WO2017014607A1 - 하드웨어 기반의 노이즈 제거 기능을 구비한 빅데이터용 iot 부분방전 검출 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두 개의 지향성 안테나의 출력값을 비교하여 노이즈를 제거하는 하드웨어 기반의 부분방전 노이즈 제거 장치로서, 종전의 외장형 노이즈 안테나와 노이즈 제거 알고리즘 소프트웨어를 사용하지 않고 노이즈를 효과적으로 제거하기 때문에 경제적이면서도 고신뢰도의 장치 제작이 가능하고, 이는 나아가 부분방전 빅데이터 취득용 IoT 센서로 적용 가능한 부분이다.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 27.07.2016]　하드웨어 기반의 노이즈 제거 기능을 구비한 빅데이터용 IoT 부분방전 검출 센서

본 발명은 하드웨어 기반의 노이즈 제거 기능의 부분방전 검출 센서 장치에 관한 것으로, 부분방전 발생시 발생되는 전자기파 신호 이외에 부분방전 전자기파 측정의 정확도를 저해하는 외부 노이즈 성분을 구별하고 배제하는 부분방전 센서에 관한 것으로서,

더욱 상세하게는, 출력응답 특성이 미리 파악된 두 개의 지향성 안테나를 근접 배치하여 전자기파 수신 조건의 동일성을 최대화 하고 지향각을 서로 달리한 상태에서, 미리 파악된 안테나 특성을 감안하여 동시에 실시간으로 상호 간의 출력응답 값 차이를 비교하여, 진단 대상의 외부에서 발생된 노이즈와 내부에서 발생된 부분방전 신호를 구별하여 노이즈는 제거하고 부분방전 신호는 출력하는 액티브형 부분방전 검출용 IoT 센서 장치에 관한 것이다.

종래의 부분방전 진단장치는 두 가지 서로 다른 종류 안테나를 별도로 설치하였다. 즉, 무지향성의 외장형 노이즈 센서와 금속 함체의 일 측면이 개방된 형태로 개방면을 진단대상설비로 향하게 부착하는 부분방전 센서를 이용하여 외부 노이즈를 제거하려고 하였다. 하지만, 실제 현장 적용 결과 외부 노이즈 안테나 콘넥터의 접촉 불량, 동축케이블 선로의 단선 등의 문제로 두 안테나 간에 연동이 잘 되지 않는 등 실제 현장에 적용하기 어려움이 있었다. 또한, 광대역 모바일 노이즈 증가로 노이즈게이팅 방식의 노이즈 제거 방식은 도리어 부분적으로 부분방전 신호를 제거하는 역효과가 있었다. 또한, 기중 코로나 방전, 플라즈마 용접기 등과 같이 부분방전과 유사한 외부 노이즈 원에 대한 대책이 미미한 실정이었다,

한편, 로그앰프 반응속도차를 이용한 노이즈 제거 방법은 모바일 신호 제거 기능과 코로나 신호 구별 기능은 양호하지만, 전자기파의 외부와 내부에 대한 방향 구분이 불가능한 단점이 있어서, 진단 대상설비 외부에서 기중 코로나와 같이 부분방전 신호와 유사한 외부 노이즈가 발생할 경우 노이즈 제거에 한계가 있었다.

따라서, 위와 같은 기술적 어려움으로 부분방전 빅데이터 취득을 도모할 수 없었지만, 시대적 요청에 따라 경제적이면서도 고신뢰도의 센서가 필요한 상황이다.

