KR101291410B1

KR101291410B1 - 전력선을 통해 흐르는 전류 감지

Info

Publication number: KR101291410B1
Application number: KR1020097000240A
Authority: KR
Inventors: 예후다 썬
Original assignee: 앰비언트 코오퍼레이션
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2007-04-10
Publication date: 2013-07-30
Also published as: CA2656152A1; CN101573737A; EP2044581A4; AU2007273232B2; CN101573737B; CA2656152C; BRPI0713855A2; WO2008008106A3; WO2008008106A2; EA013000B1; US8093745B2; MX2008015823A; EP2044581A2; US20080007416A1; KR20090038002A; EA200802377A1; AU2007273232A1

Abstract

전력선에 의해 전달되는 전력 주파수 전류의 파라미터를 측정하는 방법이 제공된다. 방법은, (a) 전력선을 통해 흐르는 전력 주파수 회로를, 전력선으로부터 통신 신호를 결부시키는 유도성 커플러를 통해 전력 주파수 전압으로 변환하는 단계, (b) 통신 신호로부터 전력 주파수 전압을 분리하는 단계, 및 (c) 전력 주파수 전압으로부터 전력 주파수 전류의 파라미터의 값을 결정하는 단계를 포함한다. 또한, 파라미터를 측정하는 시스템 및 방법이 제공된다.

Description

전력선을 통해 흐르는 전류 감지{Sensing current flowing through a power line}

본 발명은 전력선 통신(PLC; power line communications)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력선 상에서 전력 주파수 전류를 측정하기 위한 전력선 유도성 커플러(power line inductive coupler)를 개발하고, 동일한 유도성 커플러를 구성요소로 갖는 PLC 네트워크를 통해 그 측정값을 송신하는 것에 관한 것이다.

전력선 통신 시스템에서, 전력 주파수는 통상 50 ~ 60 Hz의 범위에 있고, 데이터통신 신호 주파수는 약 1 MHz보다 크고, 통상 1 MHz ~ 50 MHz의 범위에 있다. 전력선 통신용 데이터 커플러는 전력선과 모뎀과 같은 통신 장치간에 데이터 통신 신호를 결부(couple)시킨다.

이러한 데이터 커플러의 일례는 유도성 커플러로서, 유도성 커플러는 코어, 및 자기 코어의 일부 주위를 감는 권선을 포함한다. 코어는 자성 재료로 만들어지고 개구부(aperture)를 포함한다. 유도성 커플러는 변압기로서 동작하고, 전력선 상에 위치함으로써 전력선이 개구부를 통해 라우팅되고 변압기의 1차 권선으로서 기능하도록 하며, 유도성 커플러의 권선은 변압기의 2차 권선으로서 기능한다. 데이터 통신 신호는 전력선과 2차 권선간에 코어를 통해 결부(couple)된다. 다음으 로, 2차 권선은 통신 장치에 연결된다.

전력선의 전력 주파수 전류를 측정하기 위한 하나의 기술은 전력선에 연결된 전류 변압기를 사용하는 것이고, 전류 변압기는 전류계 또는 다른 전류 감지 장치를 통해 2차 단락 회로를 가진다. 다른 방법으로는, 2차 개방 회로인 경우, 1차 전류는 상기 1차 전류에 비례하는 2차 전압을 유도한다.

전력선에 의해 전달되는 전력 주파수 전류의 파라미터를 측정하는 방법이 제공된다. 이 방법은, (a) 전력선을 통해 흐르는 전력 주파수 전류를, 전력선으로부터 통신 신호를 결부시키는 유도성 커플러를 통해, 전력 주파수 전압으로 변환하는 단계, (b) 통신 신호로부터 전력 주파수 전압을 분리하는 단계, 및 (c) 전력 주파수 전압으로부터 전력 주파수 전류의 파라미터의 값을 결정하는 단계를 포함한다. 또한, 파라미터를 측정하는 시스템 및 장치가 제공된다.

도 1A는 전력선을 통해 흐르는 전류를 측정하도록 구성된 시스템을 나타내는 도.

도 1B는 도 1A의 시스템의 개략도.

도 1C는 도 1A의 시스템의 블록도로서, 통신 노드의 동작의 추가적인 설명을 제공하는 도.

도 2는 PLC 신호 및 전류 감지 전압 신호에 대해 별도의 케이블을 사용하는 시스템의 블록도.

도 3은 제1 전력선의 전류를 감지하고, 또한 제2 전력선의 전류를 감지하는 시스템의 블록도.

도 4는 전력선을 통해 흐르는 전류를 감지하도록 구성된 다른 시스템의 블록도.

도 5는 통신 노드의 일부의 개략도로서, 고역 통과 필터 및 저역 통과 필터의 구현례를 나타내는 도.

도 6은 도 4의 시스템의 일부의 개략도로서, 바이패스 모듈의 구현례를 나타내는 도.

도 7은 전력 전압의 위상을 기준으로 하여 중전압 전력선의 전류의 위상을 측정하는 시스템의 블록도.

도 8은 전력 분배 네트워크 내의 다양한 위치에서 전력 파라미터를 측정하도록 구성된 전력 분배 네트워크의 일부의 블록도.

유도성 커플러의 고주파수 동작에 부수적으로, 유도성 커플러의 2차 회로 출력은 분리되고 별도로 처리될 수 있는 고주파수 PLC 신호 및 전력 주파수 전류 감지 전압을 포함한다.

