KR100933021B1 - 전원선로의 데이터 로깅 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전원선로의 전원파형 관련 데이터를 로깅하는 기술에 관한 것이다.

본 발명의 개시하는 로깅 시스템의 데이터 로깅 장치는, 전원선로의 전원파형을 샘플링하여 전원파형 데이터로 변환하는 A/D변환부와, 전원파형 데이터를 이산 푸리에 변환하여 주파수별 전원파형 스펙트럼 요소를 생성하는 이산 푸리에 변환부와, 전원파형 스펙트럼 요소를 주파수별로 저장하는 제1 버퍼와, 기준파형 스펙트럼 요소를 주파수별로 저장하는 제2 버퍼와, 전원파형 스펙트럼 요소 및 기준파형 스펙트럼 요소의 크기를 주파수별로 비교하여 오차 범위를 벗어나는 전원파형 스펙트럼 요소를 추출하는 스펙트럼 비교부, 그리고 추출된 전원파형 스펙트럼 요소를 데이터로서 축적하는 저장부로 구성된다.

본 발명에 따르면, 전원선로 모니터링 시에 메모리에 저장되는 전원파형 관련 데이터를 줄임으로써 전원파형 관련 데이터를 장기간 축적할 수 있다.

전원선로, 데이터 로깅, 푸리에 변환

Description

전원선로의 데이터 로깅 시스템 및 방법{SYSTEM FOR LOGGING DATA OF POWER LINE AND METHOD THEREFOR}

본 발명은 전원선로의 고조파, 전압변동, 주파수 등 전원품질 분석에 관련한 데이터를 장기간 효율적으로 축적하기 위한 기술에 속한다.

현대사회에서 디지털기술의 급속한 진보와 더불어 고집적화, 다기능화, 소형화된 전기전자기기들의 사용이 급증하는 추세에 있다. 그러나 이러한 추세가 심화될수록 전기전자기기들은 낙뢰, 서지 등 외부에서 발생하는 이상과전압이나 전압변동, 순간정전, 고조파 등의 전원품질에 민감하게 반응하며, 이에 따라 관련 고장사고 역시 증가 일로에 있다.

따라서, 전기전자기기에 전원을 공급하는 전원선로의 전기환경에 의한 장해현상 원인분석 및 대책설계를 위해 전원상태를 장기간 모니터링하고 분석할 필요가 있으며, 이는 전원선로의 전원파형 관련 데이터를 축적·관리하는 로깅(logging) 시스템으로 구현된다.

이와 관련한 종래의 로깅 시스템은 이상발생시 또는 지속적으로 전원파형 관련 데이터를 메모리에 저장하고 있으나, 메모리의 용량적 한계로 인해 충분한 시간 동안 축적이 어려운 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 전원파형 관련 데이터의 양 또는 그 크기를 현격히 줄임으로써, 장기간 메모리에 축적(로깅, logging)될 수 있도록 함에 주된 목적이 있다.

또한, 추후 품질분석을 위해 메모리에 축적된 전원파형 관련 데이터로부터 전원파형을 복원하더라도, 측정 당시의 실제 전원파형에 대비하여 허용 가능한 오차범위 내에서 복원되도록 함에 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 데이터 로깅 장치 및 파형복원 장치로 구성된 시스템을 개시한다.

구체적으로 데이터 로깅 장치는, 전원선로의 전원파형을 샘플링하여 전원파형 데이터로 변환하는 A/D변환부와, 전원파형 데이터를 이산 푸리에 변환하여 주파수별 전원파형 스펙트럼 요소를 생성하는 이산 푸리에 변환부와, 전원파형 스펙트럼 요소를 주파수별로 저장하는 제1 버퍼와, 기준파형 스펙트럼 요소를 주파수별로 저장하는 제2 버퍼와, 전원파형 스펙트럼 요소 및 기준파형 스펙트럼 요소의 크기를 주파수별로 비교하여 오차 범위를 벗어나는 전원파형 스펙트럼 요소를 추출하는 스펙트럼 비교부와, 추출된 전원파형 스펙트럼 요소를 축적하는 저장부를 구성한다.

