KR101599107B1 - DP(Data Plus)방식을 이용한 전력선의 데이터 송수신 방법 - Google Patents

DP(Data Plus)방식을 이용한 전력선의 데이터 송수신 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특허 제0389266호(2003. 06. 25)를 개선한 전력선 양방향 통신에 관한 발명으로 전원의 원격제어 및 전력선 통신 인프라를 구축하는데 있어 원천적기술을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 데이터 송신원리는 도 9에서 2차 100V를 얻는 과정에서 1볼트 승압원리를 이용하여 승압부분만 전자식으로 구성, 데이터 전원을 전력선 전원과 정합(Matching)하여, on off 디지털 데이터로 활용하는 전환적 발상에 기초한 전력선 통신에 관한 발명이다.
변압기 측 전력선 코일(101, 102), 수용가 측 코일(103, 104)이 각각 한 쌍을 이루어 변압기 측 데이터의 자속변화(H)를 수용가 측 코일(104)에서 수신하고, 수용가 측 데이터의 자속변화(H)를 변압기 측 코일(102)에서 수신하여 양방향 통신을 구현한다.
[색인어]
전력선통신, 접지계, 유도전류, 극상, DP, DPT, DCT, PLC, Earth-field

Description

ＤＰ(Ｄａｔａ Ｐｌｕｓ)방식을 이용한 전력선의 데이터 송수신 방법{Method of transmitting and receiving data using DP(Data Plus)formula in power cable}
전력선 통신 즉, PLC(Power Line Communication)기술은 고주파가 콘덴서를 통하여 전력선에 전송하는 접촉식과 CT개념을 이용한 비접촉식으로 나눌 수 있다. 본 발명은 기존 CT개념을 이용한다는 점에 있어서 비접촉식과 유사하다 할 수 있다.
전력선 통신 중 기존 비접촉식 커플러(도 13)를 이용한 전력선 통신의 단점으로는 데이터 주파수가 낮을 경우 전원위상에 따라 데이터전압(502a)의 플러스(+)부분 혹은 마이너스(-) 부분이 감쇄되어 현실적인 상용화가 어렵고, 반대로 데이터주파수가 높을 경우 데이터 수신에 필요한 유효한 신호의 데이터를 전력선에 플러스 하는데 있어서 전력선(1301)이 CT를 관통해 전력소모가 크고 원거리 전송에 한계가 있어 수요가 선박으로 국한되어 일반 수용가로 보급 할 수 없었다.
대부분 PLC 방식은 고주파가 콘덴서를 통하여 전력선에 접촉해 데이터를 전송 하고 수신하는 방식으로, 이에 관한 연구는 1920년대부터 시작되어 현재까지 국가연구 기관 및 기업체별로 연구 진행되어 왔다.
전력선 통신에 관하여 연구기관 업체 등 성공했다고 하는 현란한 언론보도의 실체를 보면 사실 무지에 의한 기만에 가깝다. 건물 내 네트워크용으로 생산된 PLC 모뎀이 상용화 되어 팔리고 있는 것도 사실이나, 명확한 성공 기준은 대한민국 1,900만 수용가구중 무작위로 1,000 가구를 추출하여 변압기에서 수용가까지 전력선만으로 데이터 송수신 성공 확률이 99.99%이상 기록해야 할 것이고 동시에 경제적 타당성을 가져야 할 것이다. 현재 PLC 기술은 한국전기연구원 및 PLC 관련 업체 내부 자료를 근거로 상기 기준에 의하면 50%이하로 상용 불가능 한 것으로 판단되고, 발명인 개인 추정치는 23%이하다.
종래기술의 문헌정보
[문헌1] US 6809633 (Ambient Corporation, Yehuda Cern. 2004.10.26)
[문헌2] 공개번호 1020090066385 (매트론. 2009.06.24) 도면 1
[문헌3] US 7876174 (Current Technologies, Llc. William O. Radtke 2011.01.25)
[문헌4] 접지전류를 이용한 유도형 전력선통신 시스템 설계 : 대한전기학회 학술대회
논문집 2011, Vol. No.7 [2011] 1860-1861(2쪽)
기존 PLC기술(콘덴서 접촉식)에 있어서 상용불능의 주된 이유는 전력선만으로 전송 데이터의 고주파를 전력선 전압과 정합(Matching) 할 수 없다. 콘덴서를 통하여 전력선으로 전송되는 고주파 데이터 신호는 다음의 이유로 정합을 할 수 없다. 이에 관해선 참조 문헌(http://blog.naver.com/3ear4 전력선 통신의 허구성)을 인용한다.
