KR102469874B1 - 머신러닝을 활용한 사고데이터 판별 및 소비전력 패턴 분석 소프트웨어를 탑재한 수배전반 모니터링시스템 - Google Patents

머신러닝을 활용한 사고데이터 판별 및 소비전력 패턴 분석 소프트웨어를 탑재한 수배전반 모니터링시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수배전반 내부에서 전력기기 이상, 고장 징후, 계통 사고, 정전 사고가 감지 및 발생되었을 때 정확하고 신속하게 분석, 진단 및 조치를 할 수 있는 머신러닝을 활용한 사고데이터 판별 및 소비전력 패턴 분석 소프트웨어를 탑재한 수배전반 모니터링시스템에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 머신러닝을 활용한 사고데이터 판별 및 소비전력 패턴 분석 소프트웨어를 탑재한 수배전반 모니터링시스템은, 외함부; AI 유니트; UHF 절연열화 감지센서; 하이브리드 모니터링장치; 휴대용 단말기; 및 스마트아이 분석장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

머신러닝을 활용한 사고데이터 판별 및 소비전력 패턴 분석 소프트웨어를 탑재한 수배전반 모니터링시스템{Monitoring System for Switchgear with Accident Data Discrimination and Power Consumption Pattern Analysis Software using Machine Learning}
본 발명은 머신러닝을 활용한 사고데이터 판별 및 소비전력 패턴 분석 소프트웨어를 탑재한 수배전반 모니터링시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수배전반 내부에서 전력기기 이상, 고장 징후, 계통 사고 및 정전 사고가 감지되거나 발생되었을 때 정확하고 신속하게 분석, 진단 및 조치하기 위해 실시간으로 모니터링하는 머신러닝을 활용한 사고데이터 판별 및 소비전력 패턴 분석 소프트웨어를 탑재한 수배전반 모니터링시스템에 관한 것이다.
일반적으로 수배전반은 변전소로부터 공급되는 특고압 전압을 상용 전압으로 강압하여 수용가에 분배하는 고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반 등(이하에서는 '수배전반'으로 통칭한다.)을 의미한다.
이러한 수배전반은 변전소로부터 공급되는 특고압 전압을 공급받는 수전부, 변전소로부터 수전된 고압 전압을 상용 전압으로 변압하는 변압기, 변압된 전기를 빌딩 등 수용가의 전기 장치로 공급하는 배전부, 다수의 스위칭 장치 및 기타 안전 설비 등을 포함하여 구성된다.
또한, 수배전반 내부에는 개폐기, 차단기, 변압기, 부스바, 케이블 등 다수의 전력기기들이 용도에 맞게 설치되고, 이를 통해 22.9㎸, 380V, 220V, 110V 등 다양한 전압이 통전된 상태로 운전되게 된다.
상기와 같은 수배전반은 가정용의 경우 고장이 발생되더라도 심각한 문제를 초래하지 않을 수도 있으나, 산업용 및 대용량 수용가를 위한 수배전반의 경우 초기에 발견 및 조치하지 않으면 사고파급으로 인해 기기 소손, 과열, 정전 및 화재와 같은 2차사고로 확산되어 수용가 재산피해를 증가시키고, 화재 및 감전사고와 같은 전기재해를 사전에 방지 및 예방하지 못하면 의료비와 보험료 등과 같은 사회적비용 증가와 더불어 인명피해가 발생할 수 있기 때문에 재해를 예방하고 안정적으로 전력을 공급하기 위해 수배전반의 내부 상태를 실시간 감시하고, 이상 발생시 신속히 조치할 수 있는 다양한 원격 모니터링시스템 기술이 개발되고 있다.
상기와 같은 목적의 종래 기술로는 등록특허공보 제2308420호의 수배전반용 온도센서를 포함한 모니터링시스템(고압반, 저압반, 전동기 제어반, 분전반)(이하 '특허문헌 1'이라 한다)이 개시되어 있다.
상기 특허문헌 1은 외함 내부에 설치되는 부스바에 설치되는 복수 개의 온도감지부; 상기 외함 외측의 제어패널에 설치되어 상기 복수 개의 온도 감지부를 통해 감지되는 온도정보를 수신하여 출력하는 모니터링부; 및 상기 모니터링부를 통해 온도정보를 수신하고, 제어신호를 전달하는 무선제어부를 포함하고, 상기 복수 개의 온도감지부는, 인접하는 소정 위치의 표면 온도를 감지하는 온도센서; 상기 온도센서를 통해 감지되는 실시간 온도정보를 상기 모니터링부로 무선 송신하는 통신모듈; 상기 온도센서와 상기 통신모듈의 동작 상태를 복수 개의 LED를 통해 안내하는 상태표시모듈; 및 상기 온도센서, 상기 통신모듈 및 상기 상태표시모듈에 전원을 공급하는 것을 포함하여 구성된다.
그러나 특허문헌 1은 부분방전 감지가 아닌 부스바 및 내부기기 온도만을 실시간 감시할 수 있으며, 이러한 온도상승 모니터링은 전력기기의 절연열화가 상당히 진전된 이후에나 감지할 수 있고, 또한 전압과 전류를 계측하지 않아 내부 상태에 대한 종합적인 모니터링이 불가능한 문제가 있다.
또 다른 종래 기술로는 등록특허공보 제2290018호의 고장 진단 사전예측을 위한 IoT기반 통합 모니터링 배전반(이하 '특허문헌 2'라 한다)이 개시되어 있다.
