KR102491660B1 - 시간영역 반사파 계측법과 웨이블릿 변환을 이용한 케이블 고장 진단 시스템 - Google Patents

시간영역 반사파 계측법과 웨이블릿 변환을 이용한 케이블 고장 진단 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 케이블 고장 진단 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 시간영역 반사파 계측법과 웨이블릿 변환을 이용하여 블라인드 스팟 내에서 케이블에 결함이 발생한 경우 신속하고 높은 정밀도로 이를 진단할 수 있는 케이블 고장 진단 시스템에 관한 것이다.

Description

시간영역 반사파 계측법과 웨이블릿 변환을 이용한 케이블 고장 진단 시스템 {Fault diagnosis system of cable using TDR and Wavelet transform}
본 발명은 케이블 고장 진단 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 시간영역 반사파 계측법과 웨이블릿 변환을 이용하여 블라인드 스팟 내에서 케이블에 결함이 발생한 경우 신속하고 높은 정밀도로 이를 진단할 수 있는 케이블 고장 진단 시스템에 관한 것이다.
4차 산업혁명 및 스마트 팩토리는 사물인터넷을 통해 생산 기기와 생산품 간의 정보교환이 가능한 제조업의 완전한 자동생산 체제를 일컫는 산업정책으로서, 공장의 자동화가 세계적인 추세이다. 공장의 자동화에서 가장 중요한 점은 생산기기 관리의 신뢰성으로 볼 수 있는데, 이때 생산기기의 핵심 중 하나인 로봇은 수많은 케이블을 내장하고 있다.
이와 같이 복잡한 케이블 시스템에 고장이 발생할 경우 어느 케이블에서 고장이 발생했는지 고장난 위치가 어디인지 등을 빠른 시간 안에 진단하고 생산 기기를 수리해야 할 필요성이 있다.
이를 위한 종래 기술로서, 케이블의 이상유무 진단과 위치 측정 기술, 즉 케이블 진단 방법으로서 일정한 신호를 케이블에 전송한 후 반사되는 신호를 분석하여 도선의 이상 유무를 진단하는 반사파 계측법(reflectometry)이 주를 이루고 있다.
반사파 계측법은 시간영역 또는 주파수 영역에서만 이루어지는데, 일정한 신호를 도선에 전송한 후 반사되어 돌아오는 신호를 측정하여, 케이블의 단선(open), 단락(short), 불연속점(discontinuity) 등의 결함(fault) 유무와 그 위치, 도선의 특성 임피던스 등을 측정할 수 있다.
반사파 계측법은 신호가 어느 영역에서 정의되느냐에 따라, 시간영역 반사파 계측법(TDR, Time Domain Refloectometry), 주파수영역 반사파 계측법(FDR: Frequency Domain Reflectometry), 시간주파수 영역 반사파 계측법(TFDR, time frequency domain refloectometry) 등으로 분류될 수 있다. 위 각각의 방식들은 모두 물리적인 분해능(resolution)의 한계를 가지고 있으며, 노이즈에 민감하다는 단점을 가지고 있다.
구체적으로, 시간영역 반사파 계측법(TDR)은 도선에 펄스파(pulse wave)를 인가하여 결함부분에서 반사되어 돌아오는 펄스파의 위상(phase)을 분석하여 결함 상태를 예측하고, 지연시간으로부터 결함 위치를 알아내는 방식으로서, 이 방식은 펄스파의 상승시간(rise time)으로부터 분해능의 한계를 가진다.
주파수영역 반사파 계측법(FDR)은 사인파(sinusoidal wave)를 기준신호로 하여 케이블의 입사파와 반사파 간의 위상 차이의 직접적인 측정을 통하여 도선의 이상 유무, 거리, 특성 임피던스를 측정한다. 그러나 이 방식은 주파수 영역에서만 신호를 분석하여 주파수 소인(sweep) 대역폭에 의해 분해능의 제한을 받으며, 시간영역 반사파 계측법(TDR)과 마찬가지로 노이즈 존재 시 결함 거리 측정의 정확도가 낮아지는 단점을 가진다.
시간주파수 영역 반사파 계측법(TFDR)은 시간에 따라 주파수가 증가하는 처프(Chirp) 신호를 기준신호로 이용하고 결함 지점에서 반사되어 돌아오는 반사 신호를 시간-주파수 영역에서 위그너-빌 분포와 상호상관함수를 통해 분석하는 방식이다. 이 방식은 시간과 주파수 영역에서 동시에 정의되어 결함 진단 정확도가 높지만 신호가 고스펙 기기로 설계되어야 하기 때문에 장비의 가격이 비싸진다는 단점을 가진다.
이와 같이 종래의 반사파 계측법들은 그 종류에 따라 각각 장단점을 가지고 있으므로, 진단하고자 하는 케이블의 종류나 용도에 따라 적절히 선택되어 사용될 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이 오늘날에는 복잡한 케이블 시스템이 사용되고 있고, 이를 높은 정확도로 결함을 진단함과 동시에 경제성을 만족할 수 있는 케이블 고장 진단 방법이 필요한 실정이다.
