KR20190061425A - 지능형 화재 예방 진단 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지능형 화재 예방 진단 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 전기기기로부터 발생되는 전자파의 방전주파수에서 기 설정된 최적의 주파수를 추출하여 증폭한 후 피크 홀딩 및 샘플링을 통해 추출한 음향신호를 디지털 데이터로 변환하는 신호처리장치; 디지털 데이터로부터 전자파 유무를 검출하고, 검출한 전자파를 시간 영역 및 주파수 영역으로 디스플레이하는 전자파 측정정보를 생성하는 분석장치; 및 전자파 측정정보가 기 설정된 기준을 벗어나는 경우, 화재예방을 위한 전기기기 제어신호를 신호처리장치로 전송하는 관리자 디바이스;를 포함한다.

Description

지능형 화재 예방 진단 시스템 및 그 방법{INTELLIGENT FIRE PREVENTION DIAGNOSIS SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 지능형 화재 예방 진단 시스템 및 그 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 특히 농어촌의 축사, 양계장 등의 배전반이나 전기 소켓에서 발생되는 전자파를 탐지하여 최적의 전자파 주파수를 선택하여 증폭한 음향을 임베디드 분석 프로그램을 통해 분석하여 전자파의 유무를 실시간 측정 및 진단함으로써, 배전반이나 전기 소켓의 신뢰성, 보수 및 유지의 경제성 향상과 적정시기의 교체를 확보하고, 사고를 미연에 방지하여 전력공급의 중단 없이 설비의 이상 유무를 실시간 진단 감시할 수 있는 지능형 화재 예방 진단 시스템에 관한 것이다.
화재가 발생 하였을 경우에는 모든 재산을 다 잃어버리게 되며, 그 일예로 숭례문 문화재 소실이 있었다. 이러한 화재는 화재가 난 후에는 소방관들이 와서 아무리 물을 뿌려도 불이 붙은 후에는 아무 소용이 없는 것이다.
일반적으로, 화재는 담배, 방화, 불장난, 불티 등으로 발생하는 경우도 있지만 가장 큰 원인은 전기에 의한 것으로서, 특히 호텔이나 백화점과 같이 사람이 많이 모여 있는 장소에서 전기로 인한 화재가 발생할 경우 막대한 재산적 손해와 인명피해가 발생하게 되므로 전기에 의한 화재 방지의 중요성은 아무리 강조해도 부족함이 없다.
따라서, 전력설비의 사고를 예방하기 위해 절연 시스템의 보강과 새로운 절연 재료 개발 및 제조설비의 개선에 관한 연구, 그리고 시설된 전력설비의 관리 및 운영 등에 대한 투자가 지속적으로 필요한 실정이다.
전기화재의 주요 원인은 크게 합선이나 과부하로 인한 과전류와 절연불량에 의한 배선의 누전 및 트래킹, 접촉 불량에 의한 아크 등으로 분류되며, 대한민국 공개특허 제2008-0095338호(2008.10.29.공개), “전기 화재 예방장치” 외에 다수의 선행특허가 공개된 바 있다.
도 1을 참조하여 선행특허에 대해 살피면, 전압 센서로부터 선로상의 전압 신호를 검출하는 전압 검출부; 전류 센서로부터 선로상의 전류 신호를 검출하는 전류 검출부; 검출된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 A/D 변환부; 디지털 변환된 신호로부터 실효값, 지연시간, 고조파, 숄더값 중 어느 하나 이상을 연산하여, 전류의 실효값의 기울기를 기준값과 비교하여 단락 여부를 판단하는 기능, 누설전류를 기준값과 비교하여 누전 여부를 판단하는 기능, 누전 상태에서 고조파 증가율을 기준값과 비교하여 트래킹 발생 여부를 판단하는 기능, 전류의 실효값, 숄더의 폭, 지연시간, 고조파 증가율을 각각의 기준값과 비교하여 아크 발생 여부를 판단하는 기능 중 어느 하나 이상의 기능을 수행하는 신호처리부; 및 신호처리부의 처리 결과를 표시하는 표시부;를 포함하여 구성된다.
그러나, 선행특허를 포함한 종래의 화재 예방 장치는, 선로상의 전류와 전압 신호를 계측, 검출하여 누전과 아크 및 트래킹 발생여부를 감지하는 구성인바, 감시 대상과 물리적으로 접속되어야만 하는 구조적 한계가 있다.
