KR20240002389A - 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20240002389A
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Abstract

마스터 클럭(Master clock)과의 통신에 일시적인 문제가 발생하더라도 각 설비 내 오실레이션 펄스의 동기화 정밀도의 향상 및 지속성과 안정성을 확보할 수 있는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치가 개시된다. 상기 시각 동기화 장치는, 제 1 기준 클럭신호를 생성하는 수신기, 상기 제 1 기준 클럭신호와 이종관계인 제 2 기준 클럭 신호를 생성하는 클럭 신호 생성기, 상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호를 선택하는 선택기, 상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭과 미리 생성되는 현재 동기 클럭 신호를 비교하는 비교기, 상기 비교 결과에 따라 동기 제어를 위한 제어 출력 신호를 생성하는 제어기, 상기 제어 출력 신호를 수치값-전압값 변환하여 변환 출력값을 생성하는 변환기, 및 상기 변환 출력값으로 위상 및 주파수를 동시에 동기화시켜 최종 동기 클럭 신호를 생성하는 발진기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치 및 방법{Apparatus and Method for time synchronization in linkage with master clock}
본 발명은 시각 동기화 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 위상 및 주파수를 동시에 마스터 클럭과 동기화시켜 자체 발진기내 마스터 클럭 추종형 시각동기를 이루도록 최적화한 형태로 신호의 샘플링 동작의 운용을 가능하게 하는 시각 동기화 장치 및 방법에 대한 것이다.
먼저, 주요 용어를 설명하면 다음과 같다.
- 시각동기 : 다수 기기(Client)의 시각을 하나의 기준시각(Time server)에 맞추는 것
- 지능형 전자장치(IED: Intelligent Electronic Device):
일반적으로 송배전 선로와 발전기, 부하 전압 및 전류 등의 아날로그 신호를 입력받아 신호처리과정을 통해 전력계통의 사고발생 여부를 감지하며, 단락, 지락 및 개방 등의 사고 발생 시에는 해당 고장선로를 건전선로로부터 신속하게 분리시켜 피해를 최소범위로 한정하는 전력계통 보호장치이다.
또한, 사고발생에 의한 계전요소 동작, 입출력 접점의 상태변화, 각종 기기설정 변경 등의 이벤트 발생정보를 발생시각 정보와 함께 저장함으로써 고장분석 및 기기조작 내역에 대한 조회를 용이하게 하는 기능을 제공한다.
MU(Merging Unit) : 현장의 아날로그 입력 신호를 샘플링하여 IEC 61850 표준에 따라 디지털 값으로 변환하여 전송하는 Analog to Digital 신호변환 및 전송장치.
시각 동기화 디바이스(Time Synchronization Device): 보호 제어 자동화 시스템 등 전력설비와 기타 시스템의 시각을 표준 시각에 맞추어 주기적으로 동기시키는 장치. 일반적으로 GPS(Global Positioning System)에 맞추어 시각동기가 되도록 함.
전력 설비 분야의 기존방식은 아날로그 신호(전류, 전압, 위상)를 IED(Intelligent Electronic Device)에 내장된 디지털 신호 변환부까지 신호선을 연결하여 IED 내부에서 디지털 신호로 변환하여 출력하는 형태를 가진다.
변전분야의 각종 보호 제어 자동화 설비들이 디지털화되면서, 설비는 단순화되고, 운영의 신뢰성과 각종 정보의 활용성은 더욱 높아지고 있다. 확대되는 전력수급량에 효율적으로 대응하기 위해 지능형 전력망이 점진적으로 도입되고 있다. 이를 위해 국내외적으로 감시·보호·제어 자동화 변전소를 구성하는 전력시스템의 통신방식은 IEC 61850 기반의 국제표준으로 구축되고 있는 추세이다.
IED가 MU(Merging Unit)로부터 수신한 SV(Sampled Value), 상태 신호값 등의 취득 데이터는 IED간 정보 공유를 하게 되며, IED는 상위 운영장치(Station Control)와 GW(Gate Way) 등으로 리포트, 상태값 등을 전송하게 된다.
전압, 전류 등의 샘플링 값은 정확한 보호제어 및 감시 기능 수행을 위해 시각 또는 위상정보를 정확히 일치시켜야 한다. 이를 위해 클럭유닛(Substation Clock)(120)을 통해 시스템 내에 필요로 하는 모든 장치들(110,130,140)을 시각 동기화시키게 된다. 이를 보여주는 도면이 도 1에 도시된다.
