KR20100135509A - 누설 전류 측정 기능을 포함하는 원격 검침용 전력량계 - Google Patents

누설 전류 측정 기능을 포함하는 원격 검침용 전력량계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 누설 전류 측정 기능을 포함하는 원격 검침용 전력량계에 관한 것으로 전력량계 내부에 설치된 영상 변류기를 사용하여 검출되는 누설전류와, 선로 전압의 펄스 시간차를 산출하여 누설전류의 유효성분(저항성 누설전류, Igr)과 무효성분(용량성 누전전류,Igc)을 구분하여 수용가의 전력 사용량과 함께 상위 서버로 전송한다.
본 발명에 의하면 전력량계에서 누설전류의 유효 성분 및 무효 성분을 구분하여 그 데이터를 상위 서버로 전송하여 전기 요금 고지서에 실제 누전 측정값을 통지함으로써 수용가에서 누전 상태를 쉽게 확인하고 스스로 누전을 보완하고 추후 누전전류로 인한 감전사고 및 화재 발생을 감소시킨다.
전력량계, 누설 전류, 원격 검침, 누전전류

Description

누설 전류 측정 기능을 포함하는 원격 검침용 전력량계{Automatic Meter Reading, remote meter reading service electric meter which includes a leakage rheometry function}
본 발명은 수용가에 설치되어 전력 사용량을 검침하는 전력량계 내부에 저항성 누전전류와 용량성 누설전류를 측정하는 기능을 추가하여 전력 사용량과 누전량을 동시에 측정하는 누설 전류 측정 기능을 포함하는 원격 검침용 전력량계에 관한 것이다.
일반적으로 전선의 피복, 전기기기의 절연물이 노후화되거나 손상되어 절연체가 손상되면 그 개소를 통하여 전선로에서 대지로 누전전류가 흘러나가게 된다. 누전전류가 흘러나가는 개소에 인체가 접촉되면 감전사고의 위험이 있고, 과도한 누전전류가 흐르는 개소에는 아크에 의한 과열이 발생되고 주위에 인화성물질로 인하여 발화되어 누전화재의 원인이 되기도 한다. 이와 같이 위험성이 있는 누설전류를 누설전류의 유효성분(저항성 누전전류,Igr)이라 한다.
그리고, 전선의 피복, 전기기기의 절연물이 손상되지 않은 상태에서 전선로와 대지 간 용량성분으로 인하여 전선로에서 대지로 누설전류가 흘러나가게 되는데 이를 누설전류의 무효성분(용량성 누전전류,Igc)이라 한다.
이와 같은 누설전류(용량성 누전전류)에 대한 유효전력의 크기는 전압과 누설전류의 위상 차가 90도가 되므로 '유효전력 = 전압 * 누설전류 * cosθ = 0'의 계산에 의해 유효전력의 크기가 제로가 되므로, 용량성 누설전류로 인하여 감전사고가 발생하거나 누전 화재의 원인이 되지 않는다.
현재 누설전류를 원격 측정하기 위한 방법은 전력량계, 원격검침 시스템 또는 수배전반 내부의 영상변류기를 설치하여 누설전류에 대한 유효성분과 무효성분에 대한 벡터합의 누설 전류를 검출한다. 하지만, 이와 같은 방법은 유효성분과 무효성분이 구분되지 않아서 측정값에 대한 신뢰성이 낮은 단점이 있다.
따라서, 누설전류의 유효성분과 무효성분을 구분하여 계측하고, 유효성분만으로 누전의 위험성을 원격 확인할 뿐만아니라 수용가 부재 또는 수용가 댁내에 출입하지 않아도 누전여부를 측정할 수 있는 방법이 요구된다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 수용가의 전력 사용량을 측정하는 전력량계 내부에 수용가 구내에서 발생하는 누설전류를 측정하고, 측정된 누설전류를 저항성 누전전류(Igr)와 용량성 누설전류(Igc)를 구분하는 기능을 추가함으로써, 전력 사용량 데이터와 함께 누설전류 데이터를 상위 서버로 전송하여 원격에서 누설 전류 감시가 가능한 누설 전류 측정 기능을 포함하는 원격 검침용 전력량계를 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 누설 전류 측정 기능을 포함하는 원격 검침용 전력량계는 원격 검침용 전력량계는 내부의 영상변류기에서 측정한 누설전류와 선로 전압의 타이밍 펄스 시간차를 산출하는 신호 처리 방법으로 누설 전류에 대한 유효성분(Igr)과 무효성분(Igc)의 크기를 각각 산출하여 전력 사용량 데이터와 함께 통신모듈을 매개로 상위 서버로 전송할 수 있다.
