1.1 연구의 필요성

수용가의 배전반은 일반적으로 전력회사로부터 특고압 전력을 수전하여 변압기를 통해 고압 및 저압 등 건물 각 구성 요소에 필요한 전압으로 변환된 전력을 분배하고 계통을 감시 및 보호하는 기능을 수행한다. 배전반은 주로 차단기, 계측기, 보호계전기, 모선(Busbar), 단자대, 배선 등으로 구성되며, 강판 하우징에 내부 점검 및 수리를 위한 도어가 부착된 밀폐형 구조로 제작된다.

이러한 밀폐 구조는 고온다습한 환경에서 내·외부의 온도 차에 의한 응결과 습기 발생이 빈번하며, 이는 내부 전력설비의 절연 열화의 주요한 원인이 되어 전력 계통의 신뢰성을 저하하고 더 나아가 절연 파괴로 이어질 경우 심각한 전기사고를 초래할 수 있다^[1].

한편, 기존의 디지털 보호계전기는 배전반의 전압, 전류 데이터를 실시간으로 감지하고, 과부하, 역률, 불평형 등의 전기적 이상 상태에 대한 정보를 관리자에게 제공하지만 부분방전, 절연 열화, 기계적 변형 등 물리적 이상 상태를 감지하고 경보하는 데에는 한계가 있다. Fig. 1은 실제 현장에서 모선(Busbar)의 접촉 불량으로 인해 국부 과열(Red-Hot 상태)이 발생했음에도 불구하고, 보호계전 시스템에서는 이를 인지하지 못하고 어떠한 경보도 출력되지 않은 사례를 보여준다.

소방청 전기화재 통계(2024)에 따르면, 국내 전기화재 10,588건 중 약 82%가 아크에 기인한 것으로 보고되었으며, 발생한 주요 원인으로는 ▲미확인 단락(32.8%), ▲절연 열화(18.2%), ▲트래킹(13.0%), ▲접촉 불량(11.7%) 등이 있다^[2]. 아크 사고는 상시 점검 없이는 사전 인지가 어려우며, 화재 발생 후에는 동일 조건 재현이 불가능해 원인 분석에도 한계가 있다.

또한, 국내 다수의 배전반은 지진에 대한 내진 설계가 적용되지 않은 상태로 설치되어 있으며, 지진 발생 시 구조적 파손은 물론 전력 공급 중단 피해로 이어질 수 있다. 관련 연구에 따르면, 일반적인 배전반은 지진에 매우 취약한 구조를 갖는 것으로 분석되었다^[3].

Fig. 1. Busbar contact failure-Induced overheating in distribution panel

1.2 연구의 목적 및 방법

본 연구는 배전반 내부에서 발생할 수 있는 과열, 습기, 아크 및 볼트 풀림, 불평형 부하, 코일 고장, 지진 등에 의한 진동과 같은 물리적 이상 징후를 기존 감시 체계가 적시에 감지하지 못하는 한계를 개선하고, 온·습도 환경을 안정적으로 유지함으로써 전기화재 등 사고를 미연에 방지하는 것을 목적으로 한다.

제안된 시스템은 온도, 습도, 진동, 아크를 감지하는 통합 센서 모듈과 영상 장비를 배전반 내부에 설치하고, 기존 누전감지 유닛과도 연동되도록 시스템을 구성하여 배전반 내부 상태를 실시간으로 감시하고, 이상 징후 발생 시 즉시 경보를 발령한다. 아울러 자동으로 주변장치 제어 및 이벤트 영상을 저장하도록 함으로써 사고 이전의 선제적 대응은 물론 사고 이후의 원인 분석 및 이력 추적까지 가능한 통합 감시 체계 구현에 중점을 두었다.

2.1 하드웨어 구성

본 연구에서 제안하는 센서 융합 기반 배전반 내부 실시간 감시 및 아크 영상기록 시스템(이하 본 시스템)의 전체적인 하드웨어 기본 구성도는 Fig. 2와 같다.

