KR101745779B1

KR101745779B1 - H-Bridge 회로를 이용한 직류 전력선 통신 제어장치

Info

Publication number: KR101745779B1
Application number: KR1020150085004A
Authority: KR
Inventors: 최창준; 최재부
Original assignee: 최창준; 최재부
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2015-06-16
Publication date: 2017-06-09
Also published as: EP3163550A4; KR20150077386A; US20170111086A1; CN112242857B; EP3163550A1; CN112242857A; KR20140094674A; EP3163550B1; ES2716378T3; CN105900157B; JP6259126B2; US10298292B2; CN105900157A; JP2017507625A; WO2016003090A1

Abstract

H-Bridge 회로를 적용하여 전송할 제어 정보나 데이터에 따라 복수개 전선에 걸리는 전압의 극성을 반전시키고 수신 측에서는 그 극성의 변화로서 전송된 정보나 데이터를 찾아내고 전송된 전력은 Bridge Diode 회로를 통하여 직류 전원으로 복원하여 부하에 공급할 전원으로 사용한다. 역상으로 연결된 경우 신호가 없는 일반 상황의 검출에 따라 신호를 자동 반전하는 회로를 가진다. 각각의 부하에는 고유 ID 입력 및 저장수단이 있으며 전송되는 정보에 고유 ID를 지정하여 또는 그룹으로 ID를 지정하여 부하를 제어할 수 있는 전력선 통신방법이다. 수신 측에서 전력선을 차동 구동하는 수단을 두어 송신 측에서 전력을 전송하지 않는 특정시간에 송신 측으로 정보를 전달하는 방법으로 제한적이지만 쌍방향 통신도 가능하다. 아울러 수신 측에서 PWM 구동에 따른 발생 노이즈를 최소화 하도록 PWM 작동 시간을 스프레드 시키는 방법을 구현 하였다. 직류송배전 환경이라면 전력 수요반응을 위한 데이타 또는 명령 신호를 전압의 극성에 맵핑하여 각 수용가로 전송하여 전력 수요반응 기술에 적용할 수도 있다.

Description

H-Bridge 회로를 이용한 직류 전력선 통신 제어장치{DC Power Line Communication Control System with H-Bridge Circuits }

본 발명은 직류 전원의 전력 전송과 동시에 Data 또는 제어 정보 전송을 하나의 선로를 통하여 전송하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예 중 하나인 LED 조명 분야의 경우 최종 전력 사용 형태가 직류 전력이므로 기존의 가설되어 있는 조명용 선로를 그대로 이용하여 직류의 전력과 제어 정보를 동일한 선로로 전송하며 조명 선로에 연결된 각 LED 조명등의 밝기 또는 색상을 조정하는 제어 정보를 전송할 수 있고 병렬로 연결된 여러 수신 측 LED 조명등에서 수신 제어 정보에 따라 각각 LED를 제어할 수 있는 방법으로 활용할 수 있다.

차량과 같이 Battery를 기본적으로 사용하는 경우 차량 내 각 부하들은 직류 전원을 사용하며 이들 각각의 부하에 전원과 제어 정보를 전송 할 수 있을 경우도 유용하다. 기타 원거리에 설치된 센서 또는 구동 장치에서 모터 등을 구동할 수 있는 충분한 직류 전력을 공급하면서 같은 선로로 상호 통신 또는 다자간 통신이 하나의 선로로 구현 가능한 직류를 전송하는 전력선 통신에 관한 내용이다.

현재는 전력계통망에서 교류 전력을 각 수용가로 전송하는 것이 보편적이나 최근 초고압직류(HVDC) 송배전에 관한 연구가 진행되고 있다. 전력의 수요 반응 기술 등에서 현재의 전력예비율이 낮아져서 블랙아웃의 위험이 감지되는 경우 각 수용가로 부하의 수요 조절을 위한 명령이나 데이터를 전송할 필요가 있다. 직류 전류가 수용가로 전달되는 경우라면 수용가의 부하 조절 명령이나 현재의 전력수급의 불일치에 관한 위험 등급 데이타 값을 각 수용가로 가는 전력선에 실어 직류 전력과 함께 일괄 전송할 수도 있다.

전력 배선을 통하여 전력과 정보를 주고 받는 PLC (전력선 통신)기술이 상용화 되어 있으며 참조하여 비교한 종래 기술은 다음과 같다.

공지된 전력선 통신 기술

널리 알려진 공지의 기술인 전력선 통신의 경우 일반적으로 전력선에 높은 주파수의 RF 신호 또는 짧은 폭의 Impulse 신호에 전송하고자 하는 신호를 다양한 방법으로 변조하여 인가하며 수신 측에서는 전력선을 통하여 전달된 해당 주파수의 신호만을 분리하는 필터기술 또는 동조회로 등과 신호를 복원하는 복조기술 등이 활용이 되며 최근 발전된 다양한 Digital통신기술이 접목되어 외란에 대응하고 Error 발생을 최소화 하고 또한 Error 발생 시 이를 복구하는 기술들을 접목하고 있다.

