KR102596266B1 - 부분 방전 검출 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시 예에 따른 부분 방전 검출 시스템은 기준 주파수 신호를 생성하고, 부분 방전 펄스 신호를 검출하며, 검출된 부분 방전 펄스 신호를 부분 방전 디지털 신호로 변환하는 부분 방전 검출 장치와 상기 기준 주파수 신호의 제로 위상 포인트를 기준으로, 상기 부분 방전 디지털 신호를 동기화시키고, 동기화된 부분 방전 디지털 신호로부터 유효 데이터를 추출하고, 추출된 유효 데이터를 저장하는 메인 프로세서 및 상기 부분 방전 검출 장치 및 상기 메인 프로세서에 전원을 공급하는 에너지 하베스팅 전원 공급 장치를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 부분 방전을 검출할 수 있는 부분 방출 검출 시스템에 관한 것이다.
전력 설비가 노후화 되거나, 전력 설비에 고전압 스트레스가 쌓일 경우, 전선이나 전력설비에서는 부분 방전 등 다양한 현상이 일어나게 된다.
이러한 현상은 전력설비 고장의 사전 원인이 되며, 적절한 교체나 수리가 되지 않는다면, 섬락과 같은 전력설비 실패의 원인이 되기도 한다.
부분방전은 전선이나, 설비 또는 발생 환경에 따라 여러가지 형태로 발생되며, 이를 정확히 측정하기는 어려운 일이다.
많은 시도를 통하여 부분방전을 사전에 검출하고 전력설비를 보전하려고 하고 있으나, 현실적으로는 어려운 상황이다. 현재는 많은 업체들이 센서를 이용하여 부분방전을 검출할 수 있는 장비를 제공하고 있으나, 이는 가격이 높고, 사람이 직접 순회 측정 해야 하는 문제점이 있다.
또한, 부분 방전 신호는 광대역 응답 센서를 통하여 고주파의 형태로 센싱 되며, 기존에는 고속 ADC 및 FPGA/DSP/Ext. 메모리 등의 시스템을 적용하여 고속 신호 처리를 진행하는 것이 일반적인 방법이다.
또한, Phase 분석의 기준이 되는 60Hz 전기 신호를 별도의 ADC로 입력받아 분석에 적용하고, 센싱 신호는 약 수십 내지 수백 MHz의 주파수를 가지며, 측정 기기는 약 10 내지 100MHz의 신호 샘플링을 통하여 신호 처리한다.
그러나, 이와 같은 방법은 고속 신호처리는 가능하나, 회로 구성이 복잡하고 고가이며, 처리 data의 양이 많기 때문에 IoT가 제시 하는 LPWAN의 통신 rate로는 처리가 어려운 문제가 있다.
이와 관련된 선행문헌으로는 미국 특허출원공개공보 US2015/0260777호가 있다.
이와 관련된 선행문헌으로는 미국 특허출원공개공보 US2015/0260777호가 있다.
본 발명은 수 MHz 급의 ADC를 사용하고, 데이터 처리 방식을 연속적에서 간헐적 방식으로 변형하여, 외부 메모리 사용 없이 센싱 데이터를 처리할 수 있는 부분 방전 검출 시스템의 제공을 목적으로 한다.
본 발명은 IoT(Internet Of Thing) 기술을 접목하여, 해당 위치마다 센서 시스템을 부착하고, 센서 네트워크를 이용하여, 부분 방전을 관리할 수 있는 발명의 제공을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 부분 방전을 측정하는 회로의 단순화 및 부분 방전의 분석 알고리즘을 최적화 할 수 있도록 할 수 있는 것에 그 목적이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 부분 방전 검출 시스템은 기준 주파수 신호를 생성하고, 부분 방전 펄스 신호를 검출하며, 검출된 부분 방전 펄스 신호를 부분 방전 디지털 신호로 변환하는 부분 방전 검출 장치와 상기 기준 주파수 신호의 제로 위상 포인트를 기준으로, 상기 부분 방전 디지털 신호를 동기화시키고, 동기화된 부분 방전 디지털 신호로부터 유효 데이터를 추출하고, 추출된 유효 데이터를 저장하는 메인 프로세서 및 상기 부분 방전 검출 장치 및 상기 메인 프로세서에 전원을 공급하는 에너지 하베스팅 전원 공급 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 부분 방전에 대한 유효 데이터만을 저장하므로, 외부 메모리 없이, 낮은 가격으로, 센싱 데이터를 처리할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 부분 방전 검출 시스템의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 부분 방전 장치의 부분 방전 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 기준 주파수 신호 및 PD 펄스 디지털 신호를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 기준 주파수 신호로부터 제로 위상 포인트를 검출하는 예를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 기준 주파수 신호와 PD 펄스 디지털 신호를 동기화시키는 과정을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 PD 펄스 디지털 신호로부터 한 주기의 단위 PD 디지털 신호를 버퍼링하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 PD 피크 포인트를 검출하기 위해 기준이 되는 기준 전압을 설명하는 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따라 기준 전압을 이용하여, PD 피크 포인트를 검출하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따라 유효 데이터를 추출하는 과정을 종합적으로 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따라 부분 방전의 발생을 나타내는 유효 PD 포인트에 대한 정보를 담고 있는 유효 데이터의 구조를 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유효 데이터 패킷의 조합을 설명하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 부분 방전 검출 센서의 구성을 설명하는 도면이다.
