KR20100061431A - 전류파형 유사도 측정에 의한 변류비 오차 측정장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 사용량 계량을 위해 실제 부하 전류를 계량장치에 적합한 전류로 변환하는 계기용 변성기(MOF)의 변류비 오차를 측정할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것으로, 별도의 외부 신호 주입 없이 변류기의 1차 권선측과 2차 권선측에 흐르는 부하전류를 시간대비 전류값(파형) 정보를 저장하고 서로 통신하여 이를 공유한 후 상대방의 시간대비 전류 크기값이 동일한 파형 정보를 가졌는지 유사도를 산출하여 동일 위상을 찾은 후에 변류비 오차를 정확하게 측정하는 수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

전류파형 유사도 측정에 의한 변류비 오차 측정장치 및 방법{Ratio error test system and method for metering current transformer measuring current waveform similarity}

본 발명은 전기 사용량 측정용 계기용 변성기의 변류비 비오차를 정밀하게 측정하기 위해 1차 권선과 2차 권선에 흐르는 동일위상의 전류를 파악하고 동시에 1차와 2차간 공칭 권선비 오차율을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 별도의 신호 주입 없이 1차 권선과 2차 권선에 흐르는 전류 파형 정보, 즉 시간대비 연속 전류 크기들의 값,를 무선으로 전송하여 서로 간의 유사도를 비교하는 것을 특징으로 하는 전류파형 유사도 측정에 의한 변류비 오차 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

전기 사업자는 전기 사용자에게 전력을 공급하고 그 사용량에 따라 과금을 하여 수입을 올리는 구조이다. 계량 오차에 의한 손실을 줄이기 위해 정기적으로, 보통 2년마다, 계량기와 병렬로 정밀급 오차 시험기를 설치하고 계기용 변성기 (MOF)로부터 출력되는 전압 및 전류원을 게량기와 동시에 측정하고 이 값을 상호 비교하여 계량기의 오차 여부를 시험한다. 이때 계량기와 정밀급 오차 시험기 간의 측정값 차가 일정 값 이상이면 불량으로 판정하여 교체하거나 이를 보정한다. 이와 같이 전기사업자 소유의 계량기는 오차 시험 및 교체 또는 보정을 쉽게 할 수 있는 반면, 고압에 연결되어 계량기가 측정할 수 있도록 정격 전압 및 전류로 변환하는 계기용 변성기(MOF)는 고전압에 충전되어 쉽게 접근할 수 없으며, 고전압 인가되어 있어 절연유지 때문에 계량기와 멀리 떨어져 있고, 소유권이 전기사업자가 아닌 전기 사용자인 건물주에게 있어 쉽게 시험하고 이를 교체하거나 보정할 수 없는 구조이다.

이에 따라 계량기 오차 보정만으로 과금 오차를 줄일 수 없어 계기용 변성기 (MOF)의 변류비 오차를 활선 상태에서 간편하게 측정할 수 있는 장치가 필요하게 된다.

[도 7]은 일반적인 고압 수전설비의 구성도이다. 전기사업자로부터 지중 (301) 또는 가공(302)으로 지중케이블(303) 또는 가공전선(305)를 통해 전기 수전점에 공급된다. 이후에는 Line Switch(306)와 COS(307)을 거쳐 계량기(314)에 전압 및 전류를 공급하는 계기용 변성기(MOF,308)를 거쳐 차단기(309) 및 변압기(313)에서 저압으로 변압되어 고객에게 공급된다.

즉 계기용 변성기(MOF)의 설치장소가 계량점이 되어 계량기(314)가 전력사용량을 계측할 수 있도록 정격 전압 및 전류로 변환하여 공급하는 것이다.

그러나 변성기에서 출력되는 전압은 전력 사용량과 무관하게 [도 2]와 같이 일정하게 정현파를 유지하고 있지만 전류는 [도 3], [도 4]와 같이 전력 사용량 및 부하 특성에 따라 항상 변하고 있으며 만약 변류기 불량 시 계량 오차의 큰 부분을 차지하게 된다. 여기에 만약 계기용 변성기 이후 부하측 내부 고장으로 큰 고장전류가 MOF를 통과했다면 이 충격으로 인해 변류기의 포화전류 특성이 변하고 포화전류 값이 낮아진다. 즉 부하 전류값이 어느 정도 올라가면 변류기가 포화되어 출력전류 값이 고정되어 더 이상 높은 전류값으로 변환하지 않아 실제 사용량보다 낮게 계량되는 현상이 발생한다. 그래서 전기 사업자는 정기적으로 계기용 변성기의 변류비 오차를 측정하기를 원한다.

