KR101138430B1 - 영상 고조파 필터링 시스템 - Google Patents

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KR101138430B1
KR101138430B1 KR1020110135402A KR20110135402A KR101138430B1 KR 101138430 B1 KR101138430 B1 KR 101138430B1 KR 1020110135402 A KR1020110135402 A KR 1020110135402A KR 20110135402 A KR20110135402 A KR 20110135402A KR 101138430 B1 KR101138430 B1 KR 101138430B1
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Abstract

본 발명은 영상 고조파 필터링 시스템에 관한 것으로서, 특히 3상 4선식 전력계통이 사용되는 저압 분전반의 영상 고조파 필터링 시스템에 있어서, 상기 3상의 각 위상선과 중성선에 연결되도록 지그재그 결선되어 상기 중성선에서 발생하는 영상 고조파의 전류를 저감시키고, 고조파를 측정하며, 전력 품질 관련 데이터를 측정하여 상기 데이터를 저장, 표시 및 전송하는 적어도 1개 이상의 영상 고조파 저감장치; 및 상기 영상 고조파 저감장치에서 상기 전력품질 관련 데이터를 통신망 또는 기간망을 통해 전달받아 상기 데이터를 분석 및 가공하여 전력 모니터링 데이터로 제공하고, 상기 영상 고조파 저감장치의 정상 동작 여부를 확인하는 중앙제어장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 영상 고조파 저감 장치로 인해 중성선에 흐르는 전류의 상태를 감지하고 표시하여 줌으로써 안전사고를 예방할 수 있고, 중성선에 과도한 영상고조파 전류가 흐르는 것을 효율적으로 방지함으로써 부하 측에 안정적인 전력을 공급할 수 있고, 상기 영상 고조파 저감 장치와 상호 통신하여 고조파 관련 데이터를 수집하는 중앙제어장치가 실시간 고조파 상태를 감시하고, 상기 영상 고조파 저감 장치의 각종 설정값을 제어함으로써 최적의 고조파 저감 관련 솔루션을 제공할 수 있다.

Description

영상 고조파 필터링 시스템{SYSTEM FOR ZERO HARMONIC FILTERING}
본 발명은 영상 고조파 필터링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각 분전반에 4선 병렬 방식으로 연결된 영상 고조파 저감 장치와 상호 통신하여 고조파 상태를 모니터링 할 수 있는 중앙제어장치로 인해 중성선에 흐르는 전류의 상태를 감지하고 표시하여 줌으로써 안전사고를 예방할 수 있고, 중성선에 과도한 영상고조파 전류가 흐르는 것을 효율적으로 방지함으로써 부하 측에 안정적인 전력을 공급할 수 있는 영상 고조파 필터링 시스템에 관한 것이다.
최근, 산업의 발전과 산업 용량의 증가로 첨단 제어장치, 전력전자기기 등 다양한 전력변환 설비가 많이 증가하였고, 이와 더불어 각종 최신 사무기기 등의 사용 증가로 인해 고조파 발생 원인도 함께 증가하였다.
이러한 고조파는 산업현장에만 국한되지 않고 각종 빌딩, 경기장, 아파트, 경관 조명시설, 공항 등 매우 다양한 생활공간에서 발생하고 있는 것이 현실이다.
도 1은 일반적으로 전자기기에서 발생되는 영상고조파의 중성선 중첩 상태가 도시된 그래프이고, 도 2는 도 1은 일반적인 전력전자기기별 고조파 발생 크기가 도시된 그래프이다.
일반적으로 분전반은 주개폐기, 배선용 차단기, 누전차단기 등이 설치되어 상호 전기적으로 연결된 장치로서, 건물 등의 옥내 배선에 있어서 배전반으로부터 배선된 간선을 옥내의 각 요소로 전력을 분기배선함과 동시에 전력공급을 개폐하기 위해 사용되는 장치이다.
상기 주계폐기는 분전반으로부터 각 요소로 배선되는 모든 전력의 공급을 개시하거나 차단하는 역할을 하고, 상기 배선용 차단기는 기준으로 정해진 정격전류 이상의 과도한 선로 전류가 흐르는 경우 전기를 차단하여 과부하로부터 각종 회로를 보호하는 역할을 하며, 상기 누전차단기 역시 감전사고 등이 발생하여 기준으로 정해진 정격누전 감도전류 이상의 누전전류가 흐르는 경우 전기를 차단하여 인명을 보호하는 역할을 한다.
한편, 우리나라에서 저압 수용가에 적용되고 있는 3상 4선식 전력계통은 단상 및 3상 부하를 동시에 이용할 수 있는 장점이 있지만 단상 부하와 3상 부하가 혼합되어 중성선에 불평형 전류가 발생하게 되어 전력계통에 나쁜 영향을 미칠 수 있다.
