KR101052206B1 - 3상 일체형 전력선 커플링 장치, 3상 일체형 커플링 장치 및 써지 보호 장치를 포함하는 전력선 통신 장치 - Google Patents

3상 일체형 전력선 커플링 장치, 3상 일체형 커플링 장치 및 써지 보호 장치를 포함하는 전력선 통신 장치 Download PDF

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Abstract

3상 4선 식 전력선을 통해 통신신호를 송수신하는 전력선 통신 장치가 공개된다. 이 장치에는 Tx 코일, Rx 코일, R상 코일, S상 코일, 및 T상 코일이 하나의 커플링 코어에 감긴 커플링 장치가 사용된다. 송신부로부터 출력되는 송신신호는 Tx 코일 및 커플링 코어를 통해 R상 코일, S상 코일, 및 T상 코일로 송출되고, R상 코일, S상 코일, 또는 T상 코일로부터 수신되는 신호는 커플링 코어 및 Rx 코일을 통해 수신부에 입력된다.

Description

3상 일체형 전력선 커플링 장치, 3상 일체형 커플링 장치 및 써지 보호 장치를 포함하는 전력선 통신 장치{3-phase integrated powerline coupling unit and powerline communication device having the coupling unit and surge protector}
본 발명은 전력선 통신 장치 및 방법에 관한 것이며, 특히 3상 4선 식 전력선과 통신장치를 연결하는 전력선 커플링 장치 및 이를 이용한 써지 보호형 전력선 통신 장치와 이를 이용한 통신 방법에 관한 것이다.
전자기파를 이용하여 유선 또는 무선의 통신을 하기 위해서는 통신 채널이 필요하다. 통신 채널로서 진공 또는 공기, 금속선, 광섬유 등 다양한 매질을 사용할 수 있다. 각 통신 채널의 물리적인 특성에 따라 보안성 및/또는 통신으로 전달할 수 있는 정보의 양의 결정될 수 있다.
통신용 매질의 하나로서 전력선이 사용될 수 있다. 일반적으로 전기가 공급되는 곳에는 전력선이 설치되어야 하는데, 배터리를 사용하지 않는 통신 장치의 경우에는 통신 장치의 구동을 위한 전력을 얻기 위하여 이미 설치되어 있는 전력선에 연결되어야 한다. 이때, 전력선을 통신용 매질로 사용한다면 별도의 통신 선로를 확보할 필요가 없다.
전력선은 보통 R상(R-phase), S상, T상을 갖는 3상 4선 식으로 설치되어 고압으로 전송되고, 변압기 등에 의해 감압되어 일반 수요자에게 공급될 수 있다. 이때, 일반 수요자에게는 3상 4선의 전력선 구조를 유지하거나 또는 단상의 전력선 구조에 의해 전력이 제공될 수 있다.
전력선이 3상 4선 식으로 설치된 경우 각 상(phase)의 전력선을 서로 다른 통신 채널로서 사용할 수 있다. 이때, 각 상을 통해 서로 다른 데이터를 주고받을 수도 있고 또는 동일한 데이터를 주고받을 수도 있다. 일반적으로 3개의 별개 통신 채널을 통해 데이터를 송수신하고 처리하기 위해서는 3개의 송수신 모듈이 필요하며, 각 송수신 모듈을 제어하는 제어부가 각각 필요하다. 즉, 3개의 상을 통해 데이터를 송수신하기 위해서는 유사하거나 동일한 구조를 갖는 통신 모듈이 3개가 필요하다. 따라서 회로가 반복되거나 복잡해지는 단점이 있다.
지금까지는 일반적으로 전기요금의 과금을 위하여 검침원들이 계량기가 설치된 수용가를 직접 방문하여 육안으로 전력량계의 검침 값을 확인하고 기록한 후에 검침된 값을 사무실에서 컴퓨터 자판으로 입력하는 방식으로 진행되었다. 이 방법은 과금 정확성이 떨어지고 에너지 효율 증대를 위한 부가서비스를 제공하는데 한계가 있으며 검침원에 대한 인건비가 지출해야 하는 등의 문제가 있었다.
이를 해결하기 위하여 원격 검침(AMR: Automatic Meter Reading) 기술이 도입되었다. 원격 검침은 전자식 계량기와 서버와의 통신을 통해 실시간으로 전기 사용량 등에 관한 검침 값을 자동으로 서버가 확인하는 기술이다. 최근 전력 시장에서의 원격검침의 기술력은 전자소자 및 네트워크 시스템의 기술발전에 따라 실용적으로 개선되어 인력 검침에 비해 낮은 비용과 데이터 전송의 신뢰성 향상을 기대할 수 있게 되어 실생활에 적용되기에 이르렀다. 이러한 응용분야에서도 전력선 통신이 사용될 수 있는데, 전력선 통신은 다른 유선 통신 방식처럼 별도의 전용선을 이용하는 것이 아니라 상용 전력선을 통해 이루어지는 것이므로 상용 전력선에 연결된 다른 전자기기들로부터 발생하는 잡음(Noise)과 이상 기후에 의해 발생하는 낙뢰 또는 써지(Surge) 등에 의해 통신 장치가 망가지거나 통신이 두절되는 상황이 발생할 수 있어 이에 대한 대책이 필요하다.