도 1A는 전력선(103)을 통해 흐르는 전류를 측정하도록 구성된 시스템(100)을 나타내는 도이고, 도 1B는 시스템(100)의 개략도이다. 시스템(100)은 유도성 커플러, 즉, 커플러(105) 및 통신 노드(112)를 포함한다.

커플러(105)는 관통하는 개구부(108)를 가지는 자기 코어, 즉, 코어(106)를 포함한다. 커플러(105)는 전류 변압기로서 동작하고, 전력선(103) 상에 위치함으로써 전력선(103)이 개구부(108)를 통해 라우팅되고 커플러(105)에 대해 1차 권선으로서 기능하도록 하는데, 이는 도 1B에 개략적으로 나타낸 1차 권선(102)과 같다.또한, 커플러(105)는 2차 권선(107)을 포함한다. 2차 권선(107)은 2차 권선쌍(110)으로서 총체적으로 나타내는 한 쌍의 유선(110a 및 110b)을 통해 통신 노드(112)에 연결된다.

전력선(103)은, (a) 전력 주파수 전류, 예를 들어, 13 kV의 전압 및 50 ~ 60 Hz의 주파수에서 200 A의 전류, 및 (b) PLC 신호(여기서는 데이터 신호라고도 함), 예를 들어, 1 MHz 내지 50 MHz의 범위의 주파수를 가지는 10 V 피크투피크(peak-to-peak) 신호를 전달한다. 커플러(105)는 전력선(103)과 2차 권선쌍(110)간에 코어(106)를 통해 신호를 유도적으로 결부시킨다. 더욱 구체적으로는, 커플러(105)는 전력선(103)과 2차 권선쌍(110)간에 PLC 신호를 양방향으로 결부시키고, 전력선(103)으로부터의 전력 주파수 전류 신호를 2차 권선쌍(110) 양단의 전력 주파수 전압으로 변환한다.

전력선(103)은 주파수 f를 가지는 전력 주파수 전류, 즉, I₁₀₁를 전달한다. 1차 권선(102)은 인덕턴스 Lp 및 리액턴스 Xp를 가지며, Xp는 다음과 같다.

Xp=2πfLp

코어(106)를 통과하는 전력선(103)의 리액턴스는 전력 주파수에서 10 mΩ보다 작다. Lp는 MHz 주파수에서의 동작과 관련한 다수의 문제 때문에 낮은 값을 갖 는다. 이는 통상 100 내지 1000의 범위인 고주파수 자기 코어의 상대적 투자율(relative permeability), 및 개구부(108)를 통해 한번만 통과하는 전력선(103)에 의해 나타내는 단일 회전 1차코일(single turn primary)을 포함한다. 예를 들어, f=60 Hz 및 Lp=3 μH에 대해 다음과 같다.

Xp=2πfLp=1.13 mΩ

I₁₀₁은 1차 권선(102)을 통해 흐르고, 옴의 법칙에 따라, 1차 권선(102) 양단의 1차 전압 강하 Vp의 크기는 다음과 같다.

Vp=Xp I₁₀₁

2차 전압, 즉, 전력 주파수 전압은 2차 권선(107)을 통해 유도된다. 2차 전압은, 전류 감지 전압 Vs 이라고도 불리우며, 1차 전압 강하 Vp에 비례하고, 다음과 같다.

Vs=k Vp

여기서, k는 커플러(105)에 대한 커플링 계수이다. Vs의 측정을 통해 다음과 같은 계산을 할 수 있다.

I₁₀₁=Vp/Xp=Vs/(k Xp)

트랜스어드미턴스(transadmittance) 정의는 다음과 같다.

Y=1/(k Xp)

I₁₀₁은 다음과 같이 계산될 수 있다.

I₁₀₁=Y Vs

코어 자기의 B-H 곡선은, 제로 전류로부터 어떤 값, 예를 들어, 200 A (amperes)에 이르는 일직선으로서 출발하고, 증가하는 포화 영역으로 진입함에 따라 기울기는 감소하기 시작한다. "낮은 전류(low current)"는 "굴곡부(knee)" 아래의 임의의 전류를 일컫는다. 낮은 전류에 대해, Y는 일정하다. 코어(106)는 I₁₀₁의 어떤 값 위에서 포화하기 시작하고, I₁₀₁가 증가함에 따라 Y을 감소시킨다. I₁₀₁에 대한 Y의 의존성은 측정될 수 있고, 다음 계산에서 보상될 수 있다.

I₁₀₁=Y Vs

포함된 크기값을 나타내기 위해, 전력 주파수 f=60 Hz, 및 1차 인덕턴스 Lp=1 μH를 가지는 커플러(105)를 고려한다. k=0.9라고 가정하면, 다음과 같다.

Xp=2πfLp

Xp=(2π)(60)(1μH)

Xp=377 μΩ

및

Y=1/(k Xp)

Y=1/(0.9(377μΩ))

Y=2950 모(mho).

I₁₀₁=200 A 전력선 전류에 대해, 다음과 같다.

Vs=k XpI₁₀₁

Vs=0.9*377μΩ*200 A

Vs=68 mV.

이 예제에서, 전류 측정 장치는 전류 감지 전압 68 mV을 수신하고, 상기 전류 감지전압에 트랜스어드미턴스 Y= 2950 모(mho) 를 곱하고, 전력선 전류 I₁₀₁=200 A를 계산할 것이다. 커플러(105)는, 그 트랜스어드미턴스를 통해, 전력선 전류를 전류 감지 전압으로 변환한다.