전력선 외(外)의 공간을 접지계(接地界, Earth-field)로 간주 할 수 있는데, 고주파 데이터 신호가 대부분 공중방사(Aerial-Radiated)로 손실되어 데이터 신호가 목적지 까지 도달하기 전 왜곡(Distortion)되고 감쇄된다. 이러한 현상은 지하 전력선에서 특히 심한데 지하는 지상과 달리 전력선 주변 습도가 높고 밀폐된 공간에서 접지계 현상(전파의 공간파 감쇄 현상)이 현저히 나타나 더 많은 신호가 왜곡되어 지상 전력선 보다 현저히 낮은 전송률(10% 이하)을 기록한 것이 2011년 진행된 한국전기연구원 실험 결과다.
본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해결 하고자 발명 되었으며 기존 전력선 통신과는 신호원 개념 자체가 전혀 다른 것으로, 데이터 신호원의 전압이 전력선 전압과 유도전류로 정합(整合, Matching)되어 전력선 전원과 동일한 용량으로 배전(전송, 출력)하여, 이미 널리 알려진 방법으로 데이터 신호를 유도전류로 수신하거나, 혹은 기존 PLC 방법으로 수신함으로서 상용 가능한 전력선 통신환경을 제공 하는데 있다. 따라서 본 발명은 전원의 원격제어 및 전력선 통신 인프라를 구축하는데 있어 원천적 기술을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 데이터 송신원리는 도 9에서 2차 100V를 얻는 과정에서 1볼트 승압부분을 전자식으로 구성, 데이터 전원을 전력선 전원과 정합(Matching)하여, on off 디지털 데이터로 활용한다.

도 9의 하단 도면은 점선을 기준으로 동일한 배선도로 1볼트 승압과정을 10볼트로 구현한 것으로 10볼트 탭(tap)을 이용, on off 하여 디지털 데이터로 활용 할 수 있다.
전력선의 데이터 송수신이 이루어지는 과정은 전력선의 n회(回)의 코일(101, 103, 201, 301, 303)안에 전송 데이터를 자속변화(H)의 유도전류 전송하고, 전송된 데이터 전류를 전력선의 수신코일(104, 102, 202, 304, 302)에서 자속변화에 의한 유도전류로 수신하여 양방향 데이터 송수신을 구현한다.
본 발명(DP 방식)과 기존 PLC 방식과의 차이점은
(1) DP 방식의 가장 큰 장점은 가청주파수(20Hz~20kHz)대역을 송수신 할 수 있다. 이것은 전력선이 있는 곳이면 어디든 통신 할 수 있음을 의미하며 전송거리에 제한이 없다. 수용가 부하가 클수록 전력선으로 흐르는 데이터 전류가 증가하여 데이터 전송을 효율적으로 할 수 있다. 기존 PLC 방식은 도 6에서 코일 저항 콘덴서가 천 여 개 병렬로 연결 되어 있어 데이터 출력이 증가하면 할 수록 수용가 부하로 더 소모되어 자동차 사이드 브레이크가 채워진 상태에서 액셀러레이터(Accelerator)를 밟는 것과 똑같다.
(2) DP 방식은 주변 전력선 잡음에 완벽히 대응한다. 수신코일 필터(420a)에서 데이터 유효전류만 수신 하므로 부유전압 잡음은 완전 차단된다.
(3) DP 방식은 출력 0.2와트 미만으로 상용 가능한 출력을 얻을 수 있는데, PLC 방식에 비해 1/50이하의 소모전력 으로 상용 가능하다.
(4) DP 방식은 데이터 전류가 대부분 콘덴서로 흐르므로 수용가 가전기기에 영향을 주는 정도가 PLC 방식에 비해 월등히 적다.
(5) DP 방식은 전력선(구리, 알루미늄)과 물리적으로 접촉하는 부분이 없어 서지전압에 의한 절연파괴 현상이 없다.
(6) DP 방식은 전력선과 데이터간 임피던스 정합을 이루어 전송하나 PLC는 비매칭 전송으로 무선 송신기의 단순한 안테나 연장선에 불과하다.
본 발명을 상용화 할 경우 예상되는 효과는 다음과 같다.
현재까지 연구되고 개발되어온 기존 PLC 연구방향을 DP 연구로 전환하여 통신의 모세혈관이라 할 수 있는 전력선 통신의 인터넷 인프라가 구축되면서 전 세계 산업시설 및 가정용 전기 가스계량기 약 15억여 개가 인터넷 인프라 영역으로 들어오고, 가정 및 사무실의 동축 케이블, 케이블 모뎀, 라우터, 전원 어댑터, LAN 케이블 등이 와이파이 라우터(416) 하나만으로 위의 장비를 모두 대체하고 상시전력 소모를 최소화하여, DCT 검침의 경제적 효과(http://www.patentmart.or.kr 기술번호 15394)를 비롯한 스마트그리드 궁극의 목표를 달성 하며, 선진국의 통신 인프라 음영지역 해소와 기존 케이블 및 전화선이 사라지면서 환경미화와 더불어 인터넷 통신비용 인하를 유도하여 인프라 구축을 가속화 하고 가로등 제어 및 에어컨, 보일러, 세탁기 등 가전기기가 인터넷(스마트폰)을 통해 제어되는 사업이 활성화 되어 거시경제 차원의 에너지 절감 및 가전기기의 새로운 혁명을 예고한다.
