WO2012002617A1 - 전력 품질 측정 장치 및 방법 - Google Patents

전력 품질 측정 장치 및 방법 Download PDF

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WO2012002617A1
WO2012002617A1 PCT/KR2010/006564 KR2010006564W WO2012002617A1 WO 2012002617 A1 WO2012002617 A1 WO 2012002617A1 KR 2010006564 W KR2010006564 W KR 2010006564W WO 2012002617 A1 WO2012002617 A1 WO 2012002617A1
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WO
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waveform signal
signal
current
voltage
harmonic distortion
Prior art date
Application number
PCT/KR2010/006564
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English (en)
French (fr)
Inventor
박용업
이건행
김석곤
이병성
김상준
최성훈
Original Assignee
한국전력공사
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/25—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using digital measurement techniques
    • G01R19/2513—Arrangements for monitoring electric power systems, e.g. power lines or loads; Logging

Definitions

  • the present invention relates to a power quality measuring apparatus and method.
  • An object of the present invention is to provide a power quality measuring apparatus and method that can reduce the voltage and current waveform information for harmonic measurement and analysis to reduce the burden on the device and reduce the manufacturing cost.
  • a power quality measuring apparatus is provided.
  • the power quality measuring device includes a detector for acquiring a voltage waveform signal and a current waveform signal at predetermined time intervals in a power system and sampling the sample at a predetermined sampling period, and converting a sampled voltage waveform signal and a current waveform signal from analog signals to digital signals.
  • Representative waveform signals are generated by superimposing negative and digital waveform voltage signals and current waveform signals, and fast Fourier transforms are performed on the representative waveform signals to decompose the fundamental and order harmonics. It includes a calculation unit for calculating the total harmonic distortion factor using the harmonic signal to compare with a preset harmonic distortion factor reference value and a communication unit for transmitting the total harmonic distortion factor to the outside.
  • a method of measuring power quality is provided.
  • the power quality measuring method includes acquiring a voltage waveform signal and a current waveform signal at set time intervals in a power system, sampling each of the acquired voltage waveform signal and current waveform signal at a set period, a voltage waveform signal sampled during a set measurement period, Generating a voltage representative waveform signal and a current representative waveform signal by superimposing each of the current waveform signals in one cycle, and performing fast Fourier transform analysis of the voltage representative waveform signal and the current representative waveform signal, and analyzing the voltage representative waveform signal and the current representative waveform. Computing the ratio of the effective value of the fundamental wave and the effective value of the total harmonics from each of the signals to calculate the total harmonic distortion factor and transmitting the total harmonic distortion factor to the outside.
  • the power quality measuring apparatus may reduce the number of operations for decomposing harmonic components by performing fast Fourier transform on a representative waveform signal.
  • the power quality measuring apparatus may reduce and store the harmonic data amount for each order.
  • the power quality measuring device can reduce the amount of data transmitted and reduce the network load by transmitting only the total harmonic distortion factor to the server for monitoring the power system.
  • FIG. 1 is a view showing a power quality monitoring system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a power quality measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 3 to 5 are diagrams for describing an operation of the power quality measuring apparatus of FIG. 2.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of measuring power quality according to an embodiment of the present invention.
  • one component when one component is referred to as “connected” or “connected” with another component, the one component may be directly connected or directly connected to the other component, but in particular It is to be understood that, unless there is an opposite substrate, it may be connected or connected via another component in the middle.
  • FIG. 1 is a view showing a power quality monitoring system according to an embodiment of the present invention.
  • the power quality monitoring system includes a power quality measuring apparatus 100 and a server 200.
  • the power quality measuring apparatus 100 is connected to a VCT (transformer, current transformer) of the power system 10.
  • VCT transformer, current transformer
  • the power quality measuring apparatus 100 obtains a voltage waveform signal and a current waveform signal from three voltage transformers PT and three current transformers CT installed in a VCT (transformer, current transformer).
  • the power quality measuring apparatus 100 samples each of the acquired voltage waveform signal and current waveform signal at a preset sampling period.
  • the power quality measuring apparatus 100 converts an analog signal of each of the sampled voltage waveform signal and the current waveform signal into a digital signal.
  • the power quality measuring apparatus 100 generates the voltage representative waveform signal and the current representative waveform signal by superimposing each of the converted voltage waveform signal and the current waveform signal in one cycle unit.
  • each of the voltage representative waveform signal and the current representative waveform signal is generated as an average value of waveform signals superimposed in one cycle.
  • the power quality measuring apparatus 100 performs fast Fourier transform on the voltage representative waveform signal and the current representative waveform signal to decompose the fundamental wave and the harmonics of each order.
  • the fast Fourier transform is a method of fast transforming into a frequency domain due to the Fourier theorem that a single signal can be expressed as a sum of countless signals (sine waves).
  • the power quality measuring apparatus 100 performs fast Fourier transform on a voltage representative waveform signal to decompose a voltage fundamental wave and voltage harmonics of each order.
  • the power quality measuring apparatus 100 performs a fast Fourier transform on the current representative waveform signal to decompose the current fundamental wave and the current harmonic of each order.
  • the power quality measuring apparatus 100 calculates a ratio of the effective value of the fundamental wave decomposed from the voltage representative waveform signal and the current representative waveform signal to the total harmonic effective value to calculate a total harmonic distortion (THD).
