KR101533948B1 - 전력 제어 설비의 모니터링 시스템 - Google Patents

전력 제어 설비의 모니터링 시스템 Download PDF

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Abstract

전력 제어 설비의 모니터링 시스템은 상기 전력 제어 설비의 금속 하우징 내에서 발생되는 초음파를 감지하는 초음파 센서; 부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부의 적외선을 감지하여 온도를 검출하는 적외선 센서; 및 상기 초음파 센서에서 감지된 초음파를 가청 주파수대의 신호로 변환하고, 상기 초음파 센서에서 감지된 초음파를 통해 아크 방전 또는 코로나 방전의 발생 여부를 판단하고, 상기 적외선 센서에서 감지된 온도를 이용하여 건전성 평가 지수를 산출한 후, 상기 가청 주파수대의 신호, 상기 아크 방전 또는 코로나 방전의 발생 여부, 그리고 상기 건전성 평가 지수를 사용자에게 시청각적으로 안내하기 위한 모니터링 정보를 생성하여 모니터 및 스피커를 통해 출력하거나 외부의 장치로 제공하는 모니터링 수행부;를 포함하며, 상기 모니터링 수행부는 상기 건전성 평가 지수를
Figure 112015039335665-pat00019
에 따라 산출하며, 상기 S는 건전성 확률, 상기 ωi는 i번째 데이터의 가중치, 상기 μi(xi)는 i번째 데이터의 기대값, 상기 χi는 i번째 데이터의 입력값이며, 상기 μi(xi)는
Figure 112015039335665-pat00020
에 의해 정의되는 퍼지 소속 함수(fuzzy memebership function)이고, 상기 a는 구간의 하한치, 상기 b는 구간의 상한치, 상기 λ는 곡선의 기울기, 상기 υ는 굴절점것을 특징으로 한다.

Description

전력 제어 설비의 모니터링 시스템{MONITORING SYSTEM FOR ELECTRIC POWER EQUIPMENT}
본 발명은 고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반 등과 같은 전력 제어 설비의 동작 상태 모니터링 기술에 관한 것으로서, 구체적으로는 적외선 및 초음파 센싱 기술을 이용하여 보다 상세하고 다양한 모니터링 정보를 획득 및 제공할 수 있도록 하는 전력 제어 설비의 모니터링 시스템에 관한 것이다.
수배전반은 수많은 배선과 개폐기, 차단기, 계전기 등의 부품이 밀집되어 있는데, 그 기능이 상시 동작하면서 열화와 노후화 그리고 화재 발생으로 까지 이어지는 사고가 빈번하게 발생하고 있다
이러한 수배전반의 특성상 열화와 화재 등을 미리 감지하고 미연에 방지하기 위한 수단이 강구되고 있다. 그 중 아크(arc)나 코로나(corona) 방전이 주요 사고 원인이 되어 화재나 폭발 등으로 이어질 수 있다.
아크 화재의 경우, 지락이나 용량 초과, 타 물건과의 접촉 등에 의 해 비정상적인 전류가 흐르게 되어 고압, 저압 배전반 내부의 부스바, 케이블, 전 선간의 접촉부, 단자 접촉부 등이 과열된다. 이로 인하여 다른 물체에 접촉함으로 써 고장 부위에서 선이 절단되어 차단되거나 부분적인 접촉으로 계속적인 반복적인 아크를 발생시키게 된다.
이와 같이 아크의 발생을 방지하는 것이 쉽지 않으므로, 아크의 발 생시 이를 신속하고 정확하게 감지하여 화재를 예방하는 것이 매우 중요하다.
한편, 전기가 고전압선 주변이나 저압부의 전기적 연결부의 결함부 분을 흐를 때 주변의 공기 분자들을 교란시키고 이 공기의 교란에 의한 공기 분자 들의 충돌에 의해 코로나가 발생하고 그에 따른 초음파를 발생시킨다. 흔히 이 소 리들은 일반적으로 딱딱 때리는 것 같은 소리 또는 톡톡 튀기는 소리로 감지되기도 하며 부저를 울리는 소리로도 들린다. 아크나 코로나 중 소리 에너지로 전환되는 에너지는 대략 99%가 초음파 영역으로 전환된다.
이러한 초음파 검출 역시 다양한 형태의 잠재적인 전기적 고장들, 특히 아킹, 코로나, 트래킹 같은 전기적 고장을 확인하는 데 이용될 수 있다.
초음파 검출 장치는 비교적 장치가 간단하고 현장 적용에 용이하며, 전기적인 측정 방식과는 서로 상호 간섭을 일으키지 않으며, 고전압 기기의 전기적 측정에서 문제가 되고 있는 정전 용량 및 외부 잡음에 대한 영향도 받지 않으므로 방전 감지에 매우 요긴하게 이용될 수 있다.
다른 한편, 수배전반 내부에는 수많은 장치들이 내장되어 있고 그 배선도 매우 복잡하여 일일이 그 열화를 모두 모니터링하기가 쉽지는 않다.
