WO2021010808A4 - Iot기술을 이용한 전기재해 선제적 탐지 및 예방 시스템 - Google Patents

Iot기술을 이용한 전기재해 선제적 탐지 및 예방 시스템 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to prevention of electrical disasters by measuring and analyzing characteristics of a line such as power loss and line resistance of a line to detect abnormal signs of a power grid in advance.
  • the electric circuit breaker cuts off the load supply power when the current exceeds a preset threshold. Electric fires can occur below the safety limits of electric circuit breakers, but existing technologies have not had a solution to this.
  • the present invention uses communication technology such as IoT technology to detect abnormal signs of fire occurrence that may occur in the electric distribution network, and measures the physical quantity of the line at the feed end and the load end in a live state. It detects a fire symptom by indirectly measuring the line resistance that causes it and by detecting a defect in the line.
  • communication technology such as IoT technology to detect abnormal signs of fire occurrence that may occur in the electric distribution network, and measures the physical quantity of the line at the feed end and the load end in a live state. It detects a fire symptom by indirectly measuring the line resistance that causes it and by detecting a defect in the line.
  • Existing fire detection technologies are widely used to monitor physical signals that appear in the event of a fire or to cut off circuits when the permissible current is exceeded, but it is not possible to prevent fires caused by deterioration of the transmission line within the allowable trip current of the overcurrent breaker. impossible.
  • Existing current cut-off technology is difficult to detect the cause of fire due to power loss in the line.
  • Existing overcurrent circuit breakers are insufficient in countermeasures against ignition caused by sparks such as heat generation on the line, contact instability, arc, etc. within the cutoff set current.
  • Detecting faults in the power grid providing electricity is very important and affects safety management and preventive maintenance. In particular, it is very important to detect defects before a disaster occurs. Since electricity was put into practical use, there have been numerous studies to detect defects in the power system at an early stage.
  • the current safety-related major technology was able to detect faults only after failures occurred or affected devices due to electrical faults in the power grid or power system.
  • Existing overcurrent circuit breaker technology still has an area that does not detect an accident due to a defect in a transmission line.
  • the threshold of the existing electrical safety protection technology is set by multiplying the maximum value of the available current capacity of the load by the margin. This is dependent on one line protection mechanism when one line is used in a power system with multiple loads. In other words, since the protection threshold is determined by the sum of the current capacity of the load connected to the line, if a device with heavy load capacity and a load with light load are mixed, the trip condition is set appropriately for the medium load, so it is relatively light load (protector Short circuit within the rating of) deviates from the protected area. The protection mechanism is not properly operated according to the load or the allowable capacity of the line, but is applied collectively, so there is a dead zone of the protection function.
  • the existing safety shut-off technology cannot distinguish between a light short and a normal load, and thus there is a lack of safety technology for detecting a light short or electric shock, and there is an area where the risk of fire or electric shock is not detected.
  • AFCI Arc-Fault Circuit Interrupter
  • “Parasitic” resistance occurs due to poor connection, poor contact and aging/deterioration of the line. This parasitic resistance is determined under certain conditions ( ), the parasitic resistance acts as a current limiter and prevents the current from the faulty circuit from exceeding the preset trip level range of the fuse or circuit breaker used in the circuit. Total parasitic resistance is ( It is very dangerous if a short circuit occurs when these conditions are met. At this time, the worst case is ( ) Occurs. Refer to ( Figure 5)
  • the detection of the electrical defect is very important, and if it is detected before or at the beginning of an accident, damage can be minimized.
  • the amount of heat generated on the line may be estimated by measuring power or line resistance lost on a line receiving power.
  • the technical idea of the present invention is to collect data at all times (in real time) using a power grid in the form of a distributed mesh network using (live line) measurement technology and Internet of Things technology to determine Kirchhoff's current law and voltage. It is a method of finding energy loss due to defects in the power grid through the extended analysis of the law, and by detecting/monitoring the abnormal signs of an accident in advance (in advance), the power grid can maintain its integrity or operate the power system only within the safe range.
  • This is the realization of an electrical disaster prevention system that can fundamentally prevent electrical disasters by implementing a verification/detection mechanism.
  • causes that cause electrical disasters are largely classified into two electrical defects as follows. Electrical faults such as short circuit, insulator defect/damage, insulation breakdown (moisture/dust), ground fault/mixture, short circuit, tracking, overload/over current are collectively defined as parallel fault, and conductor break (half-break), Electrical defects such as connection defects (connection defects), contact defects, and crimp damage are collectively defined as serial defects.
  • most of the electrical defects can be detected in advance using a live wire measurement technology, so that power consumed by all abnormal loads can be detected in real time.
  • the present invention is a method of constantly monitoring electrical defects in the power grid and automatically taking appropriate measures.
  • Chronic static defects/progressive defects can detect abnormal signs before they develop into accidents, so that accidents can be predicted. Disaster can be prevented.
  • random/sudden accidents such as light short circuits (short circuits less than trip current, electric shock), which are not detected by conventional protectors (circuit breakers, etc.), so that the power supply to the power grid is cut off. Take effective measures to prevent the progression of accidents.
  • the present invention measures basic electrical characteristics such as voltage and current of a feed end and a load end in an energized state of an electrical network to detect a fire abnormality, and the line resistance, connection parasitic resistance, power loss from the line, leakage current, and It detects abnormal signs by measuring electrical characteristics such as maximum allowable current, overload, arc phenomenon, current instability, etc., analyzing in real time, and tracking the change in real time.
  • the technology for detecting signs of an electrical disaster of the present invention always measures basic physical quantities such as line voltage and current at the feed end and load end in a live state, and converts line resistance and line loss power in real time to determine the amount of heat that can be generated on the line. By presumption, it is possible to notify the manager before it develops into a big problem or eliminate the cause and prevent it before it develops into a true story.
  • the actual allowable current due to the decrease in the allowable current due to the deformation of the line due to the deterioration of the line can be recalculated according to reality.
  • Measurement of the physical quantity of a remotely distributed network where the feed end and the load end are physically separated can be performed using various communication technologies, but in particular, it can be easily implemented by using wireless IoT technology.
  • the power grid that supplies power may have various electrical faults for a number of reasons. That is, electrical contacts, carbonization of connections, incomplete connections, loose connections, contact resistance, poor contact, connection defects, insulation breakdown, improper installation, damage, half-breaks, physical aging/deformation, and chemical corrosion, etc., but the present invention
  • the electrical component related to the heat generated by this deterioration is expressed as parasitic resistance (4).
  • the cause of the electric fire of the line is the deterioration of the line and the overcurrent.
  • the main cause of the fire occurring on the track is parasitic resistance ( , It can be found in electrical characteristics change such as an increase in ).
  • An increase in line resistance causes power loss when current flows, which immediately turns into Joule heat and becomes a condition for ignition when it exceeds a certain value, so it is necessary to minimize this or detect the presence or absence of this phenomenon in advance.
  • the resistance component is converted into Joule heat when the current flows, so a line defect caused by the increase in the resistance component is detected.
  • the line deterioration resistance is more dangerous than the dispersion resistance of a line having the same distribution constant because it is concentrated in a specific physical location.
  • Loss of electrical energy due to parasitic resistance of a line is caused by an increase in dissipated power or an increase in voltage drop between both ends of a line, and a decrease in dielectric strength results in a short circuit or a short circuit. In general, it is neglected even if energy is lost due to a short-circuit or half-short of the power grid in the active state. This energy loss exceeds the threshold and shows symptoms of abnormality (symptom) such as temperature rise and power consumption increase before a dangerous situation occurs. Therefore, if this electrical abnormality is detected early, it is possible to prevent electric fires occurring on the line. In addition, since the abnormality symptoms can be measured and quantified, they can be used as an element that can objectify the safety of the line.
  • Fig.-3 is a leakage resistance in the equivalent circuit of the power grid modeled in Fig. ) When there is no line resistance ( ) According to the change in power loss, load power consumption, and total power consumption trends.
  • the dissipated power of the line exceeds a certain amount, it can be ignited. Therefore, if this power exceeds the set reference value, it is possible to prevent ignition by cutting off the power supplied to the load. This dissipated power may cause ignition even within the allowable current of the overload circuit breaker 14. In this case, the maximum line loss power ( ) Is the load rated power ( Can reach 25% of ( ). Therefore, even with the same line conditions, the greater the rated power of the load is, the more dangerous it is.
  • the power loss of a line is a direct cause of line ignition.
  • the power loss of the line is due to the excess of the allowable power or due to the physical/chemical deformation of the line deterioration (line defect) aging-the deterioration part generates relatively excessive joule heat. This heat can be a direct source of ignition.
  • Load rated power : Normal resistance of the line
  • Parasitic resistance of the line ( , ) Is the abnormal power loss.
  • Abnormal power loss Is the line loss power ( ) To normal line loss power ( ) Minus ( ), which is a parasitic resistance caused by a defect. ) Is almost zero, so to be.
  • Line loss power ( ) Is the line resistance ( ) Is the load resistance ( When) is the same, maximum power loss occurs in the line.
  • Figures 4 and 6 show line resistance ( ) Voltage drop across the line according to the change, load voltage and line loss power ( ) Shows the relationship. As the symptoms of line deterioration are shown in the figure and formula (Equation 5), the change in line resistance is indicated by an increase or decrease in line power loss and an increase in line voltage drop, so by monitoring this, it is possible to detect signs of dangerous abnormalities. So their values ( ) Can also be used as a line fault index indicating the risk of distribution lines. As shown in the figure, since abnormality signs can be observed with quantified values, the load power must be cut off when a certain value (threshold) is exceeded.
  • Line resistance is not only a measure of accident prevention, but also provides a method to calculate line resistance in an energized state as basic data that can analyze the deterioration factor or the trend/progress of deterioration. The following method can be calculated even in an on-line state, and the measured values can be collected on the network.
  • the line resistance can be calculated in an indirect way by measuring the voltage at the feed end, the voltage at the receiving end, and the line current.
  • Line resistance ( ) Is the feed end voltage ( ), receiving end (load) voltage ( ) And receiving end (load) current ( ) can be calculated indirectly by measuring and converting it to the following equation (Equation-2).
  • Normal line resistance ( ) Is the line resistance ( ) Of the normal part, so abnormal line resistance ( ) Is the summed total line resistance ( ) Can be considered.
  • Electric fires show various symptoms of abnormalities (symptom) such as temperature rise, smell, flame, arc/spark, spark, increase in electrical resistance of power lines or increase in power consumption of lines, and leakage currents before they occur.
  • symptom a condition in which abnormalities (symptom) can be detected due to defects in the line.
  • 1, 12, 13, 14, 15, 19 shows that the present invention monitors the voltage drop or loss power between both ends of the line (feeding end-receiving end) that is easy to measure among the signs of electrical abnormalities in the power grid to prevent the occurrence of fire.
  • An example of the implementation of the technology to detect in advance is shown.
  • the increase in parasitic resistance of a power line appears as a change in electric energy loss (power consumption) on the line. As the resistance of the electrical defect area increases, the voltage drop and dissipation power of the line increase.
  • the line dissipation power can be obtained.
  • Accidents can be prevented by supplying power only in a safe range that does not exceed a certain value (threshold value) of the dissipated power.
