KR102490727B1 - 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 장치, 이를 갖는 보호 제어 감시 자동화 시스템, 및 시각 동기 신호 생성 방법 - Google Patents

Abstract

마스터 클럭(Master clock)과의 통신에 일시적인 문제가 발생하더라도 각설비 내 오실레이션 펄스의 동기화 정밀도의 향상 및 지속성과 안정성을 확보하도록 하는 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 장치가 개시된다. 상기 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 장치는, 마스터 클럭 정보를 생성하는 마스터 클럭 생성기, 및 상기 마스터 클럭 생성기와의 신호 차단 상태에서 상기 신호 차단 상태 이전에 전달되는 상기 마스터 클럭 정보와 연계하여 시각 동기 정보를 생성하는 자체 발진 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 장치, 이를 갖는 보호 제어 감시 자동화 시스템, 및 시각 동기 신호 생성 방법{Apparatus for generating time synchronization signal linked to master clock, System for monitoring protection control automatically, and Method thereof}

본 발명은 시각 동기 신호 생성 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고 정밀 시각 동기 클럭을 제공하여 고효율, 고성능 보호제어 자동화 시스템의 운용을 가능하는 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 장치 및 방법에 대한 것이다.

변전분야의 각종 보호 제어 자동화 설비들이 디지털화되면서, 설비는 단순화되고, 운영의 신뢰성과 각종 정보의 활용성은 더욱 높아지고 있다. 확대되는 전력수급량에 효율적으로 대응하기 위해 지능형 전력망이 점진적으로 도입되고 있다.

이를 위해 국내외적으로 감시/보호/제어 자동화 변전소를 구성하는 전력시스템의 통신방식은 IEC(International Electrotechnical Commission) 61850 기반의 국제표준으로 구축되고 있는 추세이다.

차단기와 변압기 등 변전설비 단위로 전력감시, 비상동작, 계전동작 수행이 가능하도록 IED(Intelligent Electronic Device(지능형 전자장치), 계전기)가 설치되어 있다. 이 IED는 각 현장기기로부터 전류, 전압, 위상차 등을 상시 감시하고 사고를 즉시 분류해내는 능력을 갖추고 있다. 또한, 전력 공급 시스템에서 사고가 발생할 경우, 고장이 타설비 또는 전력공급망 전체로 파급되지 않도록 광범위한 선로를 보호하여 전력공급의 안정성, 일관성을 유지하도록 하고 있다.

그런데, IED에서 수신하는 전류, 전압, 위상 등의 동기 오차값이 확대될 경우에는 변전소 자동화 시스템이 보호·제어·감시 기능을 정상적으로 수행할 수 없게 되어 전력시스템의 고장, 정전 빈도가 확대될 수밖에 없다.

특히, 향후 미래형 지능형전력망 시스템에서는 설비 내 이용 데이터의 동기화 수준이 더욱더 중요하며, 지능형 전력망 시스템용 고정밀 시각 동기화 장치의 구현은 AI(Artificial Intelligence) 시스템, 자기 치유 시스템, 자동고장복구시스템 등 고기능 어플리케이션 시스템의 핵심 선결구현요건이다.

또한, 일반적으로 자동화 시스템의 장치간 시각동기를 위해 개별장치내에 존재하는 발진기(Local Oscillator)는 주로 쿼츠 크리스털(Quartz Crystals)을 사용한다. 이 시각 동기화용 크리스탈(Crystal) 재료는 고정밀도를 맞추기 위해서는 더 비싼 재료를 사용할 수도 있지만, 가격과 성능의 균형(Trade-off)을 맞추기 위해 적절한 재료를 이용하는 것이 일반적이다.

문제는 시각 동기화 발진기로 사용되는 크리스털(Crystal) 재료가 열적, 기계적, 노화(Aging)영향 등으로 인해 발진클럭 생성시에 시간축상의 이동(Drifts) 오차가 발생하게 된다. 특히, 열적 이동(Drifts 오차) 문제는 고정밀 시스템의 현장활용에 있어서 가장 어려운 문제로 대두되고 있다.

일반적으로, IED 내장형 ADC(Analog to Digital Converter) 장치 또는 MU 내부의 샘플링 클럭을 생성하기 위해 클럭 장치 내부에 고정형 발진기(오실레이터 : Oscillator)를 가지고 있다. 이 발진기를 통해 마스터 클럭(주시각원)으로부터의 동기신호를 수신하여 내부 고정형 발진기와의 시각 차이를 보정하게 된다.

이 시각차이 신호를 샘플링 기준점으로 활용하는 방식에 있어서는 마스터 클럭의 동기신호를 순간적으로 잃을 경우, 규모가 큰 네트워크 시스템에서는 해당 기간동안 마스터 클럭과 동기되지 않은 내부 고정형 발진기에 의해 전압과 전류 등 주요 신호의 샘플링을 진행하게 되어 보호제어 기능에 문제가 발생하게 된다.

