KR101515478B1 - 자기센서에 의한 아크검출 방법 및 이를 이용한 아크발생 보호 수배전반 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전압신호 및 전류신호를 간섭 및 왜곡을 보상하여 수배전반내의 아크를 정확하고 신속하게 감지하여 정상적인 아크인지 고장상태의 아크인지를 판별하고 경보 및 트립신호를 발생시키기 위하여, 수배전반 회로의 전압 또는 전류 전 영역에서 측정된 보정 값을 미리 정해진 기준에 따라 한 개 이상의 영역이나 점으로 축약하여 상기 전압 및 전류 측정 모듈 내에 저장하고, 상기 저장된 축약된 보정 값을 이용하여, 상기 전압 및 전류 측정 모듈의 실시간 샘플링 데이터와 대응되는 영역이나 점의 샘플별로 보정하는 단계 및 전압 및 전류 측정 모듈에서 측정된 연속적인 샘플링 데이터에 실시간으로 보정 값을 적용하여 계측값 왜곡을 보정하는 것을 특징으로 하는 자기센서에 의한 아크검출 방법과, 자기센서에 의한 아크검출 방법을 이용하여 아크발생으로부터 보호되는 수배전반을 제공한다.

Description

자기센서에 의한 아크검출 방법 및 이를 이용한 아크발생 보호 수배전반{Method for detecting arc by magnetic sensor and arc protection switching board using the same method}

본 발명은 아크(arc) 검출방법 및 아크발생 보호 수배전반에 관한 것으로, 특히 수배전반내의 아크 발생 상태를 감시하고 이상 아크 발생 시 이를 경보하고 트립신호(trip signal)를 발생시켜 전기화재로부터 인명과 재산을 보호하기 위하여 전류신호 및 전압신호의 측정값을 정확히 보정한 자기센서에 의한 아크검출 방법 및 이를 이용한 아크발생 보호 수배전반에 관한 것이다.

수배전반시스템내의 아크(arc)는 전선피복이나 접촉면에 발열을 유발하여 최종적으로 화재를 일으키는 원인이 된다. 최근 자료에 의하면 전체 전기화재 원인 중 약 80%가 아크에 의한 것으로 조사되었다.

오늘날의 수배전반시스템은 과부하와 단락을 검출하는 과전류보호용 회로차단기와 지락을 검출하는 누전차단기에 의해 보호된다. 이러한 보호계전기가 적절히 적용되면 다른 형태의 회로보호는 필요치 않은 것처럼 인식될 수도 있다. 그러나 전기적 아킹(arcing)현상은 이러한 보호계전기로는 막을 수 없다.

아크 발생의 공통적인 시작은 유기절연물에 걸친 스파크(spark) 현상이다. 아크가 발생하는 표면은 탄화 혹은 열분해 되어 전기도체가 더 큰 아크를 유발하며 결국 축적된 열이 발화점을 넘으면 화재로 연결된다. 이와 같이 기존의 보호계전기로 차단할 수 없는 아크에 의한 화재를 예방하기 위해서는 아크 경보 및 트립신호(trip signal) 발생기가 필요하다.

한편, 아크는 전기기계기구의 개폐 시에도 발생할 수 있다. 심지어 일부 전기기구에서는 정상동작 시에도 발생하고 있다. 즉, ON/OFF시 발생하는 개폐성 써지(surge), 큰 용량의 커패시터(capacitor)를 이용한 정류기를 사용할 경우에 발생하는 충전전류도 아크 성분을 가지고 있다. 그러므로 이러한 정상동작 중 발생하는 아크와 전선의 절연파괴, 선간 단락, 지락 등 고장 상태에서 발생하는 이상 아크를 명확히 구분하지 않으면 원치 않는 차단 또는 경보가 발생할 수 있다.

종래에 아크 발생을 검출하고 이를 경보하는데 있어 가장 큰 문제점은 상기와 같이 정상적인 전기기계기구의 사용으로 인한 아킹현상을 고장상태로 인식하여 아크 경보를 발령하는데 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 아킹현상 전후의 부하전류를 비교하여 아크의 상태를 판별하는 방법이 등록특허 제10-0122576호, '전기화재 증후 경보장치 및 방법' 이 개시되어 있다. 상기 특허는 아크/스파크 발생 후에 부하전류가 증가하거나 감소하면, 전기제품의 사용시작 또는 사용중지로 인한 아킹현상으로 인식한다. 즉, 아크/스파크 발생 전후의 부하전류에 변동이 있으면 전기제품 사용으로 인한 아킹현상으로 인식하고, 부하전류에 변동이 없으면 전기화재 증후로 인식한다.

그러나 상기 특허에서는 부하전류의 변동 여부를 판별하기 위하여 아크/스파크 발생 전과 발생 후 1분 동안 전선을 통과하는 부하전류의 평균치를 구하여 비교해야 하므로 미세한 부하변동의 경우 및 빈번한 기동정지가 되는 부하를 사용하는 경우, 그리고 급속히 진행되는 아크현상은 감지할 수 없는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 하기의 특허문헌에 기재된 기술들이 제안되었다.

김천연 등은 대한민국 특허출원 제10-2000-0048580호, '전자적인 트립이 가능한 회로 차단기 및 구현 방법' 에서 교류전원에 흐르는 전류변화를 전압으로 변환하고 고주파수 성분를 발취한 후, 비교기를 통해 일정전압 이상을 걸러낸 후, 적분하여 그 값이 설정된 값 이상이면 이상신호를 발생시키는 회로 차단기 및 구현방법을 제안하였다.

또한, 김천연 등은 특허출원 제10-2001-0022392호, '아크 결함 보호용 차단기 및 이를 구비하는 회로 차단기' 에서 상기 특허와 유사한 수배전반에 있어서, 아크 결함을 검출하는 아크 결함 보호용 회로 및 차단기를 제안하였다. 상기 출원에서도 전류 검출부의 출력 전압의 노이즈를 제거하기 위해 고주파 성분을 제거하고 특정 주파수 범위로 한정시키는 방법을 사용하고 있다.

지멘스의 브레이드스 등에 의해 등록특허 제10-0378629호, '고주파수 노이즈 모니터링에 의한 AC 전력시스템 내의 아킹 검출방법 및 장치' 에서 AC 전력 시스템내의 광대역 고주파수 노이즈에 대한 전력파형을 모니터링하고, 상기 전력 파형에 동기화된 그것의 진폭의 변화 패턴에 대해 검출된 노이즈를 시험함으로써 아킹현상을 검출하는 방식이 제안되었다.

상기 특허는 발생되는 아크 노이즈의 주파수 대역을 검출하기 위해 트랜스듀서 코일(transducer coil)과 함께 동조된 탱크회로를 형성하는 전압-가변-캐패시턴스 동조용 다이오드 등을 사용하여 검출 대역폭을 스위핑함으로써 검출된 아크 노이즈가 광대역에 걸쳐 발생하는 지를 확인하고 상기 아크 노이즈가 광대역이면 아크현상으로 판단한다. 또한, 상기 특허문헌에 기재된 참조문헌을 통해서 미국에서 출원되거나 등록된 다양한 아킹검출 관련 기술을 확인할 수 있다.

한편, 전술한 종래기술에 따른 아크 검출 관련 기술들과 달리, 전류신호와 전압신호를 구분하여 상기 전류신호의 위상과 동일한 전압신호를 주파수 성분으로 변환한 후, 상기 전류신호의 기본주파수성분을 제외한 나머지 아크성분을 입력받아서, 입력된 아크성분의 펄스특성과 이전 구간의 펄스특성을 비교하여 이상아크의 발생을 경보할 수 있도록, 본 출원인에 의해 등록특허 제10-1007551호, '자기센서에 의한 아크검출 방법 및 이를 이용한 아크발생 보호 수배전반'로 제안된 바 있다.

그러나 배전라인의 전류신호 및 전압신호를 통해 아크를 검출하기 위해서는 전류신호 및 전압신호를 한층 정확하게 측정해야만 하는 근본적인 문제가 발생한다. 일반적으로 전류측정 센서로 사용되는 자기 센서(예로서, 홀센서)는 자속을 측정할 수 있는 센서를 부스바 주변에 두고 자속량을 직접 측정하여 전류의 크기로 환산하는 방식이기 때문에, 설치가 용이하다는 장점은 있으나 센서 자체가 온도나 거리 등의 측정환경의 영향에 따라 측정값에 오차가 발생하게 된다.

특히, 통상 수배전반은 복수 개의 부스바가 밀집되어 있기 때문에 부스바가 다중으로 밀집된 환경에서는 선간 간섭이 심하게 발생하여 측정값의 오차가 더욱 크게 발생하게 되는 문제점이 있다.

또한, 자기 센서의 전압과 감도는 인가자장과 전류에 대하여 선형적으로 변화하는 응답특성을 가지고 있으나, 현장에서는 센서의 응답이 정확히 선형적인 특성을 보이지는 않으므로, 실제로 정밀 계측을 위해서는 전류와 센서 출력 사이에 이득 프로파일(gain profile)이 필요하다. 또한, 해당 신호(전류 또는 전압 신호 등)의 수치적 측정을 위해 구비되는 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital Converter, ADC)나 연산 증폭기 등을 통과하면서 이득과 위상 등에 왜곡이 발생하게 되므로, 수치 보정(Calibration)이 요구된다. 또한, 온도에 따라 왜곡이 발생하기도 하므로, 온도별 보정 과정도 필요하다.

이와 같은 계측 값 왜곡을 보정하기 위해서 종래에는, 몇 개의 특정 포인트에서 기준 전압(또는 전류)과 출력전압(또는 전류)을 측정하여 보정 데이터를 산출하고 산출한 보정데이터를 이용하여 다른 센서 출력 전압을 보정하는 방법이 이용되었으나 이와 같은 방법에 따르면, 각각의 포인트별로 측정 및 보정이 수행되어야 하므로 시간과 노력이 많이 소요되고, 정밀도가 떨어지는 문제가 있으며, 보정을 위한 별도의 셋업이 필요하여 실제 사용 환경에서는 동작 중 수치 보정이 불가능하다는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-0393886호(2003.07.24.등록), 대한민국 등록특허공보 제10-0423886호(2004.03.09.등록), 대한민국 등록특허공보 제10-0378629호(2003.03.20.등록), 대한민국 등록특허공보 제10-1007551호(2011.01.05.등록), 대한민국 등록특허공보 제10-1131997호(2012.03.23.등록), 대한민국 등록특허공보 제10-1165992호(2012.07.10.등록), 대한민국 등록특허공보 제10-0867215호(2008.10.30.등록).