기존의 수배전반 온도 감지 방식은 주로 열화 감시 대상 부위가 특정 임계 온도를 넘어서는지를 판단하여 위험 여부를 이분법적으로 판단하고 있다. 그러나, 열화나 온도 상승은 연속적으로 상태의 변화가 심하며 단순히 임계 온도를 기준으로 열화를 판단할 만큼 간단하지는 않다.
또한, 기존 방식은 온도 상승이 커지거나 열화가 심화되는지 등의 열화의 변화 추이도 알 수가 없다는 문제가 있다.
그러므로 열화 상태를 좀 더 세밀하고 정확하게 판단할 방안이 요 구되며, 그에 따른 열화 허용 여부에 대한 자동 알고리즘도 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허 제0763648호 (2007.09.27)
본 발명의 목적은 적외선 및 초음파 센싱 기술을 이용하여 고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반 중 적어도 하나를 포함하는 전력 제어 설비의 동작 상태를 보다 상세하고 다양하게 모니터링할 수 있도록 하는 전력 제어 설비의 모니터링 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 목적에 따른 전력 제어 설비의 모니터링 시스템은, 상기 전력 제어 설비의 금속 하우징 내에서 발생되는 초음파를 감지하는 초음파 센서; 상기 초음파 센서에서 감지된 초음파를 통해 아크 방전 또는 코로나 방전의 발생 여부를 판단하는 방전 상태 확인부; 상기 초음파 센서에서 감지된 초음파를 가청 주파수대의 신호로 변환하는 가청 주파수 변환부; 부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부의 적외선을 감지하여 온도를 검출한 후, 상기 검출된 온도에 상응하는 주파수를 발생하여 전원 라인으로 출력하는 적외선 센서; 상기 전원라인을 통해 전송되는 주파수를 다시 전압신호로 변환하는 주파수-전압 변환부를 구비하고, 상기 주파수-전압 변환부를 통해 변환된 전압 신호를 기반으로 상기 적외선 센서의 검출 온도를 파악한 후 상기 주파수-전압 변환부를 파악된 아크 방전 횟수 및 코로나 방전의 발생 횟수를 함께 고려하여 건전성 평가 지수를 산출하는 건정성 평가 지수 산출부; 및 상기 가청 주파수대의 신호, 상기 아크 방전 또는 코로나 방전의 발생 여부, 그리고 상기 건전성 평가 지수를 사용자에게 시청각적으로 안내하기 위한 모니터링 정보를 생성하여 모니터 및 스피커를 통해 출력하거나 외부의 장치로 제공하는 리포팅 정보 생성부;를 포함하며, 상기 적외선 센서는 측정 온도에 상응하는 전압을 발생 및 출력하는 비접촉식 적외선 온도 엘리멘트; 상기 비접촉식 적외선 온도 엘리멘트의 출력 전압을 주파수로 변환 및 출력하는 전압-주파수 변환기; 상기 전압-주파수로부터 출력되는 주파수를 임피던스 변환하여 출력하는 트랜지스터; 및 상기 트랜지스터의 출력을 상기 전원 라인으로 출력하는 커패시터를 포함하며, 상기 건정성 평가 지수 산출부는 상기 건전성 평가 지수를 "
Figure 112015053453213-pat00029
"의 식에 따라 산출하며, 상기 HPI는 건전성 확률, 상기 u1(x1)는 아크발생누적 횟수에 대응되는 멤버쉽 함수, 상기 u2(x2)는 부분방전누적 횟수에 대응되는 멤버쉽 함수, 상기 u3(x3)는 온도입력값에 대응되는 멤버쉽 함수이며, 상기 멤버쉽 함수(u1(x1), u2(x2) 및 u3(x3))는 의 식에 의해 정의되는 퍼지 소속 함수(fuzzy memebership function)인 것을 특징으로 한다.
상기 퍼지 소속 함수는 미리 설정된 a, b, λ, υ에 의해 상기 기대값이 결정되며, 상기 λ가 커지 면 기울기가 커지고, 상기 υ가 커지면 상기 퍼지 소속 함수의 중심점이 오른쪽으 로 이동하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
삭제
상기 방전 상태 확인부는, 방전 종류와 초음파에 의한 방전 발생 여부 및 방전 종류를 디스플레이하도 록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 전력 제어 설비는 고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 목적은 력 제어 설비의 모니터링 시스템은 적외선 및 초음파 센싱 기술을 이용하여 고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반 중 적어도 하나를 포함하는 전력 제어 설비의 동작 상태를 적외선 및 초음파 센싱 기술을 통해 모니터링할 수 있도록 한다. 즉, 아크방전이나 코로나 방전에 의해 초음파를 감지하여 출력함으로써 구성됨으로써, 아크 방전이나 코로나 방전의 발생을 실시간으로 파악하여 사용자에게 알려줄 수 있다. 이러한 초음파의 주파수 패턴과 초음파의 발생 여부를 종합적으로 판단하여 아크 방전이나 코로나 방전의 발생 여부에 대해 정확한 판단을 할 수 있으며, 그 종류도 판별할 수 있다. 이에, 사용자의 위험 감지와 대처를 신속하게 수행하는데 도움이 될 수 있다.
