KR102219900B1 - 노이즈 제거기술(ncdm)을 이용한 부분방전위치 검출시스템 및 방법 - Google Patents

노이즈 제거기술(ncdm)을 이용한 부분방전위치 검출시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 부분방전위치 검출시스템은 전력기기의 부분방전 신호를 감지하는 부분방전 센서부, 상기 부분방전 신호를 취득하고 노이즈를 제거하는 정보수집 모듈, 노이즈를 제거한 상기 부분방전 신호를 복수의 지표를 이용하여 분석함으로써 부분방전 위치를 추정하는 위치추정 모듈 및 상기 부분방전 신호, 분석된 정보 및 추정된 위치정보를 저장하는 정보저장 모듈을 포함하며, 상기 센서부는 300 내지 3000 MHz의 전파를 이용하는 복수의 UHF(Ultra High Frequency) 센서로 마련되고, 상기 정보수집 모듈에 마련된 노이즈 제거부(NCDM, Noise Canceling Device Method)는 취득된 상기 부분방전 신호 중 외부 노이즈 및 기 설정 조건에 따른 노이즈를 제거함으로써 부분방전 위치의 추정의 정확도를 높이는 것을 특징으로 한다.

Description

노이즈 제거기술(NCDM)을 이용한 부분방전위치 검출시스템 및 방법{Partial Discharge Position Detection System and Method Using Noise Canceling Device Method}
본 발명은 전력기기의 이상 유무를 확인하기 위한 부분방전위치 검출시스템 및 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 초광대역의 전자기파를 감지하되 체크 포인트를 선정하고 외부 노이즈를 최소화 및 제거함으로써 신뢰도를 향상시킨 부분방전위치 검출시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 변압기는 발전소, 변전소 등의 전력계통에 설치되어 전압을 강압하는 전력용 기기이며, 유입 변압기는 전기적 절연을 위한 절연 매질로서 절연유(oil)를 사용하는 변압기이다. 변압기는 전력계통에 전기적으로 접속되어 장기간 운전을 하게 되면 여러 가지 원인에 의해 다양한 유형의 고장이 발생할 수 있으며, 이러한 고장에 따른 피해 규모도 증가하고 있다.
따라서, 고장이 발생하기 전에 변압기 내부에서 절연 상태 이상에 의해 발생하는 신호를 검출하기 위한 각종 진단 및 감시 기법과 장비들이 사용되고 있으며, 특히, 전력용 유입 변압기, 가스 절연 변압기, 리액터 등과 같은 고전압 전력 기기의 내부에 결함이 있을 경우 대부분 부분 방전이 발생되므로 이러한 부분방전(Partial Discharging)의 신호를 검출하여 전력기기의 이상 여부를 진단하는 방법이 주로 사용되고 있다.
종래의 부분방전 신호 검출장치는 주로 초고주파 대역(500MHz~1500MHz)의 부분방전 신호를 검출하기 위해 GIS(Gas Insulated Switchgear, 가스절연개폐장치)에 적용하여 운용하고 있다. 이와 같은 종래의 초고주파 부분방전 신호 검출 장치는 GIS에 취부되는 센서의 구조 및 알고리즘 등 기본적인 구조가 GIS 및 이의 내부에서 발생하는 결함에 대하여 인식하도록 특화되어 있다. 그런데 종래의 부분방전 신호 검출장치는 자체 프로토콜의 통신방식을 이용하기 때문에 다른 시스템과의 호환이 불가능하고, 변전 자동화 추세에 맞지 않는 폐쇄적인 통신 방식을 사용하고 있어 GIS만을 대상으로 적용되고 있다.
또한, 종래 기술은 첫째, 외부 잡음 차폐제를 전력 기기에 설치한 후, 이를 이용하여 부분방전을 진단하는데, 이 방법은 제작사와 사용전압, 사용장소에 따라 상이한 차폐제를 취부해야 하고, 1회용의 취부만이 가능하다. 또한, 차폐제를 전력 기기의 외함에 장착해야 하므로, 초고압 설비인 변압기의 정전 작업이 선행되어야 한다는 문제점을 갖는다.
둘째, 외부 잡음 안테나와 센서를 이용한 잡음 게이팅 방법은 외부 잡음 안테나와 센서를 이용하여 각각 측정한 신호를 서버에 전송하여, 서버로 하여금 부분방전을 진단하게 하는 방법이다. 하지만 이 방법은 외부 잡음 안테나의 설치 위치, 설치 방향, 문턱 전압 설정(임계 레벨) 등의 많은 외부 설정이 필요하다. 따라서, 이 장치를 운용하는 환경과 사람에 따라 외부 잡음 예컨대, 휴대폰 통신 신호 등을 부분방전 신호로 해석하는 등 판정 오차를 갖는다. 또한, 이 방법은 센서의 수량이 많고 외부 잡음 신호가 자주 발생하면 서버의 처리 데이터 량이 폭주하여 고장을 유발할 수 있다.
또한, 부분방전을 측정하는 또 다른 종래의 기술로 여러 개의 초음파센서를 이용하여 전력기기의 외함 또는 절연물질인 절연유를 매질로 하여 전달되는 음파 신호를 피 측정기기 외함에 장착된 다수의 센서에 도착하는 시간을 측정하고 각 센서의 신호 도착시간 또는 도착시간의 차이를 구하고 음파신호가 전달되는 경로에 있는 각 매질에서 초음파신호의 전파 속도로부터 방전의 위치를 산정하는 초음파를 이용한 방법이 있다.