따라서 본 발명의 목적은 전술한 여러 가지 문제점을 보완 및 개선하여, 부스바가 다중으로 밀집된 수배전반 환경에서 배전라인의 전류신호 및 전압신호 측정값의 정확도를 향상시킴으로써 아크를 정밀하게 검출할 수 있는 자기센서에 의한 아크검출 방법 및 이를 이용한 아크발생 보호 수배전반을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 배전라인의 전류신호 및 전압신호를 간섭보정 및 왜곡보정 함으로써 부하전류신호와 아크 노이즈신호로 분리할 수 있는 자기센서에 의한 아크검출 방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 전류신호 및 전압신호를 간섭보정 및 왜곡보정 함으로써 배전라인의 전류신호에서 분리한 아크 노이즈신호의 한 주기당 입력 아크 펄스수와 펄스폭을 DSP(Digital Signal Processor)를 통해 더욱 정확하게 읽어들일 수 있는 자기센서에 의한 아크검출 방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 전류신호 및 전압신호를 간섭보정 및 왜곡보정 함으로써 DSP를 통해 읽어들인 한 주기당 입력되는 아크 펄스수와 펄스폭을 분석하고 이전 구간의 상태와 비교하여 펄스입력수가 급격하게 증가하고 그 폭이 랜덤하다면 고장상태로 인식하여 정확하고 신속한 경보가 이루어질 수 있도록 하는 자기센서에 의한 아크검출 방법 및 이를 이용한 아크발생 보호 수배전반을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수배전반내의 아크를 감지하여 정상적인 아크인지 고장상태의 아크인지를 판별하고 경보 및 트립신호를 발생시키기 위한 아크 검출 방법은, DSP(Digital Signal Processor)에서, 수배전반 회로의 아크(arc)를 감지하여 정상적인 아크인지 고장 상태의 아크인지를 판별하고 경보 및 트립 신호를 발생시키기 위한 아크 검출 방법에 있어서,
비교기를 사용하여 생성되는 상기 수배전반 회로의 하나의 상에 대한 전류에 포함된 고조파 성분에 대한 각각의 폭이 다른 펄스(pulse) 신호를 수신하는 단계; 카운터가 상기 수신된 펄스 신호들을 미리 설정된 제1구간 동안 카운트(count)하여 카운트 값을 산출하고, 전압 및 전류 측정 모듈이 상기 수신된 펄스 신호들 각각의 폭을 산출하여 연속적인 샘플링 데이터를 생성하는 단계; 상기 전압 및 전류 측정 모듈이 상기 수배전반 회로의 전압 또는 전류 전영역에서 측정된 보정 값을 미리 정해진 기준에 따라 복수의 영역이나 점으로 축약하여 저장하고, 상기 저장된 축약된 보정 값을 이용하여, 상기 샘플링 데이터와 대응되는 영역이나 점의 샘플별로 보정하여 상기 연속적인 샘플링 데이터에 실시간으로 보정 값을 적용하여 계측값 왜곡을 보정하는 단계; 및 상기 카운트 값이 상기 제1구간 전의 구간에서의 카운트 값 보다 미리 설정된 값 이상 큰지 여부 및 상기 산출된 펄스 신호들 각각의 폭이 랜덤(random)하게 변하는지 여부를 판단하는 것에 의해, 고장 상태에서의 아크인지 여부를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출 방법에 있어서, 상기 계측값 왜곡을 보정하는 단계는, 상기 수배전반 회로 전 영역에 고정된 부하를 제공하고, 전력원으로부터 입력 신호 레벨이 연속적으로 변화되는 전압 또는 전류를 인가한 후, 전압 및 전류 측정 모듈을 이용하여 상기 수배전반 회로에 흐르는 전압(V) 및 전류(I)를 미리 정해진 시간 동안 연속적으로 측정하여 샘플링 데이터를 출력하고, 상기 출력된 연속적인 샘플링 데이터 및 옴의 법칙 (V=IR)을 이용하여 상기 수배전반 회로의 전압 또는 전류에 대한 측정 보정 값을 도출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출 방법에 있어서, 상기 수배전반 회로의 전압의 측정 보정 값은 측정된 V-RMS 값을 이용하여 도출하고, 상기 수배전반 회로의 전압의 측정 보정 값은 저항을 1로 가정하고, 전압 ADC 출력 값과 전류 ADC 출력 값을 이용하여 제1 이득 값을 도출하고, 측정된 I-RMS 값을 이용하여 제2 이득 값을 도출하며, 전류 ADC 출력 값, 제1 이득 값 및 제2 이득 값을 곱하여 도출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출 방법에 있어서, 상기 수배전반 회로의 전압의 측정 보정 값 또는 상기 수배전반 회로의 전류 신호에 대한 제2 이득 값 도출 시, 전압 ADC 출력 값(Voltage ADC output)을 이용하여 실효치(RMS value)를 계산하고, 전압 RMS(V-RMS) 또는 피크 투 피크 전압(Vpp)을 설정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출 방법에 있어서, 상기 계측값 왜곡을 보정하는 단계 이전에, 교류 전압을 인가하고, 복수 회 측정되는 전압의 평균값 또는 피크 투 피크(peak to peak)를 측정하여 최고 전압과 최저 전압의 합을 2로 나눈 값을 이용하여 전압 DC 오프셋 값을 보정하는 단계; 및 교류 전압을 인가하고, 선형 부하를 연결한 상태에서 복수 회 측정되는 전류의 평균값, 또는 피크 투 피크(peak to peak)를 측정하여 최고 전류와 최저 전류의 합을 2로 나눈 값을 이용하여 전류 DC 오프셋 값을 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출 방법에 있어서, 상기 전류 DC 오프셋 값을 보정하는 단계 이후에, DC 오프셋을 제거하는 단계; zero crossing point의 차이를 계산하는 단계; 및 상기 zero crossing point의 차이를 정수부(integer part)와 소수부(fractional part)로 나눈 뒤 정수부는 딜레이(delay)된 샘플(sample)을 사용하고, 소수부는 신호를 보간(interpolation)하여 사용함으로써, 위상 오차를 보상하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출 방법에 있어서, 상기 계측값 왜곡을 보정하는 단계는, 온도별로 수행하여, 온도에 따른 왜곡을 보정하는 것이 바람직하다.

