KR102596669B1

KR102596669B1 - 스마트 계량기의 실시간 압력 데이터 기반 누출 판단 기법

Info

Publication number: KR102596669B1
Application number: KR1020230040403A
Authority: KR
Inventors: 김정훈; 오정석; 이진한
Original assignee: 한국가스안전공사
Priority date: 2023-03-28
Filing date: 2023-03-28
Publication date: 2023-11-01

Abstract

본 발명은 스마트 계량기의 실시간 압력 데이터를 기반으로 가스 누출 여부를 판단하는 방법에 관한 것으로서, 도1에 도시된 것처럼 압력 데이터를 수집하는 단계, 압력범위 데이터를 산출하고 압력 레벨을 0(zero)으로 변환하는 단계, 압력 레벨 변환에 따른 이상값을 제거하는 단계, 및 가스 누출 여부를 판단하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

스마트 계량기의 실시간 압력 데이터 기반 누출 판단 기법{Leakage Judgment Method based on Real-time Pressure Data of Smart Meter}

본 발명은 유량 데이터를 기반으로 가스 누출 여부를 판단하는 종래의 방법과는 달리 스마트 계량기의 실시간 압력 데이터를 기반으로 데이터 변환 및 전처리 등을 통하여 가스 누출 여부를 판단하는 방법에 관한 것이다.

현재 국내외에서 가스 빅데이터를 기반으로 한 다양한 방식의 가스 안전도 관련 기법이 개발되어 있는데, 이를 살펴보면 다음과 같다.

1) 국내 가스계량기 가스안전도 관련 기법

가) 누출점검용 계량기(스마트 계량기)를 이용하는 사례

여기서 누출점검용 계량기는 도시가스 사용시설 중 은폐 배관에 점검구를 대신하여 설치하는 누출점검용 가스계량기(스마트 계량기)을 의미한다.(KGS FU551 PC14)

① 미사용 중 수시 누출 점검 : 가스를 사용하지 않는 상태에서 미소가스누출부터 다량가스누출을 즉시 점검

② 사용 중 미소유량 누출 검출 : 통상의 사용상태에서 0.02 ㎥/h 이하가 누출되는 경우

③ 사용 중 대유량 누출 검출: 통상의 사용상태에서 대유량누출검지가 가능해야하며 통상의 사용조건에서 최대사용유량 (Qmax)의 1.1배의 대유량 누출이 발생하는 경우

나) 다기능 가스안전 계량기

액화석유가스 또는 도시가스용 다기능 가스안전 계량기는 가스계량기에 이상유량차단·가스누출차단장치 등 가스안전기능을 수행하는 안전장치가 부착된 가스용품을 의미한다.(KGS AA631)

① 유량차단성능 : 합계유량차단 값 = 연소기구 소비량의 총합×1.13 값을 초과하는 가스가 흐를 경우 차단

② 유량차단성능 : 증가유량차단 값 = 연소기구중 최대소비량×1.13 값을 초과하여 유량이 증가하는 경우 차단

③ 유량차단성능 : 연속사용시간차단은 유량이 변동없이 장시간 연속하여 흐를 경우 차단

④ 미소사용유량 : 정상적인 가스사용량보다 적은 양의 가스흐름이 72시간 이상 확인되는 경우 차단

⑤ 장기미소누설 : 발견하기 힘든 미세가스 누설이 30일 이상 계속적으로 감지되면 경고발생

⑥ 압력저하차단 성능 : 통상의 사용상태에서 다기능계량기 출구 쪽 압력저하를 감지하여 압력이 (0.6±0.1)㎪에서 차단

2) 국외 가스계량기 가스안전도 관련 기법

해외 가스계량기의 안전기능은 지진 관련 차단기능, 유량 관련 차단기능, 사용시간 관련 차단기능, 지진 발생 후 압력 관련 강하 감지 차단, 압력조정기의 압력 데이터를 활용한 경미 누출 경고, 압력 범위 벗어나는 경우 및 가스 사용후 차단 압력 모니터링 방법 등이 있는데, 이를 살펴보면 다음과 같다.