즉, 3상 4선식 전력계통에서 중성선에 발생되는 전류는 각 상 전류의 합으로 정의되는데 3상(R상, S상, T상)의 부하가 평형 상태일 경우에, 각각 120°의 위상차에 의해 상쇄되어 중성선(N)에는 각 상의 크기가 같으면 벡터 합이 0이 되어 전류가 흐르지 않게 된다.
그러나, 부하가 불평형 상태에 있는 경우에는 중성선에 불평형 전류가 흐르게 되는데, 3상 중 하나의 상에만 부하가 있고 나머지 두 개의 상은 무부하 상태에 있는 경우 가장 큰 불평형 전류가 흐르게 된다.
또한, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 중성선에는 이와 같은 불평형 전류 이외에도 컴퓨터, 조명장치, 사무기기, 무정전 전원공급장치(Uninterruptible Power Supply :UPS) 등과 같은 비선형 부하로 인하여 고조파 전류가 발생할 수 있는데, 특히 그 중에서 각 상에서 발생한 영상 고조파 전류는 최대 3배의 크기로 중첩되어 과도한 크기의 중성선 전류를 발생시킨다.
일례로, 표 1의 형광등용 안정기에서 발생되는 고조파 함유량과 도 2에 나타나 있듯이, 일상 생활 공간에 배치된 PC용 모니터, PC용 본체, 냉장고, TV-CRT 모니터, LED 전광판에서 다양한 크기의 고조파가 발생함을 알 수 있다.
Figure 112011099809955-pat00001
여기에서 고조파(高調波, Harmonics) 전류란 기본 주파수의 2배, 3배, 4배 등 정수배에 해당하는 주파수 성분을 가지는 전류를 말하며, 특히 여러 차수의 주파수 성분의 고조파 전류 중에서 3차, 6차, 9차 등과 같이 주파수 차수가 3의 배수에 해당하는 주파수 성분을 가지는 전류를 영상 고조파 전류라고 한다.
이러한 영상 고조파는 차단기, 누전차단기(ELB) 등의 오작동에 영향을 미치는데, 차단기(ACB)의 지락 과전류 계전기(Over Current Ground Relay, OCGR)은 과전류 계전기(OCR)의 30%에 한시값을 설정한다. 이때 영상고조파전류에 의하여 중성선에 상전류보다 더 큰 전류가 흐름으로 인하여 저부하시에도 차단기를 트립시켜 정전사고를 유발하며, 영상고조파전류에 의해 누설전류가 증대되어 ELB가 동작하여 정전사고가 발생한다.
또한, 상기 영상 고조파는 N상 케이블의 과열 및 소손에 영향을 미치는데, 각 상(R,S,T)에 흐르는 영상 고조파전류가 중성선(N상)에 흐르게 되면 전류가 중첩되고 높은 주파수에 의한 표피효과로 인해 교류저항이 증가하여 케이블이 과열되고 심하면 화재의 원인이 된다.
한편, 사무용 빌딩의 컴퓨터, 복사기 등의 사무기기나 병원, 방송국 등의 CT, MRI, AV 영상장비 및 전자식안정기, LED 전광판 및 조명기기 등에서 영상분 고조파가 많이 발생하는데, 영상분 고조파 전류는 중성선에 중첩되어 흘러서 차단기를 오동작시키며, 변압기 1차 △권선에서 순환되어 변압기의 열을 가중시켜 변압기의 소손을 초래한다.
그리고, 중성선에 영상고조파 전류가 많이 흐르게 되면 전류와 임피던스로 인해 N상과 대지간에 큰 전위차를 갖게 되고, 전위차가 5~15V정도가 되면 정밀 특수장비의 오동작 및 전자부품의 소손을 초래한다.
또한, 상기 영상고조파는 비선형 부하에서 고조파로 인한 왜곡전력도 무효전력으로 적용되어 역률이 저하될 뿐만 아니라 콘덴서의 소손 증가, 에너지 손실 증가, 누설전류의 증가, 통신장애, 민감한 장비의 오작동 변압기, 차단기의 소음 증가 등에 영향을 미친다.
이와 같이, 첨단제어장치, 전력전자기기 등 다양한 전력변환 설비와 각종 최신 사무기기 등에서 발생하는 고조파로 인하여 중성선에 전류가 과다 유입되어 차단기(ACB) 오동작, 케이블 및 변압기 과열로 인한 화재 등의 위험 가능성이 증가되고, 역률저하, 누설전류 증가로 인하여 전력손실 증가 및 전기시스템의 불안정성이 증가된다.
