KR100477215B1

KR100477215B1 - 웨이브렛변환을 이용한 가스절연개폐장치의 부분방전검출방법

Info

Publication number: KR100477215B1
Application number: KR10-2002-0019387A
Authority: KR
Inventors: 김철환; 강진수
Original assignee: 학교법인 성균관대학
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2002-04-10
Publication date: 2005-03-21
Also published as: KR20030080644A

Abstract

웨이브렛변환을 이용한 가스절연개폐장치의 부분방전 검출방법에 대해 개시한다. 본 발명의 웨이브렛변환을 이용한 가스절연개폐장치의 부분방전 검출방법은, 가스절연개폐장치에서 부분방전 측정시 외부의 잡음이 영향을 미치므로 웨이브렛변환을 이용해서 잡음을 제거하였고, 부분방전의 크기를 비교하고자 정규화를 하였다. 잡음을 제거해도 부분방전이 발생되는 것을 알 수 있지만, 어느 시간에 부분방전이 발생하는지 분명히 검출하기 위해 웨이브렛변환을 다시 적용하였다. 그 결과 고역필터 D1과 고역필터 D2에서 부분방전 검출이 용이하였고, 고역필터 D1과 고역필터 D2에서 필터링된 신호의 조합으로 부분방전을 정확하게 검출할 수 있다. 본 발명에 따르면, 지속적이고 무정전으로 가스절연개폐장치 상태감시가 가능하다는 장점이 있고, 웨이브렛변환을 이용한 알고리즘을 사용하여 각 시간대의 정확한 부분방전을 검출하는 가스절연개폐장치 상태감시를 할 수 있다. 특히 하드웨어 구현이 쉬운 알고리즘의 적용으로 실용가치 측면에서 효과가 클 것으로 기대된다.

Description

웨이브렛변환을 이용한 가스절연개폐장치의 부분방전 검출방법{Method for detecting partly spark of Gas Insulator Switchgear by wavelet transform}

본 발명은 웨이브렛변환을 이용한 가스절연개폐장치(GIS)의 부분방전 검출방법에 관한 것으로, 특히 가스절연개폐장치에서 부분방전 발생시 빠른 시간 내에 정확한 검출 및 고장의 정도를 판별하여 신속한 대처 및 응급복구가 가능하도록 하여 전력 공급의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 웨이브렛변환을 이용한 가스절연개폐장치의 부분방전 검출방법에 관한 것이다.

일반적으로 가스절연개폐장치(Gas Insulator Switchgear : GIS)는 변전소용으로, 사용조건하에서 정상 상태의 개폐뿐만 아니라 사고, 단락 등의 이상상태에 있어서도 선로를 안전하게 개폐하여 계통을 적절히 보호하는 장치이며, SF₆ 가스로 충진밀폐된 철제용기(Enclosure)내에 단로기(DS), 접지개폐기(ES), 차단기(CB) 등의 개폐설비와 모선을 내장시킨 개폐장치이다.

일반적으로 가스절연개폐장치는 금속제 밀폐용기(탱크)에 절연성능과 소호(arcextinguishing) 기능이 우수한 SF₆가스를 절연매체로 사용하여 도체와 각종 보호기기들을 수납시켜 신뢰성을 향상시킨 수변전 설비로서, 각종기기 및 접속관들을 유니트화시켜 조합하므로써 전체적인 시스템을 구축하고 있다.

상기 가스절연개폐장치는 각종 기기들을 전기도체인 모선으로 연결하여 구성하고 있는데, 가스로 절연된 모선 및 기기는 대지간의 정전용량과 기기자체의 정전용량, 전압강하 등으로 인하여 단로기를 접/단락시에는 300[V] 정도의 전압과 4000[A] 정도의 큰 전류를 개폐해야 한다. 이에 따라 발생되는 아크에 의한 아크열로 인하여 개폐장치의 일부가 융착되거나, 이때 발생하는 도전(導電)성 열가스에 의하여 절연파괴가 생기는 문제점이 있었다.

