KR101692283B1

KR101692283B1 - 직류 배전용 직류 아크 사고 검출기 및 직류 아크 사고 검출 방법

Info

Publication number: KR101692283B1
Application number: KR1020150118917A
Authority: KR
Inventors: 이규찬; 서갑수
Original assignee: 주식회사 스마트파워서플라이
Priority date: 2015-08-24
Filing date: 2015-08-24
Publication date: 2017-01-17

Abstract

본 발명은 직류 배선으로 흐르는 배선 전류의 순시 값을 센싱하여 제1센싱값을 출력하는 제1전류센싱부, 배선 전류에 대하여 제1주파수 대역 성분을 센싱하여 제2센싱값을 출력하는 제2전류센싱부, 제2센싱값을 푸리에 변환하고 N(N은 자연수)개의 서브 대역으로 구분하여 N개의 밴드데이터를 생성하는 푸리에변환부, N개의 밴드데이터 중 적어도 하나 이상의 밴드데이터가 각각의 대역에 대응되는 임계 값을 초과하거나 임계 값 이상에 해당되는 경우 아크검출신호를 출력하는 아크검출부, 제1센싱값의 특성이 미리 설정된 특성에 대응되는 경우 오동작방지신호를 출력하는 오동작방지부, 및 아크발생신호가 수신되고 오동작방지신호가 수신되지 않는 경우 직류 배선에 아크가 발생한 것으로 판단하는 아크발생판단부를 포함하는 직류 아크 사고 검출기를 제공한다.

Description

직류 배전용 직류 아크 사고 검출기 및 직류 아크 사고 검출 방법{DC ARC FAULT DETECTOR FOR DC DISTRIBUTION SYSTEMS ADN DC ARC FAULT DETECTING METHOD}

본 발명은 아크 사고 검출 기술에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 직류 배전에서 발생하는 아크 사고를 검출하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 각종 전기 기기에 전력을 공급하기 위해 상용전원을 중심으로 한 교류 배전 시스템이 사용되어져 오고 있다. 최근, 직류 부하의 급증, 직류전력을 생산하는 신재생 에너지의 보급 확산이 급격하게 일어나고 있으며, 이에 따라 직류로 생산된 전력을 교류 변환 없이 직류로 사용함으로써 전력 전달 효율을 향상 시킬 뿐 아니라 구성 요소간의 연계를 간단하게 하여 시스템 전체의 효율성을 높일 수 있는 직류배전이 많은 관심을 받고 있다. 이러한 장점을 활용하여 직류 배전 시스템은 인터넷 데이터 센터, 조명, 상용 빌딩 등에 적용을 위해 적극 검토되고 있으며, 최근에는 선체 연비 향상을 위한 선박용 직류 마이크로그리드, 연료 효율성 향상을 위한 군용 직류 마이크로그리드 영역으로의 확장까지 고려되고 있다.

종래의 교류 배전 시스템에 비해 직류 시스템은 아크 사고에 대한 안전성 측면에서 취약하다는 단점을 가진다. 교류 시스템에서 전류는 1초 동안 상용전원의 교류 주파수에 2배수에 해당하는 횟수만큼의 영점 교차가 존재함에 따라 아크사고 발생시에도 자연소호의 가능성이 높아 비교적 사고 발생 가능성이 낮다. 이에 반해, 직류 시스템은 전류에 영점이 존재하지 않기 때문에 아크사고 발생시 자연소호의 가능성이 낮아 교류에서의 아크 사고에 비해 위험성이 훨씬 높다.

또한 직류 아크는 자연소호가 힘들어 위험성이 높을 뿐만 아니라, 사고 검출에 있어서도 어려움이 존재한다. 아크 사고는 선로에 있어서 노화, 커넥터 등에 있어서의 전기적 연결의 약해짐 등에 의해 발생할 수 있는데 이러한 직류 직렬 아크의 경우, 사고 전류가 정상범위 내에 있게 되기 때문에 종래에 설치되는 과전류 차단기나 누전 차단기로 검출이 어렵다. 따라서 직류 시스템의 신뢰성 및 안전성을 확보하기 위해서는 별도의 아크 검출기나 아크 검출기능을 내장한 차단장치가 필요하다.

이러한 배경에서, 본 발명의 목적은, 일 측면에서, 직류 배선 시스템에서 발생하는 직류 아크를 검출하는 기술을 제공하는 것이다. 다른 측면에서, 본 발명의 목적은, 아크 검출시 정상적인 신호를 아크로 판단하는 오동작을 방지하는 기술을 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은, 직류 배선으로 흐르는 배선 전류의 순시 값을 센싱하여 제1센싱값을 출력하는 제1전류센싱부, 배선 전류에 대하여 제1주파수 대역 성분을 센싱하여 제2센싱값을 출력하는 제2전류센싱부, 제2센싱값을 푸리에 변환하고 N(N은 자연수)개의 서브 대역으로 구분하여 N개의 밴드데이터를 생성하는 푸리에변환부, N개의 밴드데이터 중 적어도 하나 이상의 밴드데이터가 각각의 대역에 대응되는 임계 값을 초과하거나 임계 값 이상에 해당되는 경우 아크검출신호를 출력하는 아크검출부, 제1센싱값의 특성이 미리 설정된 특성에 대응되는 경우 오동작방지신호를 출력하는 오동작방지부, 및 아크발생신호가 수신되고 오동작방지신호가 수신되지 않는 경우 직류 배선에 아크가 발생한 것으로 판단하는 아크발생판단부를 포함하는 직류 아크 사고 검출기를 제공한다.

