KR102492339B1 - 부분방전 진단 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부분방전 진단 장치에 관한 것으로, 복수의 부분방전 검출 센서를 포함하는 부분방전 검출 센서부; 적어도 하나의 노이즈 검출 센서를 포함하는 노이즈 센서부; 적어도 하나의 위상 검출 센서를 포함하는 위상 검출 센서부; 상기 위상 검출 센서부를 통해 검출된 위상 신호를 출력하는 위상 동기부; 상기 부분방전 검출 센서부와 상기 노이즈 센서부에서 검출된 신호를 증폭하고 디지털로 변환하고, 상기 위상 동기부에서 출력되는 위상 신호에 동기를 맞추는 신호 검출 및 처리부; 및 상기 위상 신호에 동기화된 부분방전 검출 신호와 노이즈 신호를 처리하여 지정된 방식으로 PSA(Pulse Sequence Analysis) 패턴을 생성하여 부분방전 진단을 수행하여 제어부;를 포함한다.

Description

부분방전 진단 장치{APPARATUS FOR DIAGNOSING A PARTIAL DISCHARGING}
본 발명은 부분방전 진단 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부분방전 펄스의 상관관계 분석을 통하여 부분방전을 검출할 수 있도록 하는, 부분방전 진단 장치에 관한 것이다.
최근 국내 전력계통의 초고압 지중케이블의 지중화 비율은 점차 증가하고 있는 추세이며, 이에 따라 효율적인 설비운영을 위하여 부분방전 진단을 통하여 케이블 고장예방 활동을 수행하고 있다.
예컨대 초고압 지중케이블에 2016년도부터 On-line 부분방전 진단시스템을 도입하여 실시간으로 설비의 상태를 파악하고 있으며. 2019년도에는 IEC 61850기반 표준 통신규격을 적용한 진단시스템을 적용하여 측정 데이터의 형식과 성능을 표준화하였다.
상기 IEC 61850기반 표준 통신규격을 적용한 진단시스템에서 부분방전 이상신호가 감지되면 그 순간부터 1분간(최대 7,200개)의 신호를 저장한다. 이렇게 저장한 신호는 PRPS(Phase Resolved Pulse Sequence) 형태의 데이터로 전송되고, 이 PRPS 데이터를 PRPD(Phase Resolved Partial Discharge) 형태로 변환하여 부분방전 패턴요인을 분석하게 된다.
참고로 상기 지중케이블에서 발생하는 부분방전 펄스를 60Hz 위상에 맞추어 표현하면, PRPS는 60Hz 1주기 기준으로 256개 사이즈의 해상도로 되어있는 크기 값의 1차원 배열의 누적 데이터(3차원 패턴)로 표현할 수 있다. 상기 PRPS 데이터의 각 주기별 1차원 배열에 대해서, 위상과 크기 좌표로 구성되어 있는 2차원 배열에 펄스 발생 빈도수를 누적한 PD 패턴이 PRPD 데이터가 된다. 따라서 상기 PRPD 데이터는 발생 빈도수를 누적한 2차원 배열 데이터이므로, 각 주기(시간)별 펄스 발생 정보가 소실되는 단점이 있는 반면, 데이터의 크기는 PRPS 데이터에 비해서 줄어드는 장점이 있다. 그래서 전력설비의 부분방전 진단을 통하여 내부 결함을 판정하는데 가장 많이 사용하는 방법이 PRPD 분석 방법이다.
한편 상기 지중케이블에서 발생하는 주요 결함은, 절연체에서 발생하는 공극방전(Void), 절연체 표면에서 발생하는 계면방전(Surface)이며, 가공철탑 및 접지선을 통하여 전파되는 코로나 방전 및 외부 노이즈로 구분할 수 있다. 이러한 주요 결함 및 노이즈는 PRPD(Phase Resloved Partial Discharge) 데이터의 구조로 표현하면 결함별 정형화된 패턴을 가지고 있다.
이에 따라 지중케이블 부분방전 진단 시스템에서는 PRPD 패턴(즉, 부분방전에 따른 지중케이블의 결함별 PRPD 데이터의 정형화된 패턴)을 이용하여 머신러닝(예 : 신경회로망 등), 딥러닝(예 : Support Vector Mechine, Tensorflow 등) 기법 등 인공지능(A.I)기법을 적용한 데이터 학습을 통하여 부분방전(즉, 지중케이블의 결함) 판정에 활용하고 있다.