한국 등록특허공보 제2036790호(2019.10.21.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 시간영역 반사파 계측법과 웨이블릿 변환을 이용하여, 복잡한 케이블 시스템에 결함이 발생한 경우 빠른 시간 안에 다수의 케이블을 동시에 진단할 뿐만 아니라, 블라인드 스팟 내의 결함을 신속하고 높은 정밀도로 진단할 수 있는 케이블 고장 진단 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 예에 따른 케이블 고장 진단 시스템은, 케이블의 고장 여부를 분석하기 위한 기준신호를 생성하는 기준신호 생성부; 상기 기준신호 생성부로부터 상기 기준신호를 전달받고, 상기 기준신호가 상기 케이블에 인가되어 반사되는 반사신호를 취득하는 신호 획득부; 상기 신호 획득부가 획득한 상기 기준신호와 상기 반사신호에 대해 웨이블릿 변환을 수행하여 웨이블릿 데이터를 생성하는 웨이블릿 변환부; 및 상기 웨이블릿 변환부에서 생성된 상기 웨이블릿 데이터를 이용하여 상기 케이블의 고장 여부에 관한 분석 데이터를 생성하는 분석 데이터 생성부;를 포함할 수 있다.
상기 웨이블릿 변환부는, 상기 기준신호와 상기 반사신호에 대해 1차 웨이블릿 변환을 수행하여 제1 근사계수 데이터와 제1 세부계수 데이터를 생성하고, 제n-1 근사계수 데이터에 대해 n차 웨이블릿 변환을 수행하여 제n 근사계수 데이터와 제n 세부계수 데이터를 생성할 수 있다(여기서, n=(2, …, k) 이고, k는 2 이상의 자연수임).
상기 분석 데이터 생성부는, 상기 제1 세부계수 데이터를 기초로 제1 분석 데이터를 생성하고, 상기 제n 세부계수 데이터를 기초로 제n 분석 데이터를 생성할 수 있다.
상기 분석 데이터 생성부는, 상기 제1 세부계수 데이터에서 상기 기준신호와 상기 반사신호의 세기가 처음으로 증가하는 첫번째 피크를 제1 스캔신호로 설정하고, 상기 제n 세부계수 데이터에서 상기 기준신호와 상기 반사신호의 세기가 처음으로 증가하는 첫번째 피크를 제n 스캔신호로 설정할 수 있다.
상기 제1 스캔신호를 기준으로 상기 제1 세부계수 데이터의 전체 신호를 스캔하여 상기 제1 스캔신호와 상기 제1 세부계수 데이터의 전체 신호 간 유사도를 거리별로 나타낸 제1 분석 데이터를 생성하고, 상기 제n 스캔신호를 기준으로 상기 제n 세부계수 데이터의 전체 신호를 스캔하여 상기 제n 스캔신호와 상기 제n 세부계수 데이터의 전체 신호 간 유사도를 거리별로 나타낸 제n 분석 데이터를 생성할 수 있다.
상기 분석 데이터 생성부는, 상기 제1 분석 데이터 및 상기 제n 분석 데이터를 출력부를 통해 외부로 출력할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 케이블 고장 진단 시스템은, 상기 분석 데이터 생성부에 의해 생성된 상기 제1 분석 데이터 및 상기 제n 분석 데이터를 분석하여 상기 케이블의 고장 여부를 판단하는 판단부;를 더 포함할 수 있다.
상기 판단부는, 상기 제1 분석 데이터에서 유사도가 피크를 이루는 지점이 제1 범위 이내인 경우 해당 지점을 제1 고장 지점 후보로 판단하고, 상기 제n 분석데이터에서 유사도가 피크를 이루는 지점이 제n 범위 이내인 경우 해당 지점을 제n 고장 지점 후보로 판단할 수 있다.
상기 제1 범위 및 상기 제n 범위는, 상기 유사도의 크기가 0.1 이상 1 미만일 수 있다.
상기 1차 웨이블릿 변환을 수행하기 위한 웨이블릿 변환 함수와, 상기 n차 웨이블릿 변환을 수행하기 위한 웨이블릿은 변환 함수는 서로 동일할 수 있다.
상기 기준신호는, 시간영역 반사파 계측법(TDR)을 위한 펄스 신호(step wave)일 수 있다.
상기 기준신호 생성부와 상기 신호 획득부와 상기 케이블은 T 커넥터를 통해 서로 연결되고, 상기 T 커넥터에서 상기 신호 획득부까지의 거리와, 상기 T 커넥터에서 상기 케이블까지의 거리가 동일하게 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면 시간영역 반사파 계측법을 통해 반사신호를 획득하고, 이를 웨이블릿 변환하여 레벨별로 여러 해상도를 사용하여 결함을 찾아내고 각 레벨의 분석 데이터들을 비교함으로써 케이블 고장 진단의 신뢰도를 높일 수 있다.
또한, 시간영역 반사파 계측법을 위해 펄스 신호를 이용하면서도 동시에 펄스신호의 상승시간에 구애받지 않으므로, 상대적으로 낮은 사양의 장비를 이용하더라도 높은 진단 신뢰도를 가질 수 있으며, 나아가, 블라인드 스팟 이내에서 발생하는 결함을 높은 정밀도로 검출해낼 수 있다.
도 1은 반사파 계측법 설명을 위한 케이블 등가회로를 나타낸다.
도 2는 퓨리에 변환과 웨이블릿 변환의 도식도이다.
도 3, 4는 본 발명의 일 예에 따른 케이블 고장 진단 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 펄스 신호의 일 예를 나타낸다.
도 6은 블라인드 스팟이 아닌 위치에서 결함이 발생한 경우 TDR 결과를 나타낸다.
도 7은 블라인드 스팟 내에서 결함이 발생한 경우 TDR 결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 예에 따른 반사신호의 웨이블릿 변환 과정을 나타낸 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일 예에 따른 반사신호에 대해 웨이블릿 변환을 수행한 것을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 예에 따른 기준신호에 대해 웨이블릿 변환을 수행한 것을 나타낸다.
