KR101792092B1 - Ess에서의 dc전류 이상상태 감지 장치 및 감지 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 ESS에서의 DC전류의 이상상태 감지 장치 및 감지 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DC 전류의 이상 상태 감지 장치는, ESS에서 전원의 출력단을 구성하는 복수개의 DC전류 이상 상태 감지 장치에 있어서, 에나멜 코팅된 코일을 환형의 자심에 권선하여 권선된 코일의 양끝단을 경보기의 개폐기구로 연결하여 개폐기구를 작동시킬 수 있도록 구성되되, 상기 DC전류의 흐름 상태를 체크하는 링 형상이며, 상기 DC전류가 상기 환형의 자심에 권선된 코일과 일체로 형성된 변류기(CT(Current Transformer) 센서 또는 홀(Hall) 센서와, 상기 변류기를 통과한 DC전류에 대하여 전류의 시간당 변화에 따른 유도 기전력을 생성할 수 있는 AC이상 전류를 측정하는 로고스키 센서;와, 상기 로고스키 센서를 통과한 DC전류에 대하여 잡음을 제거하는 디커플러decoupler)와 상기 잡음이 제거된 DC전류를 증폭하는 증폭부, 상기 증폭된 DC전류를 믹서(mixer)에 의해 30-48kHz의 발진 주파수와 믹싱하여 가청주파수대의 신호 대역으로 변환하여 저대역 통과 필터(Low Pass Filter)를 통해 원하는 가청주파수 대역의 신호를 출력하여 상기 DC전류의 이상상태를 LCD상의 모니터 상에 표시하는 초음파 센서; 및 MCU(Micro Controller Unit) 내의 알고리즘에서 경계값을 설정하여, 온도센서로부터 받은 아날로그나 디지털 정보를 수치 변환하여 경계값과 비교하여 다음단계의 알고리즘을 수행하는 적외선 센서를 포함하여, 각각 DC전류의 비정상 상태인 DC전류 이상 값, AC전류 이상 값, 공기분자의 충돌에 의한 아크 및 코로나 현상 및 피사체의 이상 고온 현상에 대한 측정을 실시간 다발적으로 수행하여 각 센서의 상태를 검증하여 피드백하는 구성으로, 여러 개의 MCU가 상호간의 내부 통신을 수행하여 실시간 다면 평가를 수행한다.

Description

ESS에서의 DC전류 이상상태 감지 장치 및 감지 방법{DC CURRENT UNUSUAL CONDITION SENSING APPARATUS AND SENSING METHOD OF THE SAME IN ENERGY STORAGE SYSTEM}
본 발명은 에너지 저장장치(Energy Storage System; ESS)에서 직류로 구동되는 전류전원에서 전류 및 전압을 측정할 수 있는 수단인 CT(Current Transformer) 센서로 선로 이상상태를 측정하거나, 로고스키 코일(rogowski coil)를 사용하여 CT 센서로 측정할 수 없는 영역의 전류 이상을 측정하거나 초음파 센서(ultrasonic Sensor) 또는 IR(적외선) 분석을 통해 일정하게 ESS에서의 DC 전류의 이상 상태를 체크할 수 있는 ESS에서의 DC전류 이상 상태 감지 장치 및 감지 방법에 관한 것이다.
본 발명은 ESS에서의 DC전류의 이상상태 감지 장치 및 감지 방법에 관한 것이다.
에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS)는 생산된 전기를 저장장치(배터리 등)에 저장했다가 전력이 필요할 때, 공급하여 전력 사용 효율을 향상시킬 수 있는 시스템을 말한다.
이러한 ESS는 1) 전력저장원(배터리, 압축공기 등), 2) 전력변환 장치(PCS), 3) 전력관리 시스템 등 제반 운영시스템으로 구성된다. 이러한 전력저장원으로는, LIB(리튬 이온 전지), NaS(나트륨 황 전지), RFB(레독스흐름전지), SuperCapacitor(슈퍼커패시터), Flywheel(플라이 휠), CAES(압축공기 저장)를 포함할 수 있다.
