KR20140080566A - Remote detection and cut-off system for current leakage type of sensor network - Google Patents

Remote detection and cut-off system for current leakage type of sensor network Download PDF

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KR20140080566A
KR20140080566A KR1020120141962A KR20120141962A KR20140080566A KR 20140080566 A KR20140080566 A KR 20140080566A KR 1020120141962 A KR1020120141962 A KR 1020120141962A KR 20120141962 A KR20120141962 A KR 20120141962A KR 20140080566 A KR20140080566 A KR 20140080566A
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leakage current
current
circuit
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breaker
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김형석
김군태
김학철
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중앙대학교 산학협력단
(주)동남이앤에스
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Abstract

Disclosed is a sensor network type remote electric leakage detecting and breaking system. The present invention implements a resistance leakage current detection algorithm and develops an over-voltage and over-current composite measurement module. The system integrates and designs a communications module to build a remote monitoring and controlling system. According to the present invention, the system can generalize products associated with resistive leakage current techniques which have been applied to only in several expensive measuring instruments.

Description

센서네트워크형 원격누전감지 및 차단시스템{Remote detection and cut-off system for current leakage type of sensor network}[0001] The present invention relates to a sensor network type remote leakage detection and blocking system,

본 발명은 센서네트워크형 원격누전감지 및 차단시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 센서 네트워크를 구성하는 다수의 누전감지기에 의해 원격에서 누전여부를 감지하고, 누전 감지시 전력시스템을 차단하기 위한 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a sensor network type remote leakage detection and shutdown system, and more particularly, to a system for detecting a short circuit by a plurality of leakage detectors constituting a sensor network, .

매년 전기화재 8천건, 감전사고 700건(2008년 52명 사망)이 발생하고 있다. 특히, 전기화재의 경우 과전류에 의한 화재 비중이 매우 높다. Every year, 8,000 electric fires and 700 electric shocks occur (52 deaths in 2008). Particularly, in the case of electric fire, the proportion of fire caused by overcurrent is very high.

년도
year

system
합선(쇼트)
Short (Short)
과부하
overload
누설
Leakage
접속불량
Poor connection
2002
2002
9,513
9,513
75%
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12%
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6%
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2%
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2003
2003
8,985
8,985
70%
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12%
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7%
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3%
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2004
2004
8,863
8,863
67%
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11%
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5%
5%
5%
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2005
2005
8,554
8,554
64%
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13%
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6%
6%
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6%
2006
2006
8,059
8,059
64%
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5%
5%
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감전사고의 경우, 2009년 업무상 재해 사망자 1,448명 중 감전에 의한 사망률은 11.6%로 추락, 감김, 끼임, 넘어짐 등 다른 사망원인 대비 사망률이 4~22배 높다. 또한, 우리나라 감전 재해 사망률은 근로자 100만명당 5.67명으로, 미국/영국/일본에 비해 4~21배 높다. 소방방재청의 2003~2007년 통계에 의하면 여름 우기철(6~7월)에 감전사고에 의해 평균 166명의 사상자가 발생하며 전체 평균 688명의 24%을 차지한다. 이에 전기재해(감전, 화재) 방지를 위해 안전성이 높은 누전차단기의 개발 및 보급이 필요하다.In the case of electric shocks, among the 1,448 deaths from work-related accidents in 2009, the death rate from electric shock is 11.6%, which is 4 to 22 times higher than other causes of death such as falling, tearing, In addition, the electric shock accident death rate in Korea is 5.67 per 1 million workers, 4 ~ 21 times higher than the US / UK / Japan. According to the 2003-2007 statistics of the National Emergency Management Agency (NEMA), an average of 166 casualties occurred during the summer rainy season (June to July) due to an electric shock, accounting for 24% of the total average of 688 people. Therefore, it is necessary to develop and distribute a safety circuit breaker with high safety to prevent electric shock (electric shock, fire).

누설전류란 배전/전기기기의 절연이 손상되어 외부로 흐르는 전류로서, 누설전류의 두 성분(저항성 누설전류, 용량성 누설전류) 중 저항성 누설전류가 전기사고의 원인이다. 그런데, 기존 누전차단기는 합성 누설전류에 의해 동작하므로 무해한 용량성 누설전류에 의해 오동작할 가능성이 높다.Leakage current is the current that flows out due to the damage of the distribution / electrical equipment, and the leakage current of resistive type among the two components of the leakage current (resistive leakage current, capacitive leakage current) is the cause of the electric accident. However, since the conventional earth leakage breaker operates by the combined leakage current, there is a high possibility of malfunction due to harmless capacitive leakage current.

기존 누전차단기의 누설전류 기준은 높게 설정되어 있어서 위험한 누설전류가 차단되지 않는다. 국내의 누전 차단 기준은 30mA로 규정되어 있으며 기존 누전차단기는 합성 누설전류에 의해 동작하여 용량성 누설전류에 의해 차단기가 작동할 수 있을 뿐만 아니라 전기사고의 원인인 저항성 누설전류를 차단하지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 이에 저항성 누설 전류에 의한 차단 기술을 개발하여 누전전류 기준을 강화하여 안전성을 확보할 필요가 있다.The leakage current criterion of the existing earth leakage breaker is set high so that the dangerous leakage current is not blocked. In Korea, the leakage current limit is specified as 30mA. In case of the existing leakage circuit breaker, the circuit breaker can be operated by the capacitive leakage current because it operates by the combined leakage current, and the leakage current which is the cause of the electric accident can not be blocked Lt; / RTI > Therefore, it is necessary to develop a blocking technique based on a resistive leakage current to secure the safety by reinforcing the leakage current standard.

전기/전자기기의 안전전류 기준이 개별적으로 다르지만 기존 누전차단기는 동일한 기준을 적용하여 전류를 차단하고 있다. 에어컨의 경우 안전전류가 15A이지만 전기매트는 1.5A로 동일한 안전전류 기준으로 차단할 경우 특정 기기에서는 치명적인 전류가 흐를 수 있다. 이에 다양한 기준으로 과전류를 차단할 수 있는 제품 개발이 필요하다.Although the safety current standards of electric / electronic devices are different from each other, existing electric leakage circuit breakers apply the same standard to cut off current. The air conditioner has a safety current of 15A, but the electric mat is 1.5A. If the same safety current standard is cut off, a fatal electric current may flow in a certain device. Therefore, it is necessary to develop a product that can prevent over current by various standards.

전력 시스템의 안전화를 위해서 기존에는 누전차단기에서 기준 전류 이상의 전류를 단순히 차단만 하였다. 차단 위치 및 차단 원인 분석 없이는 계속적인 차단기의 작동이 발생할 수 있어 안정적인 전력을 사용할 수 없다. 이에 전력의 이상 징후 위치 파악과 차단 이력 관리 및 분석으로 안전성을 확보하고 사용자 편의성을 확대할 수 있는 감시/제어 시스템을 구축할 필요가 있다. 또한 무선 통신을 이용하여 기존의 전력 시스템에 설치가 용이해야 한다.In order to stabilize the power system, the current limiter simply cuts off the current above the reference current. Without analysis of the blocking position and blocking cause, continuous operation of the circuit breaker may occur and stable power can not be used. Therefore, it is necessary to establish a monitoring / control system that can secure safety and expand user convenience by monitoring and analyzing the abnormality of power location and monitoring history. It should also be easy to install in existing power systems using wireless communications.

소형의 개발 제품의 원격 감시/제어 시스템을 제한적인 공간에 구축하기 때문에 측정 모듈과 통신 모듈간의 신호 간섭이 발새할 수 있다. 모듈간의 신호 간섭으로 인해 차단기의 오작동 및 차단 원인 분석의 신뢰도가 낮아질 수 있다. 이에 원격 감시/제어 시스템의 신뢰성을 확보하기 위해 모듈간의 EMI/EMC 분석 및 신호 간섭을 최소화 할 수 있는 최적의 접지 구조 및 차폐구조에 대한 설계가 필요하다.Since the remote monitoring / control system of a small-sized development product is constructed in a limited space, signal interference between the measurement module and the communication module may occur. Signal interference between modules can reduce the reliability of breaker malfunctions and blocking causes analysis. In order to ensure the reliability of the remote monitoring / control system, it is necessary to design the optimal grounding structure and shielding structure that minimize EMI / EMC analysis and signal interference between modules.

현재 기존 누전차단기는 합성 누설전류를 측정하는 방식으로 화재/감전을 일으키지 않는 용량성 누설전류까지 포함하고 있어서 실제 사고를 일으키는 저항성 누설전류보다 큰 값으로 측정된다. 이에 차단 기준을 낮게 설정하면 위험성이 없어도 전원이 차단되는 오동작이 발생할 수 있다. 그 결과 누설전류 기준은 높게 설정되어 있어 심각한 안전문제를 야기한다.Currently, existing leakage circuit breakers measure composite leakage currents, which include capacitive leakage currents that do not cause fire / electric shock, and are measured to be larger than resistive leakage currents that cause actual accidents. Therefore, if the blocking criterion is set to a low value, a malfunction may be caused in which the power is cut off even if there is no danger. As a result, the leakage current criterion is set high, causing serious safety problems.

국내의 저항성 누전 차단기 관련 업체로는 적분방식을 사용한 저항성 누설 전류 측정에 관한 다수의 특허를 보유하고 있는 (주)에렐이 주도하고 있으며 (주)에렐과 협력하여 (주)IK Semicon은 저항성 누설전류 감지 IC를 개발하였다. (주)진흥전기와 (주)위너스는 (주)IK Semicon의 제품을 이용하여 각각 저항성 누전차단기와 누전감지 콘센트를 개발하였다. (주)제신정보는 일본의 특허기술을 적용하여 다수의 저항성 누설전류 측정 장비를 개발한 상태이다.IEL Semiconductor Co., Ltd., which has a number of patents related to resistive leakage current measurement using integral method, is leading the resistive earth leakage circuit breaker in Korea. IK Semicon Co., Sensing IC. Jinheung Electric Co., Ltd. and Winners Co., Ltd. have developed resistive earth leakage breaker and leakage detection socket using IK Semicon products. We have developed a number of resistive leakage current measuring instruments using Japanese patented technology.

국외 전력 반도체 업체들은 주로 고전압 소자난 PMIC 개발에 집중하고 있으며 누설전류 관련 IC 개발 활동은 미미한 상태이다. ADI(ADE7753), Cirrus Logic(CS5461A)에서 RMS 전력 측정 IC를 판매 중이나 저항성 누설 전류 측정 제품은 없다.Overseas power semiconductor companies mainly concentrate on the development of PMICs with high voltage devices, and the development of leakage current related ICs is insignificant. The ADI (ADE7753) and Cirrus Logic (CS5461A) sell RMS power measurement ICs, but no resistive leakage current measurement products.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 저항성 누설전류 검출 기술, 과전류 측정 기술, Zigbee형 무선 원격 감시/제어 시스템 기술을 개발하고 통합하여, 기존 누전차단기 대비, 안정성과 사용자 편의성을 대폭 향상시킨 센서 네트워크형 원격 누전 감지 및 차단 시스템을 제공하는 데 있다.The present invention is directed to a sensor network type that has developed and integrated a resistive leakage current detection technology, an overcurrent measurement technology, and a Zigbee type wireless remote monitoring / control system technology, Remote leakage detection and shutdown system.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 센서 네트워크형 원격 누전 감지 및 차단 시스템은 전원 전압으로부터 각종 신호들을 만들어 내는 부분, 각 신호들로부터 저항성 누설전류의 산출을 위한 적분을 수행하는 부분, 그리고 적분결과를 샘플링하여 최종적인 저항성 누설전류를 출력하는 부분으로 구성된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a sensor network type remote leakage detection and shut-off system, including a portion for generating various signals from a power supply voltage, a portion for performing integration for calculating a resistive leakage current from each signal, And a part for sampling the integration result to output the final resistive leakage current.

본 센서 네트워크형 원격 누전 감지 및 차단 시스템에 의하면, 일부 고가의 측정 장비에만 적용되어오던 저항성 누설전류 기술과 관련제품의 일반화를 이룰 수 있다. 또한 저항성 누설전류를 정밀하게 측정함으로써 실시간으로 누설전류를 감지하여 비정상 단계에 접어들자마자 조치를 취하게 하여 누전사고를 사전에 예방이 가능하게 된다. 과전류에 대한 감지 방식을 별도의 MCU 모듈을 통해 신속하게 파악할 수 있어 전기 사고를 신속히 방지 할 수 있다. 원격 감지 시스템이 가능하여 전력 이상여부를 쉽게 파악할 수 있다. 또한 전기/전자기기의 과전류 및 누전을 실시간으로 모니터링하고 위험시 자동으로 전원을 차단할 수 있어 전기안전사고 예방에 탁월한 기여를 할 수 있을 것으로 예상되어 매년 증가하는 인명, 재산 피해를 최소화할 수 있다. 또한, 전기 차단장치들을 최소 기기 단위로 내림으로써 공장 등 산업체 장비들에 적용 되었을 경우 누전이나 과전류 등으로 인한 다수의 정상 기기들의 동작에 영향을 미치지 않게 되어 생산 시설의 운영 피해를 최소화 하고 계획적인 운영을 가능하게 한다. 나아가 본 발명에 따른 센서 네트워크형 원격 누전감지 및 차단 시스템은 기존의 누전 차단기에 MCU 모듈과 통신 모듈을 통합 설계하여 저항성 누설 전류는 물론 과전류에 대한 신속한 차단이 가능하다. 또한 원격 감시 및 제어가 가능하기에 사용자 편의성 및 안전성이 증가할 것이며, 전기 재해 방지로 인명 및 경제적 손실 예방이 가능할 것으로 예상된다. According to the sensor network type remote leakage detection and shutdown system, resistive leakage current technology which has been applied only to some expensive measuring instruments and related products can be generalized. In addition, by accurately measuring the resistive leakage current, the leakage current is sensed in real time, and as soon as it enters the abnormal phase, measures are taken to prevent a short circuit accident in advance. The detection method of the overcurrent can be grasped quickly by the separate MCU module, and the electric accident can be prevented quickly. A remote sensing system is available to easily identify power anomalies. In addition, it can monitor the overcurrent and electric leakage of electric / electronic devices in real time and automatically cut off the power at the time of danger, so it can be expected to make an excellent contribution to prevention of electric safety accidents. In addition, when the electric cutoff devices are applied to industrial equipment such as factories by lowering the electric cutoff devices by the minimum devices, it does not affect the operation of many normal devices due to leakage or overcurrent, . Further, the sensor network type remote leakage detection and shutdown system according to the present invention can integrate the MCU module and the communication module in the existing earth leakage breaker to enable rapid shutdown of the overcurrent as well as the resistive leakage current. In addition, remote monitoring and control is possible, so user convenience and safety will be increased, and it is expected that prevention of personal injury and economic loss will be possible due to prevention of electric disaster.

도 1 내지 도 92는 본 발명에 따른 센서네트워크형 원격누전감지 및 차단시스템을 설명하기 위한 도면이다.1 to 92 are views for explaining a sensor network type remote leakage detection and shutdown system according to the present invention.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 센서네트워크형 원격누전감지 및 차단시스템에 대해 상세하게 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a sensor network type remote leakage detection and shutdown system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

누전차단기는 누설전류에 의한 전기화재 또는 인체 감전사고 등을 방지하기 위하여 기준치 이상의 누설전류가 흐르는 경우 회로를 차단하는 장치로 모든 전선로에 의무적으로 설치하도록 규정하고 있다. 전선로에 흐르는 누설전류는 일반적으로 저항성 누설전류(Resistive Leakage Current,

Figure pat00001
)와 용량성 누설전류(Capacitive Leakage Current,
Figure pat00002
)로 구성된다. 저항성 누설전류는 전원전압과 동상인 성분으로 전선로 또는 전선로에 연결된 부하의 대지 절연저항의 열화가 주된 요인이다. 저항성 누설전류가 흐르면 발열량(
Figure pat00003
)에 의하여 주변온도가 높아지고, 선로 주변에 발화점이 낮고 폭발의 위험성이 있는 분진, 가스(Gas) 등의 인화성물질이 존재 하는 경우에는 화재 등 전기재해를 일으키게 되며, 특히 저항성 누설전류가 인체를 통하여 흐르는 경우에는 인명사고를 유발하게 된다. 한편 용량성 누설전류는 전원전압보다 위상이 90빠른 성분으로 전선로 또는 전선로에 연결된 부하와 대지간의 정전용량으로 인하여 흐르게 된다. 특히 접지된 금속관 내부에 전선로가 설치되는 경우와 같이 전선로의 대지 정전용량이 큰 경우에는 비교적 많은 양의 용량성 누설전류가 흐르게 된다. 그러나 용량성 누설전류는 저항성 누설전류와는 달리 변위전류(Displacement current)의 형태로 흐르고, 따라서 전기화재와 같은 재해를 유발하지 않는 성분이라 할 수 있다.The leakage circuit breaker is a device that cuts off the circuit when a leakage current above the reference value flows in order to prevent an electric fire or a human body electric shock due to a leakage current. The leakage current flowing through the electric line is generally referred to as resistive leakage current,
Figure pat00001
) And capacitive leakage current (Capacitive Leakage Current,
Figure pat00002
). The resistive leakage current is a component that is in phase with the supply voltage and is mainly caused by deterioration of the ground insulation resistance of the load connected to the electric wire or the electric wire. When a resistive leakage current flows, the calorific value (
Figure pat00003
), When the surrounding temperature is high and the ignition point is low around the line and there is a flammable substance such as dust or gas which is a danger of explosion, it causes an electric disaster such as a fire. Especially, If it flows, it will cause human accidents. On the other hand, the capacitive leakage current flows due to the capacitance between the ground and the load connected to the electric wire or the electric wire by the component whose phase is 90 times faster than the power supply voltage. Particularly, when the earth capacitance of the electric wire is large, as in the case where the electric wire is installed in the grounded metal pipe, a relatively large amount of capacitive leakage current flows. However, the capacitive leakage current flows in the form of displacement current unlike the resistive leakage current, so it can be said that it does not cause disaster such as electric fire.

