KR101958299B1 - 반사파 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 처리 장치는 기준 신호를 케이블의 신호 단말부로 제공하는 기준 신호 생성부, 상기 케이블의 신호 단말부, 복수의 접속함 및 종단 단말부로부터 반사 신호를 획득하는 반사 신호 획득부, 및 상기 복수의 접속함 및 상기 종단 단말부 중 적어도 두 개로부터 획득되는 반사 신호에 따라 정상 상호 상관함수 범위를 연산하고, 상기 신호 단말부로부터 획득되는 반사 신호에 따라 상호 상관함수 값을 연산하고, 상기 정상 상호 상관함수 범위와 상기 상호 상관함수 값을 비교하는 신호 분석부를 포함할 수 있다.

Description

반사파 처리 장치{APPARATUS FOR PROCESSING REFLECTED WAVE}

본 발명은 반사파 처리 장치에 관한 것이다.

　반사 신호 계측법은 일정한 신호를 케이블에 인가한 후 반사되는 신호를 측정하여, 전력시스템을 구성하는 케이블을 진단 및 점검하는 방법이다. 케이블에서 전기적인 신호의 전파는 케이블 특성의 저항, 인덕턴스, 및 커패시턴스에 의해 결정이 되고, 국부적인 임피던스의 변화는 전기적인 신호를 인가했을 때, 그 변화 지점에서 반사 신호를 발생시킨다. 따라서 반사 신호 계측법에서는 반사 신호의 파형을 분석함으로 케이블 이상 여부와 그 위치를 탐지한다.

　반사 신호 계측법은 신호의 유형에 따라 시간영역 반사 신호 계측법(TDR: Time Domain Reflectometry), 주파수영역 반사 신호 계측법(FDR: Frequency Domain Reflcetometry), 시간-주파수영역 반사 신호 계측법(TFDR: Time-Frequency Domain Reflectomertry)으로 분류될 수 있다. 시간영역 반사 신호 계측법은 시간 폭에서 분해능을 갖는 스텝신호 혹은 펄스신호를 인가하여 반사 신호를 시간 영역에서 분석한다. 주파수 영역 반사 신호 계측법은 주파수영역에서 분해능을 갖는 정현파를 케이블에 인가하여 반사 신호를 주파수 영역에서 분석한다. 시간-주파수영역 반사 신호 계측법은 시간과 주파수영역 각각에서 분석하는 방법들의 한계를 해결하여 보다 높은 정확도로 케이블의 결함 여부를 진단하는 방법이다.

또한, 시간-주파수 영역 반사 신호 처리법의 경우, 손실매질을 통과하면서 발생하는 고주파수 성분의 손실로 인해 오차가 발생한다. 예를 들어, 시간에 따라 주파수가 증가하는 처프 신호를 기준 신호로 이용하는 경우, 손실된 고주파수 성분으로 인하여, 실제 반사 신호는 이상적인 반사된 신호의 지연 시간 보다 지연 시간이 감소하는 오차가 발생하고, 케이블의 길이가 길어질수록 오차가 증가하는 문제가 있다. 특허문헌 3은 시간에 따라 주파수가 감소하는 처프 신호를 이용하여, 고주파수 성분의 손실로 인한 오차를 보상하나, 주파수별 감쇠특성만 고려하였을 뿐 주파수별 속도로 인한 반사 신호의 왜곡은 고려하고 있지 못한 문제가 있다.

