KR102414473B1 - 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
배전반 또는 전동기 제어반에 흐르는 전력을 모니터링하고 고속으로 차단하는 전력 감시 장치 및 방법이 제공된다. 전력 감시 장치는 적어도 세 개 이상의 상전압 및 상전류를 수신하고, 수신된 상전압 및 상전류를 증폭기의 동적 범위에 속하도록 스텝다운하여 증폭기에 입력될 수 있는 제 1 신호로 변환하며, 제 1 신호를 지락 검출을 위한 신호와 함께 증폭기로 제공하는 입력 센서; 제 1 신호를 수신하고 증폭하여, 제 1 신호에 포함된 전압 및 전류의 주파수 및 위상을 포함하는 제 2 신호를 생성하는 증폭기; 제 1 신호 및 제 2 신호를 수신하고, 제 1 신호와 제 2 신호를 비교한 결과를 디지털 신호로 변환하며, 변환된 디지털 신호와 지락 검출을 위한 신호 사이의 크기 관계를 반영하는 제 3 신호를 디지털 신호로서 생성하는 컨버터; 및 디지털 신호인 제 3 신호를 수신하고, 수신된 제 3 신호에 기반하여 상전압 및 상전류의 주파수 및 위상을 계산하며, 계산된 주파수 및 위상을 분석하여 전력 계통의 차단이 필요한지 여부를 결정하는 고속 처리 장치를 포함하고, 고속 처리 장치는 제 3 신호를 내장 타이머의 작동을 위한 인터럽트 신호로서 사용한다. 본 발명에 의하여, 고가의 ADC 컨버터를 채택하지 않고 보다 정확한 계측과 이상 신호에 따라 계통의 전력을 빠르게 차단 할 수 있다.
Description
본 발명은 배전반 및 전동기 제어반에 흐르는 전력을 감시 및 제어하는 장치로서, 특히 과전류, 지락, 과전압 등과 같은 전력 계통의 고장을 빠르게 검출하여 차단 시간을 빠르게 하는 고속차단 기능을 갖는 전력 감시 장치에 관한 것이다.
전력 계통에서 발생할 수 있는 아크 등을 포함하는 고장은 해당 전력 계통에 연결된 복잡한 전자 장비들에까지 영향을 미칠 수 있으므로 신속하게 발견하여 차단할 필요가 있다. 즉, 전력 계통에 흐르는 전압, 전류, 지락 등을 검출하여 이상 여부를 감시하고 사고 발생시 단시간에 전력계통을 차단하고 계통을 분리하여야 고장으로부터 발생되는 파급 효과를 줄일 수 있다.
예를 들어, 누설 전류, 직렬 아크, 병렬 아크, 접지 아크, 과부하 등의 고장 상황을 검출하여 차단하기 위한 다양한 장치들이 연구되고 있다. 예를 들어, 또한, 다른 선행기술로 대한민국 특허출원 제2008-0007244호 (2008.01.23. 출원)는 건축물의 옥내 전기설비 중 배전반으로부터 전력이 공급되는 부하설비의 전력을 선택적으로 차단하기 위한 이중 분기 회로로서, 더욱 상세하게는 부하설비인 콘센트에 전기를 공급하기 위해 배전반과 적어도 하나 이상의 각 콘센트가 (-)측 N 전력선(11) 및 (+)측 P 전력선(12)으로 상호 연결된 분기회로에 있어서, 상기 P전력선을 이중화한 이중전력선과, 상기 이중전력선에 구비되어 전력을 연결/차단하는 메인스위치와, 상기 각 콘센트에 사용자가 P 전력선과 이중전력선 중 어느 하나를 선택 연결하게 된 선택스위치로 구성되어, 사용자가 각각의 콘센트에 전열 기기를 접속하고, 필요시 선택스위치로 이중전력선을 선택적으로 연결 가능하게 함으로써 메인스위치의 조작을 통해 복수개의 콘센트 또는 전부에 연결된 전열기기의 전력을 차단할 수 있는 기술을 개시하고 있다.
그러나 상기의 선행기술은 메인 스위치와 선택 스위치에 의해 전력을 차단할 수 있게 되어 있으므로 메인 스위치 또는 선택 스위치의 조작이 없는 상태에서는 대기 전력을 자동으로 차단할 수 없는 문제점이 있다.
특히, 한국전기협동조합규격(SPS-KEMC-1120)에 따르면 정격 차단 시간은 50ms 이내로 규정하고 있는데, 현장에서는 차단기를 직접 차단하지 않고 중간에 보조 릴레이를 경유함으로 차단 시간이 더 길어 질 수 있는 문제점이 있다.
