KR102205321B1 - 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템 - Google Patents

교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템 Download PDF

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맹주철
지상현
안유근
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Abstract

본 발명은 원격 자가발전 무선 전류센서의 단상과 삼상 겸용으로 사용 가능하고 소형화 및 동작 최적화를 구현함과 더불어 무선 전류센서와 연동할 수 있는 게이트웨이를 제공하도록 한 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템에 관한 것으로서, 단상 또는 삼상의 전선 케이블에 클램핑되어 상기 전선 케이블에 흐르는 1차측 전류를 검출하는 전류 검출부와, 상기 전류 검출부에 결합되고 상기 전류 검출부의 2차측 전류를 전달받아 전원을 생성하는 에너지하베스팅부와, 상기 전선 케이블에 흐르는 2차측 전류의 실효값(rms)을 측정하는 전류 RMS 측정부와, 상기 에너지하베스팅부에서 생산된 전원을 공급받아 동작하고 상기 전류 검출부로부터 검출된 전류를 전달받아 분석하는 MCU부와, 상기 에너지 하베스트팅부에서 생산된 전원을 공급받아 동작하고 상기 MCU부를 통해 분석된 전류에 대한 정보를 외부로 송신하는 무선통신 송신부와, 상기 전류 RMS 측정부의 전단에 설치되어 상기 에너지하베스팅부의 작동을 제어하는 센싱 저항부와, 상기 무선통신 송신부를 통해 데이터를 수신하고 외부의 상위 관리 서버와 연동을 위해 유/무선 통신부를 포함하여 수신된 교류전류 정보를 생성하는 게이트웨이를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템{AC single-phase and three-phase energy harvesting wireless current sensor system}
본 발명은 무선 전류센서 시스템에 관한 것으로서, 특히 소형화 및 저가화를 구현하고 검출 정확도를 향상시키도록 한 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템에 관한 것이다.
최근 날로 증가하는 전기와 관련한 화재 및 재해의 절반 이상이 전기 누전에 의해 발생되었다. 이는 절연저항이 주요원인으로서, 이러한 원인을 사전에 예방할 수 있다면 화재로 인한 사회적, 경제적 손실을 대폭으로 줄일 수 있다.
자가용 전기설비에서 가장 많이 발생하는 사고는 저압회로의 누전에 기인하는 사고로서 전기화재나 감전사고, 그리고 정전범위의 확대 등으로 발전하기 때문에 빠른 누전검출 및 경보를 통해 사전에 회로를 차단하는 것이 중요하다.
기존의 일반적인 전류센서의 경우 동작에 필요한 전원을 공급하기 위해 별도의 전원을 공급하거나 배터리를 포함하기 때문에 이를 설치하거나 유지 보수함에 있어 많은 시간이 투여되고 설치 및 유지 비용의 상승을 초래하였다.
또한, 별도의 전원을 공급하기 위해서는 교류 전원을 단전하거나 이를 공급하기 위한 추가 장치의 설치 때문에 설치에 대한 용이성의 제약을 따르게 된다. 이를 해결하기 위해 배터리를 탑재한 무선 전류센서가 제안되었으나, 해당 경우는 배터리 사용에 따른 배터리 교체의 유지보수 문제가 여전히 존재하게 된다.
이를 해결하기 위해 원격 자가발전 무선 전류센서가 제안되고 있지만, 배전반 및 분전반의 환경을 고려한 낮은 전류영역에서의 안정적 동작을 위한 소형화 및 동작 최적화 솔루션은 해결하지 못하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로 원격 자가발전 무선 전류센서의 단상과 삼상 겸용으로 사용 가능하고 소형화 및 동작 최적화를 구현함과 더불어 무선 전류센서와 연동할 수 있는 게이트웨이를 제공하도록 한 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 원격 무선 전류센서의 최적화된 에너지하베스팅과 단방향 무선송신, 클램프 CT 자체 통신을 통해 단전없이 설치가 가능하고 유지보수가 용이하며 소형화 및 저가화가 가능하도록 한 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 게이트웨이에서 수신된 교류전류 RMS값과 데이터 송신 카운트를 이용하여 전류정보를 재구성함으로써 무선 전류센서의 검출 정확도를 향상시키도록 한 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템은 단상 또는 삼상의 전선 케이블에 클램핑되어 상기 전선 케이블에 흐르는 1차측 전류를 검출하는 전류 검출부와, 상기 전류 검출부에 결합되고 상기 전류 검출부의 2차측 전류를 전달받아 전원을 생성하는 에너지하베스팅부와, 상기 전선 케이블에 흐르는 2차측 전류의 실효값(rms)을 측정하는 전류 RMS 측정부와, 상기 에너지하베스팅부에서 생산된 전원을 공급받아 동작하고 상기 전류 검출부로부터 검출된 전류를 전달받아 분석하는 MCU부와, 상기 에너지 하베스트팅부에서 생산된 전원을 공급받아 동작하고 상기 MCU부를 통해 분석된 전류에 대한 정보를 외부로 송신하는 무선통신 송신부와, 상기 전류 RMS 측정부의 전단에 설치되어 상기 에너지하베스팅부의 작동을 제어하는 센싱 저항부와, 상기 무선통신 송신부를 통해 데이터를 수신하고 외부의 상위 관리 서버와 연동을 위해 유/무선 통신부를 포함하여 수신된 교류전류 정보를 생성하는 게이트웨이를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 의한 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 클램프 CT와 결합된 원격 무선 전류센서의 최적화된 에너지하베스팅과 단방향 무선송신, 클램프 CT 자체 특성을 통해 단전 없이 설치가 가능하고 유지보수의 획기적 개선으로 소형화, 저가화를 구현할 수 있다.