그런데 상기 PRPD 패턴의 입력을 기반으로 한 인공지능(A.I) 기반 부분방전 패턴 분석 알고리즘을 적용하여 자동으로 분류하고 있지만, 학습 기반의 인공지능(A.I) 알고리즘에서는 학습되지 않은 데이터에 대해서 판정하는 과정에서 오차가 발생할 수 있는 문제점이 있다. 이에 따라 저장된 현장 데이터에 대해서 유효한(오차가 없는)데이터와 학습이 필요한(오차가 발생한) 데이터를 분류 구분하여, 인공지능(A.I) 알고리즘에 대해서 재학습 및 검증이 필수적으로 필요하다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 10-1415741호(2014.06.30. 등록, 부분방전 진단 장치 및 방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명은 부분방전 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부분방전 펄스의 상관관계 분석을 통하여 부분방전을 검출할 수 있도록 하는, 부분방전 진단 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 부분방전 진단 장치는, 복수의 부분방전 검출 센서를 포함하는 부분방전 검출 센서부; 적어도 하나의 노이즈 검출 센서를 포함하는 노이즈 센서부; 적어도 하나의 위상 검출 센서를 포함하는 위상 검출 센서부; 상기 위상 검출 센서부를 통해 검출된 위상 신호를 출력하는 위상 동기부; 상기 부분방전 검출 센서부와 상기 노이즈 센서부에서 검출된 신호를 증폭하고 디지털로 변환하고, 상기 위상 동기부에서 출력되는 위상 신호에 동기를 맞추는 신호 검출 및 처리부; 및 상기 위상 신호에 동기화된 부분방전 검출 신호와 노이즈 신호를 처리하여 지정된 방식으로 PSA(Pulse Sequence Analysis) 패턴을 생성하여 부분방전 진단을 수행하여 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 1주기 PRPS(Phase Resolved Pulse Sequence) 데이터를 추출하고, 상기 PRPS 데이터에서 외부 노이즈 신호를 제거한 진성 부분방전(PD) 신호만 검출하는 제1 과정; 상기 진성 부분방전(PD) 신호 데이터에서 크기 정보는 버리고, 각 PD 펄스의 위상 정보만 추출하는 제2 과정; 1차원 배열 Sine 파형인 모의 위상 파형을 생성한 후, 상기 모의 위상 파형에 각 부분방전(PD) 펄스의 위상 발생 시점과 매칭한 후, 과거(Pre)와 현재(Current)와 미래(Post) 시점의 상관관계를 분석하여, x축과 y축 좌표 정보를 계산하는 제3 과정; 및 상기 계산된 x축, y축 좌표 정보를 2차원 배열에 매핑(Mapping)하는 제4 과정;를 통해 PSA 패턴을 생성하여 부분방전을 진단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제1 과정을 수행하기 위하여, 부분방전 검출 센서부 및 상기 노이즈 센서부에서 각 채널별로 센싱된 신호인 1차원 펄스 데이터(Xi, Yi)를 저장하고, 카운터를 초기화한 상태에서 증가시키며 노이즈 센서부에서 계측된 신호의 크기가 설정치2의 노이즈 문턱값(Nth)보다 큰지 체크하고, 상기 노이즈 센서부에서 계측된 신호의 크기가 설정치2의 노이즈 문턱값(Nth)보다 크면, 상기 부분방전 검출 센서부에서 센싱된 신호의 데이터를 0으로 변환하는 방식을 통해 노이즈 신호를 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제2 과정을 수행하기 위하여, 부분방전 검출 센서부에서 각 채널별로 센싱된 신호인 1차원 펄스 데이터(Xi)를 불러온 후, 카운터를 초기화한 상태에서 증가시키며, 상기 부분방전 검출 센서부에서 각 채널별로 센싱된 신호인 1차원 펄스 데이터(Xi)의 크기가 설정치3의 펄스 문턱값(Th)보다 큰 펄스 데이터만 위치 좌표(Pi)로 변환하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제3 과정을 수행하기 위하여, 부분방전 검출 센서부에서 센싱된 신호인 1차원 펄스 데이터(Xi)와 동일한 사이즈의 값을 가지는 모의 위상 신호인 Sine 데이터(Ui)를 생성하고, 과거(Pi[ip])와 현재(Pi[ic])와 미래(Pi[if])의 부분방전 펄스데이터 위치 좌표에 해당하는 Sine 데이터의 크기(Pi)를 추출하고, 현재와 과거의 크기의 차이 및 현재와 미래의 크기의 차이를 계산하여 X좌표(Xpi)와 Y좌표(Ypi)로 치환하는 과정을, 각 주기(Cycle)마다 마지막에 계산된 Sine 데이터의 크기(Size(Pi))로 반복하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제4 과정을 수행하기 위하여, 1차원 X좌표(Xpi)와 Y좌표(Ypi)의 데이터를 입력받고, 카운터 값(i)이 X좌표(Xpi)의 크기와 같을 때까지 증가시키면서, 상기 X좌표(Xpi)와 Y좌표(Ypi)의 데이터를 축 이동과 좌표범위 변환을 반복해서 수행하여 P.U(Per Unit) 좌표 범위로 변환하고, 여기에 부분방전 검출 센서부에서 센싱된 신호인 1차원 펄스 데이터(Xi)의 크기를 곱하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 부분방전 진단 방법은, 부분방전 진단 장치의 제어부가, 1주기 PRPS 데이터를 추출하는 단계; 상기 제어부가 상기 PRPS 데이터에서 외부 노이즈 신호를 제거한 진성 부분방전(PD) 신호만 검출하는 단계; 상기 제어부가 상기 진성 부분방전(PD) 신호 데이터에서 크기 정보는 버리고, 각 PD 펄스의 위상 정보만 추출하는 단계; 상기 제어부가 1차원 배열 Sine 파형인 모의 위상 파형을 생성한 