그러나 여러 접목된 기술이 상대적으로 복잡하여 비용이 크게 발생하며 미약한 신호를 사용하기 때문에 외부의 노이즈에 취약하며 이들 신호가 전력선을 통하여 원하지 않는 부분까지 전달이 되는 것을 차단하기 위한 Blocking Filter 등을 입인단에 장착해야 하는 불편 등이 따른다.

범용적으로 사용하는 일반 Microcontroller에 의한 경제적인 통신이 힘들며 통신을 위한 전용의 Modem Chip이 별도로 장착이 되어야 하는 비용의 문제가 주요한 단점이다. 전력선과 통신선로를 따로 분리 설치하는 경우 보다 오히려 경제적 부담이 크다면 실용 기술로 가치가 낮으므로 작고 싼 부품으로 구현 가능한 대안적인 전력선 통신 방법이 필요하다.

이하에서 언급되는 전력선통신이란 용어는 통상의 기술자가 아는 고주파수 영역에 정보를 실어 전송하는 개념이 아니라 전력선을 이용하여 전력과 정보를 함께 전송하는 통신이란 의미로서 통용되는 어휘 보다 넓은 개념으로 사용하겠다.

특허 제 10-1222170 “조광 장치 및 이를 포함하는 조명 시스템”

이는 고전적인 Triac 위상제어방식을 동원하여 Turn On 하는 Trigger 시점의 위상 정보의 형태로 교류 전기의 기초주파수 파형에 반영하여 각 조명 부하에 정보를 전달하는 방식으로 기존 설치된 전력선을 그대로 이용하여 정보전송이 가능하다. LED 조명등에 개별 ID를 부가하여 각각 LED 조명등을 독립적으로 제어할 수 있는 특허이나 다음과 같은 단점도 있다.

AC전원을 사용하기 때문에 Zero Crossing 주변 시점 또는 위상제어신호가 발생하는 시점에 따라 전력전송이 실제 이루어지지 않는 구간의 시간이 크다. 기초 주파수의 파형이 주파수가 낮은 이유로 큰 용량의 전해콘덴서를 적용하여 전원을 평활하게 하는 과정을 거치지 않을 경우 LED 조명의 플리커가 심하게 발생한다. 플리커를 줄이기 위하여 전해콘덴서의 적용에 따라 각 LED 조명장치나 조명 전원장치의 부피가 커진다. 전기 제품의 고장의 주요 원인으로 파악되는 장시간 사용시 전해콘덴서 내부의 전해액 소실에 따른 열화로 수명을 단축시키는 문제는 피할 수 없다.

특히 천정에 설치가 되는 각각의 LED 조명등이나 조명등을 위한 각각의 전원 장치마다 수명 단축에 주요 원인인 큰 용량의 전해콘덴서 부품이 장착되는 관계로 짧은 수명에 유지 보수가 어려우며 교류 전원을 실제 LED 소자가 사용하는 낮은 전압으로 변환하기 위한 Transformer나 Inductor를 사용하는 관계로 부피가 많이 커져서 시공과 관리에 있어 불편한 점이 있다.

특허 제 10-1043218 “2선 전력선을 이용한 RS 485 통신장치”

송 수신 Data에 맞추어 2선 전력선의 전압 Level을 고저로 달리하고 이를 송 수신 정보로 전송하는 내용이다. 전력 전송 량을 보면 이상적인 정전압원이 가지는 낮은 임피던스를 유지하기 어려워 대용량 부하를 구동할 수 있는 큰 전력을 전송하는 용도로는 부적합하다.

더 큰 전력을 전송 하기 위해 낮은 임피던스를 유지하고자 할 경우에는 신호의 Level은 상대적으로 낮아지므로 노이즈 마진이 줄게 되고 본 발명이 채용하고 있는 차동 신호 통신 (Differential Signal Communication )보다 안정된 통신이 어렵다.

신호의 전송에 따른 전원 전압 변동이 심하여 큰 용량의 콘덴서가 필요하고 선로 가설 시 극성을 다르게 연결 할 경우 동작하지 않으므로 주의를 요한다. 직류 전력전송의 경우에는 +, - 극을 구분하는 것이 꼭 필요하여 설치 시 주의가 필요한 단점이 있으며 통신 정보의 경우에도 역상이 되어 상호 인식하지 못하는 상황이 발생 할 수 있는 현실적인 문제점이 있다.

블랙아웃을 예방하고 높게 유지되는 전력예비율을 낮게 유지하여 평상 시 발전연료비의 절감을 꾀하는 전력 수요반응 기술이 관심을 받고 있다. 대한민국 공개특허 "전력수급재난방지시스템" 출원번호 제 10-2012-0100238 공개번호 "제 10-2013-0030725"와 같은 경우 현재 전력예비율이 0%로 가는 위험 상태를 등급화 하여 그 위험등급 값을 전기의 기초주파수 파형의 물리값 예컨대 전압, 주파수,위상의 변동 패턴에 실어 각 수용가로 보내고 각 수용가는 이를 복호하여 부하를 조절하거나 부하가 제어하는 제어목표치를 조정하는 기술을 참조할 수 있다.

