KR100389266B1

KR100389266B1 - 지면전류와 난수를 이용한 전력선의 데이터 전송 및 수집 방법

Info

Publication number: KR100389266B1
Application number: KR10-2001-0017490A
Authority: KR
Inventors: 설병화
Original assignee: 설병화
Priority date: 2001-04-02
Filing date: 2001-04-02
Publication date: 2003-06-25
Also published as: KR20020077738A

Abstract

본 발명은 전기의 송·배전 공학과 디지털 전자공학의 난수 프로그래밍언어가 복합된 것으로 기존 전력선 통신은 전송하고자하는 데이터의 전송 거리가 짧고 전력선의 부하인 전기 기기에서 나오는 잡음의 영향 및 전력선과 전송하고자 하는 데이터간의 현저한 임피던스 불일치에 의한 신호 감쇄로 실용적인 통신 거리를 확보하지 못했던 것을 지면전류를 이용하여 단 방향의 안정된 전력선 통신 환경 구축을 목적으로 한다.

송신할 데이터의 디지털 신호인 하이(high) 로우(low) 신호를 임피던스 보정회로(707)를 거쳐, 단상 2선식의 전력선으로부터 대지에 인위적인 방법에 의하여 지면으로 전류를 흐르도록 하여, 전력선 전체를 한 방향으로 감은 감지 코일(801)에서 지면으로 흐른 데이터를 감지하여, 지면 전류로 전송된 데이터의 원래 신호인 하이(high) 로우(low)신호를 검출하여 전력선 자체를 데이터 전송선으로 통신에 이용 할 수 있다.

본 발명을 현 수용 가구와 산업 현장에 적용 할 경우, 낙뢰시 가공지선으로 다 빠져나가지 못하는 전압을 다시 대지에 흐르게 함으로서 산업용 전기기기및 가전기기를 낙뢰의 피해로부터 보호하고, 전력선 자체만으로 데이터 송신이 가능하기 때문에 전력선을 통신선으로 활용, 데이터를 송신하기 위한 접지 공사만으로, 현 각 수용 가구 설치되어 있는 적산 전력계, 가스 계량기, 수도 계량기가 디지털 계기로 대체되었을 경우 전력, 가스, 상수도의 누전 및 누수 등을 중앙 통제실에서 통계적 수치로 감지가 가능하므로 국가 에너지 자원의 효율적인 관리가 가능하다.

Description

지면전류와 난수를 이용한 전력선의 데이터 전송 및 수집 방법{Method of transmitting and collecting data in power cable using earth-current and random numbers}

인류가 전기의 실용성을 인식한 이래로 누전은 배전 공사에 있어서 현재까지 극복해야 할 과제로 여겨져 왔다. 이를 해결하기 위해 고안 된 것 중의 하나가 부전 차단기다.

누전 차단기는 누전 되었을 경우 전력선의 전원을 차단하는데 쓰이나, 본 발명은 인위적으로 접지지점에 지면으로 전류를 흘려 전송하고자하는 데이터의 통신 수단으로 활용한다. 즉, 기존의 누전이라 정의된 현상을 이용하여 통신을 할 수 있다. 본 발명은 누전 차단기 내부에 있는 누전 감지 코일의 누전에 따른 자력 상쇄분의 생성에 의한 신호 검출 원리를 이용한 전력선의 데이터 전송에 관한 전환(轉換)발명이다. 따라서, 누전 현상은 누전 효과(效果)라 정의해야 할 것이다.

디지털 적산 전력계는 출원인의 출원번호 10-2000-0058342(2000.10.04)에서 소개된 공진 픽업 코일 센서로 아라고 원판(Arago's disk) 회전수를 감지 기억한 후 스텝핑(Stepping)모터로 출원인의 실용신안등록 제 0222323호(2001.02.20)의 슬라이더와 기판이 접점을 이루는 BCD 코드 검출용 심진 계수기를 회전시켜, 계수된 회전수를 표시하도록 설계하여 적산된 전력량을 계량 할 수 있다.

기존의 전력선 통신 방법은 통신하고자 데이터를 고주파(약 200kHz)에 FSK(frequency shift key)방식으로 변환하여 콘덴서로 전력선에 연결 송신후, 다시 콘덴서로 전송된 고주파를 감지하여 신호를 재분석하는 방법을 사용하여 왔으나, 고주파를 콘덴서로 전력선에 연결하는 관계로 임피던스가 전력선 전압에 비해 상대적으로 높아 정합(matching)이 불가능하고 전력선에 실을 수 있는 고주파의 전력량이 한계를 갖고, 전력선에 유도되는 잡음을 효과적으로 차단하지 못하여 정확한 신호 분석을 할 수 없었고 전송 거리가 짧아 실용화가 불가능했다.

또한 기존 접지 전류를 흐르게 하여 전력선 통신을 하는 방법으로서 대지 귀로 방식은 일본 Ohm지(誌) (1998년 8월호 43쪽), 월간 전기기술(1999년 8월호 특집 18면)의 기사를 인용하면 다음과 같다.

