KR20210067036A - Arc Detection Device According To Arc Detection Algorithm - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 검출 대상인 회로로부터 전류와 전압을 순시적으로 센싱하여 실제 크기의 전류와 전압 데이터로 변형하는 데이터 변형부; 상기 데이터 변형부로부터 변형된 데이터를 특정 대역의 주파수를 필터링 하는 밴드패스필터부; 상기 밴드패스필터부를 통과한 고주파영역의 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변형하는 고주파 ADC부; 및 상기 고주파 ADC부로부터 출력된 데이터를 입력하여 아크를 검출하는 알고리즘이 임베딩된 MCU에 의해 아크를 검출하는 아크 검출부;를 포함하되, 상기 아크 검출부는 상기 고주파 ADC부로부터 출력되는 디지털 데이터를 기반으로 윈도우 함수(Window Function)를 이용하여 전력밀도 스펙트럼으로 변형하는 시그널 프로세싱부; 상기 시그널 프로세싱부로부터 출력되는 데이터를 기반으로 고속 푸리에 변환을 하는 고속 푸리에 변환부; 상기 고속 프리에 변환부로부터 전력변환기로부터 발생되는 스위칭 노이즈를 저감하여 아크 검출 장치가 탑재된 전체 시스템이 오작동하는 것을 방지하는 스위칭 노이즈 저감부; 상기 스위칭 노이즈 저감부로부터 처리되어 출력된 데이터를 평균화하는 데이터 평균화부; 및 상기 데이터 평균화부로부터 출력된 평균화 데이터와 미리 사용자에 의해 저장되는 임계치를 비교하여 아크 발생 여부를 판별하는 아크 판별부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an arc detection apparatus according to an arc detection algorithm, and more particularly, to a data transforming unit for instantaneously sensing current and voltage from a circuit to be detected and transforming it into actual current and voltage data; a band-pass filter unit for filtering the frequency of a specific band on the data transformed from the data transform unit; a high-frequency ADC unit that transforms analog data in the high-frequency region that has passed through the band-pass filter unit into digital data; and an arc detection unit that detects an arc by an MCU in which an algorithm for detecting an arc by inputting data output from the high frequency ADC unit is embedded; wherein the arc detection unit is based on the digital data output from the high frequency ADC unit a signal processing unit that transforms a power density spectrum into a power density spectrum using a window function; a fast Fourier transform unit that performs fast Fourier transform based on data output from the signal processing unit; a switching noise reduction unit for reducing the switching noise generated from the power converter from the high-speed Freeer conversion unit to prevent malfunction of the entire system in which the arc detection device is mounted; a data averaging unit for averaging the processed and output data from the switching noise reduction unit; and an arc determining unit that determines whether an arc is generated by comparing the averaging data output from the data averaging unit with a threshold value stored in advance by the user.
보통 아크(Arc)라 함은 절연물질을 교차하여 연속적인 불꽃을 발생시키는 비정상 방전현상으로서, 비정상 방전 현상의 초기에는 전류가 증가하면서 동시에 전압이 급격히 증가하다가 전류가 임계량을 넘는 순간 전압이 급격하게 떨어지면서(전위차 감소) 이때 음극에서 전류에 의한 저항열에 가열된 다량의 열전자를 방출하는데 이러한 현상을 아크라 하며(도 1 참조), 이 경우 아크의 중심온도는 5,000 ~ 15,000 ℃로서, 전기화재의 주요한 발생원인이다.In general, an arc is an abnormal discharge phenomenon that generates a continuous spark by crossing an insulating material. At the beginning of the abnormal discharge phenomenon, the current increases and the voltage rapidly increases at the same time, and then the voltage suddenly increases when the current exceeds a critical amount. As it falls (potential difference decreases), the cathode emits a large amount of hot electrons heated by the resistance heat caused by the current. This phenomenon is called arc (see Fig. 1), and in this case, the arc's central temperature is 5,000 ~ 15,000 ℃, which is the main is the cause
사고 신호의 감쇠 현상을 이용하면 사고로부터 가장 가까운곳에 위치한 검출기가 사고 신호의 크기를 가장 크게 받아들이게 함으로써 단락사고에 대한 복수 차단기의 보호 협조동작과 같은 개념으로 아크사고에 대한 시스템적 보호동작을 구현할 수 있다. By using the attenuation of the accident signal, the detector located closest to the accident accepts the magnitude of the accident signal the largest, so that the systemic protection operation against arc accidents can be implemented with the same concept as the protective cooperative operation of multiple circuit breakers against short circuit accidents. have.
