KR101211055B1 - 동작 범위가 넓은 전자식 전력량계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자식 전력량계에 있어서, 측정 가능한 전력의 범위를 확대하는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전압변환부, 전류변환부, 연산 및 제어부 등으로 구성된 전자식 전력량계에서 전류변환부의 변환용 기본 저항에 온/오프가 가능한 저항을 병렬로 연결하여 병렬 저항 양단 간의 전압을 조정할 수 있도록 함으로써, 전자식 전력량계에 인가되는 전류의 동작 범위를 확대하는 기술에 관한 것이다.

전자식 전력량계, 동작 범위

Description

동작 범위가 넓은 전자식 전력량계{Electronic watt hour meter with large dynamic range}

본 발명은 전자식 전력량계에 있어서, 측정 가능한 전력의 범위를 확대할 수 있는 동작 범위가 넓은 전자식 전력량계에 관한 것이다.

본 발명은 한국건설기술연구원의 IT신성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: B551179-09-04-00, 과제명: 제로카본 그린홈 개발].

일반적으로 부하에 공급되는 전력의 양을 측정하는 전자식 전력량계는 측정전압이 입력되는 전압변환부와, 부하에 사용되는 전류가 입력되는 전류변환부와, 전압변환부와 전류변환부에서 변환되어 출력되는 전압과 전류의 크기를 입력받아 전력량을 계산하는 전력량 측정부가 있다.

전력량 측정부는 전압변환부와 전류변환부로부터 출력되는 전압을 A/D 변환부를 통해 아날로그에서 디지털로 변환하고, 두 개의 값을 곱함으로써 전력을 계산하고 이 값을 시간함수로 누적하여 전력량을 산출한다. 이 때 전압변환부의 출력 신호와 전류변환부의 출력 신호의 위상차이를 추출하여 역률을 계산하여 유효전력 과 무효전력을 구할 수 있다.

이러한 전자식 전력량계에서 전압을 검출하기 위해서는, 파워 트랜스포머를 사용하거나 일련의 저항으로 이루어진 전압 분배기를 사용하여 높은 전압을 A/D 변환부가 수용할 수 있는 범위의 전압으로 낮추어서 사용한다. 또한 전류를 검출하기 위해서는 낮은 저항을 전원 선로에 직렬로 연결하여 전류가 흐를 때 발생하는 전압 차이를 통해 부하에 흐르는 전류를 검출하는 방법이나 또는 CT(Current Transformer)라는 소자를 사용하여 유도전류를 발생시켜 병렬 저항의 양단에 걸리는 전압을 측정하여 부하에 흐르는 전류를 검출한다.

이러한 전자식 전력량계의 전류변환부는 그 동작 입력 범위가 고정되어 있다. CT에 병렬 연결된 저항값이 고정되어 있으므로 부하에 흐르는 전류가 너무 크면 병렬 저항 양단 사이에 걸리는 전압이 너무 커져서 전력량 측정부의 A/D 변환부 입력 범위를 초과할 수 있고, 부하에 흐르는 전류가 너무 작으면 병렬 저항 양단 사이의 전압이 너무 작아져서 A/D 변환부에서 식별할 수 없을 정도의 미세한 값이 될 수 있다. 전원 선로에 직렬로 저항을 연결한 구조도 마찬가지로 동작 범위가 제한적이 된다. 부하에 전류가 많이 흐르면 직렬 저항에 걸리는 전압이 높아져 A/D 변환부의 입력 범위를 넘을 수 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 전류변환부의 저항 구조를 새롭게 설계하여 전자식 전력량계의 동작 범위를 확대하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일면에 따른 전력량계는, 전원과 병렬로 연결되어 공급전압을 검출하고, 검출된 상기 공급 전압을 변환하여 변환전압을 출력하는 전압변환부와, 상기 전원과 직렬로 연결되어 부하측으로 제공되는 공급전류를 검출하고, 제어신호에 따라 조절 및 설정되는 변환비율에 따라, 검출된 상기 공급전류를 변환하여 변환전류를 출력하는 전류변환부와, 아날로그 신호인 상기 변환전압 및 상기 변환전류를 각각 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부와, 상기 A/D 변환부에서 출력되는 디지털 전압값과 디지털 전류값을 이용하여 전력 및 전력량을 연산하고, 상기 제어신호를 상기 전류변환부로 출력하여 상기 변환비율을 제어하는 연산 및 제어부와, 상기 연산 및 제어부가 외부와 통신할 수 있도록 하는 통신부 및 상기 연산 및 제어부의 연산 및 제어 결과를 나타내주는 표시부를 포함한다.

