KR20140085409A - 접속부의 열화 상태감시 진단기능을 갖는 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반 - Google Patents

접속부의 열화 상태감시 진단기능을 갖는 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반 Download PDF

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Abstract

비접촉 아크 센서 모듈에 감지된 아크의 발생 여부를 표시하는 알람 램프; 알람 램프를 턴온/턴오프하는 알람 계전기; 적외선을 감지하여 온도를 검출하는 비접촉 온도 센서 모듈; 비접촉 온도 센서 모듈에서 검출된 온도를 누적하고, 누적된 온도의 평균 온도를 산출하는 비접촉 온도 센서 접속부; 비접촉 온도 센서 접속부에서 산출된 평균 온도를 외부의 채널 보드로 송신하는 제1 광파이버 접속부; 아크의 발생을 감지하는 비접촉 아크 센서 모듈: 비접촉 아크 센서 모듈에서 아크의 발생이 감지되면, 전원 레벨을 상승시켜 공급하는 전원 공급부; 비접촉 아크 센서 모듈의 전원 레벨을 소정 주기마다 검출하는 전원 신호 검출부; 전원 신호 검출부에서 검출된 전원 레벨을 송신하는 제2 광파이버 접속부; 비접촉 온도 센서 접속부에서 산출된 평균 온도가 주변 온도보다 높은지 판단하고, 판단 결과 평균 온도가 주변 온도보다 높으면 알람 계전기를 작동시켜 시켜 온도의 상승을 표시하도록 제어하고, 전원 신호 검출부로부터 전원 레벨을 수신하고, 수신된 전원 레벨이 미리 설정된 경보 레벨 이상으로 3주기 연속되는 경우 알람 계전기를 작동시켜 아크의 발생을 표시하도록 제어하는 제어부를 구성한다.

Description

접속부의 열화 상태감시 진단기능을 갖는 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반{HIGH VOLTAGE DISTRIBUTING BOARD, LOW VOLTAGE DISTRIBUTING BOARD, DISTRIBUGING BOARD, MOTOR CONTORL BOARD MONITORING INTACT OVERHEAT FOR CONNECTOR}
본 발명은 고압/저압 분전반, 모터 제어반 등에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 접속부의 열화 상태감시 진단기능을 갖는 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반에 관한 것이다.
종래의 수배전반은 고압/저압 전압을 부하 말단으로 안정적으로 배분하고 관리하기 위한 구성이다.
수배전반은 내부의 수많은 장치와 배선이 고장이나 절연 열화 등으로 인해 불시에 정전이나 전기 사고를 야기하며, 때때로 큰 전기 화재를 발생시켜 많은 인명적, 재산적 피해를 초래하기도 한다.
이에 고압/저압의 수배전반에 흐르는 전압/전류의 이상을 보다 신속하게 감지하여 조치하는 것은 매우 중요하다.
비교적 대형 자동화 건물에서는 이러한 수배전반의 감시 기능이 자동화되어 신속한 대응이 가능하지만, 대부분의 수배전반에서는 그 내부의 고압에 의한 아크(arc) 방전이나 열화에 신속 대응하기가 쉽지 않다.
수배전반에서는 그 전압에 따라 아크 방전이 수시로 발생하고 없어지기도 한다. 아크 방전은 접촉 불량에 의한 과열, 단선, 단락 등에 의해 발생가기도 하며 절연 피복재 열화에 의해서는 트랙킹 현상도 발생한다.
이러한 전기 사고는 단순히 차단기에 의해 예방될 수 없는 사안이다.
아크 화재의 경우, 지락이나 용량초과, 타 물건과의 접촉 등에 의해 비정상적인 전류가 흐르게 되어 고압/저압 배전반 내부의 부스바, 케이블, 전선간의 접촉부, 단자 접촉부 등이 과열되고, 이로 인하여 다른 물체에 접촉함으로써 고장부위에서 선이 절단되어 차단되거나 부분적인 접촉으로 계속적인 반복적인 아크를 발생시키게 된다.
이러한 아크는 1회성으로 순간적으로 발생하여 잦아드는 경우도 있는데 이는 지극히 정상적인 현상일 수 있으나, 반복적 발생이나 연속적 발생은 큰 사고를 야기할 수 있는 소지가 많다.
이러한 아크의 발생을 정확하게 감지하고 그 위험성 여부를 정확하게 판단하여 자동으로 사용자에게 알려주고 정상으로 복구시킬 수 있는 자동 계전기의 필요성이 매우 크다.
이러한 정확한 진단과 판단 그리고 그에 따른 계전 동작과 복구 동작이 된다면 이를 관리하는 사용자의 수고를 덜고 위험 발생의 빈도를 정확하게 인지하도록 도와 전기 사고를 예방할 수 있을 것으로 본다.
한편, 이러한 수배전반은 아크 방전뿐만 아니라 온도에도 매우 취약한데, 이들 열화 요인들을 실시간 모니터링하여 효율적으로 대처할 필요가 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 아크 방전의 경우에는 그 발생 자체가 매우 빈번하고 간헐적이기도 하나, 연속적 발생은 매우 위험하다는 특징이 있다.
