KR101366760B1 - 전력선 위상 판별 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력선상의 임의의 지점과 기준점과의 위상차를 통하여 위상을 판별할 수 있으며, 특정 주파수와 겹치는 주파수의 노이즈가 포함된 경우 특정 주파수를 변경함으로써 위상 판별의 정확도 및 신뢰도를 향상시킬 수 있으며, 원거리에 있어서도 안정적인 위상 판별이 가능한 전력선 위상 판별 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명인 전력선 위상 판별 장치는 전력선상의 기준점에 설치되어 전압 신호의 영(Zero)전위 시점을 감지하고, 상기 영전위 시점에 특정 주파수 신호를 송출하는 송신기; 및 상기 전력선상의 임의의 지점에 설치되어 상기 전압 신호 및 특정 주파수 신호를 수신하고 상기 영전위 시점을 기준으로 하여 일정 시간간격으로 샘플링하며, 샘플링 신호에서 상기 특정 주파수 신호의 크기를 비교하여 상기 임의의 지점의 위상을 판별하는 수신기를 포함한다.

Description

전력선 위상 판별 장치 및 방법 {AN APPARATUS AND METHOD FOR IDENTIFYING POWER-LINE PHASE}
본 발명은 3상 4선식의 전력선 상에서 특정 주파수를 갖는 신호의 크기를 샘플링 시점에 따라 비교하여 임의의 지점에서의 위상을 판별하기 위한 전력선 위상 판별 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전력배전망은 발전소에서 발전된 전기를 수용가로 송전하기 위해 사용된다. 현재 대한민국의 전력 배전망은 발전소에서 154kv로 송전하고 다시 변전소에서 22.9kv로 감압하여, 최종적으로는 220V 또는 110V로 감압되어 수용가로 송전되고 있다. 또한, 현재 대한민국의 전력 배전망은 60Hz의 교류 전력을 사용하고 있으며, 3상4선식 전력배전망으로 구성되어 있다. 즉, 서로 위상을 달리하는 3선의 전력선과 1선의 중성선(접지선)을 통하여 전력을 송신하고 있다. 새로운 전력 수요자가 발생한 경우에 기존에 설치된 3선의 전력선 중 하나의 전력선을 분기하여 새로운 전력 수요자로 전력을 공급하게 되는데, 기존의 3선의 전력선중 부하가 적게 작용하고 있는 전력선을 분기함이 바람직하다. 발전소 또는 변전소 측에서는 3선의 전력선에 작용하고 있는 각각의 부하량을 직접 확인할 수 있어 제1상, 제2상 및 제3상의 각각의 전력선에 작용하는 부하량을 알고 있으나, 새로운 전력 수요가 발생한 수용가 측에서 전력선을 분기하는 경우에는 어느 전력선에 부하가 많이 작용하는지를 직접 확인할 수는 없는 실정이다. 예를 들어, 발전소 또는 변전소 측에서는 3선의 전력선 중 제3상의 전력선에 부하가 적게 작용하고 있음을 이미 알고 있으나, 수용가 측 필드에서 전력선을 분기하고자 하는 경우에는 3선의 전력선 중 어느 전력선이 제3상의 전력선인지 알 수 없다. 따라서, 수용가 측 필드에서 3선의 전력선 각각의 위상을 확인할 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명은 전력선상의 임의의 지점과 기준점과의 위상차를 통하여 위상을 판별할 수 있으며, 특정 주파수와 겹치는 주파수의 노이즈가 포함된 경우 특정 주파수를 변경함으로써 위상 판별의 정확도 및 신뢰도를 향상시킬 수 있으며, 신호 손실이 적은 동일한 상간의 전력선 통신에 있어서 각 상에 설치된 통신 기기가 동일한 상에 설치되어 있는지를 판별할 수 있으며, 원거리에 있어서도 안정적인 위상 판별이 가능한 전력선 위상 판별 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명인 전력선 위상 판별 장치는 전력선상의 기준점에 설치되어 전압 신호의 영(Zero)전위 시점을 감지하고, 상기 영전위 시점에 특정 주파수 신호를 송출하는 송신기; 및 상기 전력선상의 임의의 지점에 설치되어 상기 전압 신호 및 특정 주파수 신호를 수신하고 상기 영전위 시점을 기준으로 하여 일정 시간간격으로 샘플링하며, 샘플링 신호에서 상기 특정 주파수 신호의 크기를 비교하여 상기 임의의 지점의 위상을 판별하는 수신기를 포함한다.
