[전기설비 안전점검 시 화상처리 기술의 활용과 전망 ①] 전력유통설비의 보수점검 시 화상처리 기술의 활용

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[전기설비 안전점검 시 화상처리 기술의 활용과 전망 ①] 전력유통설비의 보수점검 시 화상처리 기술의 활용

2017년 8월 1일 (화) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2017년 8월호 - 전체 보기 )

[전기설비 안전점검 시 화상처리 기술의 활용과 전망 ①]
전력유통설비의 보수점검 시 화상처리 기술의 활용

본고에서는 먼저 전력유통설비의 보수업무로서 가공 송전설비 보수업무의 개요를 소개하고 아울러 실무에서 사용되고 있는 화상점검·진단기술과 그 과제에 대해 설명한다. 다음으로 순시·점검 시 화상처리의 활용에 관한 연구사례를 소개한다. 마지막으로 보수현장에서 화상처리 기술의 활용 시 유의해야 할 점과 향후의 방향성에 대해 살펴본다.

정리 편집부

전력시스템 설비는 크게 ▲발전설비 ▲유통설비 ▲배전설비로 나눠진다. 이 중 발전 후 고전압으로 승압한 전기를 전송하는 송전설비와 전압을 바꾸는 변전설비가 전력유통설비([그림 1] 참조)에 해당하는데 넓게는 배전설비까지 포함하여 전력유통설비라고 부르는 경우도 있다.

전력유통설비의 보수관리 측면에서 송전설비의 설비상 특징은 전면적인 확산(일본 전국의 송전용 철탑수: 약 24만기, 그들을 잇는 전선 총연장: 약 65만km)으로 관리해야 할 설비 수가 매우 많다는 점이다. 또 발전소에서 수요지 간의 기간계 송전설비에서는 험준한 산악지를 통과하는 경우도 많아 가혹한 기상조건에 늘 노출되어 있어 접근이 어려운 장소도 많다. 또한, 154kV 이하에서 경년 50년 이상이 되는 송전용 철탑의 비율은 약 14%, 187kV~275kV에서는 13%로, 앞으로 연간 약 4000기, 1000기가 각각 경년 50년을 맞게 된다. 500kV 이상은 앞으로 연간 1000기가 경년 50년을 맞게 된다. 이로부터 알 수 있듯이 고경년(高經年) 설비의 급격한 증가에 대응할 수 있는 적절한 유지관리기법이 요구되고 있다.

전기사업자의 주요 보전업무는 순시·점검으로, 설비상태의 정확한 파악 및 성능유지를 위한 대책을 통해 사고를 미연에 방지하는 것이다. 순시·점검업무에 있어서는 위에서 언급한 전력유통설비의 특징을 고려해 최근에는 화상을 활용한 업무의 효율적인 운용 대책도 실시되고 있다.
예를 들어 송전을 중단하고 송전설비를 점검하는 것은 중단에 따른 비용이 막대하기 때문에 송전설비의 순시·점검은 지상 도보에 의한 순시 및 헬기를 이용한 순시가 실시되고 있다. 또 변전설비에서는 다수의 무인화 변전소를 추진하고 있어 전용 통신회선을 사용해 변전설비의 상태를 모니터링하고 있다. 두 경우 모두 원격으로 설비 상태를 조사하거나 감시하는 목적으로 화상을 이용하고 있다.

가공 송전설비 보수업무의 개요

여기서는 전력유통설비 중 가공 송전설비의 보수업무에 대해 설명한다. 가공 송전설비는 ▲철탑 ▲기초 ▲ 애자 ▲전선·지선 ▲가선기구(架線器具, line hardware) 등으로 구성되며, 가혹한 기상조건 및 환경에 노출될 경우 철탑의 부식 및 피로, 전선의 소선 단선(斷線), 금속부 마모 등의 설비이상이 발생한다. 이와 같은 이상의 조기발견 및 보수에 대응하기 위하여 [표 1]과 같은 순시 및 점검을 실시하고 있다.

전체 설비를 대상으로 한 정기적 순시항목으로는

①철탑(강재): 부재·볼트의 발청(녹 발생), 부식의 유무, 철탑의 파손·경사, 부재의 변형·좌굴의 유무, 볼트의 이완 등
②전선(지선): 전선의 단선, 손상, 소선 단선, 부식·발청의 유무 등
③애자 및 가선기구: 애자 본체의 파손, 균열의 유무 등
④기초체: 기초체의 균열, 손상, 이동, 토사 유출의 유무 등
⑤선로 주변: 수목의 접근 가능성 유무
⑥철탑 부지: 지반의 균열, 함몰, 손상의 유무 등
⑦제반 장치: 방토(흙막이) 옹벽의 손상, 주위 울타리의 손상 유무 등을 들 수 있다.

