KR20240069368A - 철도 배전선로 부분방전 진단용 디지털 필터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 철도 배전선로의 부분방전을 진단하기 위한 디지털 필터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 철도 배전선로의 다양한 노이즈 환경 특성에 따라 주파수대역을 선택할 수 있고, 데이터 처리의 동기 및 채널간의 시간진연이 발생하지 않는 디지털필터에 관한 것이다.
본 발명에 의한 철도 배전선로 부분방전 진단용 디지털 필터는 철도 배전선로 부분방전을 진단하는 신호처리부에서 부분방전 입력신호에 포함된 노이즈를 필터링하는 디지털 필터에 있어서, 최대 4Ch(PD 3Ch, Noise 1Ch) 동시 측정이 가능 한 RF 신호처리부를 포함하고, 주파수 대역은 LPF(Low Pass Filter), HPF(High Pass Filter) 및 BPF(Band Pass Filter)의 선택이 가능하다.
본 발명에 의한 철도 배전선로 부분방전 진단용 디지털 필터는 철도 배전선로 부분방전을 진단하는 신호처리부에서 부분방전 입력신호에 포함된 노이즈를 필터링하는 디지털 필터에 있어서, 최대 4Ch(PD 3Ch, Noise 1Ch) 동시 측정이 가능 한 RF 신호처리부를 포함하고, 주파수 대역은 LPF(Low Pass Filter), HPF(High Pass Filter) 및 BPF(Band Pass Filter)의 선택이 가능하다.
Description
본 발명은 철도 배전선로의 부분방전을 진단하기 위한 디지털 필터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 철도 배전선로의 다양한 노이즈 환경 특성에 따라 주파수대역을 선택할 수 있고, 데이터 처리의 동기 및 채널간의 시간진연이 발생하지 않는 디지털필터에 관한 것이다.
철도 배전을 위해 지중 전력케이블이 고속선과 일반선의 전 선로에 설치되어 있으나, 선로의 노후화가 전체적으로 진행되고 있음에도 개량율이 상대적으로 낮아 지중 배전선로의 장애와 사고가 매년 급격히 증가하고 있는 실정이다.
구체적으로, 2017년 기준으로 철도 분야에서 4700억원의 예산이 투입된 전기설비의 경우, 개량화 실적이 노후화속도를 따라 가지 못하는 것으로 나타나고 있으며, 철도시설 개량율 역시 23.3% 수준으로 매우 저조하게 나타나고 있다. 또한, 노후화 등의 이유로 발생하는 지중 배전선로 장애 및 사고가 전체 전력설비 장애 및 사고의 80%이상으로 대다수를 차지하고 있는 것으로 나타나고 있다.
철도 시설물에 대한 안전 확보를 위해서는 예방정비가 매우 중요함에도 불구하고 막대한 인력과 시간이 소요되는 상황에서 장애에 대한 제한된 정보만으로 불규칙적으로 발생하는 징후들을 조기에 발견하는 것은 거의 불가능한 것으로 인식되고 있다.
현재 이를 모니터링 할 수 있는 시스템으로는 유선 또는 무선 모니터링 시스템이 존재하며, 유선 모니터링 시스템은 대상체에 센서를 결합한 후, 유선 방식으로 전원을 공급하고 유선 통신 방식으로 데이터를 수집하여 모니터링 결과를 산출한다.
초고압 지중 전력케이블은 고장 시 대형고장으로 파급되는 경우가 많고, 복구에 많은 시간과 경제적 손실이 발생하므로 사전에 고장예방 진단이 필요하다. 이러한 이유로 전 세계적으로 초고압 XLPE(Cross-LinkedPolyethylene) 전력케이블 절연진단 방법 개발 연구가 다양하게 이루어졌으며, XLPE 전력 케이블의 경우, 발생된 부분방전 측정에 근거한 절연 진단이 가장 효과적인 방법으로 알려져 있다.
전력케이블 실선로에 발생되는 부분방전의 경우, 고주파 부분방전 측정법 (HFPD : High Frequency PartialDischarge Measurement)이 1980년대 중반이후 제안되었으며, 초고압 XLPE 선로의 준공시험 및 열화진단에는 2000년대 초반부터 기술 선진국 중심으로 널리 적용되고 있다. 또한 다양한 부분방전 진단 시스템이 개발되어 상용화가 확산 추세이며, 국제대전력망회의(CIGRE) Working group을 중심으로 2010년경부터 있는 실선로 부분방전 진단 기술들의 검증과 논의가 활발히 진행되어 국제규격을 만들고자 하는 실무진의 작업이 수 년에 걸쳐 진행되고 있다. 국내의 경우, 345kV XLPE 전력케이블이 설치되기 시작한 2003년 부터 준공시험 및 열화시험에 PD 진단기술의 적용필요성이 인식되어 부분적으로 해외제품이 수입되어 사용되기 시작하였다. 국내 관련기술이 태동되고 성능이 향상되어 최근들어 온라인 모니터링 시스템의 설치가 초고압 선로에 적용되는 사례가 증가하고 있다.