전력선 반송 방식의 개론

대지 귀로 방식

대지 귀로 방식이란 신호를 공동 접지선(N선)과 지면 사이에 주입하여 단말기간의 통신을 하는 것이다. 저압 배전선 반송에서의 일반 주택 자동 검침에 적합하다. 도쿄 전력의 저압 배전선 계통은 새로운 수용가의 계약이나 설비 증설, 전주이설 공사, 배전선의 루트 개수 등에 의해 날마다 변압기 위치나 용량이 변화하고 있다. 이에 따라 변압기의 공급 범위가 시시각각 변화하고 있다. 이와 같은 환경하에서 N선만은 변압기의 공급 범위에 관계없이 모두가 도 1과 같이 접속되어 있다.

그 때문에 극단적인 접지계 증강이나 루트 개수가 없는 한 자동 검침에 영향이 없는 것이다. 원리는 다음과 같다. 어느 접지극에 전류를 흘리면 도 2와 같이 대지에는 접지극에서 무한 원점(0전위)을 향해서 전위가 상승하는 것을 알고 있다. 실제로 이것을 측정하기 위해서는 접지선에서 충분히 떨어진 위치에 또 한 쪽의 접지를 대지에 박아 넣을 필요가 있다. 실측에서는 20m 이상 떨어진 지점의 전위 상승은 무한 원점과 근사하는 것을 알고 있다. 다음에 도 3의 회로로서 충분히 떨어진 위치에 동일한 접지 저항 R을 접속하여 신호를 송신하면 이론적으로는 대지에는이 그림과 같은 신호 주입점과 동등하고 또 부하가 반대인 전위 분포가 발생한다. 이것을 신호 전송에 응용한 것이 대지 귀로 방식이다. 여기서 저압 배전선의 공동 지선(N과) 대지간의 대지 귀로 방식에 대해서 생각해 보기로 한다.

실제의 배전 선로를 모델화한 것이 도 4이다. 여기서 송신기 출력을 V, 내부 임피던스를 Z_g, 송신기 접지를 R_o, 각 주(柱)의 접지를 R₁, R₂, R₃, 수신기의 접지 저항 R_r, 수신기의 내부 저항을 R라고 한다. 신호로서 배전선에 주입되는 선로 상승 전위 E_L은 접지 저항 R_o, Z_g와 계통 임피던스 Z_L에 의해 결정된다.

E_L={Z_L/(R_o+Z_g+Z_L)} ·V

도중의 접지점에서는 그림과 같이 대지의 전위 상승을 볼 수 있다. 수신기에서는 분류한 전류 I_r에 의해,

V_r=E_L-E_L-R_r·I_r

가 되는 전압이 가해지고 이것이 수신 신호가 된다.

이것에 의해 신호 주입점에서의 접지 저항을 낮게 하고 수신 지점에서는 접지 저항을 높게 함으로서 신호를 효율적으로 주입시켜 신호를 크게 인출할 수가 있다.

위와 같은 대지 귀로 방식의 실용화에 있어서 가장 큰 결점은 누전 전류에 의한 데이터의 순간적인 전위를 포착해야 하는 까닭에 임피던스가 현저히 크며 변화가 심하여 신호 자체가 매우 불안하고, 각 대지간의 접지 저항에 따라서 신호 자체가 심하게 왜곡되어 안정적인 통신망을 구성하지 못한다는 점이다.본 발명은 전송하고자 하는 데이터를 임피던스 보정회로만 거쳐 전력선에서 지면 전류로 대지(大地)에 인위적으로 흐르게 하여, 전력선을 한 방향으로 감은 감지 코일에서 누전에 의하여 감지되는 자력 상쇄분의 차이를 검출하는 원리를 이용하여 송신된 데이터를 수신한다. 따라서, 전력선에 유기 되는 잡음은 전력선을 한 방향으로 감은 감지 코일 내에서 상호간의 자력으로 상쇄되고 통신 거리는 선로 저항에 의해서만 전송 거리에 제한을 받게 되므로 안정적인 통신망을 구성 할 수 있다.종래의 전력선 통신 방법과 본 발명의 지면전류를 이용한 전력선 통신 방법을 비교 설명하면 표 1과 같다.[표 1]지면전류를 이용한 전력선 통신과 종래의 전력선 통신 비교

에디슨(Edison, Thomas Alva)이 적산 전력계를 고안한 이후로, 검침은 전기 공급 회사에서 검침원이 담당해 왔다. 그러나 본 발명은 검침원 없이 변전실의 중앙 통제실에서 전력선 자체를 통신 선으로 활용하여 수용 가구 사용 전력량과 전력수급 상태를 감지하는 기초 이론을 제공한다.

