KR20040066708A

KR20040066708A - 승법알고리즘을 이용한 신개념 디지털 전력측정기

Info

Publication number: KR20040066708A
Application number: KR1020030004970A
Authority: KR
Inventors: 정재기
Original assignee: 한빛이디에스(주)
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2003-01-24
Publication date: 2004-07-27

Abstract

본 발명은 전력 에너지 측정하는 기능을 담당하는 계측용 디지털 전력 측정방법 및 장치에 관한 것으로 제안하는 방법과 장치를 응용하여, 전력계통의 전압, 전류, 주파수, 위상, 전력 및 전력량을 복합적으로 계측하고 표시하여 계측정보를 기초로 측정값의 이상여부를 판별하고 전력 측정기 내에 저장된 정보를 유선으로 외부에 송신하도록 된 것을 특징으로 한다.

기존의 전력 측정기가 전압과 전류정보를 아날로그 방식으로 처리하여 원하는 전력 값을 아날로그 회로 내에서 계산했던 방법과 달리, 본 발명의 디지털 전력 측정기는 전압과 전류정보를 받아 디지털 계산을 통해 주파수와 위상을 계산하여 전력및 전력량을 계산하는 방식을 착안하였다. 이 방식에 의해서 기존의 전력 측정기가 가지고 있던 아날로그 부분이 필요없게 되고, 내부 회로의 크기를 줄일수 있어 결과적으로 부품의 감소로 전체적인 가격이 낮아지고 정확한 측정 알고리즘을 통해 전체적인 기기의 정밀도를 높일 수 있다.

정확한 전력 계측을 통해서 전력 공급 측에서는 고품질의 전력 공급서비스를 제공하여 수요자의 요구를 충족시킬 수 있고 전력공급 서비스에 대한 신뢰도를 높일 수 있다. 또한 무인변전소등 다른 무인화 전력기기에 설치하여 상시 감시를 통한 원격전력 감시가 가능하다.

Description

승법알고리즘을 이용한 신개념 디지털 전력측정기 {Digital Electric Power Meter Using Multiplication Algorithm}

본 발명은 전력을 측정함에 있어 새로운 알고리즘에 의해서 계산되는 주파수와 위상차에 관한 것으로, 이 새로운 방법에 의해 계산된 전압과 전류 사이의 위상차를 이용하여 전력기기 혹은 전력 수용가, 전력계통의 전압, 전류, 주파수, 위상, 전력, 역률 및 전력량을 복합적으로 계측하고, 계측정보를 기초로 측정값 이상여부를 판별하고, 전력 측정기 내에 저장된 정보를 유선으로 외부에 송신하도록 된 것을 특징으로 한다.

전력계통의 전압, 전류, 주파수, 위상, 전력, 역률 및 전력량을 복합적으로 계측하기 위해서 전력 측정기는 전압의 실효값(V[V]), 전류의 실효값(I[A]), 전압주파수(f[Hz]), 전압과 전류의 위상차([rad])를 측정하고 그 값을 기초로 하여 역률(pf)과 유효전력(P), 무효전력(Q), 피상전력(S), 유효전력량, 무효전력량을 구하게 된다. 따라서 전력측정기에서 정확한 전력값을 나타내기 위해서는 측정값인 전압의 실효값(V[V]), 전류의 실효값(I[A]), 전압 주파수(f[Hz]), 전압과 전류의 위상차([rad])를 정확히 측정하는 것이 가장 중요하다.

하지만 현재 설치되어 있는 대부분의 아날로그 계측기(도 1)의 경우 복합적으로 전압, 전류, 위상, 전력, 전력량, 주파수를 측정하지 않고 개별적으로 기능을 수행하는 측정기를 구비해야한다. 또한 아날로그로 구성된 장치의 경우 주변 온도, 습도 등 환경의 변화에 민감하여 오차가 커질 수 있다.

이와 같은 문제점 때문에 최근의 전력측정기는 여러 측정요소를 하나의 장치로 모두 측정할 수 있게 제작되고 있다. 이러한 단일화 장치로 사용자 측면에서는 장치의 복잡함을 들였고 디지털화를 통하여 아날로그 장치보다 신뢰성 있는 계측을 할 수 있게 되었다.

그에 따라 많은 부분 디지털화를 통해서 회로의 복잡함을 줄였지만 입력부분과 전력측정의 핵심 기술인 위상비교부분에서 아직도 아날로그 회로를 사용하여 측정하기 때문에 아날로그 회로가 갖는 문제인 주변 온도, 습도 등의 환경의 변화에 민감한 문제점을 아직도 가지고 있다. 따라서 전력측정기에서 측정되는 대부분의 계산값에 위상차( ₁)가 사용되므로 전체적인 측정 정밀도는 낮아질 수밖에 없다.

기존의 주파수측정방식(도 9)은 아날로그 회로를 통해서 전압신호(110)의 고조파 성분을 제거한 뒤(91) 내부 회로에서 발생되는 펄스파(92)와 AND연산을 한다. AND연산으로 신호의 양수부분에 해당하는 시간의 펄스(93)만 나타난다. 이 펄스 (93)의 개수를 카운트하여 주파수를 측정한다. 기존의 아날로그형과 디지털형의 전력계측기는 이러한 과정을 전부 하드웨어로 처리하고 있어 가격이 높고 정밀도가 낮다. 여기서 구하는 주파수는 다음과 같다.

여기서 n: AND연산으로 신호의 양수부분에 해당하는 시간의 펄스(93)갯수

기존의 주파수를 구하기 위한 계산방법(도 9)은 크게 2가지의 문제점을 가진다.

첫째, 외부 신호 발생과 아날로그 회로에서의 AND 연산이다. 신호가 발생되는 회로를 본회로 이외에 구비해야 하고 또한 AND연산을 하기 위해서 논리회로 등 추가적으로 아날로그 회로를 구비해야지만 주파수의 측정이 가능해 진다. 따라서 기존의 주파수 측정방식(도 9)으로는 아날로그 회로부분의 부피와 비용에 대한 보완이 이루어지지 못하고 있다.

