KR20230126239A

KR20230126239A - 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20230126239A
Application number: KR1020220022189A
Authority: KR
Inventors: 현승윤; 김창환; 윤상윤; 이영우; 홍지송
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2022-02-21
Filing date: 2022-02-21
Publication date: 2023-08-30

Abstract

배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템은, 각 배전선로에 흐르는 전류 측정값에 대한 시계열 데이터에 기초하여 전류 측정값의 확률 분포에 따른 뾰족한 정도를 나타내는 척도인 첨도(Kurtosis)를 산출하고, 산출된 첨도에 기초하여 아크 발생 여부를 판단하는 복수의 아크 검출 장치, 및 복수의 아크 검출 장치로부터 첨도 변화율 데이터를 포함하는 아크 발생 정보를 각각 수신하고, 첨도 변화율 데이터에 기초하여 아크 발생 구간을 판정하는 아크 구간 판정 장치를 포함한다.

Description

배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DETECTING ARC FAULT IN POWER SUPPLY NETWORKS}

본 발명은 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상시 고조파와 같은 비정상적인 노이즈가 존재하는 환경에서 아크 검출 및 아크 발생 구간을 판정할 수 있도록 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템 및 방법에 관한 것이다.

서로 이격되어 있거나 불안전하게 접촉되어 있는 2개의 전극 사이에서 기체를 매개체로 하여 전류가 흐르는 것을 아크(Arc)라고 한다.

아크는 크게 하나의 도선에서 발생하는 직렬아크, 두 개의 도선 사이에서 발생하는 병렬아크, 접지와 하나의 도선 사이에서 발생하는 접지 아크로 분류될 수 있다.

다중접지 배전선로에서 가공전선 단선이 발생한 경우 단선점에서 직렬 아크가 순간적으로 발생하며 전선간 또는 전선과 접지체간 혼촉이 발생하면 병렬 아크가 발생할 수 있다. 이때 발생되는 아크는 혼촉되는 물체에 따라 아크 전류의 크기가 상이하고, 아크 전류는 보호기기 동작 전류보다 낮게 형성되어 검출이 용이하지 않으며, 아크 전류의 발생과 동시에 주기성을 지닌 Shoulder 현상이 관측된다.

배전계통에서 단선으로 인한 아크가 발생할 경우, 아크 방전에 의한 열화 현상에 의해 전기화재가 발생할 수 있기 때문에, 아크 발생을 초기에 감지하고 추가적인 아크가 발생하지 않도록 해당 배전선로에 설치된 자동화기기를 인터럽트하는 것이 필요하다.

이러한 아크를 검출하기 위해 단말장치(feeder remote terminal unit, Feeder RTU)의 측정치를 사용하며, 단말장치에서 측정된 전압 및 전류를 이용하여 아크 검출에 필요한 알고리즘을 설계할 수 있다. 일반적으로 단말장치에서 측정된 정보를 이용하여 칼만 필터(Kalman filter), 웨이블릿 변환 (Wavelet transform), 푸리에 변환 (Fourier transform) 등의 신호분석 알고리즘 방법들이 아크 검출을 위해 활용되어 왔다.

그러나 최근 분산형전원이 연계된 배전계통은 전력변환장치를 포함하고 있는 경우가 많으며, 종래 기술은 전력변환장치에 의한 노이즈와 아크를 구분하지 못하는 문제가 있다. 이에 따라, 정상적인 오퍼레이팅 상황에서도 전력변환장치의 노이즈에 따라 아크가 오감지되는 문제가 있다.

본 발명의 배경기술은 국제공개특허공보 WO2002/39561호에 개시되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 상시 고조파와 같은 비정상적인 노이즈가 존재하는 환경에서 아크 검출을 가능하도록 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 측면에 따른 목적은 배전선로에 부설된 다수의 보호기기를 총동원하여 아크 발생 구간을 판정할 수 있도록 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템은, 각 배전선로에 흐르는 전류 측정값에 대한 시계열 데이터에 기초하여 상기 전류 측정값의 확률 분포에 따른 뾰족한 정도를 나타내는 척도인 첨도(Kurtosis)를 산출하고, 상기 산출된 첨도에 기초하여 아크 발생 여부를 판단하는 복수의 아크 검출 장치, 상기 복수의 아크 검출 장치로부터 첨도 변화율 데이터를 포함하는 아크 발생 정보를 각각 수신하고, 상기 첨도 변화율 데이터에 기초하여 아크 발생 구간을 판정하는 아크 구간 판정 장치를 포함한다.

본 발명에서 상기 아크 검출 장치는, 상기 배전선로에 흐르는 전류 측정값에 대한 시계열 데이터를 획득하는 전류 획득부, 상기 전류 획득부로부터 전달받은 각 상별 전류 시계열 데이터를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여 이산 푸리에 변환값을 출력하는 전처리부, 상기 각 상전류의 이산 푸리에 변환값에 기초하여 각 상전류별 첨도를 연산하는 첨도 연산부, 및 상기 각 상전류별 첨도 변화에 기초하여 첨도 변화율을 산출하고, 상기 첨도 변화율에 기초하여 아크를 검출하는 아크 검출부를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 전처리부는, 동일한 시구간의 크기로 서로 중첩되지 않는 시구간에서 일정 개수의 입력 데이터를 이용하여 일정 개수의 이산 푸리에 변환값을 이동 윈도우(moving window)로 연산할 수 있다.

본 발명에서 상기 첨도 연산부는, 각 상전류의 이산 푸리에 변환값의 평균값, 첨도 기댓값 및 분산 중 적어도 하나에 기초하여 각 상전류의 첨도를 연산할 수 있다.

본 발명에서 상기 아크 검출부는, 샘플링 주기를 변수로 이동 윈도우(moving window) 방식으로 기 설정된 시간(Ttotal) 동안 전류의 첨도 변화를 감시하여, 경과된 누적 시간이 리셋 시간(Treset)에 도달하지 않은 채로 첨도 변화율이 기 설정된 임계값을 초과하는 경우가 기 설정된 일정 사이클(Tcycle) 동안 지속되는 경우, 아크가 발생한 것으로 판단할 수 있다.

본 발명에서 상기 아크 검출부는, 상기 첨도 변화율이 임계값을 초과하는 경우가 일정 사이클(Tcycle) 동안 지속되지 못한 채로 누적 시간이 리셋 시간(Treset)을 도과하는 경우, 초기화를 수행할 수 있다.

본 발명에서 상기 아크 검출부는, 상기 아크가 발생한 것으로 판단된 경우, 위치정보 및 첨도 변화율 데이터를 포함하는 아크 발생 정보를 상기 아크 구간 판정 장치로 전송할 수 있다.

본 발명에서 상기 아크 구간 판정 장치는, 각 배전선로에 설치된 아크 검출 장치의 상태정보 및 위치정보를 포함하는 토폴로지 정보가 저장된 저장부, 및 상기 아크 발생 정보에 기초하여 첨도 변화율 최대값을 전송한 최대 아크 검출 장치를 탐색하고, 상기 토폴로지 정보에 기초하여 상기 최대 아크 검출 장치를 기준으로 업스트림 또는 다운스트림 방향에 최근접한 최근접 아크 검출 장치를 검색하며, 상기 최근접 아크 검출 장치의 아크 발생 여부를 기반으로 아크 발생 구간을 판정하는 아크 구간 판정부를 포함할 수 있다.

본 발명에서 상기 아크 구간 판정부는, 상기 최근접 아크 검출 장치에 아크가 발생한 경우, 상기 최대 아크 검출 장치와 최근접 아크 검출 장치 사이에 존재하는 배전선로를 아크 미발생 구간으로 판정할 수 있다.

본 발명에서 상기 아크 구간 판정부는, 상기 최근접 아크 검출 장치에 아크가 발생하지 않은 경우, 상기 최대 아크 검출 장치와 최근접 아크 검출 장치 사이에 존재하는 배전선로를 1차 아크 발생 구간으로 판정하고, 상기 1차 아크 발생 구간내 분기선로 존재 여부에 따라 아크 발생 구간을 최종으로 판정할 수 있다.