여기서 상기 변환 비율의 조정이 가능한 전류변환부는, 상기 공급전류를 미소 전류로 변환하는 계기용 변류기(current transformer)와, 상기 계기용 변류기의 2차 코일에 병렬로 연결되는 기본 저항과 상기 기본 저항에 병렬로 연결되어 릴레이 스위치로 온/오프가 가능한 다수개의 저항으로 구성되어, 상기 연산 및 제어부의 제어 신호를 받아서 전체 저항값이 조정됨으로써 상기 변환 비율이 조정되는 것이다.

또는 상기 변환 비율의 조정이 가능한 전류변환부는 인가되는 상기 공급전류를 전압으로 변환하는 낮은 저항값을 갖는 기본 저항과 상기 기본 저항에 병렬로 연결되어 릴레이 스위치로 온/오프가 가능한 다수개의 저항으로 구성되어, 상기 연산 및 제어부의 제어 신호를 받아서 전체 저항값이 조정됨으로써 상기 변환 비율이 조정되는 것이다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 동작 범위가 넓은 전자식 전력량계에 의하면, 전류변환부의 변환 비율을 조정할 수 있으므로, 부하 전류가 클 경우에는 각 저항에 연결된 릴레이 스위치를 목적에 맞게 일부 또는 전부를 온시켜서 전체 저항을 낮추어 변환 비율을 작게 하고, 부하 전류가 작을 경우에는 각 저항에 연결된 릴레이 스위치를 목적에 맞게 일부 또는 전부를 오프시킴으로써 변환 비율을 높게 함으로써 A/D 변환부의 입력 범위를 벗어나지 않으면서도 부하 전류의 측정 범위를 확대할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에서 하나의 소자(elements)가 다른 소자와 "연결된(connected to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 소자와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하여 실시예에 따른 전자식 전력량계를 설명한다. 도 1은 실시예에 따른 전력량계를 나타내는 블록도이고, 도 2는 도 1의 전류변환부를 나타내는 예시적인 회로도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 전자식 전력량계(100)는 전압변환부(110)와, 전류변환부(120)와, A/D 변환부(130)와, 연산 및 제어부(140)와 통신부(150) 및 표시부(160)를 포함한다.

전압변환부(110)는 통상의 상용 교류 전원(AC)과 병렬로 연결되어 공급전압을 검출하고, 검출된 공급전압을 A/D 변환부(130)가 인식하여 연산하기에 적정한 변환전압으로 변환하여 출력한다.

전류변환부(120)는 교류 전원(AC)과 직렬로 연결되어 부하(200)측에 공급되는 공급전류를 검출하고, 검출된 공급전류를 A/D 변환부(130)가 인식하여 연산하기에 적정한 변환전류로 변환하여 출력한다. 여기서 전류변환부(120)는 소정의 변환비율에 따라 공급전류를 변환전류로 변환하는데, 외부, 예컨대 후술하는 연산 및 제어부(140)의 제어 신호를 받아서 부하(200)측에 공급되는 공급전류의 크기에 따라서, 검출된 공급전류를 변환전류로 변환하는 변환 비율을 조절할 수 있다.

A/D 변환부(130)는 전압변환부(110)에서 출력되는 변환전압과, 변환비율 조정이 가능한 전류변환부(120)에서 출력되는 변환전류를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환한다.

연산 및 제어부(140)는 A/D 변환부(130)에서 출력되는 디지털 전압값과 디지털 전류값을 이용하여 전력 및 전력량으로 연산한다. 예컨대 연산 및 제어부(140)는 A/D 변환부(130)의 출력인 전압값과 전류값을 입력받아 곱함으로써 전력을 계산하고 두 값의 위상차이를 이용하여 유효전력과 무효전력을 계산한다. 또한 다른 기능 블록들, 예컨대 전류변환부(120), 통신부(150) 및 표시부(160)를 제어한다.