상기 특허문헌 2는 배전반 설비의 다양한 환경 및 상태 정보를 측정하여 제공하는 환경상태계측부와; 다수의 배전반 설비에 대해 상기 환경상태계측부에 의해 측정된 정보를 수집하여 전달하는 데이터수집부와; 상기 데이터수집부에서 전송되는 다양한 정보를 저장 및 관리하는 데이터관리부와; 상기 데이터수집부에서 제공되는 정보를 기반으로 환경 및 상태 정보가 유사한 배전반 설비를 그룹화하는 그룹화부와; 상기 데이터수집부에서 제공되는 정보를 기반으로 배전반에 대한 고장을 예측하여 제공하는 고장예측부를 포함하여 이루어진다.
그러나 특허문헌 2는 부분방전 감지가 아닌 내부기기 온도, 습도, 아크발생, 지진을 실시간 감시할 수 있고, 이러한 내부 상태 모니터링은 전력기기의 절연열화가 상당히 진전된 이후에나 감지할 수 있으며, 내부 상태를 종합적으로 분석할 수 있는 장치(소프트웨어)가 구비되어 있지 않은 문제가 있다.
따라서 전력기기들의 절연열화 상태를 초기에 감지, 진단 및 조치하여 전력을 안정적으로 공급하고, 기기수명을 연장시키며, 분석장치(소프트웨어)를 통해 수배전반의 내부 상태를 실시간으로 감시하여 사고를 예방하고, 사고 발생시 정확하고 신속히 조치할 수 있는 수배전반 모니터링시스템의 개발이 요구된다.
KR 10-2308420 B1 (2021. 09. 28.) KR 10-2290018 B1 (2021. 08. 10.) KR 10-2295188 B1 (2021. 08. 24.) KR 10-2154854 B1 (2020. 09. 04.)
본 발명은 상기와 같은 종래의 수배전반이 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 수배전반 내부에서 전력기기 이상, 고장 징후, 계통 사고, 정전 사고가 감지 및 발생되었을 때 정확하고 신속하게 분석, 진단 및 조치를 할 수 있는 머신러닝을 활용한 사고데이터 판별 및 소비전력 패턴 분석 소프트웨어를 탑재한 수배전반 모니터링시스템을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 머신러닝을 활용한 사고데이터 판별 및 소비전력 패턴 분석 소프트웨어를 탑재한 수배전반 모니터링시스템은, 소정 크기를 가지는 사각 박스모양의 외함부; 상기 외함부에 설치되면서 상기 외함부 내부에 설치되는 변성기의 2차측으로부터 전압 및 전류를 입력받아 설정된 크기의 신호로 변환하는 계기용 변류기와 계기용 변압기가 내장되는 AI 유니트; 상기 외함부의 내부에 설치되면서 상기 외함부 내부에 설치되는 전력기기의 노후화, 절연불량 및 자연열화로 인해 발생되는 초고조파 대역의 부분방전 신호를 검출하는 UHF 절연열화 감지센서; 상기 외함부의 일측에 설치되면서 상기 AI 유니트와 상기 UHF 절연열화 감지센서로부터 신호를 입력받아 수집된 데이터를 연산하여 출력하고, 수집 및 연산된 데이터를 원격으로 송수신하는 하이브리드 모니터링장치; 상기 하이브리드 모니터링장치를 통해 데이터를 원격지에서 실시간으로 수신하여 분석 및 출력하는 휴대용 단말기; 및 상기 하이브리드 모니터링장치를 통해 데이터를 원격지에서 실시간으로 수신하여 머신러닝을 통해 사고데이터를 판별하고, 소비전력 패턴을 분석하여 출력하는 스마트아이 분석장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명은 상기 하이브리드 모니터링장치가 상기 UHF 절연열화 감지센서로부터 감지된 신호를 수신하는 RF 모듈부; 상기 AI 유니트에서 전달되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터부; 상기 RF 모듈부와 상기 A/D 컨버터부에서 변환된 신호를 수신하여 데이터 처리하는 CPU부; 사고데이터, 전력값 및 사용자 설정값이 저장되는 메모리부; 이벤트가 발생하는 연도, 월, 일 시간을 계산하는 RTC부; 각종 데이터 및 이벤트를 디스플레이 하는 MMI부; 이벤트 발생시 부저 및 음성으로 현장 경보를 발령하는 출력부; 및 블루투스 통신모듈, 이더넷 통신모듈 및 시리얼 통신모듈을 포함하여 상기 휴대용 단말기와 상기 스마트아이 분석장치로 데이터를 전송하는 통신부를 포함하고, 상기 통신부의 상기 블루투스 통신모듈을 통해 상기 휴대용 단말기와 송수신하고, 상기 이더넷 통신모듈과 상기 시리얼 통신모듈을 통해 상기 스마트아이 분석장치와 송수신하여 모니터링 기능을 수행하며, 상기 UHF 절연열화 감지센서는, 상기 외함부 내부에 3개 이상 설치되고, 상기 하이브리드 모니터링장치는, 3개 이상의 상기 UHF 절연열화 감지센서에서 감지되는 신호간의 시간차 거리 측정 및 삼변측정법을 통해 부분방전의 위치와 부분방전이 발생한 전력기기를 판별하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 스마트아이 분석장치는 계통 사고로 인한 정전 발생시 상기 하이브리드 모니터링장치에 저장된 사고데이터를 이더넷 통신 및 시리얼 통신을 통해 전달받아 전후의 전압, 전류 파형, 발생일시, 사고전류 및 차단기 동작상태 정보를 사용자에게 안내하고, 저장된 빅데이터로부터 유사한 사고데이터를 비교 및 검색하여 사고원인을 파악하며, 파악된 사고원인에 맞추어 현장조치 방법을 제공하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
