KR101865152B1 - 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템 - Google Patents

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KR101865152B1 KR1020170022897A KR20170022897A KR101865152B1 KR 101865152 B1 KR101865152 B1 KR 101865152B1 KR 1020170022897 A KR1020170022897 A KR 1020170022897A KR 20170022897 A KR20170022897 A KR 20170022897A KR 101865152 B1 KR101865152 B1 KR 101865152B1
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배명진
이승헌
김영주
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템은 분전반 또는 콘센트의 전력을 측정하는 전력 측정 모듈; 고정 IP를 갖고, 상기 전력 측정 모듈로부터 데이터를 수신받는 제1 서버; 상기 제1 서버로부터 상기 전력 측정 모듈에서 전송한 데이터를 전달받아 저장하고, 저장된 상기 데이터를 외부에 구비된 휴대용 단말기로 전송하는 제2 서버;를 포함하고, 상기 전력 측정 모듈과 상기 제1 서버간의 통신 및 상기 제1 서버와 상기 제2 서버간의 통신은 MQTT 프로토콜을 이용하여 수행한다.

Description

원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템{POWER MONITORING SYSTEM BASED ON REMOTE CONTROL AND MEASUREMENT}
본 발명은 전력 모니터링 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템에 관한 것이다.
산업의 발전에 따라 가정 및 사업장내에 조명, 냉난방 시설 및 다양한 가전제품의 사용이 증가하고, 이에 따라 더욱 많은 전기에너지를 사용하고 있다. 더욱이, 최근의 과도한 전력소비로 인하여 전력 부족 현상이 빈번히 발생하여 전력소비량의 체계적인 관리가 필요한 실정이다.
일반적으로 가전제품은 사용시에 플러그를 콘센트에 연결한 상태로 놓아두면 일정 부분의 대기전력이 소모된다.
대기전력이란 전원을 끈 상태에서도 전기제품에서 소비되는 전력으로서, 대기전력은 작동전력에 비해서 미미하지만 전기 기기가 장시간 대기전력 공급 상태로 있는 경우가 대부분이기 때문에 전력낭비가 심각하다고 할 수 있으므로, 전력소비량의 체계적인 관리를 위해서는 대기전력의 집중 관리가 필요하다.
안전정인 전력예비율 확보를 위하여 전력생산설비의 증대가 요구되나, 전원입지의 확보난 가중, 막대한 투자재원 조달, 환경규제의 강화 등으로 문제해결이 어렵기 때문에 전력관리는 전력수급의 안정성 및 전력낭비를 줄이기 위해서 반드시 필요하다고 할 수 있다.
최근, 상술한 문제점을 해소하기 위하여 스마트폰 등의 휴대용 단말기와 연동되는 지능형 분전반 제품들이 출시되고 있지만, 사용자 중심의 모듈화된 장치의 개발은 부족한 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0047709호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.
하나의 제품으로 분전반과 콘센트에 모두 적용이 가능한 전력 측정 모듈 및 이를 포함하는 전력 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 고정 IP를 사용하기 어려운 환경에서 동작할 수 있는 전력 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해되어질 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템은 분전반 또는 콘센트의 전력을 측정하는 전력 측정 모듈; 고정 IP를 갖고, 상기 전력 측정 모듈로부터 데이터를 수신받는 제1 서버; 상기 제1 서버로부터 상기 전력 측정 모듈에서 전송한 데이터를 전달받아 저장하고, 저장된 상기 데이터를 외부에 구비된 휴대용 단말기로 전송하는 제2 서버;를 포함하고, 상기 전력 측정 모듈과 상기 제1 서버간의 통신 및 상기 제1 서버와 상기 제2 서버간의 통신은 MQTT 프로토콜을 이용하여 수행한다.