한편, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 종래에는 단로기의 개폐속도를 증대시키는 방법이 주로 사용됨에 따라 기구부의 외부에는 큰 동력을 발생시키는 전동스프링 조작장치나 공압실린더를 이용한 공기조작장치 등을 구비하여 가동자의 개리속도를 고속으로 하여 개폐하여 왔었다. 이에 따라, 상기와 같은 전동스프링 조작장치나 공압 실린더와 같은 과대한 동력 발생장치를 사용함으로써 소음 공해 등이 발생하는 문제점이 있었다. 이는 가스절연개폐장치의 부분방전을 감시할 수 있는 기존의 방법들은 가스절연개폐장치가 많은 기기들로 이루어져 있어서 많은 잡음으로 인해 부분방전의 검출이 어려운 단점들을 지니고 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 보다 경제적인 유지와 신뢰성 있는 전력공급을 위하여, 가스절연개폐장치의 이상징후를 운전상태(on-line)에서 상시 감시하고, 미리 발생할 상황을 예측하여 가스절연개폐장치의 부분방전으로 인한 치명적인 사고를 미연에 방지하기 위한 웨이브렛변환을 이용한 가스절연개폐장치의 부분방전 검출방법을 제공하는데 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 가스로 충진밀폐된 용기내에 단로기, 접지개폐기, 차단기를 포함하는 개폐설비와 모선을 내장시켜 정상 상태, 사고 및 단락 상태에서 선로를 개폐하여 계통을 보호하는 가스절연개폐장치에 적용되는데, 본 발명의 웨이브렛변환을 이용한 가스절연개폐장치의 부분방전 검출방법은, 부분방전을 포함하는 신호를 감지하는 신호감지단계; 상기 신호에 대해 잡음을 제거하기 위해 1차 웨이브렛변환을 수행하는 1차 웨이브렛변환단계; 발생된 부분방전의 크기비교 및 발생빈도정도를 판별하기 위해 웨이브렛변환된 신호에 대해 정규화하는 정규화단계; 상기 정규화된 신호에 대해 저역필터링과 고역필터링을 수행하고 상기 저역필터링된 신호에 대하여 저역필터링과 고역필터링을 수행하는 단계를 적어도 한번 이상 진행하여 어프록시메이션(Approximation)영역과 디테일(Detail)영역으로 분해하기 위해 2차 웨이브렛변환을 수행하는 2차 웨이브렛변환단계; 상기 고역필터링된 디테일 영역을 조합하는 디테일영역조합단계; 및 상기 조합된 디테일영역을 통해 부분방전을 검출하는 부분방전검출단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 2차 웨이브렛변환에서 저역필터링과 고역필터링을 수행하는 단계의 회수는 5 내지 10 범위내에서 설정된 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

먼저, 본 발명의 설명 이전에 웨이브렛변환과 이를 이용한 상태감시방법에 대해 간단히 살펴보자.

일반적으로 여러 단계의 웨이브렛변환을 수행하게 되면 많은 양의 데이터가 산출되고 분석시간도 길어지므로 문제가 될 수 있다. 그러므로 2의 멱승 형태에 기초한 스케일(scale)과 쉬프트(shift)를 선택한다면 분석은 더욱 효율적으로 수행되며, 이러한 분석은 이산 웨이브렛변환을 통해서 구현된다. 이산 웨이브렛변환 는 다음 [식 1]로 나타낼 수 있다.

ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ[식 1]

여기서, 스케일(scale)을 나타내는 변수는 이고, 쉬프트(shift)를 나타내는 변수는 이다. 은 마더 웨이브렛과 같은 크기의 에너지를 유지시키기 위한 에너지 정규화 성분이다.