이에 더해 본 발명의 상기 스마트아이 분석장치는 전력기기 이상으로 인한 부분방전 발생시 상기 하이브리드 모니터링장치의 이더넷 통신 및 시리얼 통신을 통해 부분방전 신호를 전달받아 위상분석기법을 이용하여 신호의 크기 및 발생빈도를 3차원 그래프에 모델링하고, 저장된 빅데이터로부터 유사한 부분방전 패턴 데이터를 비교 및 검색하여 결함원인을 파악하며, 파악된 결함원인에 맞추어 고장개소, 고장위치 추정 및 현장조치 방법을 제공하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 상기 스마트아이 분석장치는 모터 기동시 상기 하이브리드 모니터링장치에서 계측되는 기동전류를 측정하여 모터의 고정자, 회전자, 베어링의 결함 징후를 판별하기 위해 주파수변환기법을 활용하여 시간, 주파수 및 전류크기에 기초하는 3차원 주파수함수에 모델링시킨 다음, 저장된 빅데이터로부터 유사한 결함주파수 데이터를 비교 및 검색하여 결함위치 추정 및 조치 방법을 제공하고, 상기 하이브리드 모니터링장치의 이더넷 통신 및 시리얼 통신을 통해 전력데이터를 전달받아 수용가에서 소비되는 전력 사용량을 시간대별, 요일별, 월별, 계절별 및 연도별로 소비 패턴을 분석 및 모델링하여 전력피크를 분산시키며, 냉난방 부하제어 및 분산형 전원 연계를 통한 에너지 절약 및 하베스팅 기능을 수행하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 수배전반 내부에서 전력기기 이상, 고장 징후, 계통 사고 및 정전 사고를 스마트아이 분석장치에 저장된 빅데이터를 머신러닝을 활용하여 사고데이터를 분석, 진단함으로써 전력을 안정적으로 공급할 수 있고, 기기의 수명을 연장시킬 수 있으며, 절연파괴로 진전되어 발생할 수 있는 폭발, 정전 및 화재와 같은 2차 사고를 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 수용가에서 소비되는 전력 사용량을 시간대별, 요일별, 월별, 계절별 및 연도별로 분류 저장한 다음, 스마트아이 분석장치로 소비 패턴을 분석하여 전력피크 분산, 에너지 절약 및 하베스팅을 체계적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 머신러닝을 활용한 사고데이터 판별 및 소비전력 패턴 분석 소프트웨어를 탑재한 수배전반 모니터링시스템 구성 예를 보인 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 AI 유니트의 예를 보인 도면.
도 3은 본 발명에 따른 AI 유니트에서 검출된 전압/전류 파형 데이터 예를 보인 도면.
도 4는 본 발명에 따른 UHF 절연열화 감지센서의 예를 보인 도면.
도 5는 본 발명에 따른 RF 모듈부의 예를 보인 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 모니터링장치의 예를 보인 도면.
도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 모니터링장치의 내부 구성 예를 보인 블록도.
도 8은 본 발명에 따른 부분방전 신호 발생 위치를 추정할 수 있는 시간차 거리 측정 및 삼변측정법의 예를 보인 도면.
도 9는 본 발명에 따른 휴대용 단말기 예를 보인 도면.
도 10은 본 발명에 따른 스마트아이 분석장치의 전력 계통도 예를 보인 도면.
도 11은 본 발명에 따른 스마트아이 분석장치의 사고데이터 분석, 저장 예를 보인 도면.
도 12는 본 발명에 따른 스마트아이 분석장치의 전압/전류 사고파형 예를 보인 도면.
도 13은 본 발명에 따른 스마트아이 분석장치의 부분방전 3차원 그래프 파형 예를 보인 도면.
도 14는 본 발명에 따른 스마트아이 분석장치의 모터 기동전류 3차원 그래프 파형 예를 보인 도면.
도 15는 본 발명에 따른 스마트아이 분석장치의 피크전력 그래프 예를 보인 도면.
도 16은 본 발명에 따른 스마트아이 분석장치의 월별 소비전력 패턴 그래프 예를 보인 도면.
도 17은 본 발명에 따른 스마트아이 분석장치의 소비전력 일일 보고서 예를 보인 도면.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 첨부도면에 따라 상세하게 설명한다.
본 발명은 수배전반 내부에서 전력기기 이상, 고장 징후, 계통 사고, 정전 사고가 감지 및 발생되었을 때 정확하고 신속하게 분석, 진단 및 조치를 할 수 있는 머신러닝을 활용한 사고데이터 판별 및 소비전력 패턴 분석 소프트웨어를 탑재한 수배전반 모니터링시스템을 제공하고자 하는 것으로, 이를 위한 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 외함부(10), AI 유니트(20), UHF 절연열화 감지센서(30), 하이브리드 모니터링장치(40), 휴대용 단말기(50) 및 스마트아이 분석장치(60)를 포함한다.
외함부(10)는 내부에 다양한 전력기기가 수용되어 전력기기가 외력이나 환경적인 영향을 받지 않도록 보호하는 구성이다.
이러한 외함부(10)는 1.6~3.2mm 두께의 열간 압연강판을 사용하여 소정 크기를 가지는 사각 박스모양으로 제작되고, 내부에는 전압 크기, 전류 용량, 용도에 따라 차단기(진공차단기, 기중차단기, 배선용차단기, 누전차단기 등), 변압기, 계측기 등 다양한 전력기기가 설치되며, 이러한 전력기기는 부스바(Bus Bar)와 케이블(Cable)로 결선되어 수용가에 전력을 공급하도록 구성된다.
또한, 외함부(10)의 전후면에는 개폐 가능한 도어가 설치되고, 이를 통해 필요에 따라 작업자가 외함부(10)의 내부에 설치된 전력기기를 점검할 수 있도록 하며, 이러한 도어에는 외부 침입으로부터 보호할 수 있도록 잠금장치(도시하지 않음)가 더 설치될 수 있다.
