KR20170053304A - 변압기 이상 감지를 위한 음향 스펙트럼 감지기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 변압기 이상 감지를 위한 음향 스펙트럼 감지기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변압기에서 발생되는 음향의 감지 신호를 수신하고 상기 감지 신호의 스펙트럼을 분석하여 스펙트럼 분류 정보를 생성하는 스펙트럼 분류부; 상기 스펙트럼 신호를 누적하여 저장하는 스펙트럼 신호 누적 저장부; 및 상기 스펙트럼 신호 누적 저장부에 저장된 스펙트럼 신호 중 기 설정된 시간 전의 스펙트럼 신호와 최근 저장된 스펙트럼 신호를 비교하여 비교 정보를 생성하는 스펙트럼 레벨 비교부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기 이상 감지를 위한 음향 스펙트럼 감지기에 관한 것으로, 변압기에서 발생하는 음향을 실시간으로 감지하여 변압기의 이상 유무를 조기에 발견할 수 있는 효과가 있다.

Description

변압기 이상 감지를 위한 음향 스펙트럼 감지기{Sound spectrum sensor for abnormal state detection of transformer}
본 발명은 변압기 이상 감지를 위한 음향 스펙트럼 감지기에 관한 것이다.
본 발명은 전력산업을 위한 발전소, 변전소 또는 대규모 공장에 설치되는 대용량 변압기의 이상 유무를 감지하여 사고의 예방 및 방지를 위한 변압기 이상 감지를 위한 음향 스펙트럼 감지기에 관한 것이다.
변압기는 전력기기의 중요한 설비이며 대용량인 경우 가격이 매우 높아서 변압기의 유지관리에 있어서 고도의 기술이 적용되어야 한다.
특히 발전소 및 변전소에 설치 운영되는 변압기는 공공전력공급 품질에 많은 영향을 주므로 항상 특별한 유지관리가 필요하다.
변압기는 60Hz 교류전기의 대용량 전력을 변환하는 과정에서 발생되는 열을 포함하여 교류주파수에 의한 진동 음향과 60Hz의 저조파 및 고조파 등 많은 음향이 발생한다.
변압기에서 발생되는 음향은 사용전력 부하량에 따라 다소 변화된다. 따라서 변압기가 구조물의 볼트 풀림, 특이한 진동 등 비정상 상태에 있는 경우 변압기에서 발생하는 음향 스펙트럼을 정상시와 비교하면 변압기의 고장 전조 증상을 찾을 수 있다.
본 발명과 관련된 선행문헌으로 한국등록특허 제10-0476982호가 있다. 이 발명은 열전쌍 온도센서 및 커패시터 센서 등으로 변압기의 각종 정보를 검출하여 변압기의 이상상태를 조기 발견하기 위한 기술에 관한 것이다.
본 발명은 변압기에서 발생하는 음향을 실시간으로 감지하여 변압기의 이상 유무를 조기에 발견할 수 있는 변압기 이상 감지를 위한 음향 스펙트럼 감지기을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 변압기에서 발생되는 음향의 감지 신호를 수신하고 상기 감지 신호의 스펙트럼을 분석하여 스펙트럼 분류 정보를 생성하는 스펙트럼 분류부; 상기 스펙트럼 신호를 누적하여 저장하는 스펙트럼 신호 누적 저장부; 및 상기 스펙트럼 신호 누적 저장부에 저장된 스펙트럼 신호 중 기 설정된 시간 전의 스펙트럼 신호와 최근 저장된 스펙트럼 신호를 비교하여 비교 정보를 생성하는 스펙트럼 레벨 비교부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 변압기 이상 감지를 위한 음향 스펙트럼 감지기를 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 스펙트럼 레벨 비교부는 비교 정보로부터 스펙트럼의 레벨 차이가 기준치를 초과하는 지 여부를 판단하고, 상기 기준치 초과시 경보 정보를 생성하고, 상기 경보 정보는 상기 분석 정보에 포함되는 것을 특징으로 하는 변압기 이상 감지를 위한 음향 스펙트럼 감지기를 제공할 수 있다.
