KR102457053B1 - 태양광발전 고장진단 통합 모니터링 시스템 - Google Patents

태양광발전 고장진단 통합 모니터링 시스템 Download PDF

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소윤섭
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김기연
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Abstract

본 발명은 태양광발전 고장진단 통합 모니터링 시스템에 관한 것으로, 이는 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면 태양전지모듈의 전력선의 절연 저항을 측정 및 분석하여, 절연 고장 여부를 확인 및 통보하는 적어도 하나의 절연 감시부; 상기 태양전지모듈의 전력선에 관통하는 마그네트 코어 기반으로 누설 전류에 의한 자기장을 측정 및 분석하여, 누설 전류 발생을 감지 및 통보하는 적어도 하나의 누설 감시부; 상기 태양전지모듈의 전력선에 관통하는 제1 로고스키 코일과 제1 로고스키 코일의 권선이 관통하는 제2 로고스키 코일을 구비한 후, 제2 로고스키 코일을 통해 유도 전류의 교류 성분 발생을 검출 및 분석하여 아크 전류 발생을 감지 및 통보하는 아크 감시부; 상기 태양전지모듈의 채널별 전압 및 전류를 측정 및 통보하는 채널 감시부; 및 절연 감시 결과, 누설 감시 결과, 아크 감시 결과, 채널 감시결과를 모두 수집 및 저장하거나, 외부 장치에 제공하거나, 또는 사용자 안내하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

태양광발전 고장진단 통합 모니터링 시스템{System for integrated monitoring of photovoltaic power generation}
본 발명은 태양광발전 시스템의 채널 감시 동작을 수행함과 동시에 절연 고장, 누설 전류 및 아크 전류 발생 등의 고장 상태를 통합 모니터링할 수 있도록 하는 태양광발전 고장진단 통합 모니터링 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 태양광 발전(photovoltaic power generation)은 햇빛을 직류 전기로 바꾸어 전력을 생산하기 위한 것으로서, 다수의 태양전지들이 어레이(array)된 태양전지모듈(태양전지판)을 이용하여 전기를 대규모로 생산하는 발전시스템이다.
이러한 태양광 발전시스템은 도 1에 나타낸 바와 같이, 태양의 빛을 받아 직류전기를 발생시키는 태양전지가 어레이된 태양전지모듈(10)과, 상기 태양전지모듈(10)에서 발생된 직류전기를 단위 스트링별로 모으는 접속반(20)과, 상기 접속반(20)에 모인 전체 직류전기를 교류전기로 변환시키는 인버터(30)로 구성된다.
이때, 상기 태양전지모듈(10)은 태양전지판 다수가 직렬 결선되어 하나의 스트링(string)을 구성함으로써 일정 용량급의 단위채널을 형성하도록 구비되며, 단위채널별 결선이후 2-3병렬을 기준으로 옥외에 설치되는 접속반(20) 측에 결선 처리된다.
상기 접속반(20)은 제어기 등의 기기를 내장 및 보호하고 결선 처리를 위한 외함(접속함)을 갖는다.
상기 인버터(30)가 발전 동작을 개시하면, 각각의 단위 스트링에서 전류가 흐르게 되고 이와 동시에 접속반(20)의 제어기는 각각의 단위 스트링별로 전류를 감시하여 상위 장치인 수집서버와의 통신을 통해 데이터를 전송하게 된다.
이와 같이 구성되는 태양광 발전시스템의 경우, 접속반(20)을 통하여 각 스트링별 전류와 전체 전류를 측정 및 모니터링하도록 한다.
다만, 이러한 경우 태양전지판을 단위채널별 결선한 후 2-3병렬을 기준으로 옥외에 설치되는 접속반 측에 결선하여야 하므로 별도로 투여되는 전선의 소요뿐만 아니라 접속반의 구성을 위한 접속함을 별도 제작해야 하는 소모적인 부분이 발생되는 문제점이 있었다.
또한 채널별 전력 이외에 절연 고장, 누설 전류 및 아크 전류 발생을 통합 모니터링할 수는 없는 한계도 가진다.