특히, 단순 ADC를 사용해서는 교류 신호의 주파수와 교류 신호간의 위상을 검출 하는데 한계가 있으며, ADC와 MCU 간에 고속 통신 선로가 필요하다. 또한, ADC 컨버터가 고속으로 변환 작업을 수행한다고 하더라도, 해당 결과가 MCU로 전달되어 분석되어야 하는데, 이 과정에서 처리 지연이 발생할 수 있다. 더 나아가, 고속의 ADC 컨버터는 부피가 크고 고가이므로, 경제적인 문제에 기인하여 널리 보급되는 데에 한계가 있을 수밖에 없다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 중간에 보조 릴레이를 사용하더라도 신속하게, 예를 들어 한국전기협동조합규격 50ms 이내에 계통의 전력을 신속하게 차단할 수 있는 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전력 계통에서 흐르는 전압, 전류를 전력 감시 장치에서 사용 할 수 있도록 변압기, 변류기를 통하여 낮은 전압, 전류로 변환하여 신호를 전달하고, 입력 받은 신호를 증폭하고 비교하여 입력된 신호를 정확하게 계측하고 이 계측된 값을 바탕으로 이상 신호를 검출하여 차단 신호를 고속으로 출력할 수 있는 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일면은, 배전반 또는 전동기 제어반에 흐르는 전력을 모니터링하고 고속으로 차단하는 전력 감시 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일면에 의한 전력 감시 장치는 적어도 세 개 이상의 상전압 및 상전류를 수신하고, 수신된 상전압 및 상전류를 증폭기의 동적 범위에 속하도록 스텝다운하여 증폭기에 입력될 수 있는 제 1 신호로 변환하며, 상기 제 1 신호를 지락 검출을 위한 신호와 함께 상기 증폭기로 제공하는 입력 센서; 상기 제 1 신호를 수신하고 증폭하여, 상기 제 1 신호에 포함된 전압 및 전류의 주파수 및 위상을 포함하는 제 2 신호를 생성하는 증폭기; 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 수신하고, 상기 제 1 신호와 상기 제 2 신호를 비교한 결과를 디지털 신호로 변환하며, 변환된 디지털 신호와 상기 지락 검출을 위한 신호 사이의 크기 관계를 반영하는 제 3 신호를 디지털 신호로서 생성하는 컨버터; 및 디지털 신호인 상기 제 3 신호를 수신하고, 수신된 제 3 신호에 기반하여 상기 상전압 및 상전류의 주파수 및 위상을 계산하며, 계산된 주파수 및 위상을 분석하여 전력 계통의 차단이 필요한지 여부를 결정하는 고속 처리 장치를 포함하고, 상기 고속 처리 장치는 상기 제 3 신호를 내장 타이머의 작동을 위한 인터럽트 신호로서 사용하는 것을 특징으로 한다. 특히, 상기 입력 센서는 전압 센서 및 전류 센서를 포함하고, 상기 상전압 및 상전류는 각각 R상, S상, T상, 및 N상의 성분을 포함할 수 있다. 또한, 상기 컨버터는 변환된 디지털 신호가 임계 값보다 크면 HIGH 상태로 상기 제 3 신호를 생성하고, 변환된 디지털 신호가 임계 값보다 작으면 LOW 상태로 상기 제 3 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 고속 처리 장치는 상기 제 3 신호를 수신하는 적어도 하나의 인터럽트 입력단을 포함하고, 상기 고속 처리 장치는 상기 제 3 신호를 인터럽트 신호로서 사용하여, 인터럽트 상태가 발생될 때마다 상기 내장 타이머를 온오프시키고, 내장 타이머의 카운트 값을 주파수 및 위상으로 환산함으로써 상기 상전압 및 상전류의 주파수 및 위상을 계산하도록 구성된다. 바람직하게는, 상기 전력 감시 장치는 상기 고속 처리 장치의 출력을 분석하고, 전력 계통의 차단이 필요한 것으로 판단될 경우 상기 배전반 또는 전동기 제어반에 흐르는 전력을 차단하는 차단 장치를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 면은, 배전반 또는 전동기 제어반에 흐르는 전력을 모니터링하고 고속으로 차단하기 위한 전력 감시 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 전력 감시 방법은, 입력 센서에 의하여, 적어도 세 개 이상의 상전압 및 상전류를 수신하고, 수신된 상전압 및 상전류를 증폭기의 동적 범위에 속하도록 스텝다운하여 증폭기에 입력될 수 있는 제 1 신호로 변환하며, 상기 제 1 신호를 지락 검출을 위한 신호와 함께 상기 증폭기로 제공하는 단계; 상기 증폭기에 의하여, 상기 제 1 신호를 수신하고 증폭하여 상기 제 1 신호에 포함된 전압 및 전류의 주파수 및 위상을 포함하는 제 2 신호를 생성하는 단계; 컨버터에 의하여, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 수신하고 상기 제 1 신호와 상기 제 2 신호를 비교한 결과를 디지털 신호로 변환하며, 변환된 디지털 신호와 상기 지락 검출을 위한 신호 사이의 크기 관계를 반영하는 제 3 신호를 디지털 신호로서 생성하는 단계; 및 고속 처리 장치에 의하여, 디지털 신호인 상기 제 3 신호를 수신하고, 수신된 제 3 신호에 기반하여 상기 상전압 및 상전류의 주파수 및 위상을 계산하며, 계산된 주파수 및 위상을 분석하여 전력 계통의 차단이 필요한지 여부를 결정하는 단계를 포함한다. 특히, 상기 전력 계통의 차단이 필요한지 여부를 결정하는 단계는 상기 제 3 신호를 상기 고속 처리 장치의 내장 타이머의 작동을 위한 인터럽트 신호로서 사용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 입력 센서는 전압 센서 및 전류 센서를 포함하고, 상기 상전압 및 상전류는 각각 R상, S상, T상, 및 N상의 성분을 포함한다. 