도 1은 저압 수용가 데이터 송수신 배전도
도 2는 변압기의 데이터 송신 배전도
도 3은 직류 전원의 데이터 송수신 배전도
도 4a는 DPT(414) 데이터 송신 예
도 10은 변류기(TS76V/L)의 데이터시트
도 11은 선로의 정전용량 데이터시트
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
405 : 위상반전 회로가 포함되어 있는 Mixer
406 : 입출력 부분 양쪽으로 인터페이스가 포함된 송신데이터 증폭부
408 : DPT, 자성체 코어에 코일(407, 7회)과 전력선 코일(409, 1회)이 감긴사진, 권선비=1/7
416 : 옥내용 와이파이 라우터 외형 사진
418 : 수신코일 사진, 자성체 코어에 전력선 코일(417, 1회)과 필터회로 연결 코일(419, 2500회)이 감긴 사진
420 : 입출력 부분 양쪽으로 입력 부분에 필터회로(420a, 점선부분)와 증폭 회로 및 인터페이스가 포함된 수신데이터 증폭부
본 발명을 설명하기 위하여 기존용어 및 설명의 기준, 새로운 용어부터 정의하기로 한다.
본 발명의 명칭에서 DP는 Data Plus의 약자로 전력선 전압에 데이터 주파수 전압을 플러스하는 방식으로 기존 CT(Current Transformer)원리에 대한 역발상으로 CT를 데이터 송수신 용도로 활용하는 신조어(新造語)다.
본 발명의 명칭에서 DPT는 Data Plus Transformer의 약자로 데이터를 1차 측 코일(407)로 전송하고 자성체 코어를 통해 2차 측 전력선 코일(409)에 전달하여 데이터 전압을 전력선 전압에 플러스 하는 역할을 하는 것으로 DPT(408)라 정의 한다.
본 발명에서 사용된 접지계(接地界, Earth-field)는 고주파를 방사 하는 도체를 공간상 하나의 점으로 보아 점 외의 공간 3차원을 고주파 방사 공간 (Radiated Space)으로 간주 하는 신조어(新造語)다.
본 발명에서 사용된 극상(極相, Polarity Phase)이란 교류의 위상, 즉 (+)위상과 (-)위상, 직류의 (+)극과 (-)극을 통칭하는 것으로서, (+)극상이라 함은 교류의 (+)위상과 직류의 (+)극을 지칭하고, (-)극상이라 함은 교류의 (-)위상과 직류의 (-)극을 지칭하는 신조어(新造語)다.
잡음율 제로인 증폭기란 신호원이 제로에 수렴 할 때도 신호를 증폭 할 수 있는 증폭기(참조, MASER 증폭기)로 현실에서 존재하지 않는다.
나라별로 송배전 시설은 단상 2선식, 단상 3선식, 3상 3선식, 3상 4선식, 고압 그리고 수용가 전압 및 주파수가 각각 다르나, 본 발명의 기초 이론 및 원리를 제공하여 어떠한 송배전 시설에서도 적용되고 응용 가능하도록 다음을 기준으로 서술한다.
변압기라 함은 전신주 혹은 지하에 시공된 고압 변압기로서 수용가로 공급되는 3상 4선식의 변압기로 용량 100kVA, 주파수 60Hz, 1차 전원 22,900V와 2차 전원 220V를 얻는 것으로 단상 2선식으로 설명한다.
고주파 혹은 데이터 및 송수신 전송신호의 프로토콜은 특별한 언급이 없는 한 표준 FSK 방식, 중심 주파수(f=400kHz, 100mV)로, 즉 f=±Δf로, 주파수 f1(f+Δf)은 데이터 1로, 주파수 f0(f-Δf)은 데이터 0으로 표기한다.
도 4a 코일(407)의 개방전압 수치와 코일(419)의 데이터 수신전압 수치는
태화트랜스(www.taehwatrans.com) 변류기(TS76V/L) 데이터시트(도 10)중 각각 R100 부분과 R5 부분을 인용 비례 값으로 계산한다. 주파수(전원 60Hz)와 데이터 주파수(f=400kHz)도 동일하게 적용한다.
선로의 정전용량은 대신전기(www.e-dsec.co.kr) 도 11의 데이터시트 중 공칭단면적 38(mm2)의 데이터(0.18μF/km)를 적용한다.
