KR100662008B1 - Intelligent partial discharge sensor for gas insulated switchgear - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스절연 개폐장치(GIS)용 부분방전 검출센서의 한 종류로써 센서 내부에 전원부, AC 위상검출기, 신호처리부, 통신부를 내장하여 센서 외부로부터 별도의 전원공급 없이 센서 자체에서 부분방전신호를 측정하고 분석한 후 이를 변전소 운전자가 알 수 있도록 전송하는 기능을 갖는 지능형 부분방전 검출센서에 관한 것이다.The present invention is a kind of partial discharge detection sensor for a gas insulated switchgear (GIS), built-in power supply unit, AC phase detector, signal processing unit, communication unit inside the sensor to provide a partial discharge signal from the sensor itself without a separate power supply from the outside of the sensor The present invention relates to an intelligent partial discharge detection sensor having a function of measuring, analyzing, and transmitting the same to a substation driver.
Description
도 1은 본 발명의 구성을 나타낸 구성도,1 is a block diagram showing a configuration of the present invention,
도 2는 센서의 신호검출부에서 검출된 신호의 예시도,2 is an exemplary diagram of a signal detected by a signal detector of a sensor;
도 3은 저역통과 필터를 거친 후의 검출신호의 예시도,3 is an exemplary diagram of a detection signal after passing a low pass filter;
도 4는 AC 전원 위상검출기에서 출력된 신호의 예시도,4 is an exemplary diagram of a signal output from an AC power phase detector;
도 5는 고역통과 능동조절가능 필터에서 거친 후의 신호 예시도,5 is an exemplary signal after roughing in a high pass active control filter;
도 6은 신호증폭기에서 증폭된 검출신호의 예시도,6 is an exemplary diagram of a detection signal amplified by a signal amplifier;
도 7은 영상검출기를 통과한 검출신호의 예시도,7 is an exemplary diagram of a detection signal passing through an image detector;
도 8은 신호처리장치에서 디지털 신호로 변환된 검출신호의 예시도,8 is an exemplary diagram of a detection signal converted into a digital signal in a signal processing apparatus;
도 9는 신호처리부 구성의 회로도이다.9 is a circuit diagram of a signal processing unit configuration.
-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-Explanation of symbols on the main parts of the drawing
100 : 지능형 가스절연 개폐장치용 부분방전 검출센서,100: partial discharge detection sensor for intelligent gas insulated switchgear,
110 : 신호검출부, 120 : 써지보호장치,110: signal detection unit, 120: surge protection device,
130 : 저역통과필터,130: low pass filter,
131 : 고역통과 능동조절가능(Active Tuneable) 필터,131: high pass active tuneable filter,
140 : 전원부, 150 : AC전원 위상검출부,140: power supply unit, 150: AC power phase detection unit,
160 : 신호증폭부, 170 : 영상검출기,160: signal amplifier, 170: image detector,
180 : 디지털 신호처리부, 181 : 디지털 신호변환기,180: digital signal processing unit, 181: digital signal converter,
182 : 패턴 분류기(Pattern Classifier),182: Pattern Classifier,
183 : 버퍼, 190 : 통신부,183: buffer, 190: communication unit,
200 : 가스절연 개폐장치, 210 : 가스절연 개폐장치의 중앙도체,200: gas insulated switchgear, 210: center conductor of gas insulated switchgear,
220 : 가스절연 개폐장치의 외함,220: enclosure of gas insulated switchgear,
300 : 중앙제어실,300: central control room,
410 : 신호검출부에서 측정된 부분방전신호,410: the partial discharge signal measured by the signal detector,
420 : 가스절연 개폐장치의 인가전압에 의해 신호검출부 유기된 신호.420: The signal detected by the signal detection unit by the applied voltage of the gas insulated switchgear.
본 발명은 변전소 및 기타 수전설비에 사용되는 가스절연 개폐장치(Gas Insulated Switchgear; 이하 GIS)의 내부에서 발생하는 부분방전을 감지할 수 있는 가스절연 개폐장치용 지능형 부분방전 검출센서에 관한 것이다.The present invention relates to an intelligent partial discharge detection sensor for a gas insulated switchgear capable of detecting a partial discharge generated in a gas insulated switchgear (GIS) used in a substation and other power receiving facilities.
