KR102483455B1 - Arc Detection Device With An Arc Detection Algorithm Resistant To Noise - Google Patents
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Abstract
본 발명은 아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 아크 검출 장치에 있어서, 검출 대상인 회로로부터 센싱된 순시 전류와 전압 데이터를 가공하여 저장하는 데이터 가공 단계; 전력변환기로부터 발생되는 스위칭 노이즈를 저감하여 아크 검출 장치가 탑재된 전체 시스템이 오작동하는 것을 방지하는 스위칭 노이즈 저감 단계; 상기 스위칭 노이즈 저감부(430)로부터 처리되어 출력된 데이터를 평균화하는 데이터 평균화 단계; 및 상기 데이터 평균화 단계로부터 출력된 평균화 데이터와 미리 사용자에 의해 저장되는 임계치를 비교하여 아크 발생 여부를 판별하는 아크 판별 단계;로 구성된 노이즈에 강한 아크 검출 알고리즘이 적용된 아크 검출 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an arc detection device based on an arc detection algorithm, and more particularly, in an arc detection device, comprising: a data processing step of processing and storing instantaneous current and voltage data sensed from a circuit to be detected; A switching noise reduction step of reducing the switching noise generated from the power converter to prevent malfunction of the entire system equipped with the arc detection device; a data averaging step of averaging the processed and output data from the switching noise reduction unit 430; and an arc determination step of comparing the averaging data output from the data averaging step with a threshold stored by a user in advance to determine whether or not an arc has occurred.
Description
본 발명은 아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 아크 검출 장치에 있어서, 검출 대상인 회로로부터 센싱된 순시 전류와 전압 데이터를 가공하여 저장하는 데이터 가공 단계; 전력변환기로부터 발생되는 스위칭 노이즈를 저감하여 아크 검출 장치가 탑재된 전체 시스템이 오작동하는 것을 방지하는 스위칭 노이즈 저감 단계; 상기 스위칭 노이즈 저감부(430)로부터 처리되어 출력된 데이터를 평균화하는 데이터 평균화 단계; 및 상기 데이터 평균화 단계로부터 출력된 평균화 데이터와 미리 사용자에 의해 저장되는 임계치를 비교하여 아크 발생 여부를 판별하는 아크 판별 단계;로 구성된 노이즈에 강한 아크 검출 알고리즘이 적용된 아크 검출 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an arc detection device based on an arc detection algorithm, and more particularly, in an arc detection device, comprising: a data processing step of processing and storing instantaneous current and voltage data sensed from a circuit to be detected; A switching noise reduction step of reducing the switching noise generated from the power converter to prevent malfunction of the entire system equipped with the arc detection device; a data averaging step of averaging the processed and output data from the switching noise reduction unit 430; and an arc determination step of comparing the averaging data output from the data averaging step with a threshold stored by a user in advance to determine whether or not an arc has occurred.
보통 아크(Arc)는 비정상 방전 현상의 초기에는 전류가 증가하면서 동시에 전압이 급격히 증가하다가 전류가 임계량을 넘는 순간 전압이 급격하게 떨어지면서(전위차 감소) 이때 음극에서 전류에 의한 저항열에 가열된 다량의 열전자를 방출하는데 이러한 현상을 아크라 하며(도 1 참조), 이 경우 아크의 중심온도는 5,000 ~ 15,000 ℃로서, 심할 경우 시스템이 파괴되는 경우도 발생한다.At the beginning of an abnormal discharge phenomenon, in an arc, the current increases and the voltage rapidly increases, and the moment the current exceeds a critical amount, the voltage drops rapidly (decrease in potential difference). Thermal electrons are emitted, and this phenomenon is called an arc (see FIG. 1). In this case, the center temperature of the arc is 5,000 to 15,000 ° C. In severe cases, the system may be destroyed.
아크는 보통 다량의 전류와 국소적인 빛과 고온 현상등이 발생하는 바, 보통 이러한 전류, 광, 온도등을 검출하여 아크를 검출하게 되는데, 이중에서 전류와 빛을 검출하는 방법이 많이 알려져 있으나, 그 이외에도 압력, 음향 등도 아크 발생을 알리는 매개체가 되고 있다.The arc usually generates a large amount of current, local light, and high temperature, and arcs are usually detected by detecting these currents, light, temperature, etc. Among them, methods for detecting current and light are well known, In addition, pressure, sound, etc. are also mediators informing arc generation.
