KR20170085626A - 휴대용 다채널 전력량 계측 장치 - Google Patents

휴대용 다채널 전력량 계측 장치 Download PDF

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KR20170085626A
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양승학
서성일
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호남대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 휴대용 다채널 전력량 계측 장치에 관한 것으로서, 수용가에 인입되어 다수로 분배된 전력선에 각각 탈부착가능하게 간접적으로 연결되며, 각 전력선에 흐르는 전류 및 전압을 검출하는 다채널 전류 및 전압 검출모듈과, 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 디스플레이하는 표시모듈과, 상기 다채널 전류 및 전압 검출모듈로부터 검출된 전류 및 전압 신호를 디지털 신호로 변환하고, 이를 신호 처리하여 각 전력선에 대한 사용 전력량 데이터를 산출하며, 상기 산출된 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터가 상기 표시모듈에 디스플레이되도록 제어하는 제어모듈을 포함함으로써, 개별 관리자가 장소에 구애받지 않고 이동하여 한 번에 여러 개의 부하에 대한 전력 소비를 직접적으로 실시간 모니터링(Monitoring)할 수 있는 효과가 있다.

Description

휴대용 다채널 전력량 계측 장치{PORTABLE MULTI-CHANNEL ELECTRONIC POWER METER}
본 발명은 장소에 구애받지 않고 이동이 가능한 휴대용 다채널 전력량 계측 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전력 계통 시스템에서는 전력 안정화 및 전력 품질 안정화를 위해 제어 시스템이 유휴 전력의 저장을 관리한다. 일 예로, 무정전 전원공급장치(Uninterruptible Power Supply, UPS) 장치는 상용 전원에서 발생 가능한 불시의 전원 장애를 극복하여 양질의 안정된 전력을 공급한다.
또한, 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS)는 예비 전력을 미리 저장해 두었다가 정전과 같은 비상 상황 시 저장된 예비 전력으로 안정된 전력을 공급한다. 전력의 안정적 공급이 중요한 금융, 방송, 산업 등 다양한 분야에서 전력 공급의 신뢰성을 보장하고자 무정전 전원공급장치(UPS) 및 에너지 저장장치(ESS)를 도입하고 있다.
최근에는, 화석 연료에 의한 에너지 자원 고갈의 문제, 환경 오염에 대한 이슈, 에너지 사용의 경제성 등에 대한 이슈가 중요하게 부각되면서, 전력 사용량과 전력 생산량의 불일치를 효과적으로 극복하고, 전력 과잉 공급에 의한 낭비 및 전력 공급 부족에 의한 과부하 현상 등을 해결하기 위하여 다양한 정보 통신 인프라와 연계되어 전력 공급량을 탄력적으로 조절하도록 하는 스마트 그리드(Smart Grid) 시스템이라는 개념이 활발히 연구되고 있다.
상기 스마트 그리드 시스템은 전력의 생산 또는 소비의 주체에 해당하는 복수의 구성 시설을 구성원으로 하고 있다. 스마트 그리드 상의 상기 구성 시설 중 발전 설비를 가진 분산 발전 시설(예컨대, 태양열, 풍력 등 자가 발전 설비를 갖는 시설 등)은 전력 소비량이 적을 때에는 발전된 전력을 저장하였다가 전력 소비량이 많을 때에는 이와 같이 저장된 전력을 생산 전력과 함께 소비자에게 공급하도록 하는 인프라 구조를 가지게 된다.
즉, 상기 스마트 그리드 시스템은 전력 네트워크에 정보 통신 기술을 활용한 차세대 전력 네트워크의 한 형태이다. 상기 스마트 그리드 시스템은 스마트 미터 정보를 포함하는 네트워크 측정 시스템과 소비 자가전력사용 정보를 포함하는 기존 전력 그리드를 오버레이(overlay)하는 형태로, 공급자와 소비자간 양방향 디지털 통신을 통해 전력을 제어할 수 있도록 하여 에너지 절약과 신뢰성 및 투명성을 증가시켜 준다.
이러한 스마트 그리드 시스템은 미국의 경제주간지 비즈니스 2.0이 지구 온난화로 인한 기상이변 및 환경오염으로부터 인류를 구할 8가지 기술을 소개하는 데에서 나온 말로서 이를 3개의 기술 중에 하나로 스마트 그리드 시스템이 선정되었다.
인류의 산업화는 에너지 소비 증가에 따른 에너지 확보에 어려움을 겪게 하였으며 지구 온난화의 주범인 CO2의 과다한 배출을 가져왔다. 이러한 에너지 확보의 위기와 지구 온난화라는 중대한 문제를 해결할 수 있는 에너지 절약형 전력망이 스마트 그리드 시스템이다.
상기 스마트 그리드 시스템은 에너지 효율 향상에 의해 에너지 낭비를 절감하고 신재생 에너지에 바탕을 둔 분산 발전의 활성화를 통해 에너지 해외 의존도 감소 및 기존의 발전 설비에 들어가는 화석 연료 사용 절감을 통한 온실 가스 감소 효과를 불러올 수 있다.