그러나, 이러한 초음파를 이용한 방법에서는 음파가 전달되는 경로인 금속외함, 구조물, 절연유에서 음파의 전달속도를 정확히 알고 있어야 위치를 추정 할 수 있다. 또한 정확한 위치 추정을 위해서는 측정자가 초음파센서를 피 측정물 표면에서 여러 차례 옮기면서 측정 하여야 해서 번거롭다. 더하여, 전력 기기의 진동, 기기조작, 바람 등의 외부 요인에 의한 잡음 때문에 측정된 부분 방전과 위치의 정확도를 높이기 위하여 수작업에 의존하여야 하는 단점이 있다.
또 다른 종래 기술로, 고전압 전력 기기 내부의 이상을 측정하여 방전의 위치를 구하는 방법이 있다. 이러한 방법은 방전으로부터 발생된 부분방전 신호를 부분 방전 측정장치로 측정을 하여 분석한 후 UHF 부분 방전센서 또는 초음파센서의 신호를 오실로스코프로 측정하여 방전 신호의 도착 시간을 구하고, 신호의 도착 시간 또는 도착 시간의 차이를 이용하여 수작업으로 또는 컴퓨터를 이용하여 방전의 위치를 계산하는 방법이다.
그러나, 이러한 방법은 오실로스코프, 계산용 컴퓨터, 수작업 계산을 이용해야 하므로 도착 시간 산정과 계산방법이 매우 어렵고 불편하며 실시간으로 변화하는 방전에 대해서 보통의 기술자들이 이러한 방법을 적용하기는 곤란하다는 단점이 있다.
또한, 외부 잡음이 유입될 경우 측정자가 일일이 수작업으로 분류하여야 하며 부분 방전 현상을 분석하기 위해서는 오실로스코프와는 별도로 부분 방전 측정기를 사용하여야 하므로 같은 센서에서 측정된 부분 방전 신호로부터 동시에 방전의 위치 추정을 할 수 없는 단점이 있다.
공개특허 제10-2003-0033693호(2003.05.01. 공개)
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 노이즈를 제거하고 다수의 모듈을 이용하여 효과적이고 신뢰도 높은 부분방전위치를 검출함으로써 전력기기의 이상을 신속하게 찾으려는 것이다.
본 발명에 따른 부분방전위치 검출시스템은 전력기기의 부분방전 신호를 감지하는 부분방전 센서부, 상기 부분방전 신호를 취득하고 노이즈를 제거하는 정보수집 모듈, 노이즈를 제거한 상기 부분방전 신호를 복수의 지표를 이용하여 분석함으로써 부분방전 위치를 추정하는 위치추정 모듈 및 상기 부분방전 신호, 분석된 정보 및 추정된 위치정보를 저장하는 정보저장 모듈을 포함하며, 상기 센서부는 300 내지 3000 MHz의 전파를 이용하는 복수의 UHF(Ultra High Frequency) 센서로 마련되고, 상기 정보수집 모듈에 마련된 노이즈 제거부(NCDM, Noise Canceling Device Method)는 취득된 상기 부분방전 신호 중 외부 노이즈 및 기 설정 조건에 따른 노이즈를 제거함으로써 부분방전 위치의 추정의 정확도를 높이는 것을 특징으로 한다
또한, 상기 위치추정 모듈은 디지털 데이터 전환부, 데이터 처리부, 데이터 집합부 및 데이터 분석부를 포함하며, 상기 디지털 데이터 전환부는 취득된 아나로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 데이터 처리부는 시간영역에 맞춰 동기화된 신호 피크값 및 도작시간을 처리한 후, 상기 데이터 집합부가 처리된 정보를 상기 데이터 분석부로 전송한 후, 상기 데이터 처리부에서 다수의 센서에서 검출된 피크값 및 도착시간 데이터를 분석하는 것을 특징으로 한다.
또한, 정보 학습부 및 서버를 더 포함하며, 상기 정보저장모듈에 저장된 정보는 데이터 베이스로 가공되고, 가공된 상기 데이터 베이스는 상기 정보 학습부에서 인공지능 또는 머신러닝을 이용하여 학습함으로써 전력기기의 이상 발생 상황을 예측하고, 예측된 정보는 상기 서버를 통해 사용자 내지 관리자에게 알람되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 노이즈 제거부는 상기 센서부에서 검출된 초광대역 신호에서 내 외부의 불특정한 전자기파 신호를 제거하기 위해 기 설정된 주파수 대역만 통과시키고, 부분방전 검출대역인 500 내지 1500 Hz의 동시간대 유입된 외부 방해파만을 제거하며, 상기 센서부는 다수를 설치하되 1 nano sec 로 측정함으로써 30 cm 단위의 측정이 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정보 저장모듈은 데이터 처리 유닛을 더 포함하되, 상기 데이터 처리 유닛은 수신된 정보를 통신에 적합한 적정 조건의 데이터로 변환하고, CPU, 무선통신부 및 파워 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 위치추정 모듈은 부분방전위치를 추정하기 위해 3개 이상의 위치 추적 장치를 이용하고, 상기 위치 추적 장치는 통신장치 및 앵커로 마련되어 상기 앵커가 상기 센싱 모듈 내 무선 통신부와 신호를 송수신 함으로써 상기 신호의 세기를 측정하여 삼각법에 의해 상기 부분방전위치를 좌표로 생산 및 추정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력기기가 이동하는 경우에는 RFID를 이용한 게이트가 주요 지점에 마련되고 상기 게이트 사이에 이동하는 상기 전력기기의 부분방전위치를 인식하도록 소프트웨어를 이용하되, 상기 소프트웨어는 상기 게이트 사이에서 이동하는 상기 전력기기의 이동 속도를 계산하여 부분방전위치를 함께 파악하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 위치추정모듈에서 부분방전위치를 검출하기 위한 과정은 다음의 수학식을 이용하되,
Figure 112020101462640-pat00001
