KR20080076328A - 주파수/위상 스펙트럼을 이용한 전력기기용 원격 부분방전 진단 시스템 및 방법 - Google Patents

주파수/위상 스펙트럼을 이용한 전력기기용 원격 부분방전 진단 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주파수/위상 스펙트럼을 이용한 전력기기용 원격 부분방전 진단 시스템에 관한 것으로, 특히 가스절연 개폐장치의 내부 이상 시 발생하는 부분방전 신호에 기인하는 UHF대역의 전자파 신호를 광대역 센서를 이용하여 측정한 후 UHF대역의 전자식 전환기와 부분방전 측정 시스템 전용 주파수/위상 스펙트럼 분석장치를 통해 분석된 신호를 광통신 및 이더넷 기반 통신을 이용하여, 원격지에서 온라인 감시함으로써 가스절연 개폐장치의 사고를 효율적으로 예방할 수 있도록 한 주파수/위상 스펙트럼을 이용한 전력기기용 원격 부분방전 진단 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
부분방전, 광대역 센서, 전자식 전환기, 주파수 스펙트럼 분석기

Description

주파수/위상 스펙트럼을 이용한 전력기기용 원격 부분방전 진단 시스템 및 방법{Electric power appliance remote part discharge diagnosis system and method to use frequency/status spectra}
도 1은 종래 기술에 따른 전력기기의 진단장치를 나타낸 구성 회로도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력기기용 원격 부분방전 진단 시스템을 나타낸 구성 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력기기용 원격 부분방전 진단 시스템의 작동과정을 나타낸 흐름도.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
100 : 가스절연기기 110 : 내장형 광대역 센서
120 : 외장형 광대역 센서 130 : 동축 케이블
200 : 로컬유닛 210 : 전자식 전환기
220 : 주파수 분석장치 230 : 디지털신호처리장치
240 : 동선 250 : 제어 신호선
260 : 주파수 분석장치 동기 신호선 270 : 광 통신선
300 : 현장 제어동 또는 감시반실내 310 : 메인유닛
320 : 인트라넷 또는 광역망 400 : 원격지
410 : 원격지 감시용 PC
본 발명은 주파수/위상 스펙트럼을 이용한 전력기기용 원격 부분방전 진단 시스템에 관한 것으로, 특히 가스절연기기의 내부 이상 시 발생하는 부분방전 신호를 이용하여 사고를 사전에 예방하고, 원격지에서 감시 가능한 부분방전 진단 시스템 및 방법에 관한 것이다.
근래 산업이 고도로 발달하고, 생활환경의 전력 의존도가 증대됨에 따라 전력소비도 급증하고 있으며 또한 이에 따라 전력 공급에 대한 양적인 성장 뿐만 아니라 공급 신뢰도 및 질적인 성장에 대한 소비자의 욕구가 증가하고 있는 실정이다.
이에 따라 발전소/변전소의 가동 중 설비사고의 미연방지 및 만일의 사고 시 처리 등의 보전기술이 요구되고 있으며, 고압 가스(SF6)를 절연매체로 하는 대표적인 고압 전력기기인 가스절연 개폐장치(Gas Insulated Switchgear: 이하 'GIS'이라 함)를 예로 들면, 상기 GIS는 높은 절연내력과 밀폐화에 의한 초소형화, 고신뢰화, 정비 간편화 등의 장점을 가지고 있어 발전소/변전소에 널리 사용되고 있으나 GIS 가공 설치과정에서 도체의 돌기, 스페이서 크랙 및 도전성 금속 이물질 등이 발생 할 수 있으며 이러한 결함에 의해 GIS 내 전계집중 현상이 발생하게 되므로 전계집중 부위에서 부분방전이 일어나 절연파괴에 도달할 가능성이 있고 실제 금속 파티클에 의한 절연파괴 사례도 있으나 이상징후 검출기술이 전무하여 발전설비 안정운전에 막대한 위협이 되고 있는 실정으로 이를 조기에 진단하여 적절한 사전조치를 취할 수 있는 진단기법 및 장비 개발이 요구되고 있다.