이러한 사고의 가능성을 최대한 낮추고 안정적인 전기 사용환경을 확보하기 위해서는 분전반에 영상분 고조파 필터(Zero Harmonic Filter, ZHF)가 적용된다.
이와 같이 중성선에 유입된 영상고조파 전류를 감쇄하기 위해서 여러 가지 장치들이 제안되고 있는데, 그 중에서 3고조파 필터는 L-C 병렬 공진 원리를 이용하여 특정 주파수에서 낮은 임피던스 대역을 만들어 3고조파를 저감시키고, 변압기의 2차측에 중성선만 직렬 연결로 설치된다.
상기 3고조파 필터는 3고조파만 저감하므로 영상고조파 중 일부분에만 적용되고, 저감 효과가 초기에는 높지만 시간이 경과할 수록 저감 효과가 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 리액터(L)는 반영구적이지만 커패시터(C)는 열화되어 특성 변화로 필터 효과가 저감되고, 지락사고시 필터 폭발 위험이 있고, 필터 사고시 중성선 단선 위험이 있다는 문제점이 있다.
또한, 중성선에 유입된 영상고조파 전류를 감쇄하기 위한 장치들 중에서 지그재그(Zig-Zag) 결선 변압기를 3개의 위상선과 중성선에 연결하여 영상고조파 전류를 지그재그 결선 변압기 측으로 흡수시킴으로써 영상고조파 전류를 감쇄시키는 장치가 대표적이다.
이러한 지그재그 결선 변압기를 이용한 영상 고조파 필터를 포함하는 영상 고조파 저감장치가 단독으로 존재하였으며, 단순히 영상 고조파 전류를 저감시키는 필터의 역할만 수행한다.
따라서, 전기 시스템의 안정화 및 안정적인 전력 설비 사용 환경을 확보하기 위해서는 각 분전반에 설치될 수 있는 영상고조파 저감 장치와 함께 사고를 예방하고, 사고의 원인을 파악할 수 있는 전력 품질 측정 장치를 사용할 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 각 분전반에 4선 병렬 방식으로 연결된 영상 고조파 저감 장치를 이용해 각 상의 전력량, 부하 전류, 중성선의 불평형 전류와 고조파 전류, 필터 전류를 측정하여 표시하고, 안전사고를 예방할 수 있고, 중성선에 과도한 영상고조파 전류가 흐르는 것을 효율적으로 방지함으로써 부하 측에 안정적인 전력을 공급할 수 있는 영상 고조파 필터링 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 고조파 측정장치와 상호 통신하여 고조파 상태를 모니터링 할 수 있는 중앙제어장치가 고조파 관련 데이터와 영상분 고조파 필터의 상태 정보를 수집하여 관리하고, 영상분 고조파 필터의 효율성에 대한 정보를 제공함으로써 높은 안정성과 신뢰성을 가지는 고조파 저감 관련 솔루션을 제공하고, 시스템의 안정화 및 안정적인 전력 설비 사용환경을 확보할 수 있는 영상 고조파 필터링 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 영상 고조파 필터링 시스템은, 3상 4선식 전력계통이 사용되는 저압 분전반의 영상 고조파 필터링 시스템에 있어서, 상기 3상의 각 위상선과 중성선에 연결되도록 지그재그 결선되어 상기 중성선에서 발생하는 영상 고조파의 전류를 저감시키고, 고조파를 측정하며, 전력 품질 관련 데이터를 측정하여 상기 데이터를 저장, 표시 및 전송하는 적어도 1개 이상의 영상 고조파 저감장치; 및 상기 영상 고조파 저감장치에서 상기 전력품질 관련 데이터를 통신망 또는 기간망을 통해 전달받아 상기 데이터를 분석 및 가공하여 전력 모니터링 데이터로 제공하고, 상기 영상 고조파 저감장치의 정상 동작 여부를 확인하는 중앙제어장치를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 영상 고조파 저감장치는 영상 고조파의 크기에 따라 변압기 후단의 분전반에 설치되거나, 상기 영상 고조파가 최다 발생되는 위치를 구역으로 구분하고, 상기 구역을 구분하는 분전반에 설치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 영상 고조파 저감장치는, 상기 중성선으로 유입되는 영상분 고조파 전류를 저감하고, 상기 영상 고조파 전류의 양이 상기 영상 고조파 저감장치의 용량 이상인지를 감지하여 상기 영상 고조파 저감장치의 전류 유입/차단을 결정하는 중성선 영상 고조파 저감모듈, 상기 3상의 전압, 전류, 전압 총합 왜곡률, 전류 총합 왜곡률, 차수별 고조파 전압, 및 차수별 고조파 전류, 유효전력, 무효전력, 역률, 주파수, 시간당 수전 유효전력량, 시간당 송전 유효 전력량, 시간당 수전 무효 전력량, 시간당 송전 무효 전력량를 측정하고, 상기 각 측정된 값의 최대값/최소값 발생크기와 발생시간을 저장하는 ABC상 측정 모듈, 상기 3상4선 중 N상의 전류 및 N상과 대지간의 전위를 측정하고, 상기 측정된 값의 최대값/최소값의 발생 크기와 발생시간을 저장하는 N상 측정 모듈, 및 상기 중성선 영상 고조파 