상기 송신기는 상기 전압 신호의 전위가 음(-) 전위로부터 양(+) 전위로 변하는 시점을 상기 영전위 시점으로 감지할 수 있다.
상기 특정 주파수 신호는 상기 전압 신호와 다른 주파수 대역을 가질 수 있다.
상기 송신기는 상기 샘플링 시간보다 짧은 시간 동안 상기 특정 주파수 신호를 송출할 수 있다.
상기 수신기는 상기 영전위 시점을 기준으로 하여 상기 전압 신호의 1주기 동안 일정 시간 간격으로 6번에 걸쳐 샘플링 할 수 있다.
상기 수신기는 상기 샘플링 신호 중 상기 특정 주파수 신호의 크기가 다른 샘플링 신호에 비하여 기 설정되는 오차 범위 이상으로 크게 나타나는 샘플링 신호의 샘플링 시점을 상기 영전위 시점과 비교하여 상기 임의의 지점의 위상을 판별 할 수 있다.
상기 수신기는 상기 특정 주파수 신호의 크기가 다른 샘플링 신호에 비하여 기 설정되는 오차 범위 이상으로 크게 나타나는 샘플링 신호가 2개 이상인 경우 위상 판별을 하지 않을 수 있다.
상기 수신기는 상기 특정 주파수 신호의 크기가 다른 샘플링 신호에 비하여 기 설정되는 오차 범위 이상으로 크게 나타나는 샘플링 신호가 2개 이상인 경우 상기 송신기에 특정 주파수 신호의 변경을 요청하고, 상기 송신기는 상기 특정 주파수 신호의 주파수 대역을 변경하여 재송출할 수 있다.
상기 기준점과 상기 임의의 지점 사이에서 상기 전력선의 각 상에 연결되는 신호결합기를 더 포함할 수 있다.
본 발명인 전력선 위상 판별 방법은 송신기가 전력선상의 기준점에서 전압 신호의 영전위 시점을 감지하는 단계; 상기 송신기가 상기 영전위 시점에 특정 주파수 신호를 송출하는 단계; 수신기가 상기 전력선상의 임의의 지점에서 상기 전압 신호 및 특정 주파수 신호를 수신하는 단계; 상기 수신기가 상기 영전위 시점을 기준으로 하여 일정시간 간격으로 수신한 신호를 샘플링하는 단계; 상기 수신기가 상기 샘플링 된 신호에서 상기 특정 주파수 신호의 크기를 비교하여 상기 임의의 지점의 위상을 판별하는 단계를 포함한다.
상기 샘플링하는 단계는, 상기 수신기가 상기 영전위 시점을 기준으로 하여 상기 전압 신호의 1주기 동안 일정 시간 간격으로 6번에 걸쳐 샘플링 할 수 있다.
상기 위상을 판별하는 단계는, 상기 수신기가 상기 샘플링 신호 중 상기 특정 주파수 신호의 크기가 다른 샘플링 신호에 비하여 기 설정된 오차 범위 이상으로 크게 나타나는 샘플링 신호의 샘플링 시점을 상기 영전위 시점과 비교하여 상기 임의의 지점의 위상을 판별 할 수 있다.
상기 수신기가 상기 특정 주파수 신호의 크기가 다른 샘플링 신호에 비하여 기 설정된 오차 범위 이상으로 크게 나타나는 샘플링 신호가 2개 이상인 경우 상기 송신기에 특정 주파수 신호의 변경을 요청는 단계를 더 포함 할 수 있다.
본 발명인 전력선 위상 판별 장치 및 방법은 전력선상의 임의의 지점과 기준점과의 위상차 통하여 위상을 판별할 수 있으며, 특정 주파수와 겹치는 주파수의 노이즈가 포함된 경우 특정 주파수를 변경함으로써 위상 판별의 정확도 및 신뢰도를 향상시킬 수 있으며, 원거리에 있어서도 안정적인 위상 판별을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력선 위상 판별 장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전력선 위상 판별 방법의 개념도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력선 판별 장치의 구성도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 송신기의 동작 순서도, 및
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수신기의 동작 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력선 위상 판별 장치의 구성도이다. 본 발명의 일실시예에 따른 전력선 위상 판별 장치는 전력선상의 기준점에 설치되어 전압 신호의 영(Zero)전위 시점을 감지하고, 상기 영전위 시점에 특정 주파수 신호를 송출하는 송신기(10); 및 상기 전력선상의 임의의 지점에 설치되어 상기 송신기(10)에서 송출하는 상기 전압 신호 및 특정 주파수 신호를 수신하여 상기 영전위 시점을 기준으로 샘플링하고, 샘플링 신호 중 상기 특정 주파수 신호의 크기를 비교하여 상기 임의의 지점의 위상을 판별하는 수신기(20)를 포함한다.
