KR20180036005A - Method and device for grounding impedance measurement - Google Patents

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KR20180036005A
KR20180036005A KR1020160126005A KR20160126005A KR20180036005A KR 20180036005 A KR20180036005 A KR 20180036005A KR 1020160126005 A KR1020160126005 A KR 1020160126005A KR 20160126005 A KR20160126005 A KR 20160126005A KR 20180036005 A KR20180036005 A KR 20180036005A
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ground impedance
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김영진
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(주)오은씨엔아이
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Abstract

The present invention relates to a method for measuring ground impedance and a measurement apparatus thereof, and more particularly, to a method for measuring ground impedance with high precision using the phase angle of a voltage and a current and a measurement apparatus thereof, capable of measuring the ground impedance with high precision by calculating the root mean square (RMS) of the voltage and the current using the amplitude and phase of a signal after calculating the amplitude and phase of the signal by detecting an in-phase component (I component) and a quadrature component (Q component) wherein the in-phase component is a sinusoidal wave with an arbitrary magnitude and phase and the quadrature component is a quadrature phase component.

Description

전압과 전류의 위상각을 이용한 고정도 접지임피던스 측정방법 및 측정장치{Method and device for grounding impedance measurement}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method and a device for measuring grounding impedance using voltage and current phase angles,

본 발명은 접지임피던스 측정방법 및 측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 임의의 크기와 위상을 가지는 정현파의 Inphase성분(I성분)과 직각위상성분인 Quadrature성분(Q성분)을 검출하여 신호의 진폭과 위상을 계산한 뒤 이를 이용해 전압과 전류의 실효값(RMS)을 계산하여 고정도로 접지임피던스를 측정할 수 있는 전압과 전류의 위상각을 이용한 고정도 접지임피던스 측정방법 및 측정장치이다.
More particularly, the present invention relates to a method and apparatus for measuring a ground impedance by detecting an Inphase component (I component) of a sine wave having an arbitrary magnitude and a phase and a quadrature component (Q component) (RMS) of the voltage and current using the phase angle and the phase angle of the voltage and current that can measure the ground impedance to a high degree.

일반적으로 접지는 감전 등의 전기사고 예방 목적으로 전기기기와 대지(大地)를 도선으로 연결하여 기기의 전위를 0으로 유지하는 것을 말하며, 전기설비의 열화, 낙뢰 및 과전압으로부터 절연파괴시 이상전류를 대지로 흘려보내 전기설비의 전위상승을 억제함으로써 전기적인 피해로부터 전기설비를 보호하고 감전사고 등을 방지하기 위해 목적으로 사용되는 기술이다.
In general, grounding refers to maintaining the electric potential of the equipment to zero by connecting the electric equipment and earth to the electric conductor for the purpose of preventing electric accidents such as electric shock. When the electric equipment breaks down due to deterioration, It is a technology that is used to protect electric equipment from electric damage by preventing electric potential rise of electric equipment by flowing to the ground and preventing electric shock accident.

근래에는 전 세계적으로 국내외에서 낙뢰의 발생빈도가 증가하고 있는 추세이며 이로 인한 전기전자통신 기기의 소손사고도 증가하고 있어 이러한 접지에 대한 중요성이 확대되고 있다.
In recent years, the frequency of occurrence of lightning has increased in the world and abroad, and as a result of this, electrical and electronic communication equipment is burned and accidents are increasing, and the importance of such grounding is increasing.

이러한 전기전자통신 기기의 소손사고를 방지하기 위한 기존의 접지시스템은 인체의 감전사고 예방에 주안점을 두었으나 최근 신재생에너지 및 스마트그리드 등이 혼재된 분산전원환경이 도입됨에 따라 인체의 보호는 물론 운용중인 전기전자 설비의 정상적인 동작상태 확보 및 사고예방의 관점에서 접지시스템의 중요성이 새롭게 대두되고 있으며, 이로써 신뢰성이 높은 접지임피던스의 측정 역시 주요한 과제가 되고 있다.
Conventional grounding system to prevent such electric and electronic communication equipment from burning accidents is focused on prevention of electric shock accident of human body. Recently, with the introduction of distributed power source environment in which renewable energy and smart grid are mixed, The importance of the grounding system is emerging from the viewpoint of ensuring the normal operating condition of the electric and electronic equipment in operation and preventing the accident, and measurement of the grounding impedance with high reliability is also a major problem.