최근에는 프로세스 버스(Process bus)를 이용하여 현장의 신호원에서 직접 디지털 변환을 하여 구현하는 형태로 전환되고 있다. 이때에 IEC 61850-9-2 (Sampled Value, SV) 표준을 기준으로 IED(130)에서 디지털 데이터를 리모트 억세스(230) 및 네트워크(220)로 전달하는 방식으로 진행된다.
머징유닛(MU)(140)은 현장의 신호원에서 디지털값으로 변환하고 SV 데이터를 추출 및 출력하게 되며, 서로 다른 지점에 설치된 머징유닛들(140)은 마스터 클럭(Master clock, 주시각원)(210-1,210-2)과의 시각동기가 필수적이다. 이를 보여주는 도면이 도 2이다.
시각동기가 정상적인 범위를 만족하지 못할 경우, 동일 선로에서 측정한 전압 데이터와 전류 데이터의 위상이 각 MU 내에서 처리될 때 아날로그 신호의 디지털 변환시 샘플링 시각 불일치로 인해 오차가 발생하게 된다. 이는 변전소 자동화 설비의 오동작을 유발하게 된다.
한편, 기존 시각 동기화 방식의 경우, IED 내장형 ADC(Analog to Digital Converter) 장치 또는 MU 내부의 샘플링 클럭을 생성하기 위해 클럭 장치 내부에 고정형 발진기(오실레이터 : Oscillator)를 가지고 있다. 이 발진기를 통해 마스터 클럭(주시각원)으로부터의 동기신호를 수신하여 내부 고정형 발진기와의 시각 차이를 보정하게 된다.
또한, 시각차이 신호를 샘플링 기준점으로 활용하는 방식에 있어서는 마스터 클럭의 동기신호를 순간적으로 잃을 경우, 규모가 큰 네트워크 시스템에서는 해당 기간동안 마스터 클럭과 동기되지 않은 내부 고정형 발진기에 의존하여 전압과 전류 등 주요 신호의 샘플링을 진행하게 된다. 이때, 시각동기 오차가 확대될 경우, 보호제어 기능에 문제가 발생하게 된다.
이때, 고정형 발진기의 내부오차의 정확도와 관련한 표준은 IEC( International Electrotechnical Commission) 61850에서는 SV(Sampled Value) 출력장치인 MU와 IED 등의 전송 경로상에 있는 전자장치의 시각동기 정확도를 국제표준에서는 1[μsec] 내외로 규정하고 있다. 그러나, 자체 하드웨어 성능을 구현한 것으로 마스터 클럭과의 지속적인 연동을 통한 고정밀 설비 운영은 불가능하여 시각 동기 오차가 확대될 수 있다는 단점이 있다.
한편, 다수의 장치가 버스(Bus)형 네트워크로 연결된 경우, 다수의 전송경로상에 있는 전자장치에 대해서는 IEC등 관련 표준에서는 제작 가이드가 존재하지 않고 있다. 때문에 변전소 등의 전력설비 보호를 위한 보호제어 요건을 제시하지 않고 있어, 효과적인 네트워크 시스템의 구현을 위한 제약사항이 되고 있다.
한편, GPS(Global Positioning System) 수신기에서 1초마다 전송되는 기준 PPS 신호(또는 IEEE 1588 PTP 신호)와 자체 고정형 발진기의 출력 클럭 간의 지연에 의한 위상/시간 정보를 비교하여 그 차분에 대하여 보정을 수행한다. 이후, 샘플링(Sampling) 클럭 신호를 제공하여 기준 PPS와의 동기를 맞추는 것으로 기준신호 상실시, 주기적으로 동기를 맞추는 것이 곤란하다는 단점이 있다.
또한, 기존 설비의 운용특성은 설비 또는 시스템 구성이 간단하거나 기준클럭을 제공하는 마스터 클럭의 상실(중단) 없이 운용되는 일반적인 동작환경(또는 설비상태)에서는 문제가 발생하지는 않는다. 그러나, 기준 클럭인 PPS 신호를 상실할 경우이거나, 설비를 구성하는 네트워크 시스템이 복잡한 구조일 경우에는 네트워크시스템 타 장치와의 동기를 맞추는데 있어서 정밀도 유지가 곤란하여 정확한 보호제어 감시 기능의 수행이 어렵다는 단점이 있다.