도 1은 현재 널리 보급되어 있는 가정용 단상 누전차단기를 나타낸 것으로 크게 누설전류 검출부, 제어회로, 개폐기구로 구성된다. 누설전류가 흐르지 않는 경우 영상변류기 내부에서는 두 전류(

Figure pat00004
,
Figure pat00005
)에 의한 자장이 서로 상쇄되어 영상변류기 2차측의 출력은 영이 된다. 그러나 전선로에 누설전류가 흐르면 전류의 균형이 붕괴되어, 영상변류기 2차측에는 두 전류의 차이에 비례하는 신호가 출력되고, 일정 이상의 누설전류가 흐르면 차단기가 동작하여 선로를 개방시킨다. 즉, 도 1의 현재 이용 중인 누전차단기는 저항성 누설전류는 물론 용량성 누설전류에 의해서도 동작하여 회로를 차단하게 됨을 알 수 있다. 따라서 용량성 누설전류가 아주 작은 경우에는 그 동작에 별 문제가 없지만, 전선로가 금속성 보호관 내에 설치되는 경우와 같이 용량성 누설전류가 많이 흐르는 경우에는 저항성 누설전류가 아주 작은 경우에도 회로를 차단하게 된다. 이는 엄밀한 의미에서는 누전차단기의 오동작에 의하여 회로가 차단됨을 의미하여, 이로 인하여 많은 문제들이 야기되고 있다. 특히 누설전류로 인한 전기재해를 방지하기 위하여 누설 감도전류를 현행 30mA에서 15mA 등으로 낮추는 경우에는 더욱 심각해진다. 이러한 점들을 고려할 때 누설전류에 의한 전기재해를 방지한다는 관점에서 보면 누전차단기는 마땅히 저항성 누설전류에 의하여 동작하여야 한다.FIG. 1 shows a household single-phase circuit breaker which is widely used today, and is largely composed of a leakage current detector, a control circuit, and a switch. If leakage current does not flow, two currents (
Figure pat00004
,
Figure pat00005
) Are canceled each other and the output of the secondary side of the video transformer becomes zero. However, when the leakage current flows through the electric line, the current balance is collapsed, a signal proportional to the difference between the two currents is output to the secondary side of the image transformer, and when the leakage current exceeds a certain value, the circuit breaker operates to open the line. That is, it can be seen that the current leakage circuit breaker currently in use in FIG. 1 operates also by the resistive leakage current as well as the capacitive leakage current, thereby blocking the circuit. Therefore, when the capacitive leakage current is very small, there is no problem in its operation. However, when a large amount of capacitive leakage current flows, such as when the power line is installed in the metallic protection tube, the circuit is shut off even if the resistive leakage current is very small . This means that the circuit is cut off due to a malfunction of the earth leakage breaker in a strict sense, which causes a lot of problems. Especially, when the leakage sensitivity current is reduced from the current 30 mA to 15 mA in order to prevent an electric disaster caused by the leakage current, it becomes more serious. Considering these points, the earth leakage circuit breaker should operate by resistive leakage current in view of preventing electric disaster caused by leakage current.

이러한 필요성으로 합성 누설전류로부터 저항성 누설전류를 분리 검출하기 위한 몇몇 방법들이 개발되고 있으며, 본 연구진은 이미 이들 방법들의 장단점을 소상히 비교분석한 바 있다. 저항성 누설전류 검출법이 동작시간 규정치가 30ms인 누전차단기에 적용되기 위해서는 현재 이용 중인 개폐기구의 동작시간 (대략 6ms)을 감안할 때, 저항성 누설전류의 검출시간은 대략 24ms 이하라야 한다. 그러나 기존에 제안되거나 개발된 방법들은 저항성 누설전류 검출 시간이 과다하여 대부분 누전차단기에 적용하기에는 부적합하다.This need has led to the development of several methods to detect and isolate the resistive leakage current from the composite leakage current. We have already compared and analyzed the advantages and disadvantages of these methods. In order for the resistive leakage current detection method to be applied to the ground fault circuit breaker with the operation time specification value of 30 ms, the detection time of the resistive leakage current should be approximately 24 ms or less in consideration of the operation time (approximately 6 ms) of the opening / closing mechanism currently used. However, the proposed and developed methods are inadequate for application to the earth leakage circuit breaker due to excessive resistance leakage current detection time.

본 발명에 따른 누전차단기는 저항성 누설전류 검출시간이 이론상 최대 16.67ms이하이며, 간단한 소자들로만 구성되어 향후 가격경쟁력을 유지할 수 있는 새로운 저항성 누설전류에 의하여 동작한다.The leakage circuit breaker according to the present invention operates with a new resistive leakage current which can be maintained in price competitiveness in the future because the leakage current detection time of the leakage current is theoretically maximum 16.67ms or less.

선로에 흐르는 합성 누설전류의 순시치

Figure pat00006
는 수학식 1과 같이 표현된다.The instantaneous value of the composite leakage current flowing in the line
Figure pat00006
Is expressed by Equation (1).

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서,

Figure pat00008
는 합성 누설전류의 실효치로서 저항성 누설전류 실효치(
Figure pat00009
)와 용량성 누설전류 실효치(
Figure pat00010
)와는 수학식 2와 같은 관계를 가진다.here,
Figure pat00008
Is the effective value of the composite leakage current and the effective value of resistive leakage current (
Figure pat00009
) And capacitive leakage current effective value (
Figure pat00010
) Have the relationship as shown in Equation (2).

Figure pat00011
Figure pat00011

θ는 전원전압과 합성 누설전류(

Figure pat00012
)와의 위상차이다. 이로부터 저항성 누설전류(
Figure pat00013
)를 구하기 위하여,
Figure pat00014
를 전원전압의 한주기에 대하여 적분만 한 것을
Figure pat00015
, 그리고 이의 평균치를
Figure pat00016
라고 하면 이들은 각각 수학식 3과 수학식 4로 표현된다.θ is the supply voltage and the composite leakage current (
Figure pat00012
). From this, resistive leakage current (
Figure pat00013
),
Figure pat00014
Is integrated only for one period of the power supply voltage
Figure pat00015
, And the average value of
Figure pat00016
They are expressed by Equations (3) and (4), respectively.

Figure pat00017
Figure pat00017

Figure pat00018
Figure pat00018

여기서, 수학식 4는 적분연산과 평균연산을 분리하여 수행하지 않고 저역통과필터를 이용하여 DC성분(평균치)을 직접 검출할 수 있음을 의미한다. 그러나 이 방법은 앞서 기술했듯이 검출시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 따라서 검출시간을 단축하기 위해 본 발명에서 제시한 검출이론은 아래와 같은 수학식 5로 표현된다.Equation (4) means that the DC component (average value) can be directly detected using a low-pass filter without separately performing the integral operation and the averaging operation. However, this method has a disadvantage in that detection time is long as described above. Therefore, in order to shorten the detection time, the detection theory proposed by the present invention is represented by the following equation (5).

Figure pat00019
Figure pat00019

이는 반주기에 대한 적분만으로도 저항성 누설전류를 검출할 수 있음을 의미한다. 통상 이 과정은 연산증폭기(OP-AMP)와 커패시터(capacitor)를 이용하여 쉽게 구현 될 수 있으며, 이 연산과정에서 처음 반주기 동안의 적분연산이 종료되면 다음 반주기 신호가 입력되기 전에 반드시 적분기를 초기화 시켜야 한다. 왜냐하면 초기화 과정이 없으면 적분된 결과가 누적되어 연산증폭기의 포화전압으로 포화되기 때문이다. 따라서 적분기를 초기화시키기 위한 초기화 신호가 별도로 필요하며, 이것은 전원전압 신호로부터 얻을 수 있다.This means that it is possible to detect the resistive leakage current by integrating only the half period. In general, this process can be easily implemented using an operational amplifier (OP-AMP) and a capacitor. When the integration operation for the first half period is completed in this calculation process, the integrator must be initialized before the next half- do. This is because if the initialization process is not performed, the result of integration is accumulated and saturated with the saturation voltage of the operational amplifier. Thus, an initialization signal is needed to initialize the integrator, which can be obtained from the supply voltage signal.

또한 반주기 동안의 적분연산 후 출력된 신호 중 저항성 누설전류(

Figure pat00020
)에 해당하는 부분은 적분연산이 종료되는 시점에서 적분기가 초기화되는 순간까지만 출력되기 때문에, 이 시간동안에 신호를 취득하기 위해서는 별도의 샘플링 회로를 이용해야 한다. 본 발명에서는 전원전압 신호로부터 샘플링 신호를 구하였다.In addition, the resistive leakage current
Figure pat00020
) Is output only until the instant at which the integrator is initialized at the end of the integral operation. Therefore, in order to acquire the signal during this time, a separate sampling circuit must be used. In the present invention, a sampling signal is obtained from a power supply voltage signal.

도 2는 본 발명에서 제시된 저항성 누설전류 산출 알고리즘을 나타낸 것으로, 전원 전압으로부터 각종 신호들을 만들어 내는 부분, 각 신호들로부터 저항성 누설전류의 산출을 위한 적분을 수행하는 부분, 그리고 적분결과를 샘플링하여 최종적인 저항성 누설전류를 출력하는 부분으로 구성된다.FIG. 2 illustrates a resistive leakage current calculation algorithm according to an embodiment of the present invention. The resistive leakage current calculation algorithm includes a part generating various signals from a power supply voltage, a part performing integration for calculating a resistive leakage current from each signal, And outputs a resistive leakage current.

전원전압을 검출하여 전원의 반주기마다 동기신호를 발생시킨다. 그리고, ZCT(Zero Current Transformer)를 통해 검출한

Figure pat00021
를 반파적분기로 보내어 동기신호에 따라 전원의 반파 기간씩 적분하면, 전원의 반파 마다 저항성 누설전류가 얻어진다. 이 때, 전류센서를 이용하여 사용 전류를 측정할 수 있다. 도 3에는 이상을 구현한 누전차단기의 블록 다이어그램이 도시되어 있다.Detects a power supply voltage, and generates a synchronization signal every half cycle of the power supply. Then, the detected ZCT (Zero Current Transformer)
Figure pat00021
To the half-wave integrator and integrates the half-wave period of the power source according to the synchronizing signal, a resistive leakage current is obtained for each half-wave of the power source. At this time, the current used can be measured using the current sensor. Fig. 3 shows a block diagram of a circuit breaker implementing the above.

국제 표준 2.4GHz 무선 통신(IEEE 802.15.4) 모듈을 통한 저항성 누전 차단기를 제어할 수 있도록 통신 모듈을 설계한다. 이때 통신 모듈은 0.3W 이내의 저전력 구동 회로를 설계한다. 기존 누전 차단기의 계측 회로를 통한 과전류, 누전 감시 및 전력 사용량을 측정하여 통신 모듈을 통하여 서버와 양방향 무선 통신을 하면서 측정 데이터를 서버로 전송한다. 또한, 누설전류 차단 기준 이상의 전류가 흐를 경우 자동으로 누전 차단기가 작동하면서 서버로부터 차단 신호를 수신하여 누전 차단기가 작동할 수 있도록 차단기에 적용 가능한 통신 모듈을 개발한다. 도 4는 설계하고자 하는 원격 제어가 가능한 저항성 누전 차단기의 구성도이다.Design the communication module to control the resistive earth leakage breaker through the international standard 2.4GHz wireless communication (IEEE 802.15.4) module. At this time, the communication module design low power driving circuit within 0.3W. Measure the overcurrent, leakage current, and power consumption through the measurement circuit of the existing earth leakage breaker, and transmit the measurement data to the server while performing bidirectional wireless communication with the server through the communication module. In addition, if a current exceeding the leakage current cutoff criterion flows, the communication circuit module that can be applied to the circuit breaker is developed so that the earth leakage breaker can be operated by automatically receiving the cutoff signal from the server while operating the earth leakage breaker. Fig. 4 is a configuration diagram of a resistive earth leakage breaker capable of remote control to be designed.

원격 저항성 누전 차단기를 제어할 수 있는 도 5와 같이 원격 감시/제어 서버 시스템을 개발한다. 원격 감시/제어를 위한 모듈간 통신기술로는 IEEE 802.15.4를 적용한다. IEEE 802.15.4는 근거리 무선 네트워크의 표준규격으로서, 저전력 및 20K~250Kbps의 전송속도를 특징으로 한다. 내장형 안테나를 사용하여 소형 통신 모듈을 설계한다. 서버 시스템은 전기 사용량, 전기 요금 및 누전 등의 정보를 표시하여 사용자 편의성을 증대할 계획이다. 또한, 저항성 누설전류 및 누전차단기의 정상 동작 여부를 실시간으로 감시할 수 있다. 또한, 과전류, 저항성 누설전류의 이력을 관리하고 분석할 수 있고, 필요시 서버 시스템에서 제어신호를 보내어 누전차단기를 동작시킬 수 있다.A remote monitoring / control server system is developed as shown in Fig. 5, which can control the remote resistive earth leakage breaker. IEEE 802.15.4 is applied to the inter-module communication technology for remote monitoring / control. IEEE 802.15.4 is a standard for short-range wireless networks, featuring low power and a transmission rate of 20K to 250Kbps. Design small communication module using built-in antenna. The server system plans to increase user convenience by displaying information such as electricity usage, electricity rate and short circuit. In addition, it is possible to monitor in real time whether or not the resistive leakage current and the normal operation of the earth leakage breaker. Also, the history of overcurrent and resistive leakage current can be managed and analyzed, and if necessary, the earth leakage breaker can be operated by sending a control signal from the server system.

원격 감시 및 제어가 가능한 응용 프로그램을 개발한다. 응용 프로그램은 원격 누전감지 및 제어 S/W와 누설전류/과전류 이력관리용 DB 연동 프로그램으로 구성된다. 최종적으로는, 누전차단기에 IEEE 802.15.4 통신모듈을 통합하여 원격 누전 감시/제어 모듈을 구현한다. 그리고, 중앙 서버를 구축하고 응용 프로그램을 제공하여, 시연 가능한 수준까지 개발한다. Develop applications that can be remotely monitored and controlled. The application program consists of remote leakage detection and control S / W and DB linked program for leakage current / overcurrent history management. Finally, the remote leakage monitoring / control module is implemented by integrating the IEEE 802.15.4 communication module in the earth leakage breaker. Then build a central server, provide application programs, and develop to a demonstrable level.

저항성 누설전류 및 과전류 복합 계측 회로 모듈과 원격 감시/제어 모듈들 간에 정확한 신호 전송이 이루어져야 원격 제어를 통한 차단기의 오동작을 줄일 수 있다. 이에 기존 각각의 모듈의 전자장 분포에 대한 분석을 통하여 신호 전송이 원활하지 못한 부분을 찾아야 한다. 이를 위해 설계된 PCB 기판을 도 6과 같이 EM 시뮬레이션 툴로 모델링하여 각각의 영향에 맞는 테스트를 진행한다.Accurate signal transmission between the resistive leakage current and overcurrent composite measurement circuit module and the remote monitoring / control modules must be performed to reduce the malfunction of the circuit breaker through the remote control. Therefore, it is necessary to find the part where the signal transmission is not smooth by analyzing the electromagnetic field distribution of each existing module. The PCB substrate designed for this purpose is modeled by an EM simulation tool as shown in FIG.

시스템 모듈의 전자장 분포에 대한 분석을 통하여 불요파를 저감하기 위해 PCB 및 접지 구조에 대하여 최적 설계를 수행할 계획이다. 여기서 최적 설계는 진화전략 알고리즘을 이용할 계획이다. 진화전략 알고리즘은 확률론적 최적화 방법 중 하나로 미리 정한 설계 변수 집합이 첫 번째 부모세대가 된다. 이 부모 세대로부터 일정한 범위 내에서 확률 변수를 발생하여 다음세대를 생성시킨다. 생성된 세대는 부모세대와 구분하여 자식세대라고 하는데 부모세대와 자식세대 전체를 통해 원하는 목적함수 값에 가장 적합한 변수 집합을 택하여 다음 부모 세대를 구성한다. 이런 과정을 거치면서 변이의 변화폭을 조절하면서 목적함수에 가장 부합되는 최적 설계 변수들을 구하는 방법이다. 따라서 도 7에 도시된 바와 같은 진화전략 기법을 구현하여 최적의 센서네트워크형 원격누전감지 및 차단시스템 회로 모듈 및 차폐 구조를 설계한다.By analyzing the electromagnetic field distribution of the system module, we plan to optimize the PCB and ground structure in order to reduce unnecessary waves. Here, the optimal design is to use an evolutionary strategy algorithm. The evolutionary strategy algorithm is one of the probabilistic optimization methods, and the predetermined set of design variables becomes the first parent generation. Generate random variables within a certain range from this parent generation to generate the next generation. Generated households are separated from the parent households and are called child households. The parent households constitute the next parent household by choosing the most suitable set of variables for the desired objective function values through the parent households and the whole child households. In this way, the optimal design parameters that best match the objective function are obtained while controlling the variation of the variation. Therefore, an optimal sensor network type remote leakage detection and shutdown system circuit module and a shielding structure are designed by implementing an evolutionary strategy technique as shown in FIG.

누전차단 시스템이외에 센서 네트워크 모듈을 통합하기 위해 복잡한 선로가 다층 기판에 설계되어야 한다. 이때 선로간의 간섭에 의해 신호전달이 원활하지 않을 수 있다. 이에 본 발명에서는 도 8에 도시된 바와 같이 선로간의 영향을 최소화 할 수 있도록 최적화 기법을 적용하여 전기적 잡음을 최소화한다.In addition to earth leakage protection systems, complex lines must be designed on multilayer boards to integrate sensor network modules. At this time, signal transmission may not be smooth due to interference between lines. In the present invention, as shown in FIG. 8, the optimization technique is applied to minimize the influence of the lines, thereby minimizing the electrical noise.

원격 누전 차단/제어 시스템의 최적 접지 및 차폐구조를 설계하기 위해 설계변수는 도 9에 도시된 바와 같이 sub-ground 접지점의 위치, 상부 기판의 길이와 폭(Lpp, Wpp), 신호가 전달되는 port 2의 위치(Xp1,Yp2,Zp2)등과 같이 설정하며, 목적함수는 Z21의 impedance profile을 최소화하는 scalar 함수로 정한다. 이와 같이 시스템 PCB 기판의 최적 접지 구조에 대하여 최적 설계를 수행하여 시스템 모듈의 오작동율을 최소화하고자 한다. In order to design the optimal grounding and shielding structure of the remote earth leakage protection / control system, design variables are set as follows: the position of the sub-ground ground point, the length and width of the upper substrate (Lpp, Wpp) 2 position (Xp1, Yp2, Zp2), and the objective function is determined by a scalar function that minimizes the impedance profile of Z21. In this way, optimal design of the optimal grounding structure of system PCB board is performed to minimize the malfunction rate of the system module.

원격 누전 차단/제어 시스템과 전력선은 서로 연결되어 있다. 특히 전력선은 원격 누전 차단/제어 시스템 외함의 입출력 커넥션용 개구를 통해 들어오며, 이 개구는 내외부의 전자계를 결합시키는 역할을 한다. 이에 원격 누전 차단/제어 시스템 외함은 내외부의 전자계를 차단하여 외부 전력의 전자계에 의한 내부 모듈의 오동작을 차단할 수 있어야 한다.The remote earth leakage protection / control system and the power line are connected to each other. Particularly, the power line enters through an opening for input / output connection of a remote earth leakage blocking / control system enclosure, and this opening serves to combine the electromagnetic fields inside and outside. Therefore, the remote ground fault interception / control system enclosure should be able to block internal and external electromagnetic fields to prevent malfunction of the internal module due to the electromagnetic field of external electric power.

본 발명에서는 도 10에 도시된 바와 같이 외함의 전자파 차폐 분석을 통하여 외함의 최적 구조를 설계한다. 원격 누전 차단/제어 시스템과 전력선의 연결을 위한 개구면에 대한 연구를 수행할 계획이다. 개구면의 위치 및 크기에 따른 차폐 성능을 분석할 것이다. 외함 개구면의 설계 변수에 대한 진화전략 알고리즘을 이용하여 최적의 원격 누전 감시/제어 시스템 외함 차폐 구조를 설계한다.In the present invention, as shown in FIG. 10, an optimal structure of the enclosure is designed through electromagnetic wave shielding analysis of the enclosure. We plan to conduct a study on the opening surface for the connection of the remote earth leakage prevention / control system and the power line. The shielding performance according to the position and size of the opening surface will be analyzed. We design an optimal remote leakage monitoring / control system enclosure shielding structure using the evolution strategy algorithm for the design parameters of the enclosure opening surface.