또한, 상기 스마트 그리드 시스템을 추진하는 각국에서는 실증 단지 조성에 노력하고 있다. 스마트 그리드 실증 단지 조성을 통해 스마트 그리드 산업의 에너지, 경제, 산업적 성공을 시험하고, 지역 산업 활성활르 기대하고 있다.
한국의 경우, 국가 단위의 스마트 그리드 구현 계획을 세우고 2030년까지 에너지 측면에서 2％ 절감, 환경 측면에서 국가 온실가스 배출량 4,100만 톤(2006년 배출량의 7％) 감축, 무역수지 측면에서 화석연료 수입 감소를 통해 에너지 수입 100억 달러 절감을 기대하고 있다. 또한, 제주지역 실증 단지 조성을 통해 제주 지역 경제 활성화와 청년 실업해소 및 해외 시장 진출을 통한 경제적, 산업적 플러스 효과를 기대하고 있다.
상기 스마트 그리드 시스템은 전력 그리드의 전기 생산, 전송, 배포, 소비 부분을 위한 시스템 사용자, 운영자 및 자동 장치에 그리드 상태에 대한 정보를 양방향 통신으로 센싱, 측정, 제어되는 디바이스에 의해 제공된다. 이러한 스마트 그리드 기술 제공을 위해 송전망, 분산 자동화, 수요응답(Demand Response, DR), 첨단 계량 인프라(Advanced Metering Infrastructure, AMI), 전기차 등 기술의 복잡도만큼 기술 범위도 매우 광범위하며 그 중요도 또한 높다 할 것이다.
이에 따라, 스마트 그리드 기술은 다양하게 연구되고 있어, 그 시장 규모 또한 상승세를 계속 유지할 것으로 전망되며, 스마트 그리드 관련 표준화를 위해 세계 각국과 국제 표준화 단체에서 표준화가 활발히 진행되고 있다.
상기 스마트 그리드 시스템의 구현을 위한 기술로는 크게 분산 전원 분야, 전력망 관리 분야, 사용자 전력 관리 분야로 구분될 수 있다. 그리고, 분산 전원 분야의 기술로는 분산 전원 계통 연결(Distributed Resource) 기술과 전력 저장 기술(Energy Storage Integration) 기술이 있으며, 전력망 관리 분야의 기술로는 실시간 감시(Real-time Monitoring) 기술, 송배전 자동화(Transmission/Distribution Automation) 기술, 수요응답(DR) 기술, 통신 네트워크(Communication Network) 기술이 있으며, 사용자 전력 관리 분야의 기술로는 스마트 미터(Smart Meter), 스마트 빌딩(Smart Building), 스마트 가전제품(Smart Appliance), 수요자 전압 조절(Consumer Voltage Regulation) 기술이 있다.
이와 같은 스마트 그리드 시스템에서 분산 발전 시설은 전력 안정화를 위해 무정전 전원공급장치(UPS) 및 에너지 저장장치(ESS)를 도입하고 있다. 한편, 상기 스마트 미터는 첨단 계량 인프라(Advanced Metering Infrastructure, AMI)로서, 전력을 소비하는 홈/아파트/빌딩 등의 전력 소비자단의 전력 소비를 측정하는 전력 미터링(Metering)을 수행하고 이에 관련된 전력 관련 정보를 별도의 운용 센터로 전달한다.
그러나, 기존의 스마트 미터 즉, 첨단 계량 인프라(AMI)는 예컨대, 홈/아파트/빌딩 등에 구비된 특정 장소에 매립 설치되어 있으며, 개별 관리자가 전력 소비자단의 전력 소비를 직접적으로 실시간 확인하기 어려운 문제점이 있다.
한편, 기존의 스마트 미터가 설치되는 설치 개소에 공급되는 전력은 분전반 등을 통하여 분배되어 복수의 부하에 전력을 공급하게 된다. 예를 들어, 상기 설치 개소가 대형 건물인 경우, 대형 건물에 공급되는 전체 전력은 각 층(즉, 복수의 부하)으로 분배되어 각기 전력이 공급된다.
이러한 경우에, 종래의 스마트 미터는 상기 설치 개소(즉, 상기의 예에서 대형 건물) 전체의 전력량을 산출할 수 있을 뿐이고, 각각의 부하(즉, 상기의 예에서 각 층별)에 흐르는 전류 및 각각의 부하의 사용 전력량을 검출할 수 없어서 각 부하가 소비하는 전력량을 산출할 수 없는 문제점이 있다.
국내등록특허 제10-1133995호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 적어도 하나의 변류기(Current Transducer, CT) 또는 홀 센서(Hall Sensor)를 이용하여 수용가에 인입되어 다수로 분배된 전력선에 탈부착가능하게 각각 연결하여 각 전력선에 흐르는 전류 및/또는 전압을 검출하고, 이를 바탕으로 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 비롯한 다양한 전력 품질 데이터들을 산출함과 아울러 이를 별도의 표시모듈에 실시간 표시되도록 함으로써, 개별 관리자가 장소에 구애받지 않고 이동하여 한 번에 여러 개의 부하에 대한 전력 소비를 직접적으로 실시간 모니터링(Monitoring)할 수 있도록 한 휴대용 다채널 전력량 계측 장치를 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 수용가에 인입되어 다수로 분배된 전력선에 각각 탈부착가능하게 간접적으로 연결되며, 각 전력선에 흐르는 전류 및 전압을 검출하는 다채널 전류 및 전압 검출모듈; 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 디스플레이하는 표시모듈; 및 상기 다채널 전류 및 전압 검출모듈로부터 검출된 전류 및 전압 신호를 디지털 신호로 변환하고, 이를 신호 처리하여 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 산출하며, 상기 산출된 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터가 상기 표시모듈에 디스플레이되도록 제어하는 제어모듈을 포함하는 휴대용 다채널 전력량 계측 장치를 제공하는 것이다.
