KR101322237B1 - 5차 고조파 분석을 이용한 분전반 전력 품질 측정기 - Google Patents

5차 고조파 분석을 이용한 분전반 전력 품질 측정기 Download PDF

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Abstract

3상 4선식 계통 또는 단상 계통의 분전반의 각 분기로에서 입력되는 전류신호에 대하여 전류의 양을 감소시키는 변류기(Current Transformer), 상기 변류기로부터 입력되는 상기 전류신호에 대하여 고조파 분석을 수행한 후 5차 고조파의 전류레벨 또는 5차 고조파의 전압레벨을 레지스터에 저장하는 전력품질측정용 디지털신호처리기(Digital Signal Processor), 상기 디지털신호처리기로부터 상기 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨을 수신하고 이것을 미리 설정된 기준값과 비교하고, 그러한 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨이 상기 기준값보다 큰 경우에는 전력품질에 장애가 있는 것으로 판단하는 마이크로프로세서를 포함하는 5차 고조파 분석을 이용한 분전반 전력 품질 측정기가 개시된다. 본 발명의 분전반 전력 품질 측정기는 5차 고조파 분석에 의하여 전력품질에 장애가 있는지 여부를 판단하므로 간단하면서 효율적으로 전력 품질을 측정할 수 있다.

Description

5차 고조파 분석을 이용한 분전반 전력 품질 측정기{Device For Measuring The Electric Power Quality Of Cabinet Panel Using The 5th Harmonic Frequency Analysis}
본 발명은 분전반 전력 품질 측정기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 5차 고조파 분석에 의하여 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨을 얻고, 이것을 미리 설정된 기준값과 비교하여 기준값보다 큰 경우에는 전력품질에 장애가 있는 것으로 판단함으로써 간단하면서 효율적으로 전력 품질을 측정할 수 있는 분전반 전력 품질 측정기에 관한 것이다.
전기설비의 성능저하, 소음, 진동 등의 장애현상이 발생하는 원인 중 가장 큰 원인은 전력의 고조파이다. 그러나 지금까지는 고조파 측정이 어려워 무효전력 성분이나 왜률 등을 평가하여 전력 품질을 평가해 왔다. 이런 성분들은 고조파 발생으로 인해 나타나는 현상이므로 고조파를 측정하지 않고는 보다 정확한 전력 품질 열화의 원인을 파악하기 어렵다.
이와 유사한 전력 품질 평가 방법은 특허공개 제2010-0049412호(2010. 05. 12. 공개), 특허등록 제1043096호(2011. 06. 14. 등록), 특허등록 제1035702호(2011.05.12. 등록), 특허등록 제1144276호(2012. 05. 02. 등록), 특허등록 제0637805호(2006. 10. 17. 등록), 특허등록 제1098505호(2011. 12. 19. 등록), 특허등록 제0536516호(2005. 12. 07. 등록), 특허등록 제0313830호(2001. 10. 24. 등록), 특허등록 제1015798호(2011. 02. 11. 등록) 등에서 찾을 수 있다. 이 특허문헌들에 의하여 제시된 방법은 그 과정이 복잡하고 또한 고성능의 장비가 요구된다는 단점이 있었다.
한편, 특허등록 제1138430호(2012. 04. 13. 등록)는 영상 고조파 저감장치에 의하여 중성선에 흐르는 전류의 상태를 감지하고 표시하여 줌으로써 안전사고를 예방할 수 있고, 중성선에 과도한 영상 고조파 전류가 흐르는 것을 효율적으로 방지함으로써 부하 측에 안정적인 전력을 공급할 수 있는 영상 고조파 필터링 시스템을 제공한다. 이 특허는 중성선에서 영상 고조파 전류의 양을 측정하여 영상 고조파 저감장치의 용량 이상인지를 감지하여 영상 고조파 저감장치의 전류 유입/차단을 결정하는 것이지만, 기본적으로는 유입된 영상 고조파 전류의 양을 저감시키는 것이다.
본 발명자는 일반적으로 전력계통에서 발생하는 고조파 중에서 5차 고조파 성분이 가장 크고, 전력계통의 장애에 가장 큰 영향을 미친다는 사실을 인식하였고, 이러한 인식에 의거하여 본 발명에 이르게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 5차 고조파 분석에 의하여 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨을 얻고, 이것을 미리 설정된 기준값과 비교하여 기준값보다 큰 경우에는 전력품질에 장애가 있는 것으로 판단함으로써 간단하면서 효율적으로 전력 품질을 측정할 수 있는 분전반 전력 품질 측정기를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 분전반 전력 품질 측정기는 3상 4선식 계통 또는 단상 계통의 분전반의 각 분기로에서 