[논문]아두이노 기반 IT융합 스마트 대지저항 측정 기술 연구

김홍용

doi:10.15683/kosdi.2021.12.31.684

[국내논문] 아두이노 기반 IT융합 스마트 대지저항 측정 기술 연구
A Study on Smart Ground Resistance Measurement Technology Based on Aduino 원문보기

한국재난정보학회논문집 = Journal of the Society of Disaster Information, v.17 no.4 = no.54, 2021년, pp.684 - 693

김홍용 (Department of Smart Electric, Korea Polytechnic)

초록
AI-Helper

연구목적: 아두이노를 이용하여 실시간 대지저항 데이터를 취득할 수 있는 스마트 대지저항 측정장치를 개발하여 낙뢰 등 이상전압으로부터 안전한 설비환경을 구축하는것에 목적이 있다. 연구방법: 본 논문은 아두이노와 전력선 통신(PLC) 체계를 갖춘 대지저항 취득 및 분석 시스템을 개발하여 설계모델과 적용사례를 연구하였다. 경남지역의 풍력발전 단지 내 일부 부지를 테스트 베드로 선정하여 신기술을 적용한 실시간 대지저항 데이터를 취득하였다. 전극배열은 웨너(Wenner) 4전극배열과 슐렘버거(Schlumberger) 전극배열을 혼용한 스마트 전극배열을 채택하였다. 연구결과: 본 기술의 특징은 첫 번째로 스마트 다 전극의 깊이를 각기 다르게 편성해 층간에 특이성을 가지는 지층 구조에도 취득 데이터의 오차범위를 축소하였다. 두 번째로 스마트 접지전극에서 취득한 대지저항 데이터의 정보를 사물인터넷으로 실시간 송·수신이 가능하도록 IT융합 기술을 적용하였다. 마지막으로 규칙적인 관리 체계를 구축하고 Server에 축적된 빅 데이터를 분석하여 다양한 요소들의 변화추이를 확인할 수 있으며, IT융합 환경에 최적의 접지 알고리즘과 접지시스템 설계 모델링이 가능하다. 결론: 본 기술은 4차 산업 시대에 근간이 되는 도시 기반시설에 낙뢰로 인한 서지(Surge)의 피해를 줄이고 최적화된 접지시스템 모델을 설계하여 사용자의 안전과 생명을 보호 할 것이다. 또한 순수 국산 기술력의 지적재산권을 확보하여 포스트 코로나 시대에 팬데믹으로 정체되어있는 우리산업의 일자리 창출과 활기를 불어넣는 효과도 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: The purpose is to establish a safe facility environment from abnormal voltages such as lightning by developing a smart land resistance measuring device that can acquire real-time land resistance data using Arduino. Method: This paper studied design models and application cases by developing a land resistance acquisition and analysis system with Arduino and a power line communication (PLC) system. Some sites in the wind power generation complex in Gyeongsangnam-do were selected as test beds, and real-time land resistance data applied with new technologies were obtained. The electrode arrangement adopted a smart electrode arrangement using a combination of a Wenner four electrode arrangement and a Schlumberger electrode arrangement. Result: First, the characteristic of this technology is that the depth of smart multi-electrodes is organized differently to reduce the error range of the acquired data even in the stratigraphic structure with specificity between floors. Second, IT convergence technology was applied to enable real-time transmission and reception of information on land resistance data acquired from smart ground electrodes through the Internet of Things. Finally, it is possible to establish a regular management system and analyze big data accumulated in the server to check the trend of changes in various elements, and to model the optimal ground algorithm and ground system design for the IT convergence environment. Conclusion: This technology will reduce surge damage caused by lightning on urban infrastructure underlying the 4th industrial era and design an optimized ground system model to protect the safety and life of users. It is also expected to secure intellectual property rights of pure domestic technology to create jobs and revitalize our industry, which has been stagnant as a pandemic in the post-COVID-19 era.

Keyword

표/그림 (20)

표 Table 1. GMS hardware condition
그림 Fig. 1. GMS software program screen
표 Table 2. GMS software condition
그림 Fig. 2. Smart ground resistance measurement technology (GMS) complete composition
그림 Fig. 3. Smart core detail
그림 Fig. 4. Experimental target area
그림 Fig. 6. Model black array
그림 Fig. 5. Experimental object area gradient
표 Table 3. Site topography distribution
표 Table 4. Data model of electrode array
그림 Fig. 8. Installation of smart measurement electrode in the experiment area
그림 Fig. 7. Experimental area KEY MAP
표 Table 5. Smart measurement electrode arrangement
그림 Fig. 9. GMS software program screen
그림 Fig. 10. A group 60 minutes acquisition data
그림 Fig. 11. B group 60 minutes acquisition data
그림 Fig. 11. B group 60 minutes acquisition data (Continue)
그림 Fig. 12. 60 Minutes ground resistance measurement results
표 Table 6. Comparison of mean data on land resistance acquisition for 60 minutes
그림 Fig. 13. Average earth resistance data analysis for 12 months

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서 전력선 통신을 이용한 자동 측정기술과 아두이노를 이용한 데이터 수신방식을 채택한 스마트 대지저항 측정기법을 설명하고자 한다. 대지는 물리학적으로 여러 개의 토양지층(고유저항)으로 구성된 집합체다.
본 연구는 대지의 지층 파라미터의 데이터를 스마트 다 전극으로 다양하게 취득하고 취득한 빅 데이터를 3차원적으로 분석하여 IT융합 환경에 최적의 접지 알고리즘과 접지시스템 설계 모델링이 가능한 기술을 제안하고자 한다.