Fig. 2. Hardware architecture of the distribution panel monitoring system

Raspberry Pi 기반의 Pi OS 운영 플랫폼을 사용하여 전체 제어 및 데이터 처리 기능을 수행하며, 사용자 인터페이스는 1024×600 해상도의 7인치 정전식 터치 디스플레이를 통해 직관적인 조작이 가능하도록 구성하였다. 또한, 4채널 SSR(Solid State Relay)을 이용한 AC 스위칭 기능과 RS-485 인터페이스 기반의 Modbus RTU 통신을 통해 외부 장치와의 안정적인 연동을 지원한다. 온도, 습도, 진동, 아크 감지 센서는 Atmega328 기반의 통합 센서 모듈 형태로 Fig. 3과 같이 제작하고, 누전감지 장치는 기존의 누전경보기(ELD)를 활용하였다. 모든 센서 데이터는 RS-485 기반 Modbus RTU 프로토콜을 통해 종합적으로 수집된다. 센서 장치의 구성 및 감지 조건은 Table 1에 제시하였다.

Fig. 3. Integrated sensor module based on atmega328

또한, 배전반 내부 영상 모니터링을 위해 Fig. 4와 같이 벽부 설치형 적외선 카메라를 배전반 내부의 전면 및 후면에 탑재하고, GStreamer 파이프라인 기반^[4]의 듀얼 스트리밍 방식을 적용하였다. 이를 통해 메인 및 서브 카메라로부터 실시간 영상을 동시에 수신할 수 있으며, MJPEG 스트리밍 최적화를 통해 안정적인 영상 전송이 가능하다. 이벤트 발생 시 관련 영상은 자동 저장되며, 독립적인 비디오 스트리밍 클래스의 적용으로 영상 재생 기능을 강화하였다. 아울러, 영상 파일 관리 시스템과의 통합을 통해 영상 데이터의 효율적인 관리가 가능하도록 설계하였다.

사용된 적외선 카메라는 –30℃ ~ 70℃에서 동작 가능하며, IP66 등급 금속 하우징과 브래킷 기반의 간접 고정 방식으로 화재 및 아크 발생 예상 지점과의 거리를 확보하여 내열성과 안정성을 높였다. 또한 아크 섬광에 의한 통신 장애 시에도 자동 복구 로직을 통해 영상 기록이 지속되도록 설계되었다.

Fig. 4. Real-Time monitoring camera for distribution panel interiors

2.2 시스템 아키텍처

시스템은 FastAPI 기반의 비동기 웹 서버를 백엔드로 구현하여 실시간 데이터 처리 및 높은 응답 성능을 확보하였고. 서버는 GUI를 통해 상태 모니터링이 가능하며, 로그 캡처 시스템을 통해 이벤트 및 예외 정보를 체계적으로 수집·관리하여 유지보수와 디버깅 효율을 향상하였다. 센서 데이터 수집 모듈은 시리얼 통신 및 Modbus RTU 프로토콜을 기반으로 구현되었으며, 주기적인 요청-응답을 통해 누전, 온도, 습도, 진동, 아크 등의 데이터를 안정적으로 수집한다. 각 센서는 임계값으로 이벤트를 트리거하며, 타임라인 패턴 분석을 통해 이상 징후 감지가 가능하다.

UI는 통신 설정, 포트 상태, 서버 운용 상태 확인 및 로그 제어 기능을 제공하며, 사용자는 각 센서의 임계값을 설정하거나 변경할 수 있다. 또한, 이벤트 생성, 로그 저장·필터링, 외부 명령 제어 및 API 접근 제어 기능을 통해 시스템의 확장성과 보안성을 확보하였다. 시스템의 주요 기능 구성은 Table 2에 정리하였다.

2.3 사용자 인터페이스 시각화 및 구성

사용자 애플리케이션은 Flutter 기반으로 유지보수가 용이하고, 사용자 경험 측면에서도 우수한 성능을 제공한다^[5]. Windows 및 Linux 환경에서 실행 가능하며, 해상도 1,024×600의 정전식 터치 디스플레이에 최적화된 UI를 적용하였다. 화면 구성은 Fig. 5와 같다.