전력선 코일(409)의 형성회수는 1회를 기준으로 설명한다.
n, N은 정수(0, 1, 2, 3,..)로서 n은 권선수(1회, 2회, 3회...)를 의미한다.
도 4의 CPU(412, 412a)는 송신부 CPU(412)와 수신부 CPU(412a)를 의미하는 것으로 한 도면을 사용하되, 수신부 CPU(412a)의 ROM 과 RAM은 별도로 수신부 ROM, 수신부 RAM으로 칭한다.
ROM(413)과 RAM(414)에 저장된 프로그램과 수신부 ROM(413)과 수신부 RAM(414)에 저장된 프로그램은 각각 도 7, 도 8의 플로우챠트로 갈음한다.
도 4의 Mixer(405)는 전력선이 교류일 경우 교류 전용 Mixer(405)로 전력선이 직류일 경우 직류 전용 Mixer(405)로 판단한다.
도 4에서 코일(409)은 순서대로 코일(101, 103, 201, 301, 303)을 지칭하며,
코일(417)은 동일한 순서로 코일(104, 102, 202, 304, 302)을 지칭하고, 콘덴서(425)는 순서대로 콘덴서(c2, c1, c3, c5, c4)를 지칭한다. 송수신은 코일과 콘덴서{(101, 104, c2), (103, 102, c1), (201, 202, c3), (301, 304, c5), (303, 302, c4)}가 각각 한 조가 되는 송수신을 의미한다.
도 1, 2, 3은 저압 수용가의 배전, 변압기가 중간에 있는 고압과 저압간의 배전, 직류 배전 설비의 데이터 송수신의 기본 원리를 보여주는 송배전도다. 전력선의 데이터 송수신이 이루어지는 과정을 통합하여 요약하면, 전력선의 코일(101, 103, 201, 301, 303)안에 전송 데이터를 자속변화(H)의 유도전류로 전송하고, 전송된 데이터 전류를 전력선의 수신코일(104, 102, 202, 304, 302)에서 자속변화의 유도전류로 수신한다.
데이터 전압을 전력선 전압과 합하기 위해 데이터 전류의 자속 발생 방향은 전력선 위상에 따른 전력선 코일(409)이 형성하는 자속 방향과 동일해야 한다. 전력선 전원은 내부저항이 제로에 수렴 하는 무한 전원으로, 전력선 전류의 자속 방향과 반대로 자속을 발생할 경우 전력선 전압과 데이터 전압이 단락 되므로 전력선 전류의 자속방향과 동일하게 데이터 전류의 자속방향을 동일하게 한다.
도 1은 일반 수용가의 배전 계통으로 데이터 송수신은 다음의 특징을 갖는다.
(1) 코일(101)의 자속변화(H)가 코일(104)로 수신되고, 코일(103)의 자속변화(H)를 코일(102)에서 수신하는 방법으로 양방향 통신을 구현한다.
(2) 콘덴서(c1, c2)는 데이터 전류용이다.
도 6에서 수용가의 부하는 통상 저항(R), 코일(L), 콘덴서가 수십에서 수백 개 병렬로 연결된 것으로 데이터 전류의 흐름은 콘덴서(c1, c2)가 없어도 수용가 부하 전체를 하나의 저항체로 본다면 수용가 부하와 변압기를 통하여 데이터 전류가 흐르나 부하 자체가 시시각각 변하기 때문에 보다 안정적인 데이터 수 신을 위해 필요하다. 옥내 콘센트 단자로 수신 할 경우 무 부하 상태에서 데이터 전류 흐름이 없으므로 콘덴서(c2, 425)를 통하여 데이터 전류를 흐르게 한다. 이런 점에서 콘덴서는 가상 부하(Dummy Load)라 할 수 있다.
(3) 변압기까지 통신 인프라가 구축 되었을 때, 변압기로부터 수용가 까지 전력선으로 인터넷망 구축이 가능하다. 선진국의 경우 전신주 마다 거의 통신 인프라가 구축되어 있으므로 수용가 콘센트 단위로 와이파이 망 구축이 가능하다.
물론, c1, L2 병렬 공진 회로를 구성 특정 주파수 데이터 전류흐름을 보다 원활하게 할 수도 있다.
전력선만으로 데이터 전송속도가 동축 케이블과 같고 전송거리가 동등하다면, 기존 케이블모뎀 라우터 어댑터 동축케이블 LAN선이 옥내용 와이파이 라우터(416) 하나로 대체 할 수 있다.

도 2는 변압기가 중간에 있는 고압과 저압간의 배전 계통도로 데이터 송수신 특징은 다음과 같다.