본 발명에서는 복수 개의 전력선 채널에 전력선 통신 장치가 연결될 때에, 전력선 통신 장치의 복잡도를 감소시킬 수 있는 통신 장치의 구성 및 이를 위한 커플링 장치를 제공하고자 한다. 또한 이러한 장치를 이용한 통신 방법을 제공하고자 한다. 나아가 전력선으로부터 유입되는 회로 파괴성 잡음으로부터 전력선 통신 장치를 보호할 수 있는 회로 구성을 제공하고자 한다.
본 발명의 범위가 상술한 과제에 의해 제한되는 것은 아니다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 3상 4선 식 전력선의 R상, S상, T상에 연결할 수 있는 1차 측 코일들을 갖는 커플링 장치가 제공된다.
이 커플링 장치는 1차 측 코일들과 전자기적으로 결합되는 2차 측 코일을 포함한다. 2차 측 코일은 전력선 통신 장치의 수신단에 연결될 수 있다. 이 구조에 따르면 하나의 수신단이 R상, S상, T상으로부터 들어오는 모든 신호를 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 커플링 장치에는 여러 개의 코일이 결합되어 있는데, 최적의 신호 결합 특성을 얻기 위하여 각 코일이 감긴 비율을 달리하여 여러 차례 시험한 결과 최적의 결과가 도출되었으며 그 결과는 아래의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 제시되어 있다.
또한 이 커플링 장치는 전력선 통신 장치의 송신단에 연결될 수 있는 또 다른 2차 측 코일을 포함할 수 있다. 이 구조에 의해 하나의 송신단이 R상, S상, 및 T상의 통신 선로에 동일한 신호를 송출할 수 있다.
이 커플링 장치는 또한 본 발명에 따른 전력선 통신 장치에 사용될 수 있다.
3상 4선 식 전력선을 통신 선로로서 사용하기 위하여 3개의 송수신 회로 및 3개의 커플링 장치를 각각 R상, S상, T상에 연결하여 사용할 수도 있지만, 본 발명에서는 1개의 송수신 회로를 R상, S상, T상에 함께 연결하여 사용한다. 이를 위하여 본 발명에서는 R상, S상, T상의 전력선과 송수신 회로를 전자기적으로 연결해주는 커플링 장치도 1개만을 사용할 수 있다.
R상, S상, T상은 서로 분리된 통신 채널이지만 수신단에서는 하나의 통신 채널로 합쳐지기 때문에 R상, S상, T상을 통해 수신되는 통신 신호를 서로 식별하기 위해서는 미리 결정된 통신 방식 또는 통신 프로토콜을 필요로 한다. 이를 위하여 R상, S상, T상을 통해 수신되는 통신 신호가 서로 시-분할되거나(time-divided) 코드-분할(code-devided)될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 전력선 통신 장치의 제어부는 수신된 신호를 복호화하기 위한 코드-스케쥴(code-schedule) 또는 시간-스케쥴(time-schedule)을 이용할 수 있다.
또한 본 발명에서는 전력선에서 유입되는 써지(surge) 또는 임펄스성 잡음이 전력선 통신 장치에 유입되는 것을 방지하기 위하여 써지 보호 소자가 결합된 구조의 전력선 통신 장치를 제공한다.
본 발명의 일 양상에 따른 전력선 통신 장치는 세 개의 전력선 통신 채널을 통해 통신신호를 송수신하는 전력선 통신 장치이다. 이 장치는 Tx 코일, Rx 코일, R상 코일, S상 코일, 및 T상 코일이 감긴 커플링 장치, 상기 Tx 코일에 연결된 송신부, 및 상기 Rx 코일에 연결된 수신부를 포함한다. 이때, 상기 송신부로부터 출력되는 송신신호는 상기 Tx 코일을 통해 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일로 송출되고, 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 또는 상기 T상 코일로부터 수신되는 신호는 상기 Rx 코일을 통해 상기 수신부에 입력된다.
이때, 상기 Tx 코일, 상기 Rx 코일, 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일에는 써지 보호 장치가 연결되어 있을 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 전력선 통신 장치는 세 개의 전력선 통신 채널을 통해 통신신호를 수신하는 전력선 통신 장치이다. 이 장치는 Rx 코일, R상 코일, S상 코일, 및 T상 코일이 감긴 커플링 장치, 및 상기 Rx 코일에 연결된 수신부를 포함한다. 이때, 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 또는 상기 T상 코일로부터 수신되는 신호는 상기 커플링 코어 및 상기 Rx 코일을 통해 상기 수신부에 입력된다.
