[논문]적외선 센서를 이용한 열화상태 무선감시 시스템 개발

김지희; 김신우; 강용수

doi:10.5573/ieek.2013.50.1.239

적외선 센서를 이용한 열화상태 무선감시 시스템 개발
A Development of Wireless Monitoring System for Temperature Monitoring by using IR Sensor 원문보기

Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea = 전자공학회논문지, v.50 no.1, 2013년, pp.239 - 245

김지희 (한전KDN 전력IT연구원 발전IT연구그룹) , 김신우 (한전KDN 전력IT연구원 발전IT연구그룹) , 강용수 (한전KDN 전력IT연구원 발전IT연구그룹)

초록
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발전소 내 고압 단자대 및 전력구 케이블 인입부에서 주변 전력기기들의 지속적인 진동 및 순간적인 충격의 발생으로 케이블 단자 또는 접속부 접촉점에 열화가 발생하는 사고가 일어난다. 접촉점에서의 열화 발생은 큰 사고로 이어질 수 있으며 안정적으로 전력을 공급해야 하는 발전소에서는 열화 발생을 예측하기 위한 다양한 연구가 시도되고 있다. 이에 비접촉식 적외선 센서를 이용하여 온도를 측정하는 방식이 있으며 이러한 방식의 궁극적인 목적은 측정하고자 하는 대상체를 최적의 거리에서 감시함으로 접촉점의 열화 발생뿐 아니라 센서 측정범위 내의 열화의 상태도 감시하는 데 있다. 연결부 온도를 측정하고 열화 상태를 실시간 감시하여 사용자에게 가시, 가청 알람을 주어 사용자가 열화사고를 인지하여 미연에 방지할 수 있게 한다. 그러나 이러한 시스템을 구축하기 위해서는 감시 장치를 설치, 운영해야 하는 어려움이 있다. 본 연구에서는 설치 용이성을 고려하여 소출력 배터리 동작모듈로 접속부의 온도를 측정하고 이를 감시할 수 있는 적외선센서를 이용한 무선감시시스템을 개발하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The temperature monitoring of power cable and cable junction point is the necessary link of the safe and reliable operation of the power system. Many kinds of cables and high voltage junction points are easy to exposed continuous vibrations and momentary impulse in industry field especially power plant industries. This system can predict the overheating of the electric cable interface and the possibility of all kinds of accident, and it helps for eliminating the hazards of electric cable interface and provides the effective guarantee for the safety operation. In order to avoid the faults of the inconvenience of installation and maintenance and the high cost of application, this system used small and contactless IR sensor module. The low power consumption is used in the system. The goal of this study is the low cost and on-line reliable monitoring of power cable and junction point temperature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 24시간, 1년 365일 상시로 운영되는 발전소 내 설비동력을 전송하는 고압케이블의 열화발생을 감지하기 위한 시스템을 구현하였다. 케이블 접속부에 대한 감시는 전력소모, 화재와 같은 2차 사고를 예방하기 위해 중요한 요소이다.
본 연구에서는 무선센서 네트워크를 이용하여 유선 통신망의 설치나 별도의 공사 없이 단자함 내부나 전력 케이블의 접속부에 대한 열화상태 감시가 가능하도록 개발하였다.
본 연구에서는 설치 및 유지보수 비용을 최소화할 수 있도록 독립형 적외선 온도 센서 모듈 장치를 단자함 또는 전력구 내 필요한 위치 어디에든 설치할 수 있도록 개발하였다. 저 전력 회로로 구성하여 소모되는 전력량을 최소화하여 배터리로 동작하는 모듈 내에 무리가 가지 않게 설계하였으며 소출력 무선 네트워크로 다른 전력기기들의 통신에 방해를 하지 않도록 개발하였다.
본 연구에서는 저비용의 적외선온도센서를 이용하여 별도의 공사나 설치 없이 무선통신을 이용하여 주위 전력기기에 영향을 주지 않는 비교적 간단한 시스템을 개발하고 이를 시험 적용함으로써 안정적인 데이터 취득과 취득된 데이터의 신뢰성을 분석해보았다. 설치와 유지보수의 편리성을 위해 배터리를 사용한 온도센서모듈을 개발하였으며, 레이저센서의 추가로 가시광선을 벗어난 적외선대역이 측정하고자 하는 정확한 위치를 알 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 전력설비 열화상태 감시와 관련한 연구들을 살펴보고, 무선센서 네트워크 기술을 이용한 열화상태 감시시스템의 설계 및 구현에 대하여 기술하였다.
이에 본 연구에서는 측정하고자 하는 대상체의 정확한 감시를 위해 비접촉식 적외선 온도 센서모듈을 개발하였으며 저전력 밧데리 동작 회로 설계로 유지기간을 최대화하고 소형으로 제작하여 원하는 지점을 정확히 측정할 수 있도록 하였다.

