KR101457878B1 - 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배전반 내에서 과열이 예상되는 다수의 설비 지점에 멀티 포인트로 각각 접촉식 온도 센서를 설치하고, 상기 온도 센서를 한 라인의 공통버스 제어신호를 사용하여 버스 통신을 하도록, 공통 버스 방식의 회로를 구현하는 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 관한 것으로서, 수배전반 설비에 부착되어 온도를 감지하는 다수의 HTS 온도 센서; 하나의 제어 라인을 통해 상기 다수의 HTS 온도 센서와 연결되는 공통 버스; 및, 상기 공통 버스를 통해 각 HTS 온도 센서를 제어하고, 상기 HTS 온도 센서로부터 온도 데이터를 획득하여 수배전반 설비의 이상유무를 판단하는 HTS 컨트롤러를 포함하고, 상기 공통버스는 상기 HTS 컨트롤러와 하나 이상의 HTS 온도 센서 간의 공동 데이터라인을 공유하는 사이에서의 반이중 양방향(Half Duplex) 소통을 수행하는 신호체계인 것으로 구성을 마련한다.

Description

멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템 { A deterioration monitoring system for a distributing board on based hybrid temperature sensors with multi-points }
본 발명은 배전반 내에서 과열이 예상되는 다수의 설비 지점에 각각 접촉식 온도 센서를 설치하고, 상기 온도 센서를 한 라인의 공통버스 제어신호를 사용하여 버스 통신을 하도록, 공통 버스 방식의 회로를 구현하는 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 멀티 포인트를 갖는 하이브리드 온도센서와 제어장치를 사용하여, 배전반, 분전반 등의 접촉저항에 의해 열이 발생하는 지점을 자동으로 센싱하여 경보 및 차단신호를 출력하는 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 배전반 내의 개폐기, 차단기, 변성기, 변압기, 부스바 등의 전력 설비들은 대부분의 경우 온도를 계측하여 과열여부를 검출할 필요성이 매우 크다. 예를 들면 개폐기, 차단기 등은 각각 인입 및 인출 단자대를 포함하고 있어 이에 대한 온도를 검출하여 과열에 의한 열화여부를 판단할 필요가 있다. 또한, 모선과 모선 간 ,또는 모선과 분기선 등의 부스바 및 케이블 등의 접속부 등은 접속부의 느슨함이나 이물질 등의 영향으로 접촉저항이 증가함으로써 과열이 진행되어 화재로 이어지는 경우가 상당히 자주 발생하고 있다.
특히, 모든 전기 공급은 전로를 통해서 이루어 진다. 전로의 어떤 지점에서 나사의 풀림 현상 등에 의해 접촉저항이 증가되면 열이 발생하고 이 열에 의해 주위의 전선 피복이 녹고 절연 파괴로 인해 합선이 발생한다. 합선은 화재로 이어지게 된다. 이런 위험성 때문에 전기 관리자는 전기공급 계통의 나사 풀림 현상을 수시로 감시해야 하지만 그러나 수시로 감시하는 것 자체도 어려울 뿐만 아니라 감시 한다 해도 찾기는 더욱 더 어렵다. 또 단전 시킨 상태일 때만 검사가 가능한 지점도 존재한다.
상기와 같이 과열을 검출하여 알리는 기술들이 제시되고 있다. 일례로서, 배전반의 버스-바(bus-bar) 연결단자에 온도튜브를 장착하고, 단자부분의 발열로 온도튜브의 색이 변하는 것을 카메라를 통해 영상으로 획득하여 부하가 걸린 상태에서도 안전하게 버스-바의 발열을 점검하고, 배전반의 외부 영상을 획득하여 원격에서 배전반의 문을 자동으로 제어할 수 있도록 한 배전반의 열 감지 및 원격 제어 장치가 제시되고 있다[특허문헌 1].
또한, 저전압 대전류를 각 공장 내의 설비로 공급하기 위하여 통상적으로 각 설비와 수배전반을 연결 또는 수배전반에서 감압된 교류전압을 설비로 공급하는 부스바와, 상기 부스바에 접속되어 상기 부스바의 전력 상태, 누설전류 및 절연저항, 온도를 검출하는 검출센서와, 상기 부스바와 이격되게 배치되어 상기 검출센서로부터 검출된 정보를 각 입력단을 통해 전달받아 분석하고 디스플레이하는 플러그인 박스 제어장치를 포함하는 구성을 제시하고 있다[특허문헌 2].
그러나, 이와 같이 온도센서를 이용하여 온도를 검출할 필요가 있는 부분은 수십 군 데의 상당히 많음에도 불구하고 접촉식 온도센서의 과다한 배선문제와 온도검출 및 연산처리의 지연 및 오류, 그리고 특히 각 센서마다의 직류 바이어스 전원 공급문제 등으로 인하여 센서의 취부가 극히 제한적일 수밖에 없는 실정이다.
[특허문헌 1] 한국등록특허 제10-1190244호 (2012.10.12.공고) [특허문헌 2] 한국공개특허 제10-2012-0077742호 (2012.07.10.공개)
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 2배전반 내에서 과열이 예상되는 다수의 설비 지점에 각각 접촉식 온도 센서를 설치하고, 상기 온도 센서를 한 라인의 공통버스 제어신호를 사용하여 버스 통신을 하도록, 공통 버스 방식의 회로를 구현하는 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 관한 것으로서, 수배전반 설비에 부착되어 온도를 감지하는 다수의 HTS 온도 센서; 하나의 제어 라인을 통해 상기 다수의 HTS 온도 센서와 연결되는 공통 버스; 및, 상기 공통 버스를 통해 각 HTS 온도 센서를 제어하고, 상기 HTS 온도 센서로부터 온도 데이터를 획득하여 수배전반 설비의 이상유무를 판단하는 HTS 컨트롤러를 포함하고, 상기 공통버스는 상기 HTS 컨트롤러와 하나 이상의 HTS 온도 센서 간의 공동 데이터라인을 공유하는 사이에서의 반이중 양방향(Half Duplex) 소통을 수행하는 신호체계인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 있어서, 상기 HTS 컨트롤러는 패밀리 코드를 관리하고, 상기 공통 버스를 통해 상기 HTS 온도 센서와 통신하기 위하여, 상기 패밀리 코드를 이용하여 온도 데이터를 읽어오되, 상기 패밀리 코드로서, 각 HTS 온도 센서 센서의 고유의 32-비트 코드를 사용하여 공통버스 상에 연결된 HTS 온도 센서를 식별하고 ID를 구별하고, 각 HTS 온도 센서가 고유의 코드를 가지도록 하여, 하나의 라인의 공통 버스에 여러 개의 HTS 온도 센서들을 어드레싱을 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 있어서, 상기 공통 버스를 통해 상기 HTS 온도 센서의 전원을 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 있어서, 상기 HTS 온도 센서는 3-스테이트 포트를 통해 상기 공통 버스에 연결되고, 상기 공통 버스에 연결시 풀업(Pull-up) 저항을 통해 연결되어. 