둘째, 원격 게이트웨이에서는 수신된 교류전류 RMS값과 데이터 송신 카운트를 이용하여 전류정보를 재구성함으로써 무선 전류센서의 정확도에서 성능 개선을 통해 사용자 경험을 개선할 수 있다.
셋째, 설치 시 교류전원 단전이 없는 무선 교류 전류센서 시스템 구성으로 설치 비용을 줄일 수 있다.
넷째, 자가발전 무선 전류센서로 유지보수 비용을 줄일 수 있다.
다섯째, 에너지하베스팅 구성 및 간헐적 무선 데이터 전송 보장 설계로 1차측 낮은 전류영역에서 높은 전류영역까지 측정 범위의 확장으로 정확도를 개선할 수 있다.
여섯째, 직접적인 전류 RMS값 측정과 MCU 리셋에 따른 무선통신 송신 카운트를 이용한 시간간격 평균화 기법으로 측정 정확도를 개선함과 더불어 전력 소모를 줄일 수 있다.
일곱째, 무선 전류센서 및 게이트웨이 이원화 구성으로 시스템 설치가 용이하고, 서브미터링 시스템 도입으로 활성화가 가능하면서 상위 관리서버와의 연동으로 에너지 관리 시스템 최적화를 이룰 수 있다.
여덟째, 단상과 삼상 겸용 구성을 통해 다양한 배전반 및 분전반 환경에서의 시스템 유연성으로 가격경쟁력을 확보할 수 있다.
아홉째, 원격 게이트웨이를 통해 상위 시스템과의 연동이 용이하여 새로운 사용자 경험을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 전선 케이블에 클램핑되는 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도
도 2는 도 1의 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템을 나타낸 구성도
도 3은 도 2의 에너지하베스팅부 및 MCU부의 동작 제어를 나타낸 타이밍도
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템을 나타낸 구성도
도 5 및 도 6은 도 4의 에너지하베스팅부 및 MCU부의 동작 제어를 나타낸 타이밍도
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템을 나타낸 구성도이며, 도 8은 도 7의 에너지하베스팅부 및 MCU부의 동작 제어를 나타낸 타이밍도
도 9는 도 2의 게이트 웨이를 개략적으로 나타낸 구성도
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 전선 케이블에 클램핑되는 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도이고, 도 2는 도 1의 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템을 나타낸 구성도이며, 도 3은 도 2의 에너지하베스팅부 및 MCU부의 동작 제어를 나타낸 타이밍도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 의한 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템(100)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 단상 또는 삼상의 전선 케이블(10)에 클램핑되어 상기 전선 케이블(10)에 흐르는 1차측 전류를 검출하여 무선 통신을 통해 게이트웨이(200)로 전송하는 역할을 한다.
한편, 도 1의 도면에서는 전선 케이블을 하나의 단상만을 도시하고 있지만, 삼상으로 표시할 수도 있다.