입력되는 전류신호에 대하여 전류의 양을 감소시키는 변류기(Current Transformer), 상기 변류기로부터 입력되는 상기 전류신호에 대하여 고조파 분석을 수행한 후 5차 고조파의 전류레벨 또는 5차 고조파의 전압레벨을 레지스터에 저장하는 전력품질측정용 디지털신호처리기(Digital Signal Processor), 상기 디지털신호처리기로부터 상기 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨을 수신하고 이것을 미리 설정된 기준값과 비교하고, 그러한 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨이 상기 기준값보다 큰 경우에는 전력품질에 장애가 있는 것으로 판단하는 마이크로프로세서를 포함한다.
상기 분전반 전력 품질 측정기는 메모리를 더 포함하고, 또한 디스플레이장치 또는 통신부를 더 포함하며, 상기 마이크로프로세서는 상기 디지털신호처리기로부터 수신한 상기 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨을 일정시간 간격으로 상기 메모리에 저장하고, 상기 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨을 상기 디스플레이장치에 출력하거나 상기 통신부를 통하여 외부장치로 송신하는 것이며, 상기 마이크로프로세서는 또한 상기 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨에 의하여 전력품질에 장애가 있는 것으로 판단할 경우에는 경보를 발령하는 것이 바람직하다.
본 발명의 분전반 전력 품질 측정기는 5차 고조파 분석에 의하여 전력품질에 장애가 있는지 여부를 판단하므로 간단하면서 효율적으로 전력 품질을 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 분전반 전력 품질 측정기의 전체 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 분전반 전력 품질 측정기에서 각 분전반 로거의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 분전반 전력 품질 측정기에서 컨트롤러의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 전압에 대한 기본파와 고조파 전압과의 관계를 나타낸 그래프이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 분전반 전력 품질 측정기(10)는 분전반에 형성된 복수개의 분기로 로거(100)를 포함한다. 이러한 복수개의 분기로 로거(100)는 하나의 컨트롤러(200)에 전기적으로 접속한다. 컨트롤러는 외부장치로서 어떤 컴퓨터(300)에 유선 또는 무선 통신에 의하여 연결될 수 있다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 각 분전반 로거(100)에는 3상 4선식 전력계통의 전력 신호, 즉 A상, B상, C상 그리고 중성선에 N상 전력신호가 입력된다. 전력신호는 전류 입력과 전압 입력으로 구분될 수 있다. 이러한 신호들은 각각 변류기(CT)(110)를 거친 후 전력품질측정용 디지털신호처리기(120)로 입력된다. 변류기(110)는 각 분기로 로거(100)로 입력되는 전류신호에 대하여 전류의 양을 감소시키는 것이다. 디지털신호처리기(120)는 변류기(110)로부터 입력되는 전류신호에 대하여 고조파 분석을 수행한 후 5차 고조파의 전류레벨을 레지스터에 저장하거나 입력되는 전압신호에 대하여 고조파 분석을 수행한 후 5차 고조파의 전압레벨을 레지스터에 저장하는 것이다. 여기에서, 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨은 교류 전류 또는 전압의 실효치로 설정하는 것이 바람직하지만, 편의에 따라 최고값으로 설정할 수도 있다.
본 발명에서 고조파 측정은 디지털신호처리기에 의하여 입력된 전류를 FFT(Fast Fourier Transform)하여 기본파에 함유된 고조파를 분석할 수 있다. 디지털신호처리기로 입력되는 신호는 디지털신호이며, 도면에서는 A/D 컨버터가 생략되어 있다. 본 발명에서는 디지털신호처리기로서, 2011년 10월에 출시된 아날로그 디바이스사의 ADE7880칩을 이용한 고조파 측정회로가 사용될 수 있다. ADE7880칩은 아날로그 디바이스사가 독자 개발한 ARTM(Adaptive Real Time Monitoring) 고조파 분석 기술이 처음으로 적용되어 고조파 측정의 정밀도를 향상시켰는데, 어떤 상을 분석할 때 다음 측정값을 계산할 수 있다. 즉, 기본상전류, 기본상전압, 3개까지의 상실효전류, 3개까지의 상실효전압, 기본상유효전력, 기본상피상전력, 3개까지의 고조파 유효전력, 3개까지의 고조파 무효전력, 3개까지의 고조파 피상전력, 3개까지의 고조파 역률, 상전류의 총고조파율(Total Hormonic Distortion), 상전압의 총고조파율, 3개까지의 상전류 n차 고조파율, 및 3개까지의 상전압 n차 고조파율이 계산될 수 있다. 또한 3상전류의 합과 중성전류가 분석될 때 다음 측정값이 계산될 수 있다. 즉, 기본RMS와 2개까지의 고조파 또는 3개까지의 고조파 그리고 분석된 고조파의 고조파 왜율이 계산될 수 있다. ADE7880칩을 사용하여 고조파 분석을 하는 경우에는 한국에서 사용하는 60Hz의 주파수에 대해서는 최대 46차 고조파까지 분석할 수 있다.