부연하면, 기존설비의 시각 동기화의 핵심은 장치간 시간지연에 대한 차분을 보상하여 클럭의 정밀도가 개선되도록 샘플링 클럭신호를 제공하는 구조이다. 그러나 마스터 클럭이 상실되거나 복잡한 구조를 갖는 시스템 적용시는 시각동기 정밀도 유지가 곤란하다는 문제점이 있다.
즉, 기존 국제표준(IEC) 기반의 시스템에서는 시스템의 규모가 확대 될수록, 네트워크 시스템의 토폴로지(구조)가 복잡해지고 구성기기의 수량이 증가하여, 변전소내 IED, MU 등 기타 설비간 적절한 시각 동기 이행이 어렵게 되어, 전력설비의 보호제어감시 시스템의 오동작을 유발할 수 있다.
또한, 기준 클럭인 마스터 클럭의 상실시에는 장치 내부의 발진기 오차가 시간이 지날수록 확대되어 신호 샘플링시 정밀도가 저하되어 시스템의 오동작을 유발하게 된다.
1. 대한민국 등록특허번호 제10-1698227호(등록일자: 2017년01월13일)
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 마스터 클럭(Master clock)과의 통신에 일시적인 문제가 발생하더라도 각 설비 내 오실레이션 펄스의 동기화 정밀도의 향상 및 지속성과 안정성을 확보할 수 있는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 변전소 등 전력설비의 보호 제어 자동화 시스템 규모가 큰 네트워크 시스템 적용에 있어서도 시각 동기화 운용시 샘플링되는 기준 클럭의 고정밀도를 구현을 위해 PID(Proportional Integral Derivative Control : 비례적분미분) 제어 및 제어 출력값의 전압 변환기술, 전압 제어 발진기 등을 이용하여 시각 동기화를 위한 클럭의 정밀도를 안정된 고정밀도로 유지할 수 있는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 고신뢰 시각동기 시스템의 운용을 가능하게 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치 및 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해 마스터 클럭(Master clock)과의 통신에 일시적인 문제가 발생하더라도 각 설비 내 오실레이션 펄스의 동기화 정밀도의 향상 및 지속성과 안정성을 확보할 수 있는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치를 제공한다.
상기 시각 동기화 장치는,
제 1 기준 클럭신호를 생성하는 수신기;
상기 제 1 기준 클럭신호와 이종관계인 제 2 기준 클럭 신호를 생성하는 클럭 신호 생성기;
상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호를 선택하는 선택기;
상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭과 미리 생성되는 현재 동기 클럭 신호를 비교하는 비교기;
상기 비교 결과에 따라 동기 제어를 위한 제어 출력 신호를 생성하는 제어기;
상기 제어 출력 신호를 수치값-전압값 변환하여 변환 출력값을 생성하는 변환기; 및
상기 변환 출력값으로 위상 및 주파수를 동시에 동기화시켜 최종 동기 클럭 신호를 생성하는 발진기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제 1 기준 클럭 신호는 GPS(Global Positioning System) 신호를 이용하여 생성되며, 상기 제 2 기준 클럭 신호는 PTP(Precision Time Protocol) 통신으로부터 추출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 PTP 통신은 IEEE 1588 PTP 통신인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 비교기는 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호가 특정 시간 동안 입력되지 않으면, 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호와 상기 발진기의 자체 전압 제어 발진 클럭 신호와의 차분값을 추출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 차분값은 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호와 상기 발진기(380)의 자체 전압 제어 발진 클럭 신호와의 오차가 최소화되도록 TOF(Time of Flight) 차분 비교를 통해 산출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어 출력 신호는 PID(Proportional Integral Derivative Control : 비례적분미분) 제어 기능을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 변환 출력값은 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호를 상실하기 직전 일정기간의 제어값의 평균값과 유효값을 계산하여 수치값-전압값 변환(NVC: Numeric to Voltage Conversion)을 통해 산출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호는 PPS(Pulse Per Second)인 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 수신기가 제 1 기준 클럭신호를 생성하는 단계; (b) 클럭 신호 생성기가 상기 제 1 기준 클럭신호와 이종관계인 제 2 기준 클럭 신호를 생성하는 단계; (c) 선택기가 상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호를 선택하는 단계; (d) 비교기가 상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭과 미리 생성되는 현재 동기 클럭 신호를 비교하는 단계; (e) 제어기가 상기 비교 결과에 따라 동기 제어를 위한 제어 출력 신호를 생성하는 단계; (f) 변환기가 상기 제어 출력 신호를 수치값-전압값 변환하여 변환 출력값을 생성하는 단계; 및 (g) 발진기가 상기 변환 출력값으로 위상 및 주파수를 동시에 동기화시켜 최종 동기 클럭 신호를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 방법을 제공한다.