상기 단상 또는 삼상의 전선 케이블(10)에 클램핑되어 상기 전선 케이블(10)에 흐르는 1차측 전류를 검출하는 전류 검출부(110)와, 상기 전류 검출부(110)에 결합되고 상기 전류 검출부(110)의 2차측 전류를 전달받아 전원을 생성하는 에너지하베스팅부(120)와, 상기 전선 케이블(10)의 흐르는 2차측 전류의 실효값(rms)을 측정하는 전류 RMS 측정부(130)와, 상기 에너지하베스팅부(120)에서 생산된 전원을 공급받아 동작하고 상기 전류 검출부(110)로부터 검출된 전류를 전달받아 분석하는 MCU부(140)와, 상기 에너지 하베스트팅부(120)에 생산된 전원을 공급받아 동작하고 상기 MCU부(140)에서 분석된 전류에 대한 정보를 외부로 송신하는 무선통신 송신부(150)와, 상기 전류 RMS 측정부(130)의 전단에 설치되어 상기 에너지하베스팅부(120)의 작동을 제어하는 센싱 저항부(160)와, 상기 무선통신 송신부(150)를 통해 데이터를 수신하고 외부의 상위 관리 서버와 연동을 위해 유/무선 통신부를 포함하고 수신된 교류전류 정보를 생성하는 게이트웨이(200)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 전류 검출부(110)는 클램프 CT 형태로 각종 회로부를 통합한 하나의 외형을 가지는 무선 전류센서 또는 클램프 CT와 회로부를 전선 및 커넥터로 외부에서 연결할 수 있는 두 개의 외형을 가지는 무선 전류센서로서, 상기 전선 케이블(10)에 클램핑되어 결합되어 구성된다.
또한, 상기 에너지하베스팅부(120)는 상기 전류 검출부(110)의 2차측 전류를 정류하는 정류부(121)와, 상기 정류부(121)를 통해 정류된 전류를 전달받아 필요한 전원을 생성하는 벅 컨버터부(123)를 포함한다. 이때 상기 정류부(121)와 벅 컨버터부(123) 사이에는 상기 정류부(121)에서 정류된 전류를 저장하는 커패시터(Cin)(122)가 구성되어 있다.
상기 전류 검출부(110)는 상기 에너지하베스팅부(120)에 의한 전류 왜곡을 제거하기 위해 센서 제어부(141)에 의해 특정 시간동안만 스위칭되어 동작하는 별도의 회로부(도시되지 않음)를 구성하고 있다.
상기 MCU부(140)는 상기 전류 검출부(110)로부터 측정된 전류 정보와 상기 무선통신 송신부(150)에서 무선으로 데이터를 송신한 횟수를 카운트정보를 기반으로 상기 전류 검출부(110)가 클램프된 전원 케이블(10)의 1차측 전류 실효값(RMS)과 MCU부(140)의 동작 횟수를 연산하여 데이터를 패킷화한다.
상기 패킷된 데이터를 상기 무선통신 송신부(150)를 통해 게이트웨이(200)로 전송한다. 이때 데이터를 전송하는 방식은 단방향 Tx 방식으로 블루투스를 활용한 비콘(becon), RF의 단방향 등 에너지하베스팅을 통한 저전력 방식을 사용한다. 즉, 양방향 구현을 위한 Rx 대기 상태의 소모전력을 제거하여 단방향 Tx 방식으로 전송함으로써 저전력 구동에 따른 전력 소모를 줄일 수 있다.
한편, 상기 MCU부(140)와 무선통신 송신부(150)는 분리형으로 구성되는 것을 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고 하나의 패키지로 구성할 수도 있다.
또한, 상기 전류 검출부(110)의 2차측 전류를 정류하는 정류부(121)로 구성되어 회로 동작에 필요한 전원을 공급한다. 이때 상기 에너지하베스팅부(120)는 하나의 패키지로 구성되어 소형화를 이룰 수 있다.
상기 게이트웨이(200)는 외부의 AC 전원을 공급받아 동작하고, 상기 무선통신 송신부(150)를 통해 원격 무선 전류센서로부터 단방향으로 전류 RMS값과 무선통신 송신 카운트 값 취득, 전류 RMS값과 수신 카운트 값으로 전류 데이터 연산 및 데이터 패킷을 생성한다.
상기 게이트웨이(200)는 상위 서버 시스템(도시되지 않음)과의 유/무선 통신을 통한 데이터 패킷 송수신, 에너지 관리 시스템을 구성한다.
상기 MCU부(140)는 상기 전류 검출부(110)의 2차측 전류를 통한 에너지하베스팅부(120)와 전류 검출부(110)를 일정 주기로 동작한다.