누전이라 함은 전기가 누설되어 흐르는 현상으로, 전류가 흘러야 할 정상적인 도체(전선이나 기구) 등에서 전기가 새어나와 가까이에 있는 금속이나 기타 전기가 잘 통하는 물체에 비정상적으로 흐르는 것을 말하는 것이나, 본 발명의 명칭(누전 전류를 이용한 전력선의 데이터 전송 및 수집 방법)은 기존의 학문적인 영역에서 단순 추론한 명칭으로, 실제 누전으로 설명 할 수 있는 개념과는 상반된 해설로서, 일반인의 이해를 쉽게 하기 위해 누전이란 명칭을 사용했을 뿐, 실제 용어 정의에 있어서는 지중 통신, 지면 통신 혹은 접지 통신 등의 정의로서 새로운 학문 영역이 될 수 있으며, 인위적으로 대지에 접지 할 경우란 글자 그대로 누전 현상을 일으키는 것을 말하는 것이나, 본 발명은 통신을 하기 위해 지하 대지면을 또하나 의 선으로 보는 것으로, 통신을 하기 위한 목적을 가진 지중 통신의 방법으로, 고전적인 개념으로 바라보는 누전이란 설명으로서는 정확한 해석이 될 수 없으며, 엄밀히 말한다면 지중 통신이란 용어가 적합하다 할 것이다.

또한 기존의 전력 공급의 문제점 발생에 있어서의 문제점은 인위적으로 누전을 일으켰을 경우, 수용가구측의 누전 차단기가 동작되어 전력 공급이 멈추는 일을 생각 할 수 있으나 본 발명은 인위적으로 적산 전력계에서 전력 사용량의 데이터를 지면에 흘렸을 경우 전력 공급선의 주상 변압기 및 적산 전력계 사이에서만 전력선 전체를 한 방향으로 감은 코일(영상 변류기 ZCT)에서 전력 사용량의 데이터 신호가 감지되므로 누전 차단기의 차단 동작은 일어나지 않으며, 일반 아파트에서는 각 수용 가구에서 상수도 라인으로 누전(지면 전류)으로 데이터 신호를 흘려 보냈을 경우 상수도 라인의 저항(거의 0Ω)과, 인체 저항(수 KΩ)의 차이로 인하여, 데이터 신호 전류가 흐를 때 인체에 감지되는 되는 경우는 전혀 없으므로, 데이터 전송을 위한 누전 회로가 형성됨으로서 전력 공급에서의 문제점 발생은 없으나, 데이터 전송을 위한 지면전류의 전송시간 및 누전량이 문제가 될 수 있다.

따라서, 발명의 구성에서 설명될 전력 사용량의 데이터 전송에 있어서 주기적으로 전력 사용량의 데이터를 지면 전류로 흐르게 하는데, 하루에 한 번씩 데이터를 송신 할 경우, 단상 2선식의 현 수용가구에서 많이 쓰고 있는 누전 전류의 양은 현 수용 가구의 누전 차단기{예: 모델명; SSE-3022 (상도 전기 주식 회사), 15mA 정격 차단} 동작 전류 즉, 15mA 이하의 전류로서 단상 2선식 220Volt에서 전력 사용량 데이터를 15mA로 흐르게 하고, 수용가구에서의 데이터정보는 수용가구의 고유번호 및 전력 사용량의 계수 숫자인데 이러한 데이터는 8bit의 데이터로 100byte 미만의 용량을 갖게 되며, 현재 일반적으로 환산 할 수 있는 전화선의 전송 속도를 56Kbps로 가정하여 계산 할 경우, 전송 시간은 일초 미만이라는 계산이 산출되나, 에러검출 및 교류의 전위가 제로가 되는 점은 신호를 전송 할 수 없는 점을 고려하여 10초간의 데이터 전송 시간이 소요된다 가정하면 한 달간 수용가의 전력 사용량의 데이터를 지면전류로 송신하는데 소요되는 전력 소모는 전송회수=30(일), 1회 전송시간=10(초), 단위시간=1시간=3,600(초), 전압=220(Volt), 전류=15(mA), 역률=1로 계산하면, 수학식 1 과 같이 0.3와트(Watt) 미만의 전력 소모로 전력 사용량 데이터를 매일 한 달간 전력 사용량을 전송 할 수 있다.[수학식 1](30×10/3,600)×220×(15/1,000))= 0.28(Watt)이와 같은 데이터 전송을 위한 지면전류(누설전류)의 전력 소모량은, 현 수용 가구에 설치되어 있는 기계식의 적산 전력계(KSC 1208 제 1786호, GF-18형)의 경우 상시 전력 소모가 2 와트(Watt)이고, 옴니 시스템의 디지탈 적산 전력계 {형식승인번호 제 99-6가-(1)-128호}는 상시 전력 소모량이 1.5와트(Watt)임을 감안하여 계산하면 한 달간 기계식 적산 전력계의 경우 약 1.44Kwatt, 디지털 적산 전력계의 경우 약 1.224Kwatt의 전력 소모량을 가지는데 디지털 적산 전력계로서 본 발명의 지면 전류를 이용하여 전력선으로 전력 사용량의 데이터를 전송 할 경우 기존 기계식 적산 전력계와 디지털 적산 전력계와의 전력 사용량의 차이는 수학식 2와 같이 표현되는데 수용 가구당 매달 약 0.22Kwatt의 전력 이득을 가져와 본 발명이 전 수용 가구에 적용되었을 경우 국가적인 에너지 절감을 가져 올 수 있다.[수학식 2]1.44-(1.224+0.00028) = 0.21572

도 1 은 공동 지선의 접지 상태도.

