KR20160097037A - 디지털 보호 계전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기량 검출신호에 혼입된 복수의 전기적 외란에 대해서도 정확하게 오 샘플 제거 처리를 실행할 수 있는 계전기용 능동형 오 샘플 제거장치 또는 오 샘플 제거 방법을 제공하는 것으로서, 본 발명에 따른 디지털 보호 계전기는, 아날로그 신호를 샘플링(sampling)하고 디지털 신호로 변환하는 변환기; 및 상기 샘플링된 디지털 신호를 근거로, 전기(電氣) 변화량이 증가에서 감소 또는 감소에서 증가로 변한 변곡점을 찾고, 상기 변곡점 전후의 전기 변화량을 기설정한 전기량과 비교하는 프로세서(processor);를 포함한다.

Description

디지털 보호 계전기{DIGITAL PROTECTIVE RELAY}
본 발명은 디지털 보호 계전기에 관한 것으로, 특히 외란 및 고조파와 같은 노이즈의 영향에 따른 오동작을 방지할 수 있는 디지털 보호 계전기에 관한 것이다.
디지털 보호 계전기는 전력 선로에서 과전류, 단락사고, 지락사고 등 각종 전력사고 발생시 회로를 차단하는 제어신호를 회로차단기에 출력하여 회로를 차단함으로써 전력계통을 각종 전력사고로부터 보호하는 계측 계전기기로서, 마이크로 프로세서를 사용하여 기존의 유도형 또는 정지형 보호계전기에서는 구현할 수 없었던 고기능의 보호 알고리즘을 구현한 기기이다. 또한 자기진단기능, 사고 기록 기능 등 다양한 부가 기능을 가지고 있어 사고분석을 용이하게 하며 우수한 신뢰성을 제공한다.
이러한 디지털 보호 계전기에 대한 종래기술에 따른 회로 구성 예는 다음과 같은 본 발명의 출원인이 등록한 특허공보를 참조할 수 있다.
(특허문헌 1) KR10-0146088 B1
상기와 같은 종래기술에 따른 회로 구성에 부가하여 외란 및 고조파와 같은 노이즈의 영향에 따른 오동작을 방지할 수 있도록 노이즈를 제거하고 전력 선로의 목적하는 계측 신호만을 추출하기 위해서 오 샘플 제거 알고리즘이 프로그램으로서 디지털 보호 계전기의 마이크로 프로세서의 프로그램 저장부(프로그램 저장 메모리)에 탑재될 수 있다.
본 발명의 일 목적은 전기량 검출신호에 혼입된 전기적 외란 및 고조파에 대해서 구별하여 각각에 대해서 처리할 수 있는 디지털 계전기를 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 일 목적은, 디지털 계전기에 있어서,
아날로그 신호를 샘플링(sampling)하고 디지털 신호로 변환하는 변환기; 및
상기 샘플링된 디지털 신호를 근거로, 전기(電氣) 변화량이 증가에서 감소 또는 감소에서 증가로 변한 변곡점을 찾고, 상기 변곡점 전후의 전기 변화량을 기설정한 전기량과 비교하는 프로세서(processor);를 포함하는 본 발명에 따른 디지털 보호 계전기를 제공함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 양상에 따라서, 상기 프로세서는, 상기 디지털 신호를 미리 결정된 시간 동안 이산 푸리에 변환(Discrete Time Fourier Transform)하여, 변환 값이 증가하다가 일정하게 수렴되는 값을 미리 결정된 정상 수렴 값과 비교하여 그 차이가 미리 결정된 차이를 초과하는 경우 상기 디지털 신호를 고조 파로 결정하고, 상기 전기 변화량이 기설정한 기준 전기 변화량보다 크거나 같은 경우, 상기 디지털 신호를 전기적 외란으로 결정하게 구성된다.