또한, 열악한 배전반이나 전기 소켓에서 발생되는 전자파의 탐지는 쉽지 않다. 즉 배전반이나 전기 소켓에서 커패시턴스(capacitance)의 측정감도가 낮고 외부 노이즈의 유입으로 IEC규정에 의한 시험범위는 적용하기 불가능한 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 화재가 일어날 가능성 또는 평상시의 화재가 일어날 징후가 보이면 화재 가능성을 진단하여 관리자(119 소방서)의 스마트폰으로 메시지와 환경의 상태 영상을 전송하고, 관리자가 전원 스위치에 대한 on/off 조치를 취하거나, 필요에 따라서는 스프링클러, 소방서에 위험 상태를 미리 알려서 화재가 일어나지 않도록 하는 지능형 화재 예방 진단시스템을 제안한다.
한국공개특허 제2008-0095338호
본 발명의 목적은, 전기기기로부터 발생되는 전자파의 방전주파수 검출하여 실시간으로 디스플레이 장치를 통해 시간파형과 스펙트로그램으로 보여주는 동시에 이상주파수의 발생 위치와 시간을 모니터에 적색으로 표시함으로써, 전기선로, 배전반, 소켓 등에서 일어나는 문제점을 실시간 네트워크를 통해 관리자 또는 중앙 통제실에 알려주어 원격 측정 및 진단이 가능하도록 하는데 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 지능형 화재 예방 진단 시스템은, 전기기기로부터 발생되는 전자파의 방전주파수를 수신하여 튜닝회로를 통해 추출된 주파수를 증폭한 후 피크 홀딩 및 샘플링을 통해 추출한 음향신호를 디지털 데이터로 변환하는 신호처리장치; 디지털 데이터로부터 전자파 유무를 검출하고, 검출한 전자파를 시간 영역 및 주파수 영역으로 디스플레이하는 전자파 측정정보를 생성하는 분석장치; 및 전자파 측정정보가 기 설정된 기준을 벗어나는 경우, 화재예방을 위한 전기기기 제어신호를 신호처리장치로 전송하는 관리자 디바이스;를 포함한다.
또한, 신호처리장치는, 전기기기로부터 발생되는 전자파의 방전주파수를 수신하는 안테나 센서; 안테나 센서로부터 인가받은 주파수를 혼합하고 여기서 튜닝을 통해 안테나의 주파수와 매칭된 주파수에서 반송파를 제거하고 음향신호를 추출하는 튜닝회로; 음향신호의 값을 줄이기 위해 평균치의 피크값을 검출하는 피크 검출부; 피크 검출부로부터 인가받은 음향신호를 취합하는 MCU; 음향신호들 중에서기 설정된 기준과 부합하는 최적의 주파수를 선택하는 필터뱅크; 필터뱅크로부터 인가받은 음향신호를 디지털 데이터로 변환하는 AD컨버터; 및 AD컨버터로부터 인가받은 디지털 데이터를 분석장치로 전송하는 신호처리 전송부;를 포함한다.
또한, 신호처리장치는, 튜닝회로가 추출한 음향신호를 증폭하는 제1 증폭부; 음향신호의 주파수에서 주위 잡음을 제거하는 ANR; 및 ANR을 통해 잡음이 제거된 음향신호를 증폭하는 제2 증폭부;를 더 포함한다.
또한, 분석장치는, 신호처리장치로부터 수신한 디지털 데이터로부터 전자파 유무를 검출하는 전자파 검출부; 전자파 검출부로부터 인가받은 전자파의 변화량이 기 설정된 기준을 벗어나는 경우, 과전압 또는 과전류가 발생한 것으로 판단하여 생성한 전자파 측정정보를 기 설정된 관리자 디바이스로 전송하는 진단부; 및 검출된 전자파 및 전자파의 변화량을 실시간으로 화면에 출력하고, 전자파의 변화량에 대한 시계열적인 파형 및 스팩트로그램(spectrogram)을 화면에 출력하는 디스플레이부;를 포함한다.
또한, 진단부는, 전자파 측정정보를 분석하되, 전자파 검출부가 디지털 데이터로부터 검출한 전자파와 기 설정된 전자파를 비교하고, 검출한 전자파의 변화량이 기 설정된 전자파의 기준을 벗어나는 경우, 전기기기로부터 전자파가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 전자파 측정정보는, 전자파의 변화량을 시간 영역 및 주파수 영역으로 구분하여 디스플레이하는 영상 또는 음향을 포함한다.
그리고, 관리자 디바이스는, 분석장치로부터 수신한 전자파 측정정보가 기 설정된 기준을 벗어나는 경우, 화재발생 가능성 및 화재발생 징후를 수반하는 것으로 판단하여 화재예방을 위한 전기기기 제어신호를 생성하는 제어부; 및 제어부로부터 인가받은 제어신호를 신호처리장치로 전송하는 제어신호 전송부;를 포함한다.