위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 철도 배전선로의 다양한 노이즈 환경 특성에 따라 주파수대역을 선택할 수 있고, 데이터 처리의 동기 및 채널간의 시간진연이 발생하지 않는 디지털필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 FIR(Finite Impulse Response) 방식의 디지털 필터로 구성하여 철도 배전선로의 다양한 환경에 따라 주파수 대역을 선택할 수 있는 디지털 필터를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 위상동기용 센서(노이즈 센서)로서 실시간 신호 데이터 측정은 최대 4Ch(PD 3Ch, Noise 1Ch) 동시 측정이 가능 한 구조로 설계 되며 철도 배전 선로의 다양한 노이즈 환경을 고려하여 Noise Gating 기능 및 디지털 필터를 펄스 기반 측정시 펄스 왜곡이 없도록 임피던스 매칭 기술을 적용할 수 있는 RF신호처리부가 구비된 철도 배전선로 부분방전 진단 시스템을 제공함에 있다.
위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 철도 배전선로 부분방전 진단용 디지털 필터는 철도 배전선로 부분방전을 진단하는 신호처리부에서 부분방전 입력신호에 포함된 노이즈를 필터링하는 디지털 필터에 있어서, 최대 4Ch(PD 3Ch, Noise 1Ch) 동시 측정이 가능 한 RF 신호처리부를 포함하고, 주파수 대역은 LPF(Low Pass Filter), HPF(High Pass Filter) 및 BPF(Band Pass Filter)의 선택이 가능하다.
또한 상기 디지털 필터는 유한 임펄스 응답필터(FIR, Finite Impulse Response)인 것이 바람직하다.
또한 상기 디지털 필터는 전체 동작대역이 1~50MHz이며, 중심주파수와 통과대역은 1.25MHz 단위로 조정되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 철도 배전선로의 다양한 노이즈 환경 특성에 따라 주파수대역을 선택할 수 있고, 데이터 처리의 동기 및 채널간의 시간진연이 발생하지 않는 디지털필터를 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 FIR(Finite Impulse Response) 방식의 디지털 필터로 구성하여 철도 배전선로의 다양한 환경에 따라 주파수 대역을 선택할 수 있게 된다.
철도 배전의 중간접속부인 접속함체와 맨홀과 외부 직선접속부로부터 각각 방전신호를 취득하기 위한 센서들과, 취득된 신호를 가공하여 부분방전 신호를 검출할 수 있는 효과가 있다.
특히, 철도 배전선로 접속함체 환경에 적합한 유도성 클램프 형태의 고성능 HFCT 센서를 통해 측정 주파수 대역 및 감도에 적합한 원형의 페라이트 소자를 적용하고, 탈부착이 용이한 효과가 있다.
또한, 철도 배전선로 맨홀, 지상 직선접속 환경에 적합한 유도성 접촉식 형태의 외장형 센서를 통해 센서에 적용되는 측정 주파수 대역 및 감도에 적합한 바형태의 페라이트 소자를 적용하고 역시 탈부착이 용이한 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 의한 실시예의 전체적인 구성을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 실시예의 제1센서의 센싱원리를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 실시예의 제1센서의 구조를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 의한 실시예의 제2센서의 구조를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 의한 실시예의 위상동기 센서를 나탠 것이다.
도 7은 본 발명에 의한 실시예의 노이즈 센서를 나탠 것이다.
도 8은 본 발명에 의한 실시예의 RF신호처리부의 블록다이어그램이다.
도 9는 본 발명에 의한 실시예의 데이터처리/통신부의 블록다이어그램이다.
도 10은 본 발명에 의한 실시예의 통합 분석 알고리즘을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 실시예의 제1센서의 센싱원리를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 실시예의 제1센서의 구조를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 의한 실시예의 제2센서의 구조를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 의한 실시예의 위상동기 센서를 나탠 것이다.
도 7은 본 발명에 의한 실시예의 노이즈 센서를 나탠 것이다.
도 8은 본 발명에 의한 실시예의 RF신호처리부의 블록다이어그램이다.
