KR20220071509A - Awg 기반 광분배 및 결합기와 광가변감쇠기를 이용한 부분방전 측정시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 AWG기반 광분배/결합기와 광가변감쇠기를 이용하여 부분방전을 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 다수의 부분방전 탐지센서가 부분방전을 탐지하면, 각 탐지센서에 연계된 광가변감쇠기에서 상기 부분방전 신호들을 이용하여 부분방전 광신호로 변조한다. 부분방전 광신호로의 변조는 광가변감쇠기의 반사형 전기변색 소자에 의해 이루어진다. 변조된 상이한 파장의 광신호들은 다시 AWG 기반 광결합기(MUX)를 이용해 결합되어 하나의 광섬유로 장거리 전송된다. 전송된 부분방전 광신호들은 AWG기반 광분배기를 내장한 광 검출 모듈에 수신되어 각 광신호로 분리, 신호처리되고 분석 및 진단 받는다.

Description

AWG 기반 광분배 및 결합기와 광가변감쇠기를 이용한 부분방전 측정시스템 및 방법 {Partial discharge measurement system and method using AWG-based MUX/DeMUX and variable optical attenuator}

본 발명은 지중 현장 등에서의 전력 설비 및 계통에서 발생하는 부분방전의 상시 모니터링 및 진단을 위한 다채널 광학모듈, AWG 기반 광분배/결합기, 반사형 광가변감쇠기를 이용한 부분방전 신호전송 및 측정 기술에 관한 것이다.

전력 설비 및 계통에서, 케이블의 열적 한계 때문에 계통 송전용량을 제한적으로 운용하고 있으며 설비를 보호하기 위해서 높은 안전 마진을 적용하고 있다. 부분방전(PD, Partial Discharge)은 국부적으로 발생하는 전기적 방전으로 공기 갭, 내부 또는 절연체 표면에서의 절연체의 결함 때문에 발생하는 것으로 전력설비의 열화 혹은 이상여부를 판단하는 기준이 된다.

전력설비의 진단은 각 기기별 열화 인자를 고려하여 진단방법을 구분해야 하며 케이블 및 접속재, 지상기기 등은 공통적으로 온도와 PD가 고장 인자로 진단 대상이 되고 있다. 따라서 분포화된 전력계통이나 전력케이블 설비의 상시 감시 체계구축을 위해서는 장거리 대용량 광전송 케이블을 적용한 시스템 개발이 필요하다.

광섬유를 이용한 신호전송기술은 수 테라급 이상의 높은 신호전송 대역폭을 갖고 적은 광손실(0.2dB/km @1550nm)로 인해 장거리 전송이 가능하며, 전자기파의 영향을 받지 않는 장점으로 전력계통 및 케이블 진단 및 측정신호 전송에 유리하다. 또한, 파장분할 다중화방식(Wavelength Division Multiplexing)을 적용한 광학필터를 이용하면 기존의 다수의 진단센서 케이블 절감에도 유리한 측면이 있다. 기존의 동축선을 이용한 부분방전 및 전력계통 진단 시스템은 정밀진단을 위한 측정데이터량의 증가로 인한 대역폭의 한계와 측정 설비에서 유입되는 써지전류에 의한 기기손상의 문제점이 있으므로 이를 해결하기 위해서 다수의 부분방전 측정센서를 동시에 하나의 광섬유로 신호전송 가능한 광섬유기반의 파장분할/결합 필터를 내장한 안전진단 시스템 개발이 요구된다.

특허 PCT/KR2015/005468 '디지털 변전소의 지능형 시스템 운영을 위한 에이전트 시스템 및 이의 동작 방법'에 따르면, 변전소가 국제표준 IEC 61850으로 디지털화됨에 따라 이전의 아날로그 변전소와 비교할 수 없는 수많은 정보를 가지고 변전소의 고장복구 등 지능형 시스템을 운용하기 위한 에이전트를 중심으로 필요한 데이터에 대한 정보공유를 자유롭게 수행하고 상위에서 하위로 이루어지는 계층적인 시스템 구성 뿐만 아니라 에이전트 장치가 동등한 위치에서 시스템운영의 주체가 될 수 있는 수평적인 시스템 구성이 가능다. 이 기술에서는 디지털 변전소의 지능형 시스템 운영을 위한 에이전트 시스템 및 이의 동작 방법을 통해, IEC61850 정보 기반 에이전트 장치가 기존의 디지털 변전소의 구성을 유지한 가운데 에이전트 장치라는 정보공유 장치를 IED 또는 운영시스템에 삽입하여 각 장치가 구비한 정보를 요청받은 내용에 따라 자신이 구비한 IED로부터 관련 데이터를 수집 및 정리함으로써 제공 가능하므로, 필요할 경우 IED에 스위치 등의 제어명령을 직접 수행할 수 있는 효과가 있다.