본 발명에서 상기 아크 구간 판정부는, 상기 1차 아크 발생 구간에 분기선로가 존재하지 않은 경우, 1차 아크 발생 구간을 최종 아크 발생 구간으로 판정할 수 있다.

본 발명에서 상기 아크 구간 판정부는, 상기 1차 아크 발생 구간에 분기선로가 존재하는 경우, 분기선로에 아크 검출 장치가 존재하는지를 판단하고, 그 판단결과에 따라 아크 발생 구간을 최종 판정할 수 있다.

본 발명에서 상기 아크 구간 판정부는, 상기 분기선로에 아크 검출 장치가 존재하는 경우, 상기 최대 아크 검출 장치와 분기선로의 아크 검출 장치 사이의 구간 및 1차 아크 발생 구간을 모두 아크 발생 구간으로 최종 판정하고, 상기 분기선로에 아크 검출 장치가 존재하지 않은 경우, 상기 최대 아크 검출 장치와 분기선로 사이의 구간 및 1차 아크 발생 구간을 모두 아크 발생 구간으로 최종 판정할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 방법은, 배전선로에 설치된 복수의 아크 검출 장치가 해당 배전선로에 흐르는 전류 측정값에 대한 시계열 데이터에 기초하여 상기 전류 측정값의 확률 분포에 따른 뾰족한 정도를 나타내는 척도인 첨도(Kurtosis)를 산출하고, 상기 산출된 첨도에 기초하여 아크 발생 여부를 판단하는 단계, 아크 구간 판정 장치가, 복수의 아크 검출 장치로부터 첨도 변화율 데이터를 포함하는 아크 발생 정보를 각각 수신하고, 상기 첨도 변화율 데이터에 기초하여 아크 발생 구간을 판정하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 상기 아크 발생 여부를 판단하는 단계는, 상기 아크 검출 장치가 배전선로에 흐르는 전류 측정값에 대한 시계열 데이터를 획득하는 단계, 상기 아크 검출 장치가 각 상별 전류 시계열 데이터를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여 이산 푸리에 변환값을 출력하는 단계, 상기 아크 검출 장치가 상기 각 상전류의 이산 푸리에 변환값에 기초하여 각 상전류별 첨도를 연산하는 단계, 및 상기 아크 검출 장치가 상기 각 상전류별 첨도 변화에 기초하여 첨도 변화율을 산출하고, 상기 첨도 변화율에 기초하여 아크를 검출하는 단계를 포함한다.

본 발명은 상기 이산 푸리에 변환값을 출력하는 단계에서, 상기 아크 검출 장치는, 동일한 시구간의 크기로 서로 중첩되지 않는 시구간에서 일정 개수의 입력 데이터를 이용하여 일정 개수의 이산 푸리에 변환값을 이동 윈도우(moving window)로 연산할 수 있다.

본 발명은 상기 첨도를 연산하는 단계에서, 상기 아크 검출 장치는, 각 상전류의 이산 푸리에 변환값의 평균값, 첨도 기댓값 및 분산 중 적어도 하나에 기초하여 각 상전류의 첨도를 연산할 수 있다.

본 발명은 상기 아크를 검출하는 단계에서, 상기 아크 검출 장치는, 샘플링 주기를 변수로 이동 윈도우(moving window) 방식으로 기 설정된 시간(Ttotal) 동안 전류의 첨도 변화를 감시하여, 경과된 누적 시간이 리셋 시간(Treset)에 도달하지 않은 채로 첨도 변화율이 기 설정된 임계값을 초과하는 경우가 기 설정된 일정 사이클(Tcycle) 동안 지속되는 경우, 아크가 발생한 것으로 판단할 수 있다.

본 발명은 상기 아크를 검출하는 단계에서, 상기 아크 검출 장치는, 상기 첨도 변화율이 임계값을 초과하는 경우가 일정 사이클(Tcycle) 동안 지속되지 못한 채로 누적 시간이 리셋 시간(Treset)을 도과하는 경우, 초기화를 수행할 수 있다.

본 발명은 상기 아크를 검출하는 단계에서, 상기 아크가 발생한 것으로 판단된 경우, 상기 아크 검출 장치는 위치정보 및 첨도 변화율 데이터를 포함하는 아크 발생 정보를 상기 아크 구간 판정 장치로 전송할 수 있다.

본 발명은 상기 아크 발생 구간을 판정하는 단계에서, 상기 아크 구간 판정 장치는, 상기 아크 발생 정보에 기초하여 첨도 변화율 최대값을 전송한 최대 아크 검출 장치를 탐색하고, 기 저장된 토폴로지 정보에 기초하여 상기 최대 아크 검출 장치를 기준으로 업스트림 또는 다운스트림 방향에 최근접한 최근접 아크 검출 장치를 검색하며, 상기 최근접 아크 검출 장치의 아크 발생 여부를 기반으로 아크 발생 구간을 판정할 수 있다.

본 발명은 상기 아크 발생 구간을 판정하는 단계에서, 상기 아크 구간 판정 장치는, 상기 최근접 아크 검출 장치에 아크가 발생한 경우, 상기 최대 아크 검출 장치와 최근접 아크 검출 장치 사이에 존재하는 배전선로를 아크 미발생 구간으로 판정할 수 있다.

본 발명은 상기 아크 발생 구간을 판정하는 단계에서, 상기 아크 구간 판정 장치는, 상기 최근접 아크 검출 장치에 아크가 발생하지 않은 경우, 상기 최대 아크 검출 장치와 최근접 아크 검출 장치 사이에 존재하는 배전선로를 1차 아크 발생 구간으로 판정하고, 상기 1차 아크 발생 구간내 분기선로 존재 여부에 따라 아크 발생 구간을 최종으로 판정할 수 있다.

본 발명은 상기 아크 발생 구간을 판정하는 단계에서, 상기 아크 구간 판정 장치는, 상기 1차 아크 발생 구간에 분기선로가 존재하지 않은 경우, 1차 아크 발생 구간을 최종 아크 발생 구간으로 판정할 수 있다.

본 발명은 상기 아크 발생 구간을 판정하는 단계에서, 상기 아크 구간 판정 장치는, 상기 1차 아크 발생 구간에 분기선로가 존재하는 경우, 분기선로에 아크 검출 장치가 존재하는지를 판단하고, 그 판단결과에 따라 아크 발생 구간을 최종 판정할 수 있다.

본 발명은 상기 아크 발생 구간을 판정하는 단계에서, 상기 분기선로에 아크 검출 장치가 존재하는 경우, 상기 아크 구간 판정 장치는 상기 최대 아크 검출 장치와 분기선로의 아크 검출 장치 사이의 구간 및 1차 아크 발생 구간을 모두 아크 발생 구간으로 최종 판정하고, 상기 분기선로에 아크 검출 장치가 존재하지 않은 경우, 상기 아크 구간 판정 장치는 상기 최대 아크 검출 장치와 분기선로 사이의 구간 및 1차 아크 발생 구간을 모두 아크 발생 구간으로 최종 판정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템 및 방법은, 배전선로의 일정 구간에 설치된 센서 수단의 검출 신호에 의해 배전선로의 아크 발생 여부를 판단할 수 있는 것은 물론, 검출 신호의 데이터 분석을 통해 배전선로의 아크 발생 구간을 정확히 판정할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템 및 방법은, 정상적인 오퍼레이팅에서 발생하는 노이즈와 아크를 구분하여 아크 오감지의 빈도를 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템 및 방법은, 아크 구간 판정 장치에서 아크 발생 구간 판정을 정확하게 실시함으로써, 고장구간에 대한 복구 작업이 신속하게 진행될 수 있도록 하여, 전력공급의 신뢰도가 향상되고 전력 시스템의 안정성이 확보되는 효과가 있다.

