KR102374375B1 - Lvdc 연계용 dc 파워미터 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 LVDC 연계용 DC 파워미터 설계방법은 800V/120A급, 정밀도 99%이상의 DC 파워미터를 개발하는 제1단계; 전압 전류 측정부용 센서 블록을 개발하는 제2단계; DC 전력적산 운용 알고리즘을 개발하는 제3단계; 원격 계량을 위한 통신 인터페이스를 개발하는 제4단계; DC 파워미터 규격 검토 및 시제품을 제작하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면 DC 배전을 통하여 전력을 운용함으로써 직류 부하에 전원을 공급하기 위해 교류 수전에 따른 부하단에서의 변환손실(AC/DC)을 줄여 계통의 효율을 높일 수 있고, 고용량의 DC 전력 검침이 가능하다.
Description
본 발명은 LVDC 연계용 DC 파워미터 설계방법에 관한 것이다.
최근 DC송배전 시스템을 포함하는 스마트 그리드(Smart Grid) 산업이 미래 신성장 동력으로 선정되어 연구개발에 많은 투자가 이루어지고 있다. 에너지정책은 공급 위주 정책에서 수요관리정책으로 패러다임이 변화하고, 또한 에너지관리 방식도 과거 매뉴얼에 따른 수동적 관리에서 ICT(Information and Communication Technology)를 활용한 능동적 관리로 패러다임이 변화하고 있다.
이를 위해서 도 1에 도시된 바와 같은 에너지를 사용하는 사용자 중심의 에너지관리시스템(EMS, Energy Management System)을 구축하고 에너지를 사용하는 조직 구성원 전체가 참여하여 적은 비용으로 많은 효과를 거둘 수 있는 모니터링 및 ICT 기반의 에너지관리시스템의 보급 및 확산이 필요하다.
에너지 절약 및 온실가스 감축을 위하여 ICT 기술을 활용하여 에너지관리시스템을 개발하고 산업, 건물, 주택 부분에 도입하고 있으나 아직 초기단계인 상황이다.
신재생에너지 태양광과 에너지저장시스템을 활용하여 DC 전력계통의 LVDC(Low Voltage Direct Current, 저전압 직류) 배전시스템을 구축하고 이를 효율적으로 관리하기 위한 에너지관리시스템이 개발되고 있다.
LVDC 배전 기술은 직류 부하에 전원을 공급하기 위해 교류 수전에 따른 부하단에서의 변환손실 (AC/DC)을 줄여 계통의 효율을 높이는 기술로 송전급 뿐만 아니라 배전급에서도 새롭게 조명 받고 있다.
직류배전에는 MVDC( Medium Voltage DC, 중전압 직류) 배전과 LVDC(저전압 직류) 배전으로 크게 구분될 수 있다. LVDC 배전은 직류부하나 직류전원 연계 시 교류배전계통에 비해 전력변환 손실이 적고 MVDC 배전에 비해 설치비와 운영비가 적으며 전력변환기를 사용하여 배전전압의 효율적인 제어가 가능하다는 장점이 있다.
또한, DC 배전선로나 부하 측에 사고가 발생 시 전력변환기를 통해 사고전류를 제한하고 상위 계통으로의 사고파급을 방지하여 전력공급의 신뢰도가 개선되고 변압기를 전력변환기로 교체하면서 전력제어에 최신 IT 기술을 적용할 수 있어 전력계통을 보다 스마트하게 제어할 수 있는 기반을 구축할 수 있다.
이러한 LVDC 배전시스템을 기반으로 한 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System) 및 DC 인프라는 450V 이상의 전압 상태이다. 따라서 이에 적합한 고용량 DC 파워 계측 기술의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 LVDC 연계용 DC 파워미터 설계방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 LVDC 연계용 DC 파워미터 설계방법은,
800V/120A급, 정밀도 99%이상의 DC 파워미터를 개발하는 제1단계;
전압 전류 측정부용 센서 블록을 개발하는 제2단계;
DC 전력적산 운용 알고리즘을 개발하는 제3단계;
원격 계량을 위한 통신 인터페이스를 개발하는 제4단계;
DC 파워미터 규격 검토 및 시제품을 제작하는 제5단계;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 DC 배전을 통하여 전력을 운용함으로써 직류 부하에 전원을 공급하기 위해 교류 수전에 따른 부하단에서의 변환손실(AC/DC)을 줄여 계통의 효율을 높일 수 있고, 고용량의 DC 전력 검침이 가능하다.