, 이웃하는 두 개의 센서부인 S1, S2 사이의 총 거리가 L, 부분방전위치와 S1, S2에의 신호 도달거리가 각각 l1, l2 이며, C는 빛의 속도, 델타 t는 각 센서부의 신호 도착시간 차이로서, 이를 분할함으로써 부분방전위치를 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 부분방전위치 검출방법은 전력기기에서 발생하는 전자기파를 감지하는 단계, 상기 감지된 전자기파의 노이즈를 제거하는 단계, 상기 노이즈가 제거된 전자기파 신호를 디지털 신호로 전환하는 단계, 전환된 상기 디지털 신호를 분석하여 부분방전위치를 추정하는 단계 및 지정된 부분방전위치 정보를 저장, 분석 및 알람하는 단계를 포함하며, 상기 노이즈를 제거하는 단계는 취득된 상기 부분방전 신호 중 외부 노이즈 및 기 설정 조건에 따른 노이즈를 제거함으로써 부분방전 위치의 추정의 정확도를 높이는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분석 저장한 정보를 이용하여 부분방전위치 및 전력기기의 상태를 예측하여 관리하는 단계를 더 포함하되, 상기 예측된 부분방전위치 및 전력기기의 상태 정보를 사용자 또는 관리자에게 제공함으로써 전력기기 운용 중단을 최소화 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 부분방전위치 검출시스템 및 방법은 노이즈를 제거하고 개선된 다수의 모듈과 지표를 이용함으로써 효과적이고 신뢰도 높은 부분방전위치를 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 부분방전위치 검출시스템의 구성 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 부분방전위치 검출시스템 및 방법의 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 부분방전위치 검출시스템 및 방법의 또 다른 순서도,
도 4는 본 발명에 따라 센서부에 취득된 신호의 노이즈를 제거하는 과정을 보여주는 설명 그래프,
도 5는 본 발명에 따라 부분방전위치를 검출하는 과정을 설명하는 설명도,
도 6은 본 발명에 따른 부분방전위치 검출 과정에 적용되는 Time of Arrival 기법에 관한 설명도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 부분방전위치 검출시스템 및 방법에 관하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시 할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이도록 한다.
본 발명에 관한 명세서 전반에서 노이즈(noise)는 그 의미의 한정이 없으며 다양한 내부 및 외부의 방해, 간섭을 뜻한다. 특히, 본 발명에서는 특정 대역 및 기 설정된 대역에서의 주파수를 가지는 전자기파를 말하고 있으며, 노이즈 제거부, 제거장치, 제거수단 등은 모두 동일한 의미를 갖는 구성을 말한다. 또한, 본 명세서 전반에 있어서 정보 값을 지칭하는 데이터 및 데이터 베이스는 상황에 따라 동일한 의미로 활용될 수 있으며 데이터의 적립과 저장을 통해 새로운 의미가 발생한 경우 기존의 데이터는 데이터 베이스로 지칭될 수도 있을 것이다.
본 발명에 따른 부분방전위치 검출시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 전력기기의 부분방전 신호를 감지하는 부분방전 센서부(100), 상기 부분방전 신호를 취득하고 노이즈를 제거하는 정보수집 모듈(300), 노이즈를 제거한 상기 부분방전 신호를 복수의 지표를 이용하여 분석함으로써 부분방전 위치를 추정하는 위치추정 모듈(500) 및 상기 부분방전 신호, 분석된 정보 및 추정된 위치정보를 저장하는 정보저장 모듈(700) 을 포함한다.
먼저, 본 발명에 따른 부분방전위치 검출시스템은 전력기기 이상 발생 즉, 전계가 균일하게 분포되지 않고 어느 한 부분에 집중하여 발생하는 부분방전위치를 검출하되 외부 방해파(노이즈) 영향을 비교적 적게 인식하는 초광대역(UWB, Ultra Wide Band)인 UHF(Ultra High Frequency)대역(0.3~3GHz)의 전자기파 펄스를 감지 및 검출하여 GIS, 변압기 등의 설비를 이상상태에 대한 원인 및 결함을 판별하고자 하는 것이다.
특히, 별도의 노이즈 제거장치(Noise Canceling Device Method: NCDM)를 이용하여 저주파 대역 및 고주파 대역대에 CP(Check Point)을 선정하고 외래 방해파 간섭을 최소화하고 제거함으로써 전력설비 상태를 정밀하게 감시할 수 있으며, 신뢰할 수 있는 부분 방전 신호를 좀더 정확하게 구분 할 수 있는 것이다.
상기 센서부(100)는 300 내지 3000 MHz의 전파를 이용하는 복수의 UHF(Ultra High Frequency) 센서로 마련되고, 상기 정보수집 모듈(300)에 마련된 노이즈 제거부(330, NCDM, Noise Canceling Device Method)는 취득된 상기 부분방전 신호 중 외부 노이즈 및 기 설정 조건에 따른 노이즈를 제거함으로써 부분방전 위치 추정의 정확도를 높인다.
상기 정보수집모듈(300)은 데이터 취득부(310), 노이즈 제거부(330)로 구성되며, 상기 데이터 취득부(310)는 상기 센서부(100)에 수신된 데이터를 취득하여 상기 노이즈 제거부(330)로 보내고, 상기 노이즈 제거부(330)는 앞서 설명한 바와 같이 방전 신호를 검출 할 수 있는 특정 주파수 대역만 통과시키고 불필요한 주파수대역은 제거하여 데이터 전환부(510)가 마련된 위치추정 모듈(500)로 전송한다.
