KR20180131272A

KR20180131272A - 단계별 서지 및 노이즈 차단을 구현하는 데이터집중장치

Info

Publication number: KR20180131272A
Application number: KR1020170068046A
Authority: KR
Inventors: 정준홍; 김광영; 이정옥
Original assignee: 한전케이디엔주식회사
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2018-12-10

Abstract

본 발명의 단계별 서지 및 노이즈 차단을 구현하는 데이터집중장치는, 변대주의 접지 또는 저압 배전선로를 통해 데이터집중장치로 유입되는 서지 및 노이즈를 단계적으로 차단하기 위한 서지 및 노이즈 차단모듈을 상기 데이터집중장치의 전원부에 포함하는 구성을 제공함에 기술적 특징이 있다.

Description

단계별 서지 및 노이즈 차단을 구현하는 데이터집중장치{DATA CONCENTRATION UNIT THAT IMPLEMENTS MULTI-STEP SURGE AND NOISE PROTECTION}

본 발명은 단계별 서지 및 노이즈 차단을 구현하는 데이터집중장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변대주의 접지 또는 저압 배전선로를 통해 상기 데이터집중장치로 유입되는 서지(surge)나 노이즈(noise)를 단계적으로 차단하기 위한 서지 및 노이즈 차단모듈을 상기 데이터집중장치 전원부에 포함하는 방법을 제공함으로써, 다단으로 구성된 방벽을 통해 보다 효과적으로 서지나 노이즈의 유입을 차단할 있고, 종래 3상 전원부를 대체하는 단상 전원부를 사용함으로 인해 원가를 절감함과 동시에 고장 발생요소도 줄일 수 있는, 단계별 서지 및 노이즈 차단을 구현하는 데이터집중장치에 관한 것이다.

지능형 전력계량 인프라(Advanced Metering Infrastructure, AMI) 구축을 위한 핵심설비로는, 수용가 측에 설치되는 스마트 미터와 통신모뎀, 수용가 인근 변대주에 설치되는 데이터집중장치(Data Concentration Unit, DCU), 원격지의 운영시스템인 AMI 서버 및 계량데이터 관리시스템(Meter Data Management System, MDMS) 등이 있다.

이중에서 가장 중요한 설비는 데이터집중장치(DCU)로써, 수용가의 스마트 미터에 저장된 각종 전력정보를 주기적으로 수집하여 원격지의 AMI 서버시스템으로 전송하는 기능을 수행한다.

수용가 인근의 변대주에는 22.9kV의 특고압 배전선로, 수 십 ~ 수 백 kVA에 달하는 고용량 배전변압기, 저압 배전선로, 통신선로 등이 복잡하게 설치되어 있다.

이러한 환경적인 특수성 때문에, 상기 변대주에 부설되어 24시간 동작하는 데이터집중장치(DCU)는 일반적인 전기전자 제품보다 월등히 높은 수준의 직간접적인 서지나 노이즈 원(source)에 노출되어 있다.

또한, 지구 온난화로 인해 우리나라 기후가 점차 아열대성으로 변하면서 서지를 유발하는 번개나 낙뢰의 발생빈도가 급증하고 있고, 3상 4선식(이하 '3P4W'라 표기함) 다중접지를 채택하고 있는 우리나라 배전방식의 특성상 변대주의 접지를 따라 상기 서지가 데이터집중장치(DCU)로 역으로 유입될 수 있다.

아울러, 수용가 측에서 발생하는 서지나 노이즈가 저압 배전선로, 변압기 2차측 인하선, 프로브(probe)를 거쳐 데이터집중장치(DCU)로 유입될 가능성도 큰 바, 데이터집중장치(DCU)의 안정적인 동작을 위해서는 효과적인 서지나 노이즈 방지대책이 필요하다.