  • the electrical fire abnormality signs can be measured and quantified, so they can be used as fire prediction technology. Therefore, it is possible to implement a system for preventing electric fires occurring on a line by providing a means for detecting and processing this electrical abnormality symptom.
  • Fig.-10 shows the change of the line loss power according to the line resistance change at a certain load.
  • the line loss power increases, but when it has the same value as the load resistance, it has a maximum value.
  • the maximum power loss is the rated power of the load. Is the most dangerous situation.
  • the present invention can detect signs of a fire accident that may occur on the line by measuring the power lost on the line. This is a method of measuring the line voltage drop and load current, calculating the loss power, and blocking the load current when it exceeds the threshold value, thereby preventing a fire occurring on the line. In addition, if the line resistance value is converted and increased more than a certain value, the same result can be obtained even if the load current is cut off. If the voltage at the feed end is stable, the intended purpose can be achieved simply by measuring the voltage drop rate alone.
  • Existing fire prevention is the mainstream method of detecting and blocking overcurrent, leakage current, and arc occurrence.
  • it is difficult to detect a fire caused by an increase in line resistance.
  • the dotted line 160 is an area where excessive power is lost that may cause a fire, and when entering this area, the power supply must be immediately cut off.
  • the threshold can be set in various ways.
  • Safe maximum current value of the line Is the power supply voltage ( ), receiving end (load) voltage ( ) And load current ( ) And the maximum allowable voltage drop rate ( ) Can be applied.
  • Safety maximum current value (maximum current allowable value, ) There is a correlation between the power supply voltage of the power supply terminal, the power supply terminal (load) voltage and the load resistance as follows. It can be obtained by the following formula (Equation-5).
  • the core principle of this electric disaster prevention technology is to detect line defects by measuring/analyzing the physical quantity of the line reflecting the electric characteristics of the line due to the current flowing through the line, and to find the signs of fire based on this.
  • the line resistance ( ) As shown in Fig.-2, in order to detect a defect in a line that transmits power in the electric network, the line resistance ( ) According to the change, the voltage drop across the line, the load voltage and the line loss power ( ) Shows a change. As for the symptoms of line deterioration, as shown in Fig.-3, a change in line resistance causes an increase or decrease in line loss power and an abnormal symptom of an increase in line voltage drop, so it is monitored to predict and detect dangerous situations. In the implementation of the controller, abnormal symptom detection can achieve the desired purpose even if any physical quantity such as line loss power, line voltage drop, load voltage change, line resistance, etc. is selected as a control variable.
  • the threshold 79 may have a fixed value, and it is possible to build a more flexible and sophisticated system if it is dynamically set according to the power supply time, the input power voltage, and the type and characteristics of the load as necessary. When this is developed, the characteristics of the load are learned and the threshold value 79 is set to be variable, so that a more suitable system can be constructed.
  • a soft start method other than a simple ON/OFF method for blocking or inputting the load power can be considered, and can be applied to all electric devices regardless of AC/DC.
  • One embodiment shown in the conceptual diagrams of FIGS. 1, 12 and 13 includes a means 10 for measuring the line voltage of the feed end 11; Means (20, 22) for measuring the line voltage and current of the receiving end; Calculations (44, 46) and control means (50, 82, 98) for measuring (21, 23) physical quantities reflecting the electrical characteristics of the line, calculating and comparing them, and generating a load control signal according to the result; A load control means 24 capable of controlling the power supplied to the load 2 according to the control signal is provided,
  • the line voltage drop 45 is calculated by subtracting the receiving end voltage 21 from the feed end voltage 1;
  • the line loss power 47 is calculated by multiplying the drop voltage by the load current 23;
  • the threshold value becomes the maximum value of the allowable line loss power.
  • the embodiment has been shown as a method for detecting a symptom of abnormality in line loss power, it can be more simply implemented by applying a method of comparing based on the line voltage drop between the feed end and the receiving end. In this case, even if the power loss of the micro-line under extreme light load occurs, there is a region that operates excessively.
  • 10 and 11 show the loss power lost in the transmission line according to the load fluctuation within the allowable trip current of the overcurrent circuit breaker.
  • 10 and 11 show line loss power that can be generated by ignition in a line that the overcurrent circuit breaker cannot detect. In other words, despite the occurrence of a dangerous situation, the overcurrent circuit breaker cannot be detected.
  • the maximum dissipated power lost within the allowable trip current of the overcurrent circuit breaker is as follows.
  • Existing overcurrent circuit breaker technology for preventing electric accidents is a method of controlling the power supplied to the load by determining whether the load current exceeds the allowable limit value as a criterion for determining whether the load current exceeds the limit value.
  • Accidents can be prevented, but accidents caused by short-circuiting shorts (hereinafter referred to as light shorts) or line defects within the rating of the protector cannot be prevented (detected).
  • the power loss of the line is immediately converted into Joule heat, and if it exceeds a certain value, it becomes a condition for ignition, so necessary measures must be taken. (This should be minimized.)
  • the deterioration of the line includes not only the line but also all the electrical characteristics of the transmission path. That is, electrical contacts, carbonization of the connection, incomplete connection, loose connection, contact resistance, physical deformation, half-breaking and chemical corrosion, etc. may have various forms, but in the present invention, their electrical properties are expressed as parasitic resistance (4). do.
  • the cause of the electric fire of the line is the deterioration of the line and overcurrent.
  • the main causes of fires occurring in the lines are (electrical contacts, carbonization of connections, incomplete connections, loose connections, contact resistance, physical deformation, half-breaking and chemical corrosion, etc.) from changes in electrical characteristics such as an increase in parasitic resistance due to the deterioration of the line. Can be found.
  • An increase in line resistance causes power loss when current flows, which immediately turns into Joule heat and becomes a condition for ignition when it exceeds a certain value, so it is necessary to minimize this or detect the presence or absence of this phenomenon in advance.
  • the parasitic resistance components which are the cause of electric fires, cannot be directly measured in the energized state, the following is an indirect method to determine the correct value by analyzing the power loss of the electric component, the change in the line voltage drop, the arc energy spectrum, etc. Expression) can be detected.
  • the resistance component is converted into Joule heat when the current flows, so a line defect caused by the increase in the resistance component is detected.
  • the line deterioration resistance is more dangerous than the dispersion resistance of a line having the same distribution constant because it is concentrated in a specific physical location.
  • Loss of electrical energy on a line is caused by an increase in power or an increase in voltage across the line. This energy loss exceeds the threshold and shows symptoms of abnormality (symptom) such as temperature rise and power consumption increase before a dangerous situation occurs.
  • the above abnormal signs can be measured and objectified or quantified, and can be used as a fire prevention technique when measured. Therefore, if this electrical abnormality is detected early, it is possible to prevent electric fires occurring on the line.
  • the detection means may be included in the electric power facility so that the detection may be performed at all times, but may be performed in order to inspect the safety level if necessary.
  • the present invention is basically a line due to a current flowing in a line connecting both ends in a series network consisting of a power supply terminal (1, power), a line transmitting power, and a receiving terminal (2, load) receiving power. It is a technology that detects defects by measuring physical quantities reflecting the electrical characteristics of and analyzing them.
  • Line measurement technologies include ohmmeters, impedance meters, earth leakage meters, and phase difference meters, but the goal is to implement an optimized electrical disaster prevention system that can be detected at all times to prepare for unexpected accidents that are not suitable for energized networks.
  • 8 shows an unknown line impedance of an existing transmission line in an energized power grid. As shown in Equation-3, if the reference resistance is known, the internal impedance can be measured without a current measuring means. 8 shows a network-based impedance meter capable of collecting data by measuring line impedance and transmitting the measured value to the network. Since this method can accurately know the characteristics of the reference resistor, measurement errors are low and precise measurement is possible.
  • an unknown internal impedance can be measured.
  • the relative ratio of the load voltage and the load voltage and the internal impedance are shown in Fig. 7. By appropriately selecting the reference resistance, the resolution of the measurement can be improved.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of an electrical safety system for detecting an abnormal symptom of a disaster and preventing a disaster in a network connected to a power supply, a transmission path, and a load.
  • a voltage measuring means for measuring the voltage of the feeder and receiving ends and a current measuring means for measuring the current of the feeder and receiving end are required.
  • Communication means, data analysis means, calculation means, processing means and output control means are required for exchanging messages between the power supply and reception ends. Since the communication feeder and the receiver may be physically separated, an appropriate means of message exchange is required.
  • the transmission means may be implemented using any of wired, optical communication, or wireless technology. All of the above means can be implemented using IoT technology.
  • the present invention is a method of constantly monitoring electrical defects in the power grid and automatically taking appropriate measures. Chronic static defects or progressive defects can be detected before they develop into accidents, so that an accident can be predicted. Can be prevented. In addition, random/sudden accidents such as light shorts (short circuit in trip current, electric shock) that conventional protectors (circuit breakers, etc.) cannot detect can be detected early, so that the worst accidents can be prevented and effective measures can be taken.
  • Fig.-12 is a system for preventing a disaster by measuring power lost in a transmission line and cutting off the power supplied to the line when the power is excessive.
  • the input of the upper node is connected to the power supply 1, and the output 290 is the power grid 300.
  • the input terminal 390 of the lower node 400 via) and having a communication means 500 for transmitting a message between the upper node 200 and the lower node 400 In a power system connected to the input terminal 390 of the lower node 400 via) and having a communication means 500 for transmitting a message between the upper node 200 and the lower node 400,
  • the input voltage 301 and the input current 203 are measured and integrated to obtain a supply power 215;
  • the lower node 400 measures the load power (receiving shear power, 415);
  • the upper node receives the load power (403T) of the lower node and deducts it from its own power supply power 215 to obtain the dissipated power (Fig. 13 205).
  • the dissipated power 205 is an abnormal power caused by a series-parallel defect (320, 330, 3) of a transmission line, and the degree of aging of the transmission line can be known.
  • a trip signal 209 is generated to cut off the power supply to prevent an accident.
  • the load may be additionally connected to the power supply terminal 290. If all load power is subtracted from step 3 above, it can be applied to a power grid with multiple loads.
  • Figure-13 is an embodiment for measuring the dissipated power of the power grid 300 having multiple loads, a power grid configuration having one power source (feeding end) and n (n: natural number) loads (receiving ends).
  • Power part (1, )) a voltmeter 301 and an ammeter, and all load stages (2, Load-1 to Load-n) are composed of power measurement means (414-1 to 414-n), calculation, communication and control means. do.
  • the present invention can calculate the dissipated power even in the active state by an indirect method.
  • the dissipated power due to a short circuit can be obtained by calculating the difference between the supply power measured at the power supply and all load power measured at the load. Therefore, all loads must be capable of measuring power.
  • the dissipated power 215P can be expressed by the following equation as the sum and difference of the total power measured at each load from the total power supplied from the power supply terminal. This dissipation power includes all the power loss caused by a series-parallel fault.
  • Figure-13 shows the quantitative value of abnormal dissipated power dissipated from the power grid ( , 215) can be extracted. If this dissipated power increases and exceeds the limit (if left unattended), it can lead to accidents. When the dissipated power exceeds the threshold, the power supply is cut off to prevent an accident or cope with the accident at the beginning. In addition, by tracking the increase trend of the dissipated power 215P, it is possible to detect the signs of an accident.
  • the integrity (integrity) of the line can be quantified.
  • the degree of risk can be quantified, and maintenance/repair information of the power grid can be derived.