또한, 상기 (d) 단계는, 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호가 특정 시간 동안 입력되지 않으면, 상기 비교기가 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호와 상기 발진기의 자체 전압 제어 발진 클럭 신호와의 차분값을 추출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전력설비 보호, 제어, 감시 등의 자동화 시스템 운용시에 GPS(Global Positioning System)를 통한 마스터 클럭과의 동기 신호를 잃을 경우에도 자체 장치 내부의 동기 상태를 마스터 클럭과 연계한 동기 최적화 시스템을 구현함으로써 데이터 샘플링부에 고정밀 동기화 신호를 전달 및/또는 동작 가능하도록 한다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 IEEE 1588 PTP(Precision Time Protocol)를 이용한 패킷 전송방식의 시각동기화 측면에 있어서 T/C(Time/Clock)를 이용한 직렬 네트워크 구성시, 기존 기술 최대 15개 노드(750ns) 구성에 제약을 받지 않고 20~30개 이상의 장치 구성이 가능하여 대규모 전력설비의 보호제어자동화용 네트워크시스템의 설계와 구현, 운영을 용이하게 한다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 네트워크 시스템내에 각종 클럭장치(TC(Tranparent Clock), BC(Boundary Clock), OC(Ordinary Clock)), 스위치 등이 부설되더라도 IED, MU 등 네트워크 내 타 장비들간의 전류, 전압 데이터값의 최적화 동기신호 제공으로 오차(위상, 시간) 없는 고정밀 샘플링 동기 유지가 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 마스터 클럭과 연계한 고정밀 시각동기 알고리즘을 적용함으로써 기존 기술을 적용한 시스템의 운용 시, 시각동기 오차 확대로 인한 일시적인 오동작과 이로 인한 큰 사고를 방지하여 변전소 보호제어 자동화시스템의 운용신뢰도를 극대화할 수 있으며 향후, 지능형 어플리케이션 시스템의 효과적인 적용과 운영시스템의 고도화 및 효율 향상을 기대할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 기존 설비 대비 더욱 정밀한 시각 동기화 기술을 제공하여 분산전원, 계통해석, 발/변전소 등 다양한 전력설비의 위상분석, 보호제어, 고장분석 기능을 효과적으로 달성할수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 변전 자동화 시스템의 주요 구성장치 접속 구조도이다.
도 2는 일반적인 전력설비 프로세스 버스 네트워크 적용 보호 제어 자동화 시스템의 구성 개요도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치의 구성 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 시각 동기화 과정을 보여주는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치(300)의 구성 블럭도이다. 도 3을 참조하면, 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치(300)는, 제 1 기준 클럭신호를 생성하는 수신기(320), 상기 제 1 기준 클럭신호와 이종관계인 제 2 기준 클럭 신호를 생성하는 클럭 신호 생성기(330), 제 1 기준 클럭 또는 제 2 기준 클럭 신호를 선택하는 선택기(340), 제 1 기준 클럭 또는 제 2 기준 클럭과 발진기(380)로부터의 미리 생성되는 현재 동기 클럭 신호를 비교하는 비교기(350), 비교 결과에 따라 동기 제어를 위한 제어 출력 신호를 생성하는 제어기(360), 제어 출력 신호를 수치값-전압값 변환하여 변환 출력값을 생성하는 변환기(370), 변환 출력값으로 위상 및 주파수를 동시에 동기화시켜 최종 동기 클럭 신호를 생성하는 발진기(380) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
수신기(320)는 GPS(Global Positioning System) 위성(310)으로부터 GPS 신호를 수신하여 제 1 기준 클럭 신호(PPS: Pulse Per Second)를 생성한다.