둘째, 주파수의 오차율 문제이다. 기존의 전력측정방식(도 9)은 아날로그 회로를 통해서 전압신호와 전류신호의 고조파 성분을 제거한 위(91) 내부 회로에서 발생되는 펄스파(92)와 AND연산을 한다. AND연산으로 신호의 양수부분에 해당하는 시간의 펄스(93)만 나타난다. 이 펄스(93)의 개수를 카운트하여 주파수를 측정한다. 이때 펄스시간 속에서 생기는 변화량은 계산되지 못하므로 내부 회로에서 발생되는 펄스파(92) 시간만큼의 오차를 갖게 된다. 이 오차는 세밀한 펄스를 발생시킴으로서 줄일 수 있지만 그만큼의 비용이 늘어나게 되므로 비효율적이다.

기존의 전력측정기의 위상차 측정방식(도 11)은 앞에서 언급한 주파수 측정방식(도 9)에서 연결되는 측정방식으로, 앞서 측정한 전압 신호에 의해서 AND연산되어진 펄스(94)와 전류 신호에 의해서 AND연산되어진 펄스(95)사이의 시간차(△T)를 구하기 위해 펄스가 시작되는 시간을 카운트하여 시간차(△T)를 구한다. 이 시간차는 앞에서 주파수( ₁)를 구하기 위한 시간(T₁)과 계산하여 위상차( ₁)를 구하게 된다. 여기서 구하는 전압과 전류의 위상차는 다음과 같다.

전력측정은 기본적으로 전력측정기가 구하는 전압(V₁)와 전류(I₁), 그리고 측정을 통하여 구해진 주파수( ₁)와 위상차( ₁)를 가지고 유효전력, 무효전력, 피상전력, 역률, 전력량 등을 계산하여 구해진다. 그에 따른 식은 다음과 같다.

아날로그 회로를 통한 위상차( ₁) 계산 알고리즘의 경우에도 측정시 문제점이 존재한다. 기존의 디지털식 전력 측정기의 경우 주기( ₁), 즉 입력 주파수가 변하게 되면 위상차는 변하게 된다. 하지만 일반적으로 전력이 사용되는 기기(20)에서의 피상전력, 유효전력, 무효전력값은 주파수에 의해 흔들리는 값이 아니기 때문에 내부로 들어오는 주파수에 의해 변해서는 안된다.

본 발명은 기존의 전력측정기의 방식과 전혀 다른 방식의 주파수 측정알고리즘(도 10)과 위상측정알고리즘(도 12)을 통해 기존의 아날로그 회로로 측정하는 방식을 소프트웨어로 처리하고 있어 전력측정기의 아날로그 부분을 단순화시킴으로써 전력측정기의 소형화를 통해 비용 절감효과와 제조공정의 단순화를 시킬 수 있다. 또한 입력에 대한 처리를 알고리즘 연산부(33)에서 수행하여 모든 측정과 계산처리를 32 bit의 부동소수점 프로그램으로 처리하여 아날로그부에서 생기는 오차를 최소화시켜서 보다 정확한 값을 얻을 수 있는 것이 본 발명의 목적이다.

도 1은 기존의 아날로그식 전력측정기

기존의 아날로그식 전력측정기는 전력 기기(20)에서 사용되는 무효전력과 유효전력을 측정하는데 쓰여 진다. 아날로그 계측기의 경우 입력 전압, 전류 값을 아날로그 회로에서 비교하기 때문에 전력측정기마다 오차가 매우 심할 수밖에 없다. 또한 외부요인(온도, 습도 등)에 의해서 아날로그 회로 내부 소자 값이 흔들리게 되면 따라서 측정값도 흔들리기 때문에 실제 오차율은 더 커진다.

도 2는 본 발명의 디지털 전력측정기의 연결 도면

본 발명의 디지털 전력측정기(30)는 3상4선식 혹은 3상3선식이 병행되는 전력측정기로서 이외에도 확장하여 1상2선식, 2상3선식 등의 경우에도 적용 가능하다.

도 3은 본 발명의 디지털 전력측정기

본 발명의 디지털 전력측정기(30)는 아날로그 측정 회로부분을 최소화하여 주위환경(온도, 습도등)에 의해 측정값이 흔들리는 것을 최소화 하고 디지털 처리를 극대화하여 보다 정확한 계측이 가능하게 하였다. 그에 따른 구성으로 전압신호와 전류신호를 받는 입력부(34), 디지털 변환을 위한 변환부(35), 내부 전원을 공급하는 전원부(31), 전체 시스템을 제어하고 측정값을 계산하는 알고리즘 연산부 (33)를 구성된다. 알고리즘 연산부(33)에서 측정된 값은 표시부(32)를 통해 표시된다.

도 4는 도 3의 디지털 전력측정기 입력부(34)에 관한 구성도

본 발명의 디지털 전력측정기(30)의 입력부(34)는 전압, 전류 입력을 받기 위한 입력단과 전체 기기를 보호하기 위한 보호회로(40, 44)만으로 구성하여 기존의 전력측정기의 하드웨어 부분을 최소화 하였다.

도 5는 도 3의 디지털 전력측정기 변환부에 관한 구성도

알고리즘 연산부(33)는 입력부(34)에서 전송되는 전압신호(110)와 전류신호 (112)를 이용하여 위상차를 계산할 때 전압신호(110)와 전류신호(112)를 동시에 샘플링 해야 정확히 전압과 전류 사이의 위상차를 계산할 수 있다. 이를 위해 A/D 변환부(50)를 통하여 전류신호(112)와 전압신호(110)를 각각 디지털 신호로 변환한다. 이 역할을 하는 것이 변환부(35)이다. 또한 알고리즘 연산부(33)에서 전력측정기 외부로 송출이 필요한 신호를 아날로그화 시켜 외부에 전달한다.

