KR101402887B1 - 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석 기능을 가지는 gis 부분방전 감시 시스템 및 방법, 그를 위한 로컬 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르는 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 시스템은, GIS의 내부 및 외부에 설치된 센서들과 GIS로 유입되는 노이즈를 감지하는 센서들로 구성되는 다수의 센서부; 상기 다수의 센서부 각각에 연결되며, 상기 다수의 센서부에 속하는 센서들이 출력하는 센싱 신호들을 제공받아 모두 시간 영역의 센싱 데이터로 변환하여 외부로 제공하거나, 외부로부터 제공되는 요청 메시지에 의해 선택된 일부는 주파수 영역의 센싱 데이터로 변환하고 나머지는 시간 영역의 센싱 데이터로 변환하여 외부로 제공하는 다수의 로컬 장치; 상기 다수의 센서부에 속하는 센서들로부터의 센싱 신호에 따른 시간 영역의 센싱 데이터들을 제공받아 부분방전 가능성 여부를 판별하고, 부분방전 가능성이 있는 것으로 판단되는 센싱 데이터가 있으면, 그 센싱 데이터에 대응되는 센서와 연결된 로컬 장치로 해당 센서를 선택하여 해당 센서로부터의 센싱 신호에 대해서는 주파수 영역의 센싱 데이터를 제공하도록 요청하고, 그 요청에 따라 상기 로컬 장치가 해당 센서로부터의 센싱 신호에 대한 주파수 영역의 센싱 데이터를 제공하면, 그 주파수 영역의 센싱 데이터가 미리 정해둔 주파수 스펙트럼에 대응되는지를 체크하여 부분방전 여부를 판별하는 메인 서버; 및 상기 다수의 로컬 장치와 상기 메인 서버 사이의 통신을 담당하는 통신 제어 장치;를 구비함을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 GIS 부분방전 센싱 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 시스템 및 방법, 그를 위한 로컬 장치에 관한 것이다.
지속적인 전력 수요의 증가에 부응하여 국내외 송변전 설비가 초고압 및 대용량화되고 있어, 폐쇄형 터미널 형태의 가스절연 개폐장치(Gas Insulated Switchgear, GIS)의 설치가 증가하고 있다.
상기 GIS는 개방형 터미널(Open Terminal) 형태의 변전소를 하나의 통합된 폐쇄된 터미널 개폐장치(Close Terminal Switchgear)로 재구성한 것으로, 차단기(Circuit Breaker)를 중심으로 단로기(Line Disconnector or Bus Disconnector), 접지 스위치(Earthing Switch) 등의 스위치류, 전류를 흘려보내기 위한 모선(Bus Bar)부, 전압 및 전류 측정을 위한 변성기(Potential Transformer) 및 변류기(Current Transformer)와 전원의 인입, 인출부 등으로 구성되어 있으며, 각각 요소들은 순수 SF6 가스로 절연되어 운전되고 있다.
GIGRE(International Council on Large Electric System) WG33/23에서는 GIS 설치 이후 25년간의 사고 통계를 조사 발표하였는데, 연간 100베이당 평균 0.9건의 절연사고가 발생하였으며, 운전 전압이 커질수록 절연 불량의 사고률이 증가하는 것으로 보고되었다.
상기 GIS의 절연 시스템은 SF6 또는 SF6 혼합가스 등의 기체 절연물과 고분자 화합물 등의 고체 절연지지물로 구성되는 복합 절연 형태를 가진다. 이에 기체절연 및 고체절연 상태에서 발생 가능한 모든 절연 결함이 존재하였다.
상기 GIS 내부에서의 부분방전 원인으로는 자유 하전 입자(Free Moving Particle), 고정 돌출 전극(Fixed Protrusion Electrode), 전기적 부유 전극(Electrical Floating Particle), 절연체 결함(Defective Insulator), 절연체 표면 부착 이물질 (Particle on insulator surface), 절연체 내부 결함 (Defect inside solid insulator) 등이 있다.
일반적으로 운전전압이 높고 치명적인 절연결함을 포함하고 있는 GIS의 경우에는 정상전압하에서 단시간 또는 수일 이내에 갑작스런 절연파괴가 진행되어 계통 사고로 이어질 수 있기 때문에 현장 감시를 통해 내재적인 결함을 조기에 검출 제거해야만 갑작스런 사고를 예방할 수 있다.
상기한 GIS 부분방전을 검출하기 위해 부분방전에서 동반하는 전기적 신호, 음향 신호, 광학적 신호를 검출하는 방법 등이 연구되어 왔다.
좀 더 설명하면, 전력설비에 부분방전 검출 임피던스를 직접 연결하여 저주파 대역(수십 KHz ~수백 KHz)의 부분방전 전기적 신호를 측정하는 방법이 있으며, 이는 국제 규격 IEC60270으로 규격화되어 있지만 외부 잡음에 취약한 단점이 있다.
그리고 HFCT(High Frequency Current Transformer)나 용량형 커플러(C-Coupler) 등을 사용하여 고주파영역(3MHz ~ 300MHz)의 접지전류를 측정하는 HFPD(High Frequency Partial Discharge) 측정 방법이 있으며, 이는 전력케이블, 변압기 등의 진단에 활용되고 있지만, 내부의 고장 위치나 결함 원인을 찾는 것은 불가능한 문제가 있었다.
그리고 부분방전에 의한 초광대역(UWB) 전자파 신호를 초고주파(Ultra High Frequency) 영역에서 검출하는 방법이 있으며, 이는 외부 잡음의 영향이 작고 결함 위치 및 원인 판별이 가능하기 때문에 가장 많이 활용되고 있다.