송신기(10)는 전력선상에서 위상을 판별하고자 하는 지점의 기준이 되는 기준점에 설치될 수 있다. 송신기(10)는 설치된 기준점의 전압 신호를 측정하고, 전압 신호의 영 전위(Zero-Cross) 시점을 감지할 수 있다. 송신기(10)는 전압 신호의 영 전위 시점에 특정 주파수 신호를 함께 송출할 수 있으며, 바람직하게는 기준 전압 신호의 전위가 음(-)전위에서 양(+)전위로 변하는 시점에 특정 주파수 신호를 일정 시간 동안 송출 할 수 있다. 송신기(10)에서 송출하는 특정 주파수 신호는 전압 신호의 주파수와는 다른 주파수 신호일 수 있다. 송신기(10)는 수신기(20)의 샘플링 신호보다 짧은 시간 동안 특정 주파수 신호를 송출 함으로써 특정 주파수 신호가 복수개의 샘플링 신호 구간에서 검출되지 않도록 한다.
수신기(20)는 전력선상에서 위상을 판별하고자 하는 지점에 설치될 수 있다. 수신기(20)는 전력선을 통하여 전달되는 전압 신호 및 송신기(10)에서 송출한 특정 주파수 신호를 수신할 수 있다.
수신기(20)는 전압 신호의 영 전위 시점을 감지하고, 영 전위 시점을 기준으로 일정 시간 간격으로 수신한 신호를 샘플링 할 수 있다. 예를 들면, 수신기(20)는 영 전위 시점을 기준으로 전압 신호의 한 주기 동안 6번에 걸쳐 일정 시간 간격으로 샘플링 할 수 있다. 전력선을 통하여 전달되는 전압 신호는 60Hz의 주파수를 가지는 교류 신호이므로, 수신기(20)는 영 전위 시점을 기준으로 초 마다 샘플링을 하여 한 주기 동안 6개의 시점에서의 샘플링 신호를 생성할 수 있다.
수신기(20)는 각각의 샘플링 신호의 특정 주파수 신호의 성분을 추출하여 크기를 비교하고 수신기(20)가 설치된 임의의 지점과 기준점과의 위상차를 판별할 수 있다. 수신기(20)는 샘플링 신호 중 특정 주파수 신호의 크기가 기 설정된 오차 범위 이상으로 크게 나타나는 샘플링 신호의 샘플링 시점을 영전위 시점과 비교하여 그 차이를 위상차로 판별할 수 있다. 수신기(20)가 수신하는 전압 신호는 60Hz의 주파수 신호이므로 그 외의 주파수 신호는 크기가 미미하게 나타난다. 그러나 송신기(10)에서 송출한 특정 주파수 신호는 수신 시점에서는 크게 나타나며, 따라서 수신기(20)는 샘플링 신호 중 특정 주파수 신호의 크기가 다른 샘플링 신호들과 비교하여 백색 가우시안 잡음(AWGN: Additive White Gaussian Noise)을 포함하는 오차 범위를 벗어나 크게 나타나는 경우 해당 샘플링 신호가 샘플링 되는 시점과 영 전위 시점과의 차이를 이용하여 위상차를 판별할 수 있다. 오차범위는 전력선의 신호 크기에 따른 백색 가우시안 잡음을 고려하여 설정될 수 있으며, 전력선이 설치된 지역이나, 날씨 등의 환경에 따라 다르게 설정될 수 있다.
도 2에서 보는 바와 같이 송신기(10)에서 영 전위 시점에 특정 주파수 신호를 송출하면, 수신기(20)는 영 전위 시점을 기준으로 초의 시간 간격으로 수신 신호를 샘플링한다. 수신기(20)는 각 샘플링 시점에서 특정 주파수 신호의 크기를 비교하는데 1시점에서의 특정 주파수 신호가 크게 나타나는 경우 기준점과의 위상차는 0도이고, 2시점에서의 특정 주파수 신호가 크게 나타나는 경우 기준점과의 위상차는 60도, ···, 6시점에서의 특정 주파수 신호가 크게 나타나는 경우 기준점과의 위상차는 300도로 판별할 수 있다.