  • TDD total harmonic distortion
  • the power quality measuring apparatus 100 transmits the calculated total harmonic distortion rate to the server 200.
  • the server 200 receives a result value of the total harmonic distortion factor from the power quality measuring apparatus 100.
  • the server 200 may store the result of the total harmonic distortion.
  • the server 200 may further include a database for storing the result of the total harmonic distortion.
  • FIG. 2 is a view showing a power quality measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 3 to 5 are exemplary diagrams for describing an operation of the power quality measuring apparatus of FIG. 2.
  • the power quality measuring apparatus 100 may include a detector 110, a signal converter 120, a calculator 130, a display 140, a warning 150, The storage unit 160 and the communication unit 170 is included.
  • the detector 110 acquires each of a continuous voltage waveform signal and a current waveform signal at time intervals set by the power system 10, and samples each sample at a preset sampling period.
  • the detector 110 may sample the voltage waveform signal and the current waveform signal acquired every 2 n (n is a natural number of 7 or more). In this case, a period in which the detection unit 110 samples the voltage waveform signal and the current waveform signal is called a sampling period.
  • sampling cycle is 128 or more cycles.
  • sampling period is not limited to more than 128 cycles, but may be less than 128 cycles.
  • the signal converter 120 converts an analog signal of each of the sampled voltage waveform signal and the current waveform signal into a digital signal.
  • the signal converter 120 may include a low pass filter for passing a signal having a low frequency, an amplifier for amplifying the signal, and an analog / digital converter for converting an analog signal into a digital signal.
  • the calculation unit 130 generates a voltage representative waveform signal and a current representative waveform signal by superimposing each of the voltage waveform signal and the current waveform signal converted into a digital signal.
  • the calculation unit 130 overlaps each of the sampled voltage waveform signals and current waveform signals in one cycle, such as the first sampling waveform 310, the second sampling waveform 320, and the third sampling waveform 330 illustrated in FIG. 3. Then sum the values of the same sampling period.
  • the sampling waveforms shown in FIG. 3 are exemplarily illustrated to easily explain the superposition of the sampling signals converted into digital signals. Accordingly, the overlapping of signals performed by the calculator 130 is not limited to FIG. 3.
  • the calculating unit 130 obtains an average value by dividing the number of times by a set period and generates a voltage representative waveform signal and a current representative waveform signal of one cycle as shown in the representative waveform 400 shown in FIG. 4.
  • the representative waveform 400 illustrated in FIG. 4 is exemplarily illustrated to easily explain the voltage representative waveform signal and the current representative waveform signal generated by the calculator 130. Accordingly, each of the voltage representative waveform signal and the current representative waveform signal generated by the calculator 130 is not limited to FIG. 4.
  • the calculation unit 130 performs a fast Fourier transform on each of the voltage representative waveform signal and the current representative waveform signal to convert the fundamental wave 500 and the harmonics 510, 520, 530, and 540 shown in FIG. 5 from the voltage representative waveform signal and the current representative waveform signal, respectively. Disassemble. For example, the calculator 130 performs fast Fourier transform on the voltage representative waveform signal to decompose the voltage fundamental wave and the voltage harmonics of each order. In addition, the calculating unit 130 performs fast Fourier transform on the current representative waveform signal to decompose the current fundamental wave and the current harmonic of each order.
  • the fundamental wave 500 and the harmonics 510, 520, 530, and 540 of each order illustrated in FIG. 5 are exemplarily illustrated to easily explain the fast Fourier transform of the calculator 130. Accordingly, the fast Fourier transform performed by the calculator 130 is not limited to FIG. 5.
  • the calculation unit 130 calculates the ratio of the effective value of the voltage fundamental wave decomposed from the voltage representative waveform signal to the effective value of the total voltage harmonics to calculate the total harmonic distortion of the voltage. In addition, the calculating unit 130 calculates the ratio of the effective value of the current fundamental wave decomposed from the current representative waveform signal and the effective value of the total current harmonics to calculate the total harmonic distortion ratio of the current.
  • the total harmonic distortion rate evaluates the harmonics of voltage and current in the power system 10 to the extent that the waveform is distorted.
  • the total harmonic distortion is the ratio of the sum of the effective values of all harmonic components up to the measurement order with respect to the effective value of the basic components. That is, the total harmonic distortion may be represented by Equation 1 below.
  • Q is the current or voltage
  • Q1 is the effective value of the fundamental component
  • h is the harmonic order
  • Qh is the effective value of the h-th harmonic.
  • the calculation unit 130 compares each of the harmonic distortion ratios of the voltage and current with the harmonic distortion factor reference values set for power quality management of the power system 10.
  • the harmonic distortion ratio reference value may be set to about 5%.
  • the calculation unit 130 detects an abnormal occurrence of the power system 10 when the total harmonic distortion ratio exceeds the harmonic distortion ratio reference value as a result of the comparison. In this case, when the total harmonic distortion ratio exceeds the harmonic distortion ratio reference value, the calculation unit 130 transmits a warning signal to the warning unit 150 to check the harmonic components of the voltage and current for each order.