도 11은 기준신호와 반사신호의 웨이블릿 변환을 나타낸다.
도 12는 분석 데이터를 나타낸다.
도 13은 블라인드 스팟 내에서 오픈 결함이 발생한 경우의 웨이블릿 변환 데이터를 나타낸다.
도 14는 도 13의 웨이블릿 변환 데이터를 이용하여 생성한 분석 데이터를 나타낸다.
도 15는 블라인드 스팟 내에서 쇼트 결함이 발생한 경우의 웨이블릿 변환 데이터를 나타낸다.
도 16은 도 15의 웨이블릿 변환 데이터를 이용하여 생성한 분석 데이터를 나타낸다.
도 17은 도 14와 도 16의 분석 데이터를 표로 정리한 결과 데이터이다.
본 명세서의 전반에 걸쳐 기재된 "...부(unit), "...장치(device)" 및 "...시스템(system)" 등의 용어는 하나 또는 둘 이상의 기능이 조합된 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "부", "장치" 및 "시스템" 등의 용어는 컴퓨터 관련 엔티티(Entity), 즉 하드웨어, 하드웨어 및 소프트웨어의 조합, 소프트웨어 또는 실행 시의 소프트웨어와 등가로 취급할 수 있다. 또한, 본 발명에서 실행되는 어플리케이션 프로그램은 "부" 단위로 구성될 수 있고, 읽기, 쓰기 및 지우기가 가능한 형태로 하나의 물리적 메모리에 기록되거나, 둘 이상의 메모리 또는 기록매체 사이에 분산되어 기록될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
본 발명은 케이블에 고장 내지 결함이 있는지 여부를 진단하기 위한 시스템으로서, 케이블은 그 종류가 특별히 한정되지 않고 전기신호가 흐르는 전송 선로인 경우 모두 해당될 수 있으며, 보다 구체적으로 다양한 종류의 전력 케이블과 열수송관과 같은 관로 등이 이에 포함될 수 있다. 이때, 본 발명은 특히 전자기기, 예를 들어 로봇의 와이어와 같이 그 길이가 상대적으로 짧은 케이블에 더욱 특화된 성능을 가질 수 있는데, 보다 자세한 내용은 후술하기로 한다.
본 시스템은 시간영역 반사파 계측법과 웨이블릿 변환 기법을 이용하여 케이블에 고장 여부를 진단하는 것으로, 반사파 계측법과 웨이블릿 변환에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 반사파 계측법 설명을 위한 케이블 등가회로를 나타낸 것으로, 케이블에서 전기 신호의 전파는 저항, 인덕턴스, 캐피시턴스 등의 케이블의 선로정수에 따라 결정된다.
케이블의 일부 지점에서 결함이 발생하게 되면 해당 지점에서 임피던스가 국부적으로 변화하게 된다. 케이블에 신호를 인가하게 되면 케이블의 임피던스 불일치 지점 즉 결함 지점에서 반사파가 발생하게 되는데, 반사파 계측법은 이와 같이 발생한 반사파를 분석하여 케이블의 고장 여부와 고장 지점을 파악하는 기법을 의미한다.
여기서 반사파 계측법은 케이블에 인가하는 신호의 종류에 따라 상술한 바와 같이 TDR, FDR, TFDR 등으로 나누어질 수 있는데, 본 발명은 특히 시간영역 반사파 계측법(TDR)을 이용할 수 있으며, 이에 따라 케이블에 인가하는 기준신호의 형태는 펄스 신호일 수 있다.
도 2는 퓨리에 변환과 웨이블릿 변환의 도식도로서, 웨이블릿 변환은 퓨리에 변환의 시간 localization이 불가능한 점을 개선하기 위해 개발된 기법이다. 웨이블릿 변환은 신호의 갑작스러운 변화 지점을 탐지하는 일종의 스캐닝 기법에 해당하는 것으로, 웨이블릿 변환 레벨에 따라 분해능(resolutio)이 달라질 수 있다. 신호의 각 부분은 분석하기 적합한 분해능이 존재하기 때문에 각 레벨에 따른 분석은 적합한 분해능에 맞는 분석을 가능하게 할 수 있다. 본 발명은 이를 위해 적합한 분해능을 가지고 있는 레벨을 찾고 해당 레벨에서의 고주파수 성분, 즉 세부계수 데이터를 분석하여 케이블의 고장위치를 찾을 수 있다.
이하, 본 발명에 대해 보다 자세히 설명하도록 한다. 도 3, 4는 본 발명의 일 예에 따른 케이블 고장 진단 시스템을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 도시된 바와 같이 본 시스템(10)은 기준신호 생성부(100), 신호 획득부(200), 신호 처리 장치(300)를 포함하며, 신호 처리 장치(300)는 웨이블릿 변환부(310), 분석 데이터 생성부(320)를 포함하고, 판단부(330)를 더 포함할 수 있다.
기준신호 생성부(100)는 케이블의 고장 여부를 분석하기 위한 기준신호를 생성한다. 상술한 바와 같이 기준신호는 반사파 계측법을 위해 케이블에 인가하는 신호에 해당한다.