다른 측면에서, 본 발명은, 직류 배선으로 흐르는 배선 전류의 순시 값을 센싱하여 제1센싱값을 획득하는 제1센싱값 획득단계, 배선 전류에 대하여 특정 주파수 대역 성분을 센싱하여 제2센싱값을 획득하는 제2센싱값 획득단계, 제2센싱값을 푸리에 변환하고 N(N은 자연수)개의 서브 대역으로 구분하여 N개의 밴드데이터를 생성하는 밴드데이터 생성단계, N개의 밴드데이터 중 적어도 하나 이상의 밴드데이터가 각각의 대역에 대응되는 임계 값을 초과하거나 임계 값 이상에 해당되는 경우 아크검출로 판단하는 아크검출 판단단계, 제1센싱값의 특성이 미리 설정된 특성에 대응되는 경우 오동작으로 판단하는 오동작방지 판단단계, 및 아크검출 판단단계에서 아크검출로 판단되고 오동작방지 판단단계에서 오동작으로 판단되지 않은 경우 직류 배선에 아크가 발생한 것으로 판단하는 아크발생 판단단계를 포함하는 직류 아크 사고 검출 방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 직류 배전 시스템에서 직류 아크를 검출할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 아크 사고가 화재 사고로 이어지기 전에 신속하세 아크를 검출하여 시스템의 신뢰성 및 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 대부분의 시간동안 정상적으로 동작되는 것을 전제로 하는 시스템에 있어서 중요한 성능 요소인 오동작 방지와 관련하여, 전류의 고주파 교류 성분 뿐 아니라 순시치 정보를 활용하여 오동작을 방지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 사고 검출기의 내부 구성도이다.
도 3은 제어부에 의해 설정이 변경되는 직류 아크 사고 검출기의 일부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 푸리에 변환된 데이터들의 주파수 대비 성분 값을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 제1센싱값의 시계열 데이터를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 사고 검출 방법의 흐름도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 직류 아크 사고 검출기의 실제 구현 예를 이용한 실험 결과를 보이기 위한 실험 세트의 개념도이다.
도 8은 도 7의 실험 세트에서 활용된 아크 발생기의 외형도이다.
도 9는 제1 직류 아크 사고 검출기 부근에서 아크가 발생하였을 때 측정된 파형도이다.
도 10은 제1 저항성 부하의 온오프에 따른 오동작 여부 실험에서 측정된 파형도이다.
도 11은 제3 직류 아크 사고 검출기 부근에서 아크가 발생하였을 때 측정된 파형도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 배전 시스템의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 직류 배전 시스템(100)은 직류 배선(DCL)을 포함하고 있으면서, 이러한 직류 배선(DCL)에 연결되는 직류 전력 장치들을 포함할 수 있다.

직류 전력 장치로는 교류 형태의 상용전력을 직류로 변환하는 계통연계인버터(INV), 직류 형태의 전력을 생산하는 직류 전력원(PS), 직류 형태의 전력을 소비하는 직류 부하(R), 직류 전력변환장치(CVT) 등이 있을 수 있다.

직류 전력원(PS)으로는 배터리가 있을 수 있고, 자연에너지를 전력으로 변환시키는 신재생에너지발전장치(예를 들어, 태양광발전장치)가 있을 수 있다.

직류 전력변환장치(CVT)로는 DC/DC 컨버터가 있을 수 있고, DC/AC 컨버터(혹은 인버터)가 있을 수 있다.

DC/DC 컨버터 형태의 직류 전력변환장치(CVT)는 전력의 형태를 변환하는 것 이외에 전력원이 되는 장치의 제어도 함께 수행할 수 있다. 예를 들어, 직류 전력원(PS)으로서 태양광발전장치와 연계되어 있는 직류 전력변환장치(CVT)는 태양광발전장치에서 생산되는 직류 전력을 다른 크기의 직류 전력으로 변환하는 기능 뿐만 아니라 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어와 같은 태양광발전장치에 대한 제어 기능도 함께 수행할 수 있다.

DC/AC 컨버터 형태의 직류 전력변환장치(CVT)는 교류 전력을 생산하는 발전장치와 연계되어 작동할 수 있다. 예를 들어, 이러한 직류 전력변환장치(CVT)는 디젤발전기와 같이 교류 전력을 생산하는 발전장치와 연계되어 작동할 수 있다. 이러한 측면에서 직류 배전 시스템(100)은 직류를 사용하는 장치들만 포함되는 것은 아니고 직류 전력변환장치(CVT)와 같이 직류/교류 변환장치와 연계된 교류 전력 장치들도 포함될 수 있는 것으로 이해해야 한다.

직류 부하(R)는 데이터 센터, 조명과 같이 직류 전력을 직접적으로 사용하는 부하로 제한 해석되는 것은 아니고 직류/교류 변환장치와 연계되거나 내부에 직류/교류 변환장치를 내장하면서 교류 전력을 소비하는 부하도 포함되는 것으로 이해해야 한다.

한편, 이러한 직류 전력 장치들이 연결되어 있는 직류 배선(DCL)에서는 아크가 발생할 수 있다. 이러한 아크는 크게 하나의 도선에서 발생하는 직렬아크, 두 개의 도선 사이에서 발생하는 병렬아크, 접지와 하나의 도선 사이에서 발생하는 접지아크 및 다른 네트워크 사이에서 발생하는 크로스아크로 분류될 수 있다. 아래에서 설명하는 기술 내용은 실시예에 따라 직렬아크에 적용될 수 있고, 다른 유형의 아크에 적용될 수 있다.

직류 배전 시스템(100)은 이러한 직류 배선(DCL)에서의 아크를 검출하기 위해 직류 아크 사고 검출기(AFD)를 포함할 수 있다.