도 2 는 접지 전류와 대지 전위 상승도.

도 3 은 신호 송신과 대지에서의 전위도.

도 4 는 실제의 배전 선로 모델 선로도.

도 5 는 본 발명의 수용 가구 디지털 적산 전력계로부터 데이터의 지면 전류 전송과 전력선 전체를 한 방향으로 감은 감지 코일의 감지 계통도.

도 6 은 변전소, 주상 변압기에서 수용 가구까지의 송전도.도 7 은 본 발명의 디지털 적산 전력계의 데이터 전송 시스템을 보인 블록도.도 8 은 본 발명의 데이터 수신 시스템을 보인 블록도.도 9 는 본 발명의 데이터 송신 과정을 보인 플로우챠트.도 10 은 본 발명의 데이터 수신 과정을 보인 플로우챠트.도 11 은 데이터 절대 송신 주기 시간 설정에 의한 송신과정을 보인 플로우챠트.도 12 는 데이터 초기 송신 지연 시간 설정 및 절대 송신 주기 시간 설정에 의한 송신 과정을 보인 플로우챠트.도 13 은 본 발명의 난수에의한 데이터 송신 시각 설정에 따른 데이터 송신 과정을 보인 플로우차트.도 14 는 본 발명의 실시 예를 보인 도면.

현 수용가구의 단상 2선식 220Volt, 60Hz에서 송신할 데이터의 디지털 신호인 하이(high) 로우(low) 신호 즉, 0과 1의 신호(도 5의 1)를 두 개의 서로 다른 고주파 주파수로 변환 한후(예: 0은 400kHz로 1은 800kHz로), 설계된 회로(도 7:송신 회로 블럭도)로 인위적인 방법에 의하여 서로 다른 주파수의 전류를 전력선으로부터 대지에 지면 전류로 흐르게 하여, 단상 2선식의 전력 공급선 전체를 한 방향으로 감은 감지 코일에서, 도 5의 (2)와 같이 (두 전력선 전체를 한 방향으로 감은 코일, 완벽한 자력 감쇄를 얻기 위해 각각의 전력선에 코일을 감은후 다시 직렬로 연결 할 수 있다) 코일에 감지되는 원래의 서로 다른 각각의 주파수를 감지하고, 다시 주파수 변별 회로를 거쳐 송신된 데이터의 원래 신호인 하이(high) 로우(low) 신호를 검출하도록 구성하여 원래의 신호를 재현 할 수 있어 데이터의 수신이 가능하다.

송신할 데이터의 디지털 신호를 동일한 주파수일 경우 주파수 지속 시간을 다르게 하여 통신 할 수 있고, 변조 방식을 다르게 하여 이것을 검출하는 방식으로도 통신이 가능하다. 데이터 신호 전달시 전력선의 위상 변위에 따른 누전 전류의 변화가 생기게 되는데, 전력선의 위상을 검출(도 5의 3)하여 전력선 통신에 필요한 누전 전류가 흐르도록 동기 신호로 조절한다. 송신 할 디지털 데이터의 주파수 변환은 현재 일반적으로 사용되고 있는 전력선 통신 회로 구성을 인용해 이해를 쉽게하게 위한 것이고, 고주파 신호를 콘덴서를 통해 전력선에 연결하는 기존의 전력선 통신 방법에 있어서는 보내고자 하는 데이터를 고주파로 변환하여야 하고, 도 5는 FSK 방식에 의한 기존의 전력선 통신 방식을 인용한 것일 뿐, 실제 지면 전류를 이용한 데이터의 신호 전달에 있어서는 데이터의 고주파 변조가 필요 없고, 전송 하고자 하는 원래의 신호를 증폭하여 임피던스만 보정하면 되므로, 회로 자체가 단순해진다.

실제 제작에 있어서 데이터 신호의 송신은 단 방향 통신에서 통상의 전자 지식을 가진 사람이 쉽게 구현 할 수 있는 방법의 회로로 가능하며(예: 라디오 방송 및 TV방송의 일반적인 회로도, GPS 송·수신 기기 회로도, NNSS 송·수신 기기 회로도, NAVTEX 송·수신기기 회로도), 지면 전류를 감지하는 수단은 위에서 언급한 영상 변류기(ZCT)다.

단점으로는 현 송전 계통상 양방향의 통신이 불가능 하나, 원격검침에서는 실제 수용가구에 유용한 데이터를 전송해야만 하는 경우는 없고, 단지 필요하다면 데이터 전송요구 신호만 필요한데, 수용가의 전력사용량 데이터 전송에 있어서 절대 송신 주기 시간 및 초기 송신 지면 시간의 차이를 두어 데이터의 수집이 가능하다.

