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DAS 시스템의 핵심 모듈인 광원, 광검출을 위한 PCB (printed circuit board)보드 및 각 부의 제어와 PC와의 연동 기능을 수행하는 FPGA (field programmable gate array) 펌웨어를 설계, 제작하였다. 각 부의 기능 및 역할은 아래와 같다.

1. 광원부: Seed LD (laser diode) 드라이버, SOA (semiconductor optical amplifier) 드라이버 및 Pump LD 드라이버로 구성

• A. Seed LD 드라이버: 입력 광펄스 신호 생성을 위한 레이저 소스로, 1550nm에서 50kHz 이하의 좁은 선폭의 광신호 출력이 가능하도록 소자 선정 및 구동 드라이버
• B. SOA 드라이버: Seed LD 출력 신호를 광펄스 신호로 변조하기 위한 광스위치 역할을 하는 SOA 구동 드라이버
• C. Pump LD 드라이버: 광펄스 신호의 증폭을 위해 광학계 모듈에 공급되는 Pump LD 구동 드라이버

2. 광검출부: 측정 광섬유로부터 수집된 광신호를 전기신호로 변환하기 위한 모듈

• A. 광신호 수신용 광검출 회로(2채널) 및 광 트리거 수신용 광검출 회로(1채널)로 구성

3. FPGA 펌웨어: 각 광원 드라이버 제어 및 광검출부에서 변환된 전기신호 분석, PC와의 인터페이스 제공

• A. 광원 제어를 위한 DAC (digital to analog conversion), ADC (analog to digital conversion) 제어, 수집 광신호 분석 및 PC로 데이터 전송, MCU/USB 컨트롤러 제어 회로로 구성

2.1.1 광원부 설계 및 제작

Fig. 1은 광원부의 구성도를 보여준다. 좁은 선폭 및 고출력 광펄스 변조 신호 생성을 위한 Seed LD, SOA 및 Pump LD의 구동 회로 설계 및 PCB 보드를 제작하였다. Seed/Pump LD 구동 회로는 협선폭 고출력 광신호 발생을 위해 각 LD의 전류크기와 동작온도의 제어를 담당한다. SOA 구동 회로는 SOA의 전류크기 및 동작온도 제어 및 펄스모드 동작을 위한 설계를 적용하였고, 공통적으로 최대 1.4A 전류를 공급하여 각 드라이버들의 제어가 가능하도록 주변회로를 설계하였다. 제어뿐만 아니라, 16비트 ADC 칩을 이용하여 전류, 온도, TEC 전류 등 광원의 상태정보를 모니터링한다. Seed/Pump lD의 선폭 유지를 위해 0.01도 분해능을 갖도록 고정밀 온도 Negative 피드백 제어가 가능한 DAC 칩과 16비트 해상도의 SPI Serial ADC 칩을 사용하였다. SOA 구동을 위해서는 광펄스 생성 시 전류 제어를 담당하는 FPGA 기반 16비트 DAC 및 LVDS (low voltage different signaling) 스위치 제어 회로를 설계, 적용하였다.

Fig. 1. 
Component diagram of optical source module

2.1.2 광검출부 설계 및 제작

광검출부의 경우, 저잡음·고증폭 광검출 회로 구성을 통해 낮은 출력을 가지는 광펄스 형태의 DAS 측정 신호의 광전 변환 및 전기 신호 증폭이 가능하도록 설계하였다. 저잡음 설계를 위해 저잡음 TIA (transimpedance amplifier) 칩을 이용하여 광전류 신호를 차동신호 전압으로 변환하도록 하였으며, 고증폭을 위해 차동신호 형태의 증폭 앰프를 이용하여 회로를 구성하였다. DAC 칩을 이용해 증폭단 입력의 오프셋 조정을 통해 선형성이 향상되도록 하는 설계를 적용하였다. Fig. 2는 광검출부의 구성도를 보여준다.

Fig. 2. 
Component diagram of photo detector module

2.1.3 FPGA 펌웨어 설계 및 제작

FPGA 칩은 시스템의 전반적인 제어 및 PC와의 연동 기능을 수행한다. 각 보드의 ADC, DAC 칩의 제어 및 광원을 포함한 소자들의 제어 기능 및 MCU/USB 컨트롤러 제어를 통해 PC로부터 제어 신호를 전송받고, 수집한 데이터를 전송한다. Table 1은 FPGA의 주요 로직블럭의 기능을 나타내며, Fig. 3은 FPGA 펌웨어의 구성도를 보여준다.