향 후 초고압직류송배전의 기술이 상용화 되면 수용가에 직류 전력이 공급될 수 있고 섬이나 오지의 경우 국지적인 송배전 시스템을 직류로 하는 것이 시도되고 있다. 이 경우 본 특허가 가지고 있는 직류 기반의 전력 공급과 제어 및 데이터 전송 수단을 이용하여 수용가 부하를 조절하는 전력 수요 반응 기술에 접목할 수 있다.

KR

10-1222170

B1

KR

10-1043218

B1

KR

10-2013-0030725

A

없음

발명의 배경이 되는 기술들에 언급한 종래의 기술이 가지고 있는 문제점 또는 단점(1. 전력선 통신이 외부의 노이즈에 취약한 점, 2. 경제적으로 구현하기 곤란한 점, 3. 부하 LED조명에 플리커가 발생하는점 4. 플리커를 방지하기 위해서는 전해콘덴서로 부피가 커지고 전해액 누설로 수명이 단축되는 점, 5. 직류전력선통신으로 대전력을 전송하기 곤란한 점)을 극복한 진일보한 전력선통신을 구현하는 것이다.

콘덴서는 소자 자체의 비용뿐만 아니라 고장의 주요 원인이 되고 수명에 직접 연관이 되고 부피를 차지하여 천정이나 설치가 편리하지 않는 곳에 큰 부피를 대상을 시공하는 것은 시공과 관리의 불편뿐만 아니라 심미성에서도 불리한 문제를 야기기 때문에 콘덴서와 관련된 개선은 이익이 크다.

전력예비율이 낮아져서 블랙아웃의 위험이 있는 경우 전력 당국이 수용가의 부하를 조절하는 제어 신호를 보내거나 수용가에서 자체 전력 수요를 조절하기 위한 현재 수급 위험 정도를 반영한 데이터를 전송하는 것은 전력 수요 반응 기술의 중요한 요소가 된다.

현재는 교류 전력의 송배전이 일반적이나 향 후 직류송배전으로 시스템이 바뀌거나 또는 섬이나 오지에서 하나의 독립된 작은 전기계통망을 구성하는 마이크로그리드의 경우 각 수용가에 직류로 전력을 보내는 환경이 구축될 수 있고 이 경우 전력 수요 반응을 실행하기 위한 수요 조절 명령이나 또는 수용가의 전기기기,부하가 자체 부하 조절을 하기 위한 전력계통망의 전력수급 위험정도를 반영한 비교 참고값을 각 수용가로 일괄 전송하는 경제적인 방법을 구현한다.

전력선 통신을 위한 송 수신측을 연결하는 A, B 2가닥의 선로에서 선 A에 전력의 (+)를 인가하고 B선에 Ground 또는 (-)를 인가하는 경우 디지털 값 "1", A, B에 그 반대의 전력을 인가한 경우를 "0"으로 맵핑하고 송신하고자 하는 정보에 따라 2가닥의 전력선 A, B에 전력을 연결하고 시간의 흐름에 따라 전력 극성을 서로 바꾸는(이하 교번, 극성 변환 또는 극성의 변동이라 한다) 동작을 하고 전력 수신 측에서 A, B의 전력선에 인가되는 전력이 어떤 것인지를 파악하여 디지털 값 "0" 과 "1"의 정보로 해석하고 이를 수신 Data나 제어명령 신호로서 사용할 수 있다.

A, B에 인가되는 전압의 극성은 시간이 흐름에 따라 바꾸는 경우 시간의 흐름에 따른 다양한 패턴으로 극성 변환의 양상이 나타날 수 있다. 따라서 하나의 극성의 상태에 디지털 값 "0", 다른 극성의 상태에 디지털 값 "1"을 맵핑해도 되지만 서로 사전에 약속하여 이 중 극성 상태 변동의 특정한 패턴에 "0", 다른 패턴에 "1"을 맵핑하여 시간에 따라 극성을 변동시켜 전력을 전송하고 수신 측에서는 약속된 바에 따라 디지털 값 "0"과 "1"을 복호하여 통신을 할 수도 있다.

송신 측에서 극성 변환은 MOSFET H-Bridge 회로를 사용하여 낮은 임피던스의 큰 전력을 전송할 수 있는 최적의 방법을 동원하고. 이는 일반적인 차동 신호 통신 방식과 유사하지만 MOSFET H-Bridge 회로를 동원하여 낮은 임피던스의 전력 전송에 적용한 것이 특징적인 것이다.

수신 측에서는 극성 변환이 지속적으로 이루어지는 전력 신호를 Bridge Diode를 거쳐 평활한 직류 전원을 만든다. 이 전원은 수신 측의 부하에 전력원으로 사용되고 수신 측의 제어 단에 필요한 전원으로 사용되기도 한다. 수신 측의 Bridge회로는 Bridge Diode에 한정하지 않고 MOSFET 또는 IGBT가 포함된 능동 Bridge 회로를 사용해도 된다.

송 수신 측을 연결을 잘못하여 송신하고자 하는 바와 역 상태인 정보가 전달되는 경우 이를 신호에서 검출하여 자동으로 반전하는 회로를 구비한다.

이처럼 송신 정보를 차동 신호로 통신(Differential Signal Communication )할 경우 신호의 “1”과 “0”판별이 쉬우며 동상의 인입 외란에 (Common Mode Noise )내성이 강하여 먼 거리에도 안정된 통신을 할 수 있는 것이 특징이다.

