KR102238380B1 - 직류 전원 변환용 서브 모듈 및 서브 모듈 프로그램 업데이트 방법 - Google Patents

직류 전원 변환용 서브 모듈 및 서브 모듈 프로그램 업데이트 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 직류 전원 변환용 서브 모듈은, 다수 개를 직렬 연결하여 DC-DC 변환에 사용될 수 있는 직류 전원 변환용 서브 모듈에 있어서,
변압 등 직류 전원을 변환하기 위해 직류 전원을 스위칭하는 전력 스위치 소자; 상기 전력 스위칭 소자에 의해 개폐되는 직류 전력을 축전하는 직류 커패시터; 상기 직류 커패시터로부터 상기 서브 모듈의 구동에 필요한 전원을 생성하는 전원 공급 장치; 상기 서브 모듈의 전체 동작을 제어하는 서브 모듈 제어기; 상기 서브 모듈 제어기의 동작에 필요한 데이터를 저장하는 메모리; 외부 장치와 데이터 통신을 수행하는 통신부를 포함하되,
상기 서브 모듈 제어기는, DC-DC 변환 운영 중 상기 서브 모듈의 스타트 시퀀스의 도중 기간 또는 스탑 시퀀스의 도중 기간 동안 프로그램(OS나 펌웨어)의 업데이트 작업을 수행할 수 있다.

Description

직류 전원 변환용 서브 모듈 및 서브 모듈 프로그램 업데이트 방법{SUB-MODULE FOR DC-DC CONVERTING AND UPDATE METHOD OF SUB-MODULE PROGRAM}
본 발명은 직류를 교류로 변환하지 않고 직접 원하는 특성의 직류로 변환하는 DC-DC 컨버터에 사용될 수 있는 직류 전원 변환용 서브 모듈 및 서브 모듈 프로그램 업데이트 방법에 관한 것이다. 특히, 고압 직류 송전(HVDC) 용도의 DC - DC 컨버터 장치로서, 모듈러 멀티레벌 컨버터(MMC)의 단위 스위치 서브 모듈로 적용될 수 있는 직류 전원 변환용 서브 모듈 및 서브 모듈 프로그램 업데이트 방법에 관한 것이다.
변압기를 사용한 전압의 용이성 때문에 직류를 직류로 변환하는 과정에서도, 직류를 교류로 변환한 후 변압을 수행하고 다시 직류로 변환하는 방식이 오랫동안 사용되었다.
최근 전력 전자 소자의 발전과, 다수 개의 전력 소자들을 효율적으로 on/off 제어하는 기술의 급격한 발전은, 직류를 직류로 직접 변환하는 DC - DC 컨버터의 적용 분야를 확대하고 있다. 즉, 고전압 전력용 반도체 변압 기술을 이용한 고압 직류 송전(HVDC) 분야의 영역이 확대되고 있다.
또한, 신재생에너지 발전원을 포함하는 스마트그리드의 경우, 기본 생산되는 전력 자체가 직류이고, 생산된 전력을 저장하는 배터리에도 직류가 사용되는 바, 저비용 고효율의 DC - DC 컨버터의 수요가 증가되고 있다.
상술한 고압 직류 송전(HVDC) 용도의 DC - DC 컨버터 장치로서, 모듈러 멀티레벌 컨버터(MMC)가 주력이 될 것이라고 기대받고 있다.
MMC(Modular Multilevel Converter)는 모듈화된 소용량의 IGBT를 포함하는 2 or 3 레벨 컨버터를 직렬로 연결하여 구성된다. 특히, HVDC용 MMC는 다수의 컨버터 암(ARM)으로 구성되며, 각 컨버터 암은 다수의 서브 모듈(Sub-Module)이 직렬로 연결된다.
직류를 직접 직류로 변환하므로 변환 손실이 작고, 스위칭 동작을 제어하여 고조파를 억제시킬 수 있어 고조파 필터가 불필요한 이점이 있다. 또한, 서브 모듈들의 직렬 연결로 대용량 및/또는 고전압 구성이 용이하다. 그러나, 원하는 성능을 달성하기 위해 개별 서브 모듈들에 대한 매우 복잡한 고속 고정밀 제어가 요구된다. 이를 위해 각 개별 서브 모듈은 소정의 프로그램(OS나 펌웨어)에 의해 자체적으로 동작이 제어되고, 머신 러닝 등 다양한 기법에 의해 전체 MMC에 대한 고속 고정밀 제어 과정이 조정되는 경우 각 개별 서브 모듈의 프로그램도 새로운 버전으로 교체가 수행된다. 또한, MMC에 속한 구성품의 교체나 MMC가 속한 전력그리드(스마트그리드)의 구성 장치 교체의 경우에도 각 개별 서브 모듈의 프로그램의 교체가 요구될 수 있다.
그런데, 서브 모듈(SM) 및 서브 모듈 제어기의 프로그램(OS나 펌웨어)을 교체나 업데이트할 경우, 서브 모듈(SM) 시스템이 가동되지 않을 때 별도의 전원을 연결하고, 개별적으로 사용자가 노트북 등을 이용하는 방식으로 운용되고 있다. 즉, HVDC 시스템 운전 중에는 펌웨이 업데이트는 불가능하게 된다. 이는, 서브 모듈 제어기의 전원은 서브 모듈 내 커패시터(직류 Capacitor)의 전압을 이용하기 때문에, SM 시스템이 가동되지 않을 때는 커패시터의 전압이 없어 서브 모듈 제어기의 전원을 외부에서 별도로 연결하는 것이다.