본 발명의 목적은, 종전과 달리 부분방전 진단시 별도의 외장형 노이즈 센서와 고가의 노이즈 제거 알고리즘 소프트웨어를 사용하지 않으며, 하드웨어 기반으로 수신된 전자기파 신호를 외부와 내부로 구분하고, 외부 노이즈는 제거하고 내부 부분방전 신호는 통과시키는 즉, 하드웨어 기반의 외부 노이즈 제거 기능이 있는 액티브형 부분방전 센서 장치를 제공하는 데 있다. 보다 상세하게는, 센서장치 내부에 안테나 특성이 상호 동일하거나 또는 안테나 특성이 상호 다르더라도 그 특성을 미리 파악한 지향성 안테나 두 개를 같은 함체에 배치 또는 근접 배치한 상태에서 평행축선 상에서 서로 반대 방향으로 지향각을 달리하여 내부방향 및 외부방향 전자기파를 지향성 안테나에서 각각 수신하고, 사전에 파악된 각 지향성 안테나 출력응답특성 값에서 구해지는 연산식 또는 캘리브레이션을 통해 구해지는 연산식을 이용하여 연산하되, 그 연산 결과로 외부 노이즈 성분이 상쇄 제거되는 결과로, 외장 노이즈 센서와 노이즈 제거 알고리즘 소프트웨어가 불필요한 경제적이면서도 고신뢰도의 하드웨어 기반의 부분방전 검출용 IoT 센서 장치를 제공하여 나아가 신뢰성있는 부분방전 빅데이터 취득을 도모케 함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 노이즈 제거 장치는, 상호 동일한 출력응답 특성을 가진 안테나이거나 또는 상호 특성이 다르더라도 사전에 출력응답특성이 파악된 두 개의 지향성 안테나가 구비된 안테나부, 각 안테나의 출력을 증폭하거나 부증폭 즉 감쇄시키는 가변 증폭부, 가변 증폭부의 출력응답을 입력받아 미리 파악되었거나 또는 현장 캘리브레이션을 통해 얻어지는 연산식을 실행하는 연산부, 외부 제어 또는 현장 수동 세팅으로 상기 가변 증폭부에 증폭 또는 감쇄 설정값을 제공하는 장치, 그리고 전원 및 통신단자로 구성된 것을 특징으로 하는 액티브형 부분방전 전자기파 검출용 센서이다.

상기 안테나부의 제1 안테나와 제2 안테나는 동일특성 또는 비동일 특성의 지향성 안테나로 구성된다. 그 적용되는 지향성 안테나는 여덟 가지 방향의 전자기파 수신 특성이 사전에 파악되어 있어야 하거나, 캘리브레이션 기능을 구비한 외부 장치를 통해 가변 증폭부 설정값을 세팅할 수 있어야 하되 설정값에 따라 증폭과 영증폭과 부증폭이 모두 되는 저노이즈 UHF대역 초고주파 증폭기인 것을 특징으로 한다.

하나의 방법으로, 상기 가변 증폭부는 상기 연산식을 중심으로, 상기 연산부에서 외부 노이즈는 상쇄가 되도록 외부에서 원격으로 세팅한 설정값에 따라 증폭도를 가감할 수 있는 것을 특징으로 한다.

부연하자면, 상기 연산증폭부는 제1 안테나와 제1 가변증폭부를 거쳐 입력된 값과 제2 안테나와 제2 가변증폭부를 거쳐 입력된 값의 차이를 연산하되, 진단대상 외부 방향의 신호는 상쇄되고 진단대상 내부 방향의 신호는 남게 되도록 연산을 하는 것을 특징으로 한다.

다음은 외부 노이즈 상쇄 연산의 간단한 일례이다. 단, 두 개의 지향성 안테나는 동일 특성을 지닌다고 가정한다.

A_ab는 진단대상설비의 외부방향에서 본 발명 장치로 입사된 전자기파에 대한 하나의 전면부 수신 안테나의 출력응답이라고 가정하고, B_ba는 진단대상설비 내부방향에서 본 발명 부분방전 센서로 입사된 전자기파에 대한 다른 하나의 전면부 수신 안테나의 출력응답이라고 가정한다. m은 그 안테나의 전면부와 후면부의 출력응답의 관계를 나타내는 비례상수이다.