쌍방향 통신을 가능토록 하기 위하여 송신 측과 다른 수신 측에서 높은 임피던스를 유지하도록 정해진 시간에 전력 수신 측에서도 송신을 원하는 경우 구비된 차동 구동 회로를 동작시켜 정보를 전송하는 방법을 채택하면 제한적인 쌍방향 통신이 가능하다. 이처럼 신호 전송을 위한 변조와 복조 과정을 거치지 않고 직류 전력의 상을 변경시키는 방법을 통해 회로를 최소화하고 통신 신뢰성을 높이며 경제적인 통신방법을 구현할 수 있다.

전력 수요 반응은 현재의 전력예비율을 참고하여 전력 수급의 위험 정도를 반영해 각 수용가에 부하 조절을 위한 정보나 부하 조절의 신호를 일괄 전송하는 기술이 필요하다. 직류송배전의 구축되어 있는 경우 전력 수급의 위험 정도를 등급화 한 '전력수급위험등급값'을 H-Bridge회로가 만든 극성 변동 패턴에 데이터로 실어 각 수용가로 전파하고 각 수용가는 그 데이터를 참조하여 수요를 조절할 수 있다.

기축 건물과 같이 건물 내부에 기존 전선이 포설 작업이 되어 있는 경우 기존의 전선 연결을 이용하여 쉽게 전선에 물려져 있는 각각의 전력 부하들을 제어하는 수단을 구비할 수 있다.

실내 조명의 예를 들면 기존 벽에 매립된 스위치 Box 주위에 기존 회로를 대치하는 전력 제어 송신부를 위치시키고 천정에 달려있는 각 조명등의 위치에 밝기 제어가 가능하고 본 발명의 직류 전력선 통신 제어 장치의 수신회로가 내장된 LED 등을 장착하면 되기 때문에 설치가 쉽다.

주로 적용될 부하인 LED 조명의 경우 스위치 단에서 출력되는 두 가닥의 전력선을 이용하여 DC 극성 변환 전력을 LED Module에 전달하고 동시에 제어 정보를 전송할 수 있으며 각각의 LED Module이나 LED 전원장치가 가지는 고유의 ID를 구분하고 ID를 제어 정보에 전송하여 특정 LED 조명등만을 제어할 수도 있고 ID의 MSB 비트 값들을 그룹 값으로 해석하여 그룹 제어도 가능하고 미리 정해진 일련의 부하 군에 별개의 ID를 부여하여 특정한 부하만을 선택적으로 제어할 수도 있고 또는 ID에 브로드캐스팅용 ID를 부여하거나 브로드캐스팅용 Command를 둘 경우 획일적으로 전체 부하를 제어할 수 있는 등 다양한 경우의 수로 부하 제어가 가능한 장점이 있으며 이는 LED 조명등에 한정되지 않고 다양한 부하에 적용 가능하다.

기존의 공지화된 기술인 고주파 대역을 이용하여 정보를 전송하는 전력선 통신을 수행하는 전력선모뎀(PLC) 또는 RF 제어모듈 (ZigBee 또는 ISM Band RF 통신 등) 또는 유선통신 방법에 비하여 본원 발명은 구성요소가 간단하여 경제적이다. 아울러 외란 노이즈에 대비 신뢰성 있는 통신이 가능하며 불필요한 RF 전파를 많이 발생시키지 않는 장점이 있다.

발명의 배경이 되는 선행 기술인 선행기술문헌 특허 제 10-1222170 “조광 장치 및 이를 포함하는 조명 시스템” 과 비교해 본다.

교류 전원을 전력선 통신의 수단으로 사용하는 경우 각 LED 조명이나 LED 조명 전 제어단은 결국 직류 전원을 사용하므로 어차피 교류를 직류로 변환하는 과정을 거치며 이를 위해 각 말단 부하마다 수명이 짧아지는 주요 고장 원인인 전해콘덴서를 장착하는 것이 필수적이다. 조명의 경우 설치와 관리가 용이하지 않는 천정 등에 장착이 되므로 고장이 잦은 전해 콘덴서의 문제로 인해 유지 보수가 빈번해지면 장착 위치의 불편에 따라 유지 보수 자체에 큰 비용과 시간을 요구한다. 아울러 전해콘덴서와 함께 장착되는 Transformer와 각종 보호 회로는 비교적 큰 용량의 부피를 요구하므로 사람의 주목을 받는 천정 등에 설치함에 있어 심미적인 디자인을 하는데 제약 요소가 된다.

본원 발명은 직류화된 전력선 통신을 사용하므로 교류 전원을 직류화 하기 위한 큰 용량의 전해 콘덴서와 Transformer 및 보호회로를 요구하기는 하지만 설치하기 어려운 천정 등에 개별적으로 일일이 설치되는 것이 아니므로 조명 장치는 부피가 많이 줄어들어 심미적인 디자인을 수행할 수 있고 전해 콘덴서의 문제로 인해 직접 천정에서 조명등을 교체하거나 조명 전원부를 교체할 빈도는 매우 낮아지므로 유지관리 보수에 경제적인 이익이 있다.