이와 같은 ESS를 설치하는 이유는 주파수 조정, 신재생 에너지 연계, 수요 반응, 비상 발전 등에 활용함으로써 전력피크 억제하고, 전력품질 향상 및 전력수급 위기 대응할 수 있도록 한 것이다. 공공기관 건축물이 ESS를 전력피크 억제를 위해 활용할 경우, 충전요금 및 기본 요금, 사용량 요금을 절감할 수 있다.
이러한 ESS의 활용을 위해 [공공기관 에너지 이용 합리화 추진에 관한 규정]제11조 5항에 따를 때, 공공기관은 전력피크 저감 등을 통해 계약 전력 1,000kW 이상의 건축물에 계약 전력 5%이상 규모의 에너지 저장장치를 설치하여야 한다고 규정하고 있다.
계약 전력 5% 이상 규모의 에너지 저장장치(ESS)는 PCS 정격 용량 설비 기준(kW)이며, ESS의 저장용량(kWh)은 피크 절감 등 운용 목적을 고려하여 정할 수 있다고 규정하고 있다. 또한 피크 절감 효과를 위해서는 ESS출력(kW)으로 최소 2시간 이상(경우에 따라 3-6시간) 충전 또는 방전을 지속할 수 있는 저장용량(kWh)을 확보하여야 한다.
이와 같은 ESS설비의 구성에 필요한 기본적인 기자재는 PCS(Power Conversion System), 배터리(PCS에 의해 전력을 저장하고, 저장된 전력을 공급하는 이차 전지 장치), BMS(전지의 상태와 전위차를 안정화하고, 과충전 또는 과방전시 전지를 보호하는 등 전지를 관리하는 시스템), PMS(PCS와 BMS를 직접 통신하여 충 방전 전력량을 제어하고, 시스템과 연계된 보호 계전기 등과 보호 협조 기능을 수행하는 전력관리 시스템), EMS(에너지를 효율적으로 괸리하기 위해 다수의 PMS 또는 원격지에서 설비를 제어하거나 상위제어기(예, SCADA_Supervisory Control And Data Acquisition)를 통해 다른 시스템과 상호 동작할 수 있는 통합에너지 관리시스템), 전기설비(ESS 시스템을 계통에 연결하는 변압기, 차단기, 보호계전기, 전력량계, 접지 및 통신 등의 기자재), 공조 설비(전기의 수명과 성능을 안정적으로 유지하기 위한 항온 항습설비), ESS 설비의 사고를 대비한 CO2 또는 하론 등의 설비)를 포함할 수 있다.
ESS 시스템은 이와 같이 다양한 장치로 구성되어 있기 때문에 각 지점에 대한 이상여부의 판단을 위해서는 다양한 장치를 동원하여 이상 지점을 빨리 검출하고 이에 적절한 조치를 취하여야 함에도 불구하고 아직까지 이에 대한 구체적인 해결방안은 모색되고 있지 않은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 발명된 것으로서, ESS에서 흐르는 직류 전류의 이상여부에 대한 판단을 수행하여 ESS 장치의 이상 지점에 대한 판단이 용이하고, 전력 효율을 꾀할 수 있는 ESS에서의 DC전류 이상상태 감지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 ESS 시스템을 관리하는 데 있어서 전류 이상에 대한 직접적인 수단인 변류기와 이의 측정할 수 있는 오차범위를 넘는 영역에 대한 측정수단인 로고스키 코일을 결합하여 DC전류의 오차 발생에 대한 가능성을 최소화하고, 이와 더불어 아크 발생과 같은 현상에서 발생할 수 있는 초음파를 감지할 수 있는 수단을 더 구비하고, 온도 변화에 따른 ESS 시스템 내에서의 열화 부분에 대한 판단을 용이하게 하여 DC 전류에서의 이상 상태를 체크하여 문제가 발생할 수 있는 지점에 대한 파악을 용이하게 하여 효율적인 관리를 수행할 수 있는 ESS에서의 DC전류 이상 상태 감지방법을 제공하는 데 또 다른 목적이 있다.
