KR20180068883A

KR20180068883A - 독립 전원형 절연 기능을 갖는 원격단말유닛

Info

Publication number: KR20180068883A
Application number: KR1020170171440A
Authority: KR
Inventors: 유인창; 한국찬; 김지훈
Original assignee: 유호전기공업주식회사
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2018-06-22
Also published as: KR101971180B1

Abstract

독립전원형 절연 기능을 갖는 원격단말유닛(RTU, Remote Terminal Unit)에 관한 것으로, 스카다(SCADA, Supervisory Control And Data Acquisition) 시스템으로 현장설비의 상태를 나타내는 데이터 신호를 송신하거나, 스카다 시스템으로부터 현장설비를 제어하기 위한 데이터 신호를 수신하는 주처리장치(MPD, Main Processing Device), 스카다 시스템과 주처리장치 사이를 전기적으로 절연시킨 상태에서 스카다 시스템과 주처리장치 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 중계하는 절연보드, 상용전원을 주처리장치의 구동을 위한 직류 전원으로 변환하여 주처리장치에 공급하는 주전원컨버터, 및 주전원컨버터의 직류 변환 회로와는 다른 직류 변환 회로를 통하여 직류 전원을 생성하여 절연보드에 공급하는 부전원컨버터를 포함하며, 스카다 시스템으로부터 유입되는 서지로부터 스카다 시스템과 원격단말유닛 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 보호할 수 있다.

Description

독립 전원형 절연 기능을 갖는 원격단말유닛 {Remote terminal unit having independent power type insulation function}

유인 또는 무인 변전소 등에 시설되어 스카다 시스템(SCADA, Supervisory Control And Data Acquisition)으로부터 송신된 데이터 신호를 수신하여 현장설비를 제어하고, 현장설비의 상태를 나타내는 데이터 신호를 스카다 시스템으로 송신하는 원격단말유닛(RTU, Remote Terminal Unit)에 관한 것이다.

전력계통(power system)이란 전기를 생산하여 고객에게 공급하기 위해 사용되는 모든 전력설비, 즉 전력을 생산하는 발전설비, 전력을 수송하는 송변전설비, 고객에게 전기를 배분하는 배전설비 등이 유기적으로 결합된 전력시스템을 말한다. 전력 자동화 시스템(power automation system)은 대규모화되고 복잡화되고 있는 전력계통의 효율적 운영을 위하여 전기의 생산, 수송, 배분의 각 분야를 독립적이면서 유기적으로 관리하기 위한 정보통신시스템이다.

전력자동화시스템은 전력계통기술과 정보통신기술이 융합된 첨단설비로서 고품질의 전력을 안정적으로 공급하는데 크게 기여하고 있으며, 발전 계통의 에너지관리시스템(EMS, Energy Management System), 송변전 계통의 스카다 시스템(SCADA, Supervisory Control And Data Acquisition System), 배전 계통의 배전자동화시스템(DAS, Distributed Automation System)으로 구분하여 계층 구조 형태로 운영하고 있다.

송변전 계통의 스카다 시스템은 발전소, 변전소나 배전선로 등에 시설된 원격단말유닛(RTU, Remote Terminal Unit)으로부터 일반적으로 RS-232 통신망을 통해 현장설비의 상태를 나타내는 데이터를 수집하거나 원격단말유닛을 경유하여 현장설비를 제어한다. 송변전계통은 매우 높은 전압의 전력의 수송을 담당하는 반면, 원격단말유닛은 매우 낮은 전압의 데이터 신호의 전송을 담당하기 때문에 송변전 계통의 스카다 시스템으로부터 원격단말유닛 측으로 서지(surge)가 유입될 경우, 원격단말유닛에 의해 전송되는 데이터 신호가 서지에 의해 손상되어 스카다 시스템과 원격단말유닛 사이에 송수신되는 데이터에 오류가 발생할 수 있다는 문제점이 있었다.

스카다 시스템으로부터 원격단말유닛 측으로 서지가 유입되더라도 스카다 시스템과 원격단말유닛 사이에서 송수신되는 데이터 신호에 거의 영향이 없도록 함으로써 스카다 시스템과 원격단말유닛 사이에서 송수신되는 데이터의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 독립전원형 절연 기능을 갖는 원격단말유닛을 제공하는 데에 있다. 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있다.

본 발명에 따른 독립전원형 절연 기능을 갖는 원격단말유닛(RTU, Remote Terminal Unit)은 스카다(SCADA, Supervisory Control And Data Acquisition) 시스템으로 현장설비의 상태를 나타내는 데이터 신호를 송신하거나, 상기 스카다 시스템으로부터 상기 현장설비를 제어하기 위한 데이터 신호를 수신하는 주처리장치(MPD, Main Processing Device); 상기 스카다 시스템과 상기 주처리장치 사이를 전기적으로 절연시킨 상태에서 상기 스카다 시스템과 상기 주처리장치 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 중계하는 절연보드; 상용전원을 상기 주처리장치의 구동을 위한 직류 전원으로 변환하여 상기 주처리장치에 공급하는 주전원컨버터; 및 상기 주전원컨버터의 직류 변환 회로와는 다른 직류 변환 회로를 통하여 직류 전원을 생성하여 상기 절연보드에 공급하는 부전원컨버터를 포함한다.

상기 절연보드는 상기 스카다 시스템과 상기 주처리장치 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 전광 변환한 후에 상기 전광 변환된 신호를 광전 변환함으로써 상기 스카다 시스템과 상기 주처리장치 사이를 전기적으로 절연시킨 상태에서 상기 스카다 시스템과 상기 주처리장치 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 중계할 수 있다.

