KR20120130400A - 전기기기 절전용 최적 운전제어 원격 모니터링 장치 - Google Patents

전기기기 절전용 최적 운전제어 원격 모니터링 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존에 에너지 절전을 위해 대기전력을 차단하는 방식과 사용자의 총 소비전력을 모니터링하여 에너지를 배분하는 방식으로만 구성되어 있어, 시간과 장소가 변경되면, 날씨 및 기후의 변화에 따라 다시 대기전력과 소비전력을 체크해야 하고, 기기도 변경해야 하는 문제점을 개선하고자, 전기기기 일측에 설치되는 최적운전구동모듈과 원격모니터링제어부를 구성함으로서, 시간과 장소에 구애받지 않고, 사용자의 소비전력형태 분석 데이터와 외부환경변화(날씨, 온도, 습도)를 모니터링하여 각기 다른 전기기기들이 최대로 효율적으로 운전할 수 있도록 상황별로 1:1 제어할 수 있고, 최대부하 운전조건을 만족하면서 소비전력이 최소가 되는 리액터를 재선정할 수 있어, 기존에 비해 70%의 전력사용 효율을 향상시킬 수 있는 전기기기 절전용 최적 운전제어 모니터링 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

전기기기 절전용 최적 운전제어 원격 모니터링 장치{THE APPARATUS OF MONITORING FOR BEING MOST SUITABLE CONTROL}
본 발명은 전기기기(에어컨, 냉장고, 세탁기, TV, 컴퓨터) 일측에 설치되어 사용자의 소비전력형태 분석 데이터와 외부환경변화(날씨, 온도, 습도)를 모니터링하여 각기 다른 전기기기들이 최대로 효율적으로 운전할 수 있도록 상황별로 1:1 제어할 수 있는 전기기기 절전용 최적 운전제어 원격 모니터링 장치에 관한 것이다.
우리나라는 문화적 편리성에 따른 에너지 소비의 급증 및 에너지 다소비형 산업구조로 인해 매년 전력소비는 증가하는 실정으로(2011년 평균 소비전력은 2006년 대비 1,865[만kW]가 증가한 6,411[만kW]로 5년간 41[%] 증가) 에너지의 97[%]이상을 수입하는 우리나라의 에너지 수급 문제는 매우 심각한 실정이다.
그리고, 우리나라의 소비전력 패턴은 하절기와 동절기의 기상상태에 따라 수요변동(냉난방기 수요)이 시간대별로 매우 큰 편으로, 2010년 최대전력수요는 8월 20일 오후 3시로 2009년 대비 667.4만kW(10.6%) 증가한 6,9886만kW를 기록하였다.
이는 평년보다 높은 온도에 의한 냉방기 사용의 급증으로 추정된다.
한편 최근 우리나라의 전력소비 패턴에서 주목해야 할 점은 전통적으로 전력사용량이 많았던 하절기의 냉방 부하보다 동절기의 난방 부하로 인한 최대전력수요의 가파른 증가현상으로 2009년 6,246.5만kW, 2010년 6,896.3만kW, 20011년 7,313.7만kW로 2년동안 1067.2만kW가 증가하였다. 이는 지구온난화에 의한 이상기후로 평년에 비해 한파가 지속됨에 따라 심야 난방부하가 급증하여 발생한 것으로 추정된다.
이상과 같이 기후변화에 따라 민감하게 변동하는 하절기와 동절기의 냉난방기의 사용의 급증으로 최대전력수요량도 따라서 증가하고 있으며, 이에 따라 최대전력수요에도 전력을 안정적으로 공급할 수 있도록 전력예비율을 확보하기 위해 우리나라는 매년 발전설비를 증설하고 있다.
