KR102120053B1

KR102120053B1 - 교류(ac) 및 직류(dc) 겸용 전력량계

Info

Publication number: KR102120053B1
Application number: KR1020180157308A
Authority: KR
Inventors: 정득일; 최재한; 권수경
Original assignee: 주식회사 남전사
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2020-06-17

Abstract

본 발명은 교류(AC) 및 직류(DC) 겸용 전력량계에 관한 것이다. 본 발명은 전기기기의 직류 또는 교류 계통에 설치되어 전원을 측정하는 센서와 상기 전기기기로부터 전력량을 수신받는 통신장치와 상기 센서로부터 측정된 전원을 제1계측부에 입력하고, 상기 통신장치가 수신한 전력량을 타이머가 카운트하는 시간의 정보에 따라 관리하는 MCU와 직류/교류 겸용으로 상기 MCU으로부터 받은 전원의 데이터를 분석하여 교류 또는 직류 전력량계로의 동작 여부를 판단하며, 원격 서버와 유무선으로 양방향 통신하는 제1계측부와 상기 MCU가 관리하는 전력량을 저장하는 메모리 및 상기 MCU가 관리하는 전력량을 표시하는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

교류(AC) 및 직류(DC) 겸용 전력량계 {AC and DC combination Watt hour meter}

본 발명은 AC 및 DC 겸용 전력량계에 관한 것으로, 전기기기 또는 전기기계의 전류 계통에 연결되어 있는 센서에서 계측된 전력설비의 전원에 따라 전력량계내의 AC 및 DC 판단 검출부를 이용하여 스스로 전원의 교류 또는 직류 여부 판단하여 AC 전력량계 또는 DC 전력량계로 각각 동작하는 것을 특징으로 한다.

전력량계란 가정, 회사 등에서 사용하는 직류 또는 교류의 전력을 적산하여 계량하는 기기로서, 적산전력량계라고도 지칭된다. 전력량계는 그 용도, 구조 및 작동원리에 따라 다양한 종류가 존재하나, 일반적으로 직류전력의 측정에는 수은형과 정류자형 전력량계가, 교류전력의 측정에는 유도형 전력량계가 사용되고 있다.

이러한 전력량계 중 일반 가정에 주로 설치되어 있는 전력량계는 유도형 전력량계이며, 이는 유도형 전력량계의 구조가 간단하고 가격이 저렴하기 때문이다 유도형 전력량계에는 알루미늄으로 만든 회전원판을 사이에 두고 위아래로 고정코일(전류코일)과 가동코일(전압코일)이 있으며, 이에 더해 계량장치와 영구자석이 배치되어 있다.

유도형 전력량계의 고정코일과 가동코일에 전류가 흐르면 두 코일 사이에 전자력이 생기고 이 힘에 의해 원판이 돌게 된다. 이때 원판을 사이에 끼고 있는 영구자석이 회전을 시작한 원판에 제동력을 가하면, 원판은 전력에 비례하는 속도로 회전할 수 있게 된다. 이렇게 회전되는 원판의 총 회전수를 회전축과 연결된 계량장치에 숫자로 표시하면 사용자가 전력 사용량을 알 수 있게 된다.

하지만, 기존의 전력량계의 경우 설비에 전압 센서 및 전류 센서가 부착되어 있지 않으며 또한, 미터기도 단순한 전력량 표시 등의 기능만이 있으며, 배전반 외함에 판넬 형태로 부착되어 있어 전압 센서, 전류 센서의 새로운 설치가 필요하고, 센서로부터 취득된 전압 및 전류로부터 원하는 정보를 제공하고 원격지의 서버와의 양방향 통신이 가능한 미터기의 설치가 제대로 되어 있지 않았다.

더 나아가, 기존의 전력량계의 방식은 입력되는 전원에 따라 그 상황에 맞도록 AC전력에서는 AC전력량계를 사용하고, DC전력에서는 DC전력량계를 이용해야만 하는 불편함이 있었다.

또한, 변압기등과 같은 전기기기에서 정확하게 검출하는 단위 시간당 디지털 전력량을 원격지에서 정확하게 수신하여 관리할 수 있는 계측기의 개발도 필요한 실정이었다.

대한민국 특허공개 제2015-0107246호 대한민국 특허공개 제2015-0121333호 대한민국 특허공개 제2015-0053598호

따라서, 본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로 종래의 입력되는 전원에 따라 AC전력에서는 AC전력량계를 사용하고 DC전력에서는 DC전력량계를 사용해야 하는 불편함을 해소할 수 있는 AC 및 DC 겸용 전력량계를 제공하고자 하는데 그 목적이 있는 것이다.