디지털신호처리기(120)에 의하여 생성된 5차 고조파 전류레벨 또는 전압레벨은 컨트롤러(200)의 마이크로프로세서(210)로 전송된다. 마이크로프로세서(210)는 수신한 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨을 미리 설정된 기준값과 비교하고, 그것이 기준값보다 큰 경우에는 전력품질에 장애가 있는 것으로 판단한다.
본 발명에서 5차 고조파 신호의 실효값을 미리 설정된 값과 비교하여 전력계통의 장애 여부를 판단하는 이유는 일반적으로 전력계통에서 발생하는 고조파 중에서 5차 고조파 성분이 가장 크고, 전력계통의 장애에 가장 큰 영향을 미친다는 사실에 근거하는 것이다. 5차 고조파 성분 다음으로 크게 나타나는 것은 3차 고조파 성분이며, 11차 고조파의 레벨도 인접 고조파에 비해 크게 나타나는 특성이 있다.
구체적인 예로서, 단상 전력을 사용하는 히터에 전력을 공급하여 작동시켰을 때, 도 4에 도시된 바와 같이, 전압의 고조파 성분들은 기본파에 비해 매우 작음을 알 수 있으며, 이 중에서 5차 고조파 성분의 실효치가 가장 크다는 것을 확인할 수 있다. 그 다음으로 3차 고조파 성분의 실효치가 크다는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명은 전력계통에 있어서, 고조파 성분들의 이러한 특성을 이용하여 고조파 성분들에 대한 주파수 스펙트럼 분석을 하거나 무효전력 또는 왜율 등을 평가하여 전력품질을 평가하는 것보다 매우 간단하면서 효율적이고 또한 정확한 전력 품질 평가를 달성할 수 있게 해준다.
한편, 전류의 고조파 성분들에 대해서는, 정상적인 상태에서는 3차 고조파 성분의 실효치가 가장 크게 나타나지만, 부하에 장애가 생겨 왜곡이 발생하면 5차 고조파는 다른 고조파에 비해 진폭이 급속하게 커진다. 따라서, 전류의 고조파 성분들에 대해서도 부하 장애로 인한 왜곡이 발생한 경우에는 전압의 고조파 성분들에 대해서와 동일하게 5차 고조파 성분의 진폭이 가장 커지게 되므로, 전압과 전류 모두에 대하여 5차 고조파 성분의 크기를 측정하고 그것을 기준값과 비교함으로써 전력 품질을 간단하게 측정할 수 있게 된다.
본 발명에서 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨과 비교되는 미리 설정된 기준값은 실험에 의하여 적절하게 설정될 수 있으며, 예를 들어, 기본파의 값에 대하여 1~5%의 범위에서 적절하게 설정될 수 있다. 정상적일 때 5차 고조파 성분의 진폭은 기본파의 1% 이내에 있다가 전력에 왜곡이 발생하게 되면 5차 고조파 성분은 급속하게 커져서 기본파의 레벨 수준까지도 커지게 된다.
한편, 컨트롤러(200)는 마이크로프로세서(210) 이외에도 메모리(220), 디스플레이장치(230) 및 통신모듈(240)을 더 포함할 수 있다. 마이크로프로세서(210)는 디지털신호처리기(120)에게 일정시간 간격으로 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨을 전송하도록 요구하고, 그리하여 수신한 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨을 일정시간 간격으로 메모리(220)에 저장하고, 디스플레이장치(230)에 출력하며, 또한 통신모듈(240)을 통하여 외부장치, 즉 컴퓨터(300)로 전송한다. 또한 마이크로프로세서(210)는 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨에 의하여 전력품질에 장애가 있는 것으로 판단할 경우에는 경보를 발령한다. 경보는 스피커에 의한 소리, 디스플레이장치에 의한 발광, 그 밖의 다른 형식으로 마이크로프로세서(210)에 의하여 생성되는 것이지만, 대안적으로 외부장치, 즉 컴퓨터(300)에서 생성될 수도 있다.
상기한 본 발명의 분전반 전력 품질 측정기에 의하면, 전력품질측정용 디지털신호처리기에 의하여 5차 고조파 신호의 전류 실효치 또는 전압 실효치를 일정시간 간격으로 산출하고, 이것을 설정된 기준값과 비교함으로써 전력계통의 장애 여부를 판단하므로 전력품질측정을 간단하고 효율적으로 수행할 수 있게 된다. 또한 본 발명에 의하면, 고조파 발생원인을 실시간으로 파악할 수 있어 전력 품질을 향상시키기 위하여 즉각적으로 대응할 수 있게 된다.
100: 분기로 로거 110: 변류기(CT)
120: 전력품질측정용 디지털신호처리기 200: 컨트롤러
210: 마이크로프로세서 220: 메모리
230: 디스플레이 240: 통신모듈
300: 외부 컴퓨터