직류 배전 시스템(100)은 하나의 직류 아크 사고 검출기(AFD)를 포함할 수 있으나 도 1에 도시된 것과 같이 둘 이상의 직류 아크 사고 검출기(AFD)를 포함할 수 있다.

직류 아크 사고 검출기(AFD)는 아크가 발생된 것으로 판단하면 아크발생신호(SARC)를 출력할 수 있다.

이러한 아크발생신호(SARC)는 직류 배전 시스템(100)에 포함되어 있는 전류차단기(SW)로 전달될 수 있다. 그리고, 전류차단기(SW)는 이러한 아크발생신호(SARC)를 이용하여 아크가 발생한 지점으로의 전력 공급을 차단할 수 있다.

도 1의 실시예에서는 아크발생신호(SARC)가 전류차단기(SW)로만 전달되는 것으로 표시되고 있으나 아크발생신호(SARC)는 다른 장치로 전달될 수도 있다.

예를 들어, 아크발생신호(SARC)는 직류 전력변환장치(CVT)로 전달될 수 있다. 직류 전력변환장치(CVT)는 내부적으로 출력을 차단하거나 입력을 차단하는 스위치를 포함하고 있으면서 이러한 스위치를 이용하여 아크가 발생한 지점으로의 전력 공급을 차단하거나 아크가 발생한 지점으로부터 전달되는 아크전류를 입력받지 않을 수 있다. 혹은 직류 전력변환장치(CVT)는 전력변환을 위해 사용하는 전력용반도체(예를 들어, MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect transistor), IGBT(insulated gate bipolar mode transistor))를 제어하여 아크가 발생한 지점으로의 전력 공급을 차단하거나 아크가 발생한 지점으로부터 전달되는 아크전류를 입력받지 않을 수 있다.

아크발생신호(SARC)는 중앙제어장치(미도시)로 전달되어 중앙제어장치(미도시)가 다른 직류 전력 장치를 제어하도록 하거나 중앙제어장치(미도시)에 아크 발생에 관한 로그 기록이 저장되도록 할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 사고 검출기의 내부 구성도이다.

도 2를 참조하면, 직류 아크 사고 검출기(AFD)는 제1전류센싱부(210), 제2전류센싱부(220), 푸리에변환부(230), 아크검출부(240), 오동작방지부(250) 및 아크발생판단부(260) 등을 포함할 수 있다.

제1전류센싱부(210)는 직류 배선(DCL)으로 흐르는 배선 전류(idc)의 순시 값을 센싱하여 제1센싱값을 출력한다.

제1전류센싱부(210)는 배선 전류(idc)의 순시 값을 센싱하기 위해 직류 배선(DCL)에 직렬로 위치하는 저항센서를 포함하거나 홀센서를 포함할 수 있다. 혹은 제1전류센싱부(210)는 고정밀 저항을 포함하는 직류 전류 감지 전용 집적회로로 구성될 수 있다.

제1전류센싱부(210)에서 획득된 제1센싱값은 신호선을 통해 오동작방지부(250)로 전달될 수 있다.

제2전류센싱부(220)는 배선 전류(idc)에 대하여 특정 주파수 대역 성분을 센싱하여 제2센싱값을 출력한다.

제2전류센싱부(220)는 배선 전류(idc)를 센싱하기 위한 전류 변압기(212) 및 전류 변압기(212)의 출력에서 특정 주파수 대역 성분을 추출하는 대역통과필터(214)를 포함할 수 있다.

전류 변압기(212)는 고주파 전류 변압기로 직류 성분 뿐만 아니라 저주파 대역의 성분을 필터링할 수 있다.

전류 변압기(212)는 직류 배선(DCL) 측을 1차측으로 하여 1회 감거나 관통하고 2차 측을 M(M은 2이상의 자연수)회 감는 형태의 둥근 코일 혹은 전선으로 이루어질 수 있다.

대역통과필터(214)는 특정 주파수 대역만 통과시키는 밴드패스필터일 수 있다.

아크가 발생하는 경우, 배선 전류(idc)의 주파수 성분 중 일정 대역의 주파수 성분이 정상 동작 시의 값보다 높게 나타나게 된다. 아래에서는 설명의 편의를 위해 이러한 주파수 대역을 아크 주파수 대역이라 부르기로 한다.

직류 아크 사고 검출기(AFD)는 배선 전류(idc)에서 이러한 아크 주파수 대역의 주파수 성분 값이 아크 발생 시의 주파수 성분 값과 유사하거나 아크 발생 시의 주파수 성분 값보다 큰 경우 직류 배선(DCL)에 아크가 발생한 것으로 판단할 수 있다.

대역통과필터(214)는 후단에서 진행되는 아크 분석 과정이 용이하게 진행될 수 있도록 이러한 아크 주파수 대역 혹은 이러한 아크 주파수 대역을 포함하는 대역을 특정 주파수 대역으로 설정하고 이러한 특정 주파수 대역만 통과시켜 제2센싱값을 생성할 수 있다.

한편, 직류 배전 시스템(100)에 스위칭 방식 전력변환장치(예를 들어, SMPS(Switched Mode Power Supply))가 포함되어 있는 경우, 이러한 스위칭 방식 전력변환장치는 스위칭 주파수 성분의 노이즈를 직류 배선(DCL)으로 주입시킬 수 있다.

이러한 스위칭 주파수가 아크 주파수 대역과 서로 다른 대역에 위치하는 경우, 제2전류센싱부(220)는 스위칭 주파수 성분의 노이즈를 감소시키기 위한 필터(예를 들어, 하이패스필터)를 더 포함할 수 있다.

푸리에변환부(230)는 제2센싱값을 푸리에 변환하고 변환된 데이터를 N(N은 자연수)개의 서브 대역으로 구분하여 N개의 밴드데이터를 생성할 수 있다.

