KR101070832B1 - 자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 이상 검출 방법은 수배전반 내 발생하는 자외선을 감지하는 자외선 센서와 활선의 트랙킹 전류를 측정하는 전류 센서를 통해 아크 신호 및 트랙킹 신호를 검출하여 안티 앨리어싱을 적용한 샘플링을 수행하고, 상기 샘플링된 신호들을 디지털 유한 임펄스 응답 저역통과필터를 사용하여 디지털 필터링을 수행하며, 상기 디지털 필터링된 신호들을 고속푸리에변환 연산하여 피크 크기와 피크 주파수를 산출하여 그 산출된 피크 크기와 피크 주파수를 이용하여 상기 아크 신호 및 트랙킹 신호에 대한 고유의 검출 요소를 산출하며, 상기 산출된 검출 요소가 설정범위를 벗어나는지를 확인하여 아크 및 트랙킹 발생여부를 진단하고, 상기 자외선 센서의 펄스트랜스포머 전압 및 상기 전류 센서로 입력되는 신호의 전압 레벨을 주기적으로 측정하여 센서 성능을 자기진단을 수행하며, 상기 진단결과 및 상기 자기진단결과를 소정의 통신방식을 이용하여 원격 모니터링 장치로 전송한다.

Description

자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법 {A Method for Detecting an Abnormality of Distributing Board}
본 발명은 자외선 센서와 전류 센서를 통해 수배전반 내에서 발생하는 아크 및 트랙킹을 검출하며 자외선 센서와 전류 센서의 성능을 자기진단하는 자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법 에 관한 것이다.
수배전반에서는 내부의 부품 고장 및 절연 열화 등으로 인하여 예고 없이 정전 및 전기사고 등이 발생하여, 경제적 손실뿐만 아니라 사회에 미치는 영향이 커지게 되었으며, 전기기기의 장기간에 걸친 원활한 운용과 신뢰성 확보가 매우 중요한 문제가 되고 있다.
전기화재 예방을 위한 다각적인 노력에도 불구하고 전기기기 및 전기설비의 사용 증가로 화재 발생건수가 지속적으로 증가하고 있다.
전기 화재는 전기 기기나 전기설비 사용의 증가와 함께 점점 증가하고 있는 추세이며, 이로 인해 인명피해와 재산 피해는 물론 국가경제에도 큰 피해를 주고 있으므로 전기화재의 조기발견에 의한 화재의 미연의 방지에 대한 필요성이 크게 대두되고 있다. 특히 빌딩 및 전력사용량이 큰 대수용가의 고압/저압 배전반과 분전반의 경우, 전기화재의 현상과 조기 검출을 위한 장치와 감시 시스템의 개발이 절실하게 요구되고 있다.
전기화재 사고에 대응하기위해 현재 설치된 배선용차단기를 비롯한 각종 보호 장치는 부하회로에서 과전류 발생 시 회로를 차단하는 기능을 가지고 있지만, 빌딩 및 대수용가의 배전계통에 있어서 접촉불량에 의한 과열, 단선, 단락에 의한 아크발생 및 절연피복재 열화에 의한 트랙킹현상 등은 배선용 차단기로는 사고의 해결이 불가능하다.
아크 화재의 경우, 지락이나 용량초과, 타 물건과의 접촉 등에 의해 비정상적인 전류가 흐르게 되어 고압/저압 배전반 내부의 부스바, 케이블, 전선간의 접촉부, 단자 접촉부 등이 과열되고, 이로 인하여 다른 물체에 접촉함으로써 고장부위에서 선이 절단되어 차단되거나 부분적인 접촉으로 계속적인 반복적인 아크를 발생시키게 된다.
수배전반 주변의 먼지, 매연, 습기 등의 환경오염으로 단자대에 접촉된 전선 피복재를 통해서 도체 사이의 절연층이 미소방전에 의하여 탄화되는 현상이 발생된다. 이 탄화도전로를 따라서 누설전류가 점차 증가하여 드디어는 도체 사이에 트랙킹 파괴와 함께 전선피복재가 발화함으로써 분전반의 전기화재가 발생하게 된다. 이와 같이 전기화재의 절반 이상이 아크 및 트랙킹에 의해 전기화재와 인명피해를 유발하고 있다.
종래의 아크 및 트랙킹 검출 방법은 각 상의 변류기에 의해서 얻어지는 전류파형을 디지털화하여 주파수 분석함으로써 아크 유무를 판단하였다. 이 방법은 수배전반의 피더에서의 전류가 저항성 성분일 경우는 검출 확률이 높으나 L, C에 의한 용량성, 유도성 성분의 부하 등의 경우는 아크의 파형분석으로는 정확한 검출이 불가능한 실정이다.