그리고 온도의 경우에는 매우 서서히 변화가 되며, 순간 순간 그 감지가 요구되는 것은 아니다.
이와 같은 배전반과 그 열화 특성을 파악하여 효율적으로 열화 요인을 파악하고 이에 대응할 수 있는 수단과 알고리즘이 요구되는 바이다.
한편, 종래에는 고압반, 저압반, 모터 제어반, 분전반 내부에서 쌍가닥선과 같은 일반 전선을 이용하였는데, 이러한 일반 전선은 고압반 등의 내부의 고주파에 의해 신호가 일그러지거나 왜곡되는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제0763648호 (2007.09.27)
본 발명의 목적은 접속부의 열화 상태감시 진단기능을 갖는 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반을 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 목적에 따른 접속부의 열화 상태감시 진단기능을 갖는 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반은, 온도 상승 또는 아크의 발생 여부를 표시하는 알람 램프(alarm lamp); 상기 알람 램프를 턴온/턴오프하는 알람 계전기(alarm relay); 부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부의 적외선을 감지하여 온도를 검출하는 비접촉 온도 센서 모듈; 상기 비접촉 온도 센서 모듈에서 검출된 온도를 누적하고, 누적된 온도의 평균 온도를 산출하는 비접촉 온도 센서 접속부; 상기 비접촉 온도 센서 접속부에서 산출된 평균 온도를 외부의 채널 보드로 송신하는 제1 광파이버 접속부; 상기 고압반, 저압반, 모터 제어반, 분전반 내 아크(arc)의 발생을 감지하는 비접촉 아크(arc) 센서 모듈: 상기 비접촉 아크 센서 모듈에서 아크의 발생이 감지되면, 전원 레벨을 상승시켜 공급하는 전원 공급부; 상기 비접촉 아크 센서 모듈의 전원 레벨을 소정 주기마다 검출하는 전원 신호 검출부; 상기 전원 신호 검출부에서 검출된 전원 레벨을 송신하는 제2 광파이버 접속부; 상기 비접촉 온도 센서 접속부에서 산출된 평균 온도가 주변 온도보다 높은지 판단하고, 판단 결과 상기 평균 온도가 주변 온도보다 높으면 상기 알람 계전기를 작동시켜 시켜 온도의 상승을 표시하도록 제어하고, 상기 전원 신호 검출부로부터 상기 전원 레벨을 수신하고, 수신된 전원 레벨이 미리 설정된 경보 레벨 이상으로 3 주기 연속되는 경우 상기 알람 계전기를 작동시켜 아크의 발생을 표시하도록 제어하는 제어부를 포함하도록 구성될 수 있다.
여기에서, 상기 외부의 채널 보드로부터 평균 온도의 산출을 요청받고, 해당 비접촉 온도 센서 모듈을 선택하는 온도 센서 선택부를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 제어부는, 상기 수신된 전원 레벨이 상기 경보 레벨 미만으로 내려가는 경우, 상기 알람 계전기를 복구하여 상시 감지 상태로 설정하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 제어부는, 상기 전원 신호 검출부에서 검출된 전원 레벨을 통해 현재 연결된 비접촉 아크 센서 모듈의 개수를 인지하여 확인하고, 확인 후부터는 1000 ms를 현재 연결된 비접촉 아크 센서 모듈의 개수로 나누어 상기 소정 주기를 산출하고, 상기 산출된 주기마다 상기 현재 연결된 비접촉 아크 센서 모듈의 전원 레벨을 수신하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 비접촉 온도 센서 모듈은, 안티-앨리어싱(anti-aliasing)을 고려한 저대역 필터(LPF)를 이용하여 상기 감지된 적외선의 아날로그 신호를 필터링하고, 필터링된 아날로그 신호를 FIR 필터를 이용하여 디지털 신호로 샘플링하고, 샘플링된 디지털 신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 연산하여 디지털 신호의 크기 및 주파수를 산출하여 온도를 검출하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 비접촉 온도 센서 모듈은, 상기 FIR 필터를 이용하여 1-100 kHz 대역의 신호를 통과시키도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 비접촉 온도 센서 모듈은, 상기 FIR 필터를 이용하여 1-100 kHz 대역의 신호를 통과시키도록 구성되며, 상기 FIR 필터는 128 비트의 입력 데이터를 처리 가능한 다음 수학식의 함수로 구성되며,
[수학식]
Figure pat00001
여기서, M은 128, x[n]은 상기 저대역 필터(LPF)를 통해 ADC 포트로 입력되는 온도 신호이고, y[n]은 상기 FIR 필터를 통과한 10 kHz 대의 온도 신호로 구성될 수 있다.
