Ⅰ. 서 론
우리나라는 여름철 기상이변에 따른 집중 호우로 인한 감전사고가 유독 많이 발생하는데 특히 장마철 전 기관련 재해로 인한 인명피해는 겨울에 비해 2배 이상 많다. 기상이변에 따른 폭우의 경우 순식간에 수십 미 리의 많은 비가 내리므로 저압송전선로에 사용되는 지중저압접속함은 물론 길 위까지 물이 차게 되어 감전 의 위험이 높아진다. 저압배전선로의 지중화는 감전사고 등의 피해를 유발하고 있는데 여름철 집중호우에 의한 저압전력 분전함의 침수에 의한 감전사고가 대표적 사례가 되고 있다.
한전은 근본적인 대책의 일환으로 전국의 2만여 개소의 지중저압접속함의 맨홀 뚜껑을 고강도 절연 플라 스틱(FRP)으로 바꾸었으며, 2006년부터 지중저압접속함 내 전선 접속부를 절연 테이프로 감는 대신 접속부 자체를 응고시키는 방식으로 바꾸었다. 지중저압접속함은 대체로 한 달에 한 번씩 차량으로 순시하면서 이 상 유무를 점검하고 있으며, 특별한 이상 징후가 발견되지 않는 한 뚜껑을 열어보지 않는 실정이라, 신뢰성 에 문제가 있으며, 해당 지자체 등에서 시행하는 각종 도로굴착 공사로 인하여 전선이나 지중저압접속함의 손상으로 감전사고가 발생할 가능성에 대해서도 기관간의 협조체제 등 보완책이 미흡하여 여전히 감전 사고 에 노출되어 있는 실정이다.
우리나라의 저압배전선로의 지중화율을 볼 때 2020년 이내 현재의 배 수준으로 지중화할 것으로 예상되 어 지중화에 따른 감전사고와 지중저압접속함에 대한 상시 모니터링 체제를 구축하는 것이 절실한 실정이다 (Kim et al., 2008).
본 논문에서는 지중저압접속함 상부 뚜껑 하단부에 무선모듈을 장착하고 접속함 내부에 센서를 장착하여 접속함 내부의 온도, 습도, 누수정도, CO2 및 향후 지진감시를 위한 가속도 및 진동 센서를 장착하고 센서 데이터를 지그비 모듈을 통하여 특별히 고안된 볼티드 안테나를 통하여 지상으로 전송한다. 지중저압접속함 반경 10m 이내 차량에서 코디네이터를 통한 시리얼 데이터를 PC로 읽어 들여 GUI를 통한 모니터링이 가능 하도록 제안하였다.
Ⅱ. 관련 연구
1. 난환경(難環境) 통신
일반적으로 난환경(難環境) 통신(通信)이라 함은 땅속, 물속, 콘크리트 속 등과 같이 전자파가 차폐되어 통 신이 잘 되지 않는 열악한 통신 환경을 말한다. 본 연구에서 다루고자 하는 지중저압접속함과 지상과의 통신 경우도 난환경 통신 중의 하나이다. 지중저압접속함 내부 센서 데이터를 지상으로 무선 전송할 때 토양에 흡 수되어 대부분의 전파 에너지가 손실되기 때문이다.
현재 이러한 지하 매설물의 모니터링에 사용되는 무선통신은 난환경 통신 기술로 주로 자기장(磁氣場) 통신 기술(MFAN:Magnetic Field Area Network)에 의존하고 있다. 일반적으로 자기장 통신의 통달거리는 로 보고 있으며, 사용되는 주파수는 또한 저주파대역으로 128KHz가 많이 사용된다. 저주파대역의 통신은 고 주파 통신기술 보다 투과성이 높아 흙, 물, 콘크리트 등의 서로 다른 매질을 통과 할 때 전파손실이 적은 장 점이 있으나 통신거리가 짧다는 단점이 있다(Kim et al., 2008).