이때, 상기 통신신호의 수신시각에 의해 상기 통신신호가 상기 세 개의 전력선 통신 채널 중 어느 상(phase)의 전력선을 통해 수신된 것인지를 구분하도록 되어 있는 제어부를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 통신신호의 헤더부의 정보에 따라 상기 통신신호가 상기 세 개의 전력선 통신 채널 중 어느 상(phase)의 전력선을 통해 수신된 것인지를 구분하도록 되어 있는 제어부를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 통신신호는 CDMA 방식의 신호이고, 상기 통신신호가 상기 세 개의 전력선 통신 채널 중 어느 상(phase)의 전력선을 통해 수신된 것인지는 상기 통신신호에 적용된 코드를 이용하여 구분하도록 되어 있는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 전력선 커플링 장치는 세 개의 전력선 통신 채널을 통해 통신신호를 송수신하는 전력선 통신 송수신기에 사용되는 전력선 커플링 장치이다. 이 장치는 커플링 코어, 및 상기 커플링 코어에 감긴 Tx 코일, Rx 코일, R상 코일, S상 코일, 및 T상 코일을 포함한다. 이때, 상기 Tx 코일 및 상기 Rx 코일은 상기 전력선 통신 송수신기의 송신부 및 수신부에 각각 연결되도록 되어 있고, 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일은 상기 세 개의 전력선 통신 채널 중 R상, S상, 및 T상에 각각 연결되도록 되어 있을 수 있다.
상술한 본 발명의 다양한 양상에 있어서, 상기 Tx 코일, 상기 Rx 코일, 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일이 감긴 회수의 비율을 1:1:1:1:1일 수 있다. 또는 상기 Tx 코일, 상기 Rx 코일, 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일이 감긴 회수는 각각 6회일 수 있다.
본 발명에 따르면 복수 개의 전력선 채널을 이용하는 전력선 통신 장치의 복잡성을 줄일 수 있도록, 3상 일체형의 전력선 커플링 장치 및 이 커플링 장치를 이용한 전력선 통신 장치를 제공할 수 있다. 또한, 이러한 전력선 통신 장치를 오류 없이 동작시킬 수 있는 전력선 통신 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 범위가 상술한 효과에 의해 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력선 통신 장치의 회로 개념도를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1의 회로 개념도를 커플링 코어의 형상을 모사하여 나타낸 것이다.
도 3a 및 도 3b는 커플링 코어에 감겨진 코일의 각 턴 수 비율(N1:N2)에 따라 4개의 주파수(2MHz, 10MHz, 20MHz, 30MHz)에서의 커플링 장치를 통한 신호 감쇠량을 나타낸 것이다.
도 4a, 도 4b, 도 4c, 및 도 4d는 각각 도 3a의 결과를 4개의 주파수 별로(2MHz, 10MHz, 20MHz, 30MHz) 그래프로서 나타낸 것이다.
도 4e는 도 3b의 결과를 그래프로서 나타낸 것이다.
도 5a 내지 도 5w는 도 3a 및 도 3b의 실험 데이터를 얻기 위해 수행한 실험 도중 스펙트럼 분석기로 신호 감쇠량을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 6a 및 도 6b는 3상 4선 식 전력선의 각 상을 통신 채널로 사용할 수 있도록 구성한 통신 장치 회로의 일 예이다.
도 6c의 단상식 전력선 통신 장치의 일 예를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전력선 통신 장치가 사용될 수 있는 환경을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 4선 식 전력선 통신 장치의 2차 측 회로 구성을 나타낸 것이다.
본 문서에는 본 발명의 실시예들을 제공하기 위한 참조번호가 제공된다. 이 참조번호는 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 도시되어 있으며, 발명의 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 각 도면에서 동일한 구성요소는 동일한 참조번호를 갖는다. 발명의 상세한 설명에서 참조번호는 괄호 안에 표시되며, 연속적인 정수 값을 갖는 참조번호들은 '~'를 사용하여 간단히 나타낸다. 예를 들어, 참조번호 (111 ~ 114)는 참조번호 (111, 112, 113, 114)를 나타낸다.
R상, S상, T상에 개별적으로 전력선 통신 장치를 연결하는 경우에는 적어도 3개의 송신용 OP-AMP 및 적어도 3개의 커플링 장치가 필요하다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면 1개의 송신용 OP-AMP와 1개의 커플링 장치만을 사용하여 R상, S상, T상에 통신 신호를 송출할 수 있다. 이하 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력선 통신 장치의 회로 개념도를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1의 회로 개념도를 커플링 코어의 형상을 모사하여 나타낸 것이다.
실시예 1
이하 본 발명에 따른 일 실시예를 도 1 및 도 2를 함께 참조하여 설명한다.
도 1은 R상 연결부(101), S상 연결부(102), T상 연결부(103)을 통해 신호를 송신 및 수신하기 위한 3상 4선 식 전력선 통신 장치를 나타낸다. 3상 4선 식 전력선 통신 장치는 외부 잡음으로부터 통신용 송신단과 수신단을 보호하기 위한 보호회로(201 ~ 203, 301 ~ 303, 401 ~ 404, 501 ~ 503)를 포함할 수 있다. 3상 4선 식 전력선 통신 장치는 도 1에 도시되지 않은 제어부 및 전원부 등의 다른 구성요소를 더 포함할 수 있으나 도 1에서는 설명하지 않는다.