이러한 아크 검출 장치 및 방법에 대한 기술은 분산전원이 연계되는 마이크로 그리드에서 사고 지점을 파악할 수 있게하고, 배전망 내의 사고 확산을 방지할 수 있는 기술로서 LVDC 배전망내 안정적인 운영과 고품질의 전력망을 유지 할 수 있도록 하는 중요한 기술요소이다. This arc detection device and method enables the identification of an accident point in the microgrid where distributed power is connected, and prevents the spread of accidents within the distribution network, maintaining stable operation and high-quality power grid in the LVDC distribution network. It is an important technical element that makes it possible.
아크는 보통 다량의 전류와 국소적인 빛과 고온 현상등이 발생하는 바, 보통 이러한 전류, 광, 온도등을 검출하여 아크를 검출하게 되는데, 이중에서 전류와 빛을 검출하는 방법이 많이 알려져 있으나, 그 이외에도 압력, 음향 등도 아크 발생을 알리는 매개체가 되고 있다.Arc usually generates a large amount of current, local light, and high temperature phenomena, and the arc is usually detected by detecting such current, light, and temperature. Among them, many methods for detecting current and light are known, In addition to this, pressure and sound are also mediators of arc occurrence.
즉 아크로 인한 사고를 신속하게 차단하기 위해서는 아크 발생 여부를 고속으로 검출할 수 있는 기술이 요구되는데, 이 검출을 위한 기술로는 누설전류, 전압, 주파수, 빛, 온도 및 압력 등의 다양한 센서를 이용한 검출 기술이 연구 및 상용화 되고 있다. In other words, in order to quickly block an accident caused by an arc, a technology capable of detecting the occurrence of an arc at high speed is required. The technology for this detection uses various sensors such as leakage current, voltage, frequency, light, temperature and pressure. Detection technology is being researched and commercialized.
현재 아크 검출 장비로는 아크 결함에 대한 제어나 다양한 아크플래시 발생 원인들에 대한 사고 요인을 완전히 제거하기에 어려움이 있는데, 특히 아크 전류는 차단기를 동작시키기에는 너무 작은 문제점도 존재하며, 전압 강하 같은 부하 변동으로 인한 전기적 특성 변화가 아크의 전기적 특성 변화와 유사하게 나타나기 때문에 이를 판단하는데 시간이 걸리게 되는바, 아크를 검출하기 위한 방법으로 <표 1>과 같이 아크 발생 시 온도, 압력, 음향, 빛, 전기신호를 감지하는 방법이 주로 사용되고 있으며, 각각의 감지 방법에는 장단점이 존재하여 단독으로 이용은 권장되지 않고 있는 실정이다.With current arc detection equipment, it is difficult to control arc defects or completely eliminate accident factors for various causes of arc flash. In particular, arc current is too small to operate a circuit breaker, and there is a problem such as voltage drop. Since the change in electrical characteristics due to load variation appears similar to the change in the electrical characteristics of the arc, it takes time to determine it. As a method for detecting an arc, as shown in <Table 1>, when an arc occurs, temperature, pressure, sound, light , a method of detecting an electrical signal is mainly used, and since each sensing method has advantages and disadvantages, its use alone is not recommended.
