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문제 정의
- 본 연구에서는 절연 재료의 열화진단을 위해 부 분방전시 발생되는 전기트리의 영상을 복합적으로 분석하고, 절연파괴 예측을 위하여 Computer 분야 의 영상처리에서 이용되고 있는 이진화 및 고주파 변환 알고리즘 등을 적용하여 절연파괴 예측 시스템을 구성하였다. 전기트리의 초기 발생 영상을 측정 .
- 먼저 트리시 료는 보이 드가 존재 하지 않는 형 태 로 실험전압에 따른 트리 의 발생을 연구하기 위한 트리연구'용 기초시료이다. 절연재료는 가교폴에틸 렌 (XLPE, 일본, 후지쿠라)을 이용하였으며, 시료 는 12xl2x35[mm]의 평판형을 이용하였다.
- 이러한 문제점을 해결 하 고자 본 실험에서는 몇 가지의 필터를 실험한 결과 이진화된 영상을 필터링 하는 것보다는 이진화 전의 원 영상을 필터링 함으로서 보다 좋은 결과를 가져 올 수 있다는 것을 볼 수 있었으며, 실험 된 필터링 알고리즘 중에서도 고주파 강화 필터링 기법이 좋은 결과를 가져온다는 결과를 볼 수 있었다. 그러므로, 본 실험에서는 입력된 영상을 고 주파 강화 필터를 이용하여 먼저 트리의 형태를 강화시킴으로써 잡음을 줄일 수 있었으며, 필터를 통한 영상을 다시 이진화 작업을 통하여 배경 영 상과 전기 트리 영상을 분리하기 위한 작업을 수행하였다. 그러나, 이진화 작업 중 단순히 고정된 분기 값을 가지는 이진화는 영상에 많은 잡음 또는 전기 트리의 작은 부분은 일부 삭제됨을 발견 하게 되었으며, 삭제된 부분을 최소화하기 위하여 몇 차례의 실험 결과 영상에 고루 분포된 픽셀의 Color값 중에서 분포도에 따라 중위수를 구한 후 중위수의 비중을 고려한 이진화가 좋은 결과를 가 져 왔다.
제안 방법
- 본 연구에서는 절연 재료의 열화진단을 위해 부 분방전시 발생되는 전기트리의 영상을 복합적으로 분석하고, 절연파괴 예측을 위하여 Computer 분야 의 영상처리에서 이용되고 있는 이진화 및 고주파 변환 알고리즘 등을 적용하여 절연파괴 예측 시스템을 구성하였다. 전기트리의 초기 발생 영상을 측정 . 분석하여 통계적인 자료값을 산출하고, 기 분 석된 자료를 이용해서 제안돤 알고리즘을 수행하여 차후 파괴가 발생되어 완전파괴 단계에 이르기 까지의 시간과 파괴 정도를 예측하였다.
- 전기트리의 초기 발생 영상을 측정 . 분석하여 통계적인 자료값을 산출하고, 기 분 석된 자료를 이용해서 제안돤 알고리즘을 수행하여 차후 파괴가 발생되어 완전파괴 단계에 이르기 까지의 시간과 파괴 정도를 예측하였다.
- 절연 재료의 부분 방전으로 인하여 발생되는 전 기 트리영 상을 측정 해 보면 많은 수의 잡음 영상 이 포함되어 있어 이러한 영상을 바로 분석하기에 는 많은 어려움이 따른다. 그러므로, 본 연구에서는 입력된 영상을 High Pass Filter를 통하여 잡음 을 해소하였으며, 필터링 처리된 영상을 이진화 기법을 이용하여 배경 영상과 트리 부분을 분리하였다. 분리된 트리 영상을 인식이 편리하도록 하기 위하여 외곽선 검출을 통하여 트리 부분만의 면적 및 예측에 필요한 기본 수치의 산출에 사용하였다.
- 그러므로, 본 연구에서는 입력된 영상을 High Pass Filter를 통하여 잡음 을 해소하였으며, 필터링 처리된 영상을 이진화 기법을 이용하여 배경 영상과 트리 부분을 분리하였다. 분리된 트리 영상을 인식이 편리하도록 하기 위하여 외곽선 검출을 통하여 트리 부분만의 면적 및 예측에 필요한 기본 수치의 산출에 사용하였다.