신호 획득부(200)는 기준신호 생성부(100)로부터 기준신호를 전달받고, 기준신호 생성부(100)에 의해 생성된 기준신호가 케이블에 인가되어 반사되는 반사신호를 취득한다. 도시된 바와 같이, 신호 획득부(200)는 기준신호 생성부(100)로부터 기준신호를 직접 전달받고, 케이블로부터 케이블에 인가된 기준신호가 반사되어 되돌아오는 반사신호를 전달받을 수 있다. 반사신호는 케이블 종단에서 되돌아오는 종단 반사신호와 케이블 내 결함 지점에서 발생하는 결함 지점 반사신호가 중첩되어 형성되는 것으로, 일반적으로 신호 획득부에서 취득하는 반사신호를 취득신호라 하기도 한다.
웨이블릿 변환부(310)는 신호 획득부(200)가 획득한 기준신호와 반사신호에 대해 웨이블릿 변환을 수행하여 웨이블릿 데이터를 생성하며, 분석 데이터 생성부(320)는 웨이블릿 변환부(310)에서 생성된 웨이블릿 데이터를 이용하여 케이블의 고장 여부에 관한 분석 데이터를 생성한다.
이때, 본 발명은 반사파 계측법 중 시간영역 반사파 계측법(TDR)을 이용할 수 있으며, 이에 따라 기준신호 생성부(100)는 기준신호로서 펄스 신호를 생성할 수 있다. 펄스 신호는 쉽게 생성 가능하므로 저가의 장비로 구현 가능하여 경제적이다.
도 5는 펄스 신호의 일 예를 나타낸다. 펄스 신호의 경우 상승시간(rise time)이 존재하는데, high sampling rate 펄스 신호에 비해 low sampling rate 펄스 신호의 상승시간이 더 크다. 이와 같은 펄스 신호의 상승시간 내에 케이블에 고장이 발생할 경우 분해능의 한계로 인해 단순히 TDR을 통해 이를 감지해 내는 것은 실질적으로 불가능하다. 이와 같이 펄스 신호의 상승시간 내의 한계 영역을 가르켜 블라인드 스팟(blind spot)이라 하며, 상승시간에 신호의 속도를 곱하여 블라인드 스팟에 해당하는 거리로 변환할 수 있다.
도 6은 블라인드 스팟이 아닌 위치에서 결함이 발생한 경우 TDR 결과를 나타내고, 도 7은 블라인드 스팟 내에서 결함이 발생한 경우 TDR 결과를 나타는 것으로, 도 6, 7에서 사용된 기준신호는 샘플링 속도가 1GS/s이고 상승시간이 21.6ns에 해당하며, 이에 따라 블라인드 스팟의 거리는 약 1.94m에 해당한다.
도 6은 50m 지점에서 케이블의 쇼트/오픈에 따른 TDR 결과를 나타내는 것으로, 도시된 바와 같이 50m 지점을 기점으로 반사신호의 세기가 명확하게 증가(오픈 컨디션)하거나 감소(쇼트 컨디션)하는 파형을 통해 50m 지점에서 결함이 발생한 것을 쉽게 파악할 수 있다. 여기서 50m 지점은 블라인드 스팟 거리 이내인 1.94m 와 멀리 떨어져 있으므로 쇼트 컨디션에서는 신호의 세기가 거의 0이 되고 오픈 컨디션에서는 신호의 세기가 거의 20V가 되어 50m 지점을 기점으로 하여 반사신호의 변화 정도를 분명히 파악할 수 있으며, 이를 통해 결함 지점을 쉽게 파악할 수 있다.
이에 반해, 도 7은 블라인드 스팟 거리 내에서 케이블이 쇼트/오픈된 경우 TDR 결과를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 블라인드 스팟, 즉 상승시간 내에서 케이블에 결함이 발생하게 되면 반사신호가 물결처럼 진행하게 되어 정확한 고장지점을 분류해내기가 어렵게 된다. 도6과 비교하여 볼 때 오픈 컨디션에서 반사신호의 전압은 원래 20V에 도달해야 하나, 블라인드 스팟 내에서는 도 7과 같이 약 11V에 불과하므로, 이 상황에서 케이블의 시작점과 끝점을 포함하여 정확한 고장 지점을 분류해 내는 것이 매우 어렵다.
이와 같은 이유로, 길이가 상대적으로 긴 전력 케이블 등에서는 블라인드 스팟 이내에 결함이 발생할 확률이 적어 단지 TDR 만을 이용하여도 고장 지점을 잘 파악할 수 있으나, 그 길이가 상대적으로 짧은 로봇의 와이어 등에서는 블라인드 스팟 이내에서 결함이 발생할 가능성이 매우 크므로 TDR만을 이용하여 결함을 분석하는 것에 한계가 존재한다. 또한 펄스 신호의 라이즈 타임이 증가하게 되면 그만큼 블라인드 스팟의 범위가 넓어지게 되는데, 펄스 신호의 라이즈 타임을 감소시키기 위해서는 그만큼 고가의 장비를 이용해야 하기 때문에 경제적으로 바람직하지 않다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 웨이블릿 변환부(310)를 통해 신호 획득부가 획득한 TDR 신호 즉 기준신호와 반사신호에 대해 웨이블릿 변환을 수행하고, 분석 데이터 생성부(320)가 웨이블릿 변환부에서 변환된 데이터를 이용해 결함 지점을 분석하여 블라인드 스팟 이내에서도 결함을 정확히 진단할 수 있다.
