KR101257449B1 - 스마트 플러그 및 이를 이용한 전력 품질 감시 시스템 - Google Patents

스마트 플러그 및 이를 이용한 전력 품질 감시 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101257449B1
KR101257449B1 KR1020110052847A KR20110052847A KR101257449B1 KR 101257449 B1 KR101257449 B1 KR 101257449B1 KR 1020110052847 A KR1020110052847 A KR 1020110052847A KR 20110052847 A KR20110052847 A KR 20110052847A KR 101257449 B1 KR101257449 B1 KR 101257449B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
data
converter
voltage
current
communication
Prior art date
Application number
KR1020110052847A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120133922A (ko
Inventor
박정욱
성병철
박우재
배선호
전승욱
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 연세대학교 산학협력단 filed Critical 연세대학교 산학협력단
Priority to KR1020110052847A priority Critical patent/KR101257449B1/ko
Publication of KR20120133922A publication Critical patent/KR20120133922A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101257449B1 publication Critical patent/KR101257449B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R22/00—Arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. electricity meters
    • G01R22/06—Arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. electricity meters by electronic methods
    • G01R22/10—Arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. electricity meters by electronic methods using digital techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/165—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C17/00—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link
    • G08C17/02—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link using a radio link
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
    • H01R13/66—Structural association with built-in electrical component

Abstract

스마트 플러그 및 이를 이용한 전력 품질 감시 시스템이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 플러그는, 전기기기와 접속하는 플러그(plug); 상기 전기기로부터 전압 및 전류 데이터를 획득하여 디지털 데이터로 변환하는 컨버터(converter); 상기 컨버터에 입력되는 전압 및 전류 데이터를 변성하는 트랜스포머(transformer); 및 상기 디지털 데이터를 외부로 전송하는 통신모듈을 포함한다.

Description

스마트 플러그 및 이를 이용한 전력 품질 감시 시스템{Smart plug and power quality monitoring system thereof}
본 발명은 스마트 플러그 및 이를 이용한 전력 품질 감시 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실시간으로 개별 부하의 전력 관련 데이터를 획득하여 전송하는 스마트 플러그 및 스마트 플러그로에 의해 획득되는 수 많은 전력 관련 데이터를 실시간으로 빠르게 무선 전송하여 저장하는 스마트 플러그를 이용한 전력 품질 감시 시스템에 관한 것이다.
석유 및 천연 가스의 급격한 가격 상승에 대응하기 위해, 전력 산업은 전력 산업의 구조, 운용, 계획, 규제에 대한 상당하고 빠른 변화가 있을 것으로 예측되고 있다.
최근에, 전력망과 통신망의 결합을 통해 전력 공급자 또는 계통 운영자와 소비자가 양방향 실시간으로 전력 사용 정보의 교환을 통해 에너지 효율을 최적화하고자 스마트 그리드(Smart Grid)가 도입되고 있다.
스마트 그리드에서는 신재생 에너지를 중심으로 하는 분산전원의 도입에 따라 독립적인 운영이 이루어지며, 소비자의 요구에 실시간으로 반응할 수 있도록 지능화 및 기타 여러 기술에 기반을 둔 서비스의 제공을 통해 기존 전력 계통이 갖고 있는 비효율성을 극복하게 된다.
이러한 스마트 그리드의 운용을 위해 AMI(Advanced Metering Infrastructure)가 핵심 시스템으로 요구되며, 이는 전력 사용에 관련된 다양한 정보를 모으고 해석하는 시스템이며, 실시간 전기 요금제를 기반으로 공급자와 수요자 간의 상호 인지 기반 수요반응(DR, Demand Response) 실현을 위해 필수적인 수단이다.
AMI는 일반적으로 지능형 전력량계인 스마트 미터(Smart Meter), 소비자 수요반응 기기를 비롯한 하드웨어 및 소프트웨어, 전력 정보 관리 시스템, 통신 기술 및 네트워크의 4가지가 기본 기술로 구성되며, 이 중 스마트 미터는 AMI에 가장 핵심이 되는 기기이며, 전력량을 다양한 시간 간격으로 계량하고 통신을 통해 계량된 정보를 다른 기기로 전달하는 전자식 계기를 의미한다.
이렇게 스마트 그리드로의 전력 계통 진화와 전력 거래 환경의 변화로 인해 현재 국내외에서 다양한 스마트 미터가 개발되어 활용되고 있으며, 이를 기반으로 효과적으로 전력 사용과 효율성을 향상시키기 위한 에너지 관리 및 솔루션 개발과도 연계되고 있다.
그러나, 현재 국내외에서 개발된 스마트 미터들은 전력 품질과 같이 소비자에게 제공될 필요가 있는 항목에 대하여 이러한 정보를 제공하는 기능을 포함하지 않거나, 정보를 제공하더라도 매우 부족한 양의 정보만 제공하는 문제가 있다. 그리고, 스마트 미터를 통해 획득하는 전압 및 전류 데이터의 샘플링 주파수가 낮아 데이터의 양과 정확도가 떨어지게 된다. 그러므로, 이를 분석하여 정보를 제공하는 분석 프로그램을 이용할 경우 소비자에게 제공되는 정보 역시 정확도에 문제가 있을 수 있으며, 왜곡될 가능성이 상존한다.