[도 8]은 MOF 변류비 오차를 측정하는 것을 간략하여 그림으로 표시한 것이다. 즉 전력회사 공급점(301, 302)으로부터 인입용 케이블(303,305)를 통해 전력을 공급받아 수전용 변전설비 큐비클 내의 계기용 변성기(MOF) 근처의 고압선을 활선 스틱으로 보호된 상태에서 부장치(30)의 전류센서로 감아 1차 고전압측 전류를 측정하고 동시에 저압으로 변환된 2차 회로에 흐르는 전류를 주장치(40)에서 측정하고 이를 변류비로 환산하여 공칭 변류비가 정확한지 여부를 확인한다.

[도 9]는 현장에서 실제로 MOF 비오차를 실제로 측정하는 모습이고, [도 10]은 기존 기술을 사용하여 위상각을 무시한 전류값만을 비교하여 1차와 2차 (변류비 10:5)인 장소에서 측정한 사례이다. 먼저 1차와 2차 전류를 비슷한 개소를 동일 위상으로 간주하고 그 다음에 변류비 오차를 측정한 사례이다.

즉 1차 전류값(171) 2.314A을 측정하고 10:5(2:1) 변류비로 변환된 2차 전류 중에서 B상 전류값 1.164A가 제일 유사하여 이를 서로 일치하는 상으로 간주하고 [PS (PRIMARY S) = SB (SECONDARY B)]간의 정격 변류비 대비 실제 측정값을 계산하여 변류비 오차율 0.605%라고 표시하고 있다.

그러나 기존 기술은 1차와 2차간 동상 확인을 전류 값의 크기로 하고 있어 에러 요인이 상존하고 있다. 일반적으로 전류의 측정방법은 전류의 평균 제곱근 값을 무조건 사인파로 간주하고 이를 평균하여 실효값 또는 유효값을 산출하여 양단간 이를 비교하는데 이는 정현파가 아닌 왜형률을 가진 전류의 파형에서는 오차가 발생할 수 밖에 없고 양단 간 변류비 오차에 의한 미세한 전류 오차를 측정하는데는 한계가 있다.

[도 3]은 3상 전류파형을 오실로스코프로 측정한 값이다. 노랑색 A상과 빨강색 C상은 각 120도 위상차를 가진 각각 다른 회선(케이블)이지만 RMS 전류값을 측정하면 111mV와 113mV로 읽혀 두개가 같은 상으로 상대편에서 오인할 수 있다.

[도 4]는 단상 두개의 다른 회선의 전류파형을 측정한 것이다. 파형으로는 분명히 다른 회선임을 알 수 있으나, RMS값은 510mV로 동일하여 같은 회선이라고 착각할 수 있다.

동일 상을 파악하기 위해서는 기준점인 제로 크로싱점을 정확히 파악할 수 있어야하나 전류파형은 부하량 및 역률에 따라 값 및 위상(시간)이 변해 전압파형과 같이 정확한 기준점(제로크로싱)을 확보할 수 없어 값을 크기 및 시간차를 측정하여 정확히 상을 구분할 수 없다. 이에 따라 부하전류 파형 자체를 분석하여 두 개소간 측정 시작점을 정밀하게 맞출 수 있는 제로크로싱 점과 같은 공통점을 찾을 수 없다는 어려운 점이 있다. 이러한 현상 때문에 같은 전류값을 가진 1차와 2차를 동일상으로 판단하고 비오차를 측정하는 것은 측정오차를 포함할 수 밖에 없고 이러한 측정오차 때문에 현장에서 측정을 하고난 후에 그 결과를 신뢰하지 않는 경우가 많다.