  • the warning unit 150 receives a warning signal from the calculating unit 130 and warns of an abnormality of the power system 10.
  • the warning unit 150 may warn of harmonic components of voltage and current for each order.
  • the display unit 140 receives and displays the total harmonic distortion of each of the voltage and the current from the calculator 130.
  • the display unit 140 displays a comprehensive harmonic distortion ratio as an image.
  • the display unit 140 may include a display device for displaying the total harmonic distortion of each of voltage and current, and a driver for driving the display device.
  • the storage unit 160 stores the total harmonic distortion of each of the voltage and the current for backup. In addition, the storage unit 160 stores harmonic distortion factor reference values set for power quality management of the power system 10. The storage 160 may provide the harmonic distortion factor reference value to the calculator 130 according to a request of the calculator 130.
  • the communicator 170 transmits a comprehensive harmonic distortion factor and a warning signal of each of voltage and current.
  • the communication unit 170 may include an Ethernet driver, an RS422 driver, and an access port for communication with the outside. In this case, the communication unit 170 transmits only a result value or a warning signal of the total harmonic distortion ratio to the outside, thereby significantly reducing the amount of transmission data than when transmitting the voltage representative waveform signal and the current representative waveform signal.
  • the power quality measuring apparatus 100 calculates a value obtained by fast Fourier transforming an average waveform obtained by adding a continuous waveform and dividing by an additional period.
  • the value calculated here is calculated by the Harmonic Measurement Standard of IEC61000-4-30 of the International Electrotechnical Commission (IEC). . Examination of the error between the calculated value and the merged value will be described with reference to Tables 1 to 3 below.
  • Table 1 shows experimental values obtained by measuring the magnitude of the fundamental wave by fast Fourier transforming the waveform signal of the first cycle according to the harmonic measurement standard of IEC61000-4-30 of the International Electrotechnical Commission.
  • Table 1 shows a fundamental wave size of about 220 calculated using a sampling value, a sine component, and a cosine component for each cycle of the first cycle according to the harmonic measurement standard of IEC61000-4-30.
  • Table 2 shows experimental values obtained by measuring the magnitude of the fundamental wave by fast Fourier transforming the waveform signal of the second cycle according to the harmonic measurement standard of IEC61000-4-30 of the International Electrotechnical Commission.
  • Table 2 shows a fundamental wave size of about 200 calculated using the sampling value, sine component, and cosine component of each cycle of the second cycle according to the harmonic measurement standard of IEC61000-4-30.
  • the value obtained by combining the fundamental wave size of the first cycle and the fundamental wave size of the second cycle is calculated as 210.139.
  • Table 3 shows experimental values obtained by summing the continuous waveforms of the first cycle and the second cycle and measuring the magnitude of the fundamental wave by fast Fourier transforming the average waveform made of one cycle.
  • Table 3 shows the fundamental wave size of 210.141 calculated using the periodic sampling value, sine component and cosine component of the average waveform.
  • the power quality measurement apparatus according to an embodiment of the present invention generates an average waveform by dividing the interval for 10 minutes by successively adding the cycles and performing the same fast Fourier transform to calculate the same result as calculated by the IEC standard. Can be.
  • Conventional harmonic measurement and monitoring systems sample voltage and current waveforms every 0.2 seconds and perform fast Fourier transforms to evaluate harmonic characteristics. For example, when evaluating a 10-minute value for a long-term measurement of a three-phase power supply, the amount of data to be processed is 3000 fast Fourier transforms, stores 3000 results, and calculates a 10-minute harmonic characteristic.
  • the power quality monitoring system may reduce the number of operations from 3000 to 1 by calculating a waveform of one cycle of 10 minutes and performing one fast Fourier transform.
  • the power quality measuring apparatus may reduce 18300 (3000 ⁇ 61 (angular harmonic result)) data into one data when storing harmonic order-specific values. That is, the power quality measuring apparatus can reduce the amount of data to be transmitted to the server for monitoring the power system by about 18300 times or more.
  • the power quality measurement apparatus may obtain the same result as the conventional method of merging waveforms acquired during the measurement period and measuring the magnitude of the fundamental wave by fast Fourier transform.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of measuring power quality according to an embodiment of the present invention. Each step performed below is performed by each internal component of the power quality measuring apparatus, but will be collectively described as a power quality measuring apparatus for the convenience of understanding and explanation.
  • step S10 the power quality measurement device acquires each of the voltage waveform signal and the current waveform signal of the power system to which the power quality measurement device is connected, at predetermined time units, and samples each of the acquired voltage waveform signal and current waveform signal at a predetermined sampling period. . Since this is the same as described above, overlapping description thereof will be omitted.
  • step S20 the power quality measuring device generates the voltage representative waveform signal and the current representative waveform signal by superimposing each of the sampled voltage waveform signal and current waveform signal during one measurement cycle in one cycle.
  • the power quality measuring apparatus may overlap each of the sampled voltage waveform signal and the current waveform signal in one cycle, calculate an average value thereof, and generate the voltage representative waveform signal and the current representative waveform signal using the average values thereof.
  • step S30 the power quality measuring apparatus performs a fast Fourier transform on each of the generated voltage representative waveform signal and current representative waveform signal. This decomposes the fundamental and order harmonics from the voltage representative waveform signal and the current representative waveform signal, respectively.