상기 MCU부(140)는 상기 에너지하베스팅을 통해 충분한 에너지가 저장되었을 때 동작하도록 벅 컨버터부(123)와 캐패시터(122) 사이에 스위칭부(도시되지 않음)가 추가로 구성되어 있다. 상기 스위칭부는 일정 전원이 생성되지 않았을 때 상기 MCU부(140)가 동작하지 않도록 OFF되어 있다가 충분한 에너지하베스팅이 일어나면 ON되어 상기 MCU부(140)가 동작한다.
상기 MCU부(140)는 제어 및 연산부(141), 센서 제어부(142) 및 전원 공급부(143)로 구성되어 있다.
상기 제어 및 연산부(141)는 상기 에너지하베스팅부(120)로부터 필요한 전원을 공급받아 상기 전류 검출부(110)로부터 검출된 전류 정보를 전달받아 연산하거나 상기 무선통신 송신부(150)를 제어한다.
상기 센서 제어부(142)는 상기 전류 검출부(110)가 클램프된 전원 케이블(10)의 1차측 전류 RMS 값과 MCU부(140)의 동작 횟수를 연산하여 데이터를 패킷화한다.
상기 전원 공급부(143)는 상기 에너지하베스팅부(120)로부터 생산된 전원을 공급받아 상기 MCU부(140) 및 무선통신 송신부(150)에 필요한 전원을 공급한다.
상기 에너지하베스팅부(120)는 상기 전류 검출부(110)의 2차측 전류를 정류부(121)로 정류하여 캐패시터(122)에 저장하고, 상기 캐패시터(122)에 저장된 Vin이 특정 전압까지 에너지가 축적되면 벅 컨버터부(123)가 기동하여 상기 MCU부(140) 및 무선통신 송신부(150)가 동작할 수 있는 출력전압을 생성하여 전원을 공급한다.
상기 MCU부(140)는 상기 에너지하베스팅부(120)로부터 필요한 전원을 공급받아 가동되면 상기 캐패시터(122)의 Vin 전압이 특정 상위 전압이 될 때까지 대기모드로 진입하여 에너지하베스팅이 충분히 일어나도록 한다(도 3의 ① 구간).
이어, 상기 센서제어부(142)를 ON시켜 센싱 저항부(160)와 전류 RMS 측정부(130)를 통해 전류 실효값(rms)을 측정한다. 이때 CT 2차측 전류는 센싱 저항부(160)에 연결되어 에너지하베스팅부(120)가 작동하지 않음으로 Vin 전압의 방전이 일어난다(도 3의 ② 구간). 전류 측정의 최소 시간 이후 에너지하베스팅부(120)의 재동작을 위해 센서제어부(142)를 OFF시키고 Vin 전압이 특정 상위 전압이 될 때까지 MCU등 주변회로를 대기모드로 재진입한다(도 3의 두 번째 ① 구간).
이어서, 단방향 무선통신을 통한 전류 RMS값과 무선통신 송신 카운트 값 전송, 무선통신 송신 카운트 값은 하베스팅 에너지가 작아 MCU가 동작하지 않고 RESET이 되면 0으로 초기화되고, 하베스팅 에너지가 충분하여 항상 동작할 경우, 정해진 일정주기로 계속데이터를 송신하며 카운트 값을 누적한다.
이때 상기 에너지하베스팅부(120)는 계속 동작하고 있어 무선통신간의 소모에너지와 축적에너지간의 차이로 Vin의 방전이 일어난다(도 3의 ③ 구간). 4 단계의 1Cycle 주기를 가지고 동작하며, CT 1차측 전류의 양에 따라 대기기간의 가변이 일어난다. CT 1차측 전류가 작을 경우 무선통신 기준 1Cycle의 길이가 늘어나고, 전류가 증가함에 따라 줄어들다가, 특정 전류 이상에서는 고정된 주기를 가지도록 운용모드를 정한다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템을 나타낸 구성도이며, 도 5 및 도 6은 도 4의 에너지하베스팅부 및 MCU부의 동작 제어를 나타낸 타이밍도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 의한 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템(100)은 도 4에 도시된 바와 같이, 단상 또는 삼상의 전선 케이블(10)에 클램핑되어 상기 전선 케이블(10)에 흐르는 1차측 전류를 검출하여 무선 통신을 통해 게이트웨이(300)로 전송하는 역할을 한다.