  • the present invention can measure the dissipated power due to all abnormal loads in the following way.
  • the feed end supplies power to the load end through the power grid.
  • the power supply stage adds up the load power of all the above loads.
  • the power supply stage calculates the difference between the power supplied to the load terminal and the sum of the load power, and calculates the power loss (line loss power).
  • the dissipated power is generated not only due to a decrease in dielectric strength, but also due to line-specific resistance or parasitic resistance. Since the measurement result is all abnormal power except for normal load, it can be used as basic data for preventing accidents or determining abnormal signs of the power grid. If this dissipated power increases, it leads to an accident. In the present invention, since the quantitative value of the dissipated power before an accident occurs, it is possible to know the progression of a short circuit/short circuit accident. In other words, it is possible to quantitatively express the abnormal signs of an accident caused by a short circuit. In addition, electric shock detection is also possible, but the above method cannot be designed with higher sensitivity than the method of detecting by leakage current described below.
  • the detection principle is a method of calculating the abnormal power through network analysis after measuring the dissipated power (loss power consumed in the transmission line), leakage current, and line voltage drop.
  • the power supply 1 is connected to the input terminal of the upper node 200, and the output 290 is added to the line 300 connected to the input terminal 390 of the lower node 400 via the power grid 300, and the upper node ( In a power system including a message transmission means 500 between 200) and the lower node 400;
  • the upper node (supplying end, power end, 200) measures the input voltage (power supply voltage, 1) and transmits it to the lower node (receiver end, load end, 400).
  • the lower node transmits the load power information (current 403, power) to the upper node,
  • the upper node receives the power supply current 403T of the lower node and measures the leakage current 205 by subtracting it from its own power supply current 203.
  • the degree of risk can be quantified by calculating the degree of the leakage current approaching the set threshold.
  • the critical limit value is set to the maximum value that can normally be operated without accidents.
  • the load may be configured to pass through the receiving end 400. If all the load currents are summed in step 3 above, it can be applied to a power grid with multiple loads.
  • the serial defect detection 310 of the line may be detected by the receiving end 400 in the following manner.
  • the lower node receives the supply voltage 203T of the upper node and subtracts its own voltage (load voltage, 401) to obtain a voltage drop (voltage difference, 405), that is, a voltage drop reflecting the characteristics of the line. Since this voltage forms a different path when a parallel fault occurs, an error may occur, and there are some problems, but it is a useful method of detecting a fault in a line.
  • Figures-13 and 15> show the configuration of a power grid having one power source and n (n: natural numbers) loads as an embodiment for detecting parallel faults in the power grid.
  • Power supply unit (1)) and all load terminals (Load-1 to Load-n) are equipped with voltage measuring means (voltmeter, 412-1 to 412-n) and current measuring means (ammeter, 414-1 to 414-n). do.
  • the detection of a short circuit between live lines is possible by turning off the power of all loads and measuring the power current.
  • other problems may arise only when the power supply to the load is cut off, and it is difficult to detect a progressive fault (short circuit).
  • It is very important to measure/detect a short circuit in the state of a live wire when power is supplied.
  • the leakage detection technology is effective in preventing accidents because it can be monitored at all times in a live state.
  • serial defects such as inherent line resistance and poor connection (FS201) reflect the characteristics of the line in the load current.
  • One leakage current cannot be measured directly by supplying power to the load.
  • the present invention can calculate the leakage current due to the parallel fault in an indirect method.
  • the leakage current caused by the parallel fault can be measured by calculating the difference between the supply current and the actual current delivered to the load.
  • Leakage current can be expressed by the following equation as the difference between the total and the total power measured at each load in the total power supply.
  • the leakage current caused by the parallel fault is as follows.
  • the present invention can measure the leakage current caused by all abnormal loads in the following way.
  • the feed end supplies power to the load end through the power grid.
  • the power supply stage adds up the load currents of all the loads above.
  • the power supply stage calculates the leakage current by calculating the difference between the supply current sent from the load stage and the sum of the load currents.
  • the integrity (integrity) of the line can be quantified.
  • the maximum limit value is determined, the degree of risk can be quantified, and maintenance/repair information of the power grid can be derived.
  • This current means that there is a parallel path (parallel fault) across the power line such as a short circuit. If this leakage current increases and exceeds the limit (if left unattended), it can lead to accidents. If the leakage current exceeds the limit, it is possible to prevent accidents by shutting off the power supply at the power supply terminal or to extinguish the accident at the beginning of the accident, and it is also possible to track an increase in leakage current to detect abnormal signs of accidents.
  • Existing earth leakage blocking technology is a technology that detects an earth leakage by detecting an unbalanced current between lines, and has been widely used as a means to prevent electric shock accidents.
  • the non-grounded leakage current between the active lines of the live part cannot be protected because it is indistinguishable from the normal load.
  • the existing technology is effective for ground faults, but it is impossible to detect non-ground faults, so there was no special countermeasure for light short electric shock between active charging lines. As shown above, the current flowing due to a short circuit accident cannot pass through the load ammeter, so it is not reflected as a load current.
  • the present invention can measure leakage currents caused by all abnormal loads, including ground fault currents. Using this, it is possible to detect an ungrounded light short or electric shock between active charging lines.
  • the current includes both the non-ground leakage current caused by the decrease in the dielectric strength between the ground current and the active charging line and the electric shock current in case of an electric shock, but is hardly affected by series defects caused by parasitic resistance such as poor connection. Therefore, if this current is detected above a certain value, it leads to an accident.
  • the leakage current can be known before an accident occurs, it is possible to know the progression of a short circuit/short circuit accident. In other words, it is possible to quantitatively detect abnormal signs of an accident caused by a short circuit. Also, how far have you approached the preset threshold
  • this charging circuit leakage technology detection can adjust the sensitivity if the critical limit value () is set variable as needed when designing a safety circuit breaker, so it is difficult to maintain the integrity of the power grid. The damage caused by can be minimized.
  • the sensitivity control function can be usefully used in the temporary power grid if it is set high at the initial power-on and adjusted appropriately when safety is confirmed.
  • the leakage current detection method can be designed more sensitively than the loss power detection method, so that damage can be minimized when a light short accident occurs or an electric shock occurs.
  • the present invention relates to a power grid line inspection (measurement) technology for detecting and preventing accidents occurring on a power transmission path, or for preliminarily identifying vulnerable defective lines, unlike the existing overcurrent circuit breaker that monitors overload. Blocked or vulnerable information can be identified in advance so that proactive action can be taken.
  • the fire is prevented by controlling (blocking) the load, and the line state information is also used to determine the line loss power of the transmission and distribution lines using IoT technology. This is a real-time monitoring method, and it is possible to prevent it in advance by taking precautions (Alert) as the power loss approaches the allowable value.
  • Figure-1 Conceptual diagram of a line defect detection system of the present invention
  • Fig.-2 Modeling of series-parallel defects of representative lines with parasitic resistance
  • Fig.-4 Line loss power, load power, total power consumption, and line voltage drop according to line resistance change
  • Fig. 7 Function of line voltage and line resistance (measurement of line resistance)
  • Fig.-8 Conceptual diagram of measuring remote line resistance
  • Fig. 9 Line voltage and maximum allowable current function (measurement of maximum allowable current)
  • Fig.-10 Function-related and protected areas of line resistance increase and line loss power
  • Fig.-11 Protection/non-protection risk area when the rated load of the overcurrent circuit breaker is exceeded
  • Fig-13 Measurement of dissipated power in a multi-load power grid
  • Fig.-14 Detection of short circuit in live charging line-Detection of leakage current (detection of electric shock)
  • Fig.-15 Detection of short circuit in live charging line of multi-load power grid
  • Fig.-16 Example of a protection mechanism of an energy converter (transformer)
  • Fig.-17 Example of a line defect detector
  • Fig.-19 Embodiment of a line defect detector with a single load
  • Figure-21 An embodiment of a standalone control system connected through an IoT-cloud network
  • Figures-13 to 18 are embodiments of a detector that detects a fault in the power grid.
  • each of the above components plays two roles: power (input) and load (output), respectively, depending on the energy flow. It is connected in a structure, and the sub-node and the load are composed of at least one.
  • Each control node has a measuring means for measuring the energy (power information) passed through it, a communication means for exchanging messages between the control nodes, and a control means for controlling or alarming the output, and each control node can communicate with each other. , It has the function of measuring and controlling the energy (power information) passed through it.
  • the control node minimizes disasters by measuring/monitoring and controlling power grid defects in the following ways.
  • the upper control node provides its own electrical information (voltage) to the lower node (feed forward);
  • the lower node calculates the voltage difference with the upper node and controls the load according to the result
  • Each lower node measures the energy (power and current) consumed by itself or through it, and provides it to the upper node (feedback);
  • the upper node sums up all the energy measurements delivered to the plurality of lower nodes
  • the upper node derives the result by calculating/comparing the measured value of energy (power, current) of the lower node with the measured value of energy (power, current) passing through itself (requiring the lost energy (power, current)) )
  • control is compared with a threshold value (a preset specific value), and according to the result, the energy supply to the lower node is blocked or an alarm is issued.
  • a threshold value a preset specific value
  • Faults in the power grid can be progressive or sporadic (random).
  • progression it is possible to detect an abnormality in the power grid by observing the trend of output change, so that a disaster can be predicted and a proactive response is possible.
  • the power grid can maintain its integrity and prevent a disaster in advance.
  • Measuring means for measuring its own voltage and power information (current or power) passing through (through) itself;
  • An output transmission means for transmitting the power information to the outside
  • a calculation means that calculates the voltage difference between its own voltage and the voltage input from the outside
  • Comparison means for comparing the voltage difference with the threshold value
  • External information collecting means for collecting and summing a plurality of external power information (power and current),
  • Consists of a power control device configured to control the output by measuring the power loss or leakage current of the power grid by having an output means that calculates or compares its own power information with the collected external power information and outputs a control amount according to the calculation/comparison result. do.
  • Fig.-21 is an embodiment of a protector for preventing accidents by monitoring line voltage drop, line loss power change, and exceeding the limit of load power, which are abnormal signs of line defects,
  • step 10 In order to prevent an accident that may occur on the line by measuring the physical quantity reflecting the electrical characteristics of the line due to the current flowing through the line by issuing an alarm and repeating indefinitely from step 3, analyzing it, detecting a defect and preventing an accident that may occur on the line, it is appropriate to Follow up.
  • follow-up measures can be variably triggered depending on the severity of the abnormality, and by notifying the control system or the person of the method to cut off the power supply or the degree of the line defect, analysis of the cause of the defect, maintenance, and recovery measures can be quickly taken. I can do it.
  • the no-load voltage is regarded as the power supply voltage and processed in the initialization process in case the system may become confused because the power supply voltage, which is the standard for control, cannot be obtained due to communication problems, etc. After that, when the power supply terminal voltage can be obtained normally, it is updated to the actual power supply voltage and processed.
  • FIGS. 1 and 12 are conceptual diagrams of an embodiment showing the operating principle of the present invention. Although expressed as a hardware circuit composed of various elements, most of the measuring means and control means can be implemented with a microprocessor and software.
  • the method of detecting a fire abnormality symptom of the present invention includes a method of detecting line loss power, accumulated energy loss amount, or line voltage drop.