또한, 전압 전류 측정부용 센서 블록, DC 전력적산 운용 알고리즘, 원격 계량을 위한 통신 인터페이스의 개발을 통해 각 전력선에 흐르는 전류, 전류를 검출하고 이를 바탕으로 각 전력선에 대한 사용 전력량 데이터를 비롯한 다양한 전력 품질 데이터들을 산출하며 이를 계측 표시 디스플레이부에 실시간 표시되도록 함으로써 여러 부하에 대한 전력 소비를 직접적으로 실시간 모니터링할 수 있다.
도 1은 DC 전력계통의 LVDC 배전시스템을 갖는 에너지관리시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LVDC 연계용 DC 파워미터 설계방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LVDC 연계용 DC 파워미터의 블록구성도이다.
도 4는 정밀 계측을 위한 임베디드 회로도를 나타낸 도면이다.
도 5는 EMC 주변 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 전압 전류 측정부용 센서 블록의 회로도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 화이트 노이즈 차단 필터를 나타낸 도면이다.
도 8은 DC 전력적산 운용 알고리즘을 나타낸 도면이다.
도 9는 이중 절연 기반 RS-485 통신 모듈 회로도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LVDC 연계용 DC 파워미터 설계방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LVDC 연계용 DC 파워미터의 블록구성도이다.
도 4는 정밀 계측을 위한 임베디드 회로도를 나타낸 도면이다.
도 5는 EMC 주변 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 전압 전류 측정부용 센서 블록의 회로도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 화이트 노이즈 차단 필터를 나타낸 도면이다.
도 8은 DC 전력적산 운용 알고리즘을 나타낸 도면이다.
도 9는 이중 절연 기반 RS-485 통신 모듈 회로도를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 LVDC 연계용 DC 파워미터 설계방법을 자세히 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 LVDC 연계용 DC 파워미터 설계방법은,
800V/120A급, 정밀도 99%이상의 DC 파워미터(10)를 개발하는 제1단계(S10);
전압 전류 측정부용 센서 블록을 개발하는 제2단계(S20);
DC 전력적산 운용 알고리즘을 개발하는 제3단계(S30);
원격 계량을 위한 통신 인터페이스를 개발하는 제4단계(S40);
DC 파워미터(10) 규격 검토 및 시제품을 제작하는 제5단계(S50);
로 구성된다.
이하, 제1단계(S10)를 설명한다.
먼저 LVDC 배전과 연계되는 800V/120A급, 정밀도 99%이상의 DC 파워미터(10)를 개발한다.
도 3에 도시된 바와 같이 LVDC 연계용 DC 파워미터(10)는 전압 전류 측정부(100), 계측 표시 디스플레이부(300), 제어부(200), 메인 전원부(400), 저장부(500), 통신부(600)로 구성된다.
전압 전류 측정부(100)는 수용가에 인입되어 다수로 분배된 전력선에 연결되어 각 전력선에 흐르는 전류 및 전압을 검출한다.
계측 표시 디스플레이부(300)는 각 전력선에 채널별 사용 전력량 데이터를 디스플레이한다.
제어부(200)는 전압 전류 측정부(100)로부터 검출된 전류 및 전압 신호를 디지털 신호로 변환하고, 이들 신호를 처리하여 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 산출하며, 산출된 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터가 계측 표시 디스플레이부(300)에 디스플레이되도록 제어한다.
저장부(500)는 제어부(200)를 통해 실행되는 적어도 하나의 프로그램 코드와, 프로그램 코드가 이용하는 적어도 하나의 데이터 세트를 저장하여 유지한다. 이러한 저장부(500)는 예컨대, 플래시 메모리 타입(Flash Memory type), 하드디스크 타입(Hard Disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(Multimedia Card Micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
메인 전원부(400)는 전압 전류 측정부(100), 계측 표시 디스플레이부(300), 제어부(200), 저장부(500), 통신부(600)에 필요한 전원을 공급한다.
통신부(600)는 제어부(200)의 제어에 따라 다채널 전압 전류 측정부(100)로부터 검출된 전류와 전압 및 이를 이용하여 산출된 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 비롯하여 주파수, 위상, 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion, THD), 유효전력량, 무효전력량, 최대수요전력 및 역률을 포함하는 전력 품질 데이터들 중 적어도 하나를 주기적 또는 실시간으로 전력량 관리서버(미도시)에 전송한다.