신호 전송이 없는 경우 하이 레벨(High) 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 있어서, 상기 HTS 온도 센서는 상기 공통 버스에서 내부 커패시티가 연결되어, 상기 공통 버스를 통해 하이(high) 레벨의 버스 신호가 들어오는 경우 상기 내부 커패시티가 충전되고, 상기 공통 버스에서 로(low) 레벨의 버스 신호가 들어오는 경우 충전된 내부 커패시티에 의해 전원이 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 있어서, 상기 HTS 컨트롤러는 상기 공통버스에 풀업 저항과 병렬로 연결되는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 있어서, 상기 HTS 온도 센서는 NTC 서미스터(negative temperature coefficient thermistor)와 저항을 이용하여 DC전압을 출력하도록 구성되거나, 트랜지스터의 오프셋 전압에 의한 DC전압이나 전류를 온도로 환산하는 계측 회로로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 있어서, 상기 HTS 컨트롤러는 건전성 지수를 산출하여 상기 수배전반의 열화 상태를 나타내고, 상기 건전성 지수는, 안전 지표, 열화 지표, 및 전기 품질 지표의 값을 가중 합산하여 구하고, 상기 안전 지표는, 선로의 온도를 중 최대 값을 나타내는 온도 지표, CO 가스의 발생횟수를 나타내는 누적CO가스 지표, 분진농도 발생횟수를 나타내는 누적분진농도 지표, 누설전류 기준 대비 선로 중 최대 누설전류의 비율을 나타내는 누설전류 지표를 가중 합산하여 구하고, 상기 열화 지표는, 선로의 온도들 중 최대 값을 나타내는 온도 지표, 측정된 아크 발생횟수를 나타내는 아크 지표, 측정된 습도를 나타내는 습도 지표를 가중 합산하여 구하고, 상기 전기 품질 지표는, 순간 전압 강하 발생횟수를 나타내는 순간전압강하 지표, 순간 전압상승 발생횟수를 나타내는 순간전압상승 지표, 순간정전 발생횟수를 나타내는 순간정전 지표, 전압 왜형율을 나타내는 왜형률 지표, 기준전압 대비 계측전압 비율을 나타내는 전압유지율 지표, 상별 전압 불평형률을 나타내는 불평형률 지표를 가중 합산하여 구하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 의하면, 배전반에 설치된 온도 센서들을 한 라인의 공통버스 방식의 회로로 통신하게 함으로써 배선문제, 바이어스 전원 문제, 및, 온도계측 오류 등을 해결할 수 있는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템의 구성에 대한 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 서모파일 하이브리드 온도 센서부의 구성에 대한 블록도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 온도 센서의 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 온도 센서의 온도 센서 어레이의 등가회로.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 온도 센서의 바이어스 전원 공급을 나타내는 회로도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 알람 트리거 레지스터의 구조도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 32비트 ROM 코드의 구성도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 구성 레지스터의 비트 구조도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 CRC 레지스터의 비트 구조도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 공통 버스에 의해 HTS 센서에 액세스하기 위한 방법을 설명하는 흐름도.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 ROM 명령어의 흐름도.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 풀업을 위한 양방향 입출력 인터페이스를 나타낸 회로도.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 풀업을 위한 단방향 입출력 인터페이스를 나타낸 회로도.
도 14은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템의 구체적 구성을 나타낸 블록도.
도 15은 본 발명의 실시예에 따른 HTS 센서의 구체적 구성의 일례.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 온도 센서의 규격을 나타낸 표.
도 17는 본 발명의 실시예에 따른 온도 센서의 구성 회로도.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 HTS 컨트롤러의 구성에 대한 블록도.
도 19은 본 발명의 실시예에 따른 HTS 컨트롤러의 구성 회로도.
도 20은 본 발명에 따른 건전성 지수 산출 항목 및 파라미터를 나타낸 표.
도 21은 본 발명에 따른 지표화 함수의 표현 형태의 예시 그래프.
도 22는 본 발명에 따른 안전지표에 대한 지표화 함수의 예시 그래프.
도 23은 본 발명에 따른 열화지표에 대한 지표화 함수의 예시 그래프.
도 24는 본 발명에 따른 전기품질지표에 대한 지표화 함수의 예시 그래프.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템의 구성에 대하여 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템은 수배전반(10)에 설치된 다수의 HTS 온도 센서(20), 공통버스(30), HTS 컨트롤러(40), 및, 원격 서버(60)로 구성된다. 추가적으로, HTS 컨트롤러(40)의 모니터링 상태를 표시하는 디스플레이 장치(50)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
하이브리드 온도 센서(HTS) 또는 HTS 온도 센서(20)는 수배전반(10)의 내부에 과열이 예상되는 설비 지점에 설치되어, 수배전반(10) 내부에 구비된 설비(11)의 열을 측정한다.
또한, 수배전반(10)의 내부에 설치되는 기기 또는 설비(11)는 부스바, 진공차단기(VCB), 계기용변압기(PT), 전력량계량기(MOF), 부하개폐기(LBS), 부싱소자 등과 같이, 각종 몰드형 절연기기와 기기 연결 부품 및 절연 열화 예측이 요구되는 구성품 등이다. 예컨대, 본 발명의 수배전반 열화감시 시스템은 수배전반 내부의 저압측 구성장치인 배선용차단기(MCCB: Molded Case Circuit Breaker), 각종 배전 라인 등의 설비를 감시하는 장치로서 응용하여 사용할 수 있음은 물론이다.
한편, HTS 온도 센서(20)와 HTS 컨트롤러(40), HTS 컨트롤러(40) 및 원격 서버(60)는 각각 네트워크에 의해 연결되어 데이터 통신을 수행한다. 바람직하게는, HTS 온도 센서(20) 및 HTS 컨트롤러(40)는 UDP 프로토콜에 의한 인터넷으로 연결되고, HTS 컨트롤러(40) 및 원격 서버(60)는 TCP 프로토콜에 의한 인터넷으로 연결된다.
HTS 온도 센서(20)는 앞서 설명한 바와 같이 부스바, 차단기, MOF, CT, PT 및 변압기 등의 고압기기를 포함하는 수배전반 내에 있는 구성 설비(11)의 온도를 감지하는 센서 모듈로 구성된다.
바람직하게는 HTS 온도 센서(20)는 NTC 서미스터(negative temperature coefficient thermistor)와 저항을 이용하여 DC전압을 출력하도록 구성된다. 또는 상기 HTS 센서(20)는 트랜지스터의 오프셋 전압에 의한 DC전압이나 전류를 온도로 환산하는 계측 회로로 구성된다.
한편, HTS 온도 센서(20)는 공통 버스(30)에 연결되어, 공통 버스(30)를 통해 온도 데이터를 전송하고, 공통 버스(30)를 통해 전력을 공급받는다. 또한, HTS 컨트롤러(40)는 공통 버스(30)를 통해, 각 HTS 온도 센서(20)를 제어한다. HTS 컨트롤러(40)는 공통 버스(30)를 통해 각 센서 모듈(21)에서 측정한 온도 데이터를 취합하여, 원격 서버(60)로 전송한다.
다음으로, HTS 컨트롤러(40)는 HTS 온도 센서(20)로부터 측정된 일련의 온도들로 구성된 온도 어레이를 수신하고, 수신한 온도 어레이의 온도 데이터를 분석하여 이상 유무를 판단한다.
HTS 컨트롤러(40)는 온도 어레이의 온도 데이터를 각 설비 별로 표시하거나, 열화상 영상 형태로 생성하여 표시할 수 있다. 즉, HTS 컨트롤러(40)는 수배전반(10) 내부 영역에 대한 배치구성도 또는 배치 구성의 이미지를 저장하고, 저장된 배치구성도를 이용하여 각 설비 별 온도 또는 각 설비 위치에 해당 온도를 나타냄으로써, 온도 어레이를 열화상 영상으로 표시할 수 있다.