또한, 상기 제 3 신호를 디지털 신호로서 생성하는 단계는, 변환된 디지털 신호가 임계 값보다 크면 HIGH 상태로 상기 제 3 신호를 생성하는 것, 및 변환된 디지털 신호가 임계 값보다 작으면 LOW 상태로 상기 제 3 신호를 생성하는 것을 포함한다. 특히, 상기 고속 처리 장치는 상기 제 3 신호를 수신하는 적어도 하나의 인터럽트 입력단을 포함하고, 상기 전력 계통의 차단이 필요한지 여부를 결정하는 단계는, 상기 고속 처리 장치는 상기 제 3 신호를 인터럽트 신호로서 사용하여, 인터럽트 상태가 발생될 때마다 상기 내장 타이머를 온오프시키는 것, 및 상기 내장 타이머의 카운트 값을 주파수 및 위상으로 환산함으로써 상기 상전압 및 상전류의 주파수 및 위상을 계산하는 것을 포함한다. 더 나아가, 본 발명에 의한 전력 감시 방법은 차단 장치에 의하여, 상기 고속 처리 장치의 출력을 분석하고, 전력 계통의 차단이 필요한 것으로 판단될 경우 상기 배전반 또는 전동기 제어반에 흐르는 전력을 차단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하여, 상기와 같은 본 발명의 고속차단 기능을 갖는 전력감시 장치에 따르면 고가의 ADC 컨버터를 채택하지 않고 보다 정확한 계측과 이상 신호에 따라 계통의 전력을 빠르게 차단 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 방법에 의하여, 전력 계통에서 흐르는 전압, 전류를 전력 감시 장치에서 사용 할 수 있도록 변압기, 변류기를 통하여 낮은 전압, 전류로 변환하여 신호를 전달하고, 전달된 신호를 바탕으로 이상 신호를 검출하여 계통의 전력을 빠르게 차단하여 추가적인 손실을 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 일반적으로 전압과 전류를 검출하여 계통으로부터 전력을 차단하는 전력 감시 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 다른 측면에 따른 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 4는 도 1의 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치에서 사용될 수 있는, 전류를 검출하고 아날로그 신호를 증폭하는 회로이다.
도 5는 도 1의 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치에서 사용될 수 있는, 전압을 검출하고 아날로그 신호를 증폭하는 회로이다.
도 6은 도 1의 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치에서 사용될 수 있는, 증폭된 신호와 아날로그 신호 비교하여 디지털 신호로 출력하는 회로이다.
도 7은 도 1의 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치에서 사용될 수 있는 MCU의 일 예의 핀 연결 회로이다.
도 8은 도 7에 사용된 MCU의 핀 배열을 예시하는 도면이다.
도 2는 일반적으로 전압과 전류를 검출하여 계통으로부터 전력을 차단하는 전력 감시 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 다른 측면에 따른 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 4는 도 1의 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치에서 사용될 수 있는, 전류를 검출하고 아날로그 신호를 증폭하는 회로이다.
도 5는 도 1의 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치에서 사용될 수 있는, 전압을 검출하고 아날로그 신호를 증폭하는 회로이다.
도 6은 도 1의 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치에서 사용될 수 있는, 증폭된 신호와 아날로그 신호 비교하여 디지털 신호로 출력하는 회로이다.
도 7은 도 1의 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치에서 사용될 수 있는 MCU의 일 예의 핀 연결 회로이다.
도 8은 도 7에 사용된 MCU의 핀 배열을 예시하는 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다. 도 1에 도시된 전력 감시 장치는 입력 센서(10), 증폭기(12), 컨버터(14), 고속 처리 장치(16), 및 차단 장치(18)를 포함한다.
도 1에 도시된 전력 감시 장치의 동작을 개괄적으로 살펴보면, 해당 장치는 전력 계통에서 흐르는 전압, 전류를 전력 감시 회로 소자에서 사용 할 수 있도록 변압기, 변류기를 통하여 낮은 전압, 전류로 변환하여 신호를 전달한다. 또한, 전력 감시 장치는 이렇게 입력 받은 신호를 증폭하고 비교하여 입력된 신호를 정확하게 계측하며, 계측된 값을 바탕으로 이상 신호를 검출하여 고속 차단 신호를 출력한다. 전력 감시 장치의 구성 요소들의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 고속 차단을 위하여 계통에 인가되는 전압과 전류는 회로 소장에서 사용할 수 있는 낮은 신호로 변환되어 입력 센서(10)에 입력된다. 즉, 입력 센서(10)는 계통에 흐르는 전압 및 전류의 R상, S상, T상, N상과 지락 검출을 위한 아날로그 신호를 입력 받아 증폭기(12)와 컨버터(14)에서 사용 할 수 있는 신호를 제공한다. 입력 센서(10)는 전압 센서와 전류 센서를 포함할 수 있으며, 전압 센서는 전력 계통에서 변환된 신호 AC 110V 내지 380V의 전압을 받아 증폭기(12)에서 사용 가능한 제 1 신호(11)를 발생한다. 또한, 전류 센서는 전력 계통에서 변환된 신호인 0A~5A의 전류를 받아 증폭기(12)에서 사용될 수 있는 제 1 신호를(11)을 발생시킨다.
