry, OTDR) 등을 전력 케이블 진단에 적용

지중 송전 케이블을 대상으로 분포 온도 측정 분포 온도 측정 (Distributed Temperature Sensing, DTS) 시스템과 이와 연계된 실시간 송전 용량 산정 시스템이 345 kV급 지중 전력 케이블에 적용되고 있으며, Online 절연 진단을 위한 부분방전 모니터링 시스템이 일부 적용중이며, 또 열화상 진단 기술은 전기 설비 열화 진단에 폭넓게 이용됨

송배전 케이블 및 플랜트 배전 케이블의 경우 오랜 기간 사용 시, 외피가 벗겨지는 등 물리적 균열 뿐만 아니라 전기적, 열적, 기계적, 화학적 요인에 따라 노후화가 진행됨에 따라 전기적 성능이 저하되며 이와 같은 경우 교체를 진행하고 있음

송배전 고전압 케이블의 경우 잔존 교류 파괴 전압 분석 수치에 기반하여 평균 17.5년에 교체를 권고하고 있으며 플랜트 배전 케이블의 경우 30년 주기로 교체를 진행하고 있음

하지만 환경적 요인에 따라 교체시기가 변동함에 따라 최적의 유지보수 및 관리를 위하여 정확한 케이블 상태확인을 통해 잔존가치가 있는 케이블과 교체가 시급한 케이블을 파악할 수 있는 케이블 통합관리시스템 필요

케이블은 전력을 공급하는 직접적인 “매개체”로써 그 중요도가 다른 설비보다 높음

하지만 설계수명이 보통 “30년” 이라고들 인식되어 지고 있으나, 설치 및 운전 환경에 따라 수명이 낮아지고, 사고가 발생하는 “환경적 요인”에 의한 인식은 부족한 현실

전력수요의 지속적인 증가는 송전선로 증설에 대한 필요성을 수반하고, 특히 도심지에서의 송전선로는 민원 및 환경적인 요인으로 인하여 지중케이블로 신설되거나 기설 가공선로를 지중케이블로 대체되는 추세

특히 지중케이블 중 직매식 케이블은 그 설치환경 특성상 시각에 의한 상시 감시가 어려울 뿐만 아니라 지중케이블이 보통 부하 집중 지역에 설치된다는 것을 고려하면 케이블의 사고 예방 및 사고 발생 지점을 신속히 찾아내기 위한 모니터링 시스템을 구축하는 것은 매우 중요한 문제

전력케이블의 진단 및 보호 기술을 살펴보면, 해외에 비해 국내 연구가 부족한 실정

예를 들어 고장 지점 위치 추정기술은 일본과 북미, 그리고 유럽중심의 선진국들만 보유하고 있어, 고장 지점 위치 추정관련 국산화가 요구되어 옴

그러나 국산화된 케이블 모니터링 시스템 기술마저 현재 적용 실적이 미미한 상태로, 실제 케이블 모니터링 시스템 및 기술 현장 적용 필요

지난 2016년 내부순환로 정릉천 고가 안전점검 사례와 2015년 벼락으로 인한 서해대교 케이블 결함 사례 등 케이블 결함으로 인한 사고 사례 발생

구조물 결함은 수십억원 이상의 비용 및 교통 혼란 등 엄청난 사회 및 경제적 어려움 야기

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 전력케이블 설비(큐비클 등)에 다수의 센서를 장착하고, 각 센서로부터 진동, 온도, 부하, 전류, 정보를 수집 및 디지털 신호처리한 후 각각의 수신 데이터를 다수 개의 라우터를 통해 관리 컴퓨터로 전송함으로써, 시스템 관리의 안정성과 운용 편의성을 도모할 수 있는 센서 노드를 이용한 케이블 상태 모니터링 시스템을 제공하는 것에 있다.