또한, 센서에서 계측된 데이터를 바탕으로 유효, 무효, 피상, 최대수요전력 등의 검침정보를 산출할 수 있는 AC 및 DC 겸용 전력량계를 제공하고자 하는데 그 목적이 있는 것이다.

또한, 전기기기에서 부하로 공급되는 단위시간당 디지털 전력량을 검출하여 정확하게 수신 관리할수 있는 AC 및 DC 겸용 전력량계를 제공하고자 하는데 또 하나의 목적이 있는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 교류(AC) 및 직류(DC) 겸용 전력량계에 있어서, 전기기기의 직류 또는 교류 계통에 설치되어 전원을 측정하는 센서와 상기 전기기기로부터 전력량을 수신받는 통신장치와 상기 센서로부터 측정된 전원을 제1계측부에 입력하고, 상기 통신장치가 수신한 전력량을 타이머가 카운트하는 시간의 정보에 따라 관리하는 MCU와 직류/교류 겸용으로 상기 MCU으로부터 받은 전원의 데이터를 분석하여 교류 또는 직류 전력량계로의 동작 여부를 판단하며, 원격 서버와 유무선으로 양방향 통신하는 제1계측부와 상기 MCU가 관리하는 전력량을 저장하는 메모리 및 상기 MCU가 관리하는 전력량을 표시하는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1계측부는 공급받은 전원이 교류-직류 변환을 통해 입력된 직류인지, 직류입력부를 통해 입력된 직류인지 판단하는 교류/직류 판단부와 상기 센서로부터 측정된 전압 및 전류를 동시에 취득하는 데이터취득부와 상기 데이터취득부(52)를 통해 취득한 데이터를 기반으로 유효전력량, 무효전력량 및 피상전력량, 최대수요 전력, 역률, 고조파를 분석, 산출하는 데이터처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 통신장치는 RF(Radio Frequency) 통신, RS422, RS423, RS485 및 전력선 통신 중에서 어느 하나를 사용하여 상기 전력량을 수신하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 상기 MCU는 상기 아날로그/디지털 변환기에서 출력되는 전압 및 전류를 연산하여 전력량을 생성하고, 상기 타이머가 카운트하는 현재 시간과 연계하여 전력 사용의 정보를 생성하며, 생성된 전력사용 정보의 저장을 제어하는 것을 특징으로 하는 것이다.

그리고, 상기 제1계측부에는 전달되는 전류의 값을 센싱하거나 전력신호를 분석하여 전력의 역률을 검출하기 위하여 제2계측부가 더 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은 스스로 AC 또는 DC 전력량계로 동작할지 여부를 판단하여 정확한 전력량을 계측할 수 있으며, 유선 또는 무선 통신을 이용하여 원격서버와 양방향 통신이 가능한 효과가 있는 것이다.

또한, 단위시간당 디지털 전력량을 수신하여 전체 전력량을 산출해서 저장, 관리, 표시할수 있으므로 전력량을 정확히 관리 가능한 효과도 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 AC 및 DC 겸용 전력량계의 전체적인 구성도.
도 2는 제1계측부의 내부 구조도.
도 3은 본 발명의 전력량계의 구성요소인 교류/직류 판단부가 교류(AC)인지 또는 직류(DC) 인지의 여부를 판단하는 절차를 나타낸 흐름도.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시가 되더라도 가능한 한 동일 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명에 의한 AC 및 DC 겸용 전력량계의 전체적인 구성도이고, 도 2는 제1계측부의 내부 구조도이고, 도 3은 본 발명의 전력량계의 구성요소인 교류/직류판단부가 교류인지 직류인지 여부를 판단하는 절차를 나타낸 흐름도이다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명에 의한 교류(AC) 및 직류(DC) 겸용 전력량계(100)의 구성을 설명하기로 한다.

본 발명은 교류(AC) 및 직류(DC) 겸용 전력량계(100)에 있어서, 전기기기(10)의 직류 또는 교류 계통에 설치되어 전원을 측정하는 센서(20)와 상기 전기기기(10)로부터 전력량을 수신받는 통신장치(30)와 상기 센서(20)로부터 전원을 공급받아 제1계측부(50)에 입력하고, 상기 통신장치(30)가 수신한 전력량을 타이머가 카운트하는 시간의 정보에 따라 관리하는 MCU(40)와 직류/전류 겸용으로 상기 MCU(40)로부터 받은 전원의 데이터를 분석하여 교류 또는 직류 전력량계로의 동작 여부를 판단하며, 원격 서버(5)와 유무선으로 양방향 통신하는 제1계측부(50)와 상기 MCU(40)가 관리하는 전력량을 저장하는 메모리(70) 및 상기 MCU(40)가 관리하는 전력량을 표시하는 표시부(80)로 크게 구성된다.