본 발명의 바람직한 다른 일 양상에 따라서, 상기 프로세서는, 상기 디지털 신호를 고조 파로 결정한 경우, 상기 디지털 신호에 대해서 평균 제곱근(Root Mean Square) 처리를 수행하게 구성된다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일 양상에 따라서, 상기 프로세서는, 상기 디지털 신호를 전기적 외란으로 결정한 경우, 상기 변곡점의 전기량 데이터를 미리 결정된 주기 전 전기량 데이터로 치환하도록 구성된다.
본 발명에 따른 디지털 계전기는, 변곡점의 이전 및 이후 전기 변화량을 미리 결정된 정상 기준 전기 변화량과 비교하여 상기 변곡점의 이전 및 이후 전기 변화량이 미리 결정된 정상 기준 전기 변화량보다 작지 않은 경우 전기적 외란으로 결정하여 상기 변곡점의 전기량 데이터를 미리 결정된 주기 전 정상 전기량 데이터로 치환하므로, 복수의 전기적 외란이 전기량 검출 신호에 혼입되어도 오 샘플을 효과적으로 제거할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 디지털 계전기는, 전기량 검출신호에 고조 파가 혼입된 경우 평균 평방근(Root Mean Square) 처리에 의해 고조 파를 제거하므로, 고조 파 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있는 잇점을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 디지털 계전기의 구성을 보여주는 블록 도이고,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 디지털 계전기의 동작 흐름을 보여주는 흐름 도이며,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 디지털 계전기에 있어서 고조 파 노이즈를 제거하는 방법 또는 동작 흐름을 보여주는 흐름 도이고,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 디지털 계전기에 있어서 전기량 검출신호의 정상 파형을 보여주는 파형 도이며,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 디지털 계전기에 있어서 전기량 검출신호를 DFT 변환처리 후 파형을 도시한 것으로서 정상 시 파형과 고조 파 혼입 시 파형을 함께 보여주는 파형 도이다.
상술한 본 발명의 목적과 이를 달성하는 본 발명의 구성과 그 작용효과는 첨부한 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 이하의 설명에 의해서 좀 더 명확히 이해될 수 있을 것이다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 디지털 계전기의 구성을 설명하면 다음과 같다.
도 1에 있어서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 디지털 계전기는, 아날로그-디지털 변환기 및 프로세서(processor)(23)를 포함하게 구성될 수 있다.
상기 아날로그-디지털 변환기는 도 1에 있어서 제 1 아날로그-디지털 변환기(ADC 0)와 제 2 아날로그-디지털 변환기(ADC 1)을 포함하게 구성될 수 있다.
상기 아날로그-디지털 변환기는 계전 대상의 전기량 검출신호의 아날로그 신호를 샘플링(sampling)하고 디지털 신호로 변환하여 제공하는 회로 부이다. 일 실시 예에 따라서 제 1 아날로그-디지털 변환기(ADC 0)는 계전 대상의 상 별 전류 검출신호를 샘플링하여 디지털 신호로 변환하여 제공하는 회로 부일 수 있고, 제 2 아날로그-디지털 변환기(ADC 1)는 계전 대상의 상 별 전압 검출신호를 샘플링하여 디지털 신호로 변환하여 제공하는 회로 부일 수 있다.
프로세서(23)는 마이크로 프로세서로 구성될 수 있으며, 상기 샘플링된 디지털 신호를 근거로, 전기량의 변화량이 증가에서 감소 또는 감소에서 증가로 변한 변곡점을 찾아내고, 상기 변곡점의 이전 및 이후 전기 변화량이 미리 결정된 정상 기준 전기 변화량보다 작지 않은 경우 전기적 외란으로 결정하여 상기 변곡점의 전기량 데이터를 미리 결정된 주기 전(예컨대 한 주기 전) 정상 전기량 데이터로 치환하도록 구성된 연산 처리 회로 부이다. 다시 말해서 프로세서(23)는 변곡점을 찾아내는 알고리즘과 전기적 외란을 결정하는 알고리즘 및 정상 전기량 데이터로 치환하는 알고리즘을 가지는 프로그램 저장 메모리와 해당 메모리로부터 처리 알고리즘을 읽어와서 디지털 신호에 대해서 상기 처리를 수행하는 중앙처리장치를 포함하게 구성될 수 있다.
