[논문]낙뢰측정 네트워크(KLDNet)를 위한 감지기 사이트서베이와 낙뢰 감지율 검토

우정욱; 곽주식; 문재덕

낙뢰측정 네트워크(KLDNet)를 위한 감지기 사이트서베이와 낙뢰 감지율 검토
A study on the Site Survey and Detection Efficiency for Kepco Lightning Detection and Information Network 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. C/ C, 전기물성·응용부문, v.55 no.11, 2006년, pp.532 - 537

우정욱 (한전 전력연구원) , 곽주식 (한전 전력연구원) , 문재덕 (경북대학교 전자전기컴퓨터공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Lightning induced faults accounts for more than 66% at the transmission lines of KEPCO. The lightning causes damages to power system equipments including transmission line, the blackout of electricity and the electro-magnetic interference. Because of this reason, we need the real time lightning information for the optimal operation of power system. And, it is required to obtain and accumulate the lightning current parameters for the insulation design. In 2005, KEPRI constructed a lightning detection network, the KLDNet (i.e. Kepco Lightning Detection & Information System) and launched a lightning information service for KEPCO customers. It is intended to provide data service on the operation of transmission lines and collect lightning-related data, which is the most important factor regulating power system design and operation. The new system will replace LPATS, the old detection system, which has been operating since 1995 and is rapidly failing in terms of both detection performance and location accuracy. The purpose of this paper is to explain the work performed and the results of that work in performing a site survey of several locations. The purpose of the site survey is to find locations acceptable for the installation of a lightning location receiver in support of a Lightning detection system(LDS). A restriction was placed on the surveyed locations, as they must belong to the Korea Electric Power Company. This requirement was made to facilitate the communication needs of the LDS network. Total of 15 sites were evaluated as possible LDS sensor sites. Some of the sites were rejected for physical reasons and therefore no electrical testing was performed. Of the 15 sites, total of 10 sites were considered acceptable and 5 sites were rejected for various reason. In this paper, we would like to explain the site survey and detection efficiency for LDS.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이 새로운 한전 낙뢰감지 네트워크의 낙뢰 감지기 위치선정을 위한 연구결과와 선정된 낙뢰감지기 위치에 따른 낙뢰 감지율과 위치 정확도에 대해 시뮬레이션한 결과에 대해 설명하고자 한다.

가설 설정

그러나대부분의 후보지 옥상에는 적절한 접지대책이 마련되어 있지 못하였으며, 창공의 경우만 건물자체가 철골구조이어서접지상태가 양호한 편이었다. 이런 경우는 실질적으로는 설치 후보지로는 좋은 곳이나, 사이트 서베이 시는 다른 곳과의 접지상태 비교를 위해 접지가 다른 조건과 비슷한 경우도 상정하여 검토하였다.