한편, 전력 시스템의 안전을 위한 절연성 확보 필요성 때문에, 서브 모듈 제어기의 제어기의 전원을 모듈 내 커패시터가 아닌 별도 전원을 연결하여 상시 운용할 수 없다.
이에 따라, 서브 모듈 및 서브 모듈 제어기의 프로그램 업데이트 후에는 반드시 별도 전원을 제거해야 하는 번거로움이 있으며, 작업자가 실수로 제거하지 않는 경우 안전 문제를 발생시킬 수도 있었다.
또한, HVDC는 용량에 따라 수십 개에서 수 백개, 수 천개의 서브 모듈들이 연결될 수 있는 바, 시스템이 설치된 이후 SM 프로그램(OS나 펌웨어) 변경을 할 경우, 상술한 문제점들은 시간 및 비용, 인력 등에 큰 부담이 되었다.
대한민국 특허공보 제10-1825225호
본 발명은 HVDC 시스템 운전 시에도 별도의 전원을 연결하지 않고 서브 모듈의 프로그램(OS나 펌웨어)을 업데이트하는 방안을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 직류 전원 변환용 서브 모듈은, 다수 개를 직렬 연결하여 DC-DC 변환에 사용될 수 있는 직류 전원 변환용 서브 모듈에 있어서,
변압 등 직류 전원을 변환하기 위해 직류 전원을 스위칭하는 전력 스위치 소자; 상기 전력 스위칭 소자에 의해 개폐되는 직류 전력을 축전하는 직류 커패시터; 상기 직류 커패시터로부터 상기 서브 모듈의 구동에 필요한 전원을 생성하는 전원 공급 장치; 상기 서브 모듈의 전체 동작을 제어하는 서브 모듈 제어기; 상기 서브 모듈 제어기의 동작에 필요한 데이터를 저장하는 메모리; 외부 장치와 데이터 통신을 수행하는 통신부를 포함하되,
상기 서브 모듈 제어기는, DC-DC 변환 운영 중 상기 서브 모듈의 스타트 시퀀스의 도중 기간 또는 스탑 시퀀스의 도중 기간 동안 프로그램(OS나 펌웨어)의 업데이트 작업을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 서브 모듈 제어기는, 상기 통신부를 통해 외부 장치로부터 업데이트할 상기 프로그램(OS나 펌웨어)의 이미지 파일을 전달받아 상기 메모리에 저장하고, 상기 이미지 파일의 저장이 완료되면, 저장된 이미지 파일로 프로그램(OS나 펌웨어)를 교체할 수 있다.
여기서, 상기 메모리는, 실행 중인 프로그램(OS나 펌웨어)가 저장되는 부트 로더용 영역과, 상기 전달받은 이미지 파일을 저장할 임시 영역을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 통신부는 광 통신 방식으로 상기 외부 장치와 데이터 통신할 수 있는 광 통신 채널을 형성할 수 있다.
여기서, 상기 서브 모듈 제어기는, 서브 모듈에 대한 프로그램 업데이트 필요 여부를 확인하는 단계; 업데이트 버전의 SM 프로그램의 이미지 파일을 상기 외부 장치에서 전달받는 단계; 상기 SM 프로그램 이미지 파일을 임시 저장하는 단계; 및 임시 저장이 완료되면 임시 저장된 이미지 파일을 이용하여 SM 프로그램을 업데이트 하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 서브 모듈 프로그램 업데이트 방법은, 다수 개를 직렬 연결하여 DC-DC 변환에 사용될 수 있는 직류 전원 변환용 서브 모듈과, 상위 장치로부터 DC-DC 변환 작업 지시에 따라 다수 개의 서브 모듈들에 스위칭 동작을 지시하는 VBE에서 수행되되, 상기 서브 모듈의 스타트 시퀀스의 도중 기간 또는 스탑 시퀀스의 도중 기간 동안 수행되는 서브 모듈 프로그램 업데이트 방법에 있어서,
서브 모듈 프로그램의 업데이트 필요 여부를 확인하는 단계; 업데이트 버전의 SM 프로그램의 이미지 파일을 VBE에서 서브 모듈로 전달하는 단계; 서브 모듈에 상기 SM 프로그램 이미지 파일을 임시 저장하는 단계; 및 임시 저장이 완료되면 임시 저장된 이미지 파일을 이용하여 SM 프로그램을 업데이트 하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 SM 프로그램을 업데이트 하는 단계는, 상기 이미지 파일을 임시 저장하는 단계에서 상기 서브 모듈 메모리의 임시 저장 영역에 저장된 상기 SM 프로그램 이미지 파일을 상기 서브 모듈 메모리의 부트용 메모리 영역에 복사하는 방식으로 수행될 수 있다.
여기서, 상기 SM 이미지 파일이 임시 저장되는 도중에 전달 오류 발생 여부를 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 스타트 시퀀스의 경우, 서브 모듈의 패시브 차징 구간에서 수행될 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 직류 전원 변환용 서브 모듈을 실시하면, HVDC 시스템 운전 시에도 별도의 전원을 연결하지 않고 서브 모듈의 프로그램(OS나 펌웨어)을 업데이트하는 이점이 있다.
본 발명의 직류 전원 변환용 서브 모듈은, 소프트웨어 버전 오류로 통해 시스템 이상 동작 요소를 제거 가능하여, HVDC 운전 신뢰성을 향상시키는 이점이 있다.
본 발명의 직류 전원 변환용 서브 모듈은, 서브 모듈의 프로그램(OS나 펌웨어)을 업데이트하는 시간 및 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 HVDC 시스템의 제어 시스템 계층 구성을 도시한 블록도.