이러한 아크를 검출하는 아크 검출 장치 및 방법에 대한 기술은 분산전원이 연계되는 마이크로 그리드에서 사고 지점을 파악할 수 있게 하고, 배전망 내의 사고 확산을 방지할 수 있는 기술로서 LVDC 배전망내 안정적인 운영과 고품질의 전력망을 유지 할 수 있도록 하는 중요한 기술요소이다. The technology for the arc detection device and method for detecting such an arc is a technology that can identify the accident point in a microgrid connected with distributed power sources and prevent the spread of accidents in the distribution network, and is capable of providing stable operation and high quality in the LVDC distribution network. It is an important technical element that enables the maintenance of the power grid.
현재 아크 검출 장비로는 아크 결함에 대한 제어나 다양한 아크플래시 발생 원인들에 대한 사고 요인을 완전히 제거하기에 어려움이 있는데, 특히 아크 전류는 차단기를 동작시키기에는 너무 작은 문제점도 존재하며, 전압 강하 같은 부하 변동으로 인한 전기적 특성 변화가 아크의 전기적 특성 변화와 유사하게 나타나기 때문에 이를 판단하는데 시간이 걸리게 되는바, 아크를 검출하기 위한 방법으로 아크 발생 시 온도, 압력, 음향, 빛, 전기신호를 감지하는 방법이 주로 사용되고 있으며, 각각의 감지 방법에는 장단점이 존재하여 단독 이용은 권장되지 않고 있는 실정이다.With current arc detection equipment, it is difficult to control arc faults or completely eliminate accident factors for various causes of arc flashes. In particular, arc current is too small to operate circuit breakers, and there are problems such as Since changes in electrical characteristics due to load fluctuations appear similar to changes in electrical characteristics of arcs, it takes time to determine them. methods are mainly used, and each sensing method has advantages and disadvantages, so that the use alone is not recommended.
이러한 실정을 고려하여, 대한민국 등록특허 제10-2040573호(발명의 명칭 : 복합센서를 이용한 아크 검출 장치 (2018.08.30))에 의하면 용전원선으로부터 고주파의 아크신호를 추출하는 아크 고주파 커플링회로; 상기 아크신호를 증폭하는 증폭부; 상기 증폭된 아크신호로부터 두드러진 아크신호만을 추출하는 대역통과필터; 상기 대역통과필터로부터 공급되는 아날로그의 아크신호를 디지털신호로 변환하는 제1아날로그 디지털 변환기; 상기 제1아날로그 디지털 변환기로부터 공급되는 디지털의 아크신호에 대하여 고주파를 분석하여 그 분석결과를 근거로 아크 발생 여부를 판단하는 고주파 분석부; 상기 상용전원선에 흐르는 전류량을 검출하여 그에 따른 전류신호를 출력하는 변류기; 상기 전류신호 중에서 소정 주파수 이상의 전류신호만 증폭하여 통과시키는 필터 및 증폭기; 상기 필터 및 증폭기로부터 공급된는 아날로그의 전류신호를 디지털 신호로 변환하는 제2아날로그 디지털 변환기; 상기 제2아날로그디지털 변환기로부터 공급되는 전류신호의 파형을 통계학적 분석기법으로 분석하여 그에 따른 분석결과를 출력하는 전류파형 분석부; 및 상기 고주파 분석부의 분석결과와 상기 전류파형 분석부의 분석결과 모두가 아크가 발생 조건을 만족할 때, 차단기를 구동시켜 부하에 공급되는 전원을 전원을 차단시키는 제어부 포함하여 아크 검출하는 데이터 분석에 통계학적인 분석기법을 도입하고 있는데, 일응 아크 검출을 위한 새로운 기법으로 해석되지만, 본 아크 검출 장치가 전력변환기의 접점에서 주로 많이 발생함을 고려하면 전력변환기를 구성하는 각종 반도체 스위치에 의한 고주파 노이즈와 아크를 적절하게 구별하여 오동작을 방지하는 단계에까지는 이르지 못한 것으로 보인다.Considering this situation, according to Republic of Korea Patent Registration No. 10-2040573 (Title of Invention: Arc Detection Device Using Complex Sensor (2018.08.30)), an arc high-frequency coupling circuit for extracting a high-frequency arc signal from a supply line; an amplifier that amplifies the arc signal; a band pass filter for extracting only a prominent arc signal from the amplified arc signal; a first analog-to-digital converter converting the analog arc signal supplied from the band pass filter into a digital signal; a high frequency analyzer for analyzing the high frequency of the digital arc signal supplied from the first analog to digital converter and determining whether an arc is generated based on the analysis result; a current transformer that detects the amount of current flowing through the commercial power line and outputs a current signal based on the amount of current flowing through the commercial power line; a filter and an amplifier for amplifying and passing only a current signal of a predetermined frequency or higher among the current signals; a second analog-to-digital converter for converting an analog current signal supplied from the filter and amplifier into a digital signal; a current waveform analyzer that analyzes the waveform of the current signal supplied from the second analog-to-digital converter using a statistical analysis technique and outputs an analysis result; And when both the analysis result of the high-frequency analyzer and the analysis result of the current waveform analyzer satisfy arc generation conditions, a control unit that drives a circuit breaker to cut off power supplied to a load, including a statistical method for arc detection data analysis. An analysis technique is introduced, which is interpreted as a new technique for detecting arcs, but considering that this arc detection device mainly occurs at the contact point of the power converter, high-frequency noise and arc caused by various semiconductor switches constituting the power converter It seems that it has not reached the stage of properly distinguishing and preventing malfunctions.
