KR20220001729A - 지중송전 케이블 부분방전 이상신호 검출 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지중송전 케이블 부분방전 이상신호 검출 장치에 관한 것으로, 지중송전선로 및 지중송전선로 접속함에서 발생되는 신호를 입력받는 신호 입력부; 상기 신호 입력부를 통해서 입력된 신호에 대하여 동시에 미리 지정된 3가지 신호분석을 수행하는 신호 분석부; 및 상기 미리 지정된 3가지 신호분석을 동시에 수행한 결과를 종합하여 부분방전 이상신호 여부를 판정하는 제어부;를 포함한다.

Description

지중송전 케이블 부분방전 이상신호 검출 장치{APPARATUS FOR DETECTING PARTIAL DISCHARGE ABNORMAL SIGNALS OF UNDERGROUND TRANSMISSION CABLES}
본 발명은 지중송전 케이블 부분방전 이상신호 검출 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PRPD 신호분석, 3PARD 신호분석, 및 펄스첨도 신호분석을 포함한 3가지 신호분석을 수행하고, 이 3가지 신호분석 결과에 대한 기계학습을 통해 지중송전 케이블 부분방전 이상신호의 검출 정확도를 향상시킬 수 있도록 하는, 지중송전 케이블 부분방전 이상신호 검출 장치에 관한 것이다.
일반적으로 지중송전 온라인 부분방전 진단 시스템은 활선 상태의 지중송전선로 운전 상태를 상시 감시하고 내부의 이상 유무를 검출하기 위하여 사용하며, 지중송전선로 접속함 등 내부 이상 시 발생되는 부분방전 신호를 취득하고, 로컬 유니트를 통해 처리된 디지털 신호를 진단 유니트로 전송하며, 부분방전을 실시간 감시, 분석 및 진단하고, 이상 징후로 판단된 데이터를 현장 또는 서버 등에서 확인할 수 있는 시스템이다.
예컨대 기존의 초고압 지중송전 케이블 부분방전(PD : Partial Discharge) 진단 방법은 HFCT(High Frequency Current Transformer) 센서를 활용한 부분방전 패턴 분석법인 PRPD(Phase Resolved Partial Discharge) 분석을 이용해서, 부분방전 신호와 노이즈 신호를 구별하고, 자체 보유한 부분방전 데이터를 이용하여 결함유형을 판정하거나 제시한다.
또한 이상신호 알람의 경우 사용자가 설정한 크기 이상의 신호가 검출되고, 신호 방전량의 수가 기 지정된 조건을 만족하면 발생하며, 자동적으로 분석을 시행하여 부분방전(PD) 신호와 노이즈를 구분 판단하며, 사용자는 PD 알람이 발생하면, PD 패턴 및 펄스의 형태를 분석하여, PD 신호인지 최종 판정한다. 이때 기존 시스템은 부분방전 이상신호 및 결함 판정은 PRPD(신호의 크기와 위상정보)로 수행한다.
또한 기존에 HFCT 센서를 설치하여 부분방전 신호를 측정하는 접속함은 시스를 통해 접지로 연결되어 있기 때문에 공중이나 대지 등 측정환경 주변의 신호 발생원으로부터 많은 노이즈 신호가 유입되어 정확한 진단이 어려운 실정이며, 접지를 통해 신호가 3상으로 전파됨(예 : 지중송전 접속함 내부 부분방전 신호와 유사한 패턴을 생성하는 옥외 전선 접속부 등 노이즈 신호원이 존재함)으로써, 크고 작은 다수의 노이즈 신호로 인해 PD 신호만을 구분하여 판정하는데 어려움이 있다.
이에 대한 영향을 최소화하기 위해, 노이즈 센서를 이용한 노이즈 게이팅 기술을 적용하여 노이즈 센서로 들어온 신호와 같은 대역의 펄스 파형을 소프트웨어 처리하여 지우고 나머지 신호를 관찰하는 방식을 적용하고 있으나, 노이즈 센서를 적용하더라도 대부분의 현장에서는 노이즈 제거에 한계가 있다.
또한 노이즈로 인한 접속함 내부 이상 시에도 부분방전 신호 미 검출, 정상상태임에도 반복되는 이상신호 알람 발생에 따라 운영 신뢰도가 저하되어 시스템 활용도가 저하됨에 따라 기존 시스템에서 적용하는 PRPD 방식만으로는 이상신호에 대한 적정한 판정이 이루어지는지 검증하는데 어려움이 있다.