이러한 실정을 고려하여, 대한민국 등록특허 제10-2040573호(발명의 명칭 : 복합센서를 이용한 아크 검출 장치 (2018.08.30))에 의하면 용전원선으로부터 고주파의 아크신호를 추출하는 아크 고주파 커플링회로; 상기 아크신호를 증폭하는 증폭부; 상기 증폭된 아크신호로부터 두드러진 아크신호만을 추출하는 대역통과필터; 상기 대역통과필터로부터 공급되는 아날로그의 아크신호를 디지털신호로 변환하는 제1아날로그 디지털 변환기; 상기 제1아날로그 디지털 변환기로부터 공급되는 디지털의 아크신호에 대하여 고주파를 분석하여 그 분석결과를 근거로 아크 발생 여부를 판단하는 고주파 분석부; 상기 상용전원선에 흐르는 전류량을 검출하여 그에 따른 전류신호를 출력하는 변류기; 상기 전류신호 중에서 소정 주파수 이상의 전류신호만 증폭하여 통과시키는 필터 및 증폭기; 상기 필터 및 증폭기로부터 공급된는 아날로그의 전류신호를 디지털 신호로 변환하는 제2아날로그 디지털 변환기; 상기 제2아날로그디지털 변환기로부터 공급되는 전류신호의 파형을 통계학적 분석기법으로 분석하여 그에 따른 분석결과를 출력하는 전류파형 분석부; 및 상기 고주파 분석부의 분석결과와 상기 전류파형 분석부의 분석결과 모두가 아크가 발생 조건을 만족할 때, 차단기를 구동시켜 부하에 공급되는 전원을 전원을 차단시키는 제어부 포함하여 아크 검출하는 데이터 분석에 통계학적인 분석기법을 도입하고 있는데, 일응 아크 검출을 위한 새로운 기법으로 해석되지만, 본 아크 검출 장치가 전력변환기의 접점에서 주로 많이 발생함을 고려하면 전력변환기를 구성하는 각종 반도체 스위치에 의한 고주파 노이즈와 아크를 적절하게 구별하여 오동작을 방지하는 단계에까지는 이르지 못한 것으로 보인다.In consideration of this situation, according to the Republic of Korea Patent Registration No. 10-2040573 (Title of the invention: arc detection device using a complex sensor (Aug. 30, 2018)), an arc high-frequency coupling circuit for extracting a high-frequency arc signal from a molten power line; an amplifying unit amplifying the arc signal; a bandpass filter for extracting only a prominent arc signal from the amplified arc signal; a first analog-to-digital converter for converting the analog arc signal supplied from the bandpass filter into a digital signal; a high frequency analysis unit for analyzing a high frequency of the digital arc signal supplied from the first analog-to-digital converter and determining whether an arc is generated based on the analysis result; a current transformer for detecting the amount of current flowing through the commercial power line and outputting a corresponding current signal; a filter and an amplifier for amplifying and passing only a current signal of a predetermined frequency or higher among the current signals; a second analog-to-digital converter for converting the analog current signal supplied from the filter and the amplifier into a digital signal; a current waveform analysis unit that analyzes the waveform of the current signal supplied from the second analog-to-digital converter using a statistical analysis technique and outputs an analysis result according thereto; And when both the analysis result of the high frequency analysis unit and the analysis result of the current waveform analysis unit satisfy the arc occurrence condition, the control unit drives the circuit breaker to cut off the power supplied to the load. Although the analysis technique is introduced, it is interpreted as a new technique for detecting an instantaneous arc, but considering that this arc detection device mainly occurs at the contact point of the power converter, it can detect high-frequency noise and arc caused by various semiconductor switches constituting the power converter. It seems that it has not reached the stage of properly discriminating and preventing malfunction.
또한 미국 등록특허 제US10243343B1호( 발명의 명칭 : Systems and methods for detecting and identifying arcing based on numerical analysis(수치 분석기법에 기반한 아크 검출 장치 및 시스템))에 의하면 아크 결함은 라인 전압과 전류의 개별적 사이클이 관찰되고 각각의 사이클 동안 수집된 데이터가 근접한 사이클의 미리 정의된 번호 내에 발생하는 아크 이벤트의 미리 정의된 번호에 기초가 된 각각의 개별적 사이클 내에 아크 이벤트의 존재의 가능성을 추정하기 위해 처리된 수치 해석에 기초가 되는 것으로 탐지되며, 빠른 일시적인 것 전류 스파이크 검출이 행해질 수 있고, 사이클, 차이의 평균과 선 전류의 피크 대 피크값 위에서 수집된 연속적 선 전류 샘플 사이의 차분 값을 연산하고, 각각의 차분 값을 비교하는 것은 차이의 평균에 의한 것으로서 피크 대 피크값과 각각의 차분 값을 비교하여, 아크를 검출하는 발명에 관한 것인바, 이도, 역시 전력변환기를 구성하는 스위칭 소자의 고주파 노이즈와 아크를 구별할 수 있는 방법에 관한 논의가 없는바, 이에 대한 해결책이 절실하게 요구된다 할 것이다.In addition, according to US Patent No. US10243343B1 (title of invention: Systems and methods for detecting and identifying arcing based on numerical analysis), arc defects are caused by individual cycles of line voltage and current. Numerical interpretation observed and processed to estimate the likelihood of the presence of an arc event within each individual cycle in which the data collected during each cycle is based on a predefined number of arc events occurring within a predefined number of adjacent cycles fast transient current spike detection can be done, calculating the difference value between successive line current samples collected over the peak-to-peak value of the line current with the average of the difference in cycles, and each difference Comparing the values relates to the invention of detecting arcs by comparing peak-to-peak values and respective difference values as by the average of the differences. Since there is no discussion on how to distinguish them, a solution for this is urgently required.