그리고 연산 및 제어부(140)는, 부하(200)가 매우 커져서(부하(200)가 사용하는 전류가 너무 커져서 전류변환부(120)의 출력인 변환전류가 A/D 변환부(130)의 입력 범위를 넘어설 경우, 이를 감지하여 제어 신호를 전류변환부(120)에 보내어, 검출한 전류에서 변환전류로의 변환비율을 낮추어 변환전류의 크기가 A/D 변환부(130)의 입력 범위에 맞도록 조절한다. 또한 연산 및 제어부(140)는, 부하(200)가 사용하는 전류가 너무 작아서 전류변환부(120)의 출력인 변환전류가 A/D 변환부(130)의 입력 범위에 비해 너무 작은 값에 해당하면 미세한 전류값의 변화에 대하여 측정이 어려우므로, 제어 신호를 전류변환부(120)에 보내어 변환비율을 높여서 미세한 부하(200) 전류에 대해서도, 변환전류가 A/D 변환부(130)에 충분히 크게 입력되도록 함으로써 낮은 부하(200) 전류에 대해서도 정확하게 측정할 수 있도록 한다.

이렇게 부하(200) 전류의 크기에 따라서 전류변환부(120)의 변환비율을 조정하면 A/D 변환부(130)의 입력 범위가 일정 범위로 한계가 있더라도, A/D 변환부(130)의 한계를 넘어서 더 넓은 동작범위에서 사용이 가능한 전자신 전력량계(100)를 제공할 수 있다. 이 때 변환 비율이 조정되었으면 그에 따라 보정 계수를 연산 및 제어부(140)의 연산 과정에 반영하여 실질 전력값을 계산할 수 있도록 한다. 변환 비율이 변화되는 만큼 연산 및 제어부(140)에서 같은 비율로 고려하여 계산함으로써 변환 비율이 변동되더라도 정확한 전력값을 얻을 수 있도록 한다.

한편, 통신부(150)는 연산 및 제어부(140)가 외부와 통신할 수 있도록 통신 기능을 담당하며, 표시부(160)는 연산 및 제어부(140)의 결과를 표시한다.

도 1에서 각 기능 블록이 동작하기 위해서는 전원공급부가 필요하지만, 통상의 디지털 회로에서는 직류전원공급이 반드시 필요하므로, 당업자라면 자명하게 그 필요성을 알 수 있으므로 별도로 도시하지 않았다.

이하에서 도 2를 참조하여, 도 1의 전류변환부(120)를 구체적으로 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 전류변환부(120)는, 예컨대 계기용 변류기(current transformer:CT)를 사용하여 부하(200) 전류를 감지한다. CT의 1차 코일에 부하 전류가 흐르면 2차 코일로 측정이 가능한 미세 전류로 변환(유도)되고, 2차 코일에 연결된 병렬 저항(R0)을 통해 측정 가능한 전압으로 반환되어 측정된다.

A/D 변환부(130)는 R0 양단 간에 걸리는 전압을 디지털 신호로 변환하기 때문에, CT의 변환 비율과 저항 R0는 전압을 아날로그에서 디지털로 변환하는 A/D 변환부(130)의 입력 범위에 맞도록 선택되어 사용된다. 그러나 만약 전류변환부(120)가 도 2에서 다수의 저항들(R1~Rk)이 연결되지 않은 상태, 즉 릴레이 스위치가 모드 오프된 상태에서 저항 R0만 CT 양단에 연결된 경우라면, 부하 전류의 동작 범위가 광범위하게 변할 때 R0 양단에 걸리는 전압이 A/D 변환부(130)의 입력 범위를 초과할 정도로 커지거나 또는 측정하기 곤란할 정도로 너무 미미하게 작아질 수 있다. 또한 R0 양단간의 전압은 R0의 크기에 따라서 비율이 바뀔 수 있다. 예컨대 R0가 크면 같은 전류에 대하여 R0 양단간의 전압이 커지고 반대로 R0 저항이 작아지면 전압도 작아진다.