한편, 상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수배전반시스템내의 아크를 감지하여 정상적인 아크인지 고장상태의 아크인지를 판별하고 경보 및 트립신호를 발생시키기 위한 자기센서에 의한 아크검출 방법을 이용한 아크발생 보호 수배전반은, 수배전반내의 아크를 감지하여 정상적인 아크인지 고장상태의 아크인지를 판별하고 경보 및 트립신호를 발생시키기 위한 아크 검출 방법을 이용한 아크발생 보호 수배전반에 있어서, 일점감지 전류센서로서, 복수 개의 부스바 각각에 절연 접촉 또는 인접하여 설치되어, 부스바에 흐르는 전류를 자기 센서로 계측하여 출력시키는 복수 개의 자기 센서 모듈과, 상기 복수 개의 자기 센서 모듈이 출력한 계측 신호를 수집하는 신호 수집 모듈, 상기 신호 수집 모듈에서 수집된 신호에 상기 복수 개의 부스바 상호 간의 간섭량을 연산하여, 간섭이 제거된 보정 전류 값을 도출하는 신호 간섭 보정 모듈, 온도 측정 모듈 및 상기 자기 센서 모듈이 출력한 계측 신호에, 온도, 부스바와의 거리, 및 자속 세기를 포함하는 환경 변수를 연산하여, 센서별로 측정 오차 보정 값을 도출하는 측정 오차 보정 모듈을 포함하며, 상기 수배전반내의 전압 및 전류를 각각 분리하여 출력하는 전압센서회로 및 전류센서회로로 구성되어 아크를 검출하는 센서부; 상기 센서부로부터 입력되는 전압신호를 주파수 성분으로 변환하여 출력하는 전원전압 주파수 신호 검출기, 상기 센서부로부터 입력되는 전류신호를 정류 및 증폭한 후 소정 전류값 이상의 전류신호만을 출력하는 전류신호처리부 및 상기 센서부로부터 입력되는 전류신호를 정류한 후 증폭 및 평활시켜 부하전류 계산용으로 출력하는 부하전류처리부로 구성되어, 상기 배전 시스템 내의 하나의 상에 대한 전류를 수신하고, 상기 수신된 전류를 부하전류 계산용과 아크 측정용으로 분기하고, 상기 부하전류 계산용 전류를 정류한 후 증폭 및 평활시켜 부하전류를 계산하고, 상기 계산된 부하전류를 외부의 감시 시스템으로 전송하는 상기 센서부에서 출력되는 전류신호를 입력받아 아크성분을 분리하는 시그널 컨디셔닝부; 상기 시그널 컨디셔닝부에서 입력된 아크의 주기당 입력된 펄스의 개수와 폭이 이전의 몇 구간의 펄스 입력수보다 급격하게 증가하고, 펄스 폭이 랜덤하면 이상아크가 발생했음을 판단하는 중앙처리부; 및 상기 중앙처리부의 제어를 받아 트립신호 및 아크발생 경보를 발생시키는 경보출력부;를 포함함을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출 방법을 이용한 아크발생 보호 수배전반에 있어서, 상기 신호 간섭 보정 모듈은, 간섭 계수 행렬을 생성하는 간섭 계수 행렬 생성부와, 상기 간섭 계수 행렬 또는 보간법을 이용하여 해당 부스바에 대한 간섭 계수를 도출하는 간섭 계수 도출부와, 상기 도출된 해당 간섭 계수를 이용하여 보정 전류 값을 도출하는 보정 전류값 연산부 및 상기 간섭 계수 행렬 생성부에서 생성된 간접 계수 행렬 및 상기 간접 계수를 이용하여 보정 전류 값을 도출하는 간섭 보정 방정식을 저장하는 간섭 보정 메모리를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출 방법을 이용한 아크발생 보호 수배전반에 있어서, 상기 간섭 계수 행렬은, 온도, 전류, 및 측정 위치와 상기 부스바 사이의 거리를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 변수의 미리 정해진 범위 내에서 미리 정해진 단위별로 복수 개가 생성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 전류신호와 전압신호의 측정값을 간섭 및 왜곡으로부터 보상하여 정확하게 측정함으로써 전류신호로부터 부하전류신호와 아크 노이즈신호를 각각 분리하고, 상기 아크 노이즈신호로부터 이상아크를 명확히 구분함으로써, 원치 않는 차단 또는 경보가 발생하지 않고 이상아크 발생 시에만 정확하고 신속하게 경보할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 상기 이상아크를 DSP를 이용하여 판단함으로써 구조가 간단하고 동작속도가 빠른 아크발생 보호 수배전반을 제공할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 이상아크에 대한 조기 경보가 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출 방법을 이용한 아크발생 보호 수배전반의 블록 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 다중 부스바용 간섭 보정식 일점감지 전류센서의 구성을 도식화한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 다중 부스바용 간섭 보정식 일점감지 전류센서를 통해 전류가 측정되는 과정을 도시한 도면. ,
도 4는 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 다중 부스바용 간섭 보정식 일점감지 전류센서에서 하나의 부스바가 근접한 부스바에 흐르는 전류로 인해 간섭이 일어나는 경우를 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 다중 부스바용 간섭 보정식 일점감지 전류센서에서 신호 간섭 보정 모듈의 구체적 구성을 도식화한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 다중 부스바용 간섭 보정식 일점감지 전류센서에서 간섭 수식을 모델링하기 위한 구조도를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 다중 부스바용 간섭 보정식 일점감지 전류센서의 구성을 도식화한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 수배전반 회로 전 입력 범위의 연속적 전압/전류 샘플링을 통한 계측 값 왜곡 보정 방법의 흐름을 도시한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 수배전반 회로 전 입력 범위의 연속적 전압/전류 샘플링을 통한 계측 값 왜곡 보정 방법을 수행하는 모듈의 구성 예를 도시한 도면,
도 10은 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 수배전반 회로 전 입력 범위의 연속적 전압/전류 샘플링을 통한 계측 값 왜곡 보정 방법의 단계 S300에서 측정 보정 값을 도출하는 캘리브레이션의 순서를 도시한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 수배전반 회로 전 입력 범위의 연속적 전압/전류 샘플링을 통한 계측 값 왜곡 보정 방법의 흐름을 도시한 도면,
도 12는 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 수배전반 회로 전 입력 범위의 연속적 전압/전류 샘플링을 통한 계측 값 왜곡 보정 방법에서 위상 오차가 보상되는 과정을 도시한 도면,
도 13은 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 수배전반 회로 전 입력 범위의 연속적 전압/전류 샘플링을 통한 계측 값 왜곡 보정 방법에서 캘리브레이션 테이블을 통한 계산된 이득 곡선을 도시한 도면,
도 14는 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 수배전반 회로 전 입력 범위의 연속적 전압/전류 샘플링을 통한 계측 값 왜곡 보정 방법에 따른 캘리브레이션 적용을 도시한 도면,
도 15는 도 1의 아크발생 보호 수배전반의 시그널 컨디셔닝부 중 전류신호처리부의 일 실시 도면,
도 16은 도 1의 아크발생 보호 수배전반의 시그널 컨디셔닝부 중 전원전압 주파수 신호 검출부의 일 실시 도면,
도 17은 도 1의 아크발생 보호 수배전반의 시그널 컨디셔닝 부 중 부하전류 처리부의 일 실시 도면,
도 18은 도 1의 아크발생 보호 수배전반의 중앙처리부 및 경보출력부의 일 실시 도면.

이하에서는 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출 방법 및 이를 이용한 아크발생 보호 수배전반에 대한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시 예는 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것으로, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있다.

도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타낸다. 하기의 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것일 뿐, 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다.

이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다.

컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.

또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.

본 발명은 전류신호와 전압신호를 구분하여 상기 전류신호의 위상과 동일한 전압신호를 주파수 성분으로 변환한 후, 상기 전류신호의 기본주파수성분을 제외한 나머지 아크성분을 입력받아서, 입력된 아크성분의 한 주기당 입력 아크 펄스수와 펄스폭을 읽고 분석하여, 이를 이전 구간의 상태와 비교하여 펄스입력수가 급격히 증가하고 그 폭이 랜덤하면 이상아크의 발생을 경보할 수 있는 자기센서에 의한 아크검출 방법 및 이를 이용한 아크발생 보호 수배전반의 성능 향상을 위하여, 다중 부스바 환경에 따른 간섭을 보정함과 아울러 전류신호와 전압신호의 계측값을 수배전반 회로 전 입력 범위의 연속적 전압/전류 샘플링을 통하여 보정함으로써 간섭과 왜곡을 고려한 실시간 보정값을 신속하고 정확하게 적용할 수 있는 자기센서에 의한 아크검출 방법 및 이를 이용한 아크발생 보호 수배전반을 제공한다.

또한, 본 발명은 수배전반시스템내의 배전라인의 전류센서를 통해 전류신호를 입력받아 이를 전압신호로 변환시키고 부하전류 측정용과 아크 측정용으로 분리한다. 상기 부하전류 측정용은 그대로 DSP(Digital Signal Processor)의 A/D입력포트에 인가된다. 상기 아크 측정용 신호는 고역통과 필터를 통해 60Hz의 기본파 성분을 제외한 고조파 성분을 검출하고 비교기를 통해서 기준전압이상의 펄스 신호만 DSP(Digital Signal Processor)의 카운터 입력포트에 인가된다.

상기 DSP는 입력된 상기 고조파 펄스의 수를 카운트하고 그 폭을 측정하여 메모리에 저장한다. 상기 DSP는 입력되는 신호를 분석하여 한 주기당 입력되는 아크 펄스수와 펄스폭을 분석하고 이전의 몇 구간의 상태와 비교하여 펄스입력수가 급격하게 증가하고 그 폭이 랜덤하다면 고장상태로 인식하게 된다. 또한 상기 DSP는 입력되는 아크가 고장상태의 아크로 인지되면 경보신호를 발하게 된다.

본 발명의 아크 발생 경보 시스템은 전류센서를 통해 입력되는 전류신호의 기본 주파수 성분(60Hz)을 제외한 나머지 아크성분을 검출하여 한 주파수 당 입력되는 펄스의 개수와 펄스의 폭으로 아크발생을 인지한다.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 더욱 상세히 설명하면, 도 1은 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출 방법을 이용한 아크발생 보호 수배전반의 블록 구성도로서, 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 아크발생 보호 수배전반은 센서부(1), 시그널 컨디셔닝부(2), 중앙처리부(3) 및 경보출력부(4)를 포함한다.

상기 센서부(1)는 아크 검출을 위하여, 수배전반의 3상 전압 및 전류를 전압센서회로와 전류센서회로로 입력받아 이를 각각 상기 시그널링 컨디셔닝부(2)로 인가한다. 이하, 상기 전압센서회로와 전류센서회로의 동작과 작용에 대해서는 도 2 내지 도 14을 참조하고, 상기 컨디셔닝부(2)에 대해서는 도 15 내지 도 17을 참조하며, 상기 중앙처리부(3) 및 경보출력부(4)에 대해서는 도 18를 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 다중 부스바용 간섭 보정식 일점감지 전류센서의 구성을 도식화한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 다중 부스바용 간섭 보정식 일점감지 전류센서를 통해 전류가 측정되는 과정을 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 다중 부스바용 간섭 보정식 일점감지 전류센서는, 자기 센서 모듈(100), 신호 수집 모듈(200) 및 신호 간섭 보정 모듈(300)을 포함하여 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 다중 부스바용 간섭 보정식 일점감지 전류센서는 도 3에 도시된 바와 같이, N개의 부스바(10)와 각각 인접하여 설치된 N개의 자기 센서 모듈(100)은 각각의 위치에서 전류량(I0, I1, …, In, …, IN)을 측정하고, 신호 수집 모듈(200)은 측정된 전류량(계측 신호)을 수집하여 신호 간섭 보정 모듈(300)에 전달하며, 신호 간섭 보정 모듈(300)에서는 부스바 상호 간의 간섭량을 연산하여 간섭이 제거된 보정 전류 값(I'0, I'1, …, I'n, …, I'N)을 도출할 수 있다.

이하에서는 본 발명에서 제안하고 있는 일점감지 전류센서의 각 구성에 대하여 상세하게 살펴보기로 한다.