한편, 일반적인 접지시스템은 60Hz 기반의 전원계통의 고장사고에 대한 관점에서 해석됐지만 산업 현장에서는 낙뢰에 의한 피해가 증가하고 있으므로 이와 같은 고주파를 포함하는 과도현상 발생시 접지시스템의 성능에 대한 예측 및 측정분석이 필요하고, 낙뢰시 설비소손의 주요요인은 직격뢰 또는 간접뢰에 의한 요인도 있지만 상당수의 원인은 접지측의 전위상승으로 인한 과도한 전위차에 의해 기기의 소손이 발생하고 있다. 즉, 접지 전위상승이란 낙뢰에 의한 뇌격전류가 접지시스템에 유입시 전류값과 접지임피던스에 비례하는 전위의 상승이 발생하는 것으로 이로 인한 과전압에 의해 운용중인 설비의 고장이나 오동작 등의 사고가 자주 발생하고 있으나 이에 대한 원인 규명 및 대책설계에 미흡한 실정이다.
On the other hand, a general grounding system is interpreted from the viewpoint of a fault of a power supply system based on 60 Hz, but the damage caused by a lightning stroke is increasing in the industrial field. Therefore, in case of transient including high frequency, And the main cause of equipment burnout in lightning is due to direct or indirect lighting, but a large number of causes are caused by the excessive potential difference due to the rise of the ground potential. That is, when the lightning current due to the lightning is inputted into the grounding system, a rise of the potential proportional to the current value and the ground impedance occurs. As a result, the overvoltage frequently causes accidents such as malfunction or malfunction in the equipment under operation However, it is insufficient to identify the cause and to design countermeasures.

접지임피던스의 측정장치와 관련된 종래기술로서는 공개특허공보 제10-2012-0005754호에 개시되어 있는 접지임피던스의 고정도 측정장치가 있다.
As a related art related to the measuring device of the ground impedance, there is a device for measuring the impedance of the ground impedance disclosed in the patent publication No. 10-2012-0005754.

상기 특허에는 측정하고자 하는 접지극(E극)의 접지임피던스 측정을 위해 전류보조극(C극)에 인가할 주파수 대역 1[㎐] 내지 10[㎒]의 정현파 저전압을 생성하여 출력하는 가변주파수 정현파 전압발생부(10); 상기 가변주파수 정현파 전압발생부(10)에서 출력된 저전압을 최대 30[V](인체접촉 안전전압 한계 값) 이하로 증폭하고, 출력임피던스는 낮추어 전류보조극(C극)에 최대 200[㎃] 전류를 인가하는 전력증폭부(20); 상기 전력증폭부(20)에서 전류보조극(C극)에 인가하는 주파수 대역 1[㎐] 내지 10[㎒]의 전류에 의해서 발생하는 접지극(E극)와 전압보조극(P극)의 전위차(VE-P)와, 접지극(E극)로 흐르는 전류(I)의 측정값에 대한 아날로그신호를 디지털 신호로 변환하는 에이디(A/D) 변환기(30); 정확한 임피던스의 산출을 위해 상기 에이디 변환기(30)에서 전송되는 전위차(VE-P)와 전류(I)의 측정값에 혼입된 외부 노이즈성분은 제거하고, 상기 가변주파수 정현파 전압발생부(10)에서 인가한 동일한 주파수의 전압 및 전류 성분만을 검출하여 외부간섭이 제거된 전위차(VE-P) 및 전류(I)의 측정값에 산출공식을 적용하여 신뢰도 높은 접지임피던스를 산출하는 임피던스 산출부(40); 및 상기 임피던스 산출부(40)에서 산출된 결과를 그래프 및 텍스트로 출력하여 영상으로 출력하여 제공하는 그래픽 디스플레이(50);를 포함하는 것을 특징으로 하는 접지임피던스의 고정도 측정장치가 제안되어 있는데, 접지임피던스의 경우 접지되는 토양의 특성, 대지저항률, 온도, 습도, 접지극의 모양과 접지상태 등 여러 가지 요인들에 의해 복합적으로 작용되므로 측정된 접지임피던스의 정확도를 신뢰하기가 어려울 수 있다.
The above patent discloses a variable frequency sine wave voltage generating circuit for generating and outputting a sine wave undervoltage in a frequency band of 1 [Hz] to 10 [MHz] to be applied to a current auxiliary pole (C pole) for measuring a ground impedance of a ground electrode A generating unit 10; The output voltage of the variable frequency sine wave voltage generator 10 is amplified to a maximum value of 30 [V] (human body contact safety voltage limit value), and the output impedance is decreased to a maximum of 200 [mA] A power amplifier (20) for applying a current; (E pole) generated by the current of the frequency band of 1 [Hz] to 10 [MHz] applied to the current auxiliary pole (C pole) in the power amplifier 20 and the potential difference An analog-to-digital (A / D) converter 30 for converting an analog signal into a digital signal with respect to a measured value of the current I flowing through the earth electrode (E-pole); The external noise component mixed in the measured value of the electric potential difference VE-P and the current I transmitted from the AD converter 30 is removed to calculate the accurate impedance, and the variable frequency sine wave voltage generator 10 An impedance calculating unit 40 for detecting only the voltage and current components of the same frequency applied and calculating a reliable ground impedance by applying a calculation formula to the measured values of the potential difference VE-P and the current I from which the external interference is removed, ; And a graphical display (50) for outputting the results calculated by the impedance calculating unit (40) in the form of a graph and a text, and outputting the results as an image. In case of ground impedance, it may be difficult to trust the accuracy of measured ground impedance because it is operated by various factors such as the characteristics of soil to be grounded, ground resistivity, temperature, humidity, shape of earth pole and grounding condition.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0005754호Korean Patent Publication No. 10-2012-0005754