상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 ESS에서의 DC전류의 이상 상태 감지 장치는, ESS에서 전원의 출력단을 구성하는 복수개의 DC전류 이상 상태 감지 장치에 있어서, 에나멜 코팅된 코일을 환형의 자심에 권선하여 권선된 코일의 양끝단을 경보기의 개폐기구로 연결하여 개폐기구를 작동시킬 수 있도록 구성되되, 상기 DC전류의 흐름 상태를 체크하는 링 형상이며, 상기 DC전류가 상기 환형의 자심에 권선된 코일과 일체로 형성된 변류기(CT(Current Transformer) 센서 또는 홀(Hall) 센서와, 상기 변류기를 통과한 DC전류에 대하여 전류의 시간당 변화에 따른 유도 기전력을 생성할 수 있는 AC이상 전류를 측정하는 로고스키 센서;와, 상기 로고스키 센서를 통과한 DC전류에 대하여 잡음을 제거하는 디커플러(decoupler)와 상기 잡음이 제거된 DC전류를 증폭하는 증폭부, 상기 증폭된 DC전류를 믹서(mixer)에 의해 30-48kHz의 발진 주파수와 믹싱하여 가청주파수대의 신호 대역으로 변환하여 저대역 통과 필터(Low Pass Filter)를 통해 원하는 가청주파수 대역의 신호를 출력하여 상기 DC전류의 이상상태를 LCD상의 모니터 상에 표시하는 초음파 센서; 및 MCU(Micro Controller Unit) 내의 알고리즘에서 경계값을 설정하여, 온도센서로부터 받은 아날로그나 디지털 정보를 수치 변환하여 경계값과 비교하여 다음단계의 알고리즘을 수행하는 적외선 센서를 포함하여, 각각 DC전류의 비정상 상태인 DC전류 이상 값, AC전류 이상 값, 공기분자의 충돌에 의한 아크 및 코로나 현상 및 피사체의 이상 고온 현상에 대한 측정을 실시간 다발적으로 수행하여 각 센서의 상태를 검증하여 피드백하는 구성으로, 여러 개의 MCU가 상호간의 내부 통신을 수행하여 실시간 다면 평가를 수행한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS에서의 DC전류 이상 상태 감지방법은, 복수개의 LIB(Lithum Ion Battery)에서 출력되는 복수개의 전력선에 대하여 각각 실시간으로 변류기(Current Transformer 센서)로 DC 이상 전류의 발생여부를 감시하는 단계(s10);와, 상기 복수개의 전력선이 통과하는 로고스키 코일의 중심부에서 발생하는 전류신호로부터 AC 이상 전류를 검출하는 단계(s20);와, 상기 전력선이 통과하는 복수 개의 지점에 대하여 초음파 센서를 통하여 아크 발생여부를 감시하는 단계(s30); 상기 전력선이 통과하는 복수 개의 지점에 대하여 적외선 센서를 통하여 MCU(Micro Controller Unit) 내의 알고리즘에서 경계값을 설정하여, 온도센서로부터 받은 아날로그나 디지털 정보를 수치 변환하여 경계값과 비교하여 다음단계의 알고리즘을 수행하여 온도 감지 대상 부위의 열화 여부를 판단하는 단계(s40)를 포함하는 것일 수 있다.
상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 에너지 저장장치인 ESS 시스템에서 생산된 전기를 저장장치(배터리) 등에 저장하였다가 전력이 필요할 때 공급하여 전력 사용 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 ESS에서의 DC전류 이상 상태 확인 장치에 의하면, 전원의 출력단을 구성하는 DC 전류에 대하여 전류, 주파수, 열화 및 아크 발생에 대한 이상 상태를 다면적으로 평가할 수 있어서 고장 발생시 이러한 지점에 대한 판단이 용이하고, 이에 대한 대응책을 신속하게 마련하여 이상 지점에 대한 판단이 용이할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변류기의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다면 평가 시스템을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로고스키 코일의 구성을 보여주는 사시도이다.
도 5는 변류기 센서에서 이상 상태 검출신호를 보여주는 도면이다.
도 6은 로고스키 코일에서 이상상태를 검출신호를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서로 DC전류의 이상상태를 측정하는 것을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS에서의 DC전류 이상상태 감지방법을 보여주는 절차도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고, "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 ESS에서의 DC전류의 이상 상태를 감지할 수 있는 각각의 장치에 대한 특성에 대하여 설명한다.