자기 센서 모듈(100)은 복수 개의 부스바(10) 각각에 절연 접촉 또는 인접하여 설치되어, 부스바(10)에 흐르는 전류를 자기 센서로 계측하여 출력시킬 수 있다. 각각의 부스바에 설치되므로, 자기 센서 모듈(100)과 부스바(10)의 개수는 동일하게 구성될 수 있으며, 다중 부스바(10)에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자기력선을 전기 신호로 바꾸어 주는 역할을 할 수 있다. 자기 센서 모듈(100)의 전류 측정 방식은 부스바(10)에 전류가 흐르면 오른 나사의 법칙에 의해 자기력선이 형성되고 자기 센서 모듈(100)은 자기력선을 전기 신호로 변환하여 부스바(10)에 흐르는 전류를 측정할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 자기 센서 모듈(100)은, 부스바(10)에 절연 접촉 또는 인접하여 설치되어 부스바(10)에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자기력선을 수집하는 자기 센서 및 자기 센서로부터 수집되는 신호를 해석하여 부스바(10)에 흐르는 전류 정보를 역산하는 신호 해석 회로를 포함하여 구성될 수 있다. 자기 센서는 홀센서를 사용할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니고, 다양한 센서가 사용될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 다중 부스바용 간섭 보정식 일점감지 전류센서에서 하나의 부스바가 근접한 부스바에 흐르는 전류로 인해 간섭이 일어나는 경우를 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 일반적인 배전반 혹은 분전반 환경과 같이 부스바(11, 12) 여러 개가 배치된 경우에는, 전류량을 측정하고자 하는 부스바(11)에 장착된 자기 센서 모듈(101)이, 실제 해당 부스바(11)에 흐르는 전류뿐만 아니라, 인접 부스바(12)에 흐르는 전류에 의해서 간섭되는 자기장의 영향도 받게 된다. 이는 부스바(11)와의 간격이 가까운 경우, 인접 부스바에 흐르는 전류가 강한 경우, 고전압에 대한 방전 등의 문제로 완벽한 차폐가 어려운 경우에 더욱 심각한 문제가 될 수 있다. 또한 물리적 차폐를 하더라도 누설되는 자기장은 완벽하게 차폐되지 않아 일정 정도의 간섭현상은 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여 신호 수집 모듈(200) 및 신호 간섭 보정 모듈(300)을 포함하도록 함으로써, 각 부스바(10)에서 측정된 계측 신호에 수식화 또는 기 측정값으로부터 모델링된 간섭계수를 이용하여 간섭을 제거한 정확한 보정 전류 값을 도출할 수 있도록 한다.

신호 수집 모듈(200)은 복수 개의 자기 센서 모듈(100)이 출력한 계측 신호를 수집하여 신호 간섭 보정 모듈(300)에 전달하는 역할을 수행할 수 있으며, 신호 간섭 보정 모듈(300)은 신호 수집 모듈(300)에서 수집된 신호에, 복수 개의 부스바(10) 상호 간의 간섭량을 연산하여 간섭이 제거된 보정 전류 값을 도출할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 다중 부스바용 간섭 보정식 일점감지 전류센서에서 신호 간섭 보정 모듈의 구체적 구성을 도식화한 도면으로서, 도 5에 도시된 바와 같이 신호 간섭 보정 모듈(300)은 간섭 계수 행렬 생성부(310), 간섭 계수 도출부(320) 및 보정 전류 값 연산부(330)를 포함하여 구성될 수 있다. 실시예에 따라서는 간섭 보정 메모리(340)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

간섭 계수 행렬 생성부(310)는 간섭 계수 행렬을 생성할 수 있다. 간섭 계수는 hn,m으로 표현할 수 있는데, 이는 n번째 부스바(10)에서 흐르는 전류가 m번째 부스바(10)에 간섭되는 양을 의미한다.

도 6은 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 다중 부스바용 간섭 보정식 일점감지 전류센서에서 간섭 수식을 모델링하기 위한 구조도를 도시한 도면으로서, 도 6에 도시된 바와 같이 n번째 부스바(10)에 실제 흐르는 전류 I'n로 인해 n+1번째 자기 센서모듈(100)에서 측정되는 간섭 전류량은, hn,n+1*I'n 으로 표시할 수 있다. 따라서 n 번째 부스바(10)에서 측정되는 전류 In은, 실제 n번째 부스바(10)에 흐르는 전류량 I'n과, 인접한 부스바(10)에 흐르는 전류 I'0, I'1, I'n-1, I'n+1 으로부터 간섭된 전류량 h0, n * I'0 + h1, n * I'1 + h2, n * I'2 … 으로 나타낼 수 있다.

각 부스바(10)에 흐르는 전류를 나타내는 행렬을 I'라고 하고, 자기 센서 모듈(100)에 의해서 측정된 전류를 나타내는 행렬을 I라고 하면, 간섭 계수 행렬 H에 의해서 측정 전류 I = H*I'(실제 전류에 간섭 계수를 곱한값)로 계산될 수 있다(하기 수학식 1 및 행렬 참조). 즉, 측정 전류(I)는 인접 부스바(10)에 흐르는 실제 전류(I')에 의한 간섭 영향을 받은 값으로 볼 수 있다. 간섭 계수 행렬 H는 온도, 거리에 대해서 실험에 의해 측정하여 테이블로 정의될 수 있다. 그러나 H가 I'의 함수 일 때, 즉, H가 I'에 의해서 영향을 받는 경우 I'의 초기값을 I로 두고, h를 찾은 후 I'=H-1*I의 연산과 H의 찾기를 반복하여 수렴하는 값으로 I'를 계산해낼 수 있다.

h00, h11, h22, hNN은, 측정 대상 부스바(10)가 자신에게 영향을 미치는 비율을 뜻하는 것으로서, 1일 수 있으나, 온도나, 전류량, 거리 등의 변수에 따라서 1이 아닐 수 있다. 위에서 기술한 간섭 계수 행렬을 부스바(10)와 자기 센서 모듈(100)의 물리적 형상에 따라서 수식적으로 도출할 수도 있고, 실제 환경에서의 측정에 의해서 도출도 가능하다. 또한, 온도, 부스바와의 거리, 자속 세기 등의 환경 변수에 따라서 특성화할 수 있으며, 측정되지 않은 환경에서의 값은 보간법 등을 통해서 추정이 가능하다.

실험적으로는, 각 부스바에 순차적으로 저류를 흘려 전류를 측정한다면, 1번 부스바(10)만 전류가 1A 흐를 때, 즉, 실제 전류I' 행렬이 하기의 수학식 2와 같을 때, 0번 부스바에서의 측정 전류 I0는, I0 = h0,0*I'0 + h1,0*I'1 + h2,0*I'2 + … + hn,0*I'n + … + hN,0*I'N이다(여기서, I = 자기 센서 측정 모듈에 의해 측정된 전류, hn,m = n번째 부스바에 흐르는 전류가 m번째 부스바에 간섭되는 간섭 계수, I' = 실제 전류, n = 측정 대상 부스바의 순번).

여기에 상기 실제 전류를 대입하면, I0 = h1,0*I'1 가 된다. 즉, 1번 부스바(10)에 실제 전류 1A가 흐를 때, 0번 부스바(10)에서 0.1A의 전류가 계측되었다면, 0번 부스바(10)는 1번 부스바(10)에 의해 10%의 간섭을 받는 것이 되며, 이때 간섭계수 h1,0은 0.1이 되는 것이다.

한편, 부스바(10)가 매우 규칙적으로 설치되어 있다고 가정을 해도, 이러한 간섭 [0060] 계수는 부스바(10) 사이의 거리, 자기 센서 모듈(100)과 부스바(10) 사이의 거리에 의해 기본적인 물리적 차이가 있게 된다. 따라서 규칙적으로 구성된 부스바(10)에서도 각각의 간섭 계수를 구해야 한다.

한편, 간섭 계수는, 온도, 자속 세기(전류량), 측정 위치와 부스바(10) 사이의 거리 등에 따라 다를 수 있으므로, 바람직하게는 온도, 전류량 및 측정 위치와 부스바(10) 사이의 거리를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 변수의 미리 정해진 범위 내에서 미리 정해진 단위별로 복수 개의 간섭 계수 행렬이 생성되도록 할 수 있다. 생성된 복수 개의 간섭 계수 행렬은 간섭 보정 메모리(340) 또는 기타 별도의 메모리에 저장될 수 있다.

즉, 간섭 계수는 온도와 자속 세기에 따라서 각각 측정할 수 있다. 물리적으로는 간섭되는 양은 전류량에는 비례하지만, 이는 부스바의 배치와 간섭 차폐 정도에 따라 다를 수 있으므로, 위의 실험을 온도별로 그리고 전류량을 달리해 가면서 측정하여, 온도 및 전류량에 따른 H행렬을 도출할 수 있으며, 필요한 부분에 대해서는 보간법을 사용하여 계수를 추출해 사용할 수 있다. 따라서 H 행렬을 온도 값과 전류 값에 대해 복수 개 존재할 수 있다.

실제 계수를 선택하기 위한 입력으로는 온도와 전류 세기가 있다. 온도 센서 등을 사용해서 측정된 온도 값을 이용해서 H 행렬 중 맞는 온도 값에 해당하는 계수를 참조할 수 있다. 유사한 방법으로, 전류의 세기에 대한 행렬 값은, 온도 값이 정해진 이후에 측정된 전류 I를 기준으로 선택하면 된다.

예를 들어, 위의 실험을 50A규격인 부스바(10)에 대해서, 전류 1A, 10A, 25A, 50A에 대해서 측정하고, 온도는 -40도, -20도, 0도, 20도, 40도, 60도, 80도에서 측정해서 행렬을 가지고 있는 경우로서, 이를 편의상 H(T, C) 라고 표현하고, T는 온도, C는 전류량이라고 한다. 위와 같은 조합에 대해서는 H행렬이 총 4(전류량에 대한 가짓수)*7(온도에 대한 가짓 수)=28가지가 존재하게 된다. 부스바(10)가 동작할 당시의 온도가 만약 40도이고, I'0의 전류량은 10A, I'1의 전류량은 20A라면, H 행렬의 첫 번째 열은 I'0에 의한 간섭 계수이므로, H(T=40도, C=10A)에서 가져오고, 두 번째 열은 I'1에 의한 간섭 계수이므로, H(T=40도, C=20A)에서 가져오게 된다. 만약 온도나 전류 값이 표에 없을 경우에는 보간법을 사용해서 구할 수 있다.

간섭 계수 중 거리와 전류량에 의한 영향은, 물리적 현상이므로 수학적인 모델링이 가능하다. 자속밀도B는 거리에 반비례하고, 전류량에 비례하므로, 부스바의 거리와, 측정된 전류량을 통해서 모델링 할 수 있다. 즉, 간섭 계수 행렬은 하기 수학식3에 따라 모델링하여 생성될 수도 있다(여기서, B=자속밀도, u0=진공 중의 투자율, I=전류, r=도전체로부터의 거리(부스바 혹은 인접 부스바로부터의 거리), dl=전류 방향의 선적분, r^= r 방향의 단위 벡터).