(1) 변압기 측 코일(201)의 자속변화(H)를 수용가 측 코일(202)이 수신하는 방법으로 단방향 통신을 구현한다. 2차 측 수용가 부하는 항상 변하고 있기 때문에, 2차(L2)의 자속변화를 1차(L1)에서 감지 할 수 없어 자속변화 검출이 불가능 하다. 1차 측 전압 변동은 이론상 존재하나 현재 이러한 극미의 전압을 검출 할 수 있는 잡음율 제로인 이상적인 증폭기는 존재하지 않는다.
(2) 코일(201)에서 생성된 데이터 전류를 변압기 1 차코일(L1)에만 흐르게 하기 위해 데이터 전류용 콘덴서를 사용하지 않는다.
(3) 용도는 발전소 혹은 변전소로 부터 수용가까지 원격제어, 가로등 제어, 교통 신호등으로 쓸 수 있고 문자 혹은 일반 방송용으로 사용 가능하다. 물론 도 1의 수용가구 양방향 통신 원리를 이용 하여 고압구간 양방향 통신도 구현 할 수 있다. 고압부분으로 부터 수용가까지 양방향 통신을 구현하기 위해 변압기 부분 에 중계 장치를 부가 할 수 있으나 선진국의 경우 전신주 까지 기존 통신 인프라가 구축되어 있어 고압부분의 양방향 시공은 이중 투자가 되어 이에 따른 경제적 편익이 고려되어야 할 것이다.

도 3은 직류 배전에 있어서 데이터 송수신의 기본 원리를 보여주는 계통도로 데이터 송수신 특징은 다음과 같다.
(1) 코일(301)의 자속변화(H)가 코일(304)로 수신되고, 코일(303)의 자속변화(H)가 코일(302)에서 수신하는 방법으로 양방향 통신을 구현한다.
(2) 콘덴서(c4, c5)는 데이터 전류용 이다.
(3) 직류 배전 계통의 자동차 항공기(400Hz) 선박(60Hz)등 전력선만으로 데이터 전송이 가능하여 배전의 단순 경량화를 기할 수 있다.
통상의 전자 전기 지식을 가진 사람이 구현 할 수 있는 본 발명의 데이터 송신 방법을 설명하면, 도 4는 전원이 정위상(402, 402a)인 경우를 기준하여 데이터 송수신과정을 보여 준다. 가운데 점선을 기준으로 위쪽이 송신부, 아래가 수신부의 회로 블록도로서 송신부가 변압기 측에 위치하고 수신부가 수용가 측에 있다 가정 할 때, 송신 할 데이터의 디지털 신호(410, DATA, 1001)는 인터페이스(411)를 거쳐 송신부 CPU(412)로 전송 된다. CPU(412)에 내장된 ROM(413)의 프로토콜(FSK, ASK, PSK, SSB)변환 프로그램과 RAM(414)의 송신 프로그램(도 7)에 의하여 선택된 프로토콜로 변환 한 후 Mixer(405)로 전송 한다.
전력선이 교류일 경우 전원(401)으로부터 전압의 위상을 검출(403)하여 Schmitt-Trigger(404)회로로 도 5의 데이터 송신시간(t1~ t2, t4~t5)과 원래의 데이터(501)가 분할된 데이터(502, 503)중(中) 데이터(503)의 위상반전 시간(t4~t5)의 신호를 Mixer(405)로 보낸 후, 위 두 가지 신호를 Mixer부(405)에서 데이터를 송신시간에 따라 위상반전 후 데이터 증폭부(406)로 전송하여 증폭 후 코일(407)로 전송하고, 전송된 신호는 DPT(408)에서 유도전류로 코일(409)에 전송한다. 여기서 데이터(503)의 위상반전이란 플러스 전압의 데이터(503a)가 마이너스 전압의 데이터(503b)로 변환되는 것을 의미한다
예를 들어 도 5에서 FSK신호 데이터(501)의 전송과정을 설명하면, 데이터 전압과 전력선 전압을 합하기 위해 전력선 전원의 교류위상 중 (+)전압구간 (t0~t3)에서 n회(回)의 전력선 코일(409)이 형성하는 자속 방향(H)과 데이터 전류가 흐르는 코일(407)의 자속방향이 동일해야 함으로 플러스 전압의 데이터(502)를 t1~t2 구간에서 전송하고, 교류 위상중 (-)전압구간(t4~t5)에서 마이너스 전압의 데이터(503)를 t4~t5 구간에서 전송 하여야 한다. 이 때 전송 속도를 최대로 하기 위해 구간(t1~t2), 구간(t4~t5)을 전압 위상이 바뀌는 지점(t0, t3, t6)에서 신호 왜곡(Jitter, Skew 현상)이 없도록 최대한 확보 한다. 전송구간 (t1~t2), 구간(t4~t5)을 최대한 확보 한다는 의미는 전송구간이 실제 (t0~t3), (t3~t6)에서 각각 이루어지는 것을 의미한다.