푸리에변환부(230)는 아날로그 회로로 구현될 수 있으나 아래에서는 푸리에변환부(230)가 디지털 프로세서로 구현되는 실시예에 대해 설명한다.

이러한 디지털 프로세서의 실시예에서 푸리에변환부(230)는 아날로그 디지털 변환기(232), 윈도우 함수 처리기(234) 및 데이터 처리기(236)를 포함할 수 있다.

아날로그 디지털 변환기(232)는 아날로그 형태로 전달되는 제2센싱값을 디지털 데이터로 변환한다.

윈도우 함수 처리기(234)는 푸리에 변환에 앞서 컨볼루션을 유한한 데이터로 처리하기 위해 윈도우 함수로 디지털 데이터를 전처리한다. 여기서 윈도우 함수로는 해닝(Hanning)윈도우함수 혹은 해밍(Hamming)윈도우함수가 사용될 수 있다.

데이터 처리기(236)는 윈도우함수로 전처리된 제2센싱값을 푸리에 변환(예를 들어, DFT(Discrete Fourier Transform)변환)할 수 있다. 이때, 아날로그 디지털 변환기(232)의 샘플링 주파수 및 샘플수에 따라 푸리에 변환을 통해 취득 가능한 주파수 대역과 분해능이 결정될 수 있다.

이렇게 푸리에 변환하면 주파수별로 성분 크기값을 갖는 데이터들이 생성되는데, 데이터 처리기(236)는 이러한 데이터들을 N개의 서브 대역으로 구분하여 N개의 밴드데이터를 생성할 수 있다.

N개의 밴드데이터는 각 서브 대역의 데이터들의 평균값, 최대값 혹은 중간값 등의 지표값일 수 있다.

아크검출부(240)는 N개의 밴드데이터를 각각의 대역에 대응되는 임계값과 비교하고, N개의 밴드데이터 중 적어도 하나 이상의 밴드데이터가 각각의 대역에 대응되는 임계 값을 초과하거나 임계 값 이상에 해당되는 경우 아크검출신호를 출력할 수 있다. 이때, 푸리에변환부(230)와 아크검출부(240)는 메모리(미도시)를 통해 N개의 밴드데이터를 공유할 수 있다.

여기서, 아크검출신호는 직류 아크 사고 검출기(AFD)의 최종적인 출력신호는 아니고 아크발생판단부(260)로 전달된 후 아크발생판단부(260)가 아크 발생 여부를 판단하도록 하는 기초 신호로 사용될 수 있다.

아크검출부(240)는 배선 전류(idc)의 주파수 성분을 기초로 아크를 판단하기 때문에 정상적인 상황에서 배선 전류(idc)의 특정 주파수 성분이 커지는 경우에도 아크검출부(240)는 아크검출신호를 출력할 수 있다. 이런 경우, 아크가 발생하지 않은 상황에서 아크가 발생한 것으로 오인식하여 시스템이 오동작되는 문제가 발생할 수 있다.

오동작방지부(250)는 이러한 오동작이 발생하지 않도록 오동작방지신호를 생성한다.

오동작방지부(250)는 제1센싱값을 기초로 오동작방지신호를 생성할 수 있다. 오동작방지부(250)는 제1센싱값의 특성이 미리 설정된 특성에 대응되는 경우에 오동작방지신호를 생성하고 출력할 수 있다.

예를 들어, 직류 배선 시스템(100)에 포함되어 있는 특정 직류 전력 장치가 턴오프되거나 작동 상태를 크게 변경하는 경우, 배선 전류(idc)가 급격히 변할 수 있다. 이렇게 배선 전류(idc)가 급격히 변하게 되면, 배선 전류(idc)의 고주파 성분 값이 증가하게 되고 이러한 고주파 성분 증가는 아크검출부(240)에서 아크검출신호가 출력되는 원인이 될 수 있다. 오동작방지부(250)는 이와 같이 배선 전류(idc)가 급격히 변하는 경우, 오동작방지신호를 출력하여 아크검출부(240)에서 생성된 아크검출신호가 잘못 출력된 신호일 가능성이 높다는 것을 나타낼 수 있다.

아크발생판단부(260)는 아크검출부(240)에서의 출력과 오동작방지부(250)에서의 출력을 조합하여 최종적으로 직류 배선(DCL)에 아크가 발생하였는지 여부를 판단할 수 있다.

구체적으로, 아크발생판단부(260)는 아크발생신호가 수신되고 오동작방지신호가 수신되지 않는 경우 직류 배선(DCL)에 아크가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 다른 측면에서, 아크발생판단부(260)는 아크발생신호가 수신되지 않거나 오동작방지신호가 수신되는 경우 직류 배선(DCL)에 아크가 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있다.

아크발생판단부(260)가 직류 배선(DCL)에 아크가 발생한 것으로 판단하는 경우, 아크발생판단부(260)는 아크발생신호(SARC)를 출력할 수 있다. 이러한 아크발생신호(SARC)는 도 1을 참조하여 설명한 것과 같이 전류 차단기(SW) 등으로 전달되어 직류 배선(DCL)에 더 이상 아크 전류가 흐르지 않도록 할 수 있다.

아크발생판단부(260)는 아크검출신호와 오동작방지신호를 조합하기 위한 앤드회로(262)를 포함할 수 있다. 앤드회로(262)의 제1입력단으로는 아크검출신호-아크검출시 하이레벨의 값을 가짐-가 입력될 수 있고, 제2입력단으로는 반전된 오동작방지신호-오동작으로 판단되는 경우 하이레벨의 값을 가짐-가 입력될 수 있다.

