Anomaly detection and condition monitoring of superconducting cable systems via cross time-frequency analysis

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Background and Objective
A high-temperature superconducting (HTS) cable can transmit large capacities even at low voltages; therefore, the use of HTS cables is desirable for reducing the size of new electric power facilities in urban areas where the underground infrastructure is already dense. HTS cables are expected to be mainly installed in cable tunnels that are already constructed in urban districts. Therefore, the installation of normal joint boxes is inevitable, and it is necessary to develop a diagnostic methodology that considers both the existence of the joints and the electrical characteristics of HTS cables. In order to be competitive against conventional power cables, reliable operation and cost-effectiveness must be ensured. Thus, this dissertation provides new anomaly detection and condition monitoring methodologies for HTS cable systems.
Methods
First, to enhance the accuracy of detection and localization of the HTS cable’s faults, a reflectometry methodology for analyzing incident signals composed of up-chirp and down-chirp signals is presented. Second, the time-frequency based anomaly detection and monitoring methodology is proposed. The methodology includes five indices that are obtained via TF cross-correlation and instantaneous frequency estimation, cross Wigner-Ville distribution, chirplet transform and scattering parameter. Lastly, owing to multiple reflections, distinguishing multiple joint boxes especially using reflectometry is a challenging problem. To overcome the challenge of distinguishing and monitoring different joint boxes, temporal sliding long short-term memory networks are applied.
Results and Conclusion
The proposed methodology has been demonstrated for an AC 22.9 kV HTS cable system and an AC 154 kV HTS cable system which are connected to the real power grid network. During the cooling process and the current imbalance failure, the dielectric and electrical characteristics of the HTS cable systems are monitored via the proposed methodology. Along with the commercialization of HTS cable systems, the proposed anomaly detection and monitoring methodology will improve the utilization of HTS cable systems in urban areas where power consumption is rapidly increasing. In the operation of HTS cable systems, electrical characteristic monitoring will enable maintenance and ensure operational stability.

국문 초록 (Abstract)

최근 경제성장과 더불어 전력수요가 크게 증가할 것으로 예측되고 있다. 특히 전기자동차의 수요 및 냉난방 전력 소비는 매년 큰 폭으로 증가하고 있으며, 이로 인해 안정적인 전력수급 운영에 대한 중요성이 부각되고 있다. 고온초전도 케이블은 기존 구리 전선보다 낮은 전압으로 대용량의 전력 송전이 가능하며 전력 케이블의 굵기도 줄일 수 있어 미래 에너지 기술로 부각되고 있다. 특히 도심의 전력 케이블은 상당 부분이 지하에 매설되어 있고, 기존의 케이블을 초전도케이블로 대체할 경우 기존의 공간을 그대로 활용하면서 더 많은 양의 전력을 송전할 수 있어 전력수요가 늘어나도 수용이 가능할 것으로 기대된다. 그러나, 기존의 전력망을 활용할 경우, 설치 환경에 따라 접속함의 설치 및 물리적 변형이 불가피하며 초전도케이블의 안정적인 운영을 위해서는 이러한 물리적 특성, 포설 환경, 초전도케이블의 전기적 특성을 고려한 진단 기술이 요구된다. 따라서 본 학위논문은 초전도케이블의 고장상황을 감지하고 진단하는 기술을 제시한다.

첫째로, 초전도케이블의 고장점 탐지의 정확성을 향상시키기 위하여 시간에 따라 주파수가 증가하는(up-chirp) 시간-주파수영역 반사파 계측신호와 시간에 따라 주파수가 감소하는(down-chirp) 계측신호를 활용하는 방법을 제안한다. 둘째로, 시간-주파수영역 기반 고장감지 및 모니터링 기술을 제안한다. 이는 크게 다섯가지 지표로 구성되며, 산출방식에 따라 각각 시간-주파수 기반 상호상관함수(time-frequency cross-correlation), 순시주파수 추정(instantaneous frequency estimation), 상호 위그너-빌 분포함수(cross Wigner-Ville distribution)를 활용한 위상 정보, chirplet transform을 활용한 위상 정보, 및 산란 계수(scattering parameter)로 구분할 수 있다. 마지막으로 반사파 계측법이 갖고 있는 도전적인 과제 중 하나는 다중반사와 실제 반사파를 구별하는 것이다. 본 학위논문에서는 신호의 시간적 간격에 따라 입력 값을 달리하여 장단기 메모리(long short-term memory)의 forget gate의 성능이 향상된 기술을 활용하였으며, 이와 더불어 시간-주파수영역 기반 분석을 통해 기존의 반사파 계측법이 갖고 있는 한계점을 개선하였다.

제안된 기술의 유효성을 검증하기 위해 실제 한국전력공사가 운영하는 이천변전소에 설치된 410 m 길이의 AC 22.9 kV 50 MVA 초전도케이블 및 제주 초전도센터에 설치된 1 km 길이의 AC 154 kV 600 MVA 초전도케이블을 활용하였다. AC 22.9 kV 초전도케이블을 대상으로는 상온에서부터 운영온도인 70 K까지 냉각하는 과정과 전류 불평형 현상을 유도하는 과정을 모두 모니터링 하였으며, 그 결과 제안된 기술이 온도 및 압력에 따라 초전도케이블의 전기적 특성이 변하는 것을 계측하는 것을 확인하였다. 또한 전류 불평형 현상이 발생하였을 때에, 불평형이 발생하는 위치 및 케이블의 종류를 검출하는 것을 검증하였다. AC 154 kV 초전도케이블을 대상으로 실험할 때에는 냉각과정을 모니터링 하였으며, 2개의 접속함 및 단말에서 반사되는 반사파를 통해 냉각과정 동안의 케이블의 전기적 특성변화를 계측하는 것을 검증하였다.

고온초전도케이블의 상용화와 함께, 제안된 고장 검출 및 모니터링 방법론은 전력 소비가 급속히 증가하고 있는 도심 지역에서 초전도케이블 시스템의 활용 가능성을 향상시킬 것으로 기대된다. 더 나아가 초전도케이블의 운영에 있어서, 본 학위논문이 제안하는 전기적 특성 모니터링 기술은 초전도케이블의 유지보수를 가능하게 하고 작동 안정성을 보장할 것으로 기대한다.