도 2는 도 1의 계층 구성에서 상위제어기로부터 서브 모듈까지의 제어 흐름의 개념을 나타내면 블록도.
도 3은 MMC의 기본 구성을 도시한 회로도.
도 4는 MMC를 구성하는 각 서브 모듈의 기본 구성을 도시한 회로도.
도 5은 발명의 일 실시예에 따른 직류 전원 변환용 서브 모듈을 도시한 블록도.
도 6은 스타트 시퀀스에서 서브 모듈과 계통의 연계 상태를 도시한 회로 개념도.
도 7은 스타트 시퀀스에서의 전압 파형을 도시한 파형도.
도 8는 스탑 시퀀스에서 서브 모듈과 계통의 연계 상태를 도시한 회로 개념도.
도 9은 스탑 시퀀스에서의 전압 파형을 도시한 파형도.
도 10은 SM 프로그램 이미지 파일 전송 오류를 대비한 SM 프로그램 업데이트 방법을 도시한 흐름도.
도 11는 도 1의 최상위 운영 시스템 레벨의 HMI에서 VBE까지 SM 프로그램 이미지 파일이 전달되는 것을 도시한 블록도.
도 12a는 정상적으로 업데이트되는 경우 부트로더용 메모리에서의 저장 구조를 도시한 메모리 구성도.
도 12b는 업데이트 도중 오류가 발생되는 경우 부트로더용 메모리에서의 저장 구조를 도시한 메모리 구성도.
도 13는 스타트 시퀀스시 SM 프로그램 업데이트를 수행하는 VBE 제어기의 동작을 도시한 흐름도.
도 14는 스타트 시퀀스시 SM 프로그램 업데이트를 수행하는 서브 모듈 제어기의 동작을 도시한 흐름도.
도 15은 스탑 시퀀스시 SM 프로그램 업데이트를 수행하는 VBE 제어기의 동작을 도시한 흐름도.
도 16은 스탑 시퀀스시 SM 프로그램 업데이트를 수행하는 서브 모듈 제어기의 동작을 도시한 흐름도.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 HVDC 시스템의 제어 시스템 구성을 도시한 블록도이다.
도면의 상단에 위치한 최상위 운영시스템(Operator) 레벨의 시스템/장치들은, 다수개의 전력 그리드들 집합 또는 전력 그리드가 연결된 계통에서 범용적인 전력 관리에 사용되는 장치/시스템들일 수 있다. 본 발명과 관련하여서는 HMI가 HVDC/MMC의 통합 운전을 관리하며, 각 서브 모듈들을 포함한 전력 그리드 장치들에 대한 프로그램(OS나 펌웨어) 버전/업데이트 관리를 수행한다.
도면의 중단에는 상위제어기(Control & Protection Controller)가 위치한다. 상기 상위제어기는, 시스템 지령 응동 및 상태 전달을 수행하고, 계측 및 HVDC 시스템 제어 알고리즘 수행하고, 계통 보호 알고리즘을 수행한다.
도면의 하단에는 VBE(Valve Base Electronics)가 위치한다. VBE는, 상위제어기로부터 취득한 지령을 통해, 서브 모듈(SM)의 IGBT On/Off 신호를 생성 후, 해당 정보를 서브 모듈(SM) 제어기에 전달한다. 구체적으로, VBE는 상위제어기로부터 전압 레퍼런스와 전류 방향을 입력 받아, 서브 모듈 내 IGBT의 On/Off 신호(Firing Signal)를 생성하는 역할을 수행한다.
도면의 최하단에는 서브 모듈들이 위치한다. 서브 모듈의 전체 동작을 제어하는 서브 모듈 제어기는 VBE로부터 취득한 On/Off 신호(Firing Signal)를 통해, 내부 IGBT를 On/Off시킨다. 이러한 상위제어기로부터 서브 모듈까지의 제어 흐름의 개념을 나타내면 도 2와 같다.
VBE의 역할을 설명하면, 먼저, VBE는 복수의 SM과 1:1 광 통신을 수행하기 위한 광 통신 채널을 형성한다. 따라서, VBE 제어기를 이용해 서브 모듈 제어기의 프로그램(OS나 펌웨어)을 업데이트할 수 있다.
이때, 서브 모듈 제어기는 서브 모듈 내의 커패시터에 전압이 일정 범위이상 충전되었을 때, 구동 전원을 공급받을 수 있다. 즉, 시스템 정지 시에는 커패시터의 전압이 없으므로, 서브 모듈 제어기는 전원이 차단된 상태가 된다.
MMC 기반의 HVDC 시스템에서는 도 1에 도시한 서브 모듈들은 MMC(Modular Multilevel Converter)를 구성한다.
도 3은 MMC의 기본 구성을 도시한 회로도이고, 도 4는 MMC를 구성하는 각 서브 모듈의 기본 구성을 도시한 회로도이다.
도시한 HVDC용 MMC는 3개의 페이즈 유닛(Phase Unit)을 구비하며, 각 페이즈 유닛은 상위 암(Upper arm)과 하위 암(Lower arm)으로 구분되며, 각 암(즉, 컨버터 암)은 인덕터와 다수의 서브 모듈들이 직렬로 연결되어 있음을 알 수 있다.