도 11에 도시된 바와 같은 기존 누전 차단기를 활용하여 누설전류와 과전류를 감지하여 원격 서버에서 차단기를 제어할 수 있도록 통신 모듈에 측정 정보를 제공할 수 있도록 설계한다.The leakage current and the overcurrent are detected by using the existing earth leakage breaker as shown in FIG. 11, and the measurement information is provided to the communication module so that the remote server can control the breaker.

도 5에서와 같이 차단기 및 통신 모듈은 커넥터를 통해 센서 신호 및 제어 신호를 교환하게 되어, 기존 시설물에 설치가 매우 용이한 형태이다. 누전 차단기의 계측 회로에서 통신 모듈에 누설전류와 과전류 측정 정보는 물론 동기 신호를 전송할 수 있도록 설계하며 통신 모듈로부터 원격 제어 신호를 수신하여 차단기가 작동할 수 있도록 차단기와 통신 모듈간의 전송선로를 설계한다. 여기서 신뢰성과 기능성을 갖는 커넥터의 선정이 전체 성능과 직접적인 관계가 있어 많은 연구와 검증이 필요하다. As shown in FIG. 5, the circuit breaker and the communication module exchange sensor signals and control signals through the connector, which is a very easy to install in existing facilities. In the measuring circuit of the earth leakage breaker, the communication module is designed to transmit the leakage current and the overcurrent measurement information as well as the synchronization signal, and the transmission line between the circuit breaker and the communication module is designed so that the breaker can operate by receiving the remote control signal from the communication module . Here, the selection of a connector having reliability and functionality is directly related to the overall performance, and thus, much research and verification is required.

원격 누전 차단기는 전기안전과 직결되는 중요한 장치로 안전성 및 지속적인 신뢰성을 요구하게 된다. 이에 통신 모듈이 통합된 누전 차단기의 상용화 단계에 앞서 시작품의 성능을 자체 테스트를 거쳐 공인 시험 기관을 통하여 시험을 하고자 한다. 이에 본 발명에 따른 차단기를 시험받기 위해 배선용 차단기 규격(K60898-1, K60947-1,-2) 및 누전차단기 규격(K61008, K61009, K60947-2(부속서 B))에 대하여 도 12와 같이 시험 절차에 따라 한국 전기 연구원 등의 시험기관을 통하여 통신 모듈을 통합한 누전 차단기에 대한 시험을 수행할 계획이다. 시험 기관과 시험항목 및 방법에 관한 협의 과정에서 일반적인 차단기 규격 항목뿐만 아니라 통신 모듈에 대한 시험항목을 추가하여 원격 제어 차단기에 대한 시험을 수행하고자 한다. 그리고 원격 제어 누전차단기에 대하여 시험기관에 시험을 의뢰하여 검사를 수행하면서 필요에 따라 차단기 규격을 만족할 수 있도록 보완 수정한다.The remote circuit breaker is an important device directly connected with electrical safety and requires safety and continuous reliability. Therefore, before the commercialization of the earth leakage breaker with communication module integrated, the performance of the prototype should be tested through an independent testing laboratory through self-testing. In order to test the circuit breaker according to the present invention, the circuit breaker specifications (K60898-1, K60947-1, -2) and the earth leakage circuit breaker specifications (K61008, K61009, K60947-2 The test will be carried out on a circuit breaker incorporating a communication module through a testing institute such as the Korea Electrotechnology Research Institute. In the process of consultation with test institutes and test items and methods, tests on remote control circuit breakers are to be carried out by adding test items to communication module as well as general breaker specification items. In addition, the remote control earth leakage circuit breaker shall be inspected by the test institute and shall be supplemented and modified so as to satisfy the breaker specification as necessary.

누전차단기(ELB-Earth Leakage Breaker)는 교류 600V 이하의 저압선로에 감전, 화재 및 기계, 기구의 손상 등을 방지하기 위해 설치하는 것으로 주된 사용 목적은 감전보호, 누전화재 보호, 진기설비 및 전기기기의 보호, 기타 다른 계통으로의 사고 파급 방지 등이 있다. Earth Leakage Breaker (ELB-Earth Leakage Breaker) is installed to prevent electric shock, fire and damage of machine and equipment in low voltage line of AC 600V or less. Main purpose of use is electric shock protection, leakage fire protection, Protection of the environment, and prevention of the spread of accidents to other systems.

누전차단기의 누전보호 기능을 결정하는 기본적인 정격으로는 감도전류와 동작시간이 있다. 정격감도 전류는 인체에 직접적인 활선 접촉에서 치명적인 타격을 받지 않도록 보호하려면 30mA 이하의 고감도형을 사용하여야 하고 누전화재 등을 방지하려면 200mA, 500mA, 1000mA의 중감도형이 사용된다. 누전차단기의 감도종류에 따른 분류는 표 2와 같다.The basic ratings for determining the leakage protection function of the earth leakage breaker are sensitivity current and operating time. The rated sensitivity current should be 30mA or less for protection against lethal hit by direct live contact to the human body, or 200mA, 500mA, 1000mA for preventing leakage fire. Table 2 shows the classification according to the type of sensitivity of the earth leakage breaker.

감도 전류Sensitivity current 사용 목적purpose of use 고감도형
(5,6,10,15,30mA)
High sensitive type
(5, 6, 10, 15,
- 습윤한 장소 등 감전 위험성이 높은 경우
- 실수로 인체가 활선에 접촉한 경우의 보호
- 이동형, 가반형 등 접지선이 단선할 우려가 있는 경우
- 접지공사가 곤란한 경우
- When the risk of electric shock is high, such as in a wet place
- protection against human body accidental contact with live wire
- If there is a risk of disconnection of grounding wire such as mobile type or portable type
- When grounding is difficult
중감도형
(100,200,500,1000mA)
Medium sensitivity type
(100, 200, 500, 1000 mA)
- 기기접지가 확실하게 되어있는 회로로서 누전에 의한 감전 보호를 하는 경우
- 누전화재 보호를 목적으로 하는 경우
- 고감도형에서 불필요 동작을 하는 경우
- When the equipment is grounded and the electric shock is protected by a short circuit
- For the purpose of protection against short-circuiting fire
- In case of unnecessary operation in high sensitivity type

누전차단기의 누전검출 원리에 따라 그림 2.1과 같이 전압동작형과 전류동작형의 두 종류가 있다. There are two kinds of voltage-operated type and current-operated type as shown in Fig 2.1 depending on the leakage detection principle of the earth leakage breaker.

도 13(a)의 전압동작형은 전용의 접지선을 갖고 지락사고가 발생한 경우 대지를 경유해서 그 접지선에 복귀하는 지락전류를 전압적으로 검지하여 동작한다. 전류동작형은 지락전류를 직접 검출하는 영상변류기(ZCT)를 사용한 방식으로 현재 대부분이 이 방식을 채택하고 있다.The voltage-operated type shown in Fig. 13 (a) operates by detecting a ground fault current having a dedicated ground line and returning to the ground line via a ground when a ground fault occurs. The current-operated type uses a ZCT (Zero Current Transformer) that directly detects a ground fault current, and most of them are currently adopting this method.

전류동작형의 누전차단기에서는 ZCT의 출력 크기를 판단하여 차단기구를 동작시키는 검출동작방식으로 순전자식과 전자식의 두 종류가 있다. 순전자식은 ZCT의 출력을 영구자석을 사용한 자기회로에 직접 유도하고 자석의 흡인력을 저감시켜 동작시키는 방식이다. 이 방식은 제어전원을 필요로 하지 않기 때문에 누전차단기 전원측이 결상상태가 되더라도 누전보호가 가능한 장점이 있다. 반면 소형화가 어렵고 다양한 감도전류의 종류가 힘든 단점이 있다.There are two types of current-operated leakage circuit breakers: pure electronic and electronic. The net electronic system directs the output of the ZCT directly to the magnetic circuit using a permanent magnet and operates by reducing the attracting force of the magnet. This method does not require a control power source, so there is an advantage that leakage current can be protected even if the power source side of the earth leakage breaker is in a phase-lag state. On the other hand, it is difficult to miniaturize and various kinds of sensitivity currents are difficult to make.

전자식은 ZCT의 출력을 전자회로로 판단하여 동작시키는 것으로 누전차단기의 전자회로는 반도체 소자의 소형화와 기술의 발달로 누전차단기의 소형화 및 다기능화가 가능하다.The electronic circuit determines the output of the ZCT as an electronic circuit and operates it. The electronic circuit of the earth leakage breaker can be miniaturized and multi-functionalized by the miniaturization of the semiconductor device and the development of the technology.

ZCT를 사용하는 누전차단기의 동작 원리는 누전이 없는 상태에서는 ZCT를 통해 흐르는 전류와 돌아가는 전류가 같은 값으로 되어 있고 흐르는 전류에 따라 ZCT에 발생하는 자속은 서로 상쇄지만 도 14(b)와 같이 누전이 발생하면 ZCT를 통해 흐르는 전류 차가 발생하여 이 전류차에 의해 ZCT에 자속이 생겨 ZCT의 2차측에 전압이 유기된다. 이 유기된 전압을 증폭부를 포함한 검출부에서 감지하여 트립부에서 회로를 차단하게 된다.The operation principle of the earth leakage breaker using ZCT is that the current flowing through the ZCT and the current flowing through the ZCT are the same in the absence of leakage current and the magnetic fluxes generated in the ZCT cancel each other according to the flowing current, , A current difference flowing through the ZCT is generated, and a magnetic flux is generated in the ZCT due to the difference in current, and a voltage is induced in the secondary side of the ZCT. The induced voltage is detected by the detection unit including the amplification unit, and the circuit is shut off by the trip unit.

일반적인 누전차단기의 증폭부를 포함한 검출부는 누전차단기 전용 IC를 이용하여 도 15와 같이 구성한다.The detection section including the amplification section of a general earth leakage breaker is configured as shown in Fig. 15 by using an IC for the earth leakage breaker.

ZCT에 유기된 전압을 증폭하는 전용 IC는 일반적으로 GL7101을 사용한다. GL7101의 내부는 도 16과 같이 입력부와 타이밍 회로 및 출력부로 구성되어 있다.The dedicated IC for amplifying the voltage induced in the ZCT generally uses the GL7101. The inside of the GL 7101 is composed of an input section, a timing circuit, and an output section as shown in FIG.

누전 차단기의 전용 IC의 입력부는 ZCT의 입력 신호를 받아 기준전압과 비교하여 커퍼시터를 충전하여 지연시간을 얻어내는 타이밍 회로를 통해 출력부에서 latch 회로를 구동하여 차단회로에서 전류를 차단하는 회로로 구성되어 있다.The input part of the dedicated IC of the earth leakage breaker is a circuit that receives the input signal of ZCT, compares it with the reference voltage, charges the capacitor, and obtains the delay time. Consists of.

도 17은 전용 IC의 입력부의 회로이다. 입력부는 입력된 전압과 기준전압을 비교하여 Q1을 구동시키는 기능을 수행한다.17 is a circuit of an input section of a dedicated IC. The input unit compares the input voltage with the reference voltage and drives the Q1.

비교기(Comp1A)가 동작하는 전압이 트립전압으로 일반적으로 13.5mV으로 설정한다. 따라서 Vin 전압이 Vref 전압과의 차가 13.5mV 이상으로 인가되면 비교기의 출력은 high가 되어 Q1이 On 상태가 된다. 반면 Vin 전압이 Vref 전압과의 차가 13.5mV 이하이면 비교기의 출력은 low가 되어 Q1이 off상태가 된다. ZCT에 유기된 전압을 검출하여 비교기를 통하여 정격 감도전류를 상회하면 타이밍 회로 및 출력부를 구동하게 한다.The voltage at which the comparator (Comp1A) operates is set to a trip voltage, typically 13.5 mV. Therefore, when the Vin voltage is higher than the Vref voltage by more than 13.5 mV, the output of the comparator becomes high and Q1 turns on. On the other hand, if the difference between the Vin voltage and the Vref voltage is less than 13.5 mV, the output of the comparator becomes low and Q1 turns off. When the voltage induced in ZCT is detected and exceeds the rated sensitivity current through the comparator, the timing circuit and the output section are driven.

입력부의 출력 신호를 받은 타이밍 회로는 지연커패시터의 용량에 따라 트립 시간을 조절하게 된다. 도 18은 타이밍 회로와 출력부의 구성도이다.The timing circuit that receives the output signal of the input unit adjusts the trip time according to the capacity of the delay capacitor. 18 is a configuration diagram of a timing circuit and an output section.

도 19에서 커패시터(CDLY)의 용량에 따라 충전시간으로 트립 지연 시간을 결정하게 된다. 트립 지연 시간은 수학식 6에 의해 구할 수 있다.In FIG. 19, the trip delay time is determined by the charging time according to the capacity of the capacitor CDLY. The trip delay time can be obtained by the equation (6).

Figure pat00022
Figure pat00022

여기서,

Figure pat00023
는 커패시터 용량이며
Figure pat00024
Figure pat00025
는 각각 Latch Threshold 전압과 Charaging 전류이다. here,
Figure pat00023
Is the capacitance of the capacitor
Figure pat00024
Wow
Figure pat00025
Are the Latch Threshold voltage and Charging current, respectively.

Positive 피드백 구조에 의해 SW는 계속적인 Open/Closed 상태를 유지하게 되어 Latch Operation이 4ms이상 지속 유지될 경우 Cmp2의 출력이 high를 유지하게 된다.The positive feedback structure keeps the SW open / closed continuously, and the output of Cmp2 maintains high when the latch operation is maintained for more than 4ms.

누전 차단기의 전용 IC에 대한 트립 동작 타이밍을 도 20에 나타내었다.The trip operation timing for the dedicated IC of the earth leakage breaker is shown in Fig.

도 20에서 알 수 있듯이 입력부에서 Vin의 전압이 Vref전압보다 13.5mV 이하일 때 입력부의 비교기(Cmp1)의 출력이 high를 유지하면서 타이밍 회로의 지연 커패시터를 충전하면서 트립시간을 지연시킨다. 커패시터가 충전이 이루어진후 타이밍 회로의 비교기(Cmp2)의 출력이 high가 되면서 차단회로가 구동하여 누전차단기가 작동하게 된다.As can be seen from FIG. 20, when the voltage Vin of the input unit is 13.5 mV or less than the voltage Vref, the output of the comparator Cmp1 of the input unit remains high while delaying the trip time while charging the delay capacitor of the timing circuit. After the capacitor is charged, the output of the comparator (Cmp2) of the timing circuit becomes high, so that the circuit breaker is driven to operate the circuit breaker.

기존의 누전차단기에 통신 모듈을 적용하여 원격 감지 및 제어가 가능한 원격 누전차단기를 설계하기 위해 도 21과 같은 기존의 누전차단기의 회로를 변경할 필요가 있다.It is necessary to change the circuit of a conventional earth leakage breaker as shown in Fig. 21 in order to design a remote earth leakage breaker that can be remotely sensed and controlled by applying a communication module to a conventional earth leakage breaker.

기존의 누전차단기는 전용 IC를 이용하여 도 21과 같이 분전반과 부하 사이의 전원 선로에 트립 코일에 의해 작동되는 트립 스위치가 직렬로 연결되며 누전차단기의 각 구성부에 공급될 전류를 정류하는 정류회로가 연결된다.The conventional earth leakage breaker uses a dedicated IC to connect a trip switch operated by a trip coil to a power line between the distribution board and the load in series as shown in Fig. 21, and a rectifier circuit for rectifying the current to be supplied to each component of the leakage circuit breaker Respectively.

기존의 누전차단기에서 ZCT에 의해 2차측에 유기되는 전류는 저항에 의해 전압으로 전환되어 전용 IC에서 증폭된다. 이때 증폭된 전압은 차단 감지 전류에 따른 기준 전압과 비교하여 전용 IC에서 제어회로의 스위칭용 트랜지스터를 ON/OFF 시켜 트립 코일이 트립 스위치를 작동하도록 한다. ZCT에 유기된 전류는 용량성 누설 전류를 포함하고 있어 직접적인 인명사고 및 화재와 같은 재해를 유발하는 저항성 누설 전류만을 검출 할 수 없다. 이에 본 발명에서 저항성 누설 전류를 검출하기 위해 ZCT에서 출력되는 전압을 별도의 검출 회로로 전송해야 한다. 또한 저항성 누설 전류를 계산하기 위해 AC 전원과 동기화 하면서 MCU(multipoint control unit) 모듈 에 전원을 공급할 수 있도록 전원회로를 구현하였다. MCU 모듈에서 과전류, 과전압을 검출할 수 있도록 누전 차단기의 기존회로에 과전류, 과전압 검출 회로를 추가 설계하였다.In the existing circuit breaker, the current induced by the ZCT on the secondary side is converted to a voltage by the resistor and amplified by the dedicated IC. At this time, the amplified voltage is compared with the reference voltage according to the blocking current, and the switching transistor of the control circuit is turned on / off in the dedicated IC so that the trip coil operates the trip switch. The current induced in ZCT contains capacitive leakage current and can not detect only resistive leakage current which causes disasters such as direct human accidents and fire. Therefore, in order to detect the resistive leakage current in the present invention, the voltage output from the ZCT must be transmitted to a separate detection circuit. In order to calculate the resistive leakage current, the power supply circuit is implemented to supply power to the multipoint control unit (MCU) module while synchronizing with the AC power supply. In order to detect the overcurrent and overvoltage in the MCU module, an overcurrent and overvoltage detection circuit is additionally designed in the existing circuit of the earth leakage breaker.

누전 차단기 전용 IC는 20V에서 구동하기하지만 저항성 누설전류 및 과전류, 과전압 검출 기능을 포함한 MCU 및 통신 모듈은 기본적으로 5V에서 구동하기 때문에 기존의 전원 회로를 이용할 수 없다. 이에 전용 IC와 MCU 모듈에 전원을 공급할 수 있도록 전원 회로를 구현하였다.However, the MCU and communication module including resistive leakage current, overcurrent, and overvoltage detection function are basically driven at 5V, so the conventional power supply circuit can not be used. Therefore, a power supply circuit is implemented to supply power to the dedicated IC and the MCU module.

도 22는 DC-DC 컨버터를 이용하여 통신 모듈과 접지 부분을 공용으로 사용함에 있어 누전차단기의 브릿지 회로 적용에 가장 이상적인 회로이다. 하지만 출력 전류가 최대 20mA이고 최대 전류 사용시 저항(#1)과 트랜지스터(#2)에서 열이 발생하며 통신 모듈이 구동하는데 최대 전류가 부족하여 도 23과 같이 전원회로를 수정하여 설계하였다.22 is an ideal circuit for applying a bridge circuit of an earth leakage breaker in using a communication module and a ground portion commonly using a DC-DC converter. However, when the maximum output current is 20mA and the maximum current is used, heat is generated in the resistor (# 1) and the transistor (# 2) and the maximum current is insufficient for the communication module to operate.