여기서, 상기 다채널 전류 및 전압 검출모듈은, 각 전력선 주위에 탈부착가능하게 각각 연결되고, 전자유도 현상 또는 전류자기 효과에 의해 각 전력선에 흐르는 전류 및 전압을 검출하는 다수의 전류 및 전압 센싱부; 및 각 전류 및 전압 센싱부의 출력 단자와 탈부착가능하게 각각 연결되며, 각 전류 및 전압 센싱부의 출력 단자로부터 출력된 아날로그 전류 및 전압 신호가 상기 제어모듈의 입력측에 전달되도록 구비된 다수의 연결커넥터를 포함함이 바람직하다.
바람직하게, 상기 다수의 전류 및 전압 센싱부는, 클램프 형태를 갖는 적어도 하나의 변류기(Current Transducer, CT) 또는 각 전력선에 흐르는 전류에 의해 생성된 자속에 비례하여 아날로그 전압 신호가 출력되고, 상기 출력된 아날로그 전압 신호를 다시 아날로그 전류 신호로 환산하여 각 전력선에 흐르는 전류 및 전압을 검출하는 적어도 하나의 홀 센서(Hall Sensor)를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 다수의 연결커넥터는, 각 전류 및 전압 센싱부를 통해 검출된 각 단상 전력선의 전류 및 전압을 상기 제어모듈의 입력측에 전달하기 위한 다수의 단상 연결커넥터를 포함하여 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 제어모듈은, 상기 다수의 단상 연결커넥터를 통해 각 전류 및 전압 센싱부로부터 검출된 3상 4선로 전력선의 전류 및 전압 신호를 전달받아 각 상별 전압 변동을 모니터링(Monitoring)하도록 제어할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어모듈은, 상기 다채널 전류 및 전압 검출모듈로부터 검출된 전류 및 전압 신호를 이용하여 주파수, 위상, 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion, THD), 유효전력량, 무효전력량, 최대수요전력 및 역률을 포함하는 전력 품질 데이터들 중 적어도 하나를 산출하고, 상기 검출된 전류와 전압 및 상기 산출된 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 비롯하여 주파수, 위상, 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion, THD), 유효전력량, 무효전력량, 최대수요전력 및 역률을 포함하는 전력 품질 데이터들 중 적어도 하나가 별도의 저장모듈에 저장되도록 제어할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어모듈의 제어에 따라 상기 검출된 전류와 전압 및 상기 산출된 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 비롯하여 주파수, 위상, 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion, THD), 유효전력량, 무효전력량, 최대수요전력 및 역률을 포함하는 전력 품질 데이터들 중 적어도 하나를 주기적 또는 실시간으로 외부의 전력량 관리서버에 전송하는 통신모듈이 더 포함될 수 있다.
바람직하게, 상기 통신모듈을 통해 상기 외부의 전력량 관리서버로 데이터 전송 시 별도의 게이트웨이를 경유하여 전송되되, 상기 통신모듈과 상기 게이트웨이간에는 전력선 통신(Power Line Communication, PLC), 유선통신 및 무선통신 방식 중 적어도 어느 하나의 통신 방식을 이용하여 데이터를 전송하며, 상기 게이트웨이와 상기 외부의 전력량 관리서버간에는 이더넷(Ethernet) 또는 이동 통신망을 이용하여 데이터를 전송할 수 있다.