이때, 고정형 발진기의 내부오차의 정확도와 관련한 표준은 IEC 61850에서는 SV(Sampled Value) 전송장치(MU: Merging unit), IED 등의 전송경로상 전자장치의 시각동기 정확도를 국제표준에서는 1[nsec] 내외로 규정하고 있으나, 자체 하드웨어 성능을 구현한 것으로 마스터 클럭과 연동한 정밀도 운영은 불가능하여 시각 동기 오차가 확대될 수 있다.

그러나, 다수의 장치가 버스(Bus) 형 네트워크로 연결된 경우, 다수의 전송경로상 전자장치에 대해서는 IEC 등 관련표준에서는 제작 가이드가 존재하지 않기 때문에 변전소등의 전력설비 보호를 위한 보호제어 요건을 제시하지 않고 있어 효과적인 네트워크 시스템의 구현을 위한 제약사항이 되고 있다.

또한, 도 1을 참조하여 운용 알고리즘을 보면, GPS(Global Positioning System) 수신기에서 1초마다 전송되는 기준(Pulse Per Second) 신호(또는 IEEE 1588 PTP(Precision Time Protocol) 신호와 자체 고정형 발진기의 출력 클럭 간의 지연에 의한 위상/시간 정보를 비교하여(단계 S110, S120), 그 차분에 대하여 보정을 수행하여(단계 S101,S130,S140), 샘플링(Sampling) 클럭신호를 제공하여 기준 PPS와의 동기를 맞춘다(단계 S150).

기존 설비의 운용특성은 설비 또는 시스템 구성이 간단하거나 기준클럭을 제공하는 마스터 클럭의 상실(중단) 없이 운용되는 일반적인 동작환경 또는 설비상태에서는 문제가 발생하지 않는다. 그러나, 기준 클럭인 PPS 신호를 상실할 경우이거나, 설비를 구성하는 네트워크 시스템이 복잡한 구조일 경우에는 네트워크시스템 내부의 IED, MU 등 타 설비와의 동기를 맞추는데 있어서 정밀도 유지가 곤란하여 정확한 보호제어감시 기능의 수행이 불가능하다.

또한, 도 2를 참조하여 기준신호 차단시 자체 발진기에 의한 자체 클럭 이용 개념도를 보면, 마스터 클럭에서 1초당 1클럭의 PPS 신호를 제공하고, 그 간격 1초간에는 개별장치별 자체 발진기에서 자체 클럭 신호를 제공하게 된다. 이 경우, 마스터 클럭의 신호가 상실된 경우에는 장치별 발진기의 정밀도에 의존하게 되며, 그 정밀도가 낮거나 마스터 클럭 차단시간이 길어질수록 정상적인 보호제어 기능수행인 곤란하다.

부연하면, 기존설비의 시각 동기화의 핵심은 장치 간 시간지연에 대한 차분을 보상하여 클럭의 정밀도가 개선되도록 샘플링 클럭신호를 제공하는 구조이다.

그러나, 마스터 클럭이 상실되거나 복잡한 구조를 갖는 시스템 적용시는 시각 동기 정밀도 유지가 곤란하다. 즉, 기존 국제표준(IEC) 기반의 시스템에서는 시스템의 규모가 확대될수록, 네트워크 시스템의 토폴로지(구조)가 복잡해지고 구성기기의 수량이 증가하여, 변전소 내 IED, MU 등 기타 설비 간 적절한 시각 동기 이행이 어렵게 된다. 따라서, 변전소 등 전력설비의 보호제어감시 기능의 정상적인 수행이 불가능하여 시스템의 오동작을 유발한다.

부연하면, GPS 수신기에서 매 1초마다 전송되는 PPS 신호와 장치내의 오실레이터의 출력 클럭을 비교하여 지연 차분에 대한 보정으로 기준 PPS와의 동기를 맞추는 구조이며, 대부분의 생산제품은 장치 내 자체 발진기의 시각동기 정확도 요건을 국제표준(IEC)에서 1[nsec] 수준으로 규정하고 있으며, 일부 글로벌 제작사에서는 제품생산을 하고 있다.

IEC에서 규정하고 있는 시각동기화 수준은 기준신호의 상실시간이 길어질수록, 그리고 변전소 규모가 커서 한 네트워크(링 구조 ; HSR(High-avaliable Seamless Redundancy) 방식)에 연계되는 장치의 수량이 많고, 시각동기 불일치 문제가 발생하게 된다.

또한, 병렬구성(PRP(Parallel Redundancy Protocol) 방식) 네트워크 구성에서 개별 운용장치가 기준클럭을 장시간(1초 이상) 수신하지 못할(상실) 경우, 개별 장치별 하드웨어적으로 발진 클럭을 구현한 방식으로는 마스터 클럭과 연동된 고정밀 시각동기를 유지하는데 한계가 있으므로, 네트워크 시스템에서 필요로 하는 고신뢰 시각동기 정확도를 충족시키기 어렵다.

또한, 기준클럭인 마스터 클럭의 상실시에는 장치 내부의 발진기 오차가 시간이 지날수록 확대되어 신호 샘플링시 정밀도가 저하되어 시스템의 오동작을 유발하게 된다.

