[논문]주파수 분석을 이용한 태양광 설비의 아크 검출 기법

김상규; 지평식

doi:10.5370/kieep.2017.66.3.144

주파수 분석을 이용한 태양광 설비의 아크 검출 기법
Arc Detection Method of Photovoltaic System using Frequency Analysis 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.66 no.3, 2017년, pp.144 - 149

김상규 (Dept. of Electrical Engineering, Korea National University of Transportation) , 지평식 (Dept. of Electrical Engineering, Korea National University of Transportation)

Abstract ▼ AI-Helper

There is a little research on DC arc detection when compared to a large number of literature and patents on AC arc detection. However, as DC energy sources such as photovoltaic power generation facilities and fuel cells are introduced, research on DC arc has become as important as AC arc detection in terms of circuit protection and system reliability enhancement. In this paper, we have developed an arc detection method for photovoltaic system using frequency analysis. Through various experiments, it was confirmed that the proposed method effectively detects the arc.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그림 10에 나타낸 바와 같이 대역통과 필터와 전체 주파수 스펙트럼 구간에서 아크가 발생하지 않은 정상신호의 주파수 크기는 매우 적은 반면에 아크 발생시 취득한 아크 신호에 대한 주파수 크기는 상대적으로 큼을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서는 대역통과 필터 후 전체 구간에 대한 주파수 크기를 모두 합산한 총 에너지 값을 이용하여 정상신호와 아크 신호를 판별하고자 한다. 그림 11에서는 각각 48개로 구성된 정상신호와 아크신호에 대한 총 에너지 값을 나타냈다.
본 논문에서는 이 대역대의 특성을 이용하여 정상신호와 아크신호를 구분하고자 한다. 따라서 대역통과필터를 이용하여 139.
웨이블릿 다해상도기법에서는 입력신호를 웨이블릿 변환하여 주파수 해상도별로 분해한 후에 얻어진 계수정보를 이용하여 아크를 검출한다. 본 논문에서는 주파수 분석기법을 이용하여 태양광 설비의 아크검출 방법을 제안한다. 제안된 방법은 아크 특정 주파수 성분을 검출하기 위하여 대역통과필터를 통과한 신호에 대한 주파수 성분의 총 에너지를 이용하여 아크를 검출한다.
본 논문에서는 주파수 분석을 이용한 태양광 설비의 아크 검출 기법을 제안하였다. 실험결과 특정 대역에서 정상신호와 아크 신호에 대한 차별성이 존재하여 대역통과필터를 적용 후 주파수에 대한 총 에너지값을 기준으로 정상 또는 아크 신호에 대한 판별을 실행하였다.

제안 방법

그림 6에 나타낸 신호를 이용하여 2048개씩 데이터를 나누어 주파수 분석을 실행하여 총 48(100,000/2048)개의 신호를 이용하여 아크가 없을 때와 아크가 발생했을 때의 주파수 특성을 분석하였다. 그림 7에서는 그림 6에 나타낸 전체 파형에서 처음 2048개를 대상으로 정상 신호와 아크 신호에 대한 파형을 나타냈다.
그림 3에서 보는 바와 같이 Pulse사의 전류검출센서를 이용하여 전류를 검출한 후, 노이즈 등을 제거하기 위하여 대역통과필터를 적용한다. 대역통과 필터링 된 신호를 이용하여 디지털 푸리에 변환(DFT)를 실행한 후, 주파수의 크기 성분을 이용하여 아크를 검출한다.
따라서 대역통과필터를 이용하여 139.6[㎒]∼252.4[㎒] 주파수 대역에 신호는 통과하고, 그 미만, 또는 초과되는 주파수 성분을 갖는 신호를 제거하고자 3차 Butterworth 대역통과필터를 적용하였다.
따라서 아크발생시 총 에너지의 최소값과 정상 신호시 총 에너지 최대값을 기준으로 임계값을 0.3×10-3으로 설정하여 아크신호와 정상신호를 검출하고자 한다.
본 논문에서는 주파수 분석을 이용한 태양광 설비의 아크 검출 기법을 제안하였다. 실험결과 특정 대역에서 정상신호와 아크 신호에 대한 차별성이 존재하여 대역통과필터를 적용 후 주파수에 대한 총 에너지값을 기준으로 정상 또는 아크 신호에 대한 판별을 실행하였다. 실험결과 본 논문에서 고려한 데이터에 대해서는 100[%] 판별성능을 나타냈다.
아크 검출 기법은 대역통과 필터 후 전체 구간에 대한 주파수 크기를 모두 합산한 총 에너지 값을 이용하여 정상신호와 아크 신호를 판별하였다. 즉, 총 에너지 값이 0.
부하저항은 500[W], 2[Ω] 3개를 직렬 연결하였으며, 전류 센서는 Pulse 사의 PA3655NL를 이용하였으며, 전류 센서 전원은 DC 전압 공급기를 사용하였다. 아크는 커버 나이프 스위치를 이용하여 발생시켰으며, 센서 출력신호는 오실로스코프 (WaveSurfer 3024, sampling rate 4Gs/s)를 이용하여 센서 출력단의 전압을 측정하였다.
본 논문에서는 주파수 분석기법을 이용하여 태양광 설비의 아크검출 방법을 제안한다. 제안된 방법은 아크 특정 주파수 성분을 검출하기 위하여 대역통과필터를 통과한 신호에 대한 주파수 성분의 총 에너지를 이용하여 아크를 검출한다.