바람직하게, 상기 통신모듈 또는 상기 외부의 전력량 관리서버는, 상기 제어모듈의 제어에 따라 상기 검출된 전류와 전압 및 상기 산출된 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 비롯하여 주파수, 위상, 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion, THD), 유효전력량, 무효전력량, 최대수요전력 및 역률을 포함하는 전력 품질 데이터들 중 적어도 하나를 기 설정된 관리자 단말로 주기적 또는 실시간 전송할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어모듈을 통해 상기 다채널 전류 및 전압 검출모듈로부터 검출된 전류와 전압 및 이를 이용하여 산출된 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 비롯하여 주파수, 위상, 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion, THD), 유효전력량, 무효전력량, 최대수요전력 및 역률을 포함하는 전력 품질 데이터들 중 적어도 하나를 근거리 무선통신(NFC), 유선통신 및 전력선 통신(PLC) 중 어느 하나를 이용하여 주기적 또는 실시간으로 제공받아 이를 디스플레이 화면에 표시하여 모니터링할 수 있는 근거리 모니터링 장치가 더 포함될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 휴대용 다채널 전력량 계측 장치에 따르면, 적어도 하나의 변류기(Current Transducer, CT) 또는 홀 센서(Hall Sensor)를 이용하여 수용가에 인입되어 다수로 분배된 전력선에 탈부착가능하게 각각 연결하여 각 전력선에 흐르는 전류 및/또는 전압을 검출하고, 이를 바탕으로 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 비롯한 다양한 전력 품질 데이터들을 산출함과 아울러 이를 별도의 표시모듈에 실시간 표시되도록 함으로써, 개별 관리자가 장소에 구애받지 않고 이동하여 한 번에 여러 개의 부하에 대한 전력 소비를 직접적으로 실시간 모니터링(Monitoring)할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 다채널 전력량 계측 장치를 설명하기 위한 전체적인 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 적용된 홀 센서에 의한 전력선의 전압 및 전류 측정 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 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. 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 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 다채널 전력량 계측 장치를 설명하기 위한 전체적인 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 적용된 홀 센서에 의한 전력선의 전압 및 전류 측정 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 다채널 전력량 계측 장치(100)는, 수용가에 인입되어 다수로 분배된 전력선(P1 내지 PN)에 각각 탈부착가능하게 간접적으로 연결되어 각 전력선(P1 내지 PN)에 흐르는 전류 및 전압을 검출하여 디지털 신호로 변환함과 아울러 이를 신호 처리하여 각 전력선(P1 내지 PN)에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 산출하는 기능을 수행한다.
이러한 휴대용 다채널 전력량 계측 장치(100)는, 크게 다채널 전류 및 전압 검출모듈(110), 표시모듈(120), 제어모듈(130) 및 전원공급모듈(140) 등을 포함하여 이루어진다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 다채널 전력량 계측 장치(100)는 저장모듈(150) 및 통신모듈(160) 등을 더 포함할 수 있다. 한편, 도 1 및 도 2에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 휴대용 다채널 전력량 계측 장치(100)는 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 가질 수도 있다.
여기서, 다채널 전류 및 전압 검출모듈(110)은 수용가에 인입되어 다수로 분배된 전력선(P1 내지 PN)에 각각 탈부착가능하게 간접적으로 연결되어 있으며, 각 전력선(P1 내지 PN)에 흐르는 전류 및 전압을 검출하는 기능을 수행한다.
이러한 다채널 전류 및 전압 검출모듈(110)은 각 전력선(P1 내지 PN) 주위에 탈부착가능하게 각각 연결되고, 전자유도 현상 또는 전류자기 효과에 의해 각 전력선(P1 내지 PN)에 흐르는 전류 및 전압을 검출하는 다수의 전류 및 전압 센싱부(111-1 내지 111-N)와, 각 전류 및 전압 센싱부(111-1 내지 111-N)의 출력 단자(O1 내지 ON)와 탈부착가능하게 각각 연결되며, 각 전류 및 전압 센싱부(111-1 내지 111-N)의 출력 단자(O1 내지 ON)로부터 출력된 아날로그 전류 및 전압 신호가 제어모듈(130)의 입력측에 전달되도록 구비된 다수의 연결커넥터(112-1 내지 112-N)를 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 다수의 전류 및 전압 센싱부(111-1 내지 111-N)는 예컨대, 클램프 형태를 갖는 적어도 하나의 변류기(Current Transducer, CT) 또는 각 전력선(P1 내지 PN)에 흐르는 전류에 의해 생성된 자속에 비례하여 아날로그 전압 신호가 출력되고, 상기 출력된 아날로그 전압 신호를 다시 아날로그 전류 신호로 환산하여 각 전력선(P1 내지 PN)에 흐르는 전류 및 전압을 검출하는 적어도 하나의 홀 센서(Hall Sensor) 등을 포함함이 바람직하다.
한편, 도 2를 참조하여 상기 홀 센서의 원리와 장점을 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 홀 센서는 전류자계의 강도를 전압으로 변환하는 응답성이 좋은 전압 및 전류 센서이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 홀 센서의 구조는 자심(1)을 배치하고, 그 갭(Gap) 사이에 홀 소자(2)를 설치하여 형성한다.
먼저, 상기 홀 센서의 기본 원리인 홀 효과(Hall Effect)에 대하여 설명하면, 상기 홀 효과(Hall Effect)는 1879년 미국의 물리학자인 E.H.홀에 의해 발견되었다. 금속이나 반도체(半導體) 등의 고체를 자기장 속에 놓고, 자기장의 방향에 직각으로 고체 속에 전류를 흘리면, 두 방향 각각에 직각방향으로 고체 속에 전기장이 나타나는 현상이다. 이것을 홀 기전력(起電力)이라 하는데 전하(電荷)를 띤 입자(예를 들면, 전자)가 자기장 속을 운동하면, 로렌츠(Lorenz)의 힘을 받아 운동방향이 굽어진다.
따라서, 고체 속의 전류의 흐름이 한쪽으로 치우쳐 전하의 분포가 비평형이 되기 때문에 전기장이 나타나게 된다. 그리고, 전류가 같은 방향이라도 전하의 음??양(전자는 음)에 따라 발생하는 전기장의 방향이 달라지게 되고, 또한 입자의 농도에 따라서도 전기장의 세기가 달라지는 성질이 있다. 이러한 효과를 이용해서 고체 속에서 전류를 운반하는 전자(특히, '자유전자'라고도 한다)의 농도나 움직이기 쉬운 정도를 측정하고, 특히 반도체에서는 자유전자와 함께 자유양공(自由陽孔)에 대한 식별 및 측정도 할 수 있다.
