본 논문에서는 풍력 발전기 내 기 설치된 전력선을 통신 선로로 사용하여 통신 네트워크를 구축하는 기술인 무배선 감시 시스템을 제안한다. 전력선과 데이터통신 기기의 연결을 위하여 발전기의 다양한 전류 및 전압 변화에서도 안정적인 통신이 가능한 유도성 결합장치와 복합통신장치를 사용하였다. 실제 운영되고 있는 풍력 발전기를 대상으로 선로 특성분석을 통해 전력선 통신의 구축 가능성을 확인 후 영상 전송 시스템을 구현하였다. 구현된 전력선 통신 시스템은 43Mbps 이상의 전송속도를 제공하고, 통신 성공률은 100%로 실시간 비디오 영상 전송이 가능함을 확인했다. 따라서 제시된 시스템은 통신 선로의 추가 설치 없이도 풍력 발전기에 통신 네트워크 구축이 가능하며, 전력선 통신 네트워크 기반의 실시간 감시 시스템을 도입하는 경우 매우 효과적일 것으로 기대된다.
본 논문에서는 풍력 발전기 내 기 설치된 전력선을 통신 선로로 사용하여 통신 네트워크를 구축하는 기술인 무배선 감시 시스템을 제안한다. 전력선과 데이터통신 기기의 연결을 위하여 발전기의 다양한 전류 및 전압 변화에서도 안정적인 통신이 가능한 유도성 결합장치와 복합통신장치를 사용하였다. 실제 운영되고 있는 풍력 발전기를 대상으로 선로 특성분석을 통해 전력선 통신의 구축 가능성을 확인 후 영상 전송 시스템을 구현하였다. 구현된 전력선 통신 시스템은 43Mbps 이상의 전송속도를 제공하고, 통신 성공률은 100%로 실시간 비디오 영상 전송이 가능함을 확인했다. 따라서 제시된 시스템은 통신 선로의 추가 설치 없이도 풍력 발전기에 통신 네트워크 구축이 가능하며, 전력선 통신 네트워크 기반의 실시간 감시 시스템을 도입하는 경우 매우 효과적일 것으로 기대된다.
This paper presents an implementation of a communication network in wind turbines, which exploits the power-line communication system (PLC). We used an inductive coupling unit and a multi-interface device to connect a data-communication terminal to the power line, to ensure that stable communication...
This paper presents an implementation of a communication network in wind turbines, which exploits the power-line communication system (PLC). We used an inductive coupling unit and a multi-interface device to connect a data-communication terminal to the power line, to ensure that stable communication was possible at various electric current and voltage values of the generator. The results of the operation tests conducted on an operational wind turbine showed that the implemented PLC demonstrated a transmission rate of at least 43 Mbps with a 100% success rate. Moreover, a real-time image was transmitted. Thus, the system could be a useful alternative for implementing a communication network in wind turbines that does not require additional channels. Since the presented system is easy to implement, and can support various interfaces for data communication, it will be quite useful when a real-time monitoring system is launched in wind turbines.
This paper presents an implementation of a communication network in wind turbines, which exploits the power-line communication system (PLC). We used an inductive coupling unit and a multi-interface device to connect a data-communication terminal to the power line, to ensure that stable communication was possible at various electric current and voltage values of the generator. The results of the operation tests conducted on an operational wind turbine showed that the implemented PLC demonstrated a transmission rate of at least 43 Mbps with a 100% success rate. Moreover, a real-time image was transmitted. Thus, the system could be a useful alternative for implementing a communication network in wind turbines that does not require additional channels. Since the presented system is easy to implement, and can support various interfaces for data communication, it will be quite useful when a real-time monitoring system is launched in wind turbines.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 기존에 설치되어 있는 전력선을 통신 선로로 사용하여 통신 네트워크를 구축하는 기술인 전력선 통신(Power Line Communication, PLC) 네트워크 기반의 감시 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 이미 설치된 전력선을 통신자원으로 활용하므로 이미 운용중인 풍력 발전 시스템에도 적용이 가능하며, 대단위 해상 풍력과 같은 특수 환경에서 보다 효과적이고 효율적인 접근이 가능하다.