전력선이 직류일 경우 전원 위상이 고정 되어 있는 것으로,
Schmitt-Trigger(404)회로 필요 없이 직접 Mixer(405)로 보내 직류 위상에 따른 플러스 전압의 데이터(503a) 혹은 마이너스 전압의 데이터(503b)를 출력하여 데이터 증폭부(406)로 보낸다.
도 4a에서 변압기 측 2차 전류는 수용가 전류보다 상대적으로 큰 전류가 흐르고 있다. 전원이 정위상(402, 402a, T0구간)일 때, 2차 측 전력선의 코일(409, 권선수=1회)에 182A의 전류가 흐르고 있다 가정하고, 코일(407)에 병렬로 저항(100Ω)이 연결되고 개방되었을 때, 도 10의 변류기(TS76V/L) 데이터시트(R100 부분, burden Resistor 100Ω, 182A, 7200mV)를 인용하면 코일(407)에 검출되는 출력 전압은 (7200÷2500)7=20.16(mV)다.
코일(407) 개방에 의한 전력소모는 (0.02016)2÷100 = 0.004064mW로 기존 변류기(CT)개념의 이차코일 개방에 따른 초고압 및 고압의 송배전시설에서 있을 수 있는 위험요소(절연파괴, 폭발)는 없다. 데이터(700mV, 400kHz)의 정현파를 출력하는 데이터 증폭부(406)와 코일(407)을 연결할 때 코일(409)에서 출력되는 전압은 전원(220V, 60Hz)과 데이터(100mV, 400kHz)두 종류다. 코일(407)의 저항(100Ω)에 흐르는 전류는 0.7(V)÷100(Ω)=0.007(A)다. 코일(407)의 인덕턴스가 10μH일 때, 리액턴스 및 흐르는 전류는 하기 수학식 1에서 약 27.9mA다.
[수학식 1]
Figure 112015077226161-pat00001

[수학식 2]
Figure 112015077226161-pat00002

[수학식 3]
Figure 112015077226161-pat00003

도 4a에서 전원이 220V, 60Hz이고 전류가 182A 흐를 때, 부하를 순수 저항으로 간주하여 계산하면 220(V)÷182(A)≒1.209(Ω)으로, 데이터가 선로저항(1.209Ω)의 부하를 통해 흐르는 전류는 0.1(V)÷1.209(Ω)≒0.083(A)≒83(mA)다. 콘덴서(425)가 0.01μF 일 때 흐르는 데이터 전류를 계산하면 상기 수학식 2에서 2.51mA다.
데이터 증폭부(406)와 DPT(408)는 원리적으로 도 9의 승압 부분(1V)을 완전 전자식으로 구성 한 것으로 본 발명의 핵심이다. DPT(408)의 코일(407, 409)의 전압극성(407a, 407b, 409a, 409b)은 실제 실험 결과다.

전력선으로 코일(409)을 n회(回) 형성 할 때, 코일 형성 횟수가 적을수록 시공이 간단하고 보다 바람직한 것은 1회 이하 일 것이다. 데이터 출력을 증가하기 위해 데이터 증폭부(406)의 출력을 높여 코일(407)을 N개 병렬로 연결하여 송신 할 수 있다. 코일(407)의 내부 임피던스가 Z라 할 때, N개 코일을 병렬로 연결하여 출력 할 경우 내부 임피던스 Z=1/N으로 되어 출력이 N배로 된다.
데이터 수신방법은 널리 알려진 방법으로 다음과 같다. 전송된 데이터 전압(409a, 409b)은 전력선 전압과 합쳐져 전압(426, 426a)으로 배전되고, 데이터 전압은 콘덴서(424)의 콘덴서(C)를 통해 수신되고 데이터 전류는 콘덴서(425)를 통하여 흐른다. 데이터 전류는 코일(417)에서 수신되고, 수신코일(418)의 자성체를 통하여 코일(419)을 거쳐 필터 및 인터페이스(420a, 420)로 수신된다. 수신된 신호는 수신부 CPU(412a)의 수신부 ROM(413)과 수신부 RAM(414)에 내장된 프로그램(도 8)으로 프로토콜이 분석되고 복원되어 인터페이스(421)를 거쳐 원래의 디지털 신호(DATA, 1001)로 출력(422)된다.

도 1, 2, 3 공통으로 콘덴서(424)의 콘덴서(C)를 사용하여 기존 PLC 방법으로 수신 할 수 있다. 이 경우, 고속 데이터 수신에는 적합하나 주변 잡음에는 상대적으로 취약 하다.