2. 지그비 통신 기술
지그비는 IEEE 802.15.4를 기반으로 한 소형, 저전력을 사용하는 통신 프로토콜로서 낮은 데이터율, 적은 배터리 소모, 네트워크의 안전성을 요구하는 원격제어, 원격관리, 원격모니터링 등의 무선 네트워크 어플리 케이션에 주로 사용된다. 또한 유선 네트워크를 고려하지 않고 설계된 기존의 건물이나, 신축 건물에 적용하 더라도 무선 통신이 가능하므로 적용성이 높다고 볼 수 있다. 지그비 표준은 전송 빈도가 낮은 데 적합하도 록 설계되었고 전송 속도가 빠르지 않은 경우에 추천하고 있다. 이와 같은 경우 대부분 기다렸다가 이벤트가 발생하면 기기가 작동이 된다. 배터리가 장착된 지그비 종단기기들은 수분 간 또는 심지어는 몇 시간이나 휴 면할 수 있다. 따라서 지그비 네트워크는 평균 전력 소모가 낮다(Sim et al., 2007;Kim et al., 2008).
3. 센서 시스템
온도 센서는 용도에 따라 접촉형과 피측정 물체에 직접 접촉하지 않고 떨어진 거리에서 측정하는 비접촉 형이 있고, 접촉형 온도계로서는 액체봉입 온도센서, 완전봉입 온도센서, 바이메탈, 열전대, 측온 저항체 온 도센서, 서미스타트, 반도체 센서, 큐리점 변화형 온도센서, 액정 온도센서 등이 있으며, 비접촉식 온도계로 서는 방사온도계, 광파이로메터 색온도계 등이 있다.
온도 센서의 원리에 따라 분류한다면 열전대형을 비롯한 여러 종류가 있으나, 그 중에서 반도체 온도센서 는 단결정 반도체가 온도에 따라 저항이 변하는 성질을 이용하는 온도센서이다. 그중에서도 무결정 반도체 온도 센서는 반도체 자체의 전기적 특성을 이용한 것으로 소자의 재료에 따라 Ge단결정, Si단결정 등, 특히 세라믹을 이용한 무접합 반도체 온도센서는 견고하고 고온에 견딜 수 있으므로 냉장고를 비롯한 가전제품에 널리 이용되고 있다.
습도계에는 고분자 습도계가 있는데, 폴리머를 이용한 습도계가 있다. 물의 유전율은 고분자 재료의 유전 율에 비해 크기 때문에 폴리머와 같은 고분자 필름을 이용한 콘덴서를 만들면, 고분자 필름에 흡착하는 물분 자의 양에 따라 정전용량이 변하기 때문에 습도센서로 이용된다. 정전용량형 습도계는 측정범위가 넓어(0∼ 100%RH) 상대 습도에 대해 직선적인 출력을 얻을 수 있다.
본 연구에 사용한 온습도 센서 DHT22 모델은 캐패시터 타입의 온습도 센서로 디지털 출력이 가능할뿐더러 습도(humidity 0-100%RH), 온도(temperature –40-80Celsius)의 측정 범위에서 정확도 humidity ±2%RH, temperature <±0.5Celsius를 가진다(Yun et al., 2002;Park, 2016).
NDIR 센서(Nondispersive infrared sensor, 비분산 적외선 센서)는 각종 가스를 검출하는 센서로 환경부에서는 CO, CO2는 NDIR 방식으로 측정하도록 시험법을 규정하고 있다. NDIR 방식이란 가스분자는 고유의 특정 파장 적외선을 흡수하는 특성이 있어 이 특성을 이용하여 적외선의 흡수율을 측정하면 측정하려는 가스의 현재 농 도를 계측할 수 있다. NDIR 센서의 구성은 적외선 발생기, 적외선 필터, 샘플 챔버 등으로 구성된다. 적외선 발생기는 넓은 주파수의 적외선을 발생하고 발광부 온도는 650℃~800℃를 유지하여 적외선 발생기에서 형성 되는 적외선 파형을 안정시킨다. 적외선 필터는 적외선 발생기에서 발생한 넓은 스펙트럼의 적외선 가운데 측정에 필요한 적외선을 선택하여 통과시킨다. 적외선필터는 CO2 별로 구성하여 3개를 사용한다. 샘플 챔버는 가스 농도를 측정하기 위해 적외선을 통과시키는 채널 형상을 가지며 적외선 통과시 배출가스 면적을 일정하 게 유지하도록 하여 적외선 필터에서 정제된 적외선만이 통과할 수 있고 배출가스 유입구와 배기구를 설치한 구조를 가진다. 적외선 감지부에서는 샘플 챔버에 유입한 배출가스를 통과하여 배출가스 농도에 따라 변화한 적외선 파장의 투과율을 감지하여 전압으로 변환하여 계측한다. NDIR 방식은 비 접촉식으로 특정 가스만을 선택적으로 감지하기 때문에 정확도가 매우 높고, 수명이 길어 우수한 가시 감지 방식으로 평가받고 있다.
