[논문]부호 상관기를 활용한 STDR 기법의 탐지 성능 개선

한정재; 노상욱; 박소령

doi:10.7840/kics.2015.40.6.990

초록
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이 논문에서는 STDR(sequence time domain reflectometry) 기법의 상관기 앞단에 부호기를 넣음으로써 계산량을 증가시키지 않고도 원거리 고장의 위치 탐지 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 제안한다. STDR 기법은 PN 수열을 인가하여 시간 영역 상관(time domain correlation)으로 고장 위치를 탐지하는 기법이므로, 상관기 앞단에 부호기를 넣음으로써 고장 위치에서 반사된 신호를 STDR 기법의 인가 신호에 가깝게 복원시켜 상관 값을 증가시킬 수 있다. 제안한 기법을 사용하여 원거리 고장에서 고장위치 탐지 성능을 크게 개선시킬 수 있음을 모의실험으로 확인한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes an enhanced scheme adding a sign detector at the front of the correlator in STDR (sequence time domain reflectometry) system. We have executed simulations to show the improvement of detection performance in two fault types and various fault locations. Consequently, it can be show...

This paper proposes an enhanced scheme adding a sign detector at the front of the correlator in STDR (sequence time domain reflectometry) system. We have executed simulations to show the improvement of detection performance in two fault types and various fault locations. Consequently, it can be shown that the proposed scheme improves the detection performance of the location of far-fault without increasing the computational complexity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

길이 7(m=3)과 15(m=4)인 m-수열을 사용할 때, SNR(signal to noise power ratio)의 변화에 따른 고장 위치 오탐지율을 비교하였다. 이 논문에서 고장 위치 오탐지율은 실제 고장 위치와 탐지한 고장 위치 간의 거리 오차가 1%를 초과하는 비율을 얻은 것이다.즉, 100m 고장에 대한 모의실험에서는 거리 오차가 ±1m를 초과하는 경우 오탐지 하였다고 판단한다.
이 논문에서는 계산량을 늘이지 않으면서도 원거리 고장에 대한 반사 신호의 상관 값을 증가시켜 고장 위치 탐지 성능을 높이기 위하여, 상관기 앞단에 부호기 (sign detector)를 두어 반사 신호 형태를 초기 인가신호에 가깝도록 복원하는 STDR 방식을 제안한다. II장에서는 기존 STDR 기법과 제안한 고장 탐지 기법에 대하여 비교하여 설명하고, III장에서는 성능 비교를 위한 모의실험에 사용할 케이블 전송 채널 모형과 고장 위치 탐지 성능 모의실험 결과를 살펴보며, IV장에서 결론을 맺는다.
STDR 기법에서 고장이 비교적 가까운 위치에서 발생하였다면 반사 신호의 감쇠가 크지 않아서 그림 2와 같이 두 번째 피크에서 반사 신호를 검출하여 고장 위치를 탐지할 수 있으나, 그림 3과 같이 고장이 먼 위치 에서 발생한 경우에는 반사 신호의 감쇠가 커서 두 번째 피크가 반사 신호의 위치가 아닌 곳에서 발생할 수있다. 이 논문에서는 관측 신호의 부호를 복원한 후 상관함수를 얻음으로써 반사 신호의 감쇠가 큰 경우에도 고장 위치를 잘 추정할 수 있는 방법을 제안한다.
이 논문에서는 확산 수열의 시간영역 상관을 이용하는 STDR 기법에서 관측 신호의 부호를 복원한 후상관 값을 얻음으로써 반사 신호의 감쇠가 큰 경우에도 고장 위치를 잘 추정할 수 있는 수정된 STDR 기법을 제안하였다. 또한 제안한 기법의 고장 위치 탐지 성능 향상을 살펴보기 위하여, 길이가 7과 15인 m-수열을 사용하였을 때 고장 유형과 고장 위치를 달리하여 기존 STDR 기법의 오탐지율과 제안한 기법의 오탐지율을 모의실험으로 비교하였다.