저감모듈, ABC상 측정 모듈, N상 측정 모듈과 통신하여 각 모듈에서 측정된 데이터를 실시간 읽어들여 저장하며, 상기 저장된 데이터를 가공 및 분석하여 고조파 저감율과 중성선에 흐르는 불평형 전류량을 계산하여 저장하고, 상기 저장된 데이터들을 표시하며, 상기 각 모듈의 정상 동작 여부를 주기적으로 체크하여 상기 중앙제어장치로 통보하는 데이터 집중모듈을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 데이터 집중모듈은 디스플레이 수단을 구비할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 중성선 영상 고조파 저감모듈은 지그재그 변압기를 이용한 영상분 고조파 필터(Zero Sequence filter)가 될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 영상분 고조파 필터는 정상분 임피던스와 역상분 임피던스를 영상분 임피던스보다 크게 하고, 상기 영상분 임피던스만 최소화하여 단상 부하로부터 발생되는 제3배수 고조파 전류를 흡수할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 ABC상 측정 모듈 및 N상 측정 모듈은 상기 데이터 집중모듈과 RS485 또는 캔(CAN) 방식으로 통신 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 데이터 집중모듈은 과부하로 인한 오동작 트립시 알람 기능을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 중성선 영상 고조파 저감모듈은, 상기 영상 고조파 전류의 양이 상기 영상 고조파 저감장치의 용량 이상인 경우에 과부하로 판단하고, 3상의 각 위상선과의 연결단을 반복적으로 개폐 동작하는 개폐수단을 통해 상기 영상 고조파 저감장치를 보호할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 중앙제어장치는 상기 영상 고조파 저감장치에서 측정 및 연산된 데이터들을 실시간 수집하여 데이터베이스에 저장하고, 상기 데이터베이스와 연동하여 전압 파형, 전류 파형, 전압 및 전류 불평형률을 계산한 후 저장 및 관리할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 중앙제어장치는 상기 전압 파형, 전류 파형, 전압 및 전류 불평형률을 챠트, 그림 및 도표로 도출한 전력품질 관련 데이터들과 상기 영상 고조파 저감장치의 운행 상태를 실시간 모니터링할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 분전반은 R, S, T, N상에 흐르는 고조파 전류, 및 부하에 흐르는 전류를 측정하는 전류센서(CT)를 포함할 수 있다.
상기와 같은 영상 고조파 필터링 시스템에 따르면, 3상 4선식 전력계통의 분전반에 설치되는 영상 고조파 저감 장치로 인해 중성선에 흐르는 전류의 상태를 감지하고 표시하여 줌으로써 안전사고를 예방할 수 있고, 중성선에 과도한 영상고조파 전류가 흐르는 것을 효율적으로 방지함으로써 부하 측에 안정적인 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다.
즉, 본 발명은 고조파 저감율, 고조파저감전류 크기, 및 중성선 전류 등을 측정하고 상태를 감시하는 영상 고조파 저감 장치로 인해 차단기(ACB), 지락 과전류 계전기(OCGR)의 오동작을 방지하여 정전을 예방할 수 있고, 케이블 및 변압기 과열 방지, 중성선의 고조파 전류 및 변압기의 누설전류 감소, 분전반의 누전 차단기(ELB)의 트립 현상 제거, 화재 위험 감소, 말단 부하의 전압강하 방지, 배전손실 감소, 통신선 유도 장해 해소, 에너지 절감, 분전반 및 변압기의 소음 감소, 시스템의 안정화 및 안정적인 전력설비 사용 환경 확보, 및 한전 배전계통의 고조파 관리 대책 장비에 적용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 영상 고조파 저감 장치와 상호 통신하여 실시간 고조파 상태를 감시하고, 상기 영상 고조파 저감 장치의 각종 설정값을 제어할 수 있는 중앙제어장치로 인해 영상분 고조파 필터의 효율과 전력망 상태를 실시간 모니터링 할 수 있어 영상분 고조파 필터에 대한 최적의 가치를 구현할 수 있고, 건물 또는 아파트단지에 층별, 단지별 영상분 고조파 필터에 대한 성능과 효율성을 실시간 모니터링할 수 있으며, R, S, T 각 상별 고조파 에너지와 전압, 전류 및 전체 에너지값 등의 다양한 정보를 제공함으로써 최적의 고조파 저감 관련 솔루션을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적으로 전자기기에서 발생되는 영상고조파의 중성선 중첩 상태가 도시된 그래프이다.