가설 설정

만약 대지가 단일 지층일 경우는 접지전극의 표피에서 대지상으로 유출되는 전류가 균등하지만, 다양한 매질인 구조에서는 각 층에 따라 고유저항이 상이하게 되므로 대지로 유출되는 전류가 동일할 수 없을 것이다. 따라서 다양한 지층을 가지는 구조에서는 접지전극 표피에서 대지상으로 유출되는 전류의 밀도는 고유저항 수치에 반비례한다고 가정한다면 각 지층에 전류가 균일하게 유출하는 단일지층의 구조로 토층을 모델링하여 변환된 1가지의 등가 고유저항을 갖게 조건을 갖춘다. 이러한 절차를 거쳐 분석한 대지의 고유저항을 전력·통신 설비 등의 접지설계에 적용하여 이용하게 된다.
테스트베드의 토양은 산악지형으로 2층 대지구조에서 1층의 저항률 100[Ω·m], 2층의 저항률을 1,000[Ω·m]으로 가정하였다

제안 방법

스마트 접지전극에서 취득한 대지저항 데이터의 정보를 사물 인터넷으로 실시간 송·수신이 가능하도록 IT융합 기술을 적용하였다
본 논문에서는 스마트 대지 저항측정 기법을 사용하여 대지의 전기적 측정 모델 설계를 위해 웨너(Wenner)와 슐렘버거(Schlumberger) 전극 배열을 혼용한 스마트 전극배열에 따른 3차원적 분석을 수행하였다. 기존에 사용하는 전기적 대지 측정 모델의 신뢰도를 검증할 수 있도록 유전자 알고리즘에 관한 사용을 제안하였다.
본 논문에서는 스마트 대지 저항측정 기법을 사용하여 대지의 전기적 측정 모델 설계를 위해 웨너(Wenner)와 슐렘버거(Schlumberger) 전극 배열을 혼용한 스마트 전극배열에 따른 3차원적 분석을 수행하였다. 기존에 사용하는 전기적 대지 측정 모델의 신뢰도를 검증할 수 있도록 유전자 알고리즘에 관한 사용을 제안하였다. 테스트베드에 설계된 스마트 대지 저항측정 기법의 전극배열을 Fig.
이러한 기준은 산악지형에 대비하기 편리하도록 기초 값으로 임의로 선정하였다. 또한, 각각의 모델에 측정전극 #1~#24 사이의 대지저항률 파라미터를 설정하고, 층상의 n1~n6 순서로 1~6m의 깊이로 대지에 스마트 측정전극을 각각 설치하여 대지구조에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 각각의 전극배열에 대해 모델을 설계하고 이론적 역산 값과 취득 값을 비교하게 되면, 전극배열의 특성과 계산 수치와의 오차범위를 찾을 수 있다.
계절적 요인의 경련변화의 분석에는 한계가 있으며, 토양의 접지 설계를 수행하는 것은 매우 부적절하다고 판단된다. 따라서 본 연구의 취지에 따라 현재의 취득 시스템에 시험 환경을 유지하고 12개월간 시험을 지속적으로 진행 하였다.
현재의 대지저항 기법과 분석의 기술을 개선하기 위해 아두이노를 사용한 고도화된 시스템과 안전접지시장을 선도하고 발전된 형태의 스마트 대지저항 취득 기술을 제안한다. 웨너(Wenner) 4전극 배열과 슐렘버거(Schlumberger) 전극 배열을 혼용한 스마트 전극배열을 적용한 다전극 기법이다.

대상 데이터

4와 같이 선정하였다. 대지 저항률의 측정 방법으로 웨너(Wenner)와 슐륨버거(Schlumberger)를 혼용한 스마트 전극배열을 사용하여 대지저항계와 접지저항계를 사용하여 데이터를 수집하였다. 측정용 전극은 전력선 통신(PLC)을 스마트 측정전극 4개씩 각각 6열 총 24개를 사용하여 측정용 전극을 사용하였다.
대지 저항률의 측정 방법으로 웨너(Wenner)와 슐륨버거(Schlumberger)를 혼용한 스마트 전극배열을 사용하여 대지저항계와 접지저항계를 사용하여 데이터를 수집하였다. 측정용 전극은 전력선 통신(PLC)을 스마트 측정전극 4개씩 각각 6열 총 24개를 사용하여 측정용 전극을 사용하였다.
GMS는 메인 컴퓨터(PC)에서 전용 소프트웨어로 운영되며, 취득한 데이터는 서버(Sever)에 저장된다. 스마트 전극(Smart Core)에 부착된 하드웨어 구성품은 측정전극과 아두이노 보드(Arduino Wifi Shield), 전력선 통신장치(Ethernet LAN and PLC), 전원 공급 장치(Power Supply)로 구성된다. 스마트 전극은 외부 대지에 설치되며, 스마트 대지저항 측정 장치(GMD)는 메인 컴퓨터와 같이 중앙감시센터(Control Room)에 설치된다.

성능/효과

본 실험으로 계절에 따른 대지 파라미터의 변화에 대해 파악할 수 있었으며, 접지설계 시 적합한 접지위치와 기준을 정립할 수 있었다.

참고문헌 (3)

Boo, C.J. (2006). "Image reconstruction of subspace object using electrical resistance tomography." International Journal of Fuzzy Logic and Intelligent Systems, Vol. 6, No. 1, pp. 47-51.

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Kim, H.Y. (2017). "A study on the safety grounding for prevention of electric shock hazard in construction of industrial plant in maritime landfill area." Journal of the Socirty of Disaster Information, Vol. 13, No. 3, pp. 305-312.
Kim, H.Y. (2018). "A study on the safety characterization grounding design of the inner photoltaic system." Journal of the Socirty of Disaster Information, Vol. 14, No. 2, pp. 130-140.

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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