하지만 종래기술은 통상의 서지 보호부와 필터 회로를 사용하여 서지나 노이즈 차단 효과가 미미하였고, 직류전원 생성을 위해 3상 전원을 모두 사용함으로 인해 구조가 복잡해지고 고장 발생이 잦으며, 원가도 증가하는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허 제10-2016-0051368호

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 변대주의 접지 또는 저압 배전선로를 통해 데이터집중장치로 유입되는 서지(surge)나 노이즈(noise)를 단계적으로 차단하기 위한 서지 및 노이즈 차단모듈을 상기 데이터집중장치 전원부에 포함하는 방법을 제공함으로써, 다단으로 구성된 방벽을 통해 보다 효과적으로 서지나 노이즈의 유입을 차단할 있고, 종래 3상 전원부를 대체하는 단상 전원부를 사용함으로 인해 원가를 절감함과 동시에 고장 발생요소를 줄일 수 있는, 단계별 서지 및 노이즈 차단을 구현하는 데이터집중장치를 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 단계별 서지 및 노이즈 차단을 구현하는 데이터집중장치는, 변대주의 접지 또는 저압 배전선로를 통해 상기 데이터집중장치로 유입되는 서지(surge)나 노이즈(noise)를 단계적으로 차단하기 위한 서지 및 노이즈 차단모듈을 상기 데이터집중장치의 전원부에 포함하는 구성을 제공한다.

본 발명은 다단으로 구성된 방벽을 통해 보다 효과적으로 서지(surge)나 노이즈(noise)의 유입을 차단할 있고, 종래 데이터집중장치의 3상 전원부를 대체하는 단상 전원부를 사용함으로 인해 원가를 절감하고, 고장 발생요소를 줄일 수 있는 기술적 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 데이터집중장치로 유입되는 서지(surge)나 노이즈(noise)를 차단하기 위해 단계별 보호부를 구비한 상기 데이터집중장치의 전원부 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예로, 데이터집중장치로 유입되는 서지나 노이즈를 차단하기 위한 서지 및 노이즈 차단모듈의 회로 구성도를 나타낸 것이다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 데이터집중장치로 유입되는 서지(surge) 및 노이즈(noise)를 차단하기 위해 단계별 보호부를 구비한 전원부의 구성을 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명은 변압기 2차측 인하선(5)에 설치된 프로브(10), 상기 프로브(10)와 전기적으로 연결된 데이터집중장치(DCU, 100)를 포함한다.

프로브(10)는 배전용 변압기의 2차측 인하선에 장착되어 전기적으로 저압 배전선로와 연결되며, CT(Current Transformer)/PT(Potential Transformer) 일체형 센서를 포함한다.

데이터집중장치(DCU, 100)는 전원부(110), 기타 장치부(120), 3상 커플링 방식의 PLC 모뎀(130)을 포함하며, 특히 데이터집중장치(DCU, 100)는 이를테면, 3상 4선식(이하 '3P4W'라 표기) 다중 접지를 채택하고 있는 우리나라 배전방식의 특성상 변대주의 접지를 따라 서지나 노이즈가 데이터집중장치(DCU, 100)에 역으로 유입될 가능성을 고려하여, 상기 데이터집중장치(DCU, 100)로 유입되는 서지 및 노이즈 차단을 위한 단계적인 보호부를 구비한 전원부(110) 제공하는데, 이하 전원부(110)의 구성 등에 대해 설명한다.

전원부(110)는 접속부(111), 인입부(112), 서지 보호부(113), 단상(single phase)의 절연 변압기(114), 단상의 필터부(115) 및 단상의 직류 생성부(116)를 포함한다.

접속부(111)는 외부의 프로브(10)와 데이터집중장치(DCU, 100)를 전기적으로 연결하기 위한 커넥터로 구성된다.

인입부(112)는 상기 접속부(111)를 통해 인가되는 3상 교류(3P4W)에 대해 각 상별 전원차단을 위한 스위치(미 도시) 및 과전류 차단을 위한 퓨즈(미 도시)를 포함하여 구성할 수 있다.

서지 보호부(113)는 배전선로에서 유입되는 서지를 차단하기 위한 1차 방벽 역할을 하며, 이 경우 서지 차단을 위해 이를테면, 배리스터(varistor), GDT(Gas Discharge Tube) 등의 서지보호 소자를 사용할 수 있는데, 이에 대한 구체적인 실시예는 도 2에서 후술한다.