정리하면, H 행렬의 각 원소 hn,m은 거리, 전류, 차폐, 온도 등의 함수로 볼 수 있으며, 이를 온도별로, 전류별로, 거리별로 측정하거나, 부스바(10)가 설치된 상태에서 측정하거나, 모델링을 하여 정할 수 있다.

간섭 계수 도출부(320)는 간섭 계수 행렬 또는 보간법을 이용하여 해당 부스바(10)에 대한 간섭 계수를 도출할 수 있고, 보정 전류 값 연산부(330)는 도출된 해당 간섭 계수를 이용하여 보정 전류 값을 도출할 수 있다.

또한, 간섭 보정 메모리(340)는 간섭 계수 행렬 생성부에서 생성된 간접 계수 행렬, 및 간접 계수를 이용하여 보정 전류 값을 도출하는 간섭 보정 방정식을 저장할 수 있으며, 간섭 계수 도출부(320) 및 보정 전류 값 연산부(330)는 간섭 보정 메모리(340)로부터 계측 신호의 간섭 보정에 필요한 값을 읽어 들여 보정 전류 값을 연산할 수 있다.

한편, 부스바(10)에서의 간섭은 거리에 따라서 비약적으로 감쇠하게 되므로 실제 간섭 계수는 2차 인접 부스바와의 간섭만을 고려해도 충분한 정확도를 얻을 수 있다. 따라서 하기 수학식4 및 행렬과 같이 더욱 단순하게 표현할 수도 있다(여기서, I = 자기 센서 측정 모듈에 의해 측정된 전류, hn,m = n번째 부스바에 흐르는 전류가 m번째 부스바에 간섭되는 간섭 계수, I' = 실제 전류, n = 측정 대상 부스바의 순번).

위의 예는 시간축 상에서 샘플링된 신호의 간섭 제거 예를 보인 것이고, 전류의 간섭이 단기간 일정하게 유지된다고 하면, 전류 I'와 I를 위상까지 고려한 복소수로 변환하여 전류 샘플링 값마다 계산하지 않고 한 번에 계산하여 전체 연산량을 줄일 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 다중 부스바용 간섭 보정식 일점감지 전류센서의 구성을 도식화한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 부스바용 간섭 보정식 일점감지 전류센서는, 온도 측정 모듈(400)을 더 포함하여 구성될 수 있고, 간섭 계수 행렬은 미리 정해진 온도 범위 내에서 미리 정해진 단위별로 복수 개가 생성 및 저장되며, 신호 간섭 보정 모듈(300)은 온도 측정 모듈(400)을 통해 측정된 온도에 부합되는 간섭 계수 행렬을 이용하여 보정 전류 값을 도출할 수 있다.

또한, 일점감지 전류센서는 자기 센서 모듈이 출력한 계측 신호에, 온도, 부스바와의 거리, 및 자속 세기를 포함하는 환경 변수를 연산하여, 센서별로 측정 오차 보정 값을 도출하는 측정 오차 보정 모듈(500)을 더 포함하여 구성될 수 있고, 신호 간섭 보정 모듈(300)은 측정 오차 보정 모듈에서 도출된 측정 오차 보정 값(500)을 기초로 보정 전류 값을 도출할 수도 있다. 각 자기 센서 모듈(100)은, 온도, 거리, 자속 세기 등의 환경 변수에 따라 오차가 발생할 수 있으므로, 간섭이 없는 단일 부스바에서 측정된 측정 전류량과 실제 전류량을 비교하여 온도, 거리 등의 환경 변수에 의한 측정 오차 보정 변수를 도출할 수 있다. 이와 같은 측정 오차 보정 변수도 별도의 메모리에 저장하여 이용될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 수배전반 회로 전 입력 범위의 연속적 전압/전류 샘플링을 통한 계측 값 왜곡 보정 방법의 흐름을 도시한 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 수배전반 회로 전 입력 범위의 연속적 전압/전류 샘플링을 통한 계측 값 왜곡 보정 방법은, 수배전반 회로 전 영역에 고정된 부하를 제공하고, 전력원으로부터 입력 신호 레벨이 연속적으로 변화되는 전압 또는 전류를 인가하는 단계(S100), 전압 및 전류 측정 모듈을 이용하여 수배전반 회로에 흐르는 전압(V) 및 전류(I)를 미리 정해진 시간 동안 연속적으로 측정하여 샘플링 데이터를 출력하는 단계(S200) 및 단계 S200에서 출력된 연속적인 샘플링 데이터 및 옴의 법칙(V=IR)을 이용하여 수배전반 회로의 전압 또는 전류에 대한 측정 보정 값을 도출하는 단계(S300)를 포함하여 구현될 수 있다.

단계 S100에서는, 수배전반 회로에 전 입력 범위에 대해서 선형적인 특성을 갖는 고정된 부하를 제공하고, 전력원으로부터 입력 신호 레벨이 연속적으로 변화되는 전압 또는 전류를 인가할 수 있는데, 입력 신호 레벨이 연속적으로 변화되는 전압 또는 전류는, 교류 전압 또는 전류이거나, 파형 제어 모듈에 스위핑(sweeping)된 직류 전압 또는 전류일 수 있다. 부하란, 저항(R)을 의미할 수 있고, 순수한 저항 부하(pure resistive load) R인 경우에는 V=IR, I=V/R의 관계를 사용할 수 있으며, 이론적으로는 R(저항)/L(인덕턱스)/C(정전용량)도 계산이 가능하므로, 단계 S100에서는, 수배전반 회로에 선형적 특성을 갖는 고정된 부하를 제공하는 것을 전제로 한다. 또한, 본발명에서는 전압 측정은 선형적(linear)이라는 가정을 가지고 캘리브레이션한다.

전류와 전압 사이에는 위상 차이(phase offset)가 발생하게 되는데, 이와 같은 위상의 왜곡을 보정해야하는데, 본 발명에서는, 입력 신호 레벨이 연속적으로 변화되는 전압 또는 전류를 인가하고, 해당 전압 또는 전류를 연속적으로 샘플링 출력하는 방식을 채택함으로써, 특정 포인트에 대해서 캘리브레이션을 하는 것이 아니라, 모든 포인트의 데이터를 이용하여 캘리프레이션 하는 방식을 채택하고 있다. 예를 들어 AD 컨버터를 통과한 전류의 ADC 출력 값이 12bit라면 충분히 오랜 시간 샘플링을 거치면, 4096개의 모든 포인트에 대한 캘리브레이션 값을 얻는 것도 가능하다.

즉, 본 발명에 따르면 여러 포인트를 한 번에 캘리브레이션(보정)하므로, 절차가 간소하고, RMS 등 연산 후의 값을 캘리브레이션하는 것이 아니라, sample by sample로 모든 구간에 대해서 캘리브레이션할 수 있으므로, 정밀도가 현저하게 향상될 수 있다. 특히, THD(Total Harmonic Distortion)등 전력 품질 측정 시에 정밀도가 향상되어 매우 유용하다. 뿐만 아니라, 원하는 만큼 충분한 분해능을 얻을 수 있고, 음의 전류 값과 양의 전류값에 대해서 비대칭인 경우도 보정이 가능하다. 한편, 본 발명에 따르면 실시간 입력으로도 캘리브레이션이 가능하며, 전력원(power)이나 부하기(load bank)가 다양한 형태의 전력 값이나 부하 값을 가질 필요가 없다. 즉, 정격에 대해서 캘리브레이션을 수행한다면, 전력원, 부하기가 각각 최대 전력을 측정할 수 있는 한가지면 된다.

도 9는 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 수배전반 회로 전 입력 범위의 연속적 전압/전류 샘플링을 통한 계측 값 왜곡 보정 방법을 수행하는 모듈의 구성 예를 도시한 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 전력원(power source)으로부터 교류 파형이 입력될 수 있고, 부하기(load bank)를 통하여 고정된 부하가 제공되며, 측정 모듈을 통해 연속적으로 측정된 값이, 샘플링 데이터화되고, 이를 이용하여 측정 보정 값이 도출될 수 있다. DUT(Design Under Test)는 PC host와 통신하면서 제어되고, 전력원 및 부하기도 PC host에 의해 자동 제어 가능하다.

한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수배전반 회로 전 입력 범위의 연속적 전압/전류 샘플링을 통한 계측 값 왜곡 보정 방법은, 단계 S100에서 수배전반 회로에 미리 정해진 시간 동안 0V의 전압을 인가한 후에, 입력 신호 레벨이 연속적으로 변화되는 전압 또는 전류를 인가할 수 있다. 구체적으로, 처음 정해진 시간(수십 ㎳에서 수초) 동안에는 0V를 인가하다가, 그 이후 교류(예: 220V나 380V 등)를 수초 간 인가할 수 있다. 0V를 인가하는 구간에서는 ADC 출력의 DC를 확인해서 ADC의 DC 오프셋을 보정할 수 있으며, 교류 파형 인가 구간에서도 측정한 DC 오프셋과 교류파형 인가 구간에서 측정한 평균값이 일치하는지를 확인함으로써, 더욱 정밀한 캘리브레이션이 가능할 수 있다.

즉 0V 대신 실시간 샘플링한 데이터를 오랜 시간 평균을 취함으로써, DC 오프셋 캘리브레이션을 수행할 수도 있다. 다만 평균을 취할 때, Sampling Frequency와 교류 전압의 주파수로부터 교류 파형을 정수 개로 샘플링하면 더 정확할 수 있다(예: 60㎐ 신호에 6㎑ 샘플링 주파수이면 100 샘플). 또한, 실효치(RMS value) 측정으로 실효치 노이즈(RMS noise)를 도출할 수도 있다. 이와 관련해서는 이후 단계 S200 및 S300과 관련하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

단계 S200에서는, 전압 및 전류 측정 모듈을 이용하여 수배전반 회로에 흐르는 전압(V) 및 전류(I)를 미리 정해진 시간 동안 연속적으로 측정하여 샘플링 데이터를 출력할 수 있다. 측정 대상은, 전류 센서(예: 홀 센서), 아날로그 필터, 연산 증폭기 및 아날로그 디지털 변환기를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 장치를 거친 전압 또는 전류 신호일 수 있다. 즉, 아날로그 필터, 연산 증폭기, AD 컨버터를 통과하면서, 이득 및 위상의 왜곡이 발생할 수 있고, 본 발명에서는, 이와 같은 왜곡으로 인해 발생하는 계측 값 왜곡을 보정하는 방법을 제안한다.