통신 노드(112)는 전류 감지 전압 Vs를 감지하는 모듈을 포함한다. 또한, 통신 노드(112)는 전류 감지 전압 Vs로부터 I₁₀₁를 계산하는 모듈을 포함하거나, 다른 방법으로서, 통신 노드(112)는 전류 감지 전압 Vs를 나타내는 데이터를 장치의 다른 부분으로 송신하여 I₁₀₁를 계산하도록 할 수 있다.

도 1C는 시스템(100)의 블록도이다. 통신 노드(112)는 필터 모듈(115), 모뎀(130), 데이터 프로세서(135), 아날로그 프로세서(140), RMS(root mean square) DC 컨버터(145) 및 아날로그 디지털 변환기(150)를 포함한다.

필터 모듈(115)은 고역 통과 필터(116) 및 저역 통과 필터(117)를 포함한다. 고역 통과 필터(116)는 PLC 신호를 통과시키고 전력 주파수 전압을 차단한다. 저역 통과 필터(117)는 전력 주파수 전압을 통과시키고 PLC 신호를 차단한다. 저역 통과 필터(117)는 필터링된 전류 감지 전압을 출력한다. 필터링된 전류 감지 전압은 전류 감지 전압 Vs와 본질적으로 동일하다.

모뎀(130)은 필터 모듈(115)에 연결되고, 특히 고역 통과 필터(116)에 연결된다. 또한, 모뎀(130)은 데이터 프로세서(135)에 연결된다. 모뎀(130)은 필터 모듈(115) 및 데이터 프로세서(135) 각각과 PLC 신호의 양방향 통신을 수행한다.

아날로그 프로세서(140)는 저역 통과 필터(117)로부터 필터링된 전류 감지 전압을 수신한다. 아날로그 프로세서(140)는 변압기 및/또는 증폭기(도시하지 않음)를 포함하고, 필터링된 전류 감지 전압을 스케일링한다. 아날로그 프로세서(140)는 스케일링된 전류 감지 전압을 출력한다.

RMS DC 컨버터(145)는 아날로그 프로세서(140)로부터 스케일링된 전류 감지 전압을 수신한다. 전류 감지 전압 Vs는 대략 사인파형의 전압이다. 전류의 측정에 대해, 관심대상인 파라미터는 전류의 제곱평균의 제곱근, 즉 RMS 값이다. RMS DC 컨버터(145)는 스케일링된 전류 감지 전압을 전류 감지 전압의 DC값으로 변환한다.

아날로그 디지털 컨버터(150)는 RMS DC 컨버터(145)로부터 전류 감지 전압을 수신하고, 전류 감지 전압을 디지털 출력, 즉, 전류 감지 데이터로 변환한다.

데이터 프로세서(135)는 아날로그 디지털 컨버터(150)로부터 전류 감지 데이터를 수신하고, I₁₀₁를 계산한다. 데이터 프로세서(135)는 I₁₀₁에 대한 값을 나타내는 데이터를 출력한다.

모뎀(130)은 데이터 프로세서(135)로부터 데이터를 수신하고, 데이터를 PLC 신호 상으로 변조하고, PLC 신호를 필터 모듈(115), 커플러(105) 및 전력선(103)을 통해 원격 감시 사이트(도 1C에 도시하지 않음)로 송신한다. 선택적으로는, 전류 감시 데이터 및/또는 I₁₀₁의 계산값은 통신 노드(112) 상의 데이터 포트(도시하지 않음) 또는 시각적 디스플레이(도시하지 않음)로 출력되어, 서비스 인원이 사이트 상의 선전류를 감시하도록 허용할 수 있다.

재검토해보면, 시스템(100)에서, 전력선(103)은 전력 주파수 전류를 전달한다. 커플러(105)는 전력선(103)으로부터 통신 신호를 결부시키는 유도성 커플러이고, 전력 주파수 전류를 전력 주파수 전압으로 변환한다. 통신 노드(112)에서, 필터 모듈(115)은 통신 신호로부터 전력 주파수 전압을 분리시키고, 프로세서(135)는 전력 주파수 전압으로부터 전력 주파수 전류의 파라미터의 값을 결정한다.

도 2는 PLC 신호 및 전류 감지 전압 신호에 대한 별도의 케이블을 사용하는 시스템(200)의 블록도이다. 시스템(200)은 저역 통과 필터(205) 및 통신 노드(212)를 포함한다. 통신 노드(212)는 통신 노드(112)와 유사하지만, 필터 모듈(115)을 포함하지 않는다. 커플러(105)로부터의 2차 권선쌍(110)은 모뎀(130) 및 저역 통과 필터(205)에 연결한다. 케이블(222)은 저역 통과 필터(205)를 아날로그 프로세서(140)에 연결한다.

저역 통과 필터(205)는 전력 주파수 전압을 통과시키고 PLC 신호를 차단한다. 저역 통과 필터(205)는 2차 권선쌍(110)을 통해 전류 감지 전압 Vs를 수신하고, 필터링된 전류 감지 전압을 케이블(222)로 출력한다. 따라서, 저역 통과 필터(205)는 PLC 신호로부터 전류 감지 전압 Vs를 분리시킨다.