  • step S40 the power quality measuring apparatus calculates the ratio of the effective value of the fundamental wave and the effective value of the total harmonics to calculate the total harmonic distortion of the voltage.
  • the power quality measuring apparatus calculates the ratio of the effective value of the voltage fundamental wave decomposed from the voltage representative waveform signal to the effective value of the total voltage harmonics to calculate the total harmonic distortion of the voltage. Further, the ratio of the effective value of the current fundamental wave decomposed from the current representative waveform signal to the effective value of all current harmonics is calculated to calculate the total harmonic distortion of the current.
  • a comparison signal After calculating the total harmonic distortion factor, it is compared with the harmonic distortion factor reference value set for managing the power quality of the power system. Next, a comparison signal generates a warning signal when the total harmonic distortion ratio exceeds the harmonic distortion ratio reference value. Next, a warning signal is received to generate a warning sound or a warning indication to warn of an abnormality in the power system.
  • step S50 the power quality measuring apparatus transmits the total harmonic distortion factor of the voltage and the total harmonic distortion factor of the current, respectively.
  • the power quality measurement apparatus may transmit a warning signal to the outside.

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Abstract

본 발명은 전력 품질 측정 장치 및 방법에 관한 것이다. 전력 품질 측정 장치는 전력 계통에서 설정된 시간 간격으로 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호를 취득하여 미리 설정된 샘플링 주기로 샘플링하는 검출부, 샘플링된 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부, 디지털 신호로 변환된 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호를 중첩하여 대표 파형 신호를 생성하고, 대표 파형 신호에 고속 퓨리에 변환을 수행하여 기본파 및 차수별 고조파를 분해하며, 기본파 신호 및 각 차수의 고조파 신호를 이용하여 종합 고조파 왜형률을 산출하여 미리 설정된 고조파 왜형률 기준값과 비교하는 연산부 및 종합 고조파 왜형률을 외부로 전송하는 통신부를 포함한다.

Description

전력 품질 측정 장치 및 방법
본 발명은 전력 품질 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
산업 설비들이 대형화 되면서 고조파나 플리커를 대량으로 발생시키는 경우가 생겨나고 있어서, 정전이 아닌데도 전압이 순간적으로 강하하고, 고조파가 발생하여 예민한 특성을 가진 전기기기를 사용하는 수용가의 경우 순간적으로 전기기기의 동작이 정지되는 등 전기 품질과 관련된 현상이 빈번하게 발생하고 있다.
현재 국내의 경우에는 국제 전기 표준 회의(IEC: International Electrotechnical Commission)의 규격에 근거하여 전기품질 관련규격을 제정 및 개정하고 있다. IEC 규격에 의하면 전기품질 평가를 위한 측정은 수용가 인입점(PCC)에서 수행해야 한다. 이럴 경우 전력회사는 전기품질을 관리하기 위해서 모든 수용가 인입점에 PQMS(Power Quality Monitoring System)을 구축해야 하고, 관련규격에 적합한 데이터를 취득하기 위한 연산속도 및 정밀도를 고려하면 매우 고가의 장비가 필요하게 된다. 따라서 고가의 구축비용 및 관리대상 개소가 너무 많아 전력회사에서는 PQMS을 이용한 상시 모니터링이 어렵다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고조파 측정 및 분석을 위한 전압 전류 파형 정보를 감소시켜 장치의 부담을 줄이고 제작 비용을 절감할 수 있는 전력 품질 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전력 품질 측정 장치를 제공한다.
전력 품질 측정 장치는 전력 계통에서 설정된 시간 간격으로 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호를 취득하여 미리 설정된 샘플링 주기로 샘플링하는 검출부, 샘플링된 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부, 디지털 신호로 변환된 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호를 중첩하여 대표 파형 신호를 생성하고, 대표 파형 신호에 고속 퓨리에 변환을 수행하여 기본파 및 차수별 고조파를 분해하며, 기본파 신호 및 각 차수의 고조파 신호를 이용하여 종합 고조파 왜형률을 산출하여 미리 설정된 고조파 왜형률 기준값과 비교하는 연산부 및 종합 고조파 왜형률을 외부로 전송하는 통신부를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전력 품질 측정 방법을 제공한다.
전력 품질 측정 방법은 전력 계통에서 설정된 시간 간격으로 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호를 취득하는 단계, 취득한 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호 각각을 설정된 주기로 샘플링하는 단계, 설정된 측정 주기 동안 샘플링된 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호 각각을 하나의 사이클로 중첩하여 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호를 생성하는 단계, 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호를 고속 퓨리에 변환하여 분석하는 단계, 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호 각각으로부터 기본파의 실효치와 전체 고조파의 실효치 비율을 계산하여 종합 고조파 왜형률을 산출하는 단계 및 종합 고조파 왜형률을 외부로 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 품질 측정 장치는 대표 파형 신호에 고속 퓨리에 변환을 수행함으로써 고조파 성분을 분해하기 위한 연산 횟수를 줄일 수 있다. 또한, 전력 품질 측정 장치는 차수별 고조파 데이터량을 감소시켜 저장할 수 있다. 또한, 전력 품질 측정 장치는 전력 계통의 모니터링을 위해 종합 고조파 왜형률만 서버로 전송함으로써 전송하는 데이터량을 감소시키고 네트워크 부하를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 품질 모니터링 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 품질 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 5는 도 2의 전력 품질 측정 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 품질 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 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.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 전력 품질 모니터링 시스템에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 품질 모니터링 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 전력 품질 모니터링 시스템은 전력 품질 측정 장치(100) 및 서버(200)를 포함한다.