다른 한편, 상기 비접촉 아크 센서 모듈은, 안티-앨리어싱(anti-aliasing)을 고려한 저대역 필터(LPF)를 이용하여 상기 감지된 아크의 아날로그 신호를 필터링하고, 필터링된 아날로그 신호를 FIR 필터를 이용하여 디지털 신호로 샘플링하고, 샘플링된 디지털 신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 연산하여 디지털 신호의 크기 및 주파수를 산출하여 아크를 검출하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 비접촉 아크 센서 모듈은, 상기 FIR 필터를 이용하여 1-100 kHz 대역의 신호를 통과시키도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 비접촉 아크 센서 모듈은, 상기 FIR 필터를 이용하여 1-100 kHz 대역의 신호를 통과시키도록 구성되며, 상기 FIR 필터는 128 비트의 입력 데이터를 처리 가능한 다음 수학식의 함수로 구성되며,
[수학식]
Figure pat00002
여기서, M은 128, x[n]은 상기 저대역 필터(LPF)를 통해 ADC 포트로 입력되는 아크 신호이고, y[n]은 상기 FIR 필터를 통과한 10 kHz 대의 아크 신호로 구성될 수 있다.
상술한 접속부의 열화 상태감시 진단기능을 갖는 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반에 의하면, 온도 열화 특성과 아크 방전 열화 특성에 따라 그 감지 및 대처를 달리하여 효율적인 전기 사고의 예방을 할 수 있는 효과가 있다.
특히, 아크 방전의 경우에는 수시로 발생하는 아크 방전의 성격을 정확하게 판단하고 그 위험성을 사용자에게 알려주도록 구성됨으로써, 사용자의 관리 효율성을 높이고 아크 방전에 의한 전기 사고를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 수많은 센서 중에서 현재 동작 가능한 비접촉 아크 감지 센서 모듈을 표시하고 그 센서들에 대해서만 순간순간 발생하는 아크의 발생을 제어부로 알려줌으로써, 사실상 아크 발생의 감지율을 높이고 아크 발생에 따른 급작스런 사고에 대해서도 신속하게 알람을 할 수 있는 효과가 있다.
한편, 온도 상승의 경우에는 필요에 따라 외부의 채널 보드나 내부의 제어부로부터 요청이 있을 때 그 온도 센서를 선택하여 감지하고 대처함으로써, 그 모니터링 효율을 높일 수 있다.
다른 한편, 종래와 달리 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반 내부에서 통신 선로를 광통신 선로로 구성함으로써, 신호의 일그러짐이나 왜곡을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광통신 인터페이스의 비접촉 열화 감시 진단 기능을 갖는 고압반, 저압반, 모터 제어반, 분전반의 블록 구성도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광통신 인터페이스의 비접촉 열화 감시 진단 기능을 갖는 고압반, 저압반, 모터 제어반, 분전반의 측단면도이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 온도 센서 모듈의 전달 함수의 네트워크 다이어그램이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 알람 계전기의 평상시 타이밍도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 알람 계전기의 동작시 타이밍도이고, 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 알람 계전기의 복구시 타이밍도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 알람 계전기의 회로도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센서 접속부의 회로도이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 광파이버 접속부의 회로도이다.
도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 아크 센서 모듈의 회로도이다.
도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급부의 회로도이다.
도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 신호 검출부의 회로도이다.
도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 광파이버 접속부의 회로도이다.
도 3h는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 회로도이다.
도 3i는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센서 선택부의 회로도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광통신 인터페이스의 비접촉 열화 감시 진단 기능을 갖는 고압반, 저압반, 모터 제어반, 분전반의 블록 구성도이고, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광통신 인터페이스의 비접촉 열화 감시 진단 기능을 갖는 고압반, 저압반, 모터 제어반, 분전반의 측단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광통신 인터페이스의 비접촉 열화 감시 진단 기능을 갖는 고압반, 저압반, 모터 제어반, 분전반(100)은 알람 램프(101), 알람 계전기(102), 비접촉 온도 센서 모듈(103), 비접촉 온도 센서 접속부(104), 제1 광파이버 접속부(105), 비접촉 아크 센서 모듈(106), 전원 공급부(107), 전원 신호 검출부(108), 제2 광파이버 접속부(109), 제어부(110), 온도 센서 선택부(111)을 포함하도록 구성될 수 있다.
알람 램프(101)는 온도 상승 또는 아크의 발생 여부를 표시하도록 구성될 수 있다.
또한 알람 램프(101)는 현재 동작 중인 비접촉 온도 센서 모듈(130) 또는 비접촉 아크 센서 모듈(106)을 표시하도록 구성될 수 있다.
알람 계전기(103)는 알람 램프(101)를 턴온/턴오프하도록 구성될 수 있다.
비접촉 온도 센서 모듈(103)은 부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부의 적외선을 감지하여 온도를 검출하도록 구성될 수 있다.
비접촉 온도 센서 접속모듈(103)은 비접촉 온도 센서 모듈(103)에서 검출된 온도를 누적하고, 제어부(10) 또는 외부의 채널 보드(200)의 요청에 따라 앞서 누적된 온도의 평균 온도를 산출하도록 구성될 수 있다.
이하, 온도 검출 알고리즘에 대해 좀 더 구체적으로 설명한다.
한편, 비접촉 온도 센서 모듈(103)은 먼저 IR 센서의 I/F 포트를 통해 더미 데이터(dummy data)를 쓰고 읽어 자기 진단을 하는데 IR 센서의 사양에서 보증하는 보정 값을 일정 주기마다 리로드(reload)하여 IR 센서의 값을 보정한다.