사용된 수위센서(WJM1020B)는 정전용량방식으로 2채널이며 접촉/비접촉이 가늘고, Noise에 강하며, I2C, SPI 통신 구현이 가능한 소자이다. 또한 동작모드 시 200uA 1MHz 1.8V이며 대기모드 시는 25uA 1MHz 1.8V 이고, 최대 대기모드 <0.1uA 1.8V로 저전력 소자이다.
자세를 의미하는 각도는 롤(Roll), 피치(Pitch), 요(Yaw)로 나타내는데 여기서 중력방향을 기준으로 얼마나 기울어져 있는지를 나타내는 값이 롤과 피치이다. 가속도 센서와 자이로 센서는 롤과 피치를 측정하기 위해 사용된다. 본 연구에 사용된 가속도 및 자이로 센서는 Invensense사의 제품으로 MPU-9250센서는 9축 위치 측 위 센서(Positioning Sensor)또는 9축 관성측정장치(IMU, Inertial Measurement Unit)라 불리는 센서이다. 9축이 란 9자유도(DOF)를 의미하며 가속도 3축, 자이로 2축, 지자기(지구자기장) 3축, 온도 1축을 줄여서 9축 기울 기 센서라 부른다. MPU-9250은 6축 모델인 MPU-6050에 지자기센서 3축을 추가한 모델인 MPU-9150 센서의 업그레이드 버전이다.
Ⅲ. 지중저압접속함 원격 모니터링 시스템 구현
본 논문에서 제안하는 안테나는 일반 시중에 구입할 수 있는 일반적인 2.4GHz 패치(patch) 안테나를 지중 저압접속함 상부 뚜껑을 연결하는 볼트의 내부를 관통시켜 동축급 전선을 매립하는 형태로 설계 및 제작하 여 난환경통신에 적합성을 확인하였다. 안테나 성능평가를 위하여 데이터 시트로 제공된 안테나 제조사의 사양과 난환경통신 조건에서의 특성을 비교하고 적용이 가능함을 확인하였다.
<Fig. 1>은 지중저압접속함의 시스템 구성도를 나타낸다. 지중저압접속함은 한전에서 도시 수용가들에게 저압전력을 전송하기 위하여 보도에 일정한 간격으로 매립된 저압송전선로이다.
1. 지중저압접속함 무선 전송 시스템
지중저압접속함 모니터링 시스템은 접속함 내부의 상태를 감시할 수 있는 온습도센서, CO2센서, 수위센 서, 가속도센서와 지그비 모듈 그리고 지중에서의 난환경 통신을 고려한 특수하게 설계된 안테나로 구성된 다. 또한 지중접속함으로부터 전송된 데이터를 지상에서 수신하기 위하여 코디네이터 및 GUI가 필요하다. 전체 시스템 구성도 <Fig. 2>과 같다.
센서 데이터는 지그비 모듈로 연결되며 자체 MCU(micro controller unit)와 지그비 칩을 통하여 안테나로 연결된다. 여기에 사용된 안테나는 지중저압접속함의 상부 판넬 고정을 위하여 사용되는 볼트를 관통시켜 50Ω동축 케이블을 삽입한 일명 볼티드 안테나(bolted antenna)이다.
