IoT 무선 기술을 이용한 고압 케이블 접속부 화재 예방에 관한 연구
Fire Prevention at High-Voltage Cable Connection Points Using Internet of Things Wireless Technology
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Abstract
IoT 기술이 4차 산업혁명에 따라 화재 예측 및 예방에도 도입되고 있다. 본 연구의 목적은 고압 케이블 접속부의 접촉 저항 변화에 따른 온도 및 주변 온습도 변화를 실시간으로 모니터링하여 접속부 화재를 예방하고, 실시간 관제 시스템, SMS, 모바일 앱, 웹모니터링을 통해 현장 방문의 단점을 보완하는 것이다. 본 연구를 통해 점검 인력, 시간, 비용손실을 줄일 수 있으며, 관리자는 현장에 직접 출동하지 않고도 관제 시스템을 통해 고압 케이블의 상태를 신속하고 편리하게 확인하고 관리할 수 있을 것이라 기대한다. 뿐만 아니라 IoT 기반의 LoRa 통신을 통해 다양한 센서 네트워크를 형성하여 온습도 정보와 가스자동소화장치의 상태를 수집한다. 또한 LTE-M 통신을 통해 수집된 빅데이터를 기반으로 고압 케이블의 온도 변화 및 절연 파괴로 인한 온도 상승을 예측하여 화재를 사전 예방하고 화재 발생 전후 가스자동소화 장치의 동작 상태를 모니터링한다.
Trans Abstract
The integration of Internet of Things (IoT) technology in fire prediction and prevention is part of the “Fourth Industrial Revolution.” This study aims to mitigate fire risks in high-voltage cable joints by monitoring the real-time temperature and ambient temperature/humidity changes driven by variations in contact resistance. The limitations of onsite inspections are addressed using a real-time monitoring system that employs SMS alerts, mobile applications, and web-based interfaces. By enabling managers to assess cable conditions remotely, this system significantly reduces the labor, time, and costs associated with inspections. Furthermore, an IoT-based long-range (LoRa) communication network was used to establish a comprehensive sensor network to gather data on temperature, humidity, as well as the operational status of automatic gas-extinguishing systems. LTE-M communication facilitates big data collection, enabling the prediction of temperature anomalies caused by insulation failure in high-voltage cables. This approach not only prevents fires but also ensures the continuous monitoring of automatic gas-extinguishing systems before and after fire incidents.
1. 서 론
고압 케이블 접속부의 접촉저항에 의한 국부가열로 인해 화재가 발생할 수 있다. 특히 유기질 전기접속기의 접촉부 과열에 의한 발화의 경우와 전선이나 케이블 접촉부분에서의 과열 또는 전선과 철선 간 접촉부분의 과열에 의한 발화의 경우가 가장 많다. 유기질 전기접속기 내부 접속상태가 불완전하면 접촉저항의 증가로 가열이 일어나 유기질 절연물이 발화 또는 착화하는 경우가 있다. 이 경우 접속기의 잔유물은 다른 것에 비하여 절연물의 연소경로가 양 전극 또는 한 전극을 중심으로 하여 국부적이고, 발열부분의 금속편은 산화, 열팽창, 수축 등의 작용에 의하여 접촉부에는 거칠고 특수한 부식 등을 발견할 수 있는 특징이 있다(Hong, 2011). 본 연구의 목적은 154 kV 고압 케이블 접속부에 직접적인 온도 변화를 IoT (Internet of Things) 기술을 이용하여 모니터링을 가능하게 하는 것이다.
2. 본 론
2.1 디지털 온습도센서와 LoRa 무선통신을 활용 설계
2.1.1 디지털 온습도센서 분석 및 활용 설계 방법
디지털 온습도센서는 기존 아날로그 센서에서 사용하였던 OP Amp (Operational Amplifier), ADC (Analog to Digital Converter)와 같이 별도의 구성 없이 온도 및 습도값을 디지털화하고, I2C 통신을 활용하여 수집장치로 전송한다. I2C 통신으로 수신된 Raw Data를 습도(%RH)와 섭씨(°C)로 변환하는 공식은 Eqs. (1), (2)와 (Sensirion Inc, 2016) 같고 Firmware Code는 Fig. 1과 같다.
I2C Read Source Code
온도 오차는 사용온도 –40 °C to 90 °C에서 ±0.2 °C로 높은 정확도를 가지고 저전력 회로 구성으로 별도의 높은 DC 전압이 필요하지 않다. 미세한 온도변화까지 모니터링해야 하는 고압 케이블 접속부에 사용하기에 적합한 디지털 온도센서를 활용하여 설계하였다.