본 발명은 변압기에서 발생하는 음향을 실시간으로 감지하여 변압기의 이상 유무를 조기에 발견할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 변압기 이상 감지를 위한 음향 스펙트럼 감지기를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 변압기 이상 감지를 위한 음향 스펙트럼 감지기의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 음향 스펙트럼 감지기의 변압기 이상 감지 방법을 나타낸 도면이다.
도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 음향 스펙트럼 분석 단계의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 추출된 스펙트럼 파형을 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 변압기 이상 감지를 위한 음향 스펙트럼 감지기(200)를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 변압기 이상 감지를 위한 음향 스펙트럼 감지기(200)는 마이크(100) 및 중앙 감시 컴퓨터(300)와 연결되어 있다.
마이크(100)는 음향 스펙트럼 감지기(200)와 연결되어 있고 비교적 변압기(400) 외부면 중 비교적 변압기(400) 내부에서 발생되는 음향을 잘 감지할 수 있는 위치에 취부한다.
마이크(100)는 가청 주파수인 16 Hz 내지 20,000 Hz 뿐만 아니라 1 Hz부터 50,000 Hz 대역의 주파수의 음향을 감지하여 감지 신호를 생성하고, 음향 스펙트럼 감지기(200)에 전달한다.
마이크(100)와 음향 스펙트럼 감지기(200)는 케이블로 연결될 수 있으며, 연결 케이블은 주변의 전파로 인한 유도 잡음을 차단하도록 쉴드 차폐 케이블을 사용할 수 있다.
음향 스펙트럼 감지기(200)는 마이크(100)와 연결되어 있고, 중앙 감시 컴퓨터(300)와 유/무선 네트워크로 연결되어 있다.
음향 스펙트럼 감지기(200)는 마이크(100)로부터 감지 신호를 수신하고 감지 신호의 스펙트럼을 분석하여 분석 정보를 생성한다.
분석 정보는 후술할 스펙트럼 분류 정보, 비교 정보 및 경보 정보를 포함한다.
음향 스펙트럼 감지기(200)는 감지 신호 및 분석 정보 중 적어도 어느 하나 이상을 중앙 감시 컴퓨터(300)에 송신한다.
중앙 감시 컴퓨터(300)는 음향 스펙트럼 감지기(200)와 유/무선 네트워크로 연결되어 있다. 중앙 감시 컴퓨터(300)에는 복수의 음향 스펙트럼 감지기(200)가 유/무선 네트워크로 연결되어 각 변압기의 이상 유무를 모니터링 할 수 있다. 무선 네트워크로는 근거리 무선망(Wi-Fi, Wireless Fidelity)을 사용할 수 있다.
중앙 감시 컴퓨터(300)는 음향 스펙트럼 감지기(200)에 제어명령을 송신하여 음향 스펙트럼 감지기(200)에서 설정할 수 있는 음향 신호를 저장하는 주기, 짧은 시간 내 발생되는 순간발생 신호를 제거하는 조건, 경보를 발생하는 조건 및 마이크의 감지 신호를 수신하는 감도 등을 변경할 수 있다.
중앙 감시 컴퓨터(300)는 음향 스펙트럼 감지기(200)로부터 수신한 스펙트럼 분류 정보를 디스플레이부에 표시할 수 있고, 감지 신호를 수신하여 특정 변압기에서 발생하는 소리를 마이크를 통하여 재현할 수 있고, 비교 정보 및 경보 정보를 시각적으로 표시하거나 경보 정보에 상응하는 청각적인 경보를 발생시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 음향 스펙트럼 감지기(200)의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 음향 스펙트럼 감지기(200)는 아날로그/디지털 신호 변환부(210), 스트림 변환부(212), 스펙트럼 분류부(220), 순간발생 신호 제거부(224), 저장시간 간격 조절부(226), 스펙트럼 신호 누적 저장부(228), 스펙트럼 레벨 비교부(230), 시각표시부(232), 통신 프로토콜 변환부(240), 디지털 통신부(250), 처리 설정부(260), 제어부(270) 및 전원부(280)를 포함한다.
