KR20230070919A - 마그네토 레지스터 기반 전류 변환기를 활용한 미세 전류 온라인 감시 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 전류 변환기는 철심과 코일로 만들어진 전류변환기(CT)가 아닌 마그네토 레지스티브 기반의 소재를 활용하여 전류를 측정하는 것으로 전류가 흐르는 모선에서 발생되는 자기장의 변환에 비례하여 저항이 변환되는 소자와 그 원리를 활용하여 철심과 코일이 없는 전류 변환기(CT)를 사용하여 mA 이하의 미세 전류를 정밀 측정하여 실시간 성분 분석을 통해 설비의 이상 유무를 On line으로 감시가 가능한 미세전류 측정, 분석장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

마그네토 레지스터 기반 전류 변환기를 활용한 미세 전류 온라인 감시 시스템{Microcurrent online monitoring system using magneto register-based current transducers}

본 발명의 전류 변환기는 철심과 코일로 만들어진 전류변환기(CT)가 아닌 마그네토 레지스티브 기반의 소재를 활용하여 전류를 측정하는 것으로 전류가 흐르는 모선에서 발생되는 자기장의 변환에 비례하여 저항이 변환되는 소자와 그 원리를 활용하여 철심과 코일이 없는 전류 변환기(CT)를 사용하여 mA 이하의 미세 전류를 정밀 측정하여 실시간 성분 분석을 통해 설비의 이상 유무를 On line으로 감시가 가능한 미세전류 측정, 분석장치 및 방법에 관한 것이다.

전기를 사용하는 설비에서 전력선에 흐르는 전류를 측정하는 방식은 전통적으로 철심에 코일을 감아서 모선의 전류를 코일의 턴수에 반비례하여 작은 전류로 변환하는 변류기(CT, Current transformer)를 사용하고 있다. 이러한 CT는 수천 ~ 수만 암페아(A) 대전류(大電流)가 흐를 때 포화하지 않고 전류 변환에 적합하도록 되어 있어 주로 보호 계전기의 고장 검출에 사용된다. 물론 전기 계량을 위한 용도로 사용하기도 하지만 철심과 코일을 사용하여 변류기를 제작하므로 비싸기도 하며 크기가 크고 무겁다. 더군다나 밀리암페아(mA)이하 단위의 작은 전류를 변환하기엔 철심의 여자 특성으로 인해 변환오차가 커서 정밀급을 제작하려면 크고 비용이 많이 드는 단점이 있다.

또한, 접지선, 절연애자 등에 흐르는 미세 누설전류는 그 크기가 μA ~ 수mA로 아주 작아 기존의 철심과 코일을 이용한 CT로는 정밀하게 측정이 어려우며, 측정한다 해도 오차가 너무 커서 유효한 data로 활용하기가 어렵다. 통상적으로 미세 누설전류가 흐르는 애자류나 피뢰기에 대한 누설전류 측정은 특수 장비를 이용하여 특정한 시험을 통하여 진단되기 때문에 만약 이러한 미세 누설전류를 실시간 측정하고 성분 분석을 통해 설비의 이상 유무를 실시간 진단할 수 있도록 온라인을 통해 감시, 기록, 추세를 볼 수 있다면 획기적인 일이 아닐 수 없다.

또한, 상기의 미세고장을 검출하기 위하여 마그네토 레지스터 기반의 전류센서를 사용하는데 마그네토 레지스터는 모선에 흐르는 전류의 자기장 내에 설치하여 자기장이 변함에 따라 전기저항이 변화하는 특성을 기반으로 주로 자기디스크와 같은 데이터 저장기술에 마그네토 레지스턴스 현상을 이용하여 판독하는데 사용되어 왔으며 자장 분해능이 홀소자보다 우수하기 때문에 각종 자기센서에 응용되어 왔다.

대한민국 공개특허 제10-2011-0115774호는 자이언트 마그네토 임피던스 특성이 향상된 마그네토 레지스턴스 소자의 제조방법 및 이에 따라 제조 되는 마그네토 레지스턴스 소자에 관한 것으로 강자성체에 이온을 조사하는 간단한 공정을 이용하여 제조하여, 자기 감응성과 마그네토 임피던스 특성이 향상되므로, 고감도 정보기 록매체의 자기헤드 및 미세자장 탐지용 자기센서 등에 유용하게 이용할 수 있도록 응용하고 있으며, 일본 아이치 세이코우사에서는 마그네토 임피던스 소자 및 마그네토 임피던스 센서를 응용하여 외부로부터 작용하는 자계에 의해 전자기 특성이 변화하는 기술을 주로 응용하는 기술을 개발해왔었다.