이때, 주위의 온도는 IR 센서로부터 주위 온도를 검출하고 ADC 포트를 통해 온도 값을 읽는다.
비접촉 온도 센서 모듈(103)은 안티-앨리어싱(anti-aliasing)을 고려한 저대역 필터(LPF)를 이용하여 상기 감지된 적외선의 아날로그 신호를 필터링하고, 필터링된 아날로그 신호를 FIR 필터를 이용하여 디지털 신호로 샘플링하고, 샘플링된 디지털 신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 연산하여 디지털 신호의 크기 및 주파수를 산출하여 온도를 검출하도록 구성될 수 있다.
여기서, 저대역 필터는 ADC 샘플링한 신호를 왜곡시키지 않으며, 안티-앨리어싱의 효과를 극대화하기 위해 ADC 입력단에 아날로그의 저대역 필터를 부착한다.
한편, FIR 필터는 아날로그의 저대역 필터를 거쳐서 입력된 신호를 디지털의 FIR 필터의 구동 함수를 적용하여 IR 센서(112)의 주파수 영역인 1-100 kHz 대역만 통과시키도록 구성된다.
FIR 함수는 필터 입력으로 한한 길이의 신호를 입력 할 수 없으므로 유한한 길이의 입력 128차까지의 데이터만 입력하여 계산하도록 구성된다.
이로 인한 신호의 불연속을 제거하기 위하여 신호 양끝을 0으로 줄어들게 만들어야 하므로 해밍 윈도우잉 함수(Hamming Windowing Function)를 사용하여 FIR 필터를 구현한다.
즉, FIR 필터의 함수는 다음의 수학식 1과 같다.
Figure pat00003
여기서, 입력 데이터는 128 비트이므로 M이 128이고, x[n]은 저대역 필터(LPF)를 통해 ADC 포트로 입력되는 임의의 온도 신호이고, y[n]은 FIR 필터를 통과한 10 kHz 대의 온도 신호로 구성될 수 있다.
여기서, 필터 계수 bk를 구하여 위 수학식 1에 대입하고 함수의 출력을 산출한다.
함수의 출력을 산출하는 프로세스에 대해 잠시 설명한다.
y(n)은 다음 수학식 2와 같이 전개될 수 있다.
Figure pat00004
여기서, y(n)은 인덱스 n에서 FIR 필터의 출력 샘플이고, x(n)은 인덱스 n에서의 FIR 필터의 입력 샘플이다.
전달 함수(transfer function)는 다음 수학식 3과 같이 전개된다.
Figure pat00005
그리고 네트워크 다이어그램은 도 1c와 같이 표현될 수 있다.
도 1c를 참조하면, H(0), H(1), H(2), … , H(N)은 필터 계수이고, x(n-1), x(n-2), …, x(n-N)은 필터 상태이고, x(n)은 필터 입력이고, y(n)은 필터 출력이다.
필터 출력을 도출해 내기 위해서는 필터 계수인 H(0)-H(128-1)까지 구해야 한다.
한편, 입력 신호의 속성을 알아내 기 위해서는 FFT 연산을 통해 신호의 크기와 주파수를 산출해 낸다.
이러한 FFT 연산을 수행하는 함수로는 신호를 복원하여 다시 아날로그 신호로 출력하는 시스템이 아니므로 연산 속도의 성능을 향상하기 위해서는 실수 부분(real part)만 연산하도록 하는 실수 FFT 모듈(real FFT module)을 사용한다.
이에 필요한 FFT 함수는 다음 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00006
여기서, k는 0부터 N-1이고,
Figure pat00007
은 트위들 팩터(twiddle factor)로서 복소수 연산으로 진행되며 이 부분의 N 포인트가 FFT 연산의 정확도를 좌우하는 요소가 된다.
이 N point가 크면 클수록 연산 결과가 정확해지나 연산 속도가 문제가 될 수 있게 되므로, 이 값을 적절히 선정하도록 구성된다. 여기서는 N을 128 포인트로 정의하여 신호 파형에 해밍 128 윈도우(Hamming 128 Window)를 적용하여 FFT 연산을 수행하도록 구성된다.
이에 앞서, FFT 연산을 위한 데이터를 수집하도록 구성된다. FFT 연산에 필요한 데이터로는 FIR 필터 출력 데이터로서 Filter_Out[ADC_cnt] Array Buffer의 값, 해밍 128 윈도우(Hamming 128 Window)값인 해밍 129 어레이(HAMMING 128 Array) 값, FFT 크기 세이브 버퍼 포인터(FFT Magnitude Save Buffer Pointer), FFT 연산용 버퍼 포인터, 버퍼 길이(BUFFER_LENGTH)는 512 워드(word)로 한다. 이 연산의 결과로 도출되는 것은 검출 신호의 피크 크기(Peak Magnitude)와 피크 주파수(Peak Frequency) 등이다.
비접촉 온도 센서 접속부(104)은 비접촉 온도 센서 모듈(103)에서 검출된 온도를 누적하도록 구성될 수 있다. 그리고 외부의 채널 보드(200) 또는 제어부(110)의 요청에 따라 앞서 누적된 온도의 평균 온도를 산출하도록 구성될 수 있다.