아울러, 전술한 시스템을 기반으로 하는 본 발명의 지능형 화재 예방 진단 방법은, 신호처리장치가 전기기기로부터 발생되는 전자파의 방전주파수를 증폭한 후 피크 홀딩 및 샘플링을 통해 추출한 음향신호를 디지털 데이터로 변환하는 (a) 단계; 분석장치가 신호처리장치로부터 수신한 디지털 데이터로부터 검출한 전자파를 시간 영역 및 주파수 영역으로 디스플레이하는 전자파 측정정보를 생성하는 (b) 단계; 및 관리자 디바이스가 분석장치로부터 수신한 전자파 측정정보가 기 설정된 기준을 벗어나는 경우, 화재예방을 위한 전기기기 제어신호를 상기 신호처리장치로 전송하는 (c) 단계;를 포함한다.
또한, (a) 단계는, 신호처리장치의 안테나 센서가 전기기기로부터 발생되는 전자파의 방전주파수를 수신하는 (a-1) 단계; 신호처리장치의 튜닝회로가 안테나 센서로부터 인가받은 주파수를 혼합하고 여기서 튜닝을 통해 안테나의 주파수와 매칭(Matching)된 주파수에서 반송파를 제거하고 음향신호를 추출하는 (a-2) 단계; 신호처리장치의 피크 검출부가 음향신호의 값을 줄이기 위해 평균치의 피크값을 검출하는 (a-3) 단계; 필터뱅크가 음향신호들 중에서 기 설정된 기준과 부합하는 최적의 주파수를 선택하는 (a-4) 단계; 신호처리장치의 AD컨버터가 음향신호를 샘플링하여 디지털 데이터로 변환하는 (a-5) 단계; 및 신호처리장치의 신호처리 전송부가 AD컨버터로부터 인가받은 디지털 데이터를 분석장치로 전송하는 (a-6) 단계;를 포함한다.
그리고, (c) 단계는, 분석장치의 전자파 검출부가 신호처리장치로부터 수신한 디지털 데이터로부터 전자파 유무를 검출하는 (c-1) 단계; 분석장치의 진단부가 전자파 검출부로부터 인가받은 전자파의 변화량이 기 설정된 기준을 벗어나는지 여부를 판단하는 (c-2) 단계; (c-2) 단계의 판단결과, 전자파의 변화량이 기 설정된 기준을 벗어나는 경우, 과전압 또는 과전류가 발생한 것으로 판단하여 분석장치의 진단부가 전자파 측정정보를 생성하는 (c-3) 단계; 및 분석장치의 진단부가 전자파 측정정보를 기 설정된 관리자 디바이스로 전송하는 (c-4) 단계;를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 전기선로, 배전반 및 전기소켓을 포함하는 전기기기의 신뢰성, 보수 및 유지의 경제성 향상을 제공하고, 적정 시기에 교체할 수 있도록 함으로써, 화재의 사고를 미연에 방지하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 관리자가 현장의 상태를 영상으로 모니터링하면서, 모든 조치(전원 차단, 스프링클러 동작)를 취하여 화재를 예방이 가능함으로써, 축사나 농촌의 전기선로, 배전반, 전기소켓 등의 경제적인 보수, 유지, 및 교체 비용이 절감될 수 있으며, 전기화재, 정전으로 인한 산업체의 생산손실과 공공시설이 사회적 손실을 절감하는 효과가 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 화재가 발생하기 전에 화재의 상태를 진단하는 핵심 기술로 축사나 양계장 등, 스마트 팜 운영자가 갖는 화재 불안감을 떨쳐버릴 수 있고, 배전반이나 전기 소켓의 신뢰성, 보수 및 유지의 경제성 향상과 적정 시기의 교체를 확보할 수 있으며, 사고를 미연에 방지하여 전기화재 및 정전으로 인한 산업체의 생산손실과 공공시설이 사회적 손실도 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 전기 화재 예방장치를 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 시스템을 도시한 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 시스템의 신호처리장치를 도시한 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 시스템의 분석장치를 도시한 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 시스템의 시간영역 및 주파수영역 분석 알고리즘을 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 시스템의 전자파가 방전하여 전압에 이상이 생긴 내용을 표시하는 시간영역 및 주파수영역 분석 알고리즘을 도시한 GUI도면.
도 7은 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 시스템이 전자파가 방전하여 전압에 이상이 생긴 내용(이벤트표시)을 표시하는 주파수영역 분석 알고리즘을 도시한 GUI도면.
도 8은 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 시스템의 관리자 디바이스를 도시한 구성도.
도 9는 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 시스템의 테스트 실험환경을 도시한 도면.
도 10은 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 방법을 도시한 순서도.
도 11은 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 방법의 제S10단계의 세부과정을 도시한 순서도.
도 12는 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 방법의 제S20단계의 세부과정을 도시한 순서도.