또한 미국 등록특허 제US10243343B1호( 발명의 명칭 : Systems and methods for detecting and identifying arcing based on numerical analysis(수치 분석기법에 기반한 아크 검출 장치 및 시스템))에 의하면 아크 결함은 라인 전압과 전류의 개별적 사이클이 관찰되고 각각의 사이클 동안 수집된 데이터가 근접한 사이클의 미리 정의된 번호 내에 발생하는 아크 이벤트의 미리 정의된 번호에 기초가 된 각각의 개별적 사이클 내에 아크 이벤트의 존재의 가능성을 추정하기 위해 처리된 수치 해석에 기초가 되는 것으로 탐지되며, 빠른 일시적인 것 전류 스파이크 검출이 행해질 수 있고, 사이클, 차이의 평균과 선 전류의 피크 대 피크값 위에서 수집된 연속적 선 전류 샘플 사이의 차분 값을 연산하고, 각각의 차분 값을 비교하는 것은 차이의 평균에 의한 것으로서 피크 대 피크값과 각각의 차분 값을 비교하여, 아크를 검출하는 발명에 관한 것인바, 이도, 역시 전력변환기를 구성하는 스위칭 소자의 고주파 노이즈와 아크를 구별할 수 있는 방법에 관한 논의가 없는바, 이에 대한 해결책이 절실하게 요구된다 할 것이다.Also, according to US Patent No. US10243343B1 (Title of Invention: Systems and methods for detecting and identifying arcing based on numerical analysis), arc faults are caused by individual cycles of line voltage and current. Numerical analysis processed to estimate the probability of the presence of an arc event within each individual cycle based on a predefined number of arc events observed and data collected for each cycle occurring within a predefined number of adjacent cycles. Based on the detection, fast transient current spike detection can be done, calculating the difference value between successive line current samples collected over the cycle, the average of the difference and the peak-to-peak value of the line current, and calculating the difference between each difference. Comparing the values is based on the average of the differences, and relates to the invention of detecting an arc by comparing the peak-to-peak value and each difference value. Since there is no discussion on how to differentiate, a solution to this is desperately required.
본 발명인 노이즈에 강한 아크 검출 알고리즘이 적용된 아크 검출 장치는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 다음과 같은 목적을 가진다.An arc detection device to which an arc detection algorithm strong against noise according to the present invention is applied has been devised to solve the problems of the prior art and has the following objectives.
(1) 본 발명의 목적은 검출 대상인 회로로부터 센싱된 순시 전류와 전압 데이터를 가공하여 저장하는 데이터 가공 단계; 전력변환기로부터 발생되는 스위칭 노이즈를 저감하여 아크 검출 장치가 탑재된 전체 시스템이 오작동하는 것을 방지하는 스위칭 노이즈 저감 단계; 상기 스위칭 노이즈 저감부(430)로부터 처리되어 출력된 데이터를 평균화하는 데이터 평균화 단계; 및 상기 데이터 평균화 단계로부터 출력된 평균화 데이터와 미리 사용자에 의해 저장되는 임계치를 비교하여 아크 발생 여부를 판별하는 아크 판별 단계;로 구성된 노이즈에 강한 아크 검출 알고리즘이 적용된 아크 검출 장치를 제공함을 목적으로 한다.(1) An object of the present invention is a data processing step of processing and storing instantaneous current and voltage data sensed from a circuit to be detected; A switching noise reduction step of reducing the switching noise generated from the power converter to prevent malfunction of the entire system equipped with the arc detection device; a data averaging step of averaging the processed and output data from the switching noise reduction unit 430; and an arc determination step of comparing the averaging data output from the data averaging step with a threshold stored by a user in advance to determine whether or not an arc has occurred. .