전기적 아크는 전기선연결의 접촉불량이나 또는 선간 피복불량 등의 원인으로 전기적 쇼트가 발생시 나타나는 증상을 말하는데, 아크가 발생되면 화재 소손 등의 영향으로 인명사고 와 재산손실이 발생될수 있어 아크의 판단여부와 예측판단이 중요한 이슈로 떠오르고 있다.
미국을 비롯한 북미 지역에 사용되고 있는 종래의 아크차단장치는 주로 가정의 저압선로 아크를 검출하는 AFCI(Arc Fault Current Interrupter)로서, 콘센트의 단락과 전선의 단선 및 접촉불량 등의 원인에 의해 발생하는 아크전류를 차단한다. 이와 같이 수배전반의 고압/저압선로의 접촉불량, 단락, 열화 등에 의해서 발생하는 아크 및 트랙킹 신호에 대한 검출방법은 현재까지 적용되고 있지 않다.
본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 자외선 센서와 전류 센서를 이용하여 아크 및 트랙킹 신호 검출하고, 그 검출된 신호들을 고속푸리에변환 및 확률적 통계 분석을 통해 아크 및 트랙킹을 검출하는 자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 자외선 센서와 전류 센서의 성능을 주기적으로 테스트하는 자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 수배전반의 상태를 실시간으로 모니터링하여 아크 및 트랙킹과 같은 이상 발생을 진단하는 자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법은 수배전반 내 발생하는 자외선을 감지하는 자외선 센서와 활선의 트랙킹 전류를 측정하는 전류 센서를 통해 아크 신호 및 트랙킹 신호를 검출하는 단계와, 상기 아크 신호와 트랙킹 신호에 대해 안티 앨리어싱을 적용한 샘플링을 수행하는 단계와, 상기 샘플링된 신호들을 디지털 유한 임펄스 응답 저역통과필터를 사용하여 디지털 필터링을 수행하는 단계와, 상기 디지털 필터링된 신호들을 고속푸리에변환 연산하여 피크 크기와 피크 주파수를 출력하는 단계와, 상기 출력되는 피크 크기와 피크 주파수를 이용하여 상기 아크 신호 및 트랙킹 신호에 대한 고유의 검출 요소를 산출하는 단계와, 상기 산출된 검출 요소가 설정범위를 벗어나는지를 확인하여 그 확인결과에 따라 아크 및 트랙킹 발생여부를 진단하는 단계와, 상기 아크 및 트랙킹 발생여부 진단 후, 상기 자외선 센서의 펄스트랜스포머 전압 및 상기 전류 센서로 입력되는 신호의 전압 레벨을 주기적으로 측정하여 센서 성능을 자기진단을 수행하는 단계와, 상기 아크 및 트랙킹 발생여부에 대한 진단결과 및 상기 센서 성능에 대한 자기진단결과를 소정의 통신방식을 이용하여 원격 모니터링 장치로 전송하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 검출 요소는, 아크 및 트랙킹에 대한 발생횟수, 지속시간, 피크값, 실효치, 평균값, 첨도, 왜도, 표준편차, % THD와 같은 요소를 포함한다.
또한, 상기 아크 및 트랙킹 발생여부 진단단계는, 아크 발생 횟수가 2초 이내에 5회 이상 발생하면 아크가 발생한 것으로 진단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 아크 및 트랙킹 발생여부 진단단계는, 아크 지속 시간이 4초 이상 유지되는 경우 아크가 발생한 것으로 진단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 아크 및 트랙킹 발생여부 진단단계는,트랙킹 전류가 2초 이상 계속 발생하면 트랙킹이 발생한 것으로 진단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 아크 및 트랙킹 발생여부에 따라 경보를 발생시키는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 자기진단 수행단계는, 상기 펄스트랜스포머 전압이 최저 방전 개시전압 이하로 떨어지면 자외선 센서의 성능이 저하된 것으로 진단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 자기진단 수행단계는, 상기 전류 센서로 입력되는 신호의 전압 레벨이 기준값 이하로 일정 시간 동안 유지되면 상기 전류 센서에 이상이 있는 것을 진단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 소정의 통신방식은, RS-485와 같은 시리얼 통신 및 광통신을 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 자외선 센서와 전류 센서를 이용하여 아크 및 트랙킹 신호 검출하고, 그 검출된 신호들을 고속푸리에변환 및 확률적 통계 분석을 통해 수배전반 내부의 고압/저압 접촉부에서 발생하는 아크 및 트랙킹을 검출할 수 있다.
또한, 본 발명은 수배전반의 아크 및 트랙킹 발생과 관련한 이상 징후를 실시간으로 모니터링하므로 수배전반의 상태를 감시 및 진단하여 전기화재의 확대로 인한 인명사고 및 재산피해를 미리 예방할 수 있다.