도 9는 본 발명에 의한 실시예의 데이터처리/통신부의 블록다이어그램이다.
도 10은 본 발명에 의한 실시예의 통합 분석 알고리즘을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 의한 실시예의 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 철도 배전선로 부분방전 진단 시스템은 접속함체로부터 방전신호를 취득하는 제1센서와, 맨홀로부터 방전신호를 취득하는 제2센서와, 독립 전원을 사용하는 환경에서 취득되는 부분방전 신호를 분석하기 위해 60Hz 전원 동기 소스측정이 가능한 위상동기용 센서와, 최대 4Ch(PD 3Ch, Noise 1Ch) 동시 측정이 가능 한 RF 신호처리부와, 측정 모듈 내부에 탑제된 저 전력으로 동작할수 있는 라즈베리 기반의 자체 분석 처리 장치 및 알고리즘을 적용하여 부분방전 발생 유/무를 판단 하고 알람 정보를 상위로 전송하며 필요시 Rawdata 확인이 가능한 데이터처리 및 통신부와, 펄스 기반 측정 및 유효 신호를 선별 할수 있는 펄스 형태 분석 기법 기반으로 인공지능형 알고리즘을 적용하여 노이즈 신호, 부분방전 신호, 외부 유입 신호를 분류 할수 있도록 구현 하고 철도 배전 선로 구성 특성상 3상 동시 측정 가능한 신호측정부를 포함한다.
(1) 제1센서(HFCT센서)
먼저, 상기 접속함체로부터 방전신호를 취득하는 제1센서로서 HFCT센서에 대하여 설명한다.
상기 HFCT (High Frequency Current Transformer) 센서는 전력설비 PD진단 시 가장 많이 사용되며 전력설비 시스템의 외부에 설치되기 때문에 전력설비 절연에는 영향을 주지 않습니다. 측정 주파수 대역은 2~200MHz이며 전력설비에 설치하여 부분방전 전류를 측정한다.
HFCT 센서의 구조는 페라이트와 같은 고주파 코어에 2차 권선을 감고 1차 권선은 코어의 중심을 관통한다. 이때 2 차측 권선의 인덕턴스 값은 권선수, 페라이트의 투자율과 단면적 그리고 자로 길이를 변화시켜 조정할 수 있다.
HFCT 센서의 센싱 원리 및 구조는 도 3을 참조한다.
○ 센서감소 : 5pC 이하의 결함 신호 검출
○ 주파수 검출대역 : 2~200MHz 이상
○ 취부 방식 : 외장형으로 철도 배전선로 접지 또는 케이블 단말에 탈부착
○ 센서 구조 :
-탈부착 가능한 클램프 형태 센서 구조
- 센서의 신호선 연결부는 N-Type Connector로 인출되는 구조
(2) 유도성 접촉식 센서
다음으로, 맨홀과 직선접속선로로부터 방전신호를 취득하는 제2센서는 철도 배전 선로 맨홀, 지상 직선접속 환경에 적합한 유도성 접촉식 형태의 외장형 센서이며 센서에 적용 되는 측정 주파수 대역 및 감도에 적합한 바 형태의 페라이트 소자 개발 기술 및 탈 부착이 용이하다. 특히 맨홀 침수 환경에 적합하도록 방수 기능이 있다.
○ 센서감소 : 5pC 이하의 결함 신호 검출
○ 주파수 검출대역 : 2~200MHz 이상
○ 취부 방식 : 외장형으로 철도 배전선로 외피에 취부가능 구조
○ 센서 구조 :
- 외피에 탈부착이 가능한 바 형태 센서 구조
- 센서의 신호선 연결부는 BNC Connector로 인출되는 구조
(3) 위상동기 센서
본 실시예에서 위상동기 센서는 철도 배전선로에 흐르는 전류를 유도하여 60Hz 전류파형을 유도하는 센서로서 부분방전 패턴 분석 시 위상 정보를 제공하는 역할을 한다. 위상동기 센서는 탈부착이 가능하며 로그스키 타입 센서로서 코어가 공심으로 되어 있어 대전류가 유도 되어도 자계포화가 없다는 장점을 가진다. 따라서 철도 운행으로 인한 전류의 변화가 큰 환경에서도 전류 파형을 왜곡없이 측정할 수 있다.