클럭 신호 생성기(330)는 이더넷 프로토콜(Ethernet protocol)인 1588 PTP(Precision Time Protocol) 통신에서 추출하는 PPS 신호를 선택하여 제 2 기준 클럭 신호를 생성한다.
선택기(340)는 제 1 기준 클럭 또는 제 2 기준 클럭 신호를 선택하는 기능을 수행한다. 부연하면, 마스터 시각 동기 신호를 수신하는데 있어서 GPS 수신기로부터의 PPS 신호 또는 이더넷 망을 통한 IEEE1588 PTP 신호를 입력받아서 사용자의 선택에 의해 필요로 하는 시각동기 신호를 선택하는 기능을 수행한다.
비교기(350) 앞단에서 분기되는 기준 클럭(PPS)은 GPS를 통한 마스터 클럭에서 제공되는 신호로, 마스터 클럭의 정상동작(비고장) 상태에서 항상 제공되는 신호이다. 비교/제어/변환/발진기 등을 통한 동기 클럭은 기준 클럭이 제공되지 않을 때 기준 클럭을 대체하는 기능을 갖도록 생성되는 클럭 신호이다. 따라서, 기준 클럭은 마스터 클럭 정상 동작/제공 시, 각 전자 장치별 내부의 시각 동기화 모듈에 제공되는 클럭신호이다.
비교기(350)는 제 1 기준 클럭 신호 또는 제 2 기준 클럭 신호와 발진기(380)로부터 출력되고 있는 현재 동기 클럭 신호를 비교하는 기능을 수행한다.
마스터 클럭(즉, 수신기(320) 또는 클럭 신호 생성기(330))로부터의 기준 시각 동기 신호(PPS)(즉, 제 1 기준 클럭 신호 또는 제 2 기준 클럭 신호)가 입력되지 않고 장시간(예를 들면, 10분) 상실될 경우, 기준 시각동기 신호와 수치 제어 발진기(NCO: Numerically Controlled Oscillator)(380)로부터의 출력 클럭 신호(즉 현재 동기 클럭 신호)를 상호 비교하여 기준 신호 및 클럭 신호간의 차분값을 추출하는 기능을 수행한다. 엄밀하게 말하면, 마스터 클럭의 기준 동기 신호(PPS)와 자체 전압 제어 발진(VCO: Voltage Controlled Oscillator) 클럭 신호와의 차분값을 추출하는 기능을 수행한다.
마스터 클럭의 기준클럭과 전자장치 자체의 동기클럭은 모두 10MHz의 구형파로 구성되며, 1초 단위로 최우선 라이징 에지의 시점을 기록하게 된다. 기준클럭의 라이징 에지 시점과 동기클럭의 라이징 에지 시점의 시간차를 계산한 값이 차분값이며, 이 차분값은 곧 위상차이로 정의할 수 있다.
비교는 기준이 되는 마스터 클럭과 자체 전압 제어 발진 클럭 신호와의 오차가 최소화되도록 차분값을 비교하는 TOF(Time of Flight) 차분 비교가 될 수 있다. 즉 차분값은 TOF(Time of Flight) 차분 비교를 통해 산출될 수 있다.
제어기(360)는 비교 결과에 따라 동기 제어를 위한 제어 출력 신호를 생성하는 기능을 수행한다. 부연하면, 비교기(350)로부터 출력되는 시각 동기화 운용시 샘플링되는 기준 클럭신호의 고정밀도 구현을 위해 PID(Proportional Integral Derivative Control : 비례적분미분) 제어 기능을 수행한다.
부연하면, 기준클럭에 대해 동기클럭의 위상값이 앞서거나 뒤처지는 경우는 전자장치 동기클럭의 주파수가 정확히 약 10MHz가 되지 않은 경우에 발생하게 된다. 따라서 소프트웨어적인 제어명령에 의해 동기클럭이 10MHz 이하/이상일때는 전압의 주파수를 비교기(350)를 통해 추출한 차분값의 크기(즉, 위상차)를 고려하여 전압 주파수 수치값에 대해 PID 제어기를 통한 증감제어로 제어 출력값을 도출하고 이 출력값을 변환기를 통해 전압값으로 변환후 발진기를 통해 고정밀 구형파를 생성함한다. PID 제어를 통한 차분값은 더 이상 확대되지 않고 점점 작은값으로 수렴해 간다.