전술된 바와 같이 본 발명에 따른 센서 모니터링을 통한 케이블 상태 진단방법 및 시스템은 케이블 상태를 실시간 모니터링 함으로써, 전력 케이블 설비의 설치, 운영 여건에 따라 시스템 설비의 융통성을 발휘할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 각 센서로부터 진동, 온도, 부하, 전류 정보를 수집 및 디지털 신호처리한 후 각각의 수신 데이터를 다수 개의 라우터를 통해 관리 컴퓨터로 전송함으로써, 시스템 관리의 안정성과 운용 편의성을 도모할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 종래 전력 케이블 상태 모니터링 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 센서 노드를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 전력 케이블의 상태 모니터링 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 근거리 통신모듈의 기능을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 케이블 설비의 무선 통신 네트워크를 나타낸 구성도이다. 도시된 바와 같이, 근거리 무선통신 모듈이 장착된 어느 하나 이상의 케이블 설비(200N)는 어느 하나의 라우터(250N)에 접속되고, 어느 하나 이상의 라우터(250N)는 이더넷(ETHERNET:290)과 접속된 후 관리자 컴퓨터(미도시함)와 연결된다.

여기서, 상기 케이블 설비(200N)의 근거리 무선통신 모듈은 지그비, 블루투스, 적외선 통신, RF 통신 등이 사용될 수 있으며, 본 발명의 실시 예에서는 네트워킹 구성이 용이한 지그비 모듈을 사용한다. 이러한 지그비 모듈은 저전력, 저가격의 근거리 통신모듈로써, 본 발명에서는 IEEE 802154 표준의 PHY층과 MAC 층을 기반으로 네트워킹 애플리케이션을 구현한다.

따라서, 본 발명에서 구현되는 네트워킹은 케이블 설비(200N) 간의 간격, 케이블 단지에서 베이스 센터까지의 거리 등을 고려하여 라우터(250N)를 설치하며, 지그비 통신 모듈로부터 설정 가능한 토폴로지를 설정한다. 상기토폴로지는 STAR형, RING 형, CLUSTER TREE 형, MESH 형이 가능하며, 첨부된 도면은 CLUSTER TREE 형태의 토폴로지를 나타낸다.

이와 같이 상기 케이블 설비(200N)에 접속되는 지그비(ZigBee)는 다수 개의 센서와 접속되는데, 상기 센서는 케이블 설비의 온도, 진동, 전압, 전류를 포함하여 풍향, 풍속을 검출한다. 그리고, 지그비는 온도, 진동, 전압,전류 검출을 위해 하나의 모듈에 통합하고, 상기 풍향 및 풍속 검출을 위한 다른 하나의 지그비 모듈에 통합한다. 물론, 이와 같은 모듈별 통합은 상황에 따라 달리 설정될 수 있으며, 본 발명의 실시 예에서는 센서의 동작에 따라 분류하였다. 필요에 따라, 센서의 내구성에 따라 모듈별로 통합하거나, 센서의 기능별, 센서의 동작 전압별로 모듈을 통합 운용할 수 있을 것이다.

한편, 상기 지그비 모듈은 케이블의 낫셀 주위에 장착하지 않고, 타워에 지그비 모듈을 장착함이 바람직한데, 이 또한 전력케이블 발생하는 자기장으로 통신 장애가 우려됨에 따른 것이다. 그리고, 지그비 모듈과 센서 간의 연결은 유선으로 설치함으로써 자기장으로 인한 통신장애를 극복하도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 케이블 에 대한 상태 모니터링 시스템을 나타낸 구성도이다.

상기 케이블 단지에 대한 상태 모니터링 시스템은 각 클러스터별로 구비되고 다수 개의 센서로부터 케이블 상태를 측정한 후, 측정된 상태 정보를 무선으로 송출하는 다수 개의 근거리 통신모듈(310a - 310d, 320a,320b)과, 상기 근거리 통신모듈(310a - 310d, 320a, 320b)로부터 제공되는 케이블 상태 정보를 수집하여이더넷 네트워크로 탑재하기 위한 라우터(250a - 250c)와, 상기 이더넷 네트워크에 접속되어 상기 케이블 설비의상태 정보를 감시하기 위한 관리 컴퓨터로 이루어진다.