그리고 HTS 컨트롤러(40)는 해당 설비 별로 해당 영역의 측정 온도를 기준 온도와 비교하거나 온도 상승값을 구하여 구성별로 이상 유무를 판단한다. 또한, HTS 컨트롤러(40)는 각 설비별 온도 데이터나 열화상 영상을 디스플레이에 표시하거나, 이상 유무를 감지하면 감지 사항을 알람으로 관리자 등에 알린다.
바람직하게는, HTS 컨트롤러(40)는 수배전반(10)에 부착하여 설치될 수 있다. 예를 들어, HTS 온도 센서(20)는 수배전반(10) 내부에 설치하고, 수배전반(10) 외부에 HTS 컨트롤러(40)를 설치할 수 있다. 이때, 내부에 설치된 HTS 센서(21)로부터 온도 데이터를 획득하고, HTS 컨트롤러(40)가 이 온도 데이터를 분석하여 수배전반(10) 내부의 이상 유무를 판단할 수 있다.
원격 서버(60)는 개인용 컴퓨터(PC) 또는 서버 장치 등 컴퓨팅 처리 기능을 가진 장치로서, 네트워크를 통해 HTS 컨트롤러(40)와 연결되어, HTS 컨트롤러(40)로부터 온도 어레이 데이터 또는 판단된 데이터 등을 수신한다.
원격 서버(60)는 HTS 컨트롤러(40)와 역할을 분담하여 처리할 수 있다. 예를 들어, HTS 컨트롤러(40)는 실시간으로 설비별 또는 지점별 온도 데이터를 구하여 간단한 비교만 수행하여 이상 여부를 감시하고, 원격 서버(60)는 온도 어레이로부터 열화상을 구하거나, 임계값 등을 설정하거나 관리하는 등의 기능을 수행한다. 특히, 원격 서버(60)는 데이터 저장 용량이나 컴퓨팅 능력 등 뛰어난 성능을 가지고 있고, HTS 컨트롤러(40)는 현장에 설비된 장비로서 원견 서버(60)에 비하여 성능이 떨어질 수 있다. 이러한 성능 차를 감안하여, 원격서버(60)와 HTS 컨트롤러(40) 간의 기능을 분담할 수 있다. 이하에서는, HTS 컨트롤러(40)에서 상기 모든 기능을 수행하는 것으로 설명한다.
또한, HTS컨트롤러(40)에는 디스플레이 장치(50)가 연결되어, 모니터링 상태를 표시한다. 디스플레이 장치(50)는 HTS컨트롤러(40)와 RS-485(MODBUS)로 연결된다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 공통버스 시스템의 구체적인 구성에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 공통버스 시스템은 다수의 HTS 온도 센서(20), 공통 버스(30), HTS 컨트롤러(40)로 구성된다.
HTS 센서(21)은 NTC 서미스터(negative temperature coefficient thermistor) 등 온도 센서 요소를 구비하여, 설비 내에 온도를 측정한다. 특히, HTS 센서(21)은 수배전반(10)의 내부에 과열이 예상되는 설비 지점에 설치되어, 수배전반(10) 내부에 구비된 설비(11)의 열을 측정한다.
다음으로, 공통 버스(30)는 버스 시스템으로서, 제어 라인, 또는 통신 라인으로 사용되며, 또한, 전원 공급 전력선으로 이용된다. 공통 버스(30)는 HTS 컨트롤러(40)의 제어 하에 버스 시스템을 구성되어, 각 HTS 온도 센서(20)가 제어되거나, 온도 데이터의 전송이 이루어진다. 또는, 공통 버스(30)는 하나의 버스 시스템을 구성하여, HTS 컨트롤러를 구비하고, 상기 HTS 컨트롤러에 의해 전송이 제어될 수 있다. HTS 컨트롤러로서 HTS 컨트롤러(40)가 역할을 수행할 수 있다.
버스 시스템에서 마이크로프로세서 또는 HTS 컨트롤러(40)는 각 HTS 온도 센서(20)의 고유의 32-비트 코드를 사용하여 공통버스(30) 상에 연결된 HTS 온도 센서(20)을 식별하고 ID를 구별한다. 각 HTS 온도 센서(20)가 고유의 코드를 가지도록 하여, 하나의 라인의 공통 버스(30)에 여러 개의 HTS 온도 센서(20)들을 어드레싱 할 수 있게 한다.
즉, HTS 컨트롤러(40)는 공통 버스(30)의 통신을 제어하고, 각 HTS 온도 센서(20)들을 또한 제어하며, HTS 온도 센서(20)로부터 온도 데이터를 취합한다.
다음으로, HTS 온도 센서(20)의 구성을 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3에서 보는 바와 같이, 제어 라인에는, HTS 온도 센서(20) 등 모든 디바이스가 3-스테이트 포트를 통해 버스(30)에 연결된다. 따라서 풀업(Pull-up) 저항이 요구된다. 즉, 저항에 전원이 연결되어, 평상시 하이 레벨(High) 상태를 유지한다. 버스 상에 전송되는 신호 등에 의하여, 로 레벨(Low) 레벨 상태로 전환될 수 있다. 그러나 버스 상에 신호 등이 전송되지 않은 경우에는 하이 레벨 상태를 유지한다.
하이브리드 온도 센서(HTS)의 중요한 특징으로서, 외부의 직류 바이어스 전원의 공급 없이도 센서 모듈을 작동할 수 있도록 구성된다.
공통 버스가 하이 레벨(High) 상태에 있을 때, Cout 핀(포트 핀)을 통해 HTS 온도 센서에 전원이 공급된다. 특히, 풀업 저항을 통해 HTS 온도 센서(20)의 전원이 공급되도록 한다. 하이 레벨의 높은 버스 신호는 버스 레벨이 낮아질 경우를 위해, HTS(sub-HTS) 센서에 전원을 공급하는 내부 커패시터(Cin)를 충전하도록 구성한다.
또한 배전반 및 분전반에 수 많은 HTS 센서 수량에 제한을 받지 않고 취부될 수 있도록 하기 위해, 32-비트 ROM의 메모리 맵을 이용하여 HTS 온도 센서(20)의 고유한 일련번호를 저장함으로써 온도를 검출할 수 있도록 한다.
HTS 온도 센서(20)는 임시 기억장소인 EEPROM 메모리에서, HTS 온도 센서 요소로부터의 디지털 온도 출력을 저장하는 2-바이트 온도 레지스터와 과열 경보를 위한 1-바이트의 알람 트리거 레지스터 구조로 디바이스를 구성한다. 상기 레지스터는 비휘발성(EEPROM)이므로, 센서 디바이스 전원이 꺼졌을 때 자신의 데이터를 보관하는 기능을 갖는다.
다음으로, HTS 온도 센서(20)에 구비된 온도 센서 요소는 HTS 센서에서 온도 어레이 Qn 으로서 온도 데이터가 입력된다.
온도 센서 요소는 NTC 서미스터(negative temperature coefficient thermistor)와 저항을 이용하여 DC전압을 출력하도록 구성된다. 또는 상기 온도 센서 요소는 트랜지스터의 오프셋 전압에 의한 DC전압이나 전류를 온도로 환산하는 계측 회로로 구성된다.
트랜지스터 오프셋 전압에 의한 온도센서 어레이 Qn은 도 4에서 처럼 실리콘 트랜지스터의 베이스와 이미터 간의 오프셋 전압 Vbe가 온도에 의존하는 특성을 이용하여 온도센서를 구현한다.
