KR20100075225A - 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치 및 방법 - Google Patents

전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치는, 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치에 있어서, 전력 신호의 고조파를 분해하기 위한 필터뱅크; 및 상기 필터뱅크에 의해 분해된 각 고조파를 처리하여 시변 고조파의 주파수와 진폭을 검출 및 추적하기 위한 적응예측기를 포함한다.
또한, 발명의 다른 실시예에 따른 전력신호의 시변고조파 검출/추적 방법은, 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치에 적용되는 시변고조파 검출/추적 방법에 있어서, 필터뱅크를 이용하여 전력 신호의 고조파를 분해하는 고조파 분해 단계; 및 상기 고조파 분해 단계를 통해 분해된 각 고조파를 처리하여 시변 고조파의 주파수와 진폭을 검출 및 추적하기 위한 적응예측 단계를 포함한다.
시변 고조파, 검출/추적, 필터뱅크, 고조파 분해, 적응예측

Description

전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치 및 방법{Apparatus and method for detecting/tracing time-varying harmonic in the power system}
본 발명은 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전력품질 측정에서 가장 중요한 요소인 고조파를 정확하게 검출/추적하기 위한 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치 및 방법에 관한 것이다.
전력계통에서 비선형 부하와 시변 부하의 사용이 많음으로 인하여 sag, swell, 고조파(harmonic), 과도잡음(transient noise) 등 전력품질을 저하시키는 요소들이 증가하게 되었다. 그 중 고조파 성분은 전력시스템에서 반향, 소자 고장, 전자장비의 열 발생, 회전 기계의 수명 감소 등과 같은 많은 문제를 야기한다.
일반적으로 전력시스템에서의 고조파는 시간에 따라 주파수와 진폭이 변화하는 특징을 가지고 있기 때문에 이것을 정확하게 추적, 검출하는 것은 매우 어렵다.
종래 고조파를 검출하기 위한 방법으로는 푸리에(Fourier) 변환에 기반을 둔 기법들이 널리 사용되고 있는데, 시간에 따라 신호의 통계적 특성이 변화하지 않는 환경에서는 푸리에 기반 기법이 간단한 구조와 구현의 편리성으로 인하여 매우 유용하게 사용될 수 있는 반면, 시간에 따라 신호의 통계적 특성이 변화는 환경에서는 스펙트럼 누설(spectral leakage) 효과와 에일리어징(aliasing) 효과 등으로 인하여 그 성능이 저하된다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여, 실제 구현에 있어서는 문제점을 가지고 있지만 성능이 뛰어난 웨이블렛(wavelet) 변환에 기반을 둔 기법들이나, 디지털 필터링 기법, EPLL(Enhancement Phase-Locked Loop) 기법, 그리고 적응 노치 필터링 기법(adaptive notch filtering) 등이 시변(time-varying) 고조파 해석을 위하여 연구되고 있다.
전력품질과 관련된 최근의 국내특허를 살펴보더라도 대부분이 전력신호와 그 고조파 측정에 FFT(Fast Fourier Transform)를 적용하고 있으며, 일부에서는 코사인필터와 사인필터를 사용하여 주파를 측정하는 방법도 발견되고 있다. 하지만 이와 같은 방법의 경우, 만일 기본파의 주파수와 진폭이 시간에 따라 변할 경우, 각 고조파 측정에서 스펙트럼 누설을 피할 수 없으므로 오차가 발생하게 되어 정확도에 영향을 미치게 된다는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전력품질 측정에서 가장 중요한 요소인 고조파를 정확하게 검출/추적하기 위한 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명은 기존의 고조파 측정에서의 문제점을 해결하기 위한 방안을 제시한 것으로, 시간에 따라 특성(주파수 및 진폭)이 변화하는 고조파를 필터뱅크를 이용 분해하고, 분해된 고조파를 적응예측기를 이용하여 예측함으로써, 그 시변주파수와 진폭을 잡음 환경 하에서도 보다 정확하게 측정할 수 있도록 하는 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치는, 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치에 있어서, 전력 신호의 고조파를 분해하기 위한 필터뱅크; 및 상기 필터뱅크에 의해 분해된 각 고조파를 처리하여 시변 고조파의 주파수와 진폭을 검출 및 추적하기 위한 적응예측 기를 포함한다.