참고로, 상기 전기기기(10)의 종류로는 변압기, 계기용 변성기, 발전기, 변압기, 변압변류기 등이 바람직하지만, 이에 한정되지 않는 다는 것을 미리 밝혀두고자 한다. 예를 들어, 전기철도의 전류 계통에 연결되서 이루어지는 기기의 형태도 바람직한 것이다.

상기 센서(20)는 전기기기(10)의 직류 또는 교류 계통에 설치되어 각각, 전압 및 전류를 측정하는 것이다.

상기 센서(20)는 기본 배전반 내부의 협소공간에 설치 가능한 가변 형태 및 코어 분리형 형태를 가진다. 상기 센서(20)는 절연 변압기를 활용한 분리절연 방식의 디지털 방식의 센서로서, 절연구조로 크기가 작으며, 내구성을 높일수 있는 구조인 것이다.

통신장치(30)는 상기 전기기기(20)로부터 전력량을 수신받아 MCU(40)에 전달하고, 상기 MCU(40)는 상기 디지털 신호로 입력된 전류 및 전압을 연산하여 단위시간당 디지털 전력량을 계산하고, 계산된 단위시간당 디지털 전력량 즉, 디지털 신호를 통신잘치(30)를 통해 서버(5)로 전송한다.

여기서, 상기 통신장치(30)는 RF(Radio Frequency) 통신을 수행하여 단위시간당 디지털 전력량을 전송할 수 있다.

또한, 상기 통신장치(30)는 RS422, RS423, RS485 및 전력선 통신을 비롯하여 여러 가지들 중에서 어느 하나를 사용하여 상기 전력량을 전송할 수도 있다.

상기 통신장치(30)가 수신한 단위시간당 디지털 전력량은 MCU(40)가 입력하고, 입력한 단위시간당 디지털 전력량을 이용하여 상기 부하로 공급되는 전체 전력량을 산출하며, 산출한 전체 전력량을 표시부(80)로 출력하여 표시한다.

또한, 상기 MCU(40)는 함께 내장되어 설치된 타이머(도시는 생략)가 카운트하는 현재 시간의 정보에 따라 상기 단위시간당 디지털 전력량 및 전체 전력량을 메모리(70)에 저장하여 관리한다.

그리고, 상기 MCU(40)는 상기 센서(20)로부터 측정된 전원을 제1계측부(50)에 입력한다.

상기 제1계측부(50)는 직류/교류 겸용으로 전기기기(10)의 직류나 교류계통에 설치된 센서(20)로부터 취득한 데이터를 분석하고 유무선 통신을 통하여 원격지의 서버(5)와 통신하는 기능을 수행하는데, 도 2에 도시된 바와 같이 교류(AC)/직류(DC)판단부(51), 데이터취득부(52), 데이터처리부(53)로 이루어진다.

상기 교류(AC)/직류(DC) 판단부(51)는 상기 제1계측부(50)로 입력되는 전류가 수초 동안 주파수(frequency: 위상)가 입력되지 않으면 직류(DC)로 판별하게 되고, 주파수가 입력되면 교류(AC)로 판별하여 전류값이나 오차를 검출한다.

부가적으로, 상기 AC(교류)/DC(직류) 판단 검출부(51)는 전기기기(10)를 통해 MCU(40)에 입력된 전원이 교류-직류 변환을 통하여 입력된 직류인지, 직류 입력부(도시는 생략)를 통해 입력된 직류인지 판단하여 이하에서 설명할 제2계측부(60)로 전달하는 역할도 하게 된다.

상기 데이터취득부(52)는 센서(20)로부터 측정된 측정된 직류 계통의 전압 및 전류, 교류 계통의 전압 및 전류를 동시에 취득하게 된다.

상기 데이터 처리부(53)는 데이터 취득부(52)를 통해 취득한 데이터를 바탕으로 유효전력량, 무효전력량 및 피상전력량, 최대 수요전력, 역률, 고조파 등을 분석하여 산출하고, 분석된 데이터를 통해 직류 급전계통에서의 교류/직류 변환시의 에너지 손실량 및 고조파 발생량 등을 산출한다. 이러한 손실량 및 고조파 발생량을 실시간으로 모니터링하고 장기간 데이터를 통해 전력품질을 비교 평가할 수 있어, 전력변환장치인 정류기 및 정류기용 변압기와 같은 전기기기(10)의 설비 상태 및 성능을 감시할 수 있다.