변류기(Current Transformer)(100)는 자기 회로를 구성하는 철심으로 1차 권선이 통과하고, 철심 2차에는 2차 권선이 1:10의 권선비로 감겨져 있는 경우를 예로 들 수 있다. 이때 1차 권선으로 전류 I1(60Hz정현파 교류)가 흐른다고 가정하면, 오른 나사의 법칙에 따라 철심에는 ø1 방향의 자속이 만들어지고, 1차의 전기회로가 철심의 자기 회로로 전자기 변환이 이루어지게 된다. 이 경우 전류 I1과 자속 ø1의 크기는 정비례의 관계에 있게 된다. 이상과 같은 전자기 변환으로 구성된 자기 회로에서 2차권선이 구성되어 폐회로를 이루게 되면, 철심의 자기력이 다시 2차 회로의 전기력으로 2차 전자기 변환이 일어나게 된다.
이와 같은 전자기 변환은 마치 작용 반작용의 법칙과 같아서, 2차 권선에 나타나는 전류의 방향은 1차 권선에서 발생한 자속 ø1을 상쇄시키는 방향이 되고, 2차 전류 I2의 크기는 I1에 의한 자속 ø1을 정확하게 상쇄시킬 수 있는 딱 그만큼의 ø2만 만들어내는 크기가 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변류기(CT 센서)의 구성을 보여주는 분해사시도이다.
도 1을 참조하면, 변류기(100)는 이상 전류가 발생하는 경우, 영상 전류를 검출하여 차단기를 동작시켜 회로를 차단하고 전류를 끊음으로써, 위험사고를 줄이는 것으로, 전원에서 부하 측으로 통하는 전로를 변류기(100)에 관통시켜 놓으면, 회로가 정상인 경우에는 변류기(100)에 발생한 자속은 서로 상쇄되어 전류는 발생하지 않으나, 회로에 누전 또는 감전 등이 발생하면 변류기(100)의 철심에는, 누전 전류에 의한 강한 자속이 발생되어 2차 권선에 전압이 유도되어 전로의 개폐기구를 동작시키게 된다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 변류기(100)는, 에나멜 코팅된 코일(22)을 환형의 자심(21)에 권선하여 권선된 코일(22)의 양끝단을 경보기의 개폐기구로 연결하여 개폐기구를 작동시킬 수 있도록 구성되되, 상기 DC전류의 흐름 상태를 체크하는 링 형상이며, 상기 DC전류가 상기 환형의 자심에 권선된 코일(22)과 일체로 형성된 것일 수 있다. 여기서 금속커버(30)는 코일(22)과 자심(21)을 보호하기 위한 구성이고, 별도의 격실을 형성하여 결선부(15)를 형성한 구성이다. 여기서 합성수지 본체(10)는 금속케이스(14)를 삽입하는 요홈(13)에는 두께를 최소화할 수 있도록 구성할 수 있다. 그리고 걸림턱(15a)이 형성되어 있어서, 결선부 커버(16)에는 걸림돌기(16a)가 형성되어, 걸림턱(15a)에 걸림돌기(16a)를 삽입함으로써 결합 고정하게 된다.
일반적으로 사용되는 전류측정 센서는 대부분 변류기(100)이다. 변류기(100)는 상술한 바와 같이, 자성체 코어를 사용함으로써, 자기포화와 측정 범위 대 크기의 한계로 인하여 규정 오차 범위내에서 측정할 수 있는 전류 범위는 크게 제한되어 있다. 또한 명목 전류의 수십~수백 배에 이르는 사고 전류를 정확히 검출하기는 불가능하다. 그리고 전자식 차단기나 계전기(relay)는 정격전류의 수십~수백배에 해당하는 단락 사고 전류까지 측정하여 사고 전류에 적합한 차단시간을 결정하고, 넓은 범위의 전류를 소정의 오차 범위내로 측정하여야 한다. 이러한 전자식 차단기나 계전기에 종래의 강자성체의 코어를 사용한 자성체의 변류기를 사용하면 전 범위의 전류를 다시 세분화하여 다수개의 변류기를 사용하여야 하므로 제작비용이 많이 드는 문제점이 있었다. 이러한 경우에 로고스키 코일을 사용한 변류기를 사용할 수 있다. 즉 로고스키 코일은 암페어의 주회로법칙에 따라 피측정 전류에 의하여 발생된 자속쇄교량이 변화되고, 자속 쇄교량의 변화에 따라 유도되는 기전력을 측정하여 전류를 간접적으로 측정하는 방식이다. 이러한 무철심형 전류센서의 로고스키 코일은 기존의 강자성체 코어의 변류기와는 달리 공심형이거나 비자성체의 재료(μ=1)를 사용한다. 따라서 자기적으로 포화되지 않고 넓은 전류의 영역에 걸쳐 측정전류의 유기전압이 선형적인 관계를 갖는다.