또한, 수배전반 내 부스바 접속부에 대한 각 요소들의 허용기준 경계의 불확실성을 처리하고 보다 효과적인 소속 정도를 설정하고 부스바 접속부의 건전성 즉 열화 정도나 열화 여부를 평가할 수 있는 효과가 있다.
특히 적외선 센서를 통해 획득된 정보를 기반으로 온도 감지 대상 부위의 재료의 물리적 성질에 따라 열화 여부와 열화 허용 여부를 판단함으로써, 단순한 온도만이 아니라 재료별로 정확한 열화 상태를 진단 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 설비의 모니터링 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감지에 의한 코로나 방전의 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감지에 의한 아크 방전의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 센서의 회로도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 소속 함수의 출력 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내 용에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물 을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용 될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요 소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속 되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사 용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하 게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지도" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가 진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도1는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 설비의 모니터링 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도1의 모니터링 시스템(100)은 초음파 센서(110), 적외선(infrared) 센서(120), 및 모니터링 수행부(130)를 포함하며, 모니터링 수행부(130)는 방전 상태 확인부(131), 가청 주파수 변환부(132), 건전성 평가 지수 산출부(133), 리포팅 정보 생성부(134), 사용자 인터페이스(135), 및 통신부(136) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
모니터링 시스템(100)은 기존처럼 아크에 의한 전류 파형을 분석하여 아크를 감지하는 것이 아니라 아크에 의해 발생되는 초음파를 검출하여 아크 방전 또는 코로나 방전의 발생 여부를 검출하도록 구성된 다.
기존의 방식에서는 전력 제어 설비 내부의 고전압에 의한 노이즈로 인해 아크 전류 파형이 왜곡되거나 일그러져 아크의 발생을 정확하게 검지해내지 못하는 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 아크에 의해 발생되는 초음파를 검출하도록 구 성되어 내부 노이즈의 영향을 받지 않는다.
한편, 모니터링 시스템(100)은 고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반 중 하나로 구성되는 전력 제어 설비(10)의 내부 열화를 적외선 감지에 의해 검출하도록 구성되며 초음파 검출에 의한 아크/코로나 방전을 고려한 건전성 평가 지수를 산출하도록 구성된다. 이에 의해, 보다 복합적이 고 정확한 온도 지수에 의한 수배전반의 열화와 성능 노후, 화재 방지에 유용하게 활용될 수 있다.
이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
초음파 센서(110)는 전력 제어 설비(10)의 금속 하우징 내에서 발생되는 초음파를 감지하도록 구성될 수 있다.
전력 제어 설비(10)의 내부에서는 아크 방전 이나 코로나 방전에 의해 초음파가 발생하게 되는데, 이러한 초음파 감지를 통해 간접적으로 아크 방전과 코로나 방전의 발생 여부를 검출할 수 있게 된다. 도 2 을 참조한다.
방전 상태 확인부(131)은 초음파 센서(110)에서 감지된 초음파를 통해 아 크 방전 또는 코로나 방전의 발생 여부를 판단하도록 구성될 수 있다.
초음파는 사람이 들을 수 있는 가청 주파수 대역에 있지 않으므로, 초음파의 발생 여부를 초음파 센서(110)가 감지하면 방전 상태 확인부(131)이 그 발생 여부를 판단한다. 코로나 방전이나 아크 방전은 그 특성이 달라 초음파의 주파수 대역에서도 차이가 있다.
가청 주파수 변환부(132)는 초음파 센서(110)에서 감지된 초음파를 가청 주파수대의 신호로 변환하도록 구성될 수 있다.
가청 주파수 변환부(132)에서 변환된 가청 주파수대의 신호는 스피 커 등을 통해 출력되면 사용자가 아크 방전이나 코로나 방전의 발생을 실시간 모니 터링할 수 있다.
본 발명의 초음파 센서(110)는 먼 저 디커플러(decoupler)에 의해 초음파 신호의 잡음을 제거하고, 증폭한다. 그리 고 믹서(mixer)에 의해 30-48 kHz의 발진 주파수와 믹싱하여 가청 주파수대의 신호 대역으로 변환하여 로우 패스 필터(low pass filter)를 통해 원하는 가청 주파수 대역의 신호를 필터링하여 출력하고 음성 출력하도록 구성된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감지에 의한 코로나 방 전의 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감지에 의한 아크 방 전의 그래프이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 초음파의 출력 패턴은 코로나 방전의 경우에는 보다 넓은 주파수 대역에서 초음파 신호가 연속적으로 검출되며, 아크 방전의 경우에는 보다 좁은 주파수 대역에서 강하게 나타나고 있음을 알 수 있다.
이러한 출력 패턴을 방전 상태 확인부(131)의 디스플레이상에 표시함으로 써, 아크 방전인지 코로나 방전인지를 사용자가 쉽게 판단할 수 있도록 구성될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 적외선 센서(120)은 부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부의 적외선을 감지하여 온도를 검출하 도록 구성될 수 있다.
적외선 센서(120)은 부스바, 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부(200)와 같이 열화나 화재의 취약 지점에서 방사되는 적외선을 감지하여 지점의 온도를 검출한다.