따라서, 더욱 정확한 전압 및 전류 데이터를 획득하여 이러한 문제를 해결하고 획득된 데이터를 분석하여 분석 프로그램을 통해 정확도 높은 정보를 소비자에게 제공함은 물론 추후에 더욱 다양한 정보를 제공할 수 있도록 하기 위해 현재에 비해 더욱 정확한 전압 및 전류 데이터를 획득할 수 있는 장치가 필요하다. 또한, 무선 통신을 통해 추가적인 통신선의 설치와 가정 내 구조 변경 없이 빠르고 효율적으로 획득한 정보를 전달하여 저장할 수 있는 시스템이 필요하다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기기기로부터 전압 및 전류 데이터를 획득하여 소비자에게 정확도 높은 전력 품질 정보를 제공하기 위해 정확한 전압 및 전류 데이터를 획득할 수 있는 스마트 플러그를 제공하는 것이다.
또한, 스마트 플러그로부터 획득한 전력 관련 데이터를 무선 통신을 통해 빠르고 효율적으로 전달하여 저장할 수 있는 스마트 플러그를 이용한 전력 품질 감시 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 플러그는, 전기기기와 접속하는 플러그(plug); 상기 전기기로부터 전압 및 전류 데이터를 획득하여 디지털 데이터로 변환하는 컨버터(converter); 상기 컨버터에 입력되는 전압 및 전류 데이터를 변성하는 트랜스포머(transformer); 및 상기 디지털 데이터를 외부로 전송하는 통신모듈을 포함한다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 스마트 플러그를 이용한 전력 품질 감시 시스템은, 전기기기와 연결되어 전압 및 전류 데이터를 획득하여 디지털 데이터로 변환하고, 상기 디지털 데이터를 외부로 전송하는 복수의 스마트 플러그; 상기 복수의 스마트 플러그로부터 전송된 디지털 데이터를 통합하여 데이터 패킷을 생성하고, 상기 데이터 패킷을 재전송하는 중계기; 및 상기 중계기로부터 전송되는 데이터 패킷을 저장하는 서버를 포함한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 전기기기로부터 높은 샘플링 주파수로 전압 및 전류 데이터를 획득하여 소비자에게 정확한 전력 품질 정보를 제공할 수 있다.
또한, 스마트 플러그로부터 획득한 전력 품질 정보를 무선 통신을 통해 빠르고 효율적으로 전달하여 저장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 플러그의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 플러그의 회로도이다.
도 3은 스마트 플러그의 컨버터에 입력되는 차동 입력 모드의 범위를 나타내는 도면이다.
도 4는 Atmega8과 Atmega128을 이용한 스마트 플러그의 전압 데이터의 변환을 도시한 도면이다.
도 5는 오실로스코프 및 스마트 플러그를 통해 측정한 전류 데이터를 각각 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 품질 감시 시스템의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 품질 감시 시스템의 구성도이다.
도 8은 도 6의 전력 품질 감시 시스템의 구체적인 실시예를 도시한 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 플러그의 구성도이다.
스마트 플러그(100)는, 플러그(plug, 110), 컨버터(converter, 120), 트랜스포머(transformer, 130) 및 통신모듈(140)을 포함한다.
플러그(110)는 전기기기(5)와 연결되며, 일반적인 플러그의 형태를 가져 전기기기(5)에 직접 접속된다. 플러그(110)가 스마트 플러그(100)의 외부 하우징(미도시)을 형성하여 내부에 컨버터(120), 트랜스포머(130) 및 통신모듈(140)이 구성될 수 있다.
컨버터(120)는 전기기기(5)로부터 전압 및 전류 데이터를 획득하여 디지털 데이터로 변환한다. 컨버터(120)를 통해 데이터를 변환하여 더욱 빠르고 정확하게 데이터를 전송하게 된다.
여기에서, 컨버터(120)는 프로그램을 내장하기 위한 메모리가 구비된 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU, Micro Controlloer Unit)을 이용한다. 즉, 스마트 플러그(100)에 마이크로 컨트롤러 유닛, 일명 MCU가 채용돼 스마트 플러그(100)의 두뇌 역할을 하며, 스마트 플러그(100)를 제어하는 역할을 한다. 마이크로 컨트롤러 유닛은 롬(ROM)과 램(RAM) 회로까지 내장할 수 있으며, 칩 형태로 제작된다.
특히, 마이크로 컨트롤러 유닛에 구비되는 메모리는 플래시 메모리를 채택하여 스마트 플러그(100)에 필요한 여러 프로그램을 저장할 수 있다. 일례로, 컨버터(120)에 구비된 메모리는 전기기기(5)로부터 획득하는 전압 및 전류 데이터를 분석하여 전력 품질에 대한 정보를 생성하는 전력분석 프로그램을 저장할 수 있다. 이를 통해, 전압 및 전류, 전력의 흐름을 통해 기본적인 에너지 사용 패턴과 전력 품질 및 고조파 분석 등을 할 수 있다.
일반적으로 사용되는 마이크로 컨트롤러 유닛은 한 번에 연산하는 비트량에 따라 8 비트 코어, 16 비트 코어, 32 비트 코어 등으로 분류된다. 8 비트 코어는 AVR시리즈와 8051시리즈가 대표적이다. 그리고, 16 비트 코어는 S12시리즈와 x86시리즈가 대표적이며, 32 비트 코어는 ARM7시리즈와 ARM Cortex-M3시리즈가 대표적이다.