본 발명은 HVDC 시스템의 운전시퀀스 중 스타트 시퀀스 영역(구체적으로 Passive Charging 구간) 또는 스탑 시퀀스 영역에서 VBE(Valve Based Electronics)가 서브 모듈 제어기의 프로그램(OS나 펌웨어) 버전 정보를 취득하고, 해당 버전이 최신 버전이 아니거나, 특정 서브 모듈의 버전이 다른 서브 모듈들의 버전과 상이할 경우, VBE를 통해 서브 모듈의 프로그램을 업데이트 수행하는 것을 제안한다.
도 5은 본 발명의 사상에 따라 SM 프로그램을 업데이트 수행하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 전원 변환용 서브 모듈을 도시한 블록도이다.
도시한 직류 전원 변환용 서브 모듈은, 다수 개를 직렬 연결하여 DC-DC 변환에 사용될 수 있는 서브 모듈이다.
도시한 직류 전원 변환용 서브 모듈(100)은, 변압 등 직류 전원을 변환하기 위해 직류 전원을 스위칭하는 전력 스위치 소자(110); 상기 전력 스위칭 소자(110)에 의해 개폐되는 직류 전력을 축전하는 직류 커패시터(140); 상기 직류 커패시터(140)로부터 상기 서브 모듈의 구동에 필요한 전원을 생성하는 전원 공급 장치(150); 상기 서브 모듈(100)의 전체 동작을 제어하는 서브 모듈 제어기(160); 상기 서브 모듈 제어기(160)의 동작에 필요한 데이터를 저장하는 메모리(170); 외부 장치와 데이터 통신을 수행하는 통신부(180)를 포함한다.
여기서, 상기 서브 모듈 제어기(160)는, 본 발명의 사상에 따라 운영 중 상기 서브 모듈(100)의 스타트 시퀀스의 도중 기간 또는 스탑 시퀀스의 도중 기간 동안 SM 프로그램 업데이트 작업을 수행한다.
보다 구체적으로, 상기 서브 모듈 제어기(160)는, 상기 통신부(180)를 통해 외부 장치로부터 업데이트할 상기 SM 프로그램의 이미지 파일을 전달받아 상기 메모리(170)에 저장하고, 상기 이미지 파일의 저장이 완료되면, 저장된 이미지 파일로 SM 프로그램을 교체한다.
상기 전력 스위치 소자(110)는 IGBT로 구성될 수 있으며, 도 4에 도시한 바와 같이, 각 서브 모듈에 최소 2개가 구비되며, 다수 레벨 컨버터의 경우 다수 개의 IGBT가 구비될 수 있다.
상기 직류 커패시터(140)는 IGBT들의 스위칭 동작에 의해 원하는 직류 전압 레벨을 제공하기 위한 것인데, 서브 모듈 제어기(160)의 구동 전력을 제공하기도 한다.
상기 전원 공급 장치(150)는 커패시터로부터 비교적 작은 규모의 구동전력을 생성하는 회로로 구성될 수 있다.
상기 서브 모듈 제어기(160)는 비교적 단순한 제어 동작을 수행하는 CPU나 마이크로컨트롤러, MCU 등으로 구현될 수 있다. 상기 서브 모듈 제어기(160)가 상기 전력 스위치 소자(110)를 on/off 시키기 위한 신호는 GDU(gate drive unit, 미도시)에 의해 상기 전력 스위치(110) IGBT의 게이트 구동 전압(전류) 신호로 변환될 수 있다.
상기 메모리(170)는 별도로 구비된 플래시 메모리 등 메모리 소자로 구현되거나, 상기 서브 모듈 제어기(160)를 구성하는 제어기 칩에 내장된 메모리의 형태로 구현될 수 있다.
상기 통신부(180)는 전력 회로의 절연성 확보 및 스위칭 잡음의 유입 차단의 목적상 광통신을 수행하는 광통신 장치로 구현하는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 통신부(180)는 도 1 및 도 2에 도시한 VBE와 광 통신 채널을 통해 데이터 통신을 수행할 수 있다.
본 발명의 사상에 따른 서브 모듈(100)을 위한 프로그램(OS나 펌웨어)은 서브 모듈 제어기(160)가 수행하는 방식으로 동작할 수 있다. 예컨대, 상기 프로그램은 IGBT의 on 스위칭 동작(또는 off 스위칭 동작)을 수행할 때 각 서브 모듈에 할당된 개시전 지연 시간을 부여할 수 있다.(상기 개시전 지연 시간은 전체 MMC에 충격 완화 잡음 완화 등의 목적으로 각 서브 모듈마다 약간씩 다르게 설정할 수 있다.)
또는, 상기 프로그램은 각 서브 모듈의 IGBT에 허용된 최소(또는 최대) 턴온 시간을 설정할 수 있다.
또는, 상기 프로그램은 서브 모듈의 전력 스위치 소자(IGBT)(110) 및/또는 커패시터(140)의 노화/고장 여부를 판정하는 기능을 수행하거나, 노화/고장 여부 판정의 근거가 되는 데이터를 수집할 수 있다. 상기 근거 데이터로는 해당 소자의 발열, 전압 등을 센싱한 값이거나, 해당 소자의 동작 결과 전압/전류의 누적된 모니터링 데이터일 수 있다.
또는, 상기 프로그램은 각 서브 모듈의 커패시터(140)에 충전된 전력을 방전시키는 방전 스케쥴을 설정할 수 있다.
또는, 상기 프로그램은 서브 모듈을 구성하는 구성품(예: IGBT, 직류 커패시터, GDU 등)의 교체시, 교체된 구성품에 맞도록 기존 동작 시점을 조정하는 기능을 수행할 수 있다.