AI 유니트(20)는 외함부(10)의 내부에 설치되어 변성기의 2차측으로부터 입력되는 전압 및 전류를 후술되는 하이브리드 모니터링장치(40)에서 활용 가능한 신호(소신호)로 변환하는 구성으로, 이를 위한 AI 유니트(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 계기용 변류기(CT, 21)와 계기용 변압기(PT, 22)가 내장된 것으로 이루어진다.
이때 AI 유니트(20)는 3개의 계기용 변류기(21)와 3개의 계기용 변압기(22)로 구성될 수 있고, 외부에 설치된 변성기 2차측으로부터 입력되는 0 ~ 5 A 전류와 0 ~ 110 V 전압을 후술되는 하이브리드 모니터링장치(40) 내부에 구성된 A/D 컨버터부(42)에서 인식 가능한 소신호로 변환된 후 CPU부(43)에서 DSP(Digital Signal Processing) 연산을 통해 전압, 전류의 크기, 위상, 주파수, 역률, 전력 및 전력량과 같은 전력데이터로 출력되게 된다.
UHF 절연열화 감지센서(30)는 외함부(10)의 내부에 설치되어 전력기기의 절연열화에 따른 부분방전을 검출하는 구성이다.
이러한 UHF 절연열화 감지센서(30)는 도 4에 도시된 바와 같이 여러 종류의 안테나 중 한 쌍의 도체가 중심으로부터 나선형으로 퍼지는 형상으로, 외측으로 진행될수록 상대적으로 폭이 넓어지는 구조의 로그 스파이럴 안테나(31)로 구성될 수 있다.
그리고 전력기기 부분방전 발생시 방사되는 0.3 ~ 3.0 ㎓의 초고조파 대역의 전자파 신호를 검출할 수 있도록 하여, 이득은 높이고 반사손실은 낮춰 신호처리 성능을 높일 수 있도록 구성된다.
또한, UHF 절연열화 감지센서(30)는 전력기기에서 발생하는 부분방전 신호의 위치를 판별하기 위해 3개의 UHF 절연열화 감지센서(30)가 외함부(10) 내부에 소정 간격을 두고 설치되고, 후술되는 하이브리드 모니터링장치(40)를 통해 시간차 거리 측정 및 삼변측정법을 적용하여 외함부(10) 내부의 어떤 전력기기에서 부분방전 신호가 발생하는지 그 위치가 추정되게 된다.
하이브리드 모니터링장치(40)는 AI 유니트(20)와 UHF 절연열화 감지센서(30)로부터 신호를 입력받아 수집된 데이터를 분석하여 출력하고, 설정된 기준치를 초과하면 경보 및 제어 기능을 수행하는 구성이다.
이러한 하이브리드 모니터링장치(40)는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 UHF 절연열화 감지센서(30)로부터 감지된 신호를 수신하는 RF 모듈부(41)와, 상기 AI 유니트(20)에서 전달되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터부(42)와, 상기 RF 모듈부(41)와 A/D 컨버터부(42)에서 변환된 신호를 수신하여 데이터 처리하는 CPU부(43)와, 사고데이터, 전력값 및 사용자 설정값이 저장되는 메모리부(44)와, 이벤트가 발생하는 연도, 월, 일 및 시간을 계산하는 RTC부(45)와, 각종 데이터 및 이벤트를 디스플레이 하는 MMI부(46)와, 이벤트 발생시 부저 및 음성으로 현장 경보를 발령하는 출력부(47); 및 블루투스 통신모듈, 이더넷 통신모듈 및 시리얼 통신모듈을 포함하여 후술되는 휴대용 단말기(50)와 스마트아이 분석장치(60)로 데이터를 전송하는 통신부(48)를 포함하여 구성된다.
이때 RTC부(45)에서 연도, 월, 일 및 시간이 계산된 이벤트 데이터를 메모리부(44)에 저장하고, MMI부(46)는 LCD(49)를 통해 각종 데이터를 육안으로 확인할 수 있도록 함과 동시에 이벤트 발생시 이벤트 경보를 시각적으로 디스플레이하는 기능을 수행하며, 출력부(47)는 접점으로 차단기를 제어하는 기능을 포함할 수 있다.
또한, 통신부(48)는 블루투스 통신모듈을 통해 작업자의 휴대 단말기(50)와 통신하여 수배전반 내부 데이터를 송수신하고, 이더넷 통신모듈 및 시리얼 통신모듈을 통해 스마트아이 분석장치(60)와 송수신하여 모니터링 기능을 수행하도록 구성될 수 있다.
이하에서는 하이브리드 모니터링장치(40)를 통해 UHF 절연열화 감지센서(30)에서 검출된 부분방전 신호를 분석하여 위치를 추정하는 방법에 대하여 설명한다.
UHF 절연열화 감지센서(30)로 검출된 부분방전 신호는 RF 모듈부(41)를 거쳐 CPU부(43)에서 PRPD(Phase Resolved Partial Discharge) 진단기법을 이용하여 패턴분석을 수행하게 된다.
이때 RF 모듈부(41)는 도 5에 도시된 바와 같이 LNA Protector(A), Low Noise Amplifier(LNA, B), High Pass Filter(HPF, C), Band Stop Filter(BSF, D), Low Pass Filter(LPF, E)로 구성되고, UHF 절연열화 감지센서(30)로부터 입력된 부분방전 신호는 LNA Protector(A)를 거쳐 Low Noise Amplifier(LNA, B)에서 신호증폭 후 1차 500 ㎒ High Pass Filter(HPF, C)를 이용하여 저주파 백그라운드 노이즈가 제거되며, 2차 Band Stop Filter(BSF, D)를 이용하여 휴대폰 대역의 상용 통신 주파수가 제거된다.