  • a communication means for transmitting data acquired by an analog-to-digital converter (ADC) for digital discrete processing to a processing stage,
  • ADC analog-to-digital converter
  • a threshold 58 which is the upper limit of the allowable power loss, which is a criterion for determining a dangerous situation
  • the digitally converted data is collected by processing means;
  • step (4) If the comparison result does not fall below the threshold, repeat from step (4), and if it is low, the power supply to the load is limited, and a defect of the line (electrical characteristic change, exceeding the allowable current capacity due to deterioration) is detected.
  • Dynamic circuit breaker characterized in that the method to cut off the load.
  • the feed end measures the feed voltage at all times to know the physical quantities (1, 13) of the feed end at the receiving end.
  • the control means 40 turns on the load control means 24 before supplying power to the load 2 It is processed in the following steps.
  • the line defect detection threshold is determined as a relative value according to the situation by calculating the allowable maximum line voltage drop rate and power voltage, it can be automatically determined without setting a specific value individually, regardless of the power voltage and load capacity. It can be more useful as it can be applied dynamically to all loads. However, since this prevents defects on the power supply line to the last, since the power capacity after the circuit breaker of the present invention allows up to the maximum usable capacity of the line, it is preferable to use the maximum load current as a current threshold to protect the load. The threshold of this value cannot be automatically calculated because it is a natural power according to the needs of the load.
  • the present invention is a technology that prevents a problem occurring in a supply line, and deviates from the area not to detect and prevent defects occurring inside all kinds of loads.
  • a threshold for determining the upper limit of the load current is set and used in the same way as the conventional method, or a combination method of blocking overload based on the load power is also provided.
  • the present invention detects a line abnormality in the following four methods, and if more than one is detected, it is determined that there is a line problem, and follow-up measures are taken. It can be detected in a variety of ways.
  • the feed end voltage (1) is measured and transmitted to the control means (40), and upon receiving normal data, the control means multiplies by the allowable voltage fluctuation rate (54) to update the threshold stored in RDmax (54), which is a judgment reference value;
  • the line voltage drop (31, 45) is calculated from the feed voltage (1) of the feed end (11) (or the stored no-load voltage (21) and the current load voltage (21-1)), and a preset threshold ( 71), if it falls below the threshold value, it is determined that it is a defect on the line, and the power supplied to the load (2) is cut off or detected.
  • the line voltage drop (31, 45) is calculated from the feed voltage (1) of the feed end (11) (or the stored no-load voltage (21) and the current load voltage (21-1)), and the load current (22). ) To calculate the power loss 85 lost in the line;
  • the stand-alone model which was implemented simply, treats the no-load voltage as the power supply voltage during the initialization process.
  • FIG. 1 and 12 show an example in which a defect detection and control device is installed at the receiving end in the present invention.
  • Line loss power can be calculated by measuring and calculating the feed end voltage, receiving end voltage, and load current (which are basically related to line loss power).
  • load current which are basically related to line loss power.
  • the no-load line voltage of the receiving end ( ) Is regarded (replaced) as the feed end voltage (1, 15) until the situation changes and is updated to a new value, and is treated as a reference value.
  • No-load line voltage of the receiving end ( ) Maintains the voltage just before turning on when the load is turned on, and this value is updated in real time when the load is cut off.
  • the amount of heat generated due to line power loss may be used as a reference value for judgment.
  • the basic concept of the present invention can be applied to the safety management of energy converters such as transformers in the power grid. That is, the power dissipated from the transformer can be measured in real time, so that safe driving information can be obtained, and dangerous water level information can be known, thereby preventing accidents such as explosions.
  • 16 shows that the present invention is implemented based on the idea of detecting a defect by detecting an energy loss of a power system, and is applicable to all fields of energy transfer conversion.
  • the main causes of accidents such as transformers 810 and power converters such as inverters are analyzed as interlayer short circuits 812 and 814, overheating, insulating oil deterioration, connection defects, and overloads.
  • aging changes according to external conditions and aging/deterioration, so that the maximum allowable power is lowered.
  • the limit power 214 is set as the efficiency and loss power 205 of the converter, it is possible to properly operate safely according to aging.
  • the overheat detection 820 which is a symptom of deterioration of the converter 810, is used in combination is shown. If the condition is properly reflected and remotely monitored through IoT technology, proper operation is possible without the use of complex additional sensors.
  • the disaster prevention/monitoring system of the present invention has a structure in which remote management is easy with a simpler and cheaper method than the conventional method when interlocked with the smart grid technology. The following is an example of an appropriate trip condition according to the degree of deterioration.
  • the energy converter 802 may adopt any means such as RF, electromagnetic coupling method, optical communication, etc., as required for electrical insulation between inputs and outputs.
  • energy converters such as transformers have close proximity to input/output.
  • fiber optics communication method is advantageous when considering EMI, etc. as it requires high insulation and withstand voltage.
  • Power Node is a control device that receives (input) power from the power source (upper power grid) and distributes power to the load (lower power grid). It measures the electrical information of the power transmission line and controls the power supply according to the state. do.
  • the power grid has a hierarchical structure, and has a hierarchical tree topology in which the upper node-power grid-lower node types are repeated. In the present invention, a physical branch without a bridge is logically regarded as the same layer.
  • Hierarchical classification is effective when the node becomes a control target.
  • a sub-node is added to the power grid managed by a node, the node subordinate to it is regarded as a load.
  • the power grid is physically in the form of a mesh multipoint bus tree.
  • a layer and a branch are classified based on the control node ().
  • the Power Control Domain (Power Segment Plane, Power Class) (Fig.-17B) has one power source (1, supply end, input) and one or more loads (receiver end, output). Regardless of the supply and demand of energy in the power system, it is a unit of power grid in which control mechanisms such as detection area and protection are separated from other power grids (independent objects).
  • the power grid is extended in a hierarchy structure, so the power is physically the same layer. (layer), but it is different from the supply and demand of energy in a power system with one power source (supply end, input) and one or more loads (receiver and output) that can be controlled and monitored in an electrical/logical area that has a correlation with the control area.
  • the sensing area and control mechanisms such as protection are defined as a unit of the power grid separated from other power grids (independent objects).
  • the control nodes 200, 400, and 600 receive power from the upper node and directly deliver it to the lower load. Control and measurement are only possible in one step above and below. However, in obtaining the measured value of the supply voltage, if communication with the own supply control node (n-1 layer) is not smooth, the control section can be extended by obtaining it from the higher level node (200. n-2).
  • the nodes 200, 400, 600 can transmit power, measure the voltage, current, and power, and exchange messages with a node having a means for controlling the output.
  • the gateway node 400 is a node 400 having a function of receiving power from an upper node having the functions of a feed end and a receiving end, transfers it to a lower node or domain, and controls the supply of power to the lower node 600 when necessary. .
  • the lower power grid expands in a hierarchical structure, thus affecting the flow of power energy delivery. All power planes see the upper plane as a power source and receive power, and the lower planes (600, 600-2, 600-3) as loads and supply power. For control and measurement, only the load of the same domain is valid, and power information of the upper domain or lower domain of the second level or higher is not subject to judgment, excluding neighbors of the same level.
  • Fig-21 shows a power grid management system to which IoT technology is applied.
  • electrical data that can determine an abnormality sign of an accident is the line voltage drop ( ), line loss power ( ), line resistance ( ) And maximum allowable current ( ) Is information that is directly related to an accident, and if any of these exceeds the allowable range, it leads to an accident, so it must be monitored at all times.
  • Double line resistance ( ), maximum allowable current ( ) Is related to the line equipment, so it must be identified and maintained in advance.
  • the dynamic measurement technology of the present invention does not cut off the power supply to the line and does not use a special measuring device.
  • the maximum allowable current ( ) Can be estimated.
  • the power grid fault detection technology combines information and communication technologies such as existing IoT technology to know real-time power and supply, and even the state of the power grid, making it possible to implement a power grid safety map (a number). By establishing a social safety net with technology, it is possible to detect electric accidents in advance, thereby maximizing the degree of safety.
  • the extracted line information is applied to multiple distribution networks based on the analysis and processing information in a more advanced method such as analyzing the cause of electric fire or early detection of line deterioration through recording and analysis of lost power.
  • Quantitative information (risk index, safety index) can be derived.
  • the safety level-variable voltage drop ( ), line loss power ( ), line resistance ( ) And maximum allowable current ( ) In consideration of the safety level on the map, and the line supply voltage ( ), load voltage ( ), load current ( ), load power ( ) Is measured and compared in real time, and if it exceeds a certain value, an alarm is generated and the power grid control center is notified. Users are notified by alert or SMS message. If the risk index is high and it is judged to be serious, most of the line accidents can be prevented by immediately shutting off the power supply to the load. It will be a more practical system if you can cope with it in advance through notice. A more practical system can be built by setting the threshold in multiple steps and warning step by step according to the level of risk.
  • Connection to the smart grid can be implemented by connecting to the Internet cloud via the gateway 300 using a commercially available IoT technology. Monitoring data for a plurality of line information can be transmitted from a separate power grid information collecting device included in the gateway.
  • the Internet may be any one of wired/wireless communication networks providing communication of various information devices within a limited area, or may be formed of a combination of two or more.
  • the transmission method standard of a network corresponding to the Internet is not limited to the existing transmission method standard, and it is useful only when all transmission method standards to be developed in the future can be applied.
  • the power grid control center can grasp the current status of power lines in real time, faults in the power grid due to line defects and overloads can be detected, and maintenance/repair information can be obtained in advance to prevent breakdowns.
  • the degree of risk can be quantified and the degree of risk can be reflected as a determining factor in the objective safety grade index.
  • the present invention prevents accidents in advance by taking appropriate precautions by detecting electrical defects in power grids and abnormal signs of lines.
  • it is basically designed to operate in the stand-alone mode as well.
  • the line defect detector of the present invention is basically not dependent on the physical position of the line, it detects line defects between the measurement point (power supply end) and the receiving end (load) wherever it is located.
  • the fault detects an abnormal symptom in the form of an increase in voltage drop or an increase in line loss power and leakage current.
  • each node can construct a more effective and fine-grained safety net by notifying the external control center or neighboring nodes of the measured information and control information.
  • each node system of the present invention can be configured to have an association relationship, since each node operates independently (stand-alone), an extension structure that does not adversely affect each other is possible. By receiving information from the relevant node and processing only data related to it, the flexibility of expansion is high when building a network, so it is not limited.
  • the control device If the measured value in each measurement means and the value calculated according to the processing/verification algorithm based on it are out of the preset normal range, the control device generates an error in one or more of the overloads exceeding the line allowable current capacity or exceeding the current capacity. We judge that we did and follow up.
  • Each measurement and processing in this step is synchronized using an interrupt technique and processed in parallel in real time, which is desirable because precision can be improved.
  • Follow-up measures can trigger an alarm step by step depending on the degree of deviation from the standard range, and a risk map is established based on the database by sending the risk of shutting off the power supplied to the load causing the alarm according to the number of alarms and the degree of risk. It is possible to take various measures, and it can play a major component in the control network, such as as a node of a smart grid using IoT technology.
  • the fault detection loop is cycled by closing the contact again to restore power to the interrupted circuit.
  • the present invention can be applied to all electric systems regardless of AC/DC, and can be applied in various forms to energy conversion systems such as transformers, power inverters, solar power generation systems, and ESS.