그러나, 마그네토 레지스터 기반의 전류센서가 전류를 측정하여 유효한 값으로 추정하기 위해서는 다양한 신호 처리 과정을 가져야 하며 노이즈에 대한 처리가 중요하며 노이즈는 최대 측정 가능 전류 값이 증가할수록 증가하지만 Hall sensor 기반 전류센서의 경우 노이즈 값이 최대 측정가능 전류 값의 약 1 ~ 3% 정도로 크기때문에 전류를 많이 소비하는 기기와 조금만 사용하는 기기를 동시에 추적 및 측정하여 분석하거나 전류를 많이 사용하는 기기의 아주 미세한 전류 변화를 측정하기가 매우 어려워지고, 결과적으로 머신 러닝을 사용한 기기의 모니터링 및 예측이 불가능해지는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2011-0115774호(공개일 2011년 10월 24일) 대한민국 등록특허공보 제10-1492825호(등록일 2015년 2월 6일)

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 마그네토 레지스티브 기반 전류 변환기(이하 전류센서라고 한다)를 사용하여 미세 전류를 측정하여 온라인을 통한 원격감시와 실시간 진단, 변화 추세를 감시하기 위한 장치와 실시간 진단하는 방법에 관한 것이다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론 할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면 전기설비에 흐르는 미세 누설전류를 실시간 측정하여 그 값의 크기 및 성분을 온라인으로 감시하기 위해 손가락에 끼는 반지와 같은 형태로 제작된 마그네토 레지스티브 소자를 기반한 전류센서를 이용하여 한 면이 열릴 수 있는 구조로 형성하고 전력선에 설치할 경우 전선을 분리하여 전류센서를 끼우지 않고 전류센서의 한쪽 면을 열어서 전선에 설치할 수 있는 비침해형 구조로 구성되며 수십 또는 수백밀리미터 크기와 수십밀리미터의 높이의 원통형 구조로서 전류센서로부터 전류신호를 수신하여 신호를 처리하는 신호처리부(마이크로 콘트롤러)로 구성된다.

본 발명에서는 마그네토 레지스티브 기반 전류 변환기(전류센서)를 사용하여 미세 전류를 측정함으로서 온라인을 통한 원격감시와 실시간 진단, 변화 추세를 감시할 수 있음으로 일반적으로 사용되는 철심과 코일을 사용하여 전류를 변환시키는 변류기(CT)와 다르게 크기가 적고 가벼우며 변환오차가 작아 정밀진단이 가능할 뿐만 아니라 제작시 비용이 절감되는 효과가 있다.

도 1. 마그네토 레지스티브 기반 전류 변환기(전류센서)의 측정 모식도
도 2. 본 발명의 전체 시스템 구성도
도 3. 본 발명의 신호대 잡음(SNR)비를 나타내는 주파수 개념도
도 4. 본 발명에 사용되는 전류센서의 기능 블록다이아그램
도 5. 본 발명에 사용되는 전류센서 모듈의 개념도

이하 본 발명에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명에 사용되는 전류센서인 마그네토 레지스터 기반 전류 센서는 자기장에 노출 시 저항 값이 변하는 원리와 물질을 기반으로 하며, anisotropic magneto-resistive (AMR), giant magneto-resistive (GMR), tunnel magneto-resistive (TMR) 방식 으로 구별되며, 마그네토 레지스터 기반 전류센서는 기존의 홀센서들에 비해 높은 반응성(sensitivity)을 갖는다. 본 발명에 적용하는 시스템은 전류센서의 노이즈 및 비선형 특성을 최적화 하고 이러한 전류 센서를 감시하고자 하는 곳에 설치하여 실시간으로 흐르는 누설전류를 측정하여 유무선으로 신호처리 장치의 변환부로 보낸다. 전류센서의 형상 및 설치시 그림은 도 1.과 같다.

전류변환기의 전류측정 원리는 전류가 흐르는 모선 주변에 형성된 자기장이 전류의 크기에 따라 변화되는 특성과 이러한 자기장의 범위내에 마그네토 레지스티브 소자를 설치하여 자기장의 세기에 따라 저항이 변화되는 원리를 기반으로 전류를 측정한다. 모선에 흐르는 전류가 형성한 전자기장의 변화에 마그네토 레지스티브 소자의 저항 값이 변화되므로 저항값의 크기로 모선에 흐르는 전류를 산술적으로 역산하여 전류를 정밀 측정한다.