2.1.2 LoRa 무선통신 활용한 설계
LoRa (Long Range)는 저전력 광역 네트워크 기술 중 하나로 원거리에서 저전력으로 통신할 수 있으며, LoRa 통신은 소량의 센서Data, 위치정보 등 IoT 장치에 주로 사용된다.
다수의 고압 케이블 접속부의 수집된 온도센서의 정보를 전송하는 통신방식으로 적합하다고 판단한다. LoRa의 작동원리 중 본 연구내용에서는 LoRa Point-to Point (P2P) 통신 방식으로 구성하여 고압 케이블 R, S, T 3개의 케이블 온도 정보를 매칭하여 전송할 수 있도록 설계하였다. 또한 사용하는 LoRa Module에 적용하기 위한 안테나의 주파수는 917 Mhz~923.5 Mhz 대역폭이며 Feed 임피던스 매칭은 50 Ω, Peak Gain 0.8 dBi로 설계하여 적용하였고 실거리 감도 실험(Table 1, Fig. 2)은 LoRa Module의 RF Power Range를 단계별로 설정 후 100 m 거리별 RSSI (Received Signal Strength Indicator)와 SNR (Signal-to-Noise ratio)을 측정하였다. 그 결과 300 m에서의 RSSI (수신감도)는 –89 dB이고 SNR (신호 대 잡음비)는 9 dB 이상임을 확인하였다. 600 m 이상 지점에서는 RSSI가 –108 dB를 초과하였고 SNR은 –1 dB가 측정되었다. 600 m 이내의 전 구간에서는 신호의 세기가 잡음보다 높아 안정적인 통신 상태를 나타냈다. 고압 케이블 중 154 kV R, S, T 접속부 간에 최대 이격거리는 약 30 m 이내에 설치되어 있어 수집된 Data는 LoRa 통신을 통해 전송이 가능하다.
Result of LoRa Sensitivity Data
Sensitivity Results according to Distance
2.2 LoRa와 LTE-M 무선통신 기술을 활용한 Devices
2.2.1설계 방법
고압 케이블에 설치된 온도센서와 소화장치의 상태값을 수집하는 LoRa Device는 고압 케이블 접속부 근거리에 설치해야 하며, 별도의 AC 전원 없이 Battery로 동작을 해야 하므로 저전력회로로 설계하고 운영 Firmware도 Battery Saving Mode와 Sleep Mode를 적용하여 설계하였다.
LoRa Device로부터 Data를 전달받는 LTE-M Device의 Main MCU (Micro Controller Unit)는 여러 개의 온도정보와 상태값을 전송 받아 DATA를 분석, 파싱 및 LTE-M 모뎀과도 통신해야 하므로 Cortex M4 계열의 Core 및 RTOS 적용하여 다중 처리가 가능하도록 설계하였다. 주전원에서 LTE-M Modem/LoRa/MCU에 개별전원을 인가하는 LDO (Low Drop-Output) Regulator, Device의 기능을 설정하는 Switch, 상태를 표시하는 Status LED를 반영하여 설계하였다. 또한 주전원이 차단되었을 경우 전원 이상 유무를 관리자에게 알려주고 최소 1시간 이상 Data를 전송할 수 있도록 Battery를 적용 설계하였다.
2.3 Network 구성 방법
고압 케이블 접속부에 설치된 장치로부터 관제서버로 전송되는 Data의 전송방법(Fig. 3)은 다음과 같다. I2C통신을 통한 온도센서 Data와 Digital 접점 신호를 통한 소화장치 상태값을 LoRa 디바이스에서 파싱하여 LTE-M 디바이스로 무선 전송한다. LTE-M 디바이스는 각 LoRa 디바이스에서 온 Data를 수집하고 전송할 Data의 길이, OPCODE, 디바이스 위치정보, 시간정보, LTE-M 감도, Battery 및 Power의 값을 함께 파싱하여 퍼블릭망을 통해 관리자 서버 및 SMS로 전달하도록 구성하였다.
Network Block Diagram
2.4 LTE-M Protocol 전문 구조
관제서버에 전송되는 LTE-M Protocol은 JSON Format (Fig. 4) 구조로 설계하였다. DATA의 구성은 서버전송시간, 위치 정보를 확인할 수 있는 USIM 정보, 주기보고와 현장점검보고 및 화재경보를 구분하는 이벤트 상태값, 고압 케이블의 위치정보를 알 수 있는 LoRa ID, 케이블 접속부의 온도, 자동소화장치의 밸브 개폐 및 게이지 압력, 사용 전원 및 Battery의 상태값과 화재 경고 온도 설정값을 줄 수 있도록 설계하였다.