(2) 본 발명의 또다른 목적은 디지털 데이터를 기반으로 윈도우 함수(Window Function)를 이용하여 전력밀도 스펙트럼으로 변형하는 시그널 프로세싱 단계, 고속 푸리에 변환을 하는 고속 푸리에 변환 단계, 전력변환기로부터 발생되는 스위칭 노이즈를 저감하여 아크 검출 장치가 탑재된 전체 시스템이 오작동하는 것을 방지하는 스위칭 노이즈 저감 단계, 데이터를 평균화하는 데이터 평균화 단계 및 평균화 데이터와 미리 사용자에 의해 저장되는 임계치를 비교하여 아크 발생 여부를 판별하는 아크 판별 단계를 포함하는 노이즈에 강한 아크 검출 알고리즘이 적용된 아크 검출 장치를 제공함을 목적으로 한다.(2) Another object of the present invention is a signal processing step of transforming digital data into a power density spectrum using a window function, a fast Fourier transform step of performing a fast Fourier transform, and switching generated from a power converter. A switching noise reduction step of reducing noise to prevent the entire system equipped with an arc detection device from malfunctioning, a data averaging step of averaging data, and comparing the averaging data with a threshold stored by the user in advance to determine whether an arc occurs. An object of the present invention is to provide an arc detection device to which an arc detection algorithm resistant to noise including an arc determination step is applied.
본 발명인 노이즈에 강한 아크 검출 알고리즘이 적용된 아크 검출 장치아크 검출 장치에 있어서, 상기 아크 검출 알고리즘은 검출 대상인 회로로부터 센싱된 순시 전류와 전압 데이터를 가공하여 저장하는 데이터 가공 단계(S100); 전력변환기로부터 발생되는 스위칭 노이즈를 저감하여 아크 검출 장치가 탑재된 전체 시스템이 오작동하는 것을 방지하는 스위칭 노이즈 저감 단계(S200); 상기 스위칭 노이즈 저감 단계로부터 처리되어 출력된 데이터를 평균화하는 데이터 평균화 단계(S300); 및 상기 데이터 평균화 단계로부터 출력된 평균화 데이터와 미리 사용자에 의해 저장되는 임계치를 비교하여 아크 발생 여부를 판별하는 아크 판별 단계(S400);로 구성된다. In the arc detection device to which the arc detection algorithm resistant to noise according to the present invention is applied, the arc detection algorithm includes a data processing step (S100) of processing and storing instantaneous current and voltage data sensed from a circuit to be detected; A switching noise reduction step (S200) of reducing the switching noise generated from the power converter to prevent malfunction of the entire system equipped with the arc detection device; a data averaging step (S300) of averaging the data processed and output from the switching noise reduction step; and an arc determination step (S400) of comparing the averaging data output from the data averaging step with a threshold value previously stored by the user to determine whether an arc has occurred.
상기 데이터 가공 단계(S100)는 검출 대상인 회로로부터 전류와 전압을 순시적으로 센싱하여 실제 크기의 전류와 전압 데이터로 변형하는 데이터 변형 단계(S110); 상기 데이터 변형 단계로부터 저장된 데이터를 특정 대역의 주파수를 필터링 하여 걸러내는 주파수 필터링 단계(S120); 상기 주파수 필터링 단계를 통과한 고주파영역의 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변형하는 고주파 ADC 단계(S130); 고주파 ADC 단계로부터 출력되는 디지털 데이터를 기반으로 윈도우 함수(Window Function)를 이용하여 전력밀도 스펙트럼으로 변형하는 시그널 프로세싱 단계(S140); 및 상기 시그널 프로세싱 단계로부터 출력되는 데이터를 기반으로 고속 푸리에 변환을 하는 고속 푸리에 변환 단계(S150); 로 세분되어 구성된다.The data processing step (S100) includes a data transformation step (S110) of instantaneously sensing current and voltage from a circuit to be detected and transforming them into current and voltage data of actual size; a frequency filtering step (S120) of filtering out the data stored from the data transformation step by filtering a frequency of a specific band; a high-frequency ADC step (S130) of transforming the analog data of the high-frequency domain that has passed through the frequency filtering step into digital data; A signal processing step (S140) of transforming the digital data output from the high-frequency ADC step into a power density spectrum using a window function; and a fast Fourier transform step (S150) of performing fast Fourier transform based on the data output from the signal processing step. It is subdivided into
상기 아크 판별 단계(S400)에 있어서, 사용자에 의해 저장되는 임계치는 시간인덱스에 따라 변화하는 데이터 평균화 데이터에 따라 서로 관계를 가지며 상대적으로 정해지는 공분산(Covariance)에 따라 변화할 수 있음을 특징으로 한다.In the arc determination step (S400), the threshold stored by the user has a relationship with each other according to the data averaging data that changes according to the time index and can change according to the relatively determined covariance. .