본 발명인 아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 다음과 같은 목적을 가진다.The arc detection apparatus according to the present invention arc detection algorithm has been devised to solve the problems of the prior art, and has the following object.
(1) 본 발명의 목적은 아크가 발생할 수 있는 회로로부터 전류와 전압을 순시적으로 센싱하여 실제 크기의 전류와 전압 데이터로 변형하는 데이터변형부, 변형된 데이터를 특정 대역의 주파수를 필터링 하는 밴드패스필터부, 고주파영역의 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변형하는 고주파 ADC부 및 아크를 검출하는 알고리즘이 임베딩된 MCU에 의해 아크를 검출하는 아크 검출부(400)를 포함하는 아크 검출장치를 제공함을 목적으로 한다.(1) An object of the present invention is to instantaneously sense current and voltage from a circuit where an arc can occur and transform it into current and voltage data of actual size, a band that filters the transformed data at a frequency of a specific band To provide an arc detection device comprising a pass filter unit, a high-frequency ADC unit that transforms analog data in a high-frequency region into digital data, and an
(2) 본 발명의 또다른 목적은 디지털 데이터를 기반으로 윈도우 함수(Window Function)를 이용하여 전력밀도 스펙트럼으로 변형하는 시그널 프로세싱부, 고속 푸리에 변환을 하는 고속 푸리에 변환부, 전력변환기로부터 발생되는 스위칭 노이즈를 저감하여 아크 검출 장치가 탑재된 전체 시스템이 오작동하는 것을 방지하는 스위칭 노이즈 저감부, 데이터를 평균화하는 데이터 평균화부 및 평균화 데이터와 미리 사용자에 의해 저장되는 임계치를 비교하여 아크 발생 여부를 판별하는 아크 판별부를 포함하는 아크판별부를 포함하는 아크검출부를 제공함을 목적으로 한다.(2) Another object of the present invention is a signal processing unit that transforms a power density spectrum into a power density spectrum using a window function based on digital data, a fast Fourier transform unit that performs a fast Fourier transform, and switching generated from a power converter A switching noise reduction unit that reduces noise and prevents the entire system equipped with an arc detection device from malfunctioning, a data averaging unit that averages data, and a threshold value stored by the user in advance to compare the averaged data with a threshold to determine whether an arc has occurred An object of the present invention is to provide an arc detection unit including an arc determination unit including an arc determination unit.
본 발명인 아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치는 검출 대상인 회로로부터 전류와 전압을 순시적으로 센싱하여 실제 크기의 전류와 전압 데이터로 변형하는 데이터 변형부(100); 상기 데이터 변형부(100)로부터 변형된 데이터를 특정 대역의 주파수를 필터링 하는 밴드패스필터부(200); 상기 밴드패스필터부(200)를 통과한 고주파영역의 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변형하는 고주파 ADC부(300); 및 상기 고주파 ADC부(300)로부터 출력된 데이터를 입력하여 아크를 검출하는 알고리즘이 임베딩된 MCU에 의해 아크를 검출하는 아크 검출부(400);를 포함하는 것을 특징으로 한다.The arc detection apparatus according to the arc detection algorithm according to the present invention includes: a
상기 아크 검출부(400)는 상기 고주파 ADC부(300)로부터 출력되는 디지털 데이터를 기반으로 윈도우 함수(Window Function)를 이용하여 전력밀도 스펙트럼으로 변형하는 시그널 프로세싱부(410); 상기 시그널 프로세싱부(410)로부터 출력되는 데이터를 기반으로 고속 푸리에 변환을 하는 고속 푸리에 변환부(420); 상기 고속 프리에 변환부(420)로부터 전력변환기로부터 발생되는 스위칭 노이즈를 저감하여 아크 검출 장치가 탑재된 전체 시스템이 오작동하는 것을 방지하는 스위칭 노이즈 저감부(430); 상기 스위칭 노이즈 저감부(430)로부터 처리되어 출력된 데이터를 평균화하는 데이터 평균화부(440); 및 상기 데이터 평균화부(440)로부터 출력된 평균화 데이터와 미리 사용자에 의해 저장되는 임계치를 비교하여 아크 발생 여부를 판별하는 아크 판별부(450);를 포함하는 것을 특징으로 한다.The
상기 아크 판별부(450)에 있어서, 사용자에 의해 저장되는 임계치는 시간인덱스에 따라 변화하는 데이터 평균화 데이터에 따라 서로 관계를 가지며 상대적으로 정해지는 공분산(Covariance)에 따라 변화할 수 있음을 특징으로 한다.In the arc determination unit 450, the threshold value stored by the user has a relationship with each other according to the data averaging data that changes according to the time index, and it is characterized in that it can change according to the relatively determined covariance. .