본 시스템에 사용된 지그비 RP-M100(MAC) 모듈은 기존 사용하던 FZ760BC와는 외관상 차이가 있을 뿐 동일한 펌웨어를 사용하며 동작 또한 동일하다. RP-100(Stack) 모듈도 있는데 Stack 버전은 지그비 2006 지원 과 Mesh Network를 지원하며, MAC 버전은 IEEE 802.15.4 기반으로 Star, Tree, Peer to Peer Network 지원한다. 또한 공통사항으로는 45Pins SMD type으로 구성되어 있고, On-Board Chip Antenna 타입, UART, ADC, Interrupt(KEY), GPIO Port를 사용하여 데이터 입출력이 가능하고, AT 명령어 지원, AT 명령어를 이용한 설정 가능, ACK Option을 이용한 데이터 수신 여부 확인 가능, 2.400∼2.4835 GHz(ISM Band) 대역 내 16개 채널 (11번∼26번 채널)을 사용한다(Zigbee Alliance).
사용된 지그비 모듈은 내장 안테나 타입이나 본 연구에서는 별도의 안테나 급전을 위하여 50Ω단자를 사 용하였다. <Fig. 3>은 제작된 지그비 무선모듈 및 코디네이터를 나타낸다.
2. 지중저압접속함 원격 모니터링 시스템
모니터링 GUI는 윈도우 환경을 기반으로 한 Visual Studio 2017 C# .net Framework를 활용하여 제작하였다. <Fig. 4>에서 지중저압접속함에서 취득되는 온습도, CO2, 수위, 가속도, 진동 센서 데이터들을 GUI를 통하여 나타내며 이러한 데이터들을 실시간 저장하여 분석을 위한 자료로 사용되도록 하였다.
Ⅳ. 실험 결과 분석
1. 센서 동작과 원격 모니터링 시험
지중저압접속함의 센서로부터 취득된 센서 데이터들은 지그비 전송모듈을 통하여 특수하게 고려된 안테 나를 통하여 지상으로 전송한다. 전송된 시리얼 데이터는 코디네이터를 거쳐 PC로 연결된다. PC에서 실험 분석을 위하여 시리얼 데이터 확인을 위한 시리얼웍스 프로그램을 이용하였다. <Fig. 5>는 데이터 수신 시험 블록 다이어그램을 나타내며, <Fig. 6>은 시리얼웍스를 통한 수신 데이터를 보여준다.
<Fig. 6a>는 시리얼웍스 프로그램의 터미널 설정에서 글꼴 LF문자 붙이기/보내기 모드이고, <Fig. 6b>는 HEX모드 이다.
<Fig. 6a>에서 $1의 값 T + 25.4 H 65.9 C 0907 Wx *은 ‘온도:+25도, 습도:65.9%, CO2:0907ppm, 수위감지: 안됨’을 나타내고, $2의 값 G +012 +033 -026 Vx 000*은 자이로 및 진동값으로 ‘자이로 X:+012, Y:+033, Z:-026, ,진동감지 안됨’을 나타낸다. 시리얼포트 설정은 Baud Rate 38400(지그비 전송모듈 동일), Data Bits 8 이다. 실험결과 지그비 전송모듈로부터 전송된 데이터수신율은 100% 성공율을 보였다.
2. 볼티드 안테나 특성 시험
지중저압접속함으로부터 센서 데이터를 지상으로 전송하기 위한 안테나 솔루션으로 본 연구에서는 지중 저압접속함 상부 판넬 고정에 이용되는 볼트를 사용한다. <Fig. 7>과 같이 볼티드 안테나는 볼트 내부를 50Ω 동축케이블을 관통시키고 상부에는 패치안테나를 위치시킨 구조로 되어있다.
시험에 사용된 패치안테나는 Wi-fi, 블루투스, 지그비 등 주로 ISM 밴드에 사용되는 ABRACON사의 모델 명 APAKN2504-S2448-T이며 <Table 1>는 안테나 제원을 나타낸다(Abracon Patch Antenna).