가설 설정

고장 형태가 단선(open)인 경우의 종단 임피던스는 ∞로 가정하여 반사계수는 1이 되고, 합선(short)인경우의 종단 임피던스는 0으로 가정하여 반사계수는 -1이 된다.

제안 방법

=40ns, 감쇠성분 α(f)는 [9]에서 측정한 지중 전력 케이블의 감쇠성분을 활용하였다. 그리고 케이블의 고장 유형을 단선일 때와 합선일 때의 두 종류로 설정하고, 고장위치가 신호 인가 지점으로부터50m, 100m, 150m인 경우의 탐지 성능을 살펴보았다.길이 7(m=3)과 15(m=4)인 m-수열을 사용할 때, SNR(signal to noise power ratio)의 변화에 따른 고장 위치 오탐지율을 비교하였다.
그리고 케이블의 고장 유형을 단선일 때와 합선일 때의 두 종류로 설정하고, 고장위치가 신호 인가 지점으로부터50m, 100m, 150m인 경우의 탐지 성능을 살펴보았다.길이 7(m=3)과 15(m=4)인 m-수열을 사용할 때, SNR(signal to noise power ratio)의 변화에 따른 고장 위치 오탐지율을 비교하였다. 이 논문에서 고장 위치 오탐지율은 실제 고장 위치와 탐지한 고장 위치 간의 거리 오차가 1%를 초과하는 비율을 얻은 것이다.
이 논문에서는 확산 수열의 시간영역 상관을 이용하는 STDR 기법에서 관측 신호의 부호를 복원한 후상관 값을 얻음으로써 반사 신호의 감쇠가 큰 경우에도 고장 위치를 잘 추정할 수 있는 수정된 STDR 기법을 제안하였다. 또한 제안한 기법의 고장 위치 탐지 성능 향상을 살펴보기 위하여, 길이가 7과 15인 m-수열을 사용하였을 때 고장 유형과 고장 위치를 달리하여 기존 STDR 기법의 오탐지율과 제안한 기법의 오탐지율을 모의실험으로 비교하였다.
이 논문에서는 MATLABⓇ 시뮬레이션으로 고장 위치 탐지 성능을 모의실험하였고, 표본화 주파수는 fs =200MHz, 전력선 전파속도는 vp=2 × 108m/s, 칩구간은 Tc =40ns, 감쇠성분 α(f)는 [9]에서 측정한 지중 전력 케이블의 감쇠성분을 활용하였다.
이 장에서는 제안한 기법과 기존 STDR 기법을 사용하였을 때 사용한 수열의 종류, 고장 위치, 고장 종류에 따른 오탐지율 성능을 모의실험으로 비교해본다.

