변전소 점검 자동화: 로봇이 어떻게 신뢰성을 향상시키고 비용을 절감하는지

1. 프로젝트 배경 및 R&D 필요성

기술 발전과 전력 시스템 개혁의 심화에 따라 전력 시스템의 자동화 수준이 크게 향상되었습니다. 변전소는 "무인" 또는 "최소 인원 근무" 운영 모델로 진화하고 있습니다. 현재, 변전소는 주로 "4원격" 기능(원격 측정, 원격 신호, 원격 제어, 원격 조정)과 SCADA 시스템을 통해 설비의 전기 신호를 모니터링합니다. 그러나 이 전통적인 접근 방식은 설비의 현장 물리 상태(예: 외관, 온도, 이상 소음 등)에 대한 실시간 감지와 인식을 달성할 수 없습니다.

현재 운영 및 유지보수 모델에는 명백한 단점이 있습니다: 변전소에서 이상이 발생하면, 디스패처는 먼저 원격 변전소 운영팀에게 현장으로 이동하도록 통보해야 하며, 그 후에 수리를 조직해야 합니다. 이 과정은 결함 처리 시간을 크게 지연시키고, 전력 공급의 안정성과 서비스 품질에 영향을 미칩니다. 또한, 전통적인 원격 비디오 모니터링은 오디오와 비디오의 디지털 전송만을 실현하며, 지능적인 분석 능력이 부족하고, 단일 카메라의 고정된 시야각과 제한된 네트워크 대역폭으로 인해 대규모 배포가 어렵습니다.

2. 전체 로봇 시스템 구조

이 시스템은 "기지국-이동 에이전트" 2단계 아키텍처를 채택하여 원격 모니터링과 현장 점검 작업의 조정을 실현합니다.

2.1 기지국 시스템

기지국 시스템은 원격 모니터링 센터에 배치되며, 전체 시스템의 인간-기계 상호작용 및 명령 핵심 역할을 합니다.

2.2 이동 에이전트 시스템 (로봇 본체)

이동 에이전트는 현장 점검 작업을 수행하는 지능형 단말기로, 높은 자율성과 환경 적응력을 갖추고 있습니다.

• 이동 차시 설계: 4륜 차동 구동 구조를 사용합니다. 앞쪽 두 바퀴는 각각 별도의 모터로 구동되는 독립된 구동 바퀴로, 유연한 차동 조향을 가능하게 합니다. 뒤쪽 두 바퀴는 회전 바퀴입니다. 이 구조는 직선 운동의 안정성이 좋고, 회전 반경이 작으며(앞바퀴 중심점을 중심으로 회전 가능), 도로 적응력이 강하고, 사이드슬립이 없으며, 구조가 간단하고 신뢰성이 높다는 장점이 있습니다.
• 운동 제어 서브시스템: 하드웨어 핵심은 PC104 메인보드로, PCL-839 운동 제어 카드와 모터 드라이버가 장착되어 있습니다. 이 서브시스템은 로봇의 모든 운동 행동을 담당합니다. 상위 계획자로부터 명령을 받아 차량 동역학 모델을 통합하여 속도 명령을 각 구동 모터로 정확히 분해하여 매끄럽고 정밀한 운동 제어를 실현합니다.
• 작업 실행 서브시스템: 로봇의 "감각"과 "손" 역할을 합니다. 핵심 기능은 다음과 같습니다:
• 데이터 수집: 가시광선 CCD 카메라, 적외선 열상 카메라, 고성능 방향성 MEMS 마이크를 통합하여 전력 설비의 이미지(가시광선 및 적외선) 및 소리 데이터를 수집합니다.
• 자동 충전: 자동으로 충전 도킹 스테이션으로 돌아가 충전을 수행하여 7x24시간 연속 운영을 보장합니다.