상기 노이즈 제거부(330)는 노이즈를 제거하는 수단, 구성, 방법을 통칭하며, 본 발명에 따른 명세서에서는 NCD 또는 NCDM으로 표기할 수 있다. 따라서, 노이즈를 제거하는 메커니즘과 과정, 구성에 특징이 있는 것이며 그 호칭은 변경될 수 있다.
상기 위치추정 모듈(500)은 상기 정보수집 모듈(300)로부터 노이즈가 제거된 신호를 수신하여 부분방전의 위치를 검출하기 위한 구성이며 다양한 지표 및 방식을 적용하여 부분방전위치를 추정하기 위해 디지털 데이터 전환부(510), 데이터 처리부(530), 데이터 집합부(550) 및 데이터 분석부(570)를 포함한다.
상기 디지털 데이터 전환부(510)는 부분 방전 위치를 추정하기 위하여 다수의 모듈을 이용하여 높은 샘플링을 갖는 것을 특징으로 하며, 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하여 데이터 처리부(530)로 전송한다.
상기 데이터 처리부(530)에서의 신호 데이터는 부분 방전 발생 시 짧은 펄스 폭을 가지는 임펄스 형태로 방전 량에 따라 발생신호의 크기가 비례하며 반복되는 AC 사이클에서 방전 개시 전압을 초과하는 경우 발생되기 때문에 부분 방전을 유발하는 원인에 따라 특정 위상에서 반복되어 나타나는 특성을 가진다.
따라서, 시간영역(Time Domain)에서 부분 방전 검출장치의 AC사이클에 동기된 기준시간을 입력을 통해 위상정보를 추출하고 데이터 전환부(510)에서 가공되어 입력된 외부신호 및 부분 방전 신호 데이터 중에 피크 값 및 도착시간 데이터만 취득한다.
또한, 데이터 전환부(510)에서 높은 샘플링으로 인해 대량의 데이터가 누적되어 모든 데이터를 가지고 올 수 없기 때문에 피크 값 및 도착시간 데이터만 저장된다. 이후 데이터 집합부(550)는 데이터 처리부(530)에서 시간영역(Time Domain)에 맞춰 동기화된 신호 피크 값 및 도착시간 데이터를 집합하여 데이터 분석부(570)로 전송한다. 상기 데이터 분석부(570)는 다수의 센서에서 검출된 피크 값 및 도착시간 데이터를 분석하게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상술한 부분방전위치 검출, 추정 과정은 먼저, 상기 센서부(100)로부터 취득된 신호를 상기 데이터 취득부(310) 및 노이즈 제거부(330, NCD)을 이용하여 불특정한 방해파인 노이즈를 실시간으로 제거하는 것이다.
도 4에 도시된 그래프는 UHF 센서로부터 취득된 초고주파 대역대인 200 ~ 2000 MHZ 대역 중, 부분방전 발생구간 500 ~ 1500 MHZ 대역에서 가장 많이 유입되는 고주파 대역대인 저대역대 Cellular Band(825~950MHz), 고대역대 4G Band(1750~1870MHz) 구간에서 발생하는 방해전자파와 부분방전 전자기파를 나타낸다.
상기 전력기기의 부분방전 발생 시 수 ns(nano sec) ~ 수십 ns 로 지속적으로 발생하며 부분방전 신호가 아닌 내 외부의 불필요한 노이즈를 제거하되, 상기 노이즈 제거부(330)를 이용하여 무선통신주파수(3G, 4G)대역을 제거함으로써 부분방전에서 발생하는 위상각, 방전 전하량 및 발생 펄수 빈도 등의 지표를 분석하여 부분방전위치 검출의 신뢰도 및 정확도를 향상 시킬 수 있다.
도 4의 그래프는 스펙트럼으로 측정한 데이터로서,
(a)는 무선통신주파수(3G, 4G) Noise 신호이며, (b)는 무선통신주파수 신호와 임의적으로 부분방전신호를 입력하여 동일 시간에 맞춰 동기화된 파형으로서 도시된 바와 같이 부분방전신호를 분별 할 수가 없으며 데이터 분석에도 어려움이 있다. (c)파형은 노이즈 상쇄장치(NCD)을 이용하여 무선통신(3G, 4G) 대역에서 흐르는 주파수 신호만 상쇄시키는 것을 확인 할 수 있다.
따라서, 상기 노이즈 제거부(330), 노이즈 상쇄장치(NCD)를 이용하면 종래 기술에서 언급한 바와 같이 노이즈 게이팅, OFFSET등으로 전자기파 신호의 크기를 조절하지 아니하고 센서로부터 취득된 고유의 부분방전 신호만 카운트 할 수 있어 본 발명의 기술적 특징에 의해 부분방전 신호를 분별 할 수 있는 성능을 극대화 할 수 있는 것이다.
상기 정보저장 모듈(700)은 정보 저장부(710)를 포함하며, 상기 정보 저장부(710)은 상기 데이터 분석부(570)에서 전송된 데이터를 저장하는 메모리 공간으로 기 설정된 레벨에 맞춰 이상 유무을 판단하고 실시간 데이터 별 항목에 시간대 별로 분, 일, 월, 년 단위로 저장한다.
또한, 사용자가 설정한 기간 또는 누적횟수에 대해 피크 데이터를 처리하여 전원 위상과 시간에 대한 피크 신호, 전원 위상에 대한 피크 신호의 밀도 및 설정 기간 동안의 신호 추이 변화 등의 모든 데이터가 상기 정보 저장(710)부로 전송되어 파일형태로 저장된다.