도 6은 도 3의 디지털 전력측정기 전원부에 관한 구성도

디지털 전력측정기는 외부에서 들어오는 상황에 따라 직류전원과 교류전원이 들어올 수 있기 때문에 입력이 어느 경우든지 간에 전력측정기에 전원공급이 되도록 전원부(31)가 만들어져야 한다. 본 발명의 디지털 전력측정기(30)는 교류전원 (37)이 공급될 경우 변압기(60)와 브릿린지회로(61), 평활회로(62)를 통해서 정전압 전원을 다른 회로부에 제공한다. DC전압(36)은 DC/DC컨버터(63)를 통해서 전압이 일정하게 전력측정기에 제공된다.

도 7은 도 3의 디지털 전력측정기 알고리즘 연산부에 관한 구성도

알고리즘 연산부는 입력부(34)에서 들어온 전압 신호와 전류 신호를 가지고 내부 연산을 통해서 원하는 측정값을 계산하기 위해서 사용된다. 알고리즘 연산부는 우선 본 발명에서 제안하는 주파수 측정알고리즘(도 10)으로 주파수를 계산하고, 그 후 본 발명에서 제안하는 승법 알고리즘(도 12)으로 전압과 전류의 위상차를 계산한 후 이를 이용하여 전력 및 전력량, 역률을 계산한다.

특히 이 부분은 전부 소프트웨어로 구성된다. 여기서 사용되는 cpu는 32 bit 부동소수점 처리가 가능하므로 정확한 계산이 가능한 장점이 있다.

도 8은 도 3의 디지털 전력측정기의 표시부에 관한 구성도

표시부는 본 발명의 디지털 전력측정기(30)에서 측정한 측정값과 내부 프로세서에 의해 계산된 계산값인 전압, 전류, 피상전력, 유효전력, 무효전력, 주파수, 전압과 전류사이의 위상차를 사용자측에게 표시한다.

도 9는 기존의 디지털 전력측정기(도 1)가 주파수를 측정하는 방식에 관한 설명

기존의 주파수 측정방식은 아날로그 회로를 통해서 전압신호와 전류신호의 고조파 성분을 제거한 뒤(91) 내부 회로에서 발생되는 펄스와(92)와 AND연산을 한다. AND연산으로 신호의 양수부분에 해당하는 시간의 펄스(93)만 나타난다. 이 펄스(93)의 개수를 카운트하여 주파수를 측정한다. 그에 대한 설명으로 우선 들어오는 신호에서 원하는 주파수 성분을 제외한 나머지 고조파성분을 제거(91)한다. 이렇게 고조파를 제거하는 이유는 한 주기에서 주파수 계산 시 그 오차로 인해서 주파수가 크게 흔들릴수 있기 때문에 고조파를 없애고 원하는 주파수대역만을 남겨놓게 된다. 필터를 지난 신호(91)와 전력측정기 내부에서 발생되는 펄스(92)를 AND연산하게 되면 필터를 지난 신호의 양수부분에 해당하는 펄스신호(93)만 남게된다. 이 펄스 신호(93)에서 시작하고 끝나는 부분(T₁)을 카운트하면 주파수가 나온다.

도 10은 본 발명의 디지털 전력측정기의 주파수 측정방식에 대한 설명

기존의 주파수 측정방식(도 9)과 달리, 본 발명에서의 전력측정기를 구성하는 프로세서가 외부 신호를 받아들이는 주기인 샘플링 숫자에 의한 계산이외에도 제로 크로스부분(102, 103)을 보완하여 계산 정확도를 높인다. 여기서 제로 크로스부분이라 함은 신호가 크기 '0'를 통과하는 점을 의미한다. 또한 제로크로스 시간 (104, 105)이라 함은 신호의 크기가 '0'일때의 시간을 말한다.

도 10에서의 파형에서 반주기의 시간 T를 정확히 알 수 있다면 이 파형의 주파수[Hz]는로 정확히 계산될 수 있다. 반주기의 시간 T는 도 10에서 제로크로스 시간(105)에서 제로크로스 시간(104)를 빼면 정확한 T를 계산할 수 있다. 그러나 프로세서에서 수행하는 샘플링 시간이 정확히 제로크로스 시간과 일치하지 않으므로 도 10에서 t₂와 t₃값을 정확히 알지 못하면 T값을 계산할 수 없다.

본 발명에서는 문제가 되는 도 10에서의 t₂값과 t₃값을 측정하기 위해 정현파의 성질을 이용하였다. 크기가 "1"인 정현파는 제로크로스 부근(102, 103)에서 미분값이 "1"이 된다. 부분 값이 "1"의 의미는 제로크로스 부근(102, 103)에서의 정현파가 1차함수식으로 표현될 수 있다는 것을 증명하고 있다. 그러므로 제로크로스 부근(102)에서 두 점 A, B의 값은 알고 있으므로 1차 함수식을 이용하여 t₂의 값을 계산할 수 있고, 다른 제로 크로스 부근(103)에서 두 점 C, D의 값을 알고 있으므로 1차식을 이용하여 t₃의 값을 계산할 수 있다. 그에 따른 식은 다음과 같다.

도 11는 기존의 디지털 전력측정기가 위상을 측정하는 방식에 대한 설명

기존의 전력측정기의 위상차 측정방식(도 11)은 앞에서 언급한 주파수 측정방식(도 9)에서 연결되는 측정방식으로, 앞서 측정한 전압 신호에 의해서 AND연산되어진 펄스(94)와 전류 신호에 의해서 AND연산되어진 펄스(95)사이의 시간차(△T)를 구하기 위해 펄스가 시작되는 시간을 카운트하여 시간차(△T)를 구한다. 이 시간차는 앞에서 주파수 ( ₁)를 구하기 위한 시간(T₁)과 계산하여 위상차( ₁)를 구하게된다. 여기서 구하는 전압과 전류의 위상차는 다음과 같다.