3상 전원 입력부인 R상 연결부(101), S상 연결부(102), T상 연결부(103), N상 연결부(104)는 외부의 3상 4선 식 전원계통과 연결될 수 있다. R상 연결부(101)의 전력 및 신호 입력(이하, '전력/신호입력'으로 지칭), S상 연결부(102)의 전력/신호입력, T상 연결부(103)의 전력/신호입력은 보호회로(201 ~ 203, 301 ~ 303, 401 ~ 404)를 통과한다. 보호회로 중 써지 차단부(201 ~ 203, 301 ~ 303)는 R상 연결부(101), S상 연결부(102), T상 연결부(103)으로부터 유입되는 외부 잡음 등을 차단할 수 있다. 보호회로 중 전원 필터부(401 ~ 404)는 상용 전력 전류 주파수 및 그 주위 주파수의 전력신호를 차단하며 고주파 신호만을 통과시킬 수 있다. 전원 필터부(401 ~ 404)의 양 단자 중 커플링 코어(700) 쪽으로부터 연결된 도선은 커플링 코어(700)의 안쪽(inside)과 바깥(outside)쪽으로 방향성을 갖고 커플링 코어(700) 주위로 각각 N R 회, N S 회, N T 회 감겨있을 수 있다. 이 도선의 반대쪽은 N상 연결부(104)과 연결될 수 있다. N R , N S , N T는 각각 커플링 장치에서의 통신 신호 손실을 최소화할 수 있도록 정해질 수 있다. 본 발명에서 커플링 장치는 코어가 감긴 상태의 커플링 코어를 지칭한다.
N상 연결부(104)의 전원선은 R상 연결부(101), S상 연결부(102), T상 연결부(103)를 위한 중성선으로 외란(낙뢰 또는 써지) 및 보호회로(201 ~ 203, 301 ~ 303, 401 ~ 404)를 구성할 때 필요하며, R상 연결부(101), S상 연결부(102), T상 연결부(103)의 귀로 역할을 위해서 사용될 수 있다.
이와 같이 R상 연결부(101), S상 연결부(102), T상 연결부(103)(1차 측(110))을 통해 수신된 신호는 커플링 장치를 통해 2차 측(210)으로 전달될 수 있다. 반대로 2차 측(210)에서 발생한 신호는 커플링 장치를 통해 1차 측(110)으로 전달될 수 있다. 2차 측(210)은 통신 신호를 송수신할 수 있는 아날로그/디지털 회로부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 위와 같이 R상 연결부(101), S상 연결부(102), T상 연결부(103), N상 연결부(104)에서 유입된 신호가 커플링 장치를 통해 2차 측(210)의 수신선로(701,702)에 전달되면 이 신호가 수신 증폭기(601)를 통해 통신부 AFE(Analog Front End)(611)로 전달되어 디지털 신호를 만들어 낼 수 있다.
또한 2차 측(210)의 송신 증폭기(602)를 통해 증폭된 신호가 송신선로(703,704) 및 커플링 장치를 통해 1차 측(110)의 신호 전달부(705, 706, 707, 708, 709, 710)에 전달되도록 구성될 수 있다. 도 2에 표시된 전달부(705, 706) 사이의 코일, 전달부(707, 708) 사이의 코일, 전달부(709, 710) 사이의 코일은 각각 도 1의 R상 코일(10), S상 코일(20), T상 코일(30)에 대응된다.
전력선 통신을 위하여 2.1Mhz ~ 23.1Mhz까지의 주파수 대역(대역폭: 21Mhz)을 사용할 수 있다. 각 상(R상, S상, T상)에 전달되는 신호 세기의 최대값은 IEC 규격에 의해 현제 -54dBm/Hz로 제한되어 있고 최저값은 제한되어 있지 않다. 통신을 위해서는 수신단에서의 잡음 대비 신호의 크기가 큰 것이 좋다. 또한 전력선 통신 장치의 송신단과 전력선은 커플링 코어에 코일을 감은 커플링 장치에 의해 전자기적으로 결합되는데 커플링 장치에서의 신호 감쇠를 최소화하는 것이 바람직하다. 따라서, 커플링 장치의 1차 측과 2차 측의 임피던스 매칭이 중요한데, 선로에서 보이는 각 주파수 대역의 임피던스 특성이 주파수별 또는 시간에 따라 변화되기 때문에 주파수 별 및/또는 시간 별 임피던스 정합이 쉽지 않다. 이하, 본 발명의 다른 실시예에 따라 복수 개의 코일이 감긴 커플링 장치로서, 커플링 장치에서의 신호 손실을 최소화할 수 있는 구조를 갖는 커플링 장치를 실험 결과를 통해 설명한다.
실시예 2
본 발명에 따르면 R상 코일(10), S상 코일(20), T상 코일(30), 수신부(910)에 연결된 Rx 코일(40), 및 송신부(920)에 연결된 Tx 코일(50)이 하나의 커플링 코어(700)에 연결되어 있는데, 이때 커플링 장치를 통한 신호의 감쇠를 최소화하기 위한 코일 턴(turn) 수의 비율을 찾아낼 필요가 있다. 이를 위하여 각 코일(10, 20, 30, 40, 50)의 감은 횟수를 변경하면서 신호의 감쇠를 측정하였다. R상 코일(10)의 턴 수 N R , S상 코일(20)의 턴 수 N S , T상 코일(30)의 턴 수 N T 는 항상 서로 같도록 하였고(N R = N S = N T = N2), Rx 코일(40)의 턴 수 N Rx , Tx 코일(50)의 턴 수 N Tx 도 항상 서로 같도록 하였다(N Rx = N Tx = N1). 그리고 N1과 N2의 비율을 조절하면서 신호의 감쇠 정도를 측정하였다.