상기 전력 측정 모듈은, 상기 분전반 또는 콘센트로부터 입력받는 교류 전원의 전압 및 전류를 측정하는 전압-전류 측정부; 상기 전압-전류 측정부에서 측정된 전압 및 전류에 기초하여 평균 전력을 산출하는 평균 전력 산출부; 상기 제1 서버와 통신을 수행하도록 구비되는 통신부; 상기 전력 측정 모듈 내부 온도를 검출하는 온도 센서; 및 상기 통신부를 통하여 전달된 제어 명령 및 상기 온도 센서에서 검출한 온도 중 적어도 하나에 기초하여 상기 분전반 또는 콘센트로부터의 교류 전원의 입력 여부를 제어하는 스위치부;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전압-전류 측정부는, 부하와 병렬로 연결되고, 일측이 상기 분전반 또는 콘센트의 일측과 연결되는 전압 측정부; 및 일측이 상기 전압 측정부의 타측과 연결되고, 타측이 상기 분전반 또는 콘센트의 타측과 연결되는 전류 측정부;를 포함하고, 상기 전압 측정부는 상호 직렬로 연결된 제1 저항 및 제2 저항을 포함하고, 상기 전류 측정부는 제3 저항을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제2 저항 양단에 연결되는 제1 AC 선형변환부; 및 상기 제3 저항 양단에 연결되는 제2 AC 선형변환부;를 더 포함하고, 상기 평균 전력 산출부는 상기 제1 교류-직류 컨버터의 출력값 및 상기 제2 교류-직류 컨버터의 출력값에 기초하여 평균 전력을 산출하는 것이 바람직하다.
상기 전력 측정 모듈은, 상기 전압-전류 측정부, 평균 전력 산출부, 통신부, 온도 센서 및 스위치부를 수용하는 인쇄회로기판; 내부에 상기 인쇄회로기판을 수용하고, 상기 분전반과 전기적으로 결속 가능하도록 형성된 제1 하우징; 상기 제1 하우징을 수용하도록 내부에 수용부가 마련되고, 일측 및 타측 중 적어도 하나는 상기 콘센트 및 상기 콘센트로부터 전원을 인가받는 외부 기기에 연결 가능하도록 형성된 제2 하우징;을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전력 측정 모듈은, 상기 전압-전류 측정부, 평균 전력 산출부, 통신부, 온도 센서 및 스위치부를 수용하는 인쇄회로기판; 내부에 상기 인쇄회로기판을 수용하고, 표준 전원 입출력 플러그를 구비하는 제3 하우징; 및 일측은 상기 표준 전원 입출력 플러그와 연결되도록 형성되고, 타측은 상기 분전반 또는 상기 콘센트에 연결되도록 형성되는 연결부재;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 휴대용 단말기에는 상기 전력 측정 모듈의 상태를 출력하고, 상기 전력 측정 모듈을 제어하기 위한 어플리케이션이 설치되고, 상기 어플리케이션은 상기 전압-전류 측정부가 측정한 데이터 및 상기 평균 전력 산출부가 산출한 데이터를 상기 휴대용 단말기의 디스플레이상에 출력하는 것이 바람직하다.
상기 어플리케이션의 구동에 의하여 상기 휴대용 단말기의 디스플레이상에 출력된 화면에는 상기 스위치 소자의 온/오프 상태를 확인할 수 있는 스위치 아이콘이 배치되고, 상기 스위치 아이콘의 조작에 기초하여 상기 전력 측정 모듈의 스위치 소자가 제어되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템은 고정 IP를 갖고 전력 측정 모듈로부터 데이터를 수신받는 제1 서버 및 제1 서버로부터 데이터를 전달받아 휴대용 단말기로 전송하는 제2 서버를 구비함으로써 고정 IP를 사용하기 어려운 환경에서 동작할 수 있는 전력 모니터링 시스템을 제공하는 것이 가능하다는 효과가 있다.
또한, 필요에 따라 분전반과 콘센트와 선택적으로 결합 가능하도록 구성된 하우징들을 구비함으로써 하나의 전력 측정 모듈로 분전반 및 콘센트의 전력 측정이 가능한 전력 모니터링 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템을 간략히 도시한 블록도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템 중 전력 측정 모듈의 블록도 및 회로도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템 중 전력 측정 모듈의 일 구현예를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템에서의 휴대용 단말기의 어플리케이션의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 명세서 전체에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "결합된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 결합될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 결합될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템을 간략히 도시한 블록도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템 중 전력 측정 모듈의 블록도 및 회로도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템 중 전력 측정 모듈의 일 구현예를 도시한 사시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템에서의 휴대용 단말기의 어플리케이션의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 전력 측정 모듈(100), 제1 서버(200), 제2 서버(300) 및 휴대용 단말기(400)로 구성된다.