본 발명의 스마트 플러그(100)는 Atmel사에서 개발된 AVR시리즈를 이용하여 마이크로 컨트롤러 유닛을 채택한 컨버터(120)를 구성한다. Atmel AVR은 AVR UC3, AVR XMEGA, mega AVR, tiny AVR 시리즈 등이 있다. 전술한 바와 같이, AVR은 MCU의 하나이므로, 중앙처리장치와 소용량 플래시 롬이 하나의 IC에 집적된 구성을 가진다.
본 발명의 스마트 플러그(100)에 여러 MCU의 적용이 가능하나, 일반적으로 많이 사용되는 AVR 시리즈의 MCU를 채택하여 실제로 구성하였으며, 여러 AVR 중에서 실제 스마트 플러그(100)의 제작과 적용을 위해 가격과 성능을 기반으로 비교하여 가장 효율적인 AVR을 선정하도록 한다. 이를 위해 가장 보편적으로 활용되는 8 비트 MCU인 Atmega 시리즈를 선정하였으며, 이러한 Atmega 시리즈 중에서도 가장 많이 활용되는 칩인 Atmega8과 Atmega128에 대한 성능 비교를 수행하였으며, 이는 후술하여 살펴 보도록 한다. 물론, 상기 Atmega8과 Atmega128 외에 다른 Atmega 시리즈를 포함한 8 비트 코어, 16 비트 코어, 32 비트 코어 등의 다른 MCU를 채택하여 스마트 플러그(100)의 컨버터(120)로 이용할 수 있다.
트랜스포머(130)는 컨버터(120)에 입력되는 전압 및 전류 데이터를 변성한다. 즉, 컨버터(120)에 입력되는 전압 및 전류를 컨버터(120)의 정격 전압 및 전류 범위 내로 변압 및 변류한다.
트랜스포머(130)는 변류기(132) 및 소정 저항(134)을 구비하며, 상기 변류기(132)는 전기기기(5)로부터 들어오는 전류를 변류하고, 상기 변류기(132)에 의해 변류된 전류는 상기 소정 저항(134)에 의해 상기 컨버터의 정격 전압 및/또는 전류 범위 내 입력 전압 및/또는 전류로 변환된다.
컨버터(120)를 구현하기 위해 MCU를 이용하며, MCU의 정격 범위 내에서 전류가 입력되어야 MCU가 구동된다. 특히, 본 발명의 스마트 플러그(100)에 구성되는 대표적인 MCU인 AVR은 전압 값만을 입력 데이터로 받을 수 있다. 이렇게 전압 값만을 입력으로 받을 수 있는 AVR을 컨버터(120)로 구현하기 위해서는 전압 데이터의 크기를 AVR의 입력 범위 내로 줄일 필요가 있고, 전류 데이터의 경우에는 입력 범위 내의 전압 데이터로 변환해 주어야 한다. 이를 위해 변류기(132, CT, Current Transformer)를 적용하여 전류의 크기를 줄여 주게 된다.
통신모듈(140)은 컨버터(120)에 의해 변환된 디지털 데이터를 외부로 전송한다. 특히, 통신모듈(140)은 블루투스(Bluetooth) 통신을 통해 상기 디지털 데이터를 전송하는 블루투스 통신모듈일 수 있다.
그리고, 스마트 플러그(100) 내부에 저장모듈(미도시)을 더 포함하여 스마트 플러그(100)가 자체적으로 컨버터(120)에 의해 변환된 디지털 데이터를 저장하도록 구현할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 플러그의 회로도이다.
도 2에서, 측정을 원하는 1차측, 즉 전기기기(5)의 전류 Io가 변류기(132)에 의해 I2로 변환되고, 최종적으로 저항(134)에 의해 전압 신호 E2로 바뀌게 된다. 즉, 전기기기(5)로부터 흘러 들어오는 입력 전류가 트랜스포머(130)를 구성하는 변류기(132)에 의해 변류되고, 저항(134)에 의해 컨버터(120)의 정격 전압으로 변성되어 컨버터(120)에 입력된다. 그리고, 컨버터(120)는 전압 E2를 측정함으로써 전류 Io를 구할 수 있다.
MCU 인 AVR을 컨버터(120)로 스마트 플러그(100)에 구현하는 경우, AVR은 전압 값만을 입력 데이터로 받을 수 있는데, 전압 입력의 범위 및 형태에 따라 크게 단일 변환 모드(single conversion mode)와 차동 입력 모드(differential input mode)의 두 가지 입력 모드를 가지게 된다.
우선, 단일 변환 모드에서는 0~Vref 사이의 전압 값만을 입력으로 받을 수 있는데, 하기의 수학식 1에 따라 디지털 값으로 변환된다. 이 경우 Vref는 AVR의 전원으로 공급되는 전압을 의미하며 변환되는 전압의 범위가 된다. 또한, Vref는 원하는 기준을 잡을 수 있도록 임의의 값으로 선택하도록 그에 따라 AVR에 전원을 공급하는 것이 가능하다.