여기서, 상기 필터뱅크는, 대역저지필터(BRF), 대역통과필터(BPF), 저역통과필터(LPF) 및 고역통과필터(HPF)를 구비하는 기본필터뱅크(FB, Fundamental Filter Bank)로 구성될 수 있으나, 보다 바람직하게는, 이와 같은 기본필터뱅크가 단계적, 연속적으로 적용되어 다수의 고차 고조파에 대한 분해가 가능하도록 구성되는 것이 좋다.
이때, 상기 적응예측기는, LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 기반한 적응알고리즘을 이용하여 시변 고조파의 주파수와 진폭을 검출 및 추적하도록 구성될 수 있다.
한편, 발명의 실시예에 따른 전력신호의 시변고조파 검출/추적 방법은, 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치에 적용되는 시변고조파 검출/추적 방법에 있어서, 필터뱅크를 이용하여 전력 신호의 고조파를 분해하는 고조파 분해 단계; 및 상기 고조파 분해 단계를 통해 분해된 각 고조파를 처리하여 시변 고조파의 주파수와 진폭을 검출 및 추적하기 위한 적응예측 단계를 포함한다.
여기서, 상기 적응예측 단계는, LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 기반한 적응알고리즘을 이용하여 시변 고조파의 주파수와 진폭을 검출 및 추적하도록 구성될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치 및 방법에 따르면 필터뱅크와 적응예측기를 사용하여 시변 고조파의 주파수와 진폭을 보다 정확하게 추적 검출할 수 있게 되었다는 장점이 있다..
이에 따라, 전력신호의 고조파 측정 뿐 아니라 전체 고조파 왜곡(total harmonics distortion)의 측정에서도 정확도를 높일 수 있게 되었을 뿐만 아니라, 기본 필터뱅크를 연속적으로 적용 가능하도록 함으로써 분해하고자 하는 고조파의 수에 따라 간단하게 하드웨어의 설계를 변경할 수 있게 되었다는 등의 다양한 장점도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치는, 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치에 있어서, 전력 신호의 고조파를 분해하기 위한 필터 뱅크; 및 상기 필터뱅크에 의해 분해된 각 고조파를 처리하여 시변 고조파의 주파수와 진폭을 검출 및 추적하기 위한 적응예측기를 포함한다.
또한, 발명의 다른 실시예에 따른 전력신호의 시변고조파 검출/추적 방법은, 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치에 적용되는 시변고조파 검출/추적 방법에 있어서, 필터뱅크를 이용하여 전력 신호의 고조파를 분해하는 고조파 분해 단계; 및 상기 고조파 분해 단계를 통해 분해된 각 고조파를 처리하여 시변 고조파의 주파수와 진폭을 검출 및 추적하기 위한 적응예측 단계를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제 1, 제 2 등이 다양한 소자, 구성요소 또는 섹션들을 서술하기 위해서 이용되나, 이들 소자, 구성요소 또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 이용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제 1 소자, 제 1 구성요소 또는 제 1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제 2 소자, 제 2 구성요소 또는 제 2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 이용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 이용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포 함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 그리고, "A 또는 B"는 A, B, A 및 B를 의미한다. 또, 이하 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치에 적용되는 기본필터뱅크의 구조를 나타낸 설명도이고, 도 2a는 도 1의 기본필터뱅크에 적용되는 저역통과필터(LPF) 및 고역통과필터(HPF)의 주파수 특성을, 도 2b는 도 1의 기본필터뱅크에 적용되는 대역저지필터(BRF) 및 대역통과필터(BPF)의 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 1 내지 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치에 적용되는 기본필터뱅크(FB, Fundamental Filter Bank)는, 대역저지필터(BRF), 대역통과필터(BPF), 저역통과필터(LPF) 및 고역통과필터(HPF) 등을 구비하는 것을 알 수 있다. ↓2는 신호의 솎음과정을 의미한다.
즉, 도 1에서 X(n)은 입력 전력신호이며, HBR(Z), HBP(Z), HLP(Z), HHP(Z)는 각각 대역저지필터(BRF), 대역통과필터(BPF), 저역통과필터(LPF), 고역통과필터(HPF) 를 나타낸다.