전류센서로 부터 전송되는 전류신호를 양자화하기 위해서는 노이즈를 없애는 것이 중요하다. 노이즈는 최대 측정 가능 전류 값이 증가할수록 증가한다. Hall sensor 기반 전류센서의 경우 노이즈 값이 최대 측정 가능 전류 값의 약 1 ~ 3% 정도로 크며 미세전류 영역에서는 더 크게 나타난다. 철심과 코일을 기반으로 전류 변환을 하므로 철심의 여자 특성으로 인해 미세전류 변환에 정확도가 떨어져 아주 미세한 μA단위의 전류를 측정하기가 매우 불리하나 본 발명에 적용하는 전류센서는 전류변환을 위해 철심이나 코일을 사용하지 않으므로 미세전류를 신호 처리 장치 포함하여 0.1% 이하의 아주 낮은 오차범위로 변환이 가능하다.

전류센서가 측정한 전류를 유무선 통신으로 받아서 센서로 부터 10m이내 설치하는 신호처리부는 전류센서의 아나로그 신호를 디지털 값으로 변환하는 아나로그/디지털 변환회로와 디지털로 변환된 전류정보를 주파수 분석하여 전류의 성분을 저항성분, 용량성 전류성분, 유도성 전류성분 등으로 분류하며 고조파 성분까지 분석하여 각 성분을 시각화된 정보로 나타낼 수 있는 data를 전송한다.

본 발명에서 사용할 센싱-신호처리 모듈의 블록도를 나타낸 시스템 전체 구성도는 도 2와 같으며, 디지털 프로세싱을 담당하는 마이크로 컨트롤러에서 노이즈 저감을 위한 matched filtering 작업과 피드백을 사용한 오프셋 저감 작업을 수행하며 각종 데이터 통신 프로토콜 지원 기능을 담당하고, NILM (non-intrusive load monitoring)을 담당하는 neural network 기능이 내장되어 있다. 내장된 통신 기능을 이용하여 데이터를 자동으로 클라우드 상의 데이터베이스로 전송하거나 각종 스마트기기로 결과를 알려 줄 수 있다.

시스템은 마그네토 레지스터기반 전류센서부와 전류센서로 부터 받은 아날로그 입력 신호를 받는 디지털신호로 변환하는 ADC(아날로그/디지털컨버터)회로, 증폭 및 노이즈 제거 필터링 회로, 그리고 블루투스, 와이파이, 이더넷으로 구성된 데이터 통신 회로, Neural network회로 등이 하나로 집적된 마이크로 콘트롤러(신호처리부)로 되어있고 외부의 모니터링 시스템 또는 스마트기기로 구성이 되어 있다.

마그네토 레지스터 기반 전류센서는 도체에 흐르는 전류가 만든 자기장에 노출시 저항값이 변하는 원리와 마그네토 레지스터 소자를 기반으로 하여 전류를 정밀 측정하여 아나로그 형태로 신호처리부인 마이크로 컨트롤러에 전송한다.

전류센서로 부터 받은 아날로그 신호를 디지털로 변화 시키는 ADC회로를 포함한 신호처리부(마이크로 컨트롤러)는 matched filter를 사용하여 노이즈를 저감시켜 주는 작업을 수행하며 이러한 노이즈 저감 기술을 통해 초정밀급 해상도를 구현한다. 또한 신호처리부(마이크로 콘트롤러)에 내장된 아날로그 증폭기에서 발생하는 노이즈에 의한 해상도 저하를 최소화시키기 위해 신호 업 컨버전 (up-conversion) 기능을 아날로그 증폭기 단에서 사용하는데 도 3와 같이 센서에서 발생하는 신호를 아날로그 증폭기단에서 플리커(flicker) 노이즈가 존재하지 않는 높은 주파수 대역으로 올려줌으로써 신호대 노이즈 비율 (SNR)을 대폭 개선하여 노이즈의 효과를 거의 받지 않고 높은 해상도를 구현 한다.

시스템에서 사용하는 신호처리부에서는 노이즈 문제를 해결하기 위해 아날로그 증폭기 단에서 신호를 증폭하며 동시에 노이즈 쉐이핑 (noise shaping) 기술을 적용하여 대부분의 노이즈를 특정 주파주 대역에 몰리게끔 주파수 공간에서 쉐이핑을 해준다. 이후 디지털 신호처리 회로에서 쉐이핑된 노이즈를 제거해주는 최적화 작업 (optimal detection)을 통해 노이즈를 최소화 시켜준다. 또한 오프셋의 경우 실시간으로 오프셋 값을 측정 및 예측하는 기술을 사용하여 정확하게 예측 후, 실시간으로 피드백 회로를 사용해 오프셋을 보상해준다. 전류센서의 오프셋 값은 온도와 같은 외부 환경과 기기 자체의 노화에 따라 계속 변화하기 때문에 본 장치에서 적용하는 실시간 보상 기술을 적용한다. 장치에서 사용하는 센서 모듈의 기능 블록 다이아그램을 도 4에, 전류센서 모듈의 개념도를 도 5에 나타냈다.