기타 다른 계산값은 기본적으로 전력측정기가 구하는 전압(V₁)와 전류(I₁), 그리고 측정을 통하여 구해진 주파수( ₁)와 위상차( ₁)를 가지고 계산하며 구해진다. 그에 따른 식은 다음과 같다.

도 12은 본 발명의 디지털 전력측정기의 위상측정방식인 승법알고리즘 설명도

본 발명의 디지털 전력측정기에서 사용되는 위상 측정 알고리즘은 전압과 전류의 순시치를 곱하여 처리하는 방식의 승법알고리즘을 발명하여 사용하였다. 전압 신호(110)와 전류 신호(112)의 곱으로 이루어진 순시전력(111)은 위상이 일정할 때 직류성분과 교류성분이 합성된 파형이 된다. 따라서 순시전력(111) 성분을 분석하면 그 값으로 유효전력, 피상전력을 알 수 있고 이 값을 이용하여 전압과 전류의 위상차를 계산할 수 있다.

좀더 자세히 식을 살펴보면 다음과 같다.

순시전력의 식과 순시전력의 그래프(111)를 보면 일정한 특징이 나타난다. 전력 기기의 임피던스가 일정할 경우 역률은 일정한 값을 나타내기 때문에 cos의 값은 일정한 수치로 나타나 진다. 따라서 순시전력의 식중 앞의 부분 즉, │E││I│cos는 전압과 전류가 일정한 상태에서는 항상 상수값을 표시한다. 순시전력의 그래프를 분석하면 DC성분(113)인 유효전력(Pa)과 120Hz성분(114)인 피상전력(S)을 가지게 되는데 중첩의 원리에 의해 두 성분을 나누게 되면 식에서의 상수값 즉, │E││I│cos가 그래프에서의 DC성분(113)임을 알 수 있다. 또한 나머지 120Hz성분(114)이 피상전력(S)이기 때문에 위상차()를 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.

구해진 위상차를 가지고 계산값인 유효전력, 무효전력, 역률을 계산할 수 있다.

도 l3는 본 발명의 디지털 전력측정기의 전력 측정 Block Diagram

전력측정기가 전압신호(110)와 전류신호(112)입력에 의해 전력값을 측정, 계산하는 과정을 그린 Block Diagram

＜도면의 주요부분에 대한 부호 설명＞

10. 11. 12. A, B, C상

20. 본 발명의 디지털 전력측정기를 장착하는 전력기기

들어가는 전력선에 따라 단상 혹은 3상의 전력을 사용한다.

21. 22. 23. PT

A, B, C상의 전압신호(110)를 측정할 수 있게 하는 장치

24. 본 발명의 디지털 전력측정기 장착 모습

전압신호(110)를 받기위해 A, B, C상에 PT(21, 22, 23)을 장착하고 전류신호 (112)를 받기 위해 CT(25, 26, 27)를 A, B, C상에 장착한다.

25. 26. 27. CT

A, B, C상의 전류신호(112)를 측정할 수 있게 하는 장치

30. 본 발명의 디지털 전력측정기

본 발명의 디지털 전력측정기(30)는 입력부의 회로를 단순화하여 아날로그회로를 통해서 측정을 하는 기존의 전력측정기(도 1)와 달리 알고리즘 연산부(33)에서 직접 측정값을 계산하기 때문에 아날로그 회로일때 온도등 외부조건에 의해서 오차가 생기는 상황을 최소화 할 수 있다.

31. 전원부

디지털 전력측정기는 외부에서 공급되는 전원에 따라 직류전원과 교류전원이 공급될 수 있기 때문에 입력이 어느 경우라도 본 발명의 장치에 의해 전원공급이 되도록 전원부(31)가 설계되어 있다. 본 발명의 디지털 전력측정기(30)는 교류전원 (37)이 공급될 경우 변압기(60)와 브릿지회로(61), 평활회로(62)를 통해서 정전압전원을 본 발명의 장치에 제공한다. DC전압(36)은 DC/DC컨버터(63)를 통해서 일정 전압으로 본 발명의 장치에 제공된다.

32. 표시부

본 발명의 디지털 전력측정기(30)의 측정값과 디지털 전력측정기의 상태를 표시하는데 쓰인다. 표시부에서 스위치는 사용자가 자신이 원하는 값을 표시부에 나타내는데 사용된다. 그리고 통신포트를 통해서 외부접속이 가능하기 때문에 원격제어등 여러 가지 목적으로 사용된다.

33. 알고리즘 연산부

34. 입력부

전압신호(110)와 전류신호(112)를 PT와 CT를 통해서 받아서 알고리즘 연산부 (33)로 보내주는 역할을 한다. 입력부에서 가장 중요한 역할은 입력으로 들어오는 정보를 정확히 알고리즘 연산부(33)로 보내는 역할이다. 이를 위해서 입력부에서 전류신호(112)는 CT를 통해서 전력 기기(20)에 흐르는 전류를 유도전류로 받아내고 전압신호(110)는 PT를 이용하여 받아들이게 된다. 이때 사용된 PT와 CT는 전압신호 (110)와 전류신호(112)를 정확히 측정하지만 실제 전력 기기(20)에는 영향을 미치지 않는다. PT와 CT로 들어온 전압신호(110)와 전류신호(112)는 각각 보호회로를 통해서 전력기기(20)에 손상이 가지 않은 입력만을 받아들이게 된다.