따라서, 본 발명은 접지임피던스 측정방법 및 측정장치를 제공하되, 임의의 크기와 위상을 가지는 정현파의 Inphase성분(I성분)과 직각위상성분인 Quadrature성분(Q성분)을 검출하여 신호의 진폭과 위상을 계산한 뒤 이를 이용해 전압과 전류의 실효값(RMS)을 계산하여 고정도로 접지임피던스를 측정할 수 있는 전압과 전류의 위상각을 이용한 고정도 접지임피던스 측정방법 및 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for measuring a ground impedance, wherein an Inphase component (I component) of a sinusoidal wave having an arbitrary magnitude and phase and a quadrature component (Q component) (RMS) of a voltage and a current using the phase angle of a voltage and a current which can measure a ground impedance to a high degree by using the phase angle of the voltage and the current. have.

본 발명에 의한 전압과 전류의 위상각을 이용한 고정도 접지임피던스 측정방법은 가변 주파수 정현파 발생기를 이용하여 인가할 전압과 전류의 크기 및 주파수를 입력하는 가변 주파수 입력단계와; 입력된 조건의 전압과 전류를 AD변환기를 통해 변환하는 A/D 변환단계와; A/D로 변환된 전압 및 전류신호를 임피던스 분석 제어기로써 IQ복조 및 임피던스 계산을 수행한는 계산단계와; 계산된 값을 디스플레이 장치로 출력하는 출력단계;로 이루어진 것이 특징이다.
A high-accuracy ground impedance measuring method using a phase angle of a voltage and a current according to the present invention includes a variable frequency input step of inputting a magnitude and a frequency of a voltage and a current to be applied using a variable frequency sine wave generator; An A / D conversion step of converting the voltage and current of the inputted condition through an AD converter; A calculation step of performing IQ demodulation and impedance calculation by using an impedance analysis controller as a voltage and current signal converted into A / D; And outputting the calculated value to the display device.

본 발명에 의한 전압과 전류의 위상각을 이용한 고정도 접지임피던스 측정방법 및 측정장치는 임의의 크기와 위상을 가지는 정현파의 Inphase성분(I성분)과 직각위상성분인 Quadrature성분(Q성분)을 검출하여 신호의 진폭과 위상을 계산한 뒤 이를 이용해 전압과 전류의 실효값(RMS)을 계산하여 측정된 접지임피던스의 신뢰성이 높은 현저한 효과가 있다.
The method and apparatus for measuring a high-accuracy ground impedance using a phase angle of a voltage and a current according to the present invention detect an inphase component (I component) and a quadrature component (Q component) of a sinusoidal wave having an arbitrary size and phase (RMS) of voltage and current is calculated using the amplitude and phase of the signal, and there is a remarkable effect that the measured ground impedance is highly reliable.

도 1은 통상적인 정현파의 I성분과 Q성분의 그래프
도 2는 전압 및 전류 신호의 RMS와 위상을 측정하기 위한 I/Q 신호검출 구성도
도 3은 본 발명에 의한 접지 임피던스 측정장치의 전체구성도
도 4는 본 발명에 의한 광대역 전류 발생기의 구성도
도 5는 FPGA내의 I/Q 복조 기능을 나타낸 블록도
도 6은 ARM 프로세서에서 수행하는 임피던스 계산 과정의 설명도Fig. 1 is a graph showing the I component and Q component of a typical sinusoidal wave
FIG. 2 is a block diagram of an I / Q signal detection scheme for measuring RMS and phase of voltage and current signals.
Fig. 3 is an overall configuration diagram of the ground impedance measuring apparatus according to the present invention
4 is a block diagram of a broadband current generator according to the present invention
5 is a block diagram showing an I / Q demodulating function in the FPGA
6 is a diagram illustrating an impedance calculation process performed by the ARM processor

본 발명은 접지임피던스 측정방법 및 측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 임의의 크기와 위상을 가지는 정현파의 Inphase성분(I성분)과 직각위상성분인 Quadrature성분(Q성분)을 검출하여 신호의 진폭과 위상을 계산한 뒤 이를 이용해 전압과 전류의 실효값(RMS)을 계산하여 고정도로 접지임피던스를 측정할 수 있는 전압과 전류의 위상각을 이용한 고정도 접지임피던스 측정방법 및 측정장치이다.
More particularly, the present invention relates to a method and apparatus for measuring a ground impedance by detecting an Inphase component (I component) of a sine wave having an arbitrary magnitude and a phase and a quadrature component (Q component) (RMS) of the voltage and current using the phase angle and the phase angle of the voltage and current that can measure the ground impedance to a high degree.