- 시료는 2가지의 형태로 제작하였으며, 각각을 트리 시료 및 보이드 트리시료로 구분하였다.
- 전반부는 제작된 시료에 일정한 전압을 가하여 부분방전의 영상을 취득하기 위한 트리 관측 시스 템이며, 후반부는 관측 시스템으로 부터 취득된 전기 트리 영상을 컴퓨터를 이용하여 처리하는 부 분과 절연 파괴 예측을 위한 부분으로 구분하여 설계되었다.
- 교류 전압을 인가한 후 광학현미경(일본, 올림프 스)을 통하여 트리를 관측하고 비디오테이프에 기 록하였다. 전압을 가하는 전극부분은 스프링 압력 을 이용하였으며, 동일한 압력을 가하기 위하여 스 프링의 위치를 일정하게 하였으며, 연면방전을 방 지하기 위해 실리콘 오일 내에서 시행하였다.
- 교류 전압을 인가한 후 광학현미경(일본, 올림프 스)을 통하여 트리를 관측하고 비디오테이프에 기 록하였다. 전압을 가하는 전극부분은 스프링 압력 을 이용하였으며, 동일한 압력을 가하기 위하여 스 프링의 위치를 일정하게 하였으며, 연면방전을 방 지하기 위해 실리콘 오일 내에서 시행하였다. 시료 에 가해지는 압력은 15[Kg/Cm2] 이며 면압의 측 정은 프레스-겔법을 이용하였다’
- 계면 유무에 따른 결과를 조사하기 위한 범위는 6[KV]에서 16[KV]로 하였다. 화상관측 시스템은 입력된 데이터를 화상 보드를 이용하여 디지털화하고 트리의 진전특성을 고찰하였다. 화상처리보드의 화소수는 255 X 255이 며 흑백단계는 256단계이다.
- CCD로 부터의 출력은 VTR에서 기록하고, 아날 로그 출력을 VTR용 모니터에서 관측한다. 실험에서 사용된 화상처리보드 (IFM사, 일본, IF"C)의 입출력은 NTSC방식이며 해상도는 256 X 256이고 흑백단계는 256이다.
- 실험에서 사용된 화상처리보드 (IFM사, 일본, IF"C)의 입출력은 NTSC방식이며 해상도는 256 X 256이고 흑백단계는 256이다. 컴퓨터 프로그래밍에 의하여 디지털 출력은 적절한 이진화 단계를 결정하고 컴 퓨터로 데이터의 샘플링 및 트리관측 프로그래밍 을 실행하였다. 예측 시스템은 연구된 시스템의 후 반부로서 전반부의 트리관측 시스템으로부터 추출 된 전기트리 영상의 인식 효율을 높이기 위하여, 몇 단계의 영상 필터링을 통하여 인식된다.
- 다음에 설명되는 내용은 처리과정을 기준으로 하여 영상의 필터 처리에 해당되는 STEP I과 영 상인식을 수행하는 STEP II 그리고 최종적인 파괴 정도 및 시간을 예측하게 되는 STEP HI로 구분하였다. STEP I 에서는 트리관측 시스템으로부터 생 성되어 VTR Tape 에 기록된 영상을 컴퓨터에 입력하는 작업으로부터 시작된다.
- Grab Board로부터 입력되는 영 상은 단순 촬영에 의한 영상으로 실험에 사용하기 위해서는 몇가지 작업이 필요하였다. 입력 영상을 실험에 사용하기 위한 자료로의 가공을 위하여 Grab Board의 출시 회사로부터 제공받은 Bandit Driver에 포함된 Library을 이용한 Program을 제 작하였다.
- 작성된 Programe Visual Basic을 이용하였으며, 본 Program에서는 입력되는 Image 자료의 가 공이 편리하며, Computer 및 OS에 영향을 받지 않는 BitMap (BMP) Format으로 저장하는 처리가 수행되었다.⑸⑹
- 본 연구에서는 트리의 성장 과정이란 절연 재료 의 부분방전시 초기에 발생되는 전기 트리의 영상 을 이용하여 절연 재료의 파괴가 발생하는 최종 단계까지의 영상을 유추할 수 있다는 연구결과를 이용, 입력된 초기 영상의 트리 정보를 인식하여 형태별로 분리하고 영상의 이진화 및 고주파 필터 링을 사용해서 정보를 산출한 후, 형태별 승수값을 가산하며, 통계적인 자료값을 이용하여 차후 파괴 가 발생되어 완전 파괴 단계까지의 시간과 파괴 정도를 예측 할 수 있었다. 그리고, 다양한 인가 전압별 환경에 따른 실험 자료의 추가 입력에 따라 본 알고리즘은 다양한 형태의 자료 유추가 가 능하다는 결론을 얻을 수 있었다.