이에 따라 노이즈로 인한 이상신호 판정 신뢰도 저하를 극복하기 위한 지중송전 케이블 부분방전 이상신호 검출의 정확도를 향상시키는 기술이 요구되고 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2039869호(2019.10.29. 등록, 지중송전케이블 준공시험용 부분방전 진단장치)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, PRPD 신호분석, 3PARD 신호분석, 및 펄스첨도 신호분석을 포함한 3가지 신호분석을 수행하고, 이 3가지 신호분석 결과에 대한 기계학습을 통해 지중송전 케이블 부분방전 이상신호의 검출 정확도를 향상시킬 수 있도록 하는, 지중송전 케이블 부분방전 이상신호 검출 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 지중송전 케이블 부분방전 이상신호 검출 장치는, 지중송전선로 및 지중송전선로 접속함에서 발생되는 신호를 입력받는 신호 입력부; 상기 신호 입력부를 통해서 입력된 신호에 대하여 동시에 미리 지정된 3가지 신호분석을 수행하는 신호 분석부; 및 상기 미리 지정된 3가지 신호분석을 동시에 수행한 결과를 종합하여 부분방전 이상신호 여부를 판정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 신호 입력부는, 지중송전선로 및 지중송전선로 접속함에서 발생되는 신호를 검출하기 위한 센서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 신호 분석부는, PRPD(Phase Resolved Partial Discharge) 신호분석부; 3상 동시 측정으로 신호의 벡터합을 계산하여 맵핑하고 패턴을 분석하는 3PARD(3 Phase Amplitude Relation Diagram) 신호분석부; 및 펄스의 피크대비 면적을 수치화하여 PD 신호와의 유사성을 분석하는 펄스 첨도 신호분석부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부에서 판정한 부분방전 이상신호 판정 결과를 출력하며, 판정 결과를 바탕으로 알람을 출력하는 판정결과 출력부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 신호 분석부의 3가지 신호분석 방식 중, PRPD 신호분석 결과와 3PARD 신호분석 결과가 다를 경우, 펄스 첨도 신호분석 결과를 추가로 반영한 후 인공지능 기반 학습을 통해 최적 가중치를 선정하여 이상신호 판정에 반영하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 PRPD 신호분석, 3PARD 신호분석, 및 펄스첨도 신호분석을 포함한 3가지 신호분석을 수행하고, 이 3가지 신호분석 결과에 대한 기계학습을 통해 지중송전 케이블 부분방전 이상신호의 검출 정확도를 향상시킬 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지중송전 케이블 부분방전 이상신호 검출 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 2는 상기 도 1에 있어서, 신호 분석부에서 동시에 3가지 신호분석을 수행하는 방법을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 3은 상기 도 1에 있어서, 신호 분석부에서 동시에 3가지 신호분석을 수행한 결과에 차이가 있을 경우에 신호를 분석하는 방법을 설명하기 위하여 예시적으로 보인 테이블.
도 4는 상기 도 1에 있어서, 3PARD 신호분석 방식을 좀 더 구체적으로 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 5는 상기 도 4에 있어서, 각상 펄스 신호에 대한 벡터합 계산 방법을 보인 예시도.
도 6은 상기 도 5에 있어서, 취득된 펄스 데이터의 벡터합 맵핑 방법을 보인 예시도.
도 7은 상기 도 1에 있어서, 펄스 첨도 신호분석부의 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 지중송전 케이블 부분방전 이상신호 검출 장치의 일 실시예를 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지중송전 케이블 부분방전 이상신호 검출 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이고, 도 2는 상기 도 1에 있어서, 신호 분석부에서 동시에 3가지 신호분석을 수행하는 방법을 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 지중송전 케이블 부분방전 이상신호 검출 장치는, 신호 입력부(110), 신호 분석부(120), 제어부(130), 및 판정결과 출력부(140)를 포함한다.
상기 신호 분석부(120)는 PRPD 신호분석부(121), 3PARD 신호분석부(122), 및 펄스 첨도 신호분석부(123)를 포함한다.
상기 신호 입력부(110)는 지중송전선로 및 지중송전선로 접속함에서 발생되는 신호를 입력받는다.