상기 밴드패스필터부(200)의 특정 대역의 주파수대역은 40-100kHz 임을 특징으로 한다.The frequency band of the specific band of the band
상기 고주파 ADC부(300)는 250kHz로 구동되어 최대 125kHz 대역의 주파수 성분 관측이 가능한 16비트 ADC(Analogue to Digital Conversion) 장치를 사용함을 특징으로 한다.The high-
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다. The present invention has the following effects.
(1) 본 발명은 아크를 검출하는 알고리즘이 임베딩된 MCU에 의해 효과적으로 아크를 검출할 수 있다. (1) The present invention can effectively detect an arc by an MCU in which an algorithm for detecting an arc is embedded.
(2) 본 발명은 디지털 데이터를 기반으로 윈도우 함수(Window Function)를 이용하여 전력밀도 스펙트럼으로 변형하고, 이를 고속 푸리에 변환한 다음 스위칭 노이즈 저감하여 스위칭 노이즈와 아크를 용이하게 구별할 수 있도록 한 다음 데이터 평균화 과정을 거친 최종 데이터를 사용자가 설정한 임계치와 비교하여 최종적으로 아크 검출 여부를 판별하도록 하여 전력변환기 또는 각종 전력회로의 안정성 및 신뢰성을 보장할 수 있도록 한다. (2) The present invention transforms a power density spectrum into a power density spectrum using a window function based on digital data, converts it to a fast Fourier transform, and reduces switching noise so that switching noise and arc can be easily distinguished. The final data that has undergone the data averaging process is compared with the threshold set by the user to finally determine whether an arc is detected, thereby ensuring the stability and reliability of the power converter or various power circuits.
(3) 본 발명은 사용자가 초기에 설정한 임계치를 시간인덱스에 따라 데이터 평균화 데이터와 함께 스스로 변형할 수 있도록 하는 공분산 개념을 도입하여 아크 검출을 정교하게 검출 할 수 있도록 하였다.(3) The present invention introduces the concept of covariance, which allows the user to transform the initially set threshold along with the data averaging data according to the time index, so that arc detection can be precisely detected.
도 1은 전력변환기에 발생하는 아크를 개념적으로 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명인 아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명인 아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치에서 상기 아크 검출 알고리즘을 시계열적인 순서도로 나타낸 도면이다. 1 is a graph conceptually showing an arc generated in a power converter.
2 is a diagram conceptually illustrating an arc detection apparatus according to an arc detection algorithm according to the present invention.
3 is a view showing the arc detection algorithm in a time series flow chart in the arc detection apparatus according to the arc detection algorithm of the present invention.
먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.First, prior to entering into the detailed description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the known technology or configuration related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라 질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 "아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치"를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.In addition, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary depending on the intention or custom of the user or operator, so the definition is "arc detection apparatus according to the arc detection algorithm" according to the present invention. It should be made based on the content throughout this specification that describes
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.The terminology used herein is for the purpose of referring to specific embodiments only, and is not intended to limit the invention. As used herein, the singular forms also include the plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The meaning of "comprising," as used herein, specifies a particular characteristic, region, integer, step, operation, element and/or component, and other specific characteristic, region, integer, step, operation, element, component, and/or component. It does not exclude the presence or addition of groups.