한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 아크 검출 장치의 배치를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 전류 파형의 숄더 특성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 전류 파형의 첨도 연산부 출력 데이터를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 구간 판정 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 구간 판정 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치가 아크를 검출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 전류 파형의 숄더 특성을 나타낸 예시도이다.
도 11은 도 10에 도시된 아크 전류 파형에 대해 첨도 연산부에서 출력되는 신호를 보인 파형도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 구간 판정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템 및 방법을 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템을 나타낸 블록도, 도 2는 도 1에 도시된 아크 검출 장치의 배치를 설명하기 위한 예시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템은, 각 배전전선(배전 가공전선)에 설치되는 복수의 아크 검출 장치(100a, 100b, ..., 100n, 이하 100이라 칭함) 및 아크 구간 판정 장치(200)를 포함한다.

아크 검출 장치(100)는 각 배전선로에 흐르는 전류의 측정값에 대한 시계열 데이터에 기초하여 전류 측정값의 확률 분포의 뾰족한 정도를 나타내는 척도인 첨도(Kurtosis)를 산출하고, 산출된 첨도에 기초하여 아크 발생 여부를 판단할 수 있다. 해당 배전선로(배전 가공전선)에 아크가 발생한 경우, 아크 검출 장치(100)는 자신의 위치정보, 첨도 변화율 데이터 등을 포함하는 아크 발생 정보를 아크 구간 판정 장치(200)로 전송할 수 있다.

아크 검출 장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 배전선로(배전 가공전선)에 설치된 배전자동화기기(또는 RTU(Remote Terminal Unit))의 내부 또는 연결되어 설치될 수 있다. 이에, 아크 검출 장치(100)는 배전선로에 설치된 배전자동화기기, RTU(Remote Terminal Unit) 등으로 칭할 수 있다.

아크 검출 장치(100)는 배전선로(배전 가공전선)에 흐르는 전류를 분석하여 해당 배전선로(배전 가공전선)에 발생한 아크를 검출할 수 있다.

이러한 아크 검출 장치(100)에 대한 상세한 설명은 도 3을 참조하기로 한다.

아크 구간 판정 장치(200)는 복수의 아크 검출 장치(100)로부터 첨도 변화율 데이터를 포함하는 아크 발생 정보를 각각 수신하고, 첨도 변화율 데이터에 기초하여 아크 발생 구간을 판정할 수 있다. 구체적으로, 아크 구간 판정 장치(200)는 아크 발생 정보를 전송한 복수의 아크 검출 장치(100)를 대상으로 첨도 변화율 최대값을 전송한 최대 아크 검출 장치를 탐색하고, 최대 아크 검출 장치를 기준으로 각 모선의 upstream 또는 down stream 방향에 최근접한 아크 검출 장치를 검색하며, 검색된 최근접 아크 검출 장치의 아크 발생 여부에 기초하여 아크 발생 구간을 판정할 수 있다. 이때, 최근접 아크 검출 장치에 아크가 발생한 경우, 아크 구간 판정 장치(200)는 최대 아크 검출 장치와 최근접 아크 검출 장치 간의 배전선로를 아크 미발생 구간으로 판정할 수 있다. 최근접 아크 검출 장치에 아크가 발생하지 않은 경우, 아크 구간 판정 장치(200)는 최대 아크 검출 장치와 최근접 아크 검출 장치 간의 배전선로를 1차 아크 발생 구간으로 판정하고, 1차 아크 발생 구간내에 분기선로 존재 여부에 따라 아크 발생 구간을 최종으로 판정할 수 있다.

아크 구간 판정 장치(200)에 대한 상세한 설명은 도 6을 참조하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 전류 파형의 숄더 특성을 설명하기 위한 예시도, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 전류 파형의 첨도 연산부 출력 데이터를 설명하기 위한 예시도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치(100)는, 전류 획득부(110), 전처리부(120), 첨도 연산부(130), 아크 검출부(140), 통신부(150), 저장부(160) 및 제어부(170)를 포함한다.

전류 획득부(110)는 배전선로에 흐르는 전류()의 측정값에 대한 시계열 데이터를 획득하여 전처리부(120)로 전송할 수 있다. 이때, 전류 획득부(110)는 각 상별 전류 순시값에 대한 시계열 데이터를 획득할 수 있다. 즉, 전류 획득부(110)는 아래 수학식 1과 같은 각 상별 전류 시계열 데이터를 생성할 수 있다.

[수학식 1]

전처리부(120)는 전류 획득부(110)로부터 전달받은 각 상별 전류 시계열 데이터에 대해 전처리를 수행하여 첨도 연산부(130)로 전달할 수 있다. 이때, 전처리부(120)는 각 상별 전류 시계열 데이터를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여 이산 푸리에 변환값을 출력할 수 있다. 구체적으로, 전처리부(120)는 각 상전류 시계열 데이터에 대해 이산 푸리에 변환을 수행하여 이산 푸리에 변환값을 출력할 수 있다. 이때, 전처리부(120)는 동일한 시구간의 크기로 서로 중첩되지 않는 시구간에서 N개의 입력 데이터를 이용하여 N개의 이산 푸리에 변환값을 무빙 윈도우로 연산할 수 있다. 그러면, 전처리부(120)는 아래 수학식 2와 같은 각 상전류의 이산신호(이산 푸리에 변환값)를 생성하고, 이를 첨도 연산부(130)로 전달할 수 있다.

[수학식 2]

여기서, Ts는 무빙 윈도우 샘플링 주기이며, k는 샘플링 인덱스, Im은 각 상 전류 크기, ω는 각속도를 의미할 수 있다.

첨도 연산부(130)는 전처리부(120)로부터 각 상전류의 이산 푸리에 변환값(이산 신호)을 수신하고, 각 상전류의 이산 푸리에 변환값에 기초하여 각 상전류별 첨도를 연산할 수 있다. 여기서, 첨도(Kurtosis)는 전류 측정값의 확률 분포의 뾰족한 정도를 나타내는 척도일 수 있다.

첨도 연산부(130)는 각 상전류의 이산 푸리에 변환값(이산 신호)의 평균값, 첨도 기댓값 및 분산에 기초하여 각 상전류의 첨도를 연산할 수 있다. 즉, 첨도 연산부(130)는 아래 수학식 3을 이용하여 각 상전류의 첨도를 연산할 수 있다.

[수학식 3]

여기서 Iα[k]는 이산 푸리에 변환값으로서, Iα=(Iα[1], Iα[2], Iα[3], , Iα[N])^T중에서 k번째 값을 나타낸다. N은 대상 신호 Ia의 총 개수이며, 이산 푸리에 변환에 이용된 무빙 윈도우 크기와 동일하다. 는 대상 신호(이산 신호)의 이산 푸리에 변환값의 평균값을 의미한다. 또한, 는 첨도 기댓값(분포의 뾰족한 정도를 나타내는 측도), 은 분산을 의미한다. 또한 Kgaussian은 정규분포 기준값(60Hz 1cycle 일 경우 '3'의 값, 1/2cycle 일 경우 '15'의 값)을 나타낸다.

첨도(Kurtosis)는 전류 측정값의 확률 분포의 뾰족한 정도를 나타내는 척도로서, 각 상전류의 이산 푸리에 변환값의 확률 밀도 함수의 형태를 알아볼 수 있는 파라미터이고, 상전류 이산신호의 분포가 얼마나 중심에 집중되어 있는가를 볼 때 사용될 수 있다. 이러한 첨도는 아크의 주기적인 숄더 현상을 검출할 수 있다.