아날로그 프로세서(140)는 필터링된 전류 감지 전압을 케이블(222)을 통해 수신하고, 통신 노드(112)에서와 같이, 필터링된 전류 감지 전압을 스케일링된 전류 감지 전압으로 변환한다.

모뎀(130), 데이터 프로세서(135), RMS DC 컨버터(145) 및 아날로그 디지털 컨버터(150)는 통신 노드(112)에서와 같이 동작한다.

도 3은 전력선(103)의 I₁₀₁를 감지하고 전력선(303)의 I₃₀₁를 감지하는 시스템(300)의 블록도이다. 시스템(300)은 전력선(103) 상의 커플러(105), 및 전력선(303) 상의 커플러(305)를 포함한다. 또한, 시스템(300)은 신호 결합기(320), 케이블(330), 2차 권선쌍(311), 저역 통과 필터(306), 케이블(323) 및 통신 노드(312)를 포함한다.

시스템(100)에서와 같이, 커플러(105)는, (a) 2차 권선쌍(110)과 전력선(103)간에 PLC 신호를 결부시키고, (b) 전력선(103)으로부터 전력 신호를 결부시키고, 2차 권선쌍(110) 양단에 존재하는 전류 감지 신호 Vs를 유도한다.

커플러(305)는 2차 권선쌍(311) 및 전력선(303)간에 PLC 신호를 결부시킨다. 또한, 커플러(305)는 전력선(303)으로부터 전력 신호를 결부시키고, 커플러(305)의 2차 권선쌍(도시하지 않음) 양단의 전력선(303)에 대한 전류 감지 전압을 유도한다. 전력선(303)에 대한 전류 감지 전압은 2차 권선쌍(311) 양단에 걸쳐 존재한다.

결합기(320)는 커플러(105)와 통신 노드(312)간에 PLC 신호를 결부시키고, 커플러(305)와 통신 노드(312)간에 PLC 신호를 결부시킨다. PLC 신호를 커플러(105 및 305)로부터 통신 노드(312)로 결부시킬 때, 결합기(320)는 PLC 신호를 결합하여 결합된 PLC 신호를 제공하고, 결부된 PLC 신호를 케이블(330) 상으로 출력한다. PLC 신호를 통신 노드(312)로부터 커플러(105 및/또는 305)로 결부시킬 때, 결합기(320)는 통신 노드(312)로부터 결합된 PLC 신호를 수신하고, PLC 신호를 커플러(105 및 305)로 라우팅한다. 2개의 커플러, 즉 커플러(105 및 305)의 사용은, 예를 들어, (a) 전자기 방출을 취소하도록, 동일한 3위상 피더(feeder)의 2개의 위상으로의 차별적인 연결을 제공하고, (b) 2개의 방향으로 진행하는 2개의 피더로 연결하는데 적합하다.

모뎀(130)은 PLC 신호의 양방향 통신을 위해 케이블(330)을 통해 결합기(320)에 연결된다. 모뎀(130), 데이터 프로세서(135), RMS DC 컨버터(145) 및 아날로그 디지털 컨버터(150)는 통신 노드(112)에서와 같이 동작한다.

저역 통과 필터(205)는 PLC 신호를 차단하고, 커플러(105)로부터의 전류 감지 전압을 통과시킨다. 저역 통과 필터(205)는 I₁₀₁에 대응하는 필터링된 전류 감지 전압을 출력한다.

저역 통과 필터(306)는 PLC 신호를 차단하고, 커플러(305)로부터의 전류 감지 전압을 통과시킨다. 저역 통과 필터(306)는 I₃₀₁에 대응하는 필터링된 전류 감지 전압을 출력한다.

아날로그 프로세서(340)는 케이블(222)을 통해 I₁₀₁에 대응하는 필터링된 전류 감지 전압을 수신하고, 케이블(323)을 통해 I₃₀₁에 대응하는 필터링된 전류 감지 전압을 수신한다. 아날로그 프로세서(340)는, 다수의 입력 신호를 처리하기 위해, 입력 회로의 일부로서 아날로그 멀티플렉서(도시하지 않음), 또는 다른 적당한 배열을 포함한다.

도 4는, 시스템(100)과 유사하게, 커플러(105) 및 통신 노드(112)를 포함하는 시스템(400)의 블록도이다. 통신 노드(112)는 시스템(100)에서 동작하는 바와 같이 시스템(400)에서 동작한다. 시스템(100)과는 대조적으로, 시스템(400)은 회로(405), 바이패스 모듈(415) 및 케이블(410)을 포함한다. 케이블(410)은 회로(405) 및 바이패스 모듈(415) 각각을 필터 모듈(115)에 연결한다.

회로(405)는 커플러(105)와 결합하여 동작하고 PLC 신호를 통과시키지만 전력 주파수 신호를 차단하는 회로를 나타낸다. 이러한 회로의 예는 서지(surge) 억제기 및/또는 임피던스 매칭 변압기를 포함한다.

