지중화 수요가 증가함에 따라 전력설비의 건전성 확보에 대한 필요성이 증가하고 있다. 전력설비 절연체에 공극이나 금속 이물 등의 결함이 존재해 전계 집중 시 열, 빛, 펄스 형태의 부분방전(PD : Partial Discharge) 신호가 발생하며, 이를 통해 설비 내부 절연체 결함 유무를 파악하여 사고를 미연에 방지할 수 있으나, 현실적으로 이를 검출하고 분석할 수 있는 숙련된 인력과 장비가 부족하다. 또한, 이상 신호 검출 시 고장까지의 소요 시간 산출을 위한 통계 데이터 부족으로 적절한 설비 교체 시기 산정에 많은 어려움이 따른다. 이에 건전성을 파악하고, 설비의 수명주기를 관리할 수 있는 시스템 도입이 시급하다.

이와 관련하여 운영 중인 전력설비의 PD, 전류·전압, 발열 측정 및 분석 기술과 IoT 센서 적용을 통해 특고압 선로에 대한 종합적인 설비 이상 유무를 원격으로 감시·진단하는 시스템을 개발하여 실 선로에 시범 설치하였다. 또한 국내 최초로 지중배전망 광역 상시 감시진단 시스템과 이상 발생 위치 추정 기법을 개발하였고, 연계된 IoT 플랫폼을 바탕으로 다양한 서비스를 제공하여 지중배전설비의 운영 신뢰성 향상과 동시에 전문가급 자동화 감시·진단 기술을 구현하고자 한다.

지중배전망 광역 상시 감시진단시스템 구성

지중배전망 광역 상시 감시진단시스템은 PD 측정 기술을 기반으로 운전 중인 전력설비 절연체의 이상 여부를 상시 감시하여 사고를 사전에 방지하며, 고장 시 숙련된 측정자를 대신하여 이상 발생 단계부터 고장으로 파급하기까지의 이상 데이터를 축적하고 판단하여 사용자에게 경고함으로써 최적의 유지보수 계획을 세울 수 있다. 이 시스템은 센서와 처리 장치로 구성된 지국과 분석 및 서비스를 위한(서버가 있는 주국으로 구성된) 하드웨어와 검출 데이터 분석을 위한 소프트웨어로 구분된다. 각각의 센서에서 검출된 전기적 신호는 IED에서 디지털 정보로 변환되고, 무선통신을 통해 게이트웨이로 보내진 후 광통신 케이블을 통해 서버로 보내진다. 서버에서는 각종 파라미터를 추출한 신경망을 통해 이상 종류, 발생 위치 및 트렌드 변화에 대한 분석이 이루어진다.
지중배전망은 지중케이블과 지상개폐기, 지상변압기 등의 설비가 수지상 형태로 복잡하게 연결되어 있고, 다양한 노이즈 간섭으로 인해 기존의 검출 시간차 기반의 위치 추적 기법을 적용할 수 없으므로 개별 설비에서 검출한 신호를 수집 및 상시 비교함으로써 노이즈를 구분하고, 이상 발생 위치를 추적하는 방법이 효과적이다. 전력설비 이상 검출부터 이상 발생 위치까지 자동으로 판단할 수 있는 지중배전망 광역 상시 감시진단시스템은 IoT 플랫폼과의 연계를 통해 최신 펌웨어 관리 및 업데이트 프로토콜을 지원하며, 타 시스템과 연동하기 위한 Open API를 제공한다. 더 나아가 네트워크 게이트웨이(또는 스위치, 라우터) 단에서 장비에 대한 관리, 구동 등의 지원을 바탕으로 응용프로그램과 서비스 개발을 지원하며, 통합 IoT 감시 및 진단 플랫폼 구축을 가능하게 한다.

센싱 기술
지중 설비는 대부분 복합 절연체로 구성되어 있고, PD 검출을 위해선 초음파, 전류, 전자파 등 다양한 물리량을 측정하여야 미소 PD 신호를 측정할 수 있다. 따라서 맨홀 내 케이블은 고체 절연물이고, 센서를 설치할 수 있는 위치가 한정적이므로 검출 범위가 상대적으로 넓고, 감도가 우수한 HFCT1)를 적용하였으며, 광케이블을 이용해 방수 및 노이즈 영향을 최소화하였다. 또한, 광복합센서를 이용하여 케이블 발열 및 기계적 충격을 상시 감시하였다. 지상개폐기 및 변압기의 경우, 복합 절연체이므로 전류뿐만 아니라 초음파, 전자파 및 TEV2) 측정 방식을 복합적으로 적용하여 PD 신호를 검출할 수 있다. 또한 발열, 충격, 과전압 및 과전류 측정 센서를 적용하여 우발 고장 징후를 감시하고, 이와 함께 설비의 외부 환경 요인이 설비에 미치는 영향을 종합 분석하여 RCM3) 기반 설비관리를 위한 데이터를 수집하였다.