국내등록특허 제10-2004413호 (등록일자 : 2019.07.22)
이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 태양광 발전 시스템의 채널별 전력 이외에 절연 고장, 누설 전류 및 아크 전류 발생 등의 고장 상태를 통합 모니터링할 수 있도록 하는 태양광발전 고장진단 통합 모니터링 시스템을 제공한다.
또한 태양광발전 고장진단 통합 모니터링을 위한 시스템 구조가 보다 간단하고 효율적으로 구현될 수 있도록 하는 태양광발전 고장진단 통합 모니터링 시스템을 제공한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면 태양전지모듈의 전력선의 절연 저항을 측정 및 분석하여, 절연 고장 여부를 확인 및 통보하는 적어도 하나의 절연 감시부; 상기 태양전지모듈의 전력선에 관통하는 마그네트 코어 기반으로 누설 전류에 의한 자기장을 측정 및 분석하여, 누설 전류 발생을 감지 및 통보하는 적어도 하나의 누설 감시부; 상기 태양전지모듈의 전력선에 관통하는 제1 로고스키 코일과 제1 로고스키 코일의 권선이 관통하는 제2 로고스키 코일을 구비한 후, 제2 로고스키 코일을 통해 유도 전류의 교류 성분 발생을 검출 및 분석하여 아크 전류 발생을 감지 및 통보하는 아크 감시부; 상기 태양전지모듈의 채널별 전압 및 전류를 측정 및 통보하는 채널 감시부; 및 절연 감시 결과, 누설 감시 결과, 아크 감시 결과, 채널 감시결과를 모두 수집 및 저장하거나, 외부 장치에 제공하거나, 또는 사용자 안내하는 제어부를 포함하는 태양광발전 고장진단 통합 모니터링 시스템을 제공한다.
상기 절연 감시부는 태양전지모듈의 전력선 양단에 연결되어, 전력선의 절연 저항을 측정 및 출력하는 절연 저항 측정부; 절연 미고장 및 설비 접속 상태에서 절연 저항을 측정하여 절연 저항 보정값으로 획득 및 저장하는 절연 저항 보정부; 및 절연 저항 측정값을 절연 저항 보정값으로 보정한 후 절연 고장 여부를 확인 및 통보하는 절연 고장 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 누설 감시부는 태양전지모듈의 전력선이 관통하는 마그네트 코어; 상기 마그네트 코어에 권선되어, + 전압을 인가하는 제1 권선; 상기 마그네트 코어에 권선되어, - 전압을 인가하는 제2 권선; 상기 마그네트 코어에 권선되어, 상기 마그네트 코어에 유도된 자기장에 대응되는 전류를 출력하는 제3 권선; 상기 제3 권선의 출력 전류를 레벨 변환부시켜, 상기 제3 권선의 출력 전류 모두가 + 영역의 전류값을 가질 수 있도록 하는 레벨 변환부; 및 상기 레벨 변환된 전류에 기반하여 누설 전류 발생을 확인 및 통보하는 누설 계측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 고장진단 통합 모니터링 시스템.
상기 아크 감시부는 태양전지모듈의 전력선이 관통되며, 전력선을 통해 흐르는 전류에 상응하는 유도 전류가 유기되는 제1 로고스키 코일; 상기 제1 로고스키 코일이 관통되며, 유도 전류의 교류 성분만이 유기되는 제2 로고스키 코일; 및 상기 제2 로고스키 코일에 유기된 유도 전류의 교류 성분을 측정 및 분석하여 아크 전류 발생을 확인 및 통보하는 아크 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 태양광 발전 시스템의 채널별 전력 뿐 아니라 절연 고장, 누설 전류 및 아크 전류 발생도 함께 모니터링할 수 있도록 함으로써, 태양광발전 시스템의 상태를 보다 다양하고 효과적으로 파악할 수 있도록 해준다.
그리고 본 발명은 설비 접속 환경을 고려한 절연 고장 감시할 수 있도록 함으로써, 시스템 적용의 유연성을 보장할 수 있도록 한다.
또한 누설 전류 및 아크 전류 발생을 보다 간단한 구조를 통해 검출할 수 있도록 함으로써, 시스템 구현 비용 및 시간이 최소화될 수 있도록 해준다.