Claims (2)

  1. 3상 4선식 계통 또는 단상 계통의 분전반의 각 분기로에서 입력되는 전류신호에 대하여 전류의 양을 감소시키는 변류기(Current Transformer), 상기 변류기로부터 입력되는 상기 전류신호에 대하여 고조파 분석을 수행한 후 5차 고조파의 전류레벨 또는 5차 고조파의 전압레벨을 레지스터에 저장하는 전력품질측정용 디지털신호처리기(Digital Signal Processor), 상기 디지털신호처리기로부터 상기 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨을 수신하고 이것을 미리 설정된 기준값과 비교하고, 상기 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨이 상기 기준값보다 큰 경우에는 전력품질에 장애가 있는 것으로 판단하는 마이크로프로세서를 포함하는 5차 고조파 분석을 이용한 분전반 전력 품질 측정기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분전반 전력 품질 측정기는 메모리를 더 포함하고, 또한 디스플레이장치 또는 통신부를 더 포함하며, 상기 마이크로프로세서는 상기 디지털신호처리기로부터 수신한 상기 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨을 일정시간 간격으로 상기 메모리에 저장하고, 상기 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨을 상기 디스플레이장치에 출력하거나 상기 통신부를 통하여 외부장치로 송신하는 것이며, 상기 마이크로프로세서는 또한 상기 5차 고조파의 전류레벨 또는 전압레벨에 의하여 전력품질에 장애가 있는 것으로 판단할 경우에는 경보를 발령하는 것임을 특징으로 하는 5차 고조파 분석을 이용한 분전반 전력 품질 측정기.
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