그리고 3차 Low Pass Filter(LPF, E)를 이용하여 1500 ㎒ 이상의 고주파 신호가 제거된 후 최종 500 ~ 1500 ㎒ 대역의 신호를 PRPD 진단기법으로 진단(분석)하게 된다.
또한, 수배전반 내부에 설치되는 3개의 UHF 절연열화 감지센서(30)에서 검출되는 신호에 시간차 거리 측정 및 삼변측정법을 적용하여 어떤 전력기기에서 부분방전이 발생하였는지 위치를 추정하게 된다.
여기서 시간차 거리측정법은 각각의 UHF 절연열화 감지센서(30)가 같은 길이의 케이블로 연결되어 케이블 내의 부분방전 신호의 전달 시간이 동일하도록 구성된다.
그리고 발생된 부분방전 신호가 전파되어 각 UHF 절연열화 감지센서(30)에 도달하는 시간차를 고려하게 되는데, 이때 도 8에 도시된 바와 같이 3개의 점(S1, S2, S3)에서 측정한 신호 중 S1과 S2에서의 신호전달 시간차는 △t12이고, 이 값에 빛의 속도 V(2.998 × 108 m/s)를 곱하면 아래의 수학식 1과 같이 부분방전이 발생된 지점으로부터 S1까지의 거리(r1)와 S2까지의 거리(r2)의 거리차 (r1-r2)를 구할 수 있으며, 같은 방법으로 S1과 S3 간의 거리차 (r1-r3)를 아래의 수학식 2를 통해 구할 수 있게 된다.
Figure 112022060862415-pat00001
여기서, △t12는 S1에서 S2 간의 신호전달 시간차이고, V는 빛의 속도이며, r1은 부분방전이 발생된 지점으로부터 S1까지의 거리, r2는 부분방전이 발생된 지점으로부터 S2까지의 거리이며, r1-r2는 S1과 S2 간의 거리차이다.
Figure 112022060862415-pat00002
여기서, △t13은 S1에서 S3 간의 신호전달 시간차이고, V는 빛의 속도이며, r1은 부분방전이 발생된 지점으로부터 S1까지의 거리, r3은 부분방전이 발생된 지점으로부터 S3까지의 거리이며, r1-r3은 S1과 S3 간의 거리차이다.
한편, 삼변측정법은 삼각기하학을 이용하여 상대적인 임의의 좌표를 구하는 방법으로, 임의의 세 개의 변 r1, r2, r3중 한 변의 값이 주어졌을 때, 각 변의 길이의 차를 이용하여 위치가 판별되게 된다.
더욱 상세하게는 특정 결함의 위치로부터 각 센서에 도달한 3개의 신호 중, 부분방전 신호가 최초로 도착한 UHF 절연열화 감지센서(30)를 기준으로 하여 해당 UHF 절연열화 감지센서(30)의 반지름을 변수로 설정하고, 설정된 반지름을 증가시키면서 형성되는 원과 나머지 두 센서를 중심으로 하는 두 개의 원과의 교차점을 판별하게 되며, 이때 부분방전 신호의 공기 중의 전파속도는 절연율과 도파관 특성에 영향을 받지 않는 빛의 속도 V(2.998 × 108 m/s)를 이용하여 각 센서와 결함이 발생한 전력기기와의 거리를 산출하게 된다.
즉, 시간차 거리측정법을 통해 얻은 상대적인 거리차를 이용하여 공간상 세 개의 좌표 S1(0, 0, 0), S2(d, 0, 0), S3(i, j, 0)에서의 임의에 좌표(예상된 부분방전 발생 전력기기 지점)까지 거리 r1, r2, r3을 반지름으로 하는 구들의 교점을 구하고, 도 8과 같이 원점 S1(0, 0, 0)을 중심으로 하는 반지름 r1의 구 하나와 S2(d, 0, 0), S3(i, j, 0)을 중심으로 하는 반지름 r2, r3의 구를 아래의 수학식 3 내지 수학식 5를 통해 산출하게 된다.
Figure 112022060862415-pat00003
Figure 112022060862415-pat00004
Figure 112022060862415-pat00005
또한, 위 수학식 3 내지 수학식 5를 통해 구해지는 3개의 구가 만나는 교점의 좌표(x, y, z)는 아래의 수학식 6내지 수학식 8을 통해 산출되게 된다.
Figure 112022060862415-pat00006
Figure 112022060862415-pat00007
Figure 112022060862415-pat00008
이때 좌표값 x, y, z 중 변수를 최소화하기 위해 필요에 따라 좌표값 z가 생략될 수 있고, 이를 통해 좌표값 x, y만을 지닌 2차원 삼변측정법을 사용하여 결함이 발생한 전력기기의 위치 판별을 추정할 수 있게 된다.
위와 같이 결함이 발생한 전력기기의 위치가 추정되고 나면, 하이브리드 모니터링장치(40)는 미리 저장된 전력기기의 위치데이터를 이용하여 추정된 결함 위치 좌표를 매칭하게 된다.
이때 전력기기의 위치데이터는 x, y, z축 좌표로 이루어지는 3차원 데이터로 이루어지고, 전력기기간의 경계 부분에 대한 영역이 전력기기의 실제 크기에 맞추어 설정되어 추정된 결함 위치 좌표를 통해 결함이 발생한 전력기기를 정확하게 판별할 수 있도록 구성될 수 있다.
위와 같이 어느 전력기기에서 결함(이상)이 발생한 것인지 판별되고 나면, 결함의 정도에 따라 수배전반의 차단기를 제어하여 전력기기의 동작을 정지시키고, 해당 전력기기의 점검이 진행될 수 있도록 안내된다.