후, 상기 모의 위상 파형에 각 부분방전(PD) 펄스의 위상 발생 시점과 매칭한 후, 과거(Pre)와 현재(Current)와 미래(Post) 시점의 상관관계를 분석하여, x축과 y축 좌표 정보를 계산하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 계산된 x축, y축 좌표 정보를 2차원 배열에 매핑하는 단계;를 포함하여 PSA 패턴을 생성하여 부분방전을 진단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부가 상기 PRPS 데이터에서 외부 노이즈 신호를 제거한 진성 부분방전(PD) 신호만 검출하는 단계를 수행하기 위하여, 상기 제어부는, 부분방전 검출 센서부 및 상기 노이즈 센서부에서 각 채널별로 센싱된 신호인 1차원 펄스 데이터(Xi, Yi)를 저장하고, 카운터를 초기화한 상태에서 증가시키며 노이즈 센서부에서 계측된 신호의 크기가 설정치2의 노이즈 문턱값(Nth)보다 큰지 체크하고, 상기 노이즈 센서부에서 계측된 신호의 크기가 설정치2의 노이즈 문턱값(Nth)보다 크면, 상기 부분방전 검출 센서부에서 센싱된 신호의 데이터를 0으로 변환하는 방식을 통해 노이즈 신호를 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부가 상기 진성 부분방전(PD) 신호 데이터에서 크기 정보는 버리고, 각 PD 펄스의 위상 정보만 추출하는 단계를 수행하기 위하여, 상기 제어부는, 부분방전 검출 센서부에서 각 채널별로 센싱된 신호인 1차원 펄스 데이터(Xi)를 불러온 후, 카운터를 초기화한 상태에서 증가시키며, 상기 부분방전 검출 센서부에서 각 채널별로 센싱된 신호인 1차원 펄스 데이터(Xi)의 크기가 설정치3의 펄스 문턱값(Th)보다 큰 펄스 데이터만 위치 좌표(Pi)로 변환하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부가 1차원 배열 Sine 파형인 모의 위상 파형을 생성한 후, 상기 모의 위상 파형에 각 부분방전(PD) 펄스의 위상 발생 시점과 매칭한 후, 과거(Pre)와 현재(Current)와 미래(Post) 시점의 상관관계를 분석하여, x축과 y축 좌표 정보를 계산하는 단계를 수행하기 위하여, 상기 제어부는, 부분방전 검출 센서부에서 센싱된 신호인 1차원 펄스 데이터(Xi)와 동일한 사이즈의 값을 가지는 모의 위상 신호인 Sine 데이터(Ui)를 생성하고, 과거(Pi[ip])와 현재(Pi[ic])와 미래(Pi[if])의 부분방전 펄스데이터 위치 좌표에 해당하는 Sine 데이터의 크기(Pi)를 추출하고, 현재와 과거의 크기의 차이 및 현재와 미래의 크기의 차이를 계산하여 X좌표(Xpi)와 Y좌표(Ypi)로 치환하는 과정을, 각 주기(Cycle)마다 마지막에 계산된 Sine 데이터의 크기(Size(Pi))로 반복하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부가 상기 계산된 x축, y축 좌표 정보를 2차원 배열에 매핑하는 단계를 수행하기 위하여, 상기 제어부는, 1차원 X좌표(Xpi)와 Y좌표(Ypi)의 데이터를 입력받고, 카운터 값(i)이 X좌표(Xpi)의 크기와 같을 때까지 증가시키면서, 상기 X좌표(Xpi)와 Y좌표(Ypi)의 데이터를 축 이동과 좌표범위 변환을 반복해서 수행하여 P.U(Per Unit) 좌표 범위로 변환하고, 여기에 부분방전 검출 센서부에서 센싱된 신호인 1차원 펄스 데이터(Xi)의 크기를 곱하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 부분방전 펄스의 상관관계 분석을 통하여 부분방전을 검출할 수 있도록 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분방전 진단 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 1b는 상기 도 1a에 있어서, 신호 검출 및 처리부의 보다 구체적인 구성을 보인 예시도.
도 2는 기존에 PRPS 데이터를 PRPD 패턴으로 변환하는 방법을 보인 예시도.
도 3은 일반적인 지중케이블의 결함별 방전 특징 및 기존의 PRPD 패턴을 테이블 형태로 구분하여 보인 예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 PSA 분석 방법을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분방전 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 6은 상기 도 5에 있어서, 스텝1(STEP1) 단계의 노이즈 게이팅 방법을 설명하기 위하여 보인 흐름도.
도 7은 상기 도 5에 있어서, 스텝2(STEP2) 단계의 PD 펄스 데이터의 위치 정보 추출(또는 펄스 데이터 위치 좌표 변환) 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 8은 상기 도 5에 있어서, 스텝3(STEP3) 단계의 PSA 알고리즘 계산 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 9는 상기 도 5에 있어서, 스텝4(STEP4) 단계의 PSA 매핑(Mapping) 좌표 변환 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 10은 상기 도 9에 있어서, S503 단계에서 수행되는 축 이동과 좌표범위 변환을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 11은 상기 도 7 내지 도 10을 통해 최초의 계측 신호가 스텝1에서 스텝4의 각 스텝을 거치는 동안에 처리 결과에 따라 변환되는 파형을 보인 예시도.