이러한 요구에 따른 종래 고압 전력기기의 이상 진단 기술 예로써 대한민국 등록특허 제158678호가 알려져 있으며, 상기 예는 전력기기 진단장치에 관한 것으로 전력기기의 가스절연된 용기의 외면에 설치되어, 전기기기의 절연기능 및 통전기능의 상태를 검출하기 위한 복수의 검출기와, 상기 복수의 검출기로부터 각 검출신호를 시분할 하여 도입하는 전환기와, 상기 전환기에 의하여 도입된 검출신호를 주파수 분석하는 주파수 분석장치와, 상기 전환기를 전환 제어하는 전환기를 구비하고 있고, 도 1을 참조하여 상기 예의 구성 및 작동흐름을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 따른 전력기기의 진단장치 구성을 나타낸 도면으로써 상기 도 1에 도시된 바와 같이 부분방전 측정용으로 전자파 검출기(10)와, 통전이상 검출용으로 진동검출기(20) 다수가 전환기(40)에 연결되며, 전환기(40)는 CPU(70)로부터의 지령으로 작동하는 제어기(72)에 의하여 그 가동접점(41)을 도면상 반시계 회전방향으로 시분할로 전환 제어된다. 또한, 주파수 분석장치(50)는 CPU(70)로부터 지령으로 작동하는 제어기(71)에 의하여 상기한 전환기(40)에 의하여 접속 선택된 검출기에 대응하는 검출주파수 대로 변경된다. 주파수 분석장치(50)는 검출기 로부터의 검출신호를 주파수 분석한다. 주파수 분석장치(50)의 출력측에는 AD변환기(60)가 접속되어 있다. CPU(70)는 AD변환기(60)로부터의 주파수 분석된 신호를 처리한다. 상기 전환기(40), 주파수 분석장치(50), AD변환기(60), CPU(70) 및 제어기(71, 72)는 전력기기의 근방에 배치된 현지보드(4)에 설치되어 있다. 이 현지보드(4)와 변전소 건물 내의 본관보드(5)와는 각각 전기 광 변환기(73), 광전송 케이블(80) 및 광 전기 변환기(91)에 의하여 접속되어 있다. 본관보드(5)는 도입한 신호를 각종 처리하는 CPU(90) 및 처리결과, 즉 진단결과를 표시하는 CRT(92), 프린터(93)를 구비하고 있다. 이에 따라, 전력기기의 부분방전, 통전이상, 이물혼입 등 복수의 시분할 입력되는 검출신호를 공유의 주파수 분석장치(50)에 의하여 주파수 분석하고, 이에 의거하여 이상을 진단하므로, 현지보드(4)의 면수의 저감, 축소화가 도모되고, 가격도 저감할 수 있으며, 또한, 이상 진단을 온라인으로 감시할 수 있는 것이다.
그러나, 상기 종래의 장치는 센서를 선택하는 전환기 제어 시 기계적 접점을 사용하여 동작속도가 느리고, 동작 회수에 제한이 있으며, 온라인 감시를 하는 본관보드(5)가 단일로 구성되어 있어서 타 원격지에서 실시간 감시 및 데이터 공유가 되지 않는 문제점이 있었다. 또한, 상기 주파수 분석장치(50)는 고가의 범용계측기가 사용되고 있어, 부분방전 신호 분석에 특화된 전용 주파수 분석 장치의 필요성이 대두되었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 가스절연 개폐장치의 내부 이상 시 발생하는 부분방전 신호에 기인하는 UHF대역의 전자파 신호를 광대역 센서를 이용하여 측정한 후 UHF대역의 전자식 전환기와 부분방전 측정 시스템 전용 주파수/위상 스펙트럼 분석장치를 통해 분석된 신호를 광통신 및 이더넷 기반 통신을 이용하여, 원격지에서 온라인 감시함으로써 가스절연 개폐장치의 사고를 효율적으로 예방할 수 있도록 한 주파수/위상 스펙트럼을 이용한 전력기기용 원격 부분방전 진단 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는 가스절연 기기의 금속용기의 점검창에 취부되고, 가스절연 기기의 부분방전 상태를 검출하여 해당 검출신호를 출력하는 복수의 내장형 광대역센서; 가스절연 기기의 비금속 노출 부위인 스페이서에 취부되고, 가스절연 기기의 부분방전 상태를 검출하여 해당 검출신호를 출력하는 복수의 외장형 광대역센서; 상기 내장형 센서 및 외장형 센서와 동축케이블로 연결되어 디지털신호처리장치의 제어에 의해 임의의 센서를 선택하고, 상기 선택된 임의의 센서로부터 입력되는 부분방전 검출신호를 입력받아 주파수 스펙트럼 분석기로 출력하는 전자식 전환기; 상기 전자식 전환기로부터 입력되는 부분방전 검출신호에 대한 주파수 분석이 