도 1은 본 발명과 관련된 수배전반의 구성을 도시한 일 예이다.
도 2는 본 발명의 실시예와 관련된 수배전반의 이상 검출 장치를 도시한 블록구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예과 관련된 자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 도 3의 디지털 필터링 과정을 도시한 흐름도이다.
도 5는 도 3의 FFT 연산 과정을 도시한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 케이블 헤드, 계기용 변압 변류기(Metering Out Fit: MOF) 접속부, 전력 퓨즈(Power Fuse: PF) 연결부, 진공차단기(Vacuum Circuit Breaker: VCB) 단자대, 변압기 고압부싱의 각 접속부, 고압 모선 연결부 등과 같은 고압부와, 변압기 저압측 부스바 접속부, 기중차단기(Air Circuit Breakers), 1차 및 2차 단자대 및 접속부, 분전반 단자대 및 접속부 등의 저압부에서 발생하는 아크 신호 및 트랙킹 신호와 같은 이상신호를 검출하여 수배전반의 상태를 감시 및 진단하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명과 관련된 수배전반의 구성을 도시한 일 예이다.
도 1을 참조하면, 수배전반의 본체(1) 의 내부 공간은 지지대(2)에 의해 상하로 분리된다. 상기 지지대(2)의 상측에는 기중차단기(Air Circuit Breakers: ACB)(10), 고장구간자동개폐기(Automatic Indoor Section Switch: AISS)(20), 전력 퓨즈(Power Fuse: PF)(30), 피뢰기(Lightning Arrester: LA)(40)가 배치된다. 그리고, 상기 지지대(2)의 하측에는 변압기(Transformer: TR)(50)와 상기 변압기(50)의 일측에 계기용 변압 변류기(Metering Out Fit: MOF)(60)가 설치된다.
상기한 수배전반은 고압선로를 통해 입력되는 고압은 고장구간자동개폐기(20)를 거쳐 전력퓨즈(30)와 피뢰기(40)로 인입되고, 전력퓨즈(30)를 통한 고압라인에는 계기용 변압 변류기(60)를 설치하여 사용 전력량 측정을 위한 전압 및 전류를 검침할 수 있도록 연결된다. 상기 계기용 변압 변류기(60)에서 검출된 전압 및 전류값은 전압계 및 전류계에 인가되도록 연결되고 상기 변압기(50)의 2차측 저압단자에 나타난 저전압은 케이블로 연결되는 기중차단기(10)를 거쳐 부하측에 인가되도록 한다.
그리고, 상기 수배전반 내 고압 모선 접촉부, 변압기 2차측 부스바 접촉부 및 케이블 접속부 등에 아크 센서와 트랙킹 센서가 설치된다(도 1의 별표 참조).
또한, 상기 수배전반의 몸체 외측에는 상기 수배전반의 동작을 감시하는 통합감시제어기(70)가 설치된다. 상기 통합감시제어기(70)에는 상기 아크센서(111)와 트랙킹 센서(121)를 통해 수배전반의 이상을 진단하는 이상 검출 장치(100)가 포함된다.
도 2는 본 발명의 실시예와 관련된 수배전반의 이상 검출 장치를 도시한 블록구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수배전반의 이상 검출 장치(100)는 아크 및 트랙킹의 발생을 감지하는 아크 검출부(110)와 트랙킹 검출부(120)를 구비한다.
상기 아크 검출부(110)는 아크 신호를 검출하는 상기 아크 센서(111)를 구비한다. 상기 아크 센서(111)는 비접촉형 자외선 센서(UVtron sensor)로, 금속과 가스의 광전효과의 원리를 이용한 것이다. 상기 자외선 센서는 수배전반 내에서 방전 등에 의해 발생하는 자외선을 검출하는 것으로, 발생한 자외선의 강도를 전압 신호(파형)으로 변환하여 출력한다.
그리고, 상기 아크 센서(111)로 사용되는 자외선 센서는 원거리 아크의 자외선 성분을 신속하게 감지할 수 있으며 고압 코로나 방전 같은 미소방전을 감지할 수 있다. 또한, 표 1에 도시된 바와 같이, 상기 아크 센서(111)는 185nm~260nm의 자외선 감도를 가지며 작은 사이즈에도 불구하고 자외선 방사의 감지 범위가 120° 각도에서 5m 이내의 이상 현상을 빠르게 감지할 수 있다.