이와 같은 구성으로 이루어진 DC 파워미터(10)에 있어서, 800V/120A급, 정밀도 99%이상의 DC 파워미터(10)를 개발하기 위해서 99% 정밀 계측을 위한 임베디드 회로를 설계한다. 도 4에 도시된 바와 같은 99% 정밀 계측을 위한 임베디드 회로를 설계하는 단계는 메인 전원부(400)의 직류배전 시스템(직류 전원 소스) 연계성을 위한 AC/DC 전원부의 DC/DC 전원부 모듈의 DC 파워미터(10) 회로를 반영하여 설계한다. 이때 운영 환경에 따른 AC 및 DC 전원 소스(예 LDE03/05-20B12, 85~264Vac /100-370Vdc input)를 고려한다. 도 5에 도시된 바와 같이, EMC 주변 회로는 DC/DC 전원부 모듈 회로를 반영하여 구성한다.
또한, 계측 표시 디스플레이부(300)를 설계한다. 계측 표시 디스플레이부(300)는 예컨대, 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display, LCD), 발광다이오드 디스플레이(Light Emitting Diode, LED), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display, TFT LCD), 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode, OLED), 플렉시블 디스플레이(Flexible Display), 플라즈마 디스플레이 패널 (Plasma Display Panel, PDP), 표면 얼터네이트 라이팅(ALiS), 디지털 광원 처리(DLP), 실리콘 액정(LCoS), 표면 전도형 전자방출소자 디스플레이(SED), 전계방출 디스플레이(FED), 레이저 TV(양자 점 레이저, 액정 레이저), 광유전성 액체 디스플레이(FLD), 간섭계 변조기 디스플레이(iMoD), 두꺼운 필름 유전체 전기(TDEL), 양자점 디스플레이(QD-LED), 텔레스코픽 픽셀 디스플레이(TPD), 유기발광 트랜지스터(OLET), 레이저 형광 디스플레이(LPD), 3차원 디스플레이(3D display) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이하, 제2단계(S20)를 설명한다.
전압 전류 측정부용 센서 블록을 개발한다.
전압 전류 측정부(100)는 각 전력선에 흐르는 전류 및 전압을 검출하는 다수의 센서 블록을 포함한다. 각 센서 블록은 각 전력선에 배치된다. 센서 블록은 800V 및 120A의 측정범위를 만족하도록 설계된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 센서 블록은 전압 및 전류를 계측하고 미세전압을 측정하기 위한 고정밀도 OPAMP를 포함한다.
전압 전류 측정부(100)를 위한 센서 블록을 개발하는 단계는 계측 화이트 노이즈 감소를 위한 저역 통과 필터(Low-pass filter)를 설계하는 단계를 포함한다. 본 단계에서는 도 7에 도시된 바와 같이 계측 신호의 화이트 노이즈 차단을 위한 0.5Hz의 상위 대역 차단 필터를 설계한다.
이하, 제3단계(S30)를 설명한다.
DC 전력적산(WHM) 운용 알고리즘 개발하는 제4단계는 측정 전력의 적산 운용 알고리즘을 개발하는 단계와 적산전력의 정보 통신 프로토콜을 개발하는 단계로 구성된다.
DC 전력적산의 운용 알고리즘은 도 8에 도시된 바와 같이 전류, 전압을 감지하는 단계; 제품 동작을 확인하는 단계; 초당 전력을 계산하는 단계; 전력을 적산하는 단계; 시간당 전력 평균을 계산하는 단계; 시간당 전력 적산을 계산하는 단계; 전력을 출력하는 단계로 구성된다.
여기서 전력을 적산하는 단계는 3600초 단위로 전력을 적산한다.
이하, 제4단계(S40)를 설명한다.
본 단계에서는 원격 계량을 위한 통신 인터페이스를 개발한다.
이를 위해 먼저, 도 9에 도시된 바와 같이, 이중 절연을 기반으로 하는 RS-485의 고내구성 통신 모듈을 개발한다. RS-485는 홈 네트워크를 지원하는 일종의 직렬 통신 프로토콜 표준이다. RS-232는 전송 속도가 낮고 전송 거리가 짧다. 이를 보완하기 위해 개발된 RS-422는 한 개의 마스터 장치와 슬레이브 장치 간에 데이터를 주고받는 방식으로 통신한다. 반면, RS-485는 모든 장치들이 같은 라인에서 데이터 전송 및 수신을 할 수 있다. 통상 2개의 선을 사용하여 반이중(half duplex) 통신 방식으로 사용하나 2개의 RS-485 통신망을 사용하면 전이중(full duplex) 통신도 가능하다. 이를 4선(4-wire) 또는 전이중 RS-485라고 한다. 또한 RS-485는 최대 드라이버ㅇ리시버 수가 각각 32개에 이르고, 최대 속도 10Mbps에 최장 거리 1.2km까지 네트워크 구축이 가능하다.