도 23과 같이 누전차단기 전용 IC의 전원과 통신 모듈의 전원 공급을 별도의 전원브릿지를 사용하여 회로를 구현하였다. 개별 전원브릿지 방식을 사용할 경우 안정화된 누전차단기를 구현할 수 있으나 MCU 모듈과 누전차단기의 전위가 다르기 때문에 접지를 공통으로 사용할 수 없는 단점이 있다. 이에 MCU 모듈의 저항성 누설전류를 계산하기 위한 AC 전원과의 동기화 결과가 누전차단기 전원과는 동기화가 다르기 때문에 누설 전류 검출 오차가 발생할 수 있는 문제점이 있다. As shown in FIG. 23, the circuit is implemented by using a separate power bridge for the power supply of the IC for the earth leakage breaker and the power supply of the communication module. However, since the potentials of the MCU module and the earth leakage breaker are different, there is a disadvantage that the grounding can not be commonly used. Therefore, there is a problem that the result of synchronization with the AC power source for calculating the resistive leakage current of the MCU module is different from that of the leakage circuit breaker power source, so that leakage current detection error may occur.

저항성 누설전류의 정확한 계산을 위해 누전차단기 전원과 MCU 모듈 전원의 동기화가 가능하도록 하나의 전원 브릿지를 이용하여 도 24와 같이 누전차단기 회로를 구현하였다.In order to accurately calculate the resistive leakage current, an earth leakage breaker circuit is implemented as shown in FIG. 24 using one power bridge so that the power of the earth leakage breaker and the power of the MCU module can be synchronized.

도 23과 같이 하나의 전원 브릿지 회로를 통하여 기존 차단기의 전용 IC 전원과 MCU 및 통신 모듈의 전원을 공급할 수 있도록 설계하였다. MCU 및 통신 모듈의 순간 최대 소비 전류가 80mA이므로 AC-DC 컨버터를 이용하여 브릿지 회로로부터 DC 5V의 100mA를 생성하여 MCU 모듈에 전원을 공급하도록 설계하였다. As shown in FIG. 23, one power supply bridge circuit is designed to supply the dedicated IC power of the conventional circuit breaker, and the power of the MCU and the communication module. Since the instantaneous maximum current consumption of the MCU and the communication module is 80mA, it is designed to supply 100mA of DC 5V from the bridge circuit using the AC-DC converter to supply power to the MCU module.

기존 누전 차단기의 기능을 유지하면 MCU 모듈을 통한 저항성 누설전류와 과전류, 과전압을 검출하기 위해 기존 누전 차단기에서 220V 전원 상태 정보를 MCU 모듈에 전송할 수 있도록 누전차단기 회로와 MCU 모듈간의 인터페이스 회로를 추가 설계하였다.In order to detect the resistance leakage current, overcurrent and overvoltage through the MCU module, the existing circuit breaker circuit and the interface circuit between the MCU module and the circuit breaker circuit can be transferred to the MCU module so that the existing earth leakage breaker can transmit the 220V power status information to the MCU module. Respectively.

저항성 누설전류를 검출하기 위해 추가적인 ZCT에서 유기되는 전류를 도 25의 저항 R12를 이용하여 전압으로 변환하여 MCU 모듈로 누설 전류의 크기에 따른 전압 정보를 전송하도록 설계하였다.In order to detect the resistive leakage current, the current induced in the additional ZCT is converted to a voltage using the resistor R12 in FIG. 25, and the voltage information according to the magnitude of the leakage current is transmitted to the MCU module.

기존의 누전 차단기는 바이메탈을 이용하여 과전류를 차단한다. 하지만 과전류를 차단하기 위한 바이메탈은 온도에 따른 휘는 성질을 이용하는 것으로 팽창이 잘되지 않는 금속과 팽창이 잘되는 금속의 조합으로 기본 구성된다. 과전류에 의해 바이메탈의 온도가 증가하여 금속의 휘면서 전류를 강제적으로 차단하게 된다. 하지만, 과전류에 의한 바이메탈 온도 상승에 의한 전류 차단은 작동 시간이 많이 소요된다. 또한, 과전류가 발생하는 지점과 누전차단기와의 거리가 멀 경우 전선을 통한 열 전도가 바이메탈에 이루어져야 하기에 누전 차단기가 작동하기 전에 과전류 발생 지점에서 화재 및 감전 사고 등이 발생하는 문제점이 있다. 이에 본 과제에는 MCU에서 CT(Current Transformer)를 이용하여 신속하게 과전류를 검출하여 사고 발생하기 전에 누전차단기를 작동시키고자 도 26과 같이 과전류 검출 회로를 기존 누전차단기 회로에 추가적으로 설계하였다.Conventional circuit breakers use bimetal to cut off the overcurrent. However, the bimetal for blocking the overcurrent is basically composed of a combination of a metal which is not swollen and a metal which is swollen by utilizing the bending property according to temperature. The temperature of the bimetal is increased by the overcurrent, and the current is forcibly blocked while bending the metal. However, the current interruption due to the bimetal temperature rise due to the overcurrent takes a long time to operate. In addition, when the overcurrent is generated and the distance from the earth leakage breaker is long, the heat conduction through the wire must be made to the bimetal, so that fire and electric shock accidents occur at the point of occurrence of the overcurrent before the earth leakage breaker operates. In this task, an overcurrent detection circuit is additionally designed in the existing circuit breaker circuit as shown in Fig. 26 to detect the overcurrent by using CT (Current Transformer) in the MCU and to operate the circuit breaker before an accident occurs.

CT에 유기되는 전류는 도 26에서 저항(R14)에 의해 전압으로 변환하여 MCU 모듈에서 과전류를 계산할 수 있도록 인터페이스를 구성하였다.The current induced in the CT is converted into a voltage by the resistor R14 in Fig. 26, and an interface is constructed so that the MCU module can calculate the overcurrent.

과전압 검출을 위한 회로는 도 27과 같이 설계하였다. 이 때 검출되는 과전압은 기본적으로 220V의 전압을 형성하기 때문에 저전압을 사용하는 MCU 모듈에서 과전압을 계산할 수 있도록 저항을 이용하여 전압강하를 하였다.The circuit for overvoltage detection is designed as shown in FIG. Since the overvoltage detected at this time basically forms a voltage of 220V, the voltage drop is performed using a resistor to calculate the overvoltage in the MCU module using the low voltage.

누설전류와 과전류 및 과전압을 검출하여 MCU 모듈에서 기준치를 초과하는 경우 강제적으로 누전차단기를 작동시키기 위해 기존 누전 차단기의 차단 장치인 트립 코일을 이용하였다. 이때 기존 누전차단기의 전용 IC와 연결된 트립 코일 구동 회로에 MCU 모듈에서 차단 신호를 전송하여 트립 코일이 구동할 수 있도록 도 28과 같이 차단회로를 설계하였다.The trip coil, which is a breaking device of the existing earth leakage breaker, is used to forcibly operate the earth leakage breaker when the leakage current, over current and over voltage are detected and the MCU module exceeds the reference value. In this case, the cut-off circuit is designed as shown in FIG. 28 so that the trip coil can be driven by transmitting the cut-off signal from the MCU module to the trip coil drive circuit connected to the dedicated IC of the existing earth leakage breaker.

MCU 모듈에서 검출된 누설전류와 과전류 및 과전압 정보에 따라 신속한 트립 코일을 구동시킬뿐만 아니라 통신 모듈을 통하여 사용자가 누전 차단기의 차단 기능을 구동 시킬 수 있도록 누전차단기의 기본 회로를 도 29와 같이 설계하였다.The basic circuit of the earth leakage breaker is designed as shown in Fig. 29 so that the user can drive the breaker function of the earth leakage breaker through the communication module as well as drive the rapid trip coil according to the leakage current, overcurrent and overvoltage information detected by the MCU module .

기존 누전차단기와 MCU 모듈의 통합을 위해 최대 100mA와 5V의 전원 공급 회로와 누설 전류 및 과전류, 과전압 검출 정보를 MCU 모듈에 전송하고 MCU 모듈의 차단 제어 신호를 수신할 수 있도록 인터페이스를 설계하여 도 30과 같이 누전차단기를 제작하였다.In order to integrate the existing earth leakage breaker and MCU module, the interface is designed to transmit the power supply circuit of maximum 100mA and 5V, leakage current, overcurrent, and overvoltage detection information to the MCU module and receive the cutoff control signal of the MCU module. The circuit breaker was manufactured.

MCU 모듈 전원 공급과 누전 감도 전류 및 누전 차단 시간에 대해 측정한 결과는 표 3에 기재되어 있다.Table 3 shows the measured results for MCU module power supply, leakage current, and leakage cut-off time.

시료
항목
sample
Item
#1#One #2#2
DC전원DC power supply DC-OutDC-Out AC220V기준
DC 5V 100mA이하
AC220V standard
DC 5V Less than 100mA
5.04V5.04V 5.01V5.01V
누전
전류
Short circuit
electric current
감도전류(mA)Sensitivity current (mA) 15~30mA15 ~ 30mA 23.6mA23.6 mA 24.0mA24.0mA
동작시간(mS)Operating time (mS) 30mS이내Within 30mS 15mS15mS 14mS14mS

MCU 모듈의 전원 공급을 위한 DC 전압이 AC220V일대 5V가 출력되는 것을 확인 할 수 있었으며 누설전류의 시험 규격인 15~30mA에 약 24mA에서 15mS이내에 누전차단기가 작동하는 것을 확인하였다.It was confirmed that DC voltage for power supply of MCU module was 5V AC220V. It was confirmed that the leakage circuit breaker operates within 15ms at about 15mA to 15mA of leakage current test standard.

정격 전류가 30A일 때 과전류에 대해 10~60A를 인가하여 CT에서 유기된 전류는 도 26의 저항(R14)에 의해 변환되어 출력되는 전압을 측정하였다. 출력 전압을 도 31과 표 4에 나타내었다.When the rated current was 30 A, 10 to 60 A was applied to the overcurrent, and the induced current in the CT was converted by the resistor R14 of FIG. 26 and the output voltage was measured. The output voltages are shown in Fig. 31 and Table 4.

과전류(A)Overcurrent (A) AC-VppAC-Vpp RMS(AC-V)RMS (AC-V) 10A (33%)10A (33%) 1.0 V1.0 V 282mV282 mV 20A (66%)20A (66%) 2.0 V2.0 V 553mA553mA 30A (100%)30A (100%) 2.88 V2.88 V 828mA828mA 37.5A (125%)37.5A (125%) 3.68 V3.68 V 1033mA1033mA 60A (200%)60A (200%) 5.92 V5.92 V 1650mA1650mA

10~60A의 전류가 누전차단기에 인가되었을 경우 표 4와 도 31에서 알 수 있듯이 인가되는 전류에 비례하여 변환된 전압은 비례하는 것을 확인하였다. 이에 변환 전압을 이용하여 MCU 모듈에서 과전류에 대한 판단 및 소비 전류에 대한 계산이 가능하다.As shown in Table 4 and Fig. 31, when the current of 10 ~ 60A is applied to the earth leakage breaker, it is confirmed that the converted voltage is proportional to the applied current. Using the conversion voltage, the MCU module can determine the overcurrent and calculate the consumption current.

도 27의 과전류 검출 회로의 저항을 이용하여 전압 강하하여 출력 전압을 측정하여 표 5에 나타내었다.The output voltage was measured by using the resistance of the overcurrent detection circuit of FIG. 27 to decrease the voltage and is shown in Table 5.

과전압(V)Overvoltage (V) 출력전압(V)Output voltage (V) 220220 1.161.16 240240 1.241.24 260260 1.321.32 275275 1.401.40

과전압에 따른 반파 출력 전압을 오실로스코프로 측정하여 도 28에 나타내었다. 그리고 도 29에 인가전압에 따른 반파 출력 전압을 그래프로 나타내었다.The half-wave output voltage according to the overvoltage was measured with an oscilloscope and is shown in FIG. FIG. 29 is a graph showing the half-wave output voltage according to the applied voltage.

MCU 모듈과 통신 모듈의 결합이 가능한 누전 차단기를 제작하여 누전차단기의 기본 시험 항목에 대한 측정 결과를 표 6에 나타내었다. Table 6 shows the measurement results of the basic test items of the earth leakage breaker by fabricating an earth leakage breaker capable of combining the MCU module and the communication module.

항목Item 측정 결과Measurement result 비고Remarks DC-OutDC-Out AC220V기준
DC 5.0V-max 100mA
AC220V standard
DC 5.0V-max 100mA
5.045.04 양호Good
감도전류(mA)Sensitivity current (mA) 15~30mA15 ~ 30mA 23.623.6 양호Good 동작시간(mS)Operating time (mS) 30mS이내Within 30mS 1515 양호Good 동기신호용
AC전압(V)
For synchronous signal
AC voltage (V)
176V (80%)176V (80%) 6.376.37 실효치 측정Rms measurement
220V (100%)220V (100%) 8.008.00 242V (110%)242V (110%) 8.818.81 264V (120%)264V (120%) 9.519.51 275V (125%)275V (125%) 9.949.94 과전류
출력전압(mV)
Overcurrent
Output voltage (mV)
10A (33%)10A (33%) 282282 실효치 측정Rms measurement
20A (66%)20A (66%) 553553 30A (100%)30A (100%) 828828 37.5A (125%)37.5A (125%) 10331033 60A (200%)60A (200%) 16501650 과전압
출력전압(V)
Overvoltage
Output voltage (V)
220V220V 1.161.16 반파 측정Half-wave measurement
240V240V 1.241.24 260V260V 1.321.32 275V275V 1.401.40 누전 차단 테스트 버튼Short circuit test button 양호Good RF-제어입력 신호RF-control input signal 양호Good 양호Good Burst-noise-testBurst-noise-test No-tripNo-trip 양호Good RF방사 전파노이즈 시험(80MHz~2GHz)RF emission radio noise test (80MHz ~ 2GHz) No-tripNo-trip 양호Good

표 6에서 동기신호용 AC 전압은 저항성 누설 전류를 계산하기 위해 AC 220V 전원과 동기화 하여 MCU에서 저항성 성분을 검출 할 수 있도록 도 30와 같이 220V전압을 8V로 전압강하를 하여 MCU 모듈에 전송할 수 있도록 설계하여 측정하였다. 이와 같이 누전 차단기에 대한 측정 결과 MCU 모듈과의 검출 정보 및 제어 신호의 송수신이 가능할 것으로 판단된다. 도 31는 누전차단 회로 PCB 기판의 Layout이다.In order to calculate the resistive leakage current, the AC voltage for the synchronizing signal is synchronized with the AC 220V power supply, so that the MCU can detect the resistive component and transmit the voltage of 220V to the MCU module with a voltage drop of 8V as shown in FIG. Respectively. As a result, it is judged that it is possible to send and receive the detection information and the control signal with the MCU module as a result of the measurement on the earth leakage breaker. Fig. 31 is a layout of a circuit board of the earth leakage breaker circuit.

도 2의 저항성 누설 전류 산출 알고리즘을 구현한 회로도는 도 32과 같다.A circuit diagram implementing the resistive leakage current calculation algorithm of FIG. 2 is shown in FIG.

220V의 전원으로부터 저항으로 구성된 분압회로를 이용하여 얻어지는 10V 수준의 전압(

Figure pat00026
)은 도 33(a)와 같이 수학식 7로 표현된다.A voltage of 10 V obtained by using a voltage divider circuit composed of a resistor from a 220 V power supply (
Figure pat00026
Is expressed by Equation (7) as shown in Fig. 33 (a).

Figure pat00027
Figure pat00027

여기서,

Figure pat00028
은 전압(
Figure pat00029
)의 실효치다.here,
Figure pat00028
The voltage (
Figure pat00029
).

동기신호

Figure pat00030
는도 37(b)와 같이 전원 전압(
Figure pat00031
)의 부호를 나타내는 신호로 연산증폭기(OP1)를 이용하여 얻어지고, 그 크기는 연산증폭기(OP1)의 포화전압
Figure pat00032
에 해당한다. 동기신호
Figure pat00033
는 수학식 8로 표현된다.Synchronous signal
Figure pat00030
As shown in FIG. 37 (b)
Figure pat00031
) Is obtained by using an operational amplifier OP1 as a signal indicating the sign of the saturation voltage of the operational amplifier OP1,
Figure pat00032
. Synchronous signal
Figure pat00033
Is expressed by Equation (8).

Figure pat00034
Figure pat00034

전원 전압의 반주기에 대한 적분연산으로 저항성 누설 전류를 검출하기 위하여 초기화 가능 적분기(resettable integrator)를 도입하였으며, 이는 도 32의 OP10, OP11과 같이 연산증폭기와 트랜지스터를 이용하여 구현된다. 저항성 누설 전류를 계산하기 위해 즉, 수학식 5의 적분을 수행하기 위하여, 아날로그 스위치(AS1)과 아날로그 스위치(AS2)는 각각

Figure pat00035
인 구간에서만 입력된 신호가 통과하도록 하므로, 초기화 가능 적분기(1)과 초기화 가능 적분기(2)는 각각
Figure pat00036
인 구간에서 수학식 5의
Figure pat00037
Figure pat00038
를 계산하여 각각 저항성 누설 전류를 산출하게 된다. A resettable integrator is introduced to detect a resistive leakage current by an integration operation with respect to a half period of the power supply voltage. The resettable integrator is implemented using an operational amplifier and a transistor, such as OP10 and OP11 in FIG. In order to calculate the resistive leakage current, i.e., to perform the integration of Equation (5), the analog switch AS1 and the analog switch AS2 are
Figure pat00035
So that the initializable integrator 1 and the initializable integrator 2 can be set to
Figure pat00036
In Equation 5,
Figure pat00037
and
Figure pat00038
Respectively, to calculate resistive leakage currents.

적분기 초기화 신호(

Figure pat00039
)는 전원 전압(
Figure pat00040
)신호의 위상을 90 지연시킨 후 연산증폭기(OP3)를 이용하여 출력된 구형파 신호에서 동기신호
Figure pat00041
를 감산하여 얻을 수 있는데, 본 발명에서는 연산증폭기(OP5)로 구현된 감산기를 이용하였다. 초기화 신호(
Figure pat00042
)는 도 33(c)에 나타낸 바와 같이 다음 식으로 표현된다.Integrator initialization signal (
Figure pat00039
) Is the power supply voltage (
Figure pat00040
) Signal is delayed by 90 and the square wave signal outputted by the operational amplifier OP3 is used as a synchronization signal
Figure pat00041
. In the present invention, a subtracter implemented by an operational amplifier OP5 is used. Initialization signal (
Figure pat00042
) Is expressed by the following equation as shown in Fig. 33 (c).

Figure pat00043
Figure pat00043

여기서,

Figure pat00044
Figure pat00045
는 서로 180위상차를 가지며,
Figure pat00046
Figure pat00047
는 각각 초기화 가능 적분기(OP10)와 초기화 가능 적분기(OP11)의 트랜지스터에 입력된다.here,
Figure pat00044
Wow
Figure pat00045
Are 180 degrees out of phase with each other,
Figure pat00046
Wow
Figure pat00047
Respectively, are input to the transistors of the initializable integrator OP10 and the initializable integrator OP11.

선로에 합성 누설 전류

Figure pat00048
가 흐를 때, ZCT의 출력전압은 통상의 경우 수 mV 수준이고, 이를 연산증폭기(OP8)로 증폭하여 얻어지는 출력신호(
Figure pat00049
)는 도 33(d)와 같이 다음 식으로 표현된다.Composite leakage current in line
Figure pat00048
The output voltage of the ZCT is usually several mV, and the output signal obtained by amplifying this by the operational amplifier OP8
Figure pat00049
Is expressed by the following equation as shown in Fig. 33 (d).