상기 절연보드는 상기 스카다 시스템과 상기 주처리장치 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 전광 변환한 후에 상기 전광 변환된 신호를 광전 변환하는 광절연부; 및 상기 부전원컨버터로부터 출력된 직류를 교류로 변환한 후에 서로 전기적으로 절연된 두 개의 코일간의 상호 유도(mutual induction)를 이용하여 교류를 생성하고 정류함으로써 상기 부전원컨버터와 상기 광절연부를 전기적으로 절연시킨 상태에서 상기 부전원컨버터로부터 출력된 직류 전원으로부터 상기 광절연부의 구동을 위한 직류 전원을 생성하는 전원절연부를 포함할 수 있다.

상기 절연보드는 상기 스카다 시스템으로부터 수신된 RS-232 규격의 데이터 신호를 TTL 레벨의 데이터 신호로 변환하는 232/TTL 컨버터; 상기 232/TTL 컨버터로부터 출력된 TTL 레벨의 데이터 신호를 광신호로 변환하고, 상기 변환된 광신호를 TTL 레벨의 데이터 신호로 변환하는 광절연부; 및 상기 광절연부로부터 출력된 TTL 레벨의 신호를 RS-232 규격의 데이터 신호로 변환하여 상기 주처리장치로 송신하는 TTL/232 컨버터를 포함할 수 있다.

상기 TTL/232 컨버터는 상기 주처리장치로부터 수신된 RS-232 규격의 데이터 신호를 TTL 레벨의 데이터 신호로 변환하고, 상기 광절연부는 상기 TTL/232 컨버터로부터 출력된 TTL 레벨의 데이터 신호를 광신호로 변환하고, 상기 변환된 광신호를 TTL 레벨의 데이터 신호로 변환하고, 상기 232/TTL 컨버터는 상기 광절연부로부터 출력된 TTL 레벨의 데이터 신호를 RS-232 규격의 데이터 신호로 변환하여 상기 스카다 시스템으로 송신할 수 있다.

상기 전원절연부는 상기 부전원컨버터로부터 출력된 직류를 스위칭함으로써 펄스파 교류를 발생시키는 교류 발생기; 서로 전기적으로 절연된 두 개의 코일간의 상호 유도를 이용하여 상기 교류 발생기로부터 출력된 펄스파 교류로부터 펄스파 교류를 유도하는 변압기; 및 상기 변압기로부터 출력된 펄스파 교류를 정류하는 복수 개의 다이오드를 포함할 수 있다.

스카다 시스템과 원격단말유닛의 주처리장치 사이에 스카다 시스템과 주처리장치 사이를 전기적으로 절연시킨 상태에서 스카다 시스템과 주처리장치 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 중계하는 절연보드가 삽입됨으로써 통신 선로를 타고 스카다 시스템으로부터 유입되는 서지는 스카다 시스템과 주처리장치 사이에서 송수신되는 데이터 신호에 거의 영향을 줄 수 없게 되어 스카다 시스템과 원격단말유닛 사이에서 송수신되는 데이터의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

특히, 상용전원을 주처리장치의 구동을 위한 직류 전원으로 변환하여 주처리장치에 공급하는 주전원컨버터와는 별도의 부전원컨버터에 의해 주전원컨버터의 직류 변환 회로와는 다른 직류 변환 회로를 통하여 직류 전원을 생성하여 절연보드에 공급함으로써 전력 선로를 타고 스카다 시스템으로부터 서지가 유입되더라도 절연보드의 구동 전원에 거의 영향을 줄 수 없게 되어 절연보드의 절연 기능이 정상적으로 발휘될 수 있고 절연보드에 의해 중계되는 낮은 전압의 데이터 신호의 손상을 방지할 수 있다.

즉, 주전원컨버터와는 별도의 부전원컨버터가 절연보드만의 구동에 요구되는 소량의 전력만을 생성하여 절연보드에 공급함으로써 주전원컨버터의 직류 변환 회로를 통해 유입되는 서지는 원천적으로 차단될 수 있고, 부전원컨버터의 직류 변환 회로를 통해 절연보드로 서지가 유입되더라도 부전원컨버터의 직류 변환 회로는 절연보드만의 구동에 요구되는 소량의 전력만을 생성하기 때문에 미약한 서지가 유입되어 절연보드의 구동 전원에 거의 영향을 주지 않게 되고, 절연보드에 의해 중계되는 낮은 전압의 데이터 신호의 파형은 그 데이터 신호가 나타내는 정보가 왜곡될 정도로 크게 변형되지 않게 된다.

나아가, 독립 전원형 절연 기능을 갖는 원격단말유닛은 스카다 시스템과 주처리장치 사이를 전기적으로 절연시킨 상태에서 스카다 시스템과 주처리장치 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 중계함으로써 통신 선로를 타고 스카다 시스템으로부터 유입되는 서지로부터 스카다 시스템과 원격단말유닛 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 보호함과 동시에 부전원컨버터와 광절연부를 전기적으로 절연시킨 상태에서 부전원컨버터로부터 출력된 직류 전원으로부터 광절연부의 구동을 위한 직류 전원을 생성함으로써 전력 선로를 타고 스카다 시스템으로부터 유입되는 서지로부터 스카다 시스템과 원격단말유닛 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 보호할 수 있다.