그리고 부분방전에 의해 수반되는 음파를 음향 방출(Acoustic Emission) 센서와 가속도계를 이용하여 측정하는 방식이 있으며, 이는 외부 잡음에 강하고 위치를 추정할 수 있는 이점이 있어서 현장에서의 부분방전 측정을 위해 주로 사용되고 있다.
GIGRE WG 33/23.I2의 보고서 및 선행 연구결과에 의하면 GIS 위험도를 실시간으로 평가하기 위한 가장 효과적인 방법으로 고감도 부분방전 측정 및 분석 방법을 권고하고 있으며, GIGRE WG 15-3에서는 GIS 부분방전 검출하기 위한 효과적인 방법을 찾기 위해 객관적인 실험을 수행하여 결과를 보고하였다.
상기 실험에서는, 6m 길이의 420KV GIS 챔버에 자유하전입자, 스페이서 표면 부착이물, 고압도체 고정 돌출부 및 외함 고정 돌출부 등 4가지 종류의 인공 절연결함을 발생시키고 그 결과를 측정하였는데, 초고주파 영역에서 검출하는 방법이 타 측정방법에 비해 신호대비 잡음비가 가장 우수하다고 판정되었다.
이에 GIS 온라인 부분방전 감시 시스템은 GIS 내부에서 부분방전 시 발생하는 UHF(Ultra High Frequency) 대역의 신호를 측정하여 부분방전의 크기 및 부분방전의 원인을 해석한 후 GIS의 운전 상태에 대한 정보를 제공하였다.
그런데 시스템 운용 중에 주변 노이즈를 부분방전 신호로 오인하여 알람을 발생시키기도 하였으며, 부분방전 신호를 명확하게 판별하지 못해 실제 부분방전시에 그 발생을 진단하는데 어려움이 있었다. 이에따라 불필요한 노이즈를 제거하고 운용자에게 정확하게 부분방전 신호만을 전달할 수 있는 신뢰성있는 고장 진단 기술이 요구되었다.
한편 상기 UHF 대역의 부분방전 신호를 측정하기 위한 기술은 크게 두 가지로 나눌 수 있으며, 이는 시간 영역(Time Domain)에서의 분석 기법과 주파수 영역(Frequency Domain)에서의 분석 기법이다.
상기 시간 영역에서의 분석 기법은 UHF 광대역(500~1500MHz)의 부분방전 신호에 대해 시간 영역(Time Domain)에서 포락선(Envelop)을 감지하고, 이를 위상 신호에 맞추어 PRPD(Phase Resolved Partial Discharge) / PRPS(Phase Resolved Pulse Sequence) 그래프로 변환하여 부분방전 라이브러리내의 최대값과 카운트를 비교하는 p-q-n 분석이 널리 쓰이고 있다. 그러나 노이즈 신호와 부분방전 신호를 시간 영역에서 분리하는 데 어려움이 있다.
반면에 주파수 영역(Frequency Domain) 분석 기법은 해당 주파수 대역을 스윕(Sweep)하여 노이즈 대역을 완전히 제거하고 특정 주파수 대역에서만 부분방전 신호를 해석하므로 노이즈에 강한 특성을 가지고 있기는 하나, 센싱 신호를 주파수 영역에서 직접 획득하기 때문에 장비의 특성상 고가격이여서 도입에 어려움이 있었다.
본 발명은 GIS 부분방전 감시 시스템의 신뢰성을 높이기 위해 시간 영역과 주파수 영역에서 센싱 신호를 분석함으로서, 순간적인 부분방전 신호를 검출할 수 있게 함과 아울러 탁월한 노이즈 제거를 가능하게 할 수 있는 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 시스템 및 방법, 그를 위한 로컬 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명의 다른 목적은 센싱 신호에 대해 상시에는 시간 영역에서의 분석을 수행하다가 부분방전의 가능성이 있는 것으로 판단되면, 주파수 영역에서의 분석을 수행하는 하이브리드 형태의 부분방전 신호 분석을 수행하여, 장비의 구성을 단순화시켜 비용을 절감함과 아울러 장비의 정확성 및 신뢰성을 극대화할 수 있는 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 시스템 및 방법, 그를 위한 로컬 장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르는 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 시스템은, GIS의 내부 및 외부에 설치된 센서들과 GIS로 유입되는 노이즈를 감지하는 센서들로 구성되는 다수의 센서부; 상기 다수의 센서부 각각에 연결되며, 상기 다수의 센서부에 속하는 센서들이 출력하는 센싱 신호들을 제공받아 모두 시간 영역의 센싱 데이터로 변환하여 외부로 제공하거나, 외부로부터 제공되는 요청 메시지에 의해 선택된 일부는 주파수 영역의 센싱 데이터로 변환하고 나머지는 시간 영역의 센싱 데이터로 변환하여 외부로 제공하는 다수의 로컬 장치; 상기 다수의 센서부에 속하는 센서들로부터의 센싱 신호에 따른 시간 영역의 센싱 데이터들을 제공받아 부분방전 가능성 여부를 판별하고, 부분방전 가능성이 있는 것으로 판단되는 센싱 데이터가 있으면, 그 센싱 데이터에 대응되는 센서와 연결된 로컬 장치로 해당 센서를 선택하여 해당 센서로부터의 센싱 신호에 대해서는 주파수 영역의 센싱 데이터를 제공하도록 요청하고, 그 요청에 따라 상기 로컬 장치가 해당 센서로부터의 센싱 신호에 대한 주파수 영역의 센싱 데이터를 제공하면, 그 주파수 영역의 센싱 데이터가 미리 정해둔 주파수 스펙트럼에 대응되는지를 체크하여 부분방전 여부를 판별하는 메인 서버; 및 상기 다수의 로컬 장치와 상기 메인 서버 사이의 통신을 담당하는 통신 제어 장치;를 구비함을 특징으로 한다.