상기 단상 또는 삼상의 전선 케이블(10)에 클램핑되어 상기 전선 케이블(10)에 흐르는 1차측 전류를 검출하는 제 1 내지 제 3 전류 검출부(211, 212, 213)와, 상기 각 전류 검출부(211, 212, 213)에 결합되고 상기 각 전류 검출부(211, 212, 213)의 2차측 전류를 전달받아 전원을 생성하는 에너지하베스팅부(220)와, 상기 전선 케이블(10)의 흐르는 2차측 전류의 실효값(rms)을 측정하는 제 1 내지 제 3 전류 RMS 측정부(231, 232, 233)와, 상기 에너지하베스팅부(220)에서 생산된 전원을 공급받아 동작하고 상기 각 전류 검출부(211, 212, 213)로부터 검출된 전류를 전달받아 분석하는 MCU부(240)와, 상기 에너지 하베스트팅부(220)에 생산된 전원을 공급받아 동작하고 상기 MCU부(240)에서 분석된 전류에 대한 정보를 외부로 송신하는 무선통신 송신부(250)와, 상기 각 전류 RMS 측정부(231, 232, 233)의 전단에 설치되어 상기 에너지하베스팅부(220)의 작동을 제어하는 제 1 내지 제 3 센싱 저항부(261, 262, 263)와, 상기 무선통신 송신부(250)를 통해 데이터를 수신하고 외부의 상위 관리 서버와 연동을 위해 유/무선 통신부를 포함하고 수신된 교류전류 정보를 생성하는 게이트웨이(300)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 각 전류 검출부(211, 212, 213)는 클램프 CT 형태로 각종 회로부를 통합한 하나의 외형을 가지는 무선 전류센서 또는 클램프 CT와 회로부를 전선 및 커넥터로 외부에서 연결할 수 있는 두 개의 외형을 가지는 무선 전류센서로서, 상기 전선 케이블(10)에 클램핑되어 결합되어 구성된다.
또한, 상기 에너지하베스팅부(220)는 상기 각 전류 검출부(211, 212, 213)의 2차측 전류를 정류하는 제 1 정류부(221)와, 상기 제 1 정류부(221)를 통해 정류된 전류를 전달받아 필요한 전원을 생성하는 벅 컨버터부(223)를 포함한다. 이때 상기 제 1 정류부(221)와 벅 컨버터부(223) 사이에는 상기 제 1 정류부(221)에서 정류된 전류를 저장하는 커패시터(Cin)(222)가 구성되어 있다.
한편, 상기 제 2 전류 검출부(212) 및 제 3 전류 검출부(213)의 2차측 전류를 정류하는 제 2, 제 3 정류부(271, 272)를 포함한다. 상기 제 2, 제 3 정류부(271, 272)는 상기 제 1 정류부(221)와 동일하게 구성되어 상기 에너지하베스팅부(220)에 정류된 전압을 공급하는 역할을 한다.
상기 제 1 내지 제 3 전류 검출부(211, 212, 213)는 상기 에너지하베스팅부(220)에 의한 전류 왜곡을 제거하기 위해 센서 제어부(242)에 의해 특정 시간동안만 스위칭되어 동작하는 별도의 회로부(도시되지 않음)를 구성하고 있다.
상기 MCU부(240)는 상기 각 전류 검출부(211, 212, 213)로부터 측정된 전류 정보와 상기 무선통신 송신부(250)에서 무선으로 데이터를 송신한 횟수를 카운트정보를 기반으로 상기 각 전류 검출부(211, 212, 213)가 클램프된 전원 케이블(10)의 1차측 전류 실효값(RMS)과 MCU부(240)의 동작 횟수를 연산하여 데이터를 패킷화한다.
상기 패킷된 데이터를 상기 무선통신 송신부(250)를 통해 게이트웨이(300)로 전송한다. 이때 데이터를 전송하는 방식은 단방향 Tx 방식으로 블루투스를 활용한 비콘(becon), RF의 단방향 등 에너지하베스팅을 통한 저전력 방식을 사용한다. 즉, 양방향 구현을 위한 Rx 대기 상태의 소모전력을 제거하여 단방향 Tx 방식으로 전송함으로써 저전력 구동에 따른 전력 소모를 줄일 수 있다.
한편, 상기 MCU부(240)와 무선통신 송신부(250)는 분리형으로 구성되는 것을 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고 하나의 패키지로 구성할 수도 있다.
또한, 상기 각 전류 검출부(211, 212, 213)의 2차측 전류를 정류하는 제 1 정류부(221)로 구성되어 회로 동작에 필요한 전원을 공급한다. 이때 상기 에너지하베스팅부(220)는 하나의 패키지로 구성되어 소형화를 이룰 수 있다.