제1 광파이버 접속부(105)는 비접촉 온도 센서 접속부(104)에서 산출된 평균 온도를 외부의 채널 보드(200)로 송신하도록 구성될 수 있다.
비접촉 아크 센서 모듈(106)는 고압반, 저압반, 모터 제어반, 분전반 내 아크(arc)의 발생을 감지하도록 구성될 수 있다.
이하, 아크 검출 알고리즘에 대해 좀 더 구체적으로 설명한다.
한편, 비접촉 아크 센서 모듈(106)은 안티-앨리어싱(anti-aliasing)을 고려한 저대역 필터(LPF)를 이용하여 상기 감지된 적외선의 아날로그 신호를 필터링하고, 필터링된 아날로그 신호를 FIR 필터를 이용하여 디지털 신호로 샘플링하고, 샘플링된 디지털 신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 연산하여 디지털 신호의 크기 및 주파수를 산출하여 아크를 검출하도록 구성될 수 있다.
여기서, 저대역 필터는 ADC 샘플링한 신호를 왜곡시키지 않으며, 안티-앨리어싱의 효과를 극대화하기 위해 ADC 입력단에 아날로그의 저대역 필터를 부착한다.
한편, FIR 필터는 아날로그의 저대역 필터를 거쳐서 입력된 신호를 디지털의 FIR 필터의 구동 함수를 적용하여 IR 센서(112)의 주파수 영역인 1-100 kHz 대역만 통과시키도록 구성된다.
FIR 함수는 필터 입력으로 한한 길이의 신호를 입력 할 수 없으므로 유한한 길이의 입력 128차까지의 데이터만 입력하여 계산하도록 구성된다.
이로 인한 신호의 불연속을 제거하기 위하여 신호 양끝을 0으로 줄어들게 만들어야 하므로 해밍 윈도우잉 함수(Hamming Windowing Function)를 사용하여 FIR 필터를 구현한다.
즉, FIR 필터의 함수는 다음의 수학식 5와 같다.
Figure pat00008
여기사, 입력 데이터는 128 비트이므로 M이 128이고, x[n]은 저대역 필터(LPF)를 통해 ADC 포트로 입력되는 임의의 아크 신호이고, y[n]은 FIR 필터를 통과한 10 kHz 대의 아크 신호로 구성될 수 있다.
여기서, 필터 계수 bk를 구하여 위 수학식 5에 대입하고 함수의 출력을 산출한다.
함수의 출력을 산출하는 프로세스에 대해 잠시 설명한다.
y(n)은 다음 수학식 6와 같이 전개될 수 있다.
Figure pat00009
여기서, y(n)은 인덱스 n에서 FIR 필터의 출력 샘플이고, x(n)은 인덱스 n에서의 FIR 필터의 입력 샘플이다.
전달 함수(transfer function)는 다음 수학식 7과 같이 전개된다.
Figure pat00010
그리고 네트워크 다이어그램은 도 1c와 같이 표현될 수 있다.
도 1c를 참조하면, H(0), H(1), H(2), … , H(N)은 필터 계수이고, x(n-1), x(n-2), …, x(n-N)은 필터 상태이고, x(n)은 필터 입력이고, y(n)은 필터 출력이다.
필터 출력을 도출해 내기 위해서는 필터 계수인 H(0)-H(128-1)까지 구해야 한다.
한편, 입력 신호의 속성을 알아내 기 위해서는 FFT 연산을 통해 신호의 크기와 주파수를 산출해 낸다.
이러한 FFT 연산을 수행하는 함수로는 신호를 복원하여 다시 아날로그 신호로 출력하는 시스템이 아니므로 연산 속도의 성능을 향상하기 위해서는 실수 부분(real part)만 연산하도록 하는 실수 FFT 모듈(real FFT module)을 사용한다.
이에 필요한 FFT 함수는 다음 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00011
여기서, k는 0부터 N-1이고,
Figure pat00012
은 트위들 팩터(twiddle factor)로서 복소수 연산으로 진행되며 이 부분의 N 포인트가 FFT 연산의 정확도를 좌우하는 요소가 된다.
이 N point가 크면 클수록 연산 결과가 정확해지나 연산 속도가 문제가 될 수 있게 되므로, 이 값을 적절히 선정하도록 구성된다. 여기서는 N을 128 포인트로 정의하여 신호 파형에 해밍 128 윈도우(Hamming 128 Window)를 적용하여 FFT 연산을 수행하도록 구성된다.
이에 앞서, FFT 연산을 위한 데이터를 수집하도록 구성된다. FFT 연산에 필요한 데이터로는 FIR 필터 출력 데이터로서 Filter_Out[ADC_cnt] Array Buffer의 값, 해밍 128 윈도우(Hamming 128 Window)값인 해밍 129 어레이(HAMMING 128 Array) 값, FFT 크기 세이브 버퍼 포인터(FFT Magnitude Save Buffer Pointer), FFT 연산용 버퍼 포인터, 버퍼 길이(BUFFER_LENGTH)는 512 워드(word)로 한다. 이 연산의 결과로 도출되는 것은 검출 신호의 피크 크기(Peak Magnitude)와 피크 주파수(Peak Frequency) 등이다.