본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 시스템(S)은, 전기기기로부터 발생되는 전자파의 방전주파수를 수신하여 튜닝회로를 통해 추출된 최적의 주파수를 추출하여 증폭한 후 피크 홀딩 및 샘플링을 통해 추출한 음향신호를 디지털 데이터로 변환하는 신호처리장치(10), 신호처리장치(10)로부터 수신한 디지털 데이터로부터 전자파 유무를 검출하고, 검출한 전자파를 시간 영역 및 주파수 영역으로 디스플레이하는 전자파 측정정보를 생성하는 분석장치(20), 및 분석장치(20)로부터 수신한 전자파 측정정보가 기 설정된 기준을 벗어나는 경우, 화재예방을 위한 전기기기 제어신호를 신호처리장치(10)로 전송하는 관리자 디바이스(30)를 포함한다.
이하에서는 그 구체적인 언급을 생략하겠으나, 본 발명에 따른 신호처리장치(10)는 농어촌의 축사나 양계장과 같이 습기가 많은 곳, 공장의 기계시설과 같이 화재위험이 큰 곳, 지하철, 철도, 대형백화점 및 공중이용설비의 배전반 또는 전기 소켓을 포함하는 전기기기에 구비되나, 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니며 안정적인 전력공급이 요구되는 산업시설 어디에나 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 분석장치(20)는 원격지에 위치하여 신호처리장치(10) 및 관리자 디바이스(30)와 정보통신망을 통해 접속될 수 있고, 기 설정된 주파수 대역과 신호처리장치(10) 및 관리자 디바이스(30)간에 송수신되는 정보들을 저장/관리하는 서버로 구성될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 관리자 디바이스(30)는 정보통신망을 통해 신호처리장치(10) 및 분석장치(20)와 접속 가능한 서버, 스마트폰, PC 또는 노트북 중에 어느 하나로 구성될 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 시스템(S)의 신호처리장치(10)에 대한 세부구성에 대해 살피면 아래와 같다.
먼저, 신호처리장치(10)의 안테나 센서(11)는 복수개로 구비되어 전기기기로부터 발생되는 전자파의 방전주파수를 수신한다.
구체적으로, 안테나 센서(11)는 3개의 채널(CH1: 20(MHz)~100(MHz), CH2: 100(MHz)~500(MHz), 및 CH3: 500(MHz)~1000(MHz)) 안테나로 구성되어, 전압이 가해지면 전자파가 형성되는 일반적인 전기장치로부터 임의의 방전 주파수를 수신하도록 구성된다.
또한, 안테나 센서(11)는 수신한 방전주파수를 증폭하는 증폭기와, 증폭된 신호 중 기 설정된 주파수대역의 신호를 통과시키는 대역통과필터를 포함하여 구성된다.
또한, 안테나 센서(11)는 전기기기에 부착될 수 있고, 전자기기는 전기 선로, 배전반, 브레이커 또는 전기소켓 중에 어느 하나를 포함하도록 구성되나, 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다.
한편, 튜닝회로(12)는 안테나 센서(11)로부터 인가받은 주파수를 혼합하고 여기서 튜닝(국부발진회로를 연결하여 각 채널(CH)의 선택된 주파수만 수신하는 것을 의미)을 통해 안테나의 주파수와 매칭(Matching)된 주파수에서 반송파를 제거하고 음향신호를 추출한다.
일반적으로 매우 넓은 주파수 범위(20(MHz) 내지 1000(MHz))에서 필터뱅크를 통해 원하는 방전주파수를 검출하는 시스템을 구성하는 것은 거의 불가능하다. 따라서, 본 발명에서는 튜닝회로(12)를 구성하여 주파수로부터 음향신호를 추출하고, 이 음향신호를 시간, 주파수 영역에서 알고리즘을 통해 분석, 인식하여 화재를 예방하도록 구성된다.
또한, 제1 증폭부(13)는 튜닝회로(12)가 추출한 음향신호를 증폭한다.
또한, 피크 검출부(14)는 증폭된 음향신호의 값을 줄이기 위해 평균치의 피크값을 검출한다. 이때, 피크 검출부(14)는 공진회로를 통해 캐리어 주파수를 제거한 이후, 피크치를 검출하도록 구성된다.
또한, MCU(15)는 펌웨어(Firmware)의 제어에 따라 피크 검출부(14)로부터 인가받은 음향신호를 취합한다.
또한, ANR(Ambinent Noise Rejection)(16)는 음향신호의 주파수에서 주위 잡음을 제거한다.
또한, 제2 증폭부(17)는 ANR(16)을 통해 잡음이 제거된 음향신호를 증폭한다.
한편, 필터뱅크(18)는 제2 증폭부(17)로부터 인가받은 음향신호들 중에서기 설정된 기준과 부합하는 최적의 주파수를 선택하되, 다수의 방전주파수들 중에서 기 설정된 기준과 부합하는 방전주파수를 선택스위치(Select SW)를 통해 선택하도록 구성된다.