도 13a는 일반적인 자기 센서의 구성을 나타내는 회로도이고, 도 13b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기 센서의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 14는 기존의 자기 센서 및 본 발명의 실시 예에 따른 자기 센서 각각에 60Hz의 기준 주파수 신호를 인가 시, Vp-Vn 에서 관측되는 신호의 출력을 비교하는 도면이다.
도 15는 기존의 자기 센서 및 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기 센서에 인가되는 고주파 신호의 주파수에 따른 차동 신호(Vp-Vn)의 출력을 비교하는 도면이다.
도 16a 및 도 16b는 기존의 자기 센서를 이용할 시, 고주파 부분 방전 신호 및 60Hz 기준 주파수 신호의 출력 결과를 보여주는 도면이다.
도 17a 및 도 17b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기 센서를 이용할 시, 고주파 부분 방전 신호 및 60Hz 기준 주파수 신호의 출력 결과를 보여주는 도면이다.
도 18a는 보이드 부분 방전 파형에 일반적으로 적용되는 고주파 전류 트랜스포머(High Frequency Current Transformer, HFCT) 센서를 이용할 시와 본 발명의 실시 예에 따른 자기 센서를 이용하여, 획득한 파형을 비교하는 도면이다.
도 18b는 코로나 부분 방전 파형의 검출에 일반적으로 적용되는 고주파 전류 트랜스포머 센서를 이용할 시와 본 발명의 실시 예에 따른 자기 센서를 이용하여, 획득한 파형을 비교하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 부분 방전 장치의 부분 방전 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 기준 주파수 신호 및 PD 펄스 디지털 신호를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 기준 주파수 신호로부터 제로 위상 포인트를 검출하는 예를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 기준 주파수 신호와 PD 펄스 디지털 신호를 동기화시키는 과정을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 PD 펄스 디지털 신호로부터 한 주기의 단위 PD 디지털 신호를 버퍼링하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 PD 피크 포인트를 검출하기 위해 기준이 되는 기준 전압을 설명하는 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따라 기준 전압을 이용하여, PD 피크 포인트를 검출하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따라 유효 데이터를 추출하는 과정을 종합적으로 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따라 부분 방전의 발생을 나타내는 유효 PD 포인트에 대한 정보를 담고 있는 유효 데이터의 구조를 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유효 데이터 패킷의 조합을 설명하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 부분 방전 검출 센서의 구성을 설명하는 도면이다.
도 13a는 일반적인 자기 센서의 구성을 나타내는 회로도이고, 도 13b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기 센서의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 14는 기존의 자기 센서 및 본 발명의 실시 예에 따른 자기 센서 각각에 60Hz의 기준 주파수 신호를 인가 시, Vp-Vn 에서 관측되는 신호의 출력을 비교하는 도면이다.
도 15는 기존의 자기 센서 및 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기 센서에 인가되는 고주파 신호의 주파수에 따른 차동 신호(Vp-Vn)의 출력을 비교하는 도면이다.
도 16a 및 도 16b는 기존의 자기 센서를 이용할 시, 고주파 부분 방전 신호 및 60Hz 기준 주파수 신호의 출력 결과를 보여주는 도면이다.
도 17a 및 도 17b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기 센서를 이용할 시, 고주파 부분 방전 신호 및 60Hz 기준 주파수 신호의 출력 결과를 보여주는 도면이다.
도 18a는 보이드 부분 방전 파형에 일반적으로 적용되는 고주파 전류 트랜스포머(High Frequency Current Transformer, HFCT) 센서를 이용할 시와 본 발명의 실시 예에 따른 자기 센서를 이용하여, 획득한 파형을 비교하는 도면이다.
도 18b는 코로나 부분 방전 파형의 검출에 일반적으로 적용되는 고주파 전류 트랜스포머 센서를 이용할 시와 본 발명의 실시 예에 따른 자기 센서를 이용하여, 획득한 파형을 비교하는 도면이다.
이하, 본 발명과 관련된 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 부분 방전 검출 시스템의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
이하의 실시 예에 따른 부분 방전 검출 시스템(100)은 배전 설비에 장착될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 부분 방전 검출 시스템 (100)는 에너지 하베스팅 전원 공급부(110), 전원 관리 장치(120), 부분 방전 검출장치(130), 무선 통신 장치(140) 및 메인 프로세서(150)를 포함할 수 있다.
