KR102373747B1 - 전력선 탐사 장치 및 전력선 탐사 방법 - Google Patents

Abstract

전술한 바와 같은 과제를 실현하기 위한 본 개시의 일 실시예에 따라 전력선 탐사를 위한 전력선 탐사신호 수신장치가 개시된다. 전력선에서 발생하는 자계신호-상기 자계신호는 부하전류와 탐사용 전류신호에 의해 유기됨-를 검출하는 자계 센서; 상기 자계 센서에 입력된 자계신호 중 부하전류에 의해 유기되는 자계신호를 제거하여 탐사용 자계신호를 생성하는 대역 필터; 및 상기 대역 필터를 통과한 신호를 디지털화 하는 디지털변환기;를 포함하고, 상기 탐사용 자계신호가 사전결정된 신호로 구성되는지 여부를 판단하고, 사전결정된 신호로 구성되는 경우, 사전결정된 시간 간격 이후에 동일한 탐사용 자계신호가 감지되는지 여부를 판단하고, 사전결정된 시간 간격 이후에 동일한 탐사용 자계신호가 감지되는 경우, 상기 탐사용 자계신호가 검출된 것으로 판단할 수 있다.
필터링 후에도 여전히 경로탐사용 전류펄스와 유사한 신호들이 많이 함유되어 있어 단순한 최대값 검출만으로는 탐사신호를 정확히 구분할 수 없어 다음과 같이 전류성 신호 발생시간과 동기된 탐사신호 검출방식을 발명하였다
불필요하게 신호 전체를 비교하여 판단하는 것이 아니라 신호펄스가 발생하는 시간대만 신호를 검출하고 이를 비교하는 방식으로 하였다
이전 방식에서는 1사이클 단위(16.7msec동안)로 측정된 자계의 신호를 측정하고 이전 측정값과 비교하여 탐사신호의 유무를 판정했음

Description

전력선 탐사 장치 및 전력선 탐사 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SURVEYING POWER LINES}

본 발명은 지중에 매설되거나 은폐되어 육안으로 확인 불가한 전력선의 설치(매설)경로를 파악하거나, 노출된 개소에서 전력선의 전원과 부하측 구분, 접속분기와 같은 회선(구성)을 파악하기 위한 탐사기술에 관한 발명이며 특히 전력선 등이 밀집된 변압기 등에서 부하전류 등에 의한 자계신호 영향을 받는 곳에서 탐사하는 방법에 관한 것이다.

지중에 매설되거나 은폐되어 육안으로 확인 불가한 전력선의 설치경로 등을 탐사하기 위해 발명인은 대한민국 등록특허 10-0778089(도심지 다중변압기 설치장소에서의 지중 저압회선 탐사시스템 및 방법)에서 운전중인 전력선의 부하측에서 단말장치를 사용하여 짧은 순간 전류성(전류임펄스) 신호를 발생하고, 이때 흐르는 전류에 의해 유기된 자계신호를 전력선의 중간 경로 상에서 전력선 표면에 접촉 또는 지상에서 비접촉 방법으로 자계신호를 검출하여 경로탐사 장치가 매설경로를 파악하거나, 변압기(전원)에 설치된 주장치가 파악하여 해당 전력선 정보를 단말장치에 전달하여 회선 구성 등을 파악하는 시스템 및 방법을 소개하였다.

본 개시는 전술한 배경기술에 대응하여 안출된 것으로, 탐사용 자계신호를 통해 전력선의 매설 경로를 정확히 탐색하기 위한 장치 및 방법을 제공하기 위함이다.