트랜지스터 Q3 과 Q4 에서 IT 는 크기가 같은 전류 IC1 과 IC2 로 분류된다. 트랜지스터 Q2는 Q1과 동등한 트랜지스터 2개를 병렬로 접속한 것으로서 Q1의 전류밀도 J1은 Q2의 전류밀도 J2의 2배가 된다. 따라서 저항 R 양단에 발생하는 전압 VT는 다음과 같게 된다.,
[수학식 1]
Figure 112014045661371-pat00001
여기서 K는 볼츠만의 상수, q는 전자의 전하이고 T는 절대 온도를 나타낸다.
윗 식에서 R의 양단에 발생하는 전압 VT는 절대온도 T에 비례하며, R에 흐르는 전류 IC2도 절대온도에 비례한다.
이와 같이 하이브리드 온도센서(HTS)는 절대 온도에 비례한 전류가 출력되도록 회로를 구성하고 하이브리드 온도센서의 감도를 1㎂/K로 설정하여 온도 검출을 수행한다.예를 들어서 25℃(298.2K)에서 298.2㎂의 전류가 출력되도록 한다.
이러한 아날로그 신호를 A/D변환을 통해 디지털 값으로 변환하고 마이크로프로세서로 연산처리함으로써 다중지점의 온도를 검출하는 온도센서를 구현한다.
한편, 상기 하이브리드 온도센서의 전원 회로는 각 로컬의 외부전원의 공급 없이도 동작할 수 있게 구성한다. 이것은, 수 많은 지점의 온도를 원격으로 온도감지가 필요하거나 매우 제약된 공간의 온도계측 어플리케이션에 특히 유용하다.
도 5는 버스가 하이 레벨(High) 상태일 때, Cout 핀을 통해 공통 버스로부터 전력을 얻도록 한다. 즉, 공통 버스를 통해 전력을 공급한다. 이에 대한 제어 회로를 보여준다. 버스가 하이 레벨(High) 상태에 있는 동안 HTS 온도 센서 내의 캐패시터(Cin)에 전하가 충전된다. 그리고 충전된 전하는, 버스가 로우 레벨(Low) 상태일 때, 전력을 공급한다.
공통 버스와 캐패시터(Cin)는 지정된 타이밍 및 전압 요구사항이 충족되는 동안 대부분의 작업에 대하여 HTS 온도 센서에 충분한 전력을 제공할 수 있다.
그러나 HTS 디바이스가 EEPROM의 임시 메모리로부터 온도변환이나 데이터 복사를 수행하는 경우에는 동작 전류는 2.0 mA만큼 높을 수가 있다. 이 전류는 미약한 공통 풀업 저항에서 수용할 수 없는 전압 강하의 원인이 될 수 있고, 캐패시터(Cin)에 의해 더 많은 전류가 공급되어질 수 있다. 따라서 HTS가 충분한 공급전류를 갖고 있는지 확인하기 위해, 온도 변환이 일어날 때마다 또는 데이터가 임시 메모리에서 EEPROM에 복사 될 때마다 공통 버스에 강한 풀업 기능을 제공할 필요가 있다.
도 5에 보는 바와 같이, 공통 버스를 직접 레일에 걸리도록 하기위해 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 사용한다. 이렇게 함으로써 앞서 공급 전원에 의한 문제를 해결할 수 있다. 즉, HTS 온도 센서 측에는 상기 공통버스에 풀업 저항과 병렬로 연결되는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 트랜지스터를 구비한다.
또한, HTS 디바이스는 그 자체가 디지털 온도 센서 구조를 갖도록 한다. 온도센서의 해상도는 사용자가 구성할 수 있는 각각 0.5℃, 0.25℃의 증가에 해당하는 9, 10 비트로 한다. 파워 업에서 기본해상도는 10비트이다.
저 전력 유휴 상태에서 HTS 파워 업은, 온도 측정 및 A/D 변환을 시작하기 위해, HTS 컨트롤러는 변환(Convert) 명령을 실행한다. 변환 후, 생성된 온도 데이터 결과는 임시 메모리의 2바이트 온도 레지스터에 저장되고, HTS 디바이스는 유휴 상태로 돌아간다. HTS 출력 데이터는 섭씨로 교정하고 온도 데이터는 16-비트의 부호 확장 2의 보수로 온도 레지스터에 저장한다.
부호 비트 (S)는 양 또는 음의 온도를 나타내며; 양수는 S=0 음수는 S=1으로 한다. 만약 HTS가 10비트 해상도로 구성된 경우 온도 레지스터의 모든 비트들은 유효한 데이터를 포함 한다.
한편, 도 3과 같이, HTS 온도 센서(20)에는 알람(ALARM) 신호 동작을 할 수 있도록, 알람 트리거 레지스터를 구비할 수 있다.
도 6에서 보는 바와 같이, HTS 디바이스가 온도변환을 수행 한 후, 온도 값은 1 바이트 TH 와 TL 레지스터에 저장된 사용자 정의 2의 보수 알람 트리거 값과 비교된다. 부호 비트(S)는 값이 양수 또는 음수 인 경우를 나타낸다: 양수의 경우 S=0이고 음수의 경우 S=1이다.
TH 와 TL 레지스터는 비휘발성(EEPROM)이기 때문에 디바이스의 전원이 꺼졌을 때에도 데이터를 유지한다.
온도측정의 결과가 설정값 이상의 TH 보다 높거나 같은 경우, 또는 설정 값 이하의 TL 보다 낮거나 같은 경우, 알람 조건이 존재하고 알람 플래그는 HTS 디바이스 내부에서 설정한다. 상기 알람 플래그는 모든 온도 측정 후 업데이트되고 따라서 알람 조건이 소멸되면, 상기 알람 플래그는 다음 차례의 온도 변환 후에 꺼지게 한다.
HTS 컨트롤러(40)는 알람 검색(Alarm Search) 명령을 실행하여 공통 버스 상에서의 모든 센서 요소의 알람 플래그 상태를 확인할 수 있다. 알람 설정 플래그로서 모든 센서 요소는 명령에 응답한다. 그래서 HTS 컨트롤러(40)는 HTS 온도 센서(20)가 알람상태를 경험한 것을 정확하게 확인할 수 있다. 만약 알람조건이 존재 하고 TH 또는 TL 설정이 변경된 후, 다른 온도변환은 알람상태를 검증하기 위해 수행되어야 한다.
도 7에서 보는 바와 같이, 각 HTS 센서는 롬(ROM)에 저장된 고유의 32-비트 코드를 포함한다. ROM 코드의 최하위 8 비트들은 HTS의 공통 코드를 포함하고 다음 16 비트들은 고유의 센서 일련번호를 포함한다. 그리고 나머지 최상위 8비트들은 CRC(cyclical redundancy check) 바이트를 포함한다. 32-비트 ROM 코드와 관련된 ROM 기능 제어 로직은 HTS가 프로토콜을 이용하여 공통 디바이스로서 동작 하도록 허용한다.
도 8에서 보는 바와 같이, 임시 메모리의 바이트 4는 구성 레지스터를 포함하고 있다. 사용자는 상기 구성 레지스터에 있는 R0와 R1 비트를 사용하여 HTS 센서의 변환 해상도를 설정할 수 있다. 이러한 비트들의 파워 업 디폴트는 R0=1이고 R1=1로 한다.