Protocol for Server Transfer
2.5 SMS 구조
관리자에게 전달되는 SMS는 LTE-M Device Firmware에 적용하여 설계하였고 SMS 전송은 모뎀 제조사에서 제공하는 AT Command Guide Book을 이용하여 프로그래밍하였다. 관리자 스마트폰으로 전송되는 DATA (Fig. 5)는 설치장소의 명칭, 설치 기기번호, 이벤트 내역, 현재 케이블 온도값 및 화재 설정 온도값을 모니터링할 수 있도록 설계하였다.
Structure of SMS
2.6 TEST BED 설치 및 실험 방법
변전소에 설치된 154 kV 고압 케이블 접속부에 디지털온도센서와 IoT Devices (LoRa & LTE-M) 및 자동소화장치를 설치하여 시험(Fig. 6) 하였다. 케이블 접속부의 온도와 자동소화장치의 밸브 및 게이지 상태값을 10초 주기로 샘플링하고 Data는 3분 주기로 서버에 전송하였다. SMS는 오전 08시와 오후 18시 일일 2회 전송하여 시험을 2개월간(61일) 진행하였다.
Installation Devices of 154 kV Cable
2.7 이벤트 전송 실험 방법
이벤트 DATA 전송 확인을 위한 고압 케이블 실화재TEST를 진행하였다.
TEST 지그는 0.963 m3 체적으로 제작하였고 고압 케이블(18/30 kV TFR-CV 3C X 300SQ mm)에 N-Heptan을 화원으로 하여 화재를 발생시켰다. 예비연소(Fig. 7)는 약 7분간 진행하였고 온도센서가 설치된 TEST 지그 내부로 이동시킨 후 온도 상승에 따른 이벤트 발생을 확인(Fig. 8)하고 관제서버, SMS 정상수신 및 전송 시간을 확인하였다. 자동소화장치의 약제는 HFC-125를 사용하였으며 TEST 진행 후 안전하게 화재를 소화할 수 있도록 설치하였다.
Combustion before Cable Fire
Receive Event
3. 결과 고찰
본 논문에서는 고압 케이블 접속부에 IoT 무선 통신 기술을 이용하여 고압 케이블의 온도정보 및 자동소화장치의 상태값 모니터링을 제안하였다. Fig. 9는 실제 고압 케이블 접속부에 설치된 IoT 단말기로부터 주기보고를 수신하여 데이터를 저장하는 서버 모니터링 화면이고 Fig. 10은 관리자의 스마트폰으로 전송된 SMS 화면이다. 전송 실험은 2개월간(61일) 하였으며, 1회 전송 Data 용량은 278 Byte이며 총 123,464개의 전문을 전송하여 고압 케이블 온도정보 및 자동소화장치 상태값의 DB를 구축할 수 있었다. SMS는 3개의 스마트폰에 366번을 전송하였고 이벤트 정보는 30초 이내에 서버 및 관리자 스마트폰으로 전달되었다.
Server Monitoring Screen
SMS Reception Screen
4. 결 론
산업현장에는 고압 전력케이블이 포설되어 있으며 불가피하게 케이블 접속부가 발생하게 되고, 케이블의 노후화와 외부적 요인에 의해 절연이 파괴되어 화재가 발생할 위험이 존재한다. 케이블 접속부의 관리를 위해 주기적으로 인력과 시간을 투입하여 열화상 카메라를 통해 온도측정을 실시하고 있으나 점검 당시의 접속부 상태만을 확인할 수밖에 없다는 단점이 있어 실시간 온도 모니터링이 불가능하였다. IoT 무선 기술을 이용하여 고압 케이블 접속부 관리를 실시간 모니터링 하면 온도 상승 문제가 발생할 경우 관제관리자 및 설비담당자에게 신속하게 전달할 수 있어 기존 산업현장과 달리 화재를 사전에 예방할 수 있을 것이다. 향후 다양한 소방센서를 적용하여 지하컬버트, 통신구, 전력구, 공동구 등에 설치하여 화재 예측 및 예방의 기반이 되기를 기대해 본다.
감사의 글
본 연구를 수행하기 위해 지원해 주신 한국소방산업기술원의 “2024년 소방용품·장비 실용화공동연구개발사업”과 더불어 고압 케이블에 실험할 수 있도록 협조해 주신 관계부처에 감사드립니다.