전력 측정 모듈(100)은 분전반 또는 콘센트에 설치되어 분전반 또는 콘센트의 전력 사용량을 측정하는 기능을 수행하는 구성이며, 전력 측정 모듈(100)에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
제1 서버(200)는 고정 IP를 갖고, 전력 측정 모듈(100)과 후술한 제2 서버(300) 사이의 통신을 중계하는 기능을 수행하는 구성이다.
일반적으로 전력 측정 모듈(100)은 고정 IP를 사용하기 어려운 환경에서 동작하기 때문에 서버가 전력 측정 모듈(100)의 상태를 실시간으로 모니터링하기가 용이하지 않다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 모니터링 시스템은, 고정 IP를 갖는 제1 서버(200)가 MQTT 프로토콜을 이용하여 데이터를 중계해주기 때문에, 고정 IP를 갖고 있지 않은 전력 측정 모듈(100)의 상태를 실시간으로 확인하는 것이 가능하다.
여기에서, MQTT 프로토콜은 IBM에서 개발한 모바일용 양방향 통신규약으로 적은 데이터로 통신할 수 있도록 최적화되어 있으며, 통신시 메시지 크기에 제약이 없고 서로 다른 플랫폼과의 통신에도 문제가 없기 때문에 생산성이 높은 프로토콜이다.
즉, 전력 측정 모듈(100)과 제1 서버(200) 사이에는 MQTT 프로토콜을 이용하여 통신이 수행되고, 나아가 제1 서버(200)와 제2 서버(300) 사이에도 MQTT 프로토콜을 이용하여 통신이 수행된다.
제2 서버(300)는 제1 서버(200)로부터 전력 측정 모듈(100)에서 전송한 데이터를 전달받아 저장하고, 저장된 데이터를 휴대용 단말기(400)로 전송하는 기능을 수행하는 구성이다.
이러한 제2 서버(300)는 웹 서버로써, 내부에 데이터를 저장하기 위한 데이터베이스가 구비되어 있으며, 상술한 바와 같이 제1 서버(200)와는 MQTT 프로토콜을 이용하여 통신을 수행하고, 휴대용 단말기(400)와는 HTTP 프로토콜을 이용하여 통신을 수행한다.
이러한 제2 서버(300)는 제1 서버(200)로부터 들어오는 전압, 전류 및 기타 데이터들이 들어오는 토픽을 구독하고 있다가 데이터가 들어오면 데이터베이스에 저장 및 저장된 데이터를 전송하는 기능을 구비한다.
특히, 상술한 제1 서버(200)처럼 고정 IP를 가질 필요가 없으며, 네트워크만 항시 연결되어 있으면 어떠한 구성의 서버라도 동작이 가능하며, 향후 사용자가 많아지게 되어 하드웨어나 네트워크 구성을 변경하더라도 제1 서버(200)가 있기 때문에 데이터의 송수신에 영향을 받지 않으므로 유지 보수가 뛰어나다.
이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템 중 전력 측정 모듈(100)에 대하여 좀 더 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템에서의 전력 측정 모듈(100)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 전압-전류 측정부(110), 평균 전력 산출부(120), 통신부(130), 온도 센서(!40) 및 스위치부(150)를 포함하도록 구성된다.
전압-전류 측정부(110)는 분전반 또는 콘센트로부터 입력받는 교류 전원의 전압 및 전류를 측정하기 위한 구성이고, 평균 전력 산출부(120)는 전압-전류 측정부(110)에서 측정된 전압 또는 전류에 기초하여 평균 전력을 산출하는 구성이다.