  • Preemptive safety technology is highly expected to be commercialized as it can dramatically reduce the damage to human life and property caused by electric fires and social expenses, and growth through the demand of the IoT-based safety-related smart device parts/products industry and IoT-based measurement technology The industry is expected to grow together.

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Abstract

본 발명은 선로의 손실전력과 선로저항 등 선로의 특성을 측정 분석하여 전력망의 이상 징후를 사전에 검출하여 전기 재해 예방에 관한 것이다. 본 발명은 전기 배전망에서 발생할 수 있는 화재 발생 이상 징후를 검출하기 위해 IoT기술 등 통신기술을 이용하여, 활선상태(Live)에서 급전단과 부하단에서 선로의 물리량을 상시 측정하여 선로상에서 손실되는 전력과 그 원인이 되는 선로저항을 간접적으로 측정하여 선로의 결함을 검출하여 화재 징후를 탐지한다.

Description

IOT기술을 이용한 전기재해 선제적 탐지 및 예방 시스템
본 발명은 선로의 손실전력과 선로저항 등 선로의 특성을 측정 분석하여 전력망의 이상 징후를 사전에 검출하여 전기 재해 예방에 관한 것이다. 전기차단기는 전류가 미리 설정한 임계값을 초과하면 부하 공급전력을 차단하는 방식 이다. 전기화재는 전기차단기의 안전 한계치 아래에서 발생할 수 있으나, 기존의 기술은 이에 대한 해결책이 없었다.
본 발명은 전기 배전망에서 발생할 수 있는 화재 발생 이상 징후를 검출하기 위해 IoT기술 등 통신기술을 이용하여, 활선상태(Live)에서 급전단과 부하단에서 선로의 물리량을 상시 측정하여 선로상에서 손실되는 전력과 그 원인이 되는 선로저항을 간접적으로 측정하여 선로의 결함을 검출하여 화재 징후를 탐지한다.
기존의 화재 탐지기술은 대부분 화재시 나타나는 물리적 신호를 모니터링하거나, 허용 전류를 초과하면 회로를 차단하는 방법이 널리 사용되고 있으나, 과전류 차단기의 허용 트립 전류 내에서 전송로의 열화로 발생하는 화재의 예방이 불가능하다. 기존의 전류차단 기술은 선로의 전력 손실에 따른 화재의 요인검출이 어렵다. 기존의 과전류 차단기는 차단 설정 전류 내에서 선로상의 발열 또는 접촉 불안전, 아크 등 불똥으로 인한 발화에 대한 대책이 미흡하다.
전력을 공급하는 전력망의 결함을 탐지하는 것은 매우 중요하고 안전관리 및 예방 유지/보수에 영향을 미친다. 특히 재해가 발생하기 전에 결함을 탐지하는 것은 매우 중요하다. 전기가 실용화된 이후 지금까지 전력시스템의 결함을 조기 발견하기 위한 수많은 연구가 있었다.
그러나 대부분의 전력시스템에는 과전류차단기 등 안전장치가 있음에도 불구하고 전력설비의 부하에 대한 부적절한 전원 공급과 선로의 결함은 상존하고 있으며, 이는 심각한 위험 요소가 될 수 있다. 기존의 안전장치는 위험상황이 발생했음에도 불구하고 이를 검출하지 못하는 영역이 있다. 기존의 전기 안전기술은 전력 공급 수단인 선로나 차단기 접속부 이상, 화학적 변형 및 반단선 등 선로의 열화에 따라 전력 공급에 결함이 존재할 수 있으나, 이에 대한 고려는 미흡하다. 즉 부하의 대소 선로의 조건과 관계없이 동일한 기존의 안전장치에 의존한다.
기존의 과부하/누전 차단기술은 과부하, 단락 및 누전을 검출할 수 있어, 전기 재해의 주요 원인 중 과부하와 누전에 대한 사고 예방 대책(기능)은 어느 정도 해결되어 있으나 정격전력 내에서 선로나 스위치 등 접촉 불량에서 발생하는 아크/스파크 등에 의한 검출은 불가능하다.
표->에 보인 바와 같이 현재 안전에 관한 주요기술은 전력망 또는 전력시스템에서 전기 적 결함으로 인해 장치에서 장애가 발생하거나 영향을 미친 후에만 결함을 감지할 수 있었다. 기존의 과전류 차단기 기술은 아직도 전송선로의 결함에 따른 사고를 감지하지 못한 영역이 있다.
기존의 전기 안전에 관한 보호기술의 임계치는 부하의 가용 전류용량의 최대치에 여유도를 곱하여 설정된다. 이는 복수의 부하를 갖는 전력시스템에서 하나의 선로를 사용한 경우 하나의 선로 보호 메커니즘에 종속된다. 즉 보호 임계치가 선로에 연결된 부하의 전류용량의 총합으로 결정되므로 중부하 용량을 갖는 장치와 경부하를 갖는 부하가 혼용된 경우, 트립 조건이 중 부하에 적합하게 설정되어 있으므로 상대적으로 경부하(보호기의 정격 내의 단락)는 보호 영역에서 벗어난다. 보호 메커니즘이 부하나 선로의 허용용량에 따라 적합하게 작동되지 않고 일괄적으로 적용되어 보호 기능의 불감지 영역이 있다.
또한, 기존의 안전차단기술은 경단락과 정상부하를 구별하지 못하여 경단락이나 감전을 감지하는 안전기술이 미흡하여 현존하는 화재나 감전의 위험이 불감지 영역이 있다.
기존의 회로 차단기는 통과하는 전류가 사전 설정된 수준을 초과하지 않는지 확인한다. AFCI(Arc-Fault Circuit Interrupter)는 Arc 결함을 나타내는 전류 변화를 찾기 위해 통과하는 전류를 점검한다. 전류가 사전 설정된 레벨을 초과하지 않는지 여부를 확인하는 방식이다.
선로의 접속불량, 접촉불량 및 노화/열화로 인해 "기생" 저항이 발생한다. 이 기생저항은 특정 조건(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000001
)이 되면 기생저항이 전류 제한기 역할을 하며 결함이 있는 회로의 전류가 해당 회로에서 사용 중인 Fuse 또는 회로 차단기의 사전 설정된 트립 레벨 범위를 벗어나는 것을 보호 동작을 방해한다. 총 기생저항이(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000002
)이런 조건이 되었을 때 합선이 일어나면 대단히 위험하다. 이때 최악의 상황이 (
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000003
) 발생한다. (제5도)참조
전기사고는 일반적으로 접속불량, 단락, 경단락, 부하의 연결/분리, 단기 선로 단절 또는 기타 전기적 결함으로 발생한다. 따라서, 상기 전기적 결함의 검출은 대단히 중요하고 이를 사고가 발생하기 전 또는 사고 초기에 발견하면 피해를 최소화 할 수 있다. 본 발명은 전력을 공급받는 선로상에서 손실되는 전력 또는 선로 저항을 실측하여 선로상의 발열량을 추정할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상은 분산된 mesh 회로망의 형태를 갖는 전력망을 (활선)계측기술과 사물인터넷기술을 이용 (실시간으로)상시 데이터를 수집하여 Kirchhoff'의 전류법칙과 전압법칙의 확장 해석을 통한 전력망의 결함에 따른 에너지 손실을 찾는 방법으로 사고의 이상 징후를 사전에 검출/감시하여 (사전에)전력망이 무결성을 유지하거나 안전범위 내에서 만 전력시스템을 운영할 수 있는 검증/탐지 메커니즘을 구현함으로써 전기재해를 근본적으로 방지할 수 있는 전기재해 방지 시스템의 실현이다.
본 발명에서는 전기재해를 야기하는 원인을 다음과 같이 크게 2가지 전기적 결함으로 분류한다. 누전, 절연체 불량/손상, 절연파괴(수분/먼지), 지락/혼촉, 단락, 트래킹, 과부하/과전류 등의 전기적 결함을 총칭하여 병렬결함(Parallel Fault)으로 정의하고, 도체파손(반단선), 접속결함(연결불량), 접점불량, 압착손상 등의 전기적 결함은 총칭하여 직렬결함(Serial Fault)으로 정의한다.
본 발명은 상기 전기적 결함은 활선 측정기술로 대부분 사전 검출이 가능하여 모든 비정상 부하가 소비하는 전력을 실시간 검출할 수 있다.
본 발명은 전력망의 전기적 결함을 상시 감시하여 자동으로 적절한 조치를 하는 방법으로 만성적 정적결함/진행성 결함은 사전에 사고로 발전하기 전에 이상 징후 탐지가 가능하여 사고를 예측할 수 있어 이를 조치하면 선제적으로 재해를 예방할 수 있다. 또한 기존의 보호기(Circuit Breaker 등)가 검출하지 못한 활선 충전전로의 경단락(트립전류 이하의 합선, 감전) 등 임의성/돌발성 사고에 대해서도 초기에 검출할 수 있어 전력망에 전원공급을 차단하는 방법으로 사고의 진행을 방지하는 실효적 조치를 한다.
본 발명은 화재 이상 징후를 검출하기 위해 전기회로망의 통전 상태에서 급전단과 부하단의 전압, 전류 등 기본적인 전기적 특성을 측정하여, 선로 저항, 접속 기생저항, 선로에서 손실되는 전력, 누설전류, 선로의 최대 허용 전류, 과부하, 아크 현상 발현, 전류 불안정 등 전기적 특성을 측정하고 실시간 분석하고 그 변화를 실시간 추적하는 방법으로 이상 징후를 검출한다.
1. 재해 이상 징후 검출
본 발명의 전기 재해의 징후 검출 기술은 활선상태(Live)에서 급전단과 부하단의 선로 전압과 전류 등 기본적인 물리량을 상시 측정하고, 선로저항과 선로 손실전력을 실시간 환산하여 선로 상에서 발생할 수 있는 열량을 추정함으로써, 큰 문제로 진행되기 전에 관리자에게 통보하거나 그 원인을 제거하여 실화로 발전하기 전에 방지할 수 있다.
또한, 선로의 열화에 따른 선로 변형에 따른 허용전류의 감소에 따른 실제 허용전류를 현실에 맞게 재계산할 수 있다. 이를 집계 분석하면 선로 열화 진행을 감지할 수 있으므로 노후화된 선로의 교체 등 보수 정보를 제공한다. 급전단과 부하단이 물리적으로 떨어진 원격 분산된 회로망의 물리량 측정은 다양한 통신기술 이용할 수 있으나 특히 무선 IoT 기술을 이용하면 용이하게 구현할 수 있다.
2. 선로의 결함 검출
전력을 공급하는 전력망은 여러 가지 사유로 다양한 전기적 결함이 존재할 수 있다. 즉 전기접점, 연결부 탄화, 불완전 접속, 느슨한 연결 상태, 접촉저항, 접촉불량, 연결 결함, 절연 파괴, 부적절한 설치, 손상, 반단선, 물리적 노화/변형 및 화학적 부식 등 여러 형태를 보일 수 있으나 본 발명에서는 이 열화 현상에 의한 발열과 관계있는 전기적 성분을 기생저항(Parasitic Resistance, 4)으로 표현한다.
