KR101727742B1

KR101727742B1 - 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반

Info

Publication number: KR101727742B1
Application number: KR1020160164782A
Authority: KR
Inventors: 심승용; 양필석; 김상현
Original assignee: (주) 동보파워텍
Priority date: 2016-12-06
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2017-05-02

Abstract

본 발명은 태양광 접속반 내부의 차단기 또는 접속부 등에서 발생하는 아크를 다채널로 검출하고, 검출된 신호에 근거하여 차단기를 트립 시키는 신호를 발생하기까지의 시간을 단축할 수 있는 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반은 태양광 접속반 내부에 설치되어 접속부, 전력소자 및 전력선에서 발생하는 아크를 검출하는 복수 개의 루프센서 및 이상 전류를 검출하는 전류센서를 포함하는 센서부; 상기 센서부의 각 센서에 각각 대응되어 출력되는 각각의 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 A/D 변환부; 상기 루프센서 및 전류센서의 감도를 조절하는 레벨조절부; 상기 레벨조절부에서 설정된 감도에 근거하여 상기 센서부에서 출력되는 센싱신호에 따라 차단기로 인가되는 트립신호를 출력하는 FPGA 블록부; 및 상기 FPGA 블록부에서 출력되는 제어신호를 표시하는 표시부;를 포함하여 구성되고, 상기 FPGA 블록부는 상기 A/D 변환부로부터 입력되는 디지털신호를 수신하는 A/D 수신모듈; 상기 A/D 수신모듈에서 수신된 디지털신호를 필터링하는 디지털필터모듈; 및 상기 디지털필터모듈에서 필터링된 디지털신호와 상기 레벨조절부에서 설정된 감도를 비교분석하여 아크인 것으로 판단되는 경우, 차단기의 트립코일을 동작시키는 트립신호를 출력하는 제어모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반{PHOTOVOLTAIC SOLAR CONNECTION BOARD WITH FUNCTION OF HIGH SPEED CIRCUIT BREAKER}

본 발명은 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양광 접속반 내부의 차단기 또는 접속부 등에서 발생하는 아크를 다채널로 검출하여고, 검출된 신호에 근거하여 차단기를 트립시키는 신호를 발생하기까지의 시간을 단축할 수 있는 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에 관한 것이다.

태양광 발전 시스템은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것으로서, 빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지판(모듈)과 상기 태양전지판에서 생산된 직류 전원을 교류 전원으로 바꾸어주는 인버터를 포함하여 구성된다.

상기 태양광 발전 시스템의 구성을 좀 더 상세히 설명하면, 수광된 태양광에 상응하는 직류 전원을 공급하는 태양 전지 모듈과 이를 직렬로 연결한 태양 전지 어레이, 상기 태양 전지 어레이와 인버터 사이에서 많은 배선의 결선을 용이하게 해주고 각종 보호 기능을 수행하는 태양광 접속반 및 태양 전지 어레이에서 발전된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터 등을 포함하여 구성된다.

상기 태양광 접속반은 태양전지 어레이에서 고장이 발생할 경우 고장 범위를 최소로 축소시켜 사고를 방지하고, 고장점을 찾기 쉽도록 이루어진다. 또한, 어레이 구성과 용량에 따라 적정한 어레이의 병렬군을 접속하여 어레이별 케이블을 인버터까지 연결해주고, 다수의 태양전지 어레이의 접속을 알기 쉽게 정리하여 보수점검 시에 회로를 분리하여 점검 작업을 용이하게 한다. 이러한 접속반에는 직류출력 개폐기, 피뢰소자, 역류방지소자, 단자대 및 퓨즈(또는 개폐기) 등을 포함하여 구성되고, 절연저항측정이나 정기적인 단락전류 확인을 위한 출력단자용 개폐기가 설치되기도 한다.

특히, 태양광 발전 시스템의 태양광 접속반에는 예상하지 못한 급격한 전압이나 전류가 발생하는 전자 쇼크에 의해 회로가 손상되는 문제점과, 주위 환경 변화와 같은 기타 요인에 따른 집광판의 발전 특성 불균형 등을 방지하기 위한 여러 가지 보호 장치들이 구비된다. 아울러, 상기 보호 장치에는 역방향으로 흐르는 전류를 차단하여 입/출력단의 회로를 보호하는 역전압 방지용 다이오드로 이루어진 역전압 방지 수단과, 태양 전지판을 통해 생성된 전력 전압과 전류를 검출하여 발전 상태의 정상 여부를 감시하는 전압 및 전류 측정 센서와, 과전류를 차단하여 회로를 보호하는 과전류 보호용 퓨즈, 차단기 등이 구성된다.

한편, 아크를 검출하는 장치로서 등록특허공보 제10-1397946호에 광섬유센서를 구비한 아크 검출장치가 개시되어 있다.

상기 기술은 아크 검출용 광신호와 아크에 의해 변환된 광신호를 전송하기 위한 광섬유 케이블, 상기 광섬유 케이블을 통해 전송된 아크 검출용 광신호를 반사시키고, 아크가 발생할 경우 상기 발생한 아크에 의해 변형된 아크 검출용 광신호를 반사시키는 반사소자를 구비한 렌즈부, 상기 아크 검출용 광신호를 광섬유 케이블로 송신하고, 상기 광섬유케이블의 측면을 통해 수신한 아크 광신호 및 상기 렌즈에서 반사된 아크 광신호와 상기 아크 검출용 광신호를 비교하여 그 차이신호로 아크 발생 신호를 출력하는 광검출수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

아크는 300ns ~ 1,500ns의 파형으로 9,000 LUX 이상의 밝기를 가지므로 기존 빛이나 전구 밝기와는 차이가 있고, 아크 발생 후 100ms 범위 이내에서 케이블 화재가 발생되며, 150ms 범위 이내에서 태양광 접속반의 외함 화재가 발생되고, 450ms 범위 이내에서 태양광 접속반 전체가 화재에 휩싸이게 되어 접속반 일체가 소실될 수 있으며, 접속반의 화재에 의해 2차 피해가 발생될 수 있다.