1. 한국공개특허번호 제10-2010-0101998호

본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 마스터 클럭(Master clock)과의 통신에 일시적인 문제가 발생하더라도 각설비 내 오실레이션 펄스의 동기화 정밀도의 향상, 지속성, 및 안정성을 확보하도록 하는 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 변전소 등 전력설비의 보호제어자동화 시스템 규모가 큰 네트워크 시스템 적용에 있어서도 시각 동기화 운용시 샘플링되는 기준 클럭의 고정밀도를 구현을 위해 PID(Proportional Integral Derivative Control : 비례적분미분) 제어 및 제어 출력값의 전압 변환기술, 전압 제어 발진기 등을 이용하여 시각동기화를 위한 클럭의 정밀도를 안정된 고정밀도를 유지할 수 있도록 하여 고신뢰 시각동기 시스템의 운용을 가능하게 하는 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 마스터 클럭(Master clock)과의 통신에 일시적인 문제가 발생하더라도 각설비 내 오실레이션 펄스의 동기화 정밀도의 향상 및 지속성과 안정성을 확보하도록 하는 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 장치를 제공한다.

상기 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 장치는,

마스터 클럭 정보를 생성하는 마스터 클럭 생성기; 및

상기 마스터 클럭 생성기와의 신호 차단 상태에서 상기 신호 차단 상태 이전에 전달되는 상기 마스터 클럭 정보와 연계하여 시각 동기 정보를 생성하는 자체 발진 유닛;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마스터 클럭 정보는 무선 통신 정보에 기반한 제 1 PPS(Pulse Per Second) 신호 또는 유선 통신 정보에 기반한 제 2 PPS 신호인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마스터 클럭 생성기는, 상기 제 1 신호를 생성하는 제 1 수신기; 상기 제 2 신호를 생성하는 제 2 수신기; 및 상기 제 1 신호 또는 상기 제 2 신호를 선택하여 출력하는 선택기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 자체 발진 유닛은, 상기 마스터 클럭 정보와 자체 발진 클럭 신호를 비교하여 차분값을 추출하는 차분 비교기; PID(Proportional-Integral-Differential controller) 제어 방식을 이용하여 상기 차분값으로부터 제어값을 산출하는 PID 제어기; 및 상기 제어값에 따라 상기 마스터 클럭 정보와 연계하여 상기 시각 동기 정보를 생성하는 동기 정보 생성기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 동기 정보 생성기는, 상기 제어값을 제어 전압값으로 변환하는 수치-전압값 변환부; 및 상기 제어 전압값에 따라 전압값 제어를 통해 목표(Target)로 하는 상기 시각 동기 정보를 생성하는 전압 제어 발진부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 시각 동기 정보는 상기 신호 차단 상태에서 상기 신호 차단 상태 이전 직전의 일정 시간 동안의 상기 마스터 클럭 정보에 대한 평균값을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 차분값을 미리 설정되는 기준 범위와 비교하여, 상기 기준범위내이면 동기 정보 생성기는 상기 제어값을 조정하지 않는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 동기 정보 생성기는 수치제어 방식을 이용하여 발진 주파수를 생성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 무선 통신 정보는 GPS(Global Positioning System) 정보이고, 상기 유선 통신 정보는 이더넷 통신망을 이용한 패킷화 시각 동기 신호인 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 1588 PTP(Precision Time Protocol)인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 자체 발진 유닛은 상기 마스터 클럭 생성기로부터 미리 설정되는 일정 시간 동안 상기 마스터 클럭 정보가 지속적으로 입력되지 않으면 상기 신호 차단 상태로 인식하는 것을 특징으로 한다.

다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 마스터 클럭 정보를 생성하는 마스터 클럭 생성기를 갖는 시간 서버; 및 상기 마스터 클럭 생성기와의 신호 차단 상태에서 상기 신호 차단 상태 이전에 전달되는 상기 마스터 클럭 정보와 연계하여 시각 동기 정보를 생성하는 자체 발진 유닛을 갖는 다수의 클라이언트;를 갖는 것을 특징으로 한다.

또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, (a) 마스터 클럭 생성기가 마스터 클럭 정보를 생성하는 단계; (b) 자체 발진 유닛이 상기 마스터 클럭 생성기와의 신호 차단 상태를 확인하는 단계; 및 (c) 확인 결과, 상기 신호 차단 상태이면, 자체 발진 유닛이 상기 신호 차단 상태 이전에 전달되는 상기 마스터 클럭 정보와 연계하여 시각 동기 정보를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 방법을 제공한다.

여기서, 상기 (a) 단계는, 제 1 수신기가 상기 제 1 신호를 생성하는 단계; 제 2 수신기가 상기 제 2 신호를 생성하는 단계; 및 선택기가 상기 제 1 신호 또는 상기 제 2 신호를 선택하여 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 방법을 제공한다.