한편, 아크가 발생한 선로에서는 도 4에 도시된 바와 같은 숄더(shoulder)가 나타날 수 있다. 일반적으로 아크 발생시 전압과 전류에 고주파 잡음이 나타나고, 아크 전류는 정현파 전류 영점 부근에서 제로 크로싱(zero-crossing) 시 전류 크기가 0으로 수렴하는 현상이 발생하며, 제로 크로싱을 지난 후에는 다시 나타난다. 이렇게 제로 크로싱 부분에서 나타나는 파형을 숄더(shoulder)라고 한다. 이와 같이 아크 전류는 정상상태 전류와 비교하였을 때, 크기에서의 변동보다는 파형 형태에서 더 특이한 변화를 발생시키는 특징이 있다. 이는 아크의 대표적인 현상으로 계통주파수와 같은 주파수를 가지는 주기성을 가지고 있다. 숄더(Shoulder)의 경우 계통과 같은 주파수를 가지기 때문에 주파수를 이용한 검출이 어렵고 고장전류의 크기도 접촉매질에 따라 상이하기 때문에 크기 검출도 용이하지 않다는 특징을 가지고 있다. 따라서 본 발명에서는 아크의 주기적인 숄더 현상을 검출할 수 있도록 Kurtosis(첨도)를 도입하고 있다. 첨도는 전류 변수 즉, 대상 신호(이산 신호)의 확률 밀도 함수의 형태를 이용하여 통계적인 특성을 알아볼 수 있는 파라미터로서, 대상 신호의 분포가 얼마나 중심에 집중되어 있는가를 볼 때 사용된다. 예를 들어, 첨도의 값이 3이면 정규분포이고, 3보다 큰 경우 정규분포보다 높은 봉우리를 가지며, 3보다 작을 경우 정규분포보다 낮은 봉우리를 갖는다.

예를 들어, 도 4에 도시된 전류 파형을 첨도 연산부(130)에 입력하면, 첨도 연산부(130)는 도 5와 같은 파형을 출력할 수 있다. 도 5를 참조하면, 배전계통에서 정상상태 전류 파형은 60Hz 정현파를 기본파로 사용하므로 확률 과정의 평균이 0인 정규분포를 따른다. 따라서 수학식 3의 1항()은 3(또는 15)에 수렴하게 된다. 그러나 주기적인 숄더 현상이 발생하게 되는 아크 전류는 수학식 3의 1항()이 3(또는 15)보다 큰 값을 지니게 되므로 정규분포보다 그래프가 더 뾰족한 형태로 형성된다.

아크 검출부(140)는 배전계통에서 발생하는 아크 동반사고에 대한 판단을 위한 구성으로, 첨도 연산부(130)에서 분석한 전류 파형의 첨도 변화를 활용할 수 있다. 이에, 아크 검출부(140)는 첨도 연산부(130)에서 분석한 전류 파형의 첨도 변화에 기초하여 아크를 검출할 수 있다.

아크 검출부(140)는 전류 파형의 첨도 변화에 기초하여 첨도 변화율을 산출하고, 첨도 변화율을 기 설정된 임계값과 비교하며, 그 비교결과에 기초하여 아크를 최종 판정할 수 있다.

아크 검출부(140)는, 샘플링 주기(Ts)를 변수로 이동 윈도우(moving window) 방식으로 소정의 시간(Ttotal) 동안 전류의 첨도 변화를 감시하며, 경과된 누적 시간이 소정의 리셋 시간(Treset)에 도달하기 전 첨도 변화율이 기 설정된 임계값 이상으로 수 사이클(Tcycle) 동안 유지될 경우 최종 아크판정을 내리게 된다.

아크 검출부(140)에서 아래 수학식 4를 이용하여 첨도 변화율을 연산할 수 있다.

[수학식 4]

여기서, 은 첨도 변화율, n은 해당 피더의 단말장치 개수, 는 트리거링 후에 연산된 첨도 크기, 는 트리거링 전의 첨도 크기, 는 트리거링을 위한 첨도변화율 임계값을 의미할 수 있다.

수학식 4는 대상 신호의 분포가 표준 정규 분포를 얼마나 잘 따르는지를 판별하는 수학식으로서, 수신된 신호 안에 아크로 인한 숄더 현상이 나타나게 된다면 정규분포를 따르지 않을 것이고, 첨도 변화율 연산 결과에서 두드러진 차이를 일으킬 것이다. 따라서 아크 검출부(140)는 계산된 비정규분포 정도의 변화율을 이용하여 아크를 최종적으로 판단한다.

아크 검출부(140)는 첨도 연산부(130)로부터의 각 상전류의 첨도 값(첨도 연산값)에 기초하여 첨도 변화율을 산출하고, 첨도 변화율()을 기 설정된 임계값(γ)과 비교할 수 있다. 이때, 아크 검출부(140)는 누적 시간(T)이 소정의 리셋 시간(Treset)에 도달하기 전까지 첨도 변화율()이 임계값을 초과하는지를 판단할 수 있다. 여기서, 리셋 시간은 미리 설정된 시간으로, 임의로 설정할 수 있다. 예를 들어, 리셋 시간(Treset)은 아크가 발생하였을 경우에 최대로 허용되는 선로 차단 시간보다 짧아야 할 것이지만, 아크 전류의 첨도 변화율()이 그렇지 않은 상황의 임계값(γ)과 확연히 구별될 수 있을 정도로 그 시간이 길어야 할 것이다. 이에 따라, 리셋시간은 예컨대, 5초 등으로 주어질 수 있다.

누적 시간(T)이 리셋 시간(Treset)에 도달하지 않은 채로 첨도 변화율()이 임계값(γ)을 초과하는 경우가 일정 사이클(Tcycle) 동안 지속되면, 아크 검출부(140)는 아크가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, 아크 검출부(140)는 배전자동화기기(아크 검출 장치(100))의 위치정보, 첨도 변화율 분석 데이터 등을 포함하는 아크 발생 정보를 통신부(150)를 통해 아크 구간 판정 장치(200)로 전송할 수 있다.

만약, 첨도 변화율()이 임계값(γ)을 초과하는 경우가 일정 사이클 동안 지속되지 못한 채로 누적시간이 리셋 시간(Treset)을 도과하면, 아크 검출부(140)는 아크의 발생 가능성이 낮다고 판단할 수 있다. 이에, 아크 검출부(140)는 누적 시간(T), 및 첨도 변화율()을 각각 리셋할 수 있고, 다음 샘플링 시간(Ts)에 첨도 기준값(Kpre), 및 첨도 연산값(Kpost)를 산출할 수 있도록 초기화를 수행할 수 있다.

통신부(150)는 아크 검출 장치(100)와 외부 전자 장치 간의 데이터 통신을 위한 인터페이스를 포함할 수 있다. 통신부(150)는 통신망을 통해 아크 구간 판정 장치(200)와 통신하기 위한 구성으로, 아크 발생 정보 등 다양한 정보를 송수신할 수 있다. 이때, 통신부(150)는 근거리 통신모듈, 무선 통신모듈, 이동통신 모듈, 유선 통신모듈 등 다양한 형태로 구현될 수 있다.

저장부(160)는 아크 검출 장치(100)의 동작과 관련된 데이터들을 저장하는 구성이다. 여기서 저장부(160)는 공지된 저장매체를 이용할 수 있으며, 예를 들어, ROM, PROM, EPROM, EEPROM, RAM 등과 같이 공지된 저장매체 중 어느 하나 이상을 이용할 수 있다. 특히, 저장부(160)는 사용자로부터 첨도 연산부(130) 및 아크 검출부(140)에서 요구되는 내부 파라미터(예: 임계값, 초기화 시간, 관측시간, 샘플링 개수, 연산 간격 등)를 입력받아 저장할 수 있다. 여기서, 내부 파라미터는 설치 개소(아크 검출 장치(100) 또는 아크 구간 판정 장치(200))의 제어 사양(H/W 또는 S/W)에 따라 그 상한값과 하한값의 제약이 발생할 수 있다. 또한, 저장부(160)에는 아크 검출을 위한 프로그램(애플리케이션 또는 애플릿) 등이 저장될 수 있으며, 저장되는 정보들은 필요에 따라 제어부(170)에 의해 취사선택될 수 있다.

한편, 전류 획득부(110), 전처리부(120), 첨도 연산부(130) 및 아크 검출부(140)는 컴퓨팅 장치 상에서 프로그램을 실행하기 위해 필요한 프로세서 등에 의해 각각 구현될 수 있다. 이처럼 전류 획득부(110), 전처리부(120), 첨도 연산부(130) 및 아크 검출부(140)는 물리적으로 독립된 각각의 구성에 의해 구현될 수도 있고, 하나의 프로세서 내에서 기능적으로 구분되는 형태로 구현될 수도 있다.