전류 센서의 일 예가 도 4에 예시된다. 도 4는 도 1의 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치에서 사용될 수 있는, 전류을 검출하고 아날로그 신호를 증폭하는 회로이다.
도 4의 변류기(current transformer; CT)가 전류를 스텝다운하는 역할을 수행한다. 즉, CT 센서는 고전류 교류를 측정하기 위해 많이 사용되는 소자이며, 변압기의 원리를 이용해 1차측에서 측정되는 전류에 비례하는 2차 교류 전류를 발생시키도록 설계된다. CT 센서에서는 1차측과 2차측이 절연이 되어 있기 때문에 고전력 계통의 전류를 측정하는데 널리 사용되며, 변압기의 원리를 이용하기 때문에 교류를 측정할 할 수 있다. CT의 1차 권선과 2차 권선비를 N이라고 하면 1차측 전류와 2차측 전류는 권선비에 비례하게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이 션트 구성의 경우, 전류가 흐르는 도선에 아주 작은 저항을 삽입하면 옴의 법칙에 의해 저항 양단에 전위차가 발생하기 때문에 그 전압을 통해 간접적으로 전류를 측정할 수 있다. 션트 저항은 양방향 전류를 모두 측정할 수 있으며 고전류를 측정할 때는 전류 용량을 견디기 위해 충분한 용량을 가져야 한다.
전류 센서는 입력 전류의 각 상에 하나씩 구비될 수 있으며, 도 4에서는 이 중 두 개의 상의 전류를 감지하기 위한 두 개의 전류 센서가 예시된다. 도 4에 예시된 CT 센서로서, 권선 타입, 윈도우 타입, 바 타입 등의 당업계에 공지되어 있는 모든 타입의 센서 구조가 사용될 수 있다. 이 중 권선 타입은 1차 권선이 측정 전류가 흐르는 도선과 직접적으로 연결되어 2차로 변압하는 방식이고, 윈도우 타입은 1차 권선이 없고 변압기의 구멍을 전류가 통과하여 센싱하는 방식이다. 마지막으로, 바 타입은 부스바를 1차 권선으로 사용하는 방식으로 아주 고전류 장치의 전류를 센싱할 때 사용되는 것이 바람직하다.
또한, 전압 센서의 일 예가 도 5에 예시된다. 도 5는 도 1의 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치에서 사용될 수 있는, 전압을 검출하고 아날로그 신호를 증폭하는 회로이다.
도 5를 살펴보면 계기용 변압기(potential transformer; PT)가 사용된 것을 알 수 있다. 이러한 계기용 변압기(PT)는 수전 전압이 높을경우 계기 및 계전기 및 전력계 등을 사용할 때 전압을 낮추어 사용하기 위하여 감압하기위한 소자이다. 계기용 변압기(PT)의 2차 전압으로는 예를 들어, 교류 110V~220V가 사용될 수 있다. 계기용 변압기(PT)의 출력 신호는 OP-AMP로 입력되어 최종적으로 출력된다.
전류 센서 및 전압 센서로서 CT 및 PT가 사용되는 이유는 고접압 대전류를 계기나 계전기에 입력할 경우 절연이 어려워지고, 크기가 커지며 여러 안전 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 이러한 요인들은 계전기에 사고가 발생했을 경우 1차 주전원에 직접적으로 영향을 줄 수 있기 때문에 CT와 PT를 사용하여 회로를 분리하는 것이 안전하다.
도 5에 예시된 전압 센서는 입력 전압의 각 상에 하나씩 구비될 수 있으며, 도 5에서는 이 중 두 개의 상의 전압을 감지하기 위한 두 개의 전압 센서가 예시된다. 예를 들어, 각각의 전압 센서는 RST 상 중 어느 한 상의 전압을 감지할 수 있다.
본 발명의 이해를 돕기 위해서 일반적으로 사용되는 전력 계통 구성도가 도 2에 간략하게 예시된다.
도 2는 전압과 전류를 검출하여 계통으로부터 전력을 차단하는 전력 감시 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 전력 계통에서 CT와 PT를 통하여 저전압 소전류 신호를 얻게 되면, 얻어진 신호가 전력 감시 장치에 직접 입력되고, 전력 감시 장치에서 사고 등의 이상 상황을 감지할 경우 이상 신호를 감지하여 계통을 보호하는 신호를 발생시킨다. 전력 감시 장치는 전력 계통의 계측 및 보호 기능을 수행할 수도 있다.