이러한 아크의 특성에 근거하여 상기 종래의 기술은 렌즈에서 반사된 아크 플래시 광신호와 아크 검출용 광신호를 비교하여 그 차이신호로 아크 발생 신호를 출력하는 광검출수단을 포함하여 아크의 검출 시간은 단축될 수 있으나, 아크 발생에 따라 차단기로 트립 신호를 출력하는 데 100ms 이상의 시간이 소요되어 케이블 화재로 이어지는 문제점이 발생될 수 있다.

한편, 아크를 감지하여 고속으로 차단하기 위한 기술 중의 하나로서, 등록특허공보 제10-1306965호에는 아크 플래시 감지 및 차단 시스템이 개시되었다.

상기 기술은 부하에 전력을 공급하는 전도체 또는 전력소자에서 발생하는 아크플래시의 광을 감지하는 광센서를 구비하는 센서부; 상기 센서부로부터의 감지결과에 따라 상기 아크 플래시가 발생하는 것으로 판단되면, 차단기의 트립을 위한 트립출력을 출력하도록 제어신호를 생성하는 연산부; 상기 연산부로부터의 제어신호에 따라 상기 차단기의 트립을 위한 릴레이 제어신호를 출력하는 트립코일출력부를 가지는 출력부; 및 상기 트립코일출력부로부터 제어신호에 따라 차단기 트립코일을 동작시켜 상기 차단기를 트립시키는 릴레이를 포함하여 구성된다.

그러나 상기의 기술은 1개의 채널에 대해 1ms의 주기로 전류값을 측정하여 샘플링한 후, 이를 아날로그 먹스(Mux)를 통해 프로세스에 전달되도록 함에 따라 아크플래시가 검출되었을 때 아크플래시에 의한 차단기 동작여부를 판단하는 값으로 이용되도록 구성되며, 이를 통해 채널 변환시와 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시에 지연시간이 발생될 수 있으며, 이러한 지연시간에 의해 차단기 트립신호를 출력하기까지의 수십 ~ 수백 ms의 시간이 소요될 수 있는 문제점이 있다.

KR 10-1397946 B1 (2014. 05. 15.) KR 10-1306965 B1 (2013. 09. 03.)

본 발명은 상기 종래기술이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 해소하고자 하는 과제는, 태양광 접속반 내부의 차단기 또는 접속부 등에서 발생하는 아크를 다채널로 검출하고, 검출된 신호에 근거하여 차단기를 트립시키는 신호를 발생하기까지의 시간을 단축할 수 있는 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반을 제공하는 데 있다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반은 태양광 접속반 내부에 설치되어 접속부, 전력소자 및 전력선에서 발생하는 아크를 검출하는 복수 개의 루프센서 및 이상 전류를 검출하는 전류센서를 포함하는 센서부; 상기 센서부의 각 센서에 대응되어 출력되는 각각의 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 A/D 변환부; 상기 루프센서 및 전류센서의 감도를 조절하는 레벨조절부; 상기 레벨조절부에서 설정된 감도에 근거하여 상기 센서부에서 출력되는 센싱신호에 따라 차단기로 인가되는 트립신호를 출력하는 FPGA 블록부; 및 상기 FPGA 블록부에서 출력되는 제어신호를 표시하는 표시부를 포함하여 구성되고, 상기 FPGA 블록부는 상기 A/D 변환부로부터 입력되는 디지털신호를 수신하는 A/D 수신모듈; 상기 A/D 수신모듈에서 수신된 디지털신호를 필터링하는 디지털필터모듈; 및 상기 디지털필터모듈에서 필터링된 디지털신호와 상기 레벨조절부에서 설정된 감도를 비교분석하여 아크인 것으로 판단되는 경우, 차단기의 트립코일을 동작시키는 트립신호를 출력하는 제어모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 트립신호의 출력 여부를 결정하는 트립신호 방지모듈, 원격으로 트립신호의 제어를 선택하는 원격트립제어모듈, 인위적으로 트립신호를 발생시키는 트립신호 발생모듈 및 에러를 초기화시키는 초기화모듈을 포함하여 상기 FPGA 블록부로 입력신호를 인가하는 조작신호입력부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 표시부는 아크가 검출된 위치를 표시하는 LED; 및 상기 FPGA 블록부로부터 제공되는 정보가 표시되는 LCD를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 A/D 변환부는 다채널 입력을 구비하여 상기 센서부의 센서를 동시에 연결하고, 스위칭클럭에 따라 아날로그신호를 디지털신호로 변환하여 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 아크를 검출하여 차단기 트립신호를 출력하기까지의 소요 시간이 1ms 이내로 단축될 수 있고, 상기 트립신호에 의해 차단기가 동작하여 트립되기까지의 소요시간이 40ms의 범위 내에서 이루어질 수 있으므로, 아크에 의한 전기화재의 피해를 방지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반이 적용된 태양광 발전 시스템의 전체적인 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에 적용된 아크검출장치의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에 적용된 아크검출장치에서의 센서부와 FPGA 블록부의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에 적용된 아크검출장치에서의 루프센서의 구성 및 회로도.
도 5는 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에 적용된 아크검출장치에서의 전류센서에 대한 회로도.
도 6은 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에 적용된 아크검출장치에서의 포인트센서에 대한 회로도.
도 7은 종래 IGBT를 이용한 트립신호를 출력하는 회로도.
도 8은 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에 적용된 아크검출장치의 접속반 제어블록을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에 적용된 A/D 컨버터의 구성을 나타낸 도면.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명은 태양광 접속반 내부의 차단기 또는 접속부 등에서 발생하는 아크를 다채널로 검출하고, 검출된 신호에 근거하여 차단기를 트립시키는 신호를 발생하기까지의 시간을 단축할 수 있는 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반이 적용된 태양광 발전 시스템의 전체적인 구성을 나타낸 도면이다.