상기 게이트웨이(300)는 외부의 AC 전원을 공급받아 동작하고, 상기 무선통신 송신부(250)를 통해 원격 무선 전류센서로부터 단방향으로 전류 RMS값과 무선통신 송신 카운트 값 취득, 전류 RMS값과 수신 카운트 값으로 전류 데이터 연산 및 데이터 패킷을 생성한다.
상기 게이트웨이(300)는 상위 서버 시스템(도시되지 않음)과의 유/무선 통신을 통한 데이터 패킷 송수신, 에너지 관리 시스템을 구성한다.
상기 MCU부(240)는 상기 각 전류 검출부(211, 212, 213)의 2차측 전류를 통한 에너지하베스팅부(220)와 각 전류 검출부(211, 212, 213)를 일정 주기로 동작한다.
상기 MCU부(240)는 상기 에너지하베스팅을 통해 충분한 에너지가 저장되었을 때 동작하도록 벅 컨버터부(223)와 캐패시터(222) 사이에 스위칭부(도시되지 않음)가 추가로 구성되어 있다. 상기 스위칭부는 일정 전원이 생성되지 않았을 때 상기 MCU부(240)가 동작하지 않도록 OFF되어 있다가 충분한 에너지하베스팅이 일어나면 ON되어 상기 MCU부(240)가 동작한다.
상기 MCU부(240)는 제어 및 연산부(241), 센서 제어부(242) 및 전원 공급부(243)로 구성되어 있다.
상기 제어 및 연산부(241)는 상기 에너지하베스팅부(220)로부터 필요한 전원을 공급받아 상기 각 전류 검출부(211, 212, 213)로부터 검출된 전류 정보를 전달받아 연산하거나 상기 무선통신 송신부(250)를 제어한다.
상기 센서 제어부(242)는 상기 각 전류 검출부(211, 212, 213)가 클램프된 전원 케이블(10)의 1차측 전류 RMS 값과 MCU부(240)의 동작 횟수를 연산하여 데이터를 패킷화한다.
상기 전원 공급부(243)는 상기 에너지하베스팅부(220)로부터 생산된 전원을 공급받아 상기 MCU부(240) 및 무선통신 송신부(250)에 필요한 전원을 공급한다.
상기 에너지하베스팅부(220)는 상기 각 전류 검출부(211, 212, 213)의 2차측 전류를 제 1 정류부(221)로 정류하여 캐패시터(222)에 저장하고, 상기 캐패시터(222)에 저장된 Vin이 특정 전압까지 에너지가 축적되면 벅 컨버터부(223)가 기동하여 상기 MCU부(240) 및 무선통신 송신부(250)가 동작할 수 있는 출력전압을 생성하여 전원을 공급한다.
한편, 일반적으로 삼상에 대한 전류를 검출하기 위해서 각 상에 단상 전류센서를 3개 설치하고 있지만, 이는 게이트웨이 입장에서 무선통신을 처리해야하는 부분이 3개로 늘어나는 부담과 함께 센서 3개로 인한 가격경쟁력 약화가 일어난다.
따라서 본 발명의 제 2 실시예는 3개의 CT를 입력할 수 있는 단일 회로로 통합하여, 하나의 MCU부(240)와 하나의 무선통신 송신부(250)로 통합하여 구성한다.
이를 위해 각각의 전류 검출부(211, 212, 213)에 제 1 내지 제 3 정류부(221, 271, 272)를 개별로 3개 통과시킨 후, 에너지 저장 캐패시터(222) 앞단에서 통합시킨다. 이로서 단일 벅 컨버터부(223)로 기동이 가능하도록 단순화시키고 있다.
한편, 상기와 같이 구성된 시스템의 동작방법은 도 5에서와 같이, 단상 전류센서와 동일하게 4단계로 동작하는데, 즉 전류 측정 단계에서 동시에 제 1 내지 제 3 전류 검출부(211, 212, 213)를 ON시켜 전류를 측정하고 OFF시키는 것이다.
이와 별도로 도 6에서와 같이, 전류 측정을 각 상 별로 3번에 나누어 측정하고 전체 1Cycle 단계가 8단계로 늘어나지만, 전류 1상을 측정하는 동안 다른 2상의 전류는 에너지하베스팅부(220)를 동작시킴으로서 삼상 무선 전류센서의 동작 안정성을 높일 수 있다.
이는 상기 캐패시터(222)의 Vin 전압이 특정 상위 전압이 될 때까지의 대기 시간을 줄어들게 하여 전체 1Cycle 시간에는 도움을 준다. 또한, 3개의 센싱 저항부(261, 262, 263)와 전류 RMS 측정부(231, 232, 233)의 구성으로 각각의 회로 편차를 줄여주는 캘리브레이션 단계를 생산과정 간 별도로 수행하는 것이 시스템 정확도를 높인다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 8은 도 7의 에너지하베스팅부 및 MCU부의 동작 제어를 나타낸 타이밍도이다.