직류화를 위한 콘덴서들은 따로 관리하기 용이한 곳에 여러 개의 콘덴서들을 모듈화하여 장착하고 그곳에서 직류화하도록 설치하면 전해 콘덴서의 수명 문제로 일일이 천정의 설비를 다루지 않고 중앙집중식으로 관리하는 콘덴서 박스를 관리하는 형태의 관리의 이익이 있다. 아울러 그러한 콘덴서 박스 내의 콘덴서들은 모듈형태로 쉽게 교체할 수 있는 형태로 제작할 수 있고 콘덴서의 고장을 LED 등이나 기타 표시 수단을 통해 교체해야 할 모듈을 알려주는 기능 등을 부가하면 관리에 더욱 편리해진다.

본원 발명은 RS-485 통신과 유사하게 부분적으로 쌍방향 통신이 가능하며 하나의 전력선에 정보를 위로 올려줘야 하는 센서도 전력 구동회로와 같이 연결하여 센싱 정보를 수집할 수도 있다. 이는 교류 방식의 선행 기술인 선행기술문헌 특허 제 10-1222170 “조광 장치 및 이를 포함하는 조명 시스템” 으로는 구현이 불가능한 효과이다.

선행기술문헌 특허 제 10-1043218 “2선 전력선을 이용한 RS 485 통신장치”에 비해 뛰어난 효과를 살펴본다.

인용발명은 2선 전력선을 이용하되 하나의 전선에 전압 강하 상승의 펄스 형식의 전압을 걸어 신호를 전송하는 것이다. 이의 단점은 이미 언급한 바대로 펄스를 쉽게 발생시키기 위해서는 이상적인 정전압원이 가지는 낮은 임피던스를 유지하기 어렵고 따라서 전송할 수 있는 전력의 량이 매우 제한적이어서 대용량의 부하를 구동할 수 있는 큰 전력을 전송하는 용도로는 부적합한 것이다.

대용량의 부하를 구동하기 위한 큰 전력을 전송하기 위해서 임피던스를 낮출수록 신호 펄스의 파형이 낮아지고 결국 노이즈와 신호를 구분하기 어려워져 안정된 통신이 어렵다. 아울러 큰 전력 펄스 신호가 아니므로 펄스신호가 섞인 수신된 전력을 사용하는 부하를 PWM 제어를 통해 조절하는 경우 발생하는 노이즈의 파형과 Level이 통신용 펄스와 유사하여 노이즈로서 영향을 주게 된다.

이에 비해 본원 발명은 2선을 각각 (+)와 (-)전원으로 구별하고 On 저항이 극히 낮은 MOSFET등을 채용한 H-Bridge회로를 이용하여, 차동으로 전력에 신호를 실어 보내므로 인용발명에서의 전송 가능한 전력량의 부족이라는 문제점이 해결된다.

고전적인 전력선 통신방식이나 일정 직류 바이어스 전압에 구형파의 펄스에 데이터를 실어보내는 구형파직류전력선통신과 비교하면 신호의 폭이 매우 크므로 S/N ratio(신호대잡음비)가 매우 뛰어난 장점이 있다.

각 수용가로 일괄 수요 조절의 의사를 전파하는 것이 전력 수요반응 기술의 핵심이다. 교류 환경에서는 교류의 기초주파수 파형에 이를 실어 보내는 아이디어도 있고 고전적인 전력선 통신 또는 Ethernet 기나 유선의 통신 방식등이 고려되고 있다. 만약 직류송배전의 환경이라면 직류 전력에 고주파의 신호로서 실어 보낼 수도 있지만 직류 전압의 극성 변동에 전력 수요반응을 위한 제어 또는 데이터를 맵핑하여 보내고 이를 복호하여 사용한다면 비용이나 노이즈에 대한 강점이 탁월해진다.

[도1]
전력과 제어정보를 수신 측에 전달하고 수신 측에서 전력과 제어정보를 복원하는데 필요한 구성요소 블록도
[도2]
쌍방향 통신을 위한 전력 수신 측에서 전력 송신 측으로 정보를 전송하기 위하여 필요한 구성요소 블록도
[도3]
전송하는 TX 신호가 H-Bridge 회로를 통하여 바뀌게 되는 차동 전원출력 파형 A, B상의 모양과 H-Bridge 구동 회로
[도4]
일반 Bridge Diode와 임피던스가 낮아 자체 전력소모가 작고 동작을 제어할 수 있는 MOSFET를 적용한 Bridge 정류회로
[도5]
RGB 3종의 LED를 PWM 구동하고 역 결상에 따른 제어정보 신호의 자동반전회로가 H/W로 구성된 LED 부하를 가지는 수신 측 회로의 예

직류 전력 공급원인 직류전원장치 출력이나 Battery 출력단에 여러 개의 부하가 전선에 병렬 연결이 되어 있고 Battery 또는 직류전원공급장치의 출력단에 Transistor 또는 MOSFET 또는 IGBT로 구성되고 직류 전원 출력의 (+), (-) 극성을 교번 할 수 있는 H-Bridge 구동회로를 연결하여 구비한다. 2 가닥 전력선의 전압의 크기의 상대 값이 서로 바뀌는 것을 "극성 변화" 또는 "극성 변동"이라고 한다. H-Bridge 회로는 마이컴이나 외부 신호로 전송하고자 하는 데이터 또는 제어 명령의 정보에 따라 극성을 변경하거나 또는 사전에 약속된 바에 따라 "0", "1"의 디지털 값에 맵핑된 대로 시간에 따른 극성의 변화 패턴을 만든 전력을 출력하는데 이 경우 Cross Over Distortion이 최소가 되도록 구동한다.