첨부된 도 1을 참조하면, 태양광 발전 시스템은 태양전지 어레이(1), 태양광 접속반(2), 인버터(3), 수전반(4) 및 아크검출장치(10)를 포함하여 이루어진다.

상기 태양전지 어레이(1)는 태양으로부터 입사되는 태양광을 집광하여 전기를 발생시키기 위한 것으로서, 통상적으로 주로 실리콘과 복합재료가 이용된다. 구체적으로, 상기 태양전지 어레이(1)는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 사용하는 것으로, 태양 빛을 받아 전기를 생산하는 광전효과를 이용하는 것이다.

대부분의 태양전지 어레이(1)는 대면적의 P-N 접합 다이오드로 이루어져 있으며, 상기 P-N 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하여 사용하게 된다. 태양전지 어레이(1)의 최소 단위를 셀(Cell)이라고 하는데, 실제로 태양전지 셀은 복수 개로 사용된다. 즉, 가정에서 사용되는 필요 전압이 수 V에서 수십 혹은 수백 V 이상인데 비하여, 셀 1개로부터 나오는 전압은 약 0.5V로 매우 작기 때문에 다수의 단위 태양전지들을 필요한 단위 용량으로 직렬 또는 병렬 연결하여 사용하고 있다. 또한, 태양전지 어레이(1)가 야외에서 사용되는 경우 여러 가지 혹독한 환경에 처하게 되므로, 필요한 단위 용량으로 연결된 다수의 셀을 혹독한 환경에서 보호하기 위하여 복수의 셀을 패키지로 구성하여 사용한다.

상기 태양광 접속반(2)은 태양전지 어레이(1)로부터 생산된 직류 전류를 취합하여 인버터(3)에 출력하는 장치로서, 태양전지 어레이(1)로부터 발전된 직류전력을 입력받으며, 직류출력 개폐기 및 출력단자용 개폐기, 또는 배선용 차단기(MCCB: Molded Case Circuit Breaker), 부스바 또는 단자대, 그리고 마그네틱 스위치, 다이오드 및 전력용 퓨즈, 피뢰소자(SPD, ZNR) 등으로 구성되는 주회로 장치(도시되지 않음)를 포함하여 이루어진다. 또한, 상기 태양광 접속반(2)에는 절연저항측정이나 정기적인 단락전류 확인을 위한 출력단자용 개폐기가 설치되기도 한다.

한편, 상기 태양광 접속반(2)은 평상시에는 주회로 장치의 마그네틱 스위치가 투입되고, 예비회로장치의 마그네틱 스위치는 개방되어 있어, 주회로 장치의 다이오드와 전력용 퓨즈를 통하여 직류전력이 공급된다. 이때, 상기 태양광 접속반 내부 전력기기에 이상이 발생하게 되면, 현장에서 이상이 발생한 주회로장치의 마그네틱 스위치를 개방시킨 후, 예비회로장치의 마그네틱 스위치를 즉시 투입시켜 예비회로장치의 다이오드와 전력용 퓨즈를 통하여 지속적인 발전을 할 수 있도록 한다.

상기 인버터(3)는 태양전지 어레이(1)에서 입력받은 직류전력을 하나의 직류전력으로 통합한 후 이를 상용전력으로 사용할 수 있도록 교류전력으로 변환하여 출력한다. 상기 인버터(3)에서 출력된 교류 전력은 수전반(4)을 통해 수용가의 부하로 공급된다.

상기 아크검출장치(10)는 상기 태양광 접속반(2)에 설치되어 아크 및/또는 전류를 검출하여 차단기를 트립시키는 트립신호를 출력하는 기능을 수행한다.

도 2는 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에 적용된 아크검출장치의 구성을 나타낸 도면이다.

첨부된 도 2를 참조하면, 상기 아크검출장치(10)는 센서부(100), A/D 변환부(200), 레벨조절부(300), 조작신호입력부(400), FPGA(field programmable gate array) 블록부(500), 표시부(600), 릴레이부(700) 및 HMI 통신부(800)를 포함하여 구성된다.

상기 센서부(100)는 태양광 접속반 내부에 설치되어 접속부, 전력소자 및 전력선에서 발생하는 아크를 검출하는 복수 개의 루프센서(110) 및 이상 전류를 검출하는 전류센서(120)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에 적용된 아크검출장치에서의 센서부와 FPGA 블록부의 구성을 나타낸 도면이다.

첨부된 도 3을 참조하면, 상기 센서부는 루프센서(110)와 전류센서(120)를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기의 센서부(100)에는 반구의 범위에서 발생된 아크를 검출하는 포인트센서(130)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에 적용된 아크검출장치에서의 루프센서의 구성 및 회로도를 나타낸 도면이다.

첨부된 도 4의 (a)를 참조하면, 상기 루프센서(110)는 광섬유(111), 광송신 유닛(112), 광수신 유닛(113) 및 광신호 처리유닛(114)을 포함하여 구성된다.

상기 광섬유(111)는 상기 태양광 접속반의 내부 주요 전력기기를 경유하도록 배치된다.