이에, 본 고안은 상술한 바와 같이 계기용 변성기의 1차 전류와 2차 부하전류의 파형 정보를 교환하고 두 개의 파형 간에 유사도를 측정하여 동일 상을 파악한 후에 게기용 변성기의 1차와 2차 변류비 오차율을 정확히 측정하는 방법 및 장치를 제공함에 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 계량기로 입력되는 계기용 변성기의 2차회로 A,B,C상 부하 전류 파형을 측정하는 주장치와 고압 절연 스틱에 설치되어 계기용 변성기 1차 회로의 부하전류 파형을 측정하는 부장치 간 시간 동기를 맞추는 단계; 시간 동기 후 일정 시간 동안 연속하여 시간 대비 전류 크기값 (파형정보)를 저장하고 이를 송수신하는 단계; 수신된 파형 정보를 분석하여 유사도를 측정하여 동일 상 파악과 변류비 오차를 측정하는 단계;를 포함한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 계기용 변성기의 1차와 2차 회로에 흐르는 부하전류 파형의 유사도 측정에 의해 변류기 1차회로와 2차회로 간 일치되는 상을 파악한 후에 변류비 오차율을 정밀하게 측정할 수 있어 활선 상태에서 계기용 변성기의 변류비 오차에 의한 계량 오차를 파악하고 이를 보정할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 대한 간략 블록도
도 2는 전형적인 전압파형
도 3은 3상 전류 파형
도 4는 실효값이 같은 두개의 다른 단상 전류 파형
도 5는 주장치와 부장치의 시간별 동작 순서 설명도
도 6은 전류 파형 유사도 산출 설명도
도 7은 간이 수전설비 구성도
도 8은 본 발명 실시에 의한 변류비 오차 측정 설명도
도 9는 본 발명 실시에 의한 변류비 오차 측정 실례도
도 10은 본 발명 실시 이전의 변류비 오차 측정 결과
도 11은 본 발명 실시에 의한 주장치와 부장치간 위상 일치시 사례도(1)
도 12는 본 발명 실시에 의한 주장치와 부장치간 위상 일치 시 사례도(2)
도 13은 본 발명 실시에 따른 실시간 통신 가능 지역(온라인 모드)에서 주장치와 부장치간 기능 흐름도
도 14는 본 발명 실시에 따른 실시간 통신 불가능 지역(오프라인 모드)에서 주장치와 부장치간 기능 흐름도

이하, 본 발명에 따른 전류파형 유사도 측정에 의한 변류비 오차 측정장치 및 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 전류파형 유사도 측정에 의한 변류비 오차 측정장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

상기 배경 기술에서 언급한 것과 같이 서로 떨어진 두 곳에서 전류 값을 읽어 동일 상 파악과 변류비 오차를 측정할 때 전류 파형에는 두 개소에서 파형의 정보를 이용하여 동시에 측정을 시작할 수 있는 제로크로싱 점과 같은 공통점이 존재하지 않는다는 것이다.

이를 해결하기 위한 방법으로 [도 1]에서 GPS(104) 또는 두 개의 기기를 연결하여 수동으로 동기 신호를 상대방에게 보내는 수동 동기(105) 방법을 사용하여 장치간 시간을 정밀하게 동기할 수 있도록 설계하였다. 수동 동기 방법은 두 기기를 연결하여 부장치에서 주장치로 타임 동기 펄스를 주도록 하였다. 그러나 GPS를 사용하면 굳이 두 기기 간을 연결하지 않고 위성으로부터 동기 신호를 받아 기기 간 시간을 정확하게 동기할 수 있을 것이다. 동기가 되었으면 부장치를 가지고 고압 전력선을 측정할 수 있는 장소로 이동하고, 주장치는 계기용 변성기(MOF)에서 계량기로 연결된 2차 측 3개의 (A,B,C상) 전류입력 케이블에 전류를 측정하는 센서 (110)를 감고 이 신호를 증폭 및 고주파 필터링 (111)한 후에 이를 부호화(112)한다. 중앙처리장치(108)은 부호화된 정보에 Real Time Clock (103)에서 가져온 시간정보를 추가한 후에 이를 메모리(107)에 저장한다.

또한 부장치도 주장치와 동일하게 원격에서 미지의 고압 전력선 한 상의 전류값을 측정하고 시간정보를 추가하여 저장하지만 거리 또는 장애물에 따라 무선 통신이 가능한 경우에는 실시간 통신 가능 지역(온라인 모드)에서는 무선통신 모듈(102)과 안테나(101)를 통해 주기적으로 통신을 하여 주장치에 전송을 하고, 실시간 통신 불가능 지역(오프라인 모드)에서는 통신 기능은 수행하지 않고 측정된 값과 시간정보가 더해진 정보를 메모리에 저장한다. 이 저장된 측정값을 나중에 통신이 가능한 위치로 이동한 후에는 저장된 측정값을 주장치로 전송하여 서로 비교하고 결과를 표시할 수 있도록 한다. 이러한 선택을 위해서는 기능키(109)가 있고 또한 결과를 표시하기 위한 LCD(113)부를 구비한다.