성능/효과

대부분의 고장 유형과 고장 위치에서 제안한 기법의 오탐지율이 기존 기법의 오탐지율보다 낮은 결과를 보여, 제안한 기법의 성능 향상 정도를 확인할 수있었다. 특히 원거리 고장인 100m, 150m에서는 기존 기법으로 고장 위치를 거의 탐지할 수 없었던 반면, 제안한 기법으로는 SNR이 높을 때 오탐지율이 0에가까운 결과를 보여, 제안한 기법이 원거리 고장에서 뛰어난 성능 향상을 보임을 확인할 수 있었다.
그림 6은 고장 종류가 단선이고 길이가 7인 m-수열을 사용하였을 때 고장 위치에 따른 탐지 기법별 오탐지율을 나타내고 있다. 모든 고장 위치에서 기존 기법보다 제안한 기법을 사용하였을 경우에 오탐지율이 낮은 것을 확인할 수 있다. 특히, 고장 위치가 100m와150m인 원거리 고장일 때, 기존 STDR 기법은 SNR이 증가하여도 오탐지율이 거의 1인 것에 비하여, 제안한 기법은 SNR의 증가에 따라 오탐지율이 감소하여 원거리 고장에서도 오탐지율을 0에 가깝게 줄일수 있음을 볼 수 있다.
수열의 길이가 7일 때와 마찬가지로 기존 STDR 기법을 사용한 경우에는 100m, 150m의 원거리 고장에서는 SNR이 증가하여도 오탐지율이 감소되지 못하는 반면, 제안한 기법을 사용한 경우에는 수열의 길이가 7인 때보다 SNR이 증가할수록 오탐지율이 더 크게 감소함을 볼 수 있다. 한 가지 특이한 점은 고장 종류가 합선이고 고장 위치가 50m인 경우에는 기존 STDR 기법이 제안한 기법보다 오탐지율 성능이 더우수하다는 점이다.
대부분의 고장 유형과 고장 위치에서 제안한 기법의 오탐지율이 기존 기법의 오탐지율보다 낮은 결과를 보여, 제안한 기법의 성능 향상 정도를 확인할 수있었다. 특히 원거리 고장인 100m, 150m에서는 기존 기법으로 고장 위치를 거의 탐지할 수 없었던 반면, 제안한 기법으로는 SNR이 높을 때 오탐지율이 0에가까운 결과를 보여, 제안한 기법이 원거리 고장에서 뛰어난 성능 향상을 보임을 확인할 수 있었다.
모든 고장 위치에서 기존 기법보다 제안한 기법을 사용하였을 경우에 오탐지율이 낮은 것을 확인할 수 있다. 특히, 고장 위치가 100m와150m인 원거리 고장일 때, 기존 STDR 기법은 SNR이 증가하여도 오탐지율이 거의 1인 것에 비하여, 제안한 기법은 SNR의 증가에 따라 오탐지율이 감소하여 원거리 고장에서도 오탐지율을 0에 가깝게 줄일수 있음을 볼 수 있다. 그 이유는 제안한 기법에서 잡음, 주파수 선택적 감쇠, 지연 등의 영향으로 열화된 반사 신호가 부호기를 통과하면서 인가 신호와 거의 흡사하게 복원되어 상관 값이 매우 증가하였기 때문이다.
수열의 길이를 기준으로 성능을 비교해보면 일반적 으로 길이가 긴 m-수열의 상관 성질이 좋기 때문에 오탐지율이 낮아지는 것을 볼 수 있었다. 하지만 고장 위치가 50m일 때 길이가 15인 m-수열을 사용하고 고장 유형이 합선인 경우, 인가 신호와 고장 위치에서 반사된 신호가 중첩되어 부호기를 통과할 경우 정보 손실이 일어나기 때문에 제안한 기법의 오탐지율이 기존의 오탐지율보다 조금 높아지게 된다. 단선 (p=+1)일 경우에도 중첩으로 인한 정보 손실은 존재하지만 합선(p=-1)일 때에는 위상이 반전된 반사 신호이므로 중첩된 부분의 정보 손실의 효과가 더 크게 나타나기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TDR 기법의 단점은 무엇인가?	케이블의 고장 종류와 위치를 탐지하는 대표적인 기법으로는 시간영역 상관(correlation)을 이용하는 TDR(time domain reflectometry), 주파수영역 상관을 이용하는 FDR(frequency domain reflectometry), 그리고 시간-주파수영역의 상관을 이용하는TFDR(time-frequency domain reflectometry) 등이 있다 [1-3] . TDR 기법은 펄스 신호를 전송하여 고장 지점에서 반사된 신호를 탐지하는 가장 간단한 기법이지만 펄스 신호가 감쇠에 취약하기 때문에 원거리 고장에 대한 탐지 성능이 떨어지는 단점이 있다. FDR 기법은 특정 주파수의 정현파(sinusoidal wave)를 전송한 후 수신 신호의 주파수 스펙트럼을 분석하여 특정 주파수 성분이 존재하는지 여부를 판단함으로서 고장의 유무를 탐지하는 기법이다.
	FDR 기법의 단점은 무엇인가?	FDR 기법은 특정 주파수의 정현파(sinusoidal wave)를 전송한 후 수신 신호의 주파수 스펙트럼을 분석하여 특정 주파수 성분이 존재하는지 여부를 판단함으로서 고장의 유무를 탐지하는 기법이다. 특정 주파수 신호를 선택하여 사용 가능하기 때문에 전선의 스펙트럼 특성에 따라 반사 상태가 좋은 주파수 대역을 사용할 수있는 장점이 있으나, 주파수영역에서 스펙트럼을 분석하기 때문에 TDR 기법에 비해 계산량이 증가하고 반사 신호의 시작 시간을 정확히 찾아내는 성능이 다소 떨어지는 경향이 있다. 시간과 주파수 두 영역에서 모두 상관을 분석하는 TFDR 기법은 가우시안 첩 (Gaussian chirp) 신호를 사용하여 원하는 주파수 대역을 활용할 수 있으면서 고장위치를 탐지하는 성능이 우수한 장점이 있으나, 표본화 주파수가 높거나 원거리 탐지를 해야 하는 경우에는 계산량이 매우 증가하는 단점이 있다.
	케이블의 고장 종류와 위치를 탐지하는 기법으로는 어떤 것들이 있는가?	케이블의 고장 종류와 위치를 탐지하는 대표적인 기법으로는 시간영역 상관(correlation)을 이용하는 TDR(time domain reflectometry), 주파수영역 상관을 이용하는 FDR(frequency domain reflectometry), 그리고 시간-주파수영역의 상관을 이용하는TFDR(time-frequency domain reflectometry) 등이 있다 [1-3] . TDR 기법은 펄스 신호를 전송하여 고장 지점에서 반사된 신호를 탐지하는 가장 간단한 기법이지만 펄스 신호가 감쇠에 취약하기 때문에 원거리 고장에 대한 탐지 성능이 떨어지는 단점이 있다.