전술한 바와 같은 과제를 실현하기 위한 본 개시의 일 실시예에 따라 전력선 탐사를 위한 전력선 탐사신호 수신장치가 개시된다. 상기 전력선 탐사신호 수신장치는 전력선에서 발생하는 자계신호-상기 자계신호는 부하전류와 탐사용 전류신호에 의해 유기됨-를 검출하는 자계 센서, 상기 자계 센서에 입력된 자계신호 중 부하전류에 의해 유기되는 자계신호를 제거하여 탐사용 자계신호를 생성하는 대역 필터 및 상기 대역 필터를 통과한 신호를 디지털화 하는 디지털변환기를 포함하고, 상기 탐사용 자계신호가 사전결정된 신호로 구성되는지 여부를 판단하고, 사전결정된 신호로 구성되는 경우, 사전결정된 시간 간격 이후에 동일한 탐사용 자계신호가 감지되는지 여부를 판단하고, 사전결정된 시간 간격 이후에 동일한 탐사용 자계신호가 감지되는 경우, 상기 탐사용 자계신호가 검출된 것으로 판단할 수 있다.

경로탐사 정확도 향상 및 주변영향 최소화

[도1]은 이전기술에서 경로탐사장치 구성
[도2]는 전압파형과 전류 탐사신호 발생시간 비교
[도3]은 하향 상향 방향 제로크로싱 시간 비교
[도4]는 0값과 1값의 비교
[도5]는 대전류 부하에 포함된 탐사신호 파형
[도6]는 대전류 부하에 포함된 탐사신호를 해석한 값
[도7]은 상전류와 중성전류 파형비교
[도8]은 중성선 전류 파형 예
[도9]는 중성선전류의 상변화 순서
[도10]은 중성선 전류에 함유된 펄스 해석예
[도11]은 탐사신호 입력단 변경(개선)회로 예
[도12]는 탐사신호 입력단 변경 후 상전류와 중성전류 파형 예
[도13]은 동기가 이뤄지지 않을 때 탐사신호 구분방법 예(이전기술)
[도14]는 탐사신호가 아닌 부하전류의 피크 파형의 연속발생 사례
[도15]는 탐사신호 검출의 정확도 향상을 위한 시간동기 프레임 설명
[도16]은 피크값 비교에 의한 탐사신호 구분방법 설명(신호가 아닌경우)
[도17]은 탐사신호 구분방법(신호일 경우)
[도18]은 탐사신호의 극성구분 방법 설명

전력선 설치(매설)경로를 지상에서 또는 회선구성 정보를 변압기, 맨홀 등에서 탐사하기 위해서는 짧은 순간 탐사용 전류성 신호 발생에 의해 유기된 자계신호를 얼마나 정확하게 전력선 근처 또는 지상에서 검출할 수 있느냐가 관건이다.

먼저 [도 1]은 기존기술에서 전력선 설치경로 및 회선탐사를 위한 장치의 구성 사례이다. 즉 변압기(10)에 연결되어 전력을 공급하고 있는 전력선들의 회선구성 및 설치경로를 탐사하기 위해 전원 측에 탐사용 주장치(20)와 부하 측에 단말장치(30)를 전력선의 상선(11)과 중성선(12)에 연결하여 아주 짧은 순간 (0.5 ~ 1.5 msec)에 탐사용 전류 60~100A 크기의 신호를 흐르도록 한다. 탐사용 전류 흐름(31)에 따라 자계신호(32)가 전력선을 따라 형성되고, 이를 지상에서 비접촉하여 페라이트 코일과 같은 센서를 사용하여 매설된 전력선의 설치(매설)경로를 파악하는 경로탐사장치(40)와 변압기나 맨홀과 같이 전력선이 노출된 곳에서 절연 제거없이 전력선 표면에 페라이트 코일 또는 로고스키 코일(22) 등을 접촉하여 전력 회선의 구성 정보 등을 분기 등의 구성을 파악하기 위해 로고스키 코일(22) 등을 사용하여 회선(구성) 탐사(21)한다.