본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.All terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms defined in the dictionary are further interpreted as having a meaning consistent with the related art literature and the presently disclosed content, and unless defined, are not interpreted in an ideal or very formal meaning.
도 1은 전력변환기에 발생하는 아크를 개념적으로 나타낸 그래프이고, 도 2는 본 발명인 아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치를 개념적으로 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명인 아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치에서 상기 아크 검출 알고리즘을 시계열적인 순서도로 나타낸 도면이다.1 is a graph conceptually showing an arc generated in a power converter, FIG. 2 is a diagram conceptually showing an arc detection apparatus according to the arc detection algorithm of the present invention, and FIG. 3 is an arc detection apparatus according to the arc detection algorithm of the present invention It is a diagram showing the arc detection algorithm in a time-series flowchart.
도 2를 참조하면 본 발명인 아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치는 검출 대상인 회로로부터 전류와 전압을 순시적으로 센싱하여 실제 크기의 전류와 전압 데이터로 변형하는 데이터 변형부(100); 상기 데이터 변형부(100)로부터 변형된 데이터를 특정 대역의 주파수를 필터링 하는 밴드패스필터부(200); 상기 밴드패스필터부(200)를 통과한 고주파영역의 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변형하는 고주파 ADC부(300); 및 상기 고주파 ADC부(300)로부터 출력된 데이터를 입력하여 아크를 검출하는 알고리즘이 임베딩된 MCU에 의해 아크를 검출하는 아크 검출부(400);를 포함하는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 2, the arc detection apparatus according to the present invention arc detection algorithm includes: a
도 2를 참조하면 상기 아크 검출부(400)는 상기 고주파 ADC부(300)로부터 출력되는 디지털 데이터를 기반으로 윈도우 함수(Window Function)를 이용하여 전력밀도 스펙트럼으로 변형하는 시그널 프로세싱부(410); 상기 시그널 프로세싱부(410)로부터 출력되는 데이터를 기반으로 고속 푸리에 변환을 하는 고속 푸리에 변환부(420); 상기 고속 프리에 변환부(420)로부터 전력변환기로부터 발생되는 스위칭 노이즈를 저감하여 아크 검출 장치가 탑재된 전체 시스템이 오작동하는 것을 방지하는 스위칭 노이즈 저감부(430); 상기 스위칭 노이즈 저감부(430)로부터 처리되어 출력된 데이터를 평균화하는 데이터 평균화부(440); 및 상기 데이터 평균화부(440)로부터 출력된 평균화 데이터와 미리 사용자에 의해 저장되는 임계치를 비교하여 아크 발생 여부를 판별하는 아크 판별부(450);를 포함하는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 2 , the
상기 아크 판별부(450)에 있어서, 사용자에 의해 저장되는 임계치는 시간인덱스에 따라 변화하는 데이터 평균화 데이터에 따라 서로 관계를 가지며 상대적으로 정해지는 공분산(Covariance)에 따라 변화할 수 있음을 특징으로 한다.In the arc determination unit 450, the threshold value stored by the user has a relationship with each other according to the data averaging data that changes according to the time index, and it is characterized in that it can change according to the relatively determined covariance. .
즉 아크 발생을 판별함에 있어서 두 변수 즉 데이터 평균화 데이터와 사용자에 의해 설정되는 임계치는 서로 상대적으로 상관관계를 맺는다고 가정한 것으로서, 임계치가 모든 상황에서 절대적으로 변화할 수 없는 수치가 아니라는 것을 귀납적으로 가정한 것이다. That is, it is assumed that two variables, that is, the data averaging data and the threshold set by the user, are relatively correlated with each other in determining the arc occurrence, and it is inductively proven that the threshold is not a numerical value that cannot be absolutely changed in all situations. it is assumed
즉 예를 들면 평균화 데이터와 임계치(시간 인덱스에 따라 변화한다고 가정)의 평균값에 대해 fij 를 (평균화데이터i, 임계치평균값i)의 상대도수라 할 때 다음과 같은 관계가 만족되는 공분산 공식이 활용된다. That is, for example, when f ij is the relative frequency of (averaging data i , threshold average value i ) with respect to the average value of the averaged data and the threshold (assuming that it changes according to the time index), the covariance formula satisfying the following relationship is used. do.