또한, 상기 (c) 단계는, (c-1) 차분 비교기가 상기 마스터 클럭 정보와 자체 발진 클럭 신호를 비교하여 차분값을 추출하는 단계; (c-2) PID 제어기가 PID(Proportional-Integral-Differential controller) 제어 방식을 이용하여 상기 차분값으로부터 제어값을 산출하는 단계; 및 (c-3) 동기 정보 생성기가 상기 제어값에 따라 상기 마스터 클럭 정보와 연계하여 상기 시각 동기 정보를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (c-3) 단계는, 수치-전압값 변환부가 상기 제어값을 제어 전압값으로 변환하는 단계; 및 전압 제어 발진부가 상기 제어 전압값에 따라 전압값 제어를 통해 목표(Target)로 하는 상기 시각 동기 정보를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (b) 단계는, 상기 자체 발진 유닛이 상기 마스터 클럭 생성기로부터 미리 설정되는 일정 시간 동안 상기 마스터 클럭 정보가 지속적으로 입력되지 않으면 상기 신호 차단 상태로 인식하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 스터 클럭과 동기 가능한 알고리즘 및 장치를 이용하여 마스터 클럭과의 시각 동기화 수준을 최적화하여 신호 샘플링 동작 등을 운용가능하게 하는 고정밀 시각 동기 클럭기능이 구현될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 시스템에서 마스터 클럭으로부터의 일시적인 동기신호의 손실시에도 마스터 클럭과 연동된 고정밀 고안정 시각동기 상태 유지가 가능하다는 점을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 고정밀 시각동기의 구현 방법은 TOF(Time of Flight) 차분 비교기 및 수치제어 방식 발진기(NCO, Numerically Controlled Oscillator) 등의 장치를 이용하며 장치내 발진기와 마스터 클럭의 동기신호 차분을 제어 및 조정하여 고정밀 전압제어 클럭신호를 제공하는 알고리즘을 적용하여 고신뢰 시스템의 운용을 가능하게 하는 것을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 1588 PTP(Precision Time Protocol)를 이용한 패킷 전송방식의 시각동기화 측면에 있어서도 최대 15개 노드(750ns) 정도로 제약을 받는 시스템에 대하여 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 알고리즘을 적용하게 되면 20~30개 이상의 노드 구성이 가능하다는 점을 들 수 있다.

도 1은 일반적인 기존 설비의 시각 동기화 운용 메커니즘 및 동작 원리를 보여주는 흐름도이다.
도 2는 일반적인 기준신호 차단시 자체 발진기에 의한 자체클럭 이용 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기준신호 차단시, 상실전 마스터 클럭을 이용한 고정밀 클럭 생성을 위한 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 장치의 블럭 구성 개념도이다.
도 4는 도 3에 도시된 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 장치의 세부 구성 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전력 계통 보호 제어 감시 자동화 시스템에서 설비간 시각 동기화 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고정밀 시각 동기 클럭 생성 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 시각 동기화를 통한 전력 계통 보호 제어 감시 자동화 시스템의 개념도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

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. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기준신호 차단시, 상실전 마스터 클럭을 이용한 고정밀 클럭 생성을 위한 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 장치(300)의 블럭 구성 개념도이다. 도 3을 참조하면, 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 장치(300)는, 마스터 클럭을 생성하는 마스터 클럭 생성기(310), 마스터 클럭 생성기(310)와 신호 차단 상태에서도 상기 마스터 클럭과 연계하여 시각 동기 정보를 생성하는 자체 발진 유닛(321) 등을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

마스터 클럭 생성기(310)는 마스터 클럭을 생성하여 개별 장치(320)에 전송하는 기능을 수행한다. 마스터 클럭은 일정 주기별로 개별 장치(320)에 전송된다. 개별 장치(320)는 IDE(Intelligent Electronic Device), MU(Merging Unit) 등이 될 수 있다.

IDE는 디지털 보호 계전기, 지능형 전자장치로서, 일반적으로 송배전 선로와 발전기, 부하 전압 및 전류 등의 아날로그 신호를 입력받아 신호 처리 과정을 통해 전력계통의 사고발생 여부를 감지한다. 또한, 단락, 지락 및 개방 등의 사고 발생 시에는 해당 고장선로를 건전 선로로부터 신속하게 분리시켜 피해를 최소범위로 한정하는 전력계통 보호장치이다.

또한, 사고발생에 의한 계전요소 동작, 입출력 접점의 상태변화, 각종 기기설정 변경 등의 이벤트 발생정보를 발생시각 정보와 함께 저장함으로써 고장분석 및 기기조작 내역에 대한 조회를 용이하게 하는 기능을 제공한다.

MU는 현장의 아날로그 입력 신호를 샘플링하여 IEC 61850 표준에 따라 디지털값으로 변환하여 전송하는 아날로그-디지털(Analog to Digital) 신호변환 및 전송장치이다.

마스터 클럭 생성기(310)와 자체 발진 유닛(321)은 신호선(미도시)으로 연결된다. 아날로그 신호(전류, 전압, 위상 등)는 개별 장치(320) 내부에서 디지털 신호로 변환하여 출력하는 형태를 갖는다. 개별 장치(320)가 MU로부터 수신한 샘플값(SV: Sampled Value), 상태신호 값 등의 취득 신호(또는 계측 신호)는 IED간 정보 공유를 하게 되며, IED는 상위 운영장치(Station Control)와 GW(Gate Way) 등으로 리포트, 상태값 등을 전송하게 된다.