그러나 2013년 이후 우리나라를 포함한 선발개도국의 이산화탄소 의무부담 및 감축참여가 예상되고 있어 향후 발전설비 증설 및 에너지 수급에 많은 애로가 있는 실정이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 선행기술에서는 사용자가 전력을 소비하지 않는 경우를 유무선 통신 또는 프로그램화된 명령을 통해 대기전력을 차단하는 방식과 사용자의 총 소비전력을 모니터링하여 에너지를 배분하는 방식으로만 구성되어 있어서, 시간과 장소가 변경되면, 날씨 및 기후의 변화에 따라 다시 대기전력과 소비전력을 체크해야 하고, 기기도 변경해야 하는 문제점이 발생되었다.
즉, 날씨 및 기후의 변화에 따른 소비전력형태를 분석하고 분석된 자료와 실제 전기기기들의 설치장소 및 사용환경에 따라 전기기기들이 최대의 효율적인 운전점을 체크해주고, 설정해 줄 수 있는 기기개발이 시급한 실정이다.
공개특허공보 제10-2010-0073157호(2010년07월01일 공개)
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 시간과 장소에 구애받지 않고, 사용자의 소비전력형태 분석 데이터와 외부환경변화(날씨, 온도, 습도)를 모니터링하여 각기 다른 전기기기들이 최대로 효율적으로 운전할 수 있도록 상황별로 1:1 제어할 수 있고, 최대부하 운전조건을 만족하면서 소비전력이 최소가 되는 리액터를 재선정할 수 있어, 기존에 비해 70%의 전력사용 효율을 향상시킬 수 있는 전기기기 절전용 최적 운전제어 모니터링 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하고자, 본 발명에 따른 전기기기 절전용 최적 운전제어 모니터링 장치는
전기기기 일측에 부착되어 날씨, 온도, 습도의 외부환경변화에 따라 소비되는 전기에너지를 실시간으로 센싱한 후, 센싱된 센서데이터와 소비전력데이터를 지그비통신망을 통해 원격지의 원격모니터링제어부로 전송시키고, 원격모니터링제어부로부터 센서데이터와 소비전력데이터에 따른 응답데이터인 전기기기의 최대전력으로 운전되는 최적운전점데이터를 수신받아 전자기기를 최적의 운전점으로 구동시키는 최적운전구동모듈(100)과,
최적운전구동모듈로부터 전송된 센서데이터와 소비전력데이터를 수신받아 데이터베이스화시키며, 최적운전알고리즘을 통해 전기기기가 최대전력점으로 운전될 수 있도록 최적운전점데이터를 생성시킨 후, 최적운전구동모듈로 최적운전점데이터를 송신시키면서, 전기기기의 소비전력을 실시간으로 모니터링시키는 원격모니터링제어부(200)로 구성됨으로서 달성된다.
이상에서 설명드린 바와 같이, 본 발명에서는 기존의 전기기기와 호환성이 좋고, 설치가 용이하며, 사용자의 소비전력형태 분석 데이터와 외부환경변화(날씨, 온도, 습도)를 모니터링하여 각기 다른 전기기기들이 최대로 효율적으로 운전할 수 있도록 상황별로 1:1 제어할 수 있고, 최대부하 운전조건을 만족하면서 소비전력이 최소가 되는 리액터를 재선정할 수 있어, 기존에 비해 70%의 전력사용 효율을 향상시킬 수 있는 좋은 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기기기 절전용 최적 운전제어 모니터링 장치의 구성요소를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 원격모니터링제어부(200)의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 3은 본 발명에 따른 전기기기 절전용 최적 운전제어 원격 모니터링 장치 중 최적운전구동모듈(100)의 구성요소를 도시한 회로도.
먼저, 본 발명에서 설명되는 전기기기는 전기를 사용하는 가정용, 산업용 기기를 말하며, 일예로, 에어컨, 냉장고, 세탁기, TV, 컴퓨터, CNC 선반, 드릴머신 등이 포함된다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기기기 절전용 최적 운전제어 모니터링 장치의 구성요소를 도시한 구성도에 관한 것으로, 이는 최적운전구동모듈(100)과 원격모니터링제어부(200)로 구성된다.