일반적으로, 가스절연개폐장치에서 측정된 신호는 주위의 잡음의 영향을 많이 받는다. 이러한 잡음의 영향에 의해 부분방전의 유무를 확인하기가 어려워지므로 웨이브렛변환을 이용하여 잡음을 제거한다. 그런데, 잡음을 제거한 신호에서 부분방전 신호의 발생이 있음을 알 수 있으나, 그 크기가 다르기 때문에 여러 데이터를 서로 비교해 볼 수가 없으므로 부분방전이 심한 정도를 판별하기가 어려워지게 된다. 이를 해결하기 위해 본 발명에서는 정규화과정을 거치게 되며, 이 정규화과정을 통해 부분방전 신호의 크기를 비교할 수 있게 되고, 그 신호를 다시한번 웨이브렛변환을 수행한다. 고역필터인 D1과 D2에서 부분방전 신호의 발생을 확인할 수 있으며, 본 발명에서는 좀 더 정확한 검출을 위하여 고역필터 D1, D2에서 필터링된 신호의 조합으로 부분방전을 검출하고자 한다.

도 1은 가스절연개폐장치에서의 부분방전 측정위치를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 각각의 직할 가스절연개폐장치 부분방전 예방진단 점검을 위해 가스절연개폐장치 모선(#1BUS, #2BUS), 차단기(6100CB), 상부 단로기(6101DS), 하부 단로기(6102DS)에서 부분방전측정장비를 이용한 부분방전의 측정위치를 보여준다. 취득한 데이터는 시간, 위상, 전하량, 전압의 정보를 가지고 있고, 40[sec]동안 측정을 하게 된다. 본 발명에서, 부분방전 측정장비로서는 독일의 LEMKE DIAGNOSTICS GmbH사에서 제조판매하고 있는 컴퓨터 지원 완전한 부분방전 측정시스템(Computer-aided complete partial discharge measuring system)인 모델명 LDS-5를 사용하였다.

이하, [표 1]은 마더 웨이브렛이 가지는 특징을 나타낸 표이다.

Feature Kind	Morl	Meyr	Haar	DbN	SymN	CoifN
Infinitely regular	⊙	⊙
Compactly supported orthogonal			⊙	⊙	⊙	⊙
Symmetry	⊙	⊙	⊙
Asymmetry				⊙
Near symmetry					⊙	⊙
Arbitrary regularity				⊙	⊙	⊙
Existence of Φ		⊙	⊙	⊙	⊙	⊙
Orthogonal analysis		⊙	⊙	⊙	⊙	⊙
Biorthogonal analysis		⊙	⊙	⊙	⊙	⊙
Exact reconstruction		⊙	⊙	⊙	⊙	⊙
FIR filters			⊙	⊙	⊙	⊙
Continuous transform	⊙	⊙	⊙	⊙	⊙	⊙
Discrete transform		⊙	⊙	⊙	⊙	⊙
Fast algorithm			⊙	⊙	⊙	⊙

표 1은 마더 웨이브렛이 가지는 특징으로서, 본 발명을 위한 실험에서는 db4로 마더 웨이브렛을 선정하고 있다. 디비4(db4) 마더 웨이브렛은 다우베치이스(Daubechies) 마더 웨이브렛 중 4개의 탭(tap)을 가지고 있고, 웨이브렛 길이가 8샘플인 스케일링(scaling) 필터이며, 짧은 시간동안 발생하는 과도 현상의 검출에 적합하여 부분방전 검출에 적합한 마더 웨이브렛이라 할 수 있다.

도 2는 잡음을 제거한 후 정규화한 신호를 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면, 많은 잡음을 포함하고 있는 측정된 신호를 웨이브렛변환을 이용해서 잡음을 제거한 결과를 보여주고 있다. 마더 웨이브렛은 비선형적인 해석에 좋은 특징을 보이는 ‘db4’를 이용하고 있으며, 레벨은 8단계까지 진행하게 된다. 매트랩(Matlab)에서 제공하는 웨이브렛 툴박스(wavelet toolbox) 기능중 잡음제거는 여러 가지 함수를 사용하여 노이즈를 제거한다. 그 중에 threshold 방법중 sqtwolog threshold를 이용하여, 부분방전 신호의 발생을 알 수 있다. 이 신호를 여러 데이터와 크기를 구분하고 비교하기 위해 정규화한다.