상기 프로세서(23)는, 상기 디지털 신호를 미리 결정된 시간 동안 푸리에 변환(Discrete Time Fourier Transform, 이하 DFT로 약칭함)하여, 변환 값이 증가하다가 일정하게 수렴되는 값을 미리 결정된 정상 수렴 값과 비교하여(도 5 참조) 그 차이가 미리 결정된 차이를 초과하는 경우 전기량 검출신호에 고조 파로 결정 즉, 고조 파가 혼입된 것을 결정하고, 상기 디지털 신호에 대해서 평균 제곱근(Root Mean Square, RMS로 통칭됨) 처리를 수행하게 구성된다. 다시 말해서 프로세서(23)는 DFT 변환과 수렴 값을 비교하는 알고리즘, 고조 파 혼입을 결정하는 알고리즘 및 평균 제곱근 처리 알고리즘을 가지는 프로그램 저장 메모리와 해당 메모리로부터 처리 알고리즘을 읽어와서 디지털 신호에 대해서 상기 처리를 수행하는 중앙처리장치를 포함하게 구성될 수 있다.
도 1에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 디지털 계전기의 제어기(20)가 도시되어 있다. 도 1에서 부호 100은 제어기(20)를 포함하는 디지털 계전기를 지시한다.
도 1에 있어서 부호 IPhsA는 4극(4상) 교류회로에 있어서 A상(일명 R상) 전류 검출 신호를 나타내고 부호 IPhsB는 4극(4상) 교류회로에 있어서 B상(일명 S상) 전류 검출 신호를 나타내며 부호 IPhsC는 4극(4상) 교류회로에 있어서 C상(일명 T상) 전류 검출 신호를 나타내고 부호 INeut는 4극(4상) 교류회로에 있어서 N상(일명 중성 극) 전류 검출 신호를 나타낸다.
부호 10은 상기 상별 전류 검출 신호를 디지털 회로 및 프로세서가 처리할 수 있는 작은 신호의 전압신호로 변환하여 제공하는 변압기 부를 지시한다.
부호 21a는 상기 4개의 상 별 전류 검출 신호 중 어느 하나를 선택적으로 제공하는 제 1 멀티 플렉서(multiplexer) 회로 부이고, 부호 21b는 미 도시된 4개의 상 별 전압 검출 신호 중 어느 하나를 선택적으로 제공하는 제 2 멀티플렉서 회로 부를 지시한다.
부호 24는 액정디스플레이를 구동하는 구동회로 부이고, 부호 25a는 키이(key) 스위치의 입력과 발광 다이오드의 출력신호가 출력되는 제 1 입출력 인터페이스 부이며, 부호 25b는 디지털 계전기(100)로부터 출력되는 회로 차단기의 트립(trip) 제어 신호, 경보 신호들의 출력 인터페이스 회로부로서 제 2 입출력 인터페이스 부를 나타낸다. 부호 25c는 입력 스위치의 선택적 조작에 따른 디지털 입력을 수신하기 위한 제 3 입출력 인터페이스 부를 나타낸다.
부호 26은 범용 비 동기화 송수신기(Universal Asynchronous Receiver Transmitter, 통상 UART로 불림)회로 부를 나타내고, 부호 27은 범용 시리얼 버스 인터페이스 부(일명 USB 인터페이스 부)를 나타내며, 부호 28은 실시간 클록 정보를 제공하는 리얼 타임 클록을 나타내고, 부호 29는 처리 프로그램 등을 저장하는 플래시 메모리를 지시하며, 부호 30은 전원이 공급되는 한 데이터를 저장하는 S 램을 지시한다.