이러한 전압-전류 측정부(110) 및 평균 전력 산출부(120)의 구체적인 예시를 들기 이전에 먼저 교류 전원의 인가에 따른 전력 산출에 대하여 설명하도록 한다.
AC 회로의 전압과 전류 및 전력의 계산은 아래의 수학식 (1)과 같다.
<수학식 (1)>
Figure 112017017846952-pat00001
(여기서 V는 순시전압중 최대값, I는 순시전류중 최대값, w는 각주파수, θ는 위상임)
만약 AC 회로의 부하가 순수한 저항성(resistive)인 경우는 전압과 전류는 동위상(in phase)이며, 부하가 유도성(inductive)이거나 용량성(capacitive)일 경우, 전압과 전류의 위상은 서로 다르다(out of phase).
이러한 점을 고려해 볼 때, 전력은 아래의 수학식 (2)와 같이 표현할 수 있다.
<수학식 (2)>
Figure 112017017846952-pat00002
실제 부하에 흐르는 평균 전력(P) 및 유도성 또는 용량성 부하에서 앞뒤로 흐르는 에너지인 무효 전력(Q)은 각각 아래의 수학식 (3)으로 표현된다.
<수학식 (3)>
Figure 112017017846952-pat00003
수학식 (3)에서 도출된 평균 전력(P)과 무효 전력(Q)은 아래의 수학식 (4)와 같이 복소 전력(S)로 표현될 수 있다.
<수학식 (4)>
Figure 112017017846952-pat00004
수학식 (4)에서의 복소 전력의 크기, 즉 복소 전력의 절대값은 피상 전력(appearent power)라 하며, 피상 전력의 단위는 볼트-암페어(Volt-Ampere)이며, 피상 전력을 이용한 역률(power factor, PF)는 아래 수학식 (5)로 정의된다.
<수학식 (5)>
Figure 112017017846952-pat00005
이하, 상술한 내용 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 모니터링 시스템에서의 전력 측정 모듈(100)의 전력 측정에 대해서 예를 들어 설명하도록 한다.
도 3의 회로도에서의 AC 전원은 220V의 AC 전원이라고 가정하면, 전압-전류 측정부(110)는 220V의 전원을 직접적으로 측정하기 어렵기 때문에 이러한 220V의 전원을 ADC(Analog to Digital Converting)가 가능한 수준으로 AC 신호를 낮추어야 한다.
따라서, 전압-전류 측정부(110)는 부하(LOAD)와 병렬로 연결되되 일측이 분전반 또는 콘센트의 일측과 연결되는 전압 측정부(111)를 구비하되, 전압 측정부(111)는 상호 직렬로 연결된 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)을 포함하도록 구성함으로써, 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)의 전압 분배를 통하여 AC 신호를 낮추게 된다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 제2 저항(R2)의 양단의 전압을 추출하는 경우, 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)으로 1MΩ 및 1KΩ의 저항을 사용할 수 있으며, 노드 A와 노드 B 사이에 걸리는 전압(Vl), 즉 라인 전압이 220Vrms(peak to peak)인 경우 전압 분배기 출력 전압인 제2 저항의 양단에 걸리는 전압(Vr2)은 0.219Vrms(peak to peak)가 된다.
즉, 전압 분배기 출력 전압(Vr2)에서 라인 전압(V1)을 계산하려면 아래 수학식 (6)을 이용하면 된다.
<수학식 (6)>
Vl=1001Vr2
한편, 전압-전류 측정부(110)는 일측이 전압 측정부(111)의 타측과 연결되고, 타측이 분전반 또는 콘센트의 타측과 연결되는 전류 측정부(112)를 포함하되, 이러한 전류 측정부(112)는 제3 저항(R3)을 포함하도록 구성된다.
이러한 제3 저항(R3)은 전류 감지를 위한 용도로 0.2Ω와 같이 작은 용량의 저항을 이용하는 것이 바람직하며, 제3 저항(R3)을 따라 흐르는 전류인 라인 전류(Il)를 알 수 있게 된다.
구체적으로, 제3 저항값 및 제3 저항의 양단의 전압(Vr3)을 알 수 있게 되므로, 이를 이용한 라인 전류(Il)는 아래 수학식 (7)을 이용하여 산출할 수 있다.