전원 공급부(107)는 비접촉 아크 센서 모듈(106)에서 아크의 발생이 감지되면, 전원 레벨을 상승시켜 공급하도록 구성될 수 있다.
전원 신호 검출부(108)는 비접촉 아크 센서 모듈(106)의 전원 레벨을 소정 주기마다 검출하도록 구성될 수 있다.
제2 광파이버 접속부(109)는 전원 신호 검출부(108)에서 검출된 전원 레벨을 송신하도록 구성될 수 있다.
제어부(110)는 온도와 아크 모두에 대해 각각 알람 계전기(102)를 통해 알람 램프(101)를 제어하도록 구성된다.
먼저 제어부(110)는 비접촉 온도 센서 접속부(103)에서 산출된 평균 온도가 주변 온도보다 높은지 판단하도록 구성될 수 있다.
그리고 그 판단 결과 평균 온도가 주변 온도보다 높으면 알람 계전기(102)를 작동시켜 시켜 온도의 상승을 표시하도록 제어하도록 구성될 수 있다.
이때, 외부의 채널 보드(200)로부터 평균 온도의 산출을 요청받고, 해당 비접촉 온도 센서 모듈(103)을 선택하는 온도 센서 선택부(111)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 즉, 필요에 따라 평균 온도를 확인하도록 구성될 수 있다.
다음으로, 아크에 대해서는 제어부는(110)는 전원 신호 검출부(108)로부터 전원 레벨을 수신하고, 수신된 전원 레벨이 미리 설정된 경보 레벨 이상으로 3 주기 연속되는 경우 알람 계전기(102)를 작동시켜 아크의 발생을 표시하도록 제어하는 것으로 구성될 수 있다.
다른 한편, 제어부(170)는 앞서 수신된 전원 레벨이 다시 경보 레벨 미만으로 내려가는 경우, 알람 계전기(130)를 복구하여 상시 감지 상태로 설정하도록 구성될 수 있다.
그리고 제어부(170)는 전원 신호 검출부(150)에서 검출된 전원 레벨을 통해 현재 연결된 비접촉 아크 센서 모듈(110)의 개수를 인지하여 확인하도록 구성될 수 있다.
이때, 그 확인 후부터는 1000 ms를 현재 연결된 비접촉 아크 센서 모듈(106)의 개수로 나누어 소정 주기를 산출하고, 그 산출된 주기마다 현재 연결된 비접촉 아크 센서 모듈(106)의 전원 레벨을 수신하도록 구성되는 것이 바람직하다.
즉, 현재 연결된 비접촉 아크 센서 모듈(106)에만 그 채널을 할당하여 전원 레벨을 수신할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 현재 4개의 비접촉 아크 센서 모듈(106)이 동작하고 있다면, 각 비접촉 아크 센서 모듈(106)은 250 ms의 주기로 전원 레벨을 감지하고 송신하도록 구성될 수 있다.
현재 동작하지 않는 비접촉 아크 센서 모듈(106)의 전원 신호를 검출하도록 주기가 설정되면, 사실상 현재 감지 가능한 비접촉 아크 센서 모듈(106)의 감지 주기가 길어지게 되는 결과를 낳게 되어 감지율이 떨어지게 된다. 그러나, 본 발명에서는 이러한 염려가 없다.
한편, 제어부(110)의 이러한 제어 동작은 제2 광파이버 접속부(109)를 통해 연결된 외부의 채널 보드(200)에서 이루어지도록 구성될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 알람 계전기의 평상시 타이밍도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 알람 계전기의 동작시 타이밍도이고, 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 알람 계전기의 복구시 타이밍도이다.
먼저 제어부(110)는 초기 전원 투입 후 비접촉 아크 센서 모듈(106)의 스캔에 의해 현재 몇 개의 센서가 연결되어 있는지를 3회 확인한다. 그리고 현재 연결된 센서에 대해서만 데이터를 검출하도록 하고 수신한다.
연결되지 않은 비접촉 아크 센서 모듈(106)의 램프는 동작하지 않도록 구성된다.
예를 들어, 4개의 비접촉 아크 센서 모듈(106)이면 미리 정해진 1000 ms에서 한 번씩 읽어 250 ms마다 데이터를 읽도록 구성된다.
도 2a를 참조하면, 평상시 알람 계전기(102)의 타이밍도로서, 평상시에는 제어부(110)로부터 CALL 신호를 인지 후 1ms 후부터 데이터를 전송한다.
CALL 신호는 최대 20 ms로 하며 데이터의 전송 시간은 최대 4ms를 넘지 않는다. 여기서, 데이터는 8 바이트 이상으로 구성될 수 있다.
한편, CALL 상태에서 20 ms 내에 데이터가 들어오지 않으면 20 ms 후에 다시 CALL 신호를 발생시켜 데이터를 받는다. 이때, CALL 신호를 3 회까지 발생시켜도 데이터가 들어오지 않을 경우는 타임 아웃 상태(센서 동작 불량)로 채널 램프(녹색/적색)을 점멸시킨다.