이러한 홀 효과에 의하여 높은 감도로 도선 즉, 전력선(P1 내지 PN)상에 흐르는 전류(I)에 비례하는 유도 기전력(홀 기전력)(Vh)을 측정하고, 이 기전력으로부터 전압 및 전류를 측정할 수 있게 된다.
이하 측정원리에 대하여 구체적으로 살펴보기로 한다. 전력선(P1 내지 PN)에 전류(예컨대, 직류, 교류, 직류+교류 등)(I)가 흐르면 갭(Gap)에는 전류(I)에 비례하는 자속(B)이 생성되어 홀 소자(2)면에 직각으로 관통한다. 이 상태에서 자속(B)에 대해 직각방향에 제어전류(IC)를 흘리면, 단자 a-b 간에는 모선 전류(I)에 비례하는 전압(Vh)이 발생하게 된다.
이러한 홀 센서는 홀 전압(Vh)이 수십 mV의 미소 전압이지만, 그 출력을 증폭하기 위하여 증폭기를 내장하여 사용할 수도 있다. 상기 홀 전압은 다음과 같은 식 1에 의해 출력하게 된다.
(식 1)
Vh = K*Ic*B(Vh: 홀전압, K: 적감도정수, IC: 제어전류, B: 자속밀도)
이처럼 상기 홀 센서는 첫째, 직류, 교류, 직류+교류의 측정이 가능하고, 둘째, 피측정 반도체와 비접촉되어 완전하게 절연된다. 셋째로, 전력손실이 없고, 응답특성이 빠르며, 직진성이 우수할 뿐만 아니라, 구조가 간단하여 신뢰성이 좋다는 장점이 있다.
예컨대, 다수의 전류 및 전압 센싱부(111-1 내지 111-N)가 상기 홀 센서를 포함할 경우, 자심(1)을 통해 각 전력선(P1 내지 PN)에 유기되는 자장에 의한 홀 전압을 발생하는 홀 소자(2)와, 홀 소자(2)의 출력신호를 소정 레벨로 차동 증폭하는 차동 증폭기(미도시)와, 상기 차동 증폭기의 출력신호를 필터링(Filtering)하여 소정 대역의 신호만을 출력하는 대역통과필터(Band Pass Filter, BPF)(미도시) 등을 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고, 다수의 연결커넥터(112-1 내지 112-N)는 각 전류 및 전압 센싱부(111-1 내지 111-N)를 통해 검출된 각 단상 전력선의 전류 및/또는 전압을 제어모듈(130)의 입력측에 전달하기 위한 다수의 단상 연결커넥터(112a-1 내지 112a-N)를 포함하여 이루어질 수 있다.
표시모듈(120)은 제어모듈(130)의 제어에 따라 각 전력선(P1 내지 PN)에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 디스플레이(Display)하는 기능을 수행한다.
이러한 표시모듈(120)은 예컨대, 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display, LCD), 발광다이오드 디스플레이(Light Emitting Diode, LED), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display, TFT LCD), 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode, OLED), 플렉시블 디스플레이(Flexible Display), 플라즈마 디스플레이 패널 (Plasma Display Panel, PDP), 표면 얼터네이트 라이팅(ALiS), 디지털 광원 처리(DLP), 실리콘 액정(LCoS), 표면 전도형 전자방출소자 디스플레이(SED), 전계방출 디스플레이(FED), 레이저 TV(양자 점 레이저, 액정 레이저), 광유전성 액체 디스플레이(FLD), 간섭계 변조기 디스플레이(iMoD), 두꺼운 필름 유전체 전기(TDEL), 양자점 디스플레이(QD-LED), 텔레스코픽 픽셀 디스플레이(TPD), 유기발광 트랜지스터(OLET), 레이저 형광 디스플레이(LPD), 3차원 디스플레이(3D display) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 각 전력선(P1 내지 PN)에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 디스플레이(Display)할 수 있는 모듈이라면, 어떠한 모듈이라도 포함할 수 있다.
그리고, 제어모듈(130)은 다채널 전류 및 전압 검출모듈(110)로부터 검출된 아날로그 전류 및 전압 신호를 디지털 신호로 변환하고, 이를 신호 처리하여 각 전력선(P1 내지 PN)에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 산출하며, 상기 산출된 각 전력선(P1 내지 PN)에 대한 채널별 사용 전력량 데이터가 표시모듈(120)에 디스플레이(Display)되도록 제어하는 기능을 수행한다. 이때, 제어모듈(130)에서의 신호 처리는 상기 변환된 디지털 신호를 소정 레벨로 증폭 및 필터링(Filtering)하는 기능 등을 포함할 수 있다.