또한, 데이터 처리부(53)는 축적된 데이터를 바탕으로 변전소 내의 정류기 또는 정류기용 변압기의 사용시간, 누적 사용량(전류) 및 사고 발생빈도 등을 산출할 수 있다. 이러한 데이터는, 설비가 설치된 변전소 내부에서 직접 확인이 가능하여 유지보수에 활용할 수 있으며, 원격지에 있는 서버(5)에 전달되어 장기간의 유지보수 계획 수립에도 활용할 수 있다. 또한, 상기 서버(5)는 상기 전기기기(10)에서 측정된 전원 등의 데이터를 동일한 표준 프로토콜을 이용하여 수집하여 저장하는 기능도 한다.

더 나아가, 상기 제1계측부(50)에는 전달되는 전류의 값을 센싱하거나 전력신호를 분석하여 전력의 역률을 검출하기 위한 제2계측부(60)가 연결, 형성되어 있다.

상기 제2계측부(60)는 전압 또는 전류를 측정할 뿐만 아니라, 상기 제2계측부(60)는 피상전력에 대한 유효전력의 비율을 의미하는 역률을 측정하는 역할도 수행한다.

상기 제2계측부(60)는 사용자가 사용중인 전력의 유효전력과 무효전력의 비율(역률)을 확인할 수 있도록, 입력되는 전력신호를 상세히 분석하고 전압과 전류 파형의 위상을 분석하여 유효 전력과 무효 전력의 양을 산출한 다음, 그 비율을 역률로서 분석한다.

이로써, 사용자는 자신이 사용하는 전력의 무효 전력 비율을 통하여 효율적인 전력의 사용이 가능하도록 한다. 또한, 상기 제2계측부(60)를 통해 측정된 전류값으로부터 누설 전류의 발생 여부를 판단할 수 있는 기능도 있는 것이다. 그 방법은 센서(20)에 의해 측정된 전류값을 비교하여, 기설정된 범위 이상으로 차이가 발생하는 경우에 누설 전류가 발생한 것으로 판단하는 것이 바람직할 것이다.

이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명에 의한 AC 및 DC 겸용 전력량계의 구성요소인 AC(교류)/DC(직류) 판단 검출부(51)를 통해 교류와 직류를 판단하는 순서, 절차에 대하여 설명하기로 한다.

도면을 참조하면, 전기기기(10)가 교류(AC) 미터링 모드로 동작을 하게 된다. (제1단계)

상기 제1단계는 기본적인 전기제품에는 통상적으로 교류(AC)전원이 많으므로, 일반적으로 교류 미터링 모드를 취하게 되는 단계일 것이다.

다음 단계로, 교류(AC) 또는 DC(직류) 전원을 입력하게 된다. (제2단계)

상기 제2단계는 전기기기(10)를 통해 입력되는 교류(AC) 또는 DC(직류) 전원으로 제1계측부(50)에 전달된 것으로서, 상기 전기기기(10)는 계기용 변성기처럼 고전압이나 고전류를 저전압이나 저전류로 변환시켜 주는 전기기기가 바람직할 것이다.

다음 단계로, 입력된 전원의 판단 알고리즘을 통해 입력되는 전원이 교류(AC) 전원 또는 직류(DC) 전원인지의 여부를 판단하게 된다. (제3단계 및 제4단계)

상기 단계들은 다시 말해서, 입력된 전원이 교류(AC이나 직류(DC)이냐를 판별하는 것인데, 알고리즘의 내용은 입력된 전원이 전압, 전류, 주파수가 모두 있으면 교류(AC)전원으로 판별하고, 전압과 전류만 있으면 직류(DC)전원으로 판별하는 방식을 취하는 것이다. 즉, 수초 동안 주파수의 입력이 감지되지 않으면 직류(DC)로 판별하게 되고, 다음 제5단계로 넘어간다.

상기에서 설명한 바와 같이, 직류로 판별되면 직류 미터링 모드로 변경을 하게 된다. (제5단계)

이러한 방식으로 계속하여 미터링(metering: 계측(計測))하는 단계를 갖는다. (제6단계)

이상에서와 같이, 상기 서술한 내용은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 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.