35. 변환부

알고리즘 연산부(33)는 입력부(34)로부터 전달되는 전압신호(110)와 전류신호(112)를 이용하여 위상차를 계산할 때 전압신호(110)와 전류신호(112)를 동시에 샘플링 해야 정확한 위상정보를 계산할 수 있다. 이를 위해 A/D 변환부(50)를 통하여 전류신호(112)와 전압신호(110)를 각각 디지털 신호로 변환한다. 이 역할을 하는 것이 변환부(35)이다. 또한 알고리즘 연산부(33)에서 전력측정기 외부로 송출이 필요한 신호를 아날로그화 시켜 외부에 전달한다.

40. 보호회로

입력신호에서 서지등 본 발명의 장치에 영향을 줄 수 있는 부분을 막아주는 회로

41. 변압기

전력측정기에서 측정되는 전압신호(110)는 그 값이 매우 크기 때문에 본 발명의 전력측정기(30)에서 그대로 측정할 수 없으므로 알맞은 값으로 줄여준다.

43. CT

A, B, C상의 전류신호(112)를 측정할 수 있게 하는 장치

44. 보호회로

50. A/D 변환부

알고리즘 연산부(33)는 입력부(34)로부터 전달되는 전압신호(110)와 전류신호(112)를 이용하여 위상차를 계산할 때 전압신호(110)와 전류신호(112)를 동시에 샘플링 해야 정확한 위상정보를 계산할 수 있다. 이를 위해 전압신호(110)를 디지털 신호로 변환한다.

51. A/D 변환부

알고리즘 연산부(33)는 입력부(34)로부터 전달되는 전압신호(110)와 전류신호(112)를 이용하여 위상차를 계산할 때 전압신호(110)와 전류신호(112)를 동시에 샘플링해야 정확한 위상정보를 계산할 수 있다. 이를 위해 전류신호(112)를 디지털 신호로 변환한다.

52. D/A 변환부

알고리즘 연산부(33)에서 외부 릴레이를 제어하기 위해 보내는 디지털 신호를 아날로그화 한다.

60. 변압기

교류전원을 사용하기 알맞은 교류전원으로 바꿔준다.

61. 브릿지회로

교류전원을 반파 직류 전원으로 바꿔준다.

62. 평활회로

반파 직류 전원을 본 발명의 장치에서 사용할 수 있는 직류 전원으로 바꿔 준다.

63. DC/DC 컨버터

입력되는 직류전원을 본 발명의 장치에서 요구하는 전압값의 직류전원으로 바꿔준다.

71. 전압측정 알고리즘

A/D변환된 전압신호(110)를 FFT처리하여 얻은 실수부와 허수부를 이용하여 전압의 실효값을 구한다.

72. 주파수측정 알고리즘

기존의 주파수 측정방식(도 9)과 달리, 본 발명에서의 전력측정기를 구성하는 프로세서가 외부 신호를 받아들이는 주기인 샘플링 숫자에 의한 계산이외에도 제로 크로스부분(102, 103)을 보완하여 계산 정확도를 높인다. 여기서 제로 크로스부분이라 함은 신호가 크기 '0'을 통과하는 점을 의미한다. 또한 제로크로스 시간이라 함은 신호의 크기가 '0'일때의 시간을 말한다.

본 발명에서는 문제가 되는 도 10에서의 t₂값과 t₃값을 측정하기 위해 정현파의 성질을 이용하였다. 크기가 "1"인 정현파는 제로크로스 부근(102, 103)에서 미분값이 "1"이 된다. 부분 값이 "1"의 의미는 제로크로스 부근(102, 103)에서의 장현파가 1차함수식으로 표현될 수 있다는 것을 증명하고 있다. 그러므로 제로크로스 부근(102)에서 두 점 A, B의 값은 알고 있으므로 1차 함수식을 이용하여 t₂의 값을 계산할 수 있고, 다른 제로 크로스 부근(103)에서 두 점 C, D의 값을 알고 있으므로 1차식을 이용하여 t₃의 값을 계산할 수 있다. 그에 따른 식은 다음과 같다.

73. 위상측정알고리즘

좀더 자세히 식을 살펴보면 다음과 같다.

74. 전류측정알고리즘

A/D변환된 전류신호(112)를 FFT처리하여 얻은 실수부와 허수부를 이용하여 전류의 실효값을 구한다.

75. 유선 제어 알고리즘

외부 제어를 위한 신호를 만든다.

76. 표시장치 제어

본 발명의 디지털 전력측정기(30)에서 측정한 측정값과 내부 프로세서에 의해 계산된 계산값인 전압, 전류, 피상전력, 유효전력, 무효전력, 주파수, 전압과 전류사이의 위상차를 표시장치에 표시한다.

80. LCD표시창

사용자에게 원하는 측정값을 디스플레이한다.

90. 입력단에 들어오는 고조파가 섞인 파형

전압신호(110)와 전류신호(112)는 사용되는 기기에 따라 고조파가 포함되어 있다.

91. 주파수 대역 필터를 지나서 고조파성분이 사라진 파형

기존의 주파수 측정 방법(도 9)는 고조파가 측정하고자 하는 파형에 포함될 경우 오차가 생길수 있으므로 오차를 줄이기 위해 고조파를 제거하는 아날로그 회로를 구비한다.

92. 주파수 비교를 위해서 외부 회로에서 만든 펄스 신호

기존의 주파수 측정방법(도 9)은 AND 연산을 하기 위해 아날로그회로에 펄스 신호 발생장치를 구비한다.

93. 주파수 대역 필터를 지난 파형과 펄스 신호 발생장치에서 만든 펄스 신호를 AND연산을 하여 만든 신호

펄스가 시작하는 시점에서의 시간과 다시 펄스가 시작하는 부분에서의 펄스를 카운트하여 한 주기의 시간(T₁)을 구할 수 있다.