상기 광섬유는 중심부의 코어(core)와 상기 코어의 외측을 감싸는 클래딩(cladding)으로 구성되고, 코어의 굴절률을 클래드의 굴절률보다 상대적으로 높게 하면 코어에 들어온 광은 코어와 클래드의 경계에서 전반사를 반복하며 코어 내부에서 진행되게 된다.

첨부된 도 4의 (b)는 상기 광송신 유닛(112)의 회로도를 나타낸 것으로서, 상기 광송신 유닛(112)은 상기 광섬유(111)로 기본 광신호를 송출하는 기능을 수행한다.

첨부된 도 4 (b)를 참조하면, 단자(CON4)를 통해 레이저 광다이오드(D9, LD) 구동신호가 입력되면, 저항(R16, R17)을 통해 동작 상태 표시용 LED(D10) 및 레이저 다이오드(D9)에 동작 전류가 공급된다. 이와 같은 동작 전류의 공급에 따라 동작 상태 표시용 LED(D10)가 ON되어 광 전송기의 동작 상태를 표시하게 되고, 레이저 다이오드(D9)는 동작 전류에 대응하는 광신호를 광섬유(111)로 입력하게 된다.

첨부된 도 4의 (c)는 상기 광수신 유닛(113)의 회로도를 나타낸 것으로서, 상기 광송신 유닛(112)에 입력된 기본 광신호가 상기 광섬유(111)를 통과한 후 상기 광수신 유닛(113)을 통해 수신하게 된다.

상기 광신호 처리유닛(114)은 상기 광송신 유닛(112)에서 송신된 광신호와 상기 광수신 유닛(113)에서 수신된 광신호를 비교 분석하여 송신된 광신호가 변환되었는지 검출한다.

이에 따라, 상기 광섬유(111)가 배치되어 포설된 인접부위에서 아크가 발생되면, 아크는 상기 광섬유(111)를 진행하는 기본 광신호를 변환시키고, 변환된 광신호는 포토 다이오드(D3)를 통해 입력된다. 입력된 변화된 광신호는 전류-전압 변환 및 증폭부(op-amp)에서 증폭되어 증폭신호를 출력한다. 상기 전류-전압 변환 및 증폭부는 PWM(펄스폭 변조) 등 펄스형 전원에 따른 전원 안정화 회로와 감도 조절 회로에 의해 증폭 상태가 제어된다.

상기와 같은 루프센서(110)는 광섬유(111)를 길게 구성하여 태양광 접속반의 주요 아크발생 지점을 경유하도록 구성될 수 있으나, 광섬유가 길어지면 상대적으로 검출 감도가 저하될 수 있다. 이에, 상기 루프센서(110)는 태양광 접속반 내부를 수개의 구역으로 구획하고, 상기 구획된 구역에 각각 설치되도록 구성될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에 적용된 아크검출장치에서의 전류센서에 대한 회로도를 나타낸 도면이다.

첨부된 도 5를 참조하면, 전류는 특정 IC를 갖는 칩을 사용하여 검출될 수 있다. 예를 들면 MAXIM사의 MAXIM4558 IC 칩을 사용하여 구현될 수 있고, 프로세서에서 주기적으로 검출된 전류신호를 출력하게 된다.

이와 같은 상기의 전류 센서는 태양광 발전시스템의 규모에 따라 설치 여부가 결정될 수 있다.

상기 포인트센서(130)는 반구의 범위에서 발생된 아크를 검출하는 것으로서, 약 2m의 반구 범위 내에서 발생된 3KA의 아크를 검출하도록 구성된다.

도 6은 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에 적용된 아크검출장치에서의 포인트센서에 대한 회로도를 나타낸 도면이다.

첨부된 도 6을 참조하면, 포인트센서(130)는 센서 컨트롤러, 동작 다이오드(D6), 포토 다이오드(D7), op-amp 및 출력 트랜지스터(Q2)를 포함하여 구성되되, 동작 다이오드(D6)와 포토 다이오드(D7), op-amp 및 출력 트랜지스터(Q2)로 이루어지는 증폭회로가 병렬로 구성된다.

아크가 발생되지 않은 상태에서는 전류가 동작 다이오드(D6)에 인가되고, 인가된 전류에 의해 상기 동작 다이오드(D6)가 점멸되게 된다. 이때, 센서 컨트롤러에서 인가되는 전류가 상기 동작 다이오드(D6)에 전부 인가되게 되고, 상기 동작 다이오드(D6)는 빠른 속도로 점멸되게 된다.

아크가 발생되면, 상기 증폭회로의 포토 다이오드(D7)에 아크가 입사되게 되고, 입사된 아크의 크기에 비례하여 상기 포토 다이오드(D7)는 도통되며, 상기 도통에 따라 통전전류는 op-amp의 입력단에 전위차를 발생시킨다. 상기 op-amp에 인가된 전위차의 크기가 일정 값 이상으로 증가되면 출력 트랜지스터(Q2)가 동작되며, 상기 출력 트랜지스터(Q2)의 동작에 의해 전류가 증폭회로로 인가된다.

이때, 상기 동작 다이오드(D6)와 증폭회로가 병렬로 연결됨에 따라 동작 다이오드(D6)에 인가된 전류의 일부가 상기 증폭회로로 인가되고, 상기 동작 다이오드(D6)는 아크 발생전에 비해 상대적으로 느린 속도로 점멸되게 된다.

이와 같은 구성에서, 상기 포인트센서(130)의 동작 다이오드(D6)가 점멸되지 않는 경우, 결선 또는 인가 전원의 문제가 있는 것으로 판단될 수 있다.

상기와 같이 구성된 포인트센서(130)는 아크 발생이 우려되는 지점에 복수 개 설치될 수 있다.