일반적으로 GIS는 높은 안정성과 작은 설치공간으로 밀집형 수, 변전 설비에 널리 쓰이고 있으나, 내부가 밀폐되어 있어 점검이 용이치 않으며 고장 발생시 피해범위 및 파급효과가 크다. 따라서 GIS 내부의 이상을 미리 감지하여 고장을 미연에 예방할 수 있는 기술들이 필요하며 이중 대표적인 기술은 GIS 고장의 전조로 발생하는 부분방전을 방전시 유기되는 극초단파대역(300 - 3000 MHz)의 전자파를 GIS 에 장착된 센서를 이용해 감지함으로서 고장 가능성을 미연에 경고하는 UHF 부분방전검출기법이다. In general, GIS is widely used in dense water and substation equipment with high stability and small installation space, but it is not easy to inspect because it is sealed inside, and the damage range and ripple effect are great in case of failure. Therefore, there is a need for technologies that can detect abnormalities in the GIS and prevent failures in advance. Among them, the GIS is a technology that uses microwaves in the microwave band (300-3000 MHz) that are induced when discharging partial discharges generated by the precursor of GIS failure. It is a UHF partial discharge detection technique that detects the possibility of failure in advance by detecting it using a sensor installed in the system.
이러한 부분방전 검출용 극초단파 센서에 대한 종래의 기술은 다음의 두 가지로 나눌 수 있다Conventional techniques for the microwave sensor for detecting partial discharge can be divided into the following two types.
첫째 기술로는 GIS 내부 또는 스페이서 등에 극초단파 대역의 부분방전신호를 감지할 수 있는 센서를 부착하고 센서로부터 측정된 신호를 전처리 과정 없이 동축선을 통해 센서로부터 떨어진 곳에 위치한 신호처리장치에 전송하는 방법으로이다.The first technique is to attach a sensor that can detect the partial discharge signal in the microwave band inside the GIS or the spacer and transmit the measured signal from the sensor to the signal processing device located away from the sensor through the coaxial line without preprocessing. to be.
이 경우 센서 자체의 구조가 비교적 간단한 장점이 있으나 센서의 출력신호가 동축선으로 전송될 때 신호감쇄가 커서 신호처리장치를 센서의 주위에 배치해야하는 공간적인 제약이 따른다. In this case, the structure of the sensor itself is relatively simple, but when the output signal of the sensor is transmitted in the coaxial line, the signal attenuation is large, and there is a spatial constraint that the signal processing device must be disposed around the sensor.
두 번째 기술은 동축선의 신호감쇄로 인한 센서와 신호처리장치의 공간적 제약을 제거하기 위해 극초단파 부분방전 센서의 출력단에 증폭기 및 주파수 변환기를 장착하여 미세한 부분방전신호를 충분한 크기로 증폭시키고 신호감쇄가 작은 주파수 대역으로 변환시킨 후 센서로부터 비교적 멀리 설치된 신호처리장치로 전송하는 방법이다.The second technology uses an amplifier and a frequency converter at the output of the microwave partial discharge sensor to remove the spatial constraints of the sensor and the signal processing device due to the coaxial signal attenuation. After converting to the frequency band and transmitting to a signal processing device installed relatively far from the sensor.
이 경우 신호처리장치의 설치위치에 대한 제약이 첫 번째 기술에 비해 많이 해소되었으나 여전히 별도의 신호처리장치가 필요하므로 공간적 제약이 존재하고 센서 후단의 증폭기 또는 주파수 변환기와 같은 능동소자에 전원을 공급해줘야 하는 단점이 있었다.In this case, the restriction on the installation position of the signal processing device has been solved much compared to the first technology, but there is still a need for a separate signal processing device. There was a disadvantage.