여기서, 적외선 센서(120)은 단일 일레멘트에 의한 단일 지점의 온 도를 검출하고 또는 선택적으로 멀티 어레이 영역의 온도를 검출 할 수 있는 센서 일레멘트를 이용하여 다 지점의 온도를 계측할 수 있는 구조로 사용될 수 있도록 하며,온도를 주파수 변조하여 출력하도록 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 센서의 회로도이다.
도 4를 참조하면, 적외선 센서(120)은 -30℃ ~ +500℃의 피사체의 온도를 측정할 수 있는 적외선 엘레먼트(element)에 레퍼런스(reference) 출력 1.225 Vdc와 측정된 온도 계수에 따라 온도에 비례하는 단일 또는 다 지점의 온도 를 아날로그 출력을 내보내는 회로와 연결된다.
온도 측정 감도는 15 mV/℃이다.
적외선 센서(120)의 전원선과 출력 신호선의 4가닥을 선을 2가닥의 선으로 줄여 다수의 센서 연결선 대한 배선의 복잡성을 감소시키고, 그에 따른 외 부 노이즈의 감소 등의 장점을 추구하도록 구성된다.
물론 기존의 PLC통신도 전원 라인에 신호 데이터를 실어 주파수 변 조하는 방식이 동일하지만 전원 라인이 교류인 것과 별도의 송수신부의 모뎀 회로 가 추가되어야 하는 등 본 발명의 적외선 센서(120)의 설계와는 거리가 있다.
적외선 센서(120)은 라인에 중첩시켜 신호를 전송할 수 없기 때문에 적외선 센서(120)의 전압 신호를 주파수로 변환하고 전원 라인에 캐리어를 실어 2가닥으로 전송하는 방법을 구현하였다.
피 측정 물체로부터 측정된 적외선 센서(120)의 온도데이터는 전압-주파 수 변환기에서 센서 데이터 입력 레벨에 맞는 주파수로 변환되어 C1을 통해 정전류 원으로 들어오는 전원 라인에 더해진다.
공급되는 전원은 내부의 전원 공급부에서 +5 V의 정전압원으로 적외선 센서(120)과 전압-주파수 변환기의 전원으로 공급되게 된다.
전압-주파수 변환기는 측정 입력 전압 Vdc를 주파수로 변환 출력하 는 회로로서 1 Hz ~ 10 KHz의 범위로 동작한다.
발진 주파수 출력은 다음 수학식 1과 같이 구한다.
Figure 112015039335665-pat00003
전압-주파수 변환기의 출력은 측정용 Vc 입력 단자로 입력되는 값에 따라 임계치 각각 비교 전압 출력과 변환 주파수 출력, 그리고 전류 출력으로 출력 된다.
이때 주파수 출력 이득의 설정을 위해 R4, VR5를 사용하고, 허용오 차 조정을 위해 R1, C2, R2를 사용한다
피측정체로부터 측정된 U2(비접촉식 적외선 온도 엘레멘트)의 온도출력 레벨(AOT)은 소자 U1으로 입력되며, U2의 AOR(REFERNCE LEVEL)과 비교하여 출력 차에 대한 레벨에 대해 주파수 변환이 이루어진다.
소자 U1의 단자 F-OUT으로 출력된 변환된 주파수는 Q1에서 임피던스 변환이 이루어진 후 C5를 통해 정전류원 소스의 입력 접속점 J1으로 연결되어 전원 라인에 주파수 신호를 출력하게 된다.
각부의 전원공급은 J1에서 입력된 전류원 소스를 정전압 소스(+5V) 로 변환하여 각부의 전원으로 공급하게 된다.
정전류원 소스 J1으로 출력된 변환주파수는 메인 컨트롤러에서 주파 수신호 측만 분리하여 증폭한 후, 주파수를 다시 전압신호로 변환해주는 F-V 컨버 터(converter)에 의해 DC 전압 신호로 변환 후 측정온도로 표시되게 된다.
건전성 평가 지수 산출부(133)은 적외선 센서(120)에서 감지된 온도를 이용하여 건전성 평가 지수를 산출하도록 구성될 수 있다.
건전선 평가 지수 산출부(133)은 건전성 평가 지수를 다음 수학식 2 에 의해 산출하도록 구성될 수 있다.
Figure 112015039335665-pat00004
여기서, S는 건전성 확률, ωi는 i번째 데이터의 가중치, μi(xi)는 i번째 데이터의 기대값, χi는 i번째 데이터의 입력값이다.
건전성 평가 지수는 온도 감지 대상의 열화 정도와 열화에 따른 허 용 여부를 나타내며, 각 데이터의 기대값들의 가중치 합으로 구성된다.
기대값은 다음 수학식 3과 같이 구성된다.
Figure 112015039335665-pat00005
여기서, 기대값은 퍼지 소속 함수(fuzzy memebership function)로서, a는 구간의 하한치, b는 구간의 상한치, λ는 곡선의 기울기, υ는 굴절점으로 구성된다.
여기서, a, b, λ, υ는 사용자에 의해 선택되어 결정되는 값으로서, 그 선택과 조정에 따라 특정 검출값에 따른 기대값을 사용자가 결정할 수 있게 된다.
예를 들어, 퍼지 소속 함수는 그 인자들의 선택에 따라 다음 표 1과 같이 다르게 설정될 수 있다.