제안 방법

접촉부 열화 상태를 정확하게 감시하기 위해 오차율이 ±1℃인 HEIMANN사의 HTIA-D센서를 사용하였다. 대상체의 온도 정보를 디지털 값으로 바로 출력해내는 HTIA-D센서는 기존 아날로그 센서의 교정 작업이 처리되어있고 출력되는 디지털 값을 MICOM내부에서 인터럽트로 받아들여 1,0이 식별되는 비트로 계산하는 회로로 설계하였다. 이는 센싱값의 오차 없이 정확한 8비트의 디지털 값으로 입력이 들어오므로 기존의 A/D 컨버터를 거치는 아날로그 센서보다 신뢰성이 높고 정보의 누락이나 손실 없이 정확한 데이터를 취득할 수 있다.
먼저, 소형으로 제작하되 원하는 곳을 정확하게 측정할 수 있도록 센서부만 따로 설계하고 전원 케이블을 이용하여 온도수집장치로 연결하는 방식으로 설계하였다. 센서부쪽은 360°로 돌아가도록 이음새 부분을 고려하였으며 이와 같은 센서 모듈을 1개에서부터 3개까지 필요하거나 감시가 필요한 부분을 측정할 수 있게 하였다.
본 시스템은 Sleep & Wake-up 모드를 구현하여 설정한 주기마다 모듈이 깨어나 온도데이터 정보를 전송하도록 구현하였다.
본 연구에서는 Sleep & Wake-up 모드를 구현하여 사용자가 설정한 주기마다 모듈이 깨어나 온도를 측정하고 측정한 온도 데이터 정보를 상위 서버단으로 전송해주는 시스템으로 구성하였다.
그러나 일반적인 제품은 핸디형으로 공정 모니터링의 적용을 위해선 특정 네트워크 기반에 묶여 모니터링을 수행하고, 측정된 온도에 따른 대응모델을 시스템에서 유기적으로 실현할 수 있는 시스템이 필요하다^[4]. 본 연구에서는 독립적인 소형의 센서를 이용하여 손쉽게 설치가 가능하고, 무선 통신을 이용하여 설치의 편리성을 위해 센서모듈은 외부 전원을 사용하지 않고 배터리를 이용하는 방식을 고려하였다. 따라서 센서모듈의 수명을 결정하는 주요 요소는 통신을 위해 사용되는 에너지와 열화상태 검출을 위해 사용되는 에너지가 된다.
본 연구에서는 연구원내에 테스트 베드를 구축하여 실험을 진행하였다. 온도센서 IR1, IR2, IR3를 측정하고자 하는 대상체에 맞도록 설치하고 시간에 따른 온도 트렌드 추이를 분석하였다.
본 연구에서의 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈은 기존 시스템이 가진 설치시의 단점을 고려하여 설계하였다. 기존 시스템이 가진 단점으로는 지속적으로 전원을 공급해야 한다는 것과 독립전원이 가능할지라도 짧은 유지기간으로 전원공급을 상시 확인해야 한다는 것이다.
사용자가 항상 모니터를 감시하면서 온도변화를 측정할 수 없으므로 HI(High), HH(High High) 온도를 설정하여 설정한 기준 값보다 온도 데이터가 높은 수치를 나타날 때 가시/가청 정보를 주는 기능으로 구현하였다. 이로 인해 상시 모니터링을 하지 않더라도 측정개소별로 설정 값보다 높은 온도가 검출될 경우 집중 감시함으로써 2차사고를 예방할 수 있게 되었다.