먼저, 본 발명에 따른 최적운전구동모듈(100)에 관해 설명한다.
상기 최적운전구동모듈(100)은 전기기기 일측에 부착되어 날씨, 온도, 습도의 외부환경변화에 따라 소비되는 전기에너지를 실시간으로 센싱한 후, 센싱된 센서데이터와 소비전력데이터를 지그비통신망을 통해 원격지의 원격모니터링제어부로 전송시키고, 원격모니터링제어부로부터 센서데이터와 소비전력데이터에 따른 응답데이터인 전기기기의 최대전력으로 운전되는 최적운전점데이터를 수신받아 전자기기를 최적의 운전점으로 구동시키는 것으로, 이는 센서부(110), 정류부(120), 리액터(130), 입력전류 검출부(140), 제로 크로싱 검출부(150), 출력전압 검출부(160), 최적운전역률보상부(170), 마이컴부(180), 제1 지그비통신모듈(190)로 구성된다.
상기 센서부(110)는 설치공간의 날씨, 온도, 습도를 감지한 후, 감지된 센서데이터를 마이컴부로 전송시키는 것으로,
이는 설치공간의 어둡고 밝기를 센싱하는 CDS센서와, 설치공간의 온도를 감지하는 온도센서와, 설치공간의 습도를 감지하는 습도센서로 구성된다.
상기 정류부(120)는 교류(AC)전원을 직류전원으로 변환하는 역할을 한다.
이는 제1 브릿지 다이오드(121)로 구성된다.
상기 리액터(130)는 정류부와 교류전원 사이에 결합되고, 전자기(電磁氣)에너지의 축적에 의해 교류전류 또는 전류의 급격한 변화에 대해서 큰 유도성인 리액턴스를 나타내는 역할을 한다.
이는 철심에 코일을 감은 구조로 구성되고, 입력단자 일측에 최적운전역률보상부가 연결되어 구성된다.
상기 입력전류 검출부(140)는 입력전류를 감지하는 역할을 한다.
이는 센싱저항 R1으로 구성된다.
상기 제로 크로싱 검출부(150)는 입력 교류전원의 제로 크로싱을 검출하는 역할을 한다.
상기 출력전압검출부(160)는 전기기기로 출력되는 리액터의 출력전압을 검출한 후, 검출된 출력전압데이터를 마이컴부로 전송시키는 역할을 한다.
이는 센싱저항 R2로 구성된다.
상기 최적운전역률보상부(170)는 마이컴부의 최적운전역률보상 제어신호에 따라 온/오프 동작하여 리액터 출력전압을 가변시키는 역할을 한다.
이는 제2 브릿지다이오드(172), 트랜지스터 Q1과 저항 R4,R5로 구성된다.
즉, 센싱저항 R5를 통해 마이컴부의 최적운전역률보상 제어신호가 출력되어 트랜지스터 Q1이 턴온되면, 제2 브릿지다이오드가 리액터의 2차출력측 단자로 인가되어 리액터 출력전압을 가변시키도록 구성된다.
상기 마이컴부(180)는 센서부, 입력전류 검출부, 출력전압 검출부, 최적운전역률보상부와 연결되고, 입력전류 검출부로부터 검출된 입력전류데이터와, 출력전압검출부로부터 검출된 출력전압데이터를 입력받아 소비전력데이터를 연산시킨 후, 센서부로부터 입력된 센서데이터와 소비전력데이터를 지그비통신부를 통해 원격지의 원격모니터링제어부로 전송시키고, 원격모니터링제어부로부터 센서데이터와 소비전력데이터에 따른 응답데이터인 전기기기의 최대전력으로 운전되는 최적운전점데이터를 수신받아 리액터값을 변경시키면서 최대부하 운전이 가능한 리액터값의 범위를 설정하고, 최적운전역률보상부로 최적운전역률보상 제어신호를 보내는 역할을 한다.