단계 S200은 해당 측정값의 실효치(RMS value)를 도출하여 이를 실효치 노이즈(RMS noise)로 설정하는 단계를 더 포함하고, 단계 S300은 측정 보정 값으로부터 도출된 1차 보정 실효치(RMS value)에서 상기 실효치 노이즈(RMS noise)를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 실시 예에 따라서는, 단계 S100에서 수배전반 회로에 미리 정해진 시간 동안 0V의 전압을 인가한 후에, 입력 신호 레벨이 연속적으로 변화되는 전압 또는 전류를 인가하는 경우에는, 단계 S200은, 0V의 전압이 인가되는 구간에서 해당 측정값의 실효치(RMS value)를 도출하여 이를 실효치 노이즈(RMS noise)로 설정하는 단계(S210)를 더 포함할 수 있다.

즉, 수신신호(r(t))는, 원래 측정되어야 하는 값(s(t))과 노이즈(n(t))의 합으로 표현할 수 있는데, 열잡음(Thermal noise)은 원래 측정되어야 하는 값과 독립적이고, 평균이 0(mean zero)인 노이즈이므로, 추후에 최종 실효치(RMS value)를 계산할 때에 여기서 구한 실효치 노이즈(RMS noise)는 빼주어야 한다. 즉, 노이즈 값을 저장하고 있다가 캘리브레이션이 끝나면, 물리적인 값과 맞도록 스케일링(scaling)해서 보정할 수 있다(S340). 한편, 상기 단계 S210은, 이후 설명할 단계S320이 수행된 후에 수행되는 것이 바람직하다.

단계 S300에서는, 단계 S200에서 출력된 연속적인 샘플링 데이터 및 옴의 법칙 (V=IR)을 이용하여 수배전반 회로의 전압 또는 전류에 대한 측정 보정 값을 도출할 수 있다. 즉, 단계 S300은 단계 S200을 통해 출력된 샘플링 데이터를 이용하여, DC 오프셋 (DC offset), 전압 (Voltage), 위상 오프셋 (Phase Offset), 전류 센서 (Current Sensor) 측정값, 전류 (Current) 등 해당 수배전반 회로에 대하여 측정하고자 하는 수치에 대하여 오차를 보정한 최종 측정 보정값을 도출하는 단계이다.

도 10은 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 수배전반 회로 전 입력 범위의 연속적 전압/전류 샘플링을 통한 계측 값 왜곡 보정 방법의 단계 S300에서 측정 보정 값을 도출하는 캘리브레이션의 순서를 도시한 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 캘리브레이션은, DC 오프셋 캘리브레이션(S301), 위상 오프셋 캘리브레이션(S302), 전압 캘리브레이션(S303), 전류 센서 캘리브레이션(S304), 전류 캘리브레이션(S305)의 순서로 수행될 수 있다. 위상 오프셋 캘리브레이션(S302)은, 앞서 설명한 바와 같이 전류 센서 자체의 오차 또는 수배전반 회로를 통과하면서 발생하는 지연 등에 의해 나타나는 오차를 보정하기 위함이다. 오차는 ADC 샘플링에서 전압과 전류를 서로 다른 시점에서 하거나, ADC bit 수가 달라서 ADC 변환 시 시간이 달라지거나, 아날로그 필터 응답(Analog Filter response)이 다르거나, Op AMP 특성이 다른 등 다양한 원인에 의해 발생한다.

단계 S303에서 전압의 ADC 출력을 물리적인 값과 보정했고, 순수한 저항 성분인 부하의 경우 I = V/R의 관계식이 성립하며, 측정 모듈을 통해 I-RMS 값, V-RMS 값이 도출될 것이므로, R을 직접 측정할 필요 없이, 상기 값 및 관계식을 이용하여 전류 센서의 캘리브레이션(S304)이 가능하다. R은 변하지 않는다는 것이 전제(고정부하)이므로, 교류에서의 전압, 온도 값 변화에 상관없이, 1/R이 전류 센서의 이득 프로파일(Gain profile)과 최종 물리적 스케일을 제외하고는 동일(constant)해야 한다.

전류 캘리브레이션(단계 S305)은 단계 S304에서 구한 전류 센서 캘리브레이션 결과를 이용하고, 전류 캘리브레이션 테이블을 생성하며, 이를 측정 모듈을 통해 측정된 I-RMS 값과 비교하여 물리적 값과 스케일을 일치시킬 수 있다. 한편, 이득 테이블(gain table)로 표현되는 이득 프로파일은, 전 구간에 대하여 생성될 수 있고, 필요에 따라 여러 번의 사인파(sine wave)를 인가하고 이를 평균하여 구할 수도 있다. 테이블 양을 줄이고자 한다면, ADC 입력단을 적절한 단위로 쪼갠 후 각 구간(zone)에 대해서 이득 테이블을 만든 후에 이득 값(gain 값)을 보간법으로 구할 수도 있다.

도 11은 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 수배전반 회로 전 입력 범위의 연속적 전압/전류 샘플링을 통한 계측 값 왜곡 보정 방법의 흐름을 도시한 도면이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 계측 값 왜곡 보정 방법에서 단계 S300은 측정된 V-RMS 값을 이용하여 전압의 측정 보정 값을 도출하는 단계(S310) 및 저항을 1로 가정하고, 전압 ADC 출력 값과 전류 ADC 출력 값을 이용하여 제1 이득 값을 도출하고, 측정된 I-RMS 값을 이용하여 제2 이득 값을 도출하며, 전류 ADC 출력 값, 제1 이득 값 및 제2 이득 값을 곱하여 전류의 측정 보정 값을 도출하는 단계(S320)를 포함하여 구현될 수 있다.

제1 이득 값은 모든 전류 ADC 출력 값에 대해서 비율을 저장하고 있다. 예를 들어 2048개의 샘플을 가질 수 있는 12 bit ADC라면, 4096개의 포인트에 대해 V=IR로부터 V/I의 비율이 나온다. 만약 데이터를 40960개를 추출했다면, 확률적으로 전류 ADC 출력 각 4096 포인트에 대해서 10개 정도의 데이터가 축적된다. 이러한 데이터를 통계적으로 처리할 수 있다. 또한, I=0 근처에서는 0으로 나눌 수 없으므로 발산하거나, 오차가 커지게 되는데, 이는 주변에 유효한 값을 이용하여 선형 근사하도록 한다. 제2 이득 값은, 측정된 V-RMS 값을 이용하여 전압의 측정 보정 값을 도출하는 단계와 동일한 메커니즘에 따른다.

하기의 표 1은 전압 및 전류 캘리브레이션 과정을 캘리브레이션 테이블을 통하여 표시한 예이다. 구체적으로, V = I × R, I = I'(전류 ADC 출력) × 제1 이득 값(ADC 출력 값에 따라 보정되는 값) × 제2 이득 값(RMS 값을 보정하기 위한 값), V = (I' × 제1 이득 값 × 제2 이득 값) × R의 관계를 이용하여 캘리브레이션 테이블을 구성할 수 있다. 상기 캘리브레이션 테이블에 필요한 입력은 전압 입력 장치(device 내에서 ADC 샘플링으로 얻음)와 고정 부하이고, 측정 장비는 전압 (V-RMS)과 전류 (I-RMS)의 RMS값을 측정할 있으면 된다. 단, P-RMS는 VRMS * I-RMS. 즉, 전압 전류를 별도로 인가하거나, 가변 부하를 사용하지 않고, 전류 전압을 샘플 단위로 측정하는 정밀 계측기 없이 멀티 미터만으로 측정이 가능하므로 동작 중 캘리브레이션도 가능하다.

모든 과정을 DSP로 내부에서 처리하고 측정 장비는 true-rms의 전압 전류 값만 측정할 수 있으면 되는 것이다. 전압이 선형성이 더 좋고 전압은 전부 저항 (R) 회로로 꾸밀 수 있으므로 전압을 먼저 측정하는 것이 바람직하나, 실시 예에 따라서는 순서를 바꾸어 전류를 먼저 측정하고 전압을 측정하여 캘리브레이션하는 것도 가능하다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따르면, DC 오프셋을 제거하는 단계, zero crossing point의 차이를 계산하는 단계, 및 zero crossing point의 차이를 정수부(integer part)와 소수부(fractional part)로 나눈 뒤 정수부는 딜레이(delay)된 샘플(sample)을 사용하고, 소수부는 신호를 보간(interpolation)하여 사용함으로써, 위상 오차를 보상하는 단계(S303)를 포함할 수 있다.

도 12는 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 수배전반 회로 전 입력 범위의 연속적 전압/전류 샘플링을 통한 계측 값 왜곡 보정 방법에서 위상 오차가 보상되는 과정을 도시한 도면으로서, 도 12에 도시된 바와 같이 전압과 전류의 연속적 측정값에 상기 단계를 통하여 위상 오차를 보상할 수 있으며, 이로 인해 도출된 위상 오차를 보상한 전류가 점선으로 표현될 수 있다.

한편, 실시 예에 따라서는, 교류 전압을 인가하고, 복수 회 측정되는 전압의 평균값 또는 피크 투 피크(peak to peak)를 측정하여 최고 전압과 최저 전압의 합을 2로 나눈 값을 이용하여 전압 DC 오프셋 값을 보정하는 단계와, 교류 전압을 인가하고, 선형 부하를 연결한 상태에서 복수 회 측정되는 전류의 평균값, 또는 피크 투 피크(peak to peak)를 측정하여 최고 전류와 최저 전류의 합을 2로 나눈 값을 이용하여 전류 DC 오프셋 값을 보정하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 즉, 교류를 인가하였을 때, 평균값은 0이 나와야 하므로 이를 DC 오프셋이라고 보고 제거할 수 있다.