보통순시 및 점검과 더불어 이러한 보완의 평가 설정에 따라 특정(보완) 순시 및 임시(상세) 점검이 실시된다. 또 태풍 및 호우 등 설비이상이 발생될 우려가 있는 경우나 사고 시에는 예방(보안) 순시 및 사고 순시를 실시한다. 예방 순시에서는 ▲지진 ▲호우 ▲태풍 ▲해설(解雪) 시 등 사고발생이 우려되는 사전현상과 관련 각 현상 특유의 항목들을 추출하여 착안점을 명확히 하고 있다. 예를 들어 집중호우 및 태풍이 우려되는 경우의 사전 대비책으로서 ▲기상정보의 파악 ▲ 복구인원 및 차량의 확인 ▲복구자료의 확인 ▲연락체제의 확립 ▲호우·태풍 통과 후 과거 토사붕괴가 발생한 주요 관리개소 및 강수량이 많았던 지역을 중심으로 도보 및 헬기에 의한 예방 순시가 실시되는 등 조기발견에 힘쓰고 있다.
위와 같은 저빈도(低頻度) 자연현상에 대한 대응과 더불어 고경년화(노후화)에 의한 고장 리스크 저감에 대한 대응도 중요한 과제가 된다. 송전용 철탑의 철탑 부재 및 볼트는 방청 대책으로서 아연도금 처리가 되어 있는데 이 도금은 경년과 더불어 소실되게 된다. 따라서 육안점검과 측정을 통해 부식에 의한 열화도의 진행 정도를 파악하고, 그 대책시기와 내용, 우선순위를 판단하고 있다. [표 2]는 송전용 철탑 보전관리의 일반적인 예이다.

전선·지선에서도 마찬가지로 부식에 의한 소선단선 및 인장강도의 저하 등의 문제가 있다. 아울러 뇌격에 의한 용손(溶損)도 발생한다. 주로 육안에 의한 검사가 일반적이지만, 샘플링에 의한 점검진단, 와전류 탐상기술, 화상처리기술 등도 개발되고 있다. 그밖에 애자·가선기구에서는 낙뢰, 조수 접촉, 염분·먼지 피해, 비바람 등 오손에 의한 절연파괴가 우려되고 있다. 여기에는 파일럿 애자(애자의 오손 상태를 조사할 목적으로 설치된 애자)를 이용한 염분 부착량 측정에 의한 염해예지 및 누설전류 검지에 의해 오손도를 모니터링하는 자동애자오손감시시스템 등의 기술이 이용되고 있다.

이상과 같이 송전설비 하나만 보더라도 그 보수관리 대상 및 현상이 다양하며 육안작업도 많기 때문에 여러 분야에서 화상처리 기술의 활용 가능성이 검토되고 있다. 다음 장에서는 전력보수관리에서의 화상처리 기술의 활용을 목표로 한 연구사례를 소개한다.

보수·점검 분야에서의 화상처리 연구사례
철탑 방청도금의 재도장 판정

방청대책으로 송전철탑에 도포되고 있는 도금의 재도장 필요성 여부를 현재는 전문가가 육안으로 판단하고 있다. 그리하여 일본의 전력중앙연구소가 육안판단을 지원하는 목적으로 작업자가 철탑에 올라가 철탑 강재표면을 촬영한 화상을 이용하여 재도장의 필요성 여부를 판정하는 화상처리 기술을 개발했다([그림 2] 참조). 본 처리에서는 이미 재도장의 필요성 여부가 확인된 강재를 촬영한 화상으로부터 강재의 색과 에지를 이용하여 재도장의 필요여부 판정기준을 자동적으로 작성하고 있다. 촬영화상 약 1600장을 사용한 실험에서는 전문가의 판정과 화상처리의 판정이 약 91%의 정밀도로 일치하는 결과를 얻었다.

비디오 화상에 의한 가공지선 이상후보 검출시스템

철탑 간에 설치되어 있는 가공지선에는 뇌격 등에 의한 손상으로 용흔(溶痕) 및 소선 단선 등이 발생하고 있다([그림 3] 참조). 현재는 그러한 손상들을 발견하기 위해 헬기를 이용하여 지선 및 전선을 촬영하고, 그 촬영한 영상을 시간을 들여 육안으로 점검하고 있다. 최근에는 전선상을 이동하는 자주식(自走式, self-propelled) 점검장치의 개발도 진행되고 있다. 헬기 또는 자주식 점검장치 모두 촬영한 영상에서 손상 부위를 직접 눈으로 찾아야 하기 때문에 이 육안작업을 지원하는 화상처리의 기술 개발이 요망되고 있다.

이에 따라 점검원이 손상 등의 이상(異常) 부위를 육안으로 확인하는 것을 전제로 하고, 점검 시 촬영한 영상으로부터 이상을 포함하는 화상을 추출해 내는 화상처리 기술을 개발했다. 개발한 화상처리에서는 영상에 찍힌 전선의 대부분이 정상이며 모양 및 색상이 유사한 것을 전제로 하여 이 유사한 모양 및 색상에서 벗어나는 부분을 이상으로 간주하고 있다. 이 화상처리에 의해 약 10시간이 걸렸던 기존의 공중촬영(Aerial Shoot) 영상의 육안확인 작업이 약 3시간 만에 종료되는 실험결과를 얻었다. 한편, 1대의 카메라로 2장의 거울을 사용해 전선의 뒷면을 촬영할 수 있는 자주식 점검장치([그림 4] 참조)에 의한 영상도 본 화상처리를 활용하면 육안작업의 시간을 98% 이상 단축할 수 있다.