[도 2]는 탐사용 전류(104) 발생을 설명한다. 전력주파수(50 또는 60Hz) 전압신호 파형(101)은 부하전류가 최소(0)가 되는 상향 제로크로싱점(106)과 하향 제로크로싱점(105)이 있는데, 이 중 하향 제로크로싱 점에 약간 못 미쳐 탐사용 전류펄스(104)를 발생하면 부하전류파형(102)의 최대점(103)보다 더 크게 발생하여 경로탐사장치 또는 주장치에서 자계신호를 검출하여 랜덤한(임의의) 시작점에서 1싸이클 동안 (60Hz 경우 16.7msec) 시간 동안 자계신호의 누산값을 측정하여 탐사신호가 있는(1) 것과 없는 경우를 쉽게 구분할 수 있어 경로 및 회선 탐사가 가능하였다. [도 3]은 하향 및 상향 제로크로싱점과 탐사용 전류펄스의 발생 관계를 보여주고 있다.

그러나 [도 4]와 같이 탐사용 전류(104)의 크기가 부하전류(102)보다 큰 경우에 전력선의 경로 또는 회선 탐사할 때 랜덤한(임의의) 시작점에서 1싸이클(16.7msec, 60Hz경우)동안 자계신호의 누산값을 측정한 값과 이전 싸이클의 그 값과 비교하여 신호 값의 유무(1,0)를 판정하였다.

그러나 위와 같은 방법은 [도 2]와 같이 부하전류 크기가 탐사용 전류보다 적고, 전력선이 하나만 있는 경우 탐사신호를 명확히 구분할 수 있지만, 변압기 또는 맨홀 근처와 같이 여러 개의 전력선이 밀집되어 자계신호가 혼합된 복잡한 파형등이 나타나는 곳에서는 적용할 수 없다

다음은 변압기 근처에서 자계신호를 측정한 파형이다. 노랑점의 피크점은 +- 같은 값으로 연속하여 나타나고 있다. 이러한 경우에 탐사전류에 의한 자계신호는 그리 크지 않아 이를 자세히 분석하여야만 정확히 탐사가 가능한 것이다.

위와같이 부하전류와 탐사용 전류신호가 더해져서 유기되는 자계신호를 검출하여 탐사신호 유무를 검출할 때 발생되는 오류를 방지하기 위해 다음 두가지

기능을 변경, 추가하였음

1. 부하전류 제거

2. 시간동기 기능

먼저 경로탐사장치에서 전체 자계신호를 비교하지 않고 단말장치가 발생한 탐사용 전류신호에 의해 유기되는 자계신호 발생 구간만 비교하기 위해 부하전류로부터 유기되는 자계신호 값을 제거하였음

위에서 언급한 것과 같이 기존 기술에서는 부하전류와 탐사용 전류신호의 합에 의해 유기되는 자계신호를 매 사이클마다 비교하여 신호값의 변동이 있으면 이를 검출하여 1 또는 0으로 판단하였다. 그러나 위와같이 탐사신호 검출이 부하전류에 의해 유기되는 자계신호의 크기에 영향을 받아 이를 해소하고자 부하전류에 의해 유기되는 자계신호(60Hz~300Hz)를 제거하고자 입력신호와 디지털변환기(ADC) 사이에 600Hz의 대역 필터를 추가하여, 탐사용 전류신호에 의해 유기되는 자계신호만을 검출하도록 하였음

필터링 후 경로탐사장치의 디지탈변환기(ADC)의 입력신호는 아래와 같이 60Hz 전력주파수의 사인파는 제거되고 600Hz 대역의 높은 주파수 성분만을 나타낸다. 여기서 디지털변환기(ADC)는 대역 필터를 통과한 신호를 디지털화 할 수 있다. 보다 구체적으로, 디지털변환기(ADC)는 대역 필터에 의해 생성된 탐사용 자계신호를 싸이클 단위로 구분하여, 각 싸이클을 신호 1 또는 신호 0을 포함하는 디지털 숫자로 변환하는 디지털화를 수행할 수 있다. 여기서 디지털변환기의 출력 단위는 1비트(bit)일 수 있다.