일반적으로, Vref는 5V로 0~5V 사이의 전압 값을 입력할 수 있게 되지만 단일 변환 모드를 활용할 경우 실제 데이터의 음전류 값을 받을 수 없게 된다. 이로 인해, 반파 형태의 데이터만 취득되고 이는 스마트 플러그(100)가 적용된 전기기기(5)의 실제 전압 및 전류 데이터와 다른 형태가 되며, 이로부터 왜곡된 정보가 제공될 수 있으므로 normal mode는 활용할 수 없게 된다.
Figure 112011041340143-pat00001
또 다른 모드인 차동 입력 모드의 경우, 도 3과 같이 전압 입력 범위로 -Vref~Vref를 갖게 된다. 여기에서, 도 3은 차동 입력 모드의 범위를 나타내는 도면이다. 가로축은 차동 입력(Differential Input)으로 입력 단위는 V(Voltage)이다. 그리고, 세로축은 출력 코드(Output Code)로 입력된 전압이 디지털로 변환된 값을 나타낸다. 차동 입력 모드를 활용할 경우 음전압 값을 입력으로 받을 수 있기 때문에 하기의 수학식 2와 같이 실제 아날로그 전압 파형을 디지털 형태의 데이터로 변환할 수 있게 된다.
Figure 112011041340143-pat00002
이렇게 전압 값만을 입력으로 받을 수 있는 MCU, 특히 AVR을 컨버터(120)로 활용하기 위해서 전압 데이터의 크기를 AVR의 입력 범위 내로 줄이고, 전류 데이터를 입력 범위 내의 전압 데이터로 변환하여 스마트 플러그(100)의 안정성을 확보한다.
그리하여, 도 2에 도시한 트랜스포머(130)를 이용하여 전기기기(5)의 동작으로 인해 실제로 흐르는 전류(Io)가 변류기(132)를 통해 일정한 비율로 감소하여 흐르고(I2), 이렇게 감소된 전류는 변류기(132) 양단에 연결되는 소정의 저항(134)에 의해 AVR, 즉 컨버터(120)의 입력 범위 내의 전압(E2)으로 변환된다. 그리고, 컨버터(120)는 저항(134)에 의하여 발생한 전압 신호를 입력으로 하여 디지털 데이터로 변환하게 된다.
그리고 나서, 디지털 데이터로 변환된 전압 및 전류 데이터는 통신모듈(140), 특히 블루투스 통신모듈을 통해 외부의 데이터 저장 장치로 전송되어 저장된다. 또한, 전압 값으로 저장된 데이터는 적용된 저항(134)의 크기와 변류비를 통해 실제 값으로 변환하여 저장할 수 있다. 그리고, 스마트 플러그(100) 내 별도의 저장모듈(미도시)을 구비하여 스마트 플러그(100)에 변환된 디지털 데이터를 저장할 수도 있다.
또한, 별도의 디스플레이모듈(미도시)을 구비하여 획득된 전력 관련 데이터나 디지털로 변환된 데이터를 사용자에게 안내할 수 있다. 예를 들어, 전압 및 전류 데이터, 각 상당 voltage outage 정보, 역률 및 주파수, 전력 방향 등을 통해 전력 품질에 대한 정보를 사용자에게 제공할 수 있다.
스마트 플러그(100)의 컨버터(120)는 MCU이며, 가장 보편적으로 활용되는 8 비트 MCU인 AVR 중 Atmega 시리즈를 선정하였으며, 이러한 Atmega 시리즈 중에서도 가장 많이 활용되는 칩인 Atmega8과 Atmega128에 대한 성능 비교를 수행하였다.
도 4는 Atmega8과 Atmega128을 이용한 스마트 플러그의 전압 데이터의 변환을 도시한 도면이다.
도 4에서, 같은 전압 신호의 변화에 대하여 성능을 비교하였을 때, Atmega8은 디지털 변환 사이에 노이즈가 발생하여 데이터의 왜곡이 발생함을 알 수 있다. 이에 반해, Atmega128은 전압 신호의 변화가 정상적으로 디지털 신호로 변환되는 것을 알 수 있다.
Atmega128이 Atmega8에 비해 5배 정도 고가이나, 데이터의 획득 과정에서 Atmega8을 이용할 경우 디지털 신호가 왜곡될 경우 소비자에게 정확한 전력 관련 정보 제공이 어려우므로, Atmega128을 적용한 스마트 플러그(100)를 통해 성능을 검증하였다.
컨버터(120)는 Atmega128을 적용하였으며, 변류기(132)의 변류비는 1000:1을 적용하였고, 변류기(132)에 연결되는 저항(134)은 644Ω의 크기를 갖도록 하였다. 상기 크기를 가지는 저항(134)의 연결에 의해 변류비가 영향을 받게 되며 저항(134) 연결 후 정확한 변류비는 964.28:1임을 확인하였다. 또한, 컨버터(120)인 AVR에 대한 입력 전원으로 5.06V를 주었다. 테스트를 위해 전기기기(5)로 0.2kW 급 전동기를 사용하였으며, 상기 전동기는 220V에서 2.9A의 전류가 흐르고, 무부하 상태에서 동작하도록 하였다.
정확한 성능 검증을 위해, 변류기(132)의 2차 측, 즉 저항의 전압과 전류를 오실로스코프를 통해 측정하고, Atmega128과 1000:1의 변류비 등을 가지는 스마트 플러그(100)를 통해 전압 값으로 저장된 전류 데이터 값과 비교하였다.