본 연구에서는 운행 중인 풍력발전기에 전력선 통신시스템을 이용한 통합 통신네트워크를 구축하는 방안을 제시하였다. 이를 위하여 발전기 내에 설치된 전력선을 기간통신망으로 활용하고, 전력선과 데이터 통신 기기 간의 통신을 위한 유도성 결합장치와 복합통신장치를 사용하였다.
제안 방법
이 경우 외부에 노출된 선로는 습기로 인하여 도선이 부식될 수 있으며, 이는 통신 성능의 저하나 통신 불능을 초래하는 원인이 될 수 있다. 따라서 본 논문에서는 Figure 3과 같이 부식의 위험이 적고 풍력발전기의 다양한 전류 및 전압 변화에서도 안정적인 통신이 가능한 유도성 결합장치를 사용하였다. 자심재료는 페라이트로, 투자율 및 전손 손실 등을 고려해 Table 1과 같이 설계되었다.
상부의 나셀 내부에 위치한 발전기의 전력선에 유도성 결합장치를 체결하고 전력선 모뎀을 연결하였다. 또한 하부의 변압기로 연결되는 동일한 전력선에도 결합장치를 연결하여 무배선 통신 시 발생할 수 있는 잡음특성을 분석하고 데이터 통신 속도와 통신 성공률을 측정하였다. 이를 기반으로 실시간 영상 전송을 실시하였다.
발전기 운용 상태에 따른 선로 특성 분석 결과 전력선 통신 네트워크 구축 가능성을 확인하였으며, 실제적인 데이터 통신을 위해 통신 속도 및 통신 성공률을 측정하였다. TCP/IP 통신의 네트워크 속도 측정은 iperf 프로그램을 이용하였으며, 통신 성공률을 측정하기 위해서는 ping 명령어를 이용하였다.
발전기 운용 상태에 따른 선로 특성과 결합기의 주파수에 따른 신호 감쇄 정도를 측정하기 위하여 나셀의 발전기 전력선에 신호 발생기를 이용하여 1~30MHz의 가변 주파수에 대하여 0 dBm의 정현파 신호를 인가하고, 변압기 앞단의 전력선에 RF 스펙트럼 분석기를 설치하여 출력파형을 측정하였으며 그 결과는 Figure 9와 같다. 20MHz 부근에서 –27 dBm 부근의 출력전력을 유지하지만 그 이후 주파수에서는 손실이 급격히 증가함을 보여준다.
본 연구에서는 운행 중인 풍력발전기에 전력선 통신시스템을 이용한 통합 통신네트워크를 구축하는 방안을 제시하였다. 이를 위하여 발전기 내에 설치된 전력선을 기간통신망으로 활용하고, 전력선과 데이터 통신 기기 간의 통신을 위한 유도성 결합장치와 복합통신장치를 사용하였다. 실제 운영되는 31.
대상 데이터
이를 위하여 발전기 내에 설치된 전력선을 기간통신망으로 활용하고, 전력선과 데이터 통신 기기 간의 통신을 위한 유도성 결합장치와 복합통신장치를 사용하였다. 실제 운영되는 31.5 m 높이의 225 kW급 풍력발전기를 대상으로 실증시험을 진행하였다. 발전기 운용 상태에 따른 선로 특성 분석 결과 전력선 통신 네트워크 구축 가능성을 확인하였으며 구현된 전력선 통신 시스템은 약 43 Mbps 이상의 전송속도를 제공하고 통신 성공률은 100%인 것으로 측정되었다.
풍력 발전기에서의 전력선 통신 네트워크 구성을 위하여, 목포대에서 실제 운영되고 있는 풍력 발전기를 사용하였으며 제원은 Table 3과 같다. 타워의 높이가 31.
데이터처리
발전기 운용 상태에 따른 선로 특성 분석 결과 전력선 통신 네트워크 구축 가능성을 확인하였으며, 실제적인 데이터 통신을 위해 통신 속도 및 통신 성공률을 측정하였다. TCP/IP 통신의 네트워크 속도 측정은 iperf 프로그램을 이용하였으며, 통신 성공률을 측정하기 위해서는 ping 명령어를 이용하였다. TCP/IP 통신에서 평균 전송속도는 Figure 10과 같이 발전기 가동 전이 47.