본 연구에서는 저비용의 적외선온도센서를 이용하여 별도의 공사나 설치 없이 무선통신을 이용하여 주위 전력기기에 영향을 주지 않는 비교적 간단한 시스템을 개발하고 이를 시험 적용함으로써 안정적인 데이터 취득과 취득된 데이터의 신뢰성을 분석해보았다. 설치와 유지보수의 편리성을 위해 배터리를 사용한 온도센서모듈을 개발하였으며, 레이저센서의 추가로 가시광선을 벗어난 적외선대역이 측정하고자 하는 정확한 위치를 알 수 있도록 하였다. 또한 별도의 유선통신망 없이 무선통신을 이용하여 비용 절감에 용이할 것이다.
측정된 데이터는 각 온도 센서 4byte * (IR 3구) = 12byte + 시간 정보 6byte로 18byte의 크기이며 이는 1KB용량의 EEPROM에 최대 56개까지 쌓이게 된다. 시스템에 무리를 주지 않도록 FIFO(First In First Out)형식으로 먼저 입력된 데이터를 먼저 삭제하는 형식을 채택하였다. 이런 방법으로 온도 측정 장치 내부 메모리에 쌓인 데이터를 주기적으로 데이터 수집 장치로 전송하게 되고 데이터 수집 장치에서 ACK신호가 수신될 시 기존의 데이터는 자연적으로 삭제된다.
5℃의 오차율을 나타내었다. 실제 온도와 적외선 온도센서모듈의 오차를 측정하기위해 FLUKE사의 온도측정기를 사용하여 실제 값과의 차이를 비교해보았다. 온도트렌드분석화면에서는 사용자가 설정해놓은 기간별 데이터를 모두 확인할 수 있으므로 최근 온도트렌드를 통해 전력기기의 온도변화를 확인할 수 있으며 독립형 센서모듈 각각이 측정하는 개소의 온도변화를 별도로 확인하는 기능도 구현하였다.
온도변화의 추이를 가장 쉽게 확인할 수 있는 화면은 그래프에 나타낸 트렌드분석화면이며 각각 다른 지점을 측정하는 독립형 온도센서모듈 3구에 대하여 온도 분석을 실시하였다. 약 보름에 걸쳐 데이터를 분석해 본 결과 ±0.
본 연구에서는 연구원내에 테스트 베드를 구축하여 실험을 진행하였다. 온도센서 IR1, IR2, IR3를 측정하고자 하는 대상체에 맞도록 설치하고 시간에 따른 온도 트렌드 추이를 분석하였다.
이런 방법으로 온도 측정 장치 내부 메모리에 쌓인 데이터를 주기적으로 데이터 수집 장치로 전송하게 되고 데이터 수집 장치에서 ACK신호가 수신될 시 기존의 데이터는 자연적으로 삭제된다. 온도수집장치에서 데이터수집장치로 정보를 보내주는 경우에는 무선 424MHz 소출력 통신을 이용하여 다른 기기나 설비에 영향을 주지 않도록 하였다.
실제 온도와 적외선 온도센서모듈의 오차를 측정하기위해 FLUKE사의 온도측정기를 사용하여 실제 값과의 차이를 비교해보았다. 온도트렌드분석화면에서는 사용자가 설정해놓은 기간별 데이터를 모두 확인할 수 있으므로 최근 온도트렌드를 통해 전력기기의 온도변화를 확인할 수 있으며 독립형 센서모듈 각각이 측정하는 개소의 온도변화를 별도로 확인하는 기능도 구현하였다.
본 시스템은 Sleep & Wake-up 모드를 구현하여 설정한 주기마다 모듈이 깨어나 온도데이터 정보를 전송하도록 구현하였다. 이에 MCU자체의 오실레이터 주기가 변경될 경우 제대로 측정이 될 수 없다는 단점을 극복하고자 외부 RTC모듈 RV-8564-C2를 사용하였으며 I2C통신방식으로 전송할 데이터가 있을 때마다 start/stop bit로 동기를 맞춰 비효율적인 시간낭비를 없게 하였다.