수신기(20)는 기준점과의 위상차를 이용하여 임의의 지점의 위상을 판별할 수 있다. 전력선은 3상 4선식으로 구성되므로 A, B, C상은 각각 120도의 위상차를 가지게 된다. 따라서, 기준점의 위상이 A상인 경우 수신기(20)는 기준점과 임의의 지점의 위상차가 120도인 경우 B상을 가진 것으로 판별하고, 기준점과 임의의 지점의 위상차가 240도인 경우 C상을 가진 것으로 판별할 수 있다. 기준점과 임의의 지점의 위상차가 180도인 경우 A상이 반전된 -A상으로 볼 수 있으므로, 수신기(20)는 위상차가 60도인 경우는 -C상으로, 위상차가 300도인 경우는 -B상으로 판별할 수 있다.
수신기(20)는 특정 주파수의 크기가 오차 범위를 벗어나 크게 나타나는 샘플링 신호가 2개 이상인 경우 백색 가우시안 잡음 이외의 노이즈가 수신 신호에 포함되었다고 판단하여 위상차를 판별하지 않을 수 있다. 수신기(20)는 위상차를 판별하지 않는 경우 송신기(10)에 특정 주파수 신호의 주파수를 변경해 달라는 요청을 하고, 변경된 특정 주파수 신호를 수신하여 상기와 같은 과정을 거침으로써 임의의 지점에서의 위상을 판별할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력선 위상 판별 장치의 구성도이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력선 위상 판별 장치는 전력선상의 기준점에 설치되어 전압 신호의 영전위 시점을 감지하고, 상기 영전위 시점에 특정 주파수 신호를 송출하는 송신기(10); 상기 전력선상의 임의의 지점에 설치되어 상기 송신기(10)에서 송출하는 상기 전압 신호 및 특정 주파수 신호를 수신하여 상기 영전위 시점을 기준으로 샘플링하고, 샘플링 신호 중 상기 특정 주파수 신호의 크기를 비교하여 상기 임의의 지점의 위상을 판별하는 수신기(20) 및 상기 기준점과 상기 임의의 지점 사이에서 상기 전력선의 각 상에 연결되는 신호결합기(30)를 포함한다.
신호결합기(30)는 기준점과 위상차를 판별하기 위한 임의의 지점과의 사이에 설치되어 각 상을 통하여 송출되는 신호를 상호 전달하는 역할을 수행할 수 있다. 위상 판별을 위한 특정 주파수 신호를 원거리에 전송하는 경우 다른 상에 설치되는 수신기(20)에서는 감쇄된 신호를 수신하거나 노이즈가 포함된 신호를 수신하게 되어 위상차를 판별하기 어려운 경우가 발생하기 때문에, 신호결합기(30)는 기준점에서 송출되는 신호를 각 상에 상호 전달하는 기능을 수행함으로써 원거리에서의 타상에 대한 신호 감지율을 높이고, 위상 판별 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 송신기(10)의 동작 순서도이다.
송신기(10)는 기준점에 설치되어 기준점에서의 전압 신호를 검출하고, 전압 신호의 영 전위 시점을 감지한다.
송신기(10)는 감지한 영 전위 시점에 특정 주파수 신호를 송출하며, 특정 주파수 신호는 전압 신호와는 다른 주파수를 가지며, 수신기(20)의 샘플링 신호보다 짧은 시간 동안 송출한다.
송신기(10)는 수신기(20)로부터 특정 주파수의 변경 요청을 받게 되면, 이전에 송출하였던 주파수와는 다른 주파수를 갖는 특정 주파수 신호를 송출한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수신기(20)의 동작 순서도이다.
수신기(20)는 전력선상의 위상을 판별하기 위한 임의의 지점에 설치되어 전압 신호 및 송신기(10)로부터 송출된 특정 주파수 신호를 수신한다.
수신기(20)는 수신 신호를 일정 시간 간격으로 샘플링 하되, 바람직하게는 초의 시간 간격을 가지고 샘플링 한다.
수신기(20)는 샘플링 신호들을 서로 비교하여 특정 주파수의 크기가 오차 범위 이상으로 크게 나타난 샘플링 신호를 검출한다.
수신기(20)는 특정 주파수의 크기가 오차 범위 이상으로 크게 나타난 샘플링 신호가 하나인 경우 해당 샘플링 신호가 샘플링 된 시점과 영전위 시점간의 차이를 이용하여 임의의 지점의 위상을 판별한다.