제1 안테나 출력응답 요소는 A_{ab1 ,} mB_ba1(dBm)이고 제2 안테나 출력응답 요소는 mA_{ab2 ,} B_ba2(dBm) 이 될 것이다. 이 때 제1 가변증폭부의 증폭도를 부여함에 있어서, A_ab1 가 mA_ab2 와 같은 피크 세기로 될 수 있도록 세팅하고, 제2 가변증폭부의 증폭도를 0 dB 세팅하면 각각의 출력응답요소는 제1 가변증폭부의 경우 mA_{ab1 ,} (2m)B_ba1 가 출력응답되고 제2 가변증폭부의 경우 mA_{ab2 ,} B_ba2 이 출력응답된다. 이때 연산부의 기능이 제1 가변증폭기 요소에서 제2 가변증폭기의 요소를 빼는 감산기의 기능이라면, 연산부의 출력응답 결과값은 (2m - 1)B_ba 이 된다. 즉, 외부방향에서 입사된 전자파 성분 A_ab은 제거되고 내부방향에서 입사된 B_ba 전자파 성분만 남게 된다. 이러한 원리로 외부 노이즈 성분을 제거 할 수 있으며, (2m - 1) 계수는 미도시 된 다음 단계의 증폭부에서 보상할 수 있고, 결과적으로 내부방향에서 입사된 부분방전 전자파 성분을 구할 수 있다.

상호 비동일 특성의 지향성 안테나를 적용할 경우에도 미리 파악된 계수를 적용하여 동일한 결과를 얻을 수 있으며,

또한, 상호 동일 특성의 지향성 안테나 또는 상호 비동일 특성의 지향성 안테나를 적용한 경우라 할지라도, 캘리브레이션에 의한 자동 세팅에 의해 동일한 결과를 얻을 수 있다.

물론, 내부방향의 전자기파 성분에는 부분방전 전자기파 이외에 모바일 노이즈 등이 혼재되어 있을 수 있으나, 진단 대상 설비 내부로 노이즈가 유입이 되지 않도록 차폐를 시행해야 하며, 유입된 경우라 하더라도 미도시된 다음 단계의 로그앰프 속도차 노이즈 제거 장치를 구비하여 2차적으로 제거 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 그 대상을 한정하지는 않지만, 철도설비, 수배전설비, GIS, MTR, 배전용 변압기 등과 같은 전력설비와 ESS 설비, 전기차 충전기, 전기차 파워트래인, 전기차 배터리 등과 같은 설비의 부분방전 이상신호 전자기파 검출에 있어서, 외부의 전자기파 노이즈 즉, 기중 코로나 혹은 모바일 신호와 같은 외란을 제거 할 수 있고, 종전의 외장형 노이즈 센서를 설치하지 않아도 되는 장점과 종전의 센서 제작비용에 큰 비중을 차지하고 있던 케이스 제작비용을 절감할 수 있는 장점과 하드웨어 기반의 노이즈 제거 방식이기 때문에 후단의 소프트웨어 비용을 줄일 수 있어서, 경제적이면서도 고신뢰도의 빅데이터 및 IoT용 부분방전 이상신호 검출 센서 제작이 가능해진다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 회로 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 장치의 제작 예시이다.

도 3은 본 발명에 따른 장치의 제작 예시의 내부 구조이다.

본 발명에서는 부분방전 진단의 최고 현안 중의 하나인 외부 노이즈 제거 기능을 구현함에 있어, 상호 동일 특성 또는 상호 비동일 특성의 지향성 안테나의 전자기파 수신 방향 차이에 따른 출력응답 차이를 비교 연산함으로써 진단대상설비 외부 방향의 전자기파 성분을 제거하고 진단대상설비 내부 방향의 전자기파 성분을 다음 단계로 통과시키므로 보다 정확한 부분방전 진단을 도모할 수 있는 액티브형 부분방전 검출용 IoT 센서 장치이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 부분방전 검출용 IoT 센서의 노이즈 제거 장치의 구성을 도시한 도이다.

도 1에 표시한 바와 같이, 본 발명에 따른 부분방전 노이즈 제거 장치는 제1 안테나(101)와 제2 안테나(102)를 구비하고 있다. 상기 안테나(101, 102)는 전 방향에 걸쳐 상호 동일한 특성의 마이크로스트립 안테나일 것을 우선 적용하지만, 경우에 따라 상호 비동일한 특성의 안테나를 적용할 수 있다.