<수학식 (7)>
Il=Vr3/R3=Vr3/0.2
한편, 도 3에서의 부하의 저항이 1KΩ인 경우, 제2 저항(R2) 양단에서 측정된 전압(Vr2)은 630mV이므로, 상기 수학식 (6)을 이용하여 라인 전압(Vl)을 계산하면 630V가 되며, 이를 rms로 계산하게 될 경우 445Vrms(peak to peak)가 되고, 이를 다시 peak 전압으로 계산하게 되면 222.96Vrms(peak)의 전압이 된다.
또한, 전류 감지 저항인 제3 저항(R3) 양단에서 측정된 전압(Vr3)는 44mV이며, 상기 수학식 (7)을 이용하여 라인 전류(Il)을 계산하게 되면, 3.15A가 부하(LOAD)에 흐르는 것으로 계산된다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 측정 모듈(100)은 제2 저항(R2) 양단에 연결되는 제1 교류-직류 컨버터(113) 및 제3 저항(R3) 양단에 연결되는 제2 교류-직류 컨버터(114)를 더 포함한다.
이러한 제1 선형변환부(113) 및 제2 선형변환부(114)는 작은 공간에 실장될 수 있도록 소형화된 모듈을 적용하는 것이 바람직하며, 220V 교류 전원과 절연되기 위한 절연 기능이 있는 AC 선형변환칩인 HCPL-7520을 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 AC 선형변환칩은 입력범위 -256mV에서 +256mV에 대한 선형 전달 특성 곡선을 가지고 있으며, 입력은 차동(differential)이고 출력은 Vref이며, 이득은 Vref/0.512이다.
특히, HCPL-7520의 입력부와 출력부를 절연시키기 위하여 다른 전원을 사용하기 때문에 이 칩에 전원을 공급할 수 있는 DC-DC 컨버터를 한개 더 추가하여 독립 전원으로 동작하도록 하는 것이 바람직하다.
HCPL-7520의 출력 전압(Vref)로부터 입력 전압(Vin)을 계산하기 위하여 아래 수학식 (8)을 사용할 수 있다.
<수학식 (8)>
Figure 112017017846952-pat00006
상기 수학식 (8)와 수학식 (6) 및 (7)을 각각 결합하면 아래의 수학식 (9)를 구할 수 있다.
<수학식 (9)>
Figure 112017017846952-pat00007
Figure 112017017846952-pat00008
한편, 상술한 HCPL-7520는 전압 측정부(111) 및 전류 측정부(112)의 ADC(Analog to Digital Converter)를 사용하는 두 곳 모두 사용되며, 이러한 ADC를 이용하여 측정한 값으로 라인 전압(Vl) 및 라인 전류(Il)의 계산은 아래 수학식 (10)과 같이 계산될 수 있다.
<수학식 (10)>
Figure 112017017846952-pat00009
전류 및 전압 값은 초당 1000개 이상의 샘플을 계산하여 평균 RMS 값을 계산하며, 전력은 초당 1000개 이상의 샘플링을 평균하여 전압과 전류를 곱하여 계산될 수 있으며, 이렇게 계산할 경우 1초의 평균 전력을 계산할 수 있다.
초당 1000개를 샘플링하는 것으로 가정할 경우 전력은 아래 수학식 (11)과 같이 계산될 수 있다.
<수학식 (11)>
Figure 112017017846952-pat00010
역률의 계산은 평균 출력과 피상 전력을 나누어 계산하며, 피상 전력은 매 초마다 Vrms와 Irms를 곱해서 계산하며, 계산의 용이를 위하여 수학식 (10)을 간단하게 변환하면 아래 수학식 (12)와 같다.
<수학식 (12)>
Figure 112017017846952-pat00011
이때, RMS 계산은 아래 수학식 (13)과 같다.
<수학식 (13)>
Figure 112017017846952-pat00012
즉, 평균 전력 산출부(120)는 상기 수학식 (13)을 이용하여 아래의 수학식 (14)와 같이 평균 전력(P)을 산출하게 된다.