파라미터 범위 단위
스펙트럼 응답 185~260 Nm
윈도우 물질 UV 유리 -
감지범위 120, 5 °, m
방전 개시 전압 (UV 방사 포함) 280 Vdc Max

상기 아크 검출부(110)는 방전관에서 발생되는 자외선을 감지한 아크 센서(111)로부터 출력되는 아크 신호를 입력받고, 그 입력받은 아크 신호로부터 노이즈 신호를 제거하는 아날로그 필터(112)를 구비한다. 상기 아날로그 필터(112)는 자외선 센서로부터 출력되는 출력파형의 노이즈를 아날로그 저역통과필터링을 통해 제거하여 출력한다.
상기 트랙킹 검출부(120)는 수배전반의 활선에 발생하는 트랙킹 전류를 측정하는 전류센서(Current Transducer: CT)(트랙킹 센서)로, 저압선로의 미소방전 현상인 트랙킹 신호를 검출한다. 그리고, 상기 트랙킹 검출부(121)는 R상, S상, T상의 전류를 각각 측정하는 전류센서들(121, 122, 123)로 구성된다.
상기 아날로그 필터(112) 및 상기 전류센서들(121, 122, 123)로부터 각각 전달된 전압 신호 및 전류 신호는 디지털 신호 처리부(130)의 아날로그/디지털 컨버터(Analog to Digital Converter: 이하, ‘ADC’)(미도시)로 입력된다. 상기 ADC는 상기 아크 센서(111)로부터 출력되는 전압 신호 및 상기 전류센서들(121 내지 123)로부터 출력되는 전류 신호들을 안티 앨리어싱(anti aliasing)을 고려한 샘플링을 수행하여 디지털 신호로 변환하여 메모리(미도시)에 저장한다.
상기 디지털 신호 처리부(Digital Signal Porcessor: DPS)(130)는 상기 샘플링된 아크 신호를 디지털 필터링하여 아크 센서의 주파수 영역인 1kHz 대역만 통과시킨다.
또한, 상기 디지털 신호 처리부(130)는 상기 아크 검출부(110)와 트랙킹 검출부(120)로부터 출력되는 신호 및 데이터를 입력으로 받아 고속푸리에변환(Fast Fourier Transform: 이하 ‘FFT’) 연산 및 통계적 분석을 수행하여 아크 및 트랙킹의 발생유무를 정확하게 검출한다.
상기 디지털 신호 처리부(130)는 아크 신호와 트랙킹 신호의 피크(peak)값, 피크 주파수(peak frequency), 첨도, 왜도, 실효값, 표준편차, 아크 발생 횟수와 지속시간 등을 추출하기 위해 입력신호(아크 신호 및 트랙킹 신호)의 속성을 알아내기 위해 소정 주기로 FFT 연산을 통해 입력신호의 크기와 주파수 등을 산출한다.
상기 디지털 신호 처리부(130)는 상기 FFT 연산을 통해 산출한 입력 신호의 크기와 주파수를 이용하여 아크 및 트랙킹에 대한 발생횟수, 지속시간, 피크값, 실효값, 평균값, 첨도, 왜도, 표준편차, % THD 등의 검출요소들을 산출한다.
상기 검출요소들의 산출이 완료되면, 상기 디지털 신호 처리부(130)는 상기 산출된 검출요소가 설정범위를 벗어나는지를 확인하고, 그 확인결과에 따라 경보를 발생시켜 차단기를 제어하게 한다.
그리고, 상기 디지털 신호 처리부(130)는 상기 아크 검출부(110)와 트랙킹 검출부(120)을 통해 입력되는 신호들을 분석하여 아크 및 트랙킹의 발생 여부와 형태 등을 검출 알고리즘을 통해 데이터베이스를 구축하고 검증한다. 이러한 분석 데이터들은 원격 모니터링 장치(미도시)로 전송되어 위험요소에 대한 정보를 취득하여 사전에 대형사고를 예방하는데 사용된다. 상기 원격 모니터링 장치는 서버, 개인용 컴퓨터, 휴먼 머신 인터페이스(Human Machine Interface: HMI) 등으로 구현될 수 있다.
상기 이상 검출 장치(100)에는 RS-485와 같은 시리얼 통신부(141)와 광통신부(142)를 구비한 통신부(140)가 구비된다.
상기 시리얼 통신부(141)는 상기 디지털 신호 처리부(130)의 통신제어신호에 따라 디지털 신호 처리부(130)에 의해 취득된 센서의 정보 및 각 데이터들을 MOD-BUS 규격의 데이터로 변환하여 상기 원격 모니터링 장치로 전달한다. 상기 원격 모니터링 장치로 전달된 데이터들은 각 정보별 또는 용도별로 가공되어 아크의 형태를 파악하게 된다.
상기 광통신부(142)는 수배전반에 설치된 변압기 및 다수의 중전기기에 의해 강한 전자계가 형성되어 센서출력 신호의 전송 및 통신에 심각한 오동작을 유발할 수 있어 노이즈로 인한 오동작을 개선하기 위해 사용되고 있다.