아크발생판단부(260)는 한 번 아크로 판단하면 리셋신호(SRESET)가 입력되기 전까지 아크발생신호(SARC)의 출력을 유지할 수 있다. 이를 위해, 아크발생판단부(260)는 SR플립플롭회로(264)를 더 포함할 수 있다.

아크발생판단부(260)는 아크가 발생한 것으로 판단하는 경우 아크발생신호(SARC)를 SR플립플롭회로(264)의 S단자로 출력할 수 있다. 이 경우, SR플립플롭회로(264)는 리셋신호(SRESET)가 입력되기 전까지 S단자로 입력된 아크발생신호(SARC)를 계속해서 출력할 수 있다.

리셋신호(SRESET)는 타이머(미도시)에 의해 발생할 수도 있으나 사용자의 입력에 의해 발생할 수 있다.

한편, 직류 아크 사고 검출기(AFD)의 일부 구성은 디지털 프로세서 혹은 디지털 회로로 구현될 수 있고, 이러한 디지털 프로세서 혹은 디지털 회로로 구현되는 구성들은 직류 아크 사고 검출기(AFD)에 더 포함될 수 있는 제어부에 의해 설정값들이 변경될 수 있다.

도 3은 제어부에 의해 설정이 변경되는 직류 아크 사고 검출기의 일부 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 직류 아크 사고 검출기(AFD)는 제어부(370)를 더 포함할 수 있다.

제어부(370)는 외부 사용자 설정에 의해 혹은 자동분석모듈에 의해 설정값을 생성하고 이러한 설정값을 데이터 처리기(236), 아크검출부(240) 혹은 오동작방지부(250)로 전달할 수 있다.

제어부(370)는 제1설정신호(S1)를 데이터 처리기(236)로 전달하여 푸리에 변환된 데이터들을 구분하는 서브 대역의 개수(예를 들어, N값)를 변경하거나 각 서브 대역의 폭 혹은 시작과 끝 주파수를 설정할 수 있다. 혹은 제어부(370)는 제1설정신호(S1)를 아크검출부(240)로 전달하여 서브 대역에 대응되는 임계 값을 변경할 수 있다.

제1설정신호(S1)에 포함되는 설정값을 도 3 및 도 4를 함께 참조하여 설명한다.

도 4는 푸리에 변환된 데이터들의 주파수 대비 성분 값을 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 4의 예시를 참조하면, 푸리에 변환된 데이터들은 제1서브대역(B1)의 제1주파수(fs)에서 높은 값을 가질 수 있고, 제2서브대역(B2)에서 전체적으로 높은 값을 나타내며, 제3서브대역(B3)에서 전체적으로 낮은 값을 가질 수 있다.

도 4의 예시에서 제1주파수(fs)는 직류 배전 시스템(100)에 포함되는 스위칭 방식 전력변환장치의 스위칭 주파수일 수 있다. 그리고, 도 4의 예시에서 제2서브대역(B2)은 배선 전류(idc)의 아크 특성을 나타내는 아크 주파수 대역일 수 있다.

아크검출부(240)는 각 서브 대역의 평균값을 임계 값과 비교하여 아크검출신호를 생성할 수 있는데, 이때, 도 4의 예시에 나타난 제1서브대역(B1)과 제2서브대역(B2)이 하나의 서브 대역으로 이루어져 있는 경우, 해당 서브 대역의 평균값 상승이 스위칭 주파수 노이즈에 의한 것인지 아크에 의한 것인지 분간하기 어렵게 된다.

이러한 경우를 대비하여 제어부(370)는 해당 영역을 제1서브대역(B1)과 제2서브대역(B2)으로 구분되도록 서브 대역의 개수(N값)를 제어하는 명령과 각 서브대역의 시작과 끝 주파수를 나타내는 제어명령을 제1설정신호(S1)에 포함시켜 데이터 처리기(236)로 전송할 수 있다.

데이터 처리기(236)는 이러한 제1설정신호(S1)에 따라 제1서브대역(B1)과 제2서브대역(B2)을 분리하여 각각의 밴드데이터를 생성할 수 있다.

한편, 제1서브대역(B1)에는 스위칭 방식 전력변환장치의 스위칭 주파수 노이즈가 포함되어 있기 때문에 다른 서브 대역의 임계 값보다 높은 임계 값을 가지게 할 수 있다.

제어부(370)는 각 서브대역의 임계 값에 대한 정보를 제1설정신호(S1)에 포함시켜 아크검출부(240)로 전송할 수 있다. 그리고, 아크검출부(240)는 이러한 제1설정신호(S1)에 따라 각 서브대역의 임계 값을 설정할 수 있다.

제어부(370)는 직류 배전 시스템(100)에 포함되는 직류 전력 장치의 특성에 따라 제1설정신호(S1)를 생성할 수 있다.

예를 들어, 직류 전력 장치로 스위칭 방식 전력변환장치가 포함되는 경우, 이러한 스위칭 방식 전력변환장치의 스위칭 주파수에 따라 서브 대역의 개수, 각 서브 대역의 시작과 끝 주파수 등을 설정하고 이를 제1설정신호(S1)에 포함시켜 전송할 수 있다.

또한, 이러한 스위칭 방식 전력변환장치의 스위칭 주파수 노이즈의 세기에 따라 각 서브대역의 임계 값을 설정하고 이를 제1설정신호(S1)에 포함시켜 전송할 수 있다.

아크 주파수 대역이나 아크 발생시의 아크 주파수 대역의 성분 크기도 직류 배전 시스템(100)의 특성에 따라 다를 수 있다. 이러한 특성 차이는 직류 배전 시스템(100)에 대한 사전 특성 측정을 통해 파악될 수 있고, 이러한 특성 차이가 반영된 설정값이 제어부(370)를 통해 다른 구성으로 전송될 수 있다.