Table 1. 
Main functions of logic block in FPGA

Functions	Description
Optical source control	Control and adjust linewidth of seed/pump/SOA
ADC interface	Control ADC chip and covert backscattered light collected through photo diodes (PDs)
TEC control	Control temperature through TEC for the stability of optical sources and PDs
DDR2 RAM control	Store collected data from ADC to onboard DRAM and control transmission of the stored data to PC
USB interface	Send collected data to PC via USB controller

Fig. 3. 
Component diagram of FPGA firmware.

2.1.4 핵심 모듈통합 보드 및 장비 시제품 제작

Fig. 4는 설계, 제작된 부분방전 진단용 DAS 시스템 핵심 모듈통합 PCB를 보여준다. 각 부가 한 보드로 통합되어 있으며, 이 통합 PCB를 포함하여, 장비 제어용 GUI 제공, 신호처리 및 데이터 표출을 위한 임베디드 PC, 고속 데이터수집을 위한 DAQ 모듈과 전원공급을 위한 SMPS (switching mode power supply) 등의 구성요소들을 조합하여 시제품을 제작하였다. 시제품 내부는 Fig. 5와 같다. PC 및 DAQ의 모듈은 진동 및 발열을 동반하는 구성품으로 시스템 후면 fan에 근접하게 배치하여 시스템 전체 온도의 상승을 방지하도록 했고, 통합 PCB 및 커넥터 및 부속품들은 광학계와의 연동을 위해 시스템 전면에 배치하였다. 광학계 모듈은 발열 및 진동을 피하고 접근 및 수정이 용이한 2층에 위치하도록 하였다.

Fig. 4. 
Integrated PCB for DAS system core modules.

Fig. 5. 
Internal view of DAS prototype system ; (a) First layer, (b) Second layer.

2.1.5 DAS 신호 기반 부분방전 검출 알고리즘

구현된 DAS 시스템은 진동 혹은 음향 신호의 위상 정보를 추출하는 시스템으로, 방전 신호 자체의 전기적인 주파수 특성을 검출하는 것이 아니라, 부분방전에 의한 음향 방출 혹은 진동 신호를 감지하여 부분방전을 간접적으로 탐지하는 것이 목적이다. 이를 위해 우선 측정된 광신호로부터 위상 정보를 추출하고, 노이즈 필터링 등 전처리를 수행한 후 특정 간격을 기준으로 설정 값을 초과하는 신호 값이 검출될 경우 이 위치를 기록해 두었다가 이 위치에서 특정 거리 내에서 특정시간 안에 반복적으로 신호가 감지될 경우 부분방전으로 판단하는 알고리즘을 고안하였다. 이는 DAS 신호와 부분방전의 특성상 신호가 한 지점에서 고정적으로 발생 또는 측정되지 않고, 또한 방전 신호가 장기간 연속적으로 발생하는 것이 아니라 순간적으로 여러 차례 국부적으로 발생하기 때문이다. 따라서 false alarm을 줄이고, 검출의 정확도를 높이기 위해서 구간별 threshold 초과치에 대한 히스토그램 분석 기법 기반의 알고리즘을 구현하고, 실험을 통해 유효성을 검증하였다. Fig. 6은 이 알고리즘의 흐름도를 보여준다.

Fig. 6. 
Algorithm flow chart for partial discharge detection.

제작된 DAS 시제품을 사용하여 부분방전을 측정하기 위한 실험을 구성하고 테스트를 수행하였다. 공기 중의 두 전극 사이에서 발생하는 아크 방전에 대한 측정실험을 통해 DAS 시스템 기반 부분방전 검출 여부를 검증하고, 부분방전 검출을 위한 조건들을 분석하였다.

공기 중 아크 방전 실험을 위해 광섬유 스풀에 감겨진 5 km 광섬유 뒷단에 코일 형태로 제작된 감지부와 방전 발생 장치를 배치하여 실험할 시료를 구성한 후 DAS 시스템을 통해 측정 실험을 수행하였다. Fig. 7은 이러한 실험 구성도 및 실제 실험 환경을 보여준다. 이때 사용한 슬라이닥스는 0~300 V의 AC 정격출력을 가지며, 약 25에서 30 V 사이로 출력을 조정하였을 때 방전발생장치 고전압 변환기에 의해 방전이 발생하게 된다.

Fig. 7. 
Arc discharge experiment setup.