상기 주파수 필터링 단계(S120)에 있어서 특정 대역의 주파수대역은 40-100kHz 임을 특징으로 한다.In the frequency filtering step (S120), the frequency band of the specific band is characterized in that 40-100 kHz.
상기 고주파 ADC 단계(S130)는 250kHz로 구동되어 최대 125kHz 대역의 주파수 성분 관측이 가능한 16비트 ADC(Analogue to Digital Conversion) 장치를 사용함을 특징으로 한다.The high-frequency ADC step (S130) is characterized by using a 16-bit ADC (Analogue to Digital Conversion) device driven at 250 kHz and capable of observing frequency components in a band of up to 125 kHz.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다. The present invention has the following effects.
(1) 본 발명은 아크를 검출하는 알고리즘이 임베딩된 MCU에 의해 효과적으로 아크를 검출할 수 있다. (1) According to the present invention, an arc can be effectively detected by an MCU embedded with an arc detection algorithm.
(2) 본 발명은 디지털 데이터를 기반으로 윈도우 함수(Window Function)를 이용하여 전력밀도 스펙트럼으로 변형하고, 이를 고속 푸리에 변환한 다음 스위칭 노이즈 저감하여 스위칭 노이즈와 아크를 용이하게 구별할 수 있도록 한 다음 데이터 평균화 과정을 거친 최종 데이터를 사용자가 설정한 임계치와 비교하여 최종적으로 아크 검출 여부를 판별하도록 하여 전력변환기 또는 각종 전력회로의 안정성 및 신뢰성을 보장할 수 있도록 한다. (2) The present invention transforms digital data into a power density spectrum using a window function based on a window function, fast Fourier transforms it, and reduces switching noise so that switching noise and arc can be easily distinguished. The final data that has undergone the data averaging process is compared with the threshold value set by the user to finally determine whether or not an arc is detected, thereby ensuring stability and reliability of the power converter or various power circuits.
(3) 본 발명은 사용자가 초기에 설정한 임계치를 시간인덱스에 따라 데이터 평균화 데이터와 함께 스스로 변형할 수 있도록 하는 공분산 개념을 도입하여 아크 검출을 정교하게 검출 할 수 있도록 하였다.(3) The present invention introduces the concept of covariance, which allows the user to modify the initially set threshold along with data averaging data according to the time index, so that arc detection can be precisely detected.
도 1은 전력변환기에 발생하는 아크를 개념적으로 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명인 노이즈에 강한 아크 검출 알고리즘을 시계열적 순서에 따라 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명인 노이즈에 강한 아크 검출 알고리즘을 시계열적인 순서도로 나타낸 도면이다. 1 is a graph conceptually showing an arc generated in a power converter.
2 is a diagram showing an arc detection algorithm resistant to noise according to the present invention in a time-sequential order.
3 is a time-sequential flowchart illustrating an arc detection algorithm resistant to noise according to the present invention.
먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.First, prior to entering into the detailed description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the known technology or configuration related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라 질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 "노이즈에 강한 아크 검출 알고리즘이 적용된 아크 검출 장치"를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.In addition, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the user's or operator's intention or custom. It should be made based on the contents throughout this specification describing "detection device".
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.The terminology used in this specification is only for referring to specific embodiments and is not intended to limit the present invention. As used herein, the singular forms also include the plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.As used herein, the meaning of "comprising" specifies particular characteristics, regions, integers, steps, operations, elements, and/or components, and other specific characteristics, regions, integers, steps, operations, elements, components, and/or components. It does not exclude the presence or addition of groups.
본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.All terms including technical terms and scientific terms used in this specification have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. The terms defined in the dictionary are additionally interpreted as having a meaning consistent with the related technical literature and the currently disclosed content, and are not interpreted in an ideal or very formal meaning unless defined.
