Development of Smart Multi-function Ground Resistivity Measuring Device using Arduino in Wind Farm

풍력 발전단지내 아두이노를 활용한 스마트 다기능 대지 고유 저항 측정 장치 개발

Abstract

Conventional methods of measuring ground resistance and ground resistance field measurement are used to measure voltage drop according to the resistance value of the site by applying current by installing a constant interval of measurement electrode. If the stratified structure of the site site is unique, errors in boundary conditions will occur in the event of back acid and the analysis of the critical ground resistance in the ground design will show much difference from simulation. This study utilizes the Arduino module and smart ground measurement technology in the convergent information and communication environment to develop a reliable smart land resistance measuring device even if the top layer of land is unique, to analyze the land resistance and accumulate data to predict the change in the age of the land. Considering the topographical characteristics of the site, we propose a ground resistance measuring device and its method of measuring ground resistance so that the auxiliary electrode can be installed by correctly positioning the angle and distance in measuring ground resistance. Not only is ground resistance value obtained through electrodes installed to allow accurate ground resistance values to be selected, but it can also be used as a useful material for installing electrical facilities in similar areas. Moreover, by utilizing reliable data and analyzing the large sections of the site, a precise analysis of the site, which is important in ground design as well as construction cost, is expected to be used much in ground facility design such as potential rise.

기존의 대지저항률과 접지저항 현장 측정 방식은 일정한 간격의 측정전극을 설치하여 전류를 인가하여 대지의 저항값에 따른 전압강하를 측정하게 되는데 현장 대지의 층상 구조가 특이성을 갖게 되면 역산 시 경계 조건의 오차를 발생하게 되고 접지 설계 시 중요한 대지저항률 분석이 시뮬레이션 상과 많은 차이를 보이게 된다. 본 연구는 정보통신 융합환경에서 아두이노 모듈과 스마트 접지 측정 기술를 활용하여 대지의 층상이 특이성을 갖는 구조라도 신뢰할 수 있는 스마트 대지 저항 측정장치를 개발하여 대지저항을 분석하고 데이터를 축적하여 대지의 경년변화를 예측한다. 현장의 지형적인 특성을 고려하여 접지저항과 대지저항 측정 시 각도와 거리를 정확하게 위치시켜 보조전극을 설치할 수 있는 접지저항 측정장치 및 측정방법을 제안한다. 정확한 접지저항 값을 선정할 수 있게 하기 위해 설치된 전극을 통해 접지저항 값뿐만 아니라, 대지저항률을 취득할 수 있어 유사지역에 전기시설물 설치 시에 유용한 자료로 활용할 수 있다. 또한 신뢰성 높은 데이터를 활용하고 현장의 대지구조를 분석하여 공사비용 뿐 아니라 접지설계에서 중요한 비중을 차지하는 대지에 대한 정밀한 분석으로 전위상승 등의 접지설비설계에서 많은 활용이 기대된다.

Ⅰ. 서론

세계는 지금 석탄이나 석유 등의 화석연료 에너지가 고갈되어가고 있다. 또한, 일본의 지진해일 피해로 원자력 발전소의 효율성과 경제성보다 위험성이 노출되면서 우리나라는 화석연료를 활용한 발전방식에서 신재생에너지를 활용한 방식으로 변화하고 있으며, 국가비전에 따라 신재생에너지 시장은 꾸준히 증가하고 있다. 이러한 새로운 에너지 도입과 ICT 기술융합 설비에 최적화된 접지시스템을 적용하여 인적·자연적 재해를 대비한 융합기술이 요구되고 있다. 이러한 기술을 구현하기 위해서는 고도화된 전력설비를 비롯한 시스템 확장이 필요할 것이며, 전력 장치 및 안정적이고 효율적인 운용으로 오동작을 방지하고 전력품질을 확보하여야 할 것이다. 안정된 접지시스템의 구축과 최적의 접지전극의 배치에 대한 설계와 시공이 필요하다 본 연구는 풍력 발전단지 내에 아두이노 모듈과 스마트 접지 측정 기술를 활용하여 대지의 층상이 특이성을 갖는 구조라도 신뢰할 수 있는 스마트 대지저항 측정장치를 개발하여 대지저항을 분석하고 데이터를 축적하여 토양의 경년변화를 예측하고자 한다.

Ⅱ. 스마트 대지 저항 측정 기술

1. 개발환경

본 논문에서는 아두이노 기반의 대지 저항 측정 장비를 결합한 스마트 대지 저항 측정 장치를 개발하였다., 이 장비를 활용해 토양의 지질 환경을 분석하고 시각화할 수 있다. 또한,  PLC통신을 접목하여 실시간 토양 환경의 변화추이를 감지하는 등 풍력발전단지 내 접지 상황을 3차원으로 파악할 수 있는 방법을 제안하고자 한다.

표 1. HW 환경

Table 1. Hardware environment

본 측정장치는 메인 PC의 소프트웨어와 Sever 부분과 Smart Core에 부착된 핵심적인 하드웨어 부품으로 1개의 Ground Device와 1개의 Arduino Wifi Shield 보드, 1개의 Ethernet(LAN) PLC통신장치, 1개의 Power Supply로 구성된 Local 부분으로 나눌 수 있다. 그림1를 통해 전체 구성도를 확인할 수 있다. 또한 접선 표시된 A부분의 상세도를 그림 2에 별도로 나타내었다.