전력 품질 측정 장치(100)는 전력 계통(10)의 VCT(변압, 변류장치)에 연결된다. 구체적으로 전력 품질 측정 장치(100)는 VCT(변압, 변류장치)에 설치된 3개의 전압변성기(PT) 및 3개의 전류변성기(CT)로부터 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호 각각을 취득한다. 전력 품질 측정 장치(100)는 취득한 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호 각각을 미리 설정된 샘플링 주기로 샘플링한다. 전력 품질 측정 장치(100)는 샘플링된 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호 각각의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 전력 품질 측정 장치(100)는 변환한 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호 각각을 하나의 사이클 단위로 중첩하여 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호를 생성한다.
여기서 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호 각각은 하나의 사이클로 중첩된 파형 신호들의 평균값으로 생성된다. 전력 품질 측정 장치(100)는 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호에 고속 퓨리에 변환을 실시하여 기본파와 각 차수의 고조파를 분해한다. 여기서 고속 퓨리에 변환은 어떤 하나의 신호는 무수한 신호(정현파)들의 합으로 표현이 가능하다는 퓨리에 정리에 기인하여 주파수 영역으로 고속 변환하는 방법이다. 예를 들어, 전력 품질 측정 장치(100)는 전압 대표 파형 신호에 고속 퓨리에 변환을 실시하여 전압 기본파와 각 차수의 전압 고조파를 분해한다. 또한, 전력 품질 측정 장치(100)는 전류 대표 파형 신호에 고속 퓨리에 변환을 실시하여 전류 기본파와 각 차수의 전류 고조파를 분해한다.
전력 품질 측정 장치(100)는 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호로부터 분해한 기본파의 실효치와 전체 고조파의 실효치의 비율을 계산하여 종합 고조파 왜형률(Total Harmonics Distortion: THD)을 산출한다.
전력 품질 측정 장치(100)는 산출된 종합 고조파 왜형률을 서버(200)로 전송한다.
서버(200)는 전력 품질 측정 장치(100)로부터 종합 고조파 왜형률의 결과값을 수신한다. 서버(200)는 종합 고조파 왜형률의 결과값을 저장할 수 있다. 이를 위해 서버(200)는 종합 고조파 왜형률의 결과값을 저장하는 데이터베이스를 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 품질 측정 장치를 나타내는 도면이다. 도 3 내지 도 5는 도 2의 전력 품질 측정 장치의 동작을 설명하기 위해 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 품질 측정 장치(100)는 검출부(110), 신호 변환부(120), 연산부(130), 표시부(140), 경고부(150), 저장부(160) 및 통신부(170)를 포함한다.
검출부(110)는 전력 계통(10)에서 설정된 시간 간격으로 연속적인 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호 각각을 취득하여 미리 설정된 샘플링 주기로 샘플링한다. 예를 들어, 검출부(110)는 2n(n은 7 이상의 자연수) 주기로 취득된 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호를 샘플링할 수 있다. 이때, 검출부(110)에서 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호를 샘플링하는 주기를 샘플링 주기라고 한다.
일반적으로 주파수 영역의 고조파 성분 분해를 위해서는 최소 128주기 또는 256 주기의 샘플링 주기를 필요로 한다. 이에 따라 본 명세서에서는 샘플링 주기가 128 주기 이상인 것으로 가정하여 설명한다. 다만, 샘플링 주기는 샘플링 주기는 128 주기 이상으로만 한정되는 않으며 128 주기 미만일 수도 있다. 검출부(110)는 지정된 샘플링 주기에 따라 샘플링된 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호를 신호 변환부(120)로 전송한다.
신호 변환부(120)는 샘플링된 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호 각각의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 이를 위해 신호 변환부(120)는 저역의 주파수를 갖는 신호를 통과시키는 로우 패스 필터와 신호를 증폭시키는 앰프 및 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 컨버터를 포함할 수 있다.
연산부(130)는 디지털 신호로 변환된 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호 각각을 중첩하여 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호를 생성한다. 연산부(130)는 도 3에 도시된 제1 샘플링 파형(310), 제2 샘플링 파형(320) 및 제3 샘플링 파형(330)과 같이 샘플링된 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호 각각을 하나의 사이클로 중첩시켜 동일 샘플링 주기의 값들을 합한다. 도 3에 도시된 샘플링 파형들은 디지털 신호로 변환된 샘플링 신호의 중첩을 손쉽게 설명하기 위해 예시적으로 도시되었다. 이에 따라, 연산부(130)에서 수행되는 신호의 중첩이 도 3으로 한정되는 것은 아니다.
연산부(130)는 설정된 기간만큼 회수로 나눠 평균값을 구해 도 4에 도시된 대표 파형(400)과 같이 1 사이클의 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호를 생성한다. 도 4에 도시된 대표 파형(400)은 연산부(130)에서 생성하는 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호를 손쉽게 설명하기 위해 예시적으로 도시되었다. 이에 따라 연산부(130)에서 생성되는 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호 각각이 도 4로 한정되는 것은 아니다.