수신코일(418)은 전력선으로 코일(417)이 1회, 코일(419)이 2500회 병렬로 저항(5Ω)이 연결되어있다 가정하고 데이터 전류가 2.51mA일 때, 변류기(TS76V/L)의 도 10의 데이터시트(R5 부분, burden Resistor 5Ω, 406A, 900mV)를 인용하면 코일(419)의 출력전압은 900(mV)×2.51(mA)÷(406×103)≒0.00556(mV)≒5.56(μV)다. 수용가 주변은 변압기 주변보다 상대적으로 잡음이 많은데, 기존 PLC 수신방식과 가장 큰 차이점으로, 수신코일(418)이 데이터 신호의 전류를 수신하는 것은, 전력(일, 에너지)을 수신한다 할 수 있어, 할로겐램프 인버터 잡음 및 서지전압 잡음 등 전력선의 가장 강력한 잡음을 완벽하게 차단한다.
필터회로 420a는 교류 전류계 회로의 일부다. 전력선 주파수가 60Hz이고 FSK 방식 송신 데이터 주파수가 400kHz 일 때, 코일(417)을 통하여 코일(419)에 감지되는 신호는 60Hz 및 400kHz 두 가지 신호가 감지되나, 60Hz를 Noise로 간주 하고 데이터를 Signal로 간주 할 경우, 필터 콘덴서(420a의 100pF)를 통과하면서 상기 수학식 3에 의하여 신호전류(I)의 S/N비는 (1×10)6÷60≒6666으로 400kHz 데이터만 수신된다.
변압기를 기준으로 수용가 측 부하는 도 6에서 병렬로 코일 저항 콘덴서 과전압 방지소자(Varistor)등이 천여 개 연결되어있고 직렬로 기계식 적산 전력계의 코일이 수백 개 연결돼있는 회로로 생각할 수 있다. 이러한 현실적 사항을 고려하여 데이터(700mV, 400kHz)의 정현파를 출력하는 데이터 증폭부(406)와 코일(407)을 연결하고, 변압기에서 수용가까지 거리가 평균 200미터, 배전선로가 40개 연결 돼있고 선로 당 5가구씩 200가구 연결 돼있다 가정 할 때, 데이터 증폭부(406)의 소모 전력을 계산하면,
단, 코일(407)과 콘덴서(425)의 전류는 저항체 전류로 계산한다.
전력선 선로의 코일 효과는 무시하고, 선로의 정전용량은 도 11의 데이터를 적용하고, 수용가 가전기기에 병렬로 연결된 바리스터 와 콘덴서 개수 및 용량은 1000개, 각각의 콘덴서 용량이 10pF이라 가정한다.
(1) 코일(407)에 병렬로 연결된 저항(100Ω)의 전류 0.7(V)÷100(Ω)=7(mA).
(2) 코일(407)의 인덕턴스(10μH) 전류 약 27.9mA.
(3) 선로저항 1.209(Ω)의 전류 0.1(V)÷1.209(Ω)≒0.083(A)≒83(mA).
(4) 콘덴서(425)가 0.01μF일 때 200가구의 전류 200×2.51(mA)≒502(mA).
(5) 200가구의 콘덴서 혹은 과전압 방지소자(Varistor)가 1000개, 각각의 콘덴서 용량이 10pF이라 할 때 흐르는 전류 2.51mA.
(6) 선로 정전용량 40(ea)×200(m)=8000(m)=8km, 8(km)×0.18(μF)=1.44(μF).
선로 정전용량에 의하여 흐르는 데이터 전류는 361.44mA.
(7) 코일(419)의 출력전압은 약 5.56μV로 저항(5Ω)에 흐르는 전류는 콘덴서(425)의 전류에 포함 한다.
상기 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7항에 근거한 데이터 증폭부(406)에서 코일(407)로 흐르는 전류 합계는(7+27.9)+(83+502+2.51+361.44)÷7≒170.464(mA).
소모 전력은 0.7(V)×0.170464(A)≒0.119(watt)다.
위의 사항을 종합하면 송신출력이 약 0.2와트 미만으로 계산 되는데, 대한민국 미국 일본을 비롯한 각국의 전력선(전파) 통신 관계법 시행령 규칙에서 송신 출력을 최대 10와트 미만으로 규정하고 있다는 사실에 근거하면, 약 50 분의 1이하 출력으로 전력선 통신라인을 구축 할 수 있다는 점에서 절대 우위에 있다. 코일 및 콘덴서에 역율 개념을 배제한 것은 기존 전기공학, 전파 전송 공학에서 무선 송신기 출력을 계산하는 방법과 현격한 차이가 있어 새로운 기준이 요구된다.
