송전선로, 실시간 감시한다
송전선로, 실시간 감시한다
  • 안호성
  • 승인 2020.05.08
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한전 전력연구원, 실시간 감시 센서 기술 개발
DLR 기술 적용 필수 핵심요소 센서 국산화 성공 … 불시 사고에도 성능 발휘
안호성 한전 전력연구원 선임보

❶ 기술개발 배경

가공 송전선로는 대량의 전기를 공급하는 주요 전력설비지만 야외에 노출되어 있어 수시로 변화하는 주변의 온도, 풍속, 강우 등의 기상상황과 전류의 크기, 장력의 변화, 전선의 온도 및 진동 여부에 따라 실시간으로 동작상태가 변한다. 가공송전선이 여러 가지 이유로 소손, 탈락하는 경우에는 정전고장을 비롯해 우리나라전력망 운영에 심각한 문제를 발생시킬 수 있기 때문에 지속적으로 ‘가공송전선 실시간 모니터링 기술’ 개발이 요구되어 왔다.

하지만 가공송전선로 특성상 주로 산악지역에 위치해 점검 인력의 접근이 쉽지 않다. 또한 송전선로 운영자가 확인할 수 있는 데이터 전송에 필요한 장거리 통신기술의 한계와 초고압 · 대전류 송전선로에 부착되는 장치로서 갖춰야하는 전기적 안전성 확보 등의 기술적 문제로 실시간 모니터링 기술의 개발과 현장적용이 쉽지 않았다. 이에 전력연구원은 2018년 9월 개발에 착수, 지난해 12월까지 약 15개월 간의 연구 끝에 가공송전선로에 쉽게 설치가 가능하고 원거리 근무지에서도 가공송전선로의 동작 상태를 확인할 수 있는 ‘가공송전선 실시간 모니터링 장치’ 개발에 성공했다.

 

❷ 연구성과

가. 가공 송전선 실시간 모니터링 시스템 개요

가공송전선 실시간 모니터링 장치는 가공송전선 운영에 영향을 주는 다양한 요소들 중 그 영향이 클 것으로 판단되는 물리적 양(데이터)을 측정해 실시간으로 송전선로 운영자에게 제공함으로써 현재의 송전선로 상태를 파악하고 보다 효율적으로 운영 계획을 수립할 수 있도록 설계했다. 실시간 모니터링 시스템은 그림 1에서 보여주듯 송전선에 부착되는 △센서노드(센서부, 통신부, 전선부착용 금구부로 구성) △철탑에 설치해 센서노드의 데이터 및 기상데이터(온도, 풍향, 풍속)를 수집하는 베이스 스테이션(Base Station) △모니터링 서버 등으로 구성된다.

 

나. 가공송전선 실시간 모니터링 시스템 특징

센서노드 외관

센서노드(Sensor Node)는 전선의 전류, 온도, 진동, 기울기 등을 측정해 전송하는 기능을 갖는 개별 센서모듈(Sensor module)과 통신모듈의 집합체다. MCU(Micro Controller Unit)로 제어하며 저전력 Sleep-On1) 회로로 구성했다. 그림 2 는 시작품(Prototype)으로 제작된 센서노드의 외형이다.

센서노드는 우리나라 154kV 이상 가공송전선의 모든 규격전선에 부착이 가능하도록 제작했다. 이와 함께 전선과의 접촉부는 전선표면의 손상방지를 위해 고무제품을 사용했는데 전선의 최대 사용온도인 180℃ 이상에서도 동작이 가능하도록 특수내열고무로 만들었다.

외장의 경우 경알루미늄 재질에 표면강도 향상을 위해 아노다이징(Anodizing) 처리해 외부 스크래치 등에 강인한 특성을 갖췄고 765kV 송전선로에 설치해도 코로나가 발생하지 않도록 돌출부가 없는 입체 유선형으로 설계했다. 본 센서노드의 무게는 3.1kg으로 해외 경쟁사 제품에 비해 매우 가볍고 배터리가 없어서 전원부 유지보수가 필요 없는 것이 큰 장점이다.

다. 통신 모뎀 자체 개발 … 정보 주고받기 가능

센서노드와 서버간의 데이터 통신은 전력연구원에서 개발한 ‘e-IoT 모듈’을 사용해 LTE 통신방식을 사용하도록 설계했다. 상황에 따라 모듈 변경을 통해 LoRa 방식의 통신도 가능하도록 했는데 통신 장해물이 없는 개활지에서의 최대통신 가능 거리는 약 2km다.

센서노드의 공급전원은 전력선으로부터 CT를 통해 공급받도록 설계해 별도의 배터리 장치가 필요 없도록 설계했다. 휴전 상태에서는 데이터 획득 및 전송이 불필요하므로 송전선에 50[A] 이상의 전류가 흐르면 동작되도록 설계했다. 표 1에는 각 센서의 측정범위와 정밀도를 보여준다.

라. 자율독립전원 시스템 적용, 배터리 없이도 사용 가능

무선 센서 네트워크 기술은 센서에 필수적으로 공급되어야 하는 전력공급 문제의 해결이 필수적이다. 전력연구원은 송전선로에 장착되는 센서 노드의 이점을 활용해 송전선에 흐르는 전류를 이용해서 전자기유도에 의한 에너지 하베스팅 기술을 사용했다. 송전선로에 교류전류가 지나가게 되면 암페어의 오른손 법칙에 의해서 자기장이 발생한다. 이때 발생한 자기력선은 철심을 통과하면서 기전력이 발생하게 되고 센서노드에 전원공급이 가능해진다.

❸ 기대효과 및 향후 계획

가공송전선 실시간 모니터링 기술은 선로의 현재 상태를 확인함과 동시에 예기치 못한 고장 예방을 위해 매우 중요한 기술이다. 이번 시스템 개발을 통해 가공송전선로 운영시스템이 4차 산업혁명으로 대변되는 IoT 기반으로 변모하기 위한 기본 인프라 구성이 가능해졌다는데 큰 의미가 있다.

특히 전 세계 100여 개 이상의 전력사들이 각기 도전하고 있는 DLR 기술 적용에 필수 핵심요소인 센서 제품군의 국산화에 성공했고 이를 통해 DLR2) 시스템 구축 시 독자적인 기술 개발이 가능해졌다고 할 수 있다. 따라서 본 시스템을 주요 송전선로에 적용할 경우 실시간 운영 데이터를 확보할 수 있을 뿐 아니라 확보된 대량의 데이터(빅데이터)를 기반으로 DLR 운영시스템으로 확대가 가능하며 불시에 발생할 수 있는 송전선로 고장 예방에도 탁월한 성능을 발휘할 수 있을 것으로 예상된다.


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