에너지 하베스팅 전원 공급 장치(110)는 부분 방전 검출 시스템(100)의 내부 동작에 필요한 전원을 공급할 수 있다.
에너지 하베스팅 전원 공급 장치(110)는 솔라셀(111), 전력 변환부(113) 및 2차 배터리(115)를 포함할 수 있다.
솔라셀(111)은 태양 전지 어레이를 포함할 수 있고, 태양 에너지를 흡수할 수 있다.
전력 변환부(113)는 솔라셀(111)에서 흡수한 태양 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.
2차 배터리(115)는 변환된 전기 에너지를 저장할 수 있다.
전원 관리 장치(120)는 부분 방전 검출 시스템(100)의 전원 상태를 관리할 수 있다.
전원 관리 장치(120)는 전원 모니터링부(121) 및 전원 컨트롤러(123)를 포함할 수 있다.
전원 모니터링부(121)는 2차 배터리(115)의 충전 잔량 값을 모니터링 할 수 있다.
메인 프로세서(150)는 전원 모니터링부(121)에서 모니터링된 2차 배터리(115)의 충전 잔량 값을 무선 통신 장치(140)를 통해 주기적으로, 관리 서버에 전송할 수 있다.
전원 컨트롤러(123)는 메인 프로세서(150)의 제어에 따라 주기적으로 부분 방전 검출 장치(130) 및 무선 통신 장치(140)의 동작을 활성화 또는 비활성화시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 부분 방전 검출 시스템(100)은 에너지 하베스팅 방식을 적용하기 때문에, 저전력 구동이 필요하며, Sleep / Wake-up 형태를 통해 소비전력을 감소시킬 수 있다.
부분 방전 검출 장치(130)는 부분 방전 신호를 검출하고, 검출된 부분 방전 신호를 메인 프로세서(150)에 전송할 수 있다.
부분 방전 검출 장치(130)는 부분 방전 검출 센서(131), 기준 신호 수신부(133) 및 아날로그 신호 처리부(135)를 포함할 수 있다.
부분 방전 검출 센서(131)는 부분 방전(Partial Discharge, PD) 펄스 신호를 생성하고, 생성된 PD 펄스 신호를 아날로그 신호 처리부(135)에 전송할 수 있다.
기준 신호 수신부(133)는 PD 펄스 신호와 동기화 시키기 위한 기준 주파수 신호를 생성하여, 생성된 기준 주파수 신호를 아날로그 신호 처리부(135)에 전송할 수 있다.
아날로그 신호 처리부(135)는 PD 펄스 신호를 PD 펄스 디지털 신호로 변환할 수 있다.
무선 통신 장치(140)는 외부 관리 서버 또는 부분 방전 분석 시스템과 무선으로 통신할 수 있다.
무선 통신 장치(140)는 저 전력 원거리 네트워크 규격(Low Power Wide Area Network)을 통해 2차 배터리(115)의 전원 상태 정보를 외부 관리 서버에 전송할 수 있다.
또한, 무선 통신 장치(140)는 저 전력 원거리 네트워크 규격(Low Power Wide Area Network)을 통해 부분 방전에 대한 정보를 담고 있는 유효 데이터 패킷을 부분 방전 분석 시스템 또는 외부 관리 서버에 전송할 수 있다.
메인 프로세서(150)는 부분 방전 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
메인 프로세서(150)는 부분 방전(Partial Discharge, PD) 검출 센서(이하, PD 검출 센서, 131)를 활성화시키고, 기준 주파수 신호를 아날로그 신호 처리부(135)에 입력할 수 있다.
메인 프로세서(150)는 기준 주파수 신호의 제로 위상 포인트들을 검출할 수 있다.
메인 프로세서(150)는 검출된 제로 위상 포인트들을 기준으로, 기준 주파수 신호를 PD 펄스 디지털 신호와 동기화 시킬 수 있다.
메인 프로세서(150)는 동기화된 PD 펄스 디지털 신호의 한 주기 단위 PD 디지털 신호를 버퍼링할 수 있다.
메인 프로세서(150)는 버퍼링된 한 주기의 단위 PD 디지털 신호로부터 노이즈를 고려한, 유효 데이터의 검출을 위한 기준 전압을 획득할 수 있다.
메인 프로세서(150)는 획득된 기준 전압을 이용하여, 단위 PD 디지털 신호에 포함된 복수의 PD 포인트들로부터, PD 피크 포인트를 추출할 수 있다.
메인 프로세서(150)는 검출된 PD 피크 포인트들에 대한 정보를 담고 있는 유효 데이터를 추출할 수 있다.
메인 프로세서(150)는 PRPD 분석 기법에 필요한 기준 횟수의 PD 펄스 신호 주기가 확보되었는지를 판단할 수 있다.