국내 특허출원번호 10-2016-0142899

본 발명의 과제는 반사 신호의 왜곡을 정밀하게 검출할 수 있는 반사파 처리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 처리 장치는 기준 신호를 케이블의 신호 단말부로 제공하는 기준 신호 생성부, 상기 케이블의 신호 단말부, 복수의 접속함 및 종단 단말부로부터 반사 신호를 획득하는 반사 신호 획득부, 및 상기 복수의 접속함 및 상기 종단 단말부 중 적어도 두 개로부터 획득되는 반사 신호에 따라 정상 상호 상관함수 범위를 연산하고, 상기 신호 단말부로부터 획득되는 반사 신호에 따라 상호 상관함수 값을 연산하고, 상기 정상 상호 상관함수 범위와 상기 상호 상관함수 값을 비교하는 신호 분석부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 처리 장치는, 설계된 임피던스 불연속점으로부터 시간-주파수 영역 상호상관 함수 값 및 순시 주파수의 기울기를 연산함으로써, 케이블의 고장 시기 및 위치 검출의 정확성과 신속성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 처리 장치의 블록도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 신호 처리 방법의 흐름도이다.
도 3(a)은 신호 단말부, 접속함 및 종단 단말부의 모식도를 나타내고, 도 3(b)는 신호 단말부, 접속함 및 종단 단말부에서의 반사 신호와 기준 신호의 시간-주파수 영역 상호 상관함수 값을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 신호 및 반사 신호의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반사 신호 처리 방법의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 순시 주파수 기울기 연산 방법을 나타내는 흐름도이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조할 수 있다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 할 수 있다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 할 수 있다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭할 수 있다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사파 처리 장치의 블록도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 반사파 처리 장치(10)는, 기준 신호 생성부(100), 및 반사 신호 획득부(200) 및 신호 분석부(300)를 포함할 수 있다.

기준 신호 생성부(100)는 케이블부(20)로 제공되는 기준 신호를 생성할 수 있다. 기준 신호 생성부는 임의 파형 발생기(Arbitrary Waveform Generator)를 포함할 수 있다. 기준 신호는 시간에 따라 주파수가 증가하는 처프(Positive-chirp, Up-chirp) 신호 및 시간에 따라 주파수가 감소하는 처프(Negative-Chirp, Down-Chirp) 신호 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

반사 신호 획득부(200)는 케이블부(20)로부터 반사되는 반사 신호를 획득할 수 있다. 반사 신호 획득부(200)는 디지털 저장 오실로스코프(Digital Storage Oscilloscope)를 포함할 수 있다.

신호 분석부(300)는 기준 신호 생성부(100)의 기준 신호의 생성을 제어하고, 반사 신호 획득부(200)로부터 제공되는 반사 신호를 분석하여, 케이블부(20)의 결함 위치를 판별할 수 있다. 구체적으로, 신호 분석부(300)는 케이블부(20)의 임피던스 불연속점에서 되돌아오는 반사 신호를 실시간으로 취득 및 분석하여, 정상범위 외의 반사 신호가 감지되는 경우, 케이블의 고장 시기 및 위치를 검출할 수 있다.

케이블부(20)은 적어도 세 개의 케이블(21, 22, 23)을 포함할 수 있고, 적어도 세 개의 케이블(21, 22, 23)은 3상 회로의 A상, B상 및 C상 각각에 대응할 수 있다. 적어도 세개의 케이블(21, 22, 23) 각각은 통전층(21a, 22a, 23a), 및 차폐층(21b, 22b, 23b)을 포함할 수 있고, 추가적으로, 포머 및 절연층을 더 포함할 수 있다. 포머는 사고 발생시, 사고 전류를 바이패스(bypass) 하고, 통전층은 초전도체로 형성되어 운전 전류를 통전하고, 절연층은 PPLP(Polypropylene laminated paper)로 형성되어, 운전 전압 유지를 위해 통전층과 차폐층을 절연한다. 또한, 차폐층은 초전도체로 형성되어, 쉴드 전류를 유도하고, 자기장 방출을 차폐할 수 있다.

반사파 처리 장치(10)는 분배기(30) 및 커넥터부(40)를 통해 케이블부(20)과 연결될 수 있다. 기준 신호 생성부(100)에서 출력되는 기준 신호는 분배기(30)를 통해 분배되어, 세 개의 케이블(21, 22, 23) 각각에 인가될 수 있다. 세 개의 케이블(21, 22, 23)은 커넥터부(40)의 세 개의 커넥터(41, 42, 43)와 각각 연결될 수 있다.