이는 PIC16C711 원칩마이컴으로 구성된다.
즉, 입력단자 일측에 센서부가 연결되어 센서부에서 측정된 센서데이터가 입력되고, 입력단자 타측에 입력전류검출부가 연결되어 입력전류검출부에서 검출된 입력전류데이터가 입력되며, 입력단자 타측에 출력전압검출부가 연결되어 출력전압검출부에서 검출된 출력전압데이터가 입력되고, 출력단자 일측에 최적운전역률보상부가 연결되어, 최적운전역률보상부로 최적운전역률보상 제어신호를 출력시키며, 출력단자 일측에 제1 지그비통신모듈이 연결되어 원격모니터링제어부로부터 센서데이터와 소비전력데이터에 따른 응답데이터인 전기기기의 최대전력으로 운전되는 최적운전점데이터를 수신받도록 구성된다.
상기 제1 지그비통신모듈(190)은 마이컴부의 제어신호에 따라 구동되어 지그비통신망을 통해 센서데이터와 소비전력데이터를 원격지의 원격모니터링제어부로 송신시키고, 원격모니터링제어부로부터 센서데이터와 소비전력데이터에 따른 응답데이터인 전기기기의 최대전력으로 운전되는 최적운전점데이터를 수신받는 역할을 한다.
본 발명에 따른 제1 지그비통신모듈은 송수신기능을 갖는다.
상기 지그비(ZigBee)는 저전력 무선 근거리 표준 통신 기술을 의미한다. 가격이 저렴하고, 전력소모가 매우 적고, 크기와 프로그램이 작으며, 근거리에서 속도가 크게 빠르지 않고, 네트워크 사용 빈도가 드문 경우에 가장 적합한 특징을 가진다.
일반적인 배터리로도 1년 이상을 사용할 수 있을 정도로 저 소비전력, 전송속도는 2.4GHz 대역에서 최대 250 Kbps, 칩의 가격은 매우 저렴하다.
네트워크에 최대 65,536개의 노드를 붙일 수 있고, 스타(Star), 클러스터 트리(uster Tree) 및 메쉬(Mesh) 네트워크 망까지도 지원이 된다. IEEE 802.15.4의 PHY 및 MAC 표준을 바탕으로 지그비(ZigBee) 연합(기업체 및 연구소 등)이 중심이 되어 상위계층인 네트워크 및 응용 계층의 ZigBee 스펙을 제정하였다.
이러한 지그비 통신의 특징을 이용하여, 본 발명에서는 원격모니터링제어부와 5~100m로 연결되도록 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 원격모니터링제어부(200)에 관해 설명한다.
상기 원격모니터링제어부(200)는 최적운전구동모듈로부터 전송된 센서데이터와 소비전력데이터를 수신받아 데이터베이스화시키며, 최적운전알고리즘을 통해 전기기기가 최대전력점으로 운전될 수 있도록 최적운전점데이터를 생성시킨 후, 최적운전구동모듈로 최적운전점데이터를 송신시키면서, 전기기기의 소비전력을 실시간으로 모니터링시키는 역할을 한다.
이는 제2 지그비 통신모듈(210), 데이터베이스부(220), 최적운전알고리즘부(230)로 구성된다.
상기 제2 지그비 통신모듈(210)은 최적운전구동모듈로부터 전송된 센서데이터와 소비전력데이터를 수신받고, 최적운전점데이터를 최적운전구동모듈로 송신시키는 역할을 한다.
본 발명에 따른 제2 지그비통신모듈은 송수신기능을 갖는다.
상기 데이터베이스부(220)는 제2 지그비 통신모듈로부터 전송된 센서데이터와 소비전력데이터를 데이터베이스화시키는 역할을 한다.