메인 프로세서(150)는 PRPD 기법에 필요한 기준 횟수의 PD 펄스 신호 주기가 확보된 경우, 유효 데이터의 조합인 유효 데이터 패킷을 외부 관리 서버 또는 부분 방전 분석 시스템에 전송할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 부분 방전 장치의 부분 방전 검출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 메인 프로세서(150)는 부분 방전(Partial Discharge, PD) 검출 센서(이하, PD 검출 센서, 131)를 활성화시키고, 기준 주파수 신호를 아날로그 신호 처리부(135)에 입력한다(S201).
일 실시 예에서 PD 검출 센서(131)가 활성화됨에 따라 PD 검출 센서(131)는 PD 펄스 신호를 생성하여, 생성된 PD 펄스 신호를 아날로그 신호 처리부(135)에 전달할 수 있다.
또한, 기준 신호 생성부(133)는 기준 주파수 신호를 생성하여, 생성된 기준 주파수 신호를 아날로그 신호 처리부(135)에 전달할 수 있다.
또 다른 실시 예에서, 기준 신호 생성부(133)는 외부로부터 기준 주파수 신호를 수신하여, 수신된 기준 주파수 신호를 아날로그 신호 처리부(135)에 전달할 수도 있다.
일 실시 예에서, 기준 주파수 신호는 60Hz의 주파수를 갖는 주파수 신호일 수 있으나, 이는 예시에 불과하다.
기준 주파수 신호는 위상 정보의 기준이 되는 주파수 신호일 수 있다.
부분 방전 검출부(130)의 아날로그 신호 처리부(135)는 기준 주파수 신호 및 부분 방전 펄스 신호(PD 펄스 신호)를 분리하여, 분리된 PD 펄스 신호를 PD 펄스 디지털 신호로 변환한다(S203).
이에 대해서는 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 기준 주파수 신호 및 PD 펄스 디지털 신호를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 60Hz의 기준 주파수 신호(310) 및 PD 펄스 신호를 ADC(아날로그 디지털 변환) 처리한, PD 펄스 디지털 신호(330)가 도시되어 있다.
다시 도 2를 설명한다.
메인 프로세서(150)는 기준 주파수 신호의 제로 위상 포인트들을 검출한다(S205).
제로 위상 포인트에 대해서는 도 4를 참조하여, 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 기준 주파수 신호로부터 제로 위상 포인트를 검출하는 예를 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 메인 프로세서(150)는 기준 주파수 신호(310)로부터 위상이 0인 제로 위상 포인트(311)를 검출할 수 있다.
메인 프로세서(150)는 기준 주파수 신호(310)로부터 하나 이상의 제로 위상 포인트들을 검출할 수 있다. 제로 위상 포인트는 추후, PD 펄스 디지털 신호와 기준 주파수 신호를 동기화하는데 사용될 수 있다.
다시 도 2를 설명한다.
메인 프로세서(150)는 검출된 제로 위상 포인트들을 기준으로, 기준 주파수 신호를 PD 펄스 디지털 신호와 동기화 시킨다(S207).
일 실시 예에서, 메인 프로세서(150)는 PRPD(Phase Resolved Partial Discharge) 기법을 이용하여, 부분 방전 신호를 검출하기 위해, 제로 위상 포인트들을 기준으로, 기준 주파수 신호를 PD 펄스 디지털 신호와 동기화시킬 수 있다.
PRPD 기법은 부분 방전 신호가 주기적으로 동일한 위상에서 발생되는 패턴을 분석하는 기법일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 기준 주파수 신호와 PD 펄스 디지털 신호를 동기화시키는 과정을 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 메인 프로세서(150)는 기준 주파수 신호(310)의 제로 위상 포인트(311)를 기준으로, 기준 주파수 신호(310)와 PD 펄스 디지털 신호(330)를 동기화시킬 수 있다.
동기화의 이유는, 주기적으로 동일한 위상에서 부분 방전 신호가 발생되는 패턴을 검출하기 위함이다.
다시 도 2를 설명한다.
메인 프로세서(150)는 동기화된 PD 펄스 디지털 신호의 한 주기 단위 PD 디지털 신호를 버퍼링한다(S209).
일 실시 예에서, 메인 프로세서(150)는 기준 주파수 신호와 동기화된 PD 펄스 디지털 신호의 한 주기에 대응하는 단위 PD 디지털 신호를 버퍼링 할 수 있다.
일 실시 예에서, 한 주기의 단위 PD 디지털 신호를 버퍼링하는 것은 한 주기의 디지털 데이터를 임시로 저장하는 작업을 나타낼 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 PD 펄스 디지털 신호로부터 한 주기의 단위 PD 디지털 신호를 버퍼링하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 메인 프로세서(150)는 기준 주파수 신호와 동기화된 PD 펄스 디지털 신호(330)로부터 제로 위상 포인트를 기준으로 한 주기 동안의 단위 PD 디지털 신호(600)를 버퍼링할 수 있다.