도 2는 도 1은 일반적인 전력전자기기별 고조파 발생 크기가 도시된 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 영상 고조파 필터링 시스템의 전체 구성이 도시된 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 영상 고조파 저감 장치의 세부 구성이 도시된 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 영상 고조파 저감 장치와 중앙제어장치간의 통신 과정이 도시된 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 영상 고조파 저감 장치와 중앙제어장치간의 데이터 수집 과정이 도시된 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 영상 고조파 필터링 시스템의 전체 구성이 도시된 도면이다.
도 3을 참고하면, 영상 고조파 필터링 시스템은 3상 4선식 전력계통이 사용되는 저압 수용가의 분전반(100)에 설치되는 적어도 1개 이상의 영상 고조파 저감 장치(200) 및 중앙제어장치(Central Control Monitoring System, CCMS)(300)로 구성된다.
영상 고조파 저감 장치(200)는 3상의 각 위상선과 중성선에 연결되도록 지그재그 결선되어 고조파를 측정하고, 중성선에서 발생하는 영상 고조파의 전류를 저감시키고, 고조파 및 전력 품질 관련 데이터를 측정하여 데이터를 저장 및 표시하며, 이 데이터를 중앙제어장치(300)로 전송한다.
영상 고조파 저감 장치(200)는 건물에서 발생하는 영상 고조파의 크기에 따라 변압기 후단의 분전반(100)에 설치되거나, 영상 고조파가 많이 발생하는 위치를 구역으로 구분하여 구역을 구분하는 분전반(100)에 각각 설치될 수 있다.
중앙제어장치(300)는 이더넷, RS485 등의 전용 통신망 또는 기간망을 통해 영상 고조파 저감 장치(200)와 통신 연결되어 전력 품질 관련 데이터를 전달받아 이 데이터를 분석 및 가공하여 전력 모니터링 데이터로 관리자에게 제공하고, 영상 고조파 저감 장치(200)의 정상 동작 여부를 확인한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 영상 고조파 저감 장치의 세부 구성이 도시된 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 영상 고조파 저감 장치(200)는 중성선 영상 고조파 저감 모듈(210), ABC상 측정 모듈(220), N상 측정 모듈(230), 데이터 집중 모듈(240)을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
중성선 영상 고조파 저감 모듈(210)은 3상 4선식 배전계통에 사용되는 지그재그 변압기를 이용한 영상분 고조파 필터(Zero Sequence Filter)이다.
이러한 중성선 영상 고조파 저감 모듈(210)은 분전반(100)의 중성선으로 유입되는 영상분 고조파 전류를 저감하고, 과부하시 영상 고조파 저감 장치(200)를 보호하기 위해 개폐 수단(212)을 온/오프한다.
즉, 중성선 영상 고조파 저감 모듈(210)은 정상분 임피던스와 역상분 임피던스를 영상분 임피던스보다 크게 하고, 영상분 임피던스만을 최소화하여 단상부하로부터 발생되는 제3 배수 고조파 전류를 효과적으로 흡수하고, 중성선의 여상 고조파 전류의 양이 영상 고조파 저감 장치(200)의 용량 이상이면 과부하로 판단하고 지그재그 변압기의 파소을 방지하기 위해 개폐수단(212)인 MCCB(3P)가 동작하여 영상 고조파 저감 장치(200)로 흐르는 전류를 차단한다.
이때, 계폐수단(212)은 영상분 고조파 필터(211)와 3상의 각 위상선과의 연결단을 반복적으로 개폐 동작한다.
ABC상 측정 모듈(220)은 각 상의 전압, 전류, 전압 총합 왜곡율(THD=total harmonic distortion), 전류 총합 왜곡율(THD), 차수별(1차~31차) 고조파 전압, 차수별(1차~31차) 고조파 전류 측정, 유효전력, 무효전력, 역률, 주파수, 시간당 수전/송전 유효전력량, 시간당 수전/송전 무효전력량을 측정하고, 각 측정값의 최대값/최소값의 발생크기와 발생시간을 저장한다.
N상 측정 모듈(230)는 N상 전류(2 구간), N상과 대지간의 전위를 각각 측정하고, 각 측정값의 최대값/최소값의 발생크기와 발생시간을 저장한다.
데이터 집중 모듈(240)은 ABC상 측정 모듈(220), N상 측정 모듈(230)과 RS485나 캔(CAN)등의 통신으로 연결되어, ABC상 측정 모듈(220)과 N상 측정 모듈에서 측정된 데이터를 실시간으로 읽어들여 저장하고, 이렇게 저장된 데이터들을 관리자의 요청에 따라 디스플레이 수단(도시되지 않음)에 표시한다.