휴대용 단말기(50)는 도 9에서와 같이 작업자가 수배전반이 설치된 현장에서 현장 작업자가 하이브리드 모니터링장치(40)에서 계측되고 있는 전력데이터와 내부 상태를 확인하기 위해 직접 수동조작 및 도어개방을 하지 않고도 휴대용 단말기(50)에 설치된 앱을 통해 확인할 수 있도록 하는 구성으로, 이러한 휴대용 단말기(50)는 스마트폰, 스마트패드, PDA 등으로 구성될 수 있다.
그리고 휴대용 단말기(50)는 하이브리드 모니터링장치(40)와 블루투스 통신모듈을 통해 무선통신으로 데이터가 송수신되거나 또는 인터넷망을 통해 데이터가 송수신되도록 구성될 수 있다.
스마트아이 분석장치(60)는 외함부(10)에 설치된 하이브리드 모니터링장치(40)에서 수집되고 있는 전력데이터 및 내부 데이터가 전달되어 부분방전 등의 이상신호 발생시 빅데이터로 저장된 유사한 부분방전 패턴 데이터를 검색 및 비교하여 결함원인을 파악하고, 이를 통해 고장개소, 위치추정 및 현장조치 방법을 제공하여 작업자가 신속히 복구할 수 있도록 안내하는 구성이다.
이때 스마트아이 분석장치(60)는 스마트아이 분석 소프트웨어가 설치된 컴퓨터, 모니터 및 입력장치를 포함하는 구성을 나타낸다.
이러한 스마트아이 분석장치(60)는 도 10 내지 도 17에 도시된 바와 같이 고압배전반, 저압배전반, 전동기제어반, 분전반에 대한 전력 계통도가 출력되고, 이와 동시에 하이브리드 모니터링장치(40)에서 수집되고 있는 전력데이터 및 내부 데이터가 출력되도록 구성될 수 있다.
또한, 수배전반 내의 계통 사고로 인해 정전이 발생하는 경우에는 하이브리드 모니터링장치(40)에 저장된 사고데이터가 이더넷 통신모듈 및 시리얼 통신모듈을 통해 스마트아이 분석장치(60)로 전달되고, 스마트아이 분석장치(60)는 도 11에 도시된 바와 같이 계통 사고 발생일시와 사고종류를 출력하게 된다.
그런 다음, 도 12에 도시된 바와 같이 사고 전후의 전압, 전류 파형과 사고전류, 차단기 동작상태 정보가 출력되고, 이러한 출력정보에 기초하여 작업자가 사고를 확인 및 분석할 수 있도록 하며, 이와 동시에 스마트아이 분석장치(60)에 저장된 빅데이터로부터 유사한 사고데이터를 자동으로 검색 및 비교하여 사고원인을 파악한 다음, 이에 맞는 현장조치 방법을 작업자에게 안내하게 된다.
또한, 전력기기 이상으로 인해 부분방전이 발생하는 경우에는 하이브리드 모니터링장치(40)의 이더넷 통신 및 시리얼 통신을 통해 부분방전 데이터가 스마트아이 분석장치(60)로 전달되고, 스마트아이 분석장치(60)는 도 13에 도시된 바와 같이 위상분석기법을 이용하여 신호의 크기 및 발생빈도를 기준으로 3차원 그래프로 모델링시켜 사용자가 쉽게 분석할 수 있도록 하며, 이와 동시에 스마트아이 분석 소프트웨어(60)에 저장된 빅데이터로부터 유사한 부분방전 패턴 데이터를 검색 및 비교하여 결함원인 파악, 고장개소 위치추정 및 현장조치 방법 등을 함께 제공하게 된다.
또한, 모터 기동시 모터의 고정자, 회전자, 베어링 등의 결함 징후를 판별하기 위해 하이브리드 모니터링장치(40)의 이더넷 통신 및 시리얼 통신으로 계측되는 기동전류가 스마트아이 분석장치(60)로 전달되고, 스마트아이 분석장치(60)는 도 14에 도시된 바와 같이 주파수변환기법을 활용하여 시간, 주파수 및 전류크기에 기초하는 3차원 주파수함수에 모델링시켜 사용자가 분석하기 용이하게 3차원으로 출력하며, 스마트아이 분석장치(60)에 저장된 빅데이터로부터 유사한 모터 결함주파수 데이터를 검색 및 비교하여 결함부위 파악, 현장조치 방법 등을 제공하게 된다.
또한, 스마트아이 분석장치(60)는 하이브리드 모니터링장치(40)의 이더넷 통신 및 시리얼 통신을 통해 전력데이터를 전달받아 수용가에서 사용되는 전력사용량을 계측하여 도 15에 도시된 바와 같이 목표전력, 현재전력, 예측전력, 기준전력에 대한 피크전력 그래프가 출력되고, 이러한 그래프를 사용자가 분석에 참고하게 되며, 도 16에 도시된 바와 같이 수용가에서 사용한 전력 사용량에 대한 소비 패턴을 시간대별, 요일별, 월별, 계절별, 연도별로 분석, 모델링시켜 사용자가 전력피크를 분산시킬 수 있게 하고, 사용자에게 도 17에 도시된 바와 같이 전력 사용량에 대한 일일 보고서, 월 보고서, 연 보고서 폼을 제공하여 냉난방 부하제어, 분산형 전원 연계를 통한 에너지 절약 및 하베스팅을 유도하게 된다.
이에 더해 스마트아이 분석장치(60)는 도 3에 도시된 바와 같이 AI 유니트(20)에서 검출된 전압/전류 파형 데이터에 기초하여 전압/전류 파형(23)이 출력되도록 구성될 수 있고, 이를 통해 각 상별(A상, B상, C상) 전압/전류 파형을 각각 모니터링 할 수 있게 된다.