또한, 파형복원 장치는, 상기 저장부에 저장된 전원파형 스펙트럼 요소를 독출하는 데이터 독출부와, 주파수별 기준파형 스펙트럼 요소를 저장하는 기준파형 정보부와, 기준파형 정보부의 기준파형 스펙트럼 요소들을 이산 푸리에 역변환 하되, 상기 데이터 독출부를 통해 독출한 전원파형 스펙트럼 요소들을 주파수별로 대응되는 기준파형 스펙트럼 요소들과 치환하여 역변환 하는 이산 푸리에 역변환부를 구성한다.

한편, 본 발명은 전원선로의 전원파형 관련 데이터를 로깅하는 방법으로서, 전원선로에 대한 기준파형 스펙트럼 요소를 주파수별로 설정하고 전원선로의 전원파형을 샘플링하여 전원파형 데이터를 생성하는 제1 과정과, 전원파형 데이터를 이산 푸리에 변환하여 주파수별 전원파형 스펙트럼 요소를 생성하는 제2 과정과, 주파수별로 전원파형 스펙트럼 요소와 기준파형 스펙트럼 요소의 크기를 비교하여, 오차 범위를 벗어나는 전원파형 스펙트럼 요소를 데이터로서 저장하는 제3 과정으로 이루어진다.

또한, 본 발명은 파형복원 방법으로서, 제3 과정을 통해 저장된 전원파형 스펙트럼 요소들을 독출하는 제4 과정과, 기준파형 스펙트럼 요소들을 이산 푸리에 역변환을 수행하되 독출한 전원파형 스펙트럼 요소들을 주파수별로 대응되는 기준파형 스펙트럼 요소들과 치환하여 역변환 하는 제5 과정을 개시한다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 전원선로 모니터링 시에 메모리에 축적되는 전원파형 관련 데이터를 줄임으로써 메모리의 용량적 부담이 현저히 저감된다. 즉, 종래와 동일 용량의 메모리를 이용하더라도 전원파형 관련 데이터를 장기간 축적할 수 있다. 또한, 전원선로의 품질분석을 위해 축적된 전원파형 관련 데이터로부터 측정 당시의 실제 전원파형에 가깝게 복원할 수 있다.

따라서 본 발명은 고품질의 전력수요가 요구되는 현 시대상황에 부응하여 전력품질의 신뢰성 향상에 기여할 수 있다.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전원선로의 데이터 로깅 시스템에 관한 구성도이다. 도면을 참조하면, 전원선로의 데이터 로깅 시스템(이하, '로깅 시스템'이라 한다.)은 크게 데이터 로깅 장치(100) 및 파형복원 장치(200)를 포함한다.

상기 로깅 장치(100)는, 전원파형 입력부(110), A/D변환부(120), 전원파형 버퍼(130), 푸리에 변환부(140), 제1 버퍼(150), 제2 버퍼(160), 스펙트럼 비교부(170) 및 저장부(180)를 구성한다.

구체적으로 전원파형 입력부(110)는 모니터링(monitoring) 대상인 전원선로(10)의 전원파형(교류, AC)을 입력받는다. 입력된 전원파형은 A/D변환부(120)를 통해 샘플링되어 디지털신호(전원파형 데이터)로 변환되며, 이와 같이 A/D변환된 전원파형 데이터는 전원파형 버퍼(130)에 순차적으로 저장된다.

이산 푸리에 변환부(140)는 상기 전원파형 버퍼(130)로부터 일정 크기의 전원파형 데이터를 인가받아 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform)하여, 실수부와 허수부 구성된 전원파형 스펙트럼 요소를 주파수별로 제1 버퍼(150)에 저장한다(도 2 참조). 여기서, '일정 크기'란 2^N개를 의미하며, 하기에서 설명될 기준파형을 구성할 수 있는 크기에 해당한다.

이하, 본 발명의 이산 푸리에 변환부(140)에 관련하여 수학적 배경을 설명한다. 본 발명에서 언급되고 있는 전원선로(10)에는 저압의 교류 상용전원이 흐르고 있다. 상용전원은 60㎐ 주파수의 정현파로 아래의 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.

......................................... [수학식 1]

단, V_m은 상용전원의 최대치이다.

그러나 가정 및 산업현장에서 사용되는 전원은 부하 및 전원환경에 따라 다수의 고조파 성분이 포함되는데, 이는 다음과 같이 표현될 수 있다.

........................... [수학식 2]

여기서, k는 1, 2, 3, …, ∞ 까지의 고조파를 나타낸다.

상기 [수학식 2]는 오일러(Euler)의 식에 따라 [수학식 3]으로 정리된다.