상기 정보저장 모듈(700)은 정보 학습부(730) 및 서버(800)를 더 포함하며, 상기 정보저장 모듈(700)에 저장된 정보는 데이터 베이스로 가공되고, 가공된 상기 데이터 베이스는 상기 정보 학습부(730)에서 인공지능 또는 머신러닝을 이용하여 학습함으로써 전력기기의 이상 발생 상황을 예측하고, 예측된 정보는 상기 서버를 통해 사용자 내지 관리자에게 알람 될 수 있다.
앞서 측정된 데이터 정보들은 각각 상황 조건 및 사용 상태에 따라 케이스별 상관성 분석을 통해 DB(데이터베이스)화 하고 데이터 마이닝(data mining) 또는 딥러닝(deep learning), 머신 러닝 기술을 이용함으로써 빅데이터로 저장 및 활용할 수 있다.
본 발명에 따른 부분방전위치 검출방법에 적용될 상기 데이터 마이닝은 데이터 베이스 내에서 어떠한 방법(순차 패턴, 유사성 등)에 의해 관심 있는 지식을 찾아내는 과정 또는, 대용량의 데이터 속에서 유용한 정보를 발견하는 과정이며, 기대했던 정보뿐만 아니라 기대하지 못했던 정보를 찾을 수 있는 기술을 의미한다.
상기 데이터 내지 DB를 빅데이터로 활용하되, 인공지능 기술을 적용하여 반복 학습과 이를 통한 정보의 예측 가능성을 높이고 현장에 마련된 각각의 구성요소들이 서로에게 데이터를 송신 및 수신 가능한 IoT기술이 적용될 수도 있다.
즉, 현장(전력기기)의 관리자와 상기 관리자의 휴대용 단말(미도시), 그리고 현장의 각 구성요소들이 서로에게 정보를 제공 및 수신함으로써 기존의 전력기기 부분방전위치를 검출하는 기술에 비해 효율적이고 신속하며 정확한 분석 및 예측이 가능한 것이다.
따라서, 종래 기술과 같이 정보를 단지 저장만 하지 않고 학습함으로써 전력기기의 이상 유무를 예측하거나 미리 방지할 수 있으며, 이에 따라 점차 누적되는 데이터와 통계는 보다 정확한 부분방전위치를 추정, 검출하게 되며, 반복됨으로써 얻어지는 데이터를 학습하여 그 이상 유무 및 위치를 예상할 수 있는 것이다.
상기 노이즈 제거부(330)는 상기 센서부(100)에서 검출된 초광대역 신호에서 내 외부의 불특정한 전자기파 신호를 제거하기 위해 기 설정된 주파수 대역만 통과시키고, 부분방전 검출대역인 500 내지 1500 Hz의 동시간대 유입된 외부 방해파만을 제거한다.
상기 센서부(100)는 다수를 설치하되 1 nano sec 로 측정함으로써 30 cm 단위의 측정이 가능할 수 있다. 즉, 측정 시간을 보다 세밀하게 구분함으로써 부분방전 위치를 보다 정확하게 찾을 수 있는 것이다.
또한, 상기 정보 저장모듈(700)은 데이터 처리 유닛(미도시)을 더 포함하되, 상기 데이터 처리 유닛은 수신된 정보를 통신에 적합한 적정 조건의 데이터로 변환하고, CPU, 무선통신부 및 파워 콘트롤러를 포함할 수 있다.
경우에 따라서, 상기 위치추정 모듈(500)은 부분방전위치를 추정하기 위해 3개 이상의 위치 추적장치(미도시)를 이용하고, 상기 위치 추적 장치는 통신장치 및 앵커(미도시)로 마련되어 상기 앵커가 상기 센싱 모듈 내 무선 통신부와 신호를 송수신 함으로써 상기 신호의 세기를 측정하여 삼각법에 의해 상기 부분방전위치를 좌표로 생산 및 추정할 수도 있다.
상기 부분방전위치 및 전력기기의 위치를 보다 정확하게 확인하기 위하여 필요 시 상기 위치 추적장치는 4개, 5개 이상으로 마련될 수도 있으며, 별도의 영상 촬영장치(적외선, 자외선 등) 또는 온도감지장치 등의 다양한 감지수단을 통해 상기 신호 세기 정보 및 기타 정보를 동시에 확인함으로써 보다 정확하게 위치를 확인할 수도 있다.
또한, 상기 전력기기가 이동하는 경우에는 RFID를 이용한 게이트(미도시)가 주요 지점에 마련되고 상기 게이트 사이에 이동하는 상기 전력기기의 부분방전위치를 인식하도록 별도의 소프트웨어를 이용하되, 상기 소프트웨어는 상기 게이트 사이에서 이동하는 상기 전력기기의 이동 속도를 계산하여 부분방전위치를 함께 파악하는 것을 특징으로 한다.
상기 위치추정모듈(500)에서 부분방전위치를 검출하기 위한 과정은 다음의 수학식 1을 이용하되, 이웃하는 두 개의 센서부인 S1, S2 사이의 총 거리가 L, 부분방전위치와 S1, S2에의 신호 도달거리가 각각 l1, l2 이며, C는 빛의 속도, 델타 t는 각 센서부의 신호 도착시간 차이로서, 이를 분할함으로써 부분방전위치를 검출한다.