증폭부는 무철심형 전류센서에서 출력되는 전류의 신호를 입력받아 소정의 크기로 증폭시킨다. 로고스키 코일(110)을 사용하는 무철심형 전류센서는 전류의 크기가 작은 영역에서 로고스키 코일의 출력전압이 낮기 때문에 이를 검출함에 있어서, 필요한 크기만큼 증폭시켜야 한다. 뿐만 아니라 로고스키 코일에 발생하는 유도기전력에 대한 측정을 수행하게 되므로 주변에 자계에 대한 영향력을 최소화하는 과정이 필요할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다면 평가 시스템을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 DC이상상태 감지장치는 CT센서인 변류기(100), 로고스키 코일(110), 초음파 세서 및 적외선 센서로 DC이상상태를 감지하되, 전류 범위에서의 이상 신호, 특이 신호의 발생여부 등에 따라 다면적인 평가가 가능할 수 있다.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, normal 상태에서는 정상적인 신호라고 판단할 수 있고 이상상태, 예를 들면, 과도 신호개수가 10ea/sec일 때에는 정상 상태라고 할 수 있고, 20ea/sec일 때에는 alarm step1(과도신호 편차를 10%라고 가정한다)이라고 평가할 수 있다.
또한 과도신호개수 30ea/sec일때에는 alarm step2라고 평가할 수 있다. 또는 과도 신호의 크기로도 이상 상태에 대한 판단이 가능할 수 있다. 예를 들면 과도 신호의 편차가 20%의 과도 신호 개수가 10ea/sec일 때에는 alarm step2라고 판단할 수 있다.
이와 같은 기준에 따라 CT센서(100) 또는 Hall 센서, Rogowski coil 센서(110), 초음파 센서, 적외선 센서 각각에 대하여 기준을 정하고 이 기준을 바탕으로 normal step, alarm step1, 또는 alarm step2라고 평가할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로고스키 코일의 구성을 보여주는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 로고스키 코일(110)의 구조는 코일 자체에서 상기 코일(1)의 주변을 지나가는 전류의 시간당 변화에 따라 유도기전력이 발생하고 전압을 출력할 수 있다. 또한 코일 전체가 원턴 코일 구조로 되어 있기 때문에 불필요한 자속을 검출하지 않도록 소거용 되감기코일(130)라는 부분을 포함할 수 있다.
출력으로 얻을 수 있는 전압값(Vc)는 로고스키 코일(110) 속을 통과하는 DC 전류(1)가 흐르는 전선에 흐르는 전류량의 미분값에 비례하므로 코일출력 뒤쪽 단에 적분기(140)를 접속한다. 그러나 적분기(140) 회로 자체도 번거롭기 때문에 그대로 만들면 오프셋 전압 등으로 회로 출력이 포함된다. 그래서 저역에서 유한한 이득이 되도록 적분 컨덴서에 병렬로 저항을 접속한다.(이로 인해 저역의 주파수 특성은 열화된다.)
이상과 같은 방식으로, 변류기(100) 센서의 경우에는 상기 DC전류의 흐름에서 DC 전류의 이상상태를 체크할 수 있다. 이에 반해 도 3에 도시된 바와 같은 로고스키 코일(110)은 DC전류 상에서 흐르는 직류 전류에 대하여 주변에 배치된 로고스키 코일(110)을 통해서 전류의 시간당 변화에 따른 유도 기전력을 생성할 수 있는 이상 AC전류에 대하여만 측정이 가능할 수 있다. 이와 같은 직류 전류의 이상 전류에 대해서는 변류기(100)의 유도 전류로부터 측정하고 직류 전류의 이상 AC전류에 대해서는 로고스키 코일(110)의 유도 기전력으로부터 측정할 수 있기 때문에 ESS에서의 이상 전류에 대한 다면적인 감시가 가능할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이상상태 검출신호를 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 접촉 불량 초기 상태에서 왜곡된 신호가 적은 부분에서 발견되지만, 접촉불량 중기상태의 검출신호와 심각 상태의 검출신호에서는 응답 신호에서 많은 왜곡이 발생한다는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 변류기 센서에서 이상 상태 검출신호를 보여주는 도면이고, 도 6은 로고스키 코일에서 이상상태를 검출신호를 보여주는 도면이다.