수신 측에서 극성 변환이 상시 이루어지는 송신 측 전력을 전달받아 직류 전원으로 사용하기 위하여 Bridge Diode를 사용하여 평활 직류화 한다. 높은 효율을 얻기 위하여 순방향 Bias 전압이 낮은 Bridge Diode를 사용하는 것이 바람직하며 충분한 전류 용량과 역내압을 가지는 부품의 적용하며 최근에는 일반 Bridge Diode보다 On 저항이 극히 낮고 전력효율이 좋은 MOSFET, IGBT 기반의 Bridge 정류기를 적용하는 것도 하나의 방법이다.

Bridge 정류회로 뒷 단에는 극성 변환에 따른 순간적인 전압의 Drop 현상이 발생하지만 짧은 시간으로 굳이 콘덴서를 사용하여 평활할 필요는 없으나 이 전원을 사용하는 회로들의 안정된 동작을 위하여 국소적으로 사용하는 것이 바람직하다.

각각의 부하 수신 측에서는 Bridge Diode 전단의 전력선에 인가된 통신 데이터 또는 제어 명령 신호를 추출하기 위해 전원 전압을 적절한 수준의 신호 전압으로 바꾸기 위한 저항 분압 회로 등의 Level Shift 기능이 필요할 수도 있다.

이들 병렬 연결되는 수신 측에서 전기선 A, B가 뒤바뀌어 설치가 될 경우 역상의 정보로 인식되므로 필요할 경우 디폴트 상태의 전기선의 전압 레벨을 이용하여 뒤바뀌어 연결됨을 인지한 경우에는 Exclusive OR 등의 Gate 소자를 이용하여 전달되는 직렬 신호를 반전시키는 기능을 추가하면 편리하다. 신호가 반전이 되었는지에 대한 구분을 하기 위하여 평소 신호가 없는 대부분 시간 (디폴트 상태)의 정보를 누적하여 출력하는 RC 적분회로 등이 유효하며 더 간편하게 전용 로직 회로나 Microcontroller 의 Port로 입력하고 Program의 수행에 의하여 신호가 없을 경우의 기본 상 정보를 쉽게 누적하여 뒤바뀌어 연결되어 있는지 판단할 수 있다.

필요할 경우 주기적으로 반복이 되는 극성 변환 정보를 전송하여 송신 측의 기준 시간을 각각의 부하들이 공유하여 한정된 자원인 전력을 각각 ID에 대응하는 순서대로 번갈아 사용하는 부하의 스프레드 기능을 사용할 경우 최대치가 작은 송신 측 전력으로도 다수의 수신 측 수요 전력을 공급 가능하며 초과 수요의 전력 전송에 따라 발생하는 노이즈 발생을 줄일 수 있으며 평활 용도의 콘덴서나 Inductor 등의 필터 부품을 줄일 수 있는 장점이 있다.

이 경우 각각의 PWM 구동을 하는 부하들끼리 서로 약속된 순서로 동작을 하는 것이 필요하며 서로 일치가 되는 기준 시간 정보를 가지고 있어야 한다. 따라서 전력 송신 측에서 일정 주기마다 수신 측들의 기준 시간을 일치시키기 위한 동기 신호를 전송하고 수신 측에서는 기준 시간과 제어정보 및 ID를 참조하여 정해진 시간에 PWM 구동을 하여 전체 전력을 분산시킨다. 하나의 수신 측 내부에서 다수의 PWM 구동 부하를 둔 경우에도 마찬가지의 방법으로 PWM 구동시간을 서로 분산시키도록 하여 짧은 순간 최대 소요 전력을 줄여 전체 발생 노이즈를 최소화 하는 것이 가능하다.

전송되는 정보의 내용은 특정한 의미를 가지도록 사전에 프로토콜로 정할 수 있으며 이를 통해 다양한 정보 처리 방법이 가능하게 된다. 연결된 모든 전력 제어 기기들을 동시에 제어를 할 수 있는 Broadcasting에 해당하는 ID나 Command를 사용하여 전체를 제어하거나 전체에 데이터를 전송할 수도 있고 각 제어 기기에 구분된 ID를 사용하여 개별 제어하거나 개별 기기에 데이터를 전송할 수도 있고 추가로 구분하기 위한 그룹ID에 의하여 군 제어 또는 그룹 별로 데이터를 전송할 수도 있다.