실험에 사용한 커플링 코어의 재질은 Mn/Zn, EH4 타입이며, 투자율은 4,000이고 인덕턴스는 470 uH, 10 Turn이고, 크기는 14 mm x 7.7 mm x 7 mm (외경 x 내경 x 두께)이다. 실험을 위하여 함수 발생기(function generator)에서 출력 10dBm의 신호를 1MHz ~ 30MHz의 주파수 대역을 스윕(sweep)하면서 스펙트럼 분석기(spectrum analyzer)로 수신 파형을 기록하였다. 이때 기준 출력 값 10dBm 보다 몇 dB 감쇠하는지를 비교하여 측정하였다. 총 29 MHz의 주파수 대역 중 4개의 주파수(2MHz, 10Mhz, 20Mhz, 30Mhz)에서의 감쇠량을 발췌하여 도 3a와 도 3b에 표로 제시하였다.
도 3a 및 도 3b는 각 턴 수 비율(N1:N2)에 따라 4개의 주파수(2MHz, 10MHz, 20MHz, 30MHz)에서의 커플링 장치를 통한 신호 감쇠량을 나타낸 것이다.
도 3a를 참조하면, N1과 N2의 값을 증가시킴에 따라 신호 감쇠량이 감소하는 경향을 보이지만 N1 = 6, N2 = 6 이상으로 갈수록 이러한 경향이 사라지고, 감쇠량이 포화(saturation)되거나 혹은 일부 주파수 구간에서 감쇠량이 증가하는 결과를 확인할 수 있다. 도 3a에 제시한 표의 결과에서는 N1 = 6, N2 = 6 인 경우에 가장 좋은 성능을 나타내는 것으로 확인되었다.
도 3b는 도 3a의 실험 결과로부터 실험 조건을 더 추가한 것이다. N1 =3, 6, 또는 9로 고정시킨 상태에서 N2의 값을 조절한 결과를 나타낸 것이다. 결과로부터 N1 : N2 = 1 : 1 일 때에 가장 좋은 결과가 나오는 경향을 알 수 있다. 도 3a와 도 3b로부터 N1 = 6, N2 = 6 일 때에 커플링 장치의 성능이 가장 좋음을 알 수 있다.
도 4a, 도 4b, 도 4c, 및 도 4d는 각각 도 3a의 결과를 4개의 주파수 별로(2MHz, 10MHz, 20MHz, 30MHz) 그래프로서 나타낸 것이다.
도 4e는 도 3b의 결과를 그래프로서 나타낸 것이다.
도 5a 내지 도 5w는 도 3a 및 도 3b의 실험 데이터를 얻기 위해 수행한 실험 도중 스펙트럼 분석기로 신호 감쇠량을 분석한 결과를 나타낸 것이다. 도 5a 내지 도 5w의 표 안에 제시된 값은 2MHz, 10MHz, 20MHz, 30MHz에서의 신호 크기를 dBm 값으로 나타낸 것이고, 각 도면의 오른편에 제시된 그래프 및 파형은 특정 순간에서의 스펙트럼 분석기의 출력 화면을 캡쳐(capture)한 것이다. 오른쪽에 제시된 그래프의 가장 위쪽 가로선은 25dMB을 나타내며, 세로 방향으로 한 칸은 10dBm의 감소 또는 증가를 의미한다. 파형 중 1, 2, 3, 4라고 표시된 마커(Marker)는 각각 2MHz, 10MHz, 20MHz, 30MHz를 눈에 띄게 표시한 것이다. 1MHz에서 30MHz로 한 번 스윕(sweep)하는 데 걸리는 시간은 5ms이다. 마커 1, 2, 3, 4를 연결한 수평선에 가까운 형상을 한 선은 연속된 각 주파수에서의 주파수 응답을 나타낸 것이다.
상술한 실험 결과에 따라 본 발명의 일 실시예에서는 R상 코일(10), S상 코일(20), T상 코일(30), 수신부(910)에 연결된 Rx 코일(40), 및 송신부(920)에 연결된 Tx 코일(50)이 하나의 커플링 코어(700)에 연결되어 있는데, 이와 같이 형성된 커플링 장치를 통한 신호의 감쇠를 최소화하기 위하여 커플링 코어(700)에 감긴 회수인 코일 턴(turn) 수의 비율을 1:1:1:1:1로 할 수 있다.
더 나아가, R상 코일(10), S상 코일(20), T상 코일(30), Rx 코일(40), Tx 코일(50)이 각각 커플링 코어(700)에 감긴 회수를 각각 6회로 할 수 있다.
이 실시예에 의해 제공되는 커플링 장치는 본 발명에 의한 전력선 통신 장치에 사용될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 실시예들을 변형하면 도 6에 도시된 회로의 기능을 적어도 일부 구현할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 3상 4선 식 전력선의 각 상을 통신 채널로 사용할 수 있도록 구성한 통신 장치 회로의 일 예이다.