<수학식 (14)>
Figure 112017017846952-pat00013
이러한 평균 전력(P)을 KWh로 변환하여 계산하기 위해서는 평균 전력을 3600으로 나누어 계산하면 된다.
한편, 전력 측정 모듈(100)은 상술한 바와 같이 통신부(130)를 구비하는데, 통신부(130)는 제1 서버(200)와 통신을 수행하기 위한 구성으로 프로그램이 가능한 WiFi칩인 ESP8266을 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 ESP8266은 기본적으로 GPIO 및 기타 통신모듈이 포함되어 있으며, 이 칩의 GPIO를 이용하여 후술할 스위치부를 제어할 수 있다.
또한, 전력 측정 모듈(100)은 전력 측정 모듈(100)의 내부 온도를 검출할 수 있는 온도 센서(140)를 구비할 수 있으며, 전력 측정 모듈(100)이 비정상적인 발열 여부를 감지할 수 있게 된다.
나아가, 전력 측정 모듈(100)은 분전반 또는 콘센트로부터의 교류 전원의 입력 여부를 제어할 수 있는 스위치부(150)를 더 포함할 수 있으며, 구체적으로 통신부를 통하여 전달된 제어 명령 및 온도 센서(140)에서 검출한 온도 중 적어도 하나에 기초하여 분전반 또는 콘센트로부터의 교류 전원의 입력 여부를 제어할 수 있게 된다.
이러한 스위치부(150)의 경우 광학적으로 절연될 수 있는 솔리드 스테이트 릴레이를 적용하는 것이 가능하며, 스위치 제어부로 흐르는 전류를 제한하기 위한 여러 저항들을 구비할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 모니터링 시스템에서의 전력 측정 모듈(100)의 기구 형상의 경우 여러 구현예를 고려할 수 있는데, 먼저 도 4 및 도 5를 참조하여 기구 형상의 일 구현예에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 모니터링 시스템에서의 전력 측정 모듈(100)의 제1 구현예는 인쇄회로기판, 제1 하우징(160), 제2 하우징(170)을 포함할 수 있다.
인쇄회로기판은 상술한 전압-전류 측정부(110), 평균 전력 산출부(120), 통신부(130), 온도 센서(140) 및 스위치부(150) 등을 수용하며, 하나의 인쇄회로기판으로 구성될 수도 있으며, 두 개 이상의 인쇄회로기판으로 구성될 수도 있을 것이다.
제1 하우징(160)은 내부에 상술한 인쇄회로기판을 수용하고, 분전반과 전기적으로 결속 가능하도록 형성된다.
이러한 제1 하우징(160)은 구체적으로 제1 상부 하우징(161) 및 제2 하부 하우징(162)으로 구성될 수 있으며, 제1 하부 하우징(162)에 인쇄회로기판을 안착한 후 제1 상부 하우징(161)을 제1 하부 하우징(162)과 결합함으로써 분전반에 바로 부착이 가능한 전력 측정 모듈(100)을 구성할 수 있게 된다.
제2 하우징(170)은 제1 하우징(160)을 수용하도록 내부에 수용부가 마련되고, 일측 및 타측 중 적어도 하나는 콘센트 및 콘센트로부터 전원을 인가받는 외부 기기에 연결 가능하도록 형성된다.
구체적으로, 제2 하우징(170)은 구체적으로 제2-1 하우징(171) 및 제2-2 하우징(172)으로 구분될 수 있으며, 제2-1 하우징(171)의 일측은 콘센트와 연결 가능하도록 형성되고 타측에는 제1 하우징(160)의 일부를 수용할 수 있도록 형성되며, 제2-2 하우징(172)의 일측은 외부 기기에 연결 가능하도록 형성되고 타측에는 제1 하우징(160)의 나머지를 수용할 수 있도록 형성된다.
상술한 전력 측정 모듈(100)의 제1 구현예에 의하면 가정용 분전반의 누전차단기 부분에 바로 장착이 가능한 모듈을 기본으로 하여 콘센트에 연결하기 위한 부품을 결합하면 콘센트에 장착이 가능하도록 구성된다.