도 2를 참조하면 상기 밴드패스필터부(200)의 특정 대역의 주파수대역은 40-100kHz 임을 특징으로 한다.Referring to FIG. 2, the frequency band of the specific band of the band
상기 고주파 ADC부(300)는 250kHz로 구동되어 최대 125kHz 대역의 주파수 성분 관측이 가능한 16비트 ADC(Analogue to Digital Conversion) 장치를 사용함을 특징으로 한다.The high-
도 3을 참조하면 본 발명인 아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치에서 상기 아크 검출 알고리즘을 시계열적인 순서도로 나타낸 것인데, 이를 하기에서 설명한다. Referring to FIG. 3 , the arc detection algorithm is shown in a time-series flowchart in the arc detection apparatus according to the arc detection algorithm of the present invention, which will be described below.
우선 아크 검출 알고리즘은 전력변환기 스위칭 노이즈 및 기타 오작동 요인으로부터 강인하게 동작하기 위하여 하기의 두 단계의 데이터 프로세싱을 사용함을 특징으로 한다.First, the arc detection algorithm is characterized by using the following two-step data processing to operate robustly from power converter switching noise and other malfunctioning factors.
첫 번째 단계는 전력변환기로부터 발생되는 스위칭 노이즈를 저감하여 오작동을 억제하며(Switching noise reduction), 두 번째 단계는 데이터를 평균화(Data averaging)하여 부하 급변과 같은 순간적인 노이즈에 강인한 검출이 가능하도록 한것이다. The first step is to reduce the switching noise generated from the power converter to suppress malfunctions (Switching noise reduction), and the second step is to average the data to enable robust detection against instantaneous noise such as sudden load changes. All.
이 때 
스위칭 노이즈 저감을 위해 프로세서는 조건에 따라 
순간적인 노이즈에 의한 오작동 방지를 위해 제안된 알고리즘은 데이터 평균화 과정을 수행하는데, 이 경우 두 번째 조건에 포함된 
이때 임계치는 사용자가 초기에 설정하며, 이와 같은 비교를 통해 아크 발생을 판별할 수 있게 되는 것이다. In this case, the threshold value is initially set by the user, and arc generation can be determined through such a comparison.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다. The present invention has the following effects.
(1) 본 발명은 아크를 검출하는 알고리즘이 임베딩된 MCU에 의해 효과적으로 아크를 검출할 수 있다. (1) The present invention can effectively detect an arc by an MCU in which an algorithm for detecting an arc is embedded.
(2) 본 발명은 디지털 데이터를 기반으로 윈도우 함수(Window Function)를 이용하여 전력밀도 스펙트럼으로 변형하고, 이를 고속 푸리에 변환한 다음 스위칭 노이즈 저감하여 스위칭 노이즈와 아크를 용이하게 구별할 수 있도록 한 다음 데이터 평균화 과정을 거친 최종 데이터를 사용자가 설정한 임계치와 비교하여 최종적으로 아크 검출 여부를 판별하도록 하여 전력변환기 또는 각종 전력회로의 안정성 및 신뢰성을 보장할 수 있도록 한다. (2) The present invention transforms a power density spectrum into a power density spectrum using a window function based on digital data, converts it to a fast Fourier transform, and reduces switching noise so that switching noise and arc can be easily distinguished. The final data that has undergone the data averaging process is compared with the threshold set by the user to finally determine whether an arc is detected, thereby ensuring the stability and reliability of the power converter or various power circuits.
(3) 본 발명은 사용자가 초기에 설정한 임계치를 시간인덱스에 따라 데이터 평균화 데이터와 함께 스스로 변형할 수 있도록 하는 공분산 개념을 도입하여 아크 검출을 정교하게 검출 할 수 있도록 하였다.(3) The present invention introduces the concept of covariance, which allows the user to transform the initially set threshold along with the data averaging data according to the time index, so that arc detection can be precisely detected.