HVDC 시스템의 운전 과정에서의 시간 영역(스타트 시퀀스, 스탑 시퀀스)에 대하여 자세히 살펴보겠다. HVDC 시스템의 운전 시퀀스(Sequence)는 크게 다음과 같이 구분할 수 있다.
(1) Passive Charging : 패시브 차징 구간에서는 초기충전 회로를 통해 서브 모듈 내 커패시터가 충전되기 시작한다. 본 구간은 커패시터 충전 초기 구간으로서, 실제 HVDC 운전이 가능한 영역까지 커패시터는 충전되지 않은 상태이다. 그러나, 이때 커패시터에 충전된 전압으로 서브 모듈 제어기의 전원 공급은 가능하다.
(2) Active Charging : IGBT On/Off를 통해, 실제 HVDC 운전이 가능한 전압까지 서브 모듈 내 커패시터를 충전하는 구간으로서, HVDC 운전 직전 구간이다.
(3) Operation : HVDC 시스템이 정상 운전되는 구간이다.
(4) System Stop : 요망하는 운전을 완료한 HVDC 시스템을 정지시키는 구간으로, 시스템이 정지되면, 커패시터는 방전을 시작한다. 이때, 커패시터가 완전히 방전되기까지는 최소 수 분 이상 소요된다. 다시말해, HVDC 시스템을 정지한 시점부터 서브 모듈 제어기는 최소 수 분 이상 구동 전원이 공급되고 있는 상태가 된다.
본 발명의 사상에 따른 SM 프로그램 업데이트는 상술한 HVDC 시스템의 운전 시퀀스 중, 스타트 시퀀스(보다 구체적으로 (1) Passive Charging 구간) 및/또는 스탑 시퀀스((4) System Stop 구간과 유사)에 수행될 수 있다.
먼저, 스타트 시퀀스에 대하여 설명한다.
도 6은 스타트 시퀀스에서 서브 모듈과 계통의 연계 상태를 도시한 것이며, 도 7은 스타트 시퀀스에서의 전압 파형을 도시한 것이다.
도 7에서 굵은 박스 영역은, SM 제어기 전원이 공급되는 시점으로서, 상술한 (1) Passive Charging 구간의 극초기 영역을 제외한 구간이며, 서브 모듈 내 커패시터 전압이 상기 극초기 영역에서 일정 전압 이상 충전되면, 서브 모듈 제어기 전원이 공급된다.
도시한 굵은 박스 영역(Passive Charging)에서 SM 제어기의 전원이 공급되므로, 패시브 차징 영역에서 VBE는 서브 모듈 제어기로부터 SM 프로그램의 버전 정보를 취득할 수 있다. 상기 VBE는 취득한 SM 프로그램의 버전이 최신 버전이 아니거나, 특정 서브 모듈의 SM 프로그램의 버전이 다른 서브 모듈들의 버전과 상이할 경우, VBE를 통해 특정 서브 모듈의 프로그램을 업데이트할 수 있다.
한편, 도시한 굵은 박스 영역(Passive Charging) 서브 모듈 제어기는 서브 모듈 내 다른 구성기기에 대한 제어를 수행하지 않아, 프로그램 업데이트를 위한 충분한 전원을 확보한다.
다음, 스탑 스퀀스에 대하여 설명한다.
도 8는 스탑 시퀀스에서 서브 모듈과 계통의 연계 상태를 도시한 것이며, 도 9은 스탑 시퀀스에서의 전압 파형을 도시한 것이다.
도 9에서 굵은 박스 영역은, SM 제어기 전원이 차단되는 시점부터 SM 제어기 전원 공급에 충분치 않을 정도로 커패시터가 방전될 때까지의 구간이다. 다시말해, 서브 모듈 내 커패시터 전압이 일정 전압 이하가 되면 서브 모듈 제어기의 전원이 차단된다. HVDC 시스템 정지 시 서브 모듈 내 커패시터 전압은 자연 방전되며, 이 때 서브 모듈 제어기의 전원이 차단되기까지 수분에서 수십분이 소요된다.
도시한 굵은 박스 영역(Stop Sequence)에서 서브 모듈 제어기의 전원은 최소 수 분 이상 공급되므로, VBE는 서브 모듈 제어기의 프로그램을 업데이트할 수 있다.
한편, 도시한 굵은 박스 영역(Stop Sequence) 서브 모듈 제어기는 서브 모듈 내 다른 구성기기에 대한 제어를 수행하지 않아, 프로그램 업데이트를 위한 충분한 전원을 확보한다.
도 10은 상술한 SM 프로그램 이미지 파일 전송 오류를 대비한 SM 프로그램 업데이트 방법을 도시한 것이다. 도시한 SM 프로그램 업데이트 방법은 VBE와 서브 모듈 제어기가 함께 수행하며, 스타트 시퀀스 및 스탑 시퀀스에서의 SM 프로그램 업데이트 모두에 적용 가능하다.
도시한 SM 프로그램 업데이트 방법은, 서브 모듈 펌웨어의 업데이트 필요 여부를 확인하는 단계(S1); 업데이트 버전의 SM 펌웨어의 이미지 파일을 VBE에서 서브 모듈로 전달하는 단계(S4); 서브 모듈에 상기 SM 프로그램 이미지 파일을 임시 저장하는 단계(S6); 및 임시 저장이 완료되면 임시 저장된 이미지 파일을 이용하여 SM 프로그램을 업데이트 하는 단계(S8)를 포함한다.