오류검출코드(CRC) 바이트는 HTS의 32-비트 ROM 코드의 일부분으로 제공되며, 임시 메모리의 9번째 바이트에 있다. ROM 코드 CRC는 ROM 코드의 첫 번째 24 비트들에서 계산 되고 ROM의 최상위 바이트에 포함된다.
임시 메모리 오류검출코드(CRC)는 임시 메모리에 저장된 데이터로부터 계산된다. 따라서 이것은 변경할 때 임시 메모리에 있는 데이터가 변경될 때 변경된다.
오류검출코드(CRC)는 HTS 센서에서 데이터가 읽어질 때 데이터 유효성검사 방법으로서 HTS 컨트롤러(또는 HTS 컨트롤러)를 제공한다. 데이터가 정확히 읽혀진 것을 확인하려면, HTS 컨트롤러(또는 HTS 컨트롤러)는 수신된 데이터에서 CRC를 다시 계산해야 한다. 그런 후 이 값을 다른 ROM 코드와 비교해야 한다. 만약 계산된 CRC가 읽은 CRC와 일치 할 경우, 데이터는 에러 없이 수신된 것이다.
CRC 값의 비교와 동작을 계속하기 위한 결정은 HTS 컨트롤러에 의해 전적으로 결정된다. 다항식 함수는 다음과 같다.
[수학식 2]
Figure 112014045661371-pat00002
HTS 컨트롤러는 CRC를 재계산할 수 있다.
도 9에 도시된 것처럼 다항식 생성기를 사용하여 HTS 센서로부터의 CRC값에 대하여 비교할 수 있다.
도 9의 회로는 시프트 레지스터 및 XOR 게이트들로 구성되며, 시프트레지스터 비트들은 0으로 초기화된다. ROM 코드의 최하위 비트 또는 임시 메모리에 바이트0의 최하위 비트로 시작하여, 한번에 하나의 비트가 시프트 레지스터에 시프트 한다.
ROM부터 24번째 비트 또는 임시 메모리로부터 바이트7 의 최상위 비트에 시프트 후에, 다항식 발생기는 재계산된 CRC를 포함하게 된다.
다음으로, HTS 센서로부터 8-비트 ROM 코드 또는 임시 메모리 CRC는 회로 속으로 시프트 되어야한다. 이 시점에서, 만약 재계산된 CRC가 정확하면 시프트 레지스터는 모두 0을 포함할 것이다.
다음으로, 공통 버스 시스템(30)에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
공통 버스 시스템은 하나 또는 그 이상의 HTS 온도 센서를 제어하기 위해 하나의 HTS 컨트롤러를 사용한다. 만약 공통 버스에 멀티 포인트로 다중 HTS 온도 센서가 있는 경우, 시스템은 멀티-드롭으로서 모든 데이터와 명령은 공통 버스를 통해 최하위 비트를 전송한다.
공통 버스는 단 하나의 데이터 라인을 가지고 있는데 각 디바이스는(HTS 컨트롤러 또는 HTS 온도 센서) 3-스테이트 포트를 통해 데이터 라인에 인터페이스 된다. 센서 디바이스가 데이터를 전송하지 않을 때 각각의 디바이스는 데이터 라인을 해제하도록 허용한다. 공통 포트는 내부회로로 된 오픈 드레인 이다.
공통 버스는 약 6 kΩ의 외부 풀업 저항이 필요하다. 따라서 공통 버스의 아이들(idle) 상태는 하이(high) 상태이다. 만약 어떤 이유로 송수신을 일시 정지해야 할 필요가 있다면, 송수신을 재개하고자하는 경우, 버스는 아이들(idle) 상태를 유지해야한다.
복구기간 동안 너무 오래 공통 버스가 비활성(high 레벨) 상태에 있으면, 무한 복구 시간이 비트들 사이에 발생할 수 있다. 만약 버스가 수 백 μs 이상 로 레벨(low) 상태로 유지되는 경우에, 버스의 모든 구성요소는 리셋 될 수 있다. 또한 온도 변환을 하는 동안 충분한 공급 전류를 갖는지 확인하기 위해서, 온도 변환이나 EEPROM의 쓰기가 일어날 때마다 공통 버스에 강한 풀업을 제공하는 것이 필요하다.
다음으로, 공통 버스에 의해 HTS 센서에 액세스하기 위한 방법을 설명한다.
도 10에서 보는 바와 같이, 공통 버스에 의해 HTS 센서에 액세스하기 위한 방법은 (a) 초기화 단계(S10); (b) ROM 명령 수행 단계(S20); 및 (c) HTS 기능 명령 수행 단계(S30)으로 구성된다.
만약 시퀀스의 어떤 단계가 오류가 있거나 고장 난 경우 응답하지 않으므로 HTS 센서가 액세스될 때마다 이 시퀀스를 수행하는 것은 매우 중요하다. 이 규칙의 예외는 ROM 명령과 알람 검색(Alarm Search) 명령이다. 이 ROM 명령 중 하나를 실행한 후, HTS 컨트롤러는 다시 처음의 초기화 단계(S10)로 돌아간다.
먼저, 초기화 단계(S10)를 설명한다.
공통 버스의 모든 신호처리는 초기화 시퀀스로 시작한다. 초기화 시퀀스는 HTS 컨트롤러에 의해 전송된 리셋 펄스 후에 HTS 온도 센서에 의해 전송된 응답 펄스가 뒤따르는 것으로 구성된다. 응답 펄스는 HTS 온도 센서가 버스에 있고 작동할 준비가 되어 있다는 것을 HTS 컨트롤러가 알게 한다.
다음으로, ROM 명령 수행 단계(S20)를 설명한다.
공통버스 상에서 HTS 컨트롤러가 응답 펄스를 감지 한 후, ROM의 명령을 실행할 수 있다. 상기 ROM 명령은 각 HTS 온도 센서의 고유 32-비트 ROM 코드에서 작동하고, 만약 공통 버스에 HTS 온도 센서가 많이 존재하는 경우 HTS 컨트롤러가 특정 디바이스를 지정하는 것을 허용한다. 이러한 명령은 HTS 컨트롤러가 버스에 얼마나 많이 그리고 어떤 종류가 존재하는지 또는 디바이스가 알림상태를 경험했는지를 결정하는 것을 허용한다. 각 명령은 8비트이다.
HTS 컨트롤러는 HTS 기능 명령을 실행하기 전에 적절한 ROM명령을 실행하도록 한다. ROM명령의 작동을 위한 방법을 나타낸 흐름도는 도 11에 나타낸다.
다음으로, HTS 기능 명령 수행 단계(S30)를 설명한다. HTS 기능 명령은 탐색 명령, 읽기 명령, 건너띄기 명령, 알람 탐색 명령 등을 포함한다.
먼저, 탐색 명령에 대하여 설명한다.
탐색 명령은 시스템 초기에 파워 업 될 때, HTS 컨트롤러가 버스상의 모든 HTS 온도 센서의 ROM 코드를 식별하고, HTS 컨트롤러가 HTS 온도 센서와 자신의 디바이스 유형의 개수를 결정하는 것을 허용한다. HTS 컨트롤러는 HTS 컨트롤러가 모든 HTS 온도 센서를 식별하기위해 필요한 횟수만큼 탐색 ROM 사이클을 통하여 ROM코드를 학습한다.
모든 탐색 ROM 주기 후에, HTS 컨트롤러 또는 HTS 컨트롤러(40)는 송수신 시퀀스에서 초기화 단계(S10)로 반환해야 한다.
