일본 로컬 5G 실증사례 (17): 간사이전력 해상풍력발전소 - 드론과 AI를 활용한 풍차 순시점검

[Kansai Electric Power Company's offshore wind farm in Japan] Instantaneous inspection using drones and AI

September 18, 2023 | By 손장우 (son@netmanias.com)

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손장우 (Harrison Jangwoo Son)

넷매니아즈 | (주)엔앰씨컨설팅그룹 대표이사

son@netmanias.com

본 블로그에서는 해상풍력발전소에서 5G 특화망과 드론을 도입하여 풍차 블레이드의 유지보수를 수행하는 일본 간사이전력 사례에 관해 살펴본다.

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<일본 간사이전력 아키타항 해상풍력발전소>

배경

바람에서 에너지를 얻는 풍력발전은 발전효율을 높이기 위해 풍차의 날개(블레이드)를 크게 제작한다. 50m에 이르는 대형 블레이드와 이를 지탱하는 130m의 풍차 높이로 인해, 안전과 환경, 경관 등을 고려하여 풍차를 주로 해안이나 해상에 설치한다.

운행중에 이물질과의 충돌, 낙뢰, 하중, 해풍으로 인한 염해 등으로 블레이드에 손상이 발생하며 이를 조기에 발견하고 수리하는 유지보수가 가장 큰 문제이다.

현재는 사람이 해상에 위치한 풍차에 올라가 로프에 매달려 육안으로 블레이드 손상 여부(균열, 주름, 부식, 녹 등)를 확인하는 방법이 주류이다. 고소 환경 작업이라 매우 위험하고, 파고가 1.5m 이상이면 해상 풍력발전소로 풍차보수선박의 출항이 불가하여 유지보수 작업이 빈번하게 지연된다는 문제가 있다.

<기존방식1: 풍차에 사람이 로프에 매달려 육안으로 손상 여부 확인: 출처 간사이전력>

최근엔, 풍차 블레이드의 외관 점검을 드론으로 전환하여 점검 회수도 늘리고 점검 시간을 단축시키는 방향으로 점검 방식이 바뀌어 가고 있다.

그러나, 드론 점검에도 이슈가 있다. 드론이 풍차로부터 이격거리(10m이상)를 확보한 후, 1mm 사이즈의 손상을 판정하기 위해서는 5,000만 화소 이상의 고화질 이미지가 필요하다. 또한 정밀한 모니터링을 위해 1초에 1장씩 이미지를 확보해야 한다. 즉, 대용량 업링크를 제공하며 해상발전소 환경의 넓은 커버리지를 제공해줄 수 있는 무선망이 요구된다.

로컬 5G가 출현하기 전까지는 이 정도의 요구사항 - 50Mbps 업링크 용량 (5,000만 화소이미지/1초), 넓은 커버리지 - 을 충족해줄 무선 통신망이 없어, 드론에서 촬영한 이미지를 SD 카드에 저장하고 드론이 육상으로 귀환 후 촬영 영상을 분석해 손상 여부를 판정해야 했다. 즉, SD 카드 회수후에 점검용 이미지로 활용가능한지 확인할 수 있다는 점이 문제이다.
		<기존방식2: 촬영 이미지를 드론내 SD 카드에 저장. 감시센터로 귀환후 촬영 이미지 분석하여 손상 여부 확인>

촬영 누락, 촬영 이미지 품질 미달 (역광, 앵글 어긋남 등) 등의 촬영 실패시나, 손상 부위 발견시 재검사를 하는 경우 다음날 드론을 다시 띄워 재촬영할 수 밖에 없어 유지보수 정지시간이 길어지고 발전설비 가동율에 큰 영향을 미치게 된다는 문제가 여전히 존재한다.

5G특화망과 드론 기반 풍차 유지보수

2023년 1-2월에, 간사이전력은 아키타항의 해상풍력발전소에 5G 드론이 촬영한 고화질 영상을 실시간으로 육상의 감시센터로 전송해주기 위해 로컬 5G망을 구축했다.

일본경제신문, 간사이전력, 드론으로 해상풍력 발전소 점검, 2023.02.16
아키타케이블TV 실증보고서, 로컬 5G를 활용한 풍력발전의 설비이용율향상에 의한 탄소중립사회의 실현, 2023.06.14

드론에는 5G CPE와 고화질 카메라(5천만 화소)가 탑재되고 드론은 5G CPE와 1G UTP로 연결된다.

RU와 CU/DU, UPF는 발전소내 구축되며 5GC CP은 NEC의 클라우드 코어(AWS상에 구축된 NEC의 5GC CP: AMF, SMF 등)를 구독형으로 이용한다.

<간사이전력 아키타 해상풍력발전소의 5G 특화망과 드론 응용>


	촬영과 분석의 동시 실시로 작업효율 향상: 풍차의 블레이드 촬영 이미지(5,000만화소)를 로컬 5G망을 통해 1초에 1장씩 전달해주며 감시센터에서는 이미지가 외관 점검용으로 적합한지 실시간으로 체크해가며, AI 분석과 육안으로 손상 부위를 확인한다. 점검용으로 적합하지 않거나 손상 부위가 발견되어 재검사를 하는 경우, 드론을 해당 부위로 이동시켜 재촬영하여 실시간 분석한다. 기존에 사람이 풍차에 올라 육안으로 풍차 블레이드 손상여부를 확인하는 방식은 2일에 풍차 1기였지만, 드론과 5G 특화망을 활용해 점검하는 경우 2일에 8기를 점검할 수 있어 대폭 점검 효율을 향상시켰다. 이를 통해 유지보수를 위한 다운타임을 최소화하고 발전설비 이용률을 향상시켰다.