Fig. 5. User interface and visualization design

2.4 센서 이벤트 대응 시나리오 설계 및 적용 범위

이벤트 발생을 위한 센서 임계값은 Table 3에 제시한 전기설비 관리 기준 등을 참고하여, 설비의 중요도와 운용 환경에 따라 사용자가 직접 설정할 수 있다.

시스템은 센서가 임계값 초과를 감지하면, Fig. 6과 같이 경광등 점등, 시스템 경고 메시지 표출, 이벤트 로그 기록을 기본 동작으로 수행한다. 이후 감지 항목에 따라 다음과 같은 후속 조치를 자동으로 실행한다. 온·습도 값이 임계값을 초과할 경우 공조 장치(팬·히터)를 가동하고, 진동 및 아크 감지 시에는 사용자 설정에 따라 차단기를 OFF 상태로 전환하며, 아크 발생 시 관련 영상은 60초간 자동 저장된다. 센서 감지 상황별 시스템 반응 시나리오는 Table 4에 정리하였다.

Fig. 6. Basic operations triggered by sensor threshold exceedance

본 시스템의 임계값 기반 판단 방식은 구조가 단순하고 반응 속도가 빨라, 산업 현장에 우선 적용하기에 적합하다. 또한, 시나리오 설정에 따라 복합 조건 기반의 이상 상태 판단과 고차원적인 대응도 가능하다. 예를 들어, 온도 상승 시 팬을 작동시키는 1차 주 보호 조치 이후에도 온도가 계속 상승하면 차단기를 OFF하는 2차 후비 보호 조치로 연계하고, 온도의 급상승과 아크가 동시에 감지될 경우에는 화재 위험으로 판단하여 경보 발령, 차단기 OFF, 영상 저장, 나아가 소방 수신반이나 패키지형 소화설비 등 외부 설비와의 자동 연동까지 수행할 수 있도록 구현할 수 있다. 다만 본 연구의 범위는 복합 판단 로직의 구현이 아닌, 이러한 고도화된 시나리오의 기반이 되는 센서별 독립 감지 및 제어의 신뢰성 확보에 중점을 두었다. 이에 따라 각 센서 및 연계 장치의 실시간 동작 성능을 실험적으로 검증하고, 시스템의 적용 가능성과 기초 데이터를 확보하였다.

3.1 누전 감지 실험

설정된 임계 전류값(0.2A)을 초과하는 누전 상황을 재현하여, 본 시스템이 이를 인식하고 경보를 발령하는지를 검증하고자 실험을 수행하였다. 누전이 발생하는 전기 드릴의 전원선을 Fig. 7과 같이 영상 전류 검출장치(ZCT)에 통과시켜 1.26A의 누설전류를 발생시켰다.

Fig. 7. 1.26A leakage by passing drill line through ZCT

그 결과, 전기 드릴이 작동되는 동안 배전반 경광등 경보와 함께 Fig. 8과 같이 시스템 화면에 전류량 그래프 수치 변화, 누전 메시지, 경광등 점등 여부 등이 정상 표시되었고, 감지된 정보는 정상 상태에서는 leakage: false, 누전 시에는 leakage: true로 데이터가 구분되어 중앙 관제실로 실시간 전송되었다. 아울러 누전 발생 시점에 대응하는 이벤트 로그도 기록됨을 확인하였다.

Fig. 8. System alarm and data transmission on leakage threshold exceedance

3.2 진동 감지 실험

설정된 임계 진동값(980 gal)을 초과하는 외부 진동이 발생하였을 때, 본 시스템이 이를 인식하고 경보를 정상적으로 발령하는지를 확인하고자 실험을 수행하였다. 실험에서는 Fig. 9과 같이 진동 감지 임계값을 980 gal로 설정 후 센서 모듈 주변을 물리적으로 두드리는 방법으로 진동을 가하였다.

Fig. 9. Threshold vibration setting and impact induced near the sensor

그 결과, 배전반 경광등 경보와 함께 Fig. 10과 같이 시스템 화면에 진동의 수치 및 그래프 변화, 진동 감지 경고 메시지, 경광등 점등 여부 등이 정상적으로 표시되었고, 감지된 진동 정보는 중앙 관제실로 실시간 전송되었다. 아울러 이벤트 로그도 기록됨을 확인하였다.