이에 관하여 발명인의 특허 제 0371581호(2003. 01. 25)의 지면전류를 이용한 전력선의 데이터 전송 및 수집 방법을 소개하면, 절대 송신 주기 시간이란 예를 들어, 한 개의 주상 변압기에서 100개의 수용가구가 동시에 한 전력선의 전력을 공급받고 있을 때 각 수용가구의 적산된 전력량의 데이터를 주상 변압기의 전력선 전체를 한 방향으로 갑은 코일에 전달하기 위해서는 각 수용가구의 데이터 송신 시각을 달리 해야만 하는데,

1번부터 100번까지의 수용가구중 1번 수용가구의 데이터 송신 시각 주기를 24시간으로 설정하고, 2번 수용가구의 데이터 송신 시각 주기를 24시간 10초, 3번 수용가의 송신 시각 주기를 24시간 20초, 4번 수용가를 24시간 30초 하는 식으로 정하는 방법으로 데이터를 송신 할 수 있다. 그러나 데이터 송신 시각의 절대 송신 주기 시간의 차이를 두는 이 방법으로는 시간의 경과에 따라서 데이터 송신 시각이 동일하게 되는데, 1번 수용가구와 2번 수용가구는 (60×60×24÷10=8,640) 즉, 정확히 8,640일 후 동일한 데이터 송신 시각을 갖게 된다. 이를 플로우챠트로 설명하면 도 11과 같다이를 해결하기 위해서는 전 수용가구의 데이터 송신을 위한 초기 송신 지연 시간만을 다르게 하고, 전 수용가구 데이터 송신의 절대 송신 주기 시간을 동일하게 설정해야 한다.

초기 송신 지연 시간이란 예를 들어, 한 개의 주상 변압기에서 100개의 수용 가구가 동시에 한 전력선의 전력을 공급받고 있을 때 각 수용가구의 적산된 전력량의 데이터를 주상 변압기의 전력공급선 전체를 한 방향으로 감은 코일에 전달하기 위해서는 각 수용가구의 데이터 송신 시각을 달리 해야만 하는데,

1번부터 100번까지의 수용 가구중 1번 수용 가구 데이터의 초기 송신 지연시간을 0초로 설정하고 2번 수용 가구 데이터의 초기 송신 지연 시간을 10초, 3번 수용가구 데이터의 초기 송신 지연 시간을 20초, 4번 수용가구 초기 송신 지연 시각을 30초 하는 식으로 설정하고 전 수용가구의 데이터 송신 절대 주기를 24시간으로 동일하게 설정하면, 각 수용가의 데이터 송신 시각은 시간이 경과하더라도 서로 다른 데이터 송신 시각이 설정된다. 이를 플로우챠트로 설명하면 도 12와 같다.

위와 같은 데이터의 초기 송신 지연 시간의 차이를 두어 데이터를 전송하는 방법은 디지털 적산 전력계 설치시 주상 변압기 단위로 데이터의 초기 송신 지연시간을 달리 입력하여야 하는 번거로움이 있고, 적산 전력계 관리 체계상 번거로움이 있었다. 본 발명은 이러한 단점을 해결하기 위하여 적산 전력계의 데이터 전송에 있어서 RND함수를 이용하여 데이터를 수집 할 수 있다. RND함수란 RANDOMIZE의 약자로서, 컴퓨터에서 무작위로 임의적인 순차적 번호를 발생시키는 프로그램 언어이며, 컴퓨터의 성능을 절대적으로 판단하는 기준이 되는 함수이다.

예를 들면, 한 개의 주상 변압기로부터 50가구가 전력을 공급받고 있고 전력선 주파수가 59.8Hz로 변화되었을 때 이 신호를 받아, 디지털 적산 전력계의 CPU에서 RND함수를 발생시켜 이 함수의 값을 데이터의 초기 송신 지연 시간으로 활용할 수 있는데, 한시간 동안에 각각의 수용 가구에 설치된 적산 전력계에서 1회씩만 0부터 3,600까지의 자연수 가운데 RND함수를 발생한다 가정하고, 생성된 자연수를 초로 인식하도록 설계하고, 전력 사용량의 데이터를 1초 이내에 완료 할 수 있다 가정 할 때, 50개의 수용 가구에 설치되어 있는 디지털 적산 전력계로부터 RND 함수에서 발생된 임의의 수를 적산 전력계 전력 사용량의 초기 송신 지연 시간으로 변환하면, 두 개 이상 수용 가구의 전력 사용량 데이터의 초기 송신 지연 시간이 중첩될 확율은 수학식 1로 표현되는데, 이를 계산하면 0.000001의 근사치를 갖는다.