다시 도 2를 설명한다.
메인 프로세서(150)는 버퍼링된 한 주기의 단위 PD 디지털 신호로부터 노이즈를 고려한, 유효 데이터의 검출을 위한 기준 전압을 획득한다(S211).
일 실시 예에서, 기준 전압은 한 주기의 단위 PD 디지털 신호로부터 부분 방전에 대한 정보를 담고 있는 PD 피크 포인트를 검출하기 위해 사용되는 전압일 수 있다.
기준 전압은 미리 설정된 전압일 수 있다.
메인 프로세서(150)는 획득된 기준 전압을 이용하여, 단위 PD 디지털 신호에 포함된 복수의 PD 포인트들로부터, PD 피크 포인트를 추출한다(S213).
이에 대해서는 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 PD 피크 포인트를 검출하기 위해 기준이 되는 기준 전압을 설명하는 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따라 기준 전압을 이용하여, PD 피크 포인트를 검출하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 메인 프로세서(150)는 PD 피크 포인트를 검출하기 위해 기준이 되는 기준 전압을 설정할 수 있다.
그 후, 메인 프로세서(150)는 도 8에 도시된 바와 같이, 한 주기의 PD 디지털 데이터(600)로부터, 기준 전압을 초과하는 PD 피크 포인트(800)를 추출할 수 있다.
PD 피크 포인트(800)는 피크 전압 및 피크 전압에 대응하는 위상에 대한 정보를 포함할 수 있다.
다시 도 2를 설명한다.
메인 프로세서(150)는 검출된 PD 피크 포인트들에 대한 정보를 담고 있는 유효 데이터를 추출한다(S215).
일 실시 예에서, 메인 프로세서(150)는 유효 데이터는 PD 피크 포인트로부터 추출된 데이터로, PD 피크 포인트의 피크 전압과 위상을 포함할 수 있다.
이하에서는, 단계 S205 내지 단계 S215의 과정을 종합적으로 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따라 유효 데이터를 추출하는 과정을 종합적으로 설명하는 도면이다.
도 9를 참조하면, 메인 프로세서(150)는 기준 주파수 신호(310)로부터 제로 위상 포인트(311)를 검출할 수 있다. 제로 위상 포인트(311)는 음의 위상에서, 양의 위상으로 변하는 변곡점에 대응하는 지점일 수 있다.
또한, 메인 프로세서(150)는 기준 주파수 신호(310)에 기반하여, PD 펄스 디지털 신호와 동기화를 위한 시작점을 추출할 수 있다.
메인 프로세서(150)는 추출된 시작점을 PD 펄스 디지털 신호와 동기화 하기 위해 공용으로 활용 가능한 시스템 클럭 정보로 변환할 수 있다.
그 후, 메인 프로세서(150)는 주기마다 반복되는 시작점에 대응하는 시스템 클럭(901)에 맞춰, 1 주기에 대응하는 단위 PD 디지털 신호를 추출한다.
메인 프로세서(150)는 1 주기에 대응하는 PD 디지털 데이터로부터 40000개의 PD 포인트들을 샘플링할 수 있다. 여기서, 40000개는 예시에 불과한 수치이다.
메인 프로세서(150)는 복수의 PD 포인트들 각각을 신호 처리하여, 처리 결과로부터 복수의 PD 포인트들 각각에 대한 전압의 크기와 위상을 획득할 수 있다.
메인 프로세서(150)는 복수의 PD 포인트(910)들 중 전압의 크기가 기준 전압을 초과하는 PD 포인트만을 유효 PD 포인트(930)로 추출하고, 추출된 유효 PD 포인트(930)에 대한 데이터를 저장할 수 있다.
2.4MHz 샘플링 레이트로 확보된 PD 펄스 디지털 데이터는 60Hz의 기준 주파수 신호 1주기를 기준으로, 40000개의 PD 포인트들만큼의 데이터가 저장되어야 한다.
100 주기의 PD 펄스 디지털 데이터를 처리할 경우, 이를 저장하기 위해서는 추가 외장 메모리가 필요할 정도로 과도한 메모리 요구 사항이 발생될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 이를 방지하기 위해, 메인 프로세서(150)는 매번 1 주기만큼의 단위 PD 디지털 신호를 동기화하여, 유효한 PD 포인트에 대한 데이터만을 저장하고, 주기 마다 이러한 작업을 반복 수행할 수 있다.
이에 따라, 100 주기 동안의 PD 펄스 디지털 데이터를 분석할 때, 필요한 메모리의 용량은 1/100로 줄어들어, 큰 용량의 외장 메모리 없이, 메모리 용량을 최소화할 수 있다.
