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문제 정의
- 본 논문에서는 온라인 기반 점검의 실효성 확보를 위해 주요 전기안전 감시요소인 과전류, 과전압, 저항성누설전류, 전력 등을 LoRa(Long Range) 통신기술을 이용한 전기안전 원격감시 장치 개발과 성능검증에 대하여 제시하고, 저항성누설전류 측정기술 및 일반용전기설비 원격감시장치의 기반기술을 위한 기초연구로 제시하고자 한다.
제안 방법
- 본 연구에서는 더욱 빠르게 산출할 수 있는 알고리즘을 원격 감시장치에 적용하여 감시 장치에서 저항성 누설전류를 측정하기 위해 인가전압(V), 영상전류(Ig)를 측정하고 샘플링 주기(∆t)에 따라 순시 값이 ADC를 통해 디지털 값으로 메모리에 저장된다. 이때 센서로 부터 측정된 파형이 하드웨어 필터를 통해 구형파로 나타난다고 가정하고, 샘플데이터 값이 시간(∆t)이 흐름에 따라 각각 y1, y2라 하면 식(2-1)과 같이 나타낼 수 있다.
- 본 연구에서는 온라인 기반 전기점검의 실효성을 확보하기 위하여, LoRa(Long Range) 통신기술을 이용하여 전기안전 주요 감시 요소인 과전류, 과전압, 저항성 누설전류, 전력 등을 감시할 수 있는 전기안전 원격감장치를 개발하고, 성능검증을 실시하였다. 특히, 지락사고 발생시 저항성 누설전류 측정 속도가 차단기 트립 속도보다 늦으면 트립의 원인을 밝히기 어려우므로, 저항성 누설전류를 더욱 빠르게 산출할 수 있는 수식을 도출하여 원격감시장치 개발에 적용하였다.
- . 본 연구에서는 전압과 전류의 위상차를 측정하여 저항성누설전류를 산출하였다. 전기안전장치의 저항성 누설전류의 측정데이터의 신뢰성 검증을 위해 Fig.
- 특히, 지락사고 발생시 저항성 누설전류 측정 속도가 차단기 트립 속도보다 늦으면 트립의 원인을 밝히기 어려우므로, 저항성 누설전류를 더욱 빠르게 산출할 수 있는 수식을 도출하여 원격감시장치 개발에 적용하였다. 저항성 누설전류는 전압과 전류의 위상차를 이용하여 산출하였으며, 실제 전기안전 관제서버에 적용하여 저항성 누설전류의 경보치인 1.1 mA 초과시 동작 경고 알림이 동작하는지 실험을 실시하였다. 저항성 누설전류에 대한 조건별 신뢰성 시험결과 평균오차 0.
- 본 연구에서는 온라인 기반 전기점검의 실효성을 확보하기 위하여, LoRa(Long Range) 통신기술을 이용하여 전기안전 주요 감시 요소인 과전류, 과전압, 저항성 누설전류, 전력 등을 감시할 수 있는 전기안전 원격감장치를 개발하고, 성능검증을 실시하였다. 특히, 지락사고 발생시 저항성 누설전류 측정 속도가 차단기 트립 속도보다 늦으면 트립의 원인을 밝히기 어려우므로, 저항성 누설전류를 더욱 빠르게 산출할 수 있는 수식을 도출하여 원격감시장치 개발에 적용하였다. 저항성 누설전류는 전압과 전류의 위상차를 이용하여 산출하였으며, 실제 전기안전 관제서버에 적용하여 저항성 누설전류의 경보치인 1.
대상 데이터
- 2016년 국내에서 발생한 총 화재 43,413건 중 부주의에 의한 화재가 22,621건(52.1%), 전기화재는 7,563건(17.4%)으로 발생하였다. 전기화재의 주요 원인으로는 절연열화, 미확인단락, 단락, 과부하 순으로 발생한 것으로 보고되고 있다1-3).
- IoT 기반 전기안전 원격감시장치의 개발에서 점검업무의 온라인으로 가능한 부분을 검토하여 수전전압, 부하전류, 활선절연저항, 누전트립, 과부하, 단락트립, 정전 등의 감시항목을 Table 1과 같이 선정하였다5).
- 1과 같이 데이터베이스 서버와 모니터링 서버로 구성되며, 데이터베이스 서버에서는 고객의 정보, 고장발생기록, 데이터처리, 이벤트 분석 등을 거쳐 모니터링 서버로 데이터를 전송한다. 모니터링 서버에서는 Web 기반으로 구성하고, 지리정보를 활용하여 위치정보를 통해 전기설비의 위치를 알 수 있도록 구성하였고, 전기설비에 이상이 발생하였을 경우 현장에 출동하여 조치를 취할 수 있도록 한국전기안전공사의 전기안전 119 출동 시스템과 연계하도록 시스템을 구성하였다5-7).