상기한 본 발명은 GIS 부분방전 감시 시스템의 신뢰성을 높이기 위해 시간 영역과 주파수 영역에서 센싱 신호를 분석함으로서, 순간적인 부분방전 신호를 검출할 수 있게 함과 아울러 탁월한 노이즈 제거를 가능하게 하는 효과를 야기한다.
또한 본 발명은 센싱 신호에 대해 상시에는 시간 영역에서의 분석을 수행하다가 부분방전의 가능성이 있는 것으로 판단되면, 주파수 영역에서의 분석을 수행하는 하이브리드 형태의 부분방전 신호 분석을 수행하여, 장비의 구성을 단순화시켜 비용을 절감함과 아울러 장비의 정확성 및 신뢰성을 극대화할 수 있는 효과를 야기한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 시스템의 구성도.
도 2는 도 1의 제1로컬 장치의 상세 구성도.
도 3은 도 2의 제1RF 처리부의 상세 구성도.
도 4는 도 2의 스펙트럼 분석부의 상세 구성도.
도 5는 도 1의 메인 서버에 구비되는 시간 영역의 센싱 데이터 처리부와 주파수 영역의 센싱 데이터 처리부의 구성도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시방법의 흐름도.
도 2는 도 1의 제1로컬 장치의 상세 구성도.
도 3은 도 2의 제1RF 처리부의 상세 구성도.
도 4는 도 2의 스펙트럼 분석부의 상세 구성도.
도 5는 도 1의 메인 서버에 구비되는 시간 영역의 센싱 데이터 처리부와 주파수 영역의 센싱 데이터 처리부의 구성도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시방법의 흐름도.
본 발명은 GIS 부분방전 감시 시스템의 신뢰성을 높이기 위해 시간 영역과 주파수 영역에서 센싱 신호를 분석함으로서, 순간적인 부분방전 신호를 검출할 수 있게 함과 아울러 탁월한 노이즈 제거를 가능하게 할 수 있는 효과를 야기한다.
특히 본 발명은 센싱 신호에 대해 상시에는 시간 영역에서의 분석을 수행하다가 부분방전의 가능성이 있는 것으로 판단되면, 주파수 영역에서의 분석을 수행하는 하이브리드 형태의 부분방전 신호 분석을 수행한다. 이로서 본 발명은 장비의 구성을 단순화시켜 비용을 절감함과 아울러 장비의 정확성 및 신뢰성을 극대화할 수 있는 효과를 야기한다.
<시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 시스템의 구성>
상기한 본 발명에 따르는 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 시스템의 구성을 도 1을 참조하여 설명한다.
상기 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 시스템은, 제1 내지 제N UHF PD 센서부(1001~100N)와 제1 내지 제N 로컬 장치(Local Unit)(2001~200N)와 통신제어장치(Communication & Control Unit)(300)와 메인 서버(Main Server)(400)와 모니터(402)와 프린터(404)와 제1 내지 제M 관리자 단말기(5001~500M)를 포함한다.
상기 제1 내지 제N UHF PD 센서부(1001~100N)는 GIS 내부의 부분방전 신호를 센싱하는 센서들로 구성되는 기기로써, GIS 인클로저(Encloser)에 설치되는 내장형 센서들 및 스페이스(Space) 외부에 설치되는 외장형 센서들, GIS 외부에 설치되어 GIS로 유입되는 노이즈 신호를 감지하는 노이즈 센서 등으로 구성된다. 예를들어 상기 제1 UHF PD 센서(1001)에는 내장형 혹은 외장형 센서인 제1 내지 제6센서(102~112)와 노이즈 센서(114)와 여유 채널(116)로 구성된다.
상기 제1 내지 제N UHF PD 센서부(1001~100N) 각각이 출력하는 센싱 신호들은 각각 제1 내지 제N 로컬 장치(2001~200N)로 제공된다. 여기서, 상기 센싱 신호는 UHF 대역의 RF 신호이고, 제1 내지 제N UHF PD 센서부(1001~100N)와 상기 제1 내지 제N 로컬 장치(2001~200N) 사이는 동축 케이블로 연결된다.
상기 제1 내지 제N 로컬 장치(2001~200N)는 제1 내지 제N UHF PD 센서부(1001~100N) 각각이 출력하는 센싱 신호들에 대해 시간 영역에서의 분석을 수행하여 그에 따른 시간 영역의 센싱 데이터들을 생성하여, 이를 누적한 후에 메인 서버(Main Server)(400)로 전송한다.
또한 상기 제1 내지 제N 로컬 장치(2001~200N)는 메인 서버(400)와의 통신을 통해 선택된 센서로부터의 센싱신호에 대해서는 시간 영역의 분석이 아닌 주파수 영역에서의 분석인 스펙트럼 분석하여 주파수 영역의 센싱 데이터를 생성하여, 이를 메인 서버(400)로 전송한다.