발전기 운용 상태에 따른 선로 특성 분석을 위해 전력선 스펙트럼 분석기 (PROPOWER-5 by Promax)를 이용하여 잡음 수준을 측정하였다. 1-50 MHz 주파수 대역에서 Figure 5과 같은 6개의 선로에 매우 낮은 수준의 잡음이 확인되었다.
성능/효과
9 Mbps로 측정되었다. 발전기 가동 유무에 따른 데이터 전송속도는 큰 차이가 발생하지 않았으며 20 패킷의 데이터를 모두 송수신 받으며 성공률 100%인 것으로 확인되었다.
5 m 높이의 225 kW급 풍력발전기를 대상으로 실증시험을 진행하였다. 발전기 운용 상태에 따른 선로 특성 분석 결과 전력선 통신 네트워크 구축 가능성을 확인하였으며 구현된 전력선 통신 시스템은 약 43 Mbps 이상의 전송속도를 제공하고 통신 성공률은 100%인 것으로 측정되었다. 풍력발전기 내부 30 m 이상 길이의 전력선을 통신선로로 활용한 CCTV 영상 전송 시험 또한 성공함으로서 중대형급 풍력 발전기의 안전감시를 위한 실시간 모니터링 시스템 적용이 가능함을 확인하였다.
발전기의 가동 여부에 관계없이 거의 동일한 출력 스펙트럼 특성을 보이고 있으며 신호 대 잡음비는 60 dB 이상이다. 이러한 결과를 종합해 보면 풍력발전기 내부의 기본 전력선을 무배선 전력선 통신 선로로 통합 운용하는 것이 가능함을 보여준다.
따라서 본 논문에서는 기존에 설치되어 있는 전력선을 통신 선로로 사용하여 통신 네트워크를 구축하는 기술인 전력선 통신(Power Line Communication, PLC) 네트워크 기반의 감시 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 이미 설치된 전력선을 통신자원으로 활용하므로 이미 운용중인 풍력 발전 시스템에도 적용이 가능하며, 대단위 해상 풍력과 같은 특수 환경에서 보다 효과적이고 효율적인 접근이 가능하다.
발전기 운용 상태에 따른 선로 특성 분석 결과 전력선 통신 네트워크 구축 가능성을 확인하였으며 구현된 전력선 통신 시스템은 약 43 Mbps 이상의 전송속도를 제공하고 통신 성공률은 100%인 것으로 측정되었다. 풍력발전기 내부 30 m 이상 길이의 전력선을 통신선로로 활용한 CCTV 영상 전송 시험 또한 성공함으로서 중대형급 풍력 발전기의 안전감시를 위한 실시간 모니터링 시스템 적용이 가능함을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전력선 통신시스템이란?
전력선 통신시스템은 선박, 철도, 건축물 등의 시설물에 이미 설치된 전력선을 통신 매체로 사용하는 방식이다. 전력을 공급하는 전력선에 kHz 또는 MHz 대역의 고주파 신호를 실어 통신하므로 서로 다른 주파수대를 이용하기 때문에 상호 충돌 없이 전송 가능하다.
SCADA 시스템의 한계는?
풍력발전의 핵심 운영 기술로 원방감시제어(Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA)가 있으나 SCADA 시스템은 풍력단지의 전반적인 운영에 초점을 맞추어 개발되었기 때문에 감시 시스템으로 사용이 어렵다[7][8]. 또한, 기존 통신 네트워크 기반의 감시 시스템은 통신 거리의 제약, 신호 처리를 위한 추가 장비가 필요하므로 통신 네트워크 구축 시간과 비용이 과다하게 소요되며, 대형화 및 대단지 추세의 풍력발전 시스템에 부적합하다.
전력선 통신시스템의 장점은?
별도의 통신선 설치 없이, 기존 전력선망을 통신선로로 활용함으로써 시설물의 외형을 거의 손상시키지 않으면서도 데이터 통신을 위한 선로를 확보할 수 있는 기술이다[9][10]. 따라서 추가적인 통신선로의 설계와 구축에 필요한 시간과 비용 그리고 시설물의 구조 변경을 크게 줄일 수 있는 장점을 가진다. 스마트 그리드(Smart Grid)의 양방향 원격검침(AMI : Advanced Metering Infrastructure) 또는 홈 네트워크 분야에 주로 응용되고 있다[11].
참고문헌 (11)
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