한편, 유효 PD 포인트(930)에 대한 유효 데이터는 도 10과 같은 형식으로 압축되어, 전송될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따라 부분 방전의 발생을 나타내는 유효 PD 포인트에 대한 정보를 담고 있는 유효 데이터의 구조를 설명하는 도면이다.
도 10을 참조하면, 유효 데이터(1000)는 주기 정보(1010), 위상 정보(1030) 및 크기 정보(1050)를 담고 있다.
주기 정보(1010)는 해당 유효 데이터가 몇 번째 주기인지를 나타내는 정보를 포함한다.
위상 정보(1030)는 유효 PD 포인트(930)로부터 검출된 위상을 나타내는 정보를 포함한다.
크기 정보(1050)는 유효 PD 포인트(930)로부터 검출된 전압의 크기를 나타내는 정보를 포함한다.
메인 프로세서(150)는 주기 정보(1010), 위상 정보(1030) 및 크기 정보(105)를 압축하여, 유효 데이터(1000)를 생성할 수 있다.
메인 프로세서(150)는 유효 데이터(1000)의 조합을 패킷화하여, 무선 통신 장치(140)를 통해 외부 시스템에 전송할 수 있다.
다시 도 2를 설명한다.
메인 프로세서(150)는 PRPD 분석 기법에 필요한 기준 횟수의 PD 펄스 신호 주기가 확보되었는지를 판단한다(S217).
기준 횟수는 PRPD 기법을 통해 유효 데이터를 분석하여, 부분 방전을 검출하는데 필요한 횟수일 수 있다.
일 실시 예에서 기준 횟수는 100 주기일 수 있으나, 이는 예시에 불과한 수치이다.
메인 프로세서(150)는 PRPD 기법에 필요한 기준 횟수의 PD 펄스 신호 주기가 확보된 경우, 유효 데이터의 조합인 유효 데이터 패킷을 외부에 전송한다(S219).
일 실시 예에서, 메인 프로세서(150)는 유효 데이터의 조합인 유효 데이터 패킷을 무선 통신 장치(140)를 통해 PD 분석 시스템으로 전송할 수 있다.
예를 들어, 유효 데이터 패킷은 100주기 동안 수집된 100개의 유효 데이터의 조합일 수 있다.
이에 대해서는, 도 11을 참조하여 설명한다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유효 데이터 패킷의 조합을 설명하는 도면이다.
도 11을 참조하면, 유효 데이터 패킷(1100)은 복수의 유효 데이터들(1100-1 내지 1100-n)을 포함할 수 있다.
각 유효 데이터는 주기 정보, 해당 주기에서 샘플링된 PD 피크 포인트의 위상 정보, 해당 주기에서 샘플링된 PD 피크 포인트의 크기 정보를 포함할 수 있다.
메인 프로세서(150)는 무선 통신 장치(140)를 통해 유효 데이터 패킷(1100)을 PD 분석 시스템으로 전송할 수 있다.
이와 같이, PD 센싱 데이터를 유효 데이터들의 배열로 압축하면, 기존 고속 유선 전송을 사용하던 방식에서, 저전력 센서 네트워크로 데이터 전송이 가능해질 수 있다.
다시, 도 2를 설명한다.
그 후, 메인 프로세서(150)는 PD 검출 센서(131)를 비 활성화시킨다(S221).
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 부분 방전 검출 센서의 구성을 설명하는 도면이다.
도 12에 따른 부분 방전 검출 센서(1200)는 도 1에 도시된 부분 방전 검출 센서(131)로 대체될 수 있다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 부분 방전 검출 센서(1200)는 자기 센서(1201), 증폭기(1203), 고역 통과 필터(1205), 저역 통과 필터(1207) 및 로그 앰프(1209)를 포함할 수 있다.
자기 센서(1201)는 부분 방전 펄스 신호 및 상 전류 신호를 센싱할 수 있다.
자기 센서(1201)는 풀 브릿지(full bridge) 또는 하프 브릿지(half bridge) 형태로 구성될 수 있다.
증폭기(1203)는 자기 센서(1201)에서 출력된 부분 방전 펄스 신호 및 상 전류 신호를 증폭할 수 있다.
증폭기(1203)는 차등 증폭기가 사용될 수 있다.
고역 통과 필터(1205)는 부분 방전 펄스 신호로부터 노이즈 신호를 제거할 수 있다.
저역 통과 필터(1207)는 기준 주파수 신호를 통과시키기 위한 필터일 수 있다.
로그 앰프(1209)는 고역 통과 필터(1205)로부터 통과된 부분 방전 펄스 신호를 이용하여, 부분 방전의 발생 여부 및 부분 방전의 발생 정도를 판단할 수 있다.
도 13a는 일반적인 자기 센서의 구성을 나타내는 회로도이고, 도 13b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기 센서의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 13a를 참조하면, 기존의 자기 센서(1310)는 자기장 크기에 따른 180도 위상 차이가 나는 전자기 신호를 Vp 단자와 Vn 단자를 통해 출력한다.