따라서 상기 신호 입력부(110)는 지중송전선로 및 지중송전선로 접속함에서 발생되는 신호를 검출하기 위한 센서를 포함한다.
상기 신호 분석부(120)는 상기 신호 입력부(110)를 통해서 입력된 신호에 대하여 동시에 3가지 신호분석을 수행한다.
상기 PRPD 신호분석부(121)는 기존에 수행하던 신호분석 기법으로서, 연속된 전류 펄스를 60Hz 위상으로 나투어 겹쳐 생기는 패턴을 분석한다.
상기 3PARD(3 Phase Amplitude Relation Diagram) 신호분석부(122)는 3상 동시 펄스파형 분석 기법으로서, 3상 동시 측정으로 신호의 벡터합을 계산하여 맵핑하고 패턴을 분석한다.
상기 펄스 첨도 신호분석부(123)는 펄스의 피크대비 면적을 수치화하여 PD 신호와의 유사성을 분석한다.
따라서 상기 제어부(130)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 PRPD 신호분석부(121), 3PARD 신호분석부(122), 및 펄스 첨도 신호분석부(123)에서 분석한 결과를 종합하여 부분방전 이상신호 여부를 판정함으로써 신호분석 방시간의 정확한 상호검증을 통해 부분방전 이상신호의 진단(또는 판정)의 신뢰성(또는 정확도)을 향상시킨다.
상기 판정결과 출력부(140)는 상기 제어부(130)에서 판정한 결과(즉, 부분방전 이상신호 판정 결과)를 출력하며, 판정 결과를 바탕으로 알람(예 : 주의, 요주의 등)을 출력할 수 있다.
도 3은 상기 도 1에 있어서, 신호 분석부에서 동시에 3가지 신호분석을 수행한 결과에 차이가 있을 경우에 신호를 분석하는 방법을 설명하기 위하여 예시적으로 보인 테이블이다.
도 3을 참조하면 PRPD 신호분석 결과와 3PARD 신호분석 결과가 다를 경우에 펄스 첨도 신호분석 결과를 추가로 반영한 후(즉, 부분방전 이상신호의 정밀분석을 통한 신호분석 방식간의 정확도를 상호검증한 후) 인공지능 기반 학습을 통해 최적 가중치를 선정하여 이상신호 판정에 각기 반영한다.
그리고 상기 각 신호분석 결과에 가중치를 반영하여 이상신호를 판정하고, 판정한 평가점수를 바탕으로, 제1 지정된 값(예 : 0.5 이상) 이상에서는 주의 알람, 제2 지정된 값(예 : 0.7 이상) 이상에서는 요주의 알람을 발생한다.
한편 도 4는 상기 도 1에 있어서, 3PARD 신호분석 방식을 좀 더 구체적으로 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
여기서 상기 3PARD 신호분석 방식은, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 3상 신호를 동시 측정하면서, 3상에서 동시에 나타내는 노이즈 신호는 벡터합(페이저 계산)이 0에 가깝도록 매핑하고 패턴을 재분류하는 방식이다.
그런데 실제 현장에서 측정되는 신호는 3상에서 동시에 검출되는 특징이 있으며, 다만, 외부 노이즈(접지선을 통한)의 경우, 도 4의 (b),(c)에 도시된 바와 같이, PD 신호와는 다르게 유사한 신호의 크기가 동일 시점에 검출되므로, 크기의 벡터합 계산을 통해서, 외부 노이즈 신호와 진성 PD 신호를 구분할 수 있다.
도 5는 상기 도 4에 있어서, 각상 펄스 신호에 대한 벡터합 계산 방법을 보인 예시도이고, 도 6은 상기 도 5에 있어서, 취득된 펄스 데이터의 벡터합 맵핑 방법을 보인 예시도이다.
도 5를 참조하면, 실시간 검출되는 각상 펄스 신호 크기의 벡터합(페이저 계산)을 계산하여 누적하면, 도 6과 같이 일정 단위 시간 동안에 검출된 펄스 신호의 특징이 나타나게 된다.