Figure 112015039335665-pat00006
여기서 a, b는 구간 최소값 및 구간 최대값으로 온도값으로 설정될 수 있다.
이러한 인자들의 선택에 따라 기대값들의 변화가 달라지게 되며 그 선정이 매우 중요하다.
여기서 도 5 내지 도 7을 잠시 참조한다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 소속 함수의 출력 그래프이다.
도 5는 소속함수 2, 도 6은 소속함수 3, 도 7은 소속함수 6에 대한 출력 그래프로서, 각 그래프는 인자들의 설정에 따른 기대값의 변화 추이를 그대로 나타낸다. 즉, 최대치, 최소치, 기울기 등이 그대로 나타나 건전성 평가를 위한 기 준이 설정됨을 알 수 있다.
이와 같이 퍼지 소속 함수는 미리 설정된 a, b, λ, υ에 의해 상기 기대값이 결정되는데, λ가 커지면 기울기가 커지고, υ가 커지면 상기 퍼지 소속 함수의 중심점이 오른쪽으로 이동하는 것을 알 수 있다.
그 예시는 다음 표 2와 같다.
건전성
평가
지수		 접속부 온도상승한도 0.25 10 75 2.0 0.6
접속부 최고 허용온도 0.25 50 105 3.0 0.5
온도기울기 0.25 0.577 3.73 2.0 0.5
전류기울기 0.25 0.577 11.4 3.0 0.6
즉, 인자들을 온도에 대한 값으로 설정하면, 표 2의 예시와 같이 될 수 있는데, 여기서는 공기중의 무도금 상태의 동부스바에 대한 건전성 평가지수를 산출하기 위한 인자의 설정 예시이다. 접속부 온도 상승한도 및 접속부 최고 허용 온도는 접속부의 재질에 따라 달라지게 된다.
본 예시에서는 주위온도 20℃를 기준으로 최대 75℃까지 설정되어 있으므로 최소값을 10℃, 최대값을 75℃로 설정하였다. 접속부 최고 허용한도는 공기 중의 무도금 상태에 대한 동부스바가 105℃까지 규정되어 있으므로 최소 값을 50℃로, 최대 값을 105℃로 설정하였다.
온도 기울기는 정해진 주기 동안 단위 시간당 온도의 기울기가 최소 30°에서 최대 75°로 설정하였으며, 전류 기울기는 결상이나 단락 등의 원인으로 정해진 주기 동안 단위 시간 당 전류의 기울기가 최소 30°에서 최대 85°로 설정 하였다.
각 항목 별 곡선의 기울기 λ와 굴절점 υ는 수배전반 업체에서 제 공하는 부스바의 과열로 인한 화재 발생 및 단선 등의 결과 데이터를 참조하여 값 을 선정한다. 건전성 평가지수 연산에 필요한 각 항목 별 가중 값은 각각 0.25로 설정하였다.
건전성 평가 지수는 온도, 아크, 코로나 방전 뿐만 아니라, 선택적으로 부분 방전도 함께 고려되어 산출될 수 있는데, 이하에서는 이러한 건전성 평 가 지수의 산출에 대하여 설명한다.
건전성 평가 지수 산출부(133)은 최근 한 달간의 아크 발생 누적회 수, 최근 한 달간의 코로나 방전 발생 누적회수, 한 달 간의 부분 방전 발생횟수, 현재 온도를 입력으로 하여 건전성 지수(Healthy Performance Index)를 계산하여 출력한다. 부분 방전의 경우, 입력을 피코 쿨롱[pC] 단위의 부분 방전 발생량으로 대신하여 건전성 지수를 산출할 수 있도록 한다.
본 발명에서는 각 입력들의 허용 기준 경계의 불확실성을 처리하기 위하여 퍼지 추론방법을 적용하였으며, 메인 컨트롤러(130)는 퍼지 셋(Fuzzy Set) 기반 퍼지모델의 구조를 사용한다.
입력변수는 최근한 달간의 아크 발생 누적회수, 최근 한 달간의 코로나 방전 발생 누적횟수, 한 달 간의 부분 방전 발생횟수, 현재 온도를 각각 x1,x2,x3로 정의하며, 퍼지규칙은 다음 수학식 4의 3개의 규칙으로 표현된다.
Figure 112015039335665-pat00007
여기서, u1 (x1)은 각 입력에 대한 퍼지 소속함수이다. 본 발명에서는 퍼지 소속함수(fuzzy membership function)로서 S 형태의 소속함수를 사용한다. 이 방법은 계수의 조정을 통해 사용자가 원하는 소속정도를 설정할 수 있는 장점이 있다. S형태의 소속함수는 다음 수학식 5와 같이 정의된다.
Figure 112015039335665-pat00008
여기서 a는 구간의 하한치, b는 구간의 상한치, λ는 곡선의 기울기, v는 굴절점으로써 적절하게 조정되어야 한다.
본 발명에서는 각 입력에 대한 함수의 파라미터를 다음과 같이 적용 하였다.
최근 한 달간의 아크발생 누적회수입력에 대한 소속함수의 형태와 파라미터는 다음과 같다.
