WO2021029538A1 - 진동신호를 이용한 제어반 모니터링 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제어반 모니터링 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는, 진동신호를 이용한 제어반 모니터링 장치에 관한 것이다. 본 발명은 수배전반제어반 일측에 부착되는 감지유닛을 통해 전력기기에서 발생되는 음향신호진동신호를 비접촉방식으로 감지하여 감지된 음향신호진동신호를 분석하고, 분석된 음향신호진동신호 중 고조파에 의해 발생되는 신호를 추출하여 추출된 고조파 데이터를 사용자에게 제공하는 것에 의해 고조파 측정 시 스파크로 인해 생길 수 있는 기기소손, 단락, 지락, 누전 합선 등과 같은 전기안전사고를 예방할 수 있으며, CT, PT 센서나 전력분석기 없이 고조파를 측정하는 효과를 가질 수 있다.

Description

진동신호를 이용한 제어반 모니터링 장치

본 발명은 제어반 모니터링 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는, 진동신호를 이용한 제어반 모니터링 장치에 관한 것이다.

전력 계통에서 제어반으로 전동기 제어반, 수배전반 등이 존재한다. 이하, 설명의 편의를 위해 수배전반을 중심으로 설명한다. 이하의 설명은 전동기 제어반에도 공통될 수 있다.

최근 산업화와 정보화를 거치면서 비선형 부하인 PC, TV, 고효율의 전등과 같은 가정용 전자장비와 UPS, 대형 컴퓨터 시스템, HVDC 송전시스템, 전동기 구동시스템 등과 같은 산업용 장비들의 보급량 및 사용량이 급속히 증가하고 있다.

이러한 비선형 부하의 보급량 및 사용량 증가로 인하여 전력수요가 증가함에 따라 한전에서 수전 받아 수용가에서 필요한 고압 및 저압 전력으로 변환, 사용하기 위하여 기반 전기설비인 수배전반의 설치가 증가하고, 사용전압의 크기, 용도, 장소에 따라 고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반으로 다양하게 구분되어 설치, 운전되고 있다.

하지만, 종래에는 특 고압, 고압, 저압과 같은 전압크기와 관계없이 전력설비의 설치증가, 대용량화에 따라 기기소손, 단락, 지락 등과 같은 여러 형태의 설비사고가 발생하고 있고, 수배전반과 같은 폐쇄형 전력설비 내부에서는 고조파 발생에 따른 열 및 소음을 발생시키고 더 나아가 절연파괴, 과부하, 보호기의 오작동, 수명단축, 통신장애 등으로 인한 설비사고가 발생 되어 정전 및 화재사고로 파급된다. 이에 따라, 폐쇄형 전력설비 구조 내부에서 발생되는 고조파에 대한 측정을 하는 기술들이 개발되고 있는 실정이다.

선행문헌 1(10-1668777)에서는 부하에서 발생하는 고조파를 측정하기 위하여 전압측정기, 전류측정기 및 누설전류측정기를 부하에 연결하여 계측하고, 계측된 정보에서 고조파 정보를 산출하는 제어부를 포함하는 수배전반 유지보수를 위한 감시제어장치 및 방법을 개시하고 있다.

선행문헌 2(10-1609589)에서는 수배전반의 각 출력단자에서 각 부하로 제공되는 전류 및 전압을 측정하여 각 출력단자의 전기신호를 획득하는 출력단자 신호획득부 및 상기 추출된 각 출력단자의 전류 및 전압에 대한 정보를 이용하여 전류 또는 전압에 대한 총 고조파 왜곡률(Total Harmonic Distortion; THD)을 산출하는 제어부를 포함하는 수배전반 안전관리 시스템을 개시하고 있다.

상기 선행문헌들에서는 전력분석장비를 전력계통에 직접 접촉시켜 고조파에 대한 데이터를 획득하는 기술을 개시하고 있으나 전력계통에 전력분석장비를 직접 접촉시켜 고조파 측정 시 스파크로 인해 생길 수 있는 감전, 누전 합선 등과 간은 전기안전사고에 대비책에 대해서는 전혀 인식하고 있지 않다는 문제점이 있다.