변환기(370)는 제어 출력 신호를 수치-전압값으로 변환하여 변환 출력값을 생성하는 기능을 수행한다. 부연하면, 수신기(320) 또는 클러 신호 생성기(330)로부터의 외부 PPS 신호(즉, 기준 클럭 신호(PPS))를 상실하더라도, 기준 클럭 신호(PPS)를 잃기 직전 일정기간의 안정적인 제어값의 평균값과 유효값을 계산하여 수치값-전압값 변환(NVC: Numeric to Voltage Conversion)을 통해 수치제어 발진기(NCO)(380)를 제어하도록 하는 기능을 수행한다.
부연하면, 변환 출력값은 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호를 상실하기 직전 일정기간의 제어값의 평균값과 유효값을 계산하여 수치값-전압값 변환(NVC: Numeric to Voltage Convertsion)을 통해 산출된다.
발진기(380)는 변환 출력값으로 위상 및 주파수를 동시에 동기화시켜 최종 동기 클럭 신호를 생성하는 기능을 수행한다. 일반적으로 마스터 클럭(주시각원)으로부터의 동기신호를 수신하여 내부 고정형 발진기와의 시각 차이를 보정하는 기능을 수행한다. 본 발명의 일실시예에서는 위상 제어 및 주파수 제어가 가능한 발진기능을 갖는 샘플링(Sampling) 클럭신호를 제공하여 기준 PPS와의 동기를 맞추는 것이 특징으로 한다.
또한, 발진기(380)는 발진기 출력단의 클럭 신호를 기준클럭과 비교하여 상호간의 지연에 의한 위상/시간 정보를 비교하여 그 차분에 대하여 보정을 수행하도록 지원하는 기능을 수행한다. 즉, 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호와 상기 발진기(380)의 자체 전압 제어 발진 클럭 신호와의 차분값을 보정하여 최종 동기 클럭 신호를 생성한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 시각 동기화 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 기준 클럭을 GPS 수신기(320)에서 송출하는 PPS 신호와 이더넷 프로토콜(Ethernet protocol)인 1588 PTP 통신에서 추출하는 PPS 신호를 선택할 수 있는 구성을 갖추고 신호의 샘플링 단계에서는 고 정밀 시각동기 클럭을 제공하여 고효율, 고성능 보호제어 자동화 시스템의 운용을 가능하게 한다.
IEEE PTP 등 신규 국제표준의 가이드에도 불구하고 MU(Merging Unit), 스위치, IED(Intelligent Electronic Device: 지능형 전자장치) 등의 기기 단일링 내에서 접속되는 시스템에서 IEEE PTP 및 TC(Transparent Clock)를 이용한 활용 시는 효과적인 보호제어 자동화시스템의 구현을 위해 기기의 수량 확대가 불가피해지게 되고 이로 인해 시각동기 오차가 확대되어 다수 기기의 접속 또는 네트워크시스템의 구성에 제약요소로 작용하게 된다.
IEEE 1588 PTP 및 TC를 활용한 노드의 구성은 장치 내부의 정밀도 오차 최대 한도(1μs)를 충족시키기 위한 방안으로 여유분을 고려하여 750ns 정도를 한도로 규정하고 있어 네트워크 내 직렬구성 노드(장치)는 대략 최대 15개로 한정된다. 이는 곧 효과적인 네트워크 시스템의 설계와 구성을 위한 제약요소로 작용하게 된다.
최근, 글로벌 디지털 변전소에 확대 적용되고 있는 IEEE 1588 PTP(Precision Time Protocol)은 변전소내의 이더넷 네트워크를 통해 기준(Reference) 시간정보를 배분하기 위한 시각동기화 방법으로 네트워크 시스템에서 효과적인 방식으로 활용되고 있다.
정밀도가 미흡한 경우는 이를 보완하기 위해 IEC 61588 및 IEEE에서는 MU의 시각동기 신호의 처리를 위해 IEEE 1588-PTP 기반의 시각 동기화 방식으로 마스터 클럭과 시각 동기화 수행을 하도록 하고 있다. PTP 적용 시각 동기화 기술 적용 특성을 비교하면 다음 표와 같다.