도 5 를 참조하면 하늘 색 라인은 변류기 센서(CT 센서)의 신호를 나타내고, 노란색 라인이 로고스키 코일을 이용하여 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이 변류기에서는 노이즈에 따라 아래쪽에서 나타나는 신호로부터 이상 신호(노이즈)가 발생하였음을 확인할 수 있다.
도 6을 참조하면, 변류기 센서에서 측정된 결과에서는 강한 신호를 보여주지만, 로고스키 코일 센서에서는 이상적으로 큰 신호가 발생한 것으로 볼 때, 자기적으로 포화되지 않은 상태에서 이상 신호(노이즈 신호)가 발생하였음을 바로 확인할 수 있다. 이와 같은 서로 상이한 측정 방식으로 본 발명의 일 실시예에 따른 변류기(CT센서)(100)와 로고스키 코일(110)을 사용한 측정방식은 서로 간의 부족한 측정 범위를 보완하여 전체적인 DC전류에서 발생한 노이즈들을 낮은 오류율로 측정할 수 있다.
본 발명에서는 또 다른 측정방식으로 전기적 연결부분의 결함 부분을 흐를 때, 초음파를 발생시키는 현상을 이용하여 아크나 코로나를 측정할 수 있는 방법을 사용할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서로 DC전류의 이상상태를 측정하는 것을 보여주는 도면이다.
도 7을 참조하면 이상신호가 발생한 것을 확인할 수 있지만, 상술한 변류기(100)와 로고스키 코일(110)의 신호와 결합하여 노이즈에 의한 ESS에서의 측정 오류를 최소화할 수 있다.
초음파 센서의 원리에 대하여 상술하면 이하와 같다.
전기가 고전압 주변이나 저압부의 전기적 연결부의 결합부분을 흐를 때 주변의 공기분자를 교란시키고 이 공기의 교란에 의한 공기분자의 충돌에 의해 코로나가 발생하고 그에 따른 초음파를 발생시킨다. 흔히 이 소리들은 일반적으로 딱딱 때리는 소리 또는 톡톡 튀기는 소리로 감지되기도 하며 부저를 울리는 소리로 들리기도 한다. 이와 같은 아크나 코로나 중 소리 에너지로 전환되는 에너지는 대략 90%가 초음파 에너지로 전환된다. 이러한 초음파 검출 역시 다양한 형태의 잠재적인 DC전류 상의 전기적 고장들, 특히 아킹이나 코로나, 트래킹 같은 전기적 고장을 확인하는 데 이용될 수가 있다.
초음파 검출장치는 비교적 장치가 간단하고, 현장 적용에 용이하며, 전기적인 측정방식과는 서로 상호 간섭을 일으키지 않으며, 고전압기기의 전기적 측정에서 문제가 되고 있는 정전용량 및 외부 잡음에 대한 영향도 받지 않으므로 방전감지에 매우 요긴하게 이용될 수 있다. 초음파는 사람이 들을 수 있는 가청주파수 대역에 있지 않으므로 초음파의 발생여부를 초음파 센서가 감지하면, 방전상태에 대한 확인으로 감지할 수 있다. 코로나 방전이나 아크 방전은 그 특성이 달라 초음파의 주파수 대역에서도 차이가 있다. 이와 같이 초음파 센서에서 측정된 초음파는 가청주파수대로 변환되어야 한다. 초음파 센서에서 감지된 초음파를 가청주파수대의 신호로 변환하도록 구성될 수 있으며, 가청주파수대의 신호는 디지털 그래픽 형태로 변환하여 LCD 등을 통해 확인할 수 있다.