도 1은 일반적인 태양광 발전시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광발전 고장진단 통합 모니터링 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 감시부의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 감시부의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 감시부의 상세 구성을 도시한 도면이다.
이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시예들 뿐만 아니라 특정 실시예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서, 예를 들어, 본 명세서의 블럭도는 본 발명의 원리를 구체화하는 예시적인 회로의 개념적인 관점을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 이와 유사하게, 모든 흐름도, 상태 변환도, 의사 코드 등은 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 실질적으로 나타낼 수 있고 컴퓨터 또는 프로세서가 명백히 도시되었는지 여부를 불문하고 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수행되는 다양한 프로세스를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광발전 고장진단 통합 모니터링 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 모니터링 장치(100)는 적어도 하나의 절연 감시부(110), 적어도 하나의 누설 감시부(120), 적어도 하나의 아크 감시부(130), 채널 감시부(140) 및 제어부(150) 등을 포함한다.
절연 감시부(110)는 태양전지모듈의 전력선의 절연 저항을 측정 및 분석하여, 절연 고장 여부를 확인 및 통보한다.
다만, 태양전지모듈의 전력선에는 서지 보호기, 접속반, 인버터 등과 같은 설비가 추가 접속될 수 있는 데, 이러한 경우 설비에 의한 전력 소모량에 의해 절연 정상 상태에서도 절연 고장을 판정하게 되는 문제가 빈번히 발생하게 된다.
이에 본 발명에서는 선로 보호 설비 접속에 의한 절연 저항 증가치를 사전에 측정 및 저장하고, 이를 기준으로 절연 저항 측정치를 분석하여 절연 고장 여부를 확인 및 통보할 수 있도록 한다.
누설 감시부(120)는 태양전지모듈의 전력선에 관통하는 마그네트 코어 기반으로 누설 전류에 의한 자기장을 측정 및 분석하여, 누설 전류 발생을 감지 및 통보한다.
아크 감시부(130)는 태양전지모듈의 전력선에 관통하는 제1 로고스키 코일과 제1 로고스키 코일의 권선이 관통하는 제2 로고스키 코일을 구비한 후, 제2 로고스키 코일을 통해 유도 전류의 교류 성분 발생을 검출 및 분석하여, 아크 전류 발생을 감지 및 통보한다.
채널 감시부(140)는 태양전지모듈의 전력선의 전압 및 전류를 측정하는 전력 센서를 직접 구비하거나, 접속반과의 통신을 통해 태양전지모듈 각각의 전압 및 전류(즉, 채널별 전압 및 전류)를 측정 및 통보한다.
제어부(150)는 절연 감시 결과, 누설 감시 결과, 아크 감시 결과, 채널 감시결과를 모두 수집 및 저장하고, 이와 동시에 외부 장치로 실시간 출력하거나 시청각화하여 사용자 안내하도록 한다.
이와 같이 본 발명의 태양광 발전 시스템 모니터링 장치는 태양광 발전 시스템의 채널별 전력 이외에 절연 고장, 누설 전류 및 아크 전류 발생을 통합 모니터링할 수 있도록 해준다.
또한 본 발명은 태양광발전 고장진단 통합 모니터링을 위한 시스템 구조가 보다 간단하고 효율적으로 구현될 수 있도록 하는 데, 이에 대해서는 이하 도면을 참고하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 감시부의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 절연 감시부(110)는 절연 저항 측정부(111), 절연 저항 보정부(112), 및 절연 고장 검출부(113)로 구성된다.
절연 저항 측정부(111)는 태양전지모듈의 전력선 양단에 연결되어, 전력선의 절연 저항을 측정 및 출력한다.
보다 구체적으로, 절연 저항 측정부(111)는 함수 발생기(G)를 통해 구형 펄스파를 비접지 계통의 전력선 양단에 인가하고, 사고절연저항(RF)에 대응하여 센서 저항(Rm)에서 반응하는 전압신호(Um)을 분석하여 절연저항 값을 계산하는 방식으로 구현될 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.
다만, 태양전지모듈의 전력선에는 서지 보호기, 접속반, 인버터 등과 같은 다양한 설비가 추가 접속될 수 있는 데, 이러한 경우 이들 설비에 의한 DC 전압, 계통 누설 캐패시턴스에 의해 전압신호(Um)의 전압레벨이 감소되거나 출력 지연되는 현상이 발생하게 된다.