제안 방법

. 감지기에 관측되는 신호는 감지기의 접지상태에 따라 많은 기본 파형이 영향을 받기 때문에 모든 감지기 설치 위치 후보지에서의 접지상태 및 접지의 영향에 따른 파형을 분석하였다.
. 발생된 낙뢰 신호들이 각 감기지 도달하는 시간의 차이에 의해 송신원(낙뢰의 위치)의 위치를 추정하는 시스템을 설계하였다.
시행하였다. 각 감지기의 관측영역이 500 km 정도로 한반도 밖의 영역도 관측하지만, 주요 관심 대상이 한반도 내임으로, 시뮬레이션에서는 한반도 지역으로 국한하여 위도 33도, 경도 124도에서 위도 40도, 경도 131도까지의 범위에 대해 검토하였다.
낙뢰감지 네트워크는 그림 1과 같이 8개의 낙뢰 감지기로구성되며, 이들 감지기에 낙뢰신호가 도달하는 시간 차이를이용하여 낙뢰의 발생위치와 뇌격전류의 크기 등을 계산하는 도달시간차(TDOA : Time Difference of Arrival) 방식이 사용되며, 시스템의 각 감지기 위치가 최적화가 가능하도록 각 감지기별로는 삼각배열이 되게 설계하였다[5][6]. 인접감지기간 거리(베이스 라인)는 최소 100 km에서 최대 210 km를 유지 가능하도록 하였으며 그 위치정보를 표 1에 나타내었다.
낙뢰감지기의 설치위치를 확정하기 위하여, 설계된 신규낙뢰 감지 시스템에 대한 낙뢰 감지율과 위치 정확도에 대한 시뮬레이션을 시행하였다. 각 감지기의 관측영역이 500 km 정도로 한반도 밖의 영역도 관측하지만, 주요 관심 대상이 한반도 내임으로, 시뮬레이션에서는 한반도 지역으로 국한하여 위도 33도, 경도 124도에서 위도 40도, 경도 131도까지의 범위에 대해 검토하였다.
그래프 위쪽의 파형(A1)은 정상적인 상태에서 관측된 결과로 AM 송신영역의 주파수대에서 관측된 상당한 크기의 노이즈이었다. 따라서, 관측 후 낙뢰감지기에 해당 주파수대의 필터를 설계하여 설치한 후, 그림 4에서 아래쪽 파형(A2)과 같이 노이즈가 제거된 아주 향호한 상태의, 파형을 관측할 수 있게 되었다.
감지기가 .설치 가능한 건물 옥상에 접근은 용이하나, 옥상에서의 양호한 접지상태를 얻지 목하여, 대지까지 접지선을 연결하여 측정하였다. 그래프 위쪽의 신호(A1)는 정상적인 상태에서 관측된 파형으로 상당한 크기의 노이즈가 있다.
영역내의 각 지점에서 발생되는 낙뢰 모델에 의해 만들어진 임의의 100개 가상낙뢰 샘플에 의해 시스템의 낙뢰 감지율과 위치 정확도에 대하여 계산하였다. 실제 모델링 시에는 앞에서 설명 되었듯이 제안자에 따른 여 러 누적확률분포와 전력연구원에서 얻어진 결과치가 있지만 데이터의 년 도별편차 등을 고려하고, CIGRE 및 IEEE 등에서 대표적으로 사용되는 수식인 Anderson과 Eriksson에 의해 제안된 뇌격 전류의 누적확률분포를 기초로 하였다[3][5].
도달하는 시간의 차이에 의해 쌍곡선 커브 H23, H34를 계산하며, 쌍곡선 커브가 교차하는 지점이 송신원(낙뢰의 위치)이 되어 최종 위치를 결정하게 된다. 원리상 단지 세 개의 감지기만이 쌍곡선 계산을 위해 필요하지만, #2, #3, #4가 아닌 다른 감지기에서도 동일 조건의 낙뢰가 감지되어야만 낙뢰로 판정되도록 하고, 또 한 이 정보를 이용하여 위치 오차도 보정하게 하여 위치 정확도와 감지율의 성능이 향상되도록 설계하였다. 낙뢰 감지기는 일반적으로 빌딩 옥상의 한쪽 구석에 위치하게 되며, GPS 안테나도 가능한 한 낙뢰안테나와 가장 인접해서 설치하고, 설계된 시스템에서 GPS 안테나의 연결 케이블은 8개소 감지기 장소에서의 조건을 동일하게 하기 위하여 30 m로 고정하였다.
인접감지기간 거리(베이스 라인)는 최소 100 km에서 최대 210 km를 유지 가능하도록 하였으며 그 위치정보를 표 1에 나타내었다.
중앙 처리기 모델에서 수행되는 내용은 각 감지기 사이트 중 세 개의 감지기에 의해 시뮬레이션 되어진 낙뢰가 선택되고, 각 사이트에서 결정되어진 시간을 이용하여 낙뢰의 위치를 결정하였다. 중앙 처리기에 사용된 실제 코드는 시뮬레이션에 사용되는 모델이 그대로 사용되었다.