아날로그/디지털 신호 변환부(210)는 마이크(100)로부터 수신한 아날로그 형식의 감지 신호를 샘플링 및 양자화 처리를 통하여 디지털 형식의 감지 신호로 변환한다.
아날로그/디지털 신호 변환부(210)는 변환된 감지 신호를 스펙트럼 분류부(220) 및 스트림 변환부(212)로 송신한다.
스트림 변환부(212)는 디지털로 변환된 감지 신호를 다시 스트림(stream) 형태로 변환하여 디지털 통신부(250)에 전달한다. 이에 따라, 감지 신호는 실시간으로 중앙 감시 컴퓨터(300)에 전달될 수 있다. 중앙 감시 컴퓨터(300)는 감지 신호를 수신하여 실시간으로 변압기에서 발생하는 음향을 재현할 수 있다.
스펙트럼 분류부(220)는 처리 설정부(260)를 통하여 미리 설정된 감지 주파수 범위(Range) 및 분석 주파수 대역폭(Bandwith) 내에서 입력된 감지 신호를 주파수 별로 분류한 스펙트럼 분류 정보를 생성한다.
스펙트럼 분류부(220)는 생성된 스펙트럼 분류 정보를 순간발생 신호 제거부(224) 및 디지털 통신부(250)로 전달한다. 스펙트럼 분류부(220)는 연결선(222) 및 디지털 통신부(250)를 통하여 중앙 감시 컴퓨터(300)에 스펙트럼 분류 정보를 전달할 수 있다. 디지털 통신부(250)는 스펙트럼 분류 정보를 중앙 감시 컴퓨터(300)로 전달하고, 중앙 감시 컴퓨터(300)는 스펙트럼 분류 정보를 저장하거나 직접 분석할 수 있다.
순간발생 신호 제거부(224)는 짧은 시간 내 발생되는 순간발생 신호를 제거한다. 짧은 시간 내 발생되는 순간발생 신호란 예를 들어, 변압기 내부 또는 외부주변에서 발생되는 단기성 소음 및 잡음을 의미한다. 순간발생 신호 제거부(224)는 이와 같은 신호를 제거하여 단기성 소음이나 잡음으로 인하여 분석에 오차가 발생하는 것을 최소화한다.
순간발생 신호 제거부(224)가 신호를 제거하는 조건은 처리 설정부(260)를 통하여 설정할 수 있다. 처리 설정부(260)는 사용자가 미리 설정한 일정 시간 이내의 일정 레벨 이상의 신호는 제거하고, 일정 시간 이상, 일정 레벨 이상의 신호만을 선별하기 위하여 신호처리 지연 역할을 한다.
순간발생 신호 제거부(224)는 선별된 신호를 저장시간 간격 조절부(226)에 전달한다.
저장시간 간격 조절부(226)는 스펙트럼 분류 정보를 저장하는 주기를 조절한다. 스펙트럼 분류 정보를 저장하는 주기는 처리 설정부(260)를 통하여 설정할 수 있다.
사용자는 처리 설정부(260)를 통하여 저장 주기뿐만 아니라 저장 기간을 설정할 수도 있다. 저장시간 간격 조절부(226)는 사용자가 원하는 기간동안 스펙트럼 분류 정보를 저장할 수 있도록 저장 시간 간격을 조절할 수 있다. 이때, 저장시간 간격 조절부(226)는 스펙트럼 신호 누적 저장부(228)의 저장 용량을 고려하여 저장 시간 간격을 설정할 수 있다.
스펙트럼 신호 누적 저장부(228)는 스펙트럼 분류 정보를 순차적으로 저장한다. 스펙트럼 신호 누적 저장부(228)는 스펙트럼 분류 정보를 내부 클럭에 의한 저장시간과 함께 기록하고, 용량 초과 시 저장기간이 가장 오래된 데이터부터 삭제하는 FIFO(First In First Out) 방식으로 스펙트럼 분류 정보를 저장한다.