DP 통신은 인터폰 선로 속도와 유사하다 할 수 있다. 이러한 판단의 근거는 모든 전원이 제거되고, 전력선 자체가 유선 선로라 가정 할 때의 판단이다.
RS485/422 전송에서 인터폰 선로는 통상 3km 거리에서 9,600/bps의 안정적인 속도를 기록하는데, 위 사실에 근거 300미터에서 약 96k/bps의 속도가 예측된다. 그러나 상대적으로 선로저항과 선간포유용량(콘덴서 효과)은 전력선이 휠 씬 적고 데이터 주파수(f) 상승을 고려하면 약 10～50배 속도 향상이 있을 것으로 판단된다. 유효 전송거리는 전송 데이터 주파수가 선로 포유용량에 의하여 왜곡되는 지점과 방사전력 손실에 의한 수신 한계 이득이 제로 일 때 까지가 최대 거리 일 것으로 판단되나 실험 및 실증으로 규명해 나가야 할 문제다.
도 6에서 기존 기계식 적산 전력계(WH)는 전송 데이터 주파수에 따른 상대적 리액턴스를 갖는다. 이것은 데이터 전송에 저항요소로 작용하나 전자식 전력량계는 전력선이 전류계(CT)를 관통하여 전력량을 계산하는 까닭에 리액턴스 요소가 상대적으로 거의 없어 데이터 전송에 유리하다.
DP 통신을 유선통신 혹은 무선통신으로 정의할 것인지에 관해선 논란의 소지가 있다. 가청 주파수 대역과 고주파 대역을 전송할 수 있다는 점에 있어서 판단을 어렵게 한다. 고주파 신호가 공중방사 한다는 점에선 무선통신이라 정의할 수 있으나 신호원이 선로 안에서 순환(loop)하는 것은 인터폰 및 동축 케이블 전송방식과 동일하다는 점에 있어서 판단을 보류한다.
도심에서 송신 데이터 주파수 (f)가 400kHz 이하 일 때 변압기 수용가간 지상 지하 불문 수용가 전력선까지 송수신이 가능한 이유는 신호원 자체가 전력선과 매칭을 이루어 변압기에서 승압한 전압이 전송되지 않을 것이라는 우려가 배척(排斥)되는 그것과 일치한다.
도 4는 본 발명을 구현한 회로 블럭도로서 점선 위가 송신장치로 변압기 측에, 아래 수신 장치는 수용가 측에 위치, 각각 송수신 한 쌍이 설치되 교차통신으로 양방향 통신을 구현한다. CPU(412)의 데이터 출력신호와 수신부 인터페이스(421)를 와이파이 모듈(415)로 연결해 일반 가정용 콘센트에 와이파이 라우터(416)를 설치하여 전력선이 있는 곳에 와이파이 망(도 12)을 구축한 예 다.
도 2를 상용화한 예로서, 도 12는 변압기 중간에 중계기 없이 고압부분에서 수용가까지 단방향 통신망을 구현 할 수 있는데, 이것은 원격제어(가로등 점멸제어), 방송망, 교통신호 등이 상용화 된 예 다.

Claims (1)

  1. 전기를 공급하는 전력선의 통신 방법에 있어서,
    (1) 송신 할 데이터를 인터페이스를 거쳐 CPU로 전송 하여, ROM과 RAM에 저장된 프로그램으로 선택된 프로토콜의 데이터로 변환한 후, Mixer로 전송하고,
    (2) 전원으로 부터 전압 극상(極相, Polarity Phase)을 검출하여 (+)극상 일 때 플러스 전압 데이터 전송시간 신호를, (-)극상 일 때 마이너스 전압 데이터 전송시간 신호를 Mixer로 전송하고,
    (3) 상기 (1)과 (2)에서 전송된 신호를 Mixer에서 송신시간에 따라 송신할 데이터를 증폭부로 전송하여 증폭 후 코일로 전송하고, 전송된 신호는 DPT(Data Plus Transformer)에서 유도전류로 n회(回)의 전력선 코일(409)의 코일(101, 103, 201,301, 303)로 전송 한 후,
    (4) 상기 (3)에서 전송된 데이터 신호의 전류를 콘덴서(425)의 콘덴서(c2, c1, c3, c5, c4)로 흐르게 하여, 전력선 코일(417)의 코일(104, 102, 202, 304, 302)로 수신후, 필터 및 증폭부에서 증폭 후, 인터페이스를 거쳐 수신부 CPU로 전송한 다음, 수신부 ROM과 수신부 RAM에 저장된 프로그램으로 원래의 데이터 신호로 복원한 후, 인터페이스를 거쳐 수신하거나 혹은 콘덴서(424)의 콘덴서(C)를 통하여 수신하는 것을 특징으로 하는 DP(Data Plus)방식을 이용한 전력선의 데이터 송 수신 방법.
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