특허 US20160041343A1에서 멀티채널 광 트랜시버는 멀티채널 TOSA(Transmitter Optical Subassembly), 멀티채널 ROSA(Receiver Optical Subassembly), 및 멀티채널에 직접 연결된 듀얼 파이버 유형 직접 링크 어댑터를 포함한다. ROSA, 광섬유. 듀얼 파이버 유형 다이렉트 링크 어댑터는 또한 트랜시버의 광신호 전송을 위해 광섬유를 포함한 광섬유 케이블의 끝에 장착된 LC 커넥터와 같은 플러그 가능한 광 커넥터를 수신하도록 구성한다. 듀얼 파이버 타입 직접 링크 어댑터는 ROSA에 의해 수신되고 TOSA에 의해 송신된 광신호를 위해 송수신기에 광 입력 및 출력을 제공하며 다중 채널 광 트랜시버는 예를 들어 WDM 패시브 광 네트워크(PON)의 광 회선 단말(OLT)에서 파장 분할 다중화(WDM) 광학 시스템에 사용될 수 있다.

특허 US9250404B2는 다채널 광모듈 및 그 제조 방법을 제공한다. 광 모듈은 베이스 블록의 에지 상에 공동을 갖는 베이스 블록부와 상기 베이스 블록의 타측에 배치된 기판에 탑재된 집적회로(IC) 칩과 상기 공동 내에 배치된 플랫폼 상에 형성된다. 상기 플랫폼 내에 배치되고, 상기 전기 접점에 접속되는 광학 디바이스 어레이 블록과 정렬된 복수의 광섬유 코어를 고정하는 광섬유 어레이 블록을 포함하고, 상기 광섬유 어레이 블록은 상기 플랫폼 및 상기 광소자 어레이 블록에 결합되어 상기 공동 내에 고정된다.

기존의 동축선을 이용한 부분방전 및 전력계통 진단 시스템은 정밀진단을 위한 측정데이터 양의 증가로 인한 대역폭의 한계와 측정 설비에서 유입되는 써지전류에 의한 기기손상의 문제점이 있으며, 다수의 부분방전 측정 케이블을 병렬로 사용하여 많은 수의 케이블진단에 어려움이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 AWG기반 광분배/결합기와 광가변감쇠기를 이용하여 부분방전을 측정하는 시스템 및 방법을 제안한다.

본 발명에서 제안하는 부분방전 측정시스템은, 다수의(예를 들어, 4개 채널) 부분방전 탐지센서(예를 들어, HFCT(High Frequency Current Transformer))가 부분방전을 탐지하면, 각 탐지센서에 연계된 광가변감쇠기(variable optical attenuator, VOA)에서 상기 부분방전 신호들을 이용하여 부분방전 광신호로 변조한다.

부분방전 광신호로의 변조는 광가변감쇠기의 반사형 전기변색 소자에 의해 이루어진다. 탐지센서가 탐지한 부분방전 신호를 광신호 변조하기 위해서, 상이한 다수 파장의 광원에서 발생된 상이한 파장의 광은 AWG(Arrayed Waveguide Gratings) 기반 광결합기(MUX)에 의해 결합되어 하나의 광섬유를 통해 상기 광가변감쇠기로 전송되고, 이 수신 광은 다시 AWG 기반 광분배기(DeMUX)에 의해 분리되어 각 채널별로 상기 광가변감쇠기에 입력되어 부분방전 광신호로 변조된다. 이 과정에서 별도의 전원 공급의 필요성이 배제된다.

변조된 상이한 파장의 광신호들은 다시 AWG 기반 광결합기(MUX)를 이용해 결합되어 하나의 광섬유로 장거리 전송된다. 전송된 부분방전 광신호들은 AWG기반 광분배기를 내장한 광 검출 모듈에 수신되어 각 광신호로 분리, 신호처리되고 분석 및 진단 받는다.

별도의 광스위치를 추가하면, 광스위치의 회선 수 N의 배수에 해당하는 수량의 부분방전 센서(HFCT)를 사용할 수 있게 되어 하나의 장비로 다수의 케이블 및 전력계통 진단이 가능해진다.