Figure pat00050
Figure pat00050

여기서, K는 영상변류기의 변류비와 연산증폭기(OP8)의 이득상수를 포함하는 상수이다.Here, K is a constant including a gain ratio of the operational amplifier OP8 and a switching ratio of the video current transformer.

동기신호

Figure pat00051
가 양(+)인 구간에서의 적분연산은 다음과 같이 수행된다.Synchronous signal
Figure pat00051
The integration operation is performed as follows.

아날로그 스위치(AS1)를 이용하여, 동기신호

Figure pat00052
가 양(+)인 구간에 신호
Figure pat00053
를 통과되도록 하면, 아날로그 스위치(AS1)의 출력
Figure pat00054
는 도 33(e)와 같이 다음 식으로 표현된다.By using the analog switch AS1,
Figure pat00052
(+) ≪ / RTI >
Figure pat00053
The output of the analog switch AS1
Figure pat00054
Is expressed by the following equation as shown in Fig. 33 (e).

Figure pat00055
Figure pat00055

아날로그 스위치(AS1)의 출력

Figure pat00056
를 연산증폭기(OP10)를 이용하여 적분 연산된 출력
Figure pat00057
는 도 37(f)와 같이 다음 식으로 표현된다.Output of analog switch (AS1)
Figure pat00056
To the integrated output (OP10) using the operational amplifier OP10
Figure pat00057
Is expressed by the following equation as shown in Fig. 37 (f).

Figure pat00058
Figure pat00058

여기서, 도 33(f)에서 알 수 있듯이, 아날로그 스위치(AS1)의 출력 신호(

Figure pat00059
)는
Figure pat00060
구간에서는 그 크기가 영이 된다. 따라서 연산증폭기(OP10)는
Figure pat00061
에 입력되는 신호에 대해서만 적분연산을 수행하고 나머지 구간(
Figure pat00062
)동안에는 그 입력이 영이므로, 결국 저항성 누설 전류에 해당하는 부분은 적분연산이 종료되는 시점(
Figure pat00063
)부터 다음 적분을 수행하기 위하여 적분기가 초기화되는 순간(
Figure pat00064
)까지 출력됨을 알 수 있다. 또한 통상 연산증폭기로 구현되는 적분기는 그 출력이 반전된 신호 이므로, 이득이 -1인 연산증폭기(OP12)를 이용하여
Figure pat00065
를 반전시켜 양(+)의 부호를 갖는 신호를 얻게 된다. 한편, 동기신호
Figure pat00066
가 음(-)인 구간에서의 적분연산은 도 32에서와 같이 아날로그 스위치(-)와 초기화 가능 적분기(2)를 이용하여 동일한 방법으로 수행된다.Here, as can be seen from Fig. 33 (f), the output signal of the analog switch AS1
Figure pat00059
)
Figure pat00060
In the interval, the size becomes zero. Therefore, the operational amplifier OP10
Figure pat00061
And performs the integral operation only on the signal input to the remaining section (
Figure pat00062
), The input corresponding to the resistive leakage current is zero at the time when the integral operation ends (
Figure pat00063
) From the moment the integrator is initialized to perform the next integral (
Figure pat00064
). Also, since the integrator implemented by a normal operational amplifier is a signal whose output is inverted, the operational amplifier OP12 having a gain of -1
Figure pat00065
So that a signal having a positive sign is obtained. Meanwhile,
Figure pat00066
The integration operation in the interval of negative (-) is performed in the same manner using the analog switch (-) and the initializable integrator (2) as shown in FIG.

초기화 가능 적분기의 출력신호 중 저항성 누설 전류에 해당하는 신호는 반주기 적분연산이 종료되는 시점으로부터 초기화 신호가 입력되는 순간까지의 신호로써 이 시간(

Figure pat00067
)동안에 DC전압형태로 출력되며, 이는 저항성 누설 전류의 실효치에 비례하는 신호이다. 따라서 그 신호만을 획득할 필요가 있으며 이를 위해 본 논문에서는 샘플링 회로를 이용하였고, 트랜지스터를 이용하여 구현하였다. 따라서 샘플링 회로를 활성화시키기 위한 샘플링 신호가 필요하며, 이는 전원전압 신호를 이용하여 만들어 진다.The signal corresponding to the resistive leakage current among the output signals of the initializable integrator is a signal from the moment when the half-period integration operation is completed to the moment when the initialization signal is input,
Figure pat00067
), Which is a signal proportional to the rms value of the resistive leakage current. Therefore, it is necessary to acquire only the signal. In this paper, we have implemented a sampling circuit and a transistor. Therefore, a sampling signal is needed to activate the sampling circuit, which is made using the supply voltage signal.

샘플링 회로의 샘플링 신호(

Figure pat00068
)는 전원 전압(
Figure pat00069
)신호의 위상을 90지연시킨 후 연산증폭기(OP3)를 이용하여 출력된 구형파 신호와 동기신호
Figure pat00070
를 가산 연산하여 얻을 수 있다. 본 발명에서는 연산증폭기(OP4)로 구현된 가산기를 이용하였다. 샘플링 신호(
Figure pat00071
)는 도 33(g)에 나타낸 바와 같이 다음 식으로 표현된다.The sampling signal of the sampling circuit (
Figure pat00068
) Is the power supply voltage (
Figure pat00069
) Signal is delayed by 90 and then the square wave signal outputted by using the operational amplifier OP3 and the synchronizing signal
Figure pat00070
Can be obtained. In the present invention, an adder implemented by an operational amplifier OP4 is used. Sampling signal (
Figure pat00071
) Is expressed by the following equation as shown in Fig. 33 (g).

Figure pat00072
Figure pat00072

여기서,

Figure pat00073
Figure pat00074
는 서로 180위상차를 가지며,
Figure pat00075
는 샘플링회로(TR1)에 입력되고,
Figure pat00076
는 샘플링회로(TR2)에 입력된다.here,
Figure pat00073
Wow
Figure pat00074
Are 180 degrees out of phase with each other,
Figure pat00075
Is input to the sampling circuit TR1,
Figure pat00076
Is input to the sampling circuit TR2.

연산증폭기 OP12와 OP13으로부터 출력된 신호는 각각 샘플링회로 TR1과 TR2로 입력된다. 샘플링회로는 이 입력된 신호 중 샘플링 신호

Figure pat00077
,
Figure pat00078
에 의해 활성화되는 시간동안에 해당하는 신호만을 출력하며, 이 신호가 저항성 누설 전류에 해당하는 신호이다. 두 샘플링회로의 출력
Figure pat00079
,
Figure pat00080
은 모두 저항성 누설 전류의 실효치(
Figure pat00081
)에 비례하며, 최종적으로 저항성 누설 전류는 도 33(h)와 같이 다음과 같은 식으로 표현된다.Signals output from the operational amplifiers OP12 and OP13 are input to the sampling circuits TR1 and TR2, respectively. The sampling circuit outputs a sampling signal
Figure pat00077
,
Figure pat00078
The signal corresponding to the resistive leakage current is outputted. Output of two sampling circuits
Figure pat00079
,
Figure pat00080
The rms value of the resistive leakage current
Figure pat00081
). Finally, the resistive leakage current is expressed by the following equation as shown in FIG. 33 (h).

Figure pat00082
Figure pat00082

도 32에서 알 수 있듯이 연산 증폭기 OP2, OP6, OP7, OP9들은 입력된 신호를 180 위상 반전시키는 회로이며, 따라서 각 노드의 신호

Figure pat00083
Figure pat00084
,
Figure pat00085
Figure pat00086
,
Figure pat00087
Figure pat00088
,
Figure pat00089
Figure pat00090
,
Figure pat00091
Figure pat00092
,
Figure pat00093
Figure pat00094
,
Figure pat00095
Figure pat00096
는 각각 서로 180의 위상차를 가진다. As can be seen from FIG. 32, the operational amplifiers OP2, OP6, OP7, and OP9 are circuits for inverting the input signal by 180 degrees,
Figure pat00083
Wow
Figure pat00084
,
Figure pat00085
Wow
Figure pat00086
,
Figure pat00087
Wow
Figure pat00088
,
Figure pat00089
Wow
Figure pat00090
,
Figure pat00091
Wow
Figure pat00092
,
Figure pat00093
Wow
Figure pat00094
,
Figure pat00095
Wow
Figure pat00096
Have a phase difference of 180 from each other.

저항성 누설 전류(

Figure pat00097
)의 실효치에 비례하는 신호(
Figure pat00098
)와 신호(
Figure pat00099
)는 서로 180의 위상차를 두고 노드 (
Figure pat00100
)에 교대로 출력되며 이 신호는 연산증폭기(OP14)로 구현된 비교기로 입력된다.Resistive Leakage Current (
Figure pat00097
) ≪ / RTI >
Figure pat00098
) And signal (
Figure pat00099
) Have a phase difference of 180 from each other and a node
Figure pat00100
And this signal is input to a comparator implemented by an operational amplifier OP14.

MCU 모듈의 제어칩인 Microcontroller는 ATmega16A를 이용하였다. ATmega16A은 도 34와 같이 10bit의 ADC를 8채널과 32개의 I/O포트를 갖고 있어 저항성 누설전류와 과전류/과전압 및 제어 포트는 물론 통신 모듈간의 데이터 송수신 포트에 대한 충분한 지원이 가능하다. 10bit의 ADC가 8개 채널로 저항성 누설 전류와 과전류/과전압 검출이 용이하다. Microcontroller, which is the control chip of MCU module, uses ATmega16A. As shown in FIG. 34, ATmega16A has 8 channels and 32 I / O ports with a 10-bit ADC, so it is possible to provide sufficient support for resistive leakage current, overcurrent / overvoltage, control port, and data transmission / reception port between communication modules. The 10-bit ADC has eight channels for easy detection of resistive leakage current and overcurrent / overvoltage.

ATmega16A는 2.7~5.5V에서 기본적으로 구동하는 칩이다. 이에 MCU 모듈과 통신 모듈을 구동하기 위해 누전 차단기로부터 전원을 공급받아야하기에 도 35와 같이 누전차단기에서 최대 100mA의 DC 12V를 공급받아 5V 제너다이오드로 5V Op amp를 사용하기 위해 5V로 출력한다. MCU는 3.3V를 사용하기에 3.3V 레귤레이터를 사용하여 3.3V의 전압을 생성시킨다.ATmega16A is a chip that runs basically at 2.7 ~ 5.5V. In order to drive the MCU module and the communication module, power must be supplied from the earth leakage breaker. Therefore, as shown in FIG. 35, DC 12V of maximum 100mA is supplied from the earth leakage breaker and 5V is outputted to use 5V op amp with 5V zener diode. Since the MCU uses 3.3V, 3.3V regulator is used to generate 3.3V.

저항성 누설 전류를 검출할 수 있는 회로를 도 36의 블록도와 같이 구현하였다. 이때 개발된 누전차단기의 회로에 전압검출과 합성 누설 전류 검출부를 구현하였으며 동기신호 발생부와 반파 적분기를 MCU 모듈에 구현하였다.A circuit capable of detecting a resistive leakage current is implemented as the block diagram of FIG. In this case, voltage detector and combined leakage current detector are implemented in the circuit of the developed earth leakage breaker, and a synchronous signal generator and half - wave integrator are implemented in MCU module.

저항성 누설전류를 계산하기 위해 적분기를 AC 전원과 동기화를 해야한다. 이에 도 37과 같이 포토커플러를 이용하여 AC입력 전압를 3.3V 레벨로 변환한다. 포토커플러의 출력 신호를 74LVC14를 사용하여 트리거 신호로 변화하여 샘플링의 strobe로 사용한다.To calculate the resistive leakage current, the integrator must be synchronized with the AC power. As shown in FIG. 37, the AC input voltage is converted to a 3.3V level by using a photocoupler. The output signal of the photocoupler is changed to trigger signal using 74LVC14 and used as sampling strobe.

ZCT를 통해 변환된 전압은 미세한 값을 갖기에 전압을 증폭하기 위해 도 38과 같이 증폭회로를 설계하였다. 증폭된 누설전류를 MCU 모듈에서 동기신호와 적분기를 이용하여 저항성 누설 전류를 계산하였다.Since the voltage converted through ZCT has a fine value, the amplifier circuit is designed as shown in FIG. 38 to amplify the voltage. The resistive leakage current was calculated from the amplified leakage current using the synchronous signal and the integrator in the MCU module.

MCU 모듈에서 저항성 누설전류의 검출 사양은 표 7과 같이 결정하였다. 저항성 누설전류 검출 회로를 구현하여 동기신호와 누설전류의 파형을 도 39에 나타내었다. The detection characteristics of the resistive leakage current in the MCU module are determined as shown in Table 7. Fig. 39 shows the waveforms of the synchronous signal and the leakage current by implementing the resistive leakage current detection circuit.

성능 규격Performance Specifications 단위unit MinMin Typ.Typ. MaxMax 비고Remarks 누설전류 측정 범위Leakage Current Measurement Range mAmA 55 3030 측정 누설전류 중
용량성분 최대 비율
Measured leakage current
Maximum content of the capacity component
%% 1010 3030 측정전류 대비
비저항성 전류비율
Measured current contrast
Non-resistive current ratio

동기신호는 구형파(노란색)이고 합성 누설전류는 사인파(파란색)로 동기신호를 기준으로 누설전류의 파형을 샘플링하여 값을 계산하게 된다.The synchronous signal is a square wave (yellow) and the composite leakage current is a sinusoidal wave (blue). The waveform of the leakage current is sampled on the basis of the synchronous signal to calculate a value.

저항성 누설 전류 검출 알고리즘을 검증하기 위해 저항성 성분과 용량성 성분을 각각 제어할 수 있는 도 40과 같은 누설전류 시험 장치를 구현하여 실험을 수행하였다. In order to verify the resistive leakage current detection algorithm, the leakage current testing apparatus shown in FIG. 40, which can control the resistive component and the capacitive component, respectively, was implemented and the experiment was performed.

AC 220V, 60Hz 선로를 대상으로 하고 저항성 누설전류의 크기는 50 가변저항을 이용하여 조절하며, 용량성 누설전류의 크기는 병렬로 연결한 콘덴서의 조합으로 조절하였다. 전류계를 분리 설치하여 합성 누설전류와 저항성 누설전류 및 용량성 누설전류를 각각 측정할 수 있도록 하였다. 도 41과 같은 저항성 누설전류 검출 알고리즘을 통해 저항성 누설 전류를 검출하는데 있어 도 42와 같은 오실로스코프로 측정한 합성 누전전류, 동기 신호를 이용하여 한 주기 동안의 대해 적분을 수행하였다.AC 220V, and 60Hz lines were measured. The resistive leakage current was controlled by using 50 variable resistors. The capacitive leakage current was controlled by a combination of capacitors connected in parallel. The ammeter was installed separately to measure the combined leakage current, resistive leakage current and capacitive leakage current. In order to detect the resistive leakage current through the resistive leakage current detection algorithm as shown in FIG. 41, integration for one period was performed using the composite leakage current and the synchronous signal measured by the oscilloscope as shown in FIG.

저항성 누설전류는 ZCT로부터 합성 누설전류를 검출한다. 누설전류 입력 양단에 적절한 레벨 저항을 선정하여 저항에 의해 변환되는 전압의 크기를 조절한다. 변환된 미세한 크기의 전압을 OP amp를 이용하여 ADC에서 인식할 수 있는 적정 전압으로 증폭한다. 10bit resolution을 갖는 ADC를 사용하여 실시간으로 디지털 신호로 변환한다. 최종적으로 MCU에서 ADC값을 샘플링하여 저항성 누설전류 검출 알고리즘을 적용하여 합성 누설전류에서 저항성 누설전류만을 검출할 수 있도록 설계하였다.The resistive leakage current detects the composite leakage current from ZCT. Select the appropriate level resistor across the leakage current input to adjust the magnitude of the voltage converted by the resistor. The converted small voltage is amplified to an appropriate voltage that can be recognized by the ADC using the OP amp. And converts it into a digital signal in real time using an ADC having 10-bit resolution. Finally, the ADC value is sampled in the MCU and the resistive leakage current detection algorithm is applied so that only the resistive leakage current can be detected in the combined leakage current.

도 43 내지 도 45에 저항성 누전전류 측정 결과를 나타내었다.Figs. 43 to 45 show resistive leakage current measurement results.

누전 차단 기준값을 15mA로 설정하였을 때 트립신호 발생 실험을 수행한 결과를 도 46 및 도 47에 나타내었다. 도 46에서 14.7mA의 저항성 누설 전류를 인가하였을 경우로 MCU모듈에서 트립신호가 발생하지 않는 것을 확인 할 수 있다. 반면 도 47은 트립신호가 발생하는 것을 나타낸다. 이때 저항성 누설전류는 15.8mA로 트립 기준인 15mA보다 높은 경우로 트립 신호는 오실로스코프의 Time division은 10ms로 출력 파형의 간격이 20ms 이내로 출력되고 있으며 이에 차단 작동 시간은 100ms이내를 만족하고 있다.46 and 47 show the results of experiments in which a trip signal is generated when the earth leakage cutoff reference value is set to 15 mA. In FIG. 46, it can be confirmed that a leakage signal is not generated in the MCU module when a resistive leakage current of 14.7 mA is applied. 47 shows that a trip signal is generated. At this time, the resistive leakage current is 15.8mA, which is higher than the tripping reference of 15mA. The time division of the oscillation signal is 10ms and the output waveform interval is within 20ms. Therefore, the shutdown operation time is within 100ms.

이와 같이 합성 누설전류에서 용량성을 제외한 저항성 누설전류만을 측정하여 20ms이내에서 트립 신호를 출력하여 차단기에 전송할 수 있도록 설계하였다. 표 8 내지 표 10은 합성누설전류에서 저항성 누설전류의 변화에 따른 측정 결과(단위: mA)를 나타내었다. 합성 누설전류에서 저항성 누설전류를 1mA에서 30mA까지 검출 가능하다는 것을 표 8 내지 10에서 확인할 수 있다.In this way, it is designed to output the trip signal within 20ms and transmit it to the circuit breaker by measuring only the resistive leakage current except the capacitive in the combined leakage current. Tables 8 to 10 show the measurement result (unit: mA) according to the change of the resistive leakage current in the composite leakage current. It is shown in Tables 8 to 10 that a resistive leakage current can be detected from 1 mA to 30 mA in the composite leakage current.