웨이블릿 변환부(310)는 TDR 신호에 대해 웨이블릿 변환을 수행하여 웨이블릿 변환 데이터를 생성하는 구성으로서, 이때 본 발명의 웨이블릿 변환부(310)는 웨이블릿 변환을 단계(level)별로 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, 웨이블릿 변환부(310)는 기준신호와 반사신호에 대해 1차 웨이블릿 변환을 수행하여 제1 근사계수 데이터와 제1 세부계수 데이터를 생성하고, 이후 제1 세부계수 데이터에 대해 2차 웨이블릿 변환을 수행하여 제2 근사계수 데이터와 제2 세부계수 데이터를 생성하며, 이후 제2 세부계수 데이터에 대해 3차 웨이블릿 변환을 수행하여 제3 근사계수 데이터와 제3 세부계수 데이터를 생성할 수 있으며, 이와 같은 과정을 다수회 반복할 수 있다.
즉, 웨이블릿 변환부(310)는 기준신호와 반사신호에 대해 1차 웨이블릿 변환을 수행하여 제1 근사계수 데이터와 제1 세부계수 데이터를 생성하고, 제n-1 세부계수 데이터에 대해 n차 웨이블릿 변환을 수행하여 제n 근사계수 데이터와 제n 세부계수 데이터를 생성할 수 있다. 이때 n=(2, …, k) 이고, k는 2 이상의 자연수에 해당한다.
도 8은 본 발명의 일 예에 따른 반사신호의 웨이블릿 변환 과정을 나타낸 모식도이다. 도시된 바와 같이 오리지널 시그널(Signal)인 반사신호에 대해 1차 웨이블릿 변환을 수행하게 되면 로우패스 필터(L.P.F)를 통해 제1 근사계수 데이터(A)가 생성되고 하이패스 필터(H.P.F)를 통해 제1 세부계수 데이터(D)가 생성되게 된다. 이와 같이 생성된 제1 근사계수 데이터와 제1 세부계수 데이터가 레벨 1의 데이터들에 해당한다. 근사계수 데이터는 저주파수 성분을 추출한 신호 데이터로서 전체 신호의 포락선을 나타내어 전체 신호와 유사한 파형을 가지고, 세부계수 데이터는 고주파수 성분을 추출한 신호 데이터로서 오리지널 신호에서 급격한 변화가 일어난 지점을 나타낸다.
이와 같이 1차 웨이블릿 변환을 수행하여 제1 근사계수 데이터(A)와 제1 세부계수 데이터(D)를 생성하게 되면, 제1 세부계수 데이터(D)는 분석을 위한 기초 데이터로 사용되고, 제1 근사계수 데이터(A)는 2차 웨이블릿 변환 대상이 된다.
이후 제1 근사계수 데이터(A)에 대해 2차 웨이블릿 변환을 수행하게 되면 1차 웨이블릿 변환과 동일한 방식으로 제2 근사계수 데이터(AA)와 제2 세부계수 데이터(AD)가 생성되며, 제2 근사계수 데이터(AA)와 제2 세부계수 데이터(AD)가 레벨 2 데이터에 해당한다. 이를 반복하여 원하는 차수만큼 웨이블릿 변환을 수행함으로써 각 레벨별로 근사계수 데이터와 세부계수 데이터가 생성될 수 있으며, 예를 들어 도시된 바와 같이 레벨 3 데이터로서 제3 근사계수 데이터(AAA)와 제3 세부계수 데이터(AAD)가 생성되고, 레벨 4 데이터로서 제4 근사계수 데이터(AAAA)와 제4 세부계수 데이터(AAAD)가 생성될 수 있다. 웨이블릿 변환을 각 회 수행할수록 그 샘플링의 개수가 전 회에 비해 절반씩 줄어들게 된다.
이와 같은 웨이블릿 분석은 시간 정보를 반영하여 마더 웨이블릿 함수를 이동시키는 것으로, 신호의 시간 정보를 알 수 없는 퓨리에 변환과는 차이가 있다. 이때, 본 발명에서 사용된 웨이블릿 변환 함수(마더 웨이블릿)는 다음과 같다.
Figure 112021044250990-pat00001
여기서, S[n]은 이산 신호이고, Φj0,k[n], Ψj,k[n]은 각각 [0, M-1] 지점에서 정의된 scailing 및 translating 신호이고, WΦ[j,k] 및 WΨ[j,k]는 각각 scaling function Φ 및 wavelet function Ψ의 계수이며, j, k는 팽창 및 위치의 변수에 해당한다. 이때, scaling function이 다르면 주파수 해상도가 달라질 수 있다.
여기서, scaling function과 translating function 은 다음과 같다.
Figure 112021044250990-pat00002
여기서, hΦ는 low-pass filter coefficient이고, hΨ는 high-pass filter coefficient 일 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 예에 따른 반사신호에 대해 웨이블릿 변환을 수행한 것을 나타낸 도면으로, 도시된 바와 같이 오리지널 시그널, 즉 반사신호에 대해 1차로 웨이블릿 변환을 수행하게 되면 1레벨의 제1 근사계수 데이터(Approximate)와 제1 세부계수 데이터(Detail)가 생성되고, 이후 제1 근사계수 데이터에 대해 2차로 웨이블릿 변환을 수행하게 되면 2레벨의 제2 근사계수 데이터(Approximate)와 제2 세부계수 데이터(Detail)가 생성되며, 이를 반복하여 도 9와 같이 총 6레벨의 데이터들을 생성할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 예에 따른 기준신호에 대해 웨이블릿 변환을 수행한 것을 나타낸 도면으로, 총 6차 웨이블릿 변환을 수행하여 레벨 1부터 6까지의 각 세부계수 데이터들을 나타내며, 각 레벨의 근사계수 데이터는 도시되어 있지 않다.