도 5는 오실로스코프 및 스마트 플러그를 통해 측정한 전류 데이터를 각각 도시한 도면이다.
도 5에서, 상단의 오실로스코프를 통해 측정한 저항측의 전류 변화와 하단의 스마트 플러그(100)를 통해 측정한 저항측의 전류 변화가 매우 유사한 것을 알 수 있다. 실제적으로, 오실로스코프를 통해 측정한 저항측의 전압의 평균치는 약 3.86V로 스마트 플러그(100)를 통해 측정한 저항측의 전압 데이터의 평균치인 약 3.9V와 거의 유사함을 확인할 수 있었다.
또한, 도 5의 하단의 스마트 플러그를 통해 측정한 전류 데이터 그래프에서 획득한 데이터를 작은 원으로 표시한 결과, 한 주기 당 약 33~34개의 데이터가 획득된 것을 알 수 있었다. 220V 교류 전압은 한 주기가 60Hz이므로, Atmega128을 채택한 컨버터(120)의 성능은 약 2000Hz의 샘플링 주파수를 가짐을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 품질 감시 시스템의 구성도이다.
전력 품질 감시 시스템(10)은, 복수의 스마트 플러그(100), 중계기(200) 및 서버(300)를 포함한다.
스마트 플러그(100)는 전기기기(5)와 연결되어 전압 및 전류 데이터를 획득하여 디지털 데이터로 변환하고, 상기 디지털 데이터를 외부로 전송한다. 스마트 플러그(100)는 하나의 전기기기(5)와 연결되거나, 하나의 스마트 플러그(100)에 복수의 전기기기(5)가 연결될 수도 있다.
도 6에서, 각 전기기기(5)에 스마트 플러그(100)가 플러그(110)를 통해 직접 연결되고, 복수의 스마트 플러그(100)가 획득한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하여 중계기(200)로 전송하고, 중계기(200)를 통해 디지털 데이터를 합성하여 서버(300)에 전송하여 저장하게 된다. 이때, 각 전기기기(5)를 구별하기 위해 슬레이브(Slave)인 전기기기(5)에 번호를 붙여 구별한다.
전술한 바와 같이, 스마트 플러그(100)는, 전기기기(5)와 접속하는 플러그(110)와, 상기 전기기기(5)로부터 전압 및 전류 데이터를 획득하여 디지털 데이터로 변환하는 컨버터(120)와, 상기 컨버터(120)에 입력되는 전압 및 전류 데이터를 변성하는 트랜스포머(130)와, 상기 디지털 데이터를 외부로 전송하는 통신모듈(140)을 포함한다.
여기에서, 컨버터(120)는, 플러그(110)를 통해 획득한 전압 및 전류 데이터를 분석하는 분석 프로그램을 내장하기 위한 플래시 메모리를 구비한 마이크로 컨트롤러 유닛이다. 또한, 트랜스포머(130)는, 상기 컨버터(120)에 입력되는 전류 데이터를 상기 컨버터(120)의 정격 전압 범위 내의 전압 데이터로 변환하거나, 상기 컨버터(120)에 입력되는 전압 데이터를 상기 컨버터의 정격 전압 범위 내의 전압 데이터로 강하한다. 그리고, 통신모듈(140)은, 블루투스 통신을 이용하여 무선 통신한다.
중계기(200)는 복수의 스마트 플러그로(100)부터 전송된 디지털 데이터를 통합하여 데이터 패킷을 생성하고, 상기 데이터 패킷을 서버(300)로 재전송한다. 이때, 중계기(200)는 복수의 통신 포트와 적어도 하나의 플래시 메모리를 구비한 마이크로 컨트롤러 유닛을 이용하여 구현할 수 있다. 전술한 Atmel사의 여러 AVR을 중계기(200)로 이용할 수 있다.
그리고, 마이크로 컨트롤러 유닛은, 상기 복수의 스마트 플러그(100)로부터 전송된 디지털 데이터를 통합하여 데이터 패킷을 생성하는 패킷생성 프로그램을 플래시 메모리에 저장하여 중계기를 거쳐가는 데이터를 제어할 수 있다.
또한, 중계기(200)를 구현하는 마이크로 컨트롤러 유닛에 구비된 복수의 통신 포트 중 적어도 하나의 통신 포트는 서버(300)에 상기 데이터 패킷을 송신하는 송신 포트의 역할을 하도록 구현할 수 있고, 복수의 통신 포트 중 적어도 하나의 통신 포트를 제외한 나머지 통신 포트는 스마트 플러그(100)로부터 전송되는 데이터를 수신하는 수신 포트의 역할을 하도록 구현할 수 있다. 즉, 중계기(200)에 구비된 복수의 통신 포트 중 적어도 하나는 서버(300)에 데이터를 전송하는 송신 포트의 역할을 하고, 나머지는 스마트 플러그(100)로부터 데이터를 수신하는 수신 포트의 역할을 수행한다.
그리고, 중계기(200)는 블루투스 통신모듈을 구비하여 스마트 플러그(100)와 서버(300) 간 무선 통신이 가능하도록 구현할 수 있다. 물론, 블루투스 통신 외에 지그비(Zigbee) 등 여러 무선 통신 네트워크를 응용할 수 있음은 당업자에게 자명하다 할 것이다.