본 발명은 수용가 내의 전력 사용량을 검침하여 통신모듈을 통해 상위 서버로 전송하는 전력량계에 있어서, 선로의 전압 및 전압을 센싱하여 사용 전력량을 계산하는 전력량 계산 모듈을 포함하고, 선로의 누설 전류를 측정하고, 상기 선로의 전압 및 누설 전류의 펄스 신호를 발생시켜 상기 펄스 신호의 시간차 및 위상차 를 통해 저항성 누전전류와 용량성 누설전류를 계산하는 누설전류 측정 모듈을 포함한다. 그리고, 상기 계산된 저항성 누전전류, 용량성 누설전류, 및 검침된 전력 사용량을 통합하는 마이크로 컨트롤러를 포함하며, 상기 마이크로 컨트롤러에 의해 통합된 데이터를 상위 서버로 전송하는 통신모듈을 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 누설전류 측정 모듈은 영상 변류기를 통해 상기 선로의 누설 전류를 측정하는 센싱부를 포함하고, 상기 전력량계에 의해 측정된 선로 전압과 상기 누설 전류 각각의 펄스 신호를 발생시키는 제 1,2펄스 발생부를 포함하며, 상기 제 1,2펄스 발생부로부터 상기 선로 전압 펄스 신호와 누설 전류 펄스 신호를 수신하여 시간차를 비교하는 시간차 비교부를 포함한다. 그리고, 상기 시간차 비교부에 의해 계산된 시간차를 통해 상기 선로 전압 펄스와 누설 전류 펄스의 위상차를 계산하는 위상차 산출부를 포함하며,상기 위상차를 통해 저항성 누전전류와 용량성 누설전류를 각각 계산하여 상기 전력량계의 컨트롤러로 전송하는 누설전류 산출부를 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 저항성 누전전류는 상기 센싱부에 의해 측정된 누설 전류와 코사인 위상각(cosθ)의 곱으로 계산하고, 상기 용량성 누설전류는 상기 센싱부에 의해 측정된 누설 전류와 사인 위상각(sinθ)의 곱으로 계산할 수 있다.
본 발명에서 상기 누설전류 측정부에 의해 계산된 상기 저항성 누전전류와 용량성 누설전류의 값이 기준치를 초과하는지 판단하여, 초과할 경우 누전을 표시하는 알림 표시부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면 전력량계 내에서 저항성 누전전류(Igr)와 용량성 누설전류(Igc)를 구분하여 표시하고, 누설전류의 값이 일정 수준을 벗어날 경우 사용자에게 알림으로 수용가에서 누전상태를 실시간으로 확인하여 스스로 누전에 대한 보안을 유도하는 효과가 있다.
또한, 기설되어 있는 원격 검침 시스템의 전력량계에 누전 전류를 측정하는 기능을 추가하여 검침된 전력 사용량과 측정된 누전 전류값을 통신모듈을 통해 원격지의 상위 서버로 전송함에 따라 별도의 추가 설비 없이 원격지에서 누전에 대한 조치를 유도하는 효과가 있다.
그리고, 전기 요금 고지서에 누전 측정값을 함께 기입하여 수용가에게 송부함에 따라 누전으로 인한 향후 감전 및 화재 발생을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 누설 전류 측정 기능을 포함하는 원격 검침용 전력량계를 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 선로를 통해 수용가에 공급되는 전력을 검침하는 전력량계(100)의 구성을 나타낸 것으로 전력량 계산 모듈(110), 누설전류 측정 모듈(120), 마이크로 컨트롤러(130), 통신모듈(140), 및 제 1표시부(150)를 포함한다.
전력량계 계산 모듈(110)은 기존의 일반 전력량계에 관한 것으로 전류 센싱부(112), 전압 센싱부(114)를 사용하여 전기 수용가에 흐르는 전류와 전압을 센싱하고, 센싱된 전류 값과 전압 값을 전력량 산출부(116)로 전송한다.
전류 센싱부(112)는 비접촉방식으로 선로의 흐르는 전류의 크기를 측정하고, 측정된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 후, 전력량 산출부(116)로 전송한다.
전압 센싱부(114)는 선로(Line)과 중성선(Neutral)에 연결되어 선로를 통해 입력되는 전압과 중선선을 통해 출력되는 전압 차이를 통해 수용가의 사용 전압을 측정한 후, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 후 누설전류 측정 모듈(120)과 전력량 산출부(116)로 전송한다.
전력량 산출부(116)에서는 전류 값과 전압 값을 사용ㅎ여 수용가에서 사용한 전력량을 계산하여 마이크로 컨트롤러(130)로 전송한다.
누설전류 측정 모듈(120)은 본원발명의 핵심 구성요소로서 선로의 흐르는 누설전류를 측정하여 무효성분과 유효성분으로 구별하여 측정한다.
누설전류 측정 모듈(120)은 센싱부(121), 제 1,2펄스 발생부(122,123), 시간차 비교부(124), 위상차 산출부(125), 누설전류 산출부(126), 및 제 2표시부(127)를 포함한다.