도 3을 계속 참조하면, 머징유닛(MU)은 현장의 신호원에서 디지털값으로 변환하고 SV 데이터를 추출 및 출력하게 되며, 서로 다른 지점에 설치된 MU들은 마스터 클럭(Master clock, 주시각원)과의 시각동기가 필수적이다.

시각동기가 정상적인 범위를 만족하지 못할 경우, 동일 선로에서 측정한 전압 데이터와 전류 데이터의 위상이 각 MU 내에서 처리될 때 아날로그 신호의 디지털 변환시 샘플링 시각 불일치로 인해 오차가 발생하게 되며, 이는 변전소 자동화 설비의 오동작을 유발하게 된다.

부연하면, 이러한 오차를 방지하기 위해 자체 발진 유닛(321)에서 생성되는 마스터 클럭 연계형 클럭 신호와 취득 신호간 동기화(323)가 수행된다. 물론, 이를 위해 마스터 클럭 생성기(310)와 자체 발진 유닛(321)간 하나의 기준 시각에 맞추는 시각 동기화가 수행된다.

그런데, 개별 장치(320)내에 구성되는 자체 발진 유닛(321)과 마스터 클럭 생성기(310)간 신호 차단이 발생할 수 있다. 이 경우, 자체 발진 유닛(321)은 마스터 클럭 생성기(310)로부터 신호 차단전에 받은 마스터 클럭 정보(즉 기준신호)를 이용하여 마스터 클럭 연계형 클럭 신호를 생성하는 알고리즘을 구비하게 된다.

부연하면, 자체 발진 유닛(321)에 구현되는 알고리즘에 의해, 마스터 클럭 생성기(310)로부터 전송되는 기준신호를 상실하기 이전에 장시간의 신호를 사전에 취득, 축적하여 마스터 클럭 정보가 갖는 정확도와 정밀도 수준에 대한 패턴을 자체 발진기내에서 사전에 학습, 분석, 및 제어하여 시각 동기 신호를 생성 및 구현한다. 즉, 마스터 클럭 정보와 연계된 고정밀 시각동기 클럭을 제공한다.

도 4는 도 3에 도시된 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 장치(300)의 세부 구성 블럭도이다. 도 4를 참조하면, 마스터 클럭 생성기(310)는 GPS 정보를 수신하여 PPS(Pulse Per Second) 신호인 제 1 신호를 생성하는 제 1 수신기(411), PTP 정보를 수신하여 1588 PPS 신호인 제 2 신호를 생성하는 제 2 수신기(412), 및 제 1 신호 또는 제 2 신호를 선택하여 출력하는 선택기(413) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

제 1 및 제 2 수신기(411,412)는 통신 모뎀, 전자 회로 소자 등이 구성될 수 있다. 특히, 제 2 수신기(412)는 랜카드(Local Area Network card)를 포함할 수 있다.

선택기(413)는 멀티플렉서, 마이크로프로세서, 스위칭 회로, 메모리 등이 구성될 수 있다. 메모리는 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(Secure Digital) 또는 XD(eXtreme Digital) 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), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.

전압, 전류 등의 샘플링 값은 정확한 보호제어 및 감시 기능 수행을 위해 시각 또는 위상정보를 정확히 일치시켜야 하며 이를 위해 마스터 클럭 생성기(310)를 통해 시스템 내 필요로 하는 모든 장치들을 시각 동기화하여 운영하게 되며, 이때 일반적으로 사용되는 클럭신호가 PPS(Pulse Per Second) 신호이다.

한편, 최근에는 이더넷 기반의 IEC 61850 표준에 따라 프로세스 버스(Process bus)를 이용하여 현장의 신호원에서 직접 디지털 변환을 하여 디지털 데이이터를 전송하는 형태로 전환되고 있다. 이때에 현장의 MU 또는 광 CT(Current Transformer)/PT(Potential Transformer) 등을 통해 IEC61850-9-2(Sampled Value, SV)표준을 기준으로 IED에서 디지털 데이터를 전달하는 방식으로 운용되는데, 시각동기 신호는 디지털화 패킷형태를 갖는 PTP(Precision Time Protocol) 신호를 이용한다.

또한, 글로벌 디지털 변전소에 확대 적용되고 있는 IEEE 1588 PTP 신호는 변전소내의 이더넷 네트워크를 통해 기준(Reference) 시간정보를 배분하기 위한 시각동기화 방법으로 네트워크 시스템에서 효과적으로 활용 가능한 안전한 방식으로 대두되고 있다.

한편, 시각동기 정밀도가 미흡한 부분을 보완하기 위해 IEC 61588 및 IEEE에서는 MU의 시각동기 신호의 처리를 위해 IEEE1588-PTP 기반의 시각동기화 방식으로 마스터 클럭과 시각 동기화 수행을 하도록 하고 있다.