본 연구에서는 설치 및 유지보수 비용을 최소화할 수 있도록 독립형 적외선 온도 센서 모듈 장치를 단자함 또는 전력구 내 필요한 위치 어디에든 설치할 수 있도록 개발하였다. 저 전력 회로로 구성하여 소모되는 전력량을 최소화하여 배터리로 동작하는 모듈 내에 무리가 가지 않게 설계하였으며 소출력 무선 네트워크로 다른 전력기기들의 통신에 방해를 하지 않도록 개발하였다. 추후 예상되는 유지보수 비용을 최소화하기 위해 교체 가능한 자체 배터리를 이용하며, 초기 또는 재설치시 원하는 대상체를 정확하게 측정할 수 있도록 레이저 센서를 추가 구성하여 효율적인 열화감시를 가능하게 개발하였다.
이는 센싱값의 오차 없이 정확한 8비트의 디지털 값으로 입력이 들어오므로 기존의 A/D 컨버터를 거치는 아날로그 센서보다 신뢰성이 높고 정보의 누락이나 손실 없이 정확한 데이터를 취득할 수 있다. 적외선 HTIA-D 센서와 더불어 초기설치 또는 재설치 시 측정하고자 하는 대상체의 접속부를 정확히 알기 위해 레이저 센서를 추가로 구성하였다. 처음 전원이 들어오고 레이저 센서를 이용해 설치위치를 확인하고 온도센서모듈 자체값 세팅이 끝나면 레이저 센서는 사용하지 않도록 회로를 설계해 전력소모에 크게 무리가 가지 않도록 하였다.
데이터수집장치에서 최종적으로 취득하는 데이터는 온도측정장치에서 전송되는 독립형 적외선 온도센서에 관한 온도정보로 제대로 통신이 되었는지를 확인한 후 이상 없이 제대로 된 데이터가 전송되면 상위 서버 단으로 데이터를 보내주게 된다. 정보의 누락을 방지하기 위해 데이터수집장치에서는 고유의 시간정보를 함께 발송하여 설정된 주기랑 맞지 않거나 시간 값에 대한 정보가 없을 시 알려주는 기능을 추가하여 좀 더 신뢰성 있는 데이터를 구축하도록 설계하였다. 데이터수집장치에서 상위 서버 단으로 정보를 보낼 때에는 데이터량과 누락을 고려하여 TCP/IP 통신을 이용하였고 정보를 상위 서버 단으로 보내준다.
기존의 연구에서 주로 사용되던 발전소 내 무선통신은 Zigbee로 이는 근거리통신에 적합하며 중계기가 비교적 가까이 설치되는 경우 정보의 누락없이 통신이 가능하다. 중계기의 위치가 가까워질수록 전력설비에 영향이 갈 수도 있기 때문에 본 연구에서는 10mW 소출력 무선통신대역인 424MHz를 사용하였고 채널의 중복성을 해결하기 위해 ID를 이용해 채널을 부여하였다.
적외선 HTIA-D 센서와 더불어 초기설치 또는 재설치 시 측정하고자 하는 대상체의 접속부를 정확히 알기 위해 레이저 센서를 추가로 구성하였다. 처음 전원이 들어오고 레이저 센서를 이용해 설치위치를 확인하고 온도센서모듈 자체값 세팅이 끝나면 레이저 센서는 사용하지 않도록 회로를 설계해 전력소모에 크게 무리가 가지 않도록 하였다.
저 전력 회로로 구성하여 소모되는 전력량을 최소화하여 배터리로 동작하는 모듈 내에 무리가 가지 않게 설계하였으며 소출력 무선 네트워크로 다른 전력기기들의 통신에 방해를 하지 않도록 개발하였다. 추후 예상되는 유지보수 비용을 최소화하기 위해 교체 가능한 자체 배터리를 이용하며, 초기 또는 재설치시 원하는 대상체를 정확하게 측정할 수 있도록 레이저 센서를 추가 구성하여 효율적인 열화감시를 가능하게 개발하였다.