상기 서브 모듈 프로그램의 업데이트 필요 여부 확인 단계(S1)는, VBE 보다 상위 레벨의 장치에서 판단할 수 있으며, VBE는 상위 레벨에서 지시받은 업데이트 명령의 존재 여부를 판단하거나, 상위 레벨에서 전달받은 SM 프로그램 이미지 파일의 최근 버전과 서브 모듈에 반영된 프로그램의 버전을 비교하는 방식으로 수행될 수 있다.
VBE는 상기 업데이트 버전의 SM 프로그램의 이미지 파일을 보다 상위 레벨의 장치(예: 상위제어기)로부터 전달받아 내부 저장부에 저장하고 있다가, 도시한 S4 단계에서 서브 모듈로 광통신 데이터 통신 채널을 통해 전송한다.
상기 임시 저장 단계(S6)에서 서브 모듈 제어기는 VBE로부터 SM 프로그램 이미지 파일을 수신하면, 해당 이미지 파일을 메모리에 저장한다. 이때, 부트 로더용 메모리와 구별되는 다른 메모리에 저장하거나, 부트 로더용 메모리에 저장하는 경우에도 사용 중인 이미지 파일이 저장되는 영역이 아닌 다른 영역에 VBE로부터 수신된 이미지 파일을 저장한다.
만약 이미지 파일 수신 중 오류가 발생할 경우를 대비하여, 새로 전달되는 이미지 파일은 기존 이미지 파일이 저장되어 있는 메모리 영역에 바로 저장하지는 않는 것이다.
이후, 이미지 파일 수신 중 오류가 발생하지 않은 경우, 새로 전달된 이미지 파일을 기존 이미지 파일이 저장되어 있는 메모리 영역으로 저장하며, 해당 이미지 파일 저장이 완료되면, VBE로 수신 완료 메시지를 전송한다.
상기 SM 프로그램을 업데이트 하는 단계(S8)는, 상기 임시 저장 단계(S6)에서 메모리의 임시 저장 영역에 저장된 상기 SM 프로그램 이미지 파일을 서브 모듈 메모리의 부트용 메모리 영역에 복사하는 방식으로 수행될 수 있다.
상기 SM 프로그램을 업데이트 하는 단계(S8)는, 부트 로더용 메모리의 실행 파일 이미지 저장 영역에 업데이트를 위해 전송받은 SM 프로그램 이미지 파일를 저장한 후, 서브 모듈을 재실행하는 등의 방식으로 업데이트된 프로그램을 로딩하는 단계를 포함할 수 있다.
SM 프로그램 이미지 파일 교체가 수행된 시퀀스가 스타트 시퀀스(Passive Charging 구간)인 경우, 상기 업데이트된 프로그램을 로딩하는 방법으로서, SM 시스템을 정지시켜, SM 내 커패시터의 전압을 방전시켜, 서브 모듈의 전원을 차단할 수 있다. 즉, 스타트 시퀀스 도중에 서브 모듈에 대한 리셋 효과를 부여하는 것이다.
이 경우, 해당 서브 모듈은 스타트 시퀀스가 수행되다가 패시브 차징만 수행되고 다시 스타트 시퀀스가 재시작되지만, 패시브 차징 구간은 매우 짧은 시간이므로, SM 시스템(또는 MMC 시스템) 운전에 큰 영향을 끼치지 않는다.
재가동 시 서브 모듈의 전원이 공급되면, 새롭게 수신된 이미지 파일이 서브 모듈 및 SM 제어기에 반영된다.
한편, SM 프로그램 이미지 파일 교체가 수행된 시퀀스가 스탑 시퀀스인 경우, 서브 모듈 시스템을 재가동시킬 때, 업데이트된 이미지 파일이 반영/로딩된다.
상기 서브 모듈 프로그램의 업데이트 파일(SM 프로그램 이미지 파일)의 확정 및 전송 과정에 대하여 살펴보겠다.
도 11는 도 1의 최상위 운영 시스템 레벨의 HMI에서 VBE까지 SM 프로그램 이미지 파일이 전달되는 것을 도시한다. HMI에서 VBE 사이에 상위 제어기가 매개하는데, 도 11에서는 생략하였다.
도시한 구조에서는 원격에서 HMI로 SM 프로그램 업데이트 파일을 전송하고, 이를 HMI가 받아서 VBE로 전달할 수 있다. 즉, 서브 모듈의 프로그램 업데이트를 위한 SM 프로그램 파일은 계통(또는 전력그리드 집합)의 운영시스템 내 HMI에서 VBE 내 메모리로 전송이 가능하다.
HVDC 시스템 또는 MMC의 관리자는 원격에서 SM 프로그램 이미지 파일을 HMI로 전송할 수 있으며, 또는 직접 HMI 및 VBE 내 메모리에 SM 프로그램 이미지 파일을 저장할 수 있다.
또는, 상기 관리자가 직접 VBE 내 메모리에 SM 프로그램 이미지 파일을 저장할수 있다.
VBE는 서브 모듈 제어기와의 광 통신을 통해 서브 모듈 제어기가 현재 운영 중인 프로그램의 버전을 취득하고, 해당 프로그램의 버전이 VBE 내 메모리에 저장된 SM 프로그램 이미지 파일의 버전과 상이할 경우, 서브 모듈 제어기로 저장된 SM 프로그램 이미지 파일을 전송한다.
이때, 모든 서브 모듈 제어기의 프로그램 업데이트가 동시에 가능하며, 모든 서브 모듈 제어기의 프로그램을 업데이트할 필요가 없을 경우에는 해당 서브 모듈만 프로그램 업데이트를 수행할 수 있다.