부호 31은 표시 회로 부로서 액정 디스플레이를 나타내고, 부호 32는 입출력 수단으로서 키이 스위치 및 발광 다이오드를 지시하며, 부호 33은 디지털 출력 포트를 지시하고, 부호 34는 디지털 입력포트를 나타내고, 부호 35는 외부의 원방감시장치(일명 SCADA 시스템)와 같은 상위 장치를 지시하며, 부호 36은 외부의 개인용 컴퓨터, 노트 북, 키이 패드와 같은 데이터의 입출력이 가능한 개인용 단말기를 접속할 수 있는 USB 포트(범용 시리얼 버스 포트)를 나타내고, 부호 37은 출력 계전기 접점을 지시하며, 부호 38은 입력 스위치 부를 지시한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 디지털 계전기의 동작 및 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 디지털 계전기의 제어방법에 대해서 흐름도를 주로 참조하고 도 1 및 도 4 내지 도 5를 보조적으로 참조하여 설명한다.
도 2를 참조할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 디지털 계전기에 있어서 제 1 아날로그-디지털 변환기(ADC 0)는 계전 대상의 상 별 전류 검출신호(도 4 참조)를 샘플링(sampling)하여 디지털 신호로 변환하여 제공한다(샘플링 및 아날로그-디지털 변환 단계 S1).
그러면, 프로세서(23)는 상기 샘플링된 디지털 신호를 근거로, 전기(電氣) 변화량이 증가에서 감소 또는 감소에서 증가로 변한 변곡점을 찾아낸다(변곡점 서치 단계 S2).
이후 프로세서(23)는 상기 변곡점의 이전 및 이후 전기 변화량을 미리 결정된 정상 기준 전기 변화량과 비교한다(변화량 비교 단계 S3).
변화량 비교 단계(S3)에서 상기 변곡점의 이전 및 이후 전기 변화량이 미리 결정된 정상 기준 전기 변화량보다 작지 않은 경우 즉 기준 전기 변화량과 같거나 보다 큰 경우, 상기 프로세서(23)는 전기적 외란으로 결정(즉 검출된 디지털 신호에 외란이 있는 것으로 결정)하여 상기 변곡점의 전기량 데이터를 미리 결정된 주기 전 정상 전기량 데이터(예컨대 한 주기 전 정상 전기량 데이터)로 치환한다(전기적 외란 제거 단계 S4).
변화량 비교 단계(S3)에서 상기 변곡점의 이전 및 이후 전기 변화량이 미리 결정된 정상 기준 전기 변화량보다 작은 경우, 고조 파 노이즈의 혼입 여부를 결정하기 위해서 도 3에 도시한 흐름도의 단계 S5로 진행한다.
한편, 본 발명에 따라서 고조 파 노이즈를 제거하는 방법 또는 장치의 동작 흐름을 보여주는 흐름 도인 도 3을 참조하여 설명한다.
검출된 전기량 신호에 고조 파가 혼입되었는지를 위해서는 제 1 아날로그-디지털 변환기(ADC 0)를 통해서 샘플링되어 입력되는 디지털 신호들에 대해서 미리 결정된 시간 동안 이산 푸리에 변환 즉 DFT 변환 처리를 실행하여 도 5를 참조할 수 있는 바와 같이 변환 값이 증가하다가 일정한 값으로 수렴하는 값을 정상 수렴 값과 비교하는 것이 필요하다.
검출된 전기량 신호에 고조 파가 혼입된 경우 수렴 값은 정상 수렴 값에 대비해서 작게 된다. 따라서 이점을 활용해서 검출된 전기량 신호에 고조 파가 혼입되었는지를 결정하는 것이다.
프로세서(23)는 검출된 전기량 신호에 고조 파가 혼입되었는지를 결정하기 위해서 샘플링되어 입력되는 디지털 신호들에 대해서 DFT 변환 처리를 실행하여 도 5를 참조할 수 있는 바와 같이 그 수렴 값과 정상 수렴 값과 비교한다(DFT 변환 수렴 값 비교 단계 S5).