이하, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 통상적인 정현파의 I성분과 Q성분의 그래프이고, 도 2는 전압 및 전류 신호의 RMS와 위상을 측정하기 위한 I/Q 신호검출 구성도이며, 도 3은 본 발명에 의한 접지 임피던스 측정장치의 전체구성도이고, 도 4는 본 발명에 의한 광대역 전류 발생기의 구성도로써, 본 발명에 의한 전압과 전류의 위상각을 이용한 고정도 접지임피던스 측정방법은 가변 주파수 정현파 발생기를 이용하여 인가할 전압과 전류의 크기 및 주파수를 입력하는 가변 주파수 입력단계와; 입력된 조건의 전압과 전류를 AD변환기를 통해 변환하는 A/D 변환단계와; A/D로 변환된 전압 및 전류신호를 임피던스 분석 제어기로써 IQ복조 및 임피던스 계산을 수행한는 계산단계와; 계산된 값을 디스플레이 장치로 출력하는 출력단계;로 이루어진 것이 특징이다.
FIG. 2 is a configuration diagram of I / Q signal detection for measuring the RMS and phase of a voltage and current signal. FIG. 3 is a diagram illustrating a ground impedance measurement 4 is a configuration diagram of a broadband current generator according to the present invention. The method for measuring a high-accuracy ground impedance using a phase angle of a voltage and a current according to the present invention is applied using a variable frequency sinusoidal generator A variable frequency input step of inputting magnitude and frequency of voltage and current; An A / D conversion step of converting the voltage and current of the inputted condition through an AD converter; A calculation step of performing IQ demodulation and impedance calculation by using an impedance analysis controller as a voltage and current signal converted into A / D; And outputting the calculated value to the display device.

먼저, 본 발명에서 사용될 수 있는 이론에 대해 살펴보면 다음과 같다.
First, the theory that can be used in the present invention is as follows.

접지 임피던스는 수학식 1과 같이 레지스턴스 성분 R과 리액턴스 성분 X로 표현된다.
The ground impedance is expressed by a resistance component R and a reactance component X as shown in Equation (1).

Figure pat00001
Figure pat00001

수학식 1을 다시 절대치와 위상각으로 표현하면 수학식 2와 같이 표현 할 수 있다.
Equation (1) can be expressed by an absolute value and a phase angle again as shown in Equation (2).

Figure pat00002
Figure pat00002

임의의 크기와 위상을 가지는 정현파는 도 1과 같이 Inphase성분(I성분)과 직각위상성분인 Quadrature성분(Q성분)을 이용하여 복소평면에 나타낼 수 있다. 즉, I/Q 성분을 검출하면 신호의 진폭과 위상을 계산할 수 있다.
A sinusoidal wave having an arbitrary magnitude and phase can be represented in a complex plane by using an Inphase component (I component) and a quadrature component (Q component), which are quadrature components, as shown in FIG. That is, when the I / Q component is detected, the amplitude and phase of the signal can be calculated.

다음, 전압 및 전류 신호의 실효값(RMS)과 위상을 측정하기 위한 I/Q 복조(demodulation)는 도 2와 같이 나타난다.
Next, the I / Q demodulation for measuring the RMS value and the phase of the voltage and current signals is shown in FIG.

검출된 신호에는 잡음 및 간섭이 포함되어 있으므로, 잡음과 간섭이 포함된 신호는 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Since the detected signal includes noise and interference, a signal including noise and interference can be expressed by Equation (3).

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서, A, θ는 측정 신호의 크기 및 위상이고,

Figure pat00004
는 부가성 백색잡음을 나타낸다.
Here, A and? Are the magnitude and phase of the measurement signal,
Figure pat00004
Represents additive white noise.

신호

Figure pat00005
는 측정 주파수와 동기된 기준 신호
Figure pat00006
와
Figure pat00007
를 각각 곱하여 Inphase성분
Figure pat00008
와 Quadrature성분
Figure pat00009
로 표현되고,
Figure pat00010
와
Figure pat00011
는 각각 수학식 4와 5로 주어진다.
signal
Figure pat00005
Lt; RTI ID = 0.0 >
Figure pat00006
Wow
Figure pat00007
And the Inphase component
Figure pat00008
And quadrature component
Figure pat00009
Lt; / RTI >
Figure pat00010
Wow
Figure pat00011
Are given by equations (4) and (5), respectively.

Figure pat00012
Figure pat00012

단,

Figure pat00013
only,
Figure pat00013

Figure pat00014

Figure pat00014

Figure pat00015
Figure pat00015

단,

Figure pat00016
only,
Figure pat00016

Figure pat00017
Figure pat00017

수학식 4와 5에서

Figure pat00018
와
Figure pat00019
는 광대역 백색잡음에 정형파가 곱해진 것이므로 신호의 통계적 특성변화는 없다.
In equations (4) and (5)
Figure pat00018
Wow
Figure pat00019
Since the broadband white noise is multiplied by the square wave, there is no statistical change in the signal.