그런데, 이렇게 CT와 PT의 출력을 전력 감시 장치에 직접 입력할 경우 교류 신호의 주파수와 교류 신호간의 위상을 검출 하는데 한계가 있다. 또한, 전력 계통의 비상 차단은 신속하게 이루어져야 하기 때문에, 전력 감시 장치의 구성 소자들 사이에 고속 통신 선로가 필요하게 되어, 고속 통신 선로의 유지 보수 비용이 증가하게 된다. 또한, 컨버터가 고속으로 변환을 수행해야 하고, 그 결과가 MCU로 전달되어 분석해야 하므로 필연적으로 처리 지연이 발생하게 된다. 그러므로, 순시 차단이 불가능하다. 이를 해결하기 위해서는 고속의 ADC 컨버터를 사용해야만하지만, 고속 ADC 컨버터는 비용이 비싸 원가 상승의 요인이 된다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치는 증폭기(12), 컨버터(14), 및 고속 처리 장치(16)를 사용하여 이러한 문제들을 해결한다.
즉, 아날로그 신호를 직접 처리하는 것이 아니라 디지털 신호를 처리하기 때문에 컨버터(14)가 신호를 고속으로 변환할 수 있고, 고속 처리 장치(16)는 컨버터(14)의 출력을 디지털 방식으로 신속히 처리할 수 있다. 따라서, 전력 계통에 문제가 발생할 경우 이를 신속히 감지하는 것은 물론, 전력을 빠르게 차단함으로써 계통 전체의 손상을 방지할 수 있다.
증폭기(12)는 상기 입력 센서(10)에서 제공받은 아날로그인 제 1 신호(11)를 증폭하여 제 2 신호(13)을 생성한다. 이렇게 생성된 제 2 신호(13)는 컨버터(14)와 처리 장치(16)로 제공된다. 전술된 바와 같이, 증폭기(12)에서 증폭된 제 2 신호(13)는 계통의 전압과 전류의 값을 측정하기 위하여 사용될 수 있다.
도 6은 도 1의 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치에서 사용될 수 있는, 증폭된 신호와 아날로그 신호 비교하여 디지털 신호로 출력하는 회로이다.
전술된 바와 같이, 증폭기(12)에서 증폭된 교류 신호의 주파수와 교류 신호간의 위상을 검출한 제 2 신호(13)는 컨버터(14)에 제공된다. 그러면, 컨버터(14)는 입력된 제 1 신호(11)와 증폭기(12)에서 증폭된 제 2 신호(13)를 비교하고 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경한다. 또한, 컨버터(14)는 변경된 디지털 신호와 임계치를 비교하여, 변경된 신호가 임계치보다 높으면 HIGH, 변경된 신호가 임계치보다 낮으면 LOW의 펄스 형태인 제 3 신호(15)를 생성하여 고속 처리 장치(16)으로 전달한다.
도 2를 참조하여 설명된 바와 같이, 아날로그 신호인 제 1 신호(11)를 직접 사용하여 교류 신호의 주파수와 교류신호간의 위상을 검출하여 처리 장치(16)에 직접 전달하게 되면 증폭기(12)와 처리 장치(16)에는 고속의 통신 선로가 필요하게 된다. 이때 60Hz 신호에서 1%이하의 오차로 검출하고, 속도 100MPS의 속도를 갖는 고성능의 컨버팅이 필요하게 된다. 더 나아가, 증폭기(12)가 고속으로 컨버팅을 수행할 수 있다고 해도 처리 장치(16)에서 분석하는데 오랜 시간이 소요될 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 고속 처리 장치(16)로서 많은 인터럽트 핀을 가진 고속 MCU가 채용될 수 있다. 전술된 바와 같이, 컨버터(14)는 증폭기(12)에서 출력된 제 2 신호(13)와 입력 센서(10)에서 출력된 제 1 신호(11)를 값을 비교하여 주파수와 위상을 검출한다. 이 때, 검출된 제 3 신호(15)가 고속 MCU(16)의 인터럽트 핀에 인가된다.
MCU(16)는 입력 신호의 주파수를 측정하기 위해서 인터럽트 신호가 인가될 때마다 내장 타이머의 동작을 턴온하거나 턴오프할 수 있다. 즉, 주파수 측정용 펄스의 인터럽트가 발생하면 내장 타이머를 작동시키고, 그 다음의 인터럽트가 발생되면 해당 타이머를 정지할 수 있다. 그러면, MCU(16)는 이렇게 타이머에 의해서 카운트된 값을 주파수로 변환한다.
마찬가지로, MCU(16)는 입력 신호들 사이의 위상차를 측정하기 위해서 인터럽트 신호가 인가될 때마다 내장 타이머의 동작을 턴온하거나 턴오프할 수 있다. 즉, 주파수 측정용 펄스의 인터럽트가 발생하면 내장 타이머를 작동시키고, 그 다음의 인터럽트가 발생되면 해당 타이머를 정지할 수 있다. 이러한 경우에는 MCU(16)가 타이머에 의해서 카운트된 값을 위상으로 변환할 수 있다.