초음파 센서는 먼저 디커플러(decoupler)에 의해 초음파 신호의 잡음을 제거하고, 증폭할 수 있다. 그리고 믹서(mixer)에 의해 30-48kHz의 발진주파수와 믹싱하여 가청주파수 대의 신호 대역으로 변환하여 LPF(Low Pass Filter)를 통해 원하는 가청주파수 대역의 초음파를 출력하고 그래픽 형태로 출력할 수 있도록 구성할 수 있다. 이와 같은 출력패턴을 LCD 상에서 디스플레이하면, 아크 방전이나 코로나 방전의 상태여부를 확인할 수 있다.
적외선 센서는 내부 열화를 감지하기 위한 센서로서, 와 같이, 열화나 화재의 취약성을 갖는 부위의 지점에서 방출되는 적외선을 감지하여 그 지점의 온도를 검출할 수 있다.
적외선 센서는 -30℃~500℃의 피사체의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서와, MCU(Micro Controller Unit) 내의 알고리즘에서 경계값을 설정하여, 온도센서로부터 받은 아날로그나 디지털 정보를 수치 변환하여 경계값과 비교하여 다음단계의 알고리즘을 수행하는 있다. 적외선센서는 측정된 온도의 정보를 크게 아날로그와 디지털로 출력되는 형태가 있으며 그중 디지털로 출력되는 것은 크게 I2C(inter-integrated circuit)와 같은 통신 출력을 하는 것이 대부분이다. 즉 온도감지의 알고리즘에 있어서 타켓온도와 주변온도의 지수를 판단하여, 능동적으로 감도를 조절하는 지능형 판단 알고리즘을 사용할 수 있다. 예를 들면, 주변의 대기 온도가 높게 되면 타켓 온도는 주변의 온도에 영향을 받아 온도 상승이 이뤄지기 때문에, 주변온도가 높으면 감도를 일부 지능적으로 낮추는 기능. 예를 들자면 햇빛에 노출된 ESS가 있다고 가정했을 경우, 햇빛에 노출되면 내부의 주변 온도는 상승할것이며, 이때 타켓의 온도가 80도일때와 햇빛에 노출되지 않았을 때 내부의 주변온도는 전자의 경우보다 온도는 상대적으로 낮을 것으로 추정되는데 이때 타켓의 온도가 80℃인것과는 판단하는 기준의 능동적 변형 범위를 설정할수 있다.
이상과 같은 방식으로 DC전류에 대한 각 채널을 흐르는 기준치보다 적은 크기의 이상전류를 측정하는 변류기(100) 또는 홀 센서(미도시), DC전류에서 높은 신호 크기를 가지는 AC 이상전류를 측정하는 로고스키 코일(110), 공기 분자의 충돌에 의한 코로나의 발생에 따른 초음파를 감지하는 초음파 센서, DC전류 상에서 발생하는 적외선을 감지하여 온도를 검출하여 이상 상태를 판단하는 적외선 센서를 결합시키는 방식으로, ESS에서의 이상 전류에 대한 판단이 용이해 질 수 있고 문제가 발생하는 지점과 문제의 발생 양상에 대한 판단이 용이하기 때문에 이상 지점 검출수단으로서의 다면적 평가가 가능할 수 있다.
거기에 더하여 상기 DC전류를 공급하는 라인과 별개로, 모니터링, 감시, 관리하는 모니터, 키보드 및 마우스 또는 이를 대체할 수 있는 터치스크린을 포함하는 별개의 휴먼인터페이스(Human Interface Unit)를 포함하여 실시간으로 이상 상태 판단과 더불어 PV(Photovoltaic)-어레이의 배터리 랙 이상을 체크하여 ESS시스템의 출력이상을 감지하는 서버시스템을 포함할 수 있다.
이하에서는 ESS에서 복수개의 DC전류 이상 상태 감지방법에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS에서의 DC전류 이상상태 감지방법을 보여주는 절차도이다.
도 8을 참조하면, ESS에서의 복수개의 DC전류 이상상태 감지방법은, 복수개의 LIB(Lithium Ion Battery)에서 출력되는 복수개의 전력선에 대하여 각각 실시간으로 변류기(Current Transformer 센서)로 이상 전류의 발생여부를 감시하는 단계(s10);와, 상기 복수개의 전력선이 통과하는 로고스키 코일의 중심부에서 발생하는 전류신호로부터 이상 전류를 검출하는 단계(s20);와, 상기 전력선이 통과하는 복수 개의 지점에 대하여 초음파 센서를 통하여 아크 발생여부를 감시하는 단계(s30); 및 상기 전력선이 통과하는 복수 개의 지점에 대하여 적외선 센서를 통하여 MCU 내의 알고리즘에 경계값을 설정하여, 온도 감지 대상 부위의 열화 여부를 판단하는 단계(s40)를 포함할 수 있다.
