WO2013047940A1 - 3상 입력전류의 파형중첩을 통해 n상 전류를 검출하는 전자식 전력량계 및 이를 이용한 n상 전류 검출 방법 - Google Patents

3상 입력전류의 파형중첩을 통해 n상 전류를 검출하는 전자식 전력량계 및 이를 이용한 n상 전류 검출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3상 입력전류의 파형중첩을 통해 N상 전류를 검출하는 전자식 전력량계 및 이를 이용한 N상 전류 검출 방법을 제공한다. 전자식 전력량계는 3상에 입력된 전류를 샘플링하여 각 상의 샘플링 전류값을 산출하는 샘플링부 및 각 상의 샘플링 전류값을 전달받으며, 단위시간 동안의 각 상의 샘플링 전류값 중 동일 샘플링 시점의 값들을 각각 중첩한 결과를 이용하여 N상 전류를 산출하는 N상 전류 산출부를 포함한다.

Description

3상 입력전류의 파형중첩을 통해 N상 전류를 검출하는 전자식 전력량계 및 이를 이용한 N상 전류 검출 방법
본 발명은 3상(3 phase) 입력전류의 파형중첩을 통해 N상(N phase) 전류를 검출하는 전자식 전력량계(electronic watt-hour meter) 및 이를 이용한 N상 전류 검출 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3상에 입력된 전류를 샘플링하고, 단위시간 동안의 3 상의 샘플링 전류값 중 동일 샘플링 시점의 값들을 중첩하여 N상 전류를 검출하는 전자식 전력량계 및 이를 이용한 N상 전류 검출 방법에 관한 것이다.
본 발명은 2011년 9월 26일 출원된 한국특허출원 제10-2011-0097158호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
종래에는 3상 전기계통의 고장 및 누전 등을 감지하기 위해 N상 전류값이 필요한 경우, 전력량계로 입력되는 전압, 전류의 아날로그 신호를 감지하고, 이를 순차적으로 샘플링하여 전력을 계측한 후 각 상의 전류실효값을 산출하며, 이를 이용하여 계산된 일정주기 동안의 전압, 전류의 무효전력 및 유효전력 계산값으로부터 위상을 구하여 N상 전류를 산출한다.
그러나, 이처럼 N상 전류를 산출하게 되는 경우, 일정주기 동안(예를 들어 60cycle)의 각 상 전류실효값과 평균 위상을 통해 N상 전류를 계산해야 하므로 오차범위가 증가하게 되어 데이터로서의 활용이 어려운 문제점이 있다.
한편, N상 전류값을 산출하는 또 다른 방법으로 각 상의 전류실효값을 산출하고, 제로크로싱(zero crossing)을 통해 각 상의 위상차를 계산하여 N상 전류를 산출하기도 한다.
그러나, 이러한 N상 전류의 산출 방법은 N상 전류를 구하기보다 각 상의 위상을 계산하기 위해 주로 사용되며, 높은 정밀도를 보증되는 고가의 정밀 계측기에서 주로 사용되므로 일반적으로 사용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 3상에 입력된 전류를 샘플링하고, 단위시간 동안의 3 상의 샘플링 전류값 중 동일 샘플링 시점의 값들을 중첩하여 N상 전류를 검출하는 전자식 전력량계 및 이를 이용한 N상 전류 검출 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 N상 전류를 검출하기 위한 전자식 전력량계에 있어서,
3상에 입력된 전류를 샘플링하여 각 상의 샘플링 전류값을 산출하는 샘플링부; 및 상기 각 상의 샘플링 전류값을 전달받으며, 단위시간 동안의 각 상의 샘플링 전류값 중 동일 샘플링 시점의 값들을 각각 중첩한 결과를 이용하여 N상 전류를 산출하는 N상 전류 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 N상 전류 산출부는 단위시간 동안의 각 상의 샘플링 전류값 중 동일 샘플링 시점의 값들을 각각 중첩하여 더한 결과로 N상 샘플링 전류값을 산출하고, 상기 N상 샘플링 전류값에 대한 실효값을 구하여 상기 N상 전류를 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기 샘플링부는 아날로그로 신호로 3상에 입력되는 전류를 디지털 신호로 변환하기 위한 샘플링 시간을 설정하고, 상기 샘플링 시간에 기초하여 상기 각 상의 샘플링 전류값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자식 전력량계에서 N상 전류를 검출하는 방법에 있어서,