분석 데이터 생성부(320)는 이와 같이 웨이블릿 변환부에 의해 변환된 세부계수 데이터들을 기초로 분석 데이터를 생성할 수 있다. 즉, 분석 데이터 생성부(320)는 제1 세부계수 데이터를 기초로 제1 분석 데이터를 생성하고, 제n 세부계수 데이터를 기초로 제n 분석 데이터를 생성하여, 각 레벨별로 분석 데이터를 생성할 수 있다.
구체적으로, 분석 데이터 생성부(320)는 분석 데이터에서 스캔을 위한 기준신호로서 스캔신호를 추출하고, 추출한 스캔신호를 기준으로 나머지 전체 신호들을 스캔하여 나머지 신호들 간의 유사도를 비교하여 거리별 유사도 그래프의 분석 데이터를 생성할 수 있다.
즉, 분석 데이터 생성부(320)는, 제1 세부계수 데이터에서 제1 스캔신호를 설정하되, 제1 세부계수 데이터에서 기준신호와 반사신호의 세기가 처음으로 증가하는 첫번째 피크를 제1 스캔신호로 설정하고, 제n 세부계수 데이터에서 제n 스캔신호를 설정하되, 제n 세부계수 데이터에서 기준신호와 반사신호의 세기가 처음으로 증가하는 첫번째 피크를 제n 스캔신호로 설정할 수 있다.
이후, 제1 스캔신호를 기준으로 제1 세부계수 데이터의 전체 신호를 스캔하여 제1 스캔신호와 제1 세부계수 데이터의 전체 신호 간 유사도를 거리별로 나타낸 제1 분석 데이터를 생성하고, 제n 스캔신호를 기준으로 제n 세부계수 데이터의 전체 신호를 스캔하여 제n 스캔신호와 제n 세부계수 데이터의 전체 신호 간 유사도를 거리별로 나타낸 제n 분석 데이터를 생성할 수 있다.
한편, 본 발명에서 각 차수의 웨이블릿 변환을 수행하는 웨이블릿 변환 함수, 즉 마더 웨이블릿은 각 차수별로 서로 상이할 수 있으나, 모두 동일하게 구성되는 것이 각 차수별 해상도의 차이를 동일하게 함으로써 균일한 분석을 실시할 수 있다는 측면에서 보다 바람직하다. 이하, 도 11, 12를 통해 분석 데이터 생성부에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 11은 기준신호와 반사신호의 웨이블릿 변환을 나타낸 것이고, 도 12는 분석 데이터를 나타낸 것이다. 도 11은 상술한 바와 같이 웨이블릿 변환부(310)에 의해 생성된 레벨 별 세부계수 데이터들을 나타내며, 이때 웨이블릿 변환부는 기준신호와 반사신호 각각에 대해 웨이블릿 변환을 수행하여 레벨 별 기준신호의 세부계수 데이터와 반사신호의 세부계수 데이터를 병합하거나, 또는 기준신호와 반사신호를 먼저 병합한 이후 병합된 신호를 오리지널 신호로 하여 이를 웨이블릿 변환하여 레벨 별 세부계수 데이터를 생성할 수 있다.
이때, 분석 데이터 생성부(320)는 도 11에서와 같이, 각 레벨의 세부계수 데이터에서 기준신호와 반사신호의 세기가 처음으로 증가하는 첫번째 피크를 각 세부계수 데이터의 스캔 기준신호로 설정할 수 있다. 여기서, 레벨 5, 6의 경우에는 불충분한 해상도로 인해 분석에 적합하지 않으므로 레벨 5, 6의 세부계수 데이터는 사용하지 않을 수 있다.
이와 같이 각 레벨에서 각 레벨의 스캔신호를 설정한 뒤, 분석 데이터 생성부(320)는 설정된 각 레벨의 스캔신호를 이용하여 각 레벨의 세부계수 데이터의 전체 신호를 스캔하고, 각 레벨의 스캔신호와 각 레벨의 세부계수 데이터의 전체 신호 간 유사도를 거리별로 나타내어 도 12와 같은 분석 데이터를 생성할 수 있다.
도 12를 참조하면, 레벨 1 내지 4 각각에 있어서 거리가 0인 지점은 유사도(correlation value)가 1인 것을 확인할 수 있고, 이후 거리가 증가함에 따라 그 유사도 값이 감소와 증가를 반복하는 형태로 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 본 발명은 세부계수 데이터에서 기준신호와 반사신호의 첫 번째 증가하는 피크를 스캔신호로 설정하는 특징을 가지며, 이러한 스캔신호는 케이블의 특성 및 기준신호와 반사신호의 특성이 모두 반영된 것이므로, 이를 기준으로 하여 세부계수 데이터 전체 신호의 유사도를 비교하게 되면 케이블의 고장 지점에서의 급격한 변화를 정밀하게 찾아낼 수 있다.
여기서, 본 발명은 분석 데이터 생성부(320)가 상술한 제1 분석 데이터 및 제n 분석 데이터를 출력부(400)를 통해 외부로 출력할 수 있다. 즉, 후술하는 바와 같이 본 발명은 판단부(330)를 통한 결과 데이터를 출력부(400)를 통해 외부로 출력할 수도 있으나, 판단부(330) 없이 분석 데이터를 외부로 출력하여 사용자에게 제공할 수 있다. 출력부(400)는 도 4에 도시된 바와 같이 신호 처리 장치(300)에 일체로 구비된 디스플레이일 수 있으며, 이에 한정되지 않고 유무선 통신을 통해 데이터를 제공받아 이를 출력할 수 있는 것이면 모두 포함되는 것으로, 예를 들어 본 시스템 외부의 사용자 단말일 수 있다. 사용자는 도 12에 도시된 바와 같이 그래프로 된 분석 데이터를 출력부(400)를 통해 제공받을 수 있으며, 이를 통해 케이블의 길이가 5m이고, 그 사이 2m 지점 근방에서 피크가 생성된 것을 확인하여, 2m 지점 근방에 결함이 발생하였음을 알 수 있다.