한편 서지 보호부(113)를 통과한 3상 교류(3P4W)는 PLC 모뎀(130)에 인가되고, 3상 교류(3P4W) 중 임의의 1개의 상(phase)은 직류전원 생성을 위해 단상의 절연 변압기(114) 1차 측에 인가되는 구조를 갖는데, 이에 대한 구체적인 실시예는 도 2에서 후술한다.

절연 변압기(114)는 배전선로에서 유입되는 서지 및 노이즈를 차단하기 위한 2차 방벽 역할을 하는데, 이 경우 절연 변압기(114)는 단상의 복권형 변압기로써, 1차 측과 2차 측이 물리적으로 비접촉 절연되며, 변성비는 이를테면, 1차 측에 통상의 단상 교류전압인 220V가 인가되면, 2차 측은 그 보다 같거나 낮은 교류전압이 유기될 수 있도록 조정할 수 있는데, 이에 대한 구체적인 실시예는 도 2에서 후술한다.

필터부(115)는 배전선로에서 데이터집중장치(DCU, 100)로 유입되는 노이즈 또는 데이터집중장치(DCU, 100)에서 배전선로 측으로 유출되는 노이즈를 억제하기 위한 단상의 노이즈 필터로, 전자파적합성(Electro-Magnetic Compatibility, EMC) 규격 만족을 위해 RLC 소자 등으로 구성할 수 있는데, 이에 대한 구체적인 실시예는 도 2에서 후술한다.

직류 생성부(116)는 절연 변압기(114)와 필터부(115)를 거친 교류전원에서 기타 장치부(120)의 각 부 동작에 필요한 다양한 직류전원(이를테면, +5V, +3.3V, +1.8V 등)을 생성하는데, 이 경우 단상의 직류 생성부(116)는 이를테면, 브릿지 다이오드로 구성된 정류회로, 전원트랜스, 스위칭 소자, DC-DC 레귤레이터 소자 등으로 구성할 수 있는데, 통상의 SMPS(Switching Mode Power Supply) 구조를 사용할 수 있다.

기타 장치부(120)는 데이터집중장치(DCU, 100)에서 전원부(110)와 PLC 모뎀(130)의 구성을 제외한 각종 장치(이를테면, 저장장치, 제어장치, 통신장치 등)를 포함할 수 있다.

PLC 모뎀(130)은 3상 커플링 방식으로 PLC 신호를 송수신하기 위한 모뎀이다.

이하 도 2를 참조하여, 상기 서지 보호부(113), 단상의 절연 변압기(114), 단상의 필터부(115) 및 단상의 직류 생성부(116)로 구성된 서지 및 노이즈 차단모듈(110a)의 구체적인 회로 및 기능에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 실시예로, 데이터집중장치로 유입되는 서지나 노이즈를 차단하기 위한 서지 및 노이즈 차단모듈의 회로를 나타낸 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 서지 및 노이즈 차단모듈(110a)은 3상4선(3P4W) 식의 서지 보호부(113), 단상의 절연 변압기(114), 단상의 필터부(115) 및 단상의 직류 생성부(116)를 포함하여 회로를 구성하는데, 이 경우 단상으로 절연 변압기(114), 필터부(115) 및 직류 생성부(116)의 회로를 구성하는 이유는 3상 전원을 모두 사용하는 전원부에 비해 구조가 간단하여 고장 발생요인을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 원가를 절감할 수 있기 때문이다.

서지 보호부(113)는 3상4선(3P4W) 식 전력선로에서 완벽한 서지 보호를 구현하기 위해 각 상과 N상간(R-N, S-N, T-N), 각 선간(R-S, S-T, T-R)의 모든 부분에 서지보호 소자그룹을 구비하고, 또한 N상과 F.G(Frame Ground, 접지) 사이에도 서지보호 소자그룹을 구비함이 바람직하다.

즉 도 2에 도시된 바대로, R-N 간에는 제1 상간 서지보호 소자그룹(1a), S-N 간에는 제2 상간 서지보호 소자그룹(2a), T-N 간에는 제3 상간 서지보호 소자그룹(3a)이 구비된다.

R-S 선간에는 제1 선간 서지보호 소자그룹(1b), S-T 선간에는 제2 선간 서지보호 소자그룹(2b), T-R 선간에는 제3 선간 서지보호 소자그룹(3b)이 구비된다.