반사파 처리 장치(10)는 케이블부(20)의 통전층(21a, 22a, 23a), 및 차폐층(21b, 22b, 23b)과 연결될 수 있다. 구체적으로, 반사파 처리 장치(10)의 기준 신호 생성부(100) 및 반사 신호 획득부(200)는 커넥터(41, 42, 43)의 양극(+)을 통해 통전층(21a, 22a, 23a)과 연결되어, 통전층(21a, 22a, 23a)에 기준 신호를 인가하고, 반사 신호를 획득할 수 있다. 여기서, 통전층(21a, 22a, 23a)은 통전층은 초전도 케이블과 상전도 케이블을 연결하는 단말부의 인출부를 포함할 수 있다.

또한, 반사파 처리 장치(10)의 기준 신호 생성부(100)는 커넥터(41, 42, 43)의 음극(-)을 통해 차폐층(21b, 22b, 23b)과 연결될 수 있다. 세 개의 차폐층(21b, 22b, 23b)은 접지와 같은 하나의 등전위에 연결되어, 커넥터(41, 42, 43)의 음극(-)은 접지와 같은 등전위로 유지될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 신호 처리 방법의 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 신호 처리 방법은 정상 상호 상관함수 범위를 저장하는 것으로 시작한다(S200). 반사 신호 획득부(200)는 케이블부(20)의 정상 상태 - 정상 운영온도(Temperature) - 에서 적어도 하나의 임피던스 불연속점으로부터 반사 신호를 획득할 수 있다. 적어도 하나의 임피던스 불연속점은 케이블의 접속함 및 종단 단말부를 포함할 수 있다.

신호 분석부(300)는 접속함 및 종단 단말부 각각으로부터 획득되는 반사 신호들과 인가된 기준 신호와의 시간-주파수 영역 상호 상관함수 값들을 연산한다. 접속함과 종단 단말부 각각에서의 상호 상관함수 값들의 차이 범주를 정상 상호 상관함수 범위로 저장할 수 있다.

도 3(a)은 신호 단말부, 접속함 및 종단 단말부의 모식도를 나타내고, 도 3(b)는 신호 단말부, 접속함 및 종단 단말부에서의 반사 신호와 기준 신호의 시간-주파수 영역 상호 상관함수 값을 나타낸 그래프이다. 도 3(a)를 참조하면, 신호 단말부는 케이블의 건전성 측정을 위하여, 기준 신호가 제공되고, 반사 신호가 획득되는 단자에 해당하고, 종단 단말부는 케이블의 종단에 해당할 수 있다. 접속함은 수 km에 이르는 케이블을 형성하기 위하여, 개별적인 케이블을 연결하는 단자에 해당한다. 도 3(a)에서 하나의 접속함이 도시되어 있으나, 하나의 케이블에는 복수의 접속함이 존재할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 반사 신호 획득부(200)는 케이블의 건전성 측정시, 신호 단말부로부터 반사 신호를 획득할 수 있고, 상술한 정상 상호 상관함수 범위 및 후술할 정상 순시 주파수 기울기 범위의 연산시, 복수의 접속함 및 종단 단말부 중 적어도 두 개로부터 반사 신호를 획득할 수 있다. 일 예로, 반사 신호 획득부(200)는 정상 상호 상관함수 범위 및 정상 순시 주파수 기울기 범위의 연산시, 두 개의 접속함으로부터 반사 신호를 획득하거나, 접속함 및 종단 단말부로부터 반사 신호를 획득할 수 있다.

도 3(b)를 참조하면, 신호 분석부(300)는 접속함에서의 상호 상관함수 값과, 종단 단말부에서의 상호 상관함수 값의 차이 범주를 정상 상호 상관함수 범위로 저장할 수 있다.

다시 2를 참조하면, 반사 신호 획득부(200)는 반사 신호를 획득하고, 신호 분석부(300)는 획득된 반사 신호와 기준 신호의 시간-주파수 영역 상호 상관함수 값을 연산할 수 있다(S210). 신호 분석부(300)는 시간-주파수 영역의 상호 상관함수 연산을 위하여, 위그너-빌 분포 함수 및 초이-윌리암 분포 함수 중 하나를 이용할 수 있다. 신호 분석부(300)는 계산 속도 및 분해능 중 하나에 따라 위그너-빌 분포 함수 및 초이-윌리암 분포 함수 중 하나를 이용할 수 있다. 위그너-빌의 경우 초이-윌리암 분포 함수보다 분해능은 우수하나, 혼신 성분(Cross-Term)을 제거하기 위해 이동창(Moving Window)를 사용하는 경우 연산 속도가 오래 걸리고, 초이-윌리암 분포 함수는 계산 속도는 빠르나 분해능이 낮은 단점이 있다.