상기 통신 제어 장치(300)는, 상기 제1 내지 제N 로컬 장치(2001~200N)로부터 전송되는 이더넷 통신 데이터를 고속 장거리 전송이 가능하도록 광통신 데이터로 변환하여 상기 메인 서버(400)로 전송하고, 상기 메인 서버(400)로부터 광통신 데이터 형태로 제공되는 제어명령을 상기 이더넷 통신 데이터로 변환하여 제1 내지 제N 로컬 장치(2001~200N)로 제공한다. 또한 상기 통신 제어 장치(300)는 상기 메인 서버(400)로부터의 제어명령에 따라 제1 내지 제N 로컬 장치(2001~200N)의 전원을 제어한다.
상기 메인 서버(400)는 GIS 부분방전 감시 시스템의 전반적인 운영을 담당한다. 이를 위해 상기 메인 서버(400)는 제1 내지 제N 로컬 장치(2001~200N)로부터 전송되는 시간 영역의 센싱 데이터들, 또는 시간 영역의 센싱 데이터들 및 주파수 영역의 센싱 데이터를 제공받아 내부의 데이터베이스에 저장하고, 이를 실시간으로 가시화하여 모니터(402) 및 프린터(404)로 출력하거나 네트워크를 통해 연결된 원격지의 관리자 단말기(5001~500M)로 제공하여 관리자 등에 안내한다. 여기서, 상기 시간 영역의 센싱 데이터 및 주파수 영역의 센싱 데이터를 모두 포함하여 GIS 부분방전에 대한 상태정보라 한다.
특히 상기 메인 서버(400)는 상기 시간 영역의 센싱 데이터들을 분석하여 부분방전의 가능성이 있는지를 판단하고, 부분방전의 가능이 있는 것으로 판단되는 센싱 데이터가 있으면 그 센싱 데이터를 제공한 센서를 선택하고, 그 선택된 센서로부터의 센싱 신호는 주파수 영역의 센싱 데이터로 변환하여 제공하도록 하는 요청 메시지를 상기 센서로부터의 센싱 신호를 처리하는 로컬 장치로 제공한다. 상기 요청 메시지에 따라 주파수 영역의 센싱 데이터가 제공되면, 상기 메인 서버(400)는 그 주파수 영역의 센싱 데이터가 미리 정해둔 부분 방전시의 주파수 스펙트럼 패턴을 가지는지 여부를 토대로 부분방전 여부를 결정하고, 그 결정에 따른 알람 발생 등을 수행한다.
또한 상기 메인 서버(400)는 관리자의 요청에 따라 시간 영역에서의 센싱 데이터와 주파수 영역에서의 센싱 데이터를 선택적으로 가시화하여 부분방전에 대한 분석을 가능하게 한다.
상기 모니터(402)는 상기 메인 서버(400)의 제어에 따른 정보를 표시하여 안내한다.
상기 프린터(404)는 상기 메인 서버(400)의 제어에 따른 정보를 프린트하여 안내한다.
상기 제1 내지 제M 관리자 단말기(5001~500M)는 상기 메인 서버(400)와 네트워크를 통해 연결되어 원격지에서 상기 메인 서버(400)가 제공하는 GIS 부분방전에 대한 상태정보를 제공받아 안내한다.
<로컬 장치의 구성>
상기한 바와 같이 구성되는 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 시스템 중 중 제1 내지 제N 로컬 장치(2001~200N) 각각은 그 구성 및 동작이 동일하므로, 이하 설명의 편이상 제1 로컬 장치(2001)의 구성 및 동작만을 설명한다.
도 2는 제1 로컬 장치(2001)의 상세 구성을 도시한 것이다.
상기 제1 로컬 장치(2001)는 스위칭부(204)와 제1 내지 제8RF 처리부(2021~2028)와 스펙트럼 분석부(206)와 MCU(208)와 통신모듈(210)로 구성된다.
상기 제1 내지 제8RF처리부(2021~2028)는, 제1 UHF PD 센서부(1001)에 구비된 센서들로부터의 센싱신호를 제공받아 중간 주파수 대역으로 변조하고 전원 위상 신호에 동기화하여 AD 샘플링하고, 그 결과를 시간 영역의 센싱데이터로서 출력한다. 여기서, 상기 센싱신호는 UHF 대역의 RF 신호이다. 여기서, 상기 센싱신호를 중간 주파수로 변조하는 이유는 부분방전 신호는 UHF 대역에서 나타나므로, 신호를 NYQUIST 이론에 따라 최대 주파수의 두 배 이상으로 샘플링하기는 어렵기 때문이다. 이에 본 발명은 피크 포락선만 검출하도록 주파수를 떨어뜨린 후에 샘플링한다.
상기 MCU(208)는, 상기 제1 로컬 장치(2001)의 각부를 제어한다.
또한 상기 MCU(208)는 상기 메인 서버(400)로부터의 제어명령에 따라 스위칭부를 제어하여, 상시에는 센서들로부터의 센싱신호가 제1 내지 제8 RF 처리부(2021~2028)로 제공되게 하였다가, 메인 서버(400)에 의해 선택된 센서로부터의 센싱신호에 대해서는 스펙트럼 분석부(206)로 제공되게 한다.
상기 스위칭부(204)는, 상기 MCU(208)의 제어에 따라 상시에는 센서들로부터의 센싱신호가 제1 내지 제8 RF 처리부(2021~2028)로 제공되게 하였다가, 상기 MCU(208)의 제어에 따라 메인 서버(400)에 의해 선택된 센서로부터의 센싱신호에 대해서는 스펙트럼 분석부(206)로 제공되게 스위칭한다.
상기 스펙트럼 분석부(206)는, 스위칭부(204)를 통해 연결된 센서로부터의 센싱신호를 제공받아 주파수 성분을 분석하여 주파수 성분별 크기를 분석하고, 그 결과를 주파수 영역에서의 센싱데이터로서 출력한다.