회로(405)가 전력 주파수 신호를 차단하기 때문에, 바이패스 모듈(415)은 커플러(105)로부터 통신 노드(112)로 전력 주파수 신호에 대한 경로를 제공한다. 보다 구체적으로는, 바이패스 모듈(415)은 회로(405)의 둘레에서 전류 감지 전압을 커플러(105)로부터 케이블(410)로 라우팅한다. 회로(405)로부터의 PLC 신호 및 전류 감지 전압은, 회로(405)의 다운스트림(downstream) 측의 케이블(410) 상에서 멀티플렉싱된다. 바이패스 모듈(415)은 효과적인 저역 통과 필터이고, 회로(405)의 입력 또는 출력에서 PLC 신호에 상당한 영향을 주지 않는다. 필터 모듈(115)은 멀티플렉싱된 신호를 케이블(410)을 통해 수신하고, 고역 통과 필터(116) 및 저역 통과 필터(117)의 동작에 의해, PLC 신호 및 전류 감지 전압을 디멀티플렉싱한다.

도 5는 고역 통과 필터(116) 및 저역 통과 필터(117)의 구현례를 나타내는 통신 노드(112)의 일부의 개략도이다.

모뎀(130)은, 차례로, 1차 권선(515)을 포함하는 변압기(520)를 포함한다. 변압기(520)의 2차 권선은 모뎀(130) 내의 통신 회로에 연결된다.

고역 통과 필터(116)는 1차 권선(515)과 직렬로 위치한 커패시터(510)를 포함한다. 커패시터(515), 1차 권선(515) 및 모뎀 입력 임피던스 Zin(540)는 고역 통과 필터로서 함께 기능한다.

저역 통과 필터(117)는 초크(chokes)(525) 및 커패시터(530)를 포함한다. 초크(525)는 전류 감지 전압 신호(즉, 저주파수 신호)를 통과시키고, PLC 신호를 차단한다. 커패시터(530)는 임의의 잔류 고주파수 성분을 제거한다.

도 6은 바이패스 모듈(415)의 구현례를 나타내는 시스템(400)의 일부의 개략도이다. 여기서, 바이패스 모듈(415)은 초크(605), 변압기(615) 및 커패시터(625)를 포함하는 것으로 도시된다.

상술한 바와 같이, 회로(405)는 PLC 신호를 통과시키고, 전력 주파수 신호를 차단한다. 초크(605)는 (2차 권선쌍(110)으로부터) 변압기(615)의 1차 권선(610)으로의 전류 감지 전압 신호에 대한 낮은 임피던스 경로를 제공한다. 변압기(615)는 저주파수 변압기이고, 전류 감지 전압의 크기를 스케일링하여 아날로그 디지털 컨버터(140) 또는 RMS DC 컨버터(R.M.S.-to-DC coverter)(145)(도 1C 참조)의 입력 전압 범위를 매칭하도록 단일이 아닌 회전비(non-unity turns ratio)를 가질 수 있다. 변압기(615)의 2차 권선(620)은 회로(405)의 출력에서 PLC 신호를 전도시키는 선과 직렬로 연결된다. 이 배열은 PLC 신호 및 전류 감지 전압을 직렬로 연결하는데, 이로써 케이블(410)을 통한 멀티플렉싱 전송을 위해 PLC 신호 및 전류 감지 신호를 멀티플렉싱한다. 커패시터(625)는 ㎋의 범위의 값을 가지고, 단락 회로로서 동작하여 (고주파수) PLC 신호를 전도시키지만, (저주파수) 전류 감지 전압에는 개방 회로로서 동작한다. 따라서, 저주파수에서, 2차 권선(620)은 회로(405)의 출력과 직렬로 위치한다.

도 7은, 전력 전압의 위상을 기준으로 하여, 중전압 전력선의 전류의 위상을 측정하는 시스템(700)의 블록도이다. 시스템(700)은 커플러(105), 분배 변압기(702) 및 통신 노드(712)를 포함한다.

분배 변압기(702)는 전력선(103)으로부터의 전압을 더 낮은 전압으로 변압하고, 전력을 건물(740) 내 부하로 제공한다. 또한, 분배 변압기(702)는 저전압 전력선(725)을 통해 전력을 통신 노드(712)로 제공한다.

통신 노드(712)는 필터 모듈(115), 모뎀(130), 아날로그 프로세서(140), RMS DC 컨버터(145) 및 데이터 프로세서(135)를 포함하며, 이들 모두는 상술한 바와 같이 동작한다. 통신 노드(712)는 위상 검출기(730) 및 아날로그 디지털 컨버터(750)를 더 포함한다.

위상 검출기(730)는 기준 위상에 대해 I₁₀₁의 위상을 결정한다. 보다 구체적으로는, 위상 검출기(730)는 저전압 전력선(725)으로부터 도출되는 기준 전압을 수신하고, 아날로그 프로세서(140)의 출력으로부터 증폭된 전류 감지 전압을 수신한다. 위상 검출기(730)는 저전압 전력선(725)으로부터 도출되는 기준 전압과, 아날로그 프로세서(140)의 출력으로부터의 증폭된 전류 감지 전압간의 위상 관계에 기 초하여 I₁₀₁의 위상을 결정한다. 위상 검출기(730)는 저전압 전력선(725)으로부터 도출되는 기준 전압의 위상에 대해 I₁₀₁의 위상을 나타내는 전압을 출력한다.

아날로그 디지털 컨버터(750)는 2개의 입력, 즉 (a) 위상 검출기(730)로부터의 입력, 즉, I₁₀₁의 위상을 나타내는 전압, 및 (b) RMS DC 컨버터(145)로부터의 입력, 즉, 전류 감지 전압의 DC값을 가진다. 아날로그 디지털 컨버터(750)는 2개의 입력 각각을 디지털 형식으로 변환하고, 위상 데이터 및 전류 감지 데이터를 출력한다.