상기 최적운전알고리즘부(230)는 데이터베이스부에 축적된 센서데이터와 소비전력데이터를 근거하여, PSF(전력신호궤환 : Power Signal Feedback)제어를 통해 전기기기가 최대전력점으로 운전될 수 있도록 최적운전점데이터를 생성시키는 역할을 한다.
여기서, PSF(전력신호궤환 : Power Signal Feedback)제어는 최대 전력점 곡선에 대한 정보를 근거로 해서 시뮬레이션 또는 실질적인 테스트를 통하여 전기기기가 최대전력점으로 운전될 수 있도록 최적운전점데이터를 생성시키도록 구성된다.
이하, 본 발명에 따른 전기기기 절전용 최적 운전제어 원격 모니터링 장치의 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.
먼저, 최적운전구동모듈의 센서부에서 설치공간의 날씨, 온도, 습도를 감지한 후, 감지된 센서데이터를 마이컴부로 전송시킨다.
이어서, 전기기기의 부하쪽으로 전원이 공급되면, 마이컴부에서 출력전압검출부로부터 검출된 출력전압데이터를 입력받아 소비전력데이터를 연산시킨 후, 센서부로부터 입력된 센서데이터와 소비전력데이터를 지그비통신부를 통해 원격지의 원격모니터링제어부로 전송시킨다.
이어서, 원격모니터링제어부에서 최적운전구동모듈로부터 전송된 센서데이터와 소비전력데이터를 수신받아 데이터베이스화시키며, 최적운전알고리즘을 통해 전기기기가 최대전력점으로 운전될 수 있도록 최적운전점데이터를 생성시킨 후, 최적운전구동모듈로 최적운전점데이터를 송신시킨다.
이어서, 최적운전구동모듈의 마이컴부에서 최적운전점데이터를 수신받아 리액터값을 변경시키면서 최대부하 운전이 가능한 리액터값의 범위를 설정하고, 최적운전역률보상부로 최적운전역률보상 제어신호를 보낸다.
이어서, 최적운전역률보상부가 마이컴부의 최적운전역률보상 제어신호에 따라 온 동작하여 리액터 출력전압을 가변시킨다.
이때, 전기기기에서는 최대부하 운전조건을 만족하면서 소비전력이 최소가 된다.
100 : 최적운전구동모듈 110 : 센서부
120 : 정류부 130 : 리액터
140 : 입력전류 검출부 150 : 제로 크로싱 검출부
160 : 출력전압 검출부 170 : 최적운전역률보상부
180 : 마이컴부 190 : 제1 지그비통신모듈
200 : 원격모니터링제어부 210 : 제2 지그비 통신모듈
220 : 데이터베이스부 230 : 최적운전알고리즘부

Claims (5)

  1. 전기기기 일측에 부착되어 날씨, 온도, 습도의 외부환경변화에 따라 소비되는 전기에너지를 실시간으로 센싱한 후, 센싱된 센서데이터와 소비전력데이터를 지그비통신망을 통해 원격지의 원격모니터링제어부로 전송시키고, 원격모니터링제어부로부터 센서데이터와 소비전력데이터에 따른 응답데이터인 전기기기의 최대전력으로 운전되는 최적운전점데이터를 수신받아 전자기기를 최적의 운전점으로 구동시키는 최적운전구동모듈(100)과,
    최적운전구동모듈로부터 전송된 센서데이터와 소비전력데이터를 수신받아 데이터베이스화시키며, 최적운전알고리즘을 통해 전기기기가 최대전력점으로 운전될 수 있도록 최적운전점데이터를 생성시킨 후, 최적운전구동모듈로 최적운전점데이터를 송신시키면서, 전기기기의 소비전력을 실시간으로 모니터링시키는 원격모니터링제어부(200)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기기기 절전용 최적 운전제어 원격 모니터링 장치.