Figure 112020101462640-pat00002
도 6에 도시된 바와 같이 Time of arrival 기법을 이용하여 부부 방전 위치를 도출 할 수 있으며, L은 UHF 센서와의 거리, C은 빛의 속도, 델타 t은 센서간의 신호 도착 시간차이며 2로 나눠 부분 방전 위치를 계산하여 부분 방전 발생 하는 위치를 추정 할 수 있다. S1, S2은 UHF센서, I1 I2 은 시간차 델타 t와 부분 방전 발생 위치거리이며, L은 센서간의 총 길이이다.
여기서 GIS내 부분 방전이 발생 할 경우 UHF대역의 부분 방전 신호는 GIS 탱크를 따라 빛의 속도(C)로 전파하여 UHF센서 I1 I2 에 도달 하게 된다. 이때 방전 발생위치에서 각 센서의 도달 경로길이(I1, I2)의 차이 때문에 각 센서에서는 델타 t 만큼의 시간차를 가지고 부분 방전 신호가 측정할 수가 있다. 또한, 시간차 델타 t 와 센서간의 거리(L=l1+l2)를 이용해 센서로부터 부분 방전 발생 위치까지의 거리를 수학식 1을 통해 계산하면 부분 방전 발생 위치를 도출 할 수 있는 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 부분방전검출 및 위치추정의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 감지된 데이터는 입력된 각 센서의 파형으로부터 신호의 시작점 또는 도착 시간을 검출하여 방전 위치 산출 할 수 있도록 도 4에 명시된 바와 같이 데이터를 통합하여 데이터 집합부(550)로 보내어 재 가공하여 데이터 분석부(570)로 보낸다.
구체적으로 전력설비 내부의 부분방전으로 인한 전자파를 다수의 데이터 전환부(510)에서 아날로그 - 디지털 데이터로 전환되는 것을 포함하고 데이터 처리부(530)에서 설정 범위를 정하여 설정 범위 내의 데이터 중 다수의 데이터 전환부(510)에서 피크 값을 도출할 수 있고 부분 방전이 발생한 경우 부분방전 발생 위치에 가장 인접한 두 개 및 다수의 UHF센서에서 신호를 감지하게 된다.
상기 데이터 집합부(550)에서 전달된 신호는 부분방전이 다수의 부분방전 검출센서로부터 도달한 시간을 이용하여 다수의 부분방전 검출 센서 사이의 거리 및 도달 시간 차를 산출 할 수 있으며, 실시간으로 취득된 데이터를 순차적으로 PRPD(Phase Resolved Partial Discharge), PRPS(Phase Resolved Pulse Sequence)형태로 Pulse의 개수, 크기, 방전 유형, 외부잡음 등을 표현하여 시스템 사용자가 부분 방전 발생이 되고 있는지 이상 유무를 쉽게 판단 할 수 있다.
또한, PRPD, PRPS 그래프를 통하여 신호로부터 부분방전 종류, 크기, 외부잡음 등을 유형별로 분석, 감시, 진단, 알람 등 실시간으로 제어 하고, 이벤트 발생시 자료화 및 모든 장치의 기록화 할 수 있는 정보(데이터) 저장부(710)로 전송되어 관리된다.
본 발명에 따른 부분방전위치 검출(추정) 방법은 전력기기에서 발생하는 전자기파를 감지하는 단계(S100), 상기 감지된 전자기파의 노이즈를 제거하는 단계(S200), 상기 노이즈가 제거된 전자기파 신호를 디지털 신호로 전환하는 단계(S300), 전환된 상기 디지털 신호를 분석하여 부분방전위치를 추정하는 단계(D1, D2) 및 추정된 부분방전위치 정보를 저장, 분석 및 알람하는 단계(S700)를 포함한다.
상기 노이즈를 제거하는 단계(S200)는 취득된 상기 부분방전 신호 중 외부 노이즈 및 기 설정 조건에 따른 노이즈를 제거함으로써 부분방전 위치의 추정의 정확도를 높이는 것을 특징으로 한다.
노이즈를 제거하기 위해 별도의 노이즈 제거장치(Noise Canceling Device Method: NCDM)를 이용하여 저주파 대역 및 고주파 대역대에 CP(Check Point)을 선정하고 외래 방해파 간섭을 최소화하고 제거함으로써 전력설비 상태를 정밀하게 감시할 수 있으며, 신뢰할 수 있는 부분 방전 신호를 좀더 정확하게 구분 할 수 있는 것이다.
상기 전자기파 감지단계에 사용하는 센서부(100)는 300 내지 3000 MHz의 전파를 이용하는 복수의 UHF(Ultra High Frequency) 센서로 마련되고, 상기 정 노이즈 제거부, 노이즈 제거장치(330, NCDM, Noise Canceling Device Method)는 취득된 상기 부분방전 신호 중 외부 노이즈 및 기 설정 조건에 따른 노이즈를 제거함으로써 부분방전 위치의 추정의 정확도를 높인다.
상기 노이즈 제거부(330)는 노이즈를 제거하는 수단, 구성, 방법을 통칭하며, 본 발명에 따른 명세서에서는 NCD 또는 NCDM으로 표기할 수 있다. 따라서, 노이즈를 제거하는 메커니즘과 과정, 구성에 특징이 있는 있으며 그 호칭은 변경될 수 있다.