또한, 데이터 집중 모듈(240)은 저장된 데이터를 가공 및 분석하면 하기한 수학식 1과 같이 되고, 고조파 저감율과 불평형 전류를 계산하여 디스플레이 수단에 표시한다.
(수학식 1)
I-harmonic = CT_F에서 측정되는 전류 × CT_F의 배율
I-pass = CT_N에서 측정되는 전류 × CT_N의 배율,
= 불평형 전류 + 잔여 고조파 전류(주로 정상, 역상 고조파전류)
I-Load = I-pass + I-harmonic
I-unbalance = = IAsinωt + IBsin(ωt-120°) + ICsin(ωt-240°)
고조파 저감율=
Figure 112011099809955-pat00002
여기서, I-harmonic은 중성선 영상 고조파 저감장치로 흐르는 전류이고, I-pass는 중성선 영상 고조파 저감장치로 흐르지 않은 잔여 전류이며, I-Load는 N상 전체 전류이고, I-unbalance는 3상 부하의 불평형에 의해 발생되는 불평형 전류 (A/B/C 전류의 벡터합)이다.
데이터 집중 모듈(240)은 이더넷(Ethernet) RS485 등의 전용 통신망이나 기간망을 통해 중앙제어장치(300)와 연결되고, RS485나 CAN 등의 통신으로 ABC상 측정 모듈(220) 및 N상 측정 모듈(230)과 연결된다.
그리고, 데이터 집중 모듈(240)은 중성선의 영상 고조파 전류의 양이 영상 고조파 저감 장치(200)의 용량보다 클 때, 지그재그 변압기의 파손을 막기 위해 내부 MCCB(3P)가 동작하여 저감장치로 흐르는 전류가 차단되면 원격지의 중앙제어장치(300)로 이를 통보하고, ABC상 측정 모듈(220)과 N상 측정 모듈(230)의 정상 동작 여부를 주기적으로 체크하여 그 동작 상태를 중앙제어장치(300)에 알려준다.
한편, 도 4에서 CT_R, CT_S, CT_T, CT_L, CT_F는 R, S, T, N상에 흐르는 고조파 전류, 및 부하에 흐르는 전류를 측정하는 전류 센서이고, 상기 R, S, T 각 상의 전류를 측정하는 CT_R, CT_S, CT_T는 배선용 차단기(MCCB)(110)의 주변에 설치된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 영상 고조파 저감 장치와 중앙제어장치간의 통신 과정이 도시된 도면이다.
도 5를 참고하면, 중앙제어장치(300)는 RS-485 통신 포트를 구성하여 데이터 중계기능을 수행하는 중계장치(410)를 통해 데이터를 통신을 수행하고, 중앙제어장치(300)와 영상 고조파 저감 장치(200) 사이에 통신변환장치(420)를 두어 상호 접속한다.
이때, 통신변환장치(420)는 중앙제어장치(300)와 RS-232 방식으로 접속하고, 영상 고조파 저감 장치(200)와 RS-485 방식으로 접속하도록 통신로를 구성한다.
중앙제어장치(300)는 모든 운영체제에서 작동되도록 뛰어난 호환성을 가지고, 고해상도의 그래픽 환경 기반의 사용자 인터페이스를 제공하며, 관리자가 설정한 상황 발생시 경고음을 발생하여 관리 효율을 증진시키고, 영상 고조파 저감 장치(200)의 각종 설정값 제어 및 정보를 스캔하여 영상 고조파 저감 장치(200)의 제어 기능을 수행한다.
또한, 중앙제어장치(300)는 데이터 수집 후에 전압파형, 전류파형, 전압 및 전류 불평형률을 계산한 후에 저장하고, 챠트, 그림, 도표, 및 그래프 형태로 가공하여 관리자에게 제공하며, 이렇게 가공된 전력 품질 관련 데이터과 영상 고조파 저감 장치(200)의 운행 상태를 실시간 모니터링한다.
중앙제어장치(300)는 다양한 검색 및 저장 기능, 검침 데이터 비교 및 이상 값 확인 기능, 및 외부 시스템(예를 들어, 웹 서버)과의 연동으로 정보 제공 및 원격제어 기능을 수행할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 영상 고조파 필터링 시스템의 동작에 대해 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 영상 고조파 필터링 시스템은, 각 분전반과 4선 병렬 방식으로 연결된 영상 고조파 저감 장치(200)에서 고조파 저감율, 고조파 저감 전류 크기, 중성선의 불평형 전류, 영상고조파 전류, 및 부하 전류 등을 측정하고, 현장에서 관리자가 모니터링 할 수 있도록 각종 전류의 측정값을 중앙제어장치(300)로 전송한다.