PTP 적용 시각 동기화 기술 적용간 특성을 비교하면 다음표와 같다.

	PTP	NTP(network time protocol)	IRIG(Inter-range instrumentation group)-B
정밀도	1microsecond	1millisecond	1microsecond
시각 동기 운영 구조	마스터-슬레이브	서버-클라이언트	마스터-슬레이브
하드웨어 지원 필요 유무	필요	불필요	필요
시각 동기 네트워크 구성	LAN	WAN(Wide Area Network)	전용 케이블

IEEE PTP 등 신규 국제표준의 가이드에도 불구하고 MU, 스위치, IED 등의 기기 단일 링내에서 접속되는 시스템에서 IEEE PTP 및 TC(Transparent Clock)를 활용할 때는 효과적인 보호 제어 자동화 시스템의 구현을 위해 기기의 수량 확대가 불가피하다. 이로 인해 시각동기 오차가 확대되어 다수 기기의 접속 또는 네트워크시스템의 구성에 제약요소로 작용하게 된다.또한, IEEE 1588 PTP 및 TC를 활용한 노드의 구성은 장치 내부의 정밀도 오차 최대 한도(1μs)를 충족시키기 위한 방안으로 여유분을 고려하여 750ns 정도를 한도로 규정하고 있어, 네트워크 내 직렬구성 노드(장치)는 대략 최대 15개로 한정된다. 이는 곧 효과적인 네트워크 시스템의 설계와 구성을 위한 제약요소로 작용한다.

기준신호의 상실로 인한 시각동기 정밀도 저하 문제는 PPS와 PTP 신호가 모두 동일한 환경이지만, 기준신호로 제공되는 PPS와 PTP 신호의 신호지연 문제 등 일부 다른 특성을 고려하여 마스터 클럭 정보와 연계하여 시각 동기 정보를 생성한다.

PPS 및 IEEE 1588 PTP 클럭의 신호지연 특성 및 특징을 보면 다음과 같다.

구분 신호	신호 지연 문제			비 고
	케이블(와이어링 또는 광학)	처리 장치	보정 난이도
PPS	소요시간 일관적(규칙적)	불규칙	용이
IEEE1588 PTP	소요시간 불규칙(불안정) - 이더넷 통신망 활용 - 지터 발생-광 브리지등	SV 신호: 데이터 게더링 -자체 발진기 홀드 오버(Hold over)	어려움	T/C 활용

도 4를 계속 참조하면, 자체 발진 유닛(321)은, 기준 동기 신호인 마스터 클럭 정보와 자체 발진 클럭 신호를 비교하여 차분값을 추출하는 차분 비교기(420), PID 제어 방식을 이용하여 차분값으로부터 제어값을 산출하는 PID(Proportional-Integral-Differential controller) 제어기(430), 제어값에 따라 마스터 클럭 정보와 연계하여 시각 동기 정보를 생성하는 동기 정보 생성기(440) 등을 포함하여 구성될 수 있다.차분 비교기(420)는 TOF(Time Of Flight) 차분 비교기가 될 수 있다. 즉, TOF(Time Of Flight) 차분을 비교하여 자체 발진 유닛(321)이 마스터 클럭 정보와 시각 동기 수준을 최적화한다.

부연하면, 자체 발전 유닛(321)은　내부 오실레이터로 특정 주파수로(예, 1MHz)로 발진한다. 따라서, 마스터 클럭 정보로부터의 기준클럭과 비교하여 발생 오차를 최소화 하기위해　 PID 제어기(430), 수치제어 발진기인 동기 정보 생성기(440)등을 이용한다. 또한,　소프트웨어 방법으로 발진 주파수의 간격을 조정함으로써 자체 발진 오실레이터의 발진주기를 조정하여 자체 발진기 클럭과 기준 클럭간의 정밀도는　nsec 수준으로 조정(안정화)될 수 있다.

동기 정보 생성기(440)는 PID 제어기(430)에 의해 생성된 제어값을 제어 전압값으로 변환하는 수치-전압값 변환부(441), 제어 전압값에 따라 동기 클럭을 생성하는 전압 제어 발진부(442)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

부연하면, 수치-전압값 변환부(441)는 룩업 테이블 형태로 제어값과 제어 전압값이 매칭되며, 제어값을 제어 전압값으로 변환한다. 물론, 수학식을 이용하여 변환하는 것도 가능하다. 전압 제어 발진부(442)는 수치제어 방식을 이용하여 제어 전압값에 대한 발진 주파수를 생성한다. 이를 위해, 오실레이터(NCO), 전자 회로 소자등이 구성된다. 주파수와 클럭은 반비례 관계에 있다. 따라서, 주파수가 산출되면, 클럭이 산출될 수 있다.