다음으로, 읽기 명령에 대하여 설명한다.
읽기 명령은 공통버스에 하나의 HTS 온도 센서가 지정되어 있을 때 사용된다. HTS 컨트롤러는 ROM의 탐색 절차를 거치지 않고 HTS 온도 센서의 32-비트 ROM 코드를 판독한다.
뒤이어 32-비트 ROM 코드 시퀀스에 이은 매치 명령은 HTS 컨트롤러가 특정 HTS 온도 센서를 멀티-드롭 버스에 어드레스 하는 것을 허용한다. 단지 정확히 32 비트 ROM 코드 시퀀스와 일치하는 HTS 온도 센서만 HTS 컨트롤러에 의해 발행된 기능 명령에 응답한다. 공통버스에 있는 다른 모든 HTS 온도 센서는 리셋 펄스를 기다린다.
다음으로, 건너띄기 명령을 설명한다.
건너띄기 명령은 HTS 컨트롤러가 어떤 ROM 코드 정보를 전송하지 않고 공통버스에 있는 모든 디바이스를 동시에 어드레스하기 위해 이 명령을 사용할 수 있다. 예를 들어, 건너띄기 명령 후 변환 명령 실행에 의해 HTS 컨트롤러는 공통버스 상의 모든 HTS가 온도변환을 동시에 수행 할 수 있게 한다. 이 시퀀스는 32-비트 ROM 코드의 전송 없이 HTS 컨트롤러가 디바이스로 부터 직접 읽는 것에 의해 시간을 절약 할 수 있다. 만약 하나 이상의 HTS 온도 센서 센서가 있는 경우 여러 디바이스가 동시에 데이터를 송신 하려고 시도하기 때문에 이 시퀀스는 버스 상에서 데이터 충돌을 일으킬 것이다.
다음으로, 알람 탐색 명령에 대하여 설명한다.
알람 탐색 명령은 단지 알람 플래그 설정이 응답할 HTS 온도 센서 센서를 제외하고 탐색 명령의 동작과 동일하다. 이 명령은 만약 어떤 HTS가 가장 최근의 온도 변환동안 알람 상태를 경험하면 HTS 컨트롤러 디바이스가 결정하는 것을 허용한다. 모든 알람 탐색 주기 동안 HTS 컨트롤러는 송수신 시퀀스에서 (초기화) 단계(S10)로 반환해야 한다.
다음으로, 공통버스 상에서 HTS 컨트롤러 구성방법을 설명한다.
본 발명에서 구현한 공통 버스는 HTS 컨트롤러와 하나 이상의 HTS 온도 센서 간의 공동 데이터라인을 공유하는 사이에서의 반이중 양방향(Half Duplex) 소통을 수행하는 간단한 신호체계이다. 전원 공급과 데이터통신 양쪽 모두 이 하나의 회선을 통해 이루어지고, 상호연결을 최소화해야 하는 시스템에 핵심 기능을 제공한다.
공통버스 기술은 버스 상에서 디바이스를 구분하고 신호의 송수신을 위한 파형을 생성하는 HTS 컨트롤러가 필요하다. HTS 컨트롤러를 구성하는 방법은 단방향,양방향 입출력 소자의 선택에 따라서 2종류로 구성하였다.
HTS 컨트롤러는 3V~5V에서 동작하는 마이크로컨트롤러인 호스트 회로와 호환이 된다. 프로토콜 변환을 수반하지 않는 회로는 3V 보다 이하의 전원 공급으로 동작하는 호스트와 같이 사용될 수 있다. 이 경우에 HTS 컨트롤러와 공통버스 HTS 온도 센서 간에 전압 레벨 변환기가 필요하다.
도 12는 HTS 컨트롤러의 가장 기본적인 회로를 보여준다.
도 12의 회로는 양방향 포트와 프로그램 메모리에 약간의 저장 공간을 필요로 하며 이 회로의 공통버스의 장점은 단지 풀업 저항만을 사용하여 HTS 컨트롤러와 HTS 온도 센서 간에 전압레벨을 호환될 수 있게 간단하게 구현할 수 있다.
이것은 HTS 온도 센서와 풀업전압에 따라, 강한 풀업을 구현하기위하여 추가적인 포트 핀이 필요하다. 공통버스에서 최대동작전압은 양방향 포트의 특성에 따라 결정되며 공통버스에 하나 이상의 HTS 온도 센서를 가질 경우, 풀업저항 R의 값을 2KΩ으로 작게 할 필요가 있다. 통신속도를 고려하여 높은 클럭 주파수 및 명령어 사이클에 대하여 낮은 클럭 사이클을 가진 마이크로컨트롤러를 적용하여 회로를 구현한다.
도 13은 도 12와 비슷한 또 다른 기본적인 회로로서 이 회로는 두 개의 여분의 단일방향의 포트와 풀다운 트랜지스터, 그리고 프로그램 메모리에 약간의 저장 공간을 필요로 한다. 상기 도 13의 회로의 장점은 양방향 포트를 사용하지 않을 때 사용하는 회로이다. 다만 타이밍이 소프트웨어를 통해서 생성되는데, 이것은 초기의 소프트웨어 개발 시간과 비용을 증가시킬 수 있다. HTS 온도 센서와 풀업 전압에 따라서 강한 풀업을 구현하기 위하여 추가적인 포트 핀이 필요하다. 공통버스에서 최대동작전압은 양방향 포트의 특징에 따라 결정되며 공통버스 상의 하나 이상의 HTS 온도 센서와 R의 값을 2KΩ으로 작게 할 필요가 있다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템의 구체적인 구성에 대하여 도 14을 참조하여 설명한다.
본 발명의 실시예는 앞서 설명한 실시예를 구체적으로 구성한 실시예이다.
도 14에서 보는 바와 같이, 변압기 2차측의 케이블이나 저압 메인 차단기에 접속되어있는 케이블 등 수배전반에 HTS 온도센서를 N개의 병렬 접속형태로 취부시켜 케이블 모선이나 케이블 접속점 각 부의 온도를 감지한다. 그리고, RS-485통신을 통해 이를 제어장치, 또는 HTS 컨트롤러로 데이터를 전송한다. 이를 통해 원격으로 수배전반이나 분전반 등의 케이블 및 부스바의 온도를 감시하는 시스템 구성이다. 도 14은 케이블이나 부스바 또는 각 선로의 접속부의 온도 검출 시스템 구성을 나타낸다.
멀티포인트 온도 센서(①) 내부에 반도체가 장착되어 있어 온도에 따른 변화를 디지털로 변환하여 RAM상에 저장한다. 온도 센서(①)의 RAM상에 데이터를 HTS 컨트롤러(③)가 공통버스 통신방식으로 읽어서 HTS 컨트롤러(③)의 온도 데이터로 활용한다.
공통버스(②) 통신방식의 특징은 병렬통신 방식이며 통신선로에 DC전원을 인가시켜 38400 bps로 신속히 데이터를 가져온다. 따라서 온도 센서(①)에 별도 전원을 구성하지 않아도 된다. 또한 HTS 온도센서(①)의 패밀리 코드(Family code)가 MAC(media access control address) 코드화 되어 있다.
그래서 HTS 컨트롤러(③)는 패밀리 코드(Family code)를 식별자(ID)로 관리한다. HTS 온도센서(①)의 패밀리 코드(Family code)를 ID로 관리하며 패밀리 코드와 일치하는 센서의 온도 계측 값을 센서로부터 읽어와 온도를 데이터화 한다.