3상에 입력된 전류를 샘플링하여 각 상의 샘플링 전류값을 산출하는 단계; 및 단위시간 동안의 각 상의 샘플링 전류값 중 동일 샘플링 시점의 값들을 각각 중첩하여 상기 N상 전류를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 N상 전류를 산출하는 단계는 단위시간 동안 각 상의 샘플링 전류값 중 동일 샘플링 시점의 값들을 각각 중첩하여 더하여 N상 샘플링 전류값을 산출하는 단계; 및 상기 N상 샘플링 전류값에 대한 실효값을 구하여 상기 N상 전류를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 각 상의 샘플링 전류값을 산출하는 단계는 상기 3상에 아날로그 신호로 입력되는 전류를 수신하는 단계; 상기 각 상에 입력되는 전류를 샘플링하기 위해 샘플링 시간을 설정하는 단계; 및 상기 샘플링 시간에 기초하여 상기 각 상의 샘플링 전류값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서는 3상에 입력된 각 상의 전류를 샘플링하고 단위시간 동안 동일 샘플링 시점에서의 각 샘플링 전류값을 중첩하여 더한 결과의 실효값을 계산하여 N상 전류를 산출함에 따라, 종래와 달리 위상을 산출하기 위해 사용되던 제로 크로싱 및 실효값과 위상을 결과를 보정하기 위한 부가적인 프로세스 과정을 생략할 수 있어 저가의 계량칩으로도 구현가능하며, 보다 빠르고 정확하게 N상 전류를 산출하고 적용할 수 있다.
도 1은 종래 N상 전류를 검출하기 위한 전자식 전력량계를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 N상 전류를 검출하기 위한 전자식 전력량계를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 샘플링 시간을 설정한 한 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 N상 샘플링 전류값을 산출하는 한 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전자식 전력량계에서 N상 전류를 검출하는 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 종래 N상 전류를 검출하기 위한 전자식 전력량계를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래 N상 전류를 검출하기 위한 전자식 전력량계(1)는 신호 변환부(10), 전력 계측부(20) 및 제어부(30)를 포함한다.
신호 수신부(10)는 3상에 입력되는 아날로그 전압 신호 및 전류 신호를 감지한다. 그리고, 신호 수신부(10)는 감지된 아날로그 전압 신호 및 전류 신호를 각각 순차적으로 샘플링하고 증폭하여 디지털 신호로 변환하며, 이를 전력 계측부(20)로 전달한다.
그러면, 전력 계측부(20)는 디지털 신호로 변환된 전압 신호 및 전류 신호를 이용하여 전력을 산출하고, 산출된 전력과 전압 신호 및 전류 신호를 제어부(30)로 전달한다.
제어부(30)는 전압 신호 및 전류 신호와 전력을 이용하여 송/수전 유효전력, 진/지상 무효전력, 일정주기의 실효값, 역률값 또는 도전여부 등의 이벤트를 판단하고 저장한다. 그리고, 제어부(30)는 동일주기 동안 계산된 유효전력, 무효전력의 계산값을 통해 위상을 산출하고, 이를 이용하여 N상 전류를 산출한다.
그러나, 일정주기 동안의 각 상의 전류실효값과 평균 위상을 통해 N상 전류를 산출해야 하므로 오차범위가 증가하게 되어 데이터로서의 활용이 어려운 문제점이 있다.
이하, 이러한 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 N상 전류를 검출하기 위한 전자식 전력량계를 도 2 내지 도 5를 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 N상 전류를 검출하기 위한 전자식 전력량계를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 샘플링 시간을 설정한 한 예를 나타내는 도면이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 N상 샘플링 전류값을 산출하는 한 예를 나타내는 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 N상 전류를 검출하기 위한 전자식 전력량계(100)는 스마트미터(smart meter)일 수 있으며, 신호 수신부(110), 샘플링부(120), N상 전류 산출부(130) 및 고장 검출부(140)를 포함한다.