상기 광통신부(142)는 디지털 신호 처리부(130)로 취득된 센서의 정보 및 각 데이터들을 MOD-BUS 규격의 데이터로 정렬하여 광통신 라인을 통해 상기 원격 모니터링 장치로 전달한다. 상기 광통신부(142)는 디지털 신호 처리부(130)의 로직 정보를 PECL(Pseudo Emitter Couple Logic) 신호로 변환하는 로직신호 변환기를 포함한다. 그리고, 상기 광통신부(142)는 상기 PECL 신호를 광정보로 변환하여 광케이블 라인으로 출력하는 광신호변환기(광트랜시버) 를 포함한다. 상기 광신호변환기는 수신되는 광케이블 정보를 PECL 신호로 변환하고, 상기 변환된 PECL 신호는 로직신호 변환기에 의해 로직신호로 변환되어 디지털 신호 처리부(130)로 입력된다.
상기 광통신부(142)는 상기 이상 검출 장치(100)와 원격 모니터링 장치의 상호간에 광통신이 가능토록 해주고, 상기 원격 모니터링 장치로 전달된 데이터들은 각 정보별 또는 용도별로 가공되어 아크의 형태를 파악하는데 사용된다.
상기 디지털 신호 처리부(130)의 제어에 따르는 알람수단(150)은 경보를 알리는 알람을 발생시키거나 중단시킨다. 상기 알람수단(150)은 LED(light emitting diode)와 같은 발광소자 또는 스피커 등으로 구현될 수 있다.
상기 이상 검출 장치(100)에는 디지털 신호 처리부(130)에 의해 연산된 데이터를 가공하여 아크와 관련한 결과값과 정보를 표시하는 표시부(160)가 구비된다.
상기 이상 검출 장치(100)는 상기 이상 검출 장치(100)에 전원을 공급하는 전원공급부(170)을 포함한다. 상기 전원공급부(170)는 내부 또는 외부에서 입력되는 직류전원을 다른 전압의 직류전원으로 변환하는 DC/DC 컨버터로 구현된다.
상기 아크 센서(111) 및 트랙킹 센서(121)의 자기진단을 수행하는 자기진단부(180)가 구비된다. 상기 자기진단부(180)는 아크 센서(111)의 일부분인 펄스트랜스포머(pulse transformer)의 전압을 주기적으로 확인하여 최저 방전 개시 전압 이하로 떨어지는지를 확인한다. 상기 확인결과 상기 펄스트랜스포머의 전압이 최저 방전 개시 전압 이하로 떨어지면 상기 자기진단부(180)는 상기 아크 센서(111)에 대한 자외선 영역검출의 정확도가 저하된 것으로 진단한다.
그리고, 상기 자기진단부(180)는 트랙킹 검출부(120)의 각 전류 센서(121 내지123)로 입력되는 입력신호의 전압레벨을 10초 간격으로 감시하여 상기 전압레벨이 기준값(최저값) 이하로 1초 동안 유지되면 트랙킹 검출부(120)에 이상이 있는 것으로 진단한다.
상기 자기진단부(170)는 진단결과를 상기 디지털 신호 처리부(130)로 전달하고, 상기 디지털 신호 처리부(130)는 상기 전달받은 진단결과를 시리얼 통신부(141)를 통해 표시부(170)로 전송하여 표시부(170)에 진단결과를 표시한다.
도 3은 본 발명의 실시예과 관련된 자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 디지털 신호 처리부(130)는 아크 센서(111) 및 전류 센서(121 내지 123)로부터 각각 아크 신호(arc waveform) 및 전류 신호(current waveform)를 입력받는다(S101). 여기서, 상기 아크 센서(111)는 수배전반의 방전관에서 발생되는 아크로 인해 발생하는 자외선을 감지하여 그 감지된 자외선 강도에 대응되는 전압 파형을 출력한다. 그리고, 상기 전류 센서(121 내지 123)는 수배전반의 활선에 흐르는 전류를 측정하여 그 측정된 전류 파형을 출력한다.
상기 아크 신호 및 전류 신호(트랙킹 신호)가 입력되면, 상기 디지털 신호 처리부(130)는 상기 입력된 상기 아크 신호 및 전류 신호를 디지털 필터링을 수행한다(S102). 상기 아크 신호 및 전류 신호는 상기 디지털 신호 처리부(130)의 ADC로 입력되고, 상기 ADC는 아날로그 신호인 상기 아크 신호 및 전류 신호를 100kHz 주기로 샘플링하여 디지털 신호로 변환하여 메모리(미도시)에 저장한다. 그리고, 상기 ADC는 안티 엘리어싱을 적용하여 상기 아크 신호 및 전류 신호에 포함된 노이즈를 제거한다.