도 12는 종래의 부분방전 진단에 사용하던 방식인 PRPD 패턴과 본 실시예에서 부분방전 진단에 사용하는 방식인 PSA 패턴을 비교하여 보인 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 부분방전 진단 장치 및 방법의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분방전 진단 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이고, 도 1b는 상기 도 1a에 있어서, 신호 검출 및 처리부의 보다 구체적인 구성을 보인 예시도이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 부분방전 진단 장치는, 부분방전 검출 센서부(110), 노이즈 센서부(120), 위상 검출 센서부(130), 위상 동기부(140), 전원부(150), 신호 검출 및 처리부(160), 제어부(170), 및 통신부(180)를 포함한다.
상기 부분방전 검출 센서부(110)는 복수의 부분방전 검출 센서(또는 PD 센서)를 포함하고, 상기 노이즈 센서부(120)는 적어도 하나 이상의 노이즈 검출 센서를 포함하며, 상기 위상 검출 센서부(130)는 적어도 하나 이상의 위상 검출 센서를 포함한다.
도 1b에 도시된 바와 같이 상기 신호 검출 및 처리부(160)는 상기 부분방전 검출 센서부(110) 및 상기 노이즈 센서부(120)에서 센싱된 신호를 증폭하는 신호 증폭부(161), 상기 신호 증폭부(161)에서 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환(아날로그 to 디지털)하는 데이터 변환부(162), 및 상기 디지털 신호로 변환된 데이터를 처리하는 데이터 처리부(163)를 포함한다.
상기 도 1b를 참조하면, 상기 신호 검출 및 처리부(160)는 상기 부분방전 검출 센서부(110)에서 검출된 신호에 대해서, 상기 위상 검출 센서부(130)에서 검출되는 위상 신호에 맞추어, 상기 #1~#4의 PD 센서 및 노이즈 센서에서 검출된 신호를 동기화하여 처리한다. 예컨대 상기 신호 검출 및 처리부(160)는 복수의 부분방전 검출 센서(예 : #1~#4의 PD 센서)와 적어도 하나의 노이즈 센서의 신호를 검출하고, 각각의 채널은 상기 신호 증폭부(161)와 상기 데이터 변환부(ADC: Analog to Digital Converter)(162)를 통해 디지타이징된 고속 대용량 데이터를 상기 위상 신호에 동기를 맞추어 처리한다.
상기 데이터 처리부(163)는 PRPD 부분방전 패턴 분석을 수행하기 위하여, 1주기(예 : 16.6ms = 60Hz)에 대해서 256bin의 해상도로 변환하여, 상기 통신부(180)를 통해 데이터를 전송하게 된다.
상기 제어부(170)의 동작에 대해서는 도 6 내지 도 10을 참조하여 설명한다.
도 2는 기존에 PRPS 데이터를 PRPD 패턴으로 변환하는 방법을 보인 예시도이다. 즉, 도 2는 부분방전 펄스 신호를 전압 위상에 동기화하여 일정 주기(Cycle) 저장한 로우 데이터(Raw Data) 형태의 PRPS 데이터를 PRPD로 변환하는 과정을 보인 예시도로서, 기존에는 부분방전 펄스를 각 주기별로 2D 데이터(배열)로 변환하여 누적 저장할 경우 부분방전 결함 요인별로 다양한 형태로 표현되는 패턴을 분석하다.
그런데 여기서 상기 PRPD 패턴 데이터는 부분방전 펄스의 위상 정보(x축)와 부분방전 펄스의 크기 정보(y축)로 표현되고, 이 때 부분방전 펄스의 발생 시간 정보가 소실되는 문제점이 발생한다.
도 3은 일반적인 지중케이블의 결함별 방전 특징 및 기존의 PRPD 패턴을 테이블 형태로 구분하여 보인 예시도이다.
도 3을 참조하면, 보이드(Void, 공극방전)와 표면/계면 결함은 고체 절연체 내에 존재하는 미소공극(기체)으로 인해서 발생하고, 코로나의 각 결함 요인들은 C(Capacitance) 값의 차이로 인하여 결함별 방전량 및 방전 횟수(펄스 횟수)가 단위 시간당 다르게 나타나게 되는 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 PSA(Pulse Sequence Analysis) 분석 방법을 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 부분방전 진단 장치를 통해 부분방전 신호(또는 부분방전(PD) 펄스)는 위상 신호(도 4의 위상 신호(U))에 동기화되어 계측된다. 그리고 상기 계측된 부분방전 신호는 일정주기 동안 누적 저장되어 Raw Data 형태의 PRPS 데이터로 저장(예 : 도 4의 PD 펄스(P)로 저장)된다.
이 때 각각의 PD 펄스(P1∼P6) 시점의 위상 신호(U)의 크기 인자를 추출한다. 상기 위상 신호는 “1”부터 “-1”까지 변환된 P.U(Per Unit) 단위의 Sine 파형을 이용해서 인자값(△U)을 추출한다.
상기 인자값(△U)을 패턴 맵핑하기 위해서, 아래의 식과 같이, x축은 기준 펄스와 앞선 펄스의 차(△U(n-1))를, y축은 뒤진 펄스와 기준 펄스의 차이(△U(n))를 계산하여 패턴 맵핑한다.