도 1은 종래의 원격단말유닛의 전원 결선부위의 사진이다.
도 2는 도 1의 확대 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격단말유닛의 전원 결선도이다.
도 4는 도 3에 도시된 전원 결선도의 확대 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 본 발명의 실시예들은 스카다 시스템으로부터 원격단말유닛 측으로 서지가 유입되더라도 스카다 시스템과 원격단말유닛 사이에서 송수신되는 데이터 신호에 거의 영향이 없도록 함으로써 스카다 시스템과 원격단말유닛 사이에서 송수신되는 데이터의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 독립전원형 절연 기능을 갖는 원격단말유닛(RTU, Remote Terminal Unit)에 관한 것으로, 이러한 원격단말유닛을 간략하게 "원격단말유닛"으로 호칭할 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격단말유닛(100)의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 원격단말유닛(100)은 주처리장치(MPD, Main Processing Device)(10), 현장처리장치(FPD, Field Processing Device)(20), 지능형 계측장치(IAPD, Intelligent Analog Processing Device)(30), 절연보드(40), 주전원컨버터(50), 및 부전원컨버터(60)로 구성된다. 본 실시예에 따른 원격단말유닛(100)은 상기된 구성 요소 외에 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 원격단말유닛(100)은 통신 이중화를 위해 상기된 주처리장치(10) 외에 예비용 주처리장치를 더 포함할 수 있고, GPS(Global Positioning System)로부터 표준시간을 수신하여, 이것을 기준으로 원격단말유닛(100)을 구성하는 모든 장치의 시간을 동기화시키는 GPS 수신기를 더 포함할 수도 있다.

주처리장치(10)는 스카다 시스템(200)과 현장처리장치(20)간의 통신과 스카다 시스템(200)과 지능형 계측장치(30)간 통신을 관장하는 역할을 담당하며, 스카다 시스템(200)과 현장처리장치(20)간에 송수신되는 데이터 신호와 스카다 시스템(200)과 지능형 계측장치(30)간에 송수신되는 데이터 신호를 처리한다. 즉, 주처리장치(10)는 현장처리장치(20)와 지능형 계측장치(30) 중 적어도 하나로부터 현장설비(300)의 상태를 나타내는 데이터 신호를 수신하고 스카다 시스템(200)으로 현장설비(300)의 상태를 나타내는 데이터 신호를 송신하거나, 스카다 시스템(200)으로부터 현장설비(300)를 제어하기 위한 데이터 신호를 수신하고 현장처리장치(20)로 현장설비(300)를 제어하기 위한 데이터 신호를 송신한다.

도 1을 참조하면, 주처리장치(10)는 스카다 시스템(200)의 데이터 규격에 맞게 현장처리장치(20)와 지능형 계측장치(30) 중 적어도 하나로부터 수신된 데이터 신호를 변환하거나 현장처리장치(20) 또는 지능형 계측장치(30)의 데이터 규격에 맞게 스카다 시스템(200)으로부터 수신된 데이터 신호를 변환하는 모뎀, 상위의 다양한 호스트와의 통신 인터페이스 역할을 담당하며 RS-232 통신, RS-485 통신 등 직렬 통신을 수행하는 SIO(Serial Input Output Communication), 원격단말유닛의 모든 기능을 통제하고 관리하는 MPU(Main Processor Unit), 및 주처리장치(10)의 통신을 제어하고 통신 오류를 복구하는 CCU(Communication Control Unit)로 구성된다. 이와 같은 주처리장치(10)의 구성 요소는 본 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 주지된 바와 같이 캐비닛 하우징 내에 서브랙(subrack) 구조로 설치되며 다른 구성 요소가 추가될 수 있다. 본 실시예의 특징이 흐려짐을 방지하기 위해 이것에 대한 보다 자세한 설명은 생략하기로 한다.

현장처리장치(20)는 현장설비(300)를 감시하고 제어하는 역할을 담당한다. 보다 상세하게 설명하면, 현장처리장치(20)는 현장설비(300)를 모니터링하면서 현장설비(300)의 상태를 나타내는 데이터 신호를 주처리장치(10)로 송신한다. 또한, 현장처리장치(20)는 주처리장치(10)로부터 현장설비(300)를 제어하기 위한 데이터 신호를 수신하고, 그 데이터 신호에 따라 현장설비(300)를 제어한다. 현장설비(300)가 어떤 차단기를 포함하는 경우를 예를 들면, 현장처리장치(20)가 차단기의 이상 상태를 나타내는 데이터 신호를 주처리장치(10)로 송신하였다면, 그 후에 현장처리장치(20)는 주처리장치(10)로부터 차단기의 트립(trip)을 지시하는 데이터 신호를 수신할 수 있다. 이 경우, 현장처리장치(20)는 차단기의 트립을 지시하는 데이터 신호에 따라 차단기를 트립시킨다.

도 1을 참조하면, 현장처리장치(20)는 현장설비(300)의 감시 제어를 처리하는 CPU(Central Processor Unit), 차단기의 개폐 상태, 계전기의 접점 상태 등 현장설비(300)의 디지털 상태 값을 나타내는 데이터 신호를 수신하는 3 개의 DIM(Digital Input Module), 차단기의 트립/클로즈 등 현장설비(300)의 제어 값을 나타내는 데이터 신호를 출력하는 3 개의 DOM(Digital Output Module), 및 주처리장치(10)로부터 데이터 신호를 수신하거나 주처리장치(10)로 데이터 신호를 송신하기 위해 VME(Versa Module Eurocard) 방식으로 주처리장치(10)와 통신하는 VME 버스로 구성된다. 이와 같은 현장처리장치(20)의 구성 요소는 본 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 주지된 바와 같이 캐비닛 하우징 내에 서브랙구조로 설치되며 다른 구성 요소가 추가될 수 있다. 본 실시예의 특징이 흐려짐을 방지하기 위해 이것에 대한 보다 자세한 설명은 생략하기로 한다.

지능형 계측장치(30)는 현장설비(300)의 상태를 계측하는 역할을 담당한다. 보다 상세하게 설명하면, 지능형 계측장치(30)는 현장설비(300)의 CT(Current Transformer)와 PT(Potential Transformer)의 출력 값으로부터 현장설비(300)의 전압, 전류, 유효 전력, 무효 전력, 주파수 역률, 전력량 등 아날로그 상태 값을 계측하고, 이와 같이 계측된 현장설비(300)의 아날로그 상태 값을 나타내는 데이터 신호를 주처리장치(10)로 송신한다.