도시한 바와 같이 VBE에 저장된 서브 모듈 프로그램의 이미지 파일은 다시 VBE에 연결된 다수 개의 서브 모듈들에 광통신 채널을 통해 전달된다. 이때, 상기 서브 모듈은 본 발명의 사상에 따라 운영 중 상기 서브 모듈의 스타트 시퀀스의 도중 기간 또는 스탑 시퀀스의 도중 기간 동안 프로그램 업데이트 작업을 수행한다.
그런데, 서브 모듈과 VBE의 광통신 채널에 통신 장애가 발생하거나, 스타트 시퀀스나 스탑 시퀀스의 기간이 단축되는 경우, 업데이트할 프로그램 이미지 파일을 다 받지 못할 수 있다. 이런 경우, 업데이트 중 서브 모듈의 해당 프로그램(OS나 펌웨어) 자체의 손상을 방지하기 위해, 서브 모듈 제어기는 VBE로부터 프로그램 이미지 파일을 수신하면, 부트 로더용 메모리 영역에 수신된 이미지 파일을 임시 저장할 수 있다.
도 12a는 정상적으로 업데이트되는 경우 부트로더용 메모리에서의 저장 구조를 도시한 것이며, 도 12b는 업데이트 도중 오류가 발생되는 경우 부트로더용 메모리에서의 저장 구조를 도시한 것이다.
도시한 바와 같이, 서브 모듈 제어기는, 정상적으로 이미지 파일을 수신하면(즉, 임시 저장 완료), 기존 이미지 파일 저장 영역(즉, 부트 로더용 메모리의 실행 파일 이미지 저장 영역)에, 새롭게 수신한 SM 프로그램 이미지 파일을 복사하고, 완료 메시지를 VBE로 전달한다.
반면, 이미지 파일을 수신 중 오류가 발생하면, 기존 이미지 파일 저장 영역에, 새롭게 수신한 SM 프로그램 이미지 파일을 복사하지 않고, 오류 메시지를 VBE로 전달한다.
도 13는 스타트 시퀀스 중 패시브 차징(Passive Charging) 구간에서 SM 프로그램 업데이트를 수행하는 VBE 제어기의 동작을 도시한 흐름도이다.
도 14는 스타트 시퀀스 중 패시브 차징(Passive Charging) 구간에서 SM 프로그램 업데이트를 수행하는 서브 모듈 제어기의 동작을 도시한 흐름도이다.
도시한 흐름도에 따른 업데이트 작업은 도 10의 과정을 구체화한 예시에 불과하며 스타트 시퀀스에서 프로그램 업데이트를 수행하기 위한 다른 형태의 구체화 작업들로 대체될 수 있다.
S12 단계 내지 S16 단계는, VBE에서 스타트 시퀀스 여부, 업데이트 필요성 판단, 패시브 차징 구간의 종료 여부를 판단하기 위한 것이다.
도시한 S22 단계, S23 단계 및 S32 단계, S33 단계에서는 프로그램 전송 플래그를 이용하여 VBE와 서브 모듈간의 SM 프로그램 업데이트 수행을 합의하고 있다.
도시한 S24 단계 및 S34 단계는 VBE에서 서브 모듈로 SM 프로그램 이미지 파일이 전달되는 것을 나타낸다.
도시한 S25 단계 및 S26 단계에서는 VBE에서 SM 프로그램 업데이트 오류(보다 구체적으로 SM 프로그램 이미지 파일이 전달 실패) 여부를 판단하는 것이며, S27 단계는 SM 프로그램 업데이트 오류시 SM 프로그램 이미지 파일을 재전송하는 것을 나타낸 것이다.
도시한 S35 단계 내지 S37 단계에서는 VBE에서 SM 프로그램 업데이트 오류(보다 구체적으로 SM 프로그램 이미지 파일이 전달 실패) 여부를 판단하는 것이다.
도시한 S38 단계에서는 서브 모듈 제어기가 전송이 성공적으로 완료되어 메모리에 임시 저장된 이미지 파일을, 실행 중인 프로그램 이미지 파일이 저장되는 부트 로더용 메모리 영역으로 복사하는 방식으로, 서브 모듈 프로그램 업데이트를 수행하는 것을 나타낸다.
도시한 S28 단계에서는 정상적으로 SM 프로그램 업데이트가 완료되어 업데이트 절차를 종료한다.
도시한 S16 단계 및 S18 단계는, 스타트 시퀀스 중 패시브 차징(Passive Charging) 구간이 종료되고, 액티브 차징 구간이 시작되는 것을 나타낸다.
도 15은 스탑 시퀀스시 SM 프로그램 업데이트를 수행하는 VBE 제어기의 동작을 도시한 흐름도이다.
도 16은 스탑 시퀀스시 SM 프로그램 업데이트를 수행하는 서브 모듈 제어기의 동작을 도시한 흐름도이다.
도시한 흐름도에 따른 업데이트 작업은 도 10의 과정을 구체화한 예시에 불과하며 스탑 시퀀스에서 프로그램 업데이트를 수행하기 위한 다른 형태의 구체화 작업들로 대체될 수 있다.
S62 단계 내지 S64 단계는, VBE에서 스탑 시퀀스 여부, 업데이트 필요성 여부를 판단하기 위한 것이다.
도시한 S72 단계, S73 단계 및 S82 단계, S83 단계에서는 프로그램 전송 플래그를 이용하여 VBE와 서브 모듈간의 SM 프로그램 업데이트 수행을 합의하고 있다.
도시한 S74 단계 및 S84 단계는 VBE에서 서브 모듈로 SM 프로그램 이미지 파일이 전달되는 것을 나타낸다.