MeterMeter 측정값Measures MeterMeter 측정값Measures IgrIgr IgIg IgcIgc IgrIgr IgIg IgrIgr IgIg IgcIgc IgrIgr IgIg 1One 1One 00 1One 22 1616 1616 00 1616 1717 1One 1212 1212 1One 1212 1616 2020 1212 1616 2121 1One 2525 2525 1One 2525 1616 3131 2525 1616 3333 1One 5151 5050 22 5151 1616 5555 5050 1616 5656 1One 6868 6767 22 6868 1616 7373 6767 1616 7272 22 22 00 22 33 1717 1717 00 1717 1818 22 1313 1212 22 1313 1717 2121 1212 1717 2222 22 2626 2525 22 2626 1717 3232 2525 1717 3333 22 5151 5050 33 5151 1717 5555 5050 1717 5656 22 6868 6767 33 6868 1717 7373 6767 1717 7272 33 33 00 33 44 1818 1818 00 1818 1919 33 1313 1212 33 1313 1818 2222 1212 1818 2323 33 2727 2525 33 2727 1818 3232 2525 1818 3434 33 5151 5050 33 5151 1818 5656 5050 1818 5656 33 6969 6767 44 6868 1818 7474 6767 1818 7373 44 44 00 44 55 1919 1919 00 1919 2020 44 1313 1212 44 1414 1919 2323 1212 1919 2424 44 2727 2525 44 2727 1919 3333 2525 1919 3434 44 5151 5050 44 5151 1919 5656 5050 1919 5757 44 6969 6767 44 6868 1919 7474 6767 1919 7373 55 55 00 55 66 2020 2020 00 2020 2121 55 1313 1212 55 1414 2020 2424 1212 2020 2525 55 2727 2525 55 2828 2020 3434 2525 2020 3535 55 5151 5050 55 5151 2020 5656 5050 2020 5858 55 6969 6767 55 6868 2020 7474 6767 2020 7474

MeterMeter 측정값Measures MeterMeter 측정값Measures IgrIgr IgIg IgcIgc IgrIgr IgIg IgrIgr IgIg IgcIgc IgrIgr IgIg 66 66 00 66 77 2121 2121 00 2121 2222 66 1414 1212 66 1515 2121 2424 1212 2121 2626 66 2727 2525 66 2828 2121 3434 2525 2121 3636 66 5252 5050 66 5151 2121 5757 5050 2121 5858 66 6969 6767 66 6868 2121 7474 6767 2121 7474 77 77 00 77 88 2222 2222 00 2222 2323 77 1414 1212 77 1515 2222 2525 1212 2222 2727 77 2828 2525 77 2828 2222 3535 2525 2222 3636 77 5252 5050 77 5151 2222 5757 5050 2222 5959 77 7070 6767 77 6868 2222 7575 6767 2222 7575 88 88 00 88 99 2323 2323 00 2323 2424 88 1515 1212 88 1616 2323 2626 1212 2323 2828 88 2828 2525 88 2929 2323 3636 2525 2323 3737 88 5252 5050 88 5252 2323 5858 5050 2323 5959 88 7070 6767 88 6969 2323 7575 6767 2323 7575 99 99 00 99 1010 2424 2525 00 2424 2626 99 1515 1212 99 1616 2424 2727 1212 2424 2929 99 2929 2525 99 2929 2424 3737 2525 2424 3838 99 5353 5050 99 5252 2424 5858 5050 2424 6060 99 7070 6767 99 6969 2424 7676 6767 2424 7676 1010 1010 00 1010 1111 2525 2525 00 2525 2626 1010 1616 1212 1010 1717 2525 2828 1212 2525 3030 1010 2929 2525 1010 3030 2525 3737 2525 2525 3838 1010 5353 5050 1010 5353 2525 5858 5050 2525 6060 1010 7171 6767 1010 6969 2525 7676 6767 2525 7777

MeterMeter 측정값Measures MeterMeter 측정값Measures IgrIgr IgIg IgcIgc IgrIgr IgIg IgrIgr IgIg IgcIgc IgrIgr IgIg 1111 1111 00 1111 1212 2626 2727 00 2626 2828 1111 1616 1212 1111 1717 2626 3030 1212 2626 3131 1111 2929 2525 1111 3030 2626 3838 2525 2626 3939 1111 5353 5050 1111 5353 2626 5959 5050 2626 6161 1111 7171 6767 1111 7070 2626 7777 6767 2626 7777 1212 1212 00 1212 1313 2727 2828 00 2727 3030 1212 1717 1212 1212 1818 2727 3131 1212 2727 3232 1212 3030 2525 1212 3131 2727 3939 2525 2727 4040 1212 5454 5050 1212 5454 2727 5959 5050 2727 6161 1212 7171 6767 1212 7070 2727 7777 6767 2727 7777 1313 1313 00 1313 1414 2828 2828 00 2828 3030 1313 1818 1212 1313 1919 2828 3131 1212 2828 3333 1313 3030 2525 1313 3131 2828 3939 2525 2828 4141 1313 5454 5050 1313 5454 2828 6060 5050 2828 6161 1313 7272 6767 1313 7171 2828 7777 6767 2828 7878 1414 1414 00 1414 1515 2929 3030 00 2929 3131 1414 1919 1212 1414 2020 2929 3232 1212 2929 3434 1414 3030 2525 1414 3232 2929 4040 2525 2929 4141 1414 5454 5050 1414 5555 2929 6060 5050 2929 6262 1414 7272 6767 1414 7171 2929 7878 6767 2929 7979 1515 1515 00 1515 1616 3030 3131 00 3030 3232 1515 1919 1212 1515 2020 3030 3333 1212 3030 3434 1515 3131 2525 1515 3232 3030 4141 2525 3030 4242 1515 5555 5050 1515 5555 3030 6161 5050 3030 6262 1515 7272 6767 1515 7171 3030 7878 6767 3030 7979

CT로부터 검출된 전류값을 차단기의 과전류 차단기준과 비교하여 차단기의 작동을 위한 과전류 검출 회로를 도 48의 블록도와 같이 구현하였으며 검출회로는 도 49와 같이 설계하였다. The overcurrent detection circuit for the operation of the circuit breaker is implemented as shown in the block diagram of FIG. 48 by comparing the current value detected from the CT with the overcurrent cutoff reference of the circuit breaker, and the detection circuit is designed as shown in FIG.

과전류 검출은 CT로 전류를 검출하여 전류 입력 양단에 적절한 레벨 저항을 전압으로 변환한다. 변환된 전압은 다이오드를 사용하여 반파 정류 시켜 10bit resolution을 갖는 ADC를 사용하여 실시간 디지털 신호로 변환하다. MCU에서 ADC값을 샘플링하여 도 50과 같은 과전류 검출 알고리즘을 따라 과전류를 검출할 수 있도록 설계하였다.Overcurrent detection detects the current by CT and converts appropriate level resistance to voltage across current input. The converted voltage is half-wave rectified using a diode and converted to a real-time digital signal using an ADC with 10-bit resolution. The ADC value is sampled in the MCU and the overcurrent detection circuit is designed to detect the overcurrent according to the overcurrent detection algorithm as shown in FIG.

CT로부터 검출되는 전류는 누전차단기 회로내부에서 전압을 변환되어 MCU 모듈의 A/D Converter에 입력되어 전류 값을 디지털 데이터화하여 과전류 차단 기준과 비교하다. 이때 과전류 검출 회로 사양은 표 11에 기재된 바와 같이 결정하였다.The current detected from the CT is converted into voltage in the earth leakage breaker circuit and input to the A / D converter of the MCU module, and the current value is digitized and compared with the overcurrent cutoff reference. At this time, the overcurrent detection circuit specifications were determined as shown in Table 11.

성능 규격Performance Specifications 단위unit MinMin Typ.Typ. MaxMax 비고Remarks 전류 측정 범위Current measurement range AA -- 1010 6060 제품별 가변Variable by product

과전류를 검출하여 차단 기준과 비교하여 시험 기준에서 요구되는 일정 시간후에 트립 신호를 MCU 모듈에서 전송할 수 있도록 설계하였다. 표 12에 과전류에 대한 측정 결과를 나타내었다. 입력 전류와 측정 전류 값의 최대 오차는 약 2A로 50A이하에서는 1A의 오차를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 과전류 검출 회로를 이용하여 과전류의 약 4%이내의 검출 결과를 통하여 신속한 과전류 사고 예방이 가능할 것으로 판단된다.The overcurrent is detected and the trip signal is designed to be transmitted from the MCU module after a certain period of time required by the test standard. Table 12 shows the measurement results for the overcurrent. It is confirmed that the maximum error of the input current and the measured current value is about 2A, and that the error is 1A when the current is less than 50A. By using the overcurrent detection circuit, it is possible to prevent the overcurrent accident quickly by detecting the result within about 4% of the overcurrent.

MeterMeter 측정값Measures MeterMeter 측정값Measures 1111 1111 3636 3737 1212 1212 3737 3838 1313 1313 3838 3939 1414 1414 3939 4040 1515 1515 4040 4141 1616 1616 4141 4242 1717 1717 4242 4343 1818 1818 4343 4444 1919 1919 4444 4545 2020 2020 4545 4646 2121 2121 4646 4747 2222 2222 4747 4848 2323 2424 4848 4949 2424 2525 4949 5050 2525 2626 5050 5151 2626 2727 5151 5252 2727 2828 5252 5454 2828 2929 5353 5555 2929 3030 5454 5656 3030 3131 5555 5757 3131 3232 5656 5858 3232 3333 5757 5959 3333 3434 5858 6060 3434 3535 5959 6161 3535 3636 6060 6262

전원 선로에 흐르는 전압을 감지하여 차단기의 과전압 차단 기준과 비교하여 차단기를 작동하기 위해 구현한 과전압 검출 회로를 도 51과 같은 블록도로 나타내었다. 도 52는 과전압 검출 회로도이다.The overvoltage detection circuit implemented in order to operate the circuit breaker by comparing the voltage across the power line with the overvoltage cutoff reference of the circuit breaker is shown in the block diagram of FIG. 52 is an overvoltage detection circuit diagram.

과전압은 AC 220V 전원선 양단에서 직접 전압을 검출한다. 전압 입력 양단에 전압 분배 저항을 연결하여 전압을 검출하도록 설계하였다. 이때 커패시터를 병렬 연결하여 전원의 잡음을 제거하여 보다 정확한 전압을 검출할 수 있도록 하였다. MCU에서 ADC 값을 샘플링하여 도 53과 같은 과전압 검출 알고리즘을 통해 과전압을 검출할 수 있도록 설계하였다.The overvoltage detects the voltage directly across the AC 220V power line. It is designed to detect the voltage by connecting a voltage divider resistor across the voltage input. In this case, the capacitors are connected in parallel to eliminate the noise of the power source so that more accurate voltage can be detected. The ADC value is sampled in the MCU and the overvoltage can be detected by the overvoltage detection algorithm as shown in FIG.

누전차단기의 전원 선로에 흐르는 전압을 감지하여 MCU 모듈에서 한 주기 동안 샘플링 하여 A/D converter에서 디지털 데이터로 기준 전압과 비교 및 트립신호를 발생하게 설계하였다. 표 13과 같이 과전압 검출 사양을 280V까지 가능하도록 설계하였다.It is designed to detect the voltage on the power line of the earth leakage breaker and sample it for one cycle in the MCU module, and compare it with the reference voltage and generate the trip signal by digital data in A / D converter. As shown in Table 13, the overvoltage detection specification is designed to be up to 280V.

성능 규격Performance Specifications 단위unit MinMin Typ.Typ. MaxMax 비고Remarks 전압 측정 범위Voltage measurement range VV -- 220220 280280 제품별 가변Variable by product

과전압을 검출하여 차단 기준과 비교하여 시험 기준에서 요구되는 일정 시간후에 트립 신호를 MCU 모듈에서 전송할 수 있도록 설계하였다. 표 14에 과전압에 대한 측정 결과를 나타내었다. The overvoltage is detected and the trip signal is designed to be transmitted from the MCU module after a certain time required by the test standard. Table 14 shows the measurement results for overvoltage.

입력 전압과 측정 전압과의 최대 오차는 3V로 약 1%이내의 검출 오차를 확인 할 수 있었다. 220V~280V의 과전압 측정에 있어 신뢰성이 높은 것을 확인 하였다.The maximum error between the input voltage and the measured voltage was 3V, which confirmed the detection error within about 1%. It was confirmed that the reliability of the overvoltage measurement of 220 V to 280 V was high.

MeterMeter 측정값Measures MeterMeter 측정값Measures 221221 221221 251251 253253 222222 222222 252252 254254 223223 223223 253253 255255 224224 224224 254254 256256 225225 225225 255255 257257 226226 226226 256256 258258 227227 227227 257257 259259 228228 229229 258258 260260 229229 230230 259259 261261 230230 231231 260260 262262 231231 232232 261261 263263 232232 233233 262262 264264 233233 234234 263263 265265 234234 235235 264264 266266 235235 236236 265265 267267 236236 237237 266266 268268 237237 238238 267267 269269 238238 239239 268268 270270 239239 240240 269269 272272 240240 241241 270270 273273 241241 242242 271271 274274 242242 243243 272272 275275 243243 244244 273273 276276 244244 245245 274274 277277 245245 246246 275275 278278 246246 248248 276276 279279 247247 249249 277277 280280 248248 250250 278278 281281 249249 251251 279279 282282 250250 252252 280280 283283

도 54는 MCU 모듈을 설계한 PCB 기판의 Layout 이다.54 is a layout of a PCB substrate on which an MCU module is designed.

도 55는 원격 감지/제어 누전차단기를 제어할 MCU 모듈의 시제작품이다.Figure 55 is a tentative work of an MCU module to control a remote sense / control earth leakage breaker.

확률론적 최적화 기법에는 유전알고리즘(Genetic Algorithm), Simulated Annealing, 진화전략(Evolution Strategy) 등이 있다. 유전알고리즘은 환경의 변화에 적응하여 생존하는 생명체의 적응 진화과정을 모사한 방법이고, simulated Annealing은 금속의 제련과정중 풀림 과정을 통해 금속이 최대한 안정된 에너지 상태가 되는 과정을 본 뜬 방법이다. 진화알고리즘은 유전알고리즘과 Simulated Annealing을 합성한 방법으로 다음과 같이 크게 세 과정으로 이루어져 있다.Probabilistic optimization techniques include Genetic Algorithm, Simulated Annealing, and Evolution Strategy. The genetic algorithm simulates adaptive evolution of living organisms by adapting to changes in environment. Simulated annealing is a method that demonstrates the process by which the metal becomes the most stable energy state through the annealing process during the metal smelting process. The evolution algorithm is a synthesis of genetic algorithm and simulated annealing.

첫째는 생명체가 일정한 유전적 구속 범위 내에서 다음 세대를 복제하는 재생산 과정다. 둘째는 다른 외부요인에 의해 변이가 생기는 과정이다. 셋째는 재생산과 변이의 두 과정이 반복되면서 생물이 변화된 환경에 적응해 나가는 과정이 있다. The first is the reproduction process in which the life forms reproduce the next generation within a certain genetic constraint. The second is a process in which mutations are caused by other external factors. Third, there are two processes of reproduction and mutation which are repeated and adapt to the changed environment.

진화 알고리즘은 수학식 15와 도 56에 도시된 순서를 반복적으로 수행하여 목적함수에 수렴하는 값을 찾아가는 방법이다.The evolution algorithm is a method of repeatedly performing the procedure shown in Equations (15) and (56) to find a value converging on an objective function.

Figure pat00101
Figure pat00101

진화전략기법은 수학식 15에 따른 진화알고리즘의 Step3 과정에서 수학식 16과 같이 부모세대에서 자식세대를 생성한다.The evolution strategy technique generates a child generation in the parent generation as shown in Equation (16) in Step 3 of the evolution algorithm according to Equation (15).

Figure pat00102
Figure pat00102

여기서,

Figure pat00103
은 표준편차가 1이고 평균이 0인 임의의 수이다.here,
Figure pat00103
Is an arbitrary number with a standard deviation of one and an average of zero.

변이와 재생산 과정을 반복하면서 목적함수에 수렴할 수 있도록 수학식 17과 같이 적응과정을 반복하면서 목적함수가 수렴하는 설계변수를 찾아간다.We repeat the adaptation process as shown in Equation 17 so that the objective function converges while repeating the mutation and the reproduction process.

Figure pat00104
Figure pat00104

여기서 s는 목적함수 수렴횟수이고 n은 설계 변수의 개수이다.Where s is the number of objective function convergence and n is the number of design variables.

진화전략 기법의 알고리즘은 5단계로 표현하면 다음의 표 15와 같다.The algorithm of the evolutionary strategy technique is shown in Table 15 in five steps.

Step 1 :Step 1: InitializationInitialization

Figure pat00105
Figure pat00105
Step 2 :Step 2: Fitness EvaluationFitness Evaluation
Figure pat00106
Figure pat00106
Step 3 :Step 3: MutationMutation
Figure pat00107
Figure pat00107
Step 4 :Step 4: SelectionSelection
Figure pat00108
Figure pat00108
Step 5 :Step 5: Change Step lengthChange Step length
Figure pat00109
Figure pat00109

목적함수가 수렴할 때까지 Step3~5를 반복 수행하는 과정을 도 57에 진화전략 순서도를 나타내었다.The process of repeating steps 3 to 5 until the objective function converges is shown in FIG. 57 in the flowchart of the evolutionary strategy.

진화프로그래밍기법은 진화전략과 유사하나 Step 3~5의 과정에서 자식세대를 생성하고 선택하는 방법에서 차이가 있다. 진화프로그래밍의 변이과정은 수학식 18과 같다.Evolutionary programming techniques are similar to evolutionary strategies, but differ in how children are created and selected in the process of steps 3 ~ 5. The variation process of evolutionary programming is shown in equation (18).

Figure pat00110
Figure pat00110

여기서,

Figure pat00111
,
Figure pat00112
으로
Figure pat00113
은 모든 부모개체군의 변이 과정에 적용되며
Figure pat00114
은 개별 개체의 변이에 적용된다. 진화프로그래밍에서의 선택은 부모개체군과 자식개체군과의 목적함수 비교에서 가장 목적함수의 수렴도 높은 개체를 자식세대 개체로 정하며 목적함수 수렴도가 좋은 개체군을 부모세대로 설정하여 변이 과정을 거치면서 자식세대 개체군을 생성한다. 이와 같은 과정을 반복 수행하여 목적함수에 수렴하는 설계 변수를 찾아 간다. 진화 프로그래밍 알고리즘은 다음의 표 16과 같다.here,
Figure pat00111
,
Figure pat00112
to
Figure pat00113
Is applied to the mutation process of all parental populations
Figure pat00114
Is applied to the mutation of individual individuals. The selection in evolutionary programming is based on the comparison of the objective function between the parent population and the child population. The population with the highest convergence of the objective function is defined as the child generation entity. The population with good convergence of the objective function is set as the parent generation, Generate a population of generations. This process is repeated to find design variables that converge to the objective function. Evolutionary programming algorithms are shown in Table 16 below.

Step 1 :Step 1: InitializationInitialization

Figure pat00115
Figure pat00115
Step 2 :Step 2: Fitness EvaluationFitness Evaluation
Figure pat00116
Figure pat00116
Step 3 :Step 3: Mutation
Mutation
Figure pat00117
Figure pat00117
Step 4 :Step 4: TournamentTournament
Figure pat00118
Figure pat00118
Step 5 :Step 5: SelectionSelection The most "w" : Selected to be the parents of the next generationThe most "w": Selected to be the parents of the next generation

도 58에 진화 프로그래밍의 순서도를 나타내었다.Figure 58 shows a flowchart of evolutionary programming.

누전차단기 회로 기판 설계 시 진화 알고리즘을 적용하기 위해 전자장 해석 프로그램과 최적화 프로그램간의 연동 인터페이스 환경을 구현할 필요가 있다. 전자장 해석 프로그램인 HFSS 및 CST의 스크립트 명령어를 활용하여 최적 설계의 자동화 프로그램을 엑셀 프로그램으로 구현하였다. 도 59에 구현한 프로그램의 기본 구조를 나타내었다.In order to apply the evolution algorithm in designing the circuit breaker circuit board, it is necessary to implement an interfaced interface environment between the electromagnetic analysis program and the optimization program. We implemented an automation program of optimal design using Excel program by using script command of electromagnetic field analysis program HFSS and CST. The basic structure of the program implemented in Fig. 59 is shown.