3. 핵심 기술 및 기능 구현

3.1 지능형 실시간 경로 계획 기술

• 글로벌 경로 계획: 사전 설정된 변전소 전자 지도를 기반으로, 검사 작업 중 방문할 설비 정지 포인트의 최적 순서와 "최단 경로", "최소 회전", "종합 최적" 등의 전략에 따른 가능한 경로를 계산합니다.
• 로컬 경로 계획:
• 장애물 회피: VFF (가상 힘 필드 히스토그램) 알고리즘을 사용하여 LiDAR와 같은 센서 데이터와 결합하여 실시간 회피 명령을 생성하여 동적 환경에서 안전한 항법을 보장합니다.
• 라인 추적: 클래식 PID 제어 알고리즘을 사용하여 로봇이 예정된 경로를 정확하게 따르도록 합니다.
• 환경 적응: EM 알고리즘과 클러스터링 알고리즘을 적용하여 센서 데이터를 처리하여 도로 경계를 효과적으로 맞추고 위치 편차를 극복합니다.

3.2 다중 모드 설비 감지 및 진단 시스템

1. 원격 적외선 모니터링 및 진단 시스템
• 구성: 온라인 적외선 열상 카메라, 이미지 수집, 처리, 표시, 저장 및 보고서 생성 모듈을 포함합니다.
• 기능: 설비 표면 온도를 자동으로 감지하고, 사전 설정된 임계값과 비교하여 이상이 감지되면 즉시 음성/시각 알람을 트리거합니다. 설비 온도 그래디언트 맵, 온도-시간 곡선 등을 생성하여 고장 분석을 지원합니다. 이미지 압축 기술을 사용하여 여러 변전소의 실시간 적외선 피드를 동시에 모니터링할 수 있습니다.
2. 원격 이미지 모니터링 및 진단 시스템
• 구성: 가시광선 CCD 카메라 및 비디오 서버.
• 기능: 기지국 시스템은 반환된 가시광선 이미지에 대해 지능적인 분석(예: 차분 이미지 분석, 상관 분석)을 수행하여 전력 설비의 외관 상태와 계측기 읽기를 자동으로 식별합니다. 일반적으로 자동으로 모니터링 포인트를 전환하며, 이상이 감지될 때만 이미지를 저장하고 알람을 트리거하여 채널 활용률과 모니터링 효율성을 크게 향상시킵니다.
3. 원격 소리 모니터링 및 진단 시스템
• 구성: 고성능 방향성 MEMS 마이크.
• 기능: 실시간으로 설비 운전 소음을 수집하고 압축하여 전송합니다. 시스템은 실시간 노이즈를 역사적 정상 데이터와 비교하여 변압기와 같은 설비의 운전 상태와 이상 유형(예: 느슨함, 방전)을 지능적으로 평가하고, 유지보수 인원이 조회 및 분석할 수 있는 대화형 인터페이스를 제공합니다.
4. 이동 객체 침입 탐지 및 알람 시스템
• 원리: 비디오 스트림 이동 대상 탐지 알고리즘을 기반으로, 비디오에서 배경에 대해 상대적으로 움직이는 객체를 자동으로 식별하고 추출합니다.
• 기능: 불법 침입과 같은 이상 이동 대상이 감지되면, 시스템은 즉시 알람을 트리거하고 현장 이미지를 저장하여 보안 추적이 가능하게 하고, 진정한 무인 보안 모니터링을 가능하게 합니다.

4. 현장 운영 및 적용 결과

핵심 적용 가치: 이 로봇 시스템은 변전소에서 기존의 "접촉 기반 고정 모니터링"과 "비접촉 이동 검사"를 혁신적으로 통합하여 공간과 상태를 모두 커버하는 종합 모니터링 시스템을 형성하여, 전통적인 검사 모델의 단점을 효과적으로 보완합니다.

운영 결과:

• 안전성과 신뢰성 크게 향상: 열 결함, 표면 이물질, 오일 누출, 소음 이상 등 설비의 잠재적인 결함을 신속하게 감지하여 사고를 초기 단계에서 방지할 수 있습니다.
• 운영 및 유지보수 효율성 향상: 수동으로 반복적이고 번거로운 일상적인 점검을 대체하고, 현장 상태에 대한 실시간이고 정확한 피드백을 디스패처에게 제공하여 긴급 결정을 위한 중요한 데이터 지원을 제공하며, 결함 처리 시간을 크게 줄입니다.
• 운영 비용 절감: "무인" 변전소 모델을 실현하는 핵심 기술 장비로서, 전력 사업자가 인력 배치를 최적화하고 장기적인 운영 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다.