도 6a 및 도 6b의 A, B, C 부분은 각각 1개의 커플링 코어(801, 802, 803) 및 1개의 송신용 OA-AMP(811, 812, 813)를 포함한다. 커플링 코어(801, 802, 803)에는 각각 1차 측 및 2차 측 코일이 감겨있다. 이 중 A부분은 1개의 수신용 OP-AMP(820)를 포함할 수 있다. 도 6a의 회로 구성에 따르면 R상 연결부(101), S상 연결부(102), T상 연결부(103)에게 서로 다른 통신 신호 또는 동일한 통신 신호가 송신될 수 있고, R상 연결부(101), S상 연결부(102), T상 연결부(103) 중 어느 하나를 통해 들어오는 신호를 수신용 OP-AMP(820)를 이용하여 수신할 수 있다.
도 6a 및 도 6b의 A 부분은 도 6c에 나타낸 단상식 전력선 통신 장치에 대응되며, 도 6a 및 도 6b의 B 부분 및 C 부분은 도 6c에 나타낸 단상식 전력선 통신 장치에서 수신용 OA-AMP(820)가 생략된 것에 대응된다. 도 6c의 단상식 전력선 통신 장치는 N상 연결부(104)과 활성상(100)에 의해 형성되는 하나의 통신 채널을 통해 통신 신호를 송수신하는데 사용될 수 있다. 송신용 OP-AMP(810)를 통해 송출된 통신 신호는 하나의 커플링 유닛(800)을 통해 활성상(100)의 전력선으로 송출될 수 있고, 활성상(100)을 통해 유입된 통신 신호는 하나의 커플링 유닛(800)을 통해 수신용 OP-AMP(820)에 제공될 수 있다. 하나의 커플링 유닛(800)에는 활성상(100)에 연결된 1차 측 코일(LA), 송신용 OP-AMP(810)와 전기적으로 연결된 2차 측 Tx 코일(LTx), 및 수신용 OP-AMP(820)와 전기적으로 연결된 2차 측 Rx 코일(LRx)이 결합되어 있다.
상술한 본 발명에 따른 실시예를 사용하면, 도 6의 회로와 마찬가지로, R상 연결부(101), S상 연결부(102), T상 연결부(103) 중 어느 하나를 통해 들어오는 신호를 1개의 커플링 장치만을 사용하여 수신할 수 있다.
실시예 3
본 발명의 일 실시예는 전력선 통신을 이용해 수용가의 전력 사용량을 검출하는 데에 사용될 수 있다. 이를 위하여 변압기에 위치한 데이터 집중장치 및 수용가에 위치한 전력량계에 3상 4선 식 또는 단상 식의 전력선 통신 장치를 설치할 수 있다. 이 두 통신 장치 사이에서 전력선 통신을 수행함으로써 원격검침을 할 수 있다.
상술한 원격 검침을 위하여 가정에 설치된 전자식 계량기가 각 수용가의 전력량계의 검침 값을 수집하고 변대주에 설치된 데이터 수집장치(DCU: Data Concentrator Unit)를 통해서 상위 원격검침 서버에게 전송할 수 있다. 데이터 집중장치는 전자식 계량기로부터 전력선 통신(PLC: Power Line Communication)을 통해 검침 데이터를 수집할 수 있다.
데이터 수집장치는 원격검침을 위한 전력량계 검침 데이터 수집기능 외에도 변대주의 변압기 감시를 통해 수용가의 사용량이 변압기 용량을 초과하고 있는지 여부를 실시간으로 감시하여 변압기 상태 및 용량 부족으로 인한 교체 시점을 알려주기 위해서 상시적으로 부하 상태를 판독하여 상위 서버에 전달하는 기능을 포함할 수 있다.
이와 같은 기능을 위해 변압기에서 출력되는 R상, S상, T상, N상의 상용 전원선을 데이터 수집장치에 병렬로 연결할 수 있으며, 이를 이용하여 변압기 검침 및 전력선 통신(PLC: Power Line Communication) 신호 전달이 이루어진다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전력선 통신 장치가 사용될 수 있는 환경을 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 고압 전력선(1030)에 흐르는 고압 전류는 변대주(1032)에 설치되어 있는 변압기(1031)를 통해 저압 전력으로 변환될 수 있다. 저압 전력 수용가의 전력량계(1001 ~ 1003)는 전력선 통신 장치(1051 ~ 1053) 및 제1 상(예컨대, R상)의 저압 전력선(101)을 통해 3상 4선 식 전력선 통신 장치(1) 및 데이터 전송장치(1020)에 연결되고, 전력량계(1004, 1005)는 전력선 통신 장치(1054 ~ 1055) 및 제2 상(예컨대, S상)의 저압 전력선(102)을 통해 3상 4선 식 전력선 통신 장치(1) 및 데이터 전송장치(1020)에 연결되고, 전력량계(1006)는 전력선 통신 장치(1056) 및 제3 상(예컨데, T상)의 저압 전력선(103)을 통해 3상 4선 식 전력선 통신 장치(1) 및 데이터 전송장치(1020)에 연결될 수 있다. 3상 4선 식 전력선 통신 장치(1)는 도 1 및 도 2에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력선 통신 장치일 수 있다. 전력선 통신 장치(1051~1056)는 도 6c에서 설명한 단상 2선 식 전력선을 위한 전력선 통신 장치일 수 있다.