본 발명은 제어반 내부의 고조파를 접촉식으로 진단함에 따른 문제를 제거할 수 있는 제어반 모니터링 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 진동신호를 이용한 제어반 모니터링 장치는 제어반 내측에 구비되며, 제어반 내부에서 발생하는 진동을 실시간으로 감지하는 감지유닛, 상기 감지유닛으로부터 제어반 내부 진동에 대응한 진동신호를 수신하고, 분석하여 제어반 내부의 이상 상태를 확인하는 신호처리유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 신호처리유닛는 상기 시간 영역에서의 진동신호를 고속 푸리에 변환 방법을 이용하여 주파수 영역에서 상기 시간 영역에서의 진동신호를 분석하고, 상기 진동 신호 분석을 통해 파악된 상기 진동신호의 주파수 성분을 기초로 상기 제어반 내부의 이상 상태를 확인하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 신호처리유닛은 상기 제어반의 이상 발견 시 이상 상태에 대한 정보를 사용자 단말기로 알리는 경보부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어반 외측에 구비되며, 상기 신호처리유닛의 제어반 내부 이상 상태 확인 결과를 디스플레이하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 제어반 일측에 부착되는 감지유닛을 통해 전력기기에서 발생되는 진동신호를 비접촉방식으로 감지하여 감지된 진동신호를 분석하고, 분석된 진동신호 중 고조파에 의해 발생되는 신호를 추출하여 추출된 고조파 데이터를 사용자에게 제공하는 것에 의해 고조파 측정 시 스파크로 인해 생길 수 있는 기기소손, 단락, 지락, 누전 합선 등과 같은 전기안전사고를 예방할 수 있으며, CT, PT 센서나 전력분석기 없이 고조파를 측정하는 효과를 가질 수 있다.

또한, 본 발명은 추출된 각 고조파 성분에 대한 누적 데이터를 사용자에게 제공하는 것에 의해 사용자가 누적 데이터를 분석하여 사고 또는 고장 발생 시 발생 원인에 대한 대책을 강구할 수 있는 자료로 활용할 수 있으며, 이에 따라, 이상 징후를 사전에 감지, 진단할 수 있는 효과를 가질 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 진동신호를 이용한 제어반 모니터링 장치가 적용된 제어반 모니터링 시스템의 개략도

도 2는 본 발명에 따른 제어반 모니터링 장치가 구비된 제어반의 사시도

도 3은 도 1의 신호처리유닛의 기능 블록도

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 진동신호를 이용한 제어반 모니터링 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명에 따른 진동신호를 이용한 제어반 모니터링 장치가 적용된 제어반 모니터링 시스템의 개략도이다. 도 2는 본 발명에 따른 제어반 모니터링 장치가 구비된 제어반의 사시도이다. 도 3은 도 1의 신호처리유닛의 기능 블록도이다. 이하에서 종래 주지된 사항에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명확히 하기 위해 생략하거나 간단히 한다.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 진동신호를 이용한 제어반 모니터링 장치(1)는 감지유닛(100), 신호처리유닛(200), 사용자 단말기(300), 디스플레이부(30)를 포함할 수 있다.

감지 유닛(100)은 제어반(10) 일측에 부착되어, 제어반(10) 내부에 설치된 전력기기(20)로부터 발생한 진동을 실시간으로 감지할 수 있다. 감지 유닛(100)은 감지된 진동에 대응한 전기적 신호로서 진동신호를 생성하고 이를 신호처리유닛(200)에 제공할 수 있다.

감지유닛(100)은 제어반(10) 내측에 설치되는 적어도 1개 이상의 진동센서일 수 있으며, 전력기기(20)으로부터 발생하는 진동신호를 비접촉방식을 이용하여 실시간으로 감지할 수 있다.

여기서, 감지유닛(100)은 진동센서로 설명하고 있으나, 진동센서로 한정하지 않고, 비접촉 방식으로 진동신호 감지가 가능한 장치로 대체될 수 있다.