그러면, 중앙제어장치(300)는 영상 고조파 관련 데이터를 수집하는 동시에 영상 고조파 저감 장치(200)의 운행 상태 정보를 수집하고, 영상 고조파 저감 장치(200)의 각종 설정값을 제어함으로써 영상 고조파 상태를 실시간 감지하고, 각종 고조파 및 전력 품질 관련 데이터를 저장 및 관리하여 영상 고조파 저감 장치(200)의 효율성에 대한 정보를 제공할 수 있다.
이때, 상기 고조파 관련 데이터에는 R, S, T 각 상의 유효전력 및 무효 전력에 대한 전력량, R, S, T 각 상의 부하 전류, 중성선의 불평형 전류와 고조파 전류 등의 중성선 전류, 고조파전류와 고조파전류 저감율 등이 있다.
그리고, 영상 고조파 저감 장치(200)의 운행 상태 정보는 과부하, 오동작 트립 등에 대한 정보 및 알람을 의미한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 영상 고조파 저감 장치와 중앙제어장치간의 데이터 수집 과정이 도시된 도면이다.
도 6을 참고하면, 중앙제어장치(300)는 데이터 집중 모듈(240)과 주기적으로 시스템 시간을 동기화하여, 측정값들의 최대값/최소값 저장시 중앙제어장치(300)와의 시간 오차를 줄이고, 고조파 및 전력 품질 관련 데이터를 읽는 기능을 수행하며, 영상 고조파 저감 장치(200)의 운행 상태를 체크한다.(①)
데이터 집중 모듈(240)은 ABC상 측정 모듈(220), N상 측정 모듈(230)과 통신하여 주기적으로 시스템 시간을 동기화하고, 측정된 데이터 읽기기능을 수행하며, ABC상 측정 모듈(220)과 N상 측정 모듈(230)의 운행 상태를 체크한다.(②)
또한, 상기 중앙제어장치(300)는 ①, ②의 과정을 거쳐 데이터 수집 후에 데이터를 챠트, 도표, 그림, 표 형태 등으로 가공하여 관리자에게 관리 포인트를 줄 수 있는 데이터를 생성하여 디스플레이한다.
이와 같이, 본 발명은 중앙제어장치(300)에서 영상 고조파 저감 장치(200)의 효율과 전력망 상태를 실시간으로 모니터링 하여 중성선 전류에 의한 ACB 오동작, 케이블 및 변압기의 과열로 인한 부하율 저감을 사전에 예방할 수 있고, 단순히 영상 고조파 저감 장치(200)만 설치되는 것이 아니라 단지별, 층별 영상 고조파 저감 장치(200)에 대한 성능과 효율성을 실시간으로 모니터링 할 수 있는 환경을 제공함으로써 차별화된 최첨단 에너지 관리 시스템이 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 중앙제어장치(300)에서 전력사고를 예방하고, 전력사고 발생시 기저장된 이전 데이터들을 근거로 하여 사고의 원인을 쉽게 발견할 수 있다.
본 발명은 고조파 에너지만 측정하는 것이 아니라 각 상 별 고조파 에너지와 전압, 전류 및 전체 에너지값 등 다양한 정보를 제공함으로써 최적의 통신 성능과 계측 정확성을 보장할 수 있어 시스템 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 영상 고조파 필터링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각 분전반에 4선 병렬 방식으로 연결된 영상 고조파 저감 장치와 상호 통신하여 고조파 상태를 모니터링 할 수 있는 중앙제어장치로 인해 중성선에 흐르는 전류의 상태를 감지하고 표시하여 줌으로써 안전사고를 예방할 수 있고, 중성선에 과도한 영상고조파 전류가 흐르는 것을 효율적으로 방지함으로써 부하 측에 안정적인 전력을 공급할 수 있는 영상 고조파 필터링 시스템에 관한 것이다.