센싱부(121)는 선로(Line)와 중성선(Neutral)의 외경에 영상변류기(Zct)를 설치하여 선로를 통해 입력된 전류와 중성선을 통해 출력되는 전류 차를 측정하여 수용가 구내의 누설전류를 측정한다. 그리고, 이때 측정되는 누설전류는 저항성 누전전류와 용량성 누설전류의 벡터합으로서 수용가의 누전상태를 정확히 나타내지는 않는다.
제 1펄스 발생부(122)는 센싱부(121)에 의해 측정된 누설전류의 아날로그 신호를 디지털 신호인 펄스신호로 발생시킨다..
제 2펄스 발생부(123)는 전력량계 계산 모듈(110)의 전압 센싱부(114)에 의해 측정된 전압을 수신하여 디니털 신호인 펄스신호로 발생시킨다.
시간차 발생부(124)는 제 1,2펄스 발생부(122,123)로부터 수신된 전류 펄스 신호와 전압펄스 신호의 시간차를 산출하여 위상차 발생부(125)로 전송하고, 위상차 발생부(125)에서 1사이클 주기에 대한 전류, 전압 펄스의 시간차 비율을 계산하여 전압에 대한 전류의 위상차를 산출한다.
누설전류 산출부(126)는 센싱부(121)에 의해 측정된 누설전류와 위상차 발생부(125)에서 산출된 위상각을 사용하여 유효성분인 저항성 누전전류와 무효성분인 용량성 누설전류를 산출한다.
저항성 누전전류와 용량성 누설전류의 산출은 하기의도 2를 참조할 수 있다.
제 2표시부(127)는 누설전류 측정 모듈(120)의 필수 구성요소는 아니지만 저항성 누전전류와 용량성 누설전류의 값은 사용자가 인지할 수 있도록 표시한다. 그리고, 저항성 누전전류와 용량성 누설전류의 값이 사용자가 설정해 놓은 기준을 초과할 경우 알람을 발생시키는 기능을 추가로 장착할 수 있다.
마이크로 컨트롤러(130)는 전력량 계산 모듈(110)에서 계산된 수용가 전력 사용량 데이터와 누설전류 측정 모듈(120)에서 측정된 누설전류(저항성 누전전류, 용량성 누설전류) 데이터를 통합하여 통신모듈(140)을 통해 상위 서버로 전송한다.
통신모듈(140)은 전력선 통신(PLC), 지그비(Zigbee), 또는 무선통신(RF) 중 선택되는 하나의 통신방식을 사용하여 데이터를 원격 전송함으로써, 원격지의 상위 서버에서 수용가의 전력 사용량뿐만아니라 누설전류 즉, 저항성 누전전류와 용량성 누설전류에 대한 정확한 데이터를 수신하여 감시하도록 한다.
제 1표시부(150)는 마이크로 컨트롤러에서 수신된 데이터를 사용자가 육안으로 볼 수 있도록 나타내는 부분으로, 기존의 전력량계와 같이 전력 사용량만을 표시하거나, 제 2표시부(127)에 나타나는 누설전류(저항성 누전전류, 용량성 누설전류) 값에 의해 누전 위험을 표시할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 누설 전류 측정 모듈의 신호 흐름을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 센싱부(121)에 의해 측정된 전류값에 있어서 수용가 측에 용량성 누설 전류의 성분이 발생하면 전압보다 앞서는 위상차(θ)가 발생하게 된 다.
이에 따라, 전류에 대한 펄스 신호를 나타내는 제 1펄스 발생부(122)에서는 센싱부에서 검출한 sine파의 시작점에서 펄스를 발생시킨 후, 발생된 펄스값을 시간차 비교부(124)로 전송한다.
그리고, 전압의 펄스 신호를 나타내는 제 2펄스 발생부(123)는 전압 센싱부(114)에 의해 센싱된 전압의 sine파의 시작점에서 펄스를 발생시킨 후, 발생된 펄스값을 시간차 비교부(124)로 전송한다.
시간차 비교부(124)에서는 위상이 다른 두 개의 펄스 신호(전류 펄스 신호, 전압 펄스 신호)를 수신하여 두 펄스 신호의 시간차(T)를 산출한 후, 위상차 산출부(125)로 전송한다.
위상차 산출부(125)는 1사이클에 대한 시간차(T)를 산출할 수 있으며, 시간차(T)가 산출되면 위상차(θ)를 산출할 수 있다.
즉, 전류와 전압의 파형에서 1초에 60사이클이므로, 1사이클의 시간은 1/60(0.016666667)초가 된다. 그리고 1사이클의 위상각은 360도 이므로 하기의 식에 의해 위상각을 산출할 수 있다.
