전북대학교 - 광섬유 격자를 이용한 전력설비 과열감시 및 화재조기 경보 시스템

Author(s):
박형준 박사과정 - 전북대학교 제어계측공학과 광공학 연구실

Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
과부하로 인한 한계 온도 이상 동작을 상시 감시하고 조기에 경보하여, 전력 시스템의 사고 발생시 피해 확산을 최소화하는 전력 설비와 전력 공급 계통의 주변 온도 상시 감시 체제가 필요하다.

The Solution:
10개의 광섬유 격자를 센서로 이용하여, 분배형 센서 시스템을 구현하였으며, 광섬유 격자 파장 복조를 위해, 광파장 가변 필터를 이용하였다. LabVIEW로 가우시안 라인피팅과 2진 검색 알고리즘을 프로그래밍하여, 온도 측정 오차를 최소화 하였다.

요약 :
광섬유 격자를 이용한 전력 설비 과열 감시 및 화재 조기 경보 시스템을 개발하였다. 10개의 광섬유 격자를 센서로 이용하여, 분배형 센서 시스템을 구현하였으며, 광섬유 격자 파장 복조를 위해, 광파장 가변 필터를 이용하였다. LabVIEW로 가우시안 라인피팅과 2진 검색 알고리즘을 프로그래밍하여, 온도 측정 오차를 최소화 하였다.

개발 배경 :
전력 수요 증가에 따라 전력 설비들의 대형, 고압, 대전류화가 요구되며, 대형 전력 설비는 환경 재난이나, 시설의 노후화, 또는 인위적인 영향에 의해 사고가 발생시 경제적 손실과 사회적 혼란이 초래한다. 전력 설비나 전력 공급 계통은 대부분 사고가 발생하기 전에 과부하에 의한 비이상적인 온도상승이나, 화재, 폭발과 같은 열적 현상으로 이상 징후를 표출한다. 따라서, 과부하로 인한 한계 온도 이상 동작을 상시 감시하고 조기에 경보하여, 전력 시스템의 사고 발생시 피해 확산을 최소화하는 전력 설비와 전력 공급 계통의 주변 온도 상시 감시 체제가 필요하다.
그러나, 기존의 온도 감시 및 경보 시스템은 전력 설비와 전력 공급 계통의 주변의 강한 전자기장에 영향을 받으며, 여러 곳의 정보를 알기 위한 분배형 센서 네트워크를 구성할 경우, 병렬로 연결되어 복잡해지고, 대형•중량화 되는 단점을 가진다. 광섬유 격자는 전자기장의 영향을 받지 않으며, 직렬로 연결하여 다중지점을 측정할 수 있는 분배형 온도 센서의 구현이 가능하다.

본론 :

하드웨어
그림 1은 온도 감시 시스템의 구성도와 실제 구성된 시스템이다.
동작 원리는 광원으로 사용된 광폭광원이 50:50 분리비를 가지는 광섬유 커플러를 통과 한 후, 기준 광섬유격자와 10개의 센서 광섬유 격자에서 일정 파장성분의 빛이 뒤로 반사되고, 다시 광섬유 커플러를 통과한 빛은 광파장 필터를 이용하여, 검출된 파장신호는 광검출기를 통해 DAQ카드로 컴퓨터로 읽어 들이는 것이다.
2개의 기준 광섬유 격자 신호와 10개의 센서 광섬유 격자 신호는 광검출기로 전기 신호로 변환되어, AI 1번 채널로 읽어 들이고, 초기 온도 설정을 위해 AI 2번 채널로 써모커플 신호를 읽어 들였다. 또한, 광파장 필터의 구동 신호를 위해, AO 1번 채널로 함수 발생기를 대체하였고, AO 2번 채널로 필터 구동 신호의 싱크 신호를 PFI0 단자에 연결하여 신호를 읽어 들이는 트리거 신호로 사용하였다.

그림 1. 시스템 구성도와 온도 감시 시스템
(BBS: Broad Band Source, FBG: Fiber Bragg Grating)

 

그림 2. 현장 변압기 적용 실험(전기 안전 시험 연구소)

소프트웨어
LabVIEW로 가우시안 라인 피팅과 2진 검색 알고리즘을 프로그래밍하여, 광신호를 전기 신호로 변환 시에 발생하는 양자화 오차와 온도 측정 오차를 최소화 하였다.

그림 3. 프런트 패널과 블록다이어그램

그림 3은 제작된 온도감시 시스템의 프런트 패널과 주 동작 프로그램의 블록다이어그램이다. 프로그램 메뉴에 따른 기능은 다음과 같다.

[Calibration]
- 초기 온도에 따른 광섬유 파장 피크 위치 검출
- 광파장 가변 필터 스캔 범위 및 속도 조절
[System On]
- 10개의 광섬유 격자 센서의 동시 온도 측정
- 센서 포인트의 온도감시
- 측정 데이터 저장
[Past Data]
- 저장된 데이터를 화면에 표시

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
총 10개의 센서 FBG를 이용한 광섬유 온도 센서 시스템을 구현하였고, 출력 신호를 가우시안 라인 피팅한 후 최대값을 검출함으로써 전기적인 노이즈와 샘플링에 의한 양자화 오차를 최소화 하였으며, 제안된 알고리즘으로 왜곡된 광섬유 격자 반사 스펙트럼의 피크 검출 시에도, 높은 정밀도와 동작 안정성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

본 설비의 기술적 의미는 안전 진단 기술에 레이저 측정 기술, 패턴 인식 기술, 계측 자동화 기술 등을 접목하여 신개념의 핵심 기술 활용한 초고정밀 광계측 기술을 전력 설비 운용체계에 적용하는 새로운 계기가 될 것이라는 점에 있다. 그리고 성공적인 실용화가 이루어 질 경우 대형 전력 설비, 원자력 발전소 등의 안전도 상시 관측에 적용 가능하여 전력 설비의 보다 안전성 높은 운용과 설비 안전 진단 기술의 고부가 가치화를 기대할 수 있다.

산업, 경제적 측면으로는 복합 구조물의 상시 관측에 적용하여 안전 사고의 예방, 계측의 고정밀도, 고신뢰성의 확보를 통하여 유지 보수비 절감, 전력 설비의 종합 광계측 시스템화로 인한 유지 보수 비용 절감 및 관리 편리성 증대를 기대할 수 있다.

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
박형준 박사과정
전북대학교 제어계측공학과 광공학 연구실

Browse All Case Studies »