A/D 변환부(200, 도 1 참조)는 상기 센서부(100)의 센서에 각각 대응되며, 출력되는 각각의 아날로그신호를 디지털신호로 변환한다.

상기 센서부(100)에서 출력되는 신호는 아날로그신호로 구성될 수 있다. 아날로그신호는 디지털신호와 대비하여 상대적으로 거리에 따른 손실이 적어 원거리 전송에 유리하다.

즉, 디지털신호로 일정 이상의 거리를 전송시키는 경우에는 신호 손실이 증가되어 1과 0을 인식할 수 없는 트라이 스테이트 영역이 존재할 수 있고, 이에 따라 검출신호가 상쇄될 수 있는 단점이 있다.

레벨조절부(300)는 상기 광센서 및 전류센서의 감도를 조절하도록 구성된다.

감도조절은 입력광원 및 전류의 최소값을 설정하는 것으로서, 감지되는 광의 레벨 및 전류의 레벨을 결정하게 된다. 즉, 사용자 조작에 의해 입력레벨이 결정되고 입력되는 광원(아크)의 세기 및 전류의 크기가 설정된 입력레벨보다 높은 경우에는 이를 아크로 검출하게 된다.

조작신호입력부(400)는 아크검출장치(10)의 동작여부 제어의 신호를 입력시키기 위한 구성으로서, 트립신호의 출력 여부를 결정하는 트립신호 방지모듈, 원격으로 트립신호의 제어를 선택하는 원격트립제어모듈, 인위적으로 트립신호를 발생시키는 트립신호 발생모듈 및 에러를 초기화시키는 초기화모듈을 포함하여 이루어질 수 있다.

이때, 상기 조작신호입력부(400)를 구성하는 각각의 모듈은 셀렉터 버튼 또는 스위치 등을 포함하여 구성될 수 있다.

트립신호 방지모듈은 선택에 따라 트립신호의 출력 여부를 결정한다. 즉, 선택에 의해 트립신호가 출력되지 못하도록 구성된다.

원격트립제어모듈은 원격에서 트립신호의 수신 여부를 결정한다. 즉, 원격트립제어모듈은 선택에 따라 외부에서 트립신호를 수신하여 출력되게 하거나 또는 외부에서 수신되는 트립신호를 무시하도록 구성된다.

트립신호 발생모듈은 트립신호가 발생되는 지를 시험하기 위한 것으로서, 선택에 따라 트립신호가 출력된다.

초기화모듈은 에러 발생시 설정된 값으로 초기화시키기 위한 것이다.

상기 조작신호입력부(400)에 출력되는 신호는 마찬가지로 아날로그신호로 하여 FPGA 블록부(500)로 입력된다.

상기 FPGA 블록부(500)는 상기 레벨조절부에서 설정된 감도에 근거하여 상기 센서부에서 출력되는 센싱신호에 따라 차단기로 인가되는 트립신호를 출력하는 기능을 수행한다.

첨부된 도 3을 참조하면, 상기 FPGA 블록부(500)는 A/D 수신모듈(510), 디지털 필터(520) 및 제어모듈(530)을 포함하여 구성된다.

FPGA(field programmable gate array)는 재구성 가능한 디지털 회로를 실행하기 위해 일정 개수의 프로그래밍 가능한 커넥터를 가지는 것으로서, 미리 정의된 리소스로 구성되어 있다.

즉, FPGA는 하나의 칩으로 구성되어 로직 셀과 같은 로직 블록, 멀티플라이어와 같은 고정된 함수 로직 및 임베디드 블록의 메모리 등으로 구성된 플립 플롭과 록업 테이블(LUTs)로 구성된다.

도 7은 종래 IGBT를 이용한 트립신호를 출력하는 회로도를 나타낸 것이다.

첨부된 도 7을 참조하여 IGBT를 이용한 종래 트립신호를 출력을 설명한다.

아크가 검출되면 LMV934 비교기에서 트립레벨(TRIP_LEVEL_D)과 센서입력신호(DIODE_C)를 비교하여, H/W 트립신호를 생성한다.

생성된 트립신호는 트립신호 방지모듈의 트립금지(TripInhibit) 신호(PB6)가 인에이블되어 있을 때에만 트립신호를 출력한다. 그러나 트립금지(TripInhibit) 신호(PB6)가 디스에이블 또는 원격트립제어모듈의 외부신호를 차단하도록 설정된 경우에는 트립신호를 출력하지 않도록 구성된다.

또한, 수ms 이내에 차단기를 차단해야하는 특성상 출력을 릴레이로 구성하지 않고, 반도체 소자인 IGBT를 사용하여 디지털 릴레이를 구성하고 차단기의 트립신호를 출력하도록 구성된다. 이때, 트립신호의 출력은 24 ~ 300VAC전원을 인가할 수 있는 코일을 구동할 수 있도록 구성되고, 전원의 방향에 상관없이 IGBT에 (+)전원과 (-)전원을 인가하기 위해 브릿지 다이오드를 거쳐서 외부전원이 인가되게 된다.

또한, 생성된 트립신호에 의해 메인 MPU는 포토커플러를 통하여 트립코일에 인가되는 전원을 감시하고, 트립 LED를 구동시키게 된다.

IGBT구동회로는 절연 트랜스포머를 사용한 공진회로 구동방식으로 작동된다.

IGBT의 베이스에 인가되는 전류는 OP-AMP에서 증폭하여 인가된다.

절연에 사용된 트랜스포머는, 디지털 회로부분과 출력단을 분리하여 외부에서 발생하는 과전압으로부터 디지털 회로를 보호하기 위해 사용된다.

디지털회로에서는 IGBT를 구동하기 위해 74HC14 게이트 2개와 1nF 커패시터 및 4.7k저항을 사용하여 약 500KHz의 디지털 발진기를 구성하고, 74HC244를 통해 IGBT 구동신호를 절연 펄스 트랜스포머에 인가하게 된다.