상기 부분방전위치를 검출하는 단계(D1)는 데이터 전환단계(S300), 데이터 처리단계(S400), 데이터 집합단계(S500) 및 데이터 분석단계(S600)를 포함할 수 있으며, 또한, 상기 부분방전위치를 검출하는 단계(D2)는 신호를 전환하여 샘플링 데이터를 수집하는 단계(S310), 기 설정 범위 피크 값 추출 단계(S410), 외부신호, 피크 값 등을 구분 취득하는 단계(S510), 추정위치, 정보 등을 지표를 이용하여 추정하는 단계(S610)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 부분방전위치를 검출하기 위해 위치추정모듈(500) 및 정보수집모듈(300)이 필요하며, 상기 정보수집모듈(300)은 데이터 취득부(310), 노이즈 제거부(330)로 구성되며, 상기 데이터 취득부(310)는 상기 센서부(100)에 수신된 데이터를 취득하여 상기 노이즈 제거부(330)로 보내고, 상기 노이즈 제거부(330)는 앞서 설명한 바와 같이 방전 신호를 검출 할 수 있는 특정 주파수 대역만 통과시키고 불필요한 주파수대역은 제거하여 데이터 전환부(510)를 포함하는 위치추정 모듈(500)로 전송한다.
또한, 상기 위치추정모듈(500)은 상기 정보수집 모듈(300)로부터 노이즈가 제거된 신호를 수신하여 부분방전의 위치를 검출하기 위한 구성이며 다양한 지표 및 방식을 적용하여 부분방전위치를 추정하기 위해 디지털 데이터 전환부(500), 데이터 처리부(530), 데이터 집합부(550) 및 데이터 분석부(570)를 포함한다.
상기 디지털 데이터 전환부(510)는 부분 방전 위치를 추정하기 위하여 다수의 모듈을 이용하여 높은 샘플링을 갖는 것을 특징으로 하며, 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하여 데이터 처리부(530)로 전송한다.
상기 데이터 처리부(530)는 부분 방전 발생 시 짧은 펄스 폭을 가지는 임펄스 형태로 방전 량에 따라 발생신호의 크기가 비례하며 반복되는 AC 사이클에서 방전 개시 전압을 초과하는 경우 발생되기 때문에 부분 방전을 유발하는 원인에 따라 특정 위상에서 반복되어 나타나는 특성을 가진다.
따라서, 시간영역(Time Domain)에서 부분 방전 검출장치의 AC사이클에 동기된 기준시간을 입력을 통해 위상정보를 추출하고 데이터 전환부(550)에서 가공되어 입력된 외부신호 및 부분 방전 신호 데이터 중에 피크 값 및 도착시간 데이터만 취득한다.
또한, 데이터 전환부(550)에서 높은 샘플링으로 인해 대량의 데이터가 누적되어 모든 데이터를 가지고 올 수 없기 때문에 피크 값 및 도착시간 데이터만 저장된다. 이후 데이터 집합부(550)는 데이터 처리부(530)에서 시간영역(Time Domain)에 맞춰 동기화된 신호 피크 값 및 도착시간 데이터를 집합하여 데이터 분석부(570)로 전송한다. 상기 데이터 분석부(570)는 다수의 센서에서 검출된 피크 값 및 도착시간 데이터를 분석하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 부분방전위치 검출방법은 상기 분석 저장한 정보를 이용하여 부분방전위치 및 전력기기의 상태를 예측하여 관리하는 단계를 더 포함하되, 상기 예측된 부분방전위치 및 전력기기의 상태 정보를 사용자 또는 관리자에게 제공함으로써 전력기기 운용 중단을 최소화 할 수 있다.
이를 위해 정보 학습부(730) 및 서버(800)를 더 포함하며, 저장된 정보는 데이터 베이스로 가공되고, 가공된 상기 데이터 베이스는 인공지능 또는 머신러닝을 이용하여 학습함으로써 전력기기의 이상 발생 상황을 예측하고, 예측된 정보는 상기 서버를 통해 사용자 내지 관리자에게 알람 될 수 있다.
앞서 측정된 데이터 정보들은 각각 상황 조건 및 사용 상태에 따라 케이스별 상관성 분석을 통해 DB(데이터베이스)화 하고 데이터 마이닝(data mining) 또는 딥러닝(deep learning), 머신 러닝 기술을 이용함으로써 빅데이터로 저장 및 활용할 수 있다.
본 발명에 따른 부분방전위치 검출방법에 적용될 상기 데이터 마이닝은 데이터 베이스 내에서 어떠한 방법(순차 패턴, 유사성 등)에 의해 관심 있는 지식을 찾아내는 과정 또는, 대용량의 데이터 속에서 유용한 정보를 발견하는 과정이며, 기대했던 정보뿐만 아니라 기대하지 못했던 정보를 찾을 수 있는 기술을 의미한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서의 단순 치환, 변형 및 변경은 당 분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.
본 발명에 따른 부분방전위치 검출시스템 및 방법은 개선된 구성과 메커니즘을 이용함으로써 효율적이고 신뢰도 높은 부분방전위치 검출시스템 및 방법에 이용될 수 있다.