데이터 프로세서(235)는 아날로그 디지털 컨버터(750)로부터 위상 데이터 및 전류 감지 데이터를 수신하고, 위상 데이터 및 전류 감지 데이터를 모뎀(130)으로 보낸다.

모뎀(130)은 위상 데이터 및 전류 감지 데이터를 PLC 신호로 변조하고, PLC 신호를 필터 모듈(115), 커플러(105) 및 전력선(103)을 통해 다른 통신 노드(도 7에 도시하지 않음)로 전송하는데, 상기 다른 통신노드는, 전력선(103)이 그 일부인 전력선 그리드(grid) 상에서 다른 커플러(도 7에 도시하지 않음)에 의해 연결된 것이다. 또한, 이 정보는, 통신 노드(712)가 위치한 사이트에서 서비스를 제공하는 인원을 위해, 통신 노드(712) 상에 설치되거나 또는 인접한 디스플레이 또는 데이터 포트(2개 모두 도시하지 않음)에 존재할 수 있다.

도 8은 전력 분배 네트워크(800) 내의 다양한 위치에서 전력 파라미터를 측정하도록 구성된 전력 분배 네트워크(800)의 일부의 블록도이다. 전력 분배 네트워 크(800)는 3위상 중전압 전력선, 즉, 전력선(825), 커플러(805, 815 및 830), 통신 노드(840, 845 및 850) 및 감시 시스템(855)을 포함한다.

커플러(805, 815 및 830) 각각은 커플러(105)와 유사하다. 통신 노드(840, 845 및 850) 각각은 통신 노드(712)와 유사하다. 커플러(805)는 위치(815)에 위치하고, 통신 노드(840)에 연결된다. 커플러(815)는 위치(820)에 위치하고, 통신 노드(845)에 연결된다. 커플러(830)는 위치(835)에 위치하고, 통신 노드(850)에 연결된다. 또한, 감시 시스템(855)은 통신 노드(850)에 연결된다.

분배 변압기(837)는 전력선(825)의 위상선으로부터의 전압을 더 낮은 전압으로 변압하고, 전력을 건물(852) 내 부하로 제공한다. 또한, 분배 변압기(837)는 전력을 통신 노드(840)로 제공한다. 통신 노드(845 및 850)는 다른 분배 변압기(도시하지 않음)에 의해 유사하게 전력이 공급된다.

커플러(805) 및 통신 노드(840)는 함께 동작하여 위치(810)에서 전류, 위상 및 전압을 감지한다. 통신 노드(840)는 위치(810)에 대해 감지된 값을, PLC 신호로서, 커플러(805), 전력선(825), 커플러(830) 및 통신 노드(850)를 통해 감시 시스템(855)으로 주기적으로 송신한다.

커플러(815) 및 통신 노드(845)는 함께 동작하여 위치(820)에서 전류, 위상 및 전압을 감지한다. 통신 노드(845)는 위치(820)에 대해 감지된 값을, PLC 신호로서, 커플러(805), 전력선(825), 커플러(830) 및 통신 노드(850)를 통해 감시 시스템(855)으로 주기적으로 송신한다.

커플러(830) 및 통신 노드(850)는 함께 동작하여 위치(835)에서 전류, 위상 및 전압을 감지한다. 통신 노드(850)는 위치(835)에 대해 감지된 값을 감시 시스템(855)으로 주기적으로 보고한다.

감시 시스템(855)은 중앙 제어 위치, 즉, 서브스테이션(substation)에 위치한다. 감시 시스템(855)은 각 위치(810, 820 및 835)에 관하여 감지된 데이터를 수신하고, 전력 분배 네트워크(800) 전체에 걸쳐서 전류 및 다른 전기적 파라미터의 시스템 규모 픽쳐(system-wide picture)를 전개해 나간다. 감시 시스템(855)은, 디스플레이, 분석 장치, 기록 장치 및 경고 시스템을 포함함으로써, 사용 인원이 전력 분배 시스템(800)의 동작을 감시하고, 정전이 발생하면 정전 위치를 신속하게 찾아내서 제거하여, 신뢰성을 향상시키고 전력 분배 시스템(800)의 그리드 유지의 전체 비용을 감소시키도록 한다.

커플러(805)는 전력선(825)의 저위상선(lower phase line)에 부착되고, 커플러(830)는 전력선(825)의 중위상선(middle phase line)에 부착된다. PLC 신호는, 하나의 위상으로부터 다른 위상으로 결부되어, 커플러가 위치한 위상선의 통신이 상대적으로 독립되게 한다.

여기서는 감지한다는 것을, 커플러가 부착된 전력선 상에서 파라미터를 감지하는 것으로서 설명하였지만, 자급식(self-contained)의 종래 전류 센서(도시하지 않음)를 다른 위상에 부착시키고, 상기 전류 센서의 디지털 출력을, 통신 노드(840)와 같은, 통신 노드 상의 포트(도시하지 않음)에 부착시키고, 감시 시스템(855)에 좀 더 완전한 데이터 세트를 제공하는 것이 가능하다. 유사하게는, 자급식의 종래의 전압 센서들이 저전압 또는 중전압 전력선들에 부착될 수 있고, 그들 의 디지털 데이터가 감시 시스템(855)에 제공될 수 있다. 따라서, 사용 회사가 어떤 중대한 전기적 극점(electric pole)에서 모든 전류 및 전압의 완전한 픽쳐를 필요로 하면, 사용 회사는 다른 선들에 통상적으로 사용하는 타입의 센서를 부착시킬 수 있고(그렇지 않으면, 통신 노드(840, 845 및 850)에 의해 감지되지 않음), 알맞게 위치한 통신 노드(840, 845 또는 850)는 이러한 외부 데이터 소스들에 대해 디지털 데이터 릴레이로서 기능할 수 있다.