상기 아크 신호 및 전류 신호를 샘플링하면 디지털 신호 처리부(130)의 디지털 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response: 이하 ‘FIR’) 필터는 상기 샘플링된 신호를 읽어와 디지털 필터링을 수행한다. 상기 디지털 FIR 필터는 아크 센서(111)의 주파수 영역인 1kHz 대역만 통과시킨다.
상기 디지털 필터링 후 상기 디지털 신호 처리부(130)는 상기 필터링된 아크 신호 및 전류 신호에 대해 FFT 연산을 수행하여 상기 필터링된 아크 신호 및 전류 신호의 피크 크기와 피크 주파수를 도출한다(S103).
상기 디지털 신호 처리부(130)는 상기 FFT 연산을 통해 도출된 피크 크기와 피크 주파수를 이용하여 상기 검출된 아크 신호 및 전류 신호에 대한 고유의 검출요소를 산출한다(S104). 여기서, 검출요소는 아크 및 트랙킹에 대한 발생횟수, 지속시간, 전류실효값, 전류 기울기, 허용 전류, 단락전류, 아크 피크값, 아크 실효값, 아크 첨도, 아크 왜도, 아크 표준편차, 평균값, %THD, 펄스폭 등을 포함한다.
상기 전류 실효값은 아래 수 1에 의해 산출된다.
Figure 112011056791903-pat00001
여기서,
Figure 112011056791903-pat00002
는 직류 성분으로 FFT 연산을 통해 제거되었기 때문에 0으로 처리한다. 그리고,
Figure 112011056791903-pat00003
는 FFT 크기 1항의 값을 Im1에 대입하여 계산하고,
Figure 112011056791903-pat00004
는 FFT 크기 2항의 값을 Im2에 대입하여 계산한다.
상기 아크 왜도는 아크 발생 분포가 얼마나 비대칭적으로 분포되어 있는지를 나타내는 지표로, 수 2에 의해 산출된다.
Figure 112011056791903-pat00005
상기 산출된 아크 왜도 α3=0 이면 아크 발생 분포가 좌우대칭이고, 상기 산출된 아크 왜도 α3>0이면 아크 발생 분포의 오른쪽 꼬리가 더 긴 경우이며 상기 산출된 아크 왜도 α3<0이면 아크 발생 분포의 왼쪽 꼬리가 더 긴 경우이다.
상기 아크 첨도는 아크 발생 분포의 뾰족한 정도를 나타내는 것으로, 아래의 수 3에 의해 산출된다.
Figure 112011056791903-pat00006
상기 산출된 아크 첨도
Figure 112011056791903-pat00007
이면 분포가 종모양인 경우이고,
Figure 112011056791903-pat00008
이면 분포가 뾰족한 경우이다.
상기 아크 표준 편차는 100ms 간격으로 4번 정도의 아크 피크 값들을 메모리에 저장해 놓고 약 500ms마다 수 4에 의해 산출된다.
Figure 112011056791903-pat00009
이 표준편차 값에 의해 4번의 피크 값들이 평균값에서 S 만큼 떨어져 있음을 알 수 있다.
상기 검출요소가 산출되면, 상기 디지털 신호 처리부(130)는 상기 산출된 검출요소가 설정범위 내에 있는지를 확인한다(S105).
상기 확인결과, 상기 산출된 검출요소가 설정범위 내에 있으면, 상기 디지털 신호 처리부(130)는 아크 및/또는 트랙킹이 발생하지 않는 것으로 진단하여 자기진단부(180)를 제어하여 상기 아크 센서(111) 및 전류 센서들(121 내지 123)에 대한 자기진단을 수행한다(S106). 상기 자기진단부(180)는 아크 센서(111)의 펄스트랜스포머의 전압을 주기적으로 측정하여 그 측정된 전압이 최저 방전 개시 전압 이하인지를 확인한다. 상기 측정된 전압이 최저 방전 개시 전압 이하이면 상기 자기진단부(180)는 아크 센서(111)의 자외선 영역검출의 정확도가 저하되는 것으로 진단한다.
한편, 상기 자기진단부(180)는 전류 센서(121 내지 123)로 입력되는 전류 레벨을 소정 시간(예: 10초) 간격으로 측정하여, 그 측정된 전류 레벨이 기준값(예: 0) 이하로 일정 시간(예; 1초) 동안 유지되면 전류 센서에 이상이 있는 것으로 진단한다. 또한, 상기 자기진단부(180)는 센서들의 상태를 체크하여 그 이상유무가 포함된 진단결과를 디지털 신호 처리부(130)에 알린다.