○ 측정 전류 범위 : 1~300A
○ 출력 : 1~100mV
○ 취부 방식 : 외장형으로 철도 배전선로 본 케이블에 탈부착
○ 센서 구조 :
- 탈부착 가능한 로고스키 형태 센서 구조
- 센서의 신호선 연결부는 BNC Connector로 인출되는 구조
(4) 노이즈 센서
본 발명에 의한 실시예의 노이즈 센서는 철도 배전 선로 특성상 노이즈가 많은 환경 이므로 노이즈 영향을 최소화하기 위한 노이즈 센서가 구비된다.
○ 측정 원리 : Electromagnetic 센싱으로 외부 코로나 노이즈 감지
○ 주파수 검출대역 : 15~500MHz 이상
○ 취부 방식 : 외장형 자석식으로 접속함체 외부에 취부 가능
○ 센서 구조 :
- 패치 안테나 내장 형태로 외부 부착 가능 구조
- 센서의 신호선 연결부는 N-Type Connector로 인출되는 구조
(5) RF신호처리부
본 발명에 의한 실시예에서 RF신호처리부는 실시간 신호 데이터 측정은 최대 4Ch(PD 3Ch, Noise 1Ch) 동시 측정이 가능 한 구조로 설계 되며 철도 배전 선로의 다양한 노이즈 환경을 고려하여 Noise Gating 기능 및 디지털 필터 기능이 가능하도록 설계 및 구현할 예정이다. 특히 펄스 기반 측정시 펄스 왜곡이 없도록 임피던스 매칭 기술을 적용 구현이 필수적이다. 상기 RF신호처리부는 센서 정합, 서지 억제, 저주파 잡음억압, 미약신호 증폭 및 조정, 이미지, 필터, ADC정합 기능을 포함한다.
○ 측정범위 : 신호입력: ~±10dBm, 이득 30dB, 입/출력 임피던스: 50Ω
○ 외관 설계 : 유지보수 편리, 4체널 일체형, 배선없는 착탈식 신호연결구조
(6) 데이터 처리/통신부
본 발명에 의한 데이터처리/통신부는 무선 통신 여건상 많은 데이터를 상위로 보낼수 없어 측정 모듈 내부에 탑제된 저 전력으로 동작할수 있는 라즈베리 기반의 자체 분석 처리 장치 및 알고리즘을 적용하여 부분방전 발생 유/무를 판단 하고 알람 정보를 상위로 전송하며 필요시 Rawdata 확인이 가능한 구조이다.
○ 주요기능 : Analog to Digital Converter, Synchronized Signal processing, Dual Sync signal Generation
○ 측정범위 : 신호입력 : ~ 2Vpp, 12bit Resolution, Ethernet 10/100M
○ 외관 설계 : 유지보수 편리, 체널 일체형 (PD 3, Noise 1, Sync 1)
배선없는 착탈식 신호연결구조
철도 배전선로 진단은 철도 운행 및 외부 노이즈의 영향을 최소화하면서 케이블 접속부 및 절연체에서 발생되는 수 pC 이하의 아주 미소한 신호를 검출하여야 하므로 각종 노이즈 제거 기술이 적용된다.
전력설비 진단에 적용되는 PD 검출방식은 그림와 같이 스펙트럼 어낼라이저(Spectrum Analyser)와 같은 주파수 영역분석(Frequency Domain Analysis) 기술과 오실로스코프와 같은 시간영역 분석(Time Domain Analysis) 기술이 적용된다.
주파수를 조정하는 방식은 Zero-span mode와 Full-spectra mode가 사용된다. Zero-span mode는 그림와 같이 중심주파수를 가지는 협대역의 신호를 검출하는 방식이다. Full-spectra mode는 중심주파수를 이동하면서 전체대역의 신호를 검출하는 방식이다. 일반적으로 주파수 튜닝법을 이용하는 부분방전 장비는 Full-spectra mode를 사용한다. 주파수 튜닝 기법의 장점은 S/N비가 우수한 협대역의 신호를 취득하여 증폭을 하므로 노이즈의 영향을 최소화하며 측정감도가 우수하다는 점이다. 또한 시간영역 분석장비에 비해서 측정방법이 간편하고 분석이 쉽다는 장점을 가진다.
ⓐ 주파수별 PRPD 기법구현(주파수 튜닝기법)
이같이 주파수 튜닝기법을 이용한 노이즈제거 기술은 진단장비의 측정 주파수 대역중 부분방전 신호에 비해 노이즈가 적은 대역, 즉 S/N(Signal to Noise ratio)이 높게 나타나는 영역이 존재하며, 신호대 잡음비가 높은 주파수 대역을 튜닝하여 노이즈 신호를 줄이고 PD 신호만 크게 나타내어 측정하는 기법을 말한다.