비록 여기서 설명된 수 개의 시스템들이 전력선 파라미터의 감지와 결합하여 양방향 데이터 통신을 제공하는 것으로서 설명하였지만, 그러한 경우가 아닐 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 시스템(100)에서, 통신 노드(112)가 I₁₀₁를 측정할 때 전력선(103) 상에 PLC 신호가 존재하지 않을 수 있다. 따라서, I₁₀₁를 측정할 때, 커플러(105)를 통해 전력선(103)으로부터 결부되는 신호는 전력 주파수 신호만을 포함하고, PLC 신호를 포함하지 않을 수 있다. 또한, 전력선(103) 상에 PLC 신호가 존재하는지 여부에 관계없이, 통신 노드(112)는 양방향 통신을 위해 구성될 필요는 없지만, 대신에 커플러(105)를 통한 PLC 통신만을 위해 구성될 수 있다. 이와 같이, 통신 노드(112)는 전력 주파수 신호를 감지하고, 감지된 신호를, PLC 신호로서, 커플러(105)를 통해 원격 감시 스테이션으로 송신할 수 있다. 또한, 통신 노드(112)는, 커플러(105)를 통한 임의의 PLC를 위해 구성될 필요는 없다. 예를 들어, 통신 노드(112)는, 임의의 데이터를 임의의 다른 장치로 송신할 필요없이, 통신 노드(112)의 국부적인 인터페이스를 통해, 감지하고 처리하고 결과를 제공할 수 있다.

중전압 전력선 또는 고전압 전력선 상의 전류의 크기 및/또는 위상을 측정하고 측정치를 통신하는 시스템은, 측정 회로로부터 치명적인 전압을 바람직하게 분리시키고, 이러한 선 상에서 일상적으로 발생하는 서지(surges)를 방지한다. 여기서 설명된 시스템은 전류 측정 및 통신을 모두 제공할 수 있는 유도성 커플러를 포함하므로, 측정된 데이터는 분석, 경고, 기록 및 오류 검출을 위해 중앙 포인트로 용이하게 수집된다.

본 발명의 다양한 실시예들을 개시하였지만, 당업자에게는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 이점을 달성할 수 있는 다양한 변화 및 변형이 이루어질 수 있다는 것은 명백하다. 예를 들어, 고역 통과 필터(116), 저역 통과 필터(117) 및 바이패스 모듈(415)은 이산적 구성요소(즉, 이산적 커패시터 및 이산적 인덕터)로 구현되는 것으로 설명하였지만, 각각의 동작이 디지털 신호 처리에 의해 수행되는 디지털 회로로서 구현될 수 있다. 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 범위 내에서 모든 변화 및 변형을 포함하도록 의도된 것이다.

Claims

전력선을 통해 흐르는 전력 주파수 전류를, 상기 전력선으로부터 통신 신호를 결부시키는 유도성 커플러를 통해 전력 주파수 전압으로 변환하는 단계;

상기 통신 신호로부터 상기 전력 주파수 전압을 분리하는 단계;

상기 전력 주파수 전압으로부터 상기 전력 주파수 전류의 파라미터의 값을 결정하는 단계;

상기 파라미터의 값을 합성 통신 신호 상으로 변조시키는 단계; 및

상기 합성 통신 신호를 상기 유도성 커플러를 통해 상기 전력선에 결부시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력선을 통해 흐르는 전류를 감지하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 유도성 커플러는,

(a) 관통하는 개구부를 가지는 자기 코어로서, 상기 전력선은 상기 개구부를 통해 라우팅되고 상기 유도성 커플러에 대해 1차 권선으로서 기능하는 자기 코어; 및

(b) 상기 자기 코어의 일부를 둘러싸는 2차 권선으로서, 상기 전력 주파수 전압은 상기 2차 권선 양단에 유도되는 2차 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력선을 통해 흐르는 전류를 감지하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 분리하는 단계는,

상기 통신 신호를 차단하는 필터를 통해 상기 전력 주파수 전압을 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력선을 통해 흐르는 전류를 감지하는 방법.
제3항에 있어서,

상기 통신 신호는 상기 통신 신호를 통과시키고 상기 전력 주파수 전압을 차단하는 회로로 라우팅되고,

상기 방법은,

상기 회로의 둘레에 상기 전력 주파수 전압을 라우팅하는 단계;

상기 회로의 다운스트림(downstream) 측으로 상기 전력 주파수 전압 및 상기 통신 신호를 함께 멀티플렉싱함으로써, 멀티플렉싱된 신호를 제공하는 단계; 및

상기 파라미터의 값을 결정하는 단계 전에, 상기 멀티플렉싱된 신호를 디멀티플렉싱하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력선을 통해 흐르는 전류를 감지하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 전력 주파수 전압은 50 ~ 60 Hz의 범위의 주파수를 가지고, 상기 통신 신호는 1 MHz보다 큰 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는, 전력선을 통해 흐르는 전류를 감지하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 파라미터는 (a) 상기 전력 주파수 전류의 크기, 및 (b) 기준 위상에 대한 상기 전력 주파수 전류의 위상을 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 전력선을 통해 흐르는 전류를 감지하는 방법.
삭제
제1항에 있어서, 상기 유도성 커플러는,