1/60초 : 360도 = T(초) : X(도)
X(도) = [T(초)*360도] / (60/1)초
예를 들어, 시간차(T)가 0.0035초로 측정이 된다면 위상차는
(0.0035 * 360)/ (60/1)의 식에 의해 75.6도로 산출할 수 있다.
누설전류 산출부(126)는 위상차 산출부(125)에 의해 산출된 위상각을 적용하 여 하기의 식에 의해 저항성 누전전류와 용량성 누설전류를 산출한다.
저항성 누전전류(Igr) = 누설전류(센싱부(121)에 의해 측정된 값) * Cosθ
용량성 누설전류(Igr) = 누설전류(센싱부(121)에 의해 측정된 값) * Sinθ
예를 들어, 센싱부(121)에 의해 측정된 누설전류 값이 2mA이고, 위상차 산출부(125)에 의해 측정된 값이 75.6도 가정할 경우, 저항성 누전전류는 0.5mA(2mA * Cos 75.6도)로 산출되며, 용량성 누설전류는 1.94mA(2mA * Sin 75.6도)로 산출할 수 있다.
참고로, 위의 계산을 검산해보면 Root(0.52 + 1.942) = Root(0.25+3.75) = 2mA가 됨을 알 수 있다.
본 발명에 의하면, 전류와 전압의 펄스에 대한 시간차를 산출하고, 그에 따라 저항성 누전전류와 용량성 누설전류의 크기를 각각 산출함으로, 아날로그 신호가 아닌 디지털 신호를 사용함에 따라 누설전류 측정 모듈을 한 개의 회로 칩에 소형화 할 수 있으며 정확도를 향상시킬 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 누설 전류 측정 기능을 포함하는 원격 검침용 전력량계를 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 누설 전류 측정 모듈의 신호 흐름을 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 전력량계 110 : 전력량 계산 모듈
112 : 전류 센싱부 114 : 전압 센싱부
116 : 전력량 산출부 120 : 누설전류 측정 모듈
121 : 센싱부 122 : 제 1펄스 발생부
123 : 제 2펄스 발생부 124 : 시간차 비교부
125 : 위상차 산출부 126 : 누설전류 산출부
127 : 제 2표시부 130 : 마이크로 컨트롤러
140 : 통신모듈 150 : 제 1표시부

Claims (4)

  1. 수용가 내의 전력 사용량을 검침하여 통신모듈을 통해 상위 서버로 전송하는 전력량계에 있어서,
    선로의 전압 및 전압을 센싱하여 사용 전력량을 계산하는 전력량 계산 모듈;
    선로의 누설 전류를 측정하고, 상기 선로의 전압 및 누설 전류의 펄스 신호를 발생시켜 상기 펄스 신호의 시간차 및 위상차를 통해 저항성 누전전류와 용량성 누설전류를 계산하는 누설전류 측정 모듈;
    상기 계산된 저항성 누전전류, 용량성 누설전류, 및 검침된 전력 사용량을 통합하는 마이크로 컨트롤러; 및
    상기 마이크로 컨트롤러에 의해 통합된 데이터를 상위 서버로 전송하는 통신모듈;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 누설 전류 측정 기능을 포함하는 원격 검침용 전력량계.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 누설전류 측정 모듈은,
    영상 변류기를 통해 상기 선로의 누설 전류를 측정하는 센싱부;
    상기 전력량계에 의해 측정된 선로 전압과 상기 누설 전류 각각의 펄스 신호를 발생시키는 제 1,2펄스 발생부;
    상기 제 1,2펄스 발생부로부터 상기 선로 전압 펄스 신호와 누설 전류 펄스 신호를 수신하여 시간차를 비교하는 시간차 비교부;
    상기 시간차 비교부에 의해 계산된 시간차를 통해 상기 선로 전압 펄스와 누설 전류 펄스의 위상차를 계산하는 위상차 산출부; 및
    상기 위상차를 통해 저항성 누전전류와 용량성 누설전류를 각각 계산하여 상기 전력량계의 컨트롤러로 전송하는 누설전류 산출부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 누설 전류 측정 기능을 포함하는 원격 검침용 전력량계.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 저항성 누전전류는 상기 센싱부에 의해 측정된 누설 전류와 코사인 위상각(cosθ)의 곱으로 계산하고, 상기 용량성 누설전류는 상기 센싱부에 의해 측정된 누설 전류와 사인 위상각(sinθ)의 곱으로 계산하는 것을 특징으로 하는 누설 전류 측정 기능을 포함하는 원격 검침용 전력량계.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 누설전류 측정부에 의해 계산된 상기 저항성 누전전류와 용량성 누설전류의 값이 기준치를 초과하는지 판단하여, 초과할 경우 누전을 표시하는 알림 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 누설 전류 측정 기능을 포함하는 원격 검침용 전력량계.
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