그리고 센서(①)로부터 읽어온 온도 데이터를 RS485/232컨버터(④)를 통해 PC(⑤)에 전송한다. 또한 설정 값에 의한 경보 기능도 구성하고 있다. RS-232통신 레벨을 RS-485통신 레벨로 변환해주는 장치이다.
PC 등 원격 서버(⑤)는 모니터링 감시 및 온도 데이터를 관리한다.
실제, 각 온도 센서(①)와, HTS 컨트롤러가 수배전반에 설치된 구성도가 도 15에 도시되고 있다. HTS 온도 센서(①)가 R, S, T, N 상의 연결 부위에 설치되고, 공통버스를 통해 HTS 컨트롤러와 연결된다.
다음으로, HTS 센서에 대하여 도 16 및 도 17를 참조하여 설명한다.
멀티포인트 온도센서의 신호 전달은 공통버스 통신을 통해 온도 데이터를 읽는 기능을 가지고, 별도의 전원을 공급하지 않아도 될 뿐만 아니라 센서의 크기가 작아서 설치하는데 매우 용이하게 설치할 수 있다. 또한, 최대 300 미터까지(센서 수량에 따라 변동) 통신이 가능하다. HTS 센서의 규격은 도 16에 보는 바와 같다.
또한, 도 17에서 보는 바와 같이, 도 17의 ① 부분은 HTS 온도센서 모듈은 크게 센서의 전원 공급부와 통신부, 그리고 메모리 및 센싱부로 구성한다. 센서의 전원공급과 공통버스 통신포트를 구성하고 있다.
도 17의 ② 부분에서, 32Bit 패밀리 코드(Family code)를 관리하고 있다. 공통버스 포트로 센서와 원활하게 통신하기 위해서는 이 패밀리 코드(Family code)를 통과해야 온도 데이터를 읽을 수 있다. 온도센서와 데이터 관리 및 통신을 하기 위한 임시 메모리를 구성한다.
다음으로, HTS 컨트롤러의 구성에 대하여 도 18 및 도 19을 참조하여 설명한다. HTS 컨트롤러의 구성 블록도는 도 18에서 보는 바와 같다.
도 18에서 보는 바와 같이, HTS 컨트롤러는 온도 센서와 통신하기 위한 센서통신회로, 데이터를 저장하기 위한 저장장치, 서버와 통신하기 위한 통신 제어부, 전원 공급회로 등으로 구성된다.
또한, 도 19에서 보는 바와 같이, HTS 컨트롤러에서, 열접촉 경보기는 온도센서 모듈로부터 전송된 온도 데이터를 원격으로 감시 및 진단하고 이상 상태를 경보발생을 하기 위한 장치이다. 구성을 크게 구분하면 온도센서 입력부와 MCU(마이크로프로세서 유닛), 표시 및 조작부, 통신 변환부, 및, 접점 구동부로 구성한다.
도 19의 ① 부분은 HTS 온도센서 입력회로이다. 공통버스 통신 레벨을 DC5V TTL레벨로 변환해주는 회로로 구성한다. 도 19의 ② 부분은 온도센서에 온도 데이터를 읽어와서 데이터를 관리하고 디스플레이 및 RS-485 통신과 경보기능을 수행한다.
도 19의 ③ 부분은 온도 및 과열여부 표시부이고, ④ 부분은 키 설정 및 조작부이고, ⑤ 부분은 RS-485 통신부이다.
도 19의 ⑥ 부분은 HTS 온도센서의 패밀리 코드와 각종 설정치 및 데이터를 보관한다. SRAM의 전원을 배터리로 공급하므로 보관할 때나 정전 시에도 데이터가 휘발하지 않는다.
도 19의 ⑦ 부분은 경보 시 사용할 부저음 및 경보접점을 구성한다.
다음으로, 본 발명의 제3 실시예에 따라 멀티 포인트를 갖는 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 방법을 도 20 내지 도 25를 참조하여 설명한다.
먼저, 열화 감시를 위해 건전성 지수를 산출하는 방법을 설명한다. 건전성 지수는 수배전반의 상태가 얼마나 건전한지를 판단하는 지수이다. 건전성 지수를 산출하기 위한, 지표산출 항목 및 파라미터들은 도 20에서 보는 바와 같다.
건전성 지수를 산출하기 위하여, 앞서 도 1의 수배전반 열화감시 시스템에 온도 센서 외에도 CO가스 센서, 아크 검출 센서, 습도 센서, 전압/전류 검출 센서 등을 구비하여, 건전성 지수에 필요한 기초 데이터를 측정하여 획득한다.
다음으로, 세부항목별 지표 산출을 위한 수식을 설명한다.
지수 산출을 위한 모든 항목은 다음과 같은 형태의 멤버쉽함수에 의하여 산출된다.
지수산출을 하고자 하는 모든 항목은 입력하한 경계 값(xl), 입력하한 경계값 이하에서의 멤버쉽 값 (vl),입력상한 경계 값(xh),입력상한 경계 값 이상에서의 멤버쉽 값(vh)을 각각의 특성에 맞춰 설정하였으며, 설정 값을 이용하여 아래 식과 같이 멤버쉽 값을 계산한다.
도 21에서 보는 바와 같이, 지수 산출을 위한 모든 항목은 다음과 같은 형태의 두가지 형태의 지표화 함수에 의하여 산출된다. 증가형은 역률처럼 수치가 높을수록 양호하여 지표가 높아지는 타입이며, 변압기 온도처럼 수치가 낮을수록 상태가 양호하여 지표가 높아지는 타입을 의미한다.
각 항목에 대한 지표는 평면상의 두 점이 주어졌을 때 다음 [수학식 3]으로 계산한다.
[수학식 3]
Figure 112014045661371-pat00003

다음으로, 각 항목에 대한 정의 및 지표산출을 위한 상세한 방법을 설명한다.
먼저, 안전 지표(Electrical Safety Index)에 대하여 설명한다.
안전지표로서, 온도지표는 선로에 설치된 다수의 온도 센서 중에 최대 온도를 나타내는 값을 입력 값으로 사용한다. 또한, 누적 CO가스 지표는 최근 일주일 간 발생한 설정 값 이상의 CO가스의 발생회수를 입력 값으로 사용한다. 또한, 누적 분진 농도 지표는 최근 일주일 간 발생한 설정 값 이상의 분진농도 발생회수를 입력 값으로 사용한다.
또한, 누설전류 지표는 다음과 같이 누설전류율을 입력 값으로 사용한다.
[수학식 4]
누설전류율 = 누설전류 / (기준누설전류) * 100
기준누설전류 = 설비의 정격전류 / 누설전류기준
각 세부항목에 대한 지표화 함수의 일례들이 도 22에 보는 바와 같다.
다음으로, 안전지표의 산출은 다음과 같은 식에 의해 계산된다.
[수학식 5]
안전지표 = (0.3 * 온도지표) + (0.4 * 누적 CO가스 지표) + (0.1 * 누적 분진 지표) + (0.2 * 누설전류 지표)
단, 안전지표 최소 문턱 값을 설정하여 임의의 한 항목이라도 최소 문턱 값보다 낮은 경우에 안전지표는 최소값을 사용한다.
다음으로, 열화 지표로서, 온도 지표, 아크 지표, 습도 지표 등이 사용된다.