........................ [수학식 3]

위 [수학식 3]을 간소화하기 위해 복소수형 상수를 다음과 같이 정의한다.

여기서,

와

는 복소공액(complex conjugate) 관계에 있다.

상기 복소수형 상수를 이용하면, [수학식 3]은 다음과 같이 표현될 수 있다.

............ [수학식 4]

이와 같이 표현된 [수학식 4]의 푸리에 변환식은 다음과 같다.

...................................... [수학식 5]

그러나, 본 발명의 A/D변환부(120)의 샘플링 주파수에 따라 불연속적인 데이터(전원파형 데이터)를 취득하므로 상술한 연속 푸리에 변환은 적용될 수 없다. 따라서 아래의 이산 푸리에 변환이 사용되어야 한다.

..................................... [수학식 6]

참고적으로, [수학식 6]에 대한 역 변환식은 다음과 같다.

......................................... [수학식 7]

상술한 바를 정리하면, 전원파형 버퍼(130)의 전원파형 데이터들은 이산 푸리에 변환부(140)에 전원파형 스펙트럼 요소들로 변환되므로, 고조파 성분을 비롯하여 전원품질에 대한 분석이 가능케 되는 것이다.

한편, 제2 버퍼(160)는 기준전원에 대한 주파수별 스펙트럼 요소를 저장하고 있다. 이때의 '기준전원'이란 전원선로의 바람직한 전원파형 또는 기준이 되는 전원파형을 의미한다. 본 명세서에서 용어의 명확한 식별을 위해, 제2 버퍼(160)에서 언급된 상기 '스펙트럼 요소'를 실수부와 허수부를 구성한 '기준파형 스펙트럼 요소'라 정의한다(도 2 참조).

스펙트럼 비교부(170)는 '기준파형 스펙트럼 요소'와 '전원파형 스펙트럼 요소'를 주파수별로 상술한 제1 및 제2 버퍼(150, 160)로부터 독출한 후 크기(전압 값으로 이해해도 무방하다)를 비교하여, 오차 범위를 벗어나는 전원파형 스펙트럼 요소만을 데이터로서 저장부(180)(메모리)에 저장한다. 저장부(180)는 예를 들어 SD카드, USB메모리 등의 저장매체에 데이터를 기록하는 기능을 포함할 수 있다. 즉, 저장매체를 탈착함으로써 유지관리의 용이성을 도모할 수 있는 것이다. 그러나 본 발명이 이와 같이 예시한 바에만 한정되는 것은 아니다.

한편, 파형복원 장치(200)는 상기 저장부(180)에 저장된 데이터를 독출하여 전원파형으로 복원하기 위해 데이터 독출부(210), 기준파형 정보부(220) 및 이산 푸리에 역변환부(230)를 포함한다.

구체적으로 데이터 독출부(210)는 저장부(180)에 저장된 전원파형 스펙트럼 요소를 독출한다. 이때 저장부(180)와 데이터 독출부(210) 사이의 데이터 이동은 미도시된 정보통신망을 통해서, 또는 앞서 언급한 저장매체를 통해서 구현될 수 있다.

기준파형 정보부(220)는 주파수별 기준파형 스펙트럼 요소를 저장한다. 물론, 이때의 기준파형 스펙트럼 요소는, 데이터 로깅 장치(100)의 제2 버퍼(160)에 저장되는 기준파형 스펙트럼 요소와 동일하다.

본 발명의 특징에 따라 이산 푸리에 역변환부(230)는 상기 기준파형 정보부(220)의 기준파형 스펙트럼 요소들을 이산 푸리에 역변환 하되, 데이터 독출부(210)를 통해 독출한 전원파형 스펙트럼 요소들을 주파수별로 대응되는 상기 기준파형 스펙트럼 요소들과 치환하여 시간 영역에서의 전원파형으로 복원한다.

상술한 본 발명의 기술적 사상을 보다 명확히 하기 위해, 다수의 예시 도면을 참고하여 설명한다. 첨부도면 도 3은 전원선로에서 측정될 수 있는 전원파형 V(t)에 대한 예시도면으로서, 이 전원파형은 다음과 같이 정의한다.