도-2는 전원, 전송로 및 부하가 직렬로 연결된 기본적인 전기회로이다. 선로 전기화재의 원인은 선로의 열화와 과전류이다. 선로에서 발생하는 화재의 주원인은 상기 선로열화로 인한 기생저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000004
,
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000005
)의 증가 등 전기적 특성변화에서 찾을 수 있다. 선로 저항의 증가는 전류가 흐르면 전력손실이 발생하여 바로 줄(Joule) 열로 바꾸어져 일정치를 초과하면 발화의 조건이 되므로, 이를 최소화하거나 사전에 이런 현상이 존재의 유무를 검출할 필요가 있다.
기생요소 중 저항성분은 전류가 흐르면 줄열로 바꾸어지므로, 이 저항성분의 증가로 기인한 선로결함을 검출한다. 상기 선로 열화 저항은 물리적인 특정 곳에 집중하므로 같은 분포정수의 형태를 띤 선로의 분산 저항보다 위험하다.
선로의 기생저항에 의한 전기 에너지 손실은 선로 양단간의 소실전력의 증가나 전압강하의 증가로 나타나고, 절연내력 저하는 누전 또는 단락으로 발전한다. 일반적으로 활성상태에서 전력망의 누전이나 반단락 현상으로 에너지 소실이 발생하여도 방치한다. 이 에너지 손실이 한계치를 초과하여 위험상황이 발생하기 전 온도상승 소비전력증가 등 이상 징후(Symptom)를 보인다. 따라서 이 전기적 이상 징후를 조기에 검출하면 선로상에서 발생하는 전기화재의 예방이 가능하다. 또한, 상기 이상 징후는 계측이 가능하여 정량화할 수 있어, 선로의 안전성을 객관화할 수 있는 요소로 사용할 수 있다.
그 해결책으로는 급전단과 수전단 간 전력손실을 실시간으로 측정하여 분석처리하면(다음의 처리과정을 통해 처리하면) 위험의 이상 징후를 검출할 수 있다.
도-2의 직렬 회로망에서 급전단의 전압(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000006
), 수전단의 전압(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000007
) 및 부하전류(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000008
)를 측정하여 환산하면 선로손실전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000009
, 선로소실전력), 선로저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000010
), 부하전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000011
), 부하저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000012
) 및 총 공급전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000013
)을 구할 수 있다. 도-3은 도-2로 모델링한 전력망의 등가 회로에서 누설저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000014
)이 없을때 선로저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000015
)의 변화에 따른 선로의 손실전력, 부하 소비전력 및 총 소비전력 추이를 보인다.
선로의 소실전력이 일정량을 초과하면 발화로 발전할 수 있다. 따라서 이 전력이 설정 기준치를 초과하면 부하로 공급전력을 차단하여 발화를 방지할 수 있다. 이 소실전력은 과부하 차단기(14)의 허용전류 이내라도 발화의 원인이 될 수 있다. 이 경우 최대 선로손실전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000016
)은 부하정격전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000017
)의 25%에 달할 수 있다(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000018
). 따라서 동일한 선로 조건을 갖는다 할지라도 부하의 정격전력이 클수록 위험하다.
3. 선로 손실전력 측정 및 열화 이상 징후 검출
선로의 손실전력은 선로 발화의 직접적인 원인이 된다. 선로 손실전력은 허용전력의 초과 또는 선로 열화(선로결함) 노후화 물리적/화학적 변형으로 기인함- 열화 부분은 상대적으로 과도한 줄(joule)열 발생한다. 이 열이 발화의 직접적인 요인이 될 수 있다.
도-2 에 보인 단순 직렬 회로망에서는 급전단의 전류와 수전단의 전류가 동일하므로 급전단의 전압(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000019
), 수전단의 전압(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000020
) 및 부하전류(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000021
)를 측정하여 다음 공식(식-1)으로 선로손실전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000022
)을 구할 수 있다.
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000023
(식-1)
여기서
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000024
: 부하 정격전력,
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000025
: 선로의 정상저항,
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000026
: 선로의 기생저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000027
,
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000028
)에서 발생한 비정상 손실전력이다.
이상 전력손실(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000029
)은 선로손실전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000030
)에서 정상선로 손실전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000031
)을 차감(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000032
)한 것으로 결함에 의해 발생하는 기생저항으로 통상 정상선로 손실전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000033
)은 거의 0에 가까운 값이므로
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000034
이다.
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000035
는 정격전력을 갖는 부하에서 선로의 기생저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000036
) 증가에 따른 부하전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000037
) 및 선로손실전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000038
)의 추이는 도-3, 4에 상대 전력손실(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000039
)을 보인다. 선로손실전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000040
)은 선로저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000041
)이 부하저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000042
)이 동일할 때 선로에서 최대 전력손실이 발생한다.
통상 선로열화시
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000043
의 조건이 되므로 손실전력도
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000044
이 되고, 기생저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000045
)은 국부적인 부분에 집중하게 되므로, 상대 전력손실(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000046
)에 의한 발열은 기생저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000047
) 부분에 집중하게 된다. 이 선로손실전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000048
)은 줄열로 변환되므로 일정치를 초과하면 발화의 가능성이 있으므로 한계치를 설정하여 이를 초과하면 부하를 차단하거나 후속 조치를 할 필요가 있다.
여기서, 같은 손실전력일지라도 선로의 열화 부분의 발열이 집중하므로 상대적으로 더 위험하다.
도-4, 6은 선로저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000049
) 변화에 따른 선로 양단의 전압강하, 부하전압 및 선로 손실전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000050
)의 관계를 보인다. 선로 열화의 증상은 그림과 공식(식5)으로 보인바 와 같이 선로저항의 변화는 선로 손실전력의 증감현상과 선로전압강하의 증가로 나타나므로 이를 모니터링하면 위험 이상 징후검출이 가능하다. 따라서 이들의 값(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000051
)을 배전선로의 위험도를 나타내는 척도지표(Line Fault Index)로 사용할 수도 있다. 그림에 보인 바와 같이 이상 징후를 정량화된 값으로 관찰할 수 있으므로 일정값(임계치, Threshold)을 초과하면 부하전력을 차단해야 한다.
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000052
4. 선로 및 기생 저항측정
전력망에서 기설된 전송로의 특성을 아는 것은 매우 중요하다. 선로저항은 사고 예방 차원뿐만 아니라 열화 요인 분석이나 열화의 추이/진행을 분석할 수 있는 기초데이터로 통전상태에서 선로저항을 산출할 수 있는 방법을 제공한다. 다음 방법은 온-라인 상태에서도 산출 가능하여 측정값을 네트워크상에서 수집 가능하다.
급전단의 전압(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000053
), 수전단의 전압(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000054
) 및 부하전류(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000055
)를 측정하여 환산하면 선로 선로저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000056
), 부하저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000057
)을 구할 수 있다. 도-6~8, 식-2는 급수전단의 상대 전압비(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000058
)와 선로저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000059
)을 연관성을 보인다.
본 발명은 선로저항은 급전 단의 전압, 수전단의 전압 및 선로전류를 측정하여 간접적인 방법으로 계산이 가능하다. 선로저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000060
)은 급전단 전압(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000061
), 수전단(부하)전압(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000062
) 및 수전단(부하) 전류(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000063
)를 측정하여 다음 식(식-2)으로 환산하면 간접적으로 산출할 수 있다. 통상 정상선로저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000064
)은 선로저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000065
) 중 정상부분을 의미하므로 비정상 선로저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000066
)은 합산된 총 선로저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000067
)을 간주하여도 무방하다.
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000068
(식-2)
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000069
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000070
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000071
.
5. 화재 발생 징후 검출 및 선제적 조치(예방)
전기화재는 발생 전 온도 상승, 냄새, 화염, 아크/스파크, 불꽃, 전력선로의 전기저항의 증가 또는 선로소비전력의 증가, 누설전류 증가 등 다양한 이상 징후(Symptom)를 보인다. 이 중 선로의 결함으로 인한 대표적인 전기적으로 검출이 가능한 이상 징후를 보면;
1. 선로 저항의 증가 또는 불안정
2. 선로 손실전력의 증가(변화)
3. 선로 강하전압의 증가
4. 부하전압의 하강
5. 전압변동률의 증가
6. 선로 누설전류 증가
7. 선로 절연내력 저하
8. 부하전류의 감소 또는 불안정
9. 선로의 온도 증가
10. 아크/트래킹 현상의 발현
도-1, 12, 13, 14, 15, 19)은 본 발명은 전력망의 전기적 이상 징후 중 계측이 용이한 선로의 양단(급전단-수전단) 간의 전압강하나 손실전력을 모니터링하여 화재의 발생을 사전에 감지하는 기술의 구현 예를 보인다. 전력선로의 기생저항의 증가는 선로상의 전기 에너지 손실(소비전력)의 변화로 나타난다. 전기적 결함 부위의 저항이 증가하므로 선로의 전압강하와 소실전력이 증가한다.
상기 전압강하가 일정 한계를 초과하면 발화로 발전할 수 있다. 따라서 상기 전압강하에 전류를 곱하면 선로 소실전력을 구할 수 있다. 상기 소실전력을 일정치(임계치)를 초과하지 않는 안전 범위에서만 전력을 공급하면 사고를 예방할 수 있다. 상기 전기적 화재이상 징후는 계측이 가능하고 정량화할 수 있어 화재 예측기술로 사용할 수 있다. 따라서 이 전기적 이상 징후를 검출하고 처리하는 수단을 구비하면 선로상에서 발생하는 전기화재의 예방 시스템의 구현이 가능하다.
도-10은 일정 부하에서 선로저항 변화에 따른 선로 손실전력의 변화를 보인 것으로 선로저항이 증가하면 선로손실전력도 증가 추세를 보이다가 부하저항과 같은 값을 가질 때 최대값을 갖으며, 이 때 최대손실전력은 부하 정격전력의
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000072
에 달하여 가장 위험한 상황이다.
도-10, 11은 선로열화로 발생하는 기생 저항은 부하전류를 감소시키는 전류 리미터 역할을 하여 오히려 과부하차단기의 사전 설정된 임계치를 벗어나는 것을 방해할 수 있음을 보이고 있다.
본 발명은 선로에서 손실되는 전력을 측정함으로써 선로 상에서 발생할 수 있는 화재 사고의 징후를 검출할 수 있다. 이는 선로전압강하와 부하전류를 측정하고 손실전력을 계산하여 임계값을 초과하면 부하전류를 차단하는 방법으로 선로 상에서 발생하는 화재의 예방이 가능하다. 또한 선로 저항 값을 환산하여 일정값 이상 증가하면 부하전류를 차단하여도 동일한 결과를 얻을 수 있다. 급전단의 전압이 안정된 경우 전압 강하율 만 측정하여도 간이하게 소기 목적을 달성할 수 있다.
안전운전영역(110, 120) 초록색 영역을 벋어나면 부하를 차단하는 것이 바람직하다.
기존의 화재 예방은 과전류, 누설전류 및 아크발생을 감지하여 차단하는 방식이 주류를 이루고 있다. 그러나 이러한 방법은 선로저항의 증가로 발생하는 화재는 감지하기 어렵다. 즉 허용전력 이내 정상부하에서도 선로의 열화로 기인한 화재 발생이 가능하다. 점선(160)은 화재가 발생할 수 있는 과다한 전력이 손실되는 영역으로 이 영역에 진입하면 공급전력을 바로 차단해야 한다.
임계치는 다양한 방법으로 설정할 수 있다.