다음은 시간별 동작순서를 설명하면 다음과 같다. [도 5] 120 및 128과 같이 장치의 전원을 켜고 두 장치간 RTC동기(121, 125)를 한 후에 전류값 부호화하고 여기에다 시간정보를 추가하여 저장하고(122,127) 상호간 통신(126,128)을 하여 주장치는 수신된 정보를 비교분석하여 위상을 파악(129)하고, 다시 20초간 측정하여 해당 위상의 1차와 2차간 변류비 오차를 계산하고 이 결과를 표시한다.

다음은 유사도를 산출하기 위한 방법이다. 저장된 두 개의 측정값을 주장치에서 비교할 시에 주장치의 측정 데이터를 [도 6]의 110과 같이 기준점으로 잡고 이를 기준으로 상한 +X%값(111)과 하한 -X%값(112) 내에 존재하는 값(113)과 외부에 존재하는 값(114)의 수를 세어 이를 비율로 계산하는 방식이다.

여기에서 S(%)= 유사도

N1 = 유사도 내부에 속하는 측정점들의 수

N = 전체 측정점의 수로 나타낼 수 있다.

여기에서 유사도의 값은 상한(+X%) 및 하한(-X%) 에러 허용값의 범위에 따라 변화할 수 있으나 이는 현장 시험결과 1~5% 선에서 움직일 수 있으며 전류값에 반비례하여 전류값이 5A 이하이면 X값은 5% 근처에서, 전류값이 100A 이하이면 3% 근처에서, 그 이상은 1%에서 이상적으로 검출할 수 있다.

그래서 측정을 시작하기 전에 전류 측정 범위를 세팅할 때 [도 13]의 603과 같이 측정 변류비와 에러 허용값(X%)을 조절하고 두 장치간 시간 동기(604)를 맞추고 측정을 시작한다

[도 11]은 주장치의 표시 예이다. LCD 중간에는 두개의 파형을 비교할 수 있도록 표시하고, 좌측 상단에는 2차 전류값피시험 전력케이블 전류값(131), 좌측 하단에는 상대방(부장치) 전류값(132)을 표시한다. 우측 상단에 두 개의 파형간 위상차(136)를 표시하고 우측 하단에 유사도(137)를 표시한다. 기능키로는 좌측부터 변류비 및 에러 허용값을 설정하는 키(133), 그 다음은 설정 종료키(138), 1차 다른 상 이동 통보 키(139)가 있다. 기타로는 무선통신을 하는 무선모듈(102), 전원스위치(134), 전류계 입력단자(141)와 시간동기 입력 단자(105)가 있다. LCD에 표시된 내용은 동일 케이블 양단을 180도 위상각을 주어 측정한 예이다. 즉 전류값은 18.34A와 18.91A로 비슷하게 보이지만 위상각이 틀려 유사도는 13.6%로 결국 다른 케이블로 판정한다. 반면 [도 11]은 동일 위상각으로 측정한 경우이다. 전류 측정값(131,132)의 차는 0.56AD의 차가 발생하나 유사도는 정확히 100%를 나타내고 있으며 두 구간의 변류비 오차는 없는 것으로 나타난다.

[도 12]는 약 5A가 흐르는 저전류 전력케이블 회선이지만 동일 상에 대해서는 정확히 유사도 100%를 보이고 있고 전류차값이 0.1A의 차가 발생한 것으로 나타났지만 실제로 유사도를 기준으로 판단시 변류비 오차는 없는 것(유사도 100%)을 알 수 있다.

[도 13]은 온라인 모드(실시간 통신 가능지역)일 경우 동작 흐름도이다. 위에서 설명한 것과 같이 전원을 켜고 초기화(601) 후에 측정범위 및 에러 허용값을 설정(603)하고 두 장치간 동기 후 RTC기동(604) 후 그 다음에 입력된 전류신호 측정을 시작하고(608) 전류신호 표본화된 값에다 시간정보를 더하고(610) 이를 메모리에 저장한다(611) 저장된 데이터가 일정용량 이상이면 측정을 중지(611)하고 부장치로 위상값 측정신호 전송 요청(613)하고 측정데이터를 수신(614)하여 미지의 고압전류 측정 회선과 일치되는 주장치 입력 전류를 파악한다(615)

그 다음에 변류비 오차를 측정하고자 시작통보(627)하고 20초간 (카운트 = 231120) 측정하여 이를 시간대비 파형값으로 저장하고 완료되면 통신을 하여 주장치에서 유사도를 산출하여 비오차율을 계산(631)한다.