이에 본 발명은 종래 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 센서 내부에 방전신호를 분석할 수 있는 AC전원 위상검출기 및 신호처리부를 탑재하고, 이를 구동하기 위한 전원을 GIS 외부에서 공급받지 않고 자체적으로 GIS로부터 공급받음으로써 센서와 신호처리부의 거리제한을 근본적으로 해결함은 물론 센서에 통신부를 내장하여 센서에서 분석된 부분 방전정보를 디지털 신호로 변환 후 직접 중앙제어실 또는 원격지의 변전소 운전원에게 전송할 수 있는 가스절연 개폐장치용 지능형 부분방전 검출센서를 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been invented to solve the conventional problems, it is equipped with an AC power phase detector and a signal processor that can analyze the discharge signal inside the sensor, and the GIS itself without receiving power from the outside to drive the GIS It can solve the limitation of distance between sensor and signal processing unit by receiving from the system, as well as the built-in communication unit in the sensor to convert the partial discharge information analyzed by the sensor into a digital signal and send it directly to the central control room or remote substation operator. It is an object of the present invention to provide an intelligent partial discharge detection sensor for an insulated switchgear.
본 발명은 극초단파 검출센서(100)에 전원부(140), AC 위상검출기(150), 신호처리부(180), 통신부(190)를 집적하여 센서 외부로부터 전원공급 없이 센서 자체에서 부분방전신호를 분석하고 이를 변전소 운전자가 판독할 수 있도록 전송해 주는 지능형 극초단파 GIS 부분방전 검출 센서에 관한 것으로, 이하 첨부된 도면에 의거해 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.The present invention integrates the
즉, 본 발명은 변전소 GIS 내부에서 발생하는 부분방전신호를 검출할 수 있는 검출센서에 있어서, 상기 검출센서(100) 내 능동소자의 전원을 공급하기 위한 전원부(140)와;That is, the present invention is a detection sensor that can detect a partial discharge signal generated in the substation GIS, the
GIS에 인가된 교류전압의 위상을 검출할 수 있는 AC전원 위상검출기(150)와;An AC
부분방전신호의 측정대역을 조정할 수 있는 고역통과 능동조절 가능 필터(131), 방전신호를 증폭하기 위한 신호증폭기(160) 및 영상신호를 추출할 수 있는 영상검출기(170)와;A high pass active
부분방전신호를 디지털 신호로 변환하고 가공할 수 있는 신호처리부(180)와;A
센서의 외부로 측정 및 분석된 정보를 전송할 수 있는 통신부(190)로 구성되어 있다.It consists of a
도 1은 지능형 극초단파 부분방전 검출센서의 기본 구성으로 센서의 감지부(110)가 도 2와 같이 GIS 내 극초단파 부분방전 신호(410) 및 GIS 중앙도체(210)에서 유기된 전원 신호(420)를 감지하여 이를 써지로부터 신호처리부를 보호하기 위한 써지보호장치(120)를 통과시킨 후 저역통과필터(130)와 고역통과 능동조절가능 필터(131)에 입력한다. 1 is a basic configuration of an intelligent microwave partial discharge detection sensor, the
상기 저역통과필터(130)는 입력된 신호중 주파수가 높은 부분방전신호(410)를 제거한 후 도 3과 같은 GIS에 인가된 전원신호(420)만을 전원부(140) 및 AC전원 위상검출기(150)로 전송한다. 전원부(140)는 입력된 GIS AC 전원신호를 평활하여 DC로 변환한 후 센서 내부의 각종 능동소자에 전원을 공급한다. AC 전원 위상검출기(150)는 AC 전원의 위상이 0˚인 시점에서 도 4와 같이 0˚ 위치를 표시하는 신호를 발생시킨다. The
고역통과 능동조절가능 필터(131)는 센서감지부(110)에서 입력된 신호에서 극초단파 대역중 비교적 외부 잡음이 작은 대역의 부분방전신호만을 도 5와 같이 추출하여 신호증폭부에(160)에 입력한다. 신호증폭부(160)는 작은 크기의 방전신호를 도 6과 같이 증폭시킨다. 증폭된 신호는 영상검출기(170)를 지나면서 도 7과 같 이 신호처리부(180)에서 처리할 수 있는 도 7과 같은 모양의 비교적 낮은 주파수를 가진 유니폴라(unipolar) 형식의 영상신호로 변형되어 신호처리부(180)에 전달된다. 도 9에서 신호처리부(180)의 디지털 신호 변환기(181)는 AC 전원 위상검출기(150)에서 출력된 GIS 교류전압 위상의 0˚에서 발생한 신호를 기준으로 적절한 시간간격으로 부분방전 영상신호를 도 8과 같이 디지털 신호로 변환한다.The high pass active