도 60은 진화 전략기법과 HFSS를 연동하여 구현한 API를 검증하기 위해 구현한 최적설계 자동화 프로그램이다.60 is an optimal design automation program implemented to verify the API implemented by the evolution strategy technique and the HFSS.

도 61과 같은 최적 설계 자동화 프로그램 순서도에 따라 반복 수행하여 목적함수에 수렴하는 과정을 사용자가 확인 및 최적 설계 변수값을 판단할 수 있도록 구현하였다.61 is implemented in order to confirm the process of converging to the objective function and to determine the optimum design variable value by repeating it according to the flowchart of the optimum design automation program as shown in FIG.

3차원 PCB 구조의 최적 설계에 앞서 도 62와 같이 간략화 시킨 2차원 PCB 및 접지 구조에 대하여 최적 설계를 수행하였다. 여기서 접지면과 연결된 신호가 전달되는 port 2를 정의하는 hole의 위치(X2,Y2,Z2)와 기판의 높이 등을 설계 변수로 설정하였다. 여기서 port 1에서 발생하는 신호가 sub-ground plane을 통해 port 2에 높은 신호 복원(signal integrity)로 전달되기 위해서는 port 1,2간의 특성 임피던스 Z21이 최소화되어야 한다. 따라서 impedance profile Z21을 목적함수로 설정하고 이를 최소화하기 위한 최적 설계를 수행하였다. Prior to the optimal design of the three-dimensional PCB structure, an optimal design was performed for a simplified two-dimensional PCB and ground structure as shown in FIG. Here, the position (X2, Y2, Z2) of the hole defining the port 2 to which the signal connected to the ground plane is transmitted and the height of the substrate are set as design variables. In this case, the characteristic impedance Z21 between the ports 1 and 2 must be minimized in order for signals generated at port 1 to be transmitted to the port 2 through the sub-ground plane with high signal integrity. Therefore, we set the impedance profile Z21 as the objective function and optimized the design to minimize it.

최적 설계의 목적함수를 수학식 19와 같이 정의하여 Y2와 H의 최적 설계 값을 구하였다.The optimal design values of Y2 and H were obtained by defining the objective function of the optimum design as shown in Equation (19).

Figure pat00119
Figure pat00119

설계 변수 중 port 1을 정의하는 hole의 위치(X1,Y1,Z1)와 port 2를 정의하는 hole의 위치(X2,Y2,Z2)는 각각 (0mm, 20mm, 5mm)와 (0mm, 60mm, 5mm)로 초기 설계 값을 설정하였다. The positions (X1, Y1, Z1) defining the port 1 of the design variables and the positions (X2, Y2, Z2) of the holes defining the port 2 are 0 mm, 20 mm, ) Were set as initial design values.

도 63에 최적 설계의 수행 결과에 따른 목적함수의 수렴도를 나타내었다.FIG. 63 shows the convergence degree of the objective function according to the result of the optimum design.

표 17과 도 64에 초기 결과와 최적 설계 결과를 비교하여 나타내었다.Table 17 and Figure 64 show the comparison between the initial results and the optimal design results.

Y2 (mm)Y 2 (mm) H (mm)H (mm) 초기설계 값Initial design value 4040 55 최적설계 값Optimum design value 36.2636.26 8.668.66

표 17에서 H의 값이 크고 Y2 값이 작을수록 임피던스가 낮아지는 것을 확인 할 수 있다. In Table 17, it can be seen that the impedance becomes lower as the value of H is larger and the value of Y2 is smaller.

MCU 모듈의 기판에 대한 외부 전자파에 의한 PCB 기판에 유기되는 전자파 분석을 위해 전자파 해석 툴을 이용하여 도 65와 같이 모델링을 하였다.Modeling was performed using an electromagnetic wave analysis tool as shown in FIG. 65 for analyzing electromagnetic waves induced on a PCB substrate by external electromagnetic waves to the substrate of the MCU module.

도 52의 PCB 도체면에 전도되는 전자파를 분석하기 위해 도 66과 같이 전자파 소스를 10V/m인 전자파를 1m 떨진 곳에서 MCU 모듈 방향으로 입사하였다.In order to analyze the electromagnetic wave conducted on the PCB conductive surface of FIG. 52, an electromagnetic wave of 10 V / m was applied in a direction of the MCU module 1 m away from the electromagnetic wave source as shown in FIG.

외부 전자파에 의한 주파수에 따른 PCB 기판의 도체면에 유기된 전류밀도(단위: mA/m)를 표 18과 도 67에 나타내었다.Table 18 and FIG. 67 show the current density (unit: mA / m) induced on the conductor surface of the PCB substrate according to the frequency by the external electromagnetic wave.

GHzGHz LineLine GNDGND toptop bottombottom toptop bottombottom 0.10.1 0.01090.0109 0.00780.0078 0.05300.0530 0.06630.0663 0.20.2 0.01410.0141 0.00710.0071 0.07400.0740 0.06230.0623 0.30.3 0.02370.0237 0.01470.0147 0.10840.1084 0.12520.1252 0.40.4 0.01570.0157 0.01090.0109 0.09010.0901 0.10660.1066 0.50.5 0.02150.0215 0.01020.0102 0.13220.1322 0.08060.0806 0.60.6 0.03230.0323 0.02660.0266 0.20470.2047 0.17930.1793 0.70.7 0.04050.0405 0.03760.0376 0.21110.2111 0.24780.2478 0.80.8 0.22760.2276 0.12690.1269 0.85700.8570 0.81550.8155 0.90.9 0.02970.0297 0.02210.0221 0.15130.1513 0.14310.1431 1One 0.04160.0416 0.03680.0368 0.21420.2142 0.22990.2299

0.8GHz에서 PCB 기판에 전류밀도가 가장 많이 유기되는 것을 확인할 수 있다. 도 68에 0.8GHz에서 유기된 전류밀도를 나타내었다.It can be seen that the current density is most induced in the PCB substrate at 0.8 GHz. FIG. 68 shows the current density induced at 0.8 GHz.

누전차단기와 MCU 모듈을 결합하기 위해 MCU 모듈을 PC(Polycarbonate)로 외함을 제작하여 원격 누전차단기를 제작하였다. 이에 도 69와 같이 재질이 PC인 외함과 함께 MCU 모듈의 기판에 대한 전자파 해석을 수행하였다. In order to combine the earth leakage breaker and the MCU module, the MCU module was made of polycarbonate (PC) to make the remote earth leakage circuit breaker. As shown in FIG. 69, the electromagnetic wave analysis was performed on the substrate of the MCU module together with the enclosure having the material of PC.

유전율 3.0의 재질인 PC로 MCU 모듈 외함이 있을 경우 외부 전자파에 의한 주파수에 따른 PCB 기판의 도체면에 유기된 전류밀도(단위: mA/m)를 표 19와 도 70에 나타내었다. 그리고 도 71에는 0.8 GHz에서 PCB 기판에 유기된 전류 밀도(PC재질 외함)이 도시되어 있다.Table 19 and Fig. 70 show the current density (unit: mA / m) induced on the conductor surface of the PCB substrate according to the frequency caused by the external electromagnetic wave when the PC having the dielectric constant 3.0 has the MCU module enclosure. And FIG. 71 shows the current density (PC material enclosure) induced on the PCB substrate at 0.8 GHz.

GHzGHz LineLine GNDGND toptop bottombottom toptop bottombottom 0.10.1 0.0422 0.0422 0.0253 0.0253 0.0580 0.0580 0.0704 0.0704 0.20.2 0.0227 0.0227 0.0123 0.0123 0.0738 0.0738 0.0617 0.0617 0.30.3 0.0249 0.0249 0.0153 0.0153 0.1086 0.1086 0.1254 0.1254 0.40.4 0.0205 0.0205 0.0132 0.0132 0.0976 0.0976 0.1091 0.1091 0.50.5 0.0252 0.0252 0.0125 0.0125 0.1483 0.1483 0.0865 0.0865 0.60.6 0.0289 0.0289 0.0224 0.0224 0.1786 0.1786 0.1595 0.1595 0.70.7 0.0487 0.0487 0.0598 0.0598 0.2758 0.2758 0.2857 0.2857 0.80.8 0.1656 0.1656 0.0930 0.0930 0.6430 0.6430 0.6345 0.6345 0.90.9 0.0333 0.0333 0.0250 0.0250 0.1685 0.1685 0.1630 0.1630 1One 0.0817 0.0817 0.1274 0.1274 0.3674 0.3674 0.3602 0.3602

시제품 제작을 위해 제작된 PC 재질의 외함은 차단기 규격에 있는 내열성 시험 등 외함과 관련된 시험은 수행할 수 없다. 이에 향후 상용화를 위한 외함에 대한 사출 금형 및 차단기에 적용되는 사출 재료에 대한 연구가 필요하다. PC enclosures manufactured for prototype manufacture can not be tested for enclosure such as heat resistance test in breaker specification. Therefore, it is necessary to study the injection molding material and the injection material applied to the breaker for the commercialization.

일반적으로 차단기 시험 규격에 만족하는 외함 재질은 나일론-66(PA66)과 페놀수지(PF)를 이용한다. 이에 PA66과 PF에 대한 전자파 연구를 수행하였다.In general, nylon-66 (PA66) and phenol resin (PF) are used as enclosure materials that meet breaker test standards. Electromagnetic study on PA66 and PF was carried out.

PA66은 유전율과 유전손실은 각각 3.3과 0.02이다. 전자장 해석 툴을 이용하여 외함의 재질의 특성을 반영하여 전자파에 대한 주파수별 PCB 도체면에 유기되는 전류밀도(단위: mA/m)를 도 72와 표 20에 나타내었다.The dielectric constant and dielectric loss of PA66 are 3.3 and 0.02, respectively. Figure 72 and Table 20 show the current density (unit: mA / m) induced on the PCB conductor surface by frequency for electromagnetic waves, reflecting the material properties of the enclosure using electromagnetic field analysis tools.

GHzGHz LineLine GNDGND toptop bottombottom toptop bottombottom 0.10.1 0.0389 0.0389 0.0189 0.0189 0.0577 0.0577 0.0719 0.0719 0.20.2 0.0229 0.0229 0.0113 0.0113 0.0881 0.0881 0.0704 0.0704 0.30.3 0.0257 0.0257 0.0152 0.0152 0.1089 0.1089 0.1252 0.1252 0.40.4 0.0205 0.0205 0.0123 0.0123 0.0948 0.0948 0.1093 0.1093 0.50.5 0.0247 0.0247 0.0116 0.0116 0.1447 0.1447 0.0862 0.0862 0.60.6 0.0364 0.0364 0.0298 0.0298 0.2411 0.2411 0.2041 0.2041 0.70.7 0.0447 0.0447 0.0452 0.0452 0.2444 0.2444 0.2834 0.2834 0.80.8 0.3146 0.3146 0.1818 0.1818 1.1587 1.1587 1.1832 1.1832 0.90.9 0.0366 0.0366 0.0301 0.0301 0.1816 0.1816 0.1726 0.1726 1One 0.0450 0.0450 0.0476 0.0476 0.2343 0.2343 0.2396 0.2396

0.8 GHz에서 PCB 기판에 전자파에 의해 전류가 유기되는 것을 확인 할 수 있었다. 도 73에 0.8 GHz에서 기판 도체면에 유기되는 전류를 나타내었다. 도 73에서 PA66 재질의 외함을 사용하였을 경우 MCU 칩 부근과 커넥터 부근 선로에 많은 전류가 유기되는 것을 확인 할 수 있다. At 0.8 GHz, it was confirmed that the electric current was induced by the electromagnetic wave on the PCB substrate. Figure 73 shows the current induced at the substrate conductor surface at 0.8 GHz. 73, it can be confirmed that a large current is induced in the vicinity of the MCU chip and the line near the connector when the PA66-made enclosure is used.

반면 유전율이 4.5이고 유전손실이 0.015인 PF를 사용하였을 경우 표 21과 도 74에서 알 수 있듯이 유기되는 전류가 0.8 GHz에서 집중되나 PA66보다는 적은 것을 확인 할 수 있다. 그리고 도 75에는 0.8 GHz에서 PCB 기판에 유기된 전류 밀도(PC재질 외함)이 도시되어 있다.On the other hand, when the PF having a dielectric constant of 4.5 and a dielectric loss of 0.015 is used, the induced current is concentrated at 0.8 GHz, as shown in Table 21 and FIG. 74, but is smaller than that of PA66. And FIG. 75 shows the current density (PC material enclosure) induced on the PCB substrate at 0.8 GHz.

GHzGHz LineLine GNDGND toptop bottombottom toptop bottombottom 0.10.1 0.0345 0.0345 0.0205 0.0205 0.0564 0.0564 0.0692 0.0692 0.20.2 0.0184 0.0184 0.0097 0.0097 0.0729 0.0729 0.0609 0.0609 0.30.3 0.0251 0.0251 0.0154 0.0154 0.1087 0.1087 0.1255 0.1255 0.40.4 0.0203 0.0203 0.0130 0.0130 0.0988 0.0988 0.1106 0.1106 0.50.5 0.0253 0.0253 0.0127 0.0127 0.1514 0.1514 0.0882 0.0882 0.60.6 0.0326 0.0326 0.0262 0.0262 0.2130 0.2130 0.1835 0.1835 0.70.7 0.0494 0.0494 0.0605 0.0605 0.2788 0.2788 0.2916 0.2916 0.80.8 0.1727 0.1727 0.0979 0.0979 0.6697 0.6697 0.6676 0.6676 0.90.9 0.0359 0.0359 0.0285 0.0285 0.1809 0.1809 0.1768 0.1768 1One 0.0748 0.0748 0.1131 0.1131 0.3353 0.3353 0.3348 0.3348

앞서 PC 재질과 PA66 및 PF 재질을 이용하여 MCU 모듈의 외함을 제작할 경우 세가지 모두 플라스틱 계열로 근본적으로 외부 전자파의 완벽한 차단은 불가능하다. 하지만 PF 재질을 이용할 경우 PA66보다 PCB 기판에 유기되는 전류 밀도가 낮아지는 것을 확인 할 수 있었다. 이에 향후 원격 감시/제어 누전차단기의 상용화를 위해 MCU 모듈의 외함을 페놀수지로 제작하여 외부 전자파의 영향을 최소화 할 계획이다.If the MCU module enclosure is manufactured using the PC material and PA66 and PF materials, it is impossible to completely block the external electromagnetic wave because all three are plastic series. However, when PF material was used, it was confirmed that the current density induced on the PCB substrate was lower than that of PA66. Therefore, in order to commercialize remote monitoring / control circuit breaker, we plan to minimize the influence of external electromagnetic wave by using phenol resin as an enclosure of MCU module.

RF 통신으로 센싱된 각각의 신호(저항성 누설전류, 과전류, 과전압)를 AP로 전송한 후 이를 GUI를 통해 실시간 감시가 가능하도록 설계하였다. 도 76은 원격 감시 시스템의 간략한 블록도이다. MCU 모듈과 AP간의 통신 포맷은 도 77에 도시된 바와 같다.Each signal (resistive leakage current, overcurrent, overvoltage) sensed by RF communication is transmitted to AP and it is designed to be able to real time monitoring through GUI. 76 is a simplified block diagram of a remote monitoring system. The communication format between the MCU module and the AP is as shown in FIG.

본 발명은 국제적으로 가장 범용주파수대역인 2.4GHz를 사용하여 무선통신을 한다. 무선통신을 위해서는 효과적인 통신 프로토콜의 개발이 필수적이다. 특히 data 영역은 필요한 최소한의 data length를 유지하도록 설계하고, 통신의 안정성을 확보하기 위한 ACK를 추가한다. 다음은 ELB(누전차단기)와 AP(access point), AP와 UI(User Interface) 간의 통신 프로토콜을 설명한다.The present invention wirelessly communicates using 2.4 GHz, which is the most general frequency band internationally. For wireless communication, the development of effective communication protocols is essential. In particular, the data area is designed to maintain the minimum required data length, and an ACK is added to ensure communication stability. The following describes the communication protocol between ELB (Earth leakage breaker), AP (access point), AP and UI (User Interface).

도 78에는 ELB에서 AP로의 통신 프로토콜이 도시되어 있다. 그리고 도 79에는 각 항목의 세부사항이 도시되어 있다. 도 79와 도 79에 도시된 data 구조로 누설전류, 실시간 전력, 대기전력, 자동 차단 등의 기능을 구현하게 된다.78, the communication protocol from the ELB to the AP is shown. And Fig. 79 shows the details of each item. The data structure shown in FIGS. 79 and 79 realizes functions such as leakage current, real-time power, standby power, and automatic shutdown.

AP에서 ELB 로 응답하는 data 구조는 sensor data가 없기 때문에 도 80에 도시된 형태의 구조를 갖게 된다. 그리고 도 81에는 Control Flag에 대한 설명이 도시되어 있다.The data structure responding to the ELB in the AP has the structure shown in FIG. 80 because there is no sensor data. 81 shows a description of the Control Flag.

먼저, UI로부터 AP로의 통신 프로토콜이 도 82에 도시되어 있다. UI와 AP간의 통신에서도 data 프로토콜이 정의되어야 한다. 여기서는 AP의 ID와 AP에서 통신하는 EBL 개수 등이 기록된다. 그리고 도 83에는 AP ID에 대한 상세한 설명이 도시되어 있으며, AP ID는 50개까지 동시에 지원하도록 설계되었다.First, the communication protocol from the UI to the AP is shown in FIG. The data protocol must also be defined for communication between the UI and the AP. Here, the ID of the AP and the number of EBLs communicated in the AP are recorded. In FIG. 83, a detailed description of the AP ID is shown, and the AP ID is designed to support up to 50 APs at the same time.

다음으로 도 84 및 도 85에는 AP에서 UI로의 통신 프로토콜이 도시되어 있다. AP에서 UI에 제공하는 data는 ELB의 센서값들이 많이 포함되어 있어 많은 data를 보내야하고, 이를 위해 통신용 data 길이가 길어지게 된다. 그리고 도 86에는 각 항목의 상세설명이 도시되어 있다.84 and 85, communication protocols from the AP to the UI are shown. The data provided by the AP to the UI includes a lot of sensor values of the ELB, so a lot of data must be sent, and the data length for the communication becomes long. 86 shows a detailed description of each item.

Zigbee는 저소비전력, 저비용, 많은 센서 노드, 상호접속성을 지향하는 센서 및 제어계측 무선네트워크를 위한 국제적인 업계의 표준화 기술로 MCU 모듈과 AP간에 통신은 Zigbee 통신을 이용한다. 표 22와 표 23에 Zigbee 사양과 아키텍쳐의 구성 및 기능을 나타내었다.Zigbee is an international industry standardization technology for low power consumption, low cost, many sensor nodes, interconnected sensor and control measurement wireless networks, and Zigbee communication is used for communication between MCU module and AP. Table 22 and Table 23 show the configuration and function of the Zigbee specification and architecture.