이루어지는 주파수 스펙트럼 분석기; 상기 주파수 스펙트럼 분석기로부터 주파수 분석 신호를 입력받아 주파수/위상 분석을 통해 가스절연 기기의 부분방전 발생유무를 판단하고, 만약 부분방전 발생 판단 시 경보신호 및 주파수/위상 분석 데이터를 실시간으로 광통신선을 통해 현장 실내에 설치된 메인 유닛에 전송하는 디지털신호처리장치; 상기 디지털신호처리장치로부터 전송된 경보신호 및 주파수/위상 분석 데이터를 이용하여 부분방전 발생원인 및 발생위치를 진단하고, 사내 인트라넷 또는 광역망을 통해 원격지의 감시용 컴퓨터에 진단결과 및 데이터를 전송하는 메인 유닛;을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은 가스절연기기에 설치된 복수의 광대역 센서가 UHF대역의 전자파 신호를 검출하는 제1단계; 전자식 전환기가 디지털신호처리장치에 의해 선택된 임의의 광대역 센서로부터 전자파 신호를 입력받아 주파수 스펙트럼 분석기로 출력하는 제2단계; 주파수 스펙트럼 분석기가 상기 전자식 전환기로부터 출력된 전자파 신호의 주파수를 분석하는 제3단계; 디지털신호처리장치가 상기 주파수 스펙트럼 분석기로부터 출력된 주파수 분석 신호에 기초하여 주파수/위성 분석을 수행하고, 가스절연기기의 부분방전 발생유무를 판단하는 제4단계; 상기 제4단계에서의 판단 결과, 부분방전 발생 시 디지털신호처리장치가 현장 실내의 메인유닛으로 경보신호 및 주파수/위상 분석 데이터를 전송하는 제5단계; 메인유닛이 상기 디지털신호처리장치로부터 전송된 경보신호 및 주파수/위상 분석 데이터를 이용하여 부분방전 원인과 발생위치를 진단하고, 사내 인트라넷 또는 광역망을 통해 원격지의 감시용 컴퓨터에 그 진단결과를 전송하는 제6단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요 한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 주파수/위상 스펙트럼을 이용한 전력기기용 원격 부분방전 진단 시스템의 전체적인 시스템 구성을 나타낸 도면이다.
상기 도 2를 참조하면, 상기 주파수/위상 스펙트럼을 이용한 전력기기용 원격 부분방전 진단 시스템은 내장형 광대역 센서(110), 외장형 광대역 센서(120), 전자식 전환기(210), 주파수 스펙트럼 분석기(220), 디지털신호처리장치(230), 메인유닛(310)을 포함하여 구성된다.
먼저, 내장형 광대역 센서(110)는 가스절연 기기(100)의 금속용기의 점검창에 취부되어 상기 점검창을 통해 유출되는 부분방전에 의한 전자파를 감지하는 것으로, 가스절연 기기(100)의 부분방전 상태를 검출하여 해당 검출신호를 출력한다.
외장형 광대역 센서(120)는 가스절연 기기(100)의 비금속 노출 부위인 스페이서에 취부되어 상기 스페이서를 통해 유출되는 부분방전에 의한 전자파를 감지하는 것으로, 가스절연 기기(100)의 부분방전 상태를 검출하여 해당 검출신호를 출력한다.
전자식 전환기(210)는 상기 내장형 센서(110) 및 외장형 센서(120)와 동축케이블로 연결되어 디지털신호처리장치(230)의 제어에 의해 임의의 센서를 선택하고, 상기 선택된 임의의 센서로부터 입력되는 부분방전 검출신호를 입력받아 주파수 스펙트럼 분석기(220)로 출력한다. 특히, 본 발명에서는 전자식 전환기(210)를 사용함으로써 종래의 장치가 기계적 접점을 사용하여 동작 속도가 느리고 동작 횟수에 제한이 있던 문제점을 해결하여, 고속 전환이 가능하고, 동작 횟수의 제한이 없으며, 신호 감쇄가 적어지는 효과를 갖는다.
주파수 스펙트럼 분석기(220)는 상기 전자식 전환기(210)로부터 입력되는 부분방전 검출신호에 대한 주파수 분석 기능을 수행하는 것으로, 부분방전 시에 발생하는 주파수 영역, 즉, UHF대역(0.5GHz~1.5GHz) 내의 신호 레벨을 시간 영역의 신호 크기로 변환하는 고속 푸리에 변환방식을 이용한 스펙트럼 분석기이다. 이 때, 바람직하게 상기 주파수 스펙트럼 분석기(220)에는 상기 전자식 전환기(210)로부터 입력되는 부분방전 검출신호가 노이즈 신호 대역에 가까운 미약한 신호가 발생할 경우이거나 구분하기 어려운 경우, 신호를 증폭하여 노이즈와 부분방전 신호를 구별하기 위해 부분방전 검출신호를 증폭시키는 증폭기(미도시)가 구비된다.