  2. 제1항에 있어서, 최적운전구동모듈(100)은
    설치공간의 날씨, 온도, 습도를 감지한 후, 감지된 센서데이터를 마이컴부로 전송시키는 센서부(110)와,
    교류(AC)전원을 직류전원으로 변환하는 정류부(120)와,
    정류부와 교류전원 사이에 결합되고, 전자기(電磁氣)에너지의 축적에 의해 교류전류 또는 전류의 급격한 변화에 대해서 큰 유도성인 리액턴스를 나타내는 리액터(130)와,
    입력전류를 감지하는 입력전류 검출부(140)와,
    입력 교류전원의 제로 크로싱을 검출하는 제로 크로싱 검출부(150)와,
    전기기기로 출력되는 리액터의 출력전압을 검출한 후, 검출된 출력전압데이터를 마이컴부로 전송시키는 출력전압 검출부(160)와,
    마이컴부의 최적운전역률보상 제어신호에 따라 온/오프 동작하여 리액터 출력전압을 가변시키는 최적운전역률보상부(170)와,
    센서부, 입력전류 검출부, 출력전압 검출부, 최적운전역률보상부와 연결되고, 입력전류 검출부로부터 검출된 입력전류데이터와, 출력전압검출부로부터 검출된 출력전압데이터를 입력받아 소비전력데이터를 연산시킨 후, 센서부로부터 입력된 센서데이터와 소비전력데이터를 지그비통신부를 통해 원격지의 원격모니터링제어부로 전송시키고, 원격모니터링제어부로부터 센서데이터와 소비전력데이터에 따른 응답데이터인 전기기기의 최대전력으로 운전되는 최적운전점데이터를 수신받아 리액터값을 변경시키면서 최대부하 운전이 가능한 리액터값의 범위를 설정하고, 최적운전역률보상부로 최적운전역률보상 제어신호를 보내는 마이컴부(180)와,
    마이컴부의 제어신호에 따라 구동되어 지그비통신망을 통해 센서데이터와 소비전력데이터를 원격지의 원격모니터링제어부로 송신시키고, 원격모니터링제어부로부터 센서데이터와 소비전력데이터에 따른 응답데이터인 전기기기의 최대전력으로 운전되는 최적운전점데이터를 수신받는 제1 지그비통신모듈(190)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기기기 절전용 최적 운전제어 원격 모니터링 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 최적운전역률보상부(170)는
    센싱저항 R5를 통해 마이컴부의 최적운전역률보상 제어신호가 출력되어 트랜지스터 Q1이 턴온되면, 제2 브릿지다이오드가 리액터의 2차출력측 단자로 인가되어 리액터 출력전압을 가변시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기기기 절전용 최적 운전제어 원격 모니터링 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 원격모니터링제어부(200)는
    최적운전구동모듈로부터 전송된 센서데이터와 소비전력데이터를 수신받고, 최적운전점데이터를 최적운전구동모듈로 송신시키는 제2 지그비 통신모듈(210)과,
    제2 지그비 통신모듈로부터 전송된 센서데이터와 소비전력데이터를 데이터베이스화시키는 데이터베이스부(220)와,
    데이터베이스부에 축적된 센서데이터와 소비전력데이터를 근거하여, PSF(전력신호궤환 : Power Signal Feedback)제어를 통해 전기기기가 최대전력점으로 운전될 수 있도록 최적운전점데이터를 생성시키는 최적운전알고리즘부(230)와,
    디스플레이부와 연결되어, 전기기기의 소비전력을 실시간으로 모니터링시키는 모니터링출력부(240)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기기기 절전용 최적 운전제어 모니터링 장치.
  5. 제3항에 있어서, PSF(전력신호궤환 : Power Signal Feedback)제어는
    최대 전력점 곡선에 대한 정보를 근거로 해서 시뮬레이션 또는 실질적인 테스트를 통하여 전기기기가 최대전력점으로 운전될 수 있도록 최적운전점데이터를 생성시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기기기 절전용 최적 운전제어 원격 모니터링 장치.
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