이상과 같이 LIB에서 출력되는 채널 전류에 대하여 4개의 센서와 상술한 출력단에서의 출력단 이상을 체크하는 방식으로 효율 저하까지 측정할 수 있는 다면 방식으로 이상 상태 점검과 함께, 전력 효율의 최적화를 도모할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
1: DC전류 10: 본체
13: 요홈
14: 금속케이스 15: 결선부
15a: 걸림턱 16: 결선부 커버
16a: 걸림 돌기
22: 코일 33: 저항
30: 금속 커버
100: 변류기(CT센서) 110: 로고스키 코일
111: 센서코어 112: 펄스공급라인
113: 펄스유도 라인 130: 되감기 코일
140: 적분기

Claims (4)

  1. ESS에서 전원의 출력단을 구성하는 복수개의 DC전류 이상 상태 감지 장치에 있어서,
    상기 DC전류 이상상태 감지장치는,
    전력변환장치(PCS; Power Conversion System)을 포함하고,
    DC 전류에 대한 각 채널을 흐르는 기준치보다 적은 크기의 이상전류를 측정하고,
    에나멜 코팅된 코일을 환형의 자심에 권선하여 권선된 코일의 양끝단을 경보기의 개폐기구로 연결하여 개폐기구를 작동시킬 수 있도록 구성되되, 상기 DC전류의 흐름 상태를 체크하는 링 형상이며, 상기 DC전류가 상기 환형의 자심에 권선된 코일과 일체로 형성된 변류기CT(Current Transformer) 센서 또는 홀(Hall) 센서;
    상기 변류기를 통과한 DC전류에 대하여 전류의 시간당 변화에 따른 유도 기전력을 생성할 수 있는 AC이상 전류에 대한 측정을 수행하고,
    로고스키 코일에 발생하는 유도기전력에 대한 측정을 수행하게 되므로 주변에 자계에 대한 영향을 최소화하는 과정이 필요하고, 코일 전체가 원턴 코일 구조로 되어 있기 때문에 불필요한 자속을 검출하지 않도록 소거용 되감기 코일을 포함하는 로고스키 센서;
    상기 로고스키 센서를 통과한 DC전류에 대하여 잡음을 제거하는 디커플러(decoupler)와 상기 잡음이 제거된 DC전류를 증폭하는 증폭부, 상기 증폭된 DC전류를 믹서(mixer)에 의해 30-48kHz의 발진 주파수와 믹싱하여 가청주파수대의 신호 대역으로 변환하여 저대역 통과 필터(Low Pass Filter)를 통해 원하는 가청주파수 대역의 신호를 출력하여 상기 DC전류의 이상상태를 LCD상의 모니터 상에 표시하는 초음파 센서; 및
    MCU(Micro Controller Unit) 내의 알고리즘에서 경계값을 설정하여, 온도센서로부터 받은 아날로그나 디지털 정보를 수치 변환하여 경계값과 비교하여 다음단계의 알고리즘을 수행하는 적외선 센서를 포함하여,
    각각 DC전류의 비정상 상태인 DC전류 이상 값, AC전류 이상 값, 공기분자의 충돌에 의한 아크 및 코로나 현상 및 피사체의 이상 고온 현상에 대한 측정을 실시간 다발적으로 수행하여 각 센서의 상태를 검증하여 피드백하는 구성으로, 여러 개의 MCU가 상호간의 내부 통신을 수행하여 실시간 다면 평가를 수행하는 것을 특징으로 하는 ESS에서의 DC전류의 이상상태 감지 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 DC전류를 공급하는 라인과 별개로, 이상신호를 모니터링, 감시하는 모니터, 키보드 및 마우스 또는 모니터, 키보드 및 마우스를 대체할 수 있는 터치스크린을 포함하는 별개의 휴먼인터페이스(Human Interface Unit)를 포함하는 임베디드 서버시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS에서의 DC전류의 이상 상태 감지 장치.

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