신호 중첩의 확률을 0에 가깝게 하기 위해서는 처음 1시간 동안 1회의 RND함수를 발생시키고, 다음의 한시간 동안 다시 1회의 RND함수를 발생시켜 이를 조합하여 각 수용가의 전력 사용량의 데이터를 수집한다면, 데이터의 중첩으로 인한 신호 분석이 불가능할 확률은 수학식 2와 같이 표시되는데, 이를 계산하면 10^-12으로 0의 근사치를 갖게 되므로 각 수용 가구의 전력 사용량의 데이터의 수집이 가능하다.

이론적으로는, 신호 중첩이 있을 때 수신 불가능을 가정하였으나, 2개의 신호가 중첩될 때 수신 가능하도록 신호의 전송 방법을 개발한다면 각 수용 가구의 전력 사용량 데이터 수집 확률은 100퍼센트에 수렴하게 된다.

[수학식 1]

[수학식 2]

RND 함수를 이용 수용가측의 전력 사용량 데이터의 송신시각을 상이하게 설정하는 수단은 프로그램이 내장된 마이크로 콘트롤러에서 신호처리를 하게 되는데, 이때의 과정을 플로우챠트로 설명하면 도 13과 같다. 따라서 프로그램(704의 ROM)이 내장된 마이크로 콘트롤러에서 초기 송신지연시간 설정을 하게 되는데, 인위적인 방법으로의 설정은 외부의 HAND-TERMINAL(709)로부터 INTERFACE(708)을 거쳐 MICRO-CONTROLLER(704)의 ROM(물론 RAM에 저장 할 수 도 있다)에 저장된다. 이 경우 전 수용가구의 데이터 송신을 위한 회로의 초기 동작 신호가 필요 한데, 전 수용가구의 전원을 차단하는 방법과, 별도의 초기화 신호(Phasing signal)를 전력선으로 수용가구에 공급 할 수 있다. 초기화 신호라 함은 리셋트(Reset) 신호와 같은 동작을 하는 것으로서, 전력 공급선의 주파수를 변화시켜, 이를 감지하여 자동으로 초기동작 신호로도 활용 할 수 있다. 실제 수용가구의 상용 주파수는 대한민국의 경우 60Hz, 일본은 50Hz이다.그러나 공급되는 주파수는 약간의 편차가 있는데, 이 편차 범위를 벗어나 주파수를 조정하고, 조정된 편차를 디지털 적산 전력계에서 감지한다면 데이터 초기전송 요구 신호로 활용 할 수 있다. 예를 들면 오차 범위가 ±0.1Hz내에 있다면 59.8Hz를 초기전송 요구 신호로 활용 할 수 있으며 매일 00:00(시: 분)에 주기적으로 전력 사용량의 데이터를 송신 할 수 있도록 미리 프로그래밍(도 13) 할 수도 있다.송신회로에서 60Hz와 59.8Hz의 구분은 비교되는 두 개의 주파수차이 즉, 0.2Hz의 편차를 검출함으로서 데이터 송신의 초기 신호로 쓸 수 있으며, 회로는 이미 널리 알려진 범용의 회로도로서 통상의 전자지식을 가진 사람이 구현 할 수 있는 데이터 증폭회로, 임피던스 보정회로로 구성이 가능하며, 데이터 신호의 생성 및 인가 수단은 발명인의 실용신안 등록 제 0222323호 비씨디 코드 검출용 십진 계수기에서 전송하고자 하는 수용가의 적산전력계 데이터를 검출 증폭하여 지면전류로 흘려 전력선 전체를 한 방향으로 감은 코일(영상 변류기 ZCT)에서 데이터 신호를 수신한 후 프로그램이 내장된 마이크로 콘트롤러(803)에서 신호처리를 하게 되는데, 이때의 과정을 플로우챠트로 설명하면 디지털 적산 전력계의 송신부(도 9 및 도 7의 블럭도), 수신부(도 10 및 도 8의 블럭도)이다. 송신부(도 7), 수신부(도 8)의 구동에 필요한 전원은 전력선에 흐르는 전원을 공급받아 각 구성요소의 구동 전원으로 공급된다.주파수 조정은 발전기의 회전자 속도를 조절하여 가능 한데, 일반적으로 극수 P인 회전자를 매초 N회전시킬 때 얻어지는 교류의 주파수는 F=PN/2라는 식이 성립된다. 2극 발전기를 사용 할 때는 매초 60회전의 속도로 회전자를 돌려야 하는 데, 회전자의 속도 조정은 주파수 레귤레이터(frequency regulator)로 조작한다.현 대한민국 전력의 전송 체계상 일반 수용가구의 전력 품질을 220V, 60Hz±0.1을 목표로 하고 있다. 본 발명의 취지는 오차범위 이외의 주파수 즉, 59.8 Hz를 60Hz와 구분하여 초기 데이터 전송 신호로 쓰고자 하나, 방적공장 및 반도체 공장 설비에는 변환된 주파수가 영향을 줄 것이라 생각되나, 한달에 한 번 일초간 주파수 변환을 통하여 초기 데이터 전송요구 신호로 쓸 경우 큰 문제가 없을 것으로 생각되며, 문제되는 점은 전국 전력 전송 체계상, 각 발전소의 발전기가 하나의 발전기처럼 네트워크 망을 형성하여 묶여져 있고, 각각의 발전기에 주파수를 일정하게 유지 해주는 주파수 레귤레이터가 있는데 이를 통한 주파수 변경은 한국전력공사의 설계 검토가 필요하며, 가장 쉽게 적용 할 수 있는 곳은 도서지역의 자가 발전 시설이다. 그러나 가장 손쉬운 방법으로 본 발명의 목적 달성을 하기 위한 방법으로는 데이터 초기전송 신호요구로 주파수 변경없이 미리 프로그래밍된 RND함수를 이용하여 전력 사용량의 데이터를 전송하는 것이다.본 발명의 실시 예는 송신회로의 블록도(도 7)에서 발명인의 실용신안등록 0222323호(2001. 02. 20)의 비씨디 코드 검출용 십진 계수기(710)을 통하여 코드변환 INTERFACE(708)를 거쳐 MICRO-CONTROLLER(704)의 RAM에 표시되는 적산전력계의 숫자 데이터가 저장되고, 주파수변별부(705)에서 변화된 주파수(59.8Hz)를 감지한후, 물론 주파수 변별부(705)와 마이크로 콘트롤러(MICRO-CONTROLLER, 704)에서 별도의 인터페이스(INTERFACE)가 필요며, 마이크로 콘트롤러(MICRO-CONTROLLER, 704)에서 프로그램(ROM에 내장)으로 전송요구 신호로 받아들이고 위상 검출부(703)에서 실제 사용할 데이터전송의 유효 전압치를 변별(교류에서는 전압의 위상이 변하므로)한 후, 데이터 증폭부(706)에서 전송할 데이터를 증폭하고, 임피던스 보정의 INTERFACE(707)을 통하여 지면전류로 데이터를 흐르게 한다. 실제 적산 전력계의 제작에 있어서는 내부에 자체 클록 및 시계를 갖도록 설계되며, 적산 전력계 고유의 수용가 번호가 있어야 하는데 이때의 시각 및 고유의 수용가번호를 HAND-TERMINL(709)을 통하여 INTERFACE(708)를 거쳐 마이크로 콘트롤러(MICRO-CONTROLLER-704)의 RAM에 저장된다.수신회로는 동작 프로그램의 플로우챠트(도 10), 도 8의 데이터 감지 코일(801, 141), 임피던스 변환 INTERFACE(802), 마이크로 콘트롤러에 내장된 프로그램(803의 ROM), 수신된 데이터의 저장 장소 (803의 RAM), 데이터 임피던스 보정 INTERFACE(804), 외부와 데이터를 주고받을 수 있는 HAND-TERMINAL-INTERFACE(805), 휴대용 데이터 수집기 (806, 144), 혹은 주상 변압기에 설치된 데이터 보관함(142)에 보관하여 외부 무선 데이터 교환장치(143)로 구성되어 수용가 전력 사용량 데이터의 네트워크 수집망을 구성 할 수 있고, 지면전류의 접지라인(145)으로 송신할 데이터를 지면 전류로 흘린다.