저역통과필터(LPF)와 고역통과필터(HPF)는 주파수 특성이 도 2a와 같고, 대역저지필터(BRF)와 대역통과필터(BPF)는 도 2b와 같은 주파수 특성을 갖도록 설계한다.
이와 같은 구성을 갖는 기본필터뱅크의 고조파 분해특성은, 가령 전력신호가 3차 고조파까지만 포함한다면, 기본필터뱅크의 맨 위 출력에서는 기본파, 두 번째 출력에서는 3차 고조파, 마지막 출력에는 2차 고조파가 각각 분해되어 출력된다. 그리고, 각 고조파 주파수의 위치는 각 필터 통과대역의 가운데에 위치하게 한다.
이와 같이 기본필터뱅크를 설계함으로써 고조파 분해에서의 인접 고조파간의 스펙트럼 누설을 크게 줄일 수 있다.
이때, 저역통과필터(LPF)와 고역통과필터(HPF)의 사용이 신호의 대역폭을 반으로 줄게 하므로, 솎음과정(↓2)을 통해 신호의 샘플 수를 반으로 줄일 수 있게 되어 계산량 측면에서도 효율적이 된다. 이러한 기본필터뱅크는 반복적으로 사용이 가능하기 때문에 보다 높은 차수의 고조파분해 시스템에 활용이 가능하다.
도 1에 도시된 기본필터뱅크의 각 출력신호에 대한 Z-변환 표현식은 다음과 같다.
Figure 112008089007578-PAT00001
Figure 112008089007578-PAT00002
Figure 112008089007578-PAT00003
도 3은 도 1의 기본필터뱅크(FB, Fundamental Filter Bank)를 이용하여 전력신호의 고조파를 검출/추적하기 위한 필터뱅크 시스템을 나타낸 블록도이고, 도 4는 도 3의 필터뱅크시스템의 주파수 특성을 나타낸 설명도이다.
먼저 도 3을 참조하면, 기본필터뱅크(FB, Fundamental Filter Bank)를 반복적으로 적용함으로써 전력신호를 분해하여 15차까지의 고조파 검출이 가능하도록 설계된 3단(stage) 고조파 분해 필터뱅크의 구성임을 알 수 있다.
여기서 FB는 도 1에 도시한 기본필터뱅크이며, hi(i=1~15, i차 고조파)는 필터뱅크에 의해 분해된 고조파이고, fi와 ai(i=1~15)는 각각 고조파 hi의 예측된(estimated) 주파수와 진폭을 나타낸다.
도 3과 같은 필터뱅크 시스템에서 고조파분해 단계(stage) 수가 n이면 분해 가능한 고조파 차수는 2(n+1)-1까지 가능해 지므로, 기본필터뱅크 사용 단수를 높임으로써 15차 이상의 고조파도 분해가 가능함을 확인할 수 있다.
도 3에 도시된 필터뱅크 시스템의 주파수 특성은 근사적으로 도 4와 같으며, 도 4를 참조하면 h1은 기본파로써 주파수가 60㎐이고, h15는 15차 고조파로써 주파수가 900㎐임을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치에 적용되는 적응예측기의 구조를 나타낸 설명도이다.
도 5는 전력신호의 주파수와 진폭이 시변(time varying)일 경우 고조파 또한 시변이므로, 분해된 시변고조파의 주파수와 진폭을 시변 환경 하에서 예측하기 위한 적응예측기의 구조를 나타낸다.
적응예측기는 신호의 통계적 특성이 시변인 경우에도 최적의 해를 찾아가게 설계되므로, 시변 환경 고조파의 검출과 추적에 효과적인 시스템으로 사용될 수 있다.
이와 같은 적응예측기를 상기 필터뱅크에 의해 분해된 각 고조파의 처리에 적용함으로써 시변고조파의 주파수와 진폭의 검출과 추적을 보다 정확하게 수행할 수 있다.
여기서
Figure 112008089007578-PAT00004
는 지연을 의미하며, u(n)은 고조파 hi가 지연된 신호이고, W(Z)는 적응필터, y(n)은 예측된 신호를 나타내고, e(n)=hi(n)-y(n)의 오차신호로써 적응필터의 계수를 갱신하는데 사용된다.