이때 미리 디지털 신호 변환장치(181)에서 설정한 문턱치 이상의 신호가 존재할 경우 신호처리부(180) 내의 마이크로 프로세서 또는 DSP등에 탑재된 신경망 네트워크(neural network), 퍼지(fuzzy) 등의 기법으로 구성된 패턴 분류기(182)에서 측정신호로부터 GIS 결함원인 또는 잡음의 종류를 유추한 후 변환된 부분방전 영상신호와 같이 버퍼(183)에 저장한다. At this time, if there is a signal higher than the threshold set by the
그리고 상기 통신부(190)에서는 저장된 방전원인과 영상신호를 IEC61850 또는 TCP/IP 프로토콜 등을 기반으로 광섬유, 동축선, 이중 꼬임선(twist pair), 무선랜, 블루투스, 광대역 통신, 이동통신(CDMA, TDMA) 등의 방법으로 변전소 중앙제어실, 변전소 이외의 원격감시실 또는 개인용 휴대 단말기 등으로 전송하여 변전소 운전원들이 장소에 구애받지 않고 센서에서 감지된 방전신호를 확인, 저장할 수 있도록 한다. The
상기와 같은 본 발명은 본 발명을 통해 전지나 외부의 전원공급 없이 센서 자체에서 GIS를 통해 직접 전원을 공급받기 때문에 전지의 교환이나 전원선을 배치할 필요가 없다. As described above, the present invention does not need to replace the battery or arrange the power line because the present invention directly receives power through the GIS from the sensor itself without supplying a battery or external power.
그리고 신호처리부를 센서에 내장시킴으로써 신호처리부와 센서 사이의 거리한계를 근원적으로 제거함은 물론 측정된 신호를 센서에서 직접 가공하여 필요한 정보만을 중앙제어실 및 기타 장소에 전송함으로써 통신선로의 트래픽 양을 획기적으로 줄일 수 있다.In addition, the signal processing unit is built into the sensor to eliminate the distance limit between the signal processing unit and the sensor, as well as process the measured signal directly from the sensor and transmit only the necessary information to the central control room and other places, thereby dramatically reducing the traffic volume of the communication line. Can be reduced.
또한 센서에 내장된 통신부는 원거리에서 개인용 휴대 단말기로 센서의 정보를 직접 보낼 수 있으며, 특히 통신부의 통신방법을 무선랜으로 사용할 경우 센서 후단에 일체의 물리적인 전송선로를 제거할 수 있어 전송선로의 유지보수가 필요가 필요 없고, 복잡한 선로에 의해 변전소 미관을 해칠 염려가 없다. In addition, the communication unit embedded in the sensor can directly send the information of the sensor to the personal portable terminal from a long distance, and in particular, when using the communication method of the communication unit as a wireless LAN, it is possible to remove any physical transmission lines at the rear of the sensor. There is no need for maintenance, and there is no fear of damaging the substation aesthetics by the complicated tracks.
이와 더불어 본 발명의 지능형 센서는 자체전원공급기능을 가진 디지털 화 된 신호처리부 및 통신부를 가지고 있어 디지털 변전소의 GIS에 장착시 센서 자체가 하나의 장치로서의 역할을 수행할 수 있다.In addition, the intelligent sensor of the present invention has a digital signal processing unit and a communication unit having a power supply function, so that the sensor itself can serve as a device when installed in the GIS of the digital substation.
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