상기 통신모듈(210)은, 상기 통신제어장치(300)와 MCU(208) 사이의 통신을 담당하며, 제1 내지 제8 RF 처리부(2021~2028)가 출력하는 시간 영역의 센싱 데이터, 스펙트럼 분석부(206)가 출력하는 주파수 영역의 센싱 데이터를 제공받아 상기 통신제어장치(300)를 통해 메인 서버(400)로 제공한다. 여기서, 상기 시간 영역의 센싱 데이터는 센싱 신호를 AD 변환한 결과이고, 상기 주파수 영역의 센싱 데이터는 센싱 신호의 주파수 성분별 크기 정보이다.
<RF 처리부의 구성>
상기한 바와 같이 구성되는 로컬 장치에 구비되는 제1 내지 제8 RF 처리부(2021~2028)는 그 구성 및 동작이 동일하다. 이에 이하 설명에서는 편이상 제1 RF 처리부(2021)의 구성 및 동작만을 설명한다.
상기 제1 RF 처리부(2021)의 구성을 도시한 도 3을 참조하면, 상기 제1 RF 처리부(2021)는 저잡음 증폭기(600)와 대역통과필터(602)와 RF 감지기(604)와 피크 감지기(606)와 아날로그-디지털 변환기(608)로 구성된다.
상기 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA)(600)는, UHF 대역에서 발생한 부분방전신호가 미약하기 때문에 안전적인 이득과 잡음 계수를 고려하여 신호를 증폭한다.
상기 대역통과필터(Band Pass Filter, BPF)(602)는, 센싱 신호로부터 불필요하게 인입된 외부 전자파 신호를 제거하기 위해 외부 전자파들의 특정 대역을 제거하여 필요한 대역 신호만 통과시키는 역활을 한다. 여기서, 상기 외부 전자파 신호는 휴대폰이나 무선랜, 레이더로부터 기인될 수 있다.
상기 RF 감지기(RF Detector)(604)와 피크 감지기(Peak and Holder)(606)는 부분방전시에 발생되는 UHF 대역 신호를 신호 가공이 용이한 중간 주파수 대역(20MHz 이하)의 신호로 변조하여 전압으로 출력하는 역할을 한다.
상기 RF 감지기(604)는 UHF 대역의 RF 신호를 전압 신호로 변환하는 역할을 한다. 특히, 피크 감지기(606)에서는 빠른 주파수로 변화하는 UHF 대역의 부분방전 신호에서 최대값을 찾아내서 이를 유지해 줌으로써 포락선 형태로 변형하고, 이에 중간 주파수로 변조된다.
상기 아날로그-디지털 변환기(Analog-Digital Converter, ADC)(608)는, 상기 중간 주파수로 변조된 신호를 AD 변환하여 출력하며, 이 출력이 시간 영역의 센싱데이터이다.
<스펙트럼 분석부의 구성>
상기한 로컬 장치에 구비되는 스펙트럼 분석부(206)의 구성을 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
상기 스펙트럼 분석부(206)는 믹서(700)와 VCO(702)와 스윕 생성기(704)와 RBW(706)와 VBW(708)와 포락선 검파기(710)로 구성된다.
상기 스윕 생성기(Sweep Generator)(704)는, 톱니파(Saw Wave)를 발생시켜 VCO(702)에 인가하여 특정 주파수 신호를 만든다. 여기서 상기 스윕 생성기(704)는 SPAN 설정한 주파수로 스윕하기 위해 톱니파의 주파수를 계속 변환하며 생성한다.
상기 VCO(Voltage Control Oscillator)(702)는, 상기 스윕 생성기(704)가 제공하는 톱니파를 주파수 신호롤 변환하는 역할을 수행한다. 상기 VCO(702)의 출력 주파수는, 중심주파수에서 SPAN 설정한 주파수만큼 스윕(순차적으로 변화함)하거나, 중심주파수로 고정된다(ZERO_SPAN).
상기 믹서(Mixer)(700)는, 센싱 신호와 상기 VCO(702)가 출력하는 신호와 혼합하여 특정 주파수 대역의 신호만을 추출하는 역활을 한다.
상기 RBW(Resolution Bandwidth)(706)는, 믹서(700)의 뒷단에 위치하여, 인접한 주파수 성분을 어느 해상도까지 분리하여 측정할지를 결정하는 장치이다.
상기 VBW(Video BandWidth)(708)는, 센싱 신호를 얼마나 부드럽게(Smooth) 할지 결정하는 것으로, 급격한 파형 변화를 제거하여 불필요한 잡음 및 오차 성분을 제거하는 역할을 한다.
상기 포락선 검파기(Envelop Detector)(710)는, 입력 신호에 대해 해당 주파수에서의 최대 크기를 검출하는 역할을 하며, 이 포락선 검파기(710)의 출력이 주파수 영역의 센싱 데이터이다. 이러한 포락선 검파기(710)는 시간 영역 분석에서의 피크 감지기, ADC와 동일한 기능을 수행한다.
상기한 바와 같이 본 발명은 로컬 장치에 8개의 RF 처리부와 하나의 스펙트럼 분석부를 구비시키고, RF 처리부들이 출력하는 시간 영역에서의 센싱 데이터들 중 GIS 부분방전을 지시하는 시간 영역에서의 센싱 데이터에 대해서만 스펙트럼 분석부로 제공하여 주파수 영역에서의 센싱 데이터를 획득할 수 있게 한다.