또한, 공통 모드 초크(common mode choke)를 이용하여 통신부(600)에 인입되는 노이즈를 제거하고, EMC(Electro Magnetic Compatibility)에 대응하는 기술을 개발한다.
전자파 적합성 즉, EMC는 전기를 사용하는 전기 및 전자 기기에서 발생되는 전자파간섭(EMI, Electromagnetic Interference)을 최소화하고 이러한 전자파에 대한 내성(EMS, Electromagnetic Susceptibility) 시험을 통해 해당 기기의 오작동으로 인한 피해를 방지하고 주파수를 보호하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해 전자파 적합성에서는 불필요한 전자기 에너지의 발생을 감소시키고 외부 환경에 노출을 막는 방출(emission) 이슈와, 의도하지 않은 전자기 장애의 존재 하에서 전기 장비를 제대로 작동하도록 전자기의 영향을 받는 기기를 강화시키는 내성(immunity) 이슈를 해결하고자 한다.
공통 모드 초크란 하나의 보빈(bobbin)에 2개의 권선을 서로 반대 방향으로 감아, 반대 방향으로 전류가 흐르게 함으로써 자속을 상쇄시키는 초크 코일을 말한다. 각각의 권선은 그것들에 따라 발생하는 자속이 상쇄되는 방향으로 감겨 있으므로 동상(공통 모드)의 노이즈 성분을 억제하는 효과가 있다. 페라이트 비즈나 3단자 콘덴서, EMI 필터는 노멀 모드의 노이즈 성분밖에 효과가 발휘될 수 없지만, 노이즈 대책 부품 중에서는 유일하게 공통 모드에 대해서도 효과가 있다.
이하, 제5단계(S50)를 설명한다.
마지막으로 DC 파워미터(10)의 규격을 검토하고 시제품을 제작한다.
이를 위해, 측정 정밀도 및 전기적 안정성을 확보하기 위한 기구를 설계한다. 또한, IEC 규격(IEC 62053-41)을 검토하고, DC 파워미터(10)(계량)의 규격에 대한 전력량계 기술기준을 만족하는 시제품을 제작한다.
10: DC 파워미터 100: 전압 전류 측정부
200: 제어부 300: 계측 표시 디스플레이부
400: 메인 전원부 500: 저장부
600: 통신부
200: 제어부 300: 계측 표시 디스플레이부
400: 메인 전원부 500: 저장부
600: 통신부
Claims (4)
- 수용가에 인입되어 다수로 분배된 전력선에 연결되어 각 전력선에 흐르는 전류 및 전압을 검출하도록, 각 전력선에 배치된 800V 및 120A 측정범위를 가진 OPAMP를 포함한 센서블록이 구비된 전압 전류 측정부;
각 전력선에 채널별 사용 전력량 데이터를 디스플레이하는 계측 표시 디스플레이부;
상기 전압 전류 측정부로부터 검출된 전류 및 전압 신호를 디지털 신호로 변환하고, 이들 신호를 처리하여 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 산출하며, 산출된 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터가 상기 계측 표시 디스플레이부에 디스플레이되도록 제어하는 제어부;
상기 제어부를 통해 실행되는 적어도 하나의 프로그램 코드와, 프로그램 코드가 이용하는 적어도 하나의 데이터 세트를 저장하는 저장부;
상기 제어부의 제어에 따라 상기 전압 전류 측정부로부터 검출된 전류와 전압 및 이를 이용하여 산출된 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 비롯하여 주파수, 위상, 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion, THD), 유효전력량, 무효전력량, 최대수요전력 및 역률을 포함하는 전력 품질 데이터들 중 적어도 하나를 주기적 또는 실시간으로 전력량 관리서버에 전송하는 통신부;
상기 전압 전류 측정부, 상기 계측 표시 디스플레이부, 상기 제어부, 상기 저장부, 상기 통신부에 필요한 전원을 공급하는 메인 전원부를 포함하며,
하나의 보빈(bobbin)에 2개의 권선을 서로 반대 방향으로 감아, 반대 방향으로 전류가 흐르게 함으로써 자속을 상쇄시키는 초크 코일인 공통 모드 초크(common mode choke)를 이용하여, 상기 통신부에 인입되는 노이즈를 제거하는 것을 특징으로 하는 800V/120A급, 정밀도 99% 이상인 LVDC 연계용 DC 파워미터. - 삭제
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KR20160081067A (ko) | 2014-12-30 | 2016-07-08 | 국민대학교산학협력단 | 저전압 직류 배전시스템 및 배전방법 |
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2020
- 2020-05-06 KR KR1020200054004A patent/KR102374375B1/ko active IP Right Grant
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