또한 N상과 F.G(Frame Ground, 접지) 사이에도 서지보호 소자그룹(1c)이 구비된다.

이 경우 서지보호 소자그룹은 배리스터(varistor) 및 GDT(Gas Discharge Tube)를 포함하며, 이들 소자는 직렬로 연결된다.

이를 부연 설명하면, 배리스터는 인가전압에 따라 저항이 비선형적으로 급변하는 소자로써, 임계전압 이상이 유입되었을 경우 즉, 서지 등의 고전압이 유입되었을 때에 저항이 현저하게 낮아지면서 서지 성분을 접지 측으로 바이패스(bypass) 해주어 회로를 보호하는 기능을 한다.

GDT는 플라즈마 가스로 채워진 튜브 양단에 전극을 두고, 서지 등의 과도전압 발생 시 이를 두 전극 사이에서 발생하는 방전을 통해 방출함으로써 상기 배리스터와 유사하게 회로를 보호하는 기능을 한다.

한편 전력선 통신(PLC, Power Line Communication)을 이용하는 데이터집중장치(DCU)의 경우, 배리스터만을 사용하면 PLC 신호를 감쇄시키는 역효과가 있기 때문에, 정상 상태에서 회로적으로 개방되어 있는 GDT를 배리스터와 직결하여 서지 보호부를 구성함으로써, 서지보호 효과와 더불어 PLC 신호감쇄의 역효과를 없앨 수 있게 된다.

아울러, 서지 보호부(113)의 출력인 3상 교류는 PLC 모뎀(130)에 인가되고, 3상 교류(3P4W) 중 임의의 1개 상은 직류전원 생성을 위해 단상의 절연 변압기(114) 1차 측에 인가되는 구조를 갖는다.

이로써, 서지 보호부(113)는 3상4선(3P4W) 식 배전선로에서 유입되는 서지를 차단하기 위한 1차 방벽 역할을 수행하게 된다.

다음으로, 절연 변압기(114)는 1차측 회로와 2차측 회로가 물리적으로 완벽하게 분리 및 전기적으로 절연되어 있는 구조를 가지며, 상기 서지 보호부(113)의 3상 교류(3P4W) 중 임의의 1개 상이 1차측 회로와 연결되고, 2차측 회로는 필터부(115)와 연결된다.

이 경우 1차측 즉, 저압 배전선로에서 유입되는 서지나 노이즈는 물리적으로 분리되어 있는 2차측에 직접적으로 영향을 미치지 못하고, 다만 전자계 유도현상에 의해 일부의 서지나 노이즈가 2차측에 간접적으로 유기될 수는 있으나, 직접적인 영향보다는 미미하다.

이로써 절연 변압기(114)는 배전선로에서 유입되는 서지 및 노이즈를 차단하기 위한 2차 방벽 역할을 수행하게 된다.

한편, 절연 변압기(114)는 상기와 같이 단상으로 운용하는 것 외에, R-N, S-N, T-N으로 구성된 3상 모두에 절연 변압기들을 구비하여, 3상 4선식으로 운용할 수도 있지만, 이 경우 비용문제는 차치하더라도 절연 변압기의 크기, 무게 때문에 데이터집중장치 내에 실장 하는 것이 어려워져서 실효성이 낮을 것으로 판단된다.

본 발명의 경우 절연 변압기만을 이용하는 구성에 대해 설명하였지만, 이에 한정하지 아니하고, 이를테면 절연 변압기에 노이즈 차단기능을 일체화한 NCT(Noise Cut Transformer)를 상기 절연 변압기(114)의 구성과 동일한 방식으로 사용할 수도 있다.

다음으로, 필터부(115)는 단상의 노이즈 필터로, 전자파적합성(Electro-Magnetic Compatibility, EMC) 규격을 만족시키기 위한 저항(Resistor), 인덕터(Inductor), 커패시터(Capacitor) 및 라인 필터(Line Filter)를 포함한다.

이 경우 상하단의 저항(Resistor)은 절연 변압기(114)의 2차측 회로와 연결되고, 상하단의 인덕터(Inductor)는 상하단의 저항(Resistor)과 직렬 연결되며, 커패시터(Capacitor)는 상하단의 인덕터(Inductor)와 병렬 연결되어 RLC 회로를 구성하며, 또한 커패시터(Capacitor)는 라인 필터(Line Filter)와 병렬 연결된다.