탐사신호 검출의 정확성을 향상하기 위해 다음과 같은 순서로 신호발생 시간과 신호검출 시간을 동기화 및 검출시간을 작게 축소하여 다른 신호의 영향을 최소화합니다

1. 단말장치를 전력선에 연결하고 경로탐사 전류펄스 발생 모드로 전환합니다. 보다 구체적으로, 전력선 탐사신호 송신을 위한 단말장치를 전력선에 연결할 수 있다. 그리고, 단말장치를 통해 전력선에서 흐르는 전력주파수를 측정할 수 있다. 또한, 단말장치는 탐사용 자계신호를 생성하여 전력선 상에 전송할 수 있다.

2. 전력선 탐사신호 송신을 위한 단말장치는 전력주파수의 파형에 기초하여 전류펄스를 발생하거나, 또는 발생하지 않음으로써 전류펄스에 패턴을 생성할 수 있다. 보다 구체적으로, 단말장치는 전력주파수의 파형에서 0V를 -방향으로 지나가는 하향 제로크로싱점과 +방향으로 지나가는 상향 제로크로싱점을 식별할 수 있다. 그리고, 단말장치는 하향 제로크로싱점에서 전류펄스를 발생할 수 있다. 예를 들어, 단말장치는 전력주파수의 하향 제로크로싱점에 근접하여 전류펄스를 1~1.5msec발생하고(신호1), 다음 주기(1T=16.7msec 이후)에는 발생하지 않고(신호0), 그 다음 주기에는 전류펄스를 발생(신호1)하여 1010 신호를 1차례 발생합니다. 그리고 다시 1.9초(114싸이클, 60Hz일 경우)후에 다시 1010신호와 추가 3개의 0들을 다시 전송하여 탐사신호를 검출할 수 있도록 합니다. 전술한 전류펄스의 발생은 예시일 뿐, 본 개시는 이에 제한되지 않는다.

3. 잡음이 많은 지역에서는 잘못된 피크가 발생할 수 있으므로 경로탐사장치의 자계 센서가 수신한 자계신호 중 첫 번째 피크값을 검출하고 다음 주기에 같은 신호가 연속되는지 확인합니다. 만약 동일한 피크값이 연속되면 이 피크점은 무시합니다.

즉 도 16의 가와 나의 피크는 다음 주기(다,라)에서 반복되므로 이를 무시하고 3번째 피크인 마에서 다음 피크가 있는지 여부를 확인합니다.

4. 피크 마에서 경로탐사장치를 전력선에 근접하여 전류펄스에 의해 발생되는 자계의 첫 번째 최대 피크를 검출합니다.

그러나 필터링 후에도 여전히 경로탐사용 전류펄스와 유사한 신호들이 많이 함유되어 있어 단순한 최대값 검출만으로는 탐사신호를 정확히 구분할 수 없어 다음과 같이 전류성 신호 발생시간과 동기된 탐사신호 검출방식을 발명하였다

불필요하게 신호 전체를 비교하여 판단하는 것이 아니라 신호펄스가 발생하는 시간대만 신호를 검출하고 이를 비교하는 방식으로 하였다

이전 방식에서는 1사이클 단위(16.7msec동안)로 측정된 자계의 신호를 측정하고 이전 측정값과 비교하여 탐사신호의 유무를 판정했음

본 프로그램은 전력선 설치(매설)경로를 지상에서 전력선을 통해 전류임펄스 신호가 흐르면서 발생하는 자계신호를 검출(탐사)하여 설치(매설)경로를 파악하는 경로탐사장치의 운전프로그램임. 이전에는 피크값만을 각 싸이클의 제로크로싱점에서 비교하여 1 또는 0으로 결정하였으나 본 프로그램에서는 평균값을 비교하는 Ta기능과 피크값을 비교하는 T기능을 번갈아가며 비교 탐사할 수 있도록 하였음