본 발명의 제 3 실시예에 의한 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템은 도 7에 도시된 바와 같이, 제 2 실시예와 비교하여 전류 RMS 측정부(330) 및 센싱 저항부(360)를 하나씩만 구성하는 것을 제외하면 동일한 구성을 갖는다.
즉, 본 발명의 제 3 실시예는 센싱 저항부(360)와 전류 RMS 측정부(330)를 통합하고 도 8에서와 같이, 운용 알고리즘을 적용한 최적화 구성이다. 전류 측정에 필요한 하드웨어부를 하나로 통합 구성함으로써, 상간 전류 측정 오차를 감소시킬 수 있으며 이와 동시에 가격경쟁력 확보 가능하다. 단상 및 삼상 구성에 있어 CT 개수에 관계없이 단상 및 삼상 겸용으로 사용 가능하다.
도 9는 도 2의 게이트 웨이를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 게이트웨이(200)는 전원 공급부(201), 무선통신 수신부(202), MCU(203) 및 유/무선 통신부(204)를 포함하여 구성된다.
상기 MCU(203)는 카운터 분석부(203a), 전류 RMS 재구성부(203b), 상위 데이터 생성부(203c)를 포함하여 구성된다.
상기 카운터 분석부(203a)는 상기 무선통신 송신부(150)로부터 전달된 데이터를 수신하여 데이터 카운트를 실시한다.
상기 MCU(203)는 단방향 무선통신 수신부(202)로부터 무선통신 송신부(150)에서 송신한 데이터를 받아 상위 관리서버로 전송할 데이터를 연산하여 생성한다. 상기 MCU(203)는 부하 소모 전력이 낮아 원격 무선 전류센서의 데이터 전송 주기가 간헐적으로 일어날 경우 부하의 급변상황에서 정확도 오차가 커질 수 있으며, 또한, 무선통신 수신부(203)에서 데이터 패킷을 잃어버리는 경우에 정확도 오차가 커질 수 있다.
이와 같이 상기 카운터 분석부(203a)는 상기 무선통신 수신부(202)로부터 수신된 데이터 카운트를 기반으로 상기 전류 RMS 재구성부(203b)로 수신된 전류 RMS값을 시간에 따른 평균화하여 상위 관리서버로 전송할 전류정보를 재생성하여 정확도를 개선한다.
상기 상위 데이터 생성부(203b)는 타임 스탬프(time stamp)를 추가하며, 무선 센서로부터 수신된 카운트 값과 타임 스탬프 시간 간격을 활용하여, 전류 RMS값을 재구성한다. 또한 상위 관리서버에 전송할 데이터에 최종 타임 스탬프와 전류 RMS값을 패킷화한다.
상기 유/무선 통신부(204)는 상기 MCU(203)를 통해 생성된 데이터를 외부의 상위 관리서버로 전송한다.
따라서 상기 게이트웨이(200)는 상기 유/무선 통신부(204)를 통해 상위 관리서버와 연동하는데, 하위 단방향 무선통신 수신부와 달리 상위 시스템 연동은 유/무선 통신을 다 사용할 수 있으며, 상황에 따라 양방향 통신을 수행하도록 설계할 수 있다.
따라서 본 발명에 의한 무선 교류 전류센서 시스템은 자가발전 원격 무선 전류센서로 설치가 용이하며, 유지보수를 원활하게 할 수 있다.
또한, 원격 무선 전류센서에서의 전류 RMS값과 MCU Reset 주기에 따른 카운트 값으로 배전반 및 분전반의 전류에 정보를 생성하여 보다 효율적으로 관리할 수 있다.
또한, 교류 전류 RMS값의 직접적 측정, 무선통신 데이터 수신 카운트 정보를 이용한 게이트웨이에서의 타임 스탬프 조합의 시간간격 평균화 기법 적용으로 검출 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상위 시스템과 하위 시스템 통합 구현 가능성으로 시스템 수준 에너지 관리 서버 시스템 구성 및 가격 경쟁력을 갖는 시스템을 구축할 수 있다.