이에 따라, 감지유닛(100)을 이용한 비접촉방식의 전력 데이터 측정 방식은 CT, PT 및 계측기를 전력기기(20)에 장시간 직접 접촉시켜 전류, 전압, 고조파 등의 전력 데이터를 측정하는 직접 접촉 방식에 비해 안전하고, 비용 및 시간 측면에서 효율적이다.

신호처리유닛(200)은 감지유닛(100)과 유선 또는 무선으로 전기적 연결방식을 통해 연결될 수 있으며, 감지유닛(100)으로부터 제공받은 진동신호를 분석하여 전력 데이터를 생성 및 저장할 수 있다. 감지유닛(100)은 3축 가속도 센서일 수 있다. 감지유닛(100)이 설치되는 위치에 따라 감지유닛(100)의 감지신호 중 제어반(10) 진단을 위해 사용되는 정보는 상이할 수 있다. 예를 들어, 감지유닛(100)이 바닥에 설치되는 경우 신호처리유닛(200)는 진동 신호 중 상측 방향의 축(z축) 성분을 제외한 평면을 정의하는 그 외의 두축(x,y 축) 성분 만을 사용해 제어반(10)을 진단할 수 있다. 이와 달리, 감지유닛(100)이 제어반(10) 측벽에 부착되는 경우, 진동 신호 중 설치된 제어반(10)의 측벽을 관통하는 방향의 축(x축) 성분을 제외한 그 외의 두축(y,z) 성분 만을 사용해 제어반(10)을 진단할 수 있다.

신호처리유닛(200)은 감지유닛(100)으로부터 제어반(10) 내부 진동에 대응한 진동 신호를 수신하고, 분석하여 제어반(10) 내부에 설치된 전력기기(20)로부터 발생하는 진동을 사용해 제어반(10) 내부의 이상 상태를 진단할 수 있다.

사용자 단말기(300)는 신호처리유닛(200)과 통신을 할 수 있다. 사용자 단말기(300)는 제어반(10)의 이상을 신호처리유닛(200)이 발견하는 것에 대응하여 송출하는 이상 상태에 대한 정보를 신호처리유닛(200)으로부터 수신하고 이를 사용자에게 음향 또는 영상으로 알릴 수 있다.

사용자 단말기(300)는 신호처리유닛(200)으로부터 전력 데이터를 제공받아 모니터링 할 수 있으며, 전력 데이터 저장부(230)에 축적된 전력 데이터를 수신하여 추후 사고 또는 고장 발생 원인에 대한 대책을 강구할 수 있는 자료로 활용할 수 있다. 또한, 사용자 단말기(300)는 정보제공부(240)로부터 제공받은 실시간 전력 데이터 및 축적된 각 고조파 성분에 대한 전력 데이터를 저장할 수 있으며, 축적된 전력 데이터는 기 설정된 주기마다 제공받을 수 있다.

여기서, 사용자 단말기(300)는 PC, 태블릿, PDA 및 휴대폰일 수 있으며, 사용자 단말기(300)에 어플리케이션을 설치하여 전력 데이터를 용이하게 확인할 수 있다.

도 2를 참조하면, 디스플레이부(30)는 제어반(10) 외측에 구비되며, 상기 신호처리유닛(200)의 제어반(10) 내부 이상 상태 확인 결과 및 분석된 전력데이터를 디스플레이할 수 있다. 여기서, 디스플레이부(30)는 예를 들어, LCD 패널 등일 수 있다.

도 3을 참조하면, 신호처리유닛(200)은 신호 변환부(210), 고조파 추출부(220), 전력 데이터 저장부(230), 정보제공부(240) 및 경보부(250)를 포함할 수 있다.

신호 변환부(210)는 고속 푸리에 변환(FFT) 방법을 이용하여 시간 영역에서의 진동신호를 주파수 영역의 신호로 변환하고, 정보제공부(240)를 통해 변환된 주파수 영역의 신호를 사용자 단말기(300)에 제공하는 것에 의해 사용자가 실시간으로 전력 데이터 정보를 확인할 수 있다.

여기서, 신호 변환부(210)는 고속 푸리에 변환 방법을 이용하여 진동신호를 주파수 영역의 신호로 변환하나, 변환 방법을 한정하지 않고, 진동신호를 시간 함수가 아닌 주파수 함수로 변환이 가능한 변환 방법으로 대체될 수 있다.