서버(300)는 중계기(200)로부터 전송되는 데이터 패킷을 저장한다. 서버(300)에 저장되는 데이터 패킷은 마스터(Master)의 역할을 수행하는 PC 등을 통해 분석되고 소비자에게 전력 품질 관련 정보가 제공될 것이다. 서버(300)는 전송되는 데이터 패킷의 저장소 역할을 하며, PC 등의 마스터 내에 서버(300)가 구비될 수 있음은 물론이다.
서버(300)는 중계기(200)로부터 전송되는 데이터 패킷을 수신하는 통신모듈을 더 포함하며, 통신모듈은 블루투스 통신모듈, 지그비 통신모듈 등 여러 무선 통신모듈이 사용될 수 있을 것이다.
서버(300)에 저장된 정보는 PC 등을 통해 분석되어 기본적인 에너지 사용 패턴, 전력 품질 등에 대한 정보가 디스플레이 장치(미도시) 등을 통해 전력 공급자나 사용자에게 제공될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 품질 감시 시스템의 구성도이다.
도 7의 경우 도 6과 달리 중계기(200)가 생략되고, 전기기기(5)인 복수의 슬레이브(5)와 플러그(110)를 통해 직접 접속된 스마트 플러그(100)에 의해 획득된 데이터가 스마트 플러그(100)에 의해 디지털 데이터로 변환되어 서버(300)로 전송된다.
지그비 등의 무선 통신을 이용하는 경우, 각 스마트 플러그(100)에 존재하는 지그비 송신모듈에 대하여 데이터 저장을 위한 서버(300)의 수신 포트가 하나만 있으면 되므로, 1:N 통신이 가능하여 지그비 통신모듈의 필요 개수가 적다는 장점이 있다.
그러나, 지그비 수신모듈의 이용 개수가 하나일 때, 송신되는 여러 데이터를 동시다발적으로 저장할 수 없게 된다. 즉, 송신모듈에 순서를 두고 일정 시간 동안 차례로 데이터를 수신하게 된다. 그리하여, 하나의 송신모듈에 대하여 데이터를 수신할 때 나머지 전기기기(5)의 데이터가 송신되어도 수신이 불가능하기 때문에 데이터의 단절이 발생할 수 있다.
지그비 통신을 대신하여 블루투스 통신의 이용이 가능하며, 블루투스 통신은 지그비 통신과는 달리 송신모듈 하나에 수신모듈 하나가 일대일 대응이 된다. 그러므로, 송신되는 모든 데이터를 동시에 받을 수 있게 되는 장점이 있으나, 스마트 플러그(100)의 블루투스 송신모듈의 개수만큼 수신모듈의 개수가 필요하다. 그러므로, 도 6에서, 중계기(200)를 활용하여 통신모듈의 필요 개수를 줄이게 된다.
도 6의 경우에도 중계기(200)가 하나에 복수의 전기기기(5)가 데이터를 송신하게 되므로 중계기(200) 당 적절한 개수의 전기기기(5)가 연결될 필요가 있으며, 이에 대한 구체적인 실시예는 도 8을 통해 설명하도록 한다.
도 8은 도 6의 전력 품질 감시 시스템의 구체적인 실시예를 도시한 구성도이다.
중계기(200)는 복수의 통신 포트와 적어도 하나의 플래시 메모리를 구비한 마이크로 컨트롤러 유닛을 이용하여 구현이 가능하므로, AVR이 중계기(200)가 될 수 있다. 즉, 송수신 통신모듈의 적정 개수 및 가정 내에서 발생할 수 있는 통신 거리나 장애물에 의한 무선 통신의 제약을 해결하기 위해 AVR이 중계기(200)로 활용된다.
예를 들어, AVR의 하나인 Atmega2560을 활용할 수 있다. 중계기(200)로 활용되는 Atmega2560은 총 4개의 통신 포트를 구비하는 데, 이 중 3개의 통신 포트를 3개의 스마트 플러그(100)에서 송신되는 데이터를 받는 수신 포트로 활용하고, 나머지 1개의 통신 포트를 중계기(200)에서 통합된 데이터 패킷을 서버(300)로 전송하는 송신 포트로 활용할 수 있다. 즉, Atmega2560을 중계기(200)로 활용할 경우, 중계기(200) 하나에 3개의 슬레이브(5), 즉 전기기기(5) 3개가 동시에 데이터를 전송할 수 있다.
그리고, 중계기(200)를 여러 개 구현하여 3개로 묶여진 슬레이브(5), 즉 전기기기(5)를 3배수로 관리할 수 있다. 이를 통해, 비슷한 위치에 있는 전기기기(5)를 3개씩 구분하여 관리 가능하다.
그러므로, 서버(300)에서 필요로 하는 블루투스 수신모듈의 개수를 줄이고, 중계기(200)로 송신되는 전기기기(5)의 데이터를 3개씩 묶음으로써 비슷한 위치에 있는 전기기기(5)의 데이터를 중계기(200)를 통해 통합적으로 관리 가능할 수 있다.
중계기(200)를 활용하여 데이터를 서버(300)에 저장할 경우, 각 중계기(200)의 노드별로 개별적으로 데이터 파일을 만들어 저장하면, 각 데이터가 쉽게 구별되어 데이터의 활용이 간편하게 된다. 즉, 전기기기(5)에 슬레이브 번호를 부여하고, 각 슬레이브 번호에 따라 전송되는 데이터가 저장하도록 설정하여 정확한 데이터의 획득 및 저장이 가능하다.