전력 부하의 제어 신호를 보내는 송신 측은 단순 전체 On/Off Switch 부터 Dimmer 조정 입력 장치 등도 될 수 있으며 제어의 내용은 원격의 제어 서버에서 보내줄 수도 있고 전력 수요관리 또는 수요 반응을 위해 전력선 모뎀 또는 기타 전력선을 통해 외부에서 전달된 정보 또는 RS-232 또는 RS-485, CAN 등의 유선신호로 전달이 되는 정보나 또는 LAN 통신 등의 대용량 전송이 가능한 유선신호로 전송이 될 수 있다. 아울러 Wi-Fi 또는 Bluetooth, ZigBee 등의 ISM Band RF 통신 신호로 전달을 받을 수도 있고 기존 TV 주파수 유휴 대역을 활용한 무선 등 다양한 Format 의 제어 정보를 수신한 뒤 이를 부하로 재전송할 수 있다.

이 경우 짧은 시간 많은 Data를 입력 받아 상대적으로 늦은 시간 전력선을 통하여 전송하는 문제로 발생하는 Data 소실을 방지하기 위한 단기 정보 저장 공간이 필요하며 전송할 전력제어 정보 Data의 형태가 많이 다른 경우 이를 원하는 형태로 변환하는 Code 변환부가 필요하다.

외부에서 인입되는 정보 신호에 따라 각각의 연결된 전력 부하를 제어하는데 자체 스위치 또는 Volume이나 휠 스위치 등의 회전 입력 수단에 의한 강제 제어 신호에 우선권을 주어 우선적으로 제어가 될 수 있으며 이 경우 외부의 인입되는 정보 경로를 통하여 반대로 현재 제어상태 정보를 올려 줄 수 있으며 각각의 전력제어 부하의 용량과 제어 값에 기인하는 전력소모 정보나 역율 정보 또는 고장진단 정보 등의 부가 정보도 전체를 제어하는 서버나 통신의 마스터 쪽에 올려줄 수 있다.

능동적인 기능을 하는 상부의 서버 장치가 없을 경우 전력제어 송신 단에 제어 스위치, 휠 스위치, 터치패널 등의 입력수단과 LED, OLED, LCD Display 등을 통한 상태 표시가 가능한 User Interface 수단을 둔 서버 기능을 겸할 수 있으며 앞에서 기술한 다양한 유무선 채널을 통해 온 습도 또는 조도, 또는 인감지 센서 기타 전기기기가 제어하는 값의 현재 값을 센싱한 것을 입력 받아 이를 참조하여 한정된 공간 내부에서 Negative Feedback 자동제어를 할 수 있는 구조 또한 가능하다.

앞에서 기술한 각 수신 측 제어부의 경우 고유의 ID를 입력 또는 변경할 수 있고 그것을 저장할 수 있어야 한다. 성격에 따라서는 그룹ID를 부여할 수 있어야 하므로 스위치 등의 입력수단이 있을 수 있다.

바람직하게는 수신 측 부하 단의 제어부의 경우 ID 입력수단에 의한 부품추가로 제품의 원가가 상승하는 것을 피하기 위하여 유선 또는 무선으로 통신하는 ID 입력하는 장치가 콘넥터로 연결할 수 있는 것이 효과적이며 예를 들면 외부에 Bluetooth 연결 Connector 가 있고 여기에 Bluetooth Module을 부착하여 Bluetooth 통신이 가능한 Smartphone 의 앱 프로그램에 의하여 관련장비의 ID 값을 무선으로 읽거나 바꿀 수 있도록 하는 것이 좋은 예이다.

LED 조명등이나 전원장치 같이 수신 측에서는 AC 방식과 마찬가지로 Bridge Diode 회로를 통하여 전원을 일정 값의 고정된 직류 전압으로 변환 하지만 전송된 전원이 직류전원이므로 전해콘덴서 등으로 평활하는 기능은 불필요하며 작은 크기의 소용량 적층세라믹 (MLCC) 등의 콘덴서만 장착하면 된다.

직류 전원을 만들기 위해 직류전원장치 또는 전원 배터리에 용량이 큰 전해 콘덴서를 복수 개를 모듈로서 장착하고 전해 콘덴서에 이상이 있는 경우 모듈로서 제거 교체가 용이 하도록 하고 직류 전원 장치를 관리하기 편리한 곳에 두거나 직류 전원 장치의 일부로 또는 분리하여 전해 콘덴서 박스로 관리하면 관리의 편리함이 있다. 이는 고장의 주요한 이유이기 때문이다. 해당 전해 컨덴서가 고장이 난 경우 그것을 검출할 수 있는 회로를 두고 LED, 기타 표시 수단에 그 사실이 표시되도록 하면 관리 상 이익이 있다.

주로 제어용으로 사용하는 경우에도 정상적인 동작을 하는지 등의 상태 정보를 올려 주기 위하여 쌍방향 통신이 필수적인데 본원 발명에서와 같이 전력 전송과 쌍방향 통신을 동시에 하기 위하여 과정이 필요하다.

한 통신 Line 에는 송신 측이 하나만 존재해야 하므로 RS-485 등의 통신 Protocol 과 같이 전력 송신 측 Master 와 각각 전력 수신 측 Slave 로 나누고 사전에 약속된 순서를 지켜서 공통으로 사용하는 선로에 신호를 출력 하여야 한다.