한편, 데이터 처리기(236)에서 N개의 서브 대역으로 구분하고 이러한 각각의 서브 대역의 밴드데이터를 임계 값과 비교하는 것은 전술한 것과 같은 직류 배전 시스템(100)의 특성 차이에 강인하게 작동하기 위한 목적도 있다. 특정 서브 대역에 국한하여 아크를 판단하지 않고 여러 서브 대역에 걸쳐 아크를 판단하기 때문에 직류 아크 사고 검출기(AFD)는 직류 배전 시스템(100)의 특성 차이 혹은 특성 변화에 대해 보다 강인하게 대응할 수 있다.

한편, 도 3을 다시 참조하면, 제어부(370)는 오동작방지부(250)로 제2설정신호(S2)를 전송하여 오동작방지부(250)의 설정을 변경할 수 있다.

제2설정신호(S2)에 포함될 수 있는 설정값을 도 3 및 도 5를 함께 참조하여 설명한다.

도 5는 제1센싱값의 시계열 데이터를 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 제1센싱값은 직류 배전 시스템(100)에 포함된 직류 전력 장치의 상태 변경에 따라 급격히 변동할 수 있다.

제1센싱값과 제2센싱값은 동일한 배선 전류(idc)를 센싱하기 때문에 제1센싱값에서 나타나는 이러한 급격한 변동은 제2센싱값에서 고주파 성분의 크기 증가로 나타날 수 있다. 이러한 고주파 성부의 크기 증가는 아크 주파수 대역에서 나타날 수 있고, 아크검출부(240)가 아크검출신호를 출력하는 원인이 될 수 있다. 그런데, 이러한 제1센싱값의 급격한 변동은 아크에 기인한 것이 아니기 때문에 이러한 상황에서는 오동작을 방지하기 위해 오동작방지부(250)에서 오동작방지신호를 출력해야 한다.

오동작방지부(250)는 이러한 오동작을 방지하기 위해 제1센싱값의 변화율(CR)이 미리 설정된 변화율을 초과하거나 미리 설정된 변화율 이상인 경우 오동작방지신호를 출력할 수 있다.

오동작방지부(250)는 제1센싱값의 시간당 변화율(CR)을 계산하고 이러한 시간당 변화율(CR)을 미리 설정된 변화율과 비교할 수 있다. 그리고, 이러한 비교에 의해 시간당 변화율(CR)이 미리 설정된 변화율을 초과하거나 미리 설정된 변화율 이상인 경우 오동작방지신호를 출력할 수 있다.

이러한 시간당 변화율(CR)은 직류 배전 시스템(100)의 기본 특성(예를 들어, 배선에서의 기생 정전용량의 크기)에 따라 달라질 수 있고, 또한, 직류 배전 시스템(100)에 포함되어 있는 직류 전력 장치의 출력 특성(예를 들어, 태양광발전장치의 출력 특성, 디젤발전기의 출력 특성 혹은 직류 전력변환장치의 출력 특성)에 따라 달라질 수 있다.

제어부(370)는 직류 배전 시스템(100)의 특성을 파악한 후 이러한 특성에 따라 제1센싱값의 비교 대상이 되는 변화율 값을 설정하여 제2설정신호(S2)를 통해 오동작방지부(250)로 전송할 수 있다.

오동작방지부(250)는 제1센싱값의 변화량(CH)이 미리 설정된 변화량을 초과하거나 미리 설정된 변화량 이상인 경우 오동작방지신호를 출력할 수 있다.

오동작방지부(250)는 특정 시간 동안 제1센싱값의 변화량(CH)을 계산하고 이러한 변화량(CH)이 미리 설정된 변화량을 초과하거나 미리 설정된 변화량 이상인 경우 오동작방지신호를 출력할 수 있다.

이러한 변화량(CH) 또한 직류 배전 시스템(100)의 특성에 따라 달라질 수 있다. 제어부(370)는 직류 배전 시스템(100)의 특성을 파악하고 이러한 특성에 따라 비교 대상이 되는 변화량을 설정하고 이러한 설정값을 제2설정신호(S2)를 통해 오동작방지부(250)로 전송할 수 있다.

도 2 내지 도 5를 참조하여 일 실시예에 따른 직류 아크 사고 검출기(AFD)의 내부 구성에 대해 설명하였으나 전술한 설명의 내용은 이러한 구성에 제한되는 것은 아니고 다른 구성의 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 푸리에변환부(230), 아크검출부(240), 오동작방지부(250) 및 아크발생판단부(260)는 블록의 구분없이 하나의 집적회로 혹은 디지털 프로세서로 구현될 수 있고, 각각의 신호들(예를 들어, 아크검출신호, 오동작방지신호, 제1설정신호, 제2설정신호 등)은 아날로그신호가 아닌 디지털플래그의 형태로 구현될 수도 있다.

도 6을 참조하여, 일 실시예에 따른 직류 아크 사고 검출 방법에 대해 설명하는데, 이러한 직류 아크 사고 검출 방법은 전술한 직류 아크 사고 검출기(AFD)의 구성과 같은 구성에 의해 구현될 수도 있고 전술한 바와 같이 다른 구성의 형태에서 구현될 수도 있다.

아래에서는 이해의 편의를 위해 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 내용 중 일부 중복되는 내용은 생략하였는데, 이러한 생략 내용도 아래의 직류 아크 사고 검출 방법에 적용될 수 있는 실시예로 이해해야 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 사고 검출 방법의 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 직류 아크 사고 검출기(AFD)는 직류 배선(DCL)으로 흐르는 배선 전류(idc)의 순시 값을 센싱하여 제1센싱값을 획득할 수 있다(S602). 그리고, 직류 아크 사고 검출기(AFD)는 배선 전류(idc)에 대하여 특정 주파수 대역 성분을 센싱하여 제2센싱값을 획득할 수 있다(S604). 여기서, 제2센싱값은 아크검출에 이용되고, 제1센싱값은 오동작방지에 이용될 수 있다.