고조파 추출부(220)는 주파수 영역의 신호를 분석하여 고조파에 대한 각 성분을 추출하고, 정보제공부(240)를 통해 추출된 각 고조파 성분을 사용자 단말기(300)에 제공할 수 있다.

이에 따라, 사용자가 고조파 발생 여부 및 전력기기(20) 전력품질저하 여부를 인지하여 고조파 발생에 따른 전력기기(20)의 온도상승 및 열화, 절연파괴, 과부하, 보호기의 오동작, 수명단축, 통신장애 등의 설비사고를 예방하고, 즉각 대처할 수 있다.

전력 데이터 저장부(230)는 신호 변환부(210)로부터 변환되는 주파수 영역의 신호 및 고조파 추출부(220)로부터 추출되는 각 고조파 성분을 전력 데이터로 축적할 수 있다.

여기서, 전력 데이터는 실시간으로 감지되는 진동신호를 주파수 함수로 변환된 주파수 영역의 신호 정보 및 변환된 주파수 영역의 신호로부터 추출된 각 고조파 성분 정보이다. 예를 들어, 각 고조파 성분 정보는 기본파가 60Hz인 경우, 제2고조파(120Hz), 제3고조파(180Hz), 제4고조파(240Hz), 제5고조파(300Hz)....(제n고조파(60Hz X n))일 수 있다.

정보제공부(240)는 실시간 전력 데이터 및 축적된 각 고조파 성분에 대한 전력 데이터를 실시간 또는 기 설정된 주기마다 사용자 단말기(300)에 제공할 수 있으며, 이에 따라, 사용자가 실시간으로 전력 데이터 정보를 확인할 수 있다. 또한, 정보제공부(240)는 사용자가 직접 전력분석장비를 통해 고조파를 측정하고, 분석하지 않아도 전력 데이터 저장부(230)로부터 제공받은 전력데이터 정보를 사용자에게 제공함으로써 사용자가 비접촉 방식으로 전력데이터 정보를 모니터링 하여 손쉽게 전력품질을 분석할 수 있다.

경보부(250)는 전력 데이터로부터 이상 발견 시 이상 신호에 대한 정보를 사용자 단말기(300)로 알리고, 경보등(미도시) 점등을 통하여 이상 발생 알림을 표시하는 것에 의해 사용자 또는 제 3 자에게 이상 발생을 알릴 수 있다.

여기서, 경보부(250)가 이상 신호 발생을 판단하는 기준은 기 설정된 백그라운드 대역의 주파수와 전력 데이터를 비교하여 전력 데이터의 주파수가 기 설정된 기준치 이상으로 변하는 증감률. 즉, 주파수 변동률일 수 있으며, 기 설정된 기준치 이상으로 전력 데이터 주파수가 변동하면 경보부(250)는 이상 신호 발생을 판단할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 해당 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (4)

1. 제어반 내측에 구비되며, 제어반 내부에서 발생하는 진동을 실시간으로 감지하는 감지유닛;

   상기 감지유닛으로부터 제어반 내부 진동에 대응한 진동신호를 수신하고, 분석하여 제어반 내부의 이상 상태를 확인하는 신호처리유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동신호를 이용한 제어반 모니터링 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 신호처리유닛는

   상기 시간 영역에서의 진동신호를 고속 푸리에 변환 방법을 이용하여 주파수 영역에서 상기 시간 영역에서의 진동신호를 분석하고,

   상기 진동 신호 분석을 통해 파악된 상기 진동신호의 주파수 성분을 기초로 상기 제어반 내부의 이상 상태를 확인하는 것을

   특징으로 하는 진동신호를 이용한 제어반 모니터링 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 신호처리유닛은 상기 제어반의 이상 발견 시 이상 상태에 대한 정보를 사용자 단말기로 알리는 경보부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동신호를 이용한 제어반 모니터링 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제어반 외측에 구비되며, 상기 신호처리유닛의 제어반 내부 이상 상태 확인 결과를 디스플레이하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동신호를 이용한 제어반 모니터링 장치.

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