제어부(170)는 전류 획득부(110), 전처리부(120), 첨도 연산부(130), 아크 검출부(140), 통신부(150), 및 저장부(160)를 포함하는 아크 검출 장치(100)의 다양한 구성부들의 동작을 제어하는 구성으로, 적어도 하나의 연산 장치를 포함할 수 있는데, 여기서 상기 연산 장치는 범용적인 중앙연산장치(CPU), 특정 목적에 적합하게 구현된 프로그래머블 디바이스 소자(CPLD, FPGA), 주문형 반도체 연산장치(ASIC) 또는 마이크로 컨트롤러 칩일 수 있다. 또한, 다른 형태의 하드웨어로 구현될 수도 있음을 본 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 구간 판정 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 구간 판정 방법을 설명하기 위한 예시도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 구간 판정 장치(200)는 통신부(210), 저장부(230), 아크 구간 판정부(220) 및 제어부(240)를 포함한다.

통신부(210)는 아크 구간 판정 장치(200)와 외부 전자 장치 간의 데이터 통신을 위한 인터페이스를 포함할 수 있다. 통신부(210)는 통신망을 통해 아크 검출 장치(100)와 통신하기 위한 구성으로, 아크 발생 정보 등 다양한 정보를 송수신할 수 있다. 이때, 통신부(210)는 근거리 통신모듈, 무선 통신모듈, 이동통신 모듈, 유선 통신모듈 등 다양한 형태로 구현될 수 있다.

저장부(230)는 아크 발생 구간 판정을 위해 필요한 토폴로지 정보를 상위 장치로부터 주기적으로 전송받아 저장할 수 있다. 여기서, 토폴로지 정보는 배전계통의 상태정보로서, 배전자동화기기 상태정보, 설치 위치 정보(또는 노드의 연결 관계에 대한 정보) 등을 포함할 수 있다.

아크 구간 판정부(220)는 복수의 아크 검출 장치(100)로부터 첨도 변화율 데이터를 포함하는 아크 발생 정보를 수신하고, 첨도 변화율 데이터에 기초하여 아크 발생 구간을 판정할 수 있다.

아크 구간 판정부(220)는 복수의 아크 발생 정보에 포함된 첨도 변화율을 크기순으로 정렬하고, 정렬된 첨도 변화율들 중에서 첨도 변화율 최대값()을 전송한 최대 아크 검출 장치를 식별하며, 식별된 최대 아크 검출 장치를 기준으로 up/down stream 방향에 최근접한 최근접 아크 검출 장치의 아크 발생 정보(첨도 변화율 데이터)를 기반으로 아크 발생 구간을 최종적으로 판정할 수 있다.

구체적으로, 아크 구간 판정부(220)는 아크 검출 장치들(100)로부터 첨도 변화율 데이터를 포함하는 아크 발생 정보를 수신하고, 첨도 변화율 최대값을 전송한 최대 아크 검출 장치를 탐색할 수 있다. 그런 후, 아크 구간 판정부(220)는 최대 아크 검출 장치를 기준으로 각 모선의 업스트림(최대 아크 검출 장치→전원측) 또는 다운 스트림(최대 아크 검출 장치 → 선로 말단) 방향에 최근접한 최근접 아크 검출 장치(배전자동화기기)의 아크 발생 여부 판단할 수 있다. 이때, 아크 구간 판정부(220)는 최근접 아크 검출 장치로부터 아크 발생 정보를 수신하였는지를 이용하여 아크 발생 여부를 판단할 수 있다.

최근접 아크 검출 장치에 아크가 발생한 경우(즉, 최근접 아크 검출 장치가 아크 발생 정보를 아크 구간 판정 장치(200)로 전송한 경우), 아크 구간 판정부(220)는 최대 아크 검출 장치와 최근접 아크 검출 장치 사이에 존재하는 배전선로를 아크 미발생 구간으로 판정할 수 있다.

최근접 아크 검출 장치에 아크가 발생하지 않은 경우(즉, 최근접 아크 검출 장치가 아크 발생 정보를 아크 구간 판정 장치(200)로 전송하지 않은 경우), 아크 구간 판정부(220)는 최대 아크 검출 장치와 최근접 아크 검출 장치 사이에 존재하는 배전선로를 1차 아크 발생 구간으로 판정하고, 1차 아크 발생 구간내 분기선로 존재 여부에 따라 아크 발생 구간을 최종으로 판정할 수 있다. 1차 아크 발생 구간에 분기선로가 존재하지 않은 경우, 아크 구간 판정부(220)는 1차 아크 발생 구간을 아크 발생 구간으로 최종 판정할 수 있다. 1차 아크 발생 구간에 분기선로가 존재하는 경우, 아크 구간 판정부(220)는 분기선로에 아크 검출 장치(100)(배전자동화기기)가 존재하는지를 판단하고, 그 판단결과에 따라 최종 아크 발생 구간을 판정할 수 있다. 구체적으로, 분기선로에 아크 검출 장치(100)가 존재하면, 아크 구간 판정부(220)는 최대 아크 검출 장치와 분기선로의 아크 검출 장치(100) 사이의 구간 및 1차 아크 발생 구간을 모두 아크 발생 구간으로 최종 판정할 수 있다. 분기선로에 아크 검출 장치(100)가 존재하지 않으면, 아크 구간 판정부(220)는 최대 아크 검출 장치와 분기선로 사이의 구간 및 1차 아크 발생 구간을 모두 아크 발생 구간으로 최종 판정할 수 있다.

예를 들어, 도 7을 참조하여 아크 구간을 판정하는 방법에 대해 설명하기로 한다. 이하에서는 아크 검출 장치(100)는 RTU로 칭하여 설명하기로 한다. 도 7의 (a)를 참조하면, 분기선로가 존재하는 배전계통으로 A 지점에 아크가 발생한 상황으로 가정하기로 한다.

이 경우, 아크 구간 판정부(220)는 아래 표 1과 같은 RTU(배전자동화기기)로부터 아크 첨도 변화율 분석 데이터를 수신할 수 있다.

[표 1]

아크 구간 판정부(220)는 표 1에서 첨도 변화율 최대값을 전송한 최대 아크 검출 장치()를 탐색할 수 있다. 이때, 아크 구간 판정부(220)는 RTU2를 첨도 변화율 최대값을 전송한 최대 아크 검출 장치()로 식별할 수 있다.

그런 후, 아크 구간 판정부(220)는 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 RTU2를 기준으로 각 모선의 upstream(기기 RTU2→전원측) 또는 down stream(기기 RTU2 → 선로 말단) 방향에 최근접한 최근접 아크 검출 장치의 아크 첨도 변화율 데이터가 임계값(γ)을 초과하였는지 판단할 수 있다. up/down stream RTU 탐색 결과는 아래 표 2와 같을 수 있다.

[표 2]

RTU2에 인접한 기기는 RTU1와 RTU4일 수 있다. 아크 구간 판정부(220)는 RTU2에 인접한 RTU1의 첨도 변화율이 임계값을 초과하는지를 판단할 수 있다. RTU2에 인접한 RTU1의 첨도 변화율이 임계값을 초과하면, 아크 구간 판정부(220)는 RTU2와 RTU1 사이에 존재하는 배전선로를 아크 미발생 구간으로 판정할 수 있다.

아크 구간 판정부(220)는 RTU2에 인접한 RTU4의 첨도 변화율이 임계값을 초과하는지를 판단할 수 있다. RTU2에 인접한 RTU4의 첨도 변화율이 임계값을 초과하지 않으면, 아크 구간 판정부(220)는 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이 RTU2와 RTU4 사이에 존재하는 배전선로를 1차 아크 발생 구간으로 판정할 수 있다.

아크 구간 판정부(220)는 1차 아크 발생 구간(RTU2-RTU4) 내 분기선로 존재 여부에 기초하여 최종 아크 발생 구간을 판정할 수 있다. 도 7의 (d)를 참조하면, 1차 아크 발생 구간(RTU2-RTU4) 내 분기선로에 RTU3가 존재하므로, 아크 구간 판정부(220)는 구간 1(RTU2-RTU4), 구간 2(RTU2-RTU3)를 모두 아크 발생 구간으로 최종 판정할 수 있다.