PTP(Precision Time Protocol) NTP(Network Time Protocol) IRIG-B
정밀도 1 마이크로 세컨드 1 밀리 세컨드 1마이크로 세컨드
시각동기
운영구조		 마스터-슬레이브 서버-클라이언트 마스터-슬레이브
하드웨어 지원
필요 유무		 필요 불필요 필요
시각동기
네트워크 구성		 LAN(Local Area Network) WAN(Wide Area Network) 전용 케이블
NTP는 패킷 교환, 가변 레이턴시 데이터 네트워크를 통해 컴퓨터 시스템 간 시간 동기화를 위한 네트워크 프로토콜이다.
IRIG-B는 일반적으로 IRIG 타임 코드로 알려진 범위 간 계측 그룹 타임 코드는 타이밍 정보를 전송하기위한 표준 형식이다.
도 4를 계속 참조하면, 기준 시각동기 신호와 수치 제어 발진기(NCO)로부터의 전압 제어 발진기의 출력 클럭의 신호를 상호 비교하여 기준 신호 및 클럭 신호간의 차분값을 추출한다(단계 S420).
이후, 시각동기화 운용시 샘플링 되는 기준 클럭신호의 고정밀도 구현을 위해 PID(Proportional Integral Derivative Control : 비례적분미분) 제어기능을 수행한다(단계 S430). 부연하면, 계산 수치에 따라 주파수 제어가 가능한 구조로 수치제어 기반의 발진 기능을 수행하는 수치 제어 발진기(NCO : Numerically Controlled Oscillator)와 TOF 차분 비교기, PID 제어기 등을 이용하여 고정밀 시각 동기화 알고리즘을 구동한다.
정상운영시 마스터 클럭이 정상동작 중일 때, 각 장치별 내장형 시각동기화 장치가 마스터 클럭으로부터의 특정기간 동안의 입력클럭에 대하여 수치제어 발진기(NCO)의 위상과 주파수를 PID 제어를 통해, 지속적으로 입력되는 마스터 클럭과 일치시키는 알고리즘을 갖는 기능을 갖도록 한 것이다.
이 경우, 마스터 클럭으로부터의 시각동기 신호를 상실할 경우, 수치제어 발진기(NCO) 내부의 전압 제어 발진기(VCO)로부터 출력된 클럭 제어 신호를 시각 동기를 잃기 직전의 일정기간 동안의 평균값을 산출한다. 이후, 이것을 활용하여 이값을 안정적으로 유지 하도록(Holding) 함으로써, 시각동기 상실기간 동안에도 동기화된 신호를 지속적으로 데이터 샘플링 부에 전달하여 고정밀 시각동기화 운용이 가능하도록 한다.
이후, 신호를 잃기 직전 일정기간의 안정적인 제어값의 평균값과 유효값을 계산하여 수치값-전압값 변환(NVC, Numeric to Voltage Conversion)을 통해 수치제어 발진기(NCO)(380)를 제어한다(단계 S440).
이후, 최종적으로, 발진기 출력단의 클럭신호를 기준 클럭과 비교하여 상호간의 지연에 의한 위상/시간 정보를 비교하여 그 차분에 대하여 보정을 수행하여 최종 동기 클럭 신호를 생성하여 출력한다(단계 S450).
그러므로, 외부 PPS 신호를 상실하더라도, 신호를 잃기 직전 일정기간의 안정적인 제어값의 평균값과 유효값을 계산하여 수치값-전압값 변환기(NVC, Numeric to Voltage Converter)로 제공하여 수치제어 발진기(NCO)(380)를 제어할 수 있게 된다.
따라서, 클럭의 주파수나 위상이 변하지 않는 상태를 지속적으로 유지 가능하게 되어, 마스터로부터의 기준 PPS가 없는 상태에서도 마스터 클럭과의 시각동기 오차에 대한 문제점을 최소화하여 운영 가능하다.
기준 클럭을 GPS 수신기(320)에서 송출하는 PPS 신호와 이더넷 프로토콜(Ethernet protocol)인 1588 PTP 통신에서 추출하는 PPS 신호를 선택할 수 있는 구성을 갖추면서 신호의 샘플링 단계에서는 고 정밀 시각동기 클럭을 제공하여 고효율, 고성능 보호제어 자동화 시스템의 운용을 가능하다.