도 1을 참조하면, 지능형 계측장치(30)는 현장설비(300)의 계측을 처리하는 CPU, 현장설비(300)의 전압, 전류로부터 유효 전력, 무효 전력, 주파수 역률, 전력량을 연산하는 4 개의 MMU(Multi Measurement Unit), 현장설비(300)의 CT와 PT의 출력 값 등 현장설비(300)의 아날로그 상태 값을 수신하여 디지털 상태 값을 나타내는 데이터 신호로 변환하는 AIU(Analog Input Unit), 및 주처리장치(10)로 데이터 신호를 송신하기 위해 VME(Versa Module Eurocard) 방식으로 주처리장치(10)와 통신하는 VME 버스로 구성된다. 이와 같은 지능형 계측장치(30)의 구성 요소는 본 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 주지된 바와 같이 캐비닛 하우징 내에 서브랙구조로 설치되며 다른 구성 요소가 추가될 수 있다. 본 실시예의 특징이 흐려짐을 방지하기 위해 이것에 대한 보다 자세한 설명은 생략하기로 한다.

절연보드(40)는 스카다 시스템(200)과 주처리장치(10) 사이를 전기적으로 절연시킨 상태에서 스카다 시스템(200)과 주처리장치(10) 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 중계한다. 보다 상세하게 설명하면, 절연보드(40)는 스카다 시스템(200)과 주처리장치(10) 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 전광 변환한 후에 전광 변환된 신호를 광전 변환함으로써 스카다 시스템(200)과 주처리장치(10) 사이를 전기적으로 절연시킨 상태에서 스카다 시스템과 주처리장치(10) 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 중계할 수 있다. 절연보드(40)로 서지가 유입되면, 스카다 시스템(200)과 주처리장치(10) 사이에서 송수신되는 데이터 신호의 파형이 순간적으로 솟아오르는 형태로 나타나는데, 데이터 신호를 전광 변환한 후에 전광 변환된 신호를 광전 변환하는 과정에서 데이터 신호가 순간적으로 전압이 상승되더라도 데이터 신호의 다른 구간과 동일한 일정 전압으로 변환되기 때문에 통신 선로를 타고 스카다 시스템(200)으로부터 유입되는 서지는 데이터 신호에 거의 영향을 줄 수 없게 된다. 그 결과, 스카다 시스템(200)으로부터 유입되는 서지로 인한 스카다 시스템(200)과 원격단말유닛(100) 사이에서 송수신되는 데이터의 오류가 감소되어 데이터 신뢰도가 향상될 수 있다.

매우 높은 전압의 전력을 수송하는 송변전 계통에서 발생된 서지가 스카다 시스템(200)을 통해 원격단말유닛(100)으로 넘어올 경우, 원격단말유닛(100)에 의해 처리되는 현장설비(300)의 감시, 제어, 및 계측에 관한 데이터 신호는 3.3V 또는 5V의 매우 낮은 전압을 갖기 때문에 이러한 서지에 매우 취약하다. 이에 따라, 본 실시예에서는 스카다 시스템(200)과 주처리장치(10) 사이를 전기적으로 절연시킨 상태에서 스카다 시스템(200)과 주처리장치(10) 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 중계하는 절연보드(40)를 스카다 시스템(200)과 주처리장치(10) 사이에 삽입함으로써 스카다 시스템(200)을 통해 유입되는 서지로부터 스카다 시스템(200)과 주처리장치(10) 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 보호할 수 있다.

주전원컨버터(50)는 상용전원(400)을 주처리장치(10), 현장처리장치(20), 및 지능형 계측장치(30)의 구동을 위한 직류 전원으로 변환하여 주처리장치(10), 현장처리장치(20), 및 지능형 계측장치(30)에 공급한다. 상용전원(400)은 교류 전원이므로, 주전원컨버터(50)의 직류 변환 회로는 교류를 직류를 변환하는 일종의 정류 회로(미도시)라고 할 수 있다. 부전원컨버터(60)는 주전원컨버터(50)의 직류 변환 회로와는 다른 직류 변환 회로를 통하여 직류 전원을 생성하여 절연보드(40)에 공급한다. 상술한 바와 같이, 절연보드(40)가 스카다 시스템(200)과 주처리장치(10) 사이를 전기적으로 절연시킨 상태에서 스카다 시스템(200)과 주처리장치(10) 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 중계하더라도 데이터 신호를 수송하는 통신 선로 외에 전원을 공급하는 전력 선로를 타고 서지가 원격단말유닛(100)으로 넘어올 수 있다.

주처리장치(10), 현장처리장치(20), 및 지능형 계측장치(30)의 구동에는 절연보드(40)의 구동에 비해 매우 많은 양의 전력이 요구된다. 만약, 하나의 전원컨버터만을 사용하여 주처리장치(10), 현장처리장치(20), 지능형 계측장치(30), 및 절연보드(40)에 전원을 공급한다면 주처리장치(10), 현장처리장치(20), 지능형 계측장치(30), 및 절연보드(40) 전체를 구동하기 위한 대량 전력을 생성하는 직류 변환 회로가 요구된다. 이러한 직류 변환 회로를 통해 절연보드(40)로 유입된 서지는 절연보드(40)에 의해 중계되는 3.3V 또는 5V의 데이터 신호의 파형을 심각하게 변형시키게 된다. 예를 들어, 이러한 서지에 의한 데이터 신호의 손상으로 인해 주처리장치(10)의 RS-232 포트, RS-485 포트 등에서 3.3V 또는 5V의 데이터 신호가 접지되는 현상이 발생할 수 있다.