Figure pat00020
와
Figure pat00021
는
Figure pat00022
의 주파수 대역으로 천이된 간섭신호이다.
Figure pat00020
Wow
Figure pat00021
The
Figure pat00022
Lt; / RTI > frequency band.

Figure pat00023
와
Figure pat00024
는 LPF(Low Pass Filter)를 통과시켜
Figure pat00025
의 주파수를 가지는 이미지 성분과
Figure pat00026
에 위치한 간섭신호를 제거하여 다음과 같이 대역 제한된 부가 잡음 (Band-limited Additive Noise)이 포함된 I/Q 신호를 얻을 수 있고, 수학식 6 및 수학식 7과 같이 나타낸다.
Figure pat00023
Wow
Figure pat00024
Pass the LPF (Low Pass Filter)
Figure pat00025
Image component having a frequency of < RTI ID = 0.0 &
Figure pat00026
Q signals including band-limited additive noise are obtained as shown in Equation (6) and Equation (7).

Figure pat00027
Figure pat00027

Figure pat00028
Figure pat00028

단,

Figure pat00029
는 LPF에 의하여 대역 제한된 부가 잡음이며, LPF의 대역폭이 충분히 작을 경우 아래와 같이 나타낼 수 있다.
only,
Figure pat00029
Is the additional noise band-limited by the LPF. If the bandwidth of the LPF is sufficiently small, it can be expressed as follows.

Figure pat00030
Figure pat00030

Figure pat00031
Figure pat00031

Figure pat00032
에 의하여 의 추정치는 수학식 10과 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00032
Can be calculated as shown in Equation (10).

Figure pat00033
Figure pat00033

또한 진폭 A의 추정치도 수학식 11로 주어진다.
An estimate of the amplitude A is also given by equation (11).

Figure pat00034
Figure pat00034

한편 접지 임피던스 측정 장치의 구성을 도 3을 참조하여 살펴보면, 복소 접지 임피던스의 측정을 위해서는 다음의 주요 기능 설계가 필요하다.
The configuration of the ground impedance measuring apparatus will be described with reference to FIG. 3. In order to measure the complex ground impedance, the following main functional design is required.

먼저, 본 발명에 의한 접지 임피던스 측정장치는 60Hz ~ 1MHz 범위의 가변 주파수를 발생시키는 가변 주파수 정현파 발생기와, AD 변환된 전압 및 전류 신호를 IQ 복조 및 임피던스 계산을 수행하는 임피던스 분석 제어기와, 측정기 제어 및 CUI 기능을 수행하는 제어 및 GUI 제어기로 구성된다.
First, the ground impedance measuring apparatus according to the present invention comprises a variable frequency sine wave generator for generating a variable frequency in the range of 60 Hz to 1 MHz, an impedance analyzing controller for performing IQ demodulation and impedance calculation on the AD converted voltage and current signals, And a control and GUI controller for performing CUI functions.

상기 가변 주파수 정현파 발생기는 측정하고자 하는 접지극의 접지임피던스 측정을 위해 전류보조극에 인가할 주파수 대역 60Hz ~ 1MHz의 정현파 저전압을 생성하여 출력하는 장치로써 NCO (Numerically Controlled Oscillator)를 이용하며, FPGA를 통하여 설계된다.
The variable frequency sine wave generator generates a sine wave undervoltage in a frequency band of 60 Hz to 1 MHz to be applied to the current auxiliary pole for measuring the ground impedance of the earth electrode to be measured and uses the NCO (Numerically Controlled Oscillator) Is designed.

상기 임피던스 분석 제어기는 바람직하게는 AD변환기를 포함하고 상기 AD변환기에서 변환된 전압 및 전류 신호를 IQ 복조 및 임피던스 계산을 수행하는 제어기로써 FPGA를 통하여 설계하며, 상기 제어 및 GUI 제어기는 측정기 제어 및 CUI 기능을 수행하며 ARM 프로세서로 설계한다.
The impedance analysis controller is preferably designed through an FPGA as a controller that includes an AD converter and performs IQ demodulation and impedance calculations of the voltage and current signals converted in the AD converter. The control and GUI controller controls the meter and the CUI Function and designed with an ARM processor.

접지 임피던스 측정과 주파수 의존성을 분석하기 위해서는 적합한 전류를 발생하여 전류 보조 극에 인가하여 신호를 측정하여야 한다.
In order to analyze the ground impedance measurement and the frequency dependency, a suitable current should be generated and applied to the current auxiliary pole to measure the signal.