연산부(130)는 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호 각각에 고속 퓨리에 변환을 수행하여 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호 각각으로부터 도 5에 도시된 기본파(500) 및 차수별 고조파(510,520,530,540)를 분해한다. 예를 들어, 연산부(130)는 전압 대표 파형 신호에 고속 퓨리에 변환을 실시하여 전압 기본파와 각 차수의 전압 고조파를 분해한다. 또한, 연산부(130)는 전류 대표 파형 신호에 고속 퓨리에 변환을 실시하여 전류 기본파와 각 차수의 전류 고조파를 분해한다. 도 5에 도시된 기본파(500) 및 차수별 고조파(510,520,530,540)는 연산부(130)의 고속 퓨리에 변환을 손쉽게 설명하기 위해 예시적으로 도시되었다. 이에 따라 연산부(130)에서 수행되는 고속 퓨리에 변환이 도 5로 한정되는 것은 아니다.
연산부(130)는 전압 대표 파형 신호로부터 분해한 전압 기본파의 실효치와 전체 전압 고조파의 실효치의 비율을 계산하여 전압의 종합 고조파 왜형률을 산출한다. 또한, 연산부(130)는 전류 대표 파형 신호로부터 분해한 전류 기본파의 실효치와 전체 전류 고조파의 실효치의 비율을 계산하여 전류의 종합 고조파 왜형률을 산출한다. 종합 고조파 왜형률은 파형의 찌그러짐 정도로 전력 계통(10)에서 전압 및 전류의 고조파를 평가한다. 여기서 종합 고조파 왜형률은 기본 성분의 실효값에 대한 측정 차수까지의 모든 고조파 성분의 실효값 총합의 비율을 말한다. 즉, 종합 고조파 왜형률은 아래의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2010006564-appb-M000001
여기서 Q는 전류 또는 전압, Q1은 기본 성분의 실효값, h는 고조파 차수, Qh는 h차 고조파의 실효값을 나타낸다.
연산부(130)는 전압 및 전류의 종합 고조파 왜형률 각각을 전력 계통(10)의 전력품질 관리를 위해 설정된 고조파 왜형률 기준값과 비교한다. 여기서 고조파 왜형률 기준값은 약 5%로 설정될 수 있다. 연산부(130)는 비교 결과 종합 고조파 왜형률이 고조파 왜형률 기준값을 초과할 경우 전력 계통(10)의 이상 발생을 감지한다. 이때, 연산부(130)는 종합 고조파 왜형률이 고조파 왜형률 기준값을 초과할 경우 전압 및 전류의 고조파 성분을 차수별로 확인할 수 있는 경고 신호를 경고부(150)로 전송한다.
경고부(150)는 연산부(130)로부터 경고 신호를 수신하여 전력 계통(10)의 이상 발생을 경고한다. 경고부(150)는 전압 및 전류의 고조파 성분을 차수별로 경고할 수 있다.
표시부(140)는 연산부(130)로부터 전압 및 전류 각각의 종합 고조파 왜형률을 수신하여 표시한다. 예를 들면, 표시부(140)는 화상으로 종합 고조파 왜형률을 표시한다. 이를 위해 표시부(140)는 전압 및 전류 각각의 종합 고조파 왜형률을 표시하기 위한 디스플레이 장치 및 디스플레이 장치를 구동하는 구동부를 포함할 수 있다.
저장부(160)는 백업을 위해 전압 및 전류 각각의 종합 고조파 왜형률을 저장한다. 또한, 저장부(160)는 전력 계통(10)의 전력품질 관리를 위해 설정된 고조파 왜형률 기준값을 저장한다. 저장부(160)는 연산부(130)의 요청에 따라 고조파 왜형률 기준값을 연산부(130)로 제공할 수 있다.
통신부(170)는 전압 및 전류 각각의 종합 고조파 왜형률과 경고 신호를 전송한다. 통신부(170)는 외부와의 통신을 위해 이더넷 드라이버, RS422 드라이버 및 접속 포트 등을 포함할 수 있다. 여기서 통신부(170)는 종합 고조파 왜형률의 결과값 또는 경고 신호만 외부로 전송함으로써 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호를 전송할 때보다 전송 데이터량이 현저히 감소된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 품질 측정 장치(100)는 연속적인 파형을 더하고 더한 주기만큼 나눈 평균 파형을 고속 퓨리에 변환한 값을 산출한다. 여기서 산출된 값은 국제 전기 표준 회의(IEC)의 IEC61000-4-30의 고조파 측정 기준에 의해 산출한 결과 - 주기별 전압 및 전류 각각의 파형 신호를 각각 고속 퓨리에 변환하여 병합한 값과 차이가 없다. 산출값과 병합값의 오차에 대한 검토는 아래의 표 1 내지 표 3을 참조하여 설명한다.
표 1
Figure PCTKR2010006564-appb-T000001
표 1은 국제 전기 표준 회의의 IEC61000-4-30의 고조파 측정기준에 따라 제1 사이클의 파형 신호를 고속 퓨리에 변환하여 기본파의 크기를 측정한 실험값을 나타낸다.