① 지진 차단기능 : 가스를 사용하는 동안 지진 강도 5이상의 지진 감지되면 가스 차단

② 총유량 감지 차단 : 밸브 실수 열림/손상으로 설정된 총 값을 초과하면 차단

③ 유량 감지 차단 : 소비가 빠르고 비정상적인 증가/손상 된 경우 설정 값 초과하면 차단

④ 사용시간 검지 차단 : 가스기기 끄는 것을 잊어버린 경우 설정된 최대 시간 초과하면 가스 차단

⑤ 압력 강하 감지 차단 : 지진 발생 후 2차 재해 예방을 위한 것으로 계량기 압력이 0.6kPa보다 낮게 감소 되는 경우 차단

⑥ 유량 경미 누출 감지 경고 : 경미한 누출 경고

⑦ 압력강하에 의한 경미한 누출 경고 : 압력조절기와 보일러 사이의 경미한 누출 경고

⑧ 비정상 조절 압력 경고 : 압력조절기로 오류를 보고하는 경고로 2.3~3.3kPa(사용 압력범위)사이의 범위를 벗어나는 경우 모니터링(30일 중 15일 초과하는 경우 경고)

⑨ 비정상 차단 압력 경고 : 가스 사용 후 압력조정기 차단압력이 어떻게 되는지 모니터링 하는 것으로 3.5kPa을 몇 번 초과하는지 카운트 하고 30일 동안 15일 초과하는 경우 경고

아울러, 현재 상용화되어 있는 스마트 계량기의 일종인 누출점검용 계량기는 유량 데이터 또는 압력데이터를 활용하여 안전 기능을 수행하고 있는데, 유량 데이터 기반 안전기능은 미사용 중 수시 누출 점검, 사용 중 미소유량 누출 여부, 사용 중 대유량 누출 여부를 검출하고 있으며, 미소유량 누출 여부 검출 기능으로 실제 누출 사례를 발견한 경우가 있어 실효성이 있다고 판단됨에 반하여, 압력 데이터 기반 안전기능은 통상 사용압력의 범위 기준(도시가스사에서 관련 기준이 있지만 실효성이 없는 상태)에서 벗어나는 압력저하 경고 기능과 압력상승 경고 기능이 있으나 사용압력의 범위 도출이 어려워 이 기능을 통하여 누출 여부를 검출하거나 판단하는데 어려움이 있는 실정이다.

즉, 기존 누출점검용 계량기와 다기능 가스안전 계량기의 압력 관련 안전기능은 계량기 설비 환경을 고려했을 때 문제점이 많아 오경보가 자주 발생하는데, 예를 들면, 아파트의 경우 도시가스 공급과정은 도시가스회사의 본관(0.4~0.5㎫,중압관)에서 각 가정에 직접 공급하는 것이 아니라 도로와 비유하면 국도, 지방도에 비유할 수 있는 본관을 설치한 후 공급 희망지역에 대해 본관에서 압력을 감압하는 장치인 지역정압기를 설치하여 지역 정압기로부터 다시 공급관(2.5㎪, 저압)을 설치하여 주택에 공급하게 된다.

이때 주택에 공급하는 압력이 지역 정압기 압력의 크기, 동일 배관상 인접 계량기 연계, 인접 주택 사용량, 계량기 위치 등에 따라 압력 크기 레벨(Base Level) 변화가 발생하기 때문에 압력 저하값이 미리 설정된 기준치(예를 들어 0.6± 0.1kPa)에서 일률적으로 차단하는 것은 문제가 있으며, 이를 해결하기 위해 압력 데이터 분석을 통한 새로운 가스누출 판단 방법이 필요한 실정이다.

[선행기술문헌]

등록특허 제1-0524142호

등록특허 제1-2162196호

본 발명은 스마트 계량기를 이용하여 실시간으로 수집되는 압력 데이터를 기반으로 가스 누출 여부를 예측하거나 검출할 수 있는 새로운 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 창작된 본 발명의 기술적 구성은 다음과 같다.