전류는 NCO를 이용하여 주파수가 가변되게 하면, 최대 30Vpp의 전압으로 250mA의 전류를 공급할 수 있는 광대역 전류증폭기와 DA 변환기를 장착한다.
The current is equipped with a broadband current amplifier and a DA converter that can supply 250mA of current at a voltage up to 30Vpp when the frequency is varied using an NCO.

즉, 사용자 인터페이스(20)는 버튼(21)이나 터치판넬(22)로 구성되고, 사용자의 입력에 대해 ARM프로세서(23)가 처리하며, 처리된 내용을 LCD디스플레이(24)나 상태표시등(25)을 통해 사용자에게 보여준다.
That is, the user interface 20 includes a button 21 and a touch panel 22, and is processed by the ARM processor 23 with respect to a user's input, and the processed contents are displayed on the LCD display 24, 25).

컨트롤보드(10)는 정현파로부터 측정된 전압과 전류를 신호처리기(11)에서 처리하고 AD변환기(12)로 보내고, 디지털 변복조기(13)를 통해 복조한 뒤 I/Q복조기로 보내며, 수치제어발진기(NCO, 15)를 통해 DA변환기(16)로 보내고 이 신호를 증폭기(17)로 증폭한 뒤 외부로 보내게 된다.
The control board 10 processes the voltage and current measured from the sinusoidal wave in the signal processor 11 and sends it to the AD converter 12, demodulates it through the digital modulator 13 and sends it to the I / Q demodulator, And then sent to the DA converter 16 through an oscillator (NCO) 15, amplified by the amplifier 17, and then sent to the outside.

도 4는 광대역 전류 발생기의 구성도로써, 접지 임피던스 측정과 주파수 의존성 분석에 적합한 전류를 발생시키기 위하여 전류전극에 인가할 신호는 상술한 바와 같이 수치제어발진기(NCO)를 이용하여 주파수 가변을 하며, 최대 30Vpp의 전압으로 250mA의 전류를 공급할 수 있는 광대역 전류증폭기를 DA변환기에 장착한다. 수치제어발진기는 CORDIC 알고리즘을 이용하여 구현이 되며, 주파수는 Look-up table(LUT)에서 공급되는 24bit의 위상증분(Phase increment)을 선택함으로써 제어된다. 전류 증폭기는 GBP(Gain Bandwidth Product) 즉,

Figure pat00035
인 광대역 증폭기를 사용함으로써 1MHz의 주파수에서 30Vpp를 출력할 수 있다.
4 is a block diagram of a broadband current generator. In order to generate a current suitable for ground impedance measurement and frequency dependency analysis, a signal to be applied to a current electrode is frequency-varied using a numerically controlled oscillator (NCO) A wide-band current amplifier capable of supplying 250mA of current with a voltage up to 30Vpp is mounted in the DA converter. A numerically controlled oscillator is implemented using the CORDIC algorithm, and the frequency is controlled by selecting a 24-bit phase increment supplied by the look-up table (LUT). The current amplifier is a gain bandwidth product (GBP)
Figure pat00035
Can be used to output 30 Vpp at a frequency of 1 MHz.

임피던스 측정장치는 도 3과 같이, ARM프로세서와 FPGA 회로로 구성된 임베디드 시스템으로 설계할 수 있다. 전압 및 전류의 I/Q 복조 알고리즘은 MALTAB Simulink 환경에서 ALTERA DSP Buiulder를 이용하여 설계 및 시뮬레이션을 수행하고, FPGA에 구현하였다. FPGA에서 계산된 전압 전류 신호의 I/Q 값들은 ARM Processor에 전송이 되어 임피던스를 계산하고 디스플레이 된다. 도 5는 FPGA내의 I/Q 복조 기능을 나타낸 것이다.
The impedance measurement device can be designed as an embedded system composed of an ARM processor and an FPGA circuit as shown in FIG. The I / Q demodulation algorithm for voltage and current is designed and simulated using ALTERA DSP Buiulder in MALTAB Simulink environment and implemented in FPGA. The I / Q values of the voltage and current signals calculated in the FPGA are transferred to the ARM processor to calculate and display the impedance. 5 shows an I / Q demodulation function in the FPGA.

주파수 변환 및 I/Q 검출에 대해 살펴보면, 전압 및 전류 보조전극에서 검출된 신호는 Signal conditioning 회로 및 14bit AD 변환기를 통하여 10Msps로 FPGA에 각각 입력된다. I/Q 분리를 위한 Local 신호는 광대역 전류 발생기의 NCO를 공유한다. In frequency conversion and I / Q detection, the signals detected at the voltage and current auxiliary electrodes are input to the FPGA at 10Msps through the signal conditioning circuit and the 14bit AD converter, respectively. The local signal for I / Q separation shares the NCO of the broadband current generator.