그림 1. GMS System 전체 구성도

Fig. 1. The overrall system configuration

표 2. SW 개발 환경

Table 2. Software development environment

 

그림 2. Smart Core 상세도

Fig. 2. Smart Core Detail

2. 작동원리 및 시스템 구현

Local측의 Ground Device에서 대지 고유 저항의 측정을 위한 신호가 Arduino Wifi Shield 보드의 Input P1,C1 Wifi Module에서 일정간격 떨어진 P2,C2 Wifi Module에 전달되면, Output Smart Core에 부착되어 있는 Power Supply에서 미세전압과 전류를 생성하여 Smart Core에 흘려 대지로 보내주는 장치이다. 대지로 흐른 미세전압과 전류는 대지의 고유저항을 측정한 데이터 신호가 PLC Terminal를 통해 메인 PC와 Server에 전송된다. 이러한 방식으로 실시간 고유저항값을 측정할 수 있게 되는 것이다.

Ⅲ. 연구 모델

풍력발전단지의 접지 설계 기획의 진행에 있어 지역 별 토양의 층상이 특이성을 가지고 있다. 신규로 건설되는 경남 양산 지역의 발전단지를 테스트 배드로 임의 선정하여 개발된 장치를 활용해 대지 저항 분석 및 접지 설계 연구를 진행하고자 한다.

1.현장 개요

1)공간적 범위 : 풍력 발전기(1기, A=9.862㎡)

2)시간적 범위 : 2018년 10월

3)현장 고도

표 3. 현장 부지 지형 분표

Table 3. construction site

4) 현장 위치도

그림 3. 실험 대상지역

Fig. 3. Subject map

5) 풍력발전 준공도

그림 4. 풍력 발전기 준공사진

Fig. 4. picture of completion

6) 경사도

그림 5. 건설부지 경사도

Fig. 5. sloping surface

2. 대지 고유 저항의 측정 방법 선정

산업현장에서 가장 많이 활용되고 있는 Wenner 4전극 측정 기법으로 선정하여 그림3과 같이 회로를 구성한다. 대지면에서 표3의 실험 간격(a)으로 a/20 이상의 깊이에 4개의 Test Pole를 설치하고 층상이 특이성을 갖는 토양의 고유저항을 NO.1~6 순서로 측정한다.

그림 6. 대지 고유 저항 측정 구성도

Fig. 6. Ground Resistance connection diagram

3. 대지 저항 측정의 필요성 및 지질구조 해석

우리나라의 풍력발전단지는 대부분 산간지역에 시공된다. 이러한 지질환경은 암석의 분포가 높아 기준에 적합한 접지저항을 유지하기는 매우 어렵다. 대지저항률과 접지저항 측정을 통해 토양구조에 따른 데이터를 확보하여 실험의 기초자료를 확보하고자 지역별 측정을 실시하였다. Case별 측정 수치를 비교할 수 있도록 표 4. Case별 대지저항률로 나타내었다.

표 4. 실험 측정 간격(a)

Table 4. Test Measurement Length(a)

 

그림 7. 대지 고유 저항 현장 검측

Fig. 7. Site Specific Resistance Field

Ⅳ. 시뮬레이션(CDEGS) 및 결과

1. 접지설계 흐름도

그림 8. 접지설계 흐름도

Fig. 8. Grounding design flow chart

2. 접지 시뮬레이션 결과

그림 8과의 접지설계 흐름도를 기준으로 접지계산 및설계을 진행하였다. 표 5의 대지 고유 저항 값을 기반으로 표 6과 같은 설계 조건을 정리하였으며 CDEGS 프로그램으로 분석을 진행하였다.

표 5. 대지저항률 및 접지 수치

Table 5. Earth & Resistance Values by Case

표 6. 접지저항 설계 시뮬레이션

Table 6. Specific Resistance spec. Comparison

GMS(Table5)장치의 데이터를 Table6의 규격을 기준으로 설계를 진행하였다. Fig8 (a)는 설계구조에 대한 3D 설계한 것이며, (b),(C)는 전위분포 및 경도에 관한 그래픽을 각각 나타내었다. 1000[A]의 가상의 이상전류를 접지계통에 흘릴 경우 지표면상에 4,744.6[V]가 나타날 것으로 예측되었다. 이는 기준값 내에 포함되는 수치이며 안정적인 설계라 할 수 있을 것이다. Ground Rod의 길이는 약 593m로 설계되었다.

그림 8 GMS System 3D 설계 구조

Fig. 8. GMS System 3D

표 7. 접지저항 설계 시뮬레이션 결과

Table 7. Earth Resistance Design Simulation Results

Ⅴ. 결론

현행의 대지 저항 측정 및 분석 기술을 개선하고 고도화되는 시스템과 스마트 그리드 시장을 선도할 수 있는 정확성과 신뢰성있는 측정 기술을 제안한다.

신규 개발한 장치는 GMD(Ground main device)와 Smart Corer 간 Smart Corer와 Smart Corer 사이를 전력선 통신으로 현행의 유선 연결 방식을 개선하여 무선통신 방식으로 바뀌었고 대지 저항을 실시간으로 측정할 수 있게 되었다. 또한, 측정 데이터를 Server를 통해 축적, 보관하여 계절적인 토양의 특징과 온도, 습도, 시간의 흐름에 따른 접지 생태계의 변화추이를 비교, 분석이 가능해 졌다. 신규 개발된 측정 장치는 ICT 환경에서 대지고유저항 측정기술국산화에 따 른지적재산권확보 및 기술 경쟁력 강화에도 기여할 것으로 기대된다. 향후 본 장치를 기반으로 시스템 적용에 관한 연구가 요구될 것이다.