스마트 플러그(100)의 컨버터(120)를 Atmega128로 구현하고, 중계기(200)를 Atmega2560으로 구현하면, 2000Hz의 샘플링 주파수를 통한 데이터 획득과 블루투스 무선 통신을 통한 동시다발적인 데이터의 정확한 획득이 가능하다.
가정의 PCC(Point of Common Coupling, 공통접속점) 및 각 전기기기(5)의 사용 전압 및 전류의 순시 데이터를 획득하기 위해 샘플링 주파수를 높이고 무선 통신을 이용하는 스마트 플러그(100) 및 이를 이용한 전력 품질 감시 시스템(10)을 살펴 보았다. 특히, AVR을 컨버터(120) 및 중계기(200)로 활용하고, 블루투스 무선 통신을 이용하여 데이터를 2000Hz의 높은 샘플링 주파수로 정확하게 획득할 수 있음을 알 수 있었다.
더욱 정확한 전압 및 전류 데이터를 획득할 수 있는 장치인 스마트 플러그(100)와, 무선 통신을 통해 빠르고 효율적으로 획득한 정보를 전달하고 중계기(200)를 통해 동시다발적으로 정보를 전달하여 저장할 수 있는 시스템인 전력 품질 감시 시스템(10)으로부터 전력 공급자와 전력 소비자 사이에서 효율적인 전력 사용이 이루어질 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 전력 품질 감시 시스템 100: 스마트 플러그
110: 플러그 120: 컨버터
130: 트랜스포머 140: 통신모듈
200: 중계기 300: 서버

Claims (15)

  1. 전기기기와 접속하는 플러그(plug);
    상기 전기기기로부터 전압 및 전류 데이터를 획득하여 디지털 데이터로 변환하는 컨버터(converter);
    변류기 및 저항을 구비하여, 상기 컨버터에 입력되는 전압 및 전류 데이터를 변성하는 트랜스포머(transformer); 및
    상기 디지털 데이터를 외부로 전송하는 통신모듈을 포함하며,
    상기 트랜스포머는, 상기 전기기기로부터 들어오는 전류를 상기 변류기를 통해 변류하고, 상기 변류기에 의해 변류된 전류는 상기 저항에 의해 상기 컨버터의 정격 전압 범위 내 입력 전압으로 변환되는 스마트 플러그(smart plug).
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 컨버터는 프로그램을 내장하기 위한 메모리가 구비된 마이크로 컨트롤러 유닛인 스마트 플러그.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 컨버터에 구비된 메모리는 상기 전기기기로부터 획득하는 전압 및 전류 데이터를 분석하여 전력 품질에 대한 정보를 생성하는 전력분석 프로그램을 저장하는 스마트 플러그.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 통신모듈은 블루투스 통신을 통해 상기 디지털 데이터를 전송하는 스마트 플러그.
  6. 전기기기와 접속하는 플러그와, 상기 전기기기로부터 전압 및 전류 데이터를 획득하여 디지털 데이터로 변환하는 컨버터와, 상기 컨버터에 입력되는 전압 및 전류 데이터를 변성하는 트랜스포머와, 상기 디지털 데이터를 외부로 전송하는 통신모듈을 포함하는 복수의 스마트 플러그;
    상기 복수의 스마트 플러그로부터 전송된 디지털 데이터를 통합하여 데이터 패킷을 생성하고, 상기 데이터 패킷을 재전송하는 중계기; 및
    상기 중계기로부터 전송되는 데이터 패킷을 저장하는 서버를 포함하며,
    상기 트랜스포머는, 상기 컨버터에 입력되는 전류 데이터를 상기 컨버터의 정격 전압 범위 내의 전압 데이터로 변환하며, 상기 컨버터에 입력되는 전압 데이터를 상기 컨버터의 정격 전압 범위 내의 전압 데이터로 강하하는 전력 품질 감시 시스템.
  7. 삭제
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 컨버터는, 프로그램을 내장하기 위한 플래시 메모리를 구비한 마이크로 컨트롤러 유닛인 전력 품질 감시 시스템.
  9. 삭제
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 통신모듈은, 블루투스 통신을 이용하여 무선 통신하는 전력 품질 감시 시스템.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 중계기는, 복수의 통신 포트와 적어도 하나의 플래시 메모리를 구비한 마이크로 컨트롤러 유닛을 포함하는 전력 품질 감시 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 마이크로 컨트롤러 유닛은, 상기 복수의 스마트 플러그로부터 전송된 디지털 데이터를 통합하여 데이터 패킷을 생성하는 패킷생성 프로그램을 상기 플래시 메모리에 저장하는 전력 품질 감시 시스템.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 복수의 통신 포트 중 적어도 하나의 통신 포트는 상기 서버에 상기 데이터 패킷을 송신하는 송신 포트인 전력 품질 감시 시스템.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 복수의 통신 포트 중 적어도 하나의 통신 포트를 제외한 나머지 통신 포트는 상기 스마트 플러그로부터 전송되는 데이터를 수신하는 수신 포트인 전력 품질 감시 시스템.
  15. 제 6항에 있어서,
    상기 서버는, 상기 중계기로부터 전송되는 데이터 패킷을 수신하는 통신모듈을 더 포함하는 전력 품질 감시 시스템.