스펙트럼 레벨 비교부(230)는 사용자가 설정할 수 있는 기준에 따라 스펙트럼 분류 정보를 비교한다. 스펙트럼 레벨 비교부(230)는 분류된 각각의 스펙트럼 정보로부터 스펙트럼 파형을 추출할 수 있고, 도 5와 같이 1시간 전, 1일 전 또는 1개월 전의 스펙트럼 파형(231)과 최근 스펙트럼 파형(232)을 비교한 정보를 포함하는 비교 정보를 생성할 수 있다. 비교 정보는 스펙트럼 파형의 표시, 스펙트럼 파형의 레벨 차이 등을 포함할 수 있다. 최근 스펙트럼 파형(232)과 비교되는 파형은 사용자가 설정할 수 있다. 사용자는 실시예와 같이 일정 시간 전의 파형을 비교 대상으로 할 수도 있고, 정상 상태에 가까운 일정 파형을 비교 파형으로 설정할 수도 있다. 이러한 비교 기준은 처리 설정부(260)를 통하여 또는 중앙 감시 컴퓨터(300)의 처리 설정부(260)에 대한 설정 명령을 통하여 설정할 수 있다.
스펙트럼 레벨 비교부(230)는 비교 정보를 통신 프로토콜 변환부(240) 및 디지털 통신부(250)를 통하여 중앙 감시 컴퓨터(300)에 전달한다.
스펙트럼 레벨 비교부(230)는 스펙트럼 분류 정보 분석 시 스펙트럼 파형의 레벨 차이가 기준치를 초과할 경우 경보 정보를 생성하고 통신 프로토콜 변환부(240) 및 디지털 통신부(250)를 통하여 중앙 감시 컴퓨터(300)에 전달한다. 기준치는 변압기의 고장 위험 수준 등의 기준에 따라 처리 설정부(260)를 통하여 설정할 수 있다.
스펙트럼 레벨 비교부(230)는 스펙트럼 분류 정보 분석 시 스펙트럼 파형의 레벨 차이가 기준치를 초과할 경우 음향 스펙트럼 감지기(200)에 결합될 수 있는 디스플레이부, 스피커 또는 시각표시부(232)를 통하여 자체적으로 경보를 표시할 수 있다.
시각표시부(232)는 적색 LED 램프 등을 통하여 경보를 표시한다. 위험 신호는 변압기 근처 현장에 있는 사용자에게 전달될 수 있다.
통신 프로토콜 변환부(240)는 스펙트럼 레벨 비교부(230)로부터 전달받은 비교 정보 및 경보 정보를 설정된 통신 프로토콜에 따라 변환한다. 통신 프로토콜은 Modbus, DNP3, IEC61850 중 어느 하나로 설정될 수 있으며, 중앙 감시 컴퓨터(300)의 프로토콜에 맞추어 선택될 수 있다.
통신 프로토콜 변환부(240)는 통신 프토토콜로 정보 형식을 변환하여 디지털 통신부(250)에 전달한다.
디지털 통신부(250)는 스펙트럼 분류 정보, 비교 정보 및 경보 정보를 포함하는 분석 정보를 중앙 감시 컴퓨터(300)에 송신한다.
처리 설정부(260)는 순간발생 신호 제거 조건, 저장 시간 제어 조건, 스펙트럼 신호 누적 저장 주기, 기간 및 스펙트럼 레벨 비교 시 기준치 등을 설정할 수 있다. 처리 설정부(260)는 자체적으로 설정이 가능할 수 있고, 중앙 감시 컴퓨터(300)에 설정 명령에 따라 상기 조건들을 설정할 수도 있다.
제어부(270)는 음향 스펙트럼 감지기(200)의 내부 구성요소들을 제어한다.
전원부(280)는 음향 스펙트럼 감지기(200)가 동작할 수 있는 전력을 공급한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 음향 스펙트럼 감지기(200)의 변압기 이상 감지 방법을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, S300단계에서 변압기 이상 감지 시스템은 처리 조건을 설정한다.