Xn : △U(n-1) = △U(Pn)-△U(Pn-1) : (현재 - 과거)
Yn : △U(n) = △U(Pn+1)-△U(Pn) : (미래 - 현재)
참고로 부분방전(PD) 펄스간에 외부 노이즈 펄스 정보가 유입되게 되면, PD 펄스간의 상관관계가 상이하게 나타나므로, 외부 노이즈에 대해서 노이즈 센서를 제거할 수 있도록 하기 위해서는, 도 1a와 같이 복수의 각 채널에 대해서 위상 동기화 계측 방식은 필수적으로 요구된다.
본 실시예는 PRPS 데이터를 추출하여 PSA(Pulse Sequence Analysis) 패턴 데이터로 변환하고 상기 PSA 패턴 분석을 통해 각 결함별 펄스 발생횟수가 다르게 나타나는 특징을 이용하여 부분방전을 분석한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분방전 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 제어부(170)는 1주기 PRPS 데이터를 추출한다(S101).
또한 상기 제어부(170)는, 스텝1(STEP1) 단계로서, 외부 노이즈 신호가 유입되는 경우, PRPD 및 PSA 패턴 데이터의 구별이 어려워질 수 있으므로, 노이즈 게이팅을 통해 외부 노이즈 신호를 제거한 진성 부분방전(PD) 신호만 검출한 후(S102), PRPD 패턴 데이터로 변환하여(S103) 내부 데이터베이스(미도시)에 저장한다(S104).
이 때 상기 PRPD 패턴 데이터로의 변환(S103)은, 기존에 이미 사용하던 방식이므로, 본 실시예에서는 이에 대한 설명은 생략한다.
또한 상기 제어부(170)는, 스텝2(STEP2) 단계로서, 상기 진성 부분방전(PD) 신호 데이터(1차원(1D) 배열)에 대해서 크기 정보는 버리고, 각 PD 펄스의 위상 정보(또는 PD 펄스 데이터의 위치 정보)만 추출한다(S105).
또한 상기 제어부(170)는, 스텝3(STEP3) 단계로서, 1차원(1D) 배열 Sine 파형(모의 위상 파형)을 생성한 후, PSA 알고리즘 계산을 통해, 각 부분방전(PD) 펄스의 위상 발생 시점과 매칭한 후, 과거(Pre)와 현재(Current)와 미래(Post) 시점의 상관관계를 분석하여 x축과 y축 좌표 정보를 계산한다(S106).
또한 상기 제어부(170)는, 스텝4(STEP4) 단계로서, PSA 매핑(Mapping) 좌표 변환을 수행하며(S107), 이 때 상기 계산된 x축, y축 좌표 정보를 2D 배열에 맵핑하기 위해서 좌표 보정을 진행한다. 아울러 상기 PSA 매핑 변환된 1주기의 PSA 패턴 데이터를 내부 데이터베이스(미도시)에 저장한다(S108).
이 때 상기 과정(S101 ~ S108)은 설정치1(S110)에 설정된 측정 주기(예 : 설정치1)에 맞추어 반복 진행되면서 PRPD 패턴 데이터와 PSA 패턴 데이터로 변환되면서 반복 저장된다(S109).
도 6은 상기 도 5에 있어서, 스텝1(STEP1) 단계의 노이즈 게이팅 방법을 설명하기 위하여 보인 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 제어부(170)는 상기 부분방전 검출 센서부(110) 및 상기 노이즈 센서부(120)(예 : 안테나)에서 각 채널별로 센싱된 신호(또는 1차원(1D) 펄스 데이터)(Xi, Yi)를 저장한다(S201).
그리고 카운터를 초기화한 상태(i = 0)에서 증가시키며 상기 노이즈 센서부(120)(예 : 안테나)에서 계측된 신호의 크기가 설정치2의 노이즈 문턱값(Nth: Noise Threshold value)보다 큰지 체크한다(S204).
이에 따라 상기 노이즈 센서부(120)(예 : 안테나)에서 계측된 신호의 크기가 설정치2의 노이즈 문턱값(Nth: Noise Threshold value)보다 크면(S204의 예), 상기 부분방전 검출 센서부(110)에서 센싱된 신호(Xi[i])의 데이터를 지정된 구간(예 : i=0 ~ 255) 동안 반복해서 0으로 변환한다(S205, S207).
한편 상기 노이즈 센서부(120)(예 : 안테나)에서 계측된 신호의 크기가 설정치2의 노이즈 문턱값(Nth: Noise Threshold value)보다 크지 않으면(S204의 아니오), 상기 부분방전 검출 센서부(110)에서 센싱된 신호(Xi[i])의 크기(즉, 신호의 개수)에 해당하는 카운터 값이 되면(S206의 예)(가령 Size(Xi), 즉, 신호의 개수가 256개(즉, 0 ~ 255)라고 가정했을 때, i=255가 되면) 노이즈 게이팅을 종료한다.
도 7은 상기 도 5에 있어서, 스텝2(STEP2) 단계의 PD 펄스 데이터의 위치 정보 추출(또는 펄스 데이터 위치 좌표 변환) 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 제어부(170)는 상기 부분방전 검출 센서부(110)에서 각 채널별로 센싱된 신호(또는 1차원(1D) 펄스 데이터)(Xi)를 불러와(S301), 카운터를 초기화한 상태(i = 0)에서(S302), 상기 부분방전 검출 센서부(110)에서 각 채널별로 센싱된 신호(또는 1차원(1D) 펄스 데이터)(Xi)의 크기가 설정치3의 펄스 문턱값(Th)보다 큰지 체크한다(S304).