도8을 참고하면, 소속함수의 출력값에 100을 곱한 값으로 최근 한 달간 30 회의 아크가 발생하면 아크발생 지수는 30 이 되고, 70 회 발생하면 70이 된다. 100 회 이상이 발생하면 아크발생지수는 100 이 된다.
초음파 감지에 의해 최근 한 달간의 코로나 방전 발생 회수입력에 대한 소속함수의 형태와 파라미터는 다음과 같다.
소속함수의 출력 값에 100을 곱한 값으로 최근 한 달간 30 회의 코로나 방전이 발생하면 코로나 방전 발생 지수는 30 이 되고, 70회 발생하면 70 이 된다. 100 회 이상이 발생하면 코로나 방전 발생지수는 100이 된 다.
부분 방전의 소속함수에 대한 부분 방전 발생지수도 상기와 같은 절 차로 산출된다.
온도 입력에 대한 소속함수의 형태와 파라미터는 다음과 같다.
소속함수의 출력 값에 100을 곱한 값이다. 일반적으로 전기설비는 허용온도가 있으며 진단하고자 하는 설비의 허용온도를 고려하여 파라미터를 설정한다. 일반적으로 전기설비는 스펙은 40℃ 기준 검사하게 된다. 본 발명에서는 75℃이상이 되면 온도지수가 100이 되며 50℃이하에서는 온도 지수가 0 이 되도록 설정하였다.
아크 방전 지수, 코로나 방전지수, 부분방전 발생 지수, 온도 지수 는 Dombi 소속함수의 출력에 100을 곱한 값으로써 100에 가까울수록 열화가 많게 되며, 0에 가까울수록 정상을 의미하게 된다. 퍼지모델의 최종 출력은 다음 수학 식 6와 같이 산출된다.
Figure 112015039335665-pat00009
여기서, w1,w2,w3는 각각 아크방전, 부분방전, 온도가 열화진단의 판단에 미치는 영향력을 의미한다.
수학식 6에서 w1,w2,w3는 각각 아크 방전 누적횟수, 코로나 방 전 누적횟수, 한 달 간의 부분 방전 누적횟수, 온도에 대한 가중치를 의미하며 실 험데이터를 이용하여 최적화 되어야 하며, 본 발명에서는 PSO (Particle Swarm Optimization) 알고리즘을 이용하여 최적화 한다.
실험 데이터는 모의 실험을 통하여 다음처럼 취득한다. 정상적일 때부터 진단대상을 서서히 열화 시킨다. 이는 임으로 아크와 부분방전을 발생시키면서 실험을 진행하며 초음파 센서(110), 적외선 센서(120)로부터 검출된 값을 이 용하여 다음처럼 테이블로 작성한다. 이때 건전성 지수는 많은 실험을 통하여 결정해야 되며 열화정도에 따라 1~100사이의 값으로 결정하여 표 3의 테이블을 작성 한다.
Figure 112015039335665-pat00010
위의 실험데이터를 이용하여 수학식 5에서 보인 퍼지모델의 파라미터인 가중치 w1,w2,w3를 결정하며, 이해를 돕기 위해 PSO알고리즘에 대하여 설명한다.
PSO 알고리즘에서 집단(Swarm)은 여러 개의 Particle로 이루어져 있 으며, 각각의 Particle의 위치는 풀고자 하는 문제에 대한 가능한 각각의 해가 된 다. 각각의 Particle들은 매번 반복하여 자신의 위치, 즉 해를 변화시키게 되는데, 이 과정에서 모든 Particle 위치 중에 가장 좋았던, 즉 적합도가 높았던 위치와 각 Particle들의 위치변화 중 가장 적합도가 높았던 위치를 고려하여 위치를 변화시키 면서 최적의 해를 찾아간다. PSO 알고리즘은 다음과 같다.
[단계 1] 초기화
[단계 1-1] n개의 particle을 탐색공간 내에서 랜덤하게 생성하여 초기 swarm을 형성한다. 본 발명에서 찾고자 하는 최적의 해는 수학식 3에서 보이 는 아크방전 누적회수, 부분방전누적횟수, 온도가 열화정도(건전성지수)에 미치는 영향력을 의미하는 w1,w2,w3의 최적값을 구하는 데 있다. Partile은 w1,w2,w3 세 개의 변수로 정의되며 집단(Swarm)의 크기인 Particle의 수는 30개로 하여 램덤하게 Swarm을 형성한다.
[단계 1-2] 초기 particle의 속도를 [-vimax,vimax]내에서 랜덤하 게 생성한다.
vimax는 particle의 i번째 요소의 최대 이동속도를 의미하며 일반적으로 탐색범위의 20%로 설정한다. 본 발명에서 w1,w2,w3의 탐색범위는 0 ~ 10 으로 정의 하였으며, 경우에 따라서 다르게 설정할 수 있다.
[단계 1-3] 초기 swarm의 각 particle에 대하여 평가를 수행한다.
최적의 해를 찾기 위해서는 초기 생성된 particle에 대하여 평가를 해야 하며 본 발명에서 평가지수는 다음 수학식 7처럼 MSE(Mean squared Error)를 사용하였다.
