2.1 FDLR 산정용 감시장치 설계

FDLR용 감시장치는 가공선로에 설치되므로 가공선에 미치는 영향을 적게 하도록 크기와 무게를 최소화하여 설계하였다. 무게는 약 6kg 정도로 소형 경량화하였다. 가공선에 흐르는 전류로 전력을 얻기 위해서는 CT를 사용하여야 하는 데 소모 전력이 크면 CT 크기도 커야 하므로 무게에 영향을 준다. 따라서 소모 전력을 줄이기 위해 최적의 센서 선정 및 MCU 보드를 설계하여 약 6.5W로 정도 되었다.

개발장치는 크게 데이터 처리 및 통신을 담당하는 MCU 보드와 에너지 하베스팅을 담당하는 SMPS 보드로 나누어진다. MCU 보드는 경사도 센서, 가속도 센서가 보드 위에 위치하고 그 외 센서들(도체 온도, 전류, 풍향, 풍속, 외기 온도)은 A/D 컨버터 또는 통신 포트를 통해 데이터를 읽는다.

통신망은 전국적으로 인프라가 잘 구축된 LTE망을 이용하였다. 가장 범용적이고 전국 어디에서나 통신할 수 있지만, 인터넷망을 사용하므로 보안에 취약하다. 이러한 보안의 문제를 해결하기 위해 VPN 서버로 암호화하여 데이터 보호와 망 분리를 통한 보안 시스템을 구축하였다.

2.2 실시간 이도 측정

가공선로에서 기계적인 사고의 주요 원인은 이도의 상승과 갤로핑의 발생이다 .

이도가 처음 설계와 달라지는 원인으로는 과전류나 태양열로 인한 도체온도 상승이 원인이다. 이도의 계산은 주로 등장법과 수평 이동법을 많이 사용하는데 이를 위해서는 양 철탑 사이의 거리, 각도를 측량해야 한다. 또한 시야가 확보되지 않을 경우 철탑에 직접 올라가 측량을 해야 한다. 또 다른 방법으로는 포물선 공식을 이용하여 전선의 무게, 경간, 수평장력, 고저차 등으로 계산할 수 있다⁽²⁾. 그러나 이도는 환경적인 요인으로 달라지기 때문에 그 상태를 모니터링하여 실시간으로 이도를 계산할 필요가 있다. 가장 저렴하면서도 신뢰성 있는 방법으로 경사도 센서를 이용한 실시간 이도 계산법들이 연구되고 있다⁽³⁾. 본 연구에서는 이도가 증가 혹은 감소하면 철탑 양끝의 가공선의 수평과 이루는 각도가 변하기 때문에 이 부분의 경사도를 모니터링하고, 포물선 공식을 경사도에 대한 수식으로 바꾸어 실시간 이도의 변동량을 계산하였다.

그림 3과 같은 가공선로에서 각 철탑에서 가공선 감시 시스템에서 측정한 기울기가 $\theta_{0}$와 $\theta_{1}$이고 높이차가 $h$, 수평장력 $H$, 경간이 $L$인 경우, 케이블의 처짐이 최저인 지점, 즉 sag를 구하는 공식은 다음과 같다. 가공선로를 포물선 공식으로 표현하면,

이고, 가공선의 전체 길이는

이다. 여기서 기울기에 대한 수식으로 변경하면,

이다. 표3을 이분법을 이용하여 풀고 관련 식들을 정리하면 이도 $y_{\min}$은

로 표현할 수 있다⁽⁴⁾.

2.3 에너지 하베스팅(Power CT)

가공선에 흐르는 전류를 전력으로 사용하기 위해 Power CT와 SMPS를 개발하였다. 가공선에 설치된 CT 코어를 통과하는 자기장에 유도된 2차 측 전압을 SMPS로 9V의 전압을 얻었다.

코어의 크기와 코일의 턴 수는 1차 측 전류가 100A일 때 출력이 약 8W 정도 나오도록 설계하였다. 그러나, 1차 측 전류의 범위가 최소 100A에서 2000A까지 넓어 100A에 맞게 SMPS를 설계하면 2000A가 흐를 때 부품 과열로 이상이 발생할 수 있다. 이것은 표8과 같이 패러데이 전자기 유도 법칙에 따라 2차 측 에너지는 1차 측 전류에 의해 발생하는 자속에 비례하여 증가하기 때문이다.

본 연구에서는 SMPS를 안정적으로 운영하기 위해 2차 측 코일의 턴수를 자동으로 절체하여 최적의 2차 측 전력을 얻도록 설계 하였다.

그림 5와 같이 2차 측의 코일을 턴 수를 다르게 N1, N2, N3으로 감았다. 500A까지는 모두 ON 상태를 유지하여 턴 수는 N1+N2+N3이고 500A 이상이 되면 절체 회로를 통해 스위치를 OFF 하여 턴 수는 N2가 되어 줄어든다. 1차 측 전류가 약 500A일 때 정류 출력전압이 약 200Vdc에서 절체 후 60Vdc로 낮아졌다. 최대 2000A에서도 정류 출력전압은 약 110Vdc 정도로 안정된 값을 유지한다.

그림 6과 같이 CT 코어를 모의 가공선에 설치하여 1차 측 전류를 50A에서 2000A까지 흘린 결과 약 60A에서 7W, 100A에서 약 9W 정도 발생하였다. 따라서 장치 전체 소모 전력이 6.5W이므로 가공선 전류가 60A 이상이면 장치 전원으로 동작이 가능하다.

2.2 평가 시험

성능평가 시험은 3단계로 나누어 실시하였다. 우선 센서 자체의 성능 실험을 통해 표준측정 장비와 개발장치 간 오차값을 보정하였다. 두 번째 단계로는 사내 옥외 시험장에서 실제 가공선로를 모의한 선로에 개발장치를 설치하여 전류를 흘려 통신 이상 유무 점검과 전류값, 일사량, 기울기, 풍향, 풍속 등 전반적인 센서 동작 상태를 표준 측정기와 비교 분석하였다. 세 번째 단계는 그림 13과 같이 전력연구원의 고창 가공선 실증시험장에서 개발 장치를 설치하여 평가시험을 진행하였다.