절연 펄스 트랜스포머 Q4470은 1:1:1:1트랜스포머로 5V 펄스 신호를 10V 펄스 신호로 변환하여 IGBT구동부에 인가되도록 한다.

IGBT 구동부는 펄스트랜스포머로부터 전원을 인가받는 게이트 드라이브 회로로 구성되고, 트립코일의 출력은 펄스 형태로 발생된다.

아크가 검출되면 0.5ms이내에 IGBT를 구동하여, 트립신호가 출력된다. 프로세서에서 출력되는 트립신호는 트립출력(TripEnable)PB13 신호로 출력되고, 아크 검출부터 트립신호 출력까지는 대략 10ms 시간이 소요된다.

이와 같은 종래의 구성은 각각의 소자를 거치면서 시간지연이 발생되고, 아크 발생부터 트립신호 출력까지 소요되는 시간을 단축하는 데에는 한계가 있다.

이에, 본 발명에서는 상기와 같은 회로의 구성을 단일 칩의 FPGA 블록으로 형성함에 따라 아크 검출부터 트립신호 출력까지의 시간을 획기적으로 단축할 수 있게 된다.

상기 FPGA 블록부(500)의 구성을 살펴보면, A/D 변환부(200)로부터 입력되는 디지털신호를 수신하는 A/D 수신모듈(510), 상기 A/D 수신모듈(510)에서 수신된 디지털신호를 필터링하는 디지털필터모듈(520) 및 상기 디지털필터모듈(520)에서 필터링된 디지털신호와 레벨조절부(300)에서 설정된 감도를 비교분석하여 아크인 것으로 판단되는 경우, 차단기의 트립코일을 동작시키는 트립신호를 출력하는 제어모듈(530)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 A/D 수신모듈(510) 및 디지털필터모듈(520)은 각각의 센서에 대응하여 1:1로 구성되어 독립적 검출이 가능하도록 이루어진다.

이때, 상기 디지털필터모듈(520)은 FIR 필터 또는 칼만 필터 등이 사용될 수 있다.

상기 제어모듈(530)은 센서부(100)에서 출력되는 신호가 레벨조절부(300)를 통해 입력된 설정값보다 큰 경우, 이를 아크로 판단하고 트립신호를 생성한다. 이때, 생성된 트립신호의 출력 여부는 조작신호입력부(400)에 설정된 정보에 따라 결정된다. 예를 들어, 트립신호의 출력 여부를 결정하는 트립신호 방지모듈 또는 원격으로 트립신호의 제어를 선택하는 원격트립제어모듈 중에서 적어도 하나라도 트립신호의 출력을 금지하도록 설정되어 있으면 생성된 트립신호는 출력되지 않도록 이루어진다.

이와 같은 FPGA 블록부(500)를 이용한 트립신호의 출력 소요시간은 1ms 이내로 단축된다.

즉, 종래의 디지털소자를 이용하는 경우와 대비하여 상대적으로 1/10의 시간으로 트립신호를 출력할 수 있는 장점이 있다.

표시부(600)에는 아크검출장치(10)에서 이루어지는 정보가 표시된다.

구체적으로 상기 표시부(600)는 LED 및 LCD로 구성될 수 있다.

LED(Light Emitting diode)는 아크가 검출된 위치를 표시하여 유지보수에 소요되는 시간이 단축되도록 구성되고, LCD(Liquid Crystal Display Device)는 FPGA 블록부(500)로부터 제공되는 각종 정보를 출력한다.

상기 LCD에 표시되는 정보로는 설정정보, 출력정보, 고장정보, 동작정보 및 아크 발생정보와 같은 각종 정보가 표시된다.

릴레이부(700)는 FPGA 블록부(500)에서 출력되는 트립신호에 근거하여 경보장치 및 경광등의 릴레이를 트립시키는 신호를 출력한다.

HMI(Human-Machine Interface) 통신부(800)는 외부 사용자 단말기와 통신하기 위한 것으로서, HMI 통신부(800)를 통한 통신은 RS-485로 구성될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에 적용된 아크검출장치의 접속반 제어블록을 나타낸 도면이다.

첨부된 도 8을 참조하면, FPGA 블록부(500)는 접속반 내부의 메인 컨트롤러(501)의 설정된 제어에 의해 구동되도록 구성된다.

각 구성을 살펴보면, FPGA 블록부(500)는 A/D 변환부(200, ADC)로부터 센서부(100)의 센서에 각각 대응되어 출력되는 각각의 아날로그신호가 디지털신호로 변환된 디지털값을 입력받는다.

이때, 상기 A/D 변환부(200)로는 고속 변환을 수행하는 A/D 컨버터가 사용될 수 있다.

메인 컨트롤러(501)와 FPGA 블록부(500) 사이에는 SPI(serial programming interface, 502)가 설치된다.

상기 SPI(502)는 메인 컨트롤러(501)와 FPGA 블록부(500) 사이의 동기화된 데이터를 교환하도록 구성된다.

또한, FPGA 블록부(500)는 태양전지 어레이(1)에서 발생된 전압을 입력받아 최대 전력점을 추종하는 데 사용되는 기준 전압을 출력한다.

이와 같은 FPGA 블록부(500)는 센서부(100)에서 출력되는 신호가 레벨조절부(300)를 통해 입력된 설정값보다 큰 경우, 이를 아크로 판단하고 트립신호를 생성한다. 이때, 생성된 트립신호의 출력 여부는 조작신호입력부(400)에 설정된 정보에 따라 결정된다. 예를 들어, 트립신호의 출력 여부를 결정하는 트립신호 방지모듈 또는 원격으로 트립신호의 제어를 선택하는 원격트립제어모듈 중에서 적어도 하나라도 트립신호의 출력을 금지하도록 설정되어 있으면 생성된 트립신호는 출력되지 않도록 이루어진다.