이에 따라, 본 실시예에서는 주전원컨버터(50)와는 별도의 부전원컨버터(60)에 의해 주전원컨버터(50)의 직류 변환 회로와는 다른 직류 변환 회로를 통하여 직류 전원을 생성하여 절연보드(40)에 공급함으로써 전력 선로를 타고 스카다 시스템(200)으로부터 서지가 유입되더라도 절연보드(40)의 구동 전원에 거의 영향을 줄 수 없게 되어 절연보드(40)의 절연 기능이 정상적으로 발휘될 수 있고 절연보드(40)에 의해 중계되는 낮은 전압의 데이터 신호의 손상을 방지할 수 있다.

즉, 주전원컨버터(50)와는 별도의 부전원컨버터(60)가 절연보드(40)만의 구동에 요구되는 소량의 전력만을 생성하여 절연보드(40)에 공급함으로써 주전원컨버터(50)의 직류 변환 회로를 통해 유입되는 서지는 원천적으로 차단될 수 있고, 부전원컨버터(60)의 직류 변환 회로를 통해 절연보드(40)로 서지가 유입되더라도 부전원컨버터(60)의 직류 변환 회로는 절연보드(40)만의 구동에 요구되는 소량의 전력만을 생성하기 때문에 미약한 서지가 유입되어 절연보드(40)의 구동 전원에 거의 영향을 주지 않게 되고, 절연보드(40)에 의해 중계되는 3.3V 또는 5V의 데이터 신호의 파형은 그 데이터 신호가 나타내는 정보가 왜곡될 정도로 크게 변형되지 않게 된다.

예를 들어, 부전원컨버터(60)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상용전원(400)을 절연보드(40)의 구동을 위한 직류 전원으로 변환하여 주처리장치(10)에 공급할 수 있다. 주전원컨버터(50)가 상용전원(400)을 직류 전원으로 변환하는 정류 회로와 정류 회로로부터 출력된 직류 전원을 강압함으로써 주처리장치(10), 현장처리장치(20), 및 지능형 계측장치(30)의 구동을 위한 직류 전원으로 변환하는 DC-DC 컨버터(미도시)로 구성된 경우, 부전원컨버터(60)는 주전원컨버터(50)의 정류 회로로부터 출력된 직류 전원을 강압함으로써 절연보드(40)의 구동을 위한 직류 전원으로 변환하여 절연보드(40)에 공급할 수도 있다. 예를 들어, 주전원컨버터(50)가 220V의 교류 전원인 상용전원(400)을 125V의 직류 전원으로 변환하는 정류 회로와 정류 회로로부터 출력된 125V의 직류 전원을 주처리장치(10), 현장처리장치(20), 및 지능형 계측장치(30)의 구동을 위한 5V의 직류 전원으로 변환하는 DC-DC 컨버터로 구성된 경우, 부전원컨버터(60)는 주전원컨버터(50)의 정류 회로로부터 출력된 125V의 직류 전원을 절연보드(40)의 구동을 위한 5V의 직류 전원으로 변환하여 절연보드(40)에 공급할 수도 있다.

도 2는 도 1에 도시된 절연보드(40)의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 절연보드(40)는 광절연부(41), 전원절연부(42), 한 쌍의 232 포트(431, 432), 232/TTL 컨버터(44), TTL/232 컨버터(45), 485 포트(46), 및 TTL/485 컨버터(47)로 구성된다. 일반적으로, 현장설비(300)는 여러 전력설비로 구성되는데, 각 전력설비는 그것의 제품 규격에 따라 현장처리장치(20), 지능형 계측장치(30)와 RS(Recommended Standard)-232 방식으로 통신할 수도 있고, RS-485 방식으로 통신할 수도 있다. 이에 따라, 주처리장치(10)는 현장처리장치(20), 지능형 계측장치(30)와 RS-232 방식으로 통신할 수도 있고, RS-485 방식으로 통신할 수도 있다. 본 실시예에서 주처리장치(10)는 스카다 시스템(200)과 RS-232 방식으로 통신한다.

광절연부(41)는 스카다 시스템(200)과 주처리장치(10) 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 전광 변환한 후에 전광 변환된 신호를 광전 변환한다. 전원절연부(42)는 부전원컨버터(60)로부터 출력된 직류를 교류로 변환한 후에 서로 전기적으로 절연된 두 개의 코일간의 상호 유도(mutual induction)를 이용하여 교류를 생성하고 정류함으로써 부전원컨버터(60)와 광절연부(41), 232/TTL 컨버터(44), TTL/232 컨버터(45), TTL/485 컨버터(47)를 전기적으로 절연시킨 상태에서 부전원컨버터(60)로부터 출력된 직류 전원으로부터 광절연부(41), 232/TTL 컨버터(44), TTL/232 컨버터(45), TTL/485 컨버터(47)의 구동을 위한 직류 전원을 생성한다.

이와 같이, 본 실시예는 스카다 시스템(200)과 주처리장치(10) 사이를 전기적으로 절연시킨 상태에서 스카다 시스템(200)과 주처리장치(10) 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 중계함으로써 통신 선로를 타고 스카다 시스템(200)으로부터 유입되는 서지로부터 스카다 시스템(200)과 원격단말유닛(100) 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 보호함과 동시에 부전원컨버터(60)와 광절연부(41), 232/TTL 컨버터(44), TTL/232 컨버터(45), TTL/485 컨버터(47)를 전기적으로 절연시킨 상태에서 부전원컨버터(60)로부터 출력된 직류 전원으로부터 광절연부(41), 232/TTL 컨버터(44), TTL/232 컨버터(45), TTL/485 컨버터(47)의 구동을 위한 직류 전원을 생성함으로써 전력 선로를 타고 스카다 시스템(200)으로부터 유입되는 서지로부터 스카다 시스템(200)과 원격단말유닛(100) 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 보호할 수 있다.