구체적으로 전압 DC 오프셋 캘리브레이션은, 교류 전압(220V)을 인가하고, 복수 회 측정되는 장기간 전압의 평균값(long term average)으로 보정하거나, Peak to peak를 측정해서 (Vmax+Vmin)/2를 이용하여 보정할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 전압의 DC 오프셋 값 보정 시, 0V의 전압이 인가되는 구간 및 상기 입력 신호 레벨이 연속적으로 변화되는 전압 또는 전류가 인가되는 구간에서, 각각 아날로그 디지털 컨버터(ADC) 출력(ouput) 값의 DC(Direct current) 값을 확인하여 DC 오프셋 값을 보정하는 단계, 및 0V 의 전압이 인가되는 구간에서 측정 및 보정한 DC 오프셋 값과 교류 인가 구간에서 측정 및 보정한 평균 DC 오프셋 값을 비교하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 즉, 0V 인가 구간에서 측정한 값과, 교류 파형 인가 구간에서의 평균값이 일치하는지 확인함으로써, 더욱 정확한 보정이 가능하다.

전압 DC 오프셋 캘리브레이션은, 교류 전압을 인가하고 선형 부하를 연결한 상태에서, 장기간 평균(long term average)을 수행하거나, 피크 투 피크(Peak to peak)를 측정해서 최솟값과 최댓값을 더해서 2로 나눈 연산을 수행할 수도 있다. 다른 실시 예에 따르면, 교류 전압을 인가하고 부하를 걸지 않은 상태에서 DC 오프셋을 측정하는 방법을 따를 수도 있다.

또한, 단계 S100에서 수배전반 회로에 미리 정해진 시간 동안 0V의 전압을 인가한 후에, 입력 신호 레벨이 연속적으로 변화되는 전압 또는 전류를 인가하는 경우에는, 단계 S300은, 측정 보정 값으로부터 도출된 1차 보정 실효치(RMS value)에서 실효치 노이즈(RMS noise)를 제거하는 단계를 더 포함하여 구현될 수 있다. 실효치 노이즈(RMS noise)를 계산한 것은 ADC 샘플에 대하여 바로 적용되는 것이 아니고, 추후에 보정된 ADC 데이터를 이용하여 보정한 값으로 실효치(RMS value)를 구하고 나서 최종적으로 실효치 노이즈(RMS noise)를 빼줄 수 있다.

한편, 단계 S300에서 수배전반 회로의 전압 신호에 대한 측정 보정 값을 도출 시에는, 전압 ADC 출력 값(Voltage ADC output)을 이용하여 실효치(RMS value)를 계산하고, 전압 RMS(V-RMS) 또는 피크 투 피크 전압(Vpp)을 설정하는 단계를 더 포함하여 구현될 수도 있다.

도 13은 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 수배전반 회로 전 입력 범위의 연속적 전압/전류 샘플링을 통한 계측 값 왜곡 보정 방법에서 캘리브레이션 테이블을 통한 계산된 이득 곡선을 도시한 도면이다. 즉, V/I = R의 관계로부터 이득 곡선(gain curve)을 구하는 부분으로서, 이득 곡선(gain curve)은 결국 홀 센서의 응답 곡선을 보상(compensation)하는 모양이 된다. 이와 같은 그림에서 샘플을 여러 주기 동안 취하게 되면, 기술한 바와 같이 전 영역의 데이터를 구할 수 있게 된다. 다만, 이러한 데이터가 중복될 경우에 항상 같은 이득 값이 나오리라는 보장이 없는데, 그래서 이를 통계적으로 처리하는 과정이 추가될 수 있다.

도 14는 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출을 위한 수배전반 회로 전 입력 범위의 연속적 전압/전류 샘플링을 통한 계측 값 왜곡 보정 방법에 따른 캘리브레이션 적용을 도시한 도면으로서, 도 14에 도시된 바와 같이 본 발명에 따르면, 실효치 노이즈(RMS noise)를 측정해서 제거하고, 전류 쪽의 데이터를 sample by sample로 보정을 할 수 있다.

실시 예에 따라서는, 단계 S100 내지 S300 등의 일련의 과정을 온도별로 수행하여, 온도에 따른 왜곡을 보정할 수도 있다. 즉, 온도별로 각각 샘플링 데이터를 출력 저장하고, 온도별 보정 값을 도출함으로써, 온도에 따른 왜곡도 함께 보정할 수 있다. 일례로, 10도 및 30도에서 측정한 이득 프로파일(gain profile)이 있으면, 20도에서는 두 이득 프로파일 테이블의 값을 보간법으로 구해서 사용할 수 있다.

상기 시그널 컨디셔닝부(2)는 상기 센서부(1)에서 출력되는 전류신호를 입력받아 아크성분을 분리하기 위하여 상기 센서부(1)의 전류센서회로로부터 인가되는 전류신호를 처리하는 전류신호 처리부와, 상기 전류신호와 같은 위상의 전압의 주파수 성분을 분리하기 위해 상기 센서부(1)의 전압센서회로로부터 인가되는 전압신호를 처리하는 전원 전압 주파수 신호 검출부와, 상기 센서부(1)에서 출력되는 전류신호를 입력받아 정류한 후 증폭 및 평활시킴으로써 부하전류 계산용으로 상기 중앙처리부(3)로 출력하기 위하여 상기 센서부(1)의 전류센서회로로부터 인가되는 전류신호를 처리하는 부하전류 처리부로 구성된다. 상기 전류신호 처리부, 상기 전원 전압 주파수 신호 검출부 및 상기 부하전류 처리부는 이하에서 각각 도 15 내지 도 17에 그 실시예를 상세히 도시하였다.

상기 중앙처리부(3)는 상기 시그널 컨디셔닝부(2)에서 입력된 아크의 주기당 입력된 펄스의 개수와 폭을 계산하고 이를 바탕으로 정상아크인지 이상아크인지를 구분한다. 본 발명에 따른 상기 중앙처리부(3)는 DSP로 구현되며, 이에 대한 실시예를 도 18에 상세히 도시하였다.

상기 경보출력부(4)는 상기 중앙처리부(3)의 제어를 받아 트립신호 및 아크발생 경보를 발생시킨다. 상기 중앙처리부(3)와 마찬가지로 이에 대한 실시예를 도 18에 상세히 도시하였다.

도 15는 도 1의 아크발생 보호 수배전반의 시그널 컨디셔닝부 중 전류신호처리부의 일 실시 도면으로서, 도시된 바와 같이 전류센서회로로부터 출력 전류들(CT_IN1, CT_IN2, CT_IN3)을 각각 입력받아서, 고역통과필터(HPF)를 통과시켜 정류하고, 증폭한 후 소정의 전류값 이상의 신호만 비교기를 통하여 출력한다.

이때, 도 15의 점선으로 표시된 일부 회로는 상기 도 3의 전류센서회로를 통해 입력되는 전류신호의 기본 주파수 성분(60Hz)을 제거하는 부분이다. 상기 전류신호처리부에서 각각 출력되는 신호들(IntR, IntS, IntT)은 하기에서 설명하는 도 18의 DSP로 인가된다.

도 16은 도 1의 아크발생 보호 수배전반의 시그널 컨디셔닝부 중 전원전압 주파수 신호 검출부의 일 실시 도면으로서, 도시된 바와 같이 상기 전원전압 주파수 신호 검출기로부터 출력 전압들(V1, V2, V3)을 각각 입력받아서, 각 전압의 주파수 성분을 출력하기 위한 신호처리회로를 나타낸다. 출력단에 걸리는 전압이 양(+)의 값을 가질 때 출력은 HIGH가 되고 반대로 음(-)의 값을 가지면 출력은 LOW가 된다. 상기 전원전압 주파수 신호 검출부의 출력신호들(IntFR, IntFS, IntFT)은 하기에서 설명하는 도 18의 DSP로 인가된다.

도 17은 도 1의 아크발생 보호 수배전반의 시그널 컨디셔닝부 중 부하전류처리부의 일 실시 도면으로서, 도시된 바와 같이 전류센서회로로부터 출력 전류들(CT_IN1, CT_IN2, CT_IN3)을 각각 입력받아서, 고역통과필터(HPF)를 통과시켜 정류하고, 증폭 및 평활한 후 소정의 전류값 이상의 신호만 비교기를 통하여 출력한다. 상기 부하전류처리부에서 각각 출력되는 신호들(CUR_IN_R, CUR_IN_S, CUR_IN_T)은 하기에서 설명하는 도 18의 DSP의 A/D입력포트로 인가되어, 상기 DSP가 입력되는 부하전류로부터 해당 부하의 전류크기를 외부의 감시시스템으로 전송하도록 한다.