100: 센서부 300: 정보수집 모듈
310: 데이터 취득부 330: 노이즈 제거부
500: 위치추정 모듈 510: 데이터 전환부
530: 데이터 처리부 550: 데이터 집합부
570: 데이터 분석부 700: 정보저장 모듈
710: 정보 저장부 730: 정보 학습부
800: 서버 810: 사용자 단말
830: 컴퓨터 850: 알람부
S100: 전자기파 감지
S200: 취득 및 노이즈 제거
S300: 데이터 전환
S400: 데이터 처리
S500: 데이터 집합
S600: 데이터 분석
S700: 데이터 저장, 학습

Claims (10)

  1. 전력기기의 부분방전 신호를 감지하는 부분방전 센서부;
    상기 부분방전 신호를 취득하고 노이즈를 제거하는 정보수집 모듈;
    노이즈가 제거된 상기 부분방전 신호를 복수의 지표를 이용하여 분석함으로써 부분방전 위치를 추정하는 위치추정 모듈; 및
    상기 부분방전 신호, 분석된 정보 및 추정된 위치정보를 저장하는 정보저장 모듈; 을 포함하며,
    상기 부분방전 센서부는 300 내지 3000 MHz의 전파를 이용하는 복수의 UHF(Ultra High Frequency) 센서로 마련되고, 상기 정보수집 모듈에 마련된 노이즈 제거부(NCDM, Noise Canceling Device Method)는 취득된 상기 부분방전 신호 중 외부 노이즈 및 기 설정 조건에 따른 노이즈를 제거함으로써 부분방전에서 발생하는 위상각, 방전 전하량 및 발생 펄스 빈도의 지표를 분석하여 부분방전 위치의 추정의 정확도를 높이며,
    상기 위치추정 모듈은 부분방전위치를 추정하기 위해 통신장치 및 앵커로 마련된 3개 이상의 위치추적 장치를 이용하고, 상기 위치추적 장치는 상기 앵커가 상기 부분방전 센서부 내 무선 통신부와 신호를 송수신 함으로써 상기 신호의 세기를 측정하여 삼각법에 의해 상기 부분방전위치를 좌표로 생산 및 추정하고,
    상기 위치추정 모듈은 디지털 데이터 전환부, 데이터 처리부, 데이터 집합부 및 데이터 분석부를 포함하며, 상기 데이터 처리부의 신호 데이터는 시간영역(Time Domain)에서 부분 방전 검출장치의 AC사이클에 동기된 기준시간을 입력을 통해 위상정보를 추출하고 데이터 전환부에서 가공되어 입력된 외부신호 및 부분 방전 신호 데이터 중, 피크 값 및 도착시간 데이터만 취득 저장하며, 상기 데이터 집합부는 상기 시간영역(Time Domain)에 맞춰 동기화된 신호 피크 값 및 도착시간 데이터를 집합하여 데이터 분석부로 전송함으로써, 상기 데이터 분석부가 다수의 센서에서 검출된 피크 값 및 도착시간 데이터를 함께 분석하고,
    상기 전력기기가 이동하는 경우에는 RFID를 이용한 게이트가 주요 지점에 마련되고 상기 게이트 사이에 이동하는 상기 전력기기의 부분방전위치를 인식하도록 소프트웨어를 이용하되, 상기 소프트웨어는 상기 게이트 사이에서 이동하는 상기 전력기기의 이동 속도를 계산하여 부분방전위치를 함께 파악하는 것을 특징으로 하는 부분방전위치 검출시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    정보 학습부 및 서버를 더 포함하며,
    상기 정보저장모듈에 저장된 정보는 데이터 베이스로 가공되고, 가공된 상기 데이터 베이스는 상기 정보 학습부에서 인공지능 또는 머신러닝을 이용하여 학습함으로써 전력기기의 이상 발생 상황을 예측하고, 예측된 정보는 상기 서버를 통해 사용자 내지 관리자에게 알람되는 것을 특징으로 하는 부분방전위치 검출시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 노이즈 제거부는 상기 센서부에서 검출된 초광대역 신호에서 내 외부의 불특정한 전자기파 신호를 제거하기 위해 기 설정된 주파수 대역만 통과시키고, 부분방전 검출대역인 500 내지 1500 Hz의 동시간대 유입된 외부 방해파만을 제거하며, 상기 센서부는 다수를 설치하되 1 nano sec 로 측정함으로써 30 cm 단위의 측정이 가능한 것을 특징으로 하는 부분방전위치 검출시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 정보 저장모듈은 데이터 처리 유닛을 더 포함하되, 상기 데이터 처리 유닛은 수신된 정보를 통신에 적합한 적정 조건의 데이터로 변환하고, CPU, 무선통신부 및 파워 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 부분방전위치 검출시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 위치추정모듈에서 부분방전위치를 검출하기 위한 과정은 다음의 수학식을 이용하되,
    Figure 112020101462640-pat00003
    , 이웃하는 두 개의 센서부인 S1, S2 사이의 총 거리가 L, 부분방전위치와 S1, S2에의 신호 도달거리가 각각 l1, l2 이며, C는 빛의 속도, 델타 t는 각 센서부의 신호 도착시간 차이로서, 이를 분할함으로써 부분방전위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 부분방전위치 검출시스템.
  9. 제 1항, 제 3항, 제4항, 제 5항 및 제 8항 중 어느 한 항에 따른 검출시스템을 이용한 부분방전위치 검출방법에 에 있어서,
    전력기기에서 발생하는 전자기파를 감지하는 단계;
    상기 감지된 전자기파의 노이즈를 제거하는 단계;
    상기 노이즈가 제거된 전자기파 신호를 디지털 신호로 전환하는 단계;
    전환된 상기 디지털 신호를 분석하여 부분방전위치를 추정하는 단계; 및
    추정된 부분방전위치 정보를 저장, 분석 및 알람하는 단계; 를 포함하며,
    상기 노이즈를 제거하는 단계는 취득된 상기 부분방전 신호 중 외부 노이즈 및 기 설정 조건에 따른 노이즈를 제거함으로써 부분방전 위치의 추정의 정확도를 높이는 것을 특징으로 하는 부분방전위치 검출방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 추정된 부분방전위치 정보를 저장, 분석 및 알람하는 단계 이후에,
    상기 분석 저장한 정보를 이용하여 부분방전위치 및 전력기기의 상태를 예측하여 관리하는 단계; 를 더 포함하되, 상기 예측된 부분방전위치 및 전력기기의 상태 정보를 사용자 또는 관리자에게 제공함으로써 전력기기 운용 중단을 최소화 하는 것을 특징으로 하는 부분방전위치 검출방법.

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