수신기(20)는 특정 주파수의 크기가 오차 범위 이상으로 크게 나타난 샘플링 신호가 2개 이상인 경우, 위상 판별을 하지 않고 송신기(10)에 특정 주파수의 주파수 대역의 변경을 요청하는 신호를 보낸다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 송신기
20: 수신기
30: 신호결합기

Claims (13)

  1. 전력선상의 기준점에 설치되어 전압 신호의 영(Zero)전위 시점을 감지하고, 상기 영전위 시점에 상기 전압 신호와 다른 주파수 대역을 갖는 특정 주파수 신호를 송출하는 송신기; 및
    상기 전력선상의 임의의 지점에 설치되어 상기 전압 신호 및 특정 주파수 신호를 수신하고 상기 영전위 시점을 기준으로 하여 일정 시간간격으로 샘플링하며, 상기 샘플링 신호 중 상기 특정 주파수 신호의 크기가 다른 샘플링 신호에 비하여 크게 나타나는 샘플링 신호의 샘플링 시점을 상기 영전위 시점과 비교하여 상기 임의의 지점의 위상을 판별하는 수신기
    를 포함하는 전력선 위상 판별 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신기는 상기 전압 신호의 전위가 음(-) 전위로부터 양(+) 전위로 변하는 시점을 상기 영전위 시점으로 감지하는 전력선 위상 판별 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신기는 상기 샘플링 시간보다 짧은 시간 동안 상기 특정 주파수 신호를 송출하는 전력선 위상 판별 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 영전위 시점을 기준으로 하여 상기 전압 신호의 1주기 동안 일정 시간 간격으로 6번에 걸쳐 샘플링하는 전력선 위상 판별 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 샘플링 신호 중 상기 특정 주파수 신호의 크기가 다른 샘플링 신호에 비하여 기 설정되는 오차 범위 이상으로 크게 나타나는 샘플링 신호의 샘플링 시점을 상기 영전위 시점과 비교하여 상기 임의의 지점의 위상을 판별하는 전력선 위상 판별 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 특정 주파수 신호의 크기가 다른 샘플링 신호에 비하여 기 설정되는 오차 범위 이상으로 크게 나타나는 샘플링 신호가 2개 이상인 경우 위상 판별을 하지 않는 전력선 위상 판별 장치.
  8. 제 7 항에 있어서.
    상기 수신기는 상기 특정 주파수 신호의 크기가 다른 샘플링 신호에 비하여 기 설정되는 오차 범위 이상으로 크게 나타나는 샘플링 신호가 2개 이상인 경우 상기 송신기에 특정 주파수 신호의 변경을 요청하고,
    상기 송신기는 상기 특정 주파수 신호의 주파수 대역을 변경하여 재송출하는 전력선 위상 판별 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준점과 상기 임의의 지점 사이에서 상기 전력선의 각 상에 연결되는 신호결합기
    를 더 포함하는 전력선 위상 판별 장치.
  10. 송신기가 전력선상의 기준점에서 전압 신호의 영전위 시점을 감지하는 단계;
    상기 송신기가 상기 영전위 시점에 상기 전압 신호와 다른 주파수 대역을 갖는 특정 주파수 신호를 송출하는 단계;
    수신기가 상기 전력선상의 임의의 지점에서 상기 전압 신호 및 특정 주파수 신호를 수신하는 단계;
    상기 수신기가 상기 영전위 시점을 기준으로 하여 일정시간 간격으로 수신한 신호를 샘플링하는 단계; 및
    상기 수신기가 샘플링된 신호 중 상기 특정 주파수 신호의 크기가 다른 샘플링 신호에 비하여 크게 나타나는 샘플링 신호의 샘플링 시점을 상기 영전위 시점과 비교하여 상기 임의의 지점의 위상을 판별하는 단계
    를 포함하는 전력선 위상 판별 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 샘플링하는 단계는,
    상기 수신기가 상기 영전위 시점을 기준으로 하여 상기 전압 신호의 1주기 동안 일정 시간 간격으로 6번에 걸쳐 샘플링하는 전력선 위상 판별 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 임의의 지점의 위상을 판별하는 단계는,
    상기 수신기가 상기 샘플링 신호 중 상기 특정 주파수 신호의 크기가 다른 샘플링 신호에 비하여 기 설정된 오차 범위 이상으로 크게 나타나는 샘플링 신호의 샘플링 시점을 상기 영전위 시점과 비교하여 상기 임의의 지점의 위상을 판별하는 전력선 위상 판별 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 수신기가 상기 특정 주파수 신호의 크기가 다른 샘플링 신호에 비하여 기 설정된 오차 범위 이상으로 크게 나타나는 샘플링 신호가 2개 이상인 경우 상기 송신기에 특정 주파수 신호의 변경을 요청하는 단계
    를 더 포함하는 전력선 위상 판별 방법.
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