그리고 이 결과를 재생하여 파형을 LCD에 표시(618)하고, 계산하여 전류값 표시(620), 유사도 표시(622) 및 위상차를 표시(624)한다. 그 다음에 고압 1차 전류 측정 포인트를 이동하여 다시 반복하여 측정한다(641)

[도 14]는 통신일 불가능할 경우의 동작 흐름도이다.

만약 주장치가 3회 이상 부장치로부터 3회 이상 기간 동안 부장치로부터 측정준비 완료라는 통보를 받지 못하는 경우 오프라인 모드(502)로 설정하고 주장치로 측정값을 전송하지 않고 파일로 보관하고(514,521) 통신 가능지역으로 이동하여(515,522) 비교하고자 하는 파일을 선택하여(523) 상호 비교하여 동일 위상 및 변류비 오차를 측정한다. 이렇게 통신이 안되는 곳에서도 실시간은 아니지만 추후에 이를 비교 분석하여 동일 위상 및 변류비 오차를 시간 및 장소에 구애받지 않고 정확히 파악할 수 있는 장점이 있다.

Claims (8)

1. 별도의 외부 신호 주입 없이 계기용 변성기의 1차와 2차간 동일 위상 파악 후 변류비 오차를 측정하는 장치에 있어서;
   계량기 전류입력 케이블 주위를 감아 자계 에너지를 측정하는 전류센서로부터 검출된 신호를 부호화한 후에 동기된 시간정보를 추가하여 저장하였다가 부장치로부터 전송되어진 동일 시간대의 시간대비 전류(파형)값을 비교분석하여 위상 일치되는 계량기 입력케이블을 파악하고 둘 간의 변류비 오차 값을 측정하는 주장치;
   상기 계량기로부터 이격된 위치에서 미지의 고압 충전된 전력케이블 주위를 감아 자계 에너지를 측정하는 전류센서로부터 검출된 신호를 부호화한 후에 동기된 시간정보를 추가하여 저장하고 이 정보를 주장치로 전송하는 부장치;를 포함하고 구성하는 것을 특징으로 하는 전류파형 유사도 측정에 의한 변류비 오차 측정장치 및 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   주장치 및 부장치는 상호 동일한 시간을 유지하기 위해 시간동기 입력부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 전류파형 유사도 측정에 의한 변류비 오차 측정장치 및 방법.
3. 제 1항에 있어서,
   주장치는 운전상태 및 상호 측정값을 비교 분석한 결과를 나타내는 표시부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 전류파형 유사도 측정에 의한 변류비 오차 측정장치 및 방법.
4. 제 1항에 있어서,
   주장치 및 부장치는 상호 간 측정데이터를 공유하기 위한 통신부를 더 구비되는 것을 특징으로 하는 전류파형 유사도 측정에 의한 변류비 오차 측정장치 및 방법.
5. 외부 신호 주입 없이 계기용 변성기의 1차와 2차간 동일 위상을 파악하기 위해 한곳에서 측정된 시간대비 짧은 부호화된 전류점의 크기를 기준으로 상대방으로부터 수신된 동일 시간대의 시간대비 짧은 부호화된 전류점 전체 중에서 ±X% 내에 위치한 점들의 수를 세어 유사도를 환산하여 회선 파악하는 것을 특징으로 하는 전류파형 유사도 측정에 의한 변류비 오차 측정장치 및 방법.
6. 계기용 변성기의 1차와 2차간 변류비 오차를 측정하기 위해 한곳에서 측정된 시간대비 짧은 부호화된 전류점의 크기를 기준으로 상대방으로부터 수신된 동일 시간대의 시간대비 짧은 부호화된 전류점 전체 중에서 ±X% 내에 위치한 점들의 수를 세어 유사도를 환산하여 손실 여부를 파악하는 것을 특징으로 하는 전류파형 유사도 측정에 의한 변류비 오차 측정장치 및 방법.
7. 외부 신호 주입없이 계기용 변성기 1차와 2차간 실시간 통신 가능 여부와 관계없이 변류비 오차 측정이 가능하도록 실시간 통신 가능지역 (온라인)모드와 실시간 통신 불가능 지역(오프라인) 모드를 보유하는 것을 특징으로 하는 전류파형 유사도 측정에 의한 변류비 오차 측정장치 및 방법.
8. 제 5항, 제 6항 및 7항에 있어서,
   유사도 측정을 시작하기 전에 장치 간 시간 동기를 맞추는 것을 특징으로 하는 전류파형 유사도 측정에 의한 변류비 오차 측정장치 및 방법.

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