6. 선로의 최대 허용 전류 측정
선로의 열화는 화재의 주요 원인이므로, 화재를 예방하기 위해서는 기 설치된 선로의 저항이나 최대허용전류를 미리 산출하면, 사용할 수 있는 전력을 산출할 수 있으므로 안전한 전력망 구축에 활용할 수 있다.
선로의 안전 최대 전류치(최대전류허용치,
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000073
)는 급전단 전원전압(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000074
), 수전단(부하) 전압(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000075
)과 부하전류(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000076
)를 측정하고 허용 최대 전압강하율(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000077
)를 적용하여 환산할 수 있다.
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000078
(식-4)
안전 최대 전류치(최대 전류허용치,
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000079
) 급전단 전원전압, 수전단(부하)전압과 부하저항과 다음과 같은 상관관계가 있다. 다음 공식(식-5)으로 구할 수 있다.
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000080
최대 전류허용치
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000081
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000082
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000083
(식-5)
7. 전력망 결함의 검출
본 전기재해 예방기술의 핵심 원리는 선로에 흐르는 전류로 인한 선로의 전기적 특성이 반영된 선로의 물리량을 측정/분석하여 선로결함을 검출하고 이를 근거로 화재의 징후를 찾아낸다.
도-2에 보인 바와 같이 전기회로망에서 전력을 전송하는 선로의 결함을 검출하기 위하여, 선로저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000084
) 변화에 따라 선로 양단의 전압강하, 부하전압 및 선로 손실전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000085
)의 변화를 보인다. 선로 열화의 증상은 도-3에 보인 바 와 같이 선로저항의 변화는 선로손실전력의 증감현상과 선로전압강하가 증가하는 이상 징후가 나타나므로 이를 모니터링 하여 위험 상황을 예측 검출한다. 제어기 구현에서 이상 징후검출은 선로손실전력, 선로전압강하, 부하전압변동, 선로저항 등 어느 물리량을 제어변수로 택하여도, 소기의 목적을 달성할 수 있다.
도-10)에 보인 바와 같이 전력망의 이상 징후를 정량화된 값으로 관찰할 수 있으므로 일정 임계치(Threshold)를 초과하면 부하전력을 차단해야 한다. 여기서 임계치(79)는 고정값을 가질 때도 있고 필요에 따라 전원공급시간, 입력 전원전압, 부하의 종류 및 특성에 따라 가변하여 동적으로 설정하면 보다 유연하고 정교한 시스템 구축이 가능하다. 이를 발전시키면 부하의 특성을 학습하여 임계치(79)를 가변하여 설정하면 보다 상황에 적합한 시스템을 구축할 수 있다. 또한, 부하전원의 차단이나 투입도 단순한 온/오프 방식 이외 소프트스타트 방식도 고려할 수 있고, AC/DC에 상관없이 모든 전기 장치에 적용될 수 있다.
도-1, 12, 13 개념도에 보인 일실시 예는, 급전단(11)의 선로전압을 측정하는 수단(10); 수전단의 선로전압과 전류를 측정하는 수단(20, 22); 선로의 전기적 특성이 반영된 물리량을 측정(21, 23)하고 이를 연산 비교하여, 그 결과에 따라 부하 제어신호를 발생하는 연산(44, 46) 및 제어수단(50, 82, 98); 상기 제어신호에 따라 부하(2)에 공급하는 전력을 제어할 수 있는 부하제어수단(24)을 구비하여,
1. 부하에 전력을 공급;
2. 급전단 전압(11), 수전단 전압(21), 부하전류(23)를 측정;
3. 상기 급전단전압(1)에서 수전단전압(21)을 차감하여 선로 전압강하(45)를 산출;
4. 상기 강하전압에 부하전류(23)를 곱하여 선로손실전력(47)을 산출;
5. 상기 선로손실전력(47)과 임계치(58)를 비교하여,
6. 비교결과가 임계치를 초과하면 부하에 공급하는 전력을 차단하고 보호기를 작동한다.
선로에 흐르는 전류와 선로의 전기적 특성이 반영된 선로손실전력을 측정하고, 특정값을 초과하면 결함이라고 판단하고 적합한 후속 조치한다. 결과적으로 임계치는 허용선로손실전력의 최대치가 된다.
선로손실전력 등 상기 물리량 측정에 있어서 측정된 값을 적분하여 누적치로 판단의 근거로 입력하거나 이동평균화(Moving Average Filtering) 기술 등 필터링기술을 적용하면 노이즈와 과도현상에 대한 오동작을 최소화할 수 있어 신뢰성을 향상할 수 있다.
상기 구현은 선로손실전력 이상 징후 검출방법으로 실시 예를 보였으나, 급전단과 수전단 간의 선로전압강하를 기준으로 비교하는 방법을 적용하여 더 간단히 실시할 수 있다. 이 경우 극단적인 경부하에서 미소 선로전력손실이 발생하여도 과민하게 동작하는 영역이 존재한다.
8. 복합 사고 손실전력
도-10, 11은 과전류 차단기 허용 트립 전류 내에서 부하 변동에 따라 전송선로에서 손실되는 손실전력을 보인다. 도-10, 11는 과전류 차단기가 검출하지 못한 선로에서 발화로 발전할 수 있는 선로손실 전력을 보인다. 즉 위험 상황이 발생하였음에도 불구하고 과전류 차단기는 감지하지 못한다. 과전류 차단기 허용 트립 전류 내에서 손실되는 최대 손실전력은 다음과 같다.
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000086
,
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000087
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000088
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000089
전류차단기의 정격전류용량 트립 전류
선로저항이
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000090
값과 동일할 경우 선로상에서
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000091
의 전력 손실이 발생하므로 이때가 가장 위험하다.(트립 전류가 정격전류의 200%인 경우)
기존의 전기 사고예방을 위한 과전류 차단기 기술은 부하 전류가 허용 한계치를 초과하는지가 판단의 기준으로 부하전류가 상기 한계치를 초과했는지를 판단하는 방식으로 부하에 공급되는 전력을 제어하는 방식으로 과전류로 인한 사고는 방지할 수 있으나, 보호기의 정격 내의 누전성 단락(이하 경단락)이나 선로결함으로 발생하는 사고는 방지(검출)할 수 없다.
기존의 보호기술은 선로의 실제 전력 공급능력에 따라 적합하게 작동하는지를 검출하는 메커니즘은 아니다. 도-10, 11에 보인 바와 같이 선로가 열화되어 기생저항이 증가하거나, 경단락으로도 사고가 발생할 수 있다.
선로의 전력손실은 바로 줄(Joule) 열로 바꾸어져 일정치를 초과하면 발화의 조건이 되므로 필요한 조치를 하여야한다. (이를 최소화해야 한다.) 여기서 선로의 열화는 선로 뿐만 아니라 전송경로상의 모든 전기적 특성이 포함된다. 즉 전기접점, 연결부 탄화, 불완전 접속, 느슨한 연결 상태, 접촉저항, 물리적 변형, 반단선 및 화학적 부식 등 여러 형태를 갖을 수 있으나 본 발명에서는 이것들의 전기적 특성을 기생저항(Parasitic Resistance, 4)으로 표현한다.
선로 전기화재의 원인은 선로의 열화와 과전류이다. 선로에서 발생하는 화재의 주 원인은 (전기접점, 연결부 탄화, 불완전 접속, 느슨한 연결 상태, 접촉저항, 물리적 변형, 반단선 및 화학적 부식 등) 상기 선로열화로 인한 기생저항의 증가 등 전기적 특성변화에서 찾을 수 있다. 선로 저항의 증가는 전류가 흐르면 전력손실이 발생하여 바로 줄(Joule) 열로 바꾸어져 일정치를 초과하면 발화의 조건이 되므로 이를 최소화하거나 사전에 이런 현상이 존재의 유무를 검출 할 필요가 있다.
전기화재의 원인인 상기 기생저항 성분들은 통전상태에서는 직접측정이 안되므로 정확한 값을 알기 위해 간접적인 방법인 다음 전기적 성분의 손실전력, 선로전압강하의 변화, 아크 에너지 스펙트럼 등을 분석하여 도출하거나 존재(발현)를 감지할 수 있다.
기생요소 중 저항성분은 전류가 흐르면 줄열로 바꾸어지므로, 이 저항성분의 증가로 기인한 선로결함을 검출한다. 상기 선로 열화 저항은 물리적인 특정 곳에 집중하므로 같은 분포정수의 형태를 띤 선로의 분산 저항보다 위험하다.
선로상의 전기 에너지 손실은 선로 양단간의 전력의 증가나 전압의 증가로 나타난다. 이 에너지 손실이 한계치를 초과하여 위험상황이 발생하기 전 온도상승 소비전력증가 등 이상 징후(Symptom)를 보인다. 상기 이상 징후는 계측이 가능하여 객관화나 정량화할 수 있어 실측하면 화재 예방기술로 사용할 수 있다. 따라서 이 전기적 이상 징후를 조기에 검출하면 선로상에서 발생하는 전기화재의 예방이 가능하다. 상기 검출수단은 전력설비에 포함되어 상시 검출이 행해질 수 있으나, 필요에 의해 안전도 검사 차원에서 행해질 수 있다.
그 해결책으로는 급전단과 수전단 간 전력손실을 실시간으로 측정하여 분석/처리 하면(다음의 처리과정을 통해 처리하면) 위험의 이상 징후를 검출할 수 있어 사고를 예방할 수 있다.
본 발명은 기본적으로 전력을 공급하는 급전단(1, 전원), 전력을 전송하는 선로, 전력을 공급받는 수전단(2, 부하)로 구성된 직렬회로망에서 양단을 연결하는 선로에 흐르는 전류로 인한 선로의 전기적특성이 반영된 물리량을 측정하고 이를 분석하여 결함을 검출하는 기술이다.
선로측정기술로는 저항계나 임피던스 메터, 누전계, 위상차계 등이 있으나 통전상태의 회로망에는 적합하지 않고 예고 없는 돌발성 사고에 대비하기 위해 상시 검출이 가능한 최적화된 전기재해 방지 시스템 구현이 목표이다.
9. 선로 임피던스측정기
도-8은 통전상태의 전력망에서 기설된 전송로의 미지의 선로임피던스를 측정할 수 있다. 식-3에 보인 바와 같이 기준저항을 알면 전류측정 수단이 없어도 내부 임피던스를 측정할 수 있다. 도-8은 선로임피던스를 측정하여 네트워크로 측정값을 전송하여 데이터를 수집할 수 있는 네트워크 기반 임피던스 측정기를 보인다. 이 방법은 기준저항기의 특성을 정확히 알 수 있으므로 측정오류가 낮아 정밀한 측정이 가능하다.
무부하전압
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000092
을 측정 부하전압을 측정한 후, 기지의 기준저항
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000093
을 피측정단에 연결하고 부하전압
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000094
을 측정하여 기준 부하와 전압의 변화를 측정하여 내부 합성 임피던스(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000095
)를 알아내는 측정하는 방법으로, 전압의 절대치와 위상을 측정하면 한 개의 전압측정수단으로 내부 임피던스를 구할 수 있다.