상기 안테나(101, 102)는 전면부와 후면부가 상호비례적 특성이 있는 광대역 UHF 지향성 안테나인 것을 특징으로 한다. 마이크로스트립 안테나의 경우, 제품에 따라 다르겠지만, 후면부는 전면부 대비 수신출력응답은 는 약 33%를 나타낸다.

상기 안테나(101, 102)의 배치는 일 예로 상호간 간섭을 주지 않게끔 동일 함체 내의 격벽 등의 기구물을 이용하여 최대한 근접하여 설치하고, 지향 방향은 동일 축선 상의 평행선에 위치하되 지향방향을 상호 반대로 하여, 각 전자기파 수신의 오차는 최소화하되, 방향의 차이에 따른 출력응답 신뢰도는 극대화하도록 배치하는 것을 특징으로 한다.

제1 안테나(101)의 출력응답은 제1 가변증폭부(103)을 거쳐 연산부(105)의 일단에 입력되고, 제2 안테나(102) 출력응답은 제2 가변증폭부(104)을 거쳐 연산부(105)의 다른 일단에 입력된다.

가변증폭부(103, 104)는 외부 설정값에 따라 0dB 무증폭을 포함한 0dB 이하의 가변 감쇄기로도 또는 0dB 이상의 가변 증폭기로도 작용하는 소자를 우선 적용하지만, 이를 제한하지 않는다.

각각의 안테나에 각각의 가변증폭부를 연결하는 이유는 전파속도와 위상 등을 동일 조건으로 두기 위함이며, 신호의 세기가 클 경우에 따라서 하나는 감쇄를 다른 하나는 증폭을 해야 하기 때문이다.

제1 가변증폭부(103)의 세팅치는 제1 설정값 제공장치(107)로부터 제공 받는다. 이때 그 설정값은 외부로부터 원격으로 제2 단자(109)를 통하여 수신받거나, 다른 경우로, 임의의 수동 세팅이 가능하도록 한다.

또한, 제2 가변증폭부(104)의 세팅치도 마찬가지로 제2 설정값 제공장치(108)로부터 제공 받고, 그 설정값은 외부로부터 원격으로 제3 단자(110)을 통하여 수신받거나, 다른 경우로, 임의의 수동 세팅이 가능하도록 한다.

상기 설정값 제공장치(107, 108)가 원격으로 설정값 수신시, 설정값 제공장치(107, 108)는 예를 들면 시프트 레지스터, 랫치와 같은 반도체 소자가 될 수 있으며, 전송방식은 비동기 직렬 데이터 방식을 적용할 수 있다.

상기 가변증폭부 설정값 제공장치(107, 108)를 임의로 수동 세팅의 경우 딥스위치 또는 가변저항 또는 고정 저항 등과 같은 수동 소자로 대체될 수 있다.

연산부(105)는 적용 예로 Difference Amplifier, Substractor, Differential Amplifer, Operational Amplifier와 같은 능동 소자를 적용할 수 있으며, 입력값에 대한 산술연산을 하고 그 결과값을 제1 단자(106)을 통하여 미도시된 다음 단계의 장치로 전송한다.

입출력응답 단자(111)는 임피던스가 50 Ohm인 SMA 타입 또는 N 타입 등의 초고주파용 아날로그 콘넥터를 적용하며, 동작 전원과 저속 직렬 데이터를 동시에 구현하는 것을 우선 적용한다.

입출력응답 단자(111)는 장치 내부의 제1 단자(106), 제2 단자(109), 제3 단자(110)와 연결이 되지만, 전원공급의 경우 미도시된 레귤레이터 등으로 전압강하를 보상할 수도 있다.

상기 가변증폭부(103, 104) 중의 어느 하나 또는 전부는 경우에 따라 증폭도가 미리 세팅된 고정값 증폭부로 대체될 수 있다.

