분포형 광음향센싱 기반 부분방전 모니터링 기술 연구

1. 서 론

전력설비의 부분방전이란 주로 고전압 장치의 절연재료 내부에서 발생하는 국부적인 방전 현상으로, 제조 공정상의 결함이나 절연재료의 노화에 의한 공극(void) 또는 불순물, 돌출부, 균열 등에 전계가 집중되어 발생한다. 이러한 부분방전은 작은 영역에서 반복적으로 일어나 열화진전의 원인이 되고, 절연재료의 절연파괴로 이어져 종국에는 소손으로 인한 전력단절 및 인명사고 등 막대한 손실을 야기한다. 따라서 이러한 재해의 발생요인인 부분방전을 사전에 감지하고 절연 시스템의 상태를 정확히 파악하여 대응 방안을 적용할 수 있도록 부분방전 감시·진단 시스템의 도입과 운용이 필수적이다[1].

이러한 부분방전 감시·진단 시스템을 구현하기 위해서는 부분방전을 측정할 수 있는 센서 기술과, 센서로부터 수집된 데이터를 분석하여 부분방전의 발생여부를 검출할 수 있는 데이터 처리 기술이 필요하다. 지금까지 활용되어온 부분방전 센싱 기술은 주로 전기적 방식에 기반한 기술들로, UHF (ultra high frequency) 센서, HFCT (high frequency current transformer) 센서, TEV (transient earth voltage) 센서가 보편적이다[2]. 또한 이러한 전기적 방법과 더불어, AA (airborne acoustic) 또는 AE (acoustic emission) 등과 같은 음향을 이용하는 비전기적 방법을 복합 적용하여 진단 품질을 높이고 있다[3].

전기식의 경우 기술의 성숙도가 높고 설비 시공 시 내장하거나 초기 결함 검출을 위한 사전검사용으로 널리 사용되고 있고, 신호의 분석 기법도 오랜 기간 연구를 통해 검증되고 체계화되었으나, 다음의 이유로 장거리/대규모 설비에 적용하기에 미흡한 부분들이 존재한다. 첫 번째로, 전기식의 경우 전자기 노이즈의 영향을 많이 받기 때문에 추가적인 노이즈 제거 기법과 신호 분석 및 해석 등 기술 보완이 필요하다는 점이 있다. 두 번째로, 기존 전기식 전력 케이블 부분방전 검출은 측정지점과 거리가 멀어질수록 부분방전의 신호 크기가 감소하고 왜곡이 증가되어 일반적인 산업현장에서 요구되는 수십 m에서 수천 m장거리 구간에서 분포형으로 부분검출이 불가능하다. 마지막으로 발생 위치의 특정을 위해 TDR (time domain reflectometry), TOA (time of arrival) 등의 직간접적인 수단들이 사용되고는 있으나, 노이즈 상황을 고려한 부가적인 분석 알고리즘과 별도의 신호검출·분석장비를 요하며 고정밀 위치 특정이 어렵다는 약점이 있다.

본 연구에서는 이러한 기존 전력설비용 부분방전 진단 기술의 단점을 보완하고, 적용 한계를 극복하기 위한 방안으로 광섬유를 이용한 비전기식 부분방전 센서 기술을 제안한다. 이 기술은 분포형 광음향센싱 (distributed acoustic sensing, DAS) 기술을 사용하여 전력케이블 등 장거리/대규모 전력설비에 대한 부분방전을 검출한다. 광섬유 분포 음향·진동 센싱 기술은 광섬유를 이용한 분포 센싱 기술 중 하나로, 광섬유 케이블을 센서부로 이용하여 광섬유 상의 모든 지점에 대해 일정 간격으로 음향·진동 패턴(시그니처)를 검출할 수 있는 기술이다. 이 기술은 석유나 가스 등의 수송관 및 도심 통신망 모니터링, 지진파 정보 획득, 철도차량 추적 및 철로 이상감지 등에 다양하게 적용돼 왔으나[4-7], 부분방전 검출용에 있어서는 국내에서 아직 연구가 진행된 바가 없으며, 해외에서도 기초 이론 확립 및 기상용화 장비를 통한 검출 능력을 검증하고 있는 단계이다[8].

따라서 본 연구에서는 부분방전 검출용으로 사용가능한 DAS 장비를 시제품 수준으로 직접 제작하고 이를 이용하여 부분방전 측정 실험을 수행하였다. 또한 측정된 데이터를 분석하여 부분방전 검출 여부를 판별할 수 있는 알고리즘을 고안하고 이를 적용하여 DAS 신호를 사용하여 부분방전 검출이 가능함을 검증하였다.

2. 연구 방법

2.1 부분방전 측정용 DAS 시스템 설계 및 개발

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

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.