한편, 아크 구간 판정부(220)는 컴퓨팅 장치 상에서 프로그램을 실행하기 위해 필요한 프로세서 등에 의해 각각 구현될 수 있다. 이처럼 아크 구간 판정부(220)는 물리적으로 독립된 각각의 구성에 의해 구현될 수도 있고, 하나의 프로세서 내에서 기능적으로 구분되는 형태로 구현될 수도 있다.

제어부(240)는 통신부(210), 저장부(230), 및 아크 구간 판정부(220)를 포함하는 아크 구간 판정 장치(200)의 다양한 구성부들의 동작을 제어하는 구성으로, 적어도 하나의 연산 장치를 포함할 수 있는데, 여기서 상기 연산 장치는 범용적인 중앙연산장치(CPU), 특정 목적에 적합하게 구현된 프로그래머블 디바이스 소자(CPLD, FPGA), 주문형 반도체 연산장치(ASIC) 또는 마이크로 컨트롤러 칩일 수 있다. 또한, 다른 형태의 하드웨어로 구현될 수도 있음을 본 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 아크 검출 장치(100)는 배전선로에 흐르는 전류의 측정값에 대한 시계열 데이터를 획득한다(S810). 이때, 아크 검출 장치(100)는 각 상별 전류 순시값에 대한 시계열 데이터를 획득할 수 있다.

S810 단계가 수행되면, 아크 검출 장치(100)는 각 상별 전류 시계열 데이터에 대해 전처리를 수행한다(S820). 이때, 아크 검출 장치(100)는 각 상별 전류 시계열 데이터를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여 이산 푸리에 변환값을 출력할 수 있다. 즉, 아크 검출 장치(100)는 각 상전류 시계열 데이터에 대해 이산 푸리에 변환을 수행하여 이산 푸리에 변환값을 출력할 수 있다. 이때, 아크 검출 장치(100)는 동일한 시구간의 크기로 서로 중첩되지 않는 시구간에서 N개의 입력 데이터를 이용하여 N개의 이산 푸리에 변환값을 무빙 윈도우로 연산할 수 있다.

S820 단계가 수행되면, 아크 검출 장치(100)는 각 상전류의 이산 푸리에 변환값에 기초하여 각 상전류별 첨도를 연산한다(S830). 이때, 아크 검출 장치(100)는 각 상전류의 이산 푸리에 변환값의 평균값, 첨도 기댓값 및 분산에 기초하여 각 상전류의 첨도를 연산할 수 있다. 첨도는 전류 측정값의 확률 분포의 뾰족한 정도를 나타내는 척도이고, 각 상전류의 이산 푸리에 변환값의 확률 밀도 함수의 형태를 알아볼 수 있는 파라미터이며, 상전류의 이산신호의 분포가 얼마나 중심에 집중되어 있는가를 볼 때 사용될 수 있다.

S830 단계가 수행되면, 아크 검출 장치(100)는 전류 파형의 첨도 변화에 기초하여 첨도 변화율을 산출하고(S840), 첨도 변화율에 기초하여 아크 검출 여부를 판단한다(S850). 이때, 아크 검출 장치(100)는 샘플링 주기(Ts)를 변수로 이동 윈도우(moving window) 방식으로 기 설정된 일정 시간(Ttotal) 동안 전류의 첨도 변화를 감시하며, 경과된 누적 시간이 리셋 시간(Treset)에 도달하기 전 첨도 변화율이 일정 크기 이상으로 수 사이클(Tcycle) 동안 유지될 경우 최종 아크 판정을 내리게 된다. 아크 검출 장치(100)가 아크를 검출하는 상세한 설명은 도 9를 참조하기로 한다.

S850 단계의 판단결과, 아크가 검출되면, 아크 검출 장치(100)는 자신의 위치정보, 첨도 변화율 데이터 등을 포함하는 아크 발생 정보를 아크 구간 판정 장치(200)로 전송하다(S860).

아크 구간 판정 장치(200)는 아크 검출 장치(100)로부터 첨도 변화율 데이터를 포함하는 아크 발생 정보를 각각 수신하고, 첨도 변화율 데이터에 기초하여 아크 발생 구간을 판정한다(S870). 아크 구간 판정 장치(200)가 아크 발생 구간을 판정하는 방법에 대한 상세한 설명은 도 10을 참조하기로 한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 검출 장치가 아크를 검출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 전류 파형의 숄더 특성을 나타낸 예시도, 도 11은 도 10에 도시된 아크 전류 파형에 대해 첨도 연산부(130)에서 출력되는 신호를 보인 파형도이다.

도 9를 참조하면, 각 상전류의 첨도 값이 수신되면(S902), 아크 검출 장치(100)는 초기 이동 윈도우(moving window)를 이용하여 첨도 기준값(초기값, Kpre)을 생성한다(S904).

그런 후, 아크 검출 장치(100)는 전류 첨도 값의 변화에 기초하여 첨도 변화율을 산출하고(S906), 첨도 변화율이 기 설정된 임계값을 초과하는지 판단한다(S908). 이때, 아크 검출 장치(100)는 샘플링 주기(Ts)를 변수로 이동 윈도우 방식으로 소정의 시간(Ttotal) 동안 전류의 첨도 변화율을 감시하여 임계값을 초과하는지를 판단할 수 있다. 예를 들면, N개의 첨도 값이 수신된 경우, 아크 검출 장치(100)는 N개의 첨도 값에 기초하여 M개의 첨도 변화율을 생성하고, M개의 첨도 변화율을 임계값과 각각 비교할 수 있다.

S908 단계의 판단결과, 첨도 변화율이 임계값을 초과하면, 아크 검출 장치(100)는 경과된 누적 시간이 기 설정된 리셋 시간(Treset) 이내인지를 판단한다(S910).

S910 단계의 판단결과, 누적 시간이 리셋 시간 이내이면, 아크의 가능성이 높으므로, 아크 검출 장치(100)는 리셋 시간에 도달하기 전까지 첨도 변화율의 임계값 초과가 관측 기간(Tcycle) 동안 지속되는지를 판단한다(S912). 여기서, 관측 기간은 미리 설정된 기간으로, 임의로 변경될 수 있다. 예를 들어, 관측 기간은 5 cycle로 주어질 수 있다.

S912 단계의 판단결과, 리셋 시간에 도달하기 전까지 첨도 변화율의 임계값 초과가 관측 기간 동안 지속되면, 아크 검출 장치(100)는 아크가 발생한 것으로 판단하고(S914), 아크 발생 정보를 아크 구간 판정 장치(200)로 전송한다(S916). 여기서, 아크 발생 정보는 아크 검출 장치(100)가 설치된 배전자동화기기의 위치 정보, 첨도 변화율 데이터 등을 포함할 수 있다.

만약, S910 단계의 판단결과, 누적시간이 리셋시간 이상이면, 아크 검출 장치(100)는 초기화를 수행한다(S918). 누적 시간이 리셋 시간에 도달하였다면, 이는 누적 시간이 충분히 주어졌음에도 첨도 변화율이 임계값을 초과하는 양태가 일정 사이클 동안 지속되지 못한 채로 누적 시간이 리셋 시간(Treset)을 도과하였음을 의미할 수 있다. 따라서 아크 검출 장치(100)는 해당 샘플링 시간에서는 아크의 발생 가능성이 낮고 첨도 변화율을 더 이상 관측할 필요가 없다고 판단하여, 초기화를 수행할 수 있다. 즉, 아크 검출 장치(100)는 누적 시간(T) 및 첨도 변화율을 각각 리셋할 수 있고, 다음 샘플링 시간(Ts)에 첨도 기준값(Kpre) 및 첨도 값(Kpost)를 산출할 수 있도록 초기화를 수행할 수 있다.

S908 단계의 판단결과, 첨도 변화율이 임계값을 초과하지 않으면, 아크 검출 장치(100)는 S918 단계를 수행한다.