상기 가변증폭부 설정값 제공장치(107, 108) 중 어느 하나 또는 전부는, 미도시 되었지만, 외부장치의 자동 캘리브레이션 기능에 의해 원격으로 자동 세팅될 수 있다.

자동 캘리브레이션에 의한 원격 자동 세팅의 방법은, 진단대상설비와 유사한 구조물에 본 발명의 장비를 취부하고 진단대상설비 내부에 어떤 한 주파수의 전자기파를 방사하고, 진단대상설비 외부에 다른 어떤 한 주파수의 전자기파를 방사시키고, 미도시된 외부 캘리브레이션 장비는 본 발명 장비의 출력응답의 주파수를 분석하여 외부의 주파수가 소멸되고 내부의 주파수가 최대가 되는 지점을 가변증폭부 설정값 제공장치(107, 108)와 상호 연동하여 찾아 세팅하는 방법이다.

상기 연산부(105)는 연산의 목적을 달성하기 위하여, 반드시 능동소자일 필요는 없다. 경우에 따라서 직결 또는 수동소자 또는 능동소자 가운데 적어도 하나의 요소이거나, 두 요소 이상의 결합으로 구성되거나, 두 단계 이상의 다단계의 요소들로 구성될 수 있다.

상기 연산부(105)는 미도시된 로그앰프와 피크홀드 또는 샘플홀드 회로가 구비된 아날로그-디지털 변환장치로 대체될 수 있으며, 이 경우 아날로그-디지털 변환장치를 제어하는 DSP, FPGA, CPLD와 같은 제어부를 구비할 수 있고, 이 경우 제어부는 상기 가변증폭부 설정값 제공장치(107, 108)를 제어할 수 있으며, 내부 펌웨어 기능에 따라 또는 외부 제어에 따라 PRPD/PRPS와 같은 데이터 값을 제1 단자(106)을 경유하여 출력할 수 있다. 이 경우 입출력단자(111)는 데이터 계층과 물리계층으로 Ethernet, CAN, LIN, Toslink 옵티컬 단자 가운데 하나를 대체 적용 할 수 있지만 제한을 두지는 않으며, 옵티컬 단자가 될 경우 별도의 전원포트를 분리해야하며, 직렬 디지털 데이터 통신포트의 경우 전원을 통합할 수 있다.

또한, 상기 연산부(105)는 생략될 수 있으며 이 경우, 미도시 되었지만, 다음단계의 외부 장치로 가변증폭부(103, 104)의 출력이 직접 전송될 수 있고, 이 경우 입출력단자(111)는 두 개의 SMA 타입 또는 N 타입 등의 초고주파용 아날로그 콘넥터로 분리되어 대체된다.

도 2는 본 발명에 따른 장치의 제작 예시이다.

도 2에 예시된 바와 같이, 제1 안테나(101)과 제2 안테나(102)는 상호 간섭은 피하되 전파수신의 동질성을 유지하기 위해 대각선 방향으로 같은 함체(100)에 설치되어 있다.

제1 안테나(101)과 제2 안테나(102)는 공히 전면부와 후면부가 개방된 구조에 설치되어 있어 전문부와 후면부 동시에 양방향으로 전파를 수신할 수 있다.

함체(100)은 전자파를 차폐할 수 있는 금속재질이거나 내부에 페라이트 코팅이 되어 있는 엔지니어링 플라스틱 재질일 수도 있다.

도 3은 본 발명에 따른 장치의 제작 예시의 내부 구조이다.

도 3에 예시된 바와 같이, 제1 PCB(112)와 제2 PCB(113)은 함체 내부에 설치되어 있으며 외부 전자파에 의한 교란을 막기 위해 평상시는 쉴딩이 되는 구조이다.

제1 PCB(112) 상에는 제1 가변증폭부와(103)와 제2 가변증폭부(104)와 제1 가변증폭부 설정값제공장치(107)와 제2 가변증폭부 설정값제공장치(107)와 제2단자(109)와 제3단자(110)로 구성될 수 있다.