신호 분석부(300)는 획득된 상호 상관함수 값로부터, 반사 신호의 반사 지점을 추정할 수 있다(S220). 신호 분석부(300)는 반사 신호의 추정된 반사 지점을 접속함 및 종단 단말부과 같은 설계된 임피던스 불연속점과 비교할 수 있다(S230). 비교 결과, 반사 신호의 반사 지점과 설계된 임피던스 불연속점이 불일치하는 경우, 케이블의 고장을 통지하고(S240), 일치하는 경우, 상호 상관함수 값과 사전에 저장된 정상 상호 상관함수 범위를 비교할 수 있다(S250). 비교 결과, 연산된 시간-주파수 영역 상호 상관함수 값이 사전에 저장된 정상 상호 상관함수 범위 외인 경우, 케이블의 고장을 통지하고(S240), 범위 내인 경우, 케이블에 고장이 발생하지 않은 것으로 판단하여, 알고리즘을 종료할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 신호 및 반사 신호의 그래프이다.

도 4는 기준 신호(Ws(t,w)), 순시 반사 신호(Ws(t-td,w)), 및 실제 반사 신호(Wr(t,w))를 나타낸다. 도 4에서 기준 신호(Ws(t,w))는 시간에 따라 주파수가 증가하는 처프(Positive-chirp, Up-chirp) 신호에 해당한다. 실시예에 따라, 기준 신호(Ws(t,w))는 시간에 따라 주파수가 감소하는 처프(Negative-Chirp, Down-Chirp) 신호로 구현될 수 있다.

기준 신호(Ws(t,w))가 케이블을 통과하고, 임피던스 변화 지점에서 반사되면서, 주파수에 따른 감쇠 특성과 전파 속도 차이로 인하여, 순시 반사 신호(Ws(t-td,w))의 주파수 기울기(IFs(t-td,w))는 실제 반사 신호(Wr(t,w))의 주파수 기울기(IFr(t,w))와 같이, 기울기가 변하게 된다. 순시 주파수 기울기는 기준 신호가 케이블을 통과하면 발생하는 감쇠(Attenuation), 분산(Dispersion), 및 임피던스 변화지점의 전자기적 특성을 반영한다. 따라서, 순시 주파수 기울기를 케이블의 고장을 감지하는 방법으로 이용할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반사 신호 처리 방법의 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 신호 처리 방법은 정상 순시 주파수 기울기 범위를 저장하는 것으로 시작한다(S500). 반사 신호 획득부(200)는 케이블부(20)의 정상 상태 - 정상 운영온도(Temperature) - 에서 복수의 접속함과 종단 단말부 중 적어도 두 개로부터 반사 신호를 획득하고, 신호 분석부(300)는 획득된 반사 신호들과 인가된 기준 신호로부터 순시 주파수 기울기들을 연산한다. 신호 분석부(300)는 접속함과 종단 단말부 각각에서의 순시 주파수 기울기들의 차이 범주를 정상 범위로 저장할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 순시 주파수 기울기 연산 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 순시 주파수 기울기 연산 방법은 기준 신호와 반사 신호의 위그너-빌 분포 함수 값을 연산하는 것으로 시작한다(S610). 연산된 위그너-빌 분포 함수 값의 첨두값(Peak Value)을 기준 신호로 업데이트 한다(S620). 업데이트 된 기준 신호의 주파수 기울기와 업데이트 직전 기준 신호의 주파수 기울기의 차를 임계치와 비교하여(S630), 업데이트 된 기준 신호의 기울기와 업데이트 직전 기준 신호의 기울기의 차가 임계치 미만인 경우, 기준 신호가 특정 값에 수렴된 것으로 판단하여, 업데이트 된 기준 신호의 주파수 기울기를 순시 주파수 기울기로 선정한다(S640). 이와 달리, 업데이트 된 기준 신호의 주파수 기울기와 업데이트 직전 기준 신호의 주파수 기울기의 차가 임계치 이상인 경우, 기준 신호의 주파수 기울기가 특정 값에 수렴되지 않았으므로, 업데이트 된 기준 신호와 반사 신호의 위그너-빌 분포 함수 값을 재 연산한다(S610).