(a) 관통하는 개구부를 가지는 자기 코어로서, 상기 전력선은 상기 개구부를 통해 라우팅되고 상기 유도성 커플러에 대해 1차 권선으로서 기능하는 자기 코어; 및

(b) 상기 자기 코어의 일부를 둘러싸는 2차 권선으로서, 결부된 신호가 상기 2차 권선 양단에 유도되는 2차 권선을 포함하며,

상기 분리하는 단계는, 상기 통신 신호를 차단하는 필터를 통해 상기 전력 주파수 전압을 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력선을 통해 흐르는 전류를 감지하는 방법.
(a) 전력선으로부터 통신 신호를 결부시키고, (b) 상기 전력선을 통해 흐르는 전력 주파수 전류를 전력 주파수 전압으로 변환하는 유도성 커플러;

상기 통신 신호로부터 상기 전력 주파수 전압을 분리시키는 필터;

상기 전력 주파수 전압으로부터 상기 전력 주파수 전류의 파라미터의 값을 결정하는 프로세서; 및

상기 파라미터의 값을 합성 통신 신호로 변조하는 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템으로서,

상기 시스템은 상기 합성 통신 신호를 상기 유도성 커플러를 통해 상기 전력선으로 결부시키는 것을 특징으로 하는, 전력선을 통해 흐르는 전류를 감지하는 시스템.
제9항에 있어서, 상기 유도성 커플러는,

(a) 관통하는 개구부를 가지는 자기 코어로서, 상기 전력선은 상기 개구부를 통해 라우팅되고 상기 유도성 커플러에 대해 1차 권선으로서 기능하는 자기 코어; 및

(b) 상기 자기 코어의 일부를 둘러싸는 2차 권선으로서, 상기 전력 주파수 전압으로부터의 상기 전력 주파수 전류의 파라미터의 값은 상기 2차 권선 양단에 걸쳐 유도되는 2차 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력선을 통해 흐르는 전류를 감지하는 시스템.
제9항에 있어서,

상기 필터는 상기 전력 주파수 전압을 통과시키고 상기 통신 신호를 차단하는 것을 특징으로 하는, 전력선을 통해 흐르는 전류를 감지하는 시스템.
제11항에 있어서,

상기 통신 신호는 상기 통신 신호를 통과시키고 상기 전력 주파수 전압을 차단하는 회로로 라우팅되며,

상기 시스템은,

상기 회로의 둘레에 상기 전력 주파수 전압을 라우팅하는 바이패스 모듈;

상기 회로의 다운스트림(downstream) 측으로 상기 전력 주파수 전압 및 상기 통신 신호를 함께 멀티플렉싱하여, 멀티플렉싱된 신호를 제공하는 배열(arrangement); 및

상기 프로세서가 상기 파라미터의 값을 결정할 수 있도록 상기 멀티플렉싱된 신호를 디멀티플렉싱하는 배열을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력선을 통해 흐르는 전류를 감지하는 시스템.
제9항에 있어서,

상기 전력 주파수 전압은 50 ~ 60 Hz의 범위의 주파수를 가지고, 상기 통신 신호는 1 MHz보다 큰 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는, 전력선을 통해 흐르는 전류를 감지하는 시스템.
제9항에 있어서,

상기 파라미터는 (a) 상기 전력 주파수의 크기, 및 (b) 기준 전압에 대한 상기 전력 주파수 전류의 위상으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 전력선을 통해 흐르는 전류를 감지하는 시스템.
삭제
제9항에 있어서, 상기 유도성 커플러는,

(a) 관통하는 개구부를 가지는 자기 코어로서, 상기 전력선은 상기 개구부를 통해 라우팅되고 상기 유도성 커플러에 대해 1차 권선으로서 기능하는 자기 코어; 및

(b) 상기 자기 코어의 일부를 둘러싸는 2차 권선으로서, 결부된 신호가 상기 2차 권선 양단에 걸쳐 유도되는 2차 권선을 포함하며,

상기 필터는 상기 전력 주파수 전압을 통과시키고 상기 통신 신호를 차단하는 것을 특징으로 하는, 전력선을 통해 흐르는 전류를 감지하는 시스템.
전력 주파수 전류를 전달하는 전력선에 유도성 커플러를 통해 결부되는 통신 신호로부터 전력 주파수 전압을 분리하는 필터;

상기 전력 주파수 전압으로부터 상기 전력 주파수 전류의 파라미터의 값을 결정하는 프로세서; 및

상기 유도성 커플러를 통해 상기 전력선에 결부시키기 위해, 상기 파라미터의 값을 합성 통신 신호로 변조시키는 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력선을 통해 흐르는 전류를 감지하는 장치.
제17항에 있어서,

상기 필터는 상기 전력 주파수 전압을 통과시키고 상기 통신 신호를 차단하는 것을 특징으로 하는, 전력선을 통해 흐르는 전류를 감지하는 장치.
제17항에 있어서,

상기 전력 주파수 전압은 50 ~ 60 Hz의 범위의 주파수를 가지고, 상기 통신 신호는 1 MHz보다 큰 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는, 전력선을 통해 흐르는 전류를 감지하는 장치.
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