94. 주파수 대역 필터를 지난 파형과 펄스 신호 발생장치에서 만든 펄스 신호를 AND연산을 하여 만든 신호 중 전압

95. 주파수 대역 필터를 지난 파형과 펄스 신호 발생장치에서 만든 펄스 신호를 AND연산을 하여 만든 신호 중 전류

100. 측정하는 파형이 알고리즘 연산부에서 샘플링 되는 지점

샘플링하는 시점사이의 시간은 내부 프로세서회로에서 발생되는 시간이므로 외부환경의 영향없이 항상 일정하다.

101. 전압신호(110)가 샘플링화된 그래프

주파수 측정 알고리즘(도 10)을 수행하기 위해서는 전압신호(110)가 변환부 (35)에서 디지털화된다.

102. zero-cross지점에서 샘플링 보정구간 구하는 그림

샘플링 시간(st)안에서 zero-cross가 일어나면 주파수 측정알고리즘(도10)은 샘플링 시간내의 오차사이에 두 점은 선형적인 특성을 갖게 되므로 비례식을 이용하여 보정값인 t₂를 계산할 수 있다.

103. zero-cross지점에서 샘플링 보정구간 구하는 그림

샘플링 시간(st)안에서 zero-cross가 일어나면 주파수 측정알고리즘(도10)은 샘플링 시간내의 오차사이에 두 점은 선형적인 특성을 갖게 되므로 비례식을 이용하여 보정값인 t₃를 계산할 수 있다.

104. 105. 제로크로스 시간

신호가 '0'이 될 때의 시간값

106. 107. 108. 109. 신호가 샘플링 될 때의 시간값(알고 있는 값)

110. 입력단을 통해서 들어오는 전압 파형

111. 순시 전력

전압신호(110)와 전류신호(112)의 곱으로 이루어진 그래프

112. 입력단을 통해서 들어오는 전류 파형

113. 순시전력(110)에서 DC성분

순시전력(110) 그래프를 분석하면 두 가지 성분으로 나뉘게 되는데 그중 DC성분으로 유효전력(Pa)을 나타낸다.

114. 순시전력(110)에서 120Hz성분

순시전력(110) 그래프를 분석하면 두 가지 성분으로 나뉘게 되는데 그중 120Hz성분으로 피상전력(S)을 나타낸다.

전력 기기(20)에 설치되는 기존의 아날로그 전력측정기와 기존의 디지털형 전력 측정기가 갖는 문제점을 해결하기 위해서 본 발명에서는 기존의 전력측정기가 하드웨어로 처리하는 부분을 새로운 알고리즘에 의해서 소프트웨어적으로 처리함으로서 아날로그 부분을 최소화하였다. 기존의 계측용 전력측정기가 아날로그 부분에서 행하던 주파수(f)와 위상차()를 구하는 연산을 알고리즘 연산부(33)에서 소프트웨어적으로 처리하여 주파수(f)와 위상차()를 계산하게 된다.

본 발명의 디지털 전력측정기(30)는 전력기기(20)에 흐르는 전압신호(110)와 전류신호(112)를 받기위해 PT와 CT를 각 상에 설치하여 전력기기(20)에는 영향을 미치지 않고 전압 신호(110)와 전류 신호(112)를 얻는다. 얻어진 전압신호(110)와 전류신호(112)는 입력부(34)를 거치면서 회로에 안전한 신호만이 변환부(35)로 전달된다. 변환부(35)에서는 알고리즘 연산부(33)에서 소프트웨어적으로 처리할 수 있도록 전압신호(110)와 전류신호(112)를 디지털화하여 알고리즘 연산부(33)에 보낸다. 알고리즘 연산부(33)에서는 디지털 처리된 전압신호(110)와 전류신호(112)를 이용하여 주파수 측정 알고리즘(도 10)과 위상측정알고리즘(도 12)을 이용하여 주파수와 전압과 전류사이의 위상차를 측정하여 전력과 전력량과 역률을 측정할 수 있다.

본 발명에 따른 디지털 전력측정기(30)에 대한 구성은 5부분으로 나뉘게 된다.

첫째, 본 발명의 장치는 전체 시스템에 전원을 인가하는 전원부(51)를 구비한다.

본 발명의 장치는 외부전원에 의해 동작하기 때문에 유동적으로 외부전원을 받을 필요가 있다. 따라서 220V의 일반적인 전원부뿐만 아니라 정전압 전원을 받을 수 있어서 본 발명의 디지털 전력측정기(30)가 설치되는데 제약이 없어야 한다.

이를 위해서 전원부(31)는 두 입력단자를 두어서 교류를 받을 수 있는 변압기(60)부와 직류를 받는 DC/DC 컨버터(63)를 두었다. 교류를 받을 경우 변압기(60)를 통해 교류를 받아들이면 브릿지 회로(61)를 통해서 전파 교류가 반파 직류성분으로 바뀐다. 이 반파 직류는 평활회로(62)를 거치면서 직류에 근접하도록 되어 실제 시스템에 맞는 직류 전압으로 바뀌어서 사용된다.

둘째, 본 발명 장치는 전력 기기(20)에 흐르는 전압신호(110)와 전류신호 (112)를 받아들이는 입력부(34)를 구비한다.

전력 기기(20)에 연결된 전선에 흐르는 전압신호(110)와 전류신호(112)를 받기 위해서 그 전선에 PT와 CT를 연결하게 된다. 이 PT와 CT를 연결하더라도 실제 전력 기기(20)에 연결된 전선에 영향은 끼치지 않는다. 연결된 PT와 CT를 통해서 각각 전압신호(110)와 전류신호(112)가 들어오면 내부 시스템을 보호하기 위해서 입력부(34)안에 보호회로(40, 44)를 가져서 지정된 범위 밖의 값을 차단시켜서 급준하는 서지 등을 막아준다.