제2 PCB(113) 상에는 연산부(105)와 입출력단자(111)와의 결합부분이 구성될 수 있다.

상기에서 전술한 연산부를 대체할 수 있는 부품은 또한 제2 PCB(113) 상에 구성될 수 있다.

입출력단자(111)은 함체의 측면에 설치되며, 전원과 저속 직렬 데이터 통신 신호와 UHF 대역의 마이크로파 신호를 송수신한다.

상기에서 전술한 바와 같이 연산부가 디지털 처리장치로 대체된다면, 입출력단자(111)은 그에 상응하도록 대체될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 외부 노이즈 제거 장치와 방법에 대하여 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않고, 기술사상이 보호되는 범위 이내에서 응용될 수 있다.

본 발명은 별도의 외부 노이즈 안테나를 설치하지 않고도 경제적이며 효과적으로 외부 노이즈를 제거하여 부분방전 검출의 오동작을 방지하고 부분방전 진단의 정확도를 제고할 수 있다. 따라서, 전력의 발전과 전송에 관련된 현장의 부분방전 진단용 센서의 초단 액티브 필터 용도 뿐만 아니라, 개시되지는 않았지만, 그 자체로도 ESS 설비용 부분방전 검출 센서, 전기차 부분방전 검출 센서 및 전기차 충전기 부분방전 검출 센서 등에 적용할 수 있으며, 나아가 외부 노이즈에 따른 오동작 및 오경보 문제를 제거할 수 있기 때문에 빅데이터 및 사물인터넷(IoT)용 부분방전신호 검출 센서에 적용 가능하며, 전력설비 건전성 원격 모니터링의 초단 단말에 적용될 수 있으며, 향후 고해상도 부분방전 진단 장치의 전단 장치에도 적용될 수 있다.

100: 함체

101: 제1 안테나

102: 제2 안테나

103: 제1 가변증폭부

104: 제2 가변증폭부

105: 연산부

106: 제1 단자

107: 제1 가변증폭부 설정값제공장치

108: 제2 가변증폭부 설정값제공장치

109: 제2 단자

110: 제3 단자

111: 입출력응답 단자

112: 제1 PCB

113: 제2 PCB

Claims (7)

1. 전자기파를 수신하는 두 개의 지향성 안테나;

   상기 지향성 안테나의 출력응답을 각각 증폭하는 한 개의 이상의 증폭부;

   상기가변 증폭부 출력을 수신하여 연산하는 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 부분방전 신호 검출 센서 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 두 개의 지향성 안테나는 전면부와 후면부 상호 비례적 출력응답 특성을 가지면서 수신부가 서로 반대방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 액티브 부분방전 신호 검출 센서 장치
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 증폭부 중 어느 하나 이상은 증폭도 설정값 제공장치를 구비한 가변 증폭소자인 것을 특징으로 하는 액티브 부분방전 신호 검출 센서 장치
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 연산부는 Difference Amplifier, Substractor, Differential Amplifer, Operational Amplifier, 아날로그-디지털 변환기 중의 하나인 것을 특징으로 하는 액티브 부분방전 신호 검출 센서 장치
5. 청구항 3에 있어서,

   상기 가변 증폭부의 설정값 제공장치로 고정 저항, 가변저항, 딥스위치, 시피트 레지스터, 랫치 중의 하나인 것을 특징으로 하는 액티브 부분방전 신호 검출 센서 장치
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 설정값 제공장치 중 시프트레지스터와 랫치는 외부 제어장치에 의해서 설정값이 제공되며, 자동 캘리브레이션 된 값이 기록되어 제공되는 것을 특징으로하는 액티브 부분방전 신호 검출 센서 장치.
7. 청구항 3내지 6에 있어서,

   상기 가변 증폭부와 설정값제공장치는 상기 연산부에서 외부 방향 전자기파 노이즈가 상쇄 연산되도록 연동되는 것을 특징으로 하는 액티브 부분방전 신호 검출 센서 장치

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