볼티드 안테나 성능 측정을 위한 실험 조건은 <Fig. 8>과 같다. 실험조건에서 안테나 시험을 위하여 전자 혼 안테나를 이용하여 지그비 사용주파수 2.4GHz 전파를 발사하고 볼티드 안테나에 수신되는 수신레벨을 스펙트럼 아날라이저를 사용하여 확인하였다. 또한 지중함에 폭우가 오는 상태를 가정하여 인위적으로 난환 경(難環境) 상태인 수중상태를 만들어 실험하고 비교하였다. 실험은 수중상태와 지중상태로 구분하였는데, 수중상태는 안테나 자체가 수중에 잠긴 상태를 말하며, 지중상태는 패치안테나 표면까지 물속에 잠기도록 만든 상태를 말한다.
<Table 2>는 시험 결과를 나타낸다. 실험결과 패치안테나만 지상에 노출된 경우를 가정하였을 때의 지중 상태 수신레벨과 패치 안테나가 완전히 물에 잠긴 수중상태의 레벨 차이는 스펙트럼 아날라이저 상에서 30dB 정도의 차이가 있음을 확인하였다. 수중상태가 지중상태와의 수신레벨 차이에도 불구하고 이정도의 수 신전계에서는 충분한 데이터 전송이 가능함을 확인하였다.
지그비 모듈의 경우 RP-M1xx Chip 타입의 최저 수신전계(Receiver sensitivity)는 제조사에서 제공하는 사양 대로 –98dBm이다. 본 실험에서 지중상태의 –32∼-34dB였고, 수중상태는 –63∼-65dB의 차이를 보이고 있 으므로 지그비 모듈 제작사가 제공하는 사양에 충분한 전계임을 확인하였다. 따라서 지중저압접속함으로부 터 10m 정도 떨어진 지상의 차량과의 지그비 통신에는 충분한 수신감도라고 판단된다. <Fig. 9>는 지중상태 와 수중상태 조건에서의 안테나 실험 모습이다.
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 한전의 저압송전선로로 이용되는 지중저압접속함의 내부 상태를 모니터링하기 위한 방법 을 제안하였다.
이를 위하여 지중저압접속함 내부 모니터링을 위한 온습도 센서를 장착하고, 누수에 따른 수위 측정을 위 한 수위센서와 이산화탄소 측정을 위한 가스센서, 지진과 같은 지중함 자체에 가해지는 외부 진동을 알기위 한 가속도 및 진동센서를 설치하였다. 이러한 센서 데이터를 전송하기 위하여 지그비 모듈을 사용하였으며, 특별히 고안된 일명 볼티드 안테나를 접속함 상부 볼트를 이용하여 지상으로 이를 전송하였다. 전송 데이터 는 지상에 설치된 PC의 GUI를 통하여 데이터 수신을 확인하였다.
안테나 시험 평가를 위하여 안테나 수중 시험을 실시하였으며, 스펙트럼 아날라이저로 수신레벨을 확인한 결과 자유공간 상태와 약 30dB 수신 전계차이가 있을 확인하였다. 안테나가 수중에 완전히 잠겨있음에도 불 구하고 지그비 통신에서 요구하는 최저수신전계 –98dBm에는 만족하는 것으로, 난환경 통신조건임에도 불 구하고 지상과의 거리 10m에서는 통신이 가능한 것으로 판단되었다.
지중저압접속함에 대한 모니터링 시스템을 전국적으로 확장하여 네트워크화 할 경우 자연재해로 인한 여 러 가지 상황에 대한 종합적인 분석이 가능할 것으로 기대되며, 본 연구에서 제안한 안테나는 지중저압접속 함과 같은 난환경 통신조건에서도 비록 자유공간과 동일한 통달거리를 가지지 못할지라도 근거리 통신 안테 나로서 가능한 것이 확인되어, 향후 성능이 좀 더 향상된 안테나에 대한 연구가 필요하다.