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM: Read Only Memory), 램(RAM: Random Access Memory), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
110: 스테이션 제어기 120: 클럭 유닛
130: IED(Intelligent Electronic Device) 140: 머징 유닛
210-1,210-2: 마스터 클럭
220: 네트워크 230: 리모트 억세스
300: 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치
310: GPS(Global Positioning System) 위성
320: 수신기 330:클럭 신호 생성기
340: 선택기 350: 비교기
360: 제어기 370: 변환기
380: 발진기

Claims (16)

  1. 제 1 기준 클럭신호를 생성하는 수신기(320);
    상기 제 1 기준 클럭신호와 이종관계인 제 2 기준 클럭 신호를 생성하는 클럭 신호 생성기(330);
    상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호를 선택하는 선택기(340);
    상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭과 미리 생성되는 현재 동기 클럭 신호를 비교하는 비교기(350);
    상기 비교 결과에 따라 동기 제어를 위한 제어 출력 신호를 생성하는 제어기(360);
    상기 제어 출력 신호를 수치값-전압값 변환하여 변환 출력값을 생성하는 변환기(370); 및
    상기 변환 출력값으로 위상 및 주파수를 동시에 동기화시켜 최종 동기 클럭 신호를 생성하는 발진기(380);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기준 클럭 신호는 GPS(Global Positioning System) 신호를 이용하여 생성되며, 상기 제 2 기준 클럭 신호는 PTP(Precision Time Protocol) 통신으로부터 추출되는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 PTP 통신은 IEEE 1588 PTP 통신인 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 비교기(350)는 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호가 특정 시간 동안 입력되지 않으면, 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호와 상기 발진기(380)의 자체 전압 제어 발진 클럭 신호와의 차분값을 추출하는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 차분값은 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호와 상기 발진기(380)의 자체 전압 제어 발진 클럭 신호와의 오차가 최소화되도록 TOF(Time of Flight) 차분 비교를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 출력 신호는 PID(Proportional Integral Derivative Control : 비례적분미분) 제어 기능을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환 출력값은 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호를 상실하기 직전 일정기간의 제어값의 평균값과 유효값을 계산하여 수치값-전압값 변환(NVC: Numeric to Voltage Conversion)을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호는 PPS(Pulse Per Second)인 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치.
  9. (a) 수신기(320)가 제 1 기준 클럭신호를 생성하는 단계;
    (b) 클럭 신호 생성기(330)가 상기 제 1 기준 클럭신호와 이종관계인 제 2 기준 클럭 신호를 생성하는 단계;
    (c) 선택기(340)가 상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호를 선택하는 단계;
    (d) 비교기(350)가 상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭과 미리 생성되는 현재 동기 클럭 신호를 비교하는 단계;
    (e) 제어기(360)가 상기 비교 결과에 따라 동기 제어를 위한 제어 출력 신호를 생성하는 단계;
    (f) 변환기(370)가 상기 제어 출력 신호를 수치값-전압값 변환하여 변환 출력값을 생성하는 단계; 및
    (g) 발진기(380)가 상기 변환 출력값으로 위상 및 주파수를 동시에 동기화시켜 최종 동기 클럭 신호를 생성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 기준 클럭 신호는 GPS(Global Positioning System) 신호를 이용하여 생성되며, 상기 제 2 기준 클럭 신호는 PTP(Precision Time Protocol) 통신으로부터 추출되는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 PTP 통신은 IEEE 1588 PTP 통신인 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 (d) 단계는, 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호가 특정 시간 동안 입력되지 않으면, 상기 비교기(350)가 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호와 상기 발진기(380)의 자체 전압 제어 발진 클럭 신호와의 차분값을 추출하는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 차분값은 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호와 상기 발진기(380)의 자체 전압 제어 발진 클럭 신호와의 오차가 최소화되도록 TOF(Time of Flight) 차분 비교를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 출력 신호는 PID(Proportional Integral Derivative Control : 비례적분미분) 제어 기능을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 변환 출력값은 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호를 상실하기 직전 일정기간의 제어값의 평균값과 유효값을 계산하여 수치값-전압값 변환(NVC: Numeric to Voltage Conversion)을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호는 PPS(Pulse Per Second)인 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 방법.
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