상술한 바와 같이, 주전원컨버터(50)와는 별도의 부전원컨버터(60)가 절연보드(40)만의 구동에 요구되는 소량의 전력만을 생성하여 절연보드(40)에 공급함으로써 주전원컨버터(50)의 직류 변환 회로를 통해 유입되는 서지는 원천적으로 차단될 수 있으나, 부전원컨버터(60)의 직류 변환 회로를 통해 절연보드(40)로 서지가 유입될 수 있다. 전원절연부(42)는 부전원컨버터(60)와 광절연부(41), 232/TTL 컨버터(44), TTL/232 컨버터(45), TTL/485 컨버터(47)를 전기적으로 절연시킨 상태에서 부전원컨버터(60)로부터 출력된 직류 전원으로부터 광절연부(41), 232/TTL 컨버터(44), TTL/232 컨버터(45), TTL/485 컨버터(47)의 구동을 위한 직류 전원을 생성하기 때문에 부전원컨버터(60)의 직류 변환 회로를 통해 절연보드(40)로 서지가 유입되더라도 직류 파형이 순간적으로 솟아오르는 형태의 서지는 이러한 직류 파형이 교류 파형으로 변환되는 과정에서 사라지게 된다.

이와 같이, 부전원컨버터(60)의 직류 변환 회로를 통해 절연보드(40)로 유입되는 서지는 전원절연부(42)에서 직류 파형이 교류 파형으로 변환되는 과정에서 사라지기 때문에 전력 선로를 타고 스카다 시스템(200)으로부터 유입되는 서지는 데이터 신호에 거의 영향을 줄 수 없게 된다. 스카다 시스템(200)으로부터 유입되는 서지가 매우 큰 경우, 전원절연부(42)가 손상될 수 있으나 전원절연부(42)는 소량의 전력을 생산하는 부전원컨버터(60)로부터만 전원을 공급받기 때문에 전원절연부(42)를 손상시킬 만큼의 서지는 전원절연부(42)로 유입될 수 없다.

232/TTL 컨버터(44)는 한 쌍의 232 포트(431, 432) 중 스카다 시스템(200) 측의 통신 선로에 연결된 232 포트(431)를 통해 스카다 시스템(200)으로부터 수신된 RS-232 규격의 데이터 신호를 TTL(Transistor Transistor Logic) 레벨의 데이터 신호로 변환한다. 여기에서, 스카다 시스템(200)으로부터 수신된 RS-232 규격의 데이터 신호는 현장설비(300)를 제어하기 위한 데이터 신호이다. 광절연부(41)는 232/TTL 컨버터(44)로부터 출력된 TTL 레벨의 신호를 광신호로 변환하고, 이와 같이 변환된 광신호를 TTL 레벨의 신호로 변환한다. TTL/232 컨버터(45)는 광절연부(41)로부터 출력된 TTL 레벨의 신호를 RS-232 규격의 데이터 신호로 변환하여 한 쌍의 232 포트(431, 432) 중 주처리장치(10) 측의 통신 선로에 연결된 232 포트(432)를 통해 주처리장치(10)로 송신한다.

다이오드, 트랜지스터, 포토커플러 등 대부분의 전자소자는 3.3V 또는 5V의 TTL 레벨에서 정상적으로 동작되도록 제작된다. 선로의 길이가 길어질수록 선로의 저항 성분이 커지게 된다. RS-232 또는 RS-485 규격의 데이터 신호가 이러한 TTL 레벨을 갖는다면, 매우 긴 길이의 통신 선로를 통과하는 과정에서 데이터 신호의 크기가 매우 미약해짐에 따라 통신에 오류가 발생할 수 있다. 이에 따라, RS-232 또는 RS-485 규격의 데이터 신호의 전압은 통신 오류를 방지하기 위해 TTL 레벨의 몇 배의 크기를 갖는다. 232/TTL 컨버터(44)와 TTL/232 컨버터(45)는 포토커플러 등으로 구성되는 광절연부(41)에 의해 RS-232 규격의 데이터 신호가 TTL 레벨의 데이터 신호로서 처리될 수 있도록 RS-232 규격의 데이터 신호와 TTL 레벨의 데이터 신호를 상호 변환하는 역할을 한다.

TTL/232 컨버터(45)는 한 쌍의 232 포트(431, 432) 중 주처리장치(10) 측의 통신 선로에 연결된 232 포트(432)를 통해 주처리장치(10)로부터 수신된 RS-232 규격의 데이터 신호를 TTL 레벨의 데이터 신호로 변환한다. 광절연부(41)는 TTL/232 컨버터(45)로부터 출력된 TTL 레벨의 데이터 신호를 광신호로 변환하고, 이와 같이 변환된 광신호를 TTL 레벨의 데이터 신호로 변환한다. 232/TTL 컨버터(44)는 광절연부(41)로부터 출력된 TTL 레벨의 데이터 신호를 RS-232 규격의 데이터 신호로 변환하여 한 쌍의 232 포트(431, 432) 중 스카다 시스템(200) 측의 통신 선로에 연결된 232 포트(431)를 통해 스카다 시스템(200)으로 송신한다.

TTL/485 컨버터(45)는 광절연부(41)로부터 출력된 TTL 레벨의 데이터 신호를 RS-485 규격의 데이터 신호로 변환하여 주처리장치(10) 측의 통신 선로에 연결된 485 포트(46)를 통해 주처리장치(10)로 송신한다. TTL/485 컨버터(45)는 주처리장치(10) 측의 통신 선로에 연결된 485 포트(46)를 통해 주처리장치(10)로부터 수신된 RS-485 규격의 데이터 신호를 TTL 레벨의 데이터 신호로 변환한다. 광절연부(41)는 TTL/485 컨버터(45)로부터 출력된 TTL 레벨의 데이터 신호를 광신호로 변환하고, 이와 같이 변환된 광신호를 TTL 레벨의 데이터 신호로 변환한다. TTL/485 컨버터(45)는 포토커플러 등으로 구성되는 광절연부(41)에 의해 RS-485 규격의 데이터 신호가 TTL 레벨의 데이터 신호로서 처리될 수 있도록 RS-485 규격의 데이터 신호와 TTL 레벨의 데이터 신호를 상호 변환하는 역할을 한다.