KR1020110052847A 2011-06-01 2011-06-01 스마트 플러그 및 이를 이용한 전력 품질 감시 시스템 KR101257449B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110052847A KR101257449B1 (ko) 2011-06-01 2011-06-01 스마트 플러그 및 이를 이용한 전력 품질 감시 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110052847A KR101257449B1 (ko) 2011-06-01 2011-06-01 스마트 플러그 및 이를 이용한 전력 품질 감시 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120133922A KR20120133922A (ko) 2012-12-11
KR101257449B1 true KR101257449B1 (ko) 2013-04-23

Family

ID=47517215

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110052847A KR101257449B1 (ko) 2011-06-01 2011-06-01 스마트 플러그 및 이를 이용한 전력 품질 감시 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101257449B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102447141B1 (ko) 2021-03-17 2022-09-26 주식회사 에너넷 적외선 송수신 기능을 갖는 마스터 플러그와 이를 이용한 전력 관리 방법

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103969618A (zh) * 2013-10-18 2014-08-06 深圳市科陆电子科技股份有限公司 一种智能插座的检定装置及其检定方法
KR20150054123A (ko) * 2013-11-11 2015-05-20 삼성전자주식회사 전자 장치 및 전자 장치의 외부 기기 감지 방법
KR102078652B1 (ko) * 2013-11-13 2020-02-19 삼성전자주식회사 스마트플러그 장치에서 이벤트 감지장치 및 방법
KR101531665B1 (ko) * 2014-05-21 2015-06-26 주식회사 이지몬 트라이플렉스 모드 기능을 제공하는 스마트 스위치를 이용한 전원관리시스템 및 트라이플렉스 모드 기능을 제공하는 스마트 스위치
KR101718222B1 (ko) * 2015-07-21 2017-03-20 엘지전자 주식회사 가전기기 진단시스템 및 그 진단방법
KR20180082696A (ko) * 2017-01-10 2018-07-19 (주) 코콤 전기 플러그에 내장 가능한 사물인터넷 구성 방법
KR101994136B1 (ko) * 2018-04-27 2019-07-01 한국전력공사 기능 확장형 전력량계
CN109283407B (zh) * 2018-08-13 2020-09-29 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司梧州局 基于全站数据对比分析的电压回路监测系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110002725A (ko) * 2009-07-02 2011-01-10 티에스씨시스템 주식회사 근거리 무선 통신을 이용한 전력 측정 시스템 및 방법
KR20110003796U (ko) * 2009-10-12 2011-04-20 주식회사 다원디엔에스 콘센트 장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110002725A (ko) * 2009-07-02 2011-01-10 티에스씨시스템 주식회사 근거리 무선 통신을 이용한 전력 측정 시스템 및 방법
KR20110003796U (ko) * 2009-10-12 2011-04-20 주식회사 다원디엔에스 콘센트 장치

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102447141B1 (ko) 2021-03-17 2022-09-26 주식회사 에너넷 적외선 송수신 기능을 갖는 마스터 플러그와 이를 이용한 전력 관리 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120133922A (ko) 2012-12-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101257449B1 (ko) 스마트 플러그 및 이를 이용한 전력 품질 감시 시스템
Monnier A smarter grid with the Internet of Things
CN102128978B (zh) 一种支持双向通信的能耗计量系统
Gungor et al. A survey on smart grid potential applications and communication requirements
CN102073029B (zh) 电子式互感器测试系统的测试方法
KR20120070903A (ko) 스마트그리드 전력제어장치 및 그를 이용한 전력 제어방법
US20130285835A1 (en) Method and apparatus for data management in advanced metering infrastructure network
US20230051528A1 (en) Devices, systems and methods for electrical utility submetering
CN103033680A (zh) 功率测量系统
Radhika et al. Smart grid test bed based on GSM
JP2021019496A (ja) スマート統合電気メーター及び該スマート統合電気メーターを採用するソーラーパネル電力管理システム
KR101295843B1 (ko) 전력사용량 모니터링 및 전력공급량 제어가 가능한 스마트홈 분전반
EP3701227B1 (en) Radio and advanced metering device
KR101211906B1 (ko) 네트워크 연결장치 및 방법
CN102801156B (zh) 系统状态运算装置方法及系统、系统控制装置及方法、配电系统潮流仿真装置及方法
Ugonna et al. Design and construction of a smart electric metering system for smart grid applications: Nigeria as a case study
Duarte et al. Characterization and breakdown of the electricity bill using custom smart meters: A tool for energy-efficiency programs
CN202977898U (zh) 一种能计量耗电量的电源插座
KR20170117794A (ko) 국제 표준 프로토콜에 기반한 가정용 통합검침장치 및 그 방법
Islam Digital applications in implementation of smart grid
KR20130047828A (ko) 전력사용량 모니터링 및 제어가 가능한 스마트홈 분전반
CN209373090U (zh) 电压互感器二次压降的在线监测系统
Akpolat et al. Advanced Metering Infrastructure (AMI): Smart Meters and New Technologies
KR101835858B1 (ko) 전력선 통신모듈을 이용한 전기선로 위상식별 장치
JP2016144370A (ja) 計測装置、プログラム、方法、及び、電力管理装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180416

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190415

Year of fee payment: 7