그러면, MCU(16)는 변환된 주파수와 위상차가 정상적인지 여부를 판단하고, 비정상 상태가 감지될 경우 출력 신호(17)를 생성하여 차단 장치(18)로 전달한다. 차단 장치(18)는 출력 신호(17)에 기반하여 전력 계통을 차단하여 추가적인 손상을 방지할 수 있다.
이렇게 MCU(16)에서 주파수와 위상을 빠르게 얻기 위해서 다음과 같은 코딩 소스가 활용될 수 있다.
[코딩소스]
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin){
uint32_t d=0;
if (GPIO_Pin==VR_PULSE_Pin){
if (vr_tick==0){
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);
htim2.Instance->CNT=0;
vr_tick=1;
}
else if(vr_tick==1){
fav_co=htim2.Instance->CNT;
HAL_TIM_Base_Stop_IT(&htim2);
vr_tick=2;
}
// else if (vr_tick<3){
// vr_tick++;
// }
else{
vr_tick=0;
}
}
else if (GPIO_Pin==VS_PULSE_Pin){
if (vr_tick==1){
ph_sv=htim2.Instance->CNT;
}
}
else if (GPIO_Pin==VT_PLUSE_Pin){
if (vr_tick==1){
ph_tv=htim2.Instance->CNT;
}
}
else if (GPIO_Pin==IR_PULSE_Pin){
if (vr_tick==1){
ph_ra=htim2.Instance->CNT;
}
}
else if (GPIO_Pin==IS_PULSE_Pin){
if (vr_tick==1){
ph_sa=htim2.Instance->CNT;
}
}
else if (GPIO_Pin==IT_PULSE_Pin){
if (vr_tick==1){
ph_ta=htim2.Instance->CNT;
}
}
else if (GPIO_Pin==VX_PULSE_Pin){
if (vr_tick==1){
ph_aux=htim2.Instance->CNT;
}
}
else if (GPIO_Pin==IN_PULSE_Pin){
if (vr_tick==1){
ph_nn=htim2.Instance->CNT;
}
}
}
이러한 코딩 소스로부터 알 수 있는 바와 같이, 전압과 전류는 RST 상 각각에 대해서 측정된다. MCU(16)에서 이와 같은 간단한 코딩을 통해서 주파수와 위상을 얻을 수 있기 때문에, 전력 계통을 실시간으로 모니터링하고, 이상 상황이 발생할 경우 신속하게 전력을 차단할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 측면에 따른 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 배전반 또는 전동기 제어반에 흐르는 전력을 모니터링하고 고속으로 차단하기 위해서 우선 적어도 세 개 이상의 상전압 및 상전류를 수신하고, 수신된 상전압 및 상전류를 증폭기의 동적 범위에 속하도록 스텝다운하여 증폭기에 입력될 수 있는 제 1 신호로 변환하며, 제 1 신호를 지락 검출을 위한 신호와 함께 증폭기로 제공한다(S310). 이러한 단계에서는 입력 센서(10)가 사용될 수 있는데, 입력 센서(10)는 각각 R상, S상, T상, 및 N상의 성분을 포함하는 상전압과 상전류를 측정하기 위한 전압 센서 및 전류 센서를 포함할 수 있다.
그러면, 제 1 신호를 수신하고 증폭하여 제 1 신호에 포함된 전압 및 전류의 주파수 및 위상을 포함하는 제 2 신호를 생성하는데(S330), 이러한 단계는 증폭기(12)에 의하여 수행될 수 있다.
제 2 신호가 생성되면, 제 1 신호 및 제 2 신호를 수신하고 제 1 신호와 제 2 신호를 비교한 결과를 디지털 신호로 변환하며, 변환된 디지털 신호와 지락 검출을 위한 신호 사이의 크기 관계를 반영하여 제 3 신호를 디지털 신호로서 생성한다(S350). 이러한 동작은 컨버터(14)에 의해서 수행될 수 있다. 특히, 컨버터(14)는 변환된 디지털 신호가 임계 값보다 크면 HIGH 상태로 제 3 신호를 생성하고, 변환된 디지털 신호가 임계 값보다 작으면 LOW 상태로 상기 제 3 신호를 생성할 수 있다. 하지만, 이것은 이해의 편의를 위해서 예시된 것일 뿐, 제 3 신호의 논리 레벨은 이와 반대로 규정될 수도 있다.
제 3 신호가 생성되면, 고속 처리 장치(16)는 디지털 신호인 제 3 신호를 수신하고, 수신된 제 3 신호에 기반하여 상전압 및 상전류의 주파수 및 위상을 계산하며, 계산된 주파수 및 위상을 분석하여 전력 계통의 차단이 필요한지 여부를 결정한다(S370). 이 때, 전력 계통의 차단이 필요한지 여부를 결정하기 위해서 고속 처리 장치(16)는 제 3 신호를 고속 처리 장치의 내장 타이머의 작동을 위한 인터럽트 신호로서 사용하여 처리 속도를 빠르게 할 수 있다.