본 발명에 의하면, 아크를 검출하여 차단기 트립신호를 출력하기까지의 소요 시간이 1ms 이내로 단축될 수 있고, 상기 트립신호에 의해 차단기가 동작하여 트립되기까지의 소요시간이 40ms의 범위 내에서 이루어질 수 있으므로, 아크에 의해 전기화재에 피해를 방지할 수 있는 장점이 있다.

이와 같은 구성에서, 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에는 다수의 센서가 설치되는 데, 센서마다 기준값이 다르게 적용될 수 있다. 이에 동일한 기준값으로 센서에서 출력되는 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하게 되면 일부 센서에서 출력되는 신호가 무시될 수 있다.

이러한 문제점을 해소하기 위해서, 각각의 센서에 1 : 1로 대응되어 각 센서의 기준값이 별도로 설정된 A/D 변환부가 구비되도록 구성될 수 있으나, 각각의 센서에 대응되는 A/D 변환부를 각각 구비하는 경우, 구성이 복잡하고 각 센서의 기준값을 초과하는 센싱신호가 동시에 FPGA 블록부(500)로 입력될 수 있는 문제점이 발생될 수 있다.

이에, 본 발명에 적용된 A/D 변환부는 다채널 입력을 구비하여 상기 센서부(100)의 센서를 동시에 연결하고, 스위칭클럭에 따라 아날로그신호를 디지털신호로 변환하여 출력되도록 구성될 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반에 적용된 A/D 컨버터의 구성을 나타낸 도면이다.

첨부된 도 9를 참조하면, 본 발명에 적용된 A/D 변환부(200)는 스위칭모듈(210), 멀티플렉서(220), 비교모듈(230), 기준전압 스위칭모듈(240), 래치(250), 인코딩 로직(260) 및 클럭발생모듈(270)을 포함하여 구성된다.

스위칭모듈(210)은 스위칭클럭에 따라 동작되어 복수의 센서 중에서 하나의 센서 값을 선택하여 출력한다.

이때, 상기 스위칭모듈(210)은 부트스트랩 회로(bootstrap circuit)를 포함할 수 있다. 부트스트랩 회로는 스위치와 콘덴서를 병렬로 접속하고 콘덴서 양극(＋)의 아날로그 펄스를 증폭하여 출력한다. 이때 아날로그 펄스는 아날로그 전압으로 구성될 수 있다.

멀티플렉서(220)는 상기 스위칭모듈(210)에서 출력되는 다수의 채널 중에서 상기 스위칭모듈(210)과 동기화된 아날로그 전압을 입력받아 출력한다.

비교모듈(230)은 상기 멀리플렉서(220)에서 출력되는 아날로그 전압과 기준전압을 비교한 후, 비교값을 출력한다. 즉, 비교모듈(230)의 (+)입력단에 입력되는 아날로그 전압(Vin)과 (-)입력단에 입력되는 아날로그 기준전압(Vref)을 각각 비교한다.

그 결과, 아날로그 입력전압(Vin)이 아날로그 기준전압(Vref) 보다 크면 하이레벨을 출력하고, 아날로그 전압(Vin)이 기준전압(Vref)보다 작으면 로우레벨을 출력한다.

여기서, 상기 아날로그 기준전압(Vref)은 상기 멀티플렉서(220)에서 선택된 채널의 센서에 적용된 기준전압이다.

기준전압 스위칭모듈(240)은 스위칭클럭과 동기화되어 선택된 아날로그 기준전압을 출력한다.

여기서, 아날로그 기준전압(Vref)은 상기 센서에 적용되는 설정전압으로 이루어진다.

예를 들어, 첨부된 도 9에서와 같이, 센서 1의 출력전압(Vin1)은 아날로그 기준전압(Vref1)에 매칭되고, 센서 2의 출력전압(Vin2)은 아날로그 기준전압(Vref2)에 매칭된다. 마찬가지로, 센서 3 및 센서 4도 각각 아날로그 기준전압(Vref3) 및 아날로그 기준전압(Vref4)에 매칭된다.

즉, 레벨조절부(300)에서 조절되는 광센서 및 전류센서의 감도 조절값은 상기 아날로그 기준전압과 연계되게 구성되며, 이에 따라 감도가 조절된 값으로 센서의 센싱값을 출력할 수 있게 된다.

래치(250)는 상기 비교모듈(230)에서 출력되는 레벨("0" 또는 "1")신호를 동기화하고, 고속 동작 시 발생하는 클럭 스큐(skew)와 회로지연시간(propagation) 및 타이밍(timing)을 제거하여 정확한 디지털 값이 출력되도록 한다.

인코딩 로직(260)은 래치(1220)에 저장된 데이터를 기반으로 디지털 비트를 출력한다. 예를 들어, 센서를 구분하는 2-bit와 하이레벨 또는 로우레벨을 구분하는 1-bit로 구성되는 3-bit의 디지털 신호가 출력될 수 있다.

설계조건에 따라서, 센서가 n개일 경우 2ⁿ-bit와 아날로그 입력 전압(Vin)에 대한 2-bit의 디지털 신호로 변환하여 출력하도록 구성될 수도 있다.

예를 들어, 센서 1의 신호를 입력받는 스위칭클럭과 동기화되어 센서 1의 신호에 채널비트를 부여하고 출력한다. 즉, 센서 1의 신호에 대하여 제1 채널비트를 부여하고, 센서 2의 신호에 대해서는 제2 채널비트를 부여하여 출력한다.