도 7은 각 전력 수용가에 단상 2선 식의 전력이 공급되는 것을 가정하여 예시한 것이다. 그러나, 각 전력 수용가에 각각 3상의 전력이 공급되는 경우에는 전력선 통신 장치(1051 ~ 1056)는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 4선 식 전력선 통신 장치일 수 있다.
각 전력량계(1001 ~ 1006)는 각 수용가로부터 전력 사용량을 수집하여 데이터 전송장치(1020)에게 전송할 수 있다. 데이터 전송장치(1020)는 전력량계(1001 ~ 1006)로부터 수집된 전력 사용량을 별도의 통신채널(1040)을 이용하여 원격에 존재하는 원격관리서버(1050)에게 전송할 수 있다. 통신회선(1040)은 종래에 알려진 유선 또는 무선 통신 방식에 사용되는 채널일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 하나의 커플링 장치를 포함하는 3상 4선 식 전력선 통신 장치를 사용하면 상술한 원격 검침 환경에서도 각 수용가에 연결된 전력선 통신 장치와 통신을 수행할 수 있다.
실시예 4
예를 들어, 도 7에 설명한 원격 검침 환경에 사용될 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 4선 식 전력선 통신 장치(1)는 도 7의 전력선 통신 장치(1051 ~ 1056)와의 효율적 통신을 위하여 소정의 기능을 갖는 제어부를 더 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 4선 식 전력선 통신 장치(1)의 2차 측 회로(600) 구성을 나타낸 것이다. 도 8은 도 1 또는 도 2에서 Rx 코일(40)과 Tx 코일(50) 및 이에 유선으로 연결된 회로의 구성을 나타낸 것이다. 수신용 OP-AMP(601)와 송신용 OP-AMP(602)는 아날로그 프론트 엔드(611, 612)와 연결될 수 있고, 아날로그 프론트 엔드(611, 612)는 제어부(620)와 연결될 수 있다.
제어부(620)는 2차 측 회로(600)의 출력 통신 신호(603)를 제어하는 기능을 할 수 있다. 예를 들어 도 1과 도 7의 실시예를 함께 참조하면, 2차 측 회로(600)로부터 출력된 출력 통신 신호(603)는 커플링 장치를 통해 R상 연결부(101), S상 연결부(102), T상 연결부(103) 모두에게 전달되므로 전력선 통신 장치(1051 ~ 1056) 모두에게 전달될 수 있다. 그런데 만일 R상 연결부(101)에 연결된 전력선 통신 장치(1051 ~ 1053)에만 신호를 전송하고자 할 때에는 제어부(620)가 출력 통신 신호에 R상을 나타내는 헤더를 추가할 수 있다. 이때 R상 연결부(101), S상 연결부(102), T상 연결부(103)에 각각 연결된 전력선 통신 장치(1051 ~ 1053), 전력선 통신 장치(1054 ~ 1055), 전력선 통신 장치(1056)는 이 출력 통신 신호(603)의 헤더 내용에 따라 자신이 출력 통신 신호(603)를 복호화할지 여부를 결정할 수 있다.
한편 3상 4선 식 전력선 통신 장치(1)에 R상 연결부(101), S상 연결부(102), T상 연결부(103)을 통해 유입되는 수신 신호는 동시에 유입될 가능성이 존재한다. R상 연결부(101), S상 연결부(102), T상 연결부(103)를 통해 유입되는 수신 신호가 예를 들어 코드 분할되어 있지 않다면 상호 신호 간섭에 의해 유입되는 수신 신호를 복호화하기 어렵다. 이를 해결하기 위해, 제어부(620)는 각 전력선 통신 장치(1051 ~ 1056)가 신호를 출력할 수 있는 시간을 알려주는 스케쥴링 정보를 송출할 수 있다. 이에 스케쥴링 정보에 따라 각 전력선 통신 장치(1051 ~ 1056)가 신호를 송출하면 제어부(620)는 3상 4선 식 전력선 통신 장치(1)가 수신 신호를 수신한 시각에 의해 어느 상(phase)으로부터 신호가 수신된 것인지를 알 수 있다. 즉, 시간 분할에 의한 타임 스케쥴링이 가능하다.
다르게는 제어부(620)는 시간 분할 방식이 아닌 코드 분할 방식에 의해 어느 상으로부터 신호가 수신되었는지를 알 수 있다. 즉 R상 연결부(101)를 통해 3상 4선 식 전력선 통신 장치(1)에 액세스하는 통신 신호는 제1 군의 코드를 사용하도록 하고, 마찬가지로 S상 연결부(102), T상 연결부(103)을 통하는 통신 신호는 각각 제2 군 및 제3 군의 코드를 사용하는 방식으로 CDMA 방식의 통신을 수행할 수 있다. 제어부(620)는 R상 연결부(101), S상 연결부(102), T상 연결부(103)을 통해 신호가 동시에 유입되더라도 어떤 코드를 사용하였는지를 체크 함으로써 어느 상을 통해 신호가 수신되었는지를 알 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 실시예에서는 1차 측 코일과 2차 측 코일의 턴 수의 최적값을 실험적으로 제시하였다. 이때에 1차 측 코일과 2차 측 코일을 서로 꼰 상태로 만들 수 있다.