또한, 제어모듈(130)은 다수의 단상 연결커넥터(112a-1 내지 112a-N) 중 3개의 단상 연결커넥터(112a-1 내지 112a-3)를 통해 각 전류 및 전압 센싱부(111-1 내지 111-N)로부터 검출된 3상 4선로 전력선의 전류 및 전압 신호를 전달받아 각 상별 전압 변동을 모니터링(Monitoring)하도록 제어할 수 있다.
또한, 제어모듈(130)은 다채널 전류 및 전압 검출모듈(110)로부터 검출된 전류 및 전압 신호를 이용하여 다양한 전력 품질 데이터들(예컨대, 주파수, 위상, 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion, THD), 유효전력량, 무효전력량, 최대수요전력 및 역률 등) 중 적어도 하나를 산출하고, 상기 검출된 전류와 전압 및 상기 산출된 각 전력선(P1 내지 PN)에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 비롯하여 주파수, 위상, 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion, THD), 유효전력량, 무효전력량, 최대수요전력 및 역률을 포함하는 전력 품질 데이터들 중 적어도 하나가 별도의 저장모듈(150)에 저장되도록 제어할 수 있다.
이때, 저장모듈(150)에는 제어모듈(130)을 통해 실행되는 적어도 하나의 프로그램 코드와, 상기 프로그램 코드가 이용하는 적어도 하나의 데이터 셋트를 저장하여 유지할 수 있다.
이러한 저장모듈(150)은 예컨대, 플래시 메모리 타입(Flash Memory type), 하드디스크 타입(Hard Disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(Multimedia Card Micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
전원공급모듈(140)은 각 모듈 즉, 다채널 전류 및 전압 검출모듈(110), 표시모듈(120), 제어모듈(130), 저장모듈(150) 및 통신모듈(160) 등에 필요한 전원을 공급하는 기능을 수행하는 바, 통상의 휴대용 배터리로(Battery) 구현됨이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 계속적인 전원 공급을 위해 상용 교류(AC) 전원(예컨대, AC 220V)을 직류(DC) 전원으로 변환되도록 구현할 수도 있다.
추가적으로, 제어모듈(130)의 제어에 따라 다채널 전류 및 전압 검출모듈(110)로부터 검출된 전류와 전압 및 이를 이용하여 산출된 각 전력선(P1 내지 PN)에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 비롯하여 주파수, 위상, 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion, THD), 유효전력량, 무효전력량, 최대수요전력 및 역률을 포함하는 전력 품질 데이터들 중 적어도 하나를 주기적 또는 실시간으로 전력량 관리서버(미도시)에 전송하는 통신모듈(160)이 더 포함될 수 있다.
이때, 휴대용 다채널 전력량 계측 장치(100)의 통신모듈(160)을 통해 상기 전력량 관리서버로 데이터 전송 시 별도의 게이트웨이(Gateway)(미도시)를 경유하여 전송됨이 바람직하며, 휴대용 다채널 전력량 계측 장치(100)의 통신모듈(160)과 상기 게이트웨이간에는 전력선 통신(Power Line Communication, PLC), 유선통신 및 무선통신 방식 중 적어도 어느 하나의 통신 방식을 이용하여 데이터를 전송할 수 있으며, 상기 게이트웨이와 상기 전력량 관리서버간에는 유/무선 통신망을 이용하여 데이터를 전송할 수 있다.
한편, 휴대용 다채널 전력량 계측 장치(100)의 통신모듈(160)과 상기 게이트웨이간에 전력선 통신(PLC), 유/무선통신을 이용함이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 예컨대, 근거리무선통신(Near Field Communication, NFC), 무선식별(Radio Frequency IDentification, RFID) 통신, 블루투스(Bluetooth) 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 와이파이(Wi-Fi) 통신, 와이기그(WiGig) 통신, 와이브로(Wireless Broadband Internet, WiBro) 통신, 와이맥스(World Interoperability for Microwave Access, WiMAX) 통신, HSPA(High Speed Packet Access) 통신, 적외선(IrDA, infrared Data Association) 통신, UWB(Ultra Wideband) 통신 등 다양한 통신 방식 중 어느 하나의 통신 방식을 사용할 수도 있다.
다른 한편, 상기 게이트웨이와 상기 전력량 관리서버간에 연결되는 유/무선 통신망은 예컨대, 이더넷(Ethernet) 또는 이동 통신망 등으로 이루어짐이 바람직하며, 대용량, 장거리 음성 및 데이터 서비스가 가능한 대형 통신망의 고속 기간 망인 통신망일 수 있으며, 인터넷(Internet) 또는 고속의 멀티미디어 서비스를 제공하기 위한 와이파이(WiFi), 와이브로(Wibro), 와이맥스(Wimax) 등을 포함하는 차세대 무선망일 수 있다.
상기 인터넷은 TCP/IP 프로토콜 및 그 상위계층에 존재하는 여러 서비스, 즉 HTTP(Hyper Text Transfer Protocol), Telnet, FTP(File Transfer Protocol), DNS(Domain Name System), SMTP(Simple Mail Transfer Protocol), SNMP(Simple Network Management Protocol), NFS(Network File Service), NIS(Network Information Service) 등을 제공하는 전 세계적인 개방형 컴퓨터 네트워크 구조를 의미하며, 휴대용 다채널 전력량 계측 장치(100)가 상기 전력량 관리서버에 접속될 수 있게 하는 환경을 제공한다. 한편, 상기 인터넷은 유선 또는 무선 인터넷일 수도 있고, 이외에도 유선 공중망, 무선 이동 통신망, 또는 휴대 인터넷 등과 통합된 코어망 일 수도 있다.