자외선 화상을 통한 고분자 애자의 누설전류 추정
철탑에 설치된 고분자 애자의 열화를 측정하는 지표로서 애자 표면상을 흐르는 누설전류의 누적치를 이용할 수 있다. 그러나 고소(高所)에 있는 애자 표면의 누설전류를 지상에서 직접 측정하는 것은 불가능하다. 그래서 누설전류 발생 시에 나타나는 자외광을 카메라로 포착해 화상 중 자외광의 면적으로부터 누설전류를 추정하는 화상처리 기술을 개발했다([그림 5] 참조). 본 화상처리에 의한 추정결과와 전류센서에 의한 측정결과를 비교하여 누설전류와 발광면적 간에 상관관계가 있음을 확인할 수 있었다.

실무 활용에서의 유의점과 앞으로의 방향성
앞서 소개한 활용 사례 외에도 위성화상에 의한 지진 및 호우 등 광역 재해 시에 대한 조기이상검지, CCD 카메라 화상에 의한 강관 내면의 부식상태 가시화, 이상위치 특정 등의 정량화 등 보수현장에서 화상기술의 활용이 검토되고 있다. 점검·보수현장에서의 화상처리는 정확하고 대량의 정보들을 순시에 기록할 수 있다는 장점을 살린 ▲센싱 ▲모니터링 ▲정보관리툴이라는 용도를 지니고 있지만, 실무 현장에서 활용되지 않는다면 무의미할 것이다. 그러기 위해서는 전력유통설비의 보수현장 실태에 입각한 기술 개발이 필요하다.예를 들어 철탑부재(鐵塔部材)의 부식 열화도를 파악하기 위해서는 대상 철탑에 도달하기까지의 험준한 산중, 수십~수백m 이상의 승탑(昇塔), 심지어 발판이 없는 불안정한 장소에 가야 하는 경우도 생긴다. 이렇듯 험준하고 불안정한 장소에서 각종 점검작업이 실시되고 있다. 따라서 들고 나르는 측정기는 가벼운 것이 좋고, 전원케이블 등 탑상작업에 지장을 줄 수 있는 기재는 최대한 배제하는 것이 바람직하다. 기상조건에 따라서는 안전성에도 영향을 준다. 이렇게 점검하는 부재(部材)는 철탑 1개에서만 수백에 이른다.

위와 같은 현장환경에서 화상 등에 기록되는 정보는 방대하며, 현재 그것들을 참조하여 열화도를 사람의 눈으로 평가하고 있다. 또한, 차회점검 시 열화의 진행도를 평가할 수 있도록 기록을 남기는 노력도 하고 있다. 다시 말해 화상처리를 보수현장에 활용하기 위해서는 화상을 단순히 센싱 및 모니터링, 정보기록툴로 취급하던 과거의 기술 개발보다는 오히려 현장에서의 작업성, 정보추출의 효율성, 정보관리의 간편성에 관한 배려가 매우 중요하다고 하겠다. 또한, 정보의 연속성(과거 사진 등의 복각, 시간적 변화의 비교, 카메라 기종의 차이 및 기술적 진보에 대한 대응), 특수개소에 대한 대응 등의 유연성도 필요하다.
마지막으로 전력유통설비에서 화상처리 기술의 향후 개발 방향성 중의 하나로 주목해야 할 것이 고해상도 화상의 적극적인 활용이다. 지금까지는 카메라의 해상도에 제약이 있어 헬기에 의한 공중촬영 시에는 지선만을 촬영하고, 필요에 따라 전력선 촬영을 하고 있었다. 그러나 이미 방송업계에서 사용되고 있는 4K 및 8K 등의 고해상도 화상을 활용함으로써 전선에서의 안전한 이격거리(50m 떨어진 위치)를 유지한 채 지선을 포함한 4개의 전선을 한 번에 촬영할 수 있어 헬기의 비행시간을 단축시킬 수 있을 것으로 기대되고 있다. 단, 이러한 점검을 실현하기 위해서는 한 번의 촬영당 4개의 전선이 항상 선명하게 나올 수 있도록 하는 카메라의 제어기술을 개발함과 동시에 4K 및 8K의 고해상도 화상에 대해서도 실용적인 시간으로 동작하는 화상처리 기술을 개발할 필요가 있다. 설비의 상태를 원격 비접촉으로 파악해야 하는 전력유통설비의 보수점검에서는 향후 이러한 고해상도 화상의 장점을 의식한 화상처리 기술의 개발이 더욱 요구될 것으로 전망된다.