항목Item 내용Contents 주파수frequency 2.4GHz ISM 대역2.4GHz ISM band 전송속도Transmission speed 250 kbps250 kbps 네트워크 용량Network capacity 최대 65,536노드Up to 65,536 nodes 토폴로지Topology 스타, 메쉬, 클러스터 트리Star, Mesh, Cluster Tree 구성 장치Configuring device 코디네이터, 라우터, 엔드디바이스Coordinator, Router, End Device

층별 명칭Floor name 약칭Abbreviation 주요 기능main function 어플리케이션층Application layer APLAPL 사용자의 통신 어플리케이션The user's communication application 어플리케이션 지원부
Application Support
APSAPS 어플리케이션 간의 논리적 통신경로 확립
어플리케이션 간의 데이터 교환
어플리케이션 간의 메시지 착신확인 및 재전송 요구
Establishing a logical communication path between applications
Exchange data between applications
Confirm message receipt and request retransmission between applications
네트워크층Network layer NWKNWK 네트워크 관리, 라우팅 관리
네트워크 내에서 메시지 전송
Network Management, Routing Management
Sending messages within a network
미디어 액세스층Media access layer MACMAC 1홉 내에서 메시지 전송
1홉 내에서 착신확인 및 재전송 요구
Sending messages within one hop
Request acknowledgment and retransmission in one hop
물리층Physical layer PHYPHY 통신에 사용되는 주파수, 채널, 변조방식, 프레임 구조Frequency, channel, modulation scheme, frame structure used in communication

하드웨어의 물리층은 무선통신에 필요한 물리적인 미디어에 관한 규약으로 주파수, 채널, 변조 방식, 기본 통신프레임 등으로 구성된다. MAC층은 전파가 직접 도달되는 범위(1홉)내에서 메시지가 올바르게 전달되는 것을 규정한다. 간섭 전파 등의 원인으로 통신 에러가 발생할 경우 에러 검출, 오류 수정, 재전송 요구 및 정상적인 수신일 경우 ACK 응답 등을 수행한다. 네트워크 관리와 라우팅 관리 하에서 네트워크 내의 메시지 전송 방식을 규정한 네트워크층에서는 네트워크 기동, 네트워크 참가, 네트워크 주소 할당 등을 통하여 네트워크 노드들 간에 상호 인실 할 수 있도록 기능한다. 또한, 전파가 직접 도달되지 않는 무선 네트워크의 경우 중간 노드의 릴레이 기능으로 메시지를 전송 할 수 있도록 라우트를 선택한다. The physical layer of the hardware is a protocol relating to a physical medium required for wireless communication, and is composed of frequency, channel, modulation scheme, basic communication frame, and the like. The MAC layer specifies that the message is delivered correctly within the range (1 hop) where radio waves are directly reached. Error detection, error correction, retransmission request, and ACK response in the case of normal reception when a communication error occurs due to an interference radio wave or the like. In the network layer that defines the message transmission method in the network under the network management and routing management, the network layer functions to mutually trust the network nodes through network activation, network participation, and network address allocation. In the case of a wireless network in which radio waves are not directly received, a route is selected so that messages can be transmitted through the relay function of the intermediate node.

네트워크층에서 노드 간의 통신경로가 확정되지만 1개 노드에 복수의 어플리케이션이 함께 존재하는 것이 가능하기 때문에 TCP 포트 와 같은 어플리케이션 간의 논리적인 통신경로가 필요하게 된다. 어플리케이션 지원 부층의 주 기능들 중의 하나는 이러한 논리적 서브 채널로서의 엔드 포인트를 지원하는 것이다. 또한 네트워크층에서 전송 가능한 정보는 일정 길이 이하의 2진 데이터 페이로드 뿐이다. 사용자의 어플리케이션은 여러 가지이기 때문에 요구되는 데이터 형식도 서로 다르다. 어플리케이션으로부터의 송신 데이터를 네트워크층에 요구된 형식으로 변환하여 프레임을 구축한다든지 혹은, 네트워크층으로부터의 페이로드 데이터를 어플리케이션이 이해할 수 있는 메시지로 변환하는 일이 이 층의 역할이다. 구축된 통신 프레임의 착신 확인과 전송 요구도 이 층의 기능이다. 그러나 Zigbee사양 1.0에서는 데이터 사이즈가 큰 메시지를 자동적으로 복수 프레임으로 분할해서 전송하는 기능(프래그멘테이션)은 아직 지원되지 않는다. A communication path between nodes in the network layer is established, but it is possible for a plurality of applications to coexist in one node, so that a logical communication path between applications such as a TCP port is required. One of the main functions of the application support layer is to support endpoints as such logical subchannels. Also, the information that can be transmitted at the network layer is only a binary data payload of a certain length or less. Since there are many applications of the user, the required data formats are also different. It is the role of this layer to transform the transmission data from the application into the required format in the network layer to build the frame or to convert the payload data from the network layer into a message that the application can understand. The acknowledgment and transmission request of the established communication frame is also a function of this layer. However, Zigbee Specification 1.0 does not yet support fragmentation (automatic fragmentation and transmission of messages with large data sizes).

Zigbee의 사양은 어플리케이션을 쉽게 구축할 수 있도록 어플림케이션 프레임 워크를 제공하고 있다. 또한 특수한 어플리케이션으로서 Zigbee 네트워크를 관리하는 Zigbee 디바이스 오브젝트(ZDO)의 실장이 의무화 되어 있다.The Zigbee specification provides an application framework for building applications easily. As a special application, ZigBee device object (ZDO) which manages Zigbee network is required to be implemented.

원격 감시/제어 시스템의 통신 변조 방식은 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)의 변조로 도 87과 같은 변조 회로로 구성하였다.The communication modulation scheme of the remote monitoring / control system is composed of a modulation circuit as shown in FIG. 87 as modulation of QPSK (Quadrature Phase Shift Keying).

QPSK의 변조는 다음과 같은 방식에 의해 신호를 도 88과 같이 변조하여 송신하게 된다.Modulation of QPSK is performed by modulating a signal as shown in FIG. 88 by the following method.

① 송신하는 베이스 밴드의 비트 스트림을 4비트씩 나누어 심볼로 변환한다. 예를 들면, 1010과 같은 비트 열은 심볼 5로 변환한다 IEEE802.15.4에서는 최하위 비트(LSB: Least Signification Bit)로부터 차례대로 보내지도록 정해져 있기 때문에 비트 스트림의 순서는 0101이 아니라 역으로 1010이 된다.(1) Convert the bit stream of the base band to be transmitted by dividing the bit stream by 4 bits into symbols. For example, a bit stream such as 1010 is converted to a symbol 5. In IEEE802.15.4, since it is determined to be transmitted in order from the least significant bit (LSB: Least Significant Bit), the order of the bit stream is not 0101 but 1010 in reverse.

② 얻어진 심볼을 대응하는 PN 부호의 칩 열(32칩)로 변환시키고 스펙트럼 확산을 수행한다. 심볼 5의 PN 부호 칩 열은 00110101001000101110110110011100이 된다.(2) Converts the obtained symbol into a chip string (32 chips) of the corresponding PN code and performs spread spectrum. The PN code chip sequence of the symbol 5 becomes 00110101001000101110110110011100.

③ 변환된 PN 부호 칩 열을 홀수 번째의 칩과 짝수 번째의 칩으로 나누어 각각 I상 PSK 신호와 Q상 PSK 신호로 한다. 예를 들면 5의 PN 부호의 I상 PSK 신호와 Q상 PSK 신호는 각각 0100010111101010과 0111000010110110이 된다.(3) The converted PN code chip sequence is divided into an odd-numbered chip and an even-numbered chip, which are used as an I-phase PSK signal and a Q-phase PSK signal, respectively. For example, the I-phase PSK signal and the Q-phase PSK signal of the PN code of 5 become 0100010111101010 and 0111000010110110, respectively.

④ I상 PSK 신호와 Q상 PSK 신호에 각각 D/A 변환을 시켜서 아날로그 신호로 변환한다. 여기서부터 회로는 아날로그 회로이다. 심볼5의 I상과 Q상 펄스의 파형은 반 사인파가 된다.(4) D / A conversion is performed on the I-phase PSK signal and the Q-phase PSK signal, respectively, and converted into an analog signal. The circuit from here is an analog circuit. The waveform of the I-phase and Q-phase pulse of the symbol 5 becomes a half-sine wave.

⑤ 얻어진 2개의 아날로그 신호를 각각 반송파와 반송파를 통과시켜얻은직교반성파를곱함으로써변조파의동상성분과직교성분이가능해진다.(5) By multiplying the obtained two analog signals by the orthogonal reflection wave obtained by passing the carrier wave and the carrier wave respectively, orthogonal components of the in-phase component of the modulated wave can be obtained.

⑥ 변조파의 동상성분과 직교성분을 더해서 변조 고주파를 생성하고 파워 앰프로 신호를 증폭하면 안테나로부터 송출이 가능해진다.⑥ By adding in-phase component and quadrature component of modulated wave to generate modulated high frequency and amplifying signal with power amplifier, it becomes possible to send out from antenna.

송신부로부터 변조된 신호에서 정보를 추출하기 위한 복조회로를 도 89와 같이 구성하였다.A demodulation circuit for extracting information from a modulated signal from a transmitter is configured as shown in FIG.

변조된 신호를 복조하는 방식은 다음과 같다.The method of demodulating the modulated signal is as follows.

① 안테나로부터 수신한 변조된 고주파를 각각 반송파와 반송파가 /4 지연회로를 통해 얻어진 직교 반송파에 따라 동상성분과 직교성분으로 분리한 후 위상 검출을 수행한다.(1) phase detection is performed after separating the modulated high-frequency received from the antenna into an in-phase component and a quadrature component according to an orthogonal carrier wave obtained by a / 4 delay circuit, respectively.

② 동상성분과 직교성분의 아날로그 신호에 각각 A/D 변환을 시키고 디지털 신호로 변환시켜 I상과 Q상의 칩 열로 한다. 여기서부터의 회로는 디지털 회로이다. 예를 들면 심볼 5 가 제대로 수신된 경우, I상과 Q상의 칩 열은 0100010111101010과 0111000010110110이 얻어지게 된다.(2) A / D conversion is performed on the analog signal of the in-phase component and the quadrature component, respectively, and converted into a digital signal to form a chip string of I-phase and Q-phase. The circuit from here is a digital circuit. For example, when symbol 5 is correctly received, the I and Q phase chip strings are 0100010111101010 and 0111000010110110.

③ I상과 Q상의 칩 열은 각각 홀수 번째의 칩과 짝수 번째의 칩으로서 합성된다. 전 예의 경우에 00110101001000101110110110011100과 같은 칩 열이 가능해 진다.(3) The I and Q phase chips are synthesized as odd-numbered chips and even-numbered chips, respectively. In the case of all the examples, chip heat such as 00110101001000101110110110011100 becomes possible.

④ 합성된 칩 열과 각각 심볼로 사용된 16종류의 PN 부호열과의 상관계산을 하고 상관성이 가장 높은 PN 부호열에 대응하는 심볼을 선택한다. 전 예의 경우, 심볼 5가 얻어진다.(4) Calculate the correlation between the synthesized chip sequence and the 16 types of PN code sequences used as symbols, and select the symbol corresponding to the PN code sequence with the highest correlation. In the case of all examples, symbol 5 is obtained.

⑤ 얻어진 심볼을 다시 4비트 데이터로 변환한다. 심볼 5의 경우는 LSB를 선두로 한 1010의 베이스밴드 신호가 되고 상위층으로 보내어 페이로드(payload)로 처리된다.(5) Converts the obtained symbol into 4-bit data. In case of symbol 5, 1010 baseband signal with LSB as the head is sent to upper layer and processed as payload.

링크와 노드 등의 네트워크 요소에 대한 연결 방식인 토폴로지는 스타(star) 토폴로지와 트리(tree) 토폴로지 및 메시(mesh) 토폴로지 등이 있다.The topologies that connect to network elements such as links and nodes include star topology, tree topology, and mesh topology.

스타 토폴로지는 도 90과 같은 연결방식으로 코디네이터(coordinator)에 의해 제어가 되는 구조로 구성이 단순하다. 단말 노드는 평소에는 동작하지 않아도 되는 구조로 교신하지 않는 동안 무전력의 슬립 상태가 가능하다. 이에 단말 노드는 저비용의 RFD로 구성이 가능하고 1홉만의 통신이므로 데이터 전송의 최대 지연 시간을 일정 범위로 제어가 가능하다. 단일 통신 라우터이기 때문에 불필요한 메시지가 거의 발생하지 않으며 신뢰성의 관점에서는 단점이지만 통신 대역의 유효 이용의 관점에서는 장점이 있다.The structure of the star topology is simple in that it is controlled by a coordinator in the connection mode as shown in FIG. The terminal node does not need to operate normally, and it can sleep without power while it does not communicate. Therefore, the terminal node can be configured as a low cost RFD, and since it is only one hop communication, it is possible to control the maximum delay time of data transmission within a certain range. Since it is a single communication router, unnecessary messages rarely occur, and it is a disadvantage from the viewpoint of reliability but has an advantage in terms of effective use of communication bandwidth.

트리 토폴로지는 도 91과 같은 구조로 부모 노드는 항상 자신의 노드 상태를 파악하고 코디네이터는 네트워크 전체의 접속상태를 파악하기 쉬운 구조이다. 네트워트 구성의 균형은 코디네이터에 의해 제어가 가능하며 통신거리가 1홉의 제한을 넘어 멀티 홉 통신이 가능하다. 또한, 통신경로가 확정되어 있기 때문에 여분의 메시지가 발생하지 않으며 메시지 전송의 최대 지연 시간이 예측 가능하다. 하지만 간섭 전파 등의 원인으로 통신 장애가 발생하는 경우 통신 경로가 단일로 고정되어 있기 때문에 메시지가 도달할 수 없는 문제점이 있다. 또한 메시지 전송이 최적의 경로로 이루어지지 않을 가능성이 존재 한다. 정보를 정점에 집약하기 때문에 코디네이터에 근접할수록 통신 트래픽이 많아 네트워크 자원 이용의 균형이 좋지 않고 부모 노드가 항상 동작하고 있는 상태에서 자식 노드로의 메시지 전송 기능이 필요하기 때문에 부모노드에는 무전력 슬립 기능을 실장하기 어려운 문제점이 있다.The tree topology is structured as shown in FIG. 91, and the parent node always grasps the state of its own node, and the coordinator is an easy structure to grasp the connection state of the entire network. The balance of the network configuration can be controlled by the coordinator and the communication distance exceeds the limit of one hop, and multi-hop communication is possible. In addition, since the communication path is established, no extra message is generated and the maximum delay time of message transmission can be predicted. However, when a communication failure occurs due to interference propagation or the like, there is a problem that a message can not be reached because the communication path is fixed to a single one. There is also the possibility that the message transmission may not be the optimal route. Since information is concentrated on the vertices, the closer to the coordinator, the more communication traffic is required, the balance of network resource utilization is not good, and since the parent node is always operating, the message transmission function to the child node is required. There is a problem that it is difficult to mount.

이에 트리 토포롤지의 문제점을 보완하기 위해 도 92와 같은 메시 토폴로지 연결 방식으로 원격 감시/제어 시스템을 구성하였다. 메시 토포로지의 특징은 다음과 같다. In order to solve the problem of the tree topology, a remote monitoring / control system is constructed by the mesh topology connection method as shown in FIG. The characteristics of the mesh topology are as follows.

① 1홉의 통신 거리 제한을 초월해 멀티 홉 통신이 가능하다.① Multi-hop communication is possible beyond the limit of 1 hop communication distance.

②통신 라우트의 여유분을 둠으로써 통신의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 만일 간섭 전파 등의 원인으로 통신장애가 발생해도 별도의 통신경로로 우회하여 메시지가 도달될 수 있다.(2) Reliability of communication can be improved by providing redundancy of communication route. If a communication failure occurs due to interference propagation, etc., the message can be reached by diverting to a separate communication path.

③ 메시지 릴레이 기능이 필요하기 때문에 항상 동작하는 것이 요구되므로 무전력을 위한 슬립기능의 실장은 매우 어렵다.③ Since the message relay function is required, it is required to always operate, so it is very difficult to implement the sleep function for no power.

④ 멀티 홉 통신의 경우 데이터 전송에 필요한 지연시간은 좀처럼 제어되기 어렵다.(4) In the case of multi-hop communication, the delay time required for data transmission is hardly controlled.

⑤ 네트워크층의 스택에 따라 차이가 있지만 1회 릴레이에는 수십 미리초 이상의 처리시간이 걸린다. 이것은 프레임의 전송뿐만 아니라 통신경로 비용의 계산 등 라우팅 처리에서 재 작성한 프레임을 릴레이하기 때문이다.⑤ There is a difference depending on the stack of the network layer, but it takes a processing time of several tens of milliseconds or more for one relay. This is because it relays frames that have been rewritten in the routing process, such as the computation of communication path costs as well as the transmission of frames.

⑥ 관리 정보가 각각의 노드에 분산되어 있기 때문에 네트워크 구성의 전체 정보가 파악되기 어렵다.(6) Since the management information is distributed to each node, it is difficult to grasp all information of the network configuration.

⑦ 라우팅 테이블 등을 실장하기 때문에 보다 큰 메모리 등의 자원이 요구된다.(7) Since a routing table or the like is implemented, resources such as a larger memory are required.

통신대역의 유효 이용 관점으로 보면 동일한 메시지를 여러 경로를 송신하는 것은 단점이 된다. 메쉬 네트워크의 라우팅 알고리즘에 따라서 발생하는 여분 메시지의 수도 다르다. 여분의 메시지 수는 신뢰성과 내장성과의 트레이드 오프(trade off) 관계가 있다.From the viewpoint of effective use of the communication band, it is a disadvantage to transmit multiple paths of the same message. The number of extra messages generated by the routing algorithm of the mesh network is also different. The number of extra messages has a trade-off relationship between reliability and built-in performance.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The present invention can also be embodied as computer-readable codes on a computer-readable recording medium. A computer-readable recording medium includes all kinds of recording apparatuses in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of the computer-readable recording medium include a ROM, a RAM, a CD-ROM, a magnetic tape, a floppy disk, an optical data storage device, and the like, and may be implemented in the form of a carrier wave (for example, transmission via the Internet) . The computer-readable recording medium may also be distributed over a networked computer system so that computer readable code can be stored and executed in a distributed manner.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation in the embodiment in which said invention is directed. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the scope of the appended claims.

Claims (1)

전원전압을 검출하여 전원의 반주기마다 동기신호를 발생하는 동기신호발생부;
상기 전원에 연결된 선로에 흐르는 합성 누설전류의 실효치를 상기 동기신호에 따라 상기 전원의 반주기 단위로 적분하여 저항성 누설전류를 산출하는 누설전류 산출부; 및
상기 산출된 저항성 누설전류와 사전에 설정된 기준값을 비교하여 상기 전원의 차단여부를 결정하는 누전 차단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 누전 감지 및 차단 시스템.
A synchronization signal generator for detecting a power supply voltage and generating a synchronization signal every half cycle of the power supply;
A leakage current calculation unit for integrating the effective value of the combined leakage current flowing in the line connected to the power source in a half cycle unit of the power source according to the synchronization signal to calculate a resistive leakage current; And
And an earth leakage blocking unit for comparing the calculated resistive leakage current with a preset reference value to determine whether the power source is shut off.
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