이로서 로컬 장치를 간소하게 구성하면서도 GIS 부분방전을 지시하는 센싱 신호에 대해 시간 영역과 주파수 영역을 연계하여 확인할 수 있게 하여, 온라인 GIS 부분방전 감시 시스템의 정확성 및 신뢰도를 향상시킬 수 있게 한다.
<메인 서버의 시간 영역 및 주파수 영역의 센싱 데이터 처리부>
상기한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메인 서버(400)는 제1 내지 제N 로컬 장치(2001~200N)로부터 제공되는 시간 영역의 센싱 데이터 또는 시간 영역 및 주파수 영역의 센싱 데이터를 수신받아 부분방전 여부를 결정한다.
이를 위해, 상기 메인 서버(400)에는 시간 영역의 센싱 데이터 처리부(800)와 주파수 영역의 센싱 데이터 처리부(810)가 구비된다.
상기 시간 영역의 센싱 데이터 처리부(800)와 주파수 영역의 센싱 데이터 처리부(810)의 구성 및 동작을 도 5를 참조하여 설명한다.
상기 시간 영역의 센싱 데이터 처리부(800)는 시간 영역의 센싱 데이터를 수신받아 시간 영역의 부분방전 특징값들을 추출하는 시간 영역의 부분방전 특징값 추출부(802)와, 상기 시간 영역의 부분방전 특징값 추출부(802)가 출력하는 시간 영역의 부분방전 특징값들을 토대로 시간 영역의 부분방전들의 확률들과 노이즈 확률을 검출하여 출력한다. 여기서 상기 시간 영역의 부분방전의 특징값들은 최대치, 카운트값, 평균값, 위상 등이다. 그리고 상기 시간 영역의 부분방전의 종류로는 자유 하전 입자, 부유 전극, 돌출 전극, 절연체 결합 등으로 구성될 수 있다.
상기 주파수 영역의 센싱 데이터 처리부(810)는 주파수 영역의 센싱 데이터를 수신받아 주파수 영역의 부분방전 특징값들을 추출하는 주파수 영역의 부분방전 특징값 추출부(812)와, 상기 주파수 영역의 부분방전 특징값 추출부(812)가 출력하는 주파수 영역의 부분방전 특징값들을 토대로 주파수 영역에서의 부분방전 유무를 판단하는 주파수 영역 분석엔진(814)으로 구성된다. 여기서, 상기 주파수 영역의 부분방전 특징값들은 최대치, 카운트값, 주파수 등이다.
그리고 상기 주파수 영역의 부분방전 분석은, 스펙트럼 분석기를 통해 획득한 스윕(SWEEP) 정보를 분석하여 신호의 크기가 한계치 이상의 값을 가지는 주파수를 검색하고, 그 주파수에 대해 제로 스팬(ZERO-SPAN)으로 전환하여 주파수 스펙트럼을 정밀 분석하고, 그 한계치 이상의 값을 가지는 주파수가 미리 정의된 부분방전 주파수 스펙트럼 패턴과 유사한지 여부를 통해 부분방전 여부를 결정한다.
<시간 및 주파수 영역이 연계된 분석 기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 방법>
이제 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시스템에 적용 가능한 GIS 부분방전 감시 방법의 절차를 도 6을 참조하여 설명한다.
제1 내지 제N UHF PD 센서부(10011~100N) 중 어느 하나는 다수의 센서를 통해 센싱을 이행하고, 그에 따른 센싱신호를 생성하여 제1 내지 제N 로컬장치(2001~200N) 중 어느 하나로 전송한다(900단계).
상기 제1 내지 제N 로컬장치(2001~200N) 중 어느 하나는 다수의 센서로부터의 센싱신호들을 시간 영역의 센싱 데이터로 변환하여 통신제어장치(300)를 통해 메인 서버(400)로 전송한다(902단계).
상기 메인 서버(400)는 시간 영역의 센싱 데이터들이 수신되면, 시간 영역의 센싱 데이터 각각으로부터 시간 영역의 부분방전 특징값들을 추출한다(904,906단계).
상기 메인 서버(400)는 상기 시간 영역의 부분방전 특징값들로부터 각 센서에서의 부분방전들에 대한 확률들과 노이즈 확률을 분석한다(908단계). 여기서, 분석하는 부분방전들은 자유 하전 입자, 부유 전극, 돌출 전극, 절연체 결함 등이다.
상기 메인 서버(400)는 상기 시간 영역의 센싱 데이터로부터 획득된 부분방전들의 확률들의 합이 노이즈 확률보다 큰 시간 영역의 센싱 데이터가 존재하는지를 체크한다(910단계). 상기 부분방전들의 확률들의 합이 노이즈 확률보다 큰 시간 영역의 센싱 데이터가 있으면, 그 시간 영역의 센싱 데이터에 대응되는 센서를 선택하고, 그 선택된 센서로부터의 센싱 신호에 대해 주파수 영역의 센싱 데이터를 요청하는 요청 메시지를 생성하여 해당 로컬 장치에 제공한다(912단계).
상기 요청 메시지를 수신받은 로컬 장치는, 그 요청 메시지에 의해 선택된 센서로부터의 센싱신호에 대해서만 주파수 영역의 센싱 데이터로 변환하여 메인 서버(400)로 제공한다(914단계).
상기 메인 서버(400)는 주파수 영역의 센싱 데이터를 수신받아(916단계), 주파수 영역의 센싱 데이터로부터 주파수 영역의 부분방전 특징값들을 추출한다(918단계).