본 발명의 지면전류와 난수를 이용한 전력선 통신 방법을 실무 현장에 적용할 경우, 전력선과 접지공사만으로 안정된 데이터의 송·수신이 가능하기 때문에 전력선 자체를 통신선으로 활용하여 별도의 데이터를 송신하기 위한 배선 공사가 필요 없고(접지공사는 간단히 할 수 있으므로), 현 각 수용가구에 설치되어 있는 적산 전력계, 가스 계량기, 수도 계량기가 디지털 계기로 대체되었을 경우, 검침원 없이 중앙 통제실에서 일시에 누적된 검침 데이터를 수집 할 수 있어 인건비 절감과 아울러 전력, 가스, 수자원의 누전, 누수 등을 통계적 수치로 감지가 가능하다. 따라서 국가 에너지 자원과 수자원의 효율적인 관리가 가능하며, 본 발명이 각 수용가구에 실시되었을 경우 전력사용량의 데이터 전송을 위해 실제 지면전류를 흐르게 하는 시간은 매일 혹은 매월 수초에 불과 하므로, 데이터 전송이 없을 경우 수용가구는 릴레이로서 접지회로를 형성하면 표 1의 접지부분 설명과 같이 낙뢰시 가공지선을 미쳐 통과하지 못한 과전압을 이차적으로 지면에 다시 흘리는 효과가 있으므로, 이것은 각 수용가구의 가전기기를 낙뢰의 피해로부터 보호한다.

또한, 산업 현장에 많이 쓰이고 있는 아날로그 계기가 디지털 계기로 전환될 경우, 전력선만으로 중앙 통제실에서 각 계기의 검침과 계량이 가능하여 산업현장의 자동 제어 및 계측에 활용 할 수 있으며, 전력선 자체의 주파수를 제어 하고자 하는 용도에 따른 주파수로 변화시켜 제어 신호로도 활용 할 수 있으나, 현 수용가구의 송·배전 체계에서는 실효성은 없으나 별도의 전력 공급 장치를 설계할 경우 항공기 및 선박과 자동차에서 원거리 제어선 없이 전력선만으로 제어 신호를 전달 할 수 있다.