도 18은 도 1의 아크발생 보호 수배전반의 중앙처리부 및 경보출력부의 일 실시 도면으로서, 도시된 바와 같이 DSP칩은 상술한 도 15의 전류신호처리부로부터 입력되는 출력신호들(IntR, IntS, IntT)과 도 16의 전원전압 주파수 신호 검출부로부터 입력되는 출력신호들(IntFR, IntFS, IntFT) 및 도 17의 부하전류처리부로부터 입력되는 출력신호들(CUR_IN_R, CUR_IN_S, CUR_IN_T)을 각각 입력받는다. 상기 DSP칩은 상기 도 1의 중앙처리부(3)로서, 입력되는 전류의 아크성분을 1주기 당 카운트하고, 그 펄스폭을 계산한다. 상기 DSP칩은 입력된 펄스의 수가 설정치를 초과하거나 펄스의 폭이 일정값 이상이 되면 경보를 발생하도록 경보출력부(40)에 제어신호를 인가한다. 이때, 상기 펄스수의 설정치 및 펄스폭의 일정값은 공인기관의 시험을 통해 검증된 설정치를 미리 설정하여 모든 현장에서 동일하게 적용한다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출 방법 및 이를 이용한 아크발생 보호 수배전반은 부스바가 다중으로 밀집된 수배전반 환경에서 배전라인의 전류신호 및 전압신호 측정값의 정확도를 향상시킴으로써 아크를 정밀하게 검출할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출 방법 및 이를 이용한 아크발생 보호 수배전반은 배전라인의 전류신호 및 전압신호를 간섭보정 및 왜곡보정 함으로써 부하전류신호와 아크 노이즈신호로 분리할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출 방법 및 이를 이용한 아크발생 보호 수배전반은 전류신호 및 전압신호를 간섭보정 및 왜곡보정 함으로써 배전라인의 전류신호에서 분리한 아크 노이즈신호의 한 주기당 입력 아크 펄스수와 펄스폭을 DSP(Digital Signal Processor)를 통해 더욱 정확하게 읽어들일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 자기센서에 의한 아크검출 방법 및 이를 이용한 아크발생 보호 수배전반은 전류신호 및 전압신호를 간섭보정 및 왜곡보정 함으로써 DSP를 통해 읽어들인 한 주기당 입력되는 아크 펄스수와 펄스폭을 분석하고 이전 구간의 상태와 비교하여 펄스입력수가 급격하게 증가하고 그 폭이 랜덤하다면 고장상태로 인식하여 정확하고 신속한 경보가 이루어질 수 있도록 한다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시 예를 중심으로 구체적으로 기술되었으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

Claims (10)

1. DSP(Digital Signal Processor)에서, 수배전반 회로의 아크(arc)를 감지하여 정상적인 아크인지 고장 상태의 아크인지를 판별하고 경보 및 트립 신호를 발생시키기 위한 아크 검출 방법에 있어서,
   비교기를 사용하여 생성되는 상기 수배전반 회로의 하나의 상에 대한 전류에 포함된 고조파 성분에 대한 각각의 폭이 다른 펄스(pulse) 신호들을 수신하는 단계;
   카운터가 상기 수신된 펄스 신호들을 미리 설정된 제1구간 동안 카운트(count)하여 카운트 값을 산출하고, 전압 및 전류 측정 모듈이 상기 수신된 펄스 신호들 각각의 폭을 산출하여 연속적인 샘플링 데이터를 생성하는 단계;
   상기 전압 및 전류 측정 모듈이 상기 수배전반 회로의 전압 또는 전류 전영역에서 측정된 보정 값을 미리 정해진 기준에 따라 복수의 영역이나 점으로 축약하여 저장하고, 상기 저장된 축약된 보정 값을 이용하여, 상기 샘플링 데이터와 대응되는 영역이나 점의 샘플별로 보정하여 상기 연속적인 샘플링 데이터에 실시간으로 보정 값을 적용하여 계측값 왜곡을 보정하는 단계; 및
   상기 카운트 값이 상기 제1구간 전의 구간에서의 카운트 값 보다 미리 설정된 값 이상 큰지 여부 및 상기 산출된 펄스 신호들 각각의 폭이 랜덤(random)하게 변하는지 여부를 판단하는 것에 의해, 고장 상태에서의 아크인지 여부를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기센서에 의한 아크검출 방법.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 계측값 왜곡을 보정하는 단계는,
   상기 수배전반 회로 전 영역에 고정된 부하를 제공하고, 전력원으로부터 입력 신호 레벨이 연속적으로 변화되는 전압 또는 전류를 인가한 후, 전압 및 전류 측정 모듈을 이용하여 상기 수배전반 회로에 흐르는 전압(V) 및 전류(I)를 미리 정해진 시간 동안 연속적으로 측정하여 샘플링 데이터를 출력하고, 상기 출력된 연속적인 샘플링 데이터 및 옴의 법칙 (V=IR)을 이용하여 상기 수배전반 회로의 전압 또는 전류에 대한 측정 보정 값을 도출하는 것을 특징으로 하는 자기센서에 의한 아크검출 방법.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 수배전반 회로의 전압의 측정 보정 값은 측정된 V-RMS 값을 이용하여 도출하고, 상기 수배전반 회로의 전압의 측정 보정 값은 저항을 1로 가정하고, 전압 ADC 출력 값과 전류 ADC 출력 값을 이용하여 제1 이득 값을 도출하고, 측정된 I-RMS 값을 이용하여 제2 이득 값을 도출하며, 전류 ADC 출력 값, 제1 이득 값 및 제2 이득 값을 곱하여 도출하는 것을 특징으로 하는 자기센서에 의한 아크검출 방법.
   
4. 제 3항에 있어서, 상기 수배전반 회로의 전압의 측정 보정 값 또는 상기 수배전반 회로의 전류 신호에 대한 제2 이득 값 도출 시,
   전압 ADC 출력 값(Voltage ADC output)을 이용하여 실효치(RMS value)를 계산하고, 전압 RMS(V-RMS) 또는 피크 투 피크 전압(Vpp)을 설정하는 것을 특징으로 하는 자기센서에 의한 아크검출 방법.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 계측값 왜곡을 보정하는 단계 이전에,
   교류 전압을 인가하고, 복수 회 측정되는 전압의 평균값 또는 피크 투 피크(peak to peak)를 측정하여 최고 전압과 최저 전압의 합을 2로 나눈 값을 이용하여 전압 DC 오프셋 값을 보정하는 단계; 및
   교류 전압을 인가하고, 선형 부하를 연결한 상태에서 복수 회 측정되는 전류의 평균값, 또는 피크 투 피크(peak to peak)를 측정하여 최고 전류와 최저 전류의 합을 2로 나눈 값을 이용하여 전류 DC 오프셋 값을 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기센서에 의한 아크검출 방법.
   
6. 제 5항에 있어서, 상기 전류 DC 오프셋 값을 보정하는 단계 이후에,
   DC 오프셋을 제거하는 단계;
   zero crossing point의 차이를 계산하는 단계; 및
   상기 zero crossing point의 차이를 정수부(integer part)와 소수부(fractional part)로 나눈 뒤 정수부는 딜레이(delay)된 샘플(sample)을 사용하고, 소수부는 신호를 보간(interpolation)하여 사용함으로써, 위상 오차를 보상하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기센서에 의한 아크검출 방법.
   
7. 제 2항에 있어서, 상기 계측값 왜곡을 보정하는 단계는,
   온도별로 수행하여, 온도에 따른 왜곡을 보정하는 것을 특징으로 하는 자기센서에 의한 아크검출 방법.
   
8. 수배전반 회로의 아크를 감지하여 정상적인 아크인지 고장상태의 아크인지를 판별하고 경보 및 트립신호를 발생시키기 위한 아크 검출 방법을 이용한 아크발생 보호 수배전반에 있어서,
   일점감지 전류센서로서, 복수 개의 부스바 각각에 절연 접촉 또는 인접하여 설치되어, 부스바에 흐르는 전류를 자기 센서로 계측하여 출력시키는 복수 개의 자기 센서 모듈과, 상기 복수 개의 자기 센서 모듈이 출력한 계측 신호를 수집하는 신호 수집 모듈, 상기 신호 수집 모듈에서 수집된 신호에 상기 복수 개의 부스바 상호 간의 간섭량을 연산하여, 간섭이 제거된 보정 전류 값을 도출하는 신호 간섭 보정 모듈, 온도 측정 모듈 및 상기 자기 센서 모듈이 출력한 계측 신호에, 온도, 부스바와의 거리, 및 자속 세기를 포함하는 환경 변수를 연산하여, 센서별로 측정 오차 보정 값을 도출하는 측정 오차 보정 모듈을 포함하며, 상기 수배전반 회로의 전압 및 전류를 각각 분리하여 출력하는 전압센서회로 및 전류센서회로로 구성되어 아크를 검출하는 센서부;
   상기 센서부로부터 입력되는 전압신호를 주파수 성분으로 변환하여 출력하는 전원전압 주파수 신호 검출기, 상기 센서부로부터 입력되는 전류신호를 정류 및 증폭한 후 소정 전류값 이상의 전류신호만을 출력하는 전류신호처리부 및 상기 센서부로부터 입력되는 전류신호를 정류한 후 증폭 및 평활시켜 부하전류 계산용으로 출력하는 부하전류처리부로 구성되어, 상기 수배전반 회로의 하나의 상에 대한 전류를 수신하고, 상기 수신된 전류를 부하전류 계산용과 아크 측정용으로 분기하고, 상기 부하전류 계산용 전류를 정류한 후 증폭 및 평활시켜 부하전류를 계산하고, 상기 계산된 부하전류를 외부의 감시 시스템으로 전송하는 상기 센서부에서 출력되는 전류신호를 입력받아 아크성분을 분리하는 시그널 컨디셔닝부;
   상기 시그널 컨디셔닝부에서 입력된 아크의 주기당 입력된 펄스의 개수와 폭이 이전의 몇 구간의 펄스 입력수보다 급격하게 증가하고, 펄스 폭이 랜덤하면 이상아크가 발생했음을 판단하는 중앙처리부; 및
   상기 중앙처리부의 제어를 받아 트립신호 및 아크발생 경보를 발생시키는 경보출력부;를 포함함을 특징으로 하는 자기센서에 의한 아크검출 방법을 이용한 아크발생 보호 수배전반.
   
9. 제 8항에 있어서, 상기 신호 간섭 보정 모듈은,
   간섭 계수 행렬을 생성하는 간섭 계수 행렬 생성부와, 상기 간섭 계수 행렬 또는 보간법을 이용하여 해당 부스바에 대한 간섭 계수를 도출하는 간섭 계수 도출부와, 상기 도출된 해당 간섭 계수를 이용하여 보정 전류 값을 도출하는 보정 전류값 연산부 및 상기 간섭 계수 행렬 생성부에서 생성된 간접 계수 행렬 및 상기 간접 계수를 이용하여 보정 전류 값을 도출하는 간섭 보정 방정식을 저장하는 간섭 보정 메모리를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자기센서에 의한 아크검출 방법을 이용한 아크발생 보호 수배전반.
   
10. 제 9항에 있어서, 상기 간섭 계수 행렬은,
    온도, 전류, 및 측정 위치와 상기 부스바 사이의 거리를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 변수의 미리 정해진 범위 내에서 미리 정해진 단위별로 복수 개가 생성되는 것을 특징으로 하는 자기센서에 의한 아크검출 방법을 이용한 아크발생 보호 수배전반.

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