ⓑ 노이즈 게이팅 기법
철도 배전선로 철도 운행 및 급전선 등 옥외 충전부에서 발생하는 코로나 노이즈는 크기가 클 뿐만 아니라 주파수 특성도 부분방전 신호와 유사하다. 이러한 코로나 노이즈를 제거하는 방법으로 주로 노이즈게이팅 기술을 적용한다. 그림에 제시한 바와 같이 부분방전 센서와 함께 공기중으로 노이즈 센서를 장착하면 PD 센서로는 노이즈가 혼합된 PD 신호가 입력되고 안테나를 통해서는 공중파 노이즈가 입력되므로 노이즈 게이트를 제어하여 순수한 PD 신호만 출력하는 방식이다.
(9) 신호 측정 및 구분 알고리즘
철도 배전선로 부분방전 통합 분석 알고리즘 절차는 그림에 나타 내었다. 전체 알고리즘 구성에서 특히 (가)~(라)에 해당하는 총 4가지의 핵심 알고리즘을 적용 하였다. 안전감시 센서모듈의 목적은 노이즈가 많은 환경에서 진성 PD가 발생하는 개소를 운영자의 개입 없이 자동으로 분석 및 PD발생 유형 판단을 해주어야 한다. 또한 PD발생 개소가 1개소가 아닌 다중 개소 발생시에도 분석이 가능하여야 한다. 철도 배전선로 특성상 기존 상용 모니터링 시스템의 주파수 분석이 기본이 되는 방식으로는 한계가 있다고 판단되어 방전원에서 방전이 발생하여 전파 되었을 때 전파 경로 및 매질에 따라서 펄스 주파수 및 모양이 변화하는 특성에 집중하여 핵심 알고리즘 첫번째 부분방전 펄스 기반 자동판단 알고리즘을 적용하였다. 적용된 알고리즘을 통해 PD발생, PD유입, Noise 펄스 분류가 가능하고 PD발생 펄스만을 추출하여 PRPS매핑을 통한 유형판단이 가능하다. 특히 중간접속 개소 같은경우 1회선이 3상으로 구성되어 있어 상판단에 특화된 3PARD 알고리즘을 적용하여 상판단을 추가적으로 분석 할수 있다.
Claims (3)
- 철도 배전선로 부분방전을 진단하는 신호처리부에서 부분방전 입력신호에 포함된 노이즈를 필터링하는 디지털 필터에 있어서,
최대 4Ch(PD 3Ch, Noise 1Ch) 동시 측정이 가능 한 RF 신호처리부를 포함하고,
주파수 대역은 LPF(Low Pass Filter), HPF(High Pass Filter) 및 BPF(Band Pass Filter)의 선택이 가능한 것을 특징으로 하는 철도 배전선로 부분방전 진단용 디지털 필터.
- 제1항에 있어서,
상기 디지털 필터는 유한 임펄스 응답필터(FIR, Finite Impulse Response)인 것을 특징으로 하는 디지털 필터.
- 제1항에 있어서,
상기 디지털 필터는 전체 동작대역이 1~50MHz이며, 중심주파수와 통과대역은 1.25MHz 단위로 조정되는 것을 특징으로 하는 디지털 필터.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220150807A KR20240069368A (ko) | 2022-11-11 | 2022-11-11 | 철도 배전선로 부분방전 진단용 디지털 필터 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20240069368A true KR20240069368A (ko) | 2024-05-20 |
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ID=91283036
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| KR1020220150807A KR20240069368A (ko) | 2022-11-11 | 2022-11-11 | 철도 배전선로 부분방전 진단용 디지털 필터 |
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| KR (1) | KR20240069368A (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102139825B1 (ko) | 2020-05-29 | 2020-07-30 | (주) 에스엠엔디 | 전력케이블 절연열화 진단용 독립전원 및 부분방전 센서 독립형 무선통신 IoT PD센서, 전력케이블 절연열화 진단시스템 및 전력케이블 절연열화 진단관리방법 |
| KR102234034B1 (ko) | 2020-12-07 | 2021-03-30 | (주) 에스엠엔디 | 3ppa 알고리즘 구현을 통한 pd 발생원 분석 장치 및 방법 |
| KR102447125B1 (ko) | 2022-04-27 | 2022-09-27 | 주식회사 포에스텍 | 철도배전선로의 게이트웨이 유닛을 이용한 안전 감시 시스템 |
-
2022
- 2022-11-11 KR KR1020220150807A patent/KR20240069368A/ko unknown
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