한편, 스마트아이 분석장치(60)는 무선통신(인터넷) 환경에 따라 또는 복수의 하이브리드 모니터링장치(40)에서 전송되는 실시간 데이터로 인해 트래픽 지연이 발생할 수 있고, 이 경우 하이브리드 모니터링장치(40)를 통해 데이터가 실시간으로 송신되더라도 스마트아이 분석장치(60)에 수신되는 데이터의 손실이 발생하여 일시적으로 오류 또는 고장 등으로 오인 분석되는 등의 문제가 발생할 수 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 트래픽 손실에 따른 데이터 분석의 정확성이 떨어지는 것을 방지하기 위해 하이브리드 모니터링장치(40)는 스마트아이 분석장치(60)로 데이터를 전송할 때에 데이터의 전송 시간을 포함하여 전송하도록 구성되고, 스마트아이 분석장치(60)는 하이브리드 모니터링장치(40)에서 전송되는 데이터의 전송 시간과 실제로 해당 데이터가 수신된 시간의 오차를 모니터링 한 다음, 데이터의 전송 시간과 수신 시간의 오차가 설정된 시간(초) 범위(예를 들면, 1 ~ 5sec) 안에 있으면 정상적인 범위 내의 트래픽 손실로 간주하여 고장 또는 점검신호가 발생하지 않도록 하고, 손실된 데이터의 이전 데이터 변화 추이로 손실 데이터의 값을 유추하여 출력되는 그래프의 연속성이 유지되도록 한다.
또한, 데이터의 전송 시간과 수신 시간의 오차가 설정된 시간 이상의 차이가 발생하는 경우에는 무선통신모듈, 인터넷망 및 하이브리드 모니터링장치(40) 등의 점검이 이루어질 수 있도록 점검신호를 발생하게 된다.
이 경우 데이터의 수신 오차가 발생하기 직전 데이터의 변화 추이와 저장된 빅데이터의 고장 또는 사고발생 데이터를 비교하여 유사한 변화 추이를 가지는 데이터의 유무를 확인하고, 유사한 변화 추이를 가지는 데이터가 검출되는 경우에는 해당 데이터에 따른 고장 유형을 함께 안내하여 작업자가 해당 유형의 고장도 함께 점검할 수 있도록 한다.
이에 더해 데이터가 설정된 시간 내에서 수신되었다 하더라도 데이터의 전송 시간이 연속되지 않는 경우, 즉 하이브리드 모니터링장치(40)에서 데이터가 전송된 시간이 연속되지 않고 누락된 시간대가 존재하는 경우에는 해당 문제의 연속 발생여부를 추가로 판단하고, 이때 해당 문제가 연속되지 않는 경우에는 단순 트래픽 손실로 판단하여 별도의 고장 또는 점검신호를 발생하지 않으며, 이와 달리 3회 이상 1 ~ 3분 내의 짧은 시간동안 연속하여 발생하는 경우에는 무선통신모듈, 인터넷망 및 하이브리드 모니터링장치(40) 등의 점검이 이루어질 수 있도록 점검신호를 발생하게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 수배전반 내부에서 전력기기 이상, 고장 징후, 계통 사고 및 정전 사고를 스마트아이 분석장치에 저장된 빅데이터를 머신러닝을 활용하여 사고데이터를 분석, 진단함으로써 전력을 안정적으로 공급할 수 있고, 기기의 수명을 연장시킬 수 있으며, 절연파괴로 진전되어 발생할 수 있는 폭발, 정전 및 화재와 같은 2차 사고를 미연에 방지할 수 있게 된다.
또한, 수용가에서 소비되는 전력 사용량을 시간대별, 요일별, 월별, 계절별 및 연도별로 분류 저장한 다음, 스마트아이 분석장치로 소비 패턴을 분석하여 전력피크 분산, 에너지 절약 및 하베스팅을 체계적으로 수행할 수 있게 된다.
위에서는 설명의 편의를 위해 바람직한 실시예를 도시한 도면과 도면에 나타난 구성에 도면부호와 명칭을 부여하여 설명하였으나, 이는 본 발명에 따른 하나의 실시예로서 도면상에 나타난 형상과 부여된 명칭에 국한되어 그 권리범위가 해석되어서는 안 될 것이며, 발명의 설명으로부터 예측 가능한 다양한 형상으로의 변경과 동일한 작용을 하는 구성으로의 단순 치환은 통상의 기술자가 용이하게 실시하기 위해 변경 가능한 범위 내에 있음은 지극히 자명하다고 볼 것이다.