본 발명은 스마트 계량기의 실시간 압력 데이터를 기반으로 가스 누출 여부를 판단하는 방법에 관한 것으로서, 스마트 계량기를 통하여 실시간으로 압력 데이터를 수집하는 제1단계; 제1단계에서 수집된 시간의 흐름에 따른 압력 데이터로부터 압력범위 데이터를 산출하고, 압력 레벨(Base Level)을 0(zero)으로 변환하는 제2단계; 제2단계의 압력 레벨 변환에 따른 이상값을 제거하는 제3단계; 제3단계의 이상값 제거 기준의 압력범위를 벗어나는 데이터의 발생시점을 기준으로 이전과 이후 각각에 대하여 미리 설정된 기간 동안 압력 레벨을 0으로 변환하기 전단계의 평균압력 데이터의 평균값을 구하고, 압력범위를 벗어나는 데이터의 발생시점 이전의 미리 설정된 기간 동안의 평균압력 데이터의 평균값과 발생시점 이후의 미리 설정된 기간 동안의 평균압력 데이터의 평균값의 차이가 압력범위를 벗어나는 데이터의 발생시점 이전과 이후의 미리 설정된 기간 동안의 표준편차 가운데 큰 표준편차의 크기를 초과하는 경우 정상적인 압력 레벨 변환으로 간주하고, 그렇지 않는 경우 가스 누출에 따른 이상 압력으로 고려하여 이러한 이상 압력의 발생빈도가 미리 설정된 일수 이상 발생하면 가스 누출로 판단하는 제4단계;를 포함한다.

삭제

본 발명의 구성에 따르면, 스마트 계량기를 통하여 실시간으로 수집되는 압력 데이터의 변환 및 전처리를 통하여 이상값을 제거하고, 데이터이 경향을 분석하여 가스 누출 여부를 효과적으로 예측하거나 판단할 수 있다.

도1은 본 발명의 각 단계를 도시한 블럭도이다.
도2는 실시간으로 수집되는 압력 데이터 그래프의 예시이다.
도3은 압력범위와 압력진폭을 나타내는 그래프의 예시이다.
도4는 압력 데이터를 변환한 압력범위 데이터 그래프의 예시이다.
도5는 정규 확률분포와 표준편차의 관계를 나타내는 그래프의 예시이다.

이하에서는 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 스마트 계량기의 실시간 압력 데이터를 기반으로 가스 누출 여부를 판단하는 방법에 관한 것으로서, 도1에 도시된 것처럼 압력 데이터를 수집하는 단계, 압력범위 데이터를 산출하고 압력 레벨을 0(zero)으로 변환하는 단계, 압력 레벨 변환에 따른 이상값을 제거하는 단계, 및 가스 누출 여부를 판단하는 단계로 구성된다.

(1) 제1단계

삭제

스마트 계량기를 통하여 실시간으로 압력 데이터를 수집하는 과정으로서, 이러한 압력 데이터는 도2와 같은 그래프(세로축 압력, 가로축 날짜와 시간)로 표시될 수 있는데, 주택에 공급되는 압력이 지역 정압기 압력의 크기, 동일 배관상 인접 계량기 연계, 인접 주택 사용량, 계량기 위치 등에 따라 압력 크기 레벨(Base Level)이 특정 시간을 전후하여 급격히 증가하거나 감소하는 양상이 발생될 수 있음을 확인할 수 있다.

(2) 제2단계

제1단계에서 수집된 시간의 흐름에 따른 압력 데이터로부터 압력범위 데이터를 산출하고, 압력 레벨(Base Level)을 0(zero)으로 변환하는 과정이다.

제1단계에서 확인할 수 있는 압력 크기 레벨의 변화 데이터는 실제 배관이나 계량기 등에서 누출이 발생됨에 따른 압력 변화가 아니라서 이러한 데이터를 제거하기 위하여 압력 레벨(Base Level)을 0(zero)으로 변환하는 것이다.

압력 데이터로부터 압력범위 데이터를 산출하는 과정은 도3에 도시된 바와 같이,

압력범위 = 현재압력-이전압력

으로 정의된 수식을 사용하게 되고,

압력진폭은

압력진폭 = 압력범위/2

으로 정의된 수식을 사용하게 되고,

압력진폭 값은 평균값(평균압력)으로부터 증가하면 증가 변동압력으로 정의하고, 감소하면 감소 변동압력으로 정의하고 평균압력은 0(zero)이 된다.