데이터 취득 및 통신 기술과 IoT 플랫폼 연계

맨홀 내 케이블 상시 진단을 위한 IED는 광신호 분석 모듈과 무선통신 모듈 그리고 센서 처리 모듈로 구성되어 있다. 전원부는 케이블의 유도 전류를 변환을 변환하여 필요 전력을 생산하며, 이를 위해 자가발전용 CT와 DC 변환 모듈 및 충전식 소형 배터리로 구성되어 있다. 센서로부터 취득한 PD 데이터는 광케이블을 통해 수집되며, IED 내부의 필터 및 Bypass 모듈을 통과하고, 두 신호를 비교 분석함으로써 노이즈 여부뿐만 아니라 외부 유입 PD 판별도 가능하다. 케이블 내 PD 전파 특성을 고려한 판단 기법으로 원거리에서 케이블을 따라 유입된 PD의 경우 고주파 성분은 쉽게 감소되고, 저주파 성분만 전달되는 현상을 이용하였다. 지상개폐기 및 지상변압기를 위한 IED는 데이터 수집 및 처리 보드로 구성되어 있다. 데이터 수집 보드는 PD 신호 입력 포트와 전원 동기 신호 입력 포트를 포함하고 있으며, 수집된 PD 데이터를 사용자가 분석 가능한 형태로 가공 및 처리가 가능하도록 프로그래밍할 수 있는 FPGA6)를 내장한다. 그리고 이로부터 처리된 PD 데이터를 저장할 수 있는 메모리를 내장하고 있으며, 수집·처리·저장된 PD 데이터를 다른 장치로 전송할 수 있도록 이더넷 통신 기능을 갖추었다.

또한, 이러한 과정을 전반적으로 제어할 수 있는 CPU를 내장한다. PD와 노이즈 구분을 위해 주파수-시간 분석 기법을 통해 데이터 분리 후 서버에서 PRPDA(Phase Resolved PD Analysis)가 가능하도록 데이터를 가공한다. 이와 같은 방법으로 각 IED에서는 취득 데이터를 가공하여 서버로 전송하며, 서버에서는 데이터를 종합 비교·분석함으로써 감시 대상 선로에서 다중 PD 발생 위치 추적 및 설비의 상태 예측을 수행할 수 있다. 현장에서 취득한 정보는 지상 기기용 게이트웨이를 통해 IoT 플랫폼의 서버로 전송된다. Gateway는 OneM2M의 표준을 이용하여 IoT 플랫폼에게 실시간으로 분석된 PD, 전류, 온도 등의 정보를 전달하고, IoT 플랫폼은 전송받은 데이터를 OneM2M의 통지 기능을 이용하여 정보를 빅데이터 서버에 전달하여 PD 정보 시각화 및 트렌드, 기간별 상관성 분석을 수행하고, 배전지능화시스템 같은 계통운영시스템의 정보와 연계하여 다양한 알람 서비스를 제공한다. 지상 기기 실시간 광역 감시를 위한 대시보드는 지상 기기의 실시간 상태 모니터링 화면과 실시간 이벤트 알림 및 팝업 화면을 제공하고, 센서 이벤트 및 PD 발생 이벤트 정보를 제공하며, 배전단선도 또는 지리정보시스템과의 연계를 통해 지상 기기의 위치 정보를 제공한다.

기대 효과 및 전망

IoT 기반의 지중배전망 광역 상시 감시진단시스템은 우리 회사의 통신 플랫폼을 기반으로 위험 또는 기피 장소의 지중배전설비 상태 정보를 상시 분석하고, 설비의 고장을 예측함으로써 사고를 사전에 방지하고, 설비 및 계통 운영의 신뢰성 증대를 목표로 한다.

또한, IoT 센서 및 전문가급 분석 기술을 탑재하여 설비들을 상시 진단하므로 진단 전문가 양성에 필요한 노력과 사선 진단 작업으로 인한 정전 시간을 최소화함으로써 사회적 손실을 줄일 수 있다. 이러한 기술을 바탕으로 침수, 개폐, 화재, 충격 등과 같은 설비의 운영 환경 관리뿐 아니라, PD 진단 및 발열 측정 기술을 접목하여 이상 발생 구간 및 설비를 추적 후 이상 설비들 간의 상대적 위험도를 산출함으로써 설비 교체 우선순위 선정에 근거 자료를 제공할 수 있다.

아울러, 인공지능 기반의 빅데이터 분석 기술을 개발하여 향후 설비별 운전 조건에 따른 최적 교체 시기, 실시간 필요 전력 산출 등 다양한 서비스를 제공하고자 한다. 앞으로도 에너지 패러다임의 급격한 변화에 선제 대응하기 위해 설비 고장 예지 및 잔존 수명 예측 관련 빅데이터 분석 및 AI 기술 경쟁력을 확보하는(지능화된 진단 서비스를 고도화하는) 한편, 해외 기술 홍보를 강화하여 Track Record를 확보하고 해외시장 진출을 추진할 계획이다.

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