온도지표는 안전지표와 동일하고, 아크 지표는 현재 계측되는 아크 발생 회수를 입력으로 사용한다. 또한, 습도지표는 현재 계측되는 습도 값을 입력으로 사용한다. 각 세부항목에 대한 지표화 함수는 도 23에 보는 바와 같다.
열화지표의 산출은 다음 식에 의해 구한다.
[수학식 6]
열화지표 = (0.4 * 온도지표) + (0.4 *아크 지표) + (0.2 * 습도지표)
단 열화지표 최소문턱 값을 설정하여 임의의 한 항목이라도 최소 문턱 값보다 낮은 경우에 안전지표는 최소값을 사용한다.
다음으로, 전기 품질 지표에 대해 설명한다.
순간전압강하 지표는 최근 한달 동안 발생한 순간전압강하 회수를 입력으로 사용하고, 순간전압상승 지표는 최근 한달 동안 발생한 순간전압상승 회수를 입력으로 사용한다. 또한, 순간정전 지표는 최근 한달 동안 발생한 순간정전 회수를 입력으로 사용한다. 전압왜형율 지표는 상별 전압파형에 대한 총 고조파 왜형율(VTHD)들 중의 최대값을 입력으로 사용한다.
전압유지율 지표는 전압유지율을 입력으로 사용한다. 전압유지율은 기준전력에 대한 초과 또는 미만 정도를 의미하는 것으로서, 다음 식에 의해 계산된다.
[수학식 7]
전압유지율 = abs( 1 - abs(기준전압 - 계측전압) / 기준전압 ) * 100
여기에서 기준전압은 공칭전압을 의미한다.
전압 불평형률 지표로서, 3상인 경우 전압불평형률을 입력으로 사용한다.
[수학식 8]
전류불평형률 = sqrt( (1-sqrt(3-6*delta) )/( 1+sqrt(3-6*delta)) )*100
여기서 delta=( V12^4 + V23^4 + V31^4 ) / ( V12^2 + V23^2 + V31^2 )^2 이고, V12, V23, V31는 선간전압이다.
각 세부항목에 대한 지표화 함수는 도 24에 보는 바와 같다.
전기품질지표의 산출은 다음 식에 의해 계산된다.
[수학식 9]
품질지표 = (0.15 * 순간전압강하 지표 ) + (0.15 * 순간전압상승 지표 ) + (0.15 * 순간정전 지표 )+ (0.2 * 전압왜형율 지표 ) + (0.2 * 전압유지율 지표 ) +(0.15 * 전압불평형률 지표 )
단, 품질지표 최소문턱 값을 설정하여 임의의 한 항목이라도 최소 문턱 값보다 낮은 경우에 안전지표는 최소값을 사용한다.
다음으로, 종합 건전성 지수는 안전, 품질, 열화 지표를 이용하여 종합적인 건전성 지표를 계산한다.
[수학식 10]
종합 건전성 지수 = 0.4*안전지표 + 0.2*품질지표 + 0.4*열화지표
단, 종합 건전성지수에 대한 최소문턱 값을 설정하여 임의의 한 항목이라도 최소 문턱 값보다 낮은 경우에 안전지표는 최소 값을 사용한다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
10 : 수배전반 11 : 구성 설비
20 : HTS 온도 센서 30 : 공통버스
40 : HTS 컨트롤러 50 : 디스플레이 장치
60 : 원격 서버 70 : 통신 컨버터

Claims (8)

  1. 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템에 있어서,
    수배전반 설비에 부착되어 온도를 감지하는 다수의 HTS 온도 센서;
    하나의 제어 라인을 통해 상기 다수의 HTS 온도 센서와 연결되는 공통 버스; 및,
    상기 공통 버스를 통해 각 HTS 온도 센서를 제어하고, 상기 HTS 온도 센서로부터 온도 데이터를 획득하여 수배전반 설비의 이상유무를 판단하는 HTS 컨트롤러를 포함하고,
    상기 공통버스는 상기 HTS 컨트롤러와 하나 이상의 HTS 온도 센서 간의 공동 데이터라인을 공유하는 사이에서의 반이중 양방향(Half Duplex) 소통을 수행하는 신호체계이고,
    상기 공통 버스를 통해 상기 HTS 온도 센서의 전원을 공급하고,
    상기 HTS 온도 센서는 3-스테이트 포트를 통해 상기 공통 버스에 연결되고, 상기 공통 버스에 연결시 풀업(Pull-up) 저항을 통해 연결되어. 신호 전송이 없는 경우 하이 레벨(High) 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 HTS 컨트롤러는 패밀리 코드를 관리하고, 상기 공통 버스를 통해 상기 HTS 온도 센서와 통신하기 위하여, 상기 패밀리 코드를 이용하여 온도 데이터를 읽어오되, 상기 패밀리 코드로서, 각 HTS 온도 센서 센서의 고유의 32-비트 코드를 사용하여 공통버스 상에 연결된 HTS 온도 센서를 식별하고 ID를 구별하고, 각 HTS 온도 센서가 고유의 코드를 가지도록 하여, 하나의 라인의 공통 버스에 여러 개의 HTS 온도 센서들을 어드레싱을 하는 것을 특징으로 하는 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 HTS 온도 센서는 상기 공통 버스에서 내부 커패시티가 연결되어, 상기 공통 버스를 통해 하이(high) 레벨의 버스 신호가 들어오는 경우 상기 내부 커패시티가 충전되고, 상기 공통 버스에서 로(low) 레벨의 버스 신호가 들어오는 경우 충전된 내부 커패시티에 의해 전원이 공급되는 것을 특징으로 하는 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 HTS 컨트롤러는 상기 공통버스에 풀업 저항과 병렬로 연결되는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 HTS 온도 센서는 NTC 서미스터(negative temperature coefficient thermistor)와 저항을 이용하여 DC전압을 출력하도록 구성되거나, 트랜지스터의 오프셋 전압에 의한 DC전압이나 전류를 온도로 환산하는 계측 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 HTS 컨트롤러는 건전성 지수를 산출하여 상기 수배전반의 열화 상태를 나타내고,
    상기 건전성 지수는, 안전 지표, 열화 지표, 및 전기 품질 지표의 값을 가중 합산하여 구하고,
    상기 안전 지표는, 선로의 온도를 중 최대 값을 나타내는 온도 지표, CO 가스의 발생횟수를 나타내는 누적CO가스 지표, 분진농도 발생횟수를 나타내는 누적분진농도 지표, 누설전류 기준 대비 선로 중 최대 누설전류의 비율을 나타내는 누설전류 지표를 가중 합산하여 구하고,
    상기 열화 지표는, 선로의 온도들 중 최대 값을 나타내는 온도 지표, 측정된 아크 발생횟수를 나타내는 아크 지표, 측정된 습도를 나타내는 습도 지표를 가중 합산하여 구하고,
    상기 전기 품질 지표는, 순간 전압 강하 발생횟수를 나타내는 순간전압강하 지표, 순간 전압상승 발생횟수를 나타내는 순간전압상승 지표, 순간정전 발생횟수를 나타내는 순간정전 지표, 전압 왜형율을 나타내는 왜형률 지표, 기준전압 대비 계측전압 비율을 나타내는 전압유지율 지표, 상별 전압 불평형률을 나타내는 불평형률 지표를 가중 합산하여 구하는 것을 특징으로 하는 멀티 포인트로 구비된 하이브리드 온도 센서 기반의 수배전반 열화감시 시스템.
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