이러한 전력 측정 모듈(100)의 일 구현예를 적용할 경우 하우징 내부 공간이 넓기 때문에 인쇄회로기판의 크기를 여유있게 설계할 수 있으며 추가 부품의 수가 비교적 적다는 장점이 있으나, 콘센트 연결 부품, 즉 제2 하우징(170)을 결합할 경우 부피가 커지는 단점이 있다.
앞서 설명한 전력 측정 모듈(100)의 일 구현예 이외에 다른 구현예를 설명해보면, 전력 측정 모듈(100)은 인쇄회로기판, 제3 하우징 및 연결부재를 포함하도록 구성될 수 있다.
제3 하우징은 내부에 인쇄회로기판을 수용하고 표준 전원 입출력 플러그를 구비하도록 형성되며, 연결부재의 경우 일측은 표준 전원 입출력 플러그와 연결될 수 있도록 형성되고 타측은 분전반 또는 콘센트에 연결되도록 형성된다.
즉, 전력 측정 모듈(100)의 다른 구현예의 경우 표준 전원 입출력 플러그로 구성된 기본 모듈과 기본 모듈과 연결되는 추가 연결 부품으로 구성되는데, 이 경우 상술한 일 구현예 대비 확장성이 높고, 추가 부품을 연결하더라도 부피가 크지 않다는 장점이 있으나, 분전반 또는 콘센트에 연결하기 위해서는 추가적인 연결부재를 이용해야 한다는 단점이 있다.
이하, 도 6을 참조하여 휴대용 단말기(400)에 설치된 어플리케이션에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템에서 제2 서버(300)와 통신을 수행하는 휴대용 단말기(400)는 스마트폰, 태블릿 등과 같이 디스플레이(410)를 구비하는 단말기인 것이 바람직하다.
특히, 휴대용 단말기(400)에는 상술한 전력 측정 모듈(100)의 상태를 출력하고 전력 측정 모듈(100)을 제어하기 위한 어플리케이션이 설치된다.
이러한 어플리케이션은 전압-전류 측정부(110)가 측정한 데이터 및 평균 전력 산출부(120)가 산출한 데이터를 휴대용 단말기(400)의 디스플레이(410)상에 출력한다.
즉, 휴대용 단말기(400)의 디스플레이(410) 상에서는 현재 분전반 또는 콘센트의 전압 및 전류가 매초마다 갱신하여 출력되고, 소비전력이 계산되어 표시된다.
아울러, 디스플레이(410) 상에 출력된 화면에는 상술한 스위치 소자(150)의 온/오프 상태를 확인할 수 있는 스위치 아이콘(420)이 배치될 수 있으며, 이러한 스위치 아이콘(420)은 사용자가 조작 가능하게 함으로써 사용자가 전력 측정 모듈(100)의 스위치 소자(150)를 원격으로 직접 제어할 수 있게 된다.