이에 따라 상기 부분방전 검출 센서부(110)에서 각 채널별로 센싱된 신호(또는 1차원(1D) 펄스 데이터)(Xi)의 크기가 설정치3의 펄스 문턱값(Th)보다 크면(S304의 예), 해당 카운터의 값을 PD 펄스 데이터의 위치 좌표(Pi)로 변환한다(Pi = i)(S305). 여기서 펄스 문턱값(Th)은 펄스로 판단하기 위한 부분방전(PD) 신호를 의미한다. 즉, 펄스 문턱값(Th)을 넘지 않는 신호는 부분방전(PD) 신호로 판단하지 않는 것이다. 따라서 부분방전(PD) 신호로 판단되는 해당 카운터의 펄스에 대해서만 위치 좌표(Pi)로 변환하는 것이다.
한편 상기 부분방전 검출 센서부(110)에서 센싱된 신호(Xi)의 크기(즉, 신호의 개수)에 해당하는 카운터 값이 되면(S306의 예)(가령 Size(Xi), 즉, 신호의 개수가 256개(즉, 0 ~ 255)라고 가정했을 때, i=255가 되면)(S306의 예), 펄스 데이터의 위치 좌표 변환을 종료한다.
이 때 상기 카운터 값(i)이 상기 부분방전 검출 센서부(110)에서 센싱된 신호(Xi)의 크기가 되지 않으면(S306의 아니오), 상기 카운터 값(i)을 증가시키며 상기 과정(S302 ~ S307)을 반복 수행한다.
도 8은 상기 도 5에 있어서, 스텝3(STEP3) 단계의 PSA 알고리즘 계산 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 제어부(170)는 부분방전 펄스 발생시점(좌표)의 전압 위상의 크기 정보를 계산하기 위해서, 상기 부분방전 검출 센서부(110)에서 센싱된 신호(또는 1차원(1D) 펄스 데이터)(Xi)와 동일한 사이즈의 (-1 ~ 1)의 값을 가지는 Sine 데이터(Ui)를 생성한다(S401 ~ S405).
보다 구체적으로, 카운터 값(i)을 초기화한 후(i=0)(S401), 상기 카운터 값(i-1)이 상기 부분방전 검출 센서부(110)에서 센싱된 신호(Xi)의 크기와 같아지지 않으면(S403의 아니오), 상기 카운터 값(i)을 계속 증가시키며(S404), 1차원(1D) 사인 파형(Ui)(도 4 참조)을 생성한다(S402).
이 때 생성된 Sine 데이터는 도 1에서 위상 검출 센서부(130)에서 검출되는 전압 위상과 동기화 되어야 한다.
또한 과거(Pi[ip])와 현재(Pi[ic])와 미래(Pi[if])의 부분방전 펄스데이터 위치 좌표에 해당하는 Sine 데이터의 크기(Pi)를 추출하고(S406 ~ S415), 크기의 차이를 계산하여 X좌표(Xpi)와 Y좌표(Ypi)로 치환하여 저장한다(S416).
이 때 각 주기(Cycle)마다 마지막에 계산된 Sine 데이터의 크기(Size(Pi))는 다음 주기 최초 값으로 이용할 수 있도록 값(LP, Last Point)으로 치환하여 저장하고(S419), 최초 값에 대해서는 별도 계산한 후 반복 수행한다(S414 ~ S418).
즉, 1차원(1D) 위치 좌표 데이터(Pi)를 입력받아 최초에는 카운터 값을 0으로 설정(i=0)하고(S407), 최초가 아닌 경우(S408의 아니오)에는 S413 단계를 수행하며, 최초인 경우(S408의 예), LP(Last Point)가 비어 있는 상태(Empty)인지 체크하여(S409), LP(Last Point)가 비어 있으면(S409의 아니오) S413 단계를 수행하고, LP(Last Point)가 비어 있지 않으면(S409의 아니오), 현재의 카운터 값(ic = i)과 미래의 카운터 값(if = i+1)을 설정한다(S410).
그리고 상기 현재와 미래의 카운터 값(ic, if)에 해당하는 크기 값(또는 위상 값)(Ui[ic], Ui[if])을 각기 위치 좌표(Pi[ic], Pi[if])에 넣고(S411), X좌표(Xpi)와 Y좌표(Ypi)로 치환한다(S412).
한편 S413 단계에서, 카운터 값(i=1)은 현재의 카운터 값(ic = 1)이 되고, 현재 카운터 값에서 1을 뺀 과거의 카운터 값(ip = i-1)과 현재 카운터 값에서 1을 더한 미래의 카운터 값(if = i+1)을 설정하고(S414), 과거와 현재와 미래의 카운터 값(ip, ic, if)에 해당하는 크기 값(또는 위상 값)(Ui[ip], Ui[ic], Ui[if])을 각기 위치 좌표(Pi[ip], Pi[ic], Pi[if])에 넣고(S415), 현재에서 과거의 위치 좌표를 뺀 값과 미래에서 현재의 위치 좌표를 뺀 값을 이용하여 X좌표(Xpi=Pi[ic] - Pi[ip])와 Y좌표(Ypi=Pi[if]-Pi[ic])로 치환한다(S416).