여기서, 상기 라우터(250a - 250c)는 이더넷 네트워크에 직접 접속 가능하나, 케이블 설비의 설치 환경에 따라 휴대폰(337) 또는 공중전화망(PSTN:341)을 통해 접속될 수 있다. 즉, 도시된 바와 같이 라우터(250a - 250c)에서 수신된 정보는 이동통신망과 접속 가능한 휴대폰(337)과 접속된 후, 상기 이더넷 네트워크와 통신을 수행하거나, 공중전화망(341)의 모뎀과 접속된 후, 이더넷 네트워킹이 가능할 것이다.

또한, 본 발명에서는 별도의 워크스테이션과 접속 가능하며, 워크스테이션의 데이터 통신을 위한 인터페이스(DTE:Data Terminal Equipment)와 연동하여 케이블 상태 정보를 관리 컴퓨터로 제공토록 한다.

상기 워크스테이션은 개인용 컴퓨터와 미니 컴퓨터의 중간 단계에 위치하는 컴퓨터로써, UNIX 계열의 운영 체제를 갖고 통신망을 통해 데이터 처리 기능을 구현한다. 따라서, 다수 개의 라우터로부터 수신된 정보를 멀티태스킹할 뿐만 아니라, 다수 개의 관리 컴퓨터와 동시 접속을 가능하게 한다.

임의의 클러스터에서 그룹화된 각각의 근거리 통신모듈(310a - 310d, 320a, 320b)은 전술된 바와 같이 다수 개의 센서와 접속되며, 각 센서로부터 검출된 데이터는 무선 송출된다. 본 발명의 실시 예에서 상기 근거리 통신모듈은 지그비 모듈이 바람직하며, 상기 지그비 모듈의 무선 송출 유효거리가 대략 100m임을 감안하여 라우터를 설치할 수 있을 것이다.

또한, 상기 통신부(420)는 지그비 통신을 위한 IEEE 802154 규격에 따라 네트워킹을 수행하는 네트워크(421)와, PHY 층과 MAC 층을 기반으로 상위 프로토콜을 형성하는 MAC(423)과, 상기 상위 프로토콜을 토대로 상기 메모리(417)에 저장된 데이터를 근거리 무선 송출하는 송신회로(425)로 이루어진다.

미설명된 배터리(430)는 지그비 모듈(400)을 구동 및 운용하기 위한 전력 공급수단이다. 상기 지그비 모듈(400)이 소전력 모듈임을 감안할 때, 상기 배터리(430)는 셀 배터리가 상용되거나, 솔라셀을 이용한 친환경 전력공급 장치로 상정될 수 있을 것이다.

이와 같이 구성된, 지그비 모듈(400)은 A/D 컨버터(440)를 통해 각종 센서의 아날로그 신호를 입력받아 디지털신호로 변환한다. 이후, 각 디지털 신호는 멀티플렉서(411)를 이용하여 센서의 순서 또는 기 설정된 순서에 따라 데이터를 접수한다.

즉, 다수 개의 센서로부터 접수되는 데이터는 하나의 데이터로 가공되는데, 하나의 데이터는 각 센서의 출력데이터가 순차적으로 입력되어 형성됨에 따라, 센서의 출력데이터는 반드시 설정된 순서에 입각하여야 한다. 따라서, 지그비 모듈(400)에 접속되는 센서의 순서를 고정하거나, A/D 컨버터(440)의 포트를 기준으로 순서를 정의해야 할 것이다.