신호 수신부(110)는 3상(A, B, B)에 입력되는 아날로그 전류를 전달받고, 이를 샘플링부(120)로 전달한다.
샘플링부(120)는 A/D 컨버터(도시하지 않음)를 포함하며, 각 상의 아날로그 전류를 디지털 신호로 변환하기 위해 샘플링 시간(이하, "샘플링 간격"과 혼용하여 사용함)을 설정하며, 그 한 예는 도 3과 같다. 이때, 샘플링 시간은 단위시간 동안 샘플링 간격이 많으면 많을수록 결과값을 정확하게 산출할 수 있으나, 동작 성능에 영향을 주어 전력을 많이 소비하게 되므로 전자식 전력량계의 동작을 고려하여 적정하게 샘플링 간격을 설정한다. 샘플링부(120)는 설정된 샘플링 시간에 따라 각 상의 아날로그 전류를 디지털 신호로 변환한다.
N상 전류 산출부(130)는 샘플링된 각 상의 전류값(Ia, Ib, Ic)(이하, "샘플링 전류값"이라고 함)을 샘플링부(120)로부터 전달받는다. 그리고, N상 전류 산출부(130)는 단위시간 동안, 예를 들어 한 주기(T) 동안 각 상의 샘플링 전류값 중 동일 샘플링 시점의 값들을 각각 더한다.
구체적으로, N상 전류 산출부(130)는 도 4에 도시한 바와 같이 한 주기(T) 동안 먼저 A 상의 첫 번째 샘플링 전류값(Ia1)과 B 상의 첫 번째 샘플링 전류값(Ib1), 및 C 상의 첫 번째 샘플링 전류값(Ic1)을 중첩하여 더하여 N 상의 첫 번째 샘플링 전류값(In1)을 산출한다. 이때, 한 주기(T) 동안 각 상의 샘플링 개수는 k개인 것으로 가정한다.
그리고, N상 전류 산출부(130)는 A 상의 두 번째 샘플링 전류값(Ia2)과 B 상의 두 번째 샘플링 전류값(Ib2), 그리고 C 상의 두 번째 샘플링 전류값(Ic2)을 중첩하여 더하여 N 상의 두 번째 샘플링 전류값(In2)을 산출한다.
동일한 방법으로 N상 전류 산출부(130)는 마지막 샘플링 간격인 A 상의 k번째 샘플링 전류값(Iak)과 B 상의 K번째 샘플링 전류값(Ibk), 그리고 C 상의 k번째 샘플링 전류값(Ick)을 중첩하여 더하여 N 상의 k번째 샘플링 전류값(Ink)을 산출한다.
이처럼 동일 샘플링 시점에서의 각 상(A, B, C)의 샘플링 전류값을 중첩하여 더하여 N 상의 샘플링 전류값(In1,In2,In3…Ink)을 획득하면, N상 전류 산출부(130)는 획득한 N 상의 샘플링 전류값(In1,In2,In3…Ink)을 이용하여 수학식 1과 같이 N상 전류실효값을 계산하여 N상 전류값(In)을 산출한다.
수학식 1
Figure PCTKR2011007739-appb-M000001
여기서, In1(Ia1+Ib1+Ic1)은 N 상의 첫 번째 샘플링 전류값이고,, In2(Ia2+Ib2+Ic2)은 N 상의 두 번째 샘플링 전류값이고, … Ink(Iak+Ibk+Ick)은 N 상의 k번째 샘플링 전류값이다.
다시 말해, 본 발명의 실시예에서는 N상 전류를 산출하기 위해 종래와 같이 위상을 산출하지 않고, 소정의 단위 시간 동안 정해진 샘플링 개수만큼 각 상의 샘플링 전류값을 중첩하여 더한 결과의 실효값을 계산하여 N상 전류를 산출한다.
이러한 방법으로 N상 전류를 산출하기 위해 각 상의 샘플링을 위한 A/D 컨버터가 동일 샘플링 시점에서 샘플링만 할 수 있다면 보다 간단히 N상 전류를 산출할 수 있다.