이와 같이 부여된 채널비트에 의해서 채널을 구분할 수 있고, 더 나아가 센서를 구분할 수 있게 된다.

클럭발생모듈(270)은 동기화시키기 위한 스위칭 클럭을 발생하여 상기 스위칭모듈(210), 멀티플렉서(220) 및 기준전압 스위칭모듈(240)의 동작시점을 동기화시키도록 구성된다.

이와 같은 구성에 따르면, 다채널 입력을 구비하여 상기 센서부의 센서를 동시에 연결하고, 스위칭클럭에 따라 아날로그신호를 디지털신호로 변환하여 센서부의 센서 출력값을 순차적으로 출력되도록 구성하여, 회로를 단순하게 구성할 수 있고, 센서에서 검출값이 연속되어 출력될 수 있는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.

10: 아크검출장치
100: 센서부 110: 루프센서
111: 광섬유 112: 광송신 유닛
113: 광수신 유닛 114: 광신호 처리유닛
120: 전류센서 130: 포인트센서
200: A/D 변환부 210: 스위칭모듈
220: 멀티플렉서 230: 비교모듈
240: 기준전압 스위칭모듈 250: 래치
260: 인코딩 로직 270: 클럭발생모듈
300: 레벨조절부
400: 조작신호입력부 500: FPGA 블록부
510: A/D 수신모듈 520: 디지털 필터
530: 제어모듈 501: 메인 컨트롤러
502: SPI 600: 표시부
700: 릴레이부 800: HMI 통신부

Claims

태양광 접속반 내부에 설치되어 접속부, 전력소자 및 전력선에서 발생하는 아크를 검출하는 복수 개의 루프센서, 이상 전류를 검출하는 전류센서 및 반구의 범위에서 발생된 아크를 검출하는 포인트센서를 포함하는 센서부;
상기 센서부의 각 센서에 대응되어 출력되는 각각의 아날로그신호를 디지털신호로 변환하는 A/D 변환부;
상기 루프센서 및 전류센서의 감도를 조절하는 레벨조절부;
셀렉터 버튼 또는 스위치의 선택에 따라 트립신호의 출력 여부를 결정하는 트립신호 방지모듈, 원격으로 트립신호의 제어를 선택하는 원격트립제어모듈, 인위적으로 트립신호를 발생시키는 트립신호 발생모듈 및 에러를 초기화시키는 초기화모듈을 포함하여 FPGA 블록부로 입력신호를 인가하는 조작신호입력부;
상기 레벨조절부에서 설정된 감도에 근거하여 상기 센서부에서 출력되는 센싱신호에 따라 차단기로 인가되는 트립신호를 출력하는 FPGA 블록부; 및
상기 FPGA 블록부에서 출력되는 제어신호를 표시하는 표시부;
를 포함하여 구성되고,
상기 FPGA 블록부는,
상기 A/D 변환부로부터 입력되는 디지털신호를 수신하는 A/D 수신모듈;
상기 A/D 수신모듈에서 수신된 디지털신호를 필터링하는 디지털필터모듈; 및
상기 디지털필터모듈에서 필터링된 디지털신호와 상기 레벨조절부에서 설정된 감도를 비교분석하여 아크인 것으로 판단되는 경우, 차단기의 트립코일을 동작시키는 트립신호를 출력하는 제어모듈;
을 포함하고,
상기 A/D 변환부는,
다채널 입력을 구비하여 상기 센서부의 센서를 동시에 연결하고, 스위칭클럭에 따라 아날로그신호를 디지털신호로 변환하여 출력하되,
스위칭클럭에 따라 동작되어 복수의 센서 중에서 하나의 센서 값을 선택 출력하는 스위칭모듈;
상기 스위칭모듈에서 출력되는 다수의 채널 중에서 상기 스위칭모듈과 동기화된 아날로그 전압을 입력받아 출력하는 멀티플렉서;
상기 스위칭클럭과 동기화되어 상기 레벨조절부에서 설정된 감도에 대응하는 아날로그 기준전압을 출력하는 기준전압 스위칭모듈;
상기 멀티플렉서에서 출력되는 아날로그 전압과 상기 아날로그 기준전압을 비교한 후, 비교값을 레벨신호로 출력하는 비교모듈;
상기 비교모듈에서 출력되는 레벨신호를 동기화하고, 고속 동작 시 발생하는 클럭 스큐(skew)와 회로지연시간(propagation) 및 타이밍(timing)을 제거하여 디지털 값이 출력되도록 하는 래치;
상기 래치에서 출력되는 디지털신호에 근거하여 디지털 비트를 출력하는 인코딩 로직; 및
상기 스위칭모듈, 멀티플렉서 및 기준전압 스위칭모듈의 동작시점을 동기화시키도록 상기 스위칭 클럭을 발생시키는 클럭발생모듈을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제어모듈은,
트립신호의 출력 여부를 결정하는 트립신호 방지모듈 또는 원격으로 트립신호의 제어를 선택하는 원격트립제어모듈 중에서 적어도 하나라도 트립신호의 출력을 금지하도록 설정되어 있으면 생성된 트립신호는 출력되지 않도록 구성된 것을 특징으로 하는 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반.
청구항 1에 있어서,
FPGA 블록부는,
태양전지 어레이에서 발생된 전압을 입력받아 최대 전력점을 추종하는 데 사용되는 기준 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반.
청구항 1에 있어서,
상기 표시부는,
아크가 검출된 위치를 표시하는 LED(Light Emitting diode); 및
상기 FPGA 블록부로부터 제공되는 정보가 표시되는 LCD(Liquid Crystal Display Device);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 차단 기능을 구비한 태양광 접속반.
삭제