도 1은 전력변환기에 발생하는 아크를 개념적으로 나타낸 그래프이고, 도 2는 본 발명인 노이즈에 강한 아크 검출 알고리즘을 시계열적 순서에 따라 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명인 노이즈에 강한 아크 검출 알고리즘을 시계열적인 순서도로 나타낸 도면이다.1 is a graph conceptually showing an arc generated in a power converter, FIG. 2 is a diagram showing the arc detection algorithm resistant to noise according to the present invention in a time-series order, and FIG. 3 is a time series showing the arc detection algorithm resistant to noise according to the present invention It is a diagram showing a schematic flow chart.
도 2를 참조하면 본 발명인 노이즈에 강한 아크 검출 알고리즘이 적용된 아크 검출 장치아크 검출 장치에 있어서, 상기 아크 검출 알고리즘은 검출 대상인 회로로부터 센싱된 순시 전류와 전압 데이터를 가공하여 저장하는 데이터 가공 단계(S100); 전력변환기로부터 발생되는 스위칭 노이즈를 저감하여 아크 검출 장치가 탑재된 전체 시스템이 오작동하는 것을 방지하는 스위칭 노이즈 저감 단계(S200); 상기 스위칭 노이즈 저감 단계로부터 처리되어 출력된 데이터를 평균화하는 데이터 평균화 단계(S300); 및 상기 데이터 평균화 단계로부터 출력된 평균화 데이터와 미리 사용자에 의해 저장되는 임계치를 비교하여 아크 발생 여부를 판별하는 아크 판별 단계(S400);로 구성된다. Referring to FIG. 2, in the arc detection device arc detection device to which the arc detection algorithm resistant to noise according to the present invention is applied, the arc detection algorithm processes and stores instantaneous current and voltage data sensed from a circuit to be detected (S100). ); A switching noise reduction step (S200) of reducing the switching noise generated from the power converter to prevent malfunction of the entire system equipped with the arc detection device; a data averaging step (S300) of averaging the data processed and output from the switching noise reduction step; and an arc determination step (S400) of comparing the averaging data output from the data averaging step with a threshold value previously stored by the user to determine whether an arc has occurred.
도 2를 참조하면 상기 데이터 가공 단계(S100)는 검출 대상인 회로로부터 전류와 전압을 순시적으로 센싱하여 실제 크기의 전류와 전압 데이터로 변형하는 데이터 변형 단계(S110); 상기 데이터 변형 단계로부터 저장된 데이터를 특정 대역의 주파수를 필터링 하여 걸러내는 주파수 필터링 단계(S120); 상기 주파수 필터링 단계를 통과한 고주파영역의 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변형하는 고주파 ADC 단계(S130); 고주파 ADC 단계로부터 출력되는 디지털 데이터를 기반으로 윈도우 함수(Window Function)를 이용하여 전력밀도 스펙트럼으로 변형하는 시그널 프로세싱 단계(S140); 및 상기 시그널 프로세싱 단계로부터 출력되는 데이터를 기반으로 고속 푸리에 변환을 하는 고속 푸리에 변환 단계(S150); 로 세분되어 구성된다.Referring to FIG. 2, the data processing step (S100) includes a data transformation step (S110) of instantaneously sensing current and voltage from a circuit to be detected and transforming them into current and voltage data in actual size; a frequency filtering step (S120) of filtering out the data stored from the data transformation step by filtering a frequency of a specific band; a high-frequency ADC step (S130) of transforming the analog data of the high-frequency domain that has passed through the frequency filtering step into digital data; A signal processing step (S140) of transforming the digital data output from the high-frequency ADC step into a power density spectrum using a window function; and a fast Fourier transform step (S150) of performing fast Fourier transform based on the data output from the signal processing step. It is subdivided into
상기 아크 판별 단계(S400)에 있어서, 사용자에 의해 저장되는 임계치는 시간인덱스에 따라 변화하는 데이터 평균화 데이터에 따라 서로 관계를 가지며 상대적으로 정해지는 공분산(Covariance)에 따라 변화할 수 있음을 특징으로 한다.In the arc determination step (S400), the threshold stored by the user has a relationship with each other according to the data averaging data that changes according to the time index and can change according to the relatively determined covariance. .