또한 상기 카운터 값(i)이 위치 좌표 데이터(Pi)의 크기(Size(Pi)-1, 즉, 위치 좌표 데이터의 개수)와 같아지면(S417의 예), 가령, 위치 좌표 데이터(Pi)의 크기(Size(Pi))가 10개라고 가정할 때, 카운터 값(i)은 0부터 카운터 하므로, 상기 카운터 값(i=0 ~ 9)가 되어야 한다. 따라서 카운터 값(i)이 위치 좌표 데이터(Pi)의 크기(Size(Pi)-1)와 같지 않으면(S417의 아니오) 카운터 값을 증가시킨 후(i=i+1)(S418), 상기 과정(S414 ~ S418)을 반복 수행한다.
그리고 상기 카운터 값(i)이 위치 좌표 데이터(Pi)의 크기(Size(Pi)-1, 즉, 위치 좌표 데이터의 개수)와 같아지면(S417의 예), 가장 마지막 위치 좌표 데이터에 해당하는 미래 위치 좌표 데이터(Pi[if])를 LP(Last Point) 값으로 저장하여(S419) 다음 주기의 최초 카운터에서 사용할 수 있도록 한다(S412 참조).
도 9는 상기 도 5에 있어서, 스텝4(STEP4) 단계의 PSA 매핑(Mapping) 좌표 변환 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 10은 상기 도 9에 있어서, S503 단계에서 수행되는 축 이동과 좌표범위 변환을 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
도 9를 참조하면, 제어부(170)는 상기 계산된 PSA 알고리즘 계산 데이터의 1차원(1D) X좌표(Xpi)와 Y좌표(Ypi)의 데이터를 입력받고(S501), 카운터 값(i)을 초기화한 후(i=0)(S502), 상기 카운터 값(i)이 X좌표(Xpi)의 크기와 같지 않으면(S505의 아니오), 상기 카운터 값(i)을 증가시키면서(S506)서 축 이동과 좌표범위 변환(S503)을 반복해서 수행한다(S503 ~ S506).
이 때 상기 카운터 값(i)이 X좌표(Xpi)의 크기와 같아지면(S505의 예), 상기 PSA 알고리즘 계산을 종료하고, 상기 축 이동과 좌표범위 변환(S503)을 통해 계산된 PSA 패턴 데이터는 내부 데이터베이스(미도시)에 별도로 저장한다(S504).
도 10을 참조하면, 상기 S503 단계에서 축 이동과 좌표범위 변환을 수행하기 이전의 X좌표(Xpi)와 Y좌표(Ypi)는 최대 (-2 ~ 2)의 계산 범위를 가지게 되는데, 이에 X축과 Y축에 각기 2를 더하면 1사분면으로 축 이동하게 되고, 이를 다시 4로 나눠주면 P.U(Per Unit) 좌표 범위로 변환하게 된다.
즉, 상기 S503 단계에서는, 최초 계산 범위를 축 이동 후 P.U. 좌표 범위로 변환하고, 센서 데이터(Xi)의 사이즈를 반영해서 계산한다.
도 11은 상기 도 7 내지 도 10을 통해 최초의 계측 신호가 스텝1에서 스텝4의 각 스텝을 거치는 동안에 처리 결과에 따라 변환되는 파형을 보인 예시도이다.
도 11의 (a)는 최초 계측 신호 파형으로서, 부분방전(PD) 검출 센서 및 노이즈 검출 센서를 통해 계측된 신호가 위상 신호에 동기화 되어 측정되며, 노이즈 신호가 유입되어 진성 PD 펄스의 구분에 어려움이 있다.
(b)는 스텝1의 처리 결과 파형으로서, 노이즈 센서 설정치(Nth) 이상 구간에 대해서 부분방전(PD) 신호를 0으로 처리한다.
(c)는 스텝2의 처리 결과 파형으로서, 펄스 설정치(Th)보다 큰 펄스에 대해서만 데이터 위치좌표(Pi)로 변환하고, 펄스 설정치(Th) 이하의 펄스 데이터를 제거한다.
(d)는 스텝3의 처리 결과 파형으로서, 위상신호와 동기화된 모의 Sine 파형을 생성하고, 데이터 위치좌표(Pi)에 해당하는 Sine 파형의 크기 데이터(Ui)로 변환하고, 크기 데이터(Ui)에 대해서 도 4와 같이 전/후 상관 관계에 대해서 X,Y좌표값을 계산한다.
(e)는 스텝4의 처리 결과 파형으로서, 도 10에 도시된 바와 같이, X,Y좌표 계산 값에 대해서 축 이동 및 해상도 변환한 PSA 맵 좌표를 계산하고, 계산된 좌표에 대해서 측정 주기만큼 누적 반복하여 매핑을 수행한다.
상기와 같이 종래의 지중케이블 온라인 부분방전 진단 시스템은 부분방전 신호의 크기와 위상, 및 발생횟수를 이용하는 PRPD 방식을 사용하였지만, 실제 현장에서 발생하는 노이즈의 영향으로 인해 상기 PRPD 분석을 통한 결함판정율의 오차가 크게 발생 할 가능성이 높은 문제점이 있었다.