전류센서로 부터 일정거리, 실시예로 10m 거리내에 설치된 신호처리부(마이크로 컨트롤러)에는 전류data 신호 처리 기능뿐만 아니라 신경망에 의한 머신러닝 기능, 모니터링시스템에서 감시, 기록, 추세 분석이 가능하도록 유선, 무선의 형태로 신호 전송이 가능한 통신 칩이 내장되어있어 외부의 스마트기기에 측정된 전류정보를 전송하도록 되어있다.

머신 러닝을 이용한 AI 및 비침해 부하 감시(NILM, non-intrusive load monitoring)기능도 신호처리부에 내장되어 있는데 이를 담당하는 neural network에 사용되어질 입력 전기 신호의 가공 방식은 시공간에서의 데이터 패턴을 사용하는 방식이지만 시공간 데이터만을 사용할 경우 데이터의 양에 비해 추출할 수 있는 유용한 정보의 양이 제약이 되어서 주파수 공간의 신호를 같이 사용하는 방식을 적용한다. 신호를 시공간과 주파수 공간에서 효과적으로 동시에 표현하는 time frequency representation (TFR) 방식을 적용하여 지연감소, 빠른 반응 속도 구현, 저전력, 통신 네트웍 다운과 같은 비상사태시 효과적 대응과 같은 에지 컴퓨팅 (edge computing)의 장점들을 제공한다.

TFR의 경우 주어진 데이터양에 비해 제공하는 정보의 양이 가장 많은 형태여서 필요한 연산 양과 클라우드에서 사용해야하는 데이터 저장 공간을 최소화하면서, 동시에 머신 러닝의 정확도를 높이는데 매우 중요한 기술이다. 신호에 노이즈가 적은 경우 훨씬 정밀한 TFR 패턴이 얻어지는데 가장 널리 사용되는 convolutional neural network (CNN) 기반 reverse image search 알고리즘을 사용하여 원래의 전류 패턴을 인식하는 작업을 수행 시 노이즈가 적은 신호의 경우 99% 이상의 인식 확률을 확보할 수 있고, 노이즈가 많은 TFR 패턴의 경우 인식 확률이 80% 대로 저하. 개발된 TFR 표현 기법을 전류센서와 함께 사용되었을 때 성능을 최적화 해준다.

관제센터(모니터링시스템)에서는 현장의 마이크로 콘트롤러로 부터 전송된 신호를 기반으로 상시 흐르는 전류 값보다 특이하게 증가하거나 감소하는 등 실시예로서 30~50%이상 변화를 보이면 이상 경고를 발생하며, 저항성 전류, 용량성 전류, 유도성 전류값이 이전 값보다 일정치 이상 증가 또는 감소하면 이상 징후로 판단하여 자동 고지한다. 감시하는 전류 정보를 일정 시간 간격(1분, 1시간, 12시간...)을 두고 저장하여 변화 추이를 분석할 수 있도록 기록하는 data logging 기능도 가지고 있다.

Claims (4)

1. 자기장 변화를 측정하여 전력설비를 온라인으로 진단하는 시스템에 있어서,
   마그네토 레지스터기반 전류센서부;
   상기 전류센서로 부터 받은 아날로그 입력 신호를 디지털신호로 변환하는 ADC(아날로그/디지털컨버터)회로, 증폭 및 노이즈 제거 필터링 회로, 데이터 통신 회로, Neural network회로, 머신 러닝을 이용한 AI 및 비침해 부하 감시(NILM, non-intrusive load monitoring)회로가 집적된 신호처리부;
   상기 처리된 신호를 디스플레이하는 모니터링시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네토 레지스터 기반의 전류센서를 이용한 실시간 진단시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 신호처리부는 디지털로 변환된 전류정보를 고조파 성분이 포함된 저항성 전류성분, 용량성 전류성분, 유도성 전류성분으로 분석하여 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 마그네토 레지스터 기반의 전류센서를 이용한 실시간 진단시스템.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 전류센서는 전력선 주변의 자기장 내에 설치되어 마그네토 래지스티브 기반 소자에 전압을 인가하고 흐르는 전류값 측정하는 것을 특징으로 하는 마그네토 레지스터 기반의 전류센서를 이용한 실시간 진단시스템.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 머신 러닝을 이용한 AI 및 비침해 부하 감시(NILM, non-intrusive load monitoring)회로는 time frequency representation (TFR) 방식을 적용하는 것을 특징으로 하는 마그네토 레지스터 기반의 전류센서를 이용한 실시간 진단시스템.

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