본 발명을 응용하여 전력선에 정전압 직류 회로를 구성하여 직류 전류로서 음성 신호를 누전 전류로 대지에 흐르게 하여, 감지 코일에서 잡음이 완벽한 자력 감쇄를 이루고 매칭을 정확히 할 경우, 음성 통신도 가능하므로 한 건물내 동일한 전력선으로 이루어진 회로 내에서 별도의 스피커 배선 없이 음성 신호를 전달 할 수 있으며, 감시 카메라인 CCTV의 영상 및 음성신호를 전력선 자체만으로도 신호를 전달 할 수 있으며, 현 방범 경보 체계는 양방향 통신이 필요 없으므로 각 건물의 방범 경보 신호는 별도의 번거로운 배선 없이 전력선 자체만으로 필요한 신호를 전력 공급선의 변압기까지 신호를 전달 할 수 있다.

또한, 국내의 경우 아직 서지로 인한 피해에 관하여 정확한 연구는 없으나, 미국의 경우 고압과 과전류로 인하여 전자화한 자동화 시스템의 장애가 발생하여 시간과 경비의 피해 규모가 산업계 에서만 매년 260억 달러에 이르는 것으로 추정되고 있는데(IEEE: 전기 전자 기술인 협회 자료), 본 발명을 전국 수용가구에 시공함으로서 파생되는 경제적인 효과는 표 2와 같다[표 2]지면전류를 이용한 전력선 통신의 경제적 효용이와 같은 경제적 효용은 공사비용과도 관련하여 생각 할 수 있는데, 국내의 경우 과거 1970년부터 22OV의 승압공사 실시되어 완성되기까지 전국적으로 20여년 걸린 것을 감안하면, 실제공사에서는 신축건물부터 시공할 경우(아파트의 경우 상수도관을 이용 할 수 있으므로: 현행법규상 상수도관에 접지하는 것은 허용됨) 확정된 값을 산정 할 수는 없으나 상당히 저렴한 가격의 시공으로 위와 같은 효과를 얻을 수 있을 것으로 추정된다.

차후 국제적으로 음악 저작권이 강화됨에 따라 이에 대한 통합적인 통계 수집이 필요한데 대표적으로는 노래방에서의 가라오케 기기에서 각 선곡된 노래 통계데이터를 노래방 기기에서 수집하여 전력선을 통하여 적산 전력계로 보낸 다음, 적산 전력계의 전력 사용량 데이터를 수집 할 때, 노래방 기기에서 수집된 데이터를 별도의 배선 없이 함께 보낼 수 있으며, 전자 상거래가 활성화되고 각 수용 가구에서 전자 화폐 결재 카드 시스템을 갖추었을 경우, 매월 결재할 금액을 전력선을 이용하여 결재 할 수 있다.

Claims

수용가구 220Volt, 60Hz의 배전 설비에 있어서,

(1) 주상 변압기로부터 수용가에 공급되는 디지털 적산전력계의 전력사용량 데이터의 전송요구 신호로, 발전기 회전자의 회전속도를 조정하는 주파수레귤레이터(frequency-regulator)로서 주파수(60Hz)를 59.8Hz로 변환하고,

(2) 상기 변경된 주파수로 주파수 변별부(705)에서 변화된 주파수를 감지하여, 수용가 디지털 적산전력계의 CPU에서 RND 함수를 발생시키는 회로(마이크로 콘트롤러, 704의 ROM)를 동작시켜, 발생된 RND 함수를 수용가의 디지털 적산전력계의 전력사용량의 데이터 초기 송신지연 시간으로 변환하고, 초기 송신지연 시간에 따른 데이터 송신 시간 지연(도13)에 의하여 변환된 수용가 디지털 적신전력계의 전력사용량 데이터(마이크로 콘트롤러, 704의 RAM)를 데이터증폭부(706)와 데이터 임피던스 보정 INTERFACE(707)회로를 통하여 지면전류로서 지면(145)으로 흐르게 하고,

(3) 상기 지면전류로 전송된 전력사용량 데이터 신호를 주상 변압기의 전력 공급선 전체를 한 방향으로 감은 감지코일(141, 801)로 부터 지면전류로 전송된 수용가 디지털 적산전력계의 전력사용량 데이터를 임피던스 보정 INTERFACE(802)와 마이크로 콘트롤러(803)에서 신호처리하고, INTERFACE(804), HAND-TERMINAL-INTERFACE(805)를 통하여, HAND-TERMINAL(806)에서 전송된 수용가구 적산전력계의 전력사용량 데이터를 수신하는 것을 특징으로 하는 지면전류와 난수를 이용한 전력선의 데이터 전송 및 수집 방법.