2.1.6 DAS 시스템 성능 검증

제작된 DAS 시스템의 성능을 검증하기 위해서 기본적인 DAS의 규격이 정의돼 있는 IEC 61757-3-2 표준에 의거하여 성능 테스트를 수행하였다. 주요 측정항목은 측정거리, 공간분해능, 광신호 SNR (Signal to Noise Ratio), 측정반복률로, 각 항목의 정의는 다음과 같다.

1. 측정거리: 장치의 커넥터로부터 센서로 동작 가능한 광섬유의 총 길이

2. 공간분해능: 진동 감지 및 측정할 수 있는 광섬유 길이의 최솟값

3. 광신호 SNR: 결과 데이터에서 노이즈 레벨의 크기에 대한 진동신호 크기의 비율

4. 측정 반복률: 광펄스의 반복률과 등가, 샘플 간격의 역수

측정거리는 OTDR (optical time domain reflectometer)를 이용하여 측정 광섬유의 실제 물리적 길이를 확인한 후, 본 DAS 장비로부터 측정, 제어 GUI에 표출되는 거리 값과 비교하여 검증하였고, 5 km 이상 측정 가능함을 확인하였다. 공간분해능은 측정 광섬유 끝단에 각각 1, 2, 3, 4, 5m의 길이를 갖는 광섬유를 25 m 간격으로 fiber stretcher에 실장한 후 인가된 진동 신호가 구분되어 측정 가능한 최소 길이를 평가하였다. 진동이 가해진 총 5군데의 각기 다른 길이의 광섬유 중 가장 짧은 1 m 길이의 광섬유에서도 인가된 진동 신호가 측정됨을 확인하여, 공간분해능이 1 m임을 검증하였다. 광신호 SNR은 유효측정점에서 측정되는 진동 데이터의 신호 크기가 노이즈 레벨에 대해 가지는 신호 크기의 비를 dB 단위로 계산하여 성능을 평가하였으며, 약 30 dB에 가까운 SNR을 확인할 수 있었다. 측정 반복률은 광펄스 신호를 전기신호로 변환한 후 오실로스코프를 통해 반복률을 측정하여 10kHz의 값을 가지는 것을 확인하였다. Table 2에서 확인한 성능평가 결과를 요약적으로 보여준다.

Table 2.

DAS performance evaluation result

3. 결과 및 고찰

3.1 부분방전 측정 유사환경 실험

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.

4. 결 론

본 연구에서는 전력설비의 부분방전을 감지할 수 있는 광섬유 분포 음향·진동 센서 시스템의 설계 및 제작 결과와, 기본적인 성능에 대한 검증 결과 및 모의환경을 통한 부분방전 검출 실험 결과를 제시하였다.

광섬유 기반 분포 측정 기술은 기존의 단일지점 측정이라는 패러다임에서 벗어난 분포 측정이라는 새로운 측정 기술로, 광섬유 한 가닥과 한 대의 장비로 최소 1,000 ~ 10,000개 이상의 지점을 동시 측정할 수 있다. 이 기술이 부분방전 감지에 적용될 경우 장거리, 특히 전력 케이블의 전 구간에 걸친 부분방전 발생의 분포도를 실시간으로 계측할 수 있을 것으로 기대된다. 기존 부분방전 센서로는 신호감쇠에 의한 장거리에 걸친 부분 방전 검출이 불가능하며, 이를 보완하기 위해 측정 범위 경계에 다수의 센서를 설치한다고 했을 때 비용이 급격히 증가하며 전원공급 문제, 네트워크 복잡도 증가 등 상시 감시가 어렵다. 또한 부분방전은 검출하는 것뿐만 아니라, 절연파괴로 이어지기 전에 미연에 방지하기 위해 경향성을 관리하는 것이 더욱 중요하다. 따라서 본 시스템을 적용하면 실시간 활선 진단이 가능하여 기존의 부분방전 상시 모니터링에 있어서의 난점이 해소될 것으로 전망된다. 또한 주로 직류를 생산하는 신재생에너지의 세계적인 확대추세와 직류 수요의 급격한 증가로 인한 직류 배전망 확산이 예측되는 바, 현재의 교류망 뿐만 아니라 직류망에서도 공통적으로 적용할 수 있어 본 기술의 응용 범위가 더욱 확대될 것으로 기대된다.

Acknowledgments

본 연구는 행정안전부와 한국산업기술평가관리원의 사회 복합재난 대응기술 개발사업(No. 20015728) 및 산업통상자원부와 한국산업기술평가관리원의 에너지 효율향상을 위한 광소자시스템 기술개발사업(No. 20016865)의 지원을 받아 수행된 연구임

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