상기 메인 서버(400)는 상기 주파수 영역의 부분방전 특징값들이 미리 정해둔 부분방전 주파수 스펙트럼 패턴에 대응되는지 여부를 통해 부분방전 여부를 결정한다(920단계).
상기 메인 서버(400)는 부분방전된 것으로 판별되면(922단계), 부분방전 알람 메시지를 생성하여 모니터(402) 및 프린터(404)를 통해 출력하거나, 네트워크를 통해 연결된 제1 내지 제M관리자 단말기(5001~500M)로 전송하여 통지한다(924단계).
1001~100N : 제1 내지 제N UHF PD 센서부
2001~200N : 제1 내지 제N 로컬 장치
300 : 통신제어장치
400 : 메인 서버
402 : 모니터
404 : 프린터
5001~500M : 제1 내지 제M 관리자 단말기
2001~200N : 제1 내지 제N 로컬 장치
300 : 통신제어장치
400 : 메인 서버
402 : 모니터
404 : 프린터
5001~500M : 제1 내지 제M 관리자 단말기
Claims (10)
- 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 시스템에 있어서,
GIS의 내부 및 외부에 설치된 센서들과 GIS로 유입되는 노이즈를 감지하는 센서들로 구성되는 다수의 센서부;
상기 다수의 센서부 각각에 연결되며, 상기 다수의 센서부에 속하는 센서들이 출력하는 센싱 신호들을 제공받고, 상기 센싱 신호들 중 일부는 주파수 영역의 센싱 데이터로 변환하고 상기 센싱 신호들 중 나머지는 시간 영역의 센싱 데이터로 변환하여 외부로 제공하는 다수의 로컬 장치;
상기 다수의 센서부에 속하는 센서들로부터의 센싱 신호에 따른 시간 영역의 센싱 데이터들을 제공받아 부분방전 가능성 여부를 판별하고,
부분방전 가능성이 있는 것으로 판단되는 센싱 데이터가 있으면, 그 센싱 데이터에 대응되는 센서와 연결된 로컬 장치로 해당 센서를 선택하여 해당 센서로부터의 센싱 신호에 대해서는 주파수 영역의 센싱 데이터를 제공하도록 요청하고,
주파수 영역의 센싱 데이터의 제공이 요청된 로컬 장치가 해당 센서로부터의 센싱 신호에 대한 주파수 영역의 센싱 데이터를 제공하면, 그 주파수 영역의 센싱 데이터가 미리 정해둔 주파수 스펙트럼에 대응되는지를 체크하여 부분방전 여부를 판별하는 메인 서버; 및
상기 다수의 로컬 장치와 상기 메인 서버 사이의 통신을 담당하는 통신 제어 장치;를 구비함을 특징으로 하는 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 메인 서버는,
상기 시간 영역의 센싱 데이터로부터 시간 영역의 부분방전 특징값들을 추출하고,
그 추출된 부분방전 특징값들로부터 시간 영역에서의 부분방전 항목들에 대한 부분방전 확률들과 노이즈에 대한 확률을 산출하고,
그 부분방전 항목들에 대한 부분방전 확률들을 더한 것이 노이즈에 대한 확률보다 클 때에 부분방전 가능성이 있다고 판단함을 특징으로 하는 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 로컬 장치는,
상기 다수의 센서부 중 어느 한 센서부에 속하는 센서들에 각각 대응되며, 해당 센서로부터의 센싱 신호를 제공받아 시간 영역의 센싱 데이터로 변환하는 RF 처리부들;
상기 다수의 센서부 중 어느 한 센서부에 속하는 센서들 중 선택된 일부 센서로부터의 센싱 신호를 제공받아 주파수 영역의 센싱 데이터로 변환하는 하나 이상의 스펙트럼 분석부;
상기 센서들로부터의 센싱 신호들을 상기 RF 처리부들로 제공하거나, 상기 센서들로부터의 센싱 신호들 중 선택된 일부만 상기 하나 이상의 스펙트럼 분석부로 제공하는 스위칭부;
상기 메인 서버의 제어명령에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 MCU; 및
상기 MCU와 상기 메인 서버 사이의 통신을 담당하는 통신모듈;을 구비함을 특징으로 하는 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 RF 처리부들의 각각은,
상기 센서들로부터의 센싱 신호 중 어느 하나를 입력받아 저잡음 증폭하는 저잡음 증폭기;
상기 저잡음 증폭된 신호에 대해 미리 정해둔 대역신호만 통과시키는 대역통과필터;
상기 대역통과필터에 의해 필터링된 신호에 대해 전압 신호로 변환하는 RF 감지기;
상기 RF 감지기의 출력신호에 대해 최대값(피크)을 검출하여 유지하여 포락선 형태로 변형하는 피크 감지기;
상기 피크 감지기의 출력을 AD 변환하는 아날로그-디지털 변환기;로 구성됨을 특징으로 하는 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 스펙트럼 분석부는,
톱니파를 발생시키며 SPAN 설정한 주파수로 스윕하기 위해 상기 톱니파의 주파수를 계속 변환하는 스윕 생성기;
상기 스윕 생성기가 출력하는 톱니파를 주파수 신호로 변환하는 VCO;
상기 센서들로부터의 센싱 신호 중 어느 하나를 입력받아 상기 VCO가 출력하는 신호와 혼합하여 특정 주파수 대역의 신호만을 추출하는 믹서;
상기 믹서의 뒷단에 위치하여 인접 주파수 성분을 어느 해상도까지 분리할지 결정하는 RBW(Resolution Bandwidth);