그러나, 기존의 자기 센서(1310)는 유입되는 고주파 전자기 신호에 대한 반응 및 Vp 또는 Vn의 출력 특성이 좋지 않다.
도 13b를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 자기 센서(1330)는 자기 센서(1330)에서 발생되는 자기장에 영향을 주지 않으면서, Vn 혹은 Vp와 Vn 간의 차이에서 고주파 부분 방전 신호를 손실 없게 출력하도록 2개의 커패시터(C1, C2)를 포함할 수 있다.
제1 커패시터(C1)는 Vp 단자에 연결될 수 있고, 제2 커패시터(C2)는 Vn 단자에 연결될 수 있다.
또한, 자기 센서(1330)는 고주파의 부분 방전 신호가 손실 없이 유입되는 동시에, 직류 전원(Vs)과 상호 간섭되지 않도록, 커패시터(C3)와 인덕터(L1)를 포함할 수 있다.
또한, 부분 방전 신호의 유입 단자에는 부분 방전 신호의 수신 감도를 높이기 위해, 넓은 면적의 패드가 부착될 수 있다.
도 14는 기존의 자기 센서 및 본 발명의 실시 예에 따른 자기 센서 각각에 60Hz의 기준 주파수 신호를 인가 시, Vp-Vn 에서 관측되는 신호의 출력을 비교하는 도면이다.
60Hz의 기준 주파수 신호는 60Hz의 주파수를 갖는 교류 전류 신호일 수 있다.
도 14를 참조하면, 기존의 자기 센서(1310) 및 본 발명의 실시 예에 따른 자기 센서(1330) 각각에 60Hz의 기준 주파수 신호를 인가 시, Vp-Vn 에서 관측되는 신호는 동일한 파형(1400)을 가질 수 있다(즉, 중첩되어 있음).
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 자기 센서(1330)는 기준 주파수 신호의 출력에 있어, 동일한 성능을 갖는다.
도 15는 기존의 자기 센서 및 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기 센서에 인가되는 고주파 신호의 주파수에 따른 차동 신호(Vp-Vn)의 출력을 비교하는 도면이다.
도 15를 참조하면, 기존의 자기 센서(1310)의 단자(1311)에 인가되는 고주파 신호의 주파수에 따른 제1 차동 출력 신호(1510) 및 본 발명의 실시 예에 따른 자기 센서(1330)의 PD 입력 단자(1331)에 인가되는 고주파 신호의 주파수에 따른 제2 차동 출력 신호(1530)가 도시되어 있다.
각 단자에 인가되는 고주파 신호는 부분 방전 신호일 수 있다.
제2 차동 출력 신호(1530)는 제1 차동 출력 신호(1510)에 비해, 1MHz 이상의 고주파 신호에 대해 좋은 응답 특성을 갖는다.
또한, cut-off 주파수는 자기 센서(1330)의 저항과 추가로 장착된 커패시터들(C1, C2)의 크기로 조절될 수 있다. Cut-off 주파수는 최대 출력 전압의 70%가 되는 되는 전압에 대응되는 주파수 일 수 있다. 도 15에서 cut-off 주파수는 1MHz일 수 있다.
도 16a 및 도 16b는 기존의 자기 센서를 이용할 시, 고주파 부분 방전 신호 및 60Hz 기준 주파수 신호의 출력 결과를 보여주는 도면이다.
도 16a는 기존 자기 센서(1310)의 Vp 단자 및 Vn 단자에서 출력된 주파수 응답 특성 파형(1600)을 보여준다. Vp 단자 및 Vn 단자에서 출력된 주파수 응답 특성 파형(1600)은 동일한 파형을 가지므로, 중첩되어 표현되어 있다.
도 16b를 참조하면, 기존의 자기 센서(1310)의 Vp 단자에서 출력된 제1 파형(1610), Vn 단자에서 출력된 제2 파형(1620), 차동 단자에서 출력된 제3 파형(1630)이 도시되어 있다.
도 16b를 참조하면, 제1 파형(1610)에는 제1 부분 방전 신호(1611)가 제2 파형(1620)에는 제2 부분 방전 신호(1621)가 실려 있음을 확인할 수 있다.
차동 단자에서 출력된 제3 파형(1630)을 보면, 고주파 부분 방전 신호는 차동 신호에 의해 모두 상쇄되어 출력되지 못한다.
도 17a 및 도 17b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기 센서를 이용할 시, 고주파 부분 방전 신호 및 60Hz 기준 주파수 신호의 출력 결과를 보여주는 도면이다.
도 17a는 본 발명의 실시 예에 따른 자기 센서(1330)의 Vp 단자에서 출력된 주파수 응답 특성 파형(1701) 및 Vn 단자에서 출력된 주파수 응답 특성 파형(1703)을 보여준다.