디지털신호처리장치(230)는 상기 주파수 스펙트럼 분석기(220)로부터 주파수 분석 신호를 입력받아 주파수/위상 분석을 통해 가스절연 기기(100)의 부분방전 발생유무를 판단하고, 만약 부분방전 발생 판단 시 경보신호 및 주파수/위상 분석 데이터를 실시간으로 광통신선(270)을 통해 현장 실내(300)에 설치된 메인 유닛(310)에 전송한다.
메인 유닛(310)은 상기 디지털신호처리장치(230)로부터 전송된 경보신호 및 주파수/위상 분석 데이터를 이용하여 부분방전 발생원인 및 발생위치를 진단하고, 사내 인트라넷 또는 광역망(320)을 통해 원격지(400)의 감시용 컴퓨터(410)에 진단결과 및 데이터를 전송한다. 또한, 바람직하게 메인 유닛은 부분방전 발생 시 등록된 관리 담당자의 전자우편, 휴대폰 메시지(음성 및 문자, 그림 메시지 포함)로 관 련 정보 및 경보사항을 전송한다.
상기 도 2에서는 본 발명의 실시예에 따른 주파수/위상 스펙트럼을 이용한 전력기기용 원격 부분방전 진단 시스템의 전체적인 시스템 구성에 대해서 설명하였으며, 다음으로 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 주파수/위상 스펙트럼을 이용한 전력기기용 원격 부분방전 진단 시스템의 동작 과정에 대해서 설명하기로 한다.
먼저, 가스절연기기에 설치된 복수의 내장형 및 외장형 광대역 센서(110)(120)가 UHF대역의 전자파 신호를 검출하면(S301), 전자식 전환기(210)가 디지털신호처리장치(230)에 의해 선택된 임의의 광대역 센서로부터 전자파 신호를 입력받아 주파수 스펙트럼 분석기(220)로 출력한다.(S302)
이어, 주파수 스펙트럼 분석기(220)가 상기 전자식 전환기(210)로부터 출력된 전자파 신호의 주파수를 분석하고(S303), 디지털신호처리장치(230)가 상기 주파수 스펙트럼 분석기(220)로부터 출력된 주파수 분석 신호에 기초하여 주파수/위성 분석을 수행하여(S304) 가스절연기기(100)의 부분방전 발생유무를 판단하게 된다.(S305)
상기 단계(S305)에서의 판단 결과, 만약 부분방전이 발생된 것으로 판단되면 디지털신호처리장치(230)가 현장 실내의 메인유닛(310)으로 경보신호 및 주파수/위상 분석 데이터를 전송하고(S306), 상기 메인유닛(310)은 상기 디지털신호처리장치(230)로부터 전송된 경보신호 및 주파수/위상 분석 데이터를 이용하여 부분방전 원인과 발생위치를 진단한 후(S307), 그 진단 결과가 부분방전이 발생된 것으로 판 단되면(S308), 사내 인트라넷 또는 광역망(320)을 통해 원격지의 감시용 컴퓨터(410)에 그 진단결과를 전송하며, 또한, 등록된 관리 담당자의 전자우편, 휴대폰 메시지로 경보사항을 전송한다.(S309)
또한, 상기 단계(S305)에서의 판단 결과, 만약 부분방전이 발생하지 않은 것으로 판단되면 디지털신호처리장치(230)가 현장 실내의 메인유닛(310)으로 정상적인 주파수/위상 분석 데이터를 전송하고(S310), 상기 메인유닛(310)은 상기 디지털신호처리장치(230)로부터 전송된 주파수/위상 분석 데이터 및 관련 데이터를 사내 인트라넷 또는 광역망(320)을 통해 원격지의 감시용 컴퓨터(410)에 전송한다.(S311)
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위가 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 하나의 디지털신호처리장치에서 다수의 주파수 분석장치와 다수의 전자식 전환기를 제어 및 신호 취득/처리함으로써 다수의 내장형 및 외장형 광대역 센서를 감시하는데 있어 시스템 구성이 간단하게 되는 이점을 가진다.
또한, 본 발명은, 전자식 전환기를 사용하여 고속 전환이 가능하고, 동작횟수의 제한이 없으며, 신호 감쇄가 적어 측정신호 처리 성능이 향상된다.
또한, 본 발명은, 부분방전 측정 전용으로 특화된 주파수 분석장치를 사용함으로써 주파수 분석장치의 성능 저하 없이 범용 계측기에 비해 크기가 축소되고, 저가로 제작 가능한 효과가 있으며, 내부 인트라넷 및 외부 광역망을 통해 원격에서 감시가 가능한 이점을 가진다.