상기 자기진단이 완료되면, 상기 디지털 신호 처리부(130)는 자기진단부(180)로부터 전달받은 진단결과를 통신부(140)를 통해 원격 모니터링 장치로 전송한다(S107).
한편, 상기 단계(S105)에서 상기 산출된 검출요소가 설정범위를 벗어나면 상기 디지털 신호 처리부(130)는 알람수단(150)을 제어하여 경보를 발생시킨다(S108). 상기 디지털 신호 처리부(130)는 상기 아크 방전 횟수가 2초 이내에 5회이상 발생하거나, 아크 지속 시간이 4초 이상 계속되거나, 트랙킹 전류가 2초 이상 계속 발생되면 경보를 발생시킨다. 이때, 상기 디지털 신호 처리부(130)는 발광소자를 일정 시간(예: 0.5초) 간격으로 점등/점멸을 반복적으로 수행하고, 수동으로 시스템이 리셋되기 전까지 계속된다. 또는, 상기 디지털 신호 처리부(130)는 통신부(140)를 통해 원격 모니터링 장치로 경보 발생 내역에 대한 정보를 전송한다.
도 4는 도 3의 디지털 필터링 과정을 도시한 흐름도이다.
먼저, 디지털 신호 처리부(130)는 FIR 필터 차수를 정의한다(S201). 여기서, 상기 FIR 필터로 입력되는 신호의 길이는 유한해야 하므로, 입력 신호의 길이를 유한하게 정의한다. 따라서, 본 발명에서는 FIR 필터 차수를 128로 정의한다.
상기 FIR 필터 차수가 정의되면 상기 디지털 신호 처리부(130)는 FIR 필터 계수를 로드한다(S202). 여기서, 유한한 길이의 입력 신호를 사용함에 따른 신호의 불연속을 제거하기 위해 신호 양끝을 0으로 줄어들게 만들어야 하므로, FIR 필터 계수로 해밍 윈도우(Hamming window) 필터 계수가 사용된다.
상기 FIR 필터 계수를 로드한 후 상기 디지털 신호 처리부(130)는 ADC를 통해 아크 센서(111) 및 전류 센서들(121 내지 123)로부터 입력되는 아크 신호와 전류 신호들을 샘플링한다(S203). 이때, 샘플링 주파수는 100kHz이고, 샘플링 주기는 10ms이다.
상기 ADC는 상기 아크 신호 및 전류신호들이 입력되면 안티 앨리어싱(anti aliasing)을 거쳐 상기 신호들을 왜곡시키는 고주파수 성분을 제거한다. 그리고, 상기 ADC는 상기 고주파수 성분이 제거된 아크 신호 및 전류 신호들을 소정 주기로 샘플링(sampling)하여 디지털 신호로 변환하여 저장한다.
상기 아크 신호 및 전류신호들을 샘플링하여 저장하면, 디지털 FIR 필터는 상기 샘플링된 신호에 디지털 FIR LPF의 전달함수를 적용하여 10kHz 대역만 통과시킨다. 상기 디지털 FIR LPF의 전달함수는 수 5와 같다.
Figure 112011056791903-pat00010
여기서, M은 필터의 차수(order)로 128이고, x[n]은 아날로그 필터를 거쳐 ADC로 입력된 임의의 아크 신호이며, y[n]은 FIR 필터를 통과한 10kHz대역의 아크 신호이다.
상기 전달함수에서 필터 계수 bk를 구하여 상기 전달함수에 대입하여 디지털 FIR 필터의 출력을 산출한다. 본 발명에서는 필터 계수인 b0~b127까지를 구하기 위해 TI(Texas Instrument)사에서 제공하는 FIR 필터 디자인 패키지(MATLAB M-File)를 활용하였다.
도 5는 도 3의 FFT 연산 과정을 도시한 흐름도이다.
FFT 연산 과정은 아크 및 트랙킹 신호의 피크(peak)값, 피크 주파수, 첨도, 왜도, 지속시간 등을 추출하기 위한 것으로, 입력 신호의 속성을 알아내기 위해 10ms의 주기로 FFT 연산을 통해 검출신호의 크기와 주파수 등을 산출한다.
도 5를 참조하면, 디지털 신호 처리부(130)는 FFT 포인트를 128로 설정한다(S301).
본 발명에서는 연산 속도의 성능을 향상하기 위해 FFT 연산을 수행하는 함수로 리얼 파트 부분만 연산하도록 하는 리얼 FFT 모듈을 사용하고 있다.
본 발명에서 사용하는 FFT 함수는 RFFT32 함수이고, 수 6과 같다.