참고문헌 (9)

N. H. Rahim, I. S. Chairul, S. A. Ghani, M. S. A. Khiar, N. Abas, and Y. H. M. Thayoob, "Simulation of TDR circuit for the analysis of wave propagation in XLPE cable model," in Proc. IEEE Int. Conf. Power and Energy, pp. 796-801, Kota Kinabalu Sabah, Malaysia, Dec. 2012.
S. H. Doo, K. S. Kwak, and J. B. Park, "Estimation of fault location on a power line using the time-frequency domain reflectometry," J. IEIE, vol. 57, no. 2, pp. 268-275, Feb. 2008.
J. J. Han, J. Moon, and S. R. Park, "Performance comparison of fault detection method using Gaussian enveloped linear chirp," in Proc. KICS Winter Conf., pp. 1065-1066, Jeongseon, Korea, Jan. 2015.
R. A. Guinee, "A novel transmission line test and fault location methodology using pseudorandom binary sequences," in Proc. IET Irish Conf. Sign. Syst., pp. 350-355, Galway, Ireland, Jun. 2008.
P. Smith, C. Furse, and J. Gunther, "Analysis of spread spectrum time domain reflectometry for wire fault location," IEEE Sensors J., vol. 5, no. 6, pp. 1469-1478, Dec. 2005.

상세보기
J. J. Han and S. R. Park, "Performance comparison and improvement of STDR/ SSTDR applying various sequences," J. KICS, vol. 39, no. 11, pp. 637-644, Nov. 2014.
M. Zimmermann and K. Dostert, "A multipath model for the powerline channel," IEEE Trans. Commun., vol. 50, no. 4, pp. 553-559, Apr. 2002.

상세보기
J. H. Yoo, S. H. Choe, and N. Pine, "MIMO-OFDM BPLC over statistical power line channels with cross-talk," J. KICS, vol. 36, no. 12, pp. 1565-1573, Dec. 2011.

원문보기 상세보기
C. K. Lee, T. S. Yoon, and J. B. Park, "Localization of concentric neutrals corrosion on live underground power cable based on time-frequency domain reflectometry," J. IEIE, vol. 62, no. 2, pp. 239-245, Feb. 2013.

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