따라서 본 실시예에서는 기존의 PRPD 분석 방법 이외에 PSA 패턴 분석 방법을 추가로 활용하여 기존의 PRPD 분석 방법을 보완할 수 있도록 하는 효과가 있다. 따라서 본 실시예는 기존 PRPD를 이용한 부분방전 분석 방법에서 사용하는 정보(즉, 부분방전 펄스의 위상, 및 크기의 누적 인자(parameter))를 이용하는 것이 아니라, 다른 정보(즉, 부분방전 펄스 간 발생하는 위상의 절대 크기)를 이용하는 점에서 차이가 있다.
도 12는 종래의 부분방전 진단에 사용하던 방식인 PRPD 패턴과 본 실시예에서 부분방전 진단에 사용하는 방식인 PSA 패턴을 비교하여 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이, PRPD 패턴과 PSA 패턴은 서로 중복되지 않는 정보를 이용하여 각기 패턴을 생성하므로, 패턴 형태가 중복되지 않는 새로운 패턴이 형성되는 것을 알 수 있다. 따라서 기존의 PRPD 분석 방법을 수행한 후 본 실시예에 따른 PSA 패턴 분석 방법을 추가로 수행할 경우 부분방전의 진단 정확성이 향상되는 효과가 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
110 : 부분방전 검출 센서부 120 : 노이즈 센서부
130 : 위상 검출 센서부 140 : 위상 동기부
150 : 전원부 160 : 신호 검출 및 처리부
161 : 신호 증폭부 162 : 데이터 변환부
163 : 데이터 처리부 170 : 제어부
180 : 통신부

Claims (1)

  1. 복수의 부분방전 검출 센서를 포함하는 부분방전 검출 센서부;
    적어도 하나의 노이즈 검출 센서를 포함하는 노이즈 센서부;
    적어도 하나의 위상 검출 센서를 포함하는 위상 검출 센서부;
    상기 위상 검출 센서부를 통해 검출된 위상 신호를 출력하는 위상 동기부;
    상기 부분방전 검출 센서부와 상기 노이즈 센서부에서 검출된 신호를 증폭하고 디지털로 변환하고, 상기 위상 동기부에서 출력되는 위상 신호에 동기를 맞추는 신호 검출 및 처리부; 및
    상기 위상 신호에 동기화된 부분방전 검출 신호와 노이즈 신호를 처리하여 지정된 방식으로 PSA(Pulse Sequence Analysis) 패턴을 생성하고, 상기 생성한 PSA 패턴을 이용하여 부분방전 진단을 수행하는 제어부;를 포함하되,
    상기 신호 검출 및 처리부는,
    상기 부분방전 검출 센서부 및 상기 노이즈 센서부에서 센싱된 신호를 증폭하는 신호 증폭부; 상기 신호 증폭부에서 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 데이터 변환부; 및 상기 디지털 신호로 변환한 데이터를 처리하는 데이터 처리부;를 포함하며, 상기 부분방전 검출 센서부에서 검출된 신호에 대해서, 상기 위상 검출 센서부에서 검출되는 위상 신호에 맞추어, #1~#4의 PD(Partial Discharge) 센서 및 노이즈 센서에서 검출된 신호를 동기화하여 처리하되,
    상기 데이터 처리부는,
    PRPD(Phase Resolved Partial Discharge) 부분방전 패턴 분석을 수행하기 위하여, 상기 디지털 신호로 변환한 데이터를 1주기에 대해서 256bin의 해상도로 변환하며,
    상기 제어부는,
    1주기 PRPS(Phase Resolved Pulse Sequence) 데이터를 추출하고,
    상기 PRPS 데이터에서 외부 노이즈 신호를 제거한 진성 부분방전(PD) 신호만 검출하는 제1 과정; 상기 진성 부분방전(PD) 신호 데이터에서 크기 정보는 버리고, 각 PD 펄스의 위상 정보만 추출하는 제2 과정; 1차원 배열 Sine 파형인 모의 위상 파형을 생성한 후, 상기 모의 위상 파형에 각 부분방전(PD) 펄스의 위상 발생 시점과 매칭한 후, 과거(Pre)와 현재(Current)와 미래(Post) 시점의 상관관계를 분석하여, x축과 y축 좌표 정보를 계산하는 제3 과정; 및 상기 계산된 x축, y축 좌표 정보를 2차원 배열에 매핑(Mapping)하는 제4 과정;을 통해 PSA 패턴을 생성하되,
    상기 제어부는,
    상기 제4 과정을 수행하기 위하여,
    1차원 X좌표(Xpi)와 Y좌표(Ypi)의 데이터를 입력받고,
    카운터 값(i)이 X좌표(Xpi)의 크기와 같을 때까지 증가시키면서,
    상기 X좌표(Xpi)와 Y좌표(Ypi)의 데이터를 축 이동과 좌표범위 변환을 반복해서 수행하여 P.U(Per Unit) 좌표 범위로 변환하고, 여기에 부분방전 검출 센서부에서 센싱된 신호인 1차원 펄스 데이터(Xi)의 크기를 곱하는 것을 특징으로 하는 부분방전 진단 장치.
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