이에 따라 PD로 예상되는 신호가 주로 A, B상에서 분포 검출되었고, A상으로 의심되는 것으로 판단할 수 있으며, 검출된 단위시간동안 검출된 펄스의 특징이 외부 노이즈 신호인지 아니면 PD신호인지 특징이 나타나게 되고, 이 펄스 집합에 대한 크기와 각도의 표준편차 값을 계산하면, 검출된 펄스 집합의 특징이 나타나게 된다. 즉, 검출된 신호가 외부 노이즈 신호인지 아니면 PD신호인지 특징의 추출이 가능하며, 신호가 어느 상에서 나타나는지 분포를 통해 확인이 가능하다.
도 7은 상기 도 1에 있어서, 펄스 첨도 신호분석부의 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도로서, 펄스 첨도 신호분석 방식은 PD 신호원이 측정점에서 가까울수록 펄스의 상승시간과 지속 시간이 짧은 임펄스 형태의 펄스를 만들게 되고, 펄스의 피크 대비 펄스의 면적을 수치화하여(신호피크/면적) 이 값이 작을수록 상승시간과 펄스 지속시간이 짧은 것에 착안하여 상기 (신호피크/면적)값에 따른 PD신호 펄스와 유사성 분석이 가능한 방식이다. 이에 따라 상기 (신호피크/면적)값이 클수록 PD 신호일 확률이 높음을 의미한다.
상기와 같이 본 실시예는 경제산업적 측면에서는, 지중송전선로 케이블 접속함 예방진단 강화로 부분방전에 의한 설비 절연파괴 및 고장 위험요인을 사전 제거하여 고장발생시 복구비용, 및 정전 등의 사회적 피해비용 절감이 가능하고, 부분방전 진단 알고리즘 강화로 전력설비 디지털변환 및 예방진단 기술개발 선도를 통한 진단산업 활성화에 기여하는 효과가 있다.
또한 기술적 측면에서 본 실시예는, 3상 펄스크기 신호분석 방식, 펄스첨도 신호분석 방식 및 PRPD 신호분석 방식을 융합하여 인공지능 적용 이상신호 판정 정확도를 향상시키고, 신호분석 방식을 통해 취득된 데이터와 정밀진단을 통해 취득된 데이터를 인공지능 기반으로 자가 학습을 수행하여 진단 정확도 고도화하는 효과가 있다.
이상으로 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 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다. 또한 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.
110 : 신호 입력부 120 : 신호 분석부
121 : PRPD 신호분석부 122 : 3PARD 신호분석부
123 : 펄스 첨도 신호분석부 130 : 제어부
140 : 판정결과 출력부

Claims (5)

  1. 지중송전선로 및 지중송전선로 접속함에서 발생되는 신호를 입력받는 신호 입력부;
    상기 신호 입력부를 통해서 입력된 신호에 대하여 동시에 미리 지정된 3가지 신호분석을 수행하는 신호 분석부; 및
    상기 미리 지정된 3가지 신호분석을 동시에 수행한 결과를 종합하여 부분방전 이상신호 여부를 판정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지중송전 케이블 부분방전 이상신호 검출 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 신호 입력부는,
    지중송전선로 및 지중송전선로 접속함에서 발생되는 신호를 검출하기 위한 센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지중송전 케이블 부분방전 이상신호 검출 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 신호 분석부는,
    PRPD(Phase Resolved Partial Discharge) 신호분석부;
    3상 동시 측정으로 신호의 벡터합을 계산하여 맵핑하고 패턴을 분석하는 3PARD(3 Phase Amplitude Relation Diagram) 신호분석부; 및
    펄스의 피크대비 면적을 수치화하여 PD 신호와의 유사성을 분석하는 펄스 첨도 신호분석부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지중송전 케이블 부분방전 이상신호 검출 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부에서 판정한 부분방전 이상신호 판정 결과를 출력하며, 판정 결과를 바탕으로 알람을 출력하는 판정결과 출력부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중송전 케이블 부분방전 이상신호 검출 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 신호 분석부의 3가지 신호분석 방식 중,
    PRPD 신호분석 결과와 3PARD 신호분석 결과가 다를 경우, 펄스 첨도 신호분석 결과를 추가로 반영한 후 인공지능 기반 학습을 통해 최적 가중치를 선정하여 이상신호 판정에 반영하는 것을 특징으로 하는 지중송전 케이블 부분방전 이상신호 검출 장치.
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Wojciech KOLTUNOWICZ 외 2인, 'Automated Partial Discharge Data Evaluation During Monitoring of Stator Winding', OMICRON Energy Solutions GmbH, 2017.11.11.* *

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