DFT 변환 수렴 값 비교 단계(S5)에서, DFT 변환 처리 후의 수렴 값과 정상 수렴 값의 차이가 미리 결정된 차이를 초과하는 경우, 예컨대 DFT 변환 처리 후의 수렴 값이 정상 수렴 값 대비하여 미리 결정된 차이보다 더 작거나 더 큰 경우, 프로세서(23)는 전기량 검출신호에 고조 파가 혼입된 것을 결정하고, 상기 디지털 신호에 대해서 평균 제곱근(Root Mean Square) 처리를 수행하여 고조 파 노이즈를 제거한다(고조파 결정 및 처리 단계 S6).
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 디지털 계전기 또는 디지털 계전기의 제어방법은, 변곡점의 이전 및 이후 전기 변화량을 미리 결정된 정상 기준 전기 변화량과 비교하여 상기 변곡점의 이전 및 이후 전기 변화량이 미리 결정된 정상 기준 전기 변화량보다 작지 않은 경우 전기적 외란으로 결정하여 상기 변곡점의 전기량 데이터를 미리 결정된 주기 전 정상 전기량 데이터로 치환하므로, 복수의 전기적 외란이 전기량 검출 신호에 혼입되어도 오 샘플을 효과적으로 제거할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 디지털 계전기 또는 디지털 계전기의 제어방법은, 전기량 검출신호에 고조 파가 혼입된 경우 평균 평방근(Root Mean Square) 처리에 의해 고조 파를 제거하므로, 고조 파 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있는 잇점을 제공할 수 있다.
10: 변압기 부 20: 제어기
21a: 제 1 멀티 플렉서 21b: 제 2 멀티 플렉서
ADC 0: 제 1 아날로그-디지털 변환기
ADC 1: 제 2 아날로그-디지털 변환기
23: 프로세서 24: 액정디스플레이 구동부
25a: 제 1 입출력 인터페이스 부 25b: 제 2 입출력 인터페이스 부
25c: 제 3 입출력 인터페이스 부 26: 범용 비동기화 송수신기(UART)
27: 범용 시리얼 버스 인터페이스 부(USB 인터페이스 부)
28: 리얼 타임 클록(RTC) 29: 플래시 메모리
30: S 램 31: 액정 디스플레이
32: 키이 스위치 및 발광다이오드 33: 디지털 출력포트
34: 디지털 입력포트 35: 통신 포트
36: USB 포트 37: 출력 계전기 접점
38: 입력 스위치 부 100: 디지털 계전기

Claims (4)

  1. 디지털 보호 계전기에 있어서,
    아날로그 신호를 샘플링(sampling)하고 디지털 신호로 변환하는 변환기; 및
    상기 샘플링된 디지털 신호를 근거로, 전기(電氣) 변화량이 증가에서 감소 또는 감소에서 증가로 변한 변곡점을 찾고, 상기 변곡점 전후의 전기 변화량을 기설정한 전기량과 비교하는 프로세서(processor);를 포함하는 디지털 보호 계전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 디지털 신호를 미리 결정된 시간 동안 이산 푸리에 변환(Discrete Time Fourier Transform)하여, 변환 값이 증가하다가 일정하게 수렴되는 값을 미리 결정된 정상 수렴 값과 비교하여 그 차이가 미리 결정된 차이를 초과하는 경우 상기 디지털 신호를 고조 파로 결정하고,
    상기 전기 변화량이 기설정한 기준 전기 변화량보다 크거나 같은 경우, 상기 디지털 신호를 전기적 외란으로 결정하게 구성된 것을 특징으로 하는 디지털 보호 계전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 디지털 신호를 고조 파로 결정한 경우,
    상기 디지털 신호에 대해서 평균 제곱근(Root Mean Square) 처리를 수행하게 구성된 것을 특징으로 하는 디지털 보호 계전기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 디지털 신호를 전기적 외란으로 결정한 경우,
    상기 변곡점의 전기량 데이터를 미리 결정된 주기 전 전기량 데이터로 치환하도록 구성된 것을 특징으로 하는 디지털 보호 계전기.
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