표 1에서는 IEC61000-4-30의 고조파 측정기준에 따라 제1 사이클의 주기별 샘플링값, 사인 성분 및 코사인 성분을 이용하여 산출된 약 220의 기본파 크기를 나타낸다.
표 2
Figure PCTKR2010006564-appb-T000002
표 2는 국제 전기 표준 회의의 IEC61000-4-30의 고조파 측정기준에 따라 제2 사이클의 파형 신호를 고속 퓨리에 변환하여 기본파의 크기를 측정한 실험값을 나타낸다.
표 2에서는 IEC61000-4-30의 고조파 측정기준에 따라 제2 사이클의 주기별 샘플링값, 사인 성분 및 코사인 성분을 이용하여 산출된 약 200의 기본파 크기를 나타낸다.
여기서 제1 사이클의 기본파 크기와 제2 사이클의 기본파 크기를 병합한 값은 210.139로 산출된다.
표 3
Figure PCTKR2010006564-appb-T000003
표 3은 제1 사이클 및 제2 사이클의 연속 파형을 합산하고 하나의 사이클로 만든 평균 파형을 고속 퓨리에 변환하여 기본파의 크기를 측정한 실험값을 나타낸다.
표 3에서는 평균 파형의 주기별 샘플링값, 사인 성분 및 코사인 성분을 이용하여 산출된 210.141의 기본파 크기를 나타낸다.
표 1 내지 표 3의 결과를 살펴보면 IEC61000-4-30의 고조파 측정기준에 따라 각각의 파형을 병합한 값과 본 발명의 일 실시 예에 따라 연속적인 파형의 평균으로 산출한 값이 오차가 없음을 알 수 있다.
IEC61000-4-30 고조파 측정기준에 의하면 고조파 변화가 현저하지 않은 전력 계통(10)과 같이 장기간 측정 및 평가가 필요한 개소는 10분 또는 2시간의 값을 사용하도록 하고 있다. 만약 10분값(600초)을 평가할 경우 12주기(0.2초)마다 연속적으로 고속 퓨리에 변환을 수행한 값 3,000개(=600/0.2)를 병합하여 산출한다는 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 품질 측정 장치는 주기마다 연속적으로 더하여 10분 동안 더한 주기만큼 나눠 평균 파형을 만들고 한번의 고속 퓨리에 변환을 수행하여 IEC 기준에 의해 산출한 것과 같이 동일한 결과를 산출할 수 있다.
기존의 고조파를 측정 및 모니터링하는 시스템은 전압 파형 및 전류 파형을 매 0.2초마다 샘플링하고 고속 퓨리에 변환을 수행하여 고조파 특성을 평가한다. 예를 들면 3상 전원을 장기 측정인 10분 값을 평가할 경우 처리할 데이터 양은 3000번의 고속 퓨리에 변환 수행과 3000번의 결과값을 저장하고 10분값의 고조파 특성을 산출한다.
이에 반해 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 품질 모니터링 시스템은 10분값의 1 사이클의 파형을 산출하고 이를 한번의 고속 퓨리에 변환을 수행함으로써 연산횟수를 3000번에서 1번으로 줄일 수 있다. 또한, 전력 품질 측정 장치는 고조파 차수별값 저장시 18300[3000×61(각조파결과값)]개의 데이터를 1개의 데이터로 축소할 수 있다. 즉, 전력 품질 측정 장치는 전력 계통의 모니터링을 위해 서버로 전송할 데이터량을 약18300배 이상 줄일 수 있다.
또한, 전력 품질 측정 장치는 측정 기간 동안 취득한 파형들을 병합하여 고속 퓨리에 변환으로 기본파의 크기를 측정하는 종래의 방법과 같은 결과값을 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 품질 측정 방법을 나타내는 순서도이다. 이하에서 수행되는 각각의 단계는 전력 품질 측정 장치의 각각의 내부 구성 요소에 의해 수행되어지나 이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 전력 품질 측정 장치로 통칭하여 설명하기로 한다.
단계 S10에서 전력 품질 측정 장치는 당해 전력 품질 측정 장치가 연결된 전력 계통의 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호 각각을 일정 시간 단위마다 취득하고, 취득된 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호 각각을 정해진 샘플링 주기로 샘플링한다. 이는 전술한 바와 동일하므로 이에 대한 중첩되는 설명은 생략하기로 한다.
단계 S20에서 전력 품질 측정 장치는 측정 주기 동안 샘플링된 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호 각각을 하나의 사이클로 중첩하여 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호를 생성한다. 예를 들어, 전력 품질 측정 장치는 샘플링된 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호 각각을 하나의 사이클로 중첩하고 이에 대한 평균값을 산출하여 이를 이용하여 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호를 생성할 수 있다.
단계 S30에서 전력 품질 측정 장치는 생성된 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호 각각에 고속 퓨리에 변환을 수행한다. 이를 통해 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호 각각으로부터 기본파 및 차수별 고조파를 분해한다.