이러한 변환 과정을 거치게 되면 도2의 압력 데이터 그래프는 도4와 같은 압력 크기 레벨을 0(zero)으로 변환한 압력범위 데이터 그래프로 변환되며, 도4를 보면, 시간-압력 데이터를 시간-압력범위 데이터로 변환(압력 크기 레벨을 0으로 변환)할 경우 압력 크기 레벨 변화 데이터를 확인할 수 있다.

(3) 제3단계

제2단계의 압력 레벨 변환에 따른 이상값을 제거하는 과정이다.

압력 레벨 변환에 따른 이상값은 2가지 방식으로 제거될 수 있다.

이상값을 제거하는 첫번째 방식은 압력범위 데이터를 사용하여 도5와 같은 정규 확률분포를 산출하고, 압력범위 데이터의 평균 ± 3×표준편차를 벗어나는 압력범위 데이터를 제거하는 방식(압력범위 데이터의 95.5%를 벗어난 부분을 제거하는 방식)이다. 경우에 따라서는 압력범위 데이터의 평균 ± 4×표준편차를 벗어나는 압력범위 데이터를 제거하는 방식이 적용될 수도 있다.

이상값을 제거하는 두번째 방식은 제트 스코어(Z-score)를 이용하는데, 제트 스코어란 모집단이 정규분포를 따른다고 가정했을 때 관측치가 표본평균에서 표준편차의 몇 배의 거리만큼 떨어져 있는지를 나타내는 지표이다.

즉, 압력범위 데이터의 제트 스코어(Z-score) 값을

z = (압력범위 데이터 - 압력범위 데이터의 평균)/표준편차

라는 수식으로 산출하고,

산출된 제트 스코어 값이 미리 설정된 임계값을 초과하면 해당 압력범위 데이터를 제거하는 방식이다.

(4) 제4단계

제3단계의 이상값 제거 기준의 압력범위를 벗어나는 데이터의 발생시점을 기준으로 이전과 이후 각각에 대하여 미리 설정된 기간 동안 압력 레벨을 0으로 변환하기 전단계의 평균압력 데이터의 평균값을 구하고, 압력범위를 벗어나는 데이터의 발생시점 이전의 미리 설정된 기간 동안의 평균압력 데이터의 평균값과 발생시점 이후의 미리 설정된 기간 동안의 평균압력 데이터의 평균값의 차이가 압력범위를 벗어나는 데이터의 발생시점 이전과 이후의 미리 설정된 기간 동안의 표준편차 가운데 큰 표준편차의 크기를 초과하는 경우 정상적인 압력 레벨 변환으로 간주하고, 그렇지 않는 경우 가스 누출에 따른 이상 압력으로 고려하여 이러한 이상 압력의 발생빈도가 미리 설정된 일수 이상 발생하면 가스 누출로 판단하는 과정이다.

여기서, 평균압력 데이터에서 평균압력은,

평균압력 = (이전압력 + 현재압력)/2

라는 수식으로 산출된다.

본 발명의 구체적 실시예에서는 기간을 1일로 설정하였다.

즉, 제3단계의 이상값 제거 기준의 압력범위를 벗어나는 데이터의 발생시점을 기준으로 이전 1일의 기간 동안 압력 레벨을 0으로 변환하기 전단계의 평균압력 데이터의 평균값, 이후 1일의 기간 동안 압력 레벨을 0으로 변환하기 전단계의 평균압력 데이터의 평균값을 각각 구하고, 압력범위를 벗어나는 데이터의 발생시점 이전의 1일 동안의 평균압력 데이터의 평균값과 발생시점 이후의 1일 동안의 평균압력 데이터의 평균값의 차이가 압력범위를 벗어나는 데이터의 발생시점 이전의 1일 동안의 표준편차와 이후의 1일 동안의 표준편차 가운데 큰 표준편차의 크기를 초과하는 경우 정상적인 압력 레벨 변환으로 간주하고, 그렇지 않은 경우 가스 누출에 따른 이상 압력으로 고려하여 이러한 이상 압력의 발생빈도가 10일 가운데 5일 이상 발생하는 경우 가스 누출로 판단하는데, 이상 압력이 상위값을 벗어나는 경우 과압으로 인한 누출 위험으로 판단하고, 하위값을 벗어나는 경우 누출로 인한 압력 강하로 판단하게 된다.