본 발명에서 제안하는 AWG기반 광결합기/분배기는 실리콘기반의 PLC(Planar Lightwave Circuit) 기술을 이용하여 웨이퍼 스케일로 제작이 가능하기 때문에 저가격의 초소형 모듈로 제작이 용이하다. 또한, HFCT의 광가변감쇠기는 별도의 외부전원 없이, 탐지된 부분방전 신호를 이용하여 광신호의 크기를 변조하여 장거리 신호 전송이 가능한 구조를 제공한다.

본 발명의 구성 및 작용은 이후에 도면과 함께 설명하는 구체적인 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.

1. 저손실 케이블 절감형 부분방전 측정시스템 제작가능

AWG기반의 광결합기/분배기를 이용하여 하나의 광섬유로 다수의 부분방전 측정신호를 동시에 전송 가능하며, 주변 전자기 노이즈에 영향을 받지 않고, 신호 손실 및 신호왜곡 없이 장거리 전송이 가능하다. 기존 광분배/결합 소자로 사용하는 PLC 기반의 광파워 분배기는 7dB 이상 손실이 발생하나, AWG기반 광결합기/분배기는 2dB 이하의 손실이 발생하여 장거리 전송에 유리하다. 실리콘 기반의 PLC 기술을 적용한 웨이퍼 스케일로 광결합기/분배기를 제작하기 때문에 대량생산이 가능하며 저가격화 및 높은 신뢰성을 기대할 수 있다.

2. 별도 전원이 필요 없는 광가변감쇠기 내장 방수형 HFCT 제작 가능

HFCT가 탐지한 부분방전 신호가 광가변감쇠기에서 광신호로 변조되어 외부전원 공급 없이 부분방전 광신호의 전송이 가능해, 별도의 전원장치가 필요 없으므로 방수 구조의 패키지화가 용이하다.

3. 저가형 다채널 광분배/결합 모듈 제작가능

본 발명에서 설계한 광분배모듈을 다채널(예를 들어, 4채널) 광검출기 어레이에 수직으로 접합하여 손쉽게 광분배검출 모듈 제작이 가능하다. 기존의 광분배기는 각각의 광검출기를 하나씩 출력포트에서 광학 정렬해야 하나, 본 발명의 구조는 다채널 광검출기의 간격에 맞춰, 광분배기 출력간격을 조절이 가능한 설계 및 제작이 가능하다. 또한, 채널 확장이 가능한 광스위치를 적용하면, 광분배 검출모듈로 다수의 부분방전 신호(예를 들어 128회선 광스위치를 4개의 부분방전 탐지 모듈에 적용시, 512개의 부분방전 검출 및 처리 가능)를 주기적으로 측정 가능하다.

본 발명은 지중 현장 등에서의 전력 설비 및 계통에 적용가능하다.

도 1은 광가변감쇠기가 적용된 HFCT 구조도
도 2는 본 발명의 시스템 구성도
도 3은 본 발명의 시스템 동작 순서도
도 4는 4채널 AWG기반 광파장결합 송출 모듈의 구성도
도 5는 4채널 AWG기반 광파장분배 검출 모듈의 구성도
도 6은 4채널 AWG기반 CWDM 광결합/분배기 투과스펙트럼

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 이하 첨부된 도면과 함께 상세하게 기술된 바람직한 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에 기술된 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 다른 형태로 구현될 수 있다. 실시예는 단지 본 발명을 완전하게 개시하며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명은 청구항의 기재 내용에 의해 정의되는 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한 명세서에 사용된 '포함한다(comprise, comprising 등)'라는 용어는 언급된 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용된 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 실시예의 설명에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1a는 본 발명에 이용되는 광가변감쇠기(variable optical attenuator, VOA)가 적용된 고주파 전류 트랜스포머 HFCT(High Frequency Current Transformer)의 구조도이고 도 1b는 이를 이용한 부분방전(PD) 측정의 원리를 나타낸다.

HFCT(10)에 광섬유(14) 포함 광가변감쇠기(12)가 결합된다. 여기서 광가변감쇠기(12)는 전기변색소자(electrochromic device)를 사용한 반사형이다. 그 원리는 도 1b에서와 같이 전력케이블(16)의 둘레에 설치된 HFCT(10)가 전력케이블(16)에서 발생한 부분방전(PD)을 탐지하면 이 부분방전 신호(PD signal)(15)는 광가변감쇠기(12)에서, 외부 전원 공급 없이, 광섬유(14)와 렌즈(18)를 통해 반사형 광가변감쇠기(12)의 전기변색소자(13)에 입사된 광원에 의해 부분방전 광신호(19)로 변조되어 광섬유(14)를 통해 출력된다.