............. [수학식 8]

이와 같은 임의의 전원파형을 10㎑의 샘플링 주파수로 N=1024개의 전원파형 데이터들(N/2개의 실수부와 N/2개의 허수부)로 이산 푸리에 변환을 수행하고, 크기 정도를 확인하기 위해 이를 공액 복소수에 곱하면 도 4와 같은 데이터를 얻을 수 있다. 도 4에서 Y축의 값은 주파수별 신호의 크기로써 전압과의 상관관계는 앞서 정의한 복소수 상수와 아래의 수학식들에 따라 다음과 같은 의미를 가진다.

진폭이 A이고 주파수가 ω, 위상이 θ인 주기함수는 [수학식 9]로 표현된다.

............. [수학식 9]

여기서,

,

라 하면

가 되어, 푸리에 급수의 기본항이 됨을 알 수 있다.

그리고 푸리에 변환에서

이므로, 그 공액 값과 곱해보면,

가 된다. 즉,

임을 알 수 있다.

이를 이용하여 도 4의 Y축을 앞서 설정한 임의의 전원파형의 진폭으로 바꾸고 X축의 샘플링 주기를 연산하여 주파수 영역(도메인)으로 바꾸면 첨부도면 도 5와 같이 된다.

상술한 바와 동일한 방법으로 기준파형을 푸리에 변환하면, 도 6과 같이 도시된다. 여기서, 기준파형은

로 가정하였다. 한편, 도 7은 오차 범위로써 설명의 편의상 상한(+10V)만을 가정하고 도 6과 같이 푸리에 변환된 기준파형에 적용한 후, 앞서 푸리에 변환된 전원파형과 마스크(중첩)하여 나타낸 도면이다.

도 7의 확대부분을 참조하면, 주파수별로 전원파형 스펙트럼 요소의 크기가 앞서 언급한 바와 같이 오차 범위가 적용된 기준파형 스펙트럼 요소의 크기를 벗어나고 있음을 볼 수 있다. 즉, 본 발명의 스펙트럼 비교부(170)는 이들을 비교ㅇ판단하여 기준파형 스펙트럼 요소의 크기를 벗어나고 있는 해당 전원파형 스펙트럼 요소를 저장부(180)에 저장하는 것이다.

따라서, 저장부(180)에 저장되는 데이터의 양이 현저히 감소된다. 또한, 전술한 바와 같이 기준파형 스펙트럼 요소들을 푸리에 역변환 하되, 저장부(180)의 전원파형 스펙트럼 요소들을 주파수별로 대응되는 해당 기준파형 스펙트럼 요소들과 치환하여 역변환하면, 시간 영역에서의 전원파형으로 복원된다. 물론, 도 8에 예시된 바와 같이 복원된 전원파형과 측정 당시의 전원파형 사이에 다소간의 차이 (오차)가 발생하지만, 이는 오차 허용 범위에 든다.

이하, 상술한 바를 토대로 본 발명에 따른 전원선로의 데이터 로깅 방법(이하, '로깅 방법'이라 한다.)에 대해 정리한다. 첨부도면 도 9a 및 도 9b는 본 발명의 로깅 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

우선, 측정하고자 하는 전원선로에 대한 기준파형 스펙트럼 요소를 주파수별로 준비한다(S110). 기준파형에 대한 스펙트럼 요소(실수부와 허수부를 포함)는 전원선로의 전원파형을 실측하여 이산 푸리에 변환함으로써 마련될 수 있으며, 또는 가장 바람직하다고 여겨지는 전원파형에 대한 가상 설정을 통해서도 마련될 수 있다. 이와 같은 기준파형에 대한 설정은 '사용자 설정부'(도 1에는 미도시)를 통해서 달성될 수 있다.

이어서, 전원선로의 전원파형을 샘플링하여 디지털로 변환된 전원파형 데이터를 생성하고(S120), 일정 크기의 전원파형 데이터를 이산 푸리에 변환하여 주파수별로 전원파형 스펙트럼 요소를 생성한다(S130).

다음으로, 제S130 과정에서 생성된 전원파형 스펙트럼 요소의 크기(전압 값)를 주파수별로 대응되는 상기 기준파형 스펙트럼 요소의 크기와 비교하여(S140), 오차 범위를 벗어나는 해당 전원파형 스펙트럼 요소를 데이터로서 출력 또는 저장한다(S150, S160).

다음은 저장된 전원파형 스펙트럼 요소들을 이용하여 전원파형으로 복원하는 과정들이다. 먼저, 상기 제S160 과정에서 저장된 전원파형 스펙트럼 요소들을 독출한다(S170).