Fig. 10. System alarm and data transmission on vibration threshold exceedance

3.3 온,습도 센서 실험

설정된 온도 및 상대 습도 임계값(온도 30℃, 상대 습도 50%)을 초과할 경우, 본 시스템이 이를 정확히 인식하고 팬과 히터 등 관련 장비가 정상적으로 작동하는지 검증하기 위해 실험을 수행하였다. 실험은 온도 및 상대 습도 감지 임계값을 각각 30℃, 50%로 설정 후 Fig. 11과 같이 히터 및 가습기를 활용하여 배전반 내부의 온ㆍ습도를 증가시키는 방식으로 진행하였다

Fig. 11. Temperature and humidity increase using heater and humidifier

그 결과, 배전반 경광등 경보와 함께 Fig. 12와 같이 시스템 화면에 온도 및 상대 습도 수치 및 그래프 변화, 경고 메시지, 경광등 점등 여부 등이 정상 표시되었고, 적정 온도 및 상대 습도 유지를 위한 팬과 히터도 정상 작동하였다. 또한 이벤트 로그가 기록되었으며, 온도 및 습도가 10초 동안 각각 5℃, 10% 이상 급상승한 상황에서도 경보 체계가 정상 작동하였다.

Fig. 12. System alarm and activation on temp. and humidity exceedance

3.4 아크 감지 및 영상기록 실험

배전반 내부 아크 발생 상황을 가정하여, 시스템이 이를 감지하고 경보를 발령하며 동시에 영상을 기록할 수 있는지를 검증하였다. 실제 아크는 고전압 방전에 의해 발생하며, 고온, 충격파, 금속 증기화, 강한 섬광 등 다양한 위험 요소를 수반하므로, 일반 실험실에서는 구현에 제약이 따른다. 이에 따라 본 실험에서는 반복 가능하고 안전한 대체 자극으로 스마트폰 LED 플래시를 모의 광원(mock light source)으로 사용해 순간적인 조도 급증을 유도하였다.

조도 센서는 가시광(380–780nm) 및 근적외선(780–1,100nm) 영역에서 높은 감도를 가지며, 스마트폰 LED 플래시는 주로 가시광(400–750nm) 범위에서 빛을 방출한다. 한편, 실제 아크는 200–1,100nm에 이르는 넓은 스펙트럼에서 복수의 방출선을 동시에 포함하므로, 조도 센서가 LED 플래시에 반응한다면 실제 아크 상황에서도 반응할 수 있음을 시사한다^{[6, 7]}.

실험에서는 크기 800W × 2,300H × 2,500D mm의 배전반 전·후면에 Fig. 13과 같이 90° 화각의 적외선 카메라를 설치하고, 전면 카메라는 차단기 및 제어장치, 후면 카메라는 모선(Busbar), 단자대, 배선 상태를 식별할 수 있도록 각도를 조정하였다. 이후 스마트폰을 주요 접속부 등 아크 발생 예상 지점에 배치한 뒤, 배전반 문을 닫고 외부에서 전화를 걸어 LED 플래시가 작동되도록 하여 시스템의 감지 반응을 확인하였다.

Fig. 13. Recommended IR camera positions inside the panel

그 결과, 시스템 화면에 Fig. 14와 같이 아크 감지 경고 메시지, 경광등 점등 여부 등이 정상적으로 표시되었고, 해당 영상이 정상적으로 기록·저장되는 것도 확인되었다. 아울러 이벤트 로그도 기록 되었으며, 적외선 기능을 통해 저조도 환경에서도 명확한 설비 식별이 가능하였으며, 2대 구성만으로도 주요 감시 영역을 안정적으로 커버할 수 있음을 확인하였다. 한편, 문 개방으로 자연광이 유입된 상황에서는 조도 센서가 이를 아크로 오인한 비의도적 경보(false alarm)가 발생하지 않았다.

Fig. 14. System alarm and video recording on arc detection