[논문]고압 회전기 고정자 권선의 부분방전 계측 시 주변 신호 관계를 고려한 노이즈 제거기법

신희상; 조성민; 강철; 강동식; 조국희; 김재철

doi:10.5207/jieie.2008.22.9.017

문제 정의

본 논문에서는 고압 발전기에서 고정자 권선의 부분방전 계측 시 발생하는 노이즈를 제거하기 위하여주변 신호원과의 관계에 따른 노이즈 제거 알고리즘을 제안하였다. 국내 13[kV]급 수력 발전기의 고정자 권선에 데이터를 취득하여 제안한 알고리즘을 적용하였다.
부분방전 검출신호에혼재된 노이즈로 인해 정밀한 진단결과를 얻지 못하고 오판된 결과를 내리게 된다면 불필요한 진단 비용의 지출과 운전정지로 인한 피해로 나타나게 된다. 본 논문에서는 데이터를 취득하기 위하여 국내 수력발전소 중 25년 이상 가동 중인 13[kV]급 수력발전기 고정자 권선에서 160[pF] 용량의 접촉식 Cai以citive Coupler를 이용하여 수행하였다. 계측된 On-line 부분방전 데이터를 이용하여 실제 발전소에서 발생되는 노이즈 특성을 분석하고, 고려하여 노이즈제거 기법을 연구하였다.

가설 설정

PE와 PA는 주변신호 관계 필터가 적용되는 구간의 설정을 의미하며, MA와 Alaph는 노이즈 판정 기준의 설정을 의미한다. Step 3) 부분방전신호의 손실이 없는 최적 조건을설정하게 되면 설정 조건에 따른 필터가 생성된다. Step 4) 생성된 필터는 첫 주기의 첫 신호원부터적용되며 12(片기 마지막 신호원까지 이동하면서 노이즈에 대한 판별을 하게 된다

제안 방법

Step 2) 주변신호에 관계 따라 노이즈를 제거하기위하여 PE(주기), PA(위상), "(크기), Alaph(알파수준)을 설정하였다. PE와 PA는 주변신호 관계 필터가 적용되는 구간의 설정을 의미하며, MA와 Alaph는 노이즈 판정 기준의 설정을 의미한다.
13[kV]급 수력 발전기를 On 상태에서 샘플링 주파수를 216[kHz]로 설정하고 Directional 방법을 적용하여 종 4, 4们주기를 계측하였고 120주기를 연속으로 저장하였다.
계측된 신호의표현은 X축은 주기를 나타내며, Y축은 위상, Z축은크기를 나타내었다. 60[Hz] 상용 주파수를 기본 주파수로 정하고 주기 당 3, 600개의 신호를 계측하였고 이러한 신호를 120주기를 연속으로 계측 하여 표현 하였다. 샘플링 주파수는 216[kHz]이다.
플랜트 시설현장에서의 전기적 측정방법의 회로도는 그림 2와같이 나타낼 수 있다. 각 상 별로 Capacitive Coupler 를 설치하여 발전기 쪽에서 발생하는 부분방전 신호와 다른 쪽에서 오는 전기적 노이즈 신호를 분류하여 계측한다[1].
본 논문에서는 데이터를 취득하기 위하여 국내 수력발전소 중 25년 이상 가동 중인 13[kV]급 수력발전기 고정자 권선에서 160[pF] 용량의 접촉식 Cai以citive Coupler를 이용하여 수행하였다. 계측된 On-line 부분방전 데이터를 이용하여 실제 발전소에서 발생되는 노이즈 특성을 분석하고, 고려하여 노이즈제거 기법을 연구하였다.
제안하였다. 국내 13[kV]급 수력 발전기의 고정자 권선에 데이터를 취득하여 제안한 알고리즘을 적용하였다. 그 결과 노이즈가 혼재된 부분방전 신호에서 노이즈가 제거됨을 확인할 수 있었다.
이는 신호를 계측하였을 때 특정한 형태의 위상, 주기, 크기를 나타내고 있지 않고 연속적으로 계측되는 외부잡음이 백색 잡음의 형태를 띠고있다. 노이즈 신호의 총 측정 횟수는 1, 320주기이고 120주기씩 연속 저장하였다. 샘플링 주파수는 216 [k田]이고, 1羹0주기의 총 계측시간은 22[s]이다.
노이즈가 혼재된 부분방전 신호에서 노이즈를 제거하기 위하여 노이즈 신호의 특징을 추출하였다. 우선 계측된 노이즈 신호의 특징은 아래와 같다.
데이터 계측은 국내 수력발전소중 25년 이상 가동 중인 13[kV]급 수력발전기 고정자 권선에서 160[pF] 용량의 접촉식 Capacitive Coupler를 그.림 2와 같은 Directional 방법으로 장착하여 고압 수력 발전기를 off 상태에서 순수 노이즈신호와 고압 수력 발전기를 on 상태에서 노이즈와혼재된 부분방전 신호를 계측하였다. 계측된 신호의표현은 X축은 주기를 나타내며, Y축은 위상, Z축은크기를 나타내었다.
식 (1)은 판정기준을 나타내었다. 판정기준은 주변신호의 크기가 /(s)— 響 ~Ks)+ 啰 내에 존재하지 않거나 평가 신호원의 위상에서 얼마만큼 떨어져 있는가를 구분하여 주변 신호에 멤버쉽을 부여한 후 주변 신호의 멤버쉽을 합하여 알파수준 이하이면 평가 대상 신호원은 노이즈로 간주하여 제거하였다. 식 (2)는 알파수준을 적용하기 위하여 설정된위상과 주기안에 신호원의 멤버쉽을 합산하기 위한식이다.