또한, 어플리케이션을 통하여 스위치 소자(150)의 온/오프 타이밍을 조절할 수 있으며, 나아가 온/오프의 스케쥴을 별도로 설정하는 것도 가능할 수 있으며, 전압 및 전류가 필요 이상으로 올라가거나 내려갔을 경우, 또는 스위치 소자(150)의 온/오프 명령이 있을 경우 해당 상황을 사용자에게 알려주는 알람 기능을 구비하는 것도 가능할 것이다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
100: 전력 측정 모듈 110: 전압-전류 측정부
120: 평균 전력 산출부 130: 통신부
140: 온도 센서 150: 스위치부
200: 제1 서버 300: 제2 서버
400: 휴대용 단말기

Claims (8)

  1. 분전반에 결속 가능한 제1 하우징 및 콘센트에 결속 가능한 제2 하우징을 통해, 상기 분전반 또는 상기 콘센트의 전력을 측정하는 전력 측정 모듈;
    고정 IP를 갖고, 상기 전력 측정 모듈로부터 데이터를 수신받는 제1 서버;
    상기 제1 서버로부터 상기 전력 측정 모듈에서 전송한 데이터를 전달받아 저장하고, 저장된 상기 데이터를 외부에 구비된 휴대용 단말기로 전송하는 제2 서버;
    를 포함하고,
    상기 전력 측정 모듈과 상기 제1 서버간의 통신 및 상기 제1 서버와 상기 제2 서버간의 통신은 MQTT 프로토콜을 이용하여 수행되는 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전력 측정 모듈은,
    상기 분전반 또는 콘센트로부터 입력받는 교류 전원의 전압 및 전류를 측정하는 전압-전류 측정부;
    상기 전압-전류 측정부에서 측정된 전압 및 전류에 기초하여 평균 전력을 산출하는 평균 전력 산출부;
    상기 제1 서버와 통신을 수행하도록 구비되는 통신부;
    상기 전력 측정 모듈 내부 온도를 검출하는 온도 센서; 및
    상기 통신부를 통하여 전달된 제어 명령 및 상기 온도 센서에서 검출한 온도 중 적어도 하나에 기초하여 상기 분전반 또는 콘센트로부터의 교류 전원의 입력 여부를 제어하는 스위치부;
    를 포함하는 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전압-전류 측정부는,
    부하와 병렬로 연결되고, 일측이 상기 분전반 또는 콘센트의 일측과 연결되는 전압 측정부; 및
    일측이 상기 전압 측정부의 타측과 연결되고, 타측이 상기 분전반 또는 콘센트의 타측과 연결되는 전류 측정부;
    를 포함하고,
    상기 전압 측정부는 상호 직렬로 연결된 제1 저항 및 제2 저항을 포함하고, 상기 전류 측정부는 제3 저항을 포함하는 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 저항 양단에 연결되는 제1 교류-직류 컨버터; 및
    상기 제3 저항 양단에 연결되는 제2 교류-직류 컨버터;
    를 더 포함하고,
    상기 평균 전력 산출부는 상기 제1 교류-직류 컨버터의 출력값 및 상기 제2 교류-직류 컨버터의 출력값에 기초하여 평균 전력을 산출하는 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 전력 측정 모듈은,
    상기 전압-전류 측정부, 평균 전력 산출부, 통신부, 온도 센서 및 스위치부를 수용하는 인쇄회로기판;
    내부에 상기 인쇄회로기판을 수용하고, 상기 분전반과 전기적으로 결속 가능하도록 형성된 제1 하우징;
    상기 제1 하우징을 수용하도록 내부에 수용부가 마련되고, 일측 및 타측 중 적어도 하나는 상기 콘센트 및 상기 콘센트로부터 전원을 인가받는 외부 기기에 연결 가능하도록 형성된 제2 하우징;
    을 포함하는 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 전력 측정 모듈은,
    상기 전압-전류 측정부, 평균 전력 산출부, 통신부, 온도 센서 및 스위치부를 수용하는 인쇄회로기판;
    내부에 상기 인쇄회로기판을 수용하고, 표준 전원 입출력 플러그를 구비하는 제3 하우징; 및
    일측은 상기 표준 전원 입출력 플러그와 연결되도록 형성되고, 타측은 상기 분전반 또는 상기 콘센트에 연결되도록 형성되는 연결부재;
    를 포함하는 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 휴대용 단말기에는 상기 전력 측정 모듈의 상태를 출력하고, 상기 전력 측정 모듈을 제어하기 위한 어플리케이션이 설치되고,
    상기 어플리케이션은 상기 전압-전류 측정부가 측정한 데이터 및 상기 평균 전력 산출부가 산출한 데이터를 상기 휴대용 단말기의 디스플레이상에 출력하는 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 어플리케이션의 구동에 의하여 상기 휴대용 단말기의 디스플레이상에 출력된 화면에는 상기 스위치부의 온/오프 상태를 확인할 수 있는 스위치 아이콘이 배치되고,
    상기 스위치 아이콘의 조작에 기초하여 상기 전력 측정 모듈의 스위치 소자가 제어되는 원격 제어 및 계측 기반의 전력 모니터링 시스템.
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