즉 아크 발생을 판별함에 있어서 두 변수 즉 데이터 평균화 데이터와 사용자에 의해 설정되는 임계치는 서로 상대적으로 상관관계를 맺는다고 가정한 것으로서, 임계치가 모든 상황에서 절대적으로 변화할 수 없는 수치가 아니라는 것을 귀납적으로 가정한 것이다. In other words, it is assumed that the two variables, that is, the data averaging data and the threshold set by the user, are relatively correlated with each other in determining arc generation, and it is inductively concluded that the threshold is not a numerical value that cannot be changed absolutely in all situations. it is assumed
즉 예를 들면 평균화 데이터와 임계치(시간 인덱스에 따라 변화한다고 가정)의 평균값에 대해 fij 를 (평균화데이터i, 임계치평균값i)의 상대도수라 할 때 다음과 같은 관계가 만족되는 공분산 공식이 활용된다. That is, for example, when f ij is the relative frequency of (averaged data i , threshold average value i ) for the mean value of the averaged data and the threshold value (assumed to change according to the time index), the covariance formula that satisfies the following relationship is used: do.
도 2를 참조하면 상기 주파수 필터링 단계(S120)에 있어서 특정 대역의 주파수대역은 40-100kHz 임을 특징으로 한다.Referring to FIG. 2, in the frequency filtering step (S120), the frequency band of a specific band is characterized in that 40-100 kHz.
상기 고주파 ADC 단계(S130)는 250kHz로 구동되어 최대 125kHz 대역의 주파수 성분 관측이 가능한 16비트 ADC(Analogue to Digital Conversion) 장치를 사용함을 특징으로 한다.The high-frequency ADC step (S130) is characterized by using a 16-bit ADC (Analogue to Digital Conversion) device driven at 250 kHz and capable of observing frequency components in a band of up to 125 kHz.
도 3을 참조하면 본 발명인 아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치에서 상기 아크 검출 알고리즘을 시계열적인 순서도로 나타낸 것인데, 이를 하기에서 설명한다. Referring to FIG. 3, the arc detection algorithm is shown in a time-sequential flowchart in the arc detection device according to the arc detection algorithm of the present invention, which will be described below.
우선 아크 검출 알고리즘은 전력변환기 스위칭 노이즈 및 기타 오작동 요인으로부터 강인하게 동작하기 위하여 하기의 두 단계의 데이터 프로세싱을 사용함을 특징으로 한다.First, the arc detection algorithm is characterized by using the following two-step data processing in order to operate robustly from power converter switching noise and other malfunctioning factors.
첫 번째 단계는 전력변환기로부터 발생되는 스위칭 노이즈를 저감하여 오작동을 억제하며(Switching noise reduction), 두 번째 단계는 데이터를 평균화(Data averaging)하여 부하 급변과 같은 순간적인 노이즈에 강인한 검출이 가능하도록 한것이다.The first step suppresses malfunction by reducing the switching noise generated from the power converter (Switching noise reduction), and the second step enables robust detection against instantaneous noise such as sudden load change by averaging data. all.
이 때 
스위칭 노이즈 저감을 위해 프로세서는 조건에 따라 
순간적인 노이즈에 의한 오작동 방지를 위해 제안된 알고리즘은 데이터 평균화 과정을 수행하는데, 이 경우 두 번째 조건에 포함된 
이때 임계치는 사용자가 초기에 설정하며, 이와 같은 비교를 통해 아크 발생을 판별할 수 있게 되는 것이다. At this time, the threshold is initially set by the user, and arc generation can be determined through such a comparison.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다. The present invention has the following effects.
(1) 본 발명은 아크를 검출하는 알고리즘이 임베딩된 MCU에 의해 효과적으로 아크를 검출할 수 있다. (1) According to the present invention, an arc can be effectively detected by an MCU embedded with an arc detection algorithm.
(2) 본 발명은 디지털 데이터를 기반으로 윈도우 함수(Window Function)를 이용하여 전력밀도 스펙트럼으로 변형하고, 이를 고속 푸리에 변환한 다음 스위칭 노이즈 저감하여 스위칭 노이즈와 아크를 용이하게 구별할 수 있도록 한 다음 데이터 평균화 과정을 거친 최종 데이터를 사용자가 설정한 임계치와 비교하여 최종적으로 아크 검출 여부를 판별하도록 하여 전력변환기 또는 각종 전력회로의 안정성 및 신뢰성을 보장할 수 있도록 한다. (2) The present invention transforms digital data into a power density spectrum using a window function based on a window function, fast Fourier transforms it, and reduces switching noise so that switching noise and arc can be easily distinguished. The final data that has undergone the data averaging process is compared with the threshold value set by the user to finally determine whether or not an arc is detected, thereby ensuring stability and reliability of the power converter or various power circuits.
(3) 본 발명은 사용자가 초기에 설정한 임계치를 시간인덱스에 따라 데이터 평균화 데이터와 함께 스스로 변형할 수 있도록 하는 공분산 개념을 도입하여 아크 검출을 정교하게 검출 할 수 있도록 하였다.(3) The present invention introduces the concept of covariance, which allows the user to modify the initially set threshold along with data averaging data according to the time index, so that arc detection can be precisely detected.