삭제

상기한 바와 같이 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하였으나 본 발명의 보호범위가 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양한 설계변경, 공지기술의 부가나 삭제, 단순한 수치한정 등의 경우에도 본 발명의 보호범위에 속함을 분명히 한다.

삭제

Claims

스마트 계량기의 실시간 압력 데이터를 기반으로 가스 누출 여부를 판단하는 방법에 관한 것으로서,
스마트 계량기를 통하여 실시간으로 압력 데이터를 수집하는 제1단계;
제1단계에서 수집된 시간의 흐름에 따른 압력 데이터로부터 압력범위 데이터를 산출하고, 압력 레벨(Base Level)을 0(zero)으로 변환하는 제2단계;
제2단계의 압력 레벨 변환에 따른 이상값을 제거하는 제3단계;
제3단계의 이상값 제거 기준의 압력범위를 벗어나는 데이터의 발생시점을 기준으로 이전과 이후 각각에 대하여 미리 설정된 기간 동안 압력 레벨을 0으로 변환하기 전단계의 평균압력 데이터의 평균값을 구하고, 압력범위를 벗어나는 데이터의 발생시점 이전의 미리 설정된 기간 동안의 평균압력 데이터의 평균값과 발생시점 이후의 미리 설정된 기간 동안의 평균압력 데이터의 평균값의 차이가 압력범위를 벗어나는 데이터의 발생시점 이전과 이후의 미리 설정된 기간 동안의 표준편차 가운데 큰 표준편차의 크기를 초과하는 경우 정상적인 압력 레벨 변환으로 간주하고, 그렇지 않는 경우 가스 누출에 따른 이상 압력으로 고려하여 이러한 이상 압력의 발생빈도가 미리 설정된 일수 이상 발생하면 가스 누출로 판단하는 제4단계;
를 포함하고,
제2단계의 압력범위 데이터에서 압력범위는,
압력범위 = 현재압력-이전압력
이며,
압력진폭 = 압력범위/2
이며,
제4단계의 평균압력 데이터에서 평균압력은,
평균압력 = (이전압력 + 현재압력)/2
이고,
제3단계에서 제거되는 이상값은,
압력범위 데이터를 사용하여 정규 확률분포를 산출하고,
압력범위 데이터의 평균 ± 3×표준편차를 벗어나는 압력범위 데이터 또는 압력범위 데이터의 평균 ± 4×표준편차를 벗어나는 압력범위 데이터이거나,
또는,
압력범위 데이터의 제트 스코어(Z-score) 값을 아래의 수식에 따라 산출하고,
z = (압력범위 데이터 - 압력범위 데이터의 평균)/표준편차
제트 스코어 값이 미리 설정된 임계값을 초과할 경우의 해당 압력범위 데이터인 것을 특징으로 하는 스마트 계량기의 실시간 압력 데이터 기반 누출 판단 기법.
제1항에서,
제4단계는,
제3단계의 이상값 제거 기준의 압력범위를 벗어나는 데이터의 발생시점을 기준으로 이전과 이후 각각에 대하여 1일 동안 압력 레벨을 0으로 변환하기 전단계의 평균압력 데이터의 평균값을 구하고, 압력범위를 벗어나는 데이터의 발생시점 이전의 1일 동안의 평균압력 데이터의 평균값과 발생시점 이후의 1일 동안의 평균압력 데이터의 평균값의 차이가 압력범위를 벗어나는 데이터의 발생시점 이전의 1일 동안의 표준편차와 이후의 1일 동안의 표준편차 가운데 큰 표준편차의 크기를 초과하는 경우 정상적인 압력 레벨 변환으로 간주하고, 그렇지 않는 경우 가스 누출에 따른 이상 압력으로 고려하여 이러한 이상 압력의 발생빈도가 10일 가운데 5일 이상 발생하는 경우 가스 누출로 판단하는 것을 특징으로 하는 스마트 계량기의 실시간 압력 데이터 기반 누출 판단 기법.
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