Figure 112015039335665-pat00011
여기서, m은 실험데이터의 수이며, 본 발명에서는 실험데이터를 100개를 구축하였기 때문에 100이 된다. yi는 실험데이터에서 i번째 실험데이터에 대한 출력(건전성지수이다.)
Figure 112015039335665-pat00012
는 I번째 실험 데이터의 입력값 x1, x2, x3에 대한 퍼지모델의 출력으로써 수학식 9로부터 계산된 값이다.
[단계 1-4] 초기 particle의 평가지수로부터 gbest와 pbest를 찾아 선정한다. pbest는 각 particle의 자취 중 가장 우수한 값이면, gbest는 swarm내에 서 가장 우수한 값이다.
[단계 2] 관성하중과 속도를 보정한다.
[단계 2-1] 관성하중은 반복에 따른 이동속도를 조절하기 위한 값으로써 반복이 진행될 수 록 관성하중의 값이 작아지도록 수학식 8을 이용하여 계산한 다.
Figure 112015039335665-pat00013
여기서, t는 반복수를 의미하며, wmax, wmin는 각각 관성하중의 최대값과 최소값이다. maxgen은 최대 반복횟수를 의미한다.
[단계 2-2] 수학식 8을 이용하여 각 particle의 새로운 이동 속도를 계산한다. 수학식 7은 particle이 이동할 방향과 속도의 변화량을 결정하는 식 으로써 각 particle의 이동경로에서 가장 우수했던 위치인 pbes와 가장 우수한 particle의 위치인 gbes의 값 그리고 전 반복에서의 속도의 세 항목으로써 계산된 다.
Figure 112015039335665-pat00014
여기서, vjk(t)는 t번째 반복에서 k번째 particle의 i번째 요소에 대한 속도를 의미하며, c1, c2는 임의의 상수, r1, r2은 0∼1사이의 랜덤한 값이다. xjk는 k번째 particle의 i번째 요소의 값이다.
[단계 3] 수학식 10을 이용하여 각 particle의 새로운 위치를 결정한다.
Figure 112015039335665-pat00015
[단계 4] 새로 생성된 particle을 평가하고 pbest와 gbest를 갱신한다.
[단계 5] 단계 2-4를 종료조건이 만족할 때까지 반복적으로 수행한다.
종료 후 최종적으로 생성된 gbest는 최적의 위치정보를 갖게 되며, 찾고자 하 는 최적값이 된다.
상기와 같은 방법으로 학습을 진행하였을 경우 최적의 w1, w2, w3는 각각 0.3, 0.5 0.2가 선정되었다. 그렇지만 이는 구축된 실험데이터에 따라 달라질 수 있다.
결론적으로 건전성 지수(HPI)는 아크발생누적횟수, 부분방전누적횟 수, 온도입력 값에 대하여 다음 수학식 11처럼 산출된다.
Figure 112015039335665-pat00016
여기서, u1(x1),u2(x2),u3(x3)는 멤버십 함수이다.
건전성 지수(HPI)는 0~100사이의 값으로 산출되며 100에 가까울수록 안전하며 0에 수치가 낮을수록 열화 정도가 심함을 의미한다. 이를 유지 보수에 활 용하기 위해 HPI를 산출하여 표시하며 기준을 정하여 경보를 발생하는데 활용될 수 있다.
HPI가 0~ 30% 사이는 설비 교체 또는 유지보수 30~ 60% 사이는 설비 점검, 60~80% 사이는 주의, 80~100% 사이는 정상 상태 등으로 표시하여 유지보수를 용이하게 적용될 수도 있다.
다시 도 1을 참조한다.
건전성 평가 지수 산출부(133)는 적외선 센서(120)로부터 수신된 온도 및 직접 산출된 건전성 평가 지수 그리고 방전 상태 확인부(131)의 부분 방전이나 초음파 센서(110)에 의한 아크, 코로나 방전의 발생 여부를 열화/방전 검출 결과 송신부 (160)로 송신하도록 구성될 수 있다.
그리고 건전성 평가 지수 산출부(133)은 앞서 산출된 건전성 평가 지수가 미리 정해진 정상 범위를 벗어나는 경우 경보 신호를 생성하여 경보 스피커를 통해 출력하거나 차단 신호를 생성하여 개폐기 또는 차단기를 실시간 차단 제어 하도록 구성될 수 있다.
리포팅 정보 생성부(134)는 상기 가청 주파수대의 신호, 상기 아크 방전 또는 코로나 방전의 발생 여부, 그리고 상기 건전성 평가 지수를 사용자에게 시청각적으로 안내하기 위한 모니터링 정보를 생성하여 모니터 및 스피커 등과 같은 사용자 인터페이스(135)를 통해 출력하거나 통신부(136)를 통해 외부의 장치, 즉 사용자 단말(200)로 제공하도록 한다.
또한, 리포팅 정보 생성부(134)는 건전성 평가 지수를 기반으로 온도의 변화 추이 및 건전성 평가 지수에 따른 열화 상태를 분석하고, 이를 모니터링 정보에 추가시켜 줄 수도 있도록 한다.