만약, 상기 유/무선 통신망이 이동 통신망일 경우 동기식 이동 통신망일 수도 있고, 비동기식 이동 통신망일 수도 있다. 상기 비동기식 이동 통신망의 실시 예로서, WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 방식의 통신망을 들 수 있다. 이 경우 도면에 도시되진 않았지만, 상기 이동 통신망은 예컨대, RNC(Radio Network Controller) 등을 포함할 수 있다. 한편, 상기 WCDMA망을 일 예로 들었지만, 3G LTE망, 4G망, 5G망 등 차세대 통신망, 그 밖의 IP를 기반으로 한 IP 망일 수 있다. 이러한 상기 유/무선 통신망은 휴대용 다채널 전력량 계측 장치(100)와 상기 전력량 관리서버 상호 간의 신호 및 데이터를 상호 전달하는 역할을 수행한다.
더욱이, 휴대용 다채널 전력량 계측 장치(100)의 통신모듈(160) 또는 상기 전력량 관리서버는, 휴대용 다채널 전력량 계측 장치(100)의 제어모듈(130)의 제어에 따라 다채널 전류 및 전압 검출모듈(110)로부터 검출된 전류와 전압 및 이를 이용하여 산출된 각 전력선(P1 내지 PN)에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 비롯하여 주파수, 위상, 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion, THD), 유효전력량, 무효전력량, 최대수요전력 및 역률을 포함하는 전력 품질 데이터들 중 적어도 하나를 기 설정된 관리자 단말(미도시)로 주기적 또는 실시간 전송할 수도 있다.
이때, 상기 관리자 단말은 예컨대, 데스크탑 PC(Personal Computer), 노트북 PC 등 컴퓨터인 것이 일반적이지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 모든 종류의 유무선 통신 장치일 수 있다.
예를 들어, 상기 관리자 단말은 무선 인터넷 또는 휴대 인터넷을 통하여 통신하는 다양한 이동 단말을 포함하고, 이외에도 팜(Palm) PC, 스마트폰(Smart phone), 스마트 패드(Smart Pad), 스마트 노트(Smart Note), 모바일 게임기(Mobile play-station), 통신 기능이 있는 DMB(Digital Multimedia Broadcasting)폰, 태블릿 PC, 아이패드(iPad) 등 휴대용 다채널 전력량 계측 장치(100)의 통신모듈(160) 또는 상기 전력량 관리서버에 접속하기 위한 사용자 인터페이스를 갖는 모든 유무선 가전/통신 장치를 포괄적으로 의미할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 다채널 전력량 계측장치(100)의 제어모듈(130)을 통해 다채널 전류 및 전압 검출모듈(110)로부터 검출된 전류 및 전압 신호를 이용하여 주파수, 위상, 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion, THD), 유효전력량, 무효전력량, 최대수요전력 및 역률을 포함하는 전력 품질 데이터들 중 적어도 하나를 산출함이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 예컨대, 외부의 게이트웨이(Gateway) 또는 전력량 관리서버에서 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 비롯하여 다양한 전력 품질 데이터들을 산출할 수도 있다.
다른 한편, 도면에 도시되진 않았지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 다채널 전력량 계측장치(100)의 제어모듈(130) 및 통신모듈(160)을 통해 다채널 전류 및 전압 검출모듈(110)로부터 검출된 전류와 전압 및 이를 이용하여 산출된 각 전력선(P1 내지 PN)에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 비롯하여 주파수, 위상, 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion, THD), 유효전력량, 무효전력량, 최대수요전력 및 역률을 포함하는 전력 품질 데이터들 중 적어도 하나를 근거리 무선통신(NFC), 유선통신 및 전력선 통신(PLC) 중 어느 하나를 이용하여 주기적 또는 실시간으로 제공받아 이를 디스플레이 화면에 표시하여 모니터링(Monitoring)할 수 있는 근거리 모니터링 장치(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
전술한 본 발명에 따른 휴대용 다채널 전력량 계측 장치에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
100 : 휴대용 다채널 전력량 계측장치,
110 : 다채널 전류 및 전압 검출모듈,
120 : 표시모듈,
130 : 제어모듈,
140 : 전원공급모듈,
150 : 저장모듈,
160 : 통신모듈

Claims (10)

  1. 수용가에 인입되어 다수로 분배된 전력선에 각각 탈부착가능하게 간접적으로 연결되며, 각 전력선에 흐르는 전류 및 전압을 검출하는 다채널 전류 및 전압 검출모듈;
    각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 디스플레이하는 표시모듈; 및
    상기 다채널 전류 및 전압 검출모듈로부터 검출된 전류 및 전압 신호를 디지털 신호로 변환하고, 이를 신호 처리하여 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 산출하며, 상기 산출된 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터가 상기 표시모듈에 디스플레이되도록 제어하는 제어모듈을 포함하는 휴대용 다채널 전력량 계측 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 다채널 전류 및 전압 검출모듈은,
    각 전력선 주위에 탈부착가능하게 각각 연결되고, 전자유도 현상 또는 전류자기 효과에 의해 각 전력선에 흐르는 전류 및 전압을 검출하는 다수의 전류 및 전압 센싱부; 및