PT를 통해서 들어온 전압신호(110)는 보호회로(40)를 거치면서 본 발명의 디지털 전력측정기(30)가 가지고 있는 전압 범위내의 값만 취하고 변압기(41)를 통해 변성된다. 변압기(41)에서는 알고리즘 연산부(33)에서 측정하는 범위내로 들어가 도록 지정된 비율만큼 전압신호(110)의 크기를 줄여준다. 변압기(41)를 구비하지 않는다면 보호회로(40)를 통과한 전압신호(110)라도 알고리즘 연산부(33)에 너무 높은 전압신호(110)가 인가되어 내부회로에 영향을 줄 수 있다.

CT(43)를 통해서 들어온 전류신호(112)는 보호회로(44)를 거치면서 본 발명의 디지털 전력측정기(30)가 가지고 있는 전류신호(112) 범위내의 값만 취한다.

셋째, 입력부(34)에서 받아들인 전압신호(110)와 전류신호(112)는 알고리즘연산부(33)에서 정보를 처리할 수 있도록 디지털화 하거나 외부 릴레이를 제어하기 위해 아날로그화 시키는 변환부(35)를 구비한다.

알고리즘 연산부(33)는 입력부(34)에서 인가되는 전압신호(110)와 전류신호 (112)를 이용하여 위상차를 계산할 때 전압신호(110)와 전류신호(112)를 동시에 샘플링 해야 정확한 위상정보를 계산할 수 있다. 이를 위해 A/D 변환부(50)를 통하여 전류신호(112)와 전압신호(110)를 각각 디지털 신호로 변환한다. 이 역할을 하는 것이 변환부(35)이다. 또한 알고리즘 연산부(33)에서 전력측정기 외부로 송출이 필요한 신호를 아날로그화 시켜 외부에 전달한다.

넷째, 변환부(35)에서 디지털 변환된 전압신호(110)와 전류신호(112)는 알고리즘 연산부(33)를 구비한다. 측정하고자하는 전압(V), 전류(I), 주파수(f), 전압과 전류사이의 위상차(), 역률(pf), 유효전력(Pa), 무효전력(Q), 피상전력(S)등의 전력측정요소를 연산하는 이러한 연산부는32bit의 부동소수점 처리가 가능한 프로세서로 프로그램화 됨으로서 정밀도가 매우 높다.

본 발명의 디지털 전력측정기는 전압, 전류, 주파수, 전압과 전류사이의 위상차, 유효전력, 무효전력, 피상전력을 사용자에게 표시한다. 전압과 전류의 값은 전압측정 알고리즘과 전류측정 알고리즘을 사용하여 그 값을 측정한다. 전압측정 알고리즘과 전류측정 알고리즘이라함은 A/D변환된 전압신호(110), 전류신호(112)를 FFT처리하여 얻은 실수부와 허수부를 이용하여 전압, 전류의 실효값을 구하게 되는 과정을 말한다.

알고리즘 연산부(33)에서의 프로세싱은 기존의 전력측정기가 아날로그 회로에서 측정 계산하던 방식과 달리 본 발명의 전력측정기(30)는 내부 알고리즘 연산부(33)에서 디지털 프로세스를 통하여 프로그램으로 측정과 계산을 하게 된다. 전압과 전류의 입력을 제외한 모든 처리 과정을 알고리즘 연산부(33)에서 행하기 때문에 외부 환경적 요건에 변화하지 않고 기존의 전력측정기보다 부피가 작아지는 장점을 가지고 있다.

또한 디지털 전력측정기에서 가장 중요시 여기는 정확도면에서 보면 본 발명의 디지털 전력측정기(30)가 사용한 주파수 측정알고리즘(72)과 위상차 측정 알고리즘(73)은 기존의 전력측정기의 정확도보다 몇배의 정확도 증가를 보인다.

기존의 주파수 측정방식(도 9)과 달리, 본 발명에서의 전력측정기를 구성하는 프로세서가 외부 신호를 받아들이는 주기인 샘플링 숫자에 의한 계산이외에도 제로 크로스부분(102, 103)을 보완하여 계산 정확도를 높인다. 여기서 제로 크로스 부분이라 함은 신호가 크기 '0'을 통과하는 점을 의미한다. 또한 제로크로스 시간이라 함은 신호의 크기가 '0'일때의 시간을 알한다.

좀더 자세히 식을 살펴보면 다음과 같다.

순시전력의 식과 순시전력의 그래프(111)를 보면 일정한 특징이 나타난다. 전력 기기의 임피던스가 일정할 경우 역률은 일정한 값을 나타내기 때문에 cos의 값은 일정한 수치로 나타나 진다. 따라서 순시전력의 식중 앞의 부분 즉, │E││I│cos는 전압과 전류가 일정한 상태에서는 항상 상수값을 표시한다. 순시전력의 그래프를 분석하면 DC성분(113)인 유효전력(Pa)과 120Hz성분(114)인 피상전력(S)을 가지게 되는데 중첩의 원리에 의해 두 성분을 나누게 되면 식에서의 상수값 즉, │E││I│cos가 그래프에서의 DC성분(113)임을 알 수 있다. 또한 나머지 120Hz성분(114)이 피상전력(2)이기 때문에 위상차()를 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.

첫째, 기존의 아날로그식 전력측정기(도 1)와 기존의 디지털 전력측정기의 전력측정 방법은 아날로그 회로를 이용하여 주파수와 전압과 전류의 위상차를 구해내는 방식을 사용하였다.

하지만 본 발명의 디지털 전력측정기는 입력부(34)의 아날로그 회로를 최소화(도 3, 도 4)하여 알고리즘 연산부(33)에서 직접 내부 프로세서로 구현되는 프로그램을 이용하여 위상차 및 주파수 등의 전력 측정요소를 계산하기 때문에 가격은 저렴하고 기능은 향상된 전력측정기의 구현이 가능하게 된 장점,

둘째, 기존의 디지털 전력측정기에서 사용되는 주파수측정방식(도 9)은 아날로그 회로를 통해서 전압신호(110)와 전류신호(112)의 고조파 성분을 제거한 뒤 (91) 내부 회로에서 발생되는 펄스파(92)와 AND연산을 하면, 신호의 양수부분에 해당하는 시간의 펄스(93)만 나타나고 이 펄스(93)의 갯수를 카운트하여 주파수를 측정하는 방식을 사용하기 때문에 내부 회로에서 발생되는 펄스파(92)사이의 시간만큼의 오차가 생기게 되었다.