- 전기안전 원격감시시스템에서 일반용전기설비에 설치될 전기안전 IoT장치는 센서, 보정장치, 중앙처리장치, 통신장치, 메모리로 구성되었고, 전기설비의 절연저항, 저항성누설전류, 부하전류 등을 데이터를 계측하도록 구성하였다. 전기안전장치의 감시요소별 기준치는 수전전압(220±13 V이내), 부하전류는KSC IEC 60364-5-52배선방법을 적용하고, 저항성 누설전류는 1.
데이터처리
- 상기 제안한 알고리즘을 검증하기 위해 Fig. 7과 같이 누전상황에 대한 시뮬레이션을 구성하여, MATLAB 툴을 이용하여 알고리즘을 검증하였다. 샘플링을 수행 할 때마다 센서로부터 측정된 2개 값을 참조하여 저항성 누설전류를 산출하는 알고리즘을 MATLAB으로 구현하고 산출된 값의 안정도를 시뮬레이션 하였다.
- 7과 같이 누전상황에 대한 시뮬레이션을 구성하여, MATLAB 툴을 이용하여 알고리즘을 검증하였다. 샘플링을 수행 할 때마다 센서로부터 측정된 2개 값을 참조하여 저항성 누설전류를 산출하는 알고리즘을 MATLAB으로 구현하고 산출된 값의 안정도를 시뮬레이션 하였다.
이론/모형
- 1 ㎃), 과전류발생(2, 부하전류>인입선허용전류), 이상전압발생(3, 220±13 V 초과) 누전트립(4, 영상전류>누전차단기부동작 전류), 과부하 트립(5, 부하전류>주차단기 용량), 정전발생(6, 누전, 과전류, 장치 전원공급 중단), 경보단계로 장치를 구성하였다. 시스템 구성은 일반용 전기설비에서 감시하고 데이터를 취득하여 전송을 위해서는 최근 기술개발이 활발하게 이루어지고 있는 LoRa(Long Range) 통신기술을 적용하기로 하였다. 고객의 전기설비인 말단에서 데이터를 취득하여 전송하게 되면 통신망을 거쳐 전기안전자동화 서버로 데이터가 전송하게 된다.
- 전기안전 원격감시시스템에서 일반용전기설비에 설치될 전기안전 IoT장치는 센서, 보정장치, 중앙처리장치, 통신장치, 메모리로 구성되었고, 전기설비의 절연저항, 저항성누설전류, 부하전류 등을 데이터를 계측하도록 구성하였다. 전기안전장치의 감시요소별 기준치는 수전전압(220±13 V이내), 부하전류는KSC IEC 60364-5-52배선방법을 적용하고, 저항성 누설전류는 1.1 mA이하로 설정하였다. 장치를 통해 측정되는 감시요소는 전압, 부하전류, 영상전류(저항성 누설전류 순시값), 역률 정보를 취득하면 고장코드는 정상상태(0), 절연불량(1, 저항성누설전류>1.
성능/효과
- Fig. 9과 같이 누설전류시험기를 이용하여 저항성 누설전류(11 ㎃)를 공급하여, 누설 전류계에서 그 전류가 측정되었을 때, 전기안전 관제 Web서버의 프로그램에 설정된 경고 알림이 정상적으로 동작되는 것을 확인하였다.
- 1 mA 초과시 동작 경고 알림이 동작하는지 실험을 실시하였다. 저항성 누설전류에 대한 조건별 신뢰성 시험결과 평균오차 0.97%로 장치 표준기준 목표치 ±5% 범위 안에 있음을 확인하였다.
- 저항성 누설전류의 신뢰성 검증을 위해 누설전류 조건별로 시험하여 측정결과 평균오차 0.97% 오차로 장치 표준기준 목표치 ±5% 범위에 충족됨을 확인할 수 있었다.
- 전기안전 감시시스템에서의 영상전류는 10.48 ㎃가 표시되고, 용량성 누설전류는10.46 ㎃로 나타났지만 저항성누설전류는 0.59 ㎃로 경고 기준값의 1.1 ㎃이하 이므로 용량성 누설전류에 대해서는 Fig. 12과 같이 경고이벤트 메시지가 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 본 연구의 결과는 일반용전기설비의 안전관리에 활용할 수 있으며, 다양한 조건의 부하에 대하여 Test-Bed를 구축하여 신뢰성과 안전성을 확보한다면 보다 더 많은 현장에 활용될 수 있다. 또한 원격감시를 통해 축적된 데이터를 활용하여 전기재해 예측 및 예방을 위한 알고리즘 설계의 기초연구 자료로 제시하고자 한다.
- 본 연구의 결과는 일반용전기설비의 안전관리에 활용할 수 있으며, 다양한 조건의 부하에 대하여 Test-Bed를 구축하여 신뢰성과 안전성을 확보한다면 보다 더 많은 현장에 활용될 수 있다. 또한 원격감시를 통해 축적된 데이터를 활용하여 전기재해 예측 및 예방을 위한 알고리즘 설계의 기초연구 자료로 제시하고자 한다.
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