도 3은 디테일(Detail) 영역의 웨이브렛변환 결과를 나타낸 그래프이다. 도 3을 참조하면, 상기한 도 2의 신호를 ‘db4’ 마더 웨이브렛으로 선정하여 웨이브렛 필터뱅크로 분해한 신호중 디테일(Detail) 영역을 나타낸다. 부분방전 신호를 이산 웨이브렛을 수행하여 저역통과 필터(A1)를 통과한 신호와 고역통과필터(D1)를 통과한 신호으로 나누고, 이 고역통과필터(A1)을 통과한 신호을 다시 두 개의 저역필터(A2)와 고역필터(D2)로 분해하고, 이 저역필터를 통과한 신호를 또 다시 두 개의 저역필터(A3; 미도시함)와 고역필터(D3; 미도시함)로 분해하였다. 이러한 과정을 8단계까지 거쳤으며, 그 이유는 부분방전을 정확하게 검출하기 위한 것이다. 여기서, 상기 저역필터링과 고역필터링을 수행하는 단계의 회수는 적어도 5회를 수행하는 것이 바람직하며, 상기 저역필터링과 고역필터링을 수행하는 단계의 회수가 10 회를 넘어가더라도 그 정밀도의 변화가 크지 않으므로 10회 이하에서 수행하는 것이 바람직하다.

도 3은 1단계에서 8단계까지의 디테일(Detail) 성분을 나타낸 것으로서, (a)에서는 10회의 부분방전이 검출되고, 부분방전 최대값은 32초에서 계수 값이 -0.7 ∼ 0.6이다. (b)에서는 5번의 부분방전이 검출되었고, D1에서는 검출하지 못했던 10초, 12초, 32초, 36초에서 부분방전을 검출하였지만, D1에서 검출했던 1초, 3초, 4초, 17초, 27초, 33초, 37초, 38초대의 부분방전을 검출하지 못했다. 36초에 부분방전이 최대치인 계수 값이 -0.9 ∼ 1로 검출되었다. (c)에서는 부분방전이 검출이 되고 있지 않다. (d)에서도 부분방전이 검출이 되고 있지 않다. (e)에서는 33초에 부분방전을 검출하고 있다. 부분방전의 계수 값은 -0.4 ∼ 0.2이다. 그림 (f)에서는 부분방전 신호는 검출되고 있지 않다. (g)에서도 부분방전 검출이 되고 있지 않다. (h)에서는 처음 몇 초 동안과 40초 부근에서 왜곡된 신호가 발생하지만, 짧은 시간 동안 순간에 흐르는 전하량이 아니기 때문에 부분방전이라 할 수 없다.

도 4는 어프록시메이션(Approximation) 영역의 웨이브렛변환 결과를 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면, 어프록시메이션(Approximation) 성분을 보여 주고 있으며, 상기한 디테일(Detail) 성분과 마찬가지로 8단계까지 분석하였다. (a)에서는 저역통과 필터(A1)을 통과한 신호를 재구성하여 나타낸 것이다. 비교적 저역필터중 높은 주파수 영역이기 때문에 10초, 12초, 30초, 35초에서 부분방전을 검출하고 있다. 최대 부분방전의 계수 값은 0.6 ∼ 1의 값이다. (b)에서는 왜곡된 신호가 33초에 보이지만 짧은 시간 동안 흐르는 신호가 아니기 때문에 부분방전은 아니다. (c)에서는 마찬가지로 33초에 왜곡된 신호가 검출되지만 부분방전은 아니다. (d)에서는 특별한 변화 없이 왜곡된 신호만 계속 검출되고 있고, 부분방전은 검출되지 않는다. (e)에서는 측정한 신호의 고유한 특성만을 잘 나타내고 있다. (f)에서는 신호의 고유한 특성을 잘 나타내지만, 부분방전의 검출은 나타나지 않는다. 그림 (g)에서는 신호의 고유한 특성을 잘 나타내는 왜곡 없는 신호를 검출할 뿐, 부분방전은 검출하지 않는다. (h)에서는 부분방전이 전혀 검출되지 않는다.