본 실시예에 따르면, 현장설비(300) 중 일부가 RS-485 방식으로 통신하는 경우에 주처리장치(10)로부터 수신된 RS-485 규격의 데이터 신호, 즉 현장설비(300)의 상태를 나타내는 RS-485 규격의 데이터 신호는 TTL/485 컨버터(45), 광절연부(41), 232/TTL 컨버터(44)를 통과하면서 RS-232 규격의 데이터 신호로 변환되어 스카다 시스템(200)에 제공되고, 스카다 시스템(200)으로부터 수신된 RS-232 규격의 데이터 신호, 즉 현장설비(300)를 제어하기 위한 RS-232 규격의 데이터 신호는 232/TTL 컨버터(44), 광절연부(41), TTL/485 컨버터(45)를 통과하면서 RS-485 규격의 데이터 신호로 변환되어 주처리장치(10)에 제공된다. 이와 같이, 본 실시예에서는 스카다 시스템(200)과 절연보드(40) 사이에는 RS-232의 통신 선로만 구축되어 있으면 현장의 여러 전력설비가 RS-232, RS-485 등 다양한 방식으로 스카다 시스템(200)과 통신할 수 있기 때문에 스카다 시스템(200)과 절연보드(40) 사이의 통신 회선 비용을 절감할 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 광절연부(41)의 회로도이다. 도 3을 참조하면, 광절연부(41)는 제 1 포토커플러(411), 제 1 바이패스 커패시터(412), 제 2 포토커플러(413), 및 제 2 바이패스 커패시터(414)로 구성된다. 제 1 포토커플러(411)는 232/TTL 컨버터(44)로부터 출력된 TTL 레벨의 신호를 광신호로 변환하고, 이와 같이 변환된 광신호를 TTL 레벨의 신호로 변환한다. 제 1 바이패스 커패시터(412)는 제 1 포토커플러(411)로부터 출력된 TTL 레벨의 신호로부터 고주파 노이즈를 제거한다. 제 2 포토커플러(413)는 TTL/232 컨버터(45)로부터 출력된 TTL 레벨의 데이터 신호를 광신호로 변환하고, 이와 같이 변환된 광신호를 TTL 레벨의 데이터 신호로 변환한다. 제 2 바이패스 커패시터(414)는 제 2 포토커플러(413)로부터 출력된 TTL 레벨의 신호로부터 고주파 노이즈를 제거한다. 본 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 광절연부(41)의 절연 효과 및 출력 값의 품질을 향상시키기 위해 도 3에 도시된 회로도에 다양한 전자소자가 추가될 수 있음을 이해할 수 있다.

도 4는 도 2에 도시된 전원절연부(42)의 회로도이다. 도 4를 참조하면, 전원절연부(42)는 오실레이터(421), 교류 발생기(422), 변압기(423), 두 개의 다이오드(424, 425), 및 바이패스 커패시터(426)로 구성된다. 오실레이터(421)는 일정한 주파수의 신호를 발생시킨다. 교류 발생기(422)는 오실레이터(421)에서 생성된 신호의 주파수로 부전원컨버터(60)로부터 출력된 직류를 스위칭함으로써 오실레이터(421)에서 생성된 신호의 주파수를 갖는 펄스파 교류를 발생시킨다. 예를 들어, 오실레이터(421)는 400 KHz의 신호를 발생시키고, 교류 발생기(422)는 오실레이터(421)로부터 출력된 신호의 400 KHz의 주파수로 부전원컨버터(60)로부터 출력된 직류를 스위칭함으로써 400 KHz의 펄스파 교류를 발생시킬 수 있다.

변압기(423)는 서로 전기적으로 절연된 두 개의 코일간의 상호 유도를 이용하여 교류 발생기(422)로부터 출력된 펄스파 교류로부터 펄스파 교류를 유도한다. 변압기(423)의 1차 코일의 두 개의 입력단 중 어느 하나의 입력단과 중간탭 사이와 다른 하나의 입력단과 중간탭 사이에는 교대로 교류 발생기(422)에 의해 생성된 펄스파 교류가 인가된다. 이에 따라, 변압기(423)의 2차 코일의 두 개의 출력단 중 어느 하나의 출력단과 중간탭 사이와 다른 하나의 출력단과 중간탭 사이에는 교대로 펄스파 교류가 유도된다.

두 개의 다이오드(424, 425)는 변압기(423)로부터 출력된 펄스파 교류를 정류한다. 두 개의 다이오드(424, 425) 각각의 애노드는 변압기(423)의 2차 코일의 두 개의 출력단 각각에 연결되고, 두 개의 다이오드(424, 425)의 캐소드는 서로 연결된다. 이에 따라, 변압기(423)의 2차 코일의 두 개의 출력단 중 어느 하나의 출력단과 중간탭 사이와 다른 하나의 출력단과 중간탭 사이에 교대로 유도되는 펄스파 교류는 두 개의 다이오드(424, 425)에 의해 정류되고, 두 개의 다이오드(424, 425)의 캐소드의 연결점과 변압기(423)의 2차 코일의 중간탭 사이에서 직류가 출력된다. 바이패스 커패시터(426)는 두 개의 다이오드(424, 425)의 캐소드의 연결점과 변압기(423)의 2차 코일의 중간탭 사이에서 출력된 직류로부터 고주파 노이즈를 제거한다.