수학식 8과 9의 I,Q 성분을 검출하기 위하여 도 5와 같이 CIC (Cascaded Integrator and Comb) 필터와 Decimation을 반복적으로 적용한다. 따라서 10Msps의 전압 및 전류검출 신호는 간섭 신호와 부가잡음이 단계적으로 제거되면서 125Hz의 잡음 대역폭을 가지는 저주파 신호

Figure pat00036
와
Figure pat00037
로 출력된다. ARM 프로세서는 이를 이용하여 접지 임피던스를 계산한다.
In order to detect the I and Q components of Equations 8 and 9, CIC (Cascaded Integrator and Comb) filter and Decimation are repeatedly applied as shown in FIG. Therefore, the voltage and current detection signals of 10Msps are generated by the low-frequency signal having the noise bandwidth of 125Hz while the interference signal and the additional noise are gradually removed.
Figure pat00036
Wow
Figure pat00037
. The ARM processor uses this to calculate the ground impedance.

복소 접지 임피던스의 계산은 I/Q 추정치 (

Figure pat00038
,
Figure pat00039
), 수학식 10, 수학식 11을 이용하여 전압 및 전류의 진폭과 위상을 구할 수 있고, 수학식 1과 수학식 2를 이용하여 복소 접지 임피던스를 계산할 수 있다. I/Q 값으로부터 임피던스의 계산 과정은
Figure pat00040
, 제곱근 등의 비선형 함수들을 이용해야하므로 ARM 프로세서에서 수행하는 것이 효율적이다.
The calculation of the complex ground impedance is based on the I / Q estimate (
Figure pat00038
,
Figure pat00039
), The amplitudes and phases of the voltage and current can be obtained using Equations (10) and (11), and the complex ground impedance can be calculated using Equations (1) and (2). The process of calculating the impedance from the I / Q value is
Figure pat00040
, Square root, and so on. Therefore, it is efficient to perform in ARM processor.

도 6은 ARM 프로세서에서 수행하는 임피던스 계산 과정을 나타낸 것이다.6 shows an impedance calculation process performed by the ARM processor.

Figure pat00041
,
Figure pat00042
는 각각 전압의 I, Q 추정치,
Figure pat00043
,
Figure pat00044
는 각각 전류의 I, Q 추정치를 의미한다.
Figure pat00041
,
Figure pat00042
Are the I, Q estimates of the voltage,
Figure pat00043
,
Figure pat00044
Respectively represent the I and Q estimates of the current.

상술한 접지임피던스 측정기를 이용하여 접지임피던스를 측정하는 방법은 가변 주파수 정현파 발생기를 이용하여 인가할 전압과 전류의 크기 및 주파수를 입력하는 가변 주파수 입력단계와; 입력된 조건의 전압과 전류를 AD변환기를 통해 변환하는 A/D 변환단계와; A/D로 변환된 전압 및 전류신호를 임피던스 분석 제어기로써 IQ복조 및 임피던스 계산을 수행한는 계산단계와; 계산된 값을 디스플레이 장치로 출력하는 출력단계;로 이루어지게 된다.
A method of measuring a ground impedance using the above ground impedance meter includes a variable frequency input step of inputting a magnitude and a frequency of a voltage and a current to be applied using a variable frequency sine wave generator; An A / D conversion step of converting the voltage and current of the inputted condition through an AD converter; A calculation step of performing IQ demodulation and impedance calculation by using an impedance analysis controller as a voltage and current signal converted into A / D; And outputting the calculated value to the display device.

또한, 상기 계산단계는 정현파의 Inphase성분(I성분)과 직각위상성분인 Quadrature성분(Q성분)을 검출하여 신호의 진폭과 위상을 계산한 뒤 이를 이용해 전압과 전류의 실효값(RMS)을 계산하여 고정도로 접지임피던스를 측정할 수 있다.
The calculation step calculates the amplitude and phase of the signal by detecting the Inphase component (I component) of the sine wave and the quadrature component (Q component), which is a quadrature component, and then calculates the RMS value of the voltage and the current So that the ground impedance can be measured to a high degree.

결국, 본 발명에 의한 전압과 전류의 위상각을 이용한 고정도 접지임피던스 측정방법 및 측정장치는 임의의 크기와 위상을 가지는 정현파의 Inphase성분(I성분)과 직각위상성분인 Quadrature성분(Q성분)을 검출하여 신호의 진폭과 위상을 계산한 뒤 이를 이용해 전압과 전류의 실효값(RMS)을 계산하여 측정된 접지임피던스의 신뢰성이 높은 현저한 효과가 있다.
As a result, the method and apparatus for measuring high-accuracy ground impedance using the phase angles of the voltage and current according to the present invention are characterized in that the Inphase component (I component) of a sinusoidal wave having an arbitrary size and phase and the quadrature component (Q component) (RMS) of the voltage and current is calculated using the amplitude and phase of the signal, and the measured ground impedance is highly reliable.