100 : 분전반 110 : 배선용 차단기
120 : 부하 200 : 영상 고조파 저감 장치
210 : 중성선 영상 고조파 저감 모듈 220 : ABC상 측정 모듈 230 : N상 측정 모듈 240 : 데이터 집중 모듈
211 : 영상분 고조파 필터 212 : 개폐수단
300 : 중앙제어장치 310 : 중계장치
320 : 통신변환장치

Claims (13)

  1. 3상 4선식 전력계통이 사용되는 저압 분전반의 영상 고조파 필터링 시스템에 있어서,
    상기 3상의 각 위상선과 중성선에 연결되도록 지그재그 결선되어 상기 중성선에서 발생하는 영상 고조파의 전류를 저감시키고, 고조파를 측정하며, 전력 품질 관련 데이터를 측정하여 상기 데이터를 저장, 표시 및 전송하는 적어도 1개 이상의 영상 고조파 저감장치; 및
    상기 영상 고조파 저감장치에서 상기 전력품질 관련 데이터를 통신망 또는 기간망을 통해 전달받아 상기 데이터를 분석 및 가공하여 전력 모니터링 데이터로 제공하고, 상기 영상 고조파 저감장치의 정상 동작 여부를 확인하는 중앙제어장치를 포함하되,
    상기 영상 고조파 저감장치는,
    상기 중성선으로 유입되는 영상분 고조파 전류를 저감하고, 상기 영상 고조파 전류의 양이 상기 영상 고조파 저감장치의 용량 이상인지를 감지하여 상기 영상 고조파 저감장치의 전류 유입/차단을 결정하는 중성선 영상 고조파 저감모듈,
    상기 3상의 전압, 전류, 전압 총합 왜곡률, 전류 총합 왜곡률, 차수별 고조파 전압, 및 차수별 고조파 전류, 유효전력, 무효전력, 역률, 주파수, 시간당 수전 유효전력량, 시간당 송전 유효 전력량, 시간당 수전 무효 전력량, 시간당 송전 무효 전력량를 측정하고, 상기 각 측정된 값의 최대값/최소값 발생크기와 발생시간을 저장하는 ABC상 측정 모듈,
    상기 3상4선 중 N상의 전류 및 N상과 대지간의 전위를 측정하고, 상기 측정된 값의 최대값/최소값의 발생 크기와 발생시간을 저장하는 N상 측정 모듈, 및
    상기 중성선 영상 고조파 저감모듈, ABC상 측정 모듈, N상 측정 모듈과 통신하여 각 모듈에서 측정된 데이터를 실시간 읽어들여 저장하며, 상기 저장된 데이터를 가공 및 분석하여 고조파 저감율과 중성선에 흐르는 불평형 전류량을 계산하여 저장하고, 상기 저장된 데이터들을 표시하며, 상기 각 모듈의 정상 동작 여부를 주기적으로 체크하여 상기 중앙제어장치로 통보하는 데이터 집중모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 고조파 필터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 영상 고조파 저감장치는 영상 고조파의 크기에 따라 변압기 후단의 분전반에 설치되는 것을 특징으로 하는 영상 고조파 필터링 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 영상 고조파 저감장치는 상기 영상 고조파가 최다 발생되는 위치를 구역으로 구분하고, 상기 구역을 구분하는 분전반에 설치되는 것을 특징으로 하는 영상 고조파 필터링 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 집중모듈은 디스플레이 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 영상 고조파 필터링 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중성선 영상 고조파 저감모듈은 지그재그 변압기를 이용한 영상분 고조파 필터(Zero Sequence filter)인 것을 특징으로 하는 영상 고조파 필터링 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 영상분 고조파 필터는 정상분 임피던스와 역상분 임피던스를 영상분 임피던스보다 크게 하고, 상기 영상분 임피던스만 최소화하여 단상 부하로부터 발생되는 제3배수 고조파 전류를 흡수하는 것을 특징으로 하는 영상 고조파 필터링 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 ABC상 측정 모듈 및 N상 측정 모듈은 상기 데이터 집중모듈과 RS485 또는 캔(CAN) 방식으로 통신 연결되는 것을 특징으로 하는 영상 고조파 필터링 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 집중모듈은 과부하로 인한 오동작 트립시 알람 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 영상 고조파 필터링 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 중성선 영상 고조파 저감모듈은, 상기 영상 고조파 전류의 양이 상기 영상 고조파 저감장치의 용량 이상인 경우에 과부하로 판단하고, 3상의 각 위상선과의 연결단을 반복적으로 개폐 동작하는 개폐수단을 통해 상기 영상 고조파 저감장치를 보호하는 것을 특징으로 하는 영상 고조파 필터링 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 중앙제어장치는 상기 영상 고조파 저감장치에서 측정 및 연산된 데이터들을 실시간 수집하여 데이터베이스에 저장하고, 상기 데이터베이스와 연동하여 전압 파형, 전류 파형, 전압 및 전류 불평형률을 계산한 후 저장 및 관리하는 것을 특징으로 하는 영상 고조파 필터링 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 중앙제어장치는 상기 전압 파형, 전류 파형, 전압 및 전류 불평형률을 챠트, 그림 및 도표로 도출한 전력품질 관련 데이터들과 상기 영상 고조파 저감장치의 운행 상태를 실시간 모니터링하는 것을 특징으로 하는 영상 고조파 필터링 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 분전반은 R, S, T, N상에 흐르는 고조파 전류, 및 부하에 흐르는 전류를 측정하는 전류센서(CT)를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 고조파 필터링 시스템.
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