수치-전압값 변환부(441)는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 소프트웨어 및/또는 하드웨어로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 마이크로프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 구현에 있어, 소프트웨어 구성 컴포넌트(요소), 객체 지향 소프트웨어 구성 컴포넌트, 클래스 구성 컴포넌트 및 작업 구성 컴포넌트, 프로세스, 기능, 속성, 절차, 서브 루틴, 프로그램 코드의 세그먼트, 드라이버, 펌웨어, 마이크로 코드, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조, 테이블, 배열 및 변수를 포함할 수 있다. 소프트웨어, 데이터 등은 메모리에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전력 계통 보호 제어 감시 자동화 시스템에서 설비간 시각 동기화 개념도이다. 도 5를 참조하면, 시간 서버(520)에 마스터 클럭 생성기(520)가 구성된다. 따라서, 마스터 클럭 생성기(520)는 GPS 위성(510)으로부터 GPS 정보를 GPS 수신기(411)를 통해 수신하면, 이 GPS 정보를 이용하여 시각 정보인 마스터 클럭 정보를 다른 설비에 설치된 개별 장치(320)에 해당하는 제 1 내지 제 n 클라이언트(530-1 내지 530-n)에 전송한다. 물론, 제 1 내지 제 n 클라이언트(530-1 내지 530-n)에는 자체 발진 유닛(321)이 설치된다.

또한, 제 1 내지 제 n 클라이언트(530-1 내지 530-n)는 서로 각자에게도 기준 클럭을 제공할 수 있다. 예를 들면, 시간 서버(520)와의 통신 연결 장애가 발생하면, 제 1 클라이언트(530-1)가 제 2 클라이언트(530-2)에 기준 클럭을 제공하는 것을 들 수 있다.

또한, IEC 61850 이더넷 통신망을 이용한 패킷화 시각동기 신호(IEEE 1588 PTP) 전송방식의 활용 측면에 있어서도 마스터 클럭 연계형 클럭제어 및 송부 알고리즘을 적용함으로써 20~30개 이상의 노드(서버, 클라이언트 등을 의미한다)를 구성하여 대규모 전력설비에 대해서도 효과적인 네트워크 시스템이 가능하다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 고정밀 시각 동기 클럭 생성 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 6을 참조하면, 마스터 클럭 생성기(310)에서 마스터 클럭 정보(즉, 마스터 시각 동기 신호)를 생성하여 주기적으로 전송하면, 자체 발진 유닛(321)은 이러한 입력 신호가 지속적으로 제공되는지를 판단한다(단계 S601,S602). 부연하면, 기준신호인 마스터 클럭 정보가 마스터 클럭 생성기(310)와 자체 발진 유닛(321)간 신호선을 통해 마스터 클럭 생성기(310)로부터 자체 발진 유닛(321)으로 전송되는 동안, 갑작스러운 통신 장애로 인해 신호가 차단되는지를 판단한다. 통신 장애는 기준 신호를 상실할 경우이거나, 설비를 구성하는 네트워크 시스템이 복잡한 구조일 때 발생한다.

단계 S602에서, 입력 신호가 지속적으로 제공되는 것으로 판단되면, 자체 발진 유닛(321)은 기존 알고리즘을 수행하여 시각 동기 신호를 개별 장치(320)에 제공한다(단계 S603,S641,S691). 즉, 시각 동기 신호는 마스터 클럭 정보와의 동기를 맞추기 위한 샘플링(sampling) 클럭 신호가 된다.

한편, 단계 S602에서, 입력 신호가 차단되어 지속되지 않은 것으로 판단되면, 자체 발진 유닛(321)은 마스터 클럭 정보과 자체 발진 클럭 신호를 비교한다(단계 S610).

이후, 자체 발진 유닛(321)은 비교 결과에 따라 마스터 클럭 정보와 자체 발진 클럭 신호간 차분값을 추출한다(단계 S620). 추출된 기준 신호 및 동기되기 이전의 자체 발진 클럭 신호간의 차분값이 미리 설정된 기준값보다 크거나 작은 경우, 기준신호를 상실하기 직전의 일정기간 동안의 안정적인 제어값(Control Value)의 평균값과 유효값을 계산하여 조정된 제어값을 산출한다(단계 S630,S640,S650,S651). 부연하면, 차분값이 미리 설정된 기준값1보다 작으면, 미리 설정된 기준값2보다 작은지를 판단한다.

평균값의　 산출은 자체 발진기를 내장한 개별 장치(320)로 들어오는 기준클럭의 평균값을 이용하는 것으로 기준신호가 상실될 경우, 시각동기를 잃기 직전의 기준클럭신호로부터 출력되는 신호의 주파수(주기) 평균값을　지속적으로 산출(계산)한다. 즉, 자체 발진 유닛(321)의 주파수가 아니다. 이 산출값은 지속적으로 안전하게 유지(hold)되며, 따라서, 시각 동기가 상실된 기간동안에도 산출 평균값과 연동된 자체 발진 유닛(321)을 이용하여　동기화된 신호를 지속적으로 개별 장치의 샘플링부(미도시)에 전달한다. 평균값과 유효값은 동시에 산출되는 값으로 유효값에 대한 표현은 생략이 가능하다. 즉, 평균값만을 이용할 수도 있다. 또한, 주파수와 위상값 역시 동시에 산출되는 연계값으로서 위상값 표현을 생략이 가능하다.