도 17b를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 자기 센서(1330)의 Vp 단자에서 출력된 제1 파형(1710), Vn 단자에서 출력된 제2 파형(1720), 차동 단자에서 출력된 제3 파형(1730)이 도시되어 있다.
제1 파형(1710)에는 부분 방전 신호가 실려있지 않고, 제2 파형(1720)에만 부분 방전 신호가 실려 있음을 확인할 수 있다.
차동 단자에서 출력된 제3 파형(1730)을 보면, 부분 방전 신호(1731)가 실려 있음을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 자기 센서(1330)를 이용할 경우, 차동 단자에서 기존의 자기 센서(1310)와는 달리 고주파 부분 방전 신호가 검출될 수 있다.
도 18a는 보이드 부분 방전 파형에 일반적으로 적용되는 고주파 전류 트랜스포머(High Frequency Current Transformer, HFCT) 센서를 이용할 시와 본 발명의 실시 예에 따른 자기 센서를 이용하여, 획득한 파형을 비교하는 도면이다.
도 18a를 참조하면, 보이드 방전 시료를 이용하여, 얻어진 부분 방전 파형은 본 발명의 자기 센서를 이용한 경우나, HFCT 센서를 이용한 경우와 동일한 패턴을 가짐을 확인할 수 있다.
도 18b는 코로나 부분 방전 파형의 검출에 일반적으로 적용되는 고주파 전류 트랜스포머 센서를 이용할 시와 본 발명의 실시 예에 따른 자기 센서를 이용하여, 획득한 파형을 비교하는 도면이다.
도 18b를 참조하면, 코로나 방전 시료를 이용하여, 얻어진 부분 방전 파형은 본 발명의 자기 센서를 이용한 경우나, HFCT 센서를 이용한 경우와 동일한 패턴을 가짐을 확인할 수 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고, 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
Claims (10)
- 부분 방전 검출 시스템에 있어서,
기준 주파수 신호를 생성하고, 부분 방전 펄스 신호를 검출하며, 검출된 부분 방전 펄스 신호를 부분 방전 디지털 신호로 변환하는 부분 방전 검출 장치;
상기 기준 주파수 신호의 제로 위상 포인트를 기준으로, 상기 부분 방전 디지털 신호를 동기화시키고, 동기화된 부분 방전 디지털 신호로부터 유효 데이터를 추출하고, 추출된 유효 데이터를 저장하는 메인 프로세서; 및
상기 부분 방전 검출 장치 및 상기 메인 프로세서에 전원을 공급하는 에너지 하베스팅 전원 공급 장치를 포함하고,
상기 메인 프로세서는
상기 동기화된 부분 방전 디지털 신호로부터 1 주기 단위의 단위 부분 방전 디지털 신호를 버퍼링하고,
버퍼링된 단위 부분 방전 디지털 신호로부터 기준 전압을 초과하는 부분 방전 피크 포인트를 추출하고,
추출된 부분 방전 피크 포인트로부터 상기 유효 데이터를 추출하는
부분 방전 검출 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 유효 데이터는
상기 부분 방전 피크 포인트에 대응하는 주기 정보, 전압 크기 정보 및 위상 정보를 포함하는
부분 방전 검출 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 메인 프로세서는
기준 횟수의 부분 방전 펄스 신호 주기가 확보되었는지를 판단하고, 확보된 경우, 상기 유효 데이터의 조합인 유효 데이터 패킷을 생성하는
부분 방전 검출 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 유효 데이터 패킷은
복수의 부분 방전 피크 포인트들 각각에 대한 유효 데이터의 배열을 포함하는
부분 방전 검출 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 부분 방전 검출 시스템은
상기 유효 데이터 패킷을 부분 방전 분석 시스템에 전송하는 무선 통신 장치를 더 포함하는
부분 방전 검출 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 무선 통신 장치는 저 전력 원거리 네트워크 규격을 이용하여, 상기 유효 데이터 패킷을 상기 부분 방전 분석 시스템에 전송하는
부분 방전 검출 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 부분 방전 검출 장치는
상기 기준 주파수 신호를 생성하는 기준 신호 생성부;
상기 부분 방전 펄스 신호를 검출하는 부분 방전 검출 센서; 및
상기 부분 방전 펄스 신호를 상기 부분 방전 디지털 신호로 변환하는 아날로그 신호 처리부를 포함하는
부분 방전 검출 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 부분 방전 검출 센서는
자기 센서를 포함하는
부분 방전 검출 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 에너지 하베스팅 전원 공급 장치는
태양 에너지를 흡수하는 솔라셀;
상기 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전력 변환부; 및
상기 변환된 전기 에너지를 저장하는 2차 배터리를 포함하는
부분 방전 검출 시스템.
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| E701 | Decision to grant or registration of patent right |