처리 조건의 설정은 처리 설정부(260) 또는 중앙 감시 컴퓨터(300)를 통하여 처리 조건을 설정하는 것으로 구체적인 내용은 상술한 바와 같다.
S310단계에서 마이크(100)는 감지 신호를 수신한다.
S315단계에서 음향 스펙트럼 감지기(200)는 음향 스펙트럼을 분석한다.
S325단계에서 음향 스펙트럼 감지기(200)는 감지 정보 및 분석 정보 중 적어도 어느 하나 이상을 중앙 감시 컴퓨터(300)에 송신한다.
송신된 정보를 이용하여 중앙 감시 컴퓨터(300)는 실시간으로 변압기의 이상 유무를 모니터링 할 수 있다.
도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 음향 스펙트럼 분석 단계의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 3의 S315단계는 S320내지 S390 단계를 포함한다. 처리 조건 설정 단계(S300)는 S340단계와 S350단계 사이 또는 S370단계와 S380단계 사이 또는 S310단계 전에 수행되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4를 참조하면, S320단계에서 음향 스펙트럼 감지기(200)는 아날로그 감지 신호를 디지털 감지 신호로 변환한다. 신호 변환 후 S322단계 및 S330단계로 동시에 진행한다.
S322단계에서 음향 스펙트럼 감지기(200)는 디지털 감지 신호를 스트림 변환하여 중앙 감시 컴퓨터(300)에 송신한다.
S330단계에서 음향 스펙트럼 감지기(200)는 감지 신호의 스펙트럼을 분류한다.
S340단계에서 음향 스펙트럼 감지기(200)는 순간발생 신호를 제거한다.
S350단계에서 음향 스펙트럼 감지기(200)는 분석 정보의 저장 시간을 제어한다.
S360단계에서 음향 스펙트럼 감지기(200)는 스펙트럼 분류 정보를 누적하여 저장한다.
S370단계에서 음향 스펙트럼 감지기(200)는 비교 정보를 생성하고 S372단계와 S380단계로 동시에 진행한다.
S372단계에서 음향 스펙트럼 감지기(200)는 비교 정보를 이용하여 스펙트럼 파형의 레벨 차이가 기준치를 초과하는 지 여부를 판단한다. 스펙트럼 파형의 레벨 차이가 기준치를 초과하는 경우 S374단계로 진행하고, 아닌 경우 S380단계로 진행한다.
S374단계에서 음향 스펙트럼 감지기(200)는 자체적으로 경보를 표시한다.
S376단계에서 음향 스펙트럼 감지기(200)는 경보 정보를 생성한다.
S380단계에서 음향 스펙트럼 감지기(200)는 분석 정보에 대한 통신 프로토콜 변환을 실시한다.
S390단계에서 음향 스펙트럼 감지기(200)는 상기 프로토콜 변환에 의하여 변환된 데이터를 중앙 감시 컴퓨터(300)에 송신한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
100: 마이크
200: 음향 스펙트럼 감지기
300: 중앙 감시 컴퓨터
400: 변압기

Claims (2)

  1. 변압기에서 발생되는 음향의 감지 신호를 수신하고 상기 감지 신호의 스펙트럼을 분석하여 스펙트럼 분류 정보를 생성하는 스펙트럼 분류부;
    상기 스펙트럼 신호를 누적하여 저장하는 스펙트럼 신호 누적 저장부; 및
    상기 스펙트럼 신호 누적 저장부에 저장된 스펙트럼 신호 중 기 설정된 시간 전의 스펙트럼 신호와 최근 저장된 스펙트럼 신호를 비교하여 비교 정보를 생성하는 스펙트럼 레벨 비교부;를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 변압기 이상 감지를 위한 음향 스펙트럼 감지기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스펙트럼 레벨 비교부는 비교 정보로부터 스펙트럼의 레벨 차이가 기준치를 초과하는 지 여부를 판단하고,
    상기 기준치 초과시 경보 정보를 생성하고,
    상기 경보 정보는 상기 분석 정보에 포함되는 것
    을 특징으로 하는 변압기 이상 감지를 위한 음향 스펙트럼 감지기.
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