발명의 상세한 설명은 본 발명의 실시예들을 설명하도록 의도된 것이며, 본 발명에 따라 구현될 수 있는 유일한 실시예를 나타내기 위한 것은 아니다. 본 발명의 상세한 설명은 본 발명의 용이한 이해를 위하여 특정용어를 사용하여 서술될 수 있다. 그러나 본 발명의 이러한 특정용어에 의해 제한되도록 의도한 것은 아니다. 따라서, 상술한 본 발명의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다.
상술한 실시예들은 각각 본 발명의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것이다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성하는 것도 가능하다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 본 발명의 사상에 반하지 않는다면 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응되는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.
본 발명의 범위는 특허청구범위 합리적 해석을 고려하여 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명의 기술 분야에 속하는 기술자라면 본 발명의 실시예들 및 특허청구범위로부터 본 발명의 사상을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. R상, S상, T상, 및 N상을 포함하는 3상4선식의 전력선 통신 채널과 접속되는 하나의 커플링 장치를 통해 통신신호를 송수신하는 전력선 통신 장치로서,
    Tx 코일, Rx 코일, R상 코일, S상 코일, 및 T상 코일이 하나의 커플링 코어에 감긴 커플링 장치; 상기 Tx 코일에 연결된 송신부; 및 상기 Rx 코일에 연결된 수신부를 포함하고,
    상기 송신부와 상기 Tx 코일은 상기 송신부로부터의 송신신호가 상기 Tx 코일까지 차동 시그널링(differential signalling) 방식으로 송신되도록 서로 연결되어 있으며,
    상기 송신신호는 상기 Tx 코일 및 상기 커플링 코어를 통해 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일로 송출되도록 되어 있고,
    상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 또는 상기 T상 코일로부터 수신되는 신호는 상기 커플링 코어 및 상기 Rx 코일을 통해 상기 수신부에 입력되며,
    상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일은, 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일을 통해 송수신되는 신호가 차동 시그널링 방식으로 송수신되도록 되어 있고,
    상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일의 각 일단부는 각각 상기 R상, 상기 S상, 및 상기 T상에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일의 각 타단부는 각각 상기 N상에 전기적으로 연결되어 있는,
    전력선 통신 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 Tx 코일, 상기 Rx 코일, 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일이 감긴 회수의 비율을 1:1:1:1:1인, 전력선 통신 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 Tx 코일, 상기 Rx 코일, 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일이 상기 커플링 코어에 감긴 회수는 각각 6회인, 전력선 통신 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 Tx 코일, 상기 Rx 코일, 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일에는 써지(surge) 보호 장치가 연결되어 있는, 전력선 통신 장치.
  5. R상, S상, T상, 및 N상을 포함하는 3상4선식 전력선 통신 채널과 접속되는 하나의 커플링 장치를 통해 통신신호를 수신하는 전력선 통신 장치로서,
    Rx 코일, R상 코일, S상 코일, 및 T상 코일이 하나의 커플링 코어에 감긴 커플링 장치; 및 상기 Rx 코일에 연결된 수신부를 포함하고,
    상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 또는 상기 T상 코일로부터 수신되는 신호는 상기 커플링 코어 및 상기 Rx 코일을 통해 상기 수신부에 입력되며,
    상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일은, 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일을 통해 수신되는 신호가 차동 시그널링 방식으로 수신되도록 되어 있고,
    상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일의 각 일단부는 각각 상기 R상, 상기 S상, 및 상기 T상에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일의 각 타단부는 각각 상기 N상에 전기적으로 연결되어 있는,
    전력선 통신 장치.
  6. R상, S상, T상, 및 N상을 포함하는 3상4선식 전력선 통신 채널을 통해 통신신호를 송수신하는 전력선 통신 송수신기에 사용되는 전력선 커플링 장치로서,
    커플링 코어; 및 상기 커플링 코어에 감긴 Tx 코일, Rx 코일, R상 코일, S상 코일, 및 T상 코일을 포함하며,
    상기 Tx 코일 및 상기 Rx 코일은 상기 전력선 통신 송수신기의 송신부 및 수신부에 각각 연결되도록 되어 있고,
    상기 송신부와 상기 Tx 코일은 상기 송신부로부터의 송신신호가 상기 Tx 코일까지 차동 시그널링(differential signalling) 방식으로 송신되도록 서로 연결되도록 되어 있으며,
    상기 송신신호는 상기 Tx 코일 및 상기 커플링 코어를 통해 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일로 송출되도록 되어 있고,
    상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일은, 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일을 통해 송수신되는 신호가 차동 시그널링 방식으로 송수신되도록 상기 3상4선식 전력선 통신 채널의 R상, S상, 및 T상과 N상에 각각 연결되도록 되어 있는,
    전력선 커플링 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 Tx 코일, 상기 Rx 코일, 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일이 감긴 회수의 비율을 1:1:1:1:1인, 전력선 커플링 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 Tx 코일, 상기 Rx 코일, 상기 R상 코일, 상기 S상 코일, 및 상기 T상 코일이 감긴 회수는 각각 6회인, 전력선 커플링 장치.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20070047135A (ko) * 2005-11-01 2007-05-04 주식회사 키트 전력선 통신 시스템용 접촉식 3상 커플러

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