좀더 상세히 설명하면, 고속 처리 장치(16)는 제 3 신호를 수신하는 적어도 하나의 인터럽트 입력단을 포함할 수 있고, 제 3 신호를 인터럽트 신호로서 사용하여, 인터럽트 상태가 발생될 때마다 내장 타이머를 온오프시킬 수 있다. 또한, 고속 처리 장치(16)는 내장 타이머가 오프된 후에 해당 타이머의 카운트 값을 주파수 및 위상으로 환산함으로써 상전압 및 상전류의 주파수 및 위상을 계산할 수 있다.
마지막으로, 차단 장치(18)가 고속 처리 장치(16)의 출력을 분석하고, 이상 상태가 감지되어 전력 계통의 차단이 필요한 것으로 판단될 경우 배전반 또는 전동기 제어반에 흐르는 전력을 차단한다(S390).
도 7은 도 1의 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치에서 사용될 수 있는 MCU의 일 예의 핀 연결 회로이다.
도 7에서, MCU로서 STMicroelectronics 사의 STM32H730ZBT6의 소자가 사용되었다. 하지만 이것은 이해의 편의를 위하여 예시된 것일 뿐이고, 본 발명의 고속 처리 장치(16)의 역할을 할 수 있는 다른 다양한 장치들이 존재할 수 있음이 이해되어야 한다.
STM32H730ZBT6은 480MHz 까지의 동작 속도에서 동작할 수 있는 32-비트 RISC 방식의 고성능 MCU이다. 이것은 Arm 사의 아키텍쳐에 기반한 이중 정밀도(IEEE 754 규격) 및 단일-정밀도 데이터 처리 명령 및 데이터 타입을 지원하는 부동 소수점 유닛(floating point unit; FPU)을 포함하고 있다. 또한, STM32H730ZBT6은 전체 세트의 DSP 명령과 메모리 보호 유닛(memory protection unit; MPU)을 지원하여 애플리케이션의 보안을 향상시킨다.
이러한 MCU는 최대 2 Mbyte의 듀얼-뱅크 플래시 메모리, 및 1 Mbyte의 RAM (192 Kbyte의 TCM RAM, 864 Kbyte의 사용자 SRAM 및 4 Kbyte의 백업 SRAM을 포함함)를 내장하고 있다. STM32H730ZBT6은 내장 메모리 및 외장 메모리의 액세스를 가능하게 하는 APB 버스, AHB 버스, 2x32-bit 멀티-AHB 버스 매트릭스 및 다층 AXI 상호연결을 더 포함한다.
STM32H730ZBT6은 세 개의 ADC, 두 개의 DAC, 두 개의 초저전력 비교기, 저전력 RTC, 고분해성 타이머, 12 개의 범용 16-bit 타이머, 두 개의 PWM 타이머, 및 난수 발생기(RNG)를 내장하고 있다. 그러므로, 이러한 MCU는 다양한 분야에 범용적으로 활용될 수 있고, 특히 본 발명에 의한 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치에서 고속 처리 장치(16)로서의 기능을 수행할 수 있다.
도 8은 도 7에 사용된 MCU의 핀 배열을 예시하는 도면이다.
도 8에는 STM32H730ZBT6의 핀 배열 중 일부만 예시되었으며, 도 7의 모든 핀의 기능에 대해서는 https://의 데이터시트를 참조한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
또한, 본 발명에 따르는 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함할 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 분산 컴퓨터 시스템에 의하여 분산 방식으로 실행될 수 있는 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드를 저장할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 그리고, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
따라서, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
본 발명은 배전반 및 전동기 제어반에서 이상 징후를 조기에 발견하고 신속하게 전력을 차단하기 위한 기술에 적용될 수 있다.