100 : 데이터 변형부
200 : 밴드패스필터부
300 : 고주파 ADC부
400 : 아크 검출부
410 : 시그널 프로세싱부
420 : 고주 푸리에 변환부
430 : 스위칭 노이즈 저감부
440 : 데이터 평균화부
450 : 아크 판별부100: data transformation unit 200: band pass filter unit
300: high frequency ADC unit 400: arc detection unit
410: signal processing unit 420: high frequency Fourier transform unit
430: switching noise reduction unit 440: data averaging unit
450: arc discrimination unit
Claims (5)
상기 아크 검출 장치는
검출 대상인 회로로부터 전류와 전압을 순시적으로 센싱하여 실제 크기의 전류와 전압 데이터로 변형하는 데이터 변형부;
상기 데이터 변형부로부터 변형된 데이터를 특정 대역의 주파수를 필터링 하는 밴드패스필터부;
상기 밴드패스필터부를 통과한 고주파영역의 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변형하는 고주파 ADC부; 및
상기 고주파 ADC부로부터 출력된 데이터를 입력하여 아크를 검출하는 알고리즘이 임베딩된 MCU에 의해 아크를 검출하는 아크 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치.An arc detection device comprising:
The arc detection device is
a data transforming unit that instantaneously senses current and voltage from a circuit to be detected and transforms it into actual current and voltage data;
a band-pass filter unit for filtering the frequency of a specific band on the data transformed from the data transform unit;
a high-frequency ADC unit that transforms analog data in the high-frequency region that has passed through the band-pass filter unit into digital data; and
and an arc detection unit for detecting an arc by an MCU in which an algorithm for detecting an arc by inputting the data output from the high frequency ADC unit is embedded.
상기 아크 검출부는
상기 고주파 ADC부로부터 출력되는 디지털 데이터를 기반으로 윈도우 함수(Window Function)를 이용하여 전력밀도 스펙트럼으로 변형하는 시그널 프로세싱부;
상기 시그널 프로세싱부로부터 출력되는 데이터를 기반으로 고속 푸리에 변환을 하는 고속 푸리에 변환부;
상기 고속 프리에 변환부로부터 전력변환기로부터 발생되는 스위칭 노이즈를 저감하여 아크 검출 장치가 탑재된 전체 시스템이 오작동하는 것을 방지하는 스위칭 노이즈 저감부;
상기 스위칭 노이즈 저감부로부터 처리되어 출력된 데이터를 평균화하는 데이터 평균화부; 및
상기 데이터 평균화부로부터 출력된 평균화 데이터와 미리 사용자에 의해 저장되는 임계치를 비교하여 아크 발생 여부를 판별하는 아크 판별부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치.The method according to claim 1,
The arc detection unit
a signal processing unit that transforms the power density spectrum into a power density spectrum using a window function based on the digital data output from the high frequency ADC unit;
a fast Fourier transform unit that performs fast Fourier transform based on data output from the signal processing unit;
a switching noise reduction unit for reducing the switching noise generated from the power converter from the high-speed Freeer conversion unit to prevent malfunction of the entire system in which the arc detection device is mounted;
a data averaging unit for averaging the processed and output data from the switching noise reduction unit; and
and an arc determining unit that determines whether an arc is generated by comparing the averaging data output from the data averaging unit with a threshold value stored in advance by a user.
상기 아크 판별부에 있어서, 사용자에 의해 저장되는 임계치는 시간인덱스에 따라 변화하는 데이터 평균화 데이터에 따라 서로 관계를 가지며 상대적으로 정해지는 공분산(Covariance)에 따라 변화할 수 있음을 특징으로 하는 아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치.3. The method according to claim 2,
In the arc discriminator, the threshold value stored by the user has a relationship with each other according to the data averaging data that changes according to the time index and can be changed according to a relatively determined covariance. Arc detection device according to.
상기 밴드패스필터부의 특정 대역의 주파수대역은 40-100kHz 임을 특징으로 하는 아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치.The method according to claim 1,
The frequency band of the specific band of the band pass filter unit is an arc detection apparatus according to an arc detection algorithm, characterized in that 40-100 kHz.
상기 고주파 ADC부는 250kHz로 구동되어 최대 125kHz 대역의 주파수 성분 관측이 가능한 16비트 ADC(Analogue to Digital Conversion) 장치를 사용함을 특징으로 하는 아크 검출 알고리즘에 따른 아크 검출 장치.The method according to claim 1,
The arc detection apparatus according to the arc detection algorithm, characterized in that the high frequency ADC unit is driven at 250 kHz and uses a 16-bit analog to digital conversion (ADC) device capable of observing frequency components of a maximum 125 kHz band.
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