시료를 DAS 시스템에 체결한 후 방전 발생 장치와 연결된 슬라이닥스를 통해 고전압을 인가하여 방전을 발생시키고, DAS 시스템의 UI를 통해 방전 신호가 검출되는지 여부를 관찰하였다. 이때 발생하는 방전은 부분방전의 누적으로 발생하는 아크 방전의 형태로, 실제 전력설비의 아크로 인한 소손 사고의 주요 원인이 된다. 이 실험을 통해 달성하고자 한 목표는 1. DAS 시스템을 이용한 부분방전 검출 가능 여부 확인, 2. 부분방전 센서용 광섬유케이블에 최적화된 fiber core 선정, 3. 부분방전 센서용 광섬유케이블 설치 거리 검증, 4. 부분방전 센서용 광섬유 케이블에 최적화된 fiber packaging 선정 등이다.

우선 부분방전의 검출 가능 여부에 관해서는 광섬유케이블 시료를 DAS 시스템에 연결하여 전체 구간에 대한 분포 데이터 수집 가능 여부를 먼저 확인한 후, 방전을 발생시켜 GUI 상에 가시화된 결과로부터 방전이 발생한 위치에 대한 진동 신호가 검출되는지를 확인하였다. Fig. 8은 이러한 방전에 의한 DAS 신호를 시간에 따라 누적한2D 컬러맵(colormap)을 보여준다. 컬러맵은 거리에 따른 phase spectrum을 그 세기(intensity)에 따라 색상으로 나타낸 것으로, 단위는 [rad²]이다. 값이 양수이면 붉은색으로, 음수이면 파란색으로 표현된다.

Fig. 8. 
Time-distance 2D colormap for measured data.

또한 부분방전 신호검출에 적합한 광섬유케이블 선정을 위해 싱글모드 광섬유(single-mode fiber, SMF), 멀티모드 광섬유(multi-mode fiber, MMF) 및 와이드밴드(wideband) SMF 등 총 3종에 대한 비교 테스트를 수행하였다. 와이드밴드 SMF의 경우 일반 SMF나 MMF에 비해 신호의 크기가 작게 형성되었으며, 부분 방전에 의한 잔류 신호로 판단된다. SMF와 MMF의 경우 동일 수준의 부분방전 신호 검출이 가능함을 확인할 수 있었다. 5 km 길이를 기준으로 SMF의 단가는 MMF의 33% 수준으로, 일반적인 경우 SMF를 활용하는 것이 동일한 성능을 유지하면서 좀 더 단가 절감에 유리한 것으로 판단된다. Fig. 9는 3종의 fiber core를 사용하여 측정한 부분방전 데이터를 각각 가시화하여 나타낸 것이다.

Fig. 9. 
Measured data comparison by fiber core type ; (a) Single-mode fiber, (b) Multi-mode fiber, (c) Wideband single-mode fiber.

부분방전 측정에 최적화된 광섬유케이블의 설치 거리를 도출하기 위해 방전 발생 장치로부터 광섬유케이블의 이격 거리를 증가시키며 DAS 데이터를 수집하여 분석하였다. 방전 발생 장치 및 광섬유 간 이격거리가 0 cm 일 때 가장 큰 세기의 DAS 신호가 수집되었으며, 이격거리 증가에 따른 수집 신호의 세기가 점차 감소함을 확인하였다. 따라서 최적의 신호 측정을 위해서는 측정 대상에 대해 직접 부착하는 것이 가장 권장되지만 설치 환경에 따라 최대 8 cm 이하의 거리에서 측정이 가능할 것으로 판단된다. Fig. 10에서 이러한 광섬유케이블 이격거리에 대한 부분방전 측정 데이터를 보여준다.

Fig. 10. 
Measured data comparison by distance ; (a) 0 cm from fiber, (b) 4 cm from fiber, (c) 8cm from fiber.

DAS 시스템 기반 부분방전 신호 검출에 있어서 광섬유케이블 패키징이 부분방전 신호 검출에 미치는 영향에 대해 알아보기 위해 비교 실험을 수행하였다. 일반적인 bare 형태의 광섬유와tight buffered 패키징 광섬유를 활용하여 부분방전 데이터를 수집하여 비교 분석하였다. 그 결과 두 광섬유 사이에 유의미한 차이는 관찰되지 않았으며, tight buffered 광섬유에서도 충분한 신호 검출이 가능함을 확인하였다. 따라서 부분방전 측정 시 외부 환경 요인에 의한 광섬유케이블의 손상을 방지하고 일정 수준 이상의 내구성을 보장하기 위해 tight buffered 패키징 광섬유케이블의 활용이 가능함을 검증하였다. Fig. 11은 두 광섬유를 이용한 부분방전 신호 검출 결과를 보여준다.

Fig. 11. 
Measured data comparison by cable type ; (a) Bare fiber, (b) Tight-buffered fiber.