하지만, 본 발명 디지털 전력측정기의 주파수측정 알고리즘(도 10)은 샘플링 개수를 기존과 동일하게 하면서도 오차율을 줄이기 위하여 제로크로스(101)부근에서의 신호는 두 점사이에 선형적인 관계를 유지하는 것을 이용해 두 점사이의 비례식에 의하여 반주기 양사이의 제로크로스(101)의 보정값을 기존에 구한 반주기의 시간에 포함시켜서 보다 정확한 주파수를 계산하는 장점,

셋째, 기존의 전력측정기의 위상차 측정방식(도 11)은 앞의 주파수 측정방식에서 연결되는 측정방식으로, 전압 신호에 의해서 AND연산되어진 펄스(94)와 전류 신호에 의해서 AND연산되어진 펄스(95)사이의 시간차(△T)를 구하기 위해 펄스가 시작되는 시간을 카운트하여 시간차(△T)를 구하여 앞에서 주파수( ₁)를 구하기 위한 시간(T₁)과 계산하여 위상차( ₁)를 구하기 때문에 외부회로가 따로 필요하고 주파수에 의해 위상차가 흔들릴 수 있다.

하지만, 본 발명의 디지털 전력측정기에서 사용되는 위상 측정 알고리즘은 전압과 전류의 순시차를 곱하여 처리하는 방식의 승법알고리즘을 발명하여 사용하였다. 전압 신호(110)와 전류 신호(112)의 곱으로 이루어진 순시전력(111)은 위상이 일정할 때 직류성분과 교류성분이 합성된 파형이 된다. 따라서 순시전력(111) 성분을 분석하면 순시전력(111) 성분을 유효전력(113, P_a)과 페상전력(111, P)으로 나눠 위상(θ= cos^-1(P/P_a))을 계산하는 장점,

Claims

전력측정기에서 측정요소는 전압, 전류, 유효전력, 무효전력, 피상전력, 역율, 전압과 전류사이의 위상차, 주파수, 전력량 9종을 대별되고, 전력공급형태에 따라 크게 단상과 3상으로 구별할 수 있다. 전력에 있어 아날로그형의 계측기(도 1)인 경우에 9종 측정하는 회로를 개별적으로 구성한다. 반면에 디지털 전력계측기인 경우, 전압, 전류, 위상 그리고 주파수를 측정하면 나머지 항목인 유효전력, 무효전력, 피상전력, 역율, 전력량은 프로그램으로 구현되어 계산이 가능해진다.

이때 전압과 전류사이의 위상차를 측정하는 방법으로 종래의 디지털 방식(도 11)은 전압신호와 하드웨어로 만들어진 펄스를 AND 연산(94)한 시작지점과 전류신호와 하드웨어로 만들어진 펄스를 AND연산한 결과(95)의 시작지점을 계산하여 세는 방식(도 11)으로 위상을 측정하고 있다.

기존의 방식과는 달리, 본 발명에서는 전압신호(110)과 전류신호(112)을 A/D로 받아들인 다음 전압신호(110)와 전류신호(112)를 곱하면 직류성분(113)과 전압파형이 갖는 주파수의 2배에 해당하는 교류성분(114)으로 된다. 이때 직류성분 (113)은 유효전력에 해당하고 교류성분(114)은 피상전력에 해당한다. 이 두개의 성분으로 아크 코사인(cos^-1(유효전력/피상전력))을 계산하면 전압전류의 위상차가 계산된다. 그러므로 이를 이용하면 유효전력 및 역율 전력량 등이 계산된다. 상기에서 설명한 바와 같이 전압신호(110)와 전류신호(112)사이의 위상차를 계산함에 있어 외부에서 발생하는 카운터를 사용하지 않고 전압과 전류를 곱한값의 직류분과교류분을 사용하여 소프트웨어적으로 전압과 전류의 위상차를 계산하는 방법 및 이 방법을 사용하는 전력 측정장치
상기 청구항 1에 있어,

주파수를 계산할 때 종래의 디지털 방식(도 9)은 전압신호(91)와 펄스 신호 (92)를 하드웨어로 AND 연산 처리하여 나온 펄스(93)를 세는 방식을 주파수를 측정한다.

기존의 방식과는 달리 본 발명에서는 전압신호(110)를 A/D로 읽어들인 다음 전압파형의 제로크로스시간(105)과 제로크로스 시간(104)사이의 시간차(T)를 계산하고 이 시간차(T)를 두 배한 후 역수를 취하여 전압의 주파수()를 계산하는 방식을 채택하고 있다.

보통 전압파형은 영점부근(102, 103)에서 전압의 크기와 시간 간에 직선적인 관계가 존재한다. 그러므로 이 부근의 두 점을 이용하면 전압파형이 영점인 시간 (104, 105)을 정확히 계산할 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이 주파수를 측정함에 있어 기존의 방식(도 9)인 펄스를 세는 방식이 아니고, 전압신호(110)를 A/D한 다음, 전압의 제로크로스 시간 (104)과 제로크로스시간(105)사이의 시간차를 프로그램으로 계산하는 방식으로 한 주기의 시간(2T)을 계산한 후, 계산된 시간의 역수를 취하여 주파수를 계산하는 방법 및 이 방법을 사용하는 주파수 측정기
상기 청구항 1의 결과로 구해진 전압과 전류의 위상차로 역율, 무효전력, 전력량을 계산하는 방법 및 이 방법을 사용하는 전력측정 장치.