대상 데이터

. 사이트 서베이는 총 15개의 사이트를 조사하고 각 후보 사이트별 노이즈 크기 정도와 주파수 분석을 통하여 최종후보지를 선택하였다
표 2는 낙뢰감지기의 기본 특성표이다. 사용된 낙뢰 감지기의 베이스라인은 400 km 이내가 최적이며, 측정되는 신호의 주파수대역은 1.5〜400 kHz이다. 이 낙뢰감지기들에 의해 수신된 낙뢰신호는 네트워크를 통해 중앙분석장치로 전송하며, 이때의 데이터는 바이너리 형태이다.
사이트 서베이는 총 15개의 사이트를 조사하고 각 후보사이트별 노이즈 크기 정도와 주파수 분석을 통하여 후보지로적합한 장소는 10개 지역이었다. 최종 필요로 하는 후보지는 8개소로 적용되는 필터가 동일한 조건에서 최적의 데이터 확보가 가능하고, 외관의 상태, 다음에서 언급될 감지율과 위치정확도 등을 고려하여 최종 8개소를 후보지로 선정하였다.
장소는 10개 지역이었다. 최종 필요로 하는 후보지는 8개소로 적용되는 필터가 동일한 조건에서 최적의 데이터 확보가 가능하고, 외관의 상태, 다음에서 언급될 감지율과 위치정확도 등을 고려하여 최종 8개소를 후보지로 선정하였다.

이론/모형

위치 정확도에 대하여 계산하였다. 실제 모델링 시에는 앞에서 설명 되었듯이 제안자에 따른 여 러 누적확률분포와 전력연구원에서 얻어진 결과치가 있지만 데이터의 년 도별편차 등을 고려하고, CIGRE 및 IEEE 등에서 대표적으로 사용되는 수식인 Anderson과 Eriksson에 의해 제안된 뇌격 전류의 누적확률분포를 기초로 하였다[3][5]. 사용된 낙뢰 모델은 누적확률분포식에 의해 무작위로 발생되어진다.

성능/효과

. 설계된 신규 낙뢰감지 시스템에 대한 낙뢰 감지율과 위치정확도에 대한 시뮬레이션을 시행하여 한반도내에서의 감지율은 95 % 이상, 위치 정확도는 250 m 이내를 예상할수 있었다.
이 막대그래프는 0〜100 %의 가능성을 의미한다. 시뮬레이션 결과에 의하면, 표 2에 설명된 것과 같이한 반도 내에서의 감지율은 95 % 이상으로 나타났다.
이 막대그래프는 각 지점의 거리 오차를 미터 단위로 표시한 것이다. 역시 시뮬레이션 결과에 의하면 한반도내에서의 위치 정확도는 250 m 이내를 예상할 수 있어 송전선로의 한경간 거리를 감안하면 낙뢰사고의 위치확인에 결정적인 단서가 될 수 있을 것이라 판단한다.

후속연구

앞으로 이 시스템에서 제공되는 낙뢰정보는 고장 발생 시신 속한 복구 등 송전선로의 운영에 도움을 줄 것으로 예상되며 장기적으로 축적된 데이터는 전력설비의 신뢰도 제고를 위한 설계 자료로 활용이 기대되고 있다.

참고문헌 (7)

심응보, 우정욱, 강연욱, 곽주식, 권동진, '절연설계 신뢰도 향상을 위한 뇌격전류 직접측정 설비 구축에 관한 연구', 2005. 11
Takatoshi Shindo, 'Lightning location systems in Japan and a lightning frequency map using the data obtained by them', 10th ISH, 1987. 8
CRIEPI, 'Guide to Lightning Protection Design of Power Stations, Substations and Underground Transmission Lines', T40, pp. 31-53, 1995. 7
곽주식, 우정욱, 추진부, 이복희, 장성익, 문재덕, 'The Site Survey Results for New Lightning Detection System of KEPCO', Korea-Japan Symposium Joint Symposium on electrical Discharge and High Voltage Engineering, 2005
우정욱, 곽주식, 강연욱, 김현주, The Introduction about New KLDNet and the Statistical Distribution of Lightning Parameters in Korea', International Lightning Detection Conference, 2006
'KEPRI Site Survey Final Report', TOA Systems Inc., May, 2005
KEPCO, 'A Research For Construction of Lightning Position and Tracking System and for Power System Application (Final Report)', pp. 55-90, 1995. 6

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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