S100 : 데이터 가공 단계 S110 : 데이터 변형 단계
S120 : 주파수 필터링 단계 S130 : 고주파 ADC 단계
S140 : 시그널 프로세싱 단계 S150 : 고주 푸리에 변환 단계
S200 : 스위칭 노이즈 저감 단계 S300 : 데이터 평균화 단계
S400 : 아크 판별 단계S100: Data Processing Step S110: Data Transformation Step
S120: frequency filtering step S130: high frequency ADC step
S140: Signal Processing Step S150: High Frequency Fourier Transform Step
S200: Switching noise reduction step S300: Data averaging step
S400: Arc determination step
Claims (5)
상기 아크 검출 알고리즘은
검출 대상인 회로로부터 센싱된 순시 전류와 전압 데이터를 가공하여 저장하는 데이터 가공 단계;
전력변환기로부터 발생되는 스위칭 노이즈를 저감하여 아크 검출 장치가 탑재된 전체 시스템이 오작동하는 것을 방지하는 스위칭 노이즈 저감 단계;
상기 스위칭 노이즈 저감 단계로부터 처리되어 출력된 데이터를 평균화하는 데이터 평균화 단계; 및
상기 데이터 평균화 단계로부터 출력된 평균화 데이터와 미리 사용자에 의해 저장되는 임계치를 비교하여 아크 발생 여부를 판별하되, 사용자에 의해 저장되는 임계치는 시간인덱스에 따라 변화하는 데이터 평균화 데이터에 따라 서로 관계를 가지며 상대적으로 정해지는 공분산(Covariance)에 따라 변화가능한 아크 판별 단계;로 구성되되,
상기 데이터 가공 단계는
검출 대상인 회로로부터 전류와 전압을 순시적으로 센싱하여 실제 크기의 전류와 전압 데이터로 변형하는 데이터 변형 단계;
상기 데이터 변형 단계로부터 저장된 데이터를 40-100kHz의 주파수대역에서 필터링하여 걸러내는 주파수 필터링 단계;
상기 주파수 필터링 단계를 통과한 고주파영역의 아날로그 데이터를 250kHz로 구동되어 최대 125kHz 대역의 주파수 성분 관측이 가능한 16비트 ADC(Analogue to Digital Conversion) 장치를 사용하여 디지털 데이터로 변형하는 고주파 ADC 단계;
고주파 ADC 단계로부터 출력되는 디지털 데이터를 기반으로 윈도우 함수(Window Function)를 이용하여 전력밀도 스펙트럼으로 변형하는 시그널 프로세싱 단계; 및
상기 시그널 프로세싱 단계로부터 출력되는 데이터를 기반으로 고속 푸리에 변환을 하는 고속 푸리에 변환 단계;로 구성 되며,
상기 아크 검출 알고리즘이 적용된 것을 특징으로 하는 노이즈에 강한 아크 검출 알고리즘이 적용된 아크 검출 장치.In the arc detection device to which the arc detection algorithm is applied,
The arc detection algorithm is
A data processing step of processing and storing instantaneous current and voltage data sensed from a circuit to be detected;
A switching noise reduction step of reducing the switching noise generated from the power converter to prevent malfunction of the entire system equipped with the arc detection device;
a data averaging step of averaging the data processed and output from the switching noise reduction step; and
The averaging data output from the data averaging step is compared with a threshold stored by the user in advance to determine whether an arc occurs. The threshold stored by the user has a relationship with each other according to the data averaging data that changes according to the time index, An arc discrimination step that is variable according to the covariance determined by
The data processing step is
a data transformation step of instantaneously sensing current and voltage from a circuit to be detected and transforming them into current and voltage data in actual size;
a frequency filtering step of filtering the stored data from the data transformation step in a frequency band of 40-100 kHz;
A high-frequency ADC step of transforming the analog data of the high-frequency domain that has passed through the frequency filtering step into digital data using a 16-bit ADC (Analogue to Digital Conversion) device driven at 250 kHz and capable of observing frequency components in a band of up to 125 kHz;
a signal processing step of transforming the digital data output from the high-frequency ADC step into a power density spectrum using a window function; and
A fast Fourier transform step of performing fast Fourier transform based on the data output from the signal processing step;
An arc detection device with an arc detection algorithm resistant to noise, characterized in that the arc detection algorithm is applied.
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