이에 본 발명의 절연 저항 보정부(112))는 모든 설비가 전력선에 접속 완료되고 절연 미 고장 상태에서(즉, 시스템 초기화 상태에서), 설비 접속에 따른 전압신호(Um)의 전압 감소량과 지연량이 반영된 절연 저항을 측정하고, 이를 절연 저항 보정값으로 획득 및 저장한다.
그리고 절연 고장 검출부(113)는 태양광 발전 시스템이 운영됨에 따라 절연 저항 측정부(111)가 절연 저항을 실시간 측정 및 출력하면, 절연 저항 보정값에 따라 절연 저항 측정값을 보정한 후, 이에 기반하여 절연 고장 여부를 확인 및 통보하도록 한다.
이때, 절연 저항 보정은 절연 저항 측정값에서 절연 저항 보정값 만큼을 빼는 방식으로 이루어지는 것이 바람직하나, 이에 한정될 필요는 없다.
이와 같이, 본 발명의 절연 감시부는 설비 접속 환경을 고려하여 절연 고장을 감시할 수 있도록 함으로써, 시스템 적용의 유연성을 보장할 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 감시부의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 누설 감시부(120)는 마그네트 코어(121), 마그네트 코어(121)에 권선된 제1 내지 제3 권선(122~124), 레벨 변환부(125) 및 누설 계측기(126)로 구성된다.
마그네트 코어(121)는 전력선이 관통될 수 있는 도넛 형태로 구현된다.
제1 권선(122)는 마그네트 코어(121)에 권선되어 + 전압을 인가하고, 제2 권선(123)은 마그네트 코어(121)에 권선되어 + 전압에 반대되는 ?? 전압을 인가하고, 제3 권선(124)는 마그네트 코어(121)에 권선되어, 마그네트 코어(121)에 유도된 자기장에 대응되는 전류를 외부로 출력하도록 한다.
즉, 서로 반대되는 극성의 전압(또는 전류)이 서로 반대 방향으로 흐르면서 누설 전류 미발생시에는 마그네트 코어(121)에 형성되는 합성 자기장이 0이 되도록 하되, 누설 전류 발생시에는 누설 전류에 상응하는 자기장이 발생하여 제3 권선(124)을 통해 전류 흐름이 발생하도록 한다.
다만, 제3 권선(124)의 출력 전류는 - 영역의 전류 값을 가질 수 있는 데, 이러한 경우 일반적인 누설 계측기(126)는 이를 인지 및 분석할 수가 없는 문제가 발생한다.
이에 본 발명의 레벨 변환부(125)는 도 5에서와 같이 제3 권선(124)의 출력 전류를 레벨 변환하여, 제3 권선(124)의 출력 전류 모두가 + 영역의 전류값을 가지도록 한다.
누설 계측기(126)는 레벨 변환부(125)를 통해 레벨 변환된 전류를 수신 및 분석하고, 기준치 이상의 전류 발생시에는 누설 전류 발생을 확인 및 통보하도록 한다.
이와 같이 본 발명에서는 마그네트 코어 기반으로 누설 전류 발생 여부를 보다 간단하고 손쉽게 검출할 수 있도록 하는 새로운 구조를 제안한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 감시부의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 아크 감시부(130)는 제1 로고스키 코일(131), 제2 로고스키 코일(132), 및 아크 검출부(133)로 구성된다.
제1 로고스키 코일(131)는 전력선이 관통될 수 있는 제1 마그네트 코어(311)와 마그네트 코어에 균일하게 권선되는 제1 코일(312)로 구현되어, 제1 코일(312)에는 전력선을 통해 흐르는 전류에 상응하는 유도 전류가 유기된다.
제2 로고스키 코일(132)는 제1 로고스키 코일(131)이 관통되는 제2 마그네트 코어(321)와 마그네트 코어에 균일하게 권선되는 제2 코일(322)로 구현되어, 코일(311)에 유도된 유도 전류의 교류 성분만이 유기되도록 한다.