직류 아크 사고 검출기(AFD)는 제2센싱값을 푸리에 변환하고 N개의 서브 대역으로 구분하여 N개의 밴드데이터를 생성할 수 있다(S606).

그리고, 직류 아크 사고 검출기(AFD)는 카운팅을 위한 변수 i를 0으로 설정하고(S608), i를 하나씩 증가시키면서(S610), N개의 밴드데이터를 각각의 대역에 대응되는 임계 값과 비교할 수 있다(S612). 여기서, N개의 밴드데이터는 각 서브대역에 해당되는 데이터들의 평균값, 최대값 혹은 중간값 등의 지표값일 수 있다.

이러한 S612 단계에서, 밴드데이터가 각각의 대역에 대응되는 임계 값을 초과하거나 임계 값 이상에 해당되는 경우(S612에서 Yes), 직류 아크 사고 검출기(AFD)는 아크검출로 판단하고 S614 단계를 수행할 수 있다. 이와 달리, S612 단계에서, 밴드데이터가 각각의 대역에 대응되는 임계 값보다 작거나 임계 값 이하인 경우(S612에서 No), 직류 아크 사고 검출기(AFD)는 S613 단계를 통해 i가 N이상이면(S613에서 Yes) 종료하고 i가 N보다 작으면(S613에서 No) S610 단계를 다시 수행할 수 있다.

직류 아크 사고 검출기(AFD)는 S614 단계에서, 제1센싱값의 특성(예를 들어, 변화율 혹은 변화량)을 미리 설정된 특성과 비교하고, 미리 설정된 특성에 대응되는 경우(S614에서 Yes), 오동작으로 판단하고, S616 단계에서 아크 미발생으로 최종 판단할 수 있다.

이와 달리,직류 아크 사고 검출기(AFD)는 제1센싱값의 특성이 미리 설정된 특성과 다른 경우(S614에서 No), 직류 배선에 아크가 발생한 것으로 판단할 수 있다(S618). 그리고, 이러한 S618 단계어서 직류 아크 사고 검출기(AFD)는 아크발생신호(SARC)를 출력할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 사고 검출기(AFD)의 특성을 검증하기 위해 실험이 진행되었다.

도 7은 일 실시예에 따른 직류 아크 사고 검출기의 실제 구현 예를 이용한 실험 결과를 보이기 위한 실험 세트의 개념도이다.

도 7에서 직류정류기(DC Line Conditioner)는 계통과 직류 배선을 연계하는 양방향 정류기를 나타내며, 분전반(DC Distribution Unit)은 직류 배선을 여러 갈래로 분기시키는 직류 분전반을 나타낸다.

직류 배선에는 태양광 전력변환장치(PV CONVERTER)가 2기 연결되어 있으며, 실험 세트에는 두 개의 저항성 부하(Load1, Load2)가 연결되어 있다.

태양광 전력변환장치(PV CONVERTER)의 일 측으로 직류 아크 사고 검출기(AFD)가 위치하고 타측으로 전류 차단기(ID)가 위치한다. 그리고, 두 개의 저항성 부하(Load1, Load2)로 연결되는 직류 배선에도 직류 아크 사고 검출기(AFD)가 위치한다.

도 8은 도 7의 실험 세트에서 활용된 아크 발생기의 외형도이다. 아크 발생기는 탄소봉과 구리봉을 이용하여 전기적인 연결을 만든 후 서서히 두 극간 거리를 떨어뜨려 임의로 아크 사고를 발생 시킬 수 있다.

실험에서는 제1 직류 아크 사고 검출기(AFD1) 부근과 제3 직류 아크 사고 검출기(AFD3) 부근에서 아크를 발생시켜 직류 아크 사고 검출기의 정상 작동 유무를 검통하였다.

도 9는 제1 직류 아크 사고 검출기(AFD1) 부근에서 아크가 발생하였을 때 측정된 파형도이다.

도 9를 참조하면, 아크가 발생한 시점으로부터 0.2초 안에 제1 직류 아크 사고 검출기(AFD1)가 아크를 검출하여 직류 배선을 차단함으로써 제1 직류 아크 사고 검출기(AFD1)에서의 검출 전압(VAFD1)이 낮아지고 제1 저항성 부하의 전류(iLoad1)가 감소하는 것을 확인할 수 있다.

이에 반해, 제2 직류 아크 사고 검출기(AFD2)는 정상적인 작동을 유지하고 있는 것을 제2 직류 아크 사고 검출기(AFD2)에서의 검출 전압(VAFD2) 및 제2 저항성 부하의 전류(iLoad2)를 통해 확인할 수 있다.

도 10은 제1 저항성 부하의 온오프에 따른 오동작 여부 실험에서 측정된 파형도이다.

도 10을 참조하면, 제1 저항성 부하(Load1)의 턴온 혹은 턴오프에 따라 제1 저항성 부하 전류(iLoad1)이 급격히 변동하지만 제1 직류 아크 사고 검출기(AFD1)의 검출 저압(VAFD1)은 정상 상태를 유지하고 또한, 제2 직류 아크 사고 검출기(AFD2)에서의 검출 전압(VAFD2) 및 제2 저항성 부하의 전류(iLoad2)는 정상 상태를 유지하는 것을 확인할 수 있다.

도 11은 제3 직류 아크 사고 검출기(AFD3) 부근에서 아크가 발생하였을 때 측정된 파형도이다.