도 5는 부분방전 검출과정을 나타낸 흐름도이다. 구체적으로, 웨이브렛변환을 이용한 가스절연개폐장치의 부분방전 검출 알고리즘이다. 도 5를 참조하면, 상기한 바와 같이 가스절연개폐장치에서 임의의 신호 측정이 이루어지는데(S10), 이 측정된 신호는 주위의 잡음의 영향을 많이 받은 상태이므로 이러한 잡음의 영향에 의해 부분방전의 유무를 확인이 용이하도록 웨이브렛변환을 이용해서 잡음을 제거한다(S21). 상기한 도 2에서와 같이 잡음을 제거한 신호에서 부분방전 신호의 발생이 있음을 알 수 있으나, 그 크기가 다르기 때문에 여러 데이터를 서로 비교 해 볼 수가 없고, 부분방전이 심한 정도를 판별하기가 어렵다. 이를 해결하기 위해 정규화과정을 진행하게 된다(S22). 상기 정규화를 통해 부분방전 신호의 크기를 비교할 수 있고, 그 신호를 다시 한번 웨이브렛변환을 행한다(S31). 고역필터인 D1과 D2에서 부분방전 신호의 발생에 대해 확인이 가능하며, 본 발명에서는 좀 더 정확한 검출을 위하여 고역필터 D1, D2에서 필터링된 신호의 조합으로(S40) 부분방전을 검출한다(S50). 이와 같이 잡음제거를 위한 1차적인 웨이브렛변환과 정규화과정이 이루어진 후(S20), 레벨 8단계까지 분해하는 과정을 진행하기 위해 다시 한번 웨이브렛변환이 이루어지게 된다(S30).

도 6은 고역필터 D1과 D2에서 필터링된 신호의 조합결과에 의해 출력된 그래프이다. 구체적으로, 실계통에서 측정한 부분방전 신호에 대하여 부분방전 검출 알고리즘을 적용한 결과이다. 도 6을 참조하면, 부분방전의 최대 계수값은 -0.8 ∼ 0.9이고, 36초에 검출되었다. 도 2에서 부분방전이 14번 검출된 것과 비교하여 볼 때, 부분방전의 발생 수는 일치하고 있음을 알 수 있다.

도 7은 실계통 가스절연개폐장치에서 측정된 신호를 나타낸 그래프이다. 도 7을 참조하면, 가스절연개폐장치는 여러 기기들로 이루어져 있기 때문에 잡음이 많이 검출되고, 부분방전의 검출이 매우 어렵다.

도 8은 실계통 가스절연개폐장치에서 잡음을 제거한 신호를 나타낸 그래프이다. 도 8을 참조하면, 도 7과 비교하여 검출된 신호에 대해 웨이브렛변환을 이용하여 잡음을 제거한 신호이다.

도 9는 실계통 가스절연개폐장치에서 부분방전 검출결과를 나타낸 그래프이다. 도 9를 참조하면, 각 시간대에서 부분방전의 검출을 용이하게 하고자, 상기한 도 8에서의 신호를 다시 한번 웨이브렛변환을 이용하여서 D1과 D2의 조합함으로써 검출을 용이하게 하였다. 이러한 과정을 통해 실계통 가스절연개폐장치는 부분방전이 많이 검출되고 있으므로, 심한 고장이라고 말할 수 있다.

정리하면, 본 발명에서는 154㎸ 가스절연개폐장치(GIS)에서 부분방전 데이터를 부분방전측정장비(LEMKE DIAGNOSTICS GmbH사의 모델명 LDS-5)를 이용하여 취득하였고, 그 측정된 신호는 가스절연개폐장치의 여러 기기들의 잡음으로 인해 부분방전의 검출이 어려우므로, 취득한 데이터를 웨이브렛변환을 이용하여 잡음을 제거하였고, 고역필터 D1과 D2에서 필터링된 신호의 조합으로 부분방전의 검출에 우수한 결과를 보여 주었다.