    각 전류 및 전압 센싱부의 출력 단자와 탈부착가능하게 각각 연결되며, 각 전류 및 전압 센싱부의 출력 단자로부터 출력된 아날로그 전류 및 전압 신호가 상기 제어모듈의 입력측에 전달되도록 구비된 다수의 연결커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 다채널 전력량 계측 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 다수의 전류 및 전압 센싱부는, 클램프 형태를 갖는 적어도 하나의 변류기(Current Transducer, CT) 또는 각 전력선에 흐르는 전류에 의해 생성된 자속에 비례하여 아날로그 전압 신호가 출력되고, 상기 출력된 아날로그 전압 신호를 다시 아날로그 전류 신호로 환산하여 각 전력선에 흐르는 전류 및 전압을 검출하는 적어도 하나의 홀 센서(Hall Sensor)를 포함하는 것을 특징으로 휴대용 다채널 전력량 계측 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 다수의 연결커넥터는, 각 전류 및 전압 센싱부를 통해 검출된 각 단상 전력선의 전류 및 전압을 상기 제어모듈의 입력측에 전달하기 위한 다수의 단상 연결커넥터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 휴대용 다채널 전력량 계측 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제어모듈은, 상기 다수의 단상 연결커넥터를 통해 각 전류 및 전압 센싱부로부터 검출된 3상 4선로 전력선의 전류 및 전압 신호를 전달받아 각 상별 전압 변동을 모니터링(Monitoring)하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 휴대용 다채널 전력량 계측 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제어모듈은, 상기 다채널 전류 및 전압 검출모듈로부터 검출된 전류 및 전압 신호를 이용하여 주파수, 위상, 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion, THD), 유효전력량, 무효전력량, 최대수요전력 및 역률을 포함하는 전력 품질 데이터들 중 적어도 하나를 산출하고, 상기 검출된 전류와 전압 및 상기 산출된 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 비롯하여 주파수, 위상, 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion, THD), 유효전력량, 무효전력량, 최대수요전력 및 역률을 포함하는 전력 품질 데이터들 중 적어도 하나가 별도의 저장모듈에 저장되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 휴대용 다채널 전력량 계측 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제어모듈의 제어에 따라 상기 검출된 전류와 전압 및 상기 산출된 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 비롯하여 주파수, 위상, 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion, THD), 유효전력량, 무효전력량, 최대수요전력 및 역률을 포함하는 전력 품질 데이터들 중 적어도 하나를 주기적 또는 실시간으로 외부의 전력량 관리서버에 전송하는 통신모듈이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 휴대용 다채널 전력량 계측 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 통신모듈을 통해 상기 외부의 전력량 관리서버로 데이터 전송 시 별도의 게이트웨이를 경유하여 전송되되,
    상기 통신모듈과 상기 게이트웨이간에는 전력선 통신(Power Line Communication, PLC), 유선통신 및 무선통신 방식 중 적어도 어느 하나의 통신 방식을 이용하여 데이터를 전송하며,
    상기 게이트웨이와 상기 외부의 전력량 관리서버간에는 이더넷(Ethernet) 또는 이동 통신망을 이용하여 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 휴대용 다채널 전력량 계측 장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 통신모듈 또는 상기 외부의 전력량 관리서버는, 상기 제어모듈의 제어에 따라 상기 검출된 전류와 전압 및 상기 산출된 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 비롯하여 주파수, 위상, 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion, THD), 유효전력량, 무효전력량, 최대수요전력 및 역률을 포함하는 전력 품질 데이터들 중 적어도 하나를 기 설정된 관리자 단말로 주기적 또는 실시간 전송하는 것을 특징으로 하는 휴대용 다채널 전력량 계측 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제어모듈을 통해 상기 다채널 전류 및 전압 검출모듈로부터 검출된 전류와 전압 및 이를 이용하여 산출된 각 전력선에 대한 채널별 사용 전력량 데이터를 비롯하여 주파수, 위상, 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion, THD), 유효전력량, 무효전력량, 최대수요전력 및 역률을 포함하는 전력 품질 데이터들 중 적어도 하나를 근거리 무선통신(NFC), 유선통신 및 전력선 통신(PLC) 중 어느 하나를 이용하여 주기적 또는 실시간으로 제공받아 이를 디스플레이 화면에 표시하여 모니터링할 수 있는 근거리 모니터링 장치가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 휴대용 다채널 전력량 계측 장치.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210141228A (ko) * 2020-05-15 2021-11-23 주식회사 광성계측기 12채널 전력품질 계측기
KR102616884B1 (ko) * 2023-11-09 2023-12-21 주식회사 미래이앤아이 무전원 디지털 지시계

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KR20210141228A (ko) * 2020-05-15 2021-11-23 주식회사 광성계측기 12채널 전력품질 계측기
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