이러한 적응예측기를 통해 지연
Figure 112008089007578-PAT00005
를 적절히 조정함으로써 전력신호에 포함된 백색잡음(white noise)이나 임펄시브 잡음(impulsive noise) 등의 제거도 가능 하다.
적응예측기에 의해 처리된 신호 y(n)은 수식적으로 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112008089007578-PAT00006
Figure 112008089007578-PAT00007
Figure 112008089007578-PAT00008
이와 같은 적응예측기 사용되는 적응 알고리즘은 간편성과 안정성으로 널리 이용되는 LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 기반한 다양한 기법이 적용 가능할 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 적응예측기의 출력 신호로부터 각 고조파의 주파수 값과 진폭의 크기를 계산하기 위한 방법으로, 통상의 어떠한 기법이 적용되더라도 무방할 수 있음은 당업자에 있어 자명할 것이다.
지금까지 설명된 본 발명의 실시예에 따른 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치 및 방법에 따르면, 인접 고조파 간 스팩트럼누설을 줄이는 기능의 수행이 가능한 기본필터뱅크를 단계적, 연속적으로 사용하여 다수의 고차 고조파를 분해하는 필터뱅크시스템 및 높은 정확도로 분해된 시변고조파의 주파수 및 진폭의 검출 추적하도록 하는 적응예측기의 적용을 통해 과도잡음과 백색잡음(white noise)을 제거함으로써, 고조파의 측정 정확도를 향상시킬 뿐만 아니라 잡음환경 하에서도 고조파에 대한 강인한 측정이 가능하도록 함을 알 수 있다.
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 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치에 적용되는 기본필터뱅크의 구조를 나타낸 설명도이다.
도 2a는 도 1의 기본필터뱅크에 적용되는 저역통과필터(LPF) 및 고역통과필터(HPF)의 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 2b는 도 1의 기본필터뱅크에 적용되는 대역저지필터(BRF) 및 대역통과필터(BPF)의 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 도 1의 기본필터뱅크(FB, Fundamental Filter Bank)를 이용하여 전력신호의 고조파를 검출/추적하기 위한 필터뱅크 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 4는 도 3의 필터뱅크시스템의 주파수 특성을 나타낸 설명도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치에 적용되는 적응예측기의 구조를 나타낸 설명도이다.

Claims (6)

  1. 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치에 있어서,
    전력 신호의 고조파를 분해하기 위한 필터뱅크; 및
    상기 필터뱅크에 의해 분해된 각 고조파를 처리하여 시변 고조파의 주파수와 진폭을 검출 및 추적하기 위한 적응예측기를 포함하는 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터뱅크는, 대역저지필터(BRF), 대역통과필터(BPF), 저역통과필터(LPF) 및 고역통과필터(HPF)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 필터뱅크는, 대역저지필터(BRF), 대역통과필터(BPF), 저역통과필터(LPF) 및 고역통과필터(HPF)로 구성된 기본필터뱅크(FB, Fundamental Filter Bank)가 단계적, 연속적으로 적용되어 다수의 고차 고조파에 대한 분해가 가능한 것을 특징으로 하는 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적응예측기는, LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 기반한 적응알고리즘을 이용하여 시변 고조파의 주파수와 진폭을 검출 및 추적하는 것을 특징으로 하는 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치.
  5. 전력신호의 시변고조파 검출/추적 장치에 적용되는 시변고조파 검출/추적 방법에 있어서,
    필터뱅크를 이용하여 전력 신호의 고조파를 분해하는 고조파 분해 단계; 및
    상기 고조파 분해 단계를 통해 분해된 각 고조파를 처리하여 시변 고조파의 주파수와 진폭을 검출 및 추적하기 위한 적응예측 단계를 포함하는 전력신호의 시변고조파 검출/추적 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 적응예측 단계는, LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 기반한 적응알고리즘을 이용하여 시변 고조파의 주파수와 진폭을 검출 및 추적하는 것을 특징으로 하는 전력신호의 시변고조파 검출/추적 방법.
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