도 2b를 참조하면, 채널 보드(200)에서 비접촉 아크 센서 모듈(106)의 데이터를 읽어 설정된 경보 레벨 이상 일때는 비접촉 아크 센서 모듈(106)로 전원 라인의 상태를 변화시켜 알람 계전기(102) 동작 명령을 준다.
그리고 경보 레벨이 되면 채널 보드(200)에서는 데이터를 읽은 20 ms 후에 5ms동안 전원 레벨을 상승시키고 이후 2ms의 전원 레벨 변화가 3회 지속될 경우 비접촉 아크 센서 모듈(106)는 이를 감지하여 경보계전기를 작동시킨다.
이때, 알람 계전기(102)의 작동여부는 모드 버스 센서 데이터에 포함시켜 알람 계전기(102)가 정상 작동되어 있는지를 확인한다.
한편, 동작이 되지 않는 경우, 다시 신호를 발생시키며 이를 3회까지 실행한다.
도 2c를 참조하면, 제어부(110)에서 비접촉 아크 센서 모듈(106)의 데이터를 읽고 그 데이터가 미리 설정된 경보 레벨 이하일 때는 비접촉 아크 센서 모듈(110)으로 전원 라인의 상태를 변화시켜 알람 계전기(102)의 복구 명령을 내린다.
그리고 경보 레벨이 되면 제어부(110)에서는 데이터를 읽은 20 ms 후에 5ms동안 전원 레벨을 상승시키고 이후 5 ms의 전원 레벨 변화가 3회 지속될 경우 비접촉 아크 센서 모듈(106)은 이를 감지하여 알람 계전기(130)를 복구시킨다.
한편, 알람 계전기(102)의 복구 여부는 모드 버스 센서 데이터에 포함시켜 알람 계전기(102)가 정상 복구되어 있는지를 확인하도록 구성될 수 있다.
이때, 복구가 되지 않은 경우 다시 신호를 발생시키며 이를 3회까지 실행할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 알람 계전기의 회로도이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센서 접속부의 회로도이고, 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 광파이버 접속부의 회로도이고, 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 아크 센서 모듈의 회로도이고, 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급부의 회로도이고, 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 신호 검출부의 회로도이고, 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 광파이버 접속부의 회로도이고, 도 3h는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 회로도이고, 도 3i는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센서 선택부의 회로도이다.
도 3b에서는 비접촉 온도 센서 접속부(104)가 SPI 통신에 의해 제어부(110)의 CPU와 통신하도록 구성된다. 이때, 센서 오동작을 방지하기 위해 여러 번의 측정을 통해 누적된 값에 대해 평균을 취한다. 측정 요청은 외부의 채널 보드(200)나 제어부(110)로부터 수신한다.
그리고 도 3d에서는 비접촉 아크 센서 모듈(106)의 이상 유무에 대해서는 고압 발생 트랜지스터의 신호 SEN_OK를 검출하면 센서의 동작 여부를 알 수 있게 된다.
그리고 아크의 발생 여부는 비접촉 아크 센서 모듈(106)에서 방전된 아크 신호(ARC_SIG_INT)에 의해 아크 발생 여부를 알 수 있게 된다.
도 3h의 제어부(110)에서는 센서 동작 여부 알 수 있는 신호 SEN_OK를 약 50 ms 주기로 5 ㎲씩 출력될 때마다 체크하여야 하며, 체크가 어려울 경우에는 CALL_INT에 연결하여 사용하면 확인 가능하다.
도 3i에서는 J6으로 공급된 +12 [V]가 U4에서 정전압 +5[V]로 변환되어 제1 광파이버 접속부(105) 및 제2 광파이버 접속부(109) 그리고 알람 계전기(102)로 공급된다. 그리고 비교기 U3은 J6에서 입력된 전류원의 상태를 비교 출력하여 외부의 채널 보드(200)에서 정보를 요청하는 신호를 로직 레벨로 변환시킨다. 이때, 전압 레벨이 8 [V]이하로 되면 CALL_INT가 발생되며 이 신호에 의해 CPU에서는 외부의 채널 보드(200)에서 온도 정보를 요청하는 것으로 인식하게 된다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
101: 알람 램프
102: 알람 계전기
103: 비접촉 온도 센서 모듈
104: 비접촉 온도 센서 접속부
105: 제1 광파이버 접속부
106: 비접촉 아크 센서 모듈
107: 전원 공급부
108: 전원 신호 검출부
109: 제2 광파이버 접속부
110 제어부
111: 온도 센서 선택부
200: 채널 보드

Claims (10)

  1. 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반에 있어서,
    온도 상승 또는 아크의 발생 여부를 표시하는 알람 램프(alarm lamp);
    상기 알람 램프를 턴온/턴오프하는 알람 계전기(alarm relay);
    부스바(bus bar), 케이블 접속부, 개폐기 또는 차단기의 단자 접속부의 적외선을 감지하여 온도를 검출하는 비접촉 온도 센서 모듈;
    상기 비접촉 온도 센서 모듈에서 검출된 온도를 누적하고, 누적된 온도의 평균 온도를 산출하는 비접촉 온도 센서 접속부;
    상기 비접촉 온도 센서 접속부에서 산출된 평균 온도를 외부의 채널 보드로 송신하는 제1 광파이버 접속부;
    상기 고압반, 저압반, 모터 제어반, 분전반 내 아크(arc)의 발생을 감지하는 비접촉 아크(arc) 센서 모듈:
    상기 비접촉 아크 센서 모듈에서 아크의 발생이 감지되면, 전원 레벨을 상승시켜 공급하는 전원 공급부;