본 실시예는 1차 코일과 2차 코일 각각에 중간탭을 갖는 변압기와 변압기(423)의 2차 코일의 2 개의 출력단에 연결된 두 개의 다이오드에 의해 부전원컨버터(60)와 광절연부(41)를 전기적으로 절연시키면서도 반파 정류가 아닌 전파 정류를 통해 우수한 품질의 직류 전원을 절연보드(40)에 공급할 수 있다. 본 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 전원절연부(42)의 절연 효과 및 출력 값의 품질을 향상시키기 위해 도 4에 도시된 회로도에 다양한 전자소자가 추가될 수 있음을 이해할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명을 실시예들을 통하여 구체적으로 설명하였으나 이는 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니며 단지 본 발명을 예증하기 위한 것이다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있다. 따라서, 상술한 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 ... 원격단말유닛
10 ... 주처리장치
20 ... 현장처리장치
30 ... 지능형 계측장치
40 ... 절연보드
41 ... 광절연부
411, 413 ... 포토커플러
412, 414 ... 바이패스 커패시터
42 ... 전원절연부
421 ... 오실레이터 422 ... 교류 발생기
423 ... 변압기 424, 425 .... 다이오드
426 ... 바이패스 커패시터
431, 432 ... 232 포트
44 ... 232/TTL 컨버터 45 ... TTL/232 컨버터
46 ... 485 포트 47 ... TTL/485 컨버터
50 ... 주전원컨버터
60 ... 부전원컨버터
200 ... 스카다 시스템
300 ... 현장설비
400 ... 상용전원

Claims

독립전원형 절연 기능을 갖는 원격단말유닛(RTU, Remote Terminal Unit)에 있어서,
스카다(SCADA, Supervisory Control And Data Acquisition) 시스템으로 현장설비의 상태를 나타내는 데이터 신호를 송신하거나, 상기 스카다 시스템으로부터 상기 현장설비를 제어하기 위한 데이터 신호를 수신하는 주처리장치(MPD, Main Processing Device);
상기 스카다 시스템과 상기 주처리장치 사이를 전기적으로 절연시킨 상태에서 상기 스카다 시스템과 상기 주처리장치 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 중계하는 절연보드;
상용전원을 상기 주처리장치의 구동을 위한 직류 전원으로 변환하여 상기 주처리장치에 공급하는 주전원컨버터; 및
상기 주전원컨버터의 직류 변환 회로와는 다른 직류 변환 회로를 통하여 직류 전원을 생성하여 상기 절연보드에 공급하는 부전원컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격단말유닛.
제 1 항에 있어서,
상기 절연보드는 상기 스카다 시스템과 상기 주처리장치 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 전광 변환한 후에 상기 전광 변환된 신호를 광전 변환함으로써 상기 스카다 시스템과 상기 주처리장치 사이를 전기적으로 절연시킨 상태에서 상기 스카다 시스템과 상기 주처리장치 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 중계하는 것을 특징으로 하는 원격단말유닛.
제 2 항에 있어서,
상기 절연보드는
상기 스카다 시스템과 상기 주처리장치 사이에서 송수신되는 데이터 신호를 전광 변환한 후에 상기 전광 변환된 신호를 광전 변환하는 광절연부; 및
상기 부전원컨버터로부터 출력된 직류를 교류로 변환한 후에 서로 전기적으로 절연된 두 개의 코일간의 상호 유도(mutual induction)를 이용하여 교류를 생성하고 정류함으로써 상기 부전원컨버터와 상기 광절연부를 전기적으로 절연시킨 상태에서 상기 부전원컨버터로부터 출력된 직류 전원으로부터 상기 광절연부의 구동을 위한 직류 전원을 생성하는 전원절연부를 포함하는 원격단말유닛.
제 2 항에 있어서,
상기 절연보드는
상기 스카다 시스템으로부터 수신된 RS-232 규격의 데이터 신호를 TTL 레벨의 데이터 신호로 변환하는 232/TTL 컨버터;
상기 232/TTL 컨버터로부터 출력된 TTL 레벨의 데이터 신호를 광신호로 변환하고, 상기 변환된 광신호를 TTL 레벨의 데이터 신호로 변환하는 광절연부; 및
상기 광절연부로부터 출력된 TTL 레벨의 신호를 RS-232 규격의 데이터 신호로 변환하여 상기 주처리장치로 송신하는 TTL/232 컨버터를 포함하는 원격단말유닛.
제 4 항에 있어서,
상기 TTL/232 컨버터는 상기 주처리장치로부터 수신된 RS-232 규격의 데이터 신호를 TTL 레벨의 데이터 신호로 변환하고,
상기 광절연부는 상기 TTL/232 컨버터로부터 출력된 TTL 레벨의 데이터 신호를 광신호로 변환하고, 상기 변환된 광신호를 TTL 레벨의 데이터 신호로 변환하고,
상기 232/TTL 컨버터는 상기 광절연부로부터 출력된 TTL 레벨의 데이터 신호를 RS-232 규격의 데이터 신호로 변환하여 상기 스카다 시스템으로 송신하는 원격단말유닛.
제 2 항에 있어서,
상기 전원절연부는
상기 부전원컨버터로부터 출력된 직류를 스위칭함으로써 펄스파 교류를 발생시키는 교류 발생기;
서로 전기적으로 절연된 두 개의 코일간의 상호 유도를 이용하여 상기 교류 발생기로부터 출력된 펄스파 교류로부터 펄스파 교류를 유도하는 변압기; 및
상기 변압기로부터 출력된 펄스파 교류를 정류하는 복수 개의 다이오드를 포함하는 원격단말유닛.