10 : 전자기기 20 : 센서
30 : 통신장치 40 : MCU
50 : 제1계측부 60 : 제2계측부
70 : 메모리 80 : 표시부
100: 교류(AC) 및 직류(DC) 겸용 전력량계

Claims

교류(AC) 및 직류(DC) 겸용 전력량계(100)에 있어서,
전기기기(10)의 직류 또는 교류 계통에 설치되어 전원을 측정하는 센서(20);
상기 전기기기(10)로부터 전력량을 수신받는 통신장치(30);
상기 센서(20)로부터 측정된 전원을 제1계측부(50)에 입력하고, 상기 통신장치(30)가 수신한 전력량을 타이머가 카운트하는 시간의 정보에 따라 관리하는 MCU(40);
직류/교류 겸용으로 상기 MCU(40)로부터 받은 전원의 데이터를 분석하여 교류 또는 직류 전력량계로의 동작 여부를 판단하며, 서버(5)와 유무선으로 양방향 통신하는 제1계측부(50);
상기 MCU(40)가 관리하는 전력량을 저장하는 메모리(70); 및
상기 MCU(40)가 관리하는 전력량을 표시하는 표시부(80)를 포함하며,
상기 MCU(40)는 상기 센서(20)로부터 측정된 전원을 제1계측부(50)에 입력하며,
상기 제1계측부(50)는 직류/교류 겸용으로 전기기기(10)의 직류나 교류계통에 설치된 센서(20)로부터 취득한 데이터를 분석하고 유무선 통신을 통하여 원격지의 서버(5)와 통신하는 기능을 수행하며, 교류(AC)/직류(DC)판단부(51), 데이터취득부(52), 데이터처리부(53)로 구성되며,
상기 교류(AC)/직류(DC) 판단부(51)는 상기 제1계측부(50)로 입력되는 전류가 수초 동안 주파수(frequency: 위상)가 입력되지 않으면 직류(DC)로 판별하게 되고, 주파수가 입력되면 교류(AC)로 판별하여 전류값이나 오차를 검출하며,
상기 교류(AC)/직류(DC) 판단부(51)는 전기기기(10)를 통해 MCU(40)에 입력된 전원이 교류-직류 변환을 통하여 입력된 직류인지, 직류 입력부를 통해 입력된 직류인지 판단하여 제2계측부(60)로 전달하며,
상기 데이터취득부(52)는 센서(20)로부터 측정된 측정된 직류 계통의 전압 및 전류, 교류 계통의 전압 및 전류를 동시에 취득하며,
상기 데이터 처리부(53)는 데이터 취득부(52)를 통해 취득한 데이터를 바탕으로 유효전력량, 무효전력량 및 피상전력량, 최대 수요전력, 역률, 고조파 등을 분석하여 산출하고, 분석된 데이터를 통해 직류 급전계통에서의 교류/직류 변환시의 에너지 손실량 및 고조파 발생량 등을 산출하며,상기 에너지 손실량 및 고조파 발생량을 실시간으로 모니터링하고 장기간 데이터를 통해 전력품질을 비교 평가하고, 전력변환장치인 정류기 및 정류기용 변압기와 같은 전기기기(10)의 설비 상태 및 성능을 감시하며,
상기 데이터 처리부(53)는 축적된 데이터를 바탕으로 변전소 내의 정류기 또는 정류기용 변압기의 사용시간, 누적 사용량(전류) 및 사고 발생빈도를 산출하며,
상기 서버(5)는 상기 전기기기(10)에서 측정된 전원 등의 데이터를 동일한 표준 프로토콜을 이용하여 수집하여 저장하는 것을 특징으로 하는 AC 및 DC 겸용 전력량계.
삭제
제1항에 있어서,
상기 통신장치(30)는 RF(Radio Frequency) 통신, RS422, RS423, RS485 및 전력선 통신 중에서 어느 하나를 사용하여 상기 전력량을 수신하는 것을 특징으로 하는 AC 및 DC 겸용 전력량계.
제1항에 있어서,
상기 MCU(40)는 아날로그/디지털 변환기에서 출력되는 전압 및 전류를 연산하여 전력량을 생성하고, 상기 타이머가 카운트하는 현재 시간과 연계하여 전력 사용의 정보를 생성하며, 생성된 전력사용 정보의 저장을 제어하는 것을 특징으로 하는 AC 및 DC 겸용 전력량계.
제1항에 있어서,
상기 제1계측부(50)에는 전달되는 전류의 값을 센싱하거나 전력신호를 분석하여 전력의 역률을 검출하기 하여 제2계측부(60)가 더 연결, 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 AC 및 DC 겸용 전력량계.