도시한 S75 단계 및 S76 단계에서는 VBE에서 SM 프로그램 업데이트 오류(보다 구체적으로 SM 프로그램 이미지 파일이 전달 실패) 여부를 판단하는 것이며, S77 단계는 SM 프로그램 업데이트 오류시 SM 프로그램 이미지 파일을 재전송하는 것을 나타낸 것이다.
도시한 S85 단계 내지 S87 단계에서는 VBE에서 SM 프로그램 업데이트 오류(보다 구체적으로 SM 프로그램 이미지 파일이 전달 실패) 여부를 판단하는 것이다.
도시한 S88 단계에서는 서브 모듈 제어기가 전송이 성공적으로 완료되어 메모리에 임시 저장된 이미지 파일을, 실행 중인 프로그램 이미지 파일이 저장되는 부트 로더용 메모리 영역으로 복사하는 방식으로, 서브 모듈 프로그램 업데이트를 수행하는 것을 나타낸다.
상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 직류 전원 변환용 서브 모듈
110 : 전력 스위치 소자
140 : 직류 커패시터
150 : 전원 공급 장치
160 : 서브 모듈 제어기
170 : 메모리
180 : 통신부

Claims (9)

  1. 다수 개를 직렬 연결하여 DC-DC 변환에 사용될 수 있는 직류 전원 변환용 서브 모듈에 있어서,
    직류 전원을 변환하기 위해 직류 전원을 스위칭하는 전력 스위치 소자;
    상기 전력 스위치 소자에 의해 개폐되는 직류 전력을 축전하는 직류 커패시터;
    상기 직류 커패시터로부터 상기 서브 모듈의 구동에 필요한 전원을 생성하는 전원 공급 장치;
    상기 서브 모듈의 전체 동작을 제어하는 서브 모듈 제어기;
    상기 서브 모듈 제어기의 동작에 필요한 데이터를 저장하는 메모리;
    외부 장치와 데이터 통신을 수행하는 통신부
    를 포함하되,
    상기 서브 모듈 제어기는,
    DC-DC 변환 운영 중 상기 서브 모듈의 스타트 시퀀스의 도중 기간 또는 스탑 시퀀스의 도중 기간 동안 서브 모듈 프로그램의 업데이트 작업을 수행하는 서브 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 서브 모듈 제어기는,
    상기 통신부를 통해 외부 장치로부터 업데이트할 상기 서브 모듈 프로그램의 이미지 파일을 전달받아 상기 메모리에 저장하고, 상기 이미지 파일의 저장이 완료되면, 저장된 이미지 파일로 상기 서브 모듈 프로그램을 교체하는 서브 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메모리는, 실행 중인 상기 서브 모듈 프로그램이 저장되는 부트 로더용 영역과,
    상기 전달받은 이미지 파일을 저장할 임시 영역을 포함하는 서브 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 통신부는 광 통신 방식으로 상기 외부 장치와 데이터 통신할 수 있는 광 통신 채널을 형성하는 광 통신부인 서브 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 서브 모듈 제어기는
    상기 서브 모듈에 대한 프로그램 업데이트 필요 여부를 확인하는 단계;
    업데이트 버전의 상기 서브 모듈 프로그램의 이미지 파일을 상기 외부 장치에서 전달받는 단계;
    상기 서브 모듈 프로그램의 이미지 파일을 임시 저장하는 단계; 및
    임시 저장이 완료되면 임시 저장된 이미지 파일을 이용하여 상기 서브 모듈 프로그램을 업데이트 하는 단계
    를 포함하는 서브 모듈 프로그램 업데이트 방법을 수행하는 서브 모듈.
  6. 다수 개를 직렬 연결하여 DC-DC 변환에 사용될 수 있는 직류 전원 변환용 서브 모듈과, 상위 장치로부터 DC-DC 변환 작업 지시에 따라 다수 개의 서브 모듈들에 스위칭 동작을 지시하는 VBE에서 수행되되,
    상기 서브 모듈의 스타트 시퀀스의 도중 기간 또는 스탑 시퀀스의 도중 기간 동안 수행되는 서브 모듈 프로그램의 업데이트 방법에 있어서,
    상기 서브 모듈 프로그램의 업데이트 필요 여부를 확인하는 단계;
    업데이트 버전의 상기 서브 모듈 프로그램의 이미지 파일을 VBE에서 서브 모듈로 전달하는 단계;
    상기 서브 모듈에 상기 서브 모듈 프로그램의 이미지 파일을 임시 저장하는 단계; 및
    임시 저장이 완료되면 임시 저장된 이미지 파일을 이용하여 상기 서브 모듈 프로그램을 업데이트 하는 단계를 포함하는 서브 모듈 프로그램 업데이트 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 서브 모듈 프로그램을 업데이트 하는 단계는, 상기 이미지 파일을 임시 저장하는 단계에서 서브 모듈 메모리의 임시 저장 영역에 저장된 상기 서브 모듈 프로그램의 이미지 파일을 상기 서브 모듈 메모리의 부트용 메모리 영역에 복사하는 방식으로 수행되는 서브 모듈 프로그램 업데이트 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 서브 모듈 프로그램의 이미지 파일이 임시 저장되는 도중에 전달 오류 발생 여부를 확인하는 단계를 더 포함하는 서브 모듈 프로그램 업데이트 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    스타트 시퀀스의 경우, 서브 모듈의 패시브 차징 구간에서 수행되는 것을 특징으로 하는 서브 모듈 프로그램 업데이트 방법.
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