아크 검출부(133)는 제2 로고스키 코일(132)에 유기된 유도 전류의 교류 성분을 측정하여, 교류 성분이 기 설정치 이상인 경우 아크 전류의 발생을 확인 및 통보한다.
참고로, 아크가 발생하게 되면, 수 십 A ~ 수 백 kA에 이르는 과도전류가 전력선에 인가되는 데, 이는 제1 로고스키 코일(131)에 유도되는 유도 전류의 교류 성분으로써 나타나는 특징이 있다.
이에 종래에서는 로고스키 코일의 공극에 삽입되는 전류 센서(CT 센서)를 통해 유도 전류를 센싱한 후, 이에 포함된 교류 성분만을 잔존시키기 위한 필터링 과정이나 임피던스 매칭 과정을 별도로 수행해야만 했었다.
그러나 본 발명에서는 제1 로고스키 코일(131)에 결합되는 제2 로고스키 코일(132)을 추가 구비한 후, 이를 통해 아크 전류에 상응하는 교류 성분만을 검출함으로써, 종래와 같은 필터링 과정이나 임피던스 매칭 과정 없이 아크 검출 동작을 즉각적으로 수행할 수 있도록 한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims (4)

  1. 태양전지모듈의 전력선의 절연 저항을 측정 및 분석하여, 절연 고장 여부를 확인 및 통보하는 적어도 하나의 절연 감시부;
    상기 태양전지모듈의 전력선에 관통하는 마그네트 코어 기반으로 누설 전류에 의한 자기장을 측정 및 분석하여, 누설 전류 발생을 감지 및 통보하는 적어도 하나의 누설 감시부;
    상기 태양전지모듈의 전력선에 관통하는 제1 로고스키 코일과 제1 로고스키 코일의 권선이 관통하는 제2 로고스키 코일을 구비한 후, 제2 로고스키 코일을 통해 유도 전류의 교류 성분 발생을 검출 및 분석하여 아크 전류 발생을 감지 및 통보하는 아크 감시부;
    상기 태양전지모듈의 채널별 전압 및 전류를 측정 및 통보하는 채널 감시부; 및
    절연 감시 결과, 누설 감시 결과, 아크 감시 결과, 채널 감시결과를 모두 수집 및 저장하거나, 외부 장치에 제공하거나, 또는 사용자 안내하는 제어부를 포함하며,
    상기 절연 감시부는
    태양전지모듈의 전력선 양단에 연결되어, 전력선의 절연 저항을 측정 및 출력하는 절연 저항 측정부;
    절연 미고장 및 설비 접속 상태에서 절연 저항을 측정하여 절연 저항 보정값으로 획득 및 저장하는 절연 저항 보정부; 및
    절연 저항 측정값을 절연 저항 보정값으로 보정한 후 절연 고장 여부를 확인 및 통보하는 절연 고장 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 고장진단 통합 모니터링 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 누설 감시부는
    태양전지모듈의 전력선이 관통하는 마그네트 코어;
    상기 마그네트 코어에 권선되어, + 전압을 인가하는 제1 권선;
    상기 마그네트 코어에 권선되어, - 전압을 인가하는 제2 권선;
    상기 마그네트 코어에 권선되어, 상기 마그네트 코어에 유도된 자기장에 대응되는 전류를 출력하는 제3 권선;
    상기 제3 권선의 출력 전류를 레벨 변환부시켜, 상기 제3 권선의 출력 전류 모두가 + 영역의 전류값을 가질 수 있도록 하는 레벨 변환부; 및
    상기 레벨 변환된 전류에 기반하여 누설 전류 발생을 확인 및 통보하는 누설 계측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 고장진단 통합 모니터링 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 아크 감시부는
    태양전지모듈의 전력선이 관통되며, 전력선을 통해 흐르는 전류에 상응하는 유도 전류가 유기되는 제1 로고스키 코일;
    상기 제1 로고스키 코일이 관통되며, 유도 전류의 교류 성분만이 유기되는 제2 로고스키 코일; 및
    상기 제2 로고스키 코일에 유기된 유도 전류의 교류 성분을 측정 및 분석하여 아크 전류 발생을 확인 및 통보하는 아크 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 고장진단 통합 모니터링 시스템.
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