상기 RBW가 출력하는 신호에 대해 급격한 파형 변화를 제거하여 불필요한 잡음 및 오차 성분을 제거하는 VBW; 및
상기 VBW가 출력하는 신호에 대해 주파수별 최대 크기를 검출하는 포락선 검파기;로 구성됨을 특징으로 하는 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시시스템. - 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 시스템을 위한 로컬장치에 있어서,
상기 GIS 부분방전 감시 시스템에 구비되는 다수의 센서부 중 어느 한 센서부에 속하는 센서들에 각각 대응되며, 해당 센서로부터의 센싱 신호를 제공받아 시간 영역의 센싱 데이터로 변환하는 RF 처리부들;
상기 다수의 센서부 중 어느 한 센서부에 속하는 센서들 중 선택된 일부 센서로부터의 센싱 신호를 제공받아 주파수 영역의 센싱 데이터로 변환하는 하나 이상의 스펙트럼 분석부;
상기 센서들로부터의 센싱 신호들을 상기 RF 처리부들로 제공하거나, 상기 센서들로부터의 센싱 신호들 중 선택된 일부만 상기 하나 이상의 스펙트럼 분석부로 제공하는 스위칭부;
메인 서버의 제어명령에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 MCU; 및
상기 MCU와 상기 메인 서버 사이의 통신을 담당하는 통신모듈;을 구비함을 특징으로 하는 로컬장치. - 제6항에 있어서,
상기 RF 처리부들의 각각은,
상기 센서들로부터의 센싱 신호 중 어느 하나를 입력받아 저잡음 증폭하는 저잡음 증폭기;
상기 저잡음 증폭된 신호에 대해 미리 정해둔 대역신호만 통과시키는 대역통과필터;
상기 대역통과필터에 의해 필터링된 신호에 대해 전압 신호로 변환하는 RF 감지기;
상기 RF 감지기의 출력신호에 대해 최대값(피크)을 검출하여 유지하여 포락선 형태로 변형하는 피크 감지기;
상기 피크 감지기의 출력을 AD 변환하는 아날로그-디지털 변환기;로 구성됨을 특징으로 하는 로컬장치. - 제6항에 있어서,
상기 스펙트럼 분석부는,
톱니파를 발생시키며 SPAN 설정한 주파수로 스윕하기 위해 상기 톱니파의 주파수를 계속 변환하는 스윕 생성기;
상기 스윕 생성기가 출력하는 톱니파를 주파수 신호로 변환하는 VCO;
상기 센서들로부터의 센싱 신호 중 어느 하나를 입력받아 상기 VCO가 출력하는 신호와 혼합하여 특정 주파수 대역의 신호만을 추출하는 믹서;
상기 믹서의 뒷단에 위치하여 인접 주파수 성분을 어느 해상도까지 분리할지 결정하는 RBW;
상기 RBW가 출력하는 신호에 대해 급격한 파형 변화를 제거하여 불필요한 잡음 및 오차 성분을 제거하는 VBW; 및
상기 VBW가 출력하는 신호에 대해 주파수별 최대 크기를 검출하는 포락선 검파기;로 구성됨을 특징으로 하는 로컬장치. - 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 방법에 있어서,
GIS의 내부 및 외부에 설치된 센서들과 GIS로 유입되는 노이즈를 감지하는 센서들을 포함하는 다수의 센서부가 센싱신호를 생성하여 출력하는 단계;
상기 다수의 센서부 각각에 연결되는 다수의 로컬 장치가, 상기 다수의 센서부에 속하는 센서들이 출력하는 센싱 신호들을 제공받아 모두 시간 영역의 센싱 데이터로 변환하여 외부의 메인 서버로 제공하는 단계;
상기 메인 서버가, 상기 다수의 로컬 장치를 통해 상기 다수의 센서부에 속하는 센서들로부터의 센싱 신호에 따른 시간 영역의 센싱 데이터들을 제공받아 부분방전 가능성 여부를 판별하고,
부분방전 가능성이 있는 것으로 판단되는 센싱 데이터가 있으면, 그 센싱 데이터에 대응되는 센서와 연결된 로컬 장치로,
해당 센서를 선택하여 해당 센서로부터의 센싱 신호에 대해서는 주파수 영역의 센싱 데이터를 제공하도록 요청하는 요청메시지를 생성하여 해당 로컬장치로 전송하는 단계;
상기 요청 메시지를 수신한 로컬 장치가, 상기 요청 메시지에 따라 선택된 센서로부터의 센싱 신호에 대해서는 주파수 영역의 센싱 데이터를 생성하여 상기 메인 서버로 전송하는 단계;
상기 메인 서버가 상기 선택된 센서로부터의 센싱 신호에 대한 주파수 영역의 센싱 데이터를 제공받아, 그 주파수 영역의 센싱 데이터가 미리 정해둔 주파수 스펙트럼에 대응되는지를 체크하여 부분방전 여부를 판별하는 단계;를 구비함을 특징으로 하는 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 방법. - 제9항에 있어서,
상기 메인 서버가,
상기 시간 영역의 센싱 데이터로부터 시간 영역의 부분방전 특징값들을 추출하고,
그 추출된 부분방전 특징값들로부터 시간 영역에서의 부분방전 항목들에 대한 부분방전 확률들과 노이즈에 대한 확률을 산출하고,
그 부분방전 항목들에 대한 부분방전 확률들을 더한 것이 노이즈에 대한 확률보다 클 때에 부분방전 가능성이 있다고 판단함을 특징으로 하는 시간 및 주파수 영역이 연계된 분석기능을 가지는 GIS 부분방전 감시 방법.
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