한편, 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 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 : 전선 케이블 110 : 전류 검출부
120 : 에너지하베스팅부 130 : 전류 RMS 측정부
140 : MCU부 150 : 무선통신 송신부
160 : 센싱 저항부 200 : 게이트웨이

Claims (10)

  1. 단상 또는 삼상의 전선 케이블에 클램핑되어 상기 전선 케이블에 흐르는 1차측 전류를 검출하는 전류 검출부와,
    상기 전류 검출부에 결합되고 상기 전류 검출부의 2차측 전류를 전달받아 전원을 생성하는 에너지하베스팅부와,
    상기 전선 케이블에 흐르는 2차측 전류의 실효값(rms)을 측정하는 전류 RMS 측정부와,
    상기 에너지하베스팅부에서 생산된 전원을 공급받아 동작하고 상기 전류 검출부로부터 검출된 전류를 전달받아 분석하는 MCU부와,
    상기 에너지 하베스트팅부에서 생산된 전원을 공급받아 동작하고 상기 MCU부를 통해 분석된 전류에 대한 정보를 외부로 송신하는 무선통신 송신부와,
    상기 전류 RMS 측정부의 전단에 설치되어 상기 에너지하베스팅부의 작동을 제어하는 센싱 저항부와,
    상기 무선통신 송신부를 통해 데이터를 수신하고 외부의 상위 관리 서버와 연동을 위해 유/무선 통신부를 포함하여 수신된 교류전류 정보를 생성하는 게이트웨이를 포함하여 이루어지고,
    상기 전류 검출부는 3상의 전류를 각각 검출하는 제 1 내지 제 3 전류 검출부로 구성되고, 상기 전류 RMS 측정부는 상기 전선 케이블의 흐르는 2차측 전류의 실효값(rms)을 측정하는 제 1 내지 제 3 전류 RMS 측정부와, 상기 제 1 내지 제 3 전류 RMS 측정부의 전단에 설치되어 상기 에너지하베스팅부의 작동을 제어하는 제 1 내지 제 3 센싱 저항부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전류 검출부는 클램프 CT 형태로 각종 회로부를 통합한 하나의 외형을 가지는 무선 전류센서 또는 클램프 CT와 회로부를 전선 및 커넥터로 외부에서 연결할 수 있는 두 개의 외형을 가지는 무선 전류센서인 것을 특징으로 하는 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지하베스팅부는 상기 전류 검출부의 2차측 전류를 정류하는 제 1 정류부와, 상기 제 1 정류부를 통해 정류된 전류를 전달받아 필요한 전원을 생성하는 벅 컨버터부를 포함하고, 상기 제 1 정류부와 벅 컨버터부 사이에는 상기 제 1 정류부에서 정류된 전류를 저장하는 커패시터가 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전류 검출부는 상기 에너지하베스팅부에 의한 전류 왜곡을 제거하기 위해 센서 제어부에 의해 특정 시간 동안만 스위칭되어 동작하는 회로부를 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 MCU부는 상기 전류 검출부로부터 측정된 전류 정보와 상기 무선통신 송신부에서 무선으로 데이터를 송신한 횟수를 카운트정보를 기반으로 상기 전류 검출부가 클램프된 전원 케이블의 1차측 전류 RMS 값과 MCU 연산부의 동작 횟수를 연산하여 데이터를 패킷화하는 것을 특징으로 하는 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 패킷된 데이터를 상기 무선통신 송신부를 통해 게이트웨이로 전송하고, 상기 데이터를 전송하는 방식은 단방향 Tx 방식으로 블루투스를 활용한 비콘, RF의 단방향으로 에너지하베스팅을 통한 저전력 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 MCU부와 무선통신 송신부는 분리형 또는 하나의 패키지로 구성하는 것을 특징으로 하는 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 게이트웨이는 외부의 AC 전원을 공급받아 동작하고, 상기 무선통신 송신부를 통해 원격 무선 전류센서로부터 단방향으로 전류 RMS값과 무선통신 송신 카운트 값 취득, 전류 RMS값과 수신 카운트 값으로 전류 데이터 연산 및 데이터 패킷을 생성하는 것을 특징으로 하는 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 MCU부는 상기 에너지하베스팅부로부터 필요한 전원을 공급받아 상기 전류 검출부로부터 검출된 전류 정보를 전달받아 연산하거나 상기 무선통신 송신부를 제어하는 연산 및 제어부와, 상기 전류 검출부가 클램프된 전원 케이블의 1차측 전류 RMS 값과 MCU 연산부의 동작 횟수를 연산하여 데이터를 패킷화하는 센서 제어부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 교류 단상 및 삼상 겸용 에너지하베스팅 무선 전류센서 시스템.
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