- 절연파괴의 예측을 자동화하기 위하여 구성된 시스템은 처리 내용과 환경에 따라 전반부와 후반 부로 구분하여 설계 되였다.
대상 데이터
- 먼저 트리시 료는 보이 드가 존재 하지 않는 형 태 로 실험전압에 따른 트리 의 발생을 연구하기 위한 트리연구'용 기초시료이다. 절연재료는 가교폴에틸 렌 (XLPE, 일본, 후지쿠라)을 이용하였으며, 시료 는 12xl2x35[mm]의 평판형을 이용하였다.
- 실험에서 사용된 침전극은 곡률반경 5W, 선단 각도 30° 의 오쿠라트리전극 (Okura Treeing -Electrode, 일본, 오쿠라보석전기 공업주식 회사)을 이용하였으며, 하부의 평판전극에서의 접촉저항 감 소를 위하여 사포(#40, #400, #1000, #3000)를 이용하여 순차적으로 연마하였다. 침전극과 평판전극과 의 거리는 2(mm)로 하였다.
- 원화상의 입력을 위하여 최초 1분간은 전압을 인가하지 않았고, 승압속도 500[Volt/sec]의 전압을 목적한 전압까지 상승하였다. 계면 유무에 따른 결과를 조사하기 위한 범위는 6[KV]에서 16[KV]로 하였다. 화상관측 시스템은 입력된 데이터를 화상 보드를 이용하여 디지털화하고 트리의 진전특성을 고찰하였다.
- CCD로 부터의 출력은 VTR에서 기록하고, 아날 로그 출력을 VTR용 모니터에서 관측한다. 실험에서 사용된 화상처리보드 (IFM사, 일본, IF"C)의 입출력은 NTSC방식이며 해상도는 256 X 256이고 흑백단계는 256이다. 컴퓨터 프로그래밍에 의하여 디지털 출력은 적절한 이진화 단계를 결정하고 컴 퓨터로 데이터의 샘플링 및 트리관측 프로그래밍 을 실행하였다.
- 트리관측 시스템으로부터 취득된 영상 Tapee AV 단자를 포함하는 켐코더를 통하여 재생되었으 며, 재생되는 영상을 컴퓨터에 입력하기 위하여 FRAME GRABBER의 하나인 CORECO 사의 제 품을 이용하였다. Grab Board로부터 입력되는 영 상은 단순 촬영에 의한 영상으로 실험에 사용하기 위해서는 몇가지 작업이 필요하였다.
- 5% 에 해당되는 시간대별 트리의 크기를 표시한 내용 이다. 여기서, 적용된 자료는 실험된 시료 중 각 트리 및 인가 전압별로 발생되는 자료를 산출하여 통계처리된 자료이며, 각 자료별 실험 횟수 30회 이상에서 발생되는 자료를 사용하였으며, 통계자료 수치는 오차율 +3.2 % ~ -3.2% 이내의 오차를 포 함한다.
이론/모형
- 전압을 가하는 전극부분은 스프링 압력 을 이용하였으며, 동일한 압력을 가하기 위하여 스 프링의 위치를 일정하게 하였으며, 연면방전을 방 지하기 위해 실리콘 오일 내에서 시행하였다. 시료 에 가해지는 압력은 15[Kg/Cm2] 이며 면압의 측 정은 프레스-겔법을 이용하였다’
성능/효과
- 본 연구에서는 배경 영상과 전기 트리영상을 분 리하기 위하여 이진화 작업을 수행하려 하였으나, 몇 차례의 실험에서 추출된 전기트리 영상은 많은 부분이 배경 영상과 혼합되거나 잡음 등이 포함되어 있음을 알 수 있었다. 이러한 문제점을 해결 하 고자 본 실험에서는 몇 가지의 필터를 실험한 결과 이진화된 영상을 필터링 하는 것보다는 이진화 전의 원 영상을 필터링 함으로서 보다 좋은 결과를 가져 올 수 있다는 것을 볼 수 있었으며, 실험 된 필터링 알고리즘 중에서도 고주파 강화 필터링 기법이 좋은 결과를 가져온다는 결과를 볼 수 있었다.