Figure 112011056791903-pat00011
여기서,
Figure 112011056791903-pat00012
부분은 트위들(twiddle) 요소로, 복소수 연산으로 진행되며 이 부분의 N 포인트가 FFT 연산의 정확도를 좌우하는 요소가 된다. 상기 N 포인트가 크면 클수록 연산 결과가 정확해지나 연산 속도가 문제가 될 수 있게 되므로 이 값을 적절히 선정하여야 한다. 여기서는 N 포인트를 128로 정의한다.
상기 FFT 포인트가 설정되면 상기 디지털 신호 처리부(130)는 상기 디지털 필터링된 결과를 로드하고, 해밍 128 윈도우를 지정한다(S302, S303).
상기 해밍 128 윈도우를 지정한 후 상기 디지털 신호 처리부(130)는 FFT 연산에 필요한 데이터를 입력으로 받아, 디지털 필터링된 아크 신호 및 전류 신호들에 대해 RFFT32 연산을 수행한다(S304). 상기 FFT 연산에 필요한 데이터로는 FIR 필터 출력 데이터(Filter_Out[ADC_cnt] Array Buffer의 값), 해밍 128 윈도우 값(해밍128 어레이 값), FFT 크기 저장 버퍼 포인터, FFT 연산용 버퍼 포인터, 버퍼 길이(512 워드) 등이 있다.
상기 디지털 신호 처리부(130)는 상기한 FFT 연산을 통해 검출신호(아크 신호 및 트랙킹 신호)의 피크 크기와 피크 주파수를 도출한다.
100: 이상 검출 장치
110: 아크 검출부
111: 아크 센서
120: 트랙킹 검출부
121, 122, 123: 전류센서
130: 디지털 신호 처리부
140: 통신부
150: 알람수단
160: 표시부
170: 전원공급부
180: 자기진단부

Claims (9)

  1. 수배전반 내 발생하는 자외선을 감지하는 자외선 센서와 활선의 트랙킹 전류를 측정하는 전류 센서를 통해 아크 신호 및 트랙킹 신호를 검출하는 단계와,
    상기 아크 신호와 트랙킹 신호에 대해 안티 앨리어싱을 적용한 샘플링을 수행하는 단계와,
    상기 샘플링된 신호들을 디지털 유한 임펄스 응답 저역통과필터를 사용하여 디지털 필터링을 수행하는 단계와,
    상기 디지털 필터링된 신호들을 고속푸리에변환 연산하여 피크 크기와 피크 주파수를 출력하는 단계와,
    상기 출력되는 피크 크기와 피크 주파수를 이용하여 상기 아크 신호 및 트랙킹 신호에 대한 고유의 검출 요소를 산출하는 단계와,
    상기 산출된 검출 요소가 설정범위를 벗어나는지를 확인하여 그 확인결과에 따라 아크 및 트랙킹 발생여부를 진단하는 단계와,
    상기 아크 및 트랙킹 발생여부 진단 후, 상기 자외선 센서의 펄스트랜스포머 전압 및 상기 전류 센서로 입력되는 신호의 전압 레벨을 주기적으로 측정하여 센서 성능을 자기진단하는 단계와,
    상기 아크 및 트랙킹 발생여부를 진단한 진단결과 및 상기 센서 성능을 자기진단한 자기진단결과를 소정의 통신방식을 이용하여 원격 모니터링 장치로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 검출 요소는,
    아크 및 트랙킹에 대한 발생횟수, 지속시간, 피크값, 실효치, 평균값, 첨도, 왜도, 표준편차, % THD와 같은 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 아크 및 트랙킹 발생여부 진단단계는,
    아크 발생 횟수가 2초 이내에 5회 이상 발생하면 아크가 발생한 것으로 진단하는 것을 특징으로 하는 자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 아크 및 트랙킹 발생여부 진단단계는,
    아크 지속 시간이 4초 이상 유지되는 경우 아크가 발생한 것으로 진단하는 것을 특징으로 하는 자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 아크 및 트랙킹 발생여부 진단단계는,
    트랙킹 전류가 2초 이상 계속 발생하면 트랙킹이 발생한 것으로 진단하는 것을 특징으로 하는 자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 아크 및 트랙킹 발생여부에 따라 경보를 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 자기진단 단계는,
    상기 펄스트랜스포머 전압이 최저 방전 개시전압 이하로 떨어지면 자외선 센서의 성능이 저하된 것으로 진단하는 것을 특징으로 하는 자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 자기진단 단계는,
    상기 전류 센서로 입력되는 신호의 전압 레벨이 기준값 이하로 일정 시간 동안 유지되면 상기 전류 센서에 이상이 있는 것을 진단하는 것을 특징으로 하는 자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 소정의 통신방식은,
    RS-485와 같은 시리얼 통신 및 광통신을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기진단 기능을 구비한 수배전반의 이상 검출 방법.
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