상기와 같은 방법을 이용한 아크 검출 효과를 검증하기 위하여, 도 10에 도시된 시험계통(또는 테스트계통)을 이용할 수 있다. 첨도 변화율을 확인하기 위해 시험계통을 시뮬레이션 시작 후 12초까지 정상상태를 유지하고, 12초 이후 노이즈(5고조파)를 발생하며, 15초 이후에 아크를 발생하는 것으로 가정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시험계통을 시뮬레이션을 수행하면, 첨도 연산부(130)는 도 11과 같은 신호를 출력할 수 있다. 본 발명에 따른 첨도 연산을 이용한 아크 검출 방법은 노이즈가 존재하는 환경에서 아크 검출이 가능한 해결 방법을 제공할 수 있다. 또한, 아크 발생에 따른 첨도 연산 결과 계측 A~D 지점을 기준으로 최외각에 위치한 계측기기 A의 첨도가 가장 낮게 형성되며, 아크 발생지점에 근접할수록 첨도가 증가(첨도 크기 : 계측기기 A < 계측기기 B < 계측기기 C < 계측기기 D)하는 특성이 있음을 확인할 수 있다. 상기와 같은 첨도 크기 특성을 활용하여 아크 발생 구간을 식별할 수 있다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 구간 판정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 12를 참조하면, 아크 구간 판정 장치(200)는 복수의 아크 검출 장치(100)로부터 첨도 변화율 데이터를 포함하는 아크 발생 정보를 각각 수신하고(S1202), 첨도 변화율 데이터에 기초하여 첨도 변화율 최대값을 전송한 최대 아크 검출 장치를 탐색한다(S1204).

S1204 단계가 수행되면, 아크 구간 판정 장치(200)는 최대 아크 검출 장치를 기준으로 각 모선의 upstream 또는 down stream 방향에 최근접한 아크 검출 장치(배전자동화기기)를 검색하고(S1206), 검색된 최근접 아크 검출 장치의 아크 발생 여부를 판단한다(S1208). 즉, 아크 구간 판정 장치(200)는 최근접 아크 검출 장치로부터 아크 발생 정보를 수신하였는지를 이용하여 아크 발생 여부를 판단할 수 있다.

S1208 단계의 판단결과, 최근접 아크 검출 장치에 아크가 발생한 경우, 아크 구간 판정 장치(200)는 최대 아크 검출 장치와 최근접 아크 검출 장치 간의 배전선로를 아크 미발생 구간으로 판정한다(S1210).

S1208 단계의 판단결과, 최근접 아크 검출 장치에 아크가 발생하지 않은 경우, 아크 구간 판정 장치(200)는 최대 아크 검출 장치와 최근접 아크 검출 장치 간의 배전선로를 1차 아크 발생 구간으로 판정한다(S1212).

S1212 단계가 수행되면, 아크 구간 판정 장치(200)는 1차 아크 발생 구간에 분기선로가 존재하는지를 판단한다(S1214).

S1214 단계의 판단결과, 1차 아크 발생 구간에 분기선로가 존재하면, 아크 구간 판정 장치(200)는 분기선로에 아크 검출 장치(100)(배전자동화기기)가 존재하는지를 판단한다(S1216).

S1216 단계의 판단결과, 분기선로에 아크 검출 장치(100)가 존재하면, 아크 구간 판정 장치(200)는 최대 아크 검출 장치와 분기선로의 아크 검출 장치(100)간의 구간 및 1차 아크 발생 구간을 모두 아크 발생 구간으로 최종 판정한다(S1218).

만약, S1216 단계의 판단결과, 분기선로에 아크 검출 장치(100)가 존재하지 않으면, 아크 구간 판정 장치(200)는 최대 아크 검출 장치와 분기선로 간의 구간 및 1차 아크 발생 구간을 모두 아크 발생 구간으로 최종 판정한다(S1222).

만약, S1214 단계의 판단결과, 1차 아크 발생 구간에 분기선로가 존재하지 않으면, 아크 구간 판정 장치(200)는 1차 아크 발생 구간을 아크 발생 구간으로 최종 판정한다(S1220).

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템 및 방법은, 배전선로의 일정 구간에 설치된 센서 수단의 검출 신호에 의해 배전선로의 아크 발생 여부를 판단할 수 있는 것은 물론, 검출 신호의 데이터 분석을 통해 배전선로의 아크 발생 구간을 정확히 판정할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

100 : 아크 검출 장치
110 : 전류 획득부
120 : 전처리부
130 : 첨도 연산부
140 : 아크 검출부
150, 210 : 통신부
160, 230 : 저장부
170, 240 : 제어부
200 : 아크 구간 판정 장치
220 : 아크 구간 판정부