한편, 도 3을 다시 참조하면, 본 시스템(10)은 이와 같이 분석 데이터를 기초로 케이블에 결함이 있는지 여부 및 결함 지점에 대한 결과를 판단하는 판단부(330)를 더 포함할 수 있다. 판단부(330)는 분석 데이터 생성부(320)에 의해 생성된 제1 분석 데이터 및 제n 분석 데이터를 분석하여 케이블의 고장 여부를 판단하는데, 구체적으로 제1 분석 데이터에서 유사도가 피크를 이루는 지점이 제1 범위 이내인 경우 해당 지점을 제1 고장 지점 후보로 판단하고, 제n 분석 데이터에서 유사도가 피크를 이루는 지점이 제n 범위 이내인 경우 해당 지점을 제n 고장 지점 후보로 판단할 수 있다. 이때, 제1 범위 및 제n 범위는 예를 들어, 유사도의 크기가 0.1 이상 1 미만일 수 있으며, 해당 범위는 사용자에 의해 설정되어 판단부 내에 저장될 수 있다.
도 13은 블라인드 스팟 내에서 오픈 결함이 발생한 경우의 웨이블릿 변환 데이터를 나타내고, 도 14는 도 13의 웨이블릿 변환 데이터를 이용하여 생성한 분석 데이터를 나타낸다. 이때 사용된 케이블의 길이는 1.3m로 블라인드 스팟의 거리인 1.944m보다 짧으며, 도 13의 세부계수 데이터를 나타낸 그래프들에서 첫 번째와 마지막 피크는 각각 케이블의 시작과 끝을 나타낸다. 도 14는 도 13에서 레벨 1부터 레벨 4까지의 세부계수 데이터에 대한 분석 데이터를 나타낸 그래프로서, 도시된 바와 같이 블라인드 스팟 내 오픈 결함을 감지할 수 있음을 확인할 수 있다. 보다 구체적으로, 유사도가 0.1 이상인 피크 지점은 각각 레벨 1에서 1.369m, 레벨 2에서 1.38m, 레벨 3에서 1.38m, 레벨 4에서 1.391m로 그 값이 근사적으로 일치하는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 케이블의 약 1.38m 근방에 오픈 결함이 발생하였음을 알 수 있다.
도 15는 블라인드 스팟 내에서 쇼트 결함이 발생한 경우의 웨이블릿 변환 데이터를 나타내고, 도 16은 도 15의 웨이블릿 변환 데이터를 이용하여 생성한 분석 데이터를 나타낸다. 이때 사용된 케이블의 길이와 블라인드 스팟의 거리는 앞에서와 동일하다. 도시된 바와 같이 도 16을 참조하면 유사도가 0.1 이상인 피크 지점은 각각 레벨 1에서 1.358m, 레벨 2에서 1.347m, 레벨 3에서 1.358m, 레벨 4에서 1.347m로 그 값이 근사적으로 일치하는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 케이블의 약 1.35m 근방에 쇼트 결함이 발생하였음을 알 수 있다. 단, 도 16에서 2m 이상인 지점에서 유사도가 0.1 이상인 피크 지점이 발생하나, 이는 케이블의 길이인 1.944m 이후 지점으로서 케이블의 시점과 종점에서 반복적으로 반복되는 신호에 해당하는 것으로, 케이블의 길이 이외의 영역은 무시할 수 있다.
도 17은 도 14와 도 16의 분석 데이터를 표로 정리한 결과 데이터이다. 이와 같이, 본 발명에 의하면 블라인드 스팟 이내의 근거리에서 결함이 발생하더라도 해당 결함 여부 및 위치를 정확히 파악할 수 있으며, 결함의 종류가 오픈인지 쇼트인지 또한 파악할 수 있다.
한편, 도 3을 다시 참조하면, 본 시스템은 기준신호 생성부(100)와 신호 획득부(200)와 케이블이 T 커넥터를 통해 서로 연결될 수 있다. 즉, 기준신호 생성부(100)는 T 커넥터의 제1 측에 연결되고, 케이블은 T 커넥터의 제2측에 연결되며, 신호 획득부(200)는 T커넥터의 제3 측에 연결될 수 있다. 이때, 본 시스템(10)은 T 커넥터에서 신호 획득부(200)까지의 거리와, T 커넥터에서 케이블까지의 거리가 동일하게 이루어질 수 있다. 이는 기준신호와 반사신호를 동일 지점에서 동기화 하기 위한 것으로, 이와 같이 구성됨에 따라 기준신호와 반사신호를 서로 동기화시키기 위한 추가 구성 없이 신호 획득부(200)에서 동일한 시점에 기준신호와 반사신호가 입력될 수 있게 되어 시스템의 전체 구성을 간소화시킬 수 있는 이점이 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 시간영역 반사파 계측법을 통해 반사신호를 획득하고, 이를 웨이블릿 변환하여 레벨별로 여러 해상도를 사용하여 결함을 찾아내고 각 레벨의 분석 데이터들을 비교함으로써 케이블 고장 진단의 신뢰도를 높일 수 있다.