이때, 최적의 주파수에 대한 범위는 10MHz 내지 100MHz, 100MHz 내지 500MHz, 또는 500MHz 내지 1000MHz인 것으로 설정하겠으나, 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다.
또한, AD컨버터(19)는 필터뱅크(18)로부터 인가받은 음향신호를 샘플링하여 디지털 데이터로 변환한다.
이때, AD컨버터(19)는 음향신호의 주파수를 2배 이상의 빈도(1/2f)로 샘플링, 바람직하게는 2배 내지 4배로 샘플링하도록 구성되나, 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다.
그리고, 신호처리 전송부(ST)는 AD컨버터(19)로부터 인가받은 디지털 데이터를 분석장치(20)로 전송한다. 이때, 디지털 데이터는 전기기기 각각에 대한 고유ID를 포함할 수 있으며, 이 고유ID를 통해 어떠한 전기기기로부터 샘플링된 것인지 식별이 가능하게 한다.
아울러, 신호처리장치(10)는 AD컨버터(19)에 의해 변환된 디지털 데이터를 음향신호로 복원하는 DA컨버터와, 복원된 음향신호를 외부기기로 전송하기 위한 출력포트를 더 포함하여 구성된다.
이때, 출력포트는 분석장치(20)와 물리적으로 접속 가능한 USB 포트로 구성될 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 시스템(S)의 분석장치(20)에 대한 세부구성에 대해 살피면 아래와 같다.
먼저, 분석장치(20)의 전자파 검출부(21)는 신호처리장치(10)의 신호처리 전송부(ST)로부터 수신한 디지털 데이터로부터 전자파 유무를 검출한다.
또한, 진단부(22)는 전자파 검출부(21)로부터 인가받은 전자파의 변화량이 기 설정된 기준을 벗어나는 경우, 과전압 또는 과전류가 발생한 것으로 판단하여 생성한 전자파 측정정보를 기 설정된 관리자 디바이스(30)로 전송한다.
이때, 진단부(22)는 전자파의 변화량을 저장하는 버퍼메모리를 포함하여 구성될 수 있고, FFT(fast fourier transform) 알고리즘에 의해 구동될 수 있다.
또한, 전자파 측정정보는 전자파의 변화량을 시간 영역 및 주파수 영역으로 구분하여 디스플레이하는 영상 또는 음향을 포함하며, LCD 또는 스피커에 의해 육안으로 확인하고 소리로도 들을 수 있다.
구체적으로, 분석장치(20)의 진단부(22)는 전자파 측정정보를 분석하되, 전자파 검출부(21)가 디지털 데이터로부터 검출한 전자파와 기 설정된 전자파를 비교하고, 검출한 전자파의 변화량이 기 설정된 전자파의 기준을 벗어나는 경우, 전기기기로부터 전자파가 발생한 것으로 판단한다.
이때, 전자파 진단 레벨은 [수학식 1]을 통해 설정되는데, N은 분석하는 구간의 샘플수이고, R(m)은 현재 샘플 m에서의 RZCR, Lth는 실험적으로 결정되는 상수, w(n)은 신호처리에 사용되는 해밍 또는 해닝 중에 어느 하나를 포함하는 창함수이고, x(n)은 현재 RZCR을 구하고자 하는 신호로서 입력되는 아날로그 신호의 샘플링된 디지털 신호를 이용하여 RZCR값을 산출한다.
Figure pat00001
Figure pat00002
또한, 진단부(22)는 측정된 음향신호들에 대한 RZCR값을 산출하여 평균값을 산출하고, 평균값이 정상상태에서 측정된 음향신호를 이용하여 산출한 RZCR값의 오차범위 이내에 존재하면 정상으로 판단하고, 평균값이 정상상태에서 측정된 음향신호를 이용하여 산출한 RZCR값의 오차범위를 벗어나면 비정상(부분방전)으로 판단한다.
또한, 진단부(22)는 디지털 음향신호의 주파수계열 분석을 위해 주파수 대역을 Low spectral energy, Medium spectral energy, High spectral energy의 3단계로 설정한다.
이때, 진단부(22)는 20MHz~100MHz의 주파수로 설정하는 최소대역을 Low spectral energy로 설정하고, 100MHz~500MHz의 주파수로 설정하는 중간대역을 Medium spectral energy로 설정하고, 500MHz~1GHz의 주파수로 설정하는 최종대역을 High spectral energy로 설정한다.
Figure pat00003
Figure pat00004
또한, 진단부(22)는 상기 [수학식 2]를 통해 dbML 과 dbHL 파라미터를 도출하되, 정상상태에서 측정된 음향신호로부터 dbML 파라미터 및 dbHL 파라미터를 산출한다.