Claims

각 배전선로에 흐르는 전류 측정값에 대한 시계열 데이터에 기초하여 상기 전류 측정값의 확률 분포에 따른 뾰족한 정도를 나타내는 척도인 첨도(Kurtosis)를 산출하고, 상기 산출된 첨도에 기초하여 아크 발생 여부를 판단하는 복수의 아크 검출 장치; 및
상기 복수의 아크 검출 장치로부터 첨도 변화율 데이터를 포함하는 아크 발생 정보를 각각 수신하고, 상기 첨도 변화율 데이터에 기초하여 아크 발생 구간을 판정하는 아크 구간 판정 장치
를 포함하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템.
제1항에 있어서,
상기 아크 검출 장치는,
상기 배전선로에 흐르는 전류 측정값에 대한 시계열 데이터를 획득하는 전류 획득부;
상기 전류 획득부로부터 전달받은 각 상별 전류 시계열 데이터를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여 이산 푸리에 변환값을 출력하는 전처리부;
상기 각 상전류의 이산 푸리에 변환값에 기초하여 각 상전류별 첨도를 연산하는 첨도 연산부; 및
상기 각 상전류별 첨도 변화에 기초하여 첨도 변화율을 산출하고, 상기 첨도 변화율에 기초하여 아크를 검출하는 아크 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템.
제2항에 있어서,
상기 전처리부는,
동일한 시구간의 크기로 서로 중첩되지 않는 시구간에서 일정 개수의 입력 데이터를 이용하여 일정 개수의 이산 푸리에 변환값을 이동 윈도우(moving window)로 연산하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템.
제2항에 있어서,
상기 첨도 연산부는,
각 상전류의 이산 푸리에 변환값의 평균값, 첨도 기댓값 및 분산 중 적어도 하나에 기초하여 각 상전류의 첨도를 연산하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템.
제2항에 있어서,
상기 아크 검출부는,
샘플링 주기를 변수로 이동 윈도우(moving window) 방식으로 기 설정된 시간(Ttotal) 동안 전류의 첨도 변화를 감시하여, 경과된 누적 시간이 리셋 시간(Treset)에 도달하지 않은 채로 첨도 변화율이 기 설정된 임계값을 초과하는 경우가 기 설정된 일정 사이클(Tcycle) 동안 지속되는 경우, 아크가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템.
제5항에 있어서,
상기 아크 검출부는,
상기 첨도 변화율이 임계값을 초과하는 경우가 일정 사이클(Tcycle) 동안 지속되지 못한 채로 누적 시간이 리셋 시간(Treset)을 도과하는 경우, 초기화를 수행하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템.
제5항에 있어서,
상기 아크 검출부는,
상기 아크가 발생한 것으로 판단된 경우, 위치정보 및 첨도 변화율 데이터를 포함하는 아크 발생 정보를 상기 아크 구간 판정 장치로 전송하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템.
제1항에 있어서,
상기 아크 구간 판정 장치는,
각 배전선로에 설치된 아크 검출 장치의 상태정보 및 위치정보를 포함하는 토폴로지 정보가 저장된 저장부; 및
상기 아크 발생 정보에 기초하여 첨도 변화율 최대값을 전송한 최대 아크 검출 장치를 탐색하고, 상기 토폴로지 정보에 기초하여 상기 최대 아크 검출 장치를 기준으로 업스트림 또는 다운스트림 방향에 최근접한 최근접 아크 검출 장치를 검색하며, 상기 최근접 아크 검출 장치의 아크 발생 여부를 기반으로 아크 발생 구간을 판정하는 아크 구간 판정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템.
제8항에 있어서,
상기 아크 구간 판정부는,
상기 최근접 아크 검출 장치에 아크가 발생한 경우, 상기 최대 아크 검출 장치와 최근접 아크 검출 장치 사이에 존재하는 배전선로를 아크 미발생 구간으로 판정하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템.
제8항에 있어서,
상기 아크 구간 판정부는,
상기 최근접 아크 검출 장치에 아크가 발생하지 않은 경우, 상기 최대 아크 검출 장치와 최근접 아크 검출 장치 사이에 존재하는 배전선로를 1차 아크 발생 구간으로 판정하고, 상기 1차 아크 발생 구간내 분기선로 존재 여부에 따라 아크 발생 구간을 최종으로 판정하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템.
제10항에 있어서,
상기 아크 구간 판정부는,
상기 1차 아크 발생 구간에 분기선로가 존재하지 않은 경우, 1차 아크 발생 구간을 최종 아크 발생 구간으로 판정하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템.
제10항에 있어서,
상기 아크 구간 판정부는,
상기 1차 아크 발생 구간에 분기선로가 존재하는 경우, 분기선로에 아크 검출 장치가 존재하는지를 판단하고, 그 판단결과에 따라 아크 발생 구간을 최종 판정하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템.
제12항에 있어서,
상기 아크 구간 판정부는,
상기 분기선로에 아크 검출 장치가 존재하는 경우, 상기 최대 아크 검출 장치와 분기선로의 아크 검출 장치 사이의 구간 및 1차 아크 발생 구간을 모두 아크 발생 구간으로 최종 판정하고,
상기 분기선로에 아크 검출 장치가 존재하지 않은 경우, 상기 최대 아크 검출 장치와 분기선로 사이의 구간 및 1차 아크 발생 구간을 모두 아크 발생 구간으로 최종 판정하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 시스템.
배전선로에 설치된 복수의 아크 검출 장치가 해당 배전선로에 흐르는 전류 측정값에 대한 시계열 데이터에 기초하여 상기 전류 측정값의 확률 분포에 따른 뾰족한 정도를 나타내는 척도인 첨도(Kurtosis)를 산출하고, 상기 산출된 첨도에 기초하여 아크 발생 여부를 판단하는 단계; 및
아크 구간 판정 장치가, 복수의 아크 검출 장치로부터 첨도 변화율 데이터를 포함하는 아크 발생 정보를 각각 수신하고, 상기 첨도 변화율 데이터에 기초하여 아크 발생 구간을 판정하는 단계
를 포함하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 방법.
제14항에 있어서,
상기 아크 발생 여부를 판단하는 단계는,
상기 아크 검출 장치가 배전선로에 흐르는 전류 측정값에 대한 시계열 데이터를 획득하는 단계;
상기 아크 검출 장치가 각 상별 전류 시계열 데이터를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여 이산 푸리에 변환값을 출력하는 단계;
상기 아크 검출 장치가 상기 각 상전류의 이산 푸리에 변환값에 기초하여 각 상전류별 첨도를 연산하는 단계; 및
상기 아크 검출 장치가 상기 각 상전류별 첨도 변화에 기초하여 첨도 변화율을 산출하고, 상기 첨도 변화율에 기초하여 아크를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 방법.
제15항에 있어서,
상기 이산 푸리에 변환값을 출력하는 단계에서,
상기 아크 검출 장치는, 동일한 시구간의 크기로 서로 중첩되지 않는 시구간에서 일정 개수의 입력 데이터를 이용하여 일정 개수의 이산 푸리에 변환값을 이동 윈도우(moving window)로 연산하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 방법.
제15항에 있어서,
상기 첨도를 연산하는 단계에서,
상기 아크 검출 장치는, 각 상전류의 이산 푸리에 변환값의 평균값, 첨도 기댓값 및 분산 중 적어도 하나에 기초하여 각 상전류의 첨도를 연산하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 방법.
제15항에 있어서,
상기 아크를 검출하는 단계에서,
상기 아크 검출 장치는, 샘플링 주기를 변수로 이동 윈도우(moving window) 방식으로 기 설정된 시간(Ttotal) 동안 전류의 첨도 변화를 감시하여, 경과된 누적 시간이 리셋 시간(Treset)에 도달하지 않은 채로 첨도 변화율이 기 설정된 임계값을 초과하는 경우가 기 설정된 일정 사이클(Tcycle) 동안 지속되는 경우, 아크가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 방법.
제18항에 있어서,
상기 아크를 검출하는 단계에서,
상기 아크 검출 장치는, 상기 첨도 변화율이 임계값을 초과하는 경우가 일정 사이클(Tcycle) 동안 지속되지 못한 채로 누적 시간이 리셋 시간(Treset)을 도과하는 경우, 초기화를 수행하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 방법.
제18항에 있어서,
상기 아크를 검출하는 단계에서,
상기 아크가 발생한 것으로 판단된 경우, 상기 아크 검출 장치는 위치정보 및 첨도 변화율 데이터를 포함하는 아크 발생 정보를 상기 아크 구간 판정 장치로 전송하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 방법.
제14항에 있어서,
상기 아크 발생 구간을 판정하는 단계에서,
상기 아크 구간 판정 장치는, 상기 아크 발생 정보에 기초하여 첨도 변화율 최대값을 전송한 최대 아크 검출 장치를 탐색하고, 기 저장된 토폴로지 정보에 기초하여 상기 최대 아크 검출 장치를 기준으로 업스트림 또는 다운스트림 방향에 최근접한 최근접 아크 검출 장치를 검색하며, 상기 최근접 아크 검출 장치의 아크 발생 여부를 기반으로 아크 발생 구간을 판정하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 방법.
제21항에 있어서,
상기 아크 발생 구간을 판정하는 단계에서,
상기 아크 구간 판정 장치는, 상기 최근접 아크 검출 장치에 아크가 발생한 경우, 상기 최대 아크 검출 장치와 최근접 아크 검출 장치 사이에 존재하는 배전선로를 아크 미발생 구간으로 판정하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 방법.
제21항에 있어서,
상기 아크 발생 구간을 판정하는 단계에서,
상기 아크 구간 판정 장치는, 상기 최근접 아크 검출 장치에 아크가 발생하지 않은 경우, 상기 최대 아크 검출 장치와 최근접 아크 검출 장치 사이에 존재하는 배전선로를 1차 아크 발생 구간으로 판정하고, 상기 1차 아크 발생 구간내 분기선로 존재 여부에 따라 아크 발생 구간을 최종으로 판정하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 방법.
제21항에 있어서,
상기 아크 발생 구간을 판정하는 단계에서,
상기 아크 구간 판정 장치는, 상기 1차 아크 발생 구간에 분기선로가 존재하지 않은 경우, 1차 아크 발생 구간을 최종 아크 발생 구간으로 판정하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 방법.
제21항에 있어서,
상기 아크 발생 구간을 판정하는 단계에서,
상기 아크 구간 판정 장치는, 상기 1차 아크 발생 구간에 분기선로가 존재하는 경우, 분기선로에 아크 검출 장치가 존재하는지를 판단하고, 그 판단결과에 따라 아크 발생 구간을 최종 판정하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 방법.
제25항에 있어서,
상기 아크 발생 구간을 판정하는 단계에서,
상기 분기선로에 아크 검출 장치가 존재하는 경우, 상기 아크 구간 판정 장치는 상기 최대 아크 검출 장치와 분기선로의 아크 검출 장치 사이의 구간 및 1차 아크 발생 구간을 모두 아크 발생 구간으로 최종 판정하고,
상기 분기선로에 아크 검출 장치가 존재하지 않은 경우, 상기 아크 구간 판정 장치는 상기 최대 아크 검출 장치와 분기선로 사이의 구간 및 1차 아크 발생 구간을 모두 아크 발생 구간으로 최종 판정하는 것을 특징으로 하는 배전계통의 아크 검출 및 구간 판정 방법.