또한, 전자식 전력량계의 전류를 계측하는 변류기가 정격전류의 10%미만일때 오차범위가 2배가 확대된다면, 이러한 오차범위를 개선하기 위해 부하전류가 10%미만일 때와 오차범위가 10%이상인 경우로 구분하여 N상 전류값을 산출하면 N상 전류 데이터의 신뢰도를 보다 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전자식 전력량계에서 N상 전류를 검출하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전자식 전력량계(100)의 신호 수신부(110)는 3상(A, B, B)에 입력되는 아날로그 전압과 전류를 수신하여 샘플링부(120)로 전달한다(S100).
샘플링부(120)는 설정된 샘플링 시간에 따라 각 상의 아날로그 전압과 전류를 디지털신호로 변환한다(S110).
그러면, N상 전류 산출부(130)는 각 상의 샘플링 전류값을 샘플링부(120)로부터 전달받는다(S120). 그리고, N상 전류 산출부(130)는 단위시간 동안, 예를 들어 한 주기(T)동안 각 상의 샘플링 전류값 중 동일 샘플링 시점의 값들을 각각 더하여 N 상의 샘플링 전류값(In1,In2,In3…Ink)을 산출한다(S130).
N상 전류 산출부(130)는 N 상의 샘플링 전류값(In1,In2,In3…Ink)을 이용하여 수학식 1과 같이 N상 전류실효값을 계산하여 N상 전류값(In)을 산출한다(S140).
이와 같이, 본 발명의 실시예에서는 3상에 입력된 각 상의 전류를 샘플링하고 단위시간 동안 동일 샘플링 시점에서의 각 샘플링 전류값을 중첩하여 더한 결과의 실효값을 계산하여 N상 전류를 산출함에 따라, 종래와 달리 위상을 산출하기 위해 사용되던 제로 크로싱 및 실효값과 위상을 결과를 보정하기 위한 부가적인 프로세스 과정을 생략할 수 있어 저가의 계량칩으로도 구현가능하며, 보다 빠르고 정확하게 N상 전류를 산출하고 적용할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. N상 전류를 검출하기 위한 전자식 전력량계에 있어서,
    3상에 입력된 전류를 샘플링하여 각 상의 샘플링 전류값을 산출하는 샘플링부; 및
    상기 각 상의 샘플링 전류값을 전달받으며, 단위시간 동안의 각 상의 샘플링 전류값 중 동일 샘플링 시점의 값들을 각각 중첩한 결과를 이용하여 N상 전류를 산출하는 N상 전류 산출부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 전력량계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 N상 전류 산출부는,
    단위시간 동안의 각 상의 샘플링 전류값 중 동일 샘플링 시점의 값들을 각각 중첩하여 더한 결과로 N상 샘플링 전류값을 산출하고, 상기 N상 샘플링 전류값에 대한 실효값을 구하여 상기 N상 전류를 산출하는 것을 특징으로 하는 전자식 전력량계.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 샘플링부는,
    아날로그로 신호로 3상에 입력되는 전류를 디지털 신호로 변환하기 위한 샘플링 시간을 설정하고, 상기 샘플링 시간에 기초하여 상기 각 상의 샘플링 전류값을 산출하는 것을 특징으로 하는 전자식 전력량계.
  4. 전자식 전력량계에서 N상 전류를 검출하는 방법에 있어서,
    3상에 입력된 전류를 샘플링하여 각 상의 샘플링 전류값을 산출하는 단계; 및
    단위시간 동안의 각 상의 샘플링 전류값 중 동일 샘플링 시점의 값들을 각각 중첩하여 상기 N상 전류를 산출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 N상 전류 검출 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 N상 전류를 산출하는 단계는,
    단위시간 동안 각 상의 샘플링 전류값 중 동일 샘플링 시점의 값들을 각각 중첩하여 더하여 N상 샘플링 전류값을 산출하는 단계; 및
    상기 N상 샘플링 전류값에 대한 실효값을 구하여 상기 N상 전류를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 N상 전류 검출 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 각 상의 샘플링 전류값을 산출하는 단계는,
    상기 3상에 아날로그 신호로 입력되는 전류를 수신하는 단계;
    상기 각 상에 입력되는 전류를 샘플링하기 위해 샘플링 시간을 설정하는 단계; 및
    상기 샘플링 시간에 기초하여 상기 각 상의 샘플링 전류값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 N상 전류 검출 방법.
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