신호를 송출하기 위하여 전력 송신 측에서는 H-Bridge 회로를 사용하지만, 전력 수신 측에서는 낮은 전력으로 구동 가능하며 출력 제어가 가능한 일반 차동 출력회로를 사용하고 통신이 가능한 정해진 순서의 시간에만 차동 출력을 하도록 하며 이 경우 전력 송신 측이나 다른 전력 수신 측에서 선로를 높은 임피던스를 유지하도록 한다.

쌍방향 통신 시 전력 수신 측이 신호를 전송하는 시간에는 전력 송신 측으로부터 전력을 공급받지 못하므로 이때 전력 수신 측이 사용할 전력을 저장하기 위해서 작은 용량의 콘덴서 또는 전지를 둔다. 콘덴서를 두고 전력을 충전하여 사용하는 회로의 경우 전력 수신 측에서 신호를 송신할 때는 선로와 콘덴서 간은 일시적인 단절이 필요하므로 스위칭 수단을 두어 전력 수신 측에서 신호전송을 하는 시간에 연결을 끊어주는 것이 필요하다. 전력 송신 측에서는 Comparator 등을 이용하여 두 선로의 전압 비교출력을 참조하면 전력 수신 측에서 보내주는 정보를 알 수 있으며 이런 방식으로 부분적이나마 쌍방향 통신을 할 수 있다.

본원 발명의 구체적인 실시 형태로서 전력 송신 측은 주로 직류 전원장치의 출력에 연결하여 사용하는 경우가 많으므로 직류 전원장치와 일체형이 될 경우 편리하며 직류 전원 장치 뒷 단에 연결하는 모듈이나 어댑터 형태의 것도 바람직하다.

반면 전력 수신 측의 경우 선로와 부하 장치 사이에 위치하므로 사이에 연결하는 모듈이거나 소켓이거나 어댑터 형태이거나 또는 부하와 일체형일 수 있다. 특히 전력 수신측의 경우 PWM 구동회로 등 IC 화 가능한 부분을 묶어 하나의 직접회로로 만들 경우 경제적이며 높은 신뢰성과 작은 부피를 구현 가능하다.

현재 초고압직류송배전(HVDC) 기술이 연구되고 있고 섬이나 오지의 경우 독립적인 작은 전기계통망을 구성하고 이를 위한 마이크로그리드 기술도 연구되고 있다. 이를 직류송배전 환경이라 하겠다. 상기 기술을 수용가 내에서 부하 조절을 위한 수단으로 활용하는 것에서 더 범위를 넓혀 전기계통망 단위로 활용할 수 있다.

직류송배전환경에서 전력회사 또는 전력거래소 또는 국소 전력계통망을 관리하는 전력당국이 현재 전력예비율을 참조하여 전력 수급의 불일치에 따른 블랙아웃의 예상 위험을 등급화하여 데이터로 만들고 이 데이터를 직류송배전선의 극성의 변동에 맵핑하여 각 수용가로 전파하고 각 수용가에서는 이를 복호한 뒤 위험등급에 따라 중요도가 낮은 부하의 차단 또는 그 부하가 목표로 하는 제어 목표치의 조절하는 등 사전에 약속된 방식으로 수용가 부하를 조절하여 전력 수요 반응을 수행할 수 있다..

위험등급 값 뿐만 아니라 직접적인 부하 차단, 조절의 명령을 직류 전력의 극성 변환에 맵핑하여 각 수용가로 전달할 수도 있고 명령에 반응하여 사전에 약속된 바대로 수용가의 부하를 관리하는 수요반응 시스템을 구성할 수도 있다. 이 경우 데이타 또는 제어 명령의 식별 ID는 전체를 대상으로 하는 것이된다.

없음

Claims

송신부는 복수개의 수신부와 두 전선 A, B로 연결하고; 전력의 수신측에서 하나 이상의 부하를 연결하고; 송신부는 직류전원공급장치 또는 Battery의 출력단에Transistor 또는 MOSFET 또는 IGBT로 구성된 H-Bridge 구동회로를 연결하고; 마이컴 또는 외부 신호는 H-Bridge 구동회로의 출력을 제어하고; H-Bridge 회로는 디지털 정보 “0”, “1”에 맵핑된 ‘극성 변동’ 패턴에 따라 제어 정보 또는 데이터와 수신부 ID정보를 두 전선 A, B에 출력하고; 수신부는 Bridge 다이오드 회로 또는 MOSFET이 포함된 능동 Bridge 회로에서 두 전선 A, B의 교번하는 전압의 전력을 정류하여 수신 측 부하와 회로의 전력으로 사용하고; 수신부의 Bridge 다이오드 또는 MOSFET이 포함된 능동 Bridge 회로 전단에서 두 전선 A, B 중 하나 이상은 전압 Level Shift를 거쳐 마이크로컨트롤러 또는 전용 로직 회로와 연결되고; 수신부의 마이크로컨트롤러 또는 전용 로직 회로는 두 전선 A, B의 상대 전압의‘극성 변동’ 패턴에 맵핑된 전송된 데이터 또는 제어 정보와 수신할 수신부 ID를 복호하고; 수신부는 ID를 입력하는 수단을 가지고; 수신부는 ID저장 수단을 가지고; 직류 전력 전송을 겸하여 제어 명령 또는 데이터를 전송하는 전력선 전송 장치
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