또한, 진단부(22)는 산출한 dbML 파라미터 및 dbHL 파라미터를 정상상태의 dbML 파라미터 및 dbHL 파라미터와 비교하여 전기기기(전기선로, 배전반, 전기소켓 등)의 전자파 방전 유/무 상태를 판단한다.
이때, 진단부(22)는 정상상태의 dbML 파라미터 및 dbHL 파라미터의 오차범위 이내에 산출한 dbML 파라미터 및 dbHL 파라미터가 존재하면 정상으로 판단한다.
그리고, 진단부(22)는 산출한 dbML 파라미터 및 dbHL 파라미터가 정상상태에서 측정된 음향신호를 이용하여 산출한 dbML 파라미터 및 dbHL 파라미터의 오차범위를 벗어나면 전자파 방전이 발생한 상태로 판단하여 전자파 측정정보를 생성한다.
한편, 디스플레이부(23)는 검출된 전자파 및 전자파의 변화량을 실시간으로 화면에 출력하고, 전자파의 변화량에 대한 시계열적인 파형 및 스팩트로그램(spectrogram)을 화면에 출력한다.
또한, 디스플레이부(23)는 고유ID 각각과 대응하는 전기기기의 전자파의 변화량을 토대로 이상 주파수가 발생한 위치 및 시간을 적색으로 표시함으로써, 전기선로, 배전반 또는 소켓 등에서 발생하는 문제점을 실시간으로 확인할 수 있다.
예컨대, 디스플레이부(23)는 도 5에 도시된 바와 같이 시간 영역에서 센서 1, 2, 3에 들어오는 정상적인전압(청색)을 출력하고, 도 6에 도시된 바와 같이 시간 영역에서 센서 1, 2, 3에 들어오는 과전압(적색)을 출력하도록 구성된다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이 주파수 영역에서 센서 1에 들어오는 과전압(적색)을 주파수별로 출력하도록 구성되며, 여기서 도 7에 드래그 된 음영부분이 전자파 방전이 방출된 것으로 이해할 수 있다.
이하, 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 시스템(S)의 관리자 디바이스(30)에 대한 세부구성에 대해 살피면 아래와 같다.
먼저, 관리자 디바이스(30)의 제어부(31)는 분석장치(20)로부터 수신한 전자파 측정정보가 기 설정된 기준을 벗어나는 경우, 화재발생 가능성 및 화재발생 징후를 수반하는 것으로 판단하여 화재예방을 위한 전기기기 제어신호를 생성한다.
이때, 전기기기 제어신호는 전자기기의 전원차단, 스프링클러 구동 또는 관할 소방서 출동요청 중에 어느 하나의 기능을 제어하는 신호로 이해함이 바람직하며, 관리자의 설정에 따라 추가/변경이 가능하다.
그리고, 제어신호 전송부(32)는 제어부(31)로부터 인가받은 제어신호를 신호처리장치(10)로 전송하여 전기기기가 제어신호와 대응하는 작동을 수행하도록 구성된다.
한편, 도 9는 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 시스템(S)의 테스트 베드에 실험 장치를 구성한 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 실제 브레이커와 전기 소켓에 백열램프와 형광등을 연결하여 테스트 하였고, 공급전압이 AC 201(V)인 것을 확인할 수 있다.
이하, 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 방법에 대해 살피면 아래와 같다.
먼저, 신호처리장치(10)가 전기기기로부터 발생되는 전자파의 방전주파수를 증폭한 후 피크 홀딩 및 샘플링을 통해 추출한 음향신호를 디지털 데이터로 변환한다(S10).
이어서, 분석장치(20)가 신호처리장치(10)로부터 수신한 디지털 데이터로부터 검출한 전자파를 시간 영역 및 주파수 영역으로 디스플레이하는 전자파 측정정보를 생성한다(S20).
그리고, 관리자 디바이스(30)가 분석장치(20)로부터 수신한 전자파 측정정보가 기 설정된 기준을 벗어나는 경우, 화재예방을 위한 전기기기 제어신호를 신호처리장치(10)로 전송한다(S30).
이하, 도 11을 참조하여 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 방법의 제S10단계에 대한 세부과정에 대해 살피면 아래와 같다.
먼저, 신호처리장치(10)의 안테나 센서가 전기기기로부터 발생되는 전자파의 방전주파수를 수신한다(S11).
이어서, 신호처리장치(10)의 튜닝회로가 안테나 센서로부터 인가받은 주파수를 혼합하고 여기서 튜닝을 통해 안테나의 주파수와 매칭(Matching)된 주파수에서 반송파를 제거하고 음향신호를 추출한다(S12).
뒤이어, 신호처리장치(10)의 피크 검출부가 음향신호의 값을 줄이기 위해 평균치의 피크값을 검출한다(S13).
이어서, 신호처리장치(10)의 필터뱅크가 음향신호들 중에서 기 설정된 기준과 부합하는 최적의 주파수를 선택한다(S14).