대상 데이터

부하저항은 500[W], 2[Ω] 3개를 직렬 연결하였으며, 전류 센서는 Pulse 사의 PA3655NL를 이용하였으며, 전류 센서 전원은 DC 전압 공급기를 사용하였다.

성능/효과

실험결과 특정 대역에서 정상신호와 아크 신호에 대한 차별성이 존재하여 대역통과필터를 적용 후 주파수에 대한 총 에너지값을 기준으로 정상 또는 아크 신호에 대한 판별을 실행하였다. 실험결과 본 논문에서 고려한 데이터에 대해서는 100[%] 판별성능을 나타냈다. 본 논문에서는 SMPS로부터 전원을 공급받아 향후 실제 태양광 설비로부터 취득한 데이터와 상관성을 분석할 필요가 있다.

후속연구

본 논문에서는 SMPS로부터 전원을 공급받아 향후 실제 태양광 설비로부터 취득한 데이터와 상관성을 분석할 필요가 있다. 또한 DSP를 이용하여 아크 검출 보드를 개발하기 위해서는 MHz 대역이 아닌 KHz 대역에서 정상신호와 아크신호에 대한 차별성을 살펴볼 필요가 있다. 향후 위에 설명한 환경 외에 다양한 고조파가 존재하는 환경에서도 정상/아크신호 검출을 위한 알고리즘 평가 및 개선을 지속적으로 연구하고자 한다.
실험결과 본 논문에서 고려한 데이터에 대해서는 100[%] 판별성능을 나타냈다. 본 논문에서는 SMPS로부터 전원을 공급받아 향후 실제 태양광 설비로부터 취득한 데이터와 상관성을 분석할 필요가 있다. 또한 DSP를 이용하여 아크 검출 보드를 개발하기 위해서는 MHz 대역이 아닌 KHz 대역에서 정상신호와 아크신호에 대한 차별성을 살펴볼 필요가 있다.
이는 전원공급에 사용된 SMPS에서 상당한 고조파 성분을 발생시킴을 알 수 있다. 이는 현장에 설치된 태양광 설비에도 계통의 고조파 또는 날씨의 변화 등에 의해 전류가 변하여 센서 출력값이 0이 아닐 경우도 발생하므로 본 실험의 환경과 실제 현장 설비의 환경의 차이 및 그에 따른 파형의 특성 분석을 향후에 진행하고자 한다.
또한 DSP를 이용하여 아크 검출 보드를 개발하기 위해서는 MHz 대역이 아닌 KHz 대역에서 정상신호와 아크신호에 대한 차별성을 살펴볼 필요가 있다. 향후 위에 설명한 환경 외에 다양한 고조파가 존재하는 환경에서도 정상/아크신호 검출을 위한 알고리즘 평가 및 개선을 지속적으로 연구하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 접속함의 고장 원인은 무엇인가?	태양광 접속함의 고장 원인은 여러 가지가 있지만, 반도체 스위칭 소자와 접속부분에 열에 의한 화재, 접속반 내 습기로 인한 단선, 체결부위의 느슨함 등이 있다 아크 발생은 대규모 태양광 설비뿐만 아니라 소규모 주거용 설비에도 존재하므로 안전에 중대한 위협이 될 수 있다. 따라서 아크 결함을 자동으로 검출하고, 아크 발생시 자동으로 전원을 차단하고 담당자에게 아크 발생사실을 통지하는 장치의 개발은 안전한 태양광 설비 사용을 위해 매우 중요하다.
	태양광 시스템의 구조는?	태양광 시스템은 그림 1에서 보는 바와 같이 여러 개의 PV 패널이 직렬 및 병렬로 전선과 커넥터에 의해 연결되어있다. 각각 병렬로 연결된 PV 패널은 태양광 접속반에 공통으로 연결되어 인버터에 전력을 공급한다[1, 2]. 그러나 PV패널 사이에 연결하는 커넥터의 연결부위가 열화 및 진동으로 인해 불안전한 체결상태가 될 경우 아크가 발생하여 화재로 이어질 수 있다.
	PV패널 사이에 연결하는 커넥터의 연결부위에 발생하는 문제는 무엇인가?	각각 병렬로 연결된 PV 패널은 태양광 접속반에 공통으로 연결되어 인버터에 전력을 공급한다[1, 2]. 그러나 PV패널 사이에 연결하는 커넥터의 연결부위가 열화 및 진동으로 인해 불안전한 체결상태가 될 경우 아크가 발생하여 화재로 이어질 수 있다. 또한, 태양광 접속함에 연결된 체결부위에서 접촉 불량이 발생할 경우 그림 2와 같은 다양한 화재사고로 이어진다[3, 4].

참고문헌 (10)

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상세보기
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Xiu Yao, Luis Herrera, Jin Wang, "A series DC arc fault detection method and hardware implementation," 2013 Twenty-Eighth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 2444-2449, 2013.
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Guo Yunmei, Wang Li, Wu Zhuoqi, Jiang Binfeng, "Wavelet packet analysis applied in detection of low-voltage DC arc fault", 2009 4th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, pp. 4013-4016, 2009.
Xiu Yao, Luis Herrera, Yi Huang, Jin Wang, "The detection of DC arc fault: Experimental study and fault recognition," 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 1720-1727, 2012.
R.N. Bracewell, The Fourier Transform and Its Applications, 3rd ed., McGraw-Hill, 2000.

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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