마지막으로, 직류 생성부(116)는 상기 단상의 필터부(115)를 거친 교류 전원으로부터 기타 장치부(120)나 PLC 모뎀(130)의 동작에 필요한 다양한 직류전원(이를테면, +5V, +3.3V, +1.8V 등)을 생성하고, 기타 장치부(120)나 PLC 모뎀(130)으로 생성된 직류전원을 공급한다.

한편 직류 생성부(116)의 출력단에 2차 전지를 이용한 충방전 회로(미 도시)를 추가로 연결하여 실시함으로써, 정전 상황에서 데이터집중장치(DCU)가 중단 없이 동작할 수 있도록 2차 전지에 저장된 직류전원을 기타 장치부(120)나 PLC 모뎀(130)으로 공급할 수 있도록 함이 바람직하다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

5 : 변압기 2차측 인하선
10 : 프로브(probe)
100 : 데이터집중장치(DCU)
110 : 전원부
111 : 접속부
112 : 인입부
110a : 서지 및 노이즈 차단모듈
113 : 서지 보호부
114 : 절연 변압기
115 : 필터부
116 : 직류 생성부
120 : 기타 장치부
130 : PLC 모뎀

Claims

변대주에 설치되어 수용가의 각종 전력정보를 주기적으로 수집하는 데이터집중장치에 있어서,
상기 변대주의 접지 또는 저압 배전선로를 통해 상기 데이터집중장치로 유입되는 서지(surge) 및 노이즈(noise)를 단계적으로 차단하기 위한 서지 및 노이즈 차단모듈을, 상기 데이터집중장치의 전원부에 포함하는 것을 특징으로 하는 단계별 서지 및 노이즈 차단을 구현하는 데이터집중장치.
제 1항에 있어서, 상기 서지 및 노이즈 차단모듈은,
상기 접지 또는 상기 저압 배전선로를 통해 유입되는 서지를 1차적으로 차단하기 위해 서지보호 소자그룹을 사용하는 서지 보호부; 및
상기 서지 보호부와 1차측 회로가 연결되며, 상기 1차측 회로와 물리적으로 분리 및 전기적으로 절연되어 있는 2차측 회로를 구비하고, 상기 서지 보호부를 통과하여 유입된 서지 및 노이즈를 2차적으로 차단하기 위한 절연 변압기를 포함하는 것을 특징으로 하는 단계별 서지 및 노이즈 차단을 구현하는 데이터집중장치.
제 2항에 있어서, 상기 서지 보호부는,
3상 4선(3P4W) 식의 배전선로에서 각 상과 N상간(R-N, S-N, T-N), 각 선간(R-S, S-T, T-R), N상과 F.G(Frame Ground, 접지) 간의 모든 부분에 서지보호 소자그룹이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 단계별 서지 및 노이즈 차단을 구현하는 데이터집중장치.
제 3항에 있어서, 상기 서지보호 소자그룹은,
배리스터(varistor) 및 GDT(Gas Discharge Tube)를 포함하며, 상기 배리스터와 상기 GDT는 PLC 신호 감쇄의 역효과를 방지하도록 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 단계별 서지 및 노이즈 차단을 구현하는 데이터집중장치.
제 2항에 있어서,
상기 서지 보호부를 거친 3상 교류 중 1개의 상(phase)이 직류전원의 생성을 위해, 상기 절연 변압기의 1차 측 회로에 인가되는 단상 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 단계별 서지 및 노이즈 차단을 구현하는 데이터집중장치.
제 2항에 있어서, 상기 서지 및 노이즈 차단모듈은,
상기 절연 변압기의 2차측 회로와 단상으로 연결되며, 상기 절연 변압기를 통과한 노이즈를 필터링하는 필터부; 및
상기 필터부와 단상으로 연결되며, 직류전원을 생성하여 상기 데이터집중장치의 각 부로 생성된 직류전원을 공급하는 직류 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단계별 서지 및 노이즈 차단을 구현하는 데이터집중장치.