도 11을 참조하면, 아크 사고가 발생한 후 약 0.1초 안에 제3 직류 아크 사고 검출기(AFD3)가 아크를 검출하여 직류 배선을 차단함으로써 제3 직류 아크 사고 검출기(AFD3)에서의 검출 전압(VAFD3)이 낮아지고 태양광발전장치의 발전전류(ipv)가 감소하는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

저항센서로 직류 배선으로 흐르는 배선 전류의 순시 값을 센싱하여 제1센싱값을 출력하는 제1전류센싱부;
직류 성분을 필터링하는 고주파 전류 변압기로 상기 배선 전류에 대하여 특정 주파수 대역 성분을 센싱하여 제2센싱값을 출력하는 제2전류센싱부;
상기 제2센싱값을 푸리에 변환하고 N(N은 자연수)개의 서브 대역으로 구분하여 N개의 밴드데이터를 생성하는 푸리에변환부;
상기 N개의 밴드데이터 중 적어도 하나 이상의 밴드데이터가 각각의 대역에 대응되는 임계 값을 초과하거나 임계 값 이상에 해당되는 경우 아크검출신호를 출력하는 아크검출부;
상기 제1센싱값의 특성이 미리 설정된 특성에 대응되는 경우 오동작방지신호를 출력하는 오동작방지부; 및
상기 아크검출신호가 수신되고 상기 오동작방지신호가 수신되지 않는 경우 상기 직류 배선에 아크가 발생한 것으로 판단하는 아크발생판단부를 포함하되,
상기 N개의 서브 대역 중 하나의 서브 대역에 스위칭 주파수가 포함되는 스위칭 방식 전력변환장치가 상기 직류 배선에 연결되고,
상기 아크검출부는 설정신호에 따라 상기 하나의 서브 대역에 대응되는 임계 값을 변경하는 직류 아크 사고 검출기.
제1항에 있어서,
상기 제2전류센싱부는,
상기 전류 변압기의 출력에서 상기 특정 주파수 대역 성분을 추출하는 대역통과필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 아크 사고 검출기.
제1항에 있어서,
상기 제2전류센싱부는,
상기 스위칭 방식 전력변환장치의 스위칭 주파수 성분을 감소시키기 위한 필터가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 직류 아크 사고 검출기.
제3항에 있어서,
상기 N개의 서브 대역 중 상기 스위칭 방식 전력변환장치의 스위칭 주파수가 포함되는 서브 대역의 임계값은 다른 서브 대역의 임계값보다 큰 것을 특징으로 하는 직류 아크 사고 검출기.
제1항에 있어서,
상기 푸리에변환부는,
상기 제2센싱값을 윈도우함수로 전처리한 후 푸리에 변환을 실시하는 것을 특징으로 하는 직류 아크 사고 검출기.
제5항에 있어서,
상기 윈도우함수는 해닝윈도우함수 혹은 해밍윈도우함수인 것을 특징으로 하는 직류 아크 사고 검출기.
제1항에 있어서,
상기 오동작방지부는,
상기 제1센싱값의 변화율이 미리 설정된 변화율을 초과하거나 미리 설정된 변화율 이상인 경우 상기 오동작방지신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 직류 아크 사고 검출기.
제1항에 있어서,
상기 오동작방지부는,
상기 제1센싱값의 변화량이 미리 설정된 변화량을 초과하거나 미리 설정된 변화량 이상인 경우 상기 오동작방지신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 직류 아크 사고 검출기.
제1항에 있어서,
SR플립플롭회로를 더 포함하고,
상기 아크발생판단부는 아크가 발생한 것으로 판단하는 경우 아크발생신호를 상기 SR플립플롭회로의 S단자로 출력하는 것을 특징으로 하는 직류 아크 사고 검출기.
제1항에 있어서,
상기 아크발생판단부는 아크가 발생한 것으로 판단하는 경우 아크발생신호를 출력하고,
상기 아크발생신호는 외부에 위치하는 전류차단기로 전달되어 상기 전류차단기를 작동시키는 것을 특징으로 하는 직류 아크 사고 검출기.
저항센서로 직류 배선으로 흐르는 배선 전류의 순시 값을 센싱하여 제1센싱값을 획득하는 제1센싱값 획득단계;
직류 성분을 필터링하는 고주파 전류 변압기로 상기 배선 전류에 대하여 특정 주파수 대역 성분을 센싱하여 제2센싱값을 획득하는 제2센싱값 획득단계;
상기 제2센싱값을 푸리에 변환하고 N(N은 자연수)개의 서브 대역으로 구분하여 N개의 밴드데이터를 생성하는 밴드데이터 생성단계;
상기 N개의 밴드데이터 중 적어도 하나 이상의 밴드데이터가 각각의 대역에 대응되는 임계 값을 초과하거나 임계 값 이상에 해당되는 경우 아크검출로 판단하는 아크검출 판단단계;
상기 제1센싱값의 특성이 미리 설정된 특성에 대응되는 경우 오동작으로 판단하는 오동작방지 판단단계; 및
상기 아크검출 판단단계에서 아크검출로 판단되고 상기 오동작방지 판단단계에서 오동작으로 판단되지 않은 경우 상기 직류 배선에 아크가 발생한 것으로 판단하는 아크발생 판단단계를 포함하되,
상기 N개의 서브 대역 중 하나의 서브 대역에 스위칭 주파수가 포함되는 스위칭 방식 전력변환장치가 상기 직류 배선에 연결되고,
설정신호에 따라 상기 하나의 서브 대역에 대응되는 임계 값을 변경하는 단계를 더 포함하는 직류 아크 사고 검출 방법.