뒤이어, 신호처리장치(10)의 AD컨버터가 음향신호를 샘플링하여 디지털 데이터로 변환한다(S15).
그리고, 신호처리장치(10)의 신호처리 전송부가 AD컨버터로부터 인가받은 디지털 데이터를 분석장치(20)로 전송한다(S16).
이하, 도 12를 참조하여 본 발명에 따른 지능형 화재 예방 진단 방법의 제S20단계에 대한 세부과정에 대해 살피면 아래와 같다.
제S10단계 이후, 분석장치(20)의 전자파 검출부가 신호처리장치(10)로부터 수신한 디지털 데이터로부터 전자파 유무를 검출한다(S21).
이어서, 분석장치(20)의 진단부가 전자파 검출부로부터 인가받은 전자파의 변화량이 기 설정된 기준을 벗어나는지 여부를 판단한다(S22).
제S22단계의 판단결과, 전자파의 변화량이 기 설정된 기준을 벗어나는 경우, 과전압 또는 과전류가 발생한 것으로 판단하여 분석장치(20)의 진단부가 전자파 측정정보를 생성한다(S23).
그리고, 분석장치(20)의 진단부가 전자파 측정정보를 기 설정된 관리자 디바이스(30)로 전송한다(S24).
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
본 발명의 지능형 화재 예방 진단 시스템은, 열악한 배전반이나 전기 소켓에서 발생되는 전자파의 탐지는 쉽지 않다. 즉, 배전반이나 전기 소켓에서 커패시턴스(capacitance)의 측정감도가 낮고 외부 노이즈의 유입으로 IEC규정에 의한 시험범위는 적용하기 불가능하다.
그러나, 본 발명에서 제시하는 지능형 화재 예방 진단 시스템은 전기 선로에서 이상 전압이나 전류의 변화가(과전압, 과전류발생시) 일어날 경우, 전자파 센서에 의해 전자파를 튜닝 감지하여 시간영역과 주파수영역에서의 음향을 임베디드 분석 프로그램을 통해 분석하여 전자파의 발생을 실시간에 검출하고 검출되었을 때 관리자에게 통보(스마트폰이나 119 등)해 줌으로써 과전압이나 과전류에 의해 화재가 발생할 수 있는 다양한 전력기기에 응용 할 수 있다.
특히, 농어촌의 축사나 양계장 및 공장의 기계시설 등에 적용하여 화재가 예방 진단시스템으로 사용하고, 또는 전력시설의 전자파의 발생 유무 및 방전되는 위치, 방전위험 상태도를 분석할 수 있는 원격 진단 기술에 유용하게 사용될 수 있다.
S: 지능형 화재 예방 진단 시스템
10: 신호처리장치 11: 안테나 센서
12: 튜닝회로 13: 제1 증폭부
14: 피크 검출부 15: MCU
16: ANR 17: 제2 증폭부
18: 필터뱅크 19: AD컨버터
ST: 신호처리 전송부 20: 분석장치
21: 전자파 검출부 22: 진단부
23: 디스플레이부 30: 관리자 디바이스
31: 제어부 32: 제어신호 전송부

Claims (10)

  1. 화재 예방 진단 시스템에 있어서,
    전기기기로부터 발생되는 전자파의 방전주파수를 수신하여 튜닝회로를 통해 추출된 주파수를 증폭한 후 피크 홀딩 및 샘플링을 통해 추출한 음향신호를 디지털 데이터로 변환하는 신호처리장치;
    상기 디지털 데이터로부터 전자파 유무를 검출하고, 검출한 전자파를 시간 영역 및 주파수 영역으로 디스플레이하는 전자파 측정정보를 생성하는 분석장치; 및
    상기 전자파 측정정보가 기 설정된 기준을 벗어나는 경우, 화재예방을 위한 전기기기 제어신호를 상기 신호처리장치로 전송하는 관리자 디바이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 화재 예방 진단 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호처리장치는,
    상기 전기기기로부터 발생되는 전자파의 방전주파수를 수신하는 안테나 센서;
    상기 안테나 센서로부터 인가받은 주파수를 혼합하고 튜닝을 통해 안테나의 주파수와 매칭된 주파수에서 반송파를 제거하고 음향신호를 추출하는 튜닝회로;
    상기 음향신호의 값을 줄이기 위해 평균치의 피크값을 검출하는 피크 검출부;
    상기 피크 검출부로부터 인가받은 음향신호를 취합하는 MCU;
    상기 음향신호들 중에서기 설정된 기준과 부합하는 최적의 주파수를 선택하는 필터뱅크;
    상기 필터뱅크로부터 인가받은 음향신호를 디지털 데이터로 변환하는 AD컨버터; 및
    상기 AD컨버터로부터 인가받은 디지털 데이터를 상기 분석장치로 전송하는 신호처리 전송부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 화재 예방 진단 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 신호처리장치는,
    상기 튜닝회로가 추출한 음향신호를 증폭하는 제1 증폭부;
    상기 음향신호의 주파수에서 주위 잡음을 제거하는 ANR; 및
    상기 ANR을 통해 잡음이 제거된 음향신호를 증폭하는 제2 증폭부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 화재 예방 진단 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분석장치는,