또한, 리포팅 정보 생성부(134)는 가청 주파수 변환부(132)에서 변환된 가청 주파수대의 신호를 모니터링 정보에 추가시켜, 사용자가 사용자 인터페이스(135) 또는 사용자 단말(200)을 통해 이를 직접 들을 수 있도록 한다.
또한, 리포팅 정보 생성부(134)는 아크 방전이나 코로나 방전의 시간당 누적횟수라든가 건전성 평가 지수 등이 미리 정해진 임계치를 초과하면 위험 상태로 판단한 후, 알람 신호를 생성 및 출력함으로써, 사용자가 신속한 현장 조치를 취할 수 있도록 한다. 필요한 경우, 위험 상태의 여부는 방전 상태 확인부(131) 또는 건전성 평가 지수 산출부(133)에서 판단하도록 구성될 수도 있을 것이다.
이에 사용자는 사용자 인터페이스(135) 또는 사용자 단말(200)을 통해 위험 상황 발생을 즉각적으로 인지하고, 신속한 현장 조치 등을 취할 수 있게 된다.
사용자 인터페이스(135)는 모니터, 키보드, 제어 패널, 스피커, 알람등으로 구성되어 각종 모니터링 정보와 알람 정보를 시청각적으로 사용자에게 안내할 수 있도록 한다.
통신부(136)는 TCP/IP 통신 방식과 같은 원거리 네트워크 방식을 통해 사용자 단말(200)로 신호를 송신하도록 구성될 수 있다. 사용자 단말(200)은 사용자의 스마트 폰이나 태블릿 PC와 같이 사용자의 이동성을 보장할 수 있는 단말인 것이 바람직하며, 이에, 사용자가 어디에 있든지 간에 위험 상태를 원격에서 파악할 수 있다.
이상 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. 전력 제어 설비의 모니터링 시스템에 있어서,
    상기 전력 제어 설비의 금속 하우징 내에서 발생되는 초음파를 감지하는 초음파 센서;
    상기 초음파 센서에서 감지된 초음파를 통해 아크 방전 또는 코로나 방전의 발생 여부를 판단하는 방전 상태 확인부;
    상기 초음파 센서에서 감지된 초음파를 가청 주파수대의 신호로 변환하는 가청 주파수 변환부;
    부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부의 적외선을 감지하여 온도를 검출한 후, 상기 검출된 온도에 상응하는 주파수를 발생하여 전원 라인으로 출력하는 적외선 센서;
    상기 전원라인을 통해 전송되는 주파수를 다시 전압신호로 변환하는 주파수-전압 변환부를 구비하고, 상기 주파수-전압 변환부를 통해 변환된 전압 신호를 기반으로 상기 적외선 센서의 검출 온도를 파악한 후 상기 주파수-전압 변환부를 파악된 아크 방전 횟수 및 코로나 방전의 발생 횟수를 함께 고려하여 건전성 평가 지수를 산출하는 건정성 평가 지수 산출부; 및
    상기 가청 주파수대의 신호, 상기 아크 방전 또는 코로나 방전의 발생 여부, 그리고 상기 건전성 평가 지수를 사용자에게 시청각적으로 안내하기 위한 모니터링 정보를 생성하여 모니터 및 스피커를 통해 출력하거나 외부의 장치로 제공하는 리포팅 정보 생성부;를 포함하며,
    상기 적외선 센서는 측정 온도에 상응하는 전압을 발생 및 출력하는 비접촉식 적외선 온도 엘리멘트; 상기 비접촉식 적외선 온도 엘리멘트의 출력 전압을 주파수로 변환 및 출력하는 전압-주파수 변환기; 상기 전압-주파수로부터 출력되는 주파수를 임피던스 변환하여 출력하는 트랜지스터; 및 상기 트랜지스터의 출력을 상기 전원 라인으로 출력하는 커패시터를 포함하며,
    상기 건정성 평가 지수 산출부는
    상기 건전성 평가 지수를 "
    Figure 112015053453213-pat00030
    "의 식에 따라 산출하며, 상기 HPI는 건전성 확률, 상기 u1(x1)는 아크발생누적 횟수에 대응되는 멤버쉽 함수, 상기 u2(x2)는 부분방전누적 횟수에 대응되는 멤버쉽 함수, 상기 u3(x3)는 온도입력값에 대응되는 멤버쉽 함수이며, 상기 멤버쉽 함수(u1(x1), u2(x2) 및 u3(x3))는 의 식에 의해 정의되는 퍼지 소속 함수(fuzzy memebership function)인 것을 특징으로 하는 전력 제어 설비의 모니터링 시스템 .
  2. 제1항에 있어서, 상기 퍼지 소속 함수는
    미리 설정된 a, b, λ, υ에 의해 기대값이 결정되며, 상기 λ가 커지면 기울기가 커지고, 상기 υ가 커지면 상기 퍼지 소속 함수의 중심점이 오른쪽으 로 이동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 제어 설비의 모니터링 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 방전 상태 확인부는,
    방전 종류와 초음파에 의한 방전 발생 여부 및 방전 종류를 디스플레이하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 제어 설비의 모니터링 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전력 제어 설비는
    고압배전반, 저압배전반, 분전반, 모터제어반 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 전력 제어 설비의 모니터링 시스템.
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