이어서 기준파형 스펙트럼 요소들을 이산 푸리에 역변환을 수행하되, 독출한 전원파형 스펙트럼 요소들을 주파수별로 대응되는 기준파형 스펙트럼 요소들과 치환한 후 역변환한다(S180).

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전원선로의 데이터 로깅 시스템에 대한 개략적 구성도,

도 2는 본 발명에서 이용되는 전원파형 스펙트럼 요소 및 기준파형 스펙트럼 요소의 구성을 보인 예시도,

도 3 내지 도 8은 본 발명에 따른 전원선로의 데이터 로깅 시스템에 대한 기능을 부연 설명하기 위한 예시도,

도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 전원선로의 데이터 로깅 방법에 대한 순서도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

100 : 데이터 로깅 장치 110 : 전원파형 입력부

120 : A/D변환부 130 : 전원파형 버퍼

140 : 이산 푸리에 변환부 150 : 제1 버퍼

160 : 제2 버퍼 170 : 스펙트럼 비교부

180 : 저장부 200 : 파형복원 장치

210 : 데이터 독출부 220 : 기준파형 정보부

230 : 이산 푸리에 역변환부

Claims (6)

1. 전원선로의 전원파형 관련 데이터를 로깅하는 시스템으로서,

   상기 전원선로의 전원파형을 샘플링하여 전원파형 데이터로 변환하는 A/D변환부와, 상기 전원파형 데이터를 이산 푸리에 변환하여 주파수별 전원파형 스펙트럼 요소를 생성하는 이산 푸리에 변환부와, 상기 전원파형 스펙트럼 요소를 주파수별로 저장하는 제1 버퍼와, 기준파형 스펙트럼 요소를 주파수별로 저장하는 제2 버퍼와, 상기 전원파형 스펙트럼 요소 및 기준파형 스펙트럼 요소의 크기를 주파수별로 비교하여 오차 범위를 벗어나는 전원파형 스펙트럼 요소를 추출하는 스펙트럼 비교부, 및 추출된 전원파형 스펙트럼 요소를 데이터로서 축적하는 저장부를 구성한 데이터 로깅 장치(100); 및

   상기 저장부에 저장된 전원파형 스펙트럼 요소를 독출하는 데이터 독출부와, 주파수별 기준파형 스펙트럼 요소를 저장하는 기준파형 정보부, 및 상기 기준파형 정보부의 기준파형 스펙트럼 요소들을 이산 푸리에 역변환 하되, 상기 데이터 독출부를 통해 독출한 전원파형 스펙트럼 요소들을 주파수별로 대응되는 상기 기준파형 스펙트럼 요소들과 치환하여 역변환하는 이산 푸리에 역변환부를 구성한 파형복원 장치(200); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원선로의 데이터 로깅 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 전원파형 스펙트럼 요소 및 기준파형 스펙트럼 요소는,

   실수부와 허수부로 구성되는 것을 특징으로 하는 전원선로의 데이터 로깅 시스템.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 데이터 로깅 장치는,

   상기 전원파형 데이터를 저장하는 전원파형 버퍼; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원선로의 데이터 로깅 시스템.
4. 삭제
5. 전원선로의 전원파형 관련 데이터를 로깅하는 방법으로서,

   상기 전원선로에 대한 기준파형 스펙트럼 요소를 주파수별로 설정하고, 상기 전원선로의 전원파형을 샘플링하여 전원파형 데이터를 생성하는 제1 과정;

   상기 전원파형 데이터를 이산 푸리에 변환하여 주파수별 전원파형 스펙트럼 요소를 생성하는 제2 과정;

   주파수별로 상기 전원파형 스펙트럼 요소와 기준파형 스펙트럼 요소의 크기를 비교하여, 오차 범위를 벗어나는 전원파형 스펙트럼 요소를 데이터로서 저장하는 제3 과정;

   상기 제3 과정을 통해 저장된 전원파형 스펙트럼 요소들을 독출하는 제4 과정; 및

   상기 기준파형 스펙트럼 요소들을 이산 푸리에 역변환을 수행하되, 독출한 전원파형 스펙트럼 요소들을 주파수별로 대응되는 기준파형 스펙트럼 요소들과 치환하여 역변환하는 제5 과정; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 전원선로의 데이터 로깅 방법.
6. 삭제

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