따라서 부하 전류가 광범위하게 변하더라도 A/D 변환부(130)에 입력되는 전압을 동작 범위에 맞도록 조절하기 위해서는, 2차 코일에 연결되는 저항값을 바꿀 수 있도록 구현하면 된다. 경우에 따라서 CT 양단의 전체 저항값을 변경하기 위해서 도 2에 도시된 바와 같이, 릴레이 스위치 및 릴레이 스위치의 온/오프에 따라 CT 양단에 연결되는(또는 전기적으로 교류 전원과 병렬로 커플링되는) 다수의 저 항(R1~Rk)을 연결한다. 그리고 부하 전류의 크기에 따라서 릴레이 스위치를 온/오프시킴으로써 전체 병렬 저항 양단 간의 전압을 조절한다. 이 때 릴레이 스위치의 온/오프는 연산 및 제어부(140)의 제어 신호에 따라서 결정된다. 통상의 해당 분야 종사자라면 릴레이 스위치의 동작 회로에 대하여 알 수 있고 이미 공지된 개념이므로 자세한 연결 관계를 도 2에 도시하지 않았다.

변환 비율을 조정하는 일례를 들면, R1 = R0, R2 = R0/2, R3 = R0/4, ..., Rk = R0/(2^k-1)로 설정한 상태에서 R0만을 사용하고 나머지 R1, ... , Rk는 릴레이 스위치를 오프하여 사용하지 않을 때의 전압을 V0라고 하면, R0가 있는 상태에서 R1만을 사용하도록 릴레이 스위치를 온시키면 전체 병렬 저항의 값은 R0/2가 된다. 따라서 병렬 저항의 양단 간의 전압이 V0/2가 된다. 이런 방식으로 병렬 저항의 릴레이 스위치를 조정하면, 부하 전류에 따라서 넓은 동작 범위를 갖도록 할 수 있다.

도 2의 전류변환부(120)에서 잡음을 줄이는 회로는 더 추가 구비될 수 있으나, 그와 같은 통상적인 기술에 관련된 부분은 도시하지 않았다. 본 발명에서 핵심은 변환비율을 조정할 수 있는 회로의 구성이지 잡음 줄이기 등의 부가적인 영역이 아니기 때문이다.

한편, 전술한 바와 의하면 연산 및 제어부(140)는 부하(200)가 매우 커져지거나 작아지는 경우를 감지하여 제어신호를 출력하는 경우를 예로 들었으나, 이에 한정되지 않고, 특별히 감지하지 않고 주기적으로 변환비율을 조정하도록 제어신호를 출력하고, 서로 다른 변환비율에 따라 연산된 전력값을 토대로 이후의 변환비율 을 결정하도록 할 수도 있다. 예컨대 연산 및 제어부(140)는, 변환비율을 낮추고, 낮추어진 변환비율에 대응하는 보정계수를 이용하여 전력값을 계산한 결과가, 변환비율을 낮추기 전의 전력값보다 큰 경우, 변환비율을 낮출 수 있다. 이전(변환비율을 낮추기 전)의 상태는, 부하(200)가 매우 커져서 전류변환부(120)의 출력인 변환전류가 A/D 변환부(130)의 입력 범위를 넘어선 경우로서, 실제로는 전력값이 더 크게 계산되었어야 했으나, A/D 변환부(130)의 입력범위의 한계로 인해 전력값이 올바르게 계산되지 않았기 때문이다.

이하에서 도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력량계를 설명한다. 도 3은 다른 실시예에 따른 전력량계의 전류변환부(121)를 나타내는 예시적인 회로도이다.