10 : 입력 센서 11 : 제 1 신호 12 : 증폭기 13 : 제 2 신호 14 : 컨버터
15 : 제 3 신호 16 : 고속 처리 장치 17 : 출력 신호 18 : 차단 장치
15 : 제 3 신호 16 : 고속 처리 장치 17 : 출력 신호 18 : 차단 장치
Claims (10)
- 배전반 또는 전동기 제어반에 흐르는 전력을 모니터링하고 고속으로 차단하는 전력 감시 장치로서,
적어도 세 개 이상의 상전압 및 상전류를 수신하고, 수신된 상전압 및 상전류를 증폭기의 동적 범위에 속하도록 스텝다운하여 증폭기에 입력될 수 있는 제 1 신호로 변환하며, 상기 제 1 신호를 지락 검출을 위한 신호와 함께 상기 증폭기로 제공하는 입력 센서;
상기 제 1 신호를 수신하고 증폭하여, 상기 제 1 신호에 포함된 전압 및 전류의 주파수 및 위상을 포함하는 제 2 신호를 생성하는 증폭기;
상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 수신하고, 상기 제 1 신호와 상기 제 2 신호를 비교한 결과를 디지털 신호로 변환하며, 변환된 디지털 신호와 상기 지락 검출을 위한 신호 사이의 크기 관계를 반영하는 제 3 신호를 디지털 신호로서 생성하는 컨버터; 및
디지털 신호인 상기 제 3 신호를 수신하고, 수신된 제 3 신호에 기반하여 상기 상전압 및 상전류의 주파수 및 위상을 계산하며, 계산된 주파수 및 위상을 분석하여 전력 계통의 차단이 필요한지 여부를 결정하는 고속 처리 장치를 포함하고,
상기 고속 처리 장치는 상기 제 3 신호를 내장 타이머의 작동을 위한 인터럽트 신호로서 사용하는 것을 특징으로 하는 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치. - 제1항에 있어서,
상기 입력 센서는 전압 센서 및 전류 센서를 포함하고,
상기 상전압 및 상전류는 각각 R상, S상, T상, 및 N상의 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치. - 제2항에 있어서,
상기 컨버터는,
변환된 디지털 신호가 임계 값보다 크면 HIGH 상태로 상기 제 3 신호를 생성하고,
변환된 디지털 신호가 임계 값보다 작으면 LOW 상태로 상기 제 3 신호를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치. - 제3항에 있어서,
상기 고속 처리 장치는 상기 제 3 신호를 수신하는 적어도 하나의 인터럽트 입력단을 포함하고,
상기 고속 처리 장치는 상기 제 3 신호를 인터럽트 신호로서 사용하여, 인터럽트 상태가 발생될 때마다 상기 내장 타이머를 온오프시키고, 내장 타이머의 카운트 값을 주파수 및 위상으로 환산함으로써 상기 상전압 및 상전류의 주파수 및 위상을 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치. - 제1항에 있어서,
상기 전력 감시 장치는,
상기 고속 처리 장치의 출력을 분석하고, 전력 계통의 차단이 필요한 것으로 판단될 경우 상기 배전반 또는 전동기 제어반에 흐르는 전력을 차단하는 차단 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 장치. - 배전반 또는 전동기 제어반에 흐르는 전력을 모니터링하고 고속으로 차단하기 위한 전력 감시 방법으로서,
입력 센서에 의하여, 적어도 세 개 이상의 상전압 및 상전류를 수신하고, 수신된 상전압 및 상전류를 증폭기의 동적 범위에 속하도록 스텝다운하여 증폭기에 입력될 수 있는 제 1 신호로 변환하며, 상기 제 1 신호를 지락 검출을 위한 신호와 함께 상기 증폭기로 제공하는 단계;
상기 증폭기에 의하여, 상기 제 1 신호를 수신하고 증폭하여 상기 제 1 신호에 포함된 전압 및 전류의 주파수 및 위상을 포함하는 제 2 신호를 생성하는 단계;
컨버터에 의하여, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 수신하고 상기 제 1 신호와 상기 제 2 신호를 비교한 결과를 디지털 신호로 변환하며, 변환된 디지털 신호와 상기 지락 검출을 위한 신호 사이의 크기 관계를 반영하는 제 3 신호를 디지털 신호로서 생성하는 단계; 및
고속 처리 장치에 의하여, 디지털 신호인 상기 제 3 신호를 수신하고, 수신된 제 3 신호에 기반하여 상기 상전압 및 상전류의 주파수 및 위상을 계산하며, 계산된 주파수 및 위상을 분석하여 전력 계통의 차단이 필요한지 여부를 결정하는 단계를 포함하고,
상기 전력 계통의 차단이 필요한지 여부를 결정하는 단계는,
상기 제 3 신호를 상기 고속 처리 장치의 내장 타이머의 작동을 위한 인터럽트 신호로서 사용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 방법. - 제6항에 있어서,
상기 입력 센서는 전압 센서 및 전류 센서를 포함하고,
상기 상전압 및 상전류는 각각 R상, S상, T상, 및 N상의 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 방법. - 제7항에 있어서,
상기 제 3 신호를 디지털 신호로서 생성하는 단계는,
변환된 디지털 신호가 임계 값보다 크면 HIGH 상태로 상기 제 3 신호를 생성하는 것, 및
변환된 디지털 신호가 임계 값보다 작으면 LOW 상태로 상기 제 3 신호를 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 방법. - 제8항에 있어서,
상기 고속 처리 장치는 상기 제 3 신호를 수신하는 적어도 하나의 인터럽트 입력단을 포함하고,
상기 전력 계통의 차단이 필요한지 여부를 결정하는 단계는,
상기 고속 처리 장치는 상기 제 3 신호를 인터럽트 신호로서 사용하여, 인터럽트 상태가 발생될 때마다 상기 내장 타이머를 온오프시키는 것, 및
상기 내장 타이머의 카운트 값을 주파수 및 위상으로 환산함으로써 상기 상전압 및 상전류의 주파수 및 위상을 계산하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 방법. - 제6항에 있어서,
상기 방법은,
차단 장치에 의하여, 상기 고속 처리 장치의 출력을 분석하고, 전력 계통의 차단이 필요한 것으로 판단될 경우 상기 배전반 또는 전동기 제어반에 흐르는 전력을 차단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 차단 기능을 가지는 전력 감시 방법.
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