대상 데이터

접촉부 열화 상태를 정확하게 감시하기 위해 오차율이 ±1℃인 HEIMANN사의 HTIA-D센서를 사용하였다.

후속연구

발전소라는 특수한 환경에서는 장비의 유지보수가 상대적으로 어려우므로 저전력 무선감시시스템으로 구현하였으며 현재 저전력 회로에 대한 연구는 활발히 진행되어 상용화하기에 무리가 없을 것으로 보인다. 그러나 발전소라는 특수한 환경에 노출되어야하는 시스템이므로 향후 실제 설치환경에서 발생할 수 있는 상황이 시스템에 미칠 수 있는 영향을 분석하고 개선해 나가야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열화가 발생하는 전기적인 요인은 무엇인가?	이상전압, 개폐서지, 뇌서지 등에 의해 발생
	발전소에서 열화가 발생하는 이유는 무엇인가?	최근, 발전소를 비롯한 주요 전력설비에 열화로 인한 사고가 발생하는 현상이 잦다. 발전소 내에서 사용되는 고압 전동기의 1차 측 인입선은 대부분 접속부를 통하여 전압을 입력받는데 전동기의 진동 및 외부 충격 등의 요인으로 인하여 접속부가 완전 결합되지 않는 경우가 발생하여, 이로 인해 열화가 발생한다. 접속부의 열화는 화재와 같은 치명적인 사고 원인이 될 수 있으며 주요 전력구에 영향을 끼치므로 사고가 발생하기 전에 미리 예측할 수 있도록 하기 위해 다양한 형태의 예방점검 활동을 수행하고 있다.
	접촉점에서의 열화 발생을 막기 위하여 사용하는 비접촉식 적외선 센서를 이용하여 온도를 측정하는 방식의 목적은 무엇인가?	접촉점에서의 열화 발생은 큰 사고로 이어질 수 있으며 안정적으로 전력을 공급해야 하는 발전소에서는 열화 발생을 예측하기 위한 다양한 연구가 시도되고 있다. 이에 비접촉식 적외선 센서를 이용하여 온도를 측정하는 방식이 있으며 이러한 방식의 궁극적인 목적은 측정하고자 하는 대상체를 최적의 거리에서 감시함으로 접촉점의 열화 발생뿐 아니라 센서 측정범위 내의 열화의 상태도 감시하는 데 있다. 연결부 온도를 측정하고 열화 상태를 실시간 감시하여 사용자에게 가시, 가청 알람을 주어 사용자가 열화사고를 인지하여 미연에 방지할 수 있게 한다.

참고문헌 (5)

김영일, 송재주, 신진호, 이봉재, 조선구, "효율적인 전력케이블 접속함의 표면온도감시를 위한 무선감시시스템 개발", 대한전기학회 하계학술대회 논문집, 1854-1855쪽, 2007년 7월
김영일, 송재주, 신진호, 이봉재, 조선구, "무선센서를 이용한 지하전력구의 케이블 접속함 표면온도 감시시스템 개발", 대한전기학회 논문지, 제56권 제 11호, 1879-1884쪽, 2007년 11월
한학수, 민경윤, 유기선, "전력케이블 열화 감시방안에 관한 연구", 한국철도학회 2007년도 추계학술대회 논문집, 1516-1522쪽, 2007년 11월
안병준, "열간 사상 압연 공정 시스템의 모델링 및 장력제어", 전기학회지, 50권 9호, 22-25쪽, 2001년
Jianwen Wang, Zhengfeng Wang and Peng Li, "The Research of On-line Monitoring System of Power Cable Joint Temperature", I.J. Wireless and Microwave Technologies, pp9-15, 2012. 3.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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