본 발명의 검증은 부분방전측정장비(LEMKE DIAGNOSTICS GmbH사의 모델명 LDS-5)를 이용하여 취득되어진 데이터가 시간에 따른 전하량의 크기로 ASCII 코드 형태로 저장되어지고, 이렇게 저장되어진 데이터는 매트랩(Matlab)에서 제공하는 웨이브렛변환을 이용하여 분석하였다.

상술한 바와 같이, 기존의 가스절연개폐장치 상태감시 방법들은 가스절연개폐장치가 많은 기기들로 이루어져 있어서 많은 잡음으로 인해 부분방전의 검출이 어려운 단점들을 지니고 있는데 반해, 본 발명에 따른 웨이브렛변환을 이용한 가스절연개폐장치의 부분방전 검출방법은, 타 방법과 비교하여 지속적이고 무정전으로 가스절연개폐장치 상태감시가 가능하다는 장점이 있고, 웨이브렛변환을 이용한 알고리즘을 사용하여 잡음을 효과적으로 제거하여, 정확한 부분방전의 검출로 가스절연개폐장치 상태감시를 할 수 있다. 특히 하드웨어 구현이 쉬운 알고리즘의 적용으로 실용가치 측면에서 효과가 클 것으로 기대된다. 이를 통해 가스절연개폐장치에서 고장이 발생할 경우, 신속하게 고장을 검출하고, 정확하게 판별하여 정확한 대처 및 복구가 가능하도록 하여 전력계통의 공급신뢰도를 유지할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다.

도 1은 가스절연개폐장치에서의 부분방전 측정위치를 나타낸 도면,

도 2는 잡음을 제거한 후 정규화한 신호를 나타낸 그래프,

도 3은 디테일(Detail) 영역의 웨이브렛변환 결과를 나타낸 그래프,

도 4는 어프록시메이션(Approximation) 영역의 웨이브렛변환 결과를 나타낸 그래프,

도 5는 부분방전 검출과정을 나타낸 흐름도,

도 6은 고역필터 D1과 고역필터 D2에서 필터링된 신호의 조합결과에 의해 출력된 그래프,

도 7은 실계통 가스절연개폐장치에서 측정된 신호를 나타낸 그래프,

도 8은 실계통 가스절연개폐장치에서 잡음을 제거한 신호를 나타낸 그래프,

도 9는 실계통 가스절연개폐장치에서 부분방전 검출결과를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

#1BUS, #2BUS : 가스절연개폐장치 모선

6100CB : 차단기

6101DS : 상부 단로기

6102DS : 하부 단로기

Claims

가스로 충진밀폐된 용기내에 단로기, 접지개폐기, 차단기를 포함하는 개폐설비와 모선을 내장시켜 정상 상태, 사고 및 단락 상태에서 선로를 개폐하여 계통을 보호하는 가스절연개폐장치의 부분방전 검출방법에 있어서,

부분방전을 포함하는 신호를 감지하는 신호감지단계;

상기 신호에 대해 잡음을 제거하기 위해 1차 웨이브렛변환을 수행하는 1차 웨이브렛변환단계;

발생된 부분방전의 크기비교 및 발생빈도정도를 판별하기 위해 웨이브렛변환된 신호에 대해 정규화하는 정규화단계;

상기 정규화된 신호에 대해 저역필터링과 고역필터링을 수행하고 상기 저역필터링된 신호에 대하여 저역필터링과 고역필터링을 수행하는 단계를 적어도 한번 이상 진행하여 어프록시메이션(Approximation)영역과 디테일(Detail)영역으로 분해하기 위해 2차 웨이브렛변환을 수행하는 2차 웨이브렛변환단계;

상기 고역필터링된 디테일 영역을 조합하는 디테일영역조합단계; 및 상기 조합된 디테일영역을 통해 부분방전을 검출하는 부분방전검출단계;

를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 웨이브렛변환을 이용한 가스절연개폐장치의 부분방전 검출방법.
제 1 항에 있어서, 상기 2차 웨이브렛변환에서 저역필터링과 고역필터링을 수행하는 단계의 회수는 5 내지 10 범위내에서 설정된 것을 특징으로 하는 웨이브렛변환을 이용한 가스절연개폐장치의 부분방전 검출방법.