도 3은 앞에서 서술한 도 2의 전류변환기와 동일한 기능을 갖지만 구성이 다소 다른 전류변환부를 나타낸다. 도 2에서는 CT와 병렬(shunt)로 연결된 저항들(R1~Rk)을 사용하였지만, 본 실시예에서는 단순히 전류가 흐르는 경로에 낮은 저항값의 저항들(R1~Rk)을 연결하여 부하 전류의 크기에 따라서 R0 양단 간에 걸리는 전압이 변화하도록 하여 부하 전류의 값을 변환한다. 즉 R0에 흐르는 부하 전류가, 낮은 저항값의 R0에 의하여 측정 가능한 미세 전압으로 변환된다. 이 때에도 도 2에서와 마찬가지로 저항 R0에 병렬이 되도록 릴레이 스위치가 부가된 다수개의 저항(R1~Rk)을 연결함으로써 전체 저항값을 조정하여 변환 비율을 조정한다. 릴레이 스위치를 온오프하는 제어 신호는 연산 및 제어부(140)로부터 전달된다. 도 3과 같은 구조를 사용하면 앞에서 설명한 바와 같이 부하 전류의 크기에 따라서 릴레이 스위치를 조정함으로써 A/D 변환부(130)에 적합한 측정 가능한 범위의 신호로 변환하여 넓은 영역의 동작 범위를 갖는 전자식 전력량계를 구성할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 본 발명의 제어 방법을 실현하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체의 형태 등 다양한 형태로 구현될 수 있다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 일 실시예에 전력량계를 나타내는 블록도이다.

도 2는 도 1의 전류변환부를 나타내는 회로도이다.

도 3은 다른 실시예에 따른 전력량게의 전류변환부를 나타내는 회로도이다.

Claims (7)

1. 전원과 병렬로 연결되어 공급전압을 검출하고, 검출된 상기 공급 전압을 변환하여 변환전압을 출력하는 전압변환부와, 상기 전원과 직렬로 연결되어 부하측으로 제공되는 공급전류를 검출하고, 제어신호에 따라 조절 및 설정되는 변환비율에 따라, 검출된 상기 공급전류를 변환하여 변환전류를 출력하는 전류변환부와, 아날로그 신호인 상기 변환전압 및 상기 변환전류를 각각 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부와, 상기 A/D 변환부에서 출력되는 디지털 전압값과 디지털 전류값을 이용하여전력 및 전력량을 연산하고, 상기 제어신호를 상기 전류변환부로 출력하여 상기 변환비율을 제어하는 연산 및 제어부를 포함하되,

   상기 연산 및 제어부는,

   상기 전류변환부의 출력인 변환전류가 상기 A/D 변환부의 입력 범위를 넘어설 경우, 상기 변환비율을 낮추고,

   상기 변환전류가 상기 A/D 변환부의 입력 범위에 미치지 못할 경우, 상기 변환비율을 높이는 제어를 수행하는 것

   인 넓은 동작 범위를 갖는 전자식 전력량계.
2. 제1항에 있어서, 상기 전류변환부는,

   상기 공급전류를 미소 전류로 변환하는 계기용 변류기(current transformer); 및

   상기 계기용 변류기의 2차 코일에 병렬로 연결되는 기본 저항과 상기 기본 저항에 병렬로 연결되어 릴레이 스위치로 온/오프가 가능한 다수개의 저항으로 구성되는 것

   인 넓은 동작 범위를 갖는 전자식 전력량계.
3. 제1항에 있어서, 상기 전류변환부는,

   인가되는 상기 공급전류를 전압으로 변환하는 기본 저항과 상기 기본 저항에 병렬로 연결되어 릴레이 스위치로 온/오프가 가능한 다수개의 저항으로 구성되는 것

   인 넓은 동작 범위를 갖는 전자식 전력량계.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 연산 및 제어부는,

   상기 변환비율이 조절 및 설정되는 비율과 동일한 비율을 가지는 보정계수를 반영하여, 전력 및 전력량을 연산하는 것

   인 넓은 동작 범위를 갖는 전자식 전력량계.
6. 제1항에 있어서, 상기 연산 및 제어부는,

   주기적으로 변환비율을 조정하도록 제어신호를 출력하고, 서로 다른 변환비율에 따라 연산된 전력값을 토대로 이후의 변환비율을 결정하는 것

   인 넓은 동작 범위를 갖는 전자식 전력량계.
7. 제6항에 있어서, 상기 연산 및 제어부는,

   주기적으로 조정된 상기 변환비율에 대응하는 보정계수를 이용하여 전력값을 계산하고, 이를 조정 전 변환비율에 따른 전력값과 비교한 후, 그 비교 결과에 따라 이후의 변환비율을 결정하는 것

   인 넓은 동작 범위를 갖는 전자식 전력량계.

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