다시, 도 5를 참조하면, 신호 분석부(300)는 상술한 순시 주파수 연산 방법에 따라 접속함과 종단 단말부 각각에서의 순시 주파수를 연산하고, 순시 주파수들의 차이 범주를 정상 순시 주파수 범위로 저장할 수 있다(S500).

신호 분석부(300)는 케이블부(20)에 인가되는 기준 신호와 케이블부(20)로부터 반사되어 획득되는 반사 신호로부터 순시 주파수를 연산할 수 있다(S510). 신호 분석부(300)는 연산된 순시 주파수 기울기와 정상 순시 주파수 기울기 범위를 비교할 수 있다(S520). 비교 결과, 연산된 순시 주파수 기울기가 정상 순시 주파수 기울기 범위 외인 경우, 케이블의 고장을 통지하고(S530), 범위 내인 경우, 케이블에 고장이 발생하지 않은 것으로 판단하여, 알고리즘을 종료할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10: 반사파 처리 장치
20: 케이블부
30: 분배기
40: 커넥터부
100: 기준 신호 생성부
200: 반사 신호 획득부
300: 신호 분석부

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 기준 신호를 케이블의 신호 단말부로 제공하는 기준 신호 생성부;
   상기 케이블의 신호 단말부, 복수의 접속함 및 종단 단말부로부터 반사 신호를 획득하는 반사 신호 획득부; 및
   상기 복수의 접속함 및 상기 종단 단말부 중 적어도 두 개로부터 획득되는 반사 신호에 따라 정상 순시 주파수 기울기 범위를 연산하고, 상기 신호 단말부로부터 획득되는 반사 신호에 따라 순시 주파수 기울기를 연산하고, 상기 정상 순시 주파수 기울기 범위와 상기 순시 주파수 기울기를 비교하는 신호 분석부; 를 포함하고,
   상기 신호 분석부는, 상기 기준 신호와 상기 신호 단말부로부터 획득되는 반사 신호의 위그너-빌 분포 함수 값을 연산하고, 연산된 위그너-빌 분포 함수 값의 첨두값을 기준 신호로 업데이트하고, 업데이트 된 기준 신호의 주파수 기울기와 업데이트 직전 기준 신호의 주파수 기울기의 차가 임계치 미만인 경우, 업데이트 된 기준 신호의 주파수 기울기를 순시 주파수 기울기로 결정하는 반사파 처리 장치.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 반사 신호 획득부는,
   상기 케이블의 정상 상태에서, 상기 복수의 접속함 및 상기 종단 단말부 중 적어도 두 개로부터 반사 신호를 획득하는 반사파 처리 장치.
   
6. 제4항에 있어서, 상기 신호 분석부는,
   상기 복수의 접속함 및 상기 종단 단말부 중 적어도 두 개 각각으로부터 획득되는 반사 신호들과 상기 기준 신호로부터 순시 주파수 기울기들을 연산하고, 상기 순시 주파수 기울기들의 차이 범주를 상기 정상 순시 주파수 기울기 범위로 저장하는 반사파 처리 장치.
   
7. 삭제
8. 제4항에 있어서, 상기 신호 분석부는,
   상기 업데이트 된 기준 신호의 주파수 기울기와 상기 업데이트 직전 기준 신호의 주파수 기울기의 차가 임계치 이상인 경우, 업데이트 된 기준 신호와 상기 반사 신호의 위그너-빌 분포 함수를 연산하는 반사파 처리 장치.
   
9. 제4항에 있어서,
   상기 케이블은 적어도 세 개 구비되고, 상기 적어도 세 개의 케이블은 3상 회로의 A상, B상, 및 C상 각각에 대응하는 반사파 처리 장치.
   
   
   

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