또한, 시간영역 반사파 계측법을 위해 펄스 신호를 이용하면서도 동시에 상승시간에 구애받지 않으므로, 상대적으로 낮은 사양의 장비를 이용하더라도 높은 진단 신뢰도를 가질 수 있으며, 나아가, 블라인드 스팟 이내에서 발생하는 결함을 높은 정밀도로 검출해낼 수 있다.
단, 본 발명은 블라인드 스팟 이내에서 결함이 발생하는 경우뿐만 아니라, 길이가 긴 케이블에서와 같이 블라인드 스팟이 아닌 지점에서 결함이 발생하는 경우에도 상술한 알고리즘을 이용하여 케이블의 결함 여부를 진단할 수 있음은 물론이다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.
10: 케이블 고장 진단 시스템
100: 기준신호 생성부
200: 신호 획득부
300: 신호 처리 장치
310: 웨이블릿 변환부
320: 분석부
330: 판단부
400: 출력부

Claims (12)

  1. 케이블의 고장 여부를 분석하기 위한 기준신호를 생성하는 기준신호 생성부;
    상기 기준신호 생성부로부터 상기 기준신호를 전달받고, 상기 기준신호가 상기 케이블에 인가되어 반사되는 반사신호를 취득하는 신호 획득부;
    상기 신호 획득부가 획득한 상기 기준신호와 상기 반사신호에 대해 웨이블릿 변환을 수행하여 웨이블릿 데이터를 생성하는 웨이블릿 변환부; 및
    상기 웨이블릿 변환부에서 생성된 상기 웨이블릿 데이터를 이용하여 상기 케이블의 고장 여부에 관한 분석 데이터를 생성하는 분석 데이터 생성부;를 포함하고,
    상기 웨이블릿 변환부는,
    상기 기준신호와 상기 반사신호에 대해 1차 웨이블릿 변환을 수행하여 제1 근사계수 데이터와 제1 세부계수 데이터를 생성하고, 제n-1 근사계수 데이터에 대해 n차 웨이블릿 변환을 수행하여 제n 근사계수 데이터와 제n 세부계수 데이터를 생성하고,
    상기 분석 데이터 생성부는,
    상기 제1 세부계수 데이터를 기초로 제1 분석 데이터를 생성하고, 상기 제n 세부계수 데이터를 기초로 제n 분석 데이터를 생성하며,
    상기 분석 데이터 생성부는,
    상기 제1 세부계수 데이터에서 상기 기준신호와 상기 반사신호의 세기가 처음으로 증가하는 첫번째 피크를 제1 스캔신호로 설정하고, 상기 제n 세부계수 데이터에서 상기 기준신호와 상기 반사신호의 세기가 처음으로 증가하는 첫번째 피크를 제n 스캔신호로 설정하는 것을 특징으로 하는, 케이블 고장 진단 시스템.
    (여기서, n=(2, …, k) 이고, k는 2 이상의 자연수임)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분석 데이터 생성부는,
    상기 제1 스캔신호를 기준으로 상기 제1 세부계수 데이터의 전체 신호를 스캔하여 상기 제1 스캔신호와 상기 제1 세부계수 데이터의 전체 신호 간 유사도를 거리별로 나타낸 제1 분석 데이터를 생성하고,
    상기 제n 스캔신호를 기준으로 상기 제n 세부계수 데이터의 전체 신호를 스캔하여 상기 제n 스캔신호와 상기 제n 세부계수 데이터의 전체 신호 간 유사도를 거리별로 나타낸 제n 분석 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는, 케이블 고장 진단 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 분석 데이터 생성부는,
    상기 제1 분석 데이터 및 상기 제n 분석 데이터를 출력부를 통해 외부로 출력하는 것을 특징으로 하는, 케이블 고장 진단 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 분석 데이터 생성부에 의해 생성된 상기 제1 분석 데이터 및 상기 제n 분석 데이터를 분석하여 상기 케이블의 고장 여부를 판단하는 판단부;를 더 포함하는, 케이블 고장 진단 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 판단부는,
    상기 제1 분석 데이터에서 유사도가 피크를 이루는 지점이 제1 범위 이내인 경우 해당 지점을 제1 고장 지점 후보로 판단하고,
    상기 제n 분석데이터에서 유사도가 피크를 이루는 지점이 제n 범위 이내인 경우 해당 지점을 제n 고장 지점 후보로 판단하는 것을 특징으로 하는, 케이블 고장 진단 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 범위 및 상기 제n 범위는,
    상기 유사도의 크기가 0.1 이상 1 미만인 것을 특징으로 하는, 케이블 고장 진단 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 1차 웨이블릿 변환을 수행하기 위한 웨이블릿 변환 함수와,
    상기 n차 웨이블릿 변환을 수행하기 위한 웨이블릿은 변환 함수는 서로 동일한 것을 특징으로 하는, 케이블 고장 진단 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 기준신호는, 시간영역 반사파 계측법(TDR)을 위한 펄스 신호(step wave)인 것을 특징으로 하는, 케이블 고장 진단 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기준신호 생성부와 상기 신호 획득부와 상기 케이블은 T 커넥터를 통해 서로 연결되고,
    상기 T 커넥터에서 상기 신호 획득부까지의 거리와, 상기 T 커넥터에서 상기 케이블까지의 거리가 동일하게 이루어지는 것을 특징으로 하는, 케이블 고장 진단 시스템.
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