대상 데이터

본 논문에서는 특정 위상구간에서 집중성을 가지고 발생하는 신호원을 부분방전으로 정의하였다. 데이터 계측은 국내 수력발전소중 25년 이상 가동 중인 13[kV]급 수력발전기 고정자 권선에서 160[pF] 용량의 접촉식 Capacitive Coupler를 그.림 2와 같은 Directional 방법으로 장착하여 고압 수력 발전기를 off 상태에서 순수 노이즈신호와 고압 수력 발전기를 on 상태에서 노이즈와혼재된 부분방전 신호를 계측하였다.

이론/모형

이러한 이유로현재 가장 널리 사용되는 검출방법은 전기적 신호검출법이다. 본 논문에서 계측시에 사용된 방법은전기적 검출법을 사용하였다. 이는 부분방전과 연관된 펄스전류 신호를 검출하는 방법이다.
고압 회전기 고정자 권선의 주절연 재료로는 에폭시마이카로 이루어져 있다. 수력 발전기의 권선은 Multi-turn coil로 설치되었다. 위와 같은 조건에서계측된 신호를 분석하였을 경우 신호원의 집중성 없이 전위상과 전주기에 존재하며 크기성분은 대략 1 5~131[mV]와 40~190[mV] 크기가 분포된 것으로 나타났다.

성능/효과

국내 13[kV]급 수력 발전기의 고정자 권선에 데이터를 취득하여 제안한 알고리즘을 적용하였다. 그 결과 노이즈가 혼재된 부분방전 신호에서 노이즈가 제거됨을 확인할 수 있었다. 또한 검증을 위하여 취득된 노이즈 신호에 적용하였을 시신호의 대부분이 제거됨을 확인할 수 있었다.
그 결과 노이즈가 혼재된 부분방전 신호에서 노이즈가 제거됨을 확인할 수 있었다. 또한 검증을 위하여 취득된 노이즈 신호에 적용하였을 시신호의 대부분이 제거됨을 확인할 수 있었다. 하지만 노이즈가 혼재된 부분방전 신호에서 위상 주기크기 알파수준 선정 시 너무 크거나 작은 값을 선정하게 되면 부분 방전 신호의 손실 또는 노이즈가 제거 되지 않음도 확인할 수 있었다.
추후 연구 과제로는 위상 주기 크기 알파수준의 선정 시 부분방전 신호의 손실이 없고 노이즈가 최대한 제거 되는 값의선정에 대한 연구를 진행할 계획이다. 또한 본 논문에서 제시한 알고리즘은 Multi-turn에서 종합하여계측한다면 정확성이 떨어지는 것 또한 확인할 수 있었다. 위와 같은 문제를 해결하기 위해 추후에는 Multi-tum에서의 잡음특성을 추출하여 개선된 알고리즘을 구현할 계획이다.
임펄스와 같은특징을 갖는 노이즈는 위상과 주기에서 집중적으로발생하지 않고 일정부분에서만 신호가 나타나는 간헐적인 특징을 나타낸다. 수력 발전소 현장에서 계측된 백색잡음 형태의 노이즈의 특징은 일전구간에서 나타난 신호가 전 위상과 전 주기에 반복적으로나타나는 특징을 나타내었다. 불규칙 특성을 갖는노이즈는 임펄스적인 특징과 백색잡음의 특징을 혼합하여 가지고 있다.
수력 발전기의 권선은 Multi-turn coil로 설치되었다. 위와 같은 조건에서계측된 신호를 분석하였을 경우 신호원의 집중성 없이 전위상과 전주기에 존재하며 크기성분은 대략 1 5~131[mV]와 40~190[mV] 크기가 분포된 것으로 나타났다. 이는 신호를 계측하였을 때 특정한 형태의 위상, 주기, 크기를 나타내고 있지 않고 연속적으로 계측되는 외부잡음이 백색 잡음의 형태를 띠고있다.

후속연구

위와 같은 문제를 해결하기 위해 추후에는 Multi-tum에서의 잡음특성을 추출하여 개선된 알고리즘을 구현할 계획이다. 본 논문에서 제안된 알고리즘을 통하여 추후 연구에 대한 결과를 정확히도출한다면 고압 회전기 고정자 권선에서 나타나는부분방전을 정밀하게 계측할 수 있을 것으로 판단된다
또한 본 논문에서 제시한 알고리즘은 Multi-turn에서 종합하여계측한다면 정확성이 떨어지는 것 또한 확인할 수 있었다. 위와 같은 문제를 해결하기 위해 추후에는 Multi-tum에서의 잡음특성을 추출하여 개선된 알고리즘을 구현할 계획이다. 본 논문에서 제안된 알고리즘을 통하여 추후 연구에 대한 결과를 정확히도출한다면 고압 회전기 고정자 권선에서 나타나는부분방전을 정밀하게 계측할 수 있을 것으로 판단된다
하지만 노이즈가 혼재된 부분방전 신호에서 위상 주기크기 알파수준 선정 시 너무 크거나 작은 값을 선정하게 되면 부분 방전 신호의 손실 또는 노이즈가 제거 되지 않음도 확인할 수 있었다. 추후 연구 과제로는 위상 주기 크기 알파수준의 선정 시 부분방전 신호의 손실이 없고 노이즈가 최대한 제거 되는 값의선정에 대한 연구를 진행할 계획이다. 또한 본 논문에서 제시한 알고리즘은 Multi-turn에서 종합하여계측한다면 정확성이 떨어지는 것 또한 확인할 수 있었다.

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