    상기 신호처리장치로부터 수신한 디지털 데이터로부터 전자파 유무를 검출하는 전자파 검출부;
    상기 전자파 검출부로부터 인가받은 전자파의 변화량이 기 설정된 기준을 벗어나는 경우, 과전압 또는 과전류가 발생한 것으로 판단하여 생성한 전자파 측정정보를 기 설정된 관리자 디바이스로 전송하는 진단부; 및
    검출된 전자파 및 전자파의 변화량을 실시간으로 화면에 출력하고, 전자파의 변화량에 대한 시계열적인 파형 및 스팩트로그램(spectrogram)을 화면에 출력하는 디스플레이부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 화재 예방 진단 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 진단부는,
    상기 전자파 측정정보를 분석하되,
    상기 전자파 검출부가 디지털 데이터로부터 검출한 전자파와 기 설정된 전자파를 비교하고, 검출한 전자파의 변화량이 기 설정된 전자파의 기준을 벗어나는 경우, 전기기기로부터 전자파가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 지능형 화재 예방 진단 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전자파 측정정보는,
    전자파의 변화량을 시간 영역 및 주파수 영역으로 구분하여 디스플레이하는 영상 또는 음향을 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 화재 예방 진단 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 관리자 디바이스는,
    상기 분석장치로부터 수신한 전자파 측정정보가 기 설정된 기준을 벗어나는 경우, 화재발생 가능성 및 화재발생 징후를 수반하는 것으로 판단하여 화재예방을 위한 전기기기 제어신호를 생성하는 제어부; 및
    상기 제어부로부터 인가받은 제어신호를 상기 신호처리장치로 전송하는 제어신호 전송부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 화재 예방 진단 시스템.
  8. 화재 예방 진단 방법에 있어서,
    (a) 신호처리장치가 전기기기로부터 발생되는 전자파의 방전주파수를 증폭한 후 피크 홀딩 및 샘플링을 통해 추출한 음향신호를 디지털 데이터로 변환하는 단계;
    (b) 분석장치가 상기 신호처리장치로부터 수신한 디지털 데이터로부터 검출한 전자파를 시간 영역 및 주파수 영역으로 디스플레이하는 전자파 측정정보를 생성하는 단계; 및
    (c) 관리자 디바이스가 상기 분석장치로부터 수신한 전자파 측정정보가 기 설정된 기준을 벗어나는 경우, 화재예방을 위한 전기기기 제어신호를 상기 신호처리장치로 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 화재 예방 진단 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a-1) 신호처리장치의 안테나 센서가 전기기기로부터 발생되는 전자파의 방전주파수를 수신하는 단계;
    (a-2) 신호처리장치의 튜닝회로가 안테나 센서로부터 인가받은 주파수를 혼합하고 여기서 튜닝을 통해 안테나의 주파수와 매칭(Matching)된 주파수에서 반송파를 제거하고 음향신호를 추출하는 단계;
    (a-3) 신호처리장치의 피크 검출부가 음향신호의 값을 줄이기 위해 평균치의 피크값을 검출하는 단계;
    (a-4) 필터뱅크가 음향신호들 중에서 기 설정된 기준과 부합하는 최적의 주파수를 선택하는 단계;
    (a-5) 신호처리장치의 AD컨버터가 음향신호를 샘플링하여 디지털 데이터로 변환하는 단계; 및
    (a-6) 신호처리장치의 신호처리 전송부가 AD컨버터로부터 인가받은 디지털 데이터를 분석장치로 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 화재 예방 진단 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    (c-1) 분석장치의 전자파 검출부가 신호처리장치로부터 수신한 디지털 데이터로부터 전자파 유무를 검출하는 단계;
    (c-2) 분석장치의 진단부가 전자파 검출부로부터 인가받은 전자파의 변화량이 기 설정된 기준을 벗어나는지 여부를 판단하는 단계;
    (c-3) 상기 (c-2) 단계의 판단결과, 전자파의 변화량이 기 설정된 기준을 벗어나는 경우, 과전압 또는 과전류가 발생한 것으로 판단하여 분석장치의 진단부가 전자파 측정정보를 생성하는 단계; 및
    (c-4) 분석장치의 진단부가 전자파 측정정보를 기 설정된 관리자 디바이스로 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 화재 예방 진단 방법.
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