1. 장치 초기화 후 최초 전류임펄스 신호에 의해 스캔하는 주기(싸이클) 동기하여 비교용 평균값 시작점을 일치시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 디지털변환기는 탐사용 자계신호가 사전결정된 신호로 구성되는지 여부를 판단하여 디지털화 할 수 있다. 그리고, 디지털변환기에서 출력된 상기 탐사용 자계신호의 첫 번째 펄스 신호가 인지되는지 여부를 판단할 수 있다. 디지털변환기는 자계신호 중 첫 번째 피크값을 검출하고, 다음 주기에 같은 피크값이 연속되는지 확인할 수 있다. 그리고, 디지털변환기는 동일한 피크값이 연속되면 첫 번째 피크값을 무시할 수 있다. 또한, 디지털변환기는 연속되는 피크값이 상이한 경우, 연속되는 피크값 중 높은 피크값을 신호 1로 변환하여 출력할 수 있다. 이에 따라, 디지털변환기는 신호가 1로 출력된 피크값의 시작점에 의해 비교용 평균값 시작점을 일치시킬 수 있다.

2. 매 1.9초마다 발생하는 전류임펄스 신호화 동기하기 위하여 맨 처음 인지된 펄스 신호 검출 후 1.9초-7Cycle 시간 점에서 다음 신호의 유무를 파악하여 7bit의 값이 0101000일 경우 탐사신호로 인지할 수 있다. 보다 구체적으로, 디지털변환기에서 첫 번째 펄스 신호가 인지되는 경우, 사전결정된 시간 간격동안 검출된 펄스 신호가 사전결정된 신호패턴인지 여부를 판단할 수 있다. 그리고, 펄스 신호에서 사전결정된 신호 패턴이 감지되는 경우, 상기 탐사용 자계신호가 검출된 것으로 판단할 수 있다. 디지털변환기에서 1로 출력된 신호로부터 사전결정된 시간 간격 동안 각 싸이클에 대해서 디지털화 된 신호값을 인식할 수 있다. 예를 들어, 인식된 첫 번째 펄스 신호가 1인 지점부터, 60Hz에서 7싸이클에 해당하는 1.9초에 대하여 디지털변환기에서 출력되는 7개의 비트값을 확인할 수 있다. 그리고, 7비트가 0101000인 경우, 탐사용 자계신호가 검출된 것으로 판단될 수 있다. 전술한 탐사용 자계신호의 검출 판단의 구체적인 수치 기재는 예시일 뿐, 본 개시는 이에 제한되지 않는다.

3. 신호의 유무는 평균값의 크기를 이전값과 비교하여 구분하고 신호 크기의 값은 피크 크기값으로 표시할 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 따른 디지털변환기는 1 사이클 동안의 자계신호의 평균값의 크기에 기초하여 자계신호의 값을 0 또는, 1로 결정할 수 있다. 또는 각 싸이클의 제로크로싱점에서 자계신호의 피크값에 기초하여 자계신호의 값을 신호 1 또는 신호 0으로 결정할 수 있다.

Claims (1)

1. 전력선 탐사를 위한 전력선 탐사신호 수신장치로서,
   부하전류 및 탐사신호 송신장치가 전력주파수의 파형에 기초하여 발생된 탐사용 전류 신호에 의해 자계신호를 유기함으로써 전력선에서 발생하는 자계신호를 검출하는 자계 센서;
   상기 자계 센서에 입력된 자계신호 중 상기 부하전류에 의해 유기되는 자계신호를 제거함으로써 탐사용 자계신호를 생성하는 대역 필터; 및
   상기 탐사용 자계신호를 디지털화함으로써 신호 '1' 또는 신호 '0'을 포함하는 디지털 신호를 생성하는 디지털변환기;를 포함하고,
   상기 디지털 신호가 사전결정된 신호로 구성되는지 여부를 판단하고, 상기 디지털 신호가 사전결정된 신호로 구성되는 경우, 사전 결정된 시간 간격 이후에 상기 디지털 신호에 대응하는 탐사용 자계신호와 동일한 탐사용 자계신호가 감지되는지 여부를 더 판단하고, 상기 동일한 탐사용 자계 신호가 감지되는 경우, 전력선이 탐사된 것으로 판단하는,
   전력선 탐사신호 수신장치.
   
   

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