단계 S640에서, 차분값이 미리 설정된 기준값2보다 크면, 자체 발진 유닛(321)은 이미 기존 알고리즘에 따른 시각 동기 신호를 개별 장치(320)에 제공한다(단계 S603,S641,S691). 즉, 이전 마스터 클럭 정보와 동일한 시각 동기 신호를 개별 장치(320)에 제공한다. 부연하면, 차분값이 미리 설정되는 기준 범위(예를 들면, 10 ~ 15)에 있으면 제어값을 조정할 필요없이 이미 기존 알고리즘에 따른 시각 동기 신호를 이용하여, 기준 범위를 벗어나는 경우, 제어값을 조정한다.

한편, 조정된 제어값이 산출되면, 자체 발진 유닛(321)은 조정된 제어값을 제어 전압값으로 변환하여 출력하고, 제어 전압값에 따라 전압값 제어를 통해 목표(Target)로 하는 시각 동기 정보를 생성한다(단계 S670,S680,S690,S692.S691).

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 시각 동기화를 통한 전력 계통 보호 감시 자동화 시스템의 개념도이다. 도 7을 참조하면, 제 1 송전탑(711)과 제 2 송전탑(712) 사이에 배치되는 전력선(LineA 내지 LineC)에 흐르는 전류를 감지하는 제 1 전류 측정기(721) 및 제 2 전류 측정기(722)가 제 1 내지 제 n 클라이언트(530-1 내지 530-N)에 연결된다. 제 1 내지 제 n 클라이언트(530-1 내지 530-N)는 제 1 전류 측정기(721) 및 제 2 전류 측정기(722)로부터 생성된 측정 데이터에 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호를 적용하여 측정 시간 정보를 포함시켜 관리 서버(미도시)에 전송한다.

부연하면, 개별 장치(도 1의 130)는 현장의 신호원에서 디지털값으로 변환하고 SV 데이터를 추출 및 출력하게 되며, 서로 다른 지점에 설치된 개별 장치들은 마스터 클럭(Master clock, 주시각원)과의 시각동기가 필수적이다.

따라서, 시각동기가 정상적인 범위를 만족하지 못할 경우, 동일 선로에서 측정한 측정 데이터인 전압 데이터와 전류 데이터의 위상이 각 개별 장치(130) 내에서 처리될 때 아날로그 신호의 디지털 변환시 샘플링 시각 불일치로 인해 오차가 발생하게 되며, 이는 변전소 자동화 설비의 오동작을 유발하게 된다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 이러한 시각 불일치를 제거하기 위해 마스터 클럭 정보가 차단된 후, 이러한 마스터 클럭 정보와 연계하여 시각 동기 신호를 생성함으로써, 지속저거인 시각 동기화가 가능하다.

또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.

상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.

여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

300: 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 장치
310: 마스터 클럭 생성기 310: 개별 장치
321: 자체 발진 유닛 322: 마스터 클럭 연계 시각 동기 생성 알고리즘
411: 제 1 수신기 412: 제 2 수신기
413: 선택기
420: 차분 비교기
430: PID(Proportional-Integral-Differential controller) 제어기
440: 동기 정보 생성기
441: 수치-전압값 변환부
442: 전압 제어 발진부
510: GPS(Global Positioning System) 위성
520: 시간 서버
530-1 내지 530-n: 제 1 내지 제 n 클라이언트

Claims (1)

1. (a) 마스터 클럭 생성기(310)가 마스터 클럭 정보를 생성하는 단계;
   (b) 자체 발진 유닛(321)이 상기 마스터 클럭 생성기(310)와의 신호 차단 상태를 확인하는 단계; 및
   (c) 확인 결과, 상기 신호 차단 상태이면, 상기 자체 발진 유닛(321)이 상기 신호 차단 상태 이전에 전달되는 상기 마스터 클럭 정보와 연계하여 시각 동기 정보를 생성하는 단계;를 포함하며,
   상기 (b) 단계는,
   상기 자체 발진 유닛(321)이 상기 마스터 클럭 생성기(310)로부터 미리 설정되는 일정 시간 동안 상기 마스터 클럭 정보가 지속적으로 입력되지 않으면 상기 신호 차단 상태로 인식하는 단계;를 포함하며,
   상기 시각 동기 정보는 상기 신호 차단 상태에서 상기 신호 차단 상태 이전 직전의 일정 시간 동안의 상기 마스터 클럭 정보에 대한 평균값을 이용하여 산출되며,
   상기 시각 동기 정보는 상기 자체 발진 유닛(321) 자체내에서 사전에 학습 및 분석을 통해 생성되는 패턴을 이용하여 생성되고,
   상기 마스터 클럭 정보와 연계하여 동기 정보 생성기(440)가 상기 시각 동기 정보를 생성하는 단계;를 포함하며,
   상기 (c) 단계는,
   차분 비교기(420)가 상기 마스터 클럭 정보와 자체 발진 클럭 신호를 비교하여 차분값을 추출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계 시각 동기 신호 생성 방법.

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