- 본 연구에서는 배경 영상과 전기 트리영상을 분 리하기 위하여 이진화 작업을 수행하려 하였으나, 몇 차례의 실험에서 추출된 전기트리 영상은 많은 부분이 배경 영상과 혼합되거나 잡음 등이 포함되어 있음을 알 수 있었다. 이러한 문제점을 해결 하 고자 본 실험에서는 몇 가지의 필터를 실험한 결과 이진화된 영상을 필터링 하는 것보다는 이진화 전의 원 영상을 필터링 함으로서 보다 좋은 결과를 가져 올 수 있다는 것을 볼 수 있었으며, 실험 된 필터링 알고리즘 중에서도 고주파 강화 필터링 기법이 좋은 결과를 가져온다는 결과를 볼 수 있었다. 그러므로, 본 실험에서는 입력된 영상을 고 주파 강화 필터를 이용하여 먼저 트리의 형태를 강화시킴으로써 잡음을 줄일 수 있었으며, 필터를 통한 영상을 다시 이진화 작업을 통하여 배경 영 상과 전기 트리 영상을 분리하기 위한 작업을 수행하였다.
- 그러므로, 본 실험에서는 입력된 영상을 고 주파 강화 필터를 이용하여 먼저 트리의 형태를 강화시킴으로써 잡음을 줄일 수 있었으며, 필터를 통한 영상을 다시 이진화 작업을 통하여 배경 영 상과 전기 트리 영상을 분리하기 위한 작업을 수행하였다. 그러나, 이진화 작업 중 단순히 고정된 분기 값을 가지는 이진화는 영상에 많은 잡음 또는 전기 트리의 작은 부분은 일부 삭제됨을 발견 하게 되었으며, 삭제된 부분을 최소화하기 위하여 몇 차례의 실험 결과 영상에 고루 분포된 픽셀의 Color값 중에서 분포도에 따라 중위수를 구한 후 중위수의 비중을 고려한 이진화가 좋은 결과를 가 져 왔다.
- 두 그래프의 내용을 비교해 본 결과, 실험 자료를 기준으로 하여 예측 자료의 오차율은 최종 예 측 결과의 픽셀별 예측 크기를 비교하여 산출한 결과 Lx 오류율 0.00757 로서 0.75%로 산출되었으 며, 결과 Ly 오류율 0.0263로서 2*63% 로 산출되어 예측 한도 오류율 3.2%안에서 예측됨을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 트리의 성장 과정이란 절연 재료 의 부분방전시 초기에 발생되는 전기 트리의 영상 을 이용하여 절연 재료의 파괴가 발생하는 최종 단계까지의 영상을 유추할 수 있다는 연구결과를 이용, 입력된 초기 영상의 트리 정보를 인식하여 형태별로 분리하고 영상의 이진화 및 고주파 필터 링을 사용해서 정보를 산출한 후, 형태별 승수값을 가산하며, 통계적인 자료값을 이용하여 차후 파괴 가 발생되어 완전 파괴 단계까지의 시간과 파괴 정도를 예측 할 수 있었다. 그리고, 다양한 인가 전압별 환경에 따른 실험 자료의 추가 입력에 따라 본 알고리즘은 다양한 형태의 자료 유추가 가 능하다는 결론을 얻을 수 있었다.
후속연구
- 향후에 실제적인 전력설비에 이용하기 위한 예 측 시스템을 설계하기 위해서는 트리패턴의 정량 하", 영상처리 알고리즘의 속도 향상을 위한 신 알 고리즘에 관한 연구, 트리 관측을 위한 영상 촬영 으로부터 컴퓨터 자료로의 변환을 수행하는 Hardwa冀의 일체회-, 절연 재료의 파괴 현상을 판 독하기 편하도록할 수 있는 Software의 개발 등이 고려되어야 한다.
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