10: 외함부 20: AI 유니트
21: 계기용 변류기 22: 계기용 변압기
23: 전압/전류 파형 데이터 30: UHF 절연열화 감지센서
31: 로그 스파이럴 안테나 40: 하이브리드 모니터링장치
41: RF 모듈부 42: A/D 컨버터부
43: CPU부 44: 메모리부
45: RTC부 46: MMI부
47: 출력부 48: 통신부
49: LCD 50: 휴대용 단말기
60: 스마트아이 분석장치 A: LNA Protector
B: Low Noise Amplifier(LNA) C: High Pass Filter(HPF)
D: Band Stop Filter(BSF) E: Low Pass Filter(LPF)

Claims (5)

  1. 소정 크기를 가지는 사각 박스모양의 외함부(10);
    상기 외함부(10)에 설치되면서 상기 외함부(10) 내부에 설치되는 변성기의 2차측으로부터 전압 및 전류를 입력받아 설정된 크기의 신호로 변환하는 계기용 변류기(21)와 계기용 변압기(22)가 내장되는 AI 유니트(20);
    상기 외함부(10)의 내부에 설치되면서 상기 외함부(10) 내부에 설치되는 전력기기의 노후화, 절연불량 및 자연열화로 인해 발생되는 초고조파 대역의 부분방전 신호를 검출하는 UHF 절연열화 감지센서(30);
    상기 외함부(10)의 일측에 설치되면서 상기 AI 유니트(20)와 상기 UHF 절연열화 감지센서(30)로부터 신호를 입력받아 수집된 데이터를 연산하여 출력하고, 수집 및 연산된 데이터를 원격으로 송수신하는 하이브리드 모니터링장치(40);
    상기 하이브리드 모니터링장치(40)를 통해 데이터를 원격지에서 실시간으로 수신하여 분석 및 출력하는 휴대용 단말기(50); 및
    상기 하이브리드 모니터링장치(40)를 통해 데이터를 원격지에서 실시간으로 수신하여 머신러닝을 통해 사고데이터를 판별하고, 소비전력 패턴을 분석하여 출력하는 스마트아이 분석장치(60);
    를 포함하고,
    상기 하이브리드 모니터링장치(40)는,
    상기 UHF 절연열화 감지센서(30)로부터 감지된 신호를 수신하는 RF 모듈부(41);
    상기 AI 유니트(20)에서 전달되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터부(42);
    상기 RF 모듈부(41)와 상기 A/D 컨버터부(42)에서 변환된 신호를 수신하여 데이터 처리하는 CPU부(43);
    사고데이터, 전력값 및 사용자 설정값이 저장되는 메모리부(44);
    이벤트가 발생하는 연도, 월, 일 시간을 계산하는 RTC부(45);
    각종 데이터 및 이벤트를 디스플레이 하는 MMI부(46);
    이벤트 발생시 부저 및 음성으로 현장 경보를 발령하는 출력부(47); 및
    블루투스 통신모듈, 이더넷 통신모듈 및 시리얼 통신모듈을 포함하여 상기 휴대용 단말기(50)와 상기 스마트아이 분석장치(60)로 데이터를 전송하는 통신부(48);
    를 포함하고,
    상기 통신부(48)의 상기 블루투스 통신모듈을 통해 상기 휴대용 단말기(50)와 송수신하고, 상기 이더넷 통신모듈과 상기 시리얼 통신모듈을 통해 상기 스마트아이 분석장치(60)와 송수신하여 모니터링 기능을 수행하며,
    상기 UHF 절연열화 감지센서(30)는,
    상기 외함부(10) 내부에 3개 이상 설치되고,
    상기 하이브리드 모니터링장치(40)는,
    3개 이상의 상기 UHF 절연열화 감지센서(30)에서 감지되는 신호간의 시간차 거리 측정 및 삼변측정법을 통해 부분방전의 위치를 추정하고, 미리 저장된 전력기기의 위치데이터를 이용하여 추정된 결함위치 좌표를 매칭함으로써 부분방전이 발생한 전력기기를 판별하며,
    상기 전력기기 위치데이터는,
    x, y, z축 좌표로 이루어지는 3차원 데이터로 이루어지고, 전력기기간의 경계 부분에 대한 영역이 전력기기의 실제 크기에 맞추어 설정되어 추정된 결함 위치 좌표를 통해 결함이 발생한 전력기기가 판별되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 머신러닝을 활용한 사고데이터 판별 및 소비전력 패턴 분석 소프트웨어를 탑재한 수배전반 모니터링시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기스마트아이 분석장치(60)는,
    계통 사고로 인한 정전 발생시 상기 하이브리드 모니터링장치(40)에 저장된 사고데이터를 이더넷 통신 및 시리얼 통신을 통해 전달받아 전후의 전압, 전류 파형, 발생일시, 사고전류 및 차단기 동작상태 정보를 사용자에게 안내하고, 저장된 빅데이터로부터 유사한 사고데이터를 비교 및 검색하여 사고원인을 파악하며, 파악된 사고원인에 맞추어 현장조치 방법을 제공하는 것을 특징으로 하는 머신러닝을 활용한 사고데이터 판별 및 소비전력 패턴 분석 소프트웨어를 탑재한 수배전반 모니터링시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 스마트아이 분석장치(60)는,
    전력기기 이상으로 인한 부분방전 발생시 상기 하이브리드 모니터링장치(40)의 이더넷 통신 및 시리얼 통신을 통해 부분방전 신호를 전달받아 위상분석기법을 이용하여 신호의 크기 및 발생빈도를 3차원 그래프에 모델링하고, 저장된 빅데이터로부터 유사한 부분방전 패턴 데이터를 비교 및 검색하여 결함원인을 파악하며, 파악된 결함원인에 맞추어 고장개소, 고장위치 추정 및 현장조치 방법을 제공하는 것을 특징으로 하는 머신러닝을 활용한 사고데이터 판별 및 소비전력 패턴 분석 소프트웨어를 탑재한 수배전반 모니터링시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 스마트아이 분석장치(60)는,
    모터 기동시 상기 하이브리드 모니터링장치(40)에서 계측되는 기동전류를 측정하여 모터의 고정자, 회전자, 베어링의 결함 징후를 판별하기 위해 주파수변환기법을 활용하여 시간, 주파수 및 전류크기에 기초하는 3차원 주파수함수에 모델링시킨 다음, 저장된 빅데이터로부터 유사한 결함주파수 데이터를 비교 및 검색하여 결함위치 추정 및 조치 방법을 제공하고,
    상기 하이브리드 모니터링장치(40)의 이더넷 통신 및 시리얼 통신을 통해 전력데이터를 전달받아 수용가에서 소비되는 전력 사용량을 시간대별, 요일별, 월별, 계절별 및 연도별로 소비 패턴을 분석 및 모델링하여 전력피크를 분산시키며, 냉난방 부하제어 및 분산형 전원 연계를 통한 에너지 절약 및 하베스팅 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 머신러닝을 활용한 사고데이터 판별 및 소비전력 패턴 분석 소프트웨어를 탑재한 수배전반 모니터링시스템.
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