Claims (6)

  1. 가스절연 기기(100)의 금속용기의 점검창에 취부되고, 가스절연 기기(100)의 부분방전 상태를 검출하여 해당 검출신호를 출력하는 복수의 내장형 광대역 센서(110);
    가스절연 기기(100)의 비금속 노출 부위인 스페이서에 취부되고, 가스절연 기기(100)의 부분방전 상태를 검출하여 해당 검출신호를 출력하는 복수의 외장형 광대역 센서(120);
    상기 내장형 센서(110) 및 외장형 센서(120)와 동축케이블(130)로 연결되어 디지털신호처리장치(230)의 제어에 의해 임의의 센서를 선택하고, 상기 선택된 임의의 센서로부터 입력되는 부분방전 검출신호를 입력받아 주파수 스펙트럼 분석기(220)로 출력하는 전자식 전환기(210);
    상기 전자식 전환기(210)로부터 입력되는 부분방전 검출신호에 대한 주파수 분석이 이루어지는 주파수 스펙트럼 분석기(220);
    상기 주파수 스펙트럼 분석기(220)로부터 주파수 분석 신호를 입력받아 주파수/위상 분석을 통해 가스절연 기기(100)의 부분방전 발생유무를 판단하고, 만약 부분방전 발생 판단 시 경보신호 및 주파수/위상 분석 데이터를 실시간으로 광통신선을 통해 현장 실내(300)에 설치된 메인 유닛(310)에 전송하는 디지털신호처리장치(230);
    상기 디지털신호처리장치(230)로부터 전송된 경보신호 및 주파수/위상 분석 데이터를 이용하여 부분방전 발생원인 및 발생위치를 진단하고, 원격지(400)의 감시용 컴퓨터(410)에 진단결과 및 데이터를 전송하는 메인 유닛(310);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 주파수/위상 스펙트럼을 이용한 전력기기용 원격 부분방전 진단 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 주파수 스펙트럼 분석기(220)는 상기 전자식 전환기(210)로부터 입력되는 부분방전 검출신호 증폭시키는 증폭기를 더욱 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 주파수/위상 스펙트럼을 이용한 전력기기용 원격 부분방전 진단 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 메인유닛(310)은 기 등록된 관리 담당자에게 전자메일 및 휴대폰 음성, 문자, 그림 메시지를 통해 부분방전 진단 관련 정보 및 경보알람을 전달하는 기능이 포함된 것을 특징으로 하는 주파수/위상 스펙트럼을 이용한 전력기기용 원격 부분방전 진단 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 메인유닛(310)은 내부 인트라넷 및 외부 광역망(320)을 통해 원격지(400)의 감시컴퓨터(410)와 통신이 이루어지는 것을 특징으로 하는 주파수/위상 스펙트럼을 이용한 전력기기용 원격 부분방전 진단 시스템.
  5. 가스절연기기에 설치된 복수의 광대역 센서(110)(120)가 UHF대역의 전자파 신호를 검출하는 제1단계;
    전자식 전환기(210)가 디지털신호처리장치(230)에 의해 선택된 임의의 광대역 센서로부터 전자파 신호를 입력받아 주파수 스펙트럼 분석기(220)로 출력하는 제2단계;
    주파수 스펙트럼 분석기(220)가 상기 전자식 전환기(210)로부터 출력된 전자파 신호의 주파수를 분석하는 제3단계;
    디지털신호처리장치(230)가 상기 주파수 스펙트럼 분석기(220)로부터 출력된 주파수 분석 신호에 기초하여 주파수/위성 분석을 수행하고, 가스절연기기(100)의 부분방전 발생유무를 판단하는 제4단계;
    상기 제4단계에서의 판단 결과, 부분방전 발생 시 디지털신호처리장치(230)가 현장 실내의 메인유닛(310)으로 경보신호 및 주파수/위상 분석 데이터를 전송하는 제5단계;
    메인유닛(310)이 상기 디지털신호처리장치(230)로부터 전송된 경보신호 및 주파수/위상 분석 데이터를 이용하여 부분방전 원인과 발생위치를 진단하고, 사내 인트라넷 또는 광역망을 통해 원격지의 감시용 컴퓨터에 그 진단결과를 전송하는 제6단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 주파수/위상 스펙트럼을 이용한 전력기기용 원격 부분방전 진단 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제6단계는, 메인유닛(310)이 기 등록된 관리 담당자에게 전자메일 및 휴대폰 음성, 문자, 그림 메시지를 통해 부분방전 진단 관련 정보 및 경보알람을 전달하는 과정을 더욱 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 주파수/위상 스펙트럼을 이용한 전력기기용 원격 부분방전 진단 방법.
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