도 2a는 본 발명에서 제안하는 시스템의 일 실시예의 구성도이다.

먼저, 부분방전 탐지 모듈(15)에 대해 간략하게 설명한다. 부분방전 탐지 모듈(15)은 4채널의 광가변감쇠기(VOA)(12)가 적용된 HFCT(10) #1, #2, #3, #4와, AWG 기반 광분배(DeMUX) 및 결합기(MUX)(28)로 구성된다. 상기 AWG 기반 광분배 및 결합기(28)는 하나의 광섬유를 통해 수신한 광(레이저 다이오드 광원으로부터 송출된 광)을 분리하여 원래의 4개 파장의 광으로 분배하고, 상기 광가변감쇠기(VOA)(12)는 각 HFCT(10)에서 탐지된 부분방전 신호에 따라 상기 수신/분배된 각 파장의 광을 변조하여 4개의 광신호를 만든다. 다시 상기 AWG 기반 광분배 및 결합기(28)는 이들 4개의 광신호를 하나로 결합하여 출력한다.

구체적으로 전체 시스템을 설명한다. 4개의 서로 다른 파장 광을 발생하는 4채널 레이저 다이오드(20)의 4파장 광은 AWG기반 광파장결합 송출 모듈(22)에서 송출되어 써큘레이터(26)를 통해 하나의 광섬유(32)로 동시에 출사된다.

광섬유(32)를 통해 전송된 송출 광은 부분방전 탐지 모듈(15)에 의해 수신되어 AWG기반 광분배/결합기(28)에서 분리되어 4채널의 광가변감쇠기(VOA)(12)가 적용된 HFCT(10) #1, #2, #3, #4에 분배된다. 부분방전 탐지 모듈(15)의 각 광가변감쇠기(VOA)(12)는 각 HFCT(10)에서 탐지된 부분방전 신호에 따라 상기 4파장 광을 변조하여 부분방전 광신호를 만든다. 변조된 광신호(30)들은 다시 AWG기반 광분배 및 결합기(28)에서 하나의 광신호로 결합되어 하나의 광섬유(32)로 전송되어, 써큘레이터(26)를 통해 4채널 광파장분배 검출 모듈(34)에 의해 수신된다.

하나의 광섬유(32)로 전송받은 부분방전 광신호(30)는 광파장분배 검출 모듈(34) 내의 AWG기반 광분배기(35)에서 전술한 4채널의 광신호로 분배되고 각 채널별로 광전 변환되어 DAQ(Data Acquisition) 보드(36)를 통해 데이터 분석 모듈(38)로 전달된다. 데이터 분석 모듈(38)은 수신한 광신호를 사용자 프로그램(미도시)을 통해 분석 및 처리하여 진단하고 결과를 표시한다.

이와 같이 구성된 시스템에서, 상시적으로 전력계통이나 케이블의 건전성 확보를 위한 부분방전 측정이 용이하다. 또한 별도의 전원없이 HFCT의 출력(부분방전 신호)만으로 VOA(12)가 광신호를 변조할 수 있어 시스템을 비교적 간단하게 제작 가능하다. 또한, 저가의 AWG기반의 광결합/분배기를 활용하여 하나의 광섬유로 다수의 부분방전 측정데이터를 신호 손실 및 왜곡 없이 장거리 전송이 가능하며, 광섬유 특성상, HFCT로부터 유입되는 써지전류의 차단이 가능하여 측정 장비의 보호도 가능하다.

도 2a의 시스템은 1회선당 4채널의 부분방전 신호를 동시에 하나의 광섬유 케이블로 전송 가능한 실시 형태인데, 도 2b와 같이 광스위치(40)를 광파장분배 검출 모듈(34) 앞단에 설치하면 광스위치(40)의 회선수 N의 배수만큼 부분방전 탐지 모듈(15)의 확장이 가능하다. 광스위치(40)의 회선선택을 위한 제어신호(42)는 데이터 분석 모듈(38)에 의해 제어될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이를 위해 사용자는 광스위치 제어신호(42)를 데이터 분석모듈(38)의 프로그램에서 설정할 수 있다.

도 3은 상술한 시스템의 동작의 이해를 돕기 위한 동작 순서를 나타내는 것으로, 특히 도 2b의 시스템에 대한 동작 순서도이다.