10; 컨트롤보드
11. 신호처리기 12. AD변환기 13. I/Q복조기
14. 디지털 변복조기 15. 수치제어발진기 16. DA변환기
17. 증폭기
20; 사용자 인터페이스
21. 버튼 22. 터치패널 23. ARM프로세서
24. LCD디스플레이 25. 상태표시등10; Control board
11. Signal processor 12. AD converter 13. I / Q demodulator
14. Digital modulator / demodulator 15. Numerical control oscillator 16. DA converter
17. Amplifier
20; User interface
21. Button 22. Touch panel 23. ARM processor
24. LCD display 25. Status indicator

Claims (4)

가변 주파수 정현파 발생기를 이용하여 인가할 전압과 전류의 크기 및 주파수를 입력하는 가변 주파수 입력단계와;
입력된 조건의 전압과 전류를 AD변환기를 통해 변환하는 A/D 변환단계와;
A/D로 변환된 전압 및 전류신호를 임피던스 분석 제어기로써 IQ복조 및 임피던스 계산을 수행한는 계산단계와;
계산된 값을 디스플레이 장치로 출력하는 출력단계;로 이루어진 것이 특징인 전압과 전류의 위상각을 이용한 고정도 접지임피던스 측정방법.
A variable frequency input step of inputting a magnitude and a frequency of a voltage and a current to be applied using a variable frequency sine wave generator;
An A / D conversion step of converting the voltage and current of the inputted condition through an AD converter;
A calculation step of performing IQ demodulation and impedance calculation by using an impedance analysis controller as a voltage and current signal converted into A / D;
And outputting the calculated value to a display device. The method of measuring a high-accuracy ground impedance using a phase angle of a voltage and a current.
제1항에 있어서,
상기 계산단계는 정현파의 Inphase성분(I성분)과 직각위상성분인 Quadrature성분(Q성분)을 검출하여 신호의 진폭과 위상을 계산한 뒤 이를 이용해 전압과 전류의 실효값(RMS)을 계산하여 고정도로 접지임피던스를 측정할 수 있는 것이 특징인 전압과 전류의 위상각을 이용한 고정도 접지임피던스 측정방법.
The method according to claim 1,
The calculation step calculates the amplitude and phase of the signal by detecting the Inphase component (I component) of the sine wave and the quadrature component (Q component), which is a quadrature component, and then calculates the RMS value of the voltage and current A method for measuring a ground impedance using a phase angle of voltage and current, characterized in that the ground impedance can be measured.
접지임피던스 측정장치에 있어서,
상기 접지 임피던스 측정장치는 60Hz ~ 1MHz 범위의 가변 주파수를 발생시키는 가변 주파수 정현파 발생기와, AD 변환된 전압 및 전류 신호를 IQ 복조 및 임피던스 계산을 수행하는 임피던스 분석 제어기와, 측정기 제어 및 CUI 기능을 수행하는 제어 및 GUI 제어기로 구성되는 것이 특징인 전압과 전류의 위상각을 이용한 고정도 접지임피던스 측정장치.
In a ground impedance measuring apparatus,
The ground impedance measuring apparatus includes a variable frequency sine wave generator for generating a variable frequency in the range of 60 Hz to 1 MHz, an impedance analyzing controller for performing IQ demodulation and impedance calculation on the AD converted voltage and current signals, And a GUI controller, which is characterized by a phase angle of voltage and current.
제3항에 있어서,
상기 접지 임피던스 측정장치는 사용자 인터페이스(20)와 컨트롤보드(10)를 포함하여 구성되되,
상기 사용자 인터페이스(20)는 버튼(21)이나 터치판넬(22)로 구성되고, 사용자의 입력에 대해 ARM프로세서(23)가 처리하며, 처리된 내용을 LCD디스플레이(24)나 상태표시등(25)을 통해 사용자에게 보여주며,
상기 컨트롤보드(10)는 정현파로부터 측정된 전압과 전류를 신호처리기(11)에서 처리하고 AD변환기(12)로 보내고, 디지털 변복조기(13)를 통해 복조한 뒤 I/Q복조기로 보내며, 수치제어발진기(NCO, 15)를 통해 DA변환기(16)로 보내고 이 신호를 증폭기(17)로 증폭한 뒤 외부로 보내게 되는 것이 특징인 전압과 전류의 위상각을 이용한 고정도 접지임피던스 측정장치.The method of claim 3,
The ground impedance measuring apparatus includes a user interface 20 and a control board 10,
The user interface 20 comprises a button 21 and a touch panel 22. The input of the user is processed by the ARM processor 23 and the processed contents are displayed on the LCD display 24 or the status indicator 25 ) To the user,
The control board 10 processes the voltage and current measured from the sinusoidal wave in the signal processor 11 and sends it to the AD converter 12, demodulates it through the digital demodulator 13 and sends it to the I / Q demodulator, (NCO) 15 to the DA converter 16, amplifies the amplified signal by the amplifier 17, and sends the amplified signal to the outside. The high-accuracy ground impedance measuring apparatus according to claim 1,
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