    상기 비접촉 아크 센서 모듈의 전원 레벨을 소정 주기마다 검출하는 전원 신호 검출부;
    상기 전원 신호 검출부에서 검출된 전원 레벨을 송신하는 제2 광파이버 접속부;
    상기 비접촉 온도 센서 접속부에서 산출된 평균 온도가 주변 온도보다 높은지 판단하고, 판단 결과 상기 평균 온도가 주변 온도보다 높으면 상기 알람 계전기를 작동시켜 시켜 온도의 상승을 표시하도록 제어하고, 상기 전원 신호 검출부로부터 상기 전원 레벨을 수신하고, 수신된 전원 레벨이 미리 설정된 경보 레벨 이상으로 3 주기 연속되는 경우 상기 알람 계전기를 작동시켜 아크의 발생을 표시하도록 제어하는 제어부를 포함하는 접속부의 열화 상태감시 진단기능을 갖는 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 외부의 채널 보드로부터 평균 온도의 산출을 요청받고, 해당 비접촉 온도 센서 모듈을 선택하는 온도 센서 선택부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접속부의 열화 상태감시 진단기능을 갖는 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 수신된 전원 레벨이 상기 경보 레벨 미만으로 내려가는 경우, 상기 알람 계전기를 복구하여 상시 감지 상태로 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 접속부의 열화 상태감시 진단기능을 갖는 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 전원 신호 검출부에서 검출된 전원 레벨을 통해 현재 연결된 비접촉 아크 센서 모듈의 개수를 인지하여 확인하고, 확인 후부터는 1000 ms를 현재 연결된 비접촉 아크 센서 모듈의 개수로 나누어 상기 소정 주기를 산출하고, 상기 산출된 주기마다 상기 현재 연결된 비접촉 아크 센서 모듈의 전원 레벨을 수신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 접속부의 열화 상태감시 진단기능을 갖는 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 비접촉 온도 센서 모듈은,
    안티-앨리어싱(anti-aliasing)을 고려한 저대역 필터(LPF)를 이용하여 상기 감지된 적외선의 아날로그 신호를 필터링하고, 필터링된 아날로그 신호를 FIR 필터를 이용하여 디지털 신호로 샘플링하고, 샘플링된 디지털 신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 연산하여 디지털 신호의 크기 및 주파수를 산출하여 온도를 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 접속부의 열화 상태감시 진단기능을 갖는 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 비접촉 온도 센서 모듈은,
    상기 FIR 필터를 이용하여 1-100 kHz 대역의 신호를 통과시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 접속부의 열화 상태감시 진단기능을 갖는 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 비접촉 온도 센서 모듈은,
    상기 FIR 필터를 이용하여 1-100 kHz 대역의 신호를 통과시키도록 구성되며, 상기 FIR 필터는 128 비트의 입력 데이터를 처리 가능한 다음 수학식의 함수로 구성되며,
    [수학식]
    Figure pat00013

    여기서, M은 128, x[n]은 상기 저대역 필터(LPF)를 통해 ADC 포트로 입력되는 온도 신호이고, y[n]은 상기 FIR 필터를 통과한 10 kHz 대의 온도 신호인 것을 특징으로 하는 접속부의 열화 상태감시 진단기능을 갖는 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 비접촉 아크(arc) 센서 모듈은,
    안티-앨리어싱(anti-aliasing)을 고려한 저대역 필터(LPF)를 이용하여 상기 감지된 아크의 아날로그 신호를 필터링하고, 필터링된 아날로그 신호를 FIR 필터를 이용하여 디지털 신호로 샘플링하고, 샘플링된 디지털 신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 연산하여 디지털 신호의 크기 및 주파수를 산출하여 아크를 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 접속부의 열화 상태감시 진단기능을 갖는 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 비접촉 아크(arc) 센서 모듈은,
    상기 FIR 필터를 이용하여 1-100 kHz 대역의 신호를 통과시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 접속부의 열화 상태감시 진단기능을 갖는 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 비접촉 아크(arc) 센서 모듈은,
    상기 FIR 필터를 이용하여 1-100 kHz 대역의 신호를 통과시키도록 구성되며, 상기 FIR 필터는 128 비트의 입력 데이터를 처리 가능한 다음 수학식의 함수로 구성되며,
    [수학식]
    Figure pat00014

    여기서, M은 128, x[n]은 상기 저대역 필터(LPF)를 통해 ADC 포트로 입력되는 아크 신호이고, y[n]은 상기 FIR 필터를 통과한 10 kHz 대의 아크 신호인 것을 특징으로 하는 접속부의 열화 상태감시 진단기능을 갖는 고압반, 저압반, 분전반, 모터 제어반.
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