상이한 다수(예를 들어, 4개 채널) 파장의 광원이 광을 발생하면(100), AWG 기반의 4×1 광파장 광결합기(MUX)에서 4파장의 광이 하나의 송출 광으로 결합되어(110) 써큘레이터(120)로 전달된다. 송출 광은 N회선 선택형(N×1) 광스위치에서 회선별로 선택되어(130) 하나의 광섬유를 통해 전송되어 각 회선의 AWG 기반 1×4 광파장 분배 모듈에 전달되고 4개 파장의 광으로 분배(분리)된다(140). 분배된 각 파장의 광은 4개 채널의 VOA 내장 HFCT에 각각 인가되어 채널별로 광변조되어 부분방전 광신호가 만들어져(150) 다시 AWG 기반 4×1 광결합기(MUX)를 이용해 하나로 결합되어 하나의 광섬유로 전송된다(160). 전송된 부분방전 광신호는 N×1 광스위치에서 회선 선택되고(170) 써큘레이터를 거쳐(180) AWG기반 1×4 광분배기에서 다시 채널별로 분배되어(190) 데이터 분석모듈에서 신호처리, 분석, 및 진단된다(200).

도 4는 4채널 AWG기반 광파장결합 송출 모듈(22)의 구성도이다. 출력포트(44)를 단일모드 광섬유 접속단자가 체결될 수 있는 구조로 설계하였으며, 좌측의 렌즈(46)는 출력포트(44)에 광을 광손실 없이 집속하기 위해 사용된다. 4개의 서로 다른 파장을 가지는 광원 소자(LD, laser diode)(20)는 4개 렌즈의 어레이(48)를 통해 4채널 AWG기반 광결합기(multiplexer)(50)에 광을 입사하고 광결합기(50)에서 하나의 광출력으로 4개 파장 광들이 결합되어 광섬유(24)를 통해 송출된다.

도 5는 4채널 AWG기반 광파장분배 검출 모듈(34)의 구성도이다. 입력포트(52)를 단일모드 광섬유 접속단자(SMF receptacle)가 체결될 수 있는 구조로 설계하였으며, 첫 번째 렌즈(54)는 AWG기반 광분배기(demultiplexer)(35)의 입력포트에 부분방전 광신호를 광손실 없이 집속하기 위해 사용되고, AWG기반 광분배기(35)에서 분리된 각 파장의 광신호들은 4채널 렌즈어레이(56)를 통해 4개의 광검출기(PD, photo detector)(58)에서 광전 변환되어 부분방전 신호가 취득된다.

AWG 기반 광분배기(35)는 넓이×길이가 0.5㎝×1.5㎝ 이내로 제작이 가능하기 때문에 원형의 TO-can 형태나 사각 플랫 패키지를 적용하여 소형광학모듈로 제작할 수 있다.

이상의 도 4와 도 5에서 설명한 AWG기반 광결합기(50)와 AWG기반 광분배기(35)는 도 2a의 부분방전 탐지 모듈(15) 내의 AWG 기반 광분배 및 결합기(28)의 구성을 위한 기초 요소가 된다.

도 6은 본 발명에서 설계한 AWG기반 광결합기 및 광분배기의 광투과 특성을 나타낸다. 1270nm, 1290nm, 1310nm, 1330nm의 4개 CWDM 파장은 AWG기반 광결합기 칩에서 하나의 광파로로 혼합 광이 된다. AWG기반 광분배기의 CWDM 중심파장에서 최대 광손실은 2dB이며, 3dB bandwidth는 16nm 이상으로 측정되었다. 인접누화(Adjacent crosstalk)는 26dB 이상이었는바, 4개의 광신호로 변환된 HFCT 측정데이터는 AWG기반 광분배기에서 인접파장간의 간섭 없이 분리가 가능함을 확인하였다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다. 또한 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술한 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (1)

1. 상이한 파장의 광을 발생하는 레이저 다이오드(20)의 광을 하나의 광섬유(32)로 송출하는 AWG기반 광파장결합 송출 모듈(22);
   광가변감쇠기(VOA)(12)가 연결된 부분방전 탐지 센서(10)와, AWG 기반 광분배(DeMUX) 및 결합기(MUX)(28)로 구성된 부분방전 탐지 모듈(15);
   상기 부분방전 탐지 모듈(15)로부터 하나의 광섬유(32)로 전송받은 부분방전 광신호(30)를 수신하여 상이한 파장의 광신호로 분배하여 부분방전 신호를 검출하는 광파장분배 검출 모듈(34); 및
   상기 검출된 부분방전 신호를 분석 및 처리하여 진단하고 결과를 표시하는 데이터 분석 모듈(38)을 포함하는, AWG기반 광분배 및 결합기와 광가변감쇠기를 이용한 부분방전 측정시스템.

Images