단계 S40에서 전력 품질 측정 장치는 기본파의 실효치와 전체 고조파의 실효치의 비율을 계산하여 전압의 종합 고조파 왜형률을 산출한다. 여기서 전력 품질 측정 장치는 전압 대표 파형 신호로부터 분해한 전압 기본파의 실효치와 전체 전압 고조파의 실효치의 비율을 계산하여 전압의 종합 고조파 왜형률을 산출한다. 또한, 전류 대표 파형 신호로부터 분해한 전류 기본파의 실효치와 전체 전류 고조파의 실효치의 비율을 계산하여 전류의 종합 고조파 왜형률을 산출한다.
다음, 종합 고조파 왜형률을 산출한 후 전력 계통의 전력 품질을 관리하기 위해 설정된 고조파 왜형률 기준값과 비교한다. 다음, 비교 결과 종합 고조파 왜형률이 고조파 왜형률 기준값을 초과할 경우 경고 신호를 생성한다. 다음, 경고 신호를 수신하여 경고음 또는 경고 표시를 발생시켜 전력 계통의 이상 발생을 경고한다.
단계 S50에서 전력 품질 측정 장치는 전압의 종합 고조파 왜형률 및 전류의 종합 고조파 왜형률 각각을 외부로 전송한다. 또한, 전력 품질 측정 장치는 경고 신호도 외부로 전송할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 전력 계통의 품질을 측정하는 장치에 있어서,
    전력 계통에서 설정된 시간 간격으로 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호를 취득하여 미리 설정된 샘플링 주기로 샘플링하는 검출부;
    상기 샘플링된 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부; 및
    상기 디지털 신호로 변환된 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호를 중첩하여 대표 파형 신호를 생성하고, 상기 대표 파형 신호에 고속 퓨리에 변환을 수행하여 기본파 및 차수별 고조파를 분해하며, 상기 기본파 신호 및 상기 각 차수의 고조파 신호를 이용하여 종합 고조파 왜형률을 산출하여 미리 설정된 고조파 왜형률 기준값과 비교하는 연산부; 및
    상기 종합 고조파 왜형률을 외부로 전송하는 통신부를 포함하는 전력 품질 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 종합 고조파 왜형률이 상기 고조파 왜형률 기준값을 초과할 경우 경고 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 품질 측정 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 고조파 왜형률 기준값은 상기 전력 계통의 이상 발생에 의한 상기 기본파에 대한 상기 전체 고조파의 비율로 설정되는 것을 특징으로 하는 전력 품질 측정 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 연산부로부터 상기 경고 신호를 수신하여 상기 전력 계통의 이상 발생을 경고하는 경고부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 품질 측정 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 전압 파형 신호의 평균값으로 상기 전압 대표 파형 신호를 생성하고, 상기 전류 파형 신호의 평균값으로 상기 전류 대표 파형 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 품질 측정 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 전압 대표 파형 신호 및 상기 전류 대표 파형 신호 각각은 중첩된 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호의 전체 주기의 한주기 값 및 반주기 값 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력 품질 측정 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 검출부는 하나의 사이클에서 2n(여기서, 상기 n은 7이상의 자연수)의 샘플링 주기로 상기 취득된 전압 파형 및 전류 파형 각각을 샘플링하는 것을 특징으로 하는 전력 품질 측정 장치.
  8. 전력 계통의 전력 품질을 측정하는 방법에 있어서,
    (a) 전력 계통에서 설정된 시간 간격으로 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호를 취득하는 단계;
    (b) 취득한 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호 각각을 설정된 주기로 샘플링하는 단계;
    (c) 설정된 측정 주기 동안 샘플링된 상기 전압 파형 신호 및 상기 전류 파형 신호 각각을 하나의 사이클로 중첩하여 전압 대표 파형 신호 및 전류 대표 파형 신호를 생성하는 단계;
    (d) 상기 전압 대표 파형 신호 및 상기 전류 대표 파형 신호를 고속 퓨리에 변환하여 분석하는 단계;
    (e) 상기 전압 대표 파형 신호 및 상기 전류 대표 파형 신호 각각으로부터 기본파의 실효치와 전체 고조파의 실효치 비율을 계산하여 종합 고조파 왜형률을 산출하는 단계; 및
    (f) 상기 종합 고조파 왜형률을 외부로 전송하는 단계를 포함하는 전력 품질 측정 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 (d) 단계는
    상기 측정 주기 동안 샘플링된 상기 전압 파형 신호 및 상기 전류 파형 신호 중 동일한 주기의 전압 파형 신호 및 전류 파형 신호를 중첩하는 것을 특징으로 하는 전력 품질 측정 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 (d) 단계는 전압 파형 신호들의 평균값으로 상기 전압 대표 파형 신호를 생성하고, 전류 파형 신호들의 평균값으로 상기 전류 대표 파형 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 품질 측정 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 (d) 단계 이후에
    (d-1) 상기 종합 고조파 왜형률을 상기 전력 계통의 품질 관리를 위해 설정된 고조파 왜형률 기준값과 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 품질 측정 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 (d-1) 단계 이후에
    (d-2) 상기 종합 고조파 왜형률이 상기 고조파 왜형률 기준값을 초과할 경우 상기 경고 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 품질 측정 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 (d-1) 단계 이후에
    (d-3) 상기 경고 신호를 수신하여 경고음 및 경고 표시 중 적어도 하나를 통해 전력 계통의 이상 발생을 경고하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 품질 측정 방법.
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