따라서, 상기 멀티플렉서(411)는 다수의 A/D 컨버터(440)로부터 제공되는 데이터를 설정된 순서에 따라 접수하며, 이때 상기 타이머(413)를 통해 데이터의 식별이 가능하도록 시분할 신호처리한다. 이와 같이 가공된 데이터는 상기 ISP 회로(415)에 의해 상기 메모리(417)로 저장되며, In System Program 방식에 따라 데이터 저장이 이루어진다.

이후, 상기 통신부(420)는 지그비 통신에 따른 IEEE 802154 표준의 PHY층과 MAC층을 기반으로 상위 프로토콜(PROTOCOL)과 응용(Application)을 규격화함으로써, 메모리(417)에 저장된 데이터를 지그비 통신 프로토콜에 따라 송출하는 것이다.

200N : 케이블(큐비클 등 포함) 250N : 라우터
290 : 이더넷 310a- 310d, 320a, 320b : 근거리 통신모듈
337 : 휴대폰 339 : 서버
341 : 공중전화망(PSTN) 400 : 지그비 모듈
410 : 제어부 411 : 멀티플렉서
413 : 타이머 415 : ISP 회로
420 : 통신부 421 : 네트워크(NETWORK)
423 : MAC 425 : 송신회로
430 : 배터리 440 : A/D 컨버터

Claims

복수개의 케이블의 상태 모니터링 시스템에 있어서, 복수개의 케이블; 및 상기 케이블 각각의 온도, 진동, 부하, 전류를 검출하기 위한 온도센서, 진동센서, 전압센서, 전류센서에서 검출된 데이터를 수신하며, 각각의 상기 전력 케이블 큐비클에 구비되는 근거리 통신모듈; 을 포함하는 클러스터;
상기 근거리 통신모듈로부터 제공되는 상기 데이터를 수집하여 이더넷 네트워크로 탑재하기 위한 라우터; 및 상기 이더넷 네트워크에 접속되어 상기 데이터를 감시하기 위한 관리 컴퓨터;를 포함하되, 상기 근거리 통신모듈은 지그비 모듈이며, 상기 지그비 모듈은 상기 각각의 케이블에서 검출된 상기 데이터를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터; 상기 A/D 컨버터에서 변환된 상기 디지털 신호를 기 설정된 통신 프로토콜에 따라 취합하고, 취합된 데이터를 내부 메모리에 저장하는 제어부; 및 상기 내부 메모리에 저장된 데이터를 PHY층 및 MAC층을 기반으로 한 상위 프로토콜과 애플리케이션을 통해 무선 송출하는 통신부;를 포함하며,
상기 제어부는 상기 A/D 컨버터에서 변환된 상기 디지털 신호를 설정된 순서에 따라 하나의 데이터로 취합하는 멀티플렉서; 상기 취합된 데이터의 식별이 가능하도록 시분할 처리하는 타이머; 및 상기 취합된 데이터를 ISP(In System Program) 방식을 이용하여 메모리에 저장하는 ISP 회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 노드를 이용한 케이블 상태 모니터링 시스템 및 상태진단 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 근거리 통신모듈과 라우터 간의 통신을 위한 토폴로지는 STAR형, RING 형, CLUSTER TREE 형, MESH 형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 센서 모니터링을 통한 케이블 상태 진단 시스템 및 방법.
상기 라우터는 전력케이블 설비의 환경에 따라 휴대폰 또는 공중전화망(PSTN)을 통해 상기 이더넷 네트워크에 접속되는 것을 특징으로 하는 센서 모니터링을 통한 케이블 상태 진단 시스템 및 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 통신부는 지그비 통신을 위한 IEEE 802154 규격에 따라 네트워킹을 수행하는 네트워크; PHY 층과 MAC 층을 기반으로 상위 프로토콜을 형성하는 MAC; 및 상기 상위 프로토콜을 토대로 상기 내부 메모리에 저장된 데이터를 근거리 무선 송출하는 송신회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 모니터링을 통한 케이블 상태 진단 시스템 및 방법.