내부에 전원을 갖는 시스템에서 미지의 내부 임피던스를 측정할 수 있다. 이를 위해 전압계와 기지의 저항을 이용하면 내부 특성의 분석이 가능하다. 먼저 피측정단에 부하를 제거하여 무부하전압
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000096
을 측정하여 저장하고, 다음 부하를 연결하여 기지의 기준저항
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000097
을 피측정단에 연결한 후 부하전압
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000098
을 측정하여 식-3의 공식에 의해 내부 임피던스를 구한다. 부하전압과 부하전압의 상대비와 내부 임피던스는 도-7로 보인다. 기준저항을 적합하게 선택함으로써 측정의 분해능을 개선할 수 있다.
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000099
(식-3)
10. 전력망 결함 검출 메커니즘
도-1은 전원, 전송로 및 부하가 연결된 회로망에서 재해의 이상 징후 검출 및 재해를 예방하기 위한 전기안전시스템의 개념도이다.
전력망 결함검출 기능을 구현하기 위해 급전단과 수전단의 전압을 측정하기 위한 전압측정수단과 급전단과 수전단 전류를 측정하기 위한 전류측정 수단이 필요하다.
급전단과 수전단에 메시지를 교환하기 위한 통신 수단, 데이터 분석 수단, 연산수단, 처리수단 및 출력제어 수단이 필요하다. 통산 급전단과 수전단이 물리적으로 떨어져 있을 수 있으므로, 적합한 메시지 교환 수단이 필요하다. 상기 전송 수단은 유선, 광통신 또는 무선기술 중 어느 기술을 사용하여도 구현 가능하다. 상기 수단 등은 사물인터넷 기술로 모두 구현 가능하다.
상기 결함의 전기적 특성은 전기적 방법으로 모두 측정이 가능하다. 본 발명은 전력망의 전기적 결함을 상시 감시하여 자동으로 적절한 조치를 하는 방법으로 만성적 정적결함 또는 진행성 결함은 사전에 사고로 발전하기 전에 징후 탐지가 가능하여 사고를 예측할 수 있어 이를 조치하면 선제적으로 재해를 예방할 수 있다. 또한 기존의 보호기(Circuit Breaker 등)가 검출하지 못한 경단락(Trip 전류내의 합선, 감전) 등 임의성/돌발성 사고에 대해서도 초기에 발견할 수 있어 최악의 사고를 방지하여 실효적 조치가 가능하다.
10.1 전력망의 소실전력 계측
도-12는 전송로에서 소실된 전력을 측정하여 이 전력이 과도하면 선로로 공급한 전력을 차단하여 재해를 방지하는 시스템이다. 구성은 하나의 급전단(상위노드, 200)과 하나의 수전단(하위노드, 400) 간에 연결된 전력망(300)에서 상위노드의 입력은 전원(1)에 접속되며 출력(290)은 전력망(300)을 경유하여 하위노드(400)의 입력단(390)에 접속되고 상위노드(200)와 하위노드(400) 간 메시지를 전송하기 위한 통신수단(500)을 구비한 전력시스템에서,
①입력 전압(301)과 입력전류(203)를 측정한 후 적산하여 공급전력(215)을 얻고;
②하위노드(400)는 부하전력(수전단전력, 415)를 측정하여;
③상위노드는 하위노드의 부하전력(403T)를 전송받아 자신의 전원전력(215)에서 차감하여 소실전력(도-13 205)을 얻을 수 있다.
④상기 소실전력(205)은 전송로의 선로의 직병렬 결함(320, 330, 3)으로 기인한 비정상 전력으로 전송로의 노후화의 정도를 알 수 있다.
⑤상기 소실전력은 비교기(206)에 입력하여 미리 설정된 임계치(허용치. 214)를 초과하면 트립신호(209)를 발생시켜 공급전력을 차단하여 사고를 미연에 방지한다.
여기서, 부하가 2개 이상인 다중 부하인 경우 부하를 전원단(290)에 추가 접속하면 된다. 모든 위 ③단계에서 모든 부하전력을 차감하면 다중부하를 갖는 전력망에서도 적용이 가능하다.
도-13은 다중 부하를 갖는 전력망(300)의 소실전력을 측정하기 위한 일 실시예로써, 하나의 전원(급전단)과 n개(n: 자연수)의 부하(수전단)를 갖는 전력망 구성을 보인다. 전원부(1,
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000100
))와 전압계(301)와 전류계로 구성된전원전력계 및 모든 부하단(2, Load-1 ~ Load-n)은 전력측정수단(414-1~414-n), 연산, 통신 및 제어 수단으로 구성된다.
정상적인 전력망은 전원에서 공급한 전력이 부하단에 모두 전달되어야한다. 정상적인 경우 전원단에서 공급한 전력는 부하전력을 모두 합하면 동일하여야 한다. 그러나 상기 두 전력이 불일치할 때 누전이 존재함을 의미한다. 본 발명은 간접적인 방법으로 활성상태에서도 소실전력을 산출할 수 있다. 누전으로 기인한 소실전력은 전원단에서 측정한 공급전력과 부하에서 측정한 모든 부하전력의 차를 구하면 구할 수 있다. 따라서 모든 부하는 전력 측정이 가능하여야 한다.
모든 부하에서 측정한 전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000101
)를 합(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000102
)하여 공급전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000103
)에서 차감하면 소실전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000104
)를 측정할 수 있다.
누전, 단락, 지락 등 병렬결함은 공급전력과 부하에 전달된 실 전력의 차이를 구하여 직병렬결함으로 기인한 소실전력을 측정한다. 소실전력(215P)은 전원단의 총 공급전력에서 각 부하에서 측정된 전력의 총합과 차이로 다음 식으로 표현할 수 있다. 이 소실전력은 직병렬 결함으로 발생한 전력 손실이 모두 포함되어있다.
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000105
도-13은 전력망에서 소실되는 비정상 소실전력의 정량값(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000106
, 215)을 추출할 수 있다. 이 소실전력이 증가하여 한계치를 넘으면 (방치하면) 사고로 발전할 수 있다. 상기 소실전력이 한계치를 초과하면 전원 공급단에서 공급전력을 차단하여 사고를 예방하거나 사고 초기에 대처가 가능하다. 또한 소실전력(215P)의 증가 추이를 추적하면 사고의 징후 탐지가 가능하다.
또한 상기 소실전력의 정량값은 위험수위의 한계치(214)와 함수 관계가 있어 위험도(Dangerous Index, 217)를 얻을 수 있다. 위험도를 정량화 할 수 있어 사고로 발전하기 전에 선제적인 조치가 가능하다.
본 실시예는 전력망 소실전력의 정량값(215P)을 실시간으로 추출할 수 있어 선로의 건전성(무결성)을 정량화할 수 있다. 또한 최대한계치가 결정되면 위험의 정도를 정량화 할 수 있어 전력망의 유지/보수 정보를 도출할 수 있다.
전력망의 소실전력 측정
본 발명은 다음과 같은 방법으로 모든 비정상 부하로 기인한 소실전력을 계측할 수 있다.
① 급전단은 전력망을 통하여 부하단에 전력을 공급한다.
② 모든 부하단은 자신의 부하전력을 측정하여 급전단으로 보낸다(피드백).
③ 급전단은 상기 모든 부하의 부하전력을 합산한다.
④ 급전단은 부하단에 보낸 공급전력과 상기 부하전력의 총합과의 차이를 구하여 소실전력(선로손실전력)을 구한다.
상기 소실전력은 절연내력 저하뿐만 아니라 선로고유 저항이나 기생저항으로 발생한다. 상기 측정결과는 정상부하를 제외한 모든 비정상 전력이므로 사고 예방이나 전력망의 이상 징후를 판단하는 기초자료로 사용할 수 있다. 이 소실전력이 증가하면 사고로 연결된다. 본 발명은 사고가 발생하기 전 소실전력의 정량치를 알 수 있으므로 누전/단락 사고의 진행성을 알 수 있다. 즉 누전으로 기인한 사고의 이상 징후를 정량적으로 표현할 수 있다. 또한 감전 검출도 가능하나 상기 방법은 다음에 기술한 누설 전류로 검출하는 방법보다 민감성을 높게 설계할 수 없다.
또한 상기 소실전력을 지속적으로 모니터링하여, DB로 데이터를 체계적으로 관리하면 누전/단락사고의 진행성 사고의 이력을 추적할 수 있다.
10.2 활선 충전전로의 누전 단락 검출 - 누설전류 검출 (감전 검출)
도-14는 전력시스템에서 발생할 수 있는 선로상의 결함 및 사고를 검출하기 위해 추가한 급전단(200)과 수전단(400)의 구성을 보인다. 검출원리는 소실전력(전송로에서 소비되는 손실전력)과 누설전류, 선로 전압강하를 측정한후 회로망해석을 통하여 비정상 전력을 산출하는 방법이다.
전원(1)은 상위노드(200)의 입력단에 접속되고 출력(290)은 전력망(300)을 경유하여 하위노드(400)의 입력단(390)에 접속되는 선로(300)에 추가하여 상위노드(200)와 하위노드(400) 간 메시지 전송수단(500)을 포함한 전력시스템에서;
①상위노드(급전단, 전원단, 200)는 입력전압(전원전압, 1)을 측정하여 하위노드(수전단, 부하단, 400)로 전송,
②상기 하위노드는 부하의 전력정보(전류 403, 전력)를 상기 상위노드로 전송,
③상기 상위노드는 상기 하위노드의 급전전류(403T)를 전송받아 자신의 전원전류(203)에서 차감하여 누설전류(205)를 측정한다.
④ 상기 누설전류가 미리 설정된 임계치(허용치. 214)를 초과하는지를 판단하여 전송로의 결함(330, 3)을 탐지한다.
⑤ 상기 누설전류가 미리 설정된 임계치(허용치. 414)를 초과하면 부하차단기(210)로 부하에 공급한 모든 전원을 차단하여 사고로 발전을 막을 수 있다.
⑥ 또한 상기 누설전류가 설정 임계치에 접근 정도를 산출하여 위험도를 정량화 할 수 있다.
⑦ 임계한계치의 설정은 통상 무사고 운전이 가능한 값의 최대치로 설정한다.
여기서, 부하가 2개 이상인 다중 부하인 경우 부하가 수전단(400)를 경유하도록 구성하면 된다. 위 ③단계에서 모든 부하전류를 합산하면 다중부하를 갖는 전력망에서도 적용이 가능하다. 또한 선로의 직렬결함 검출(310)은 수전단(400)에서 다음과 같은 방법으로 검출할 수 있다.
⑧상기 하위노드는 상기 상위노드의 급전전압(203T)를 전송받아 자신의 전압(부하전압, 401)을 차감하여 전압강하(전압차, 405)) 즉 선로의 특성이 반영된 전압강하를 구한다. 이 전압은 병렬 결함이 발생하였을 때 다른 경로를 형성하므로 오류가 발생할 수 있어, 다소의 문제가 있으나 선로의 결함을 탐지하는 유용한 방법이다.
⑨상기 전압강하(405)가 미리 설정된 전압강하의 임계치(414)를 초과하는지를 판단하여 전송로의 결함을 탐지하여 위험상황이 발생되면 선로용량을 초과한 부하단(400)에서 해당 부하만을 부분적으로 제거하므로 전체 시스템에 지장을 주지 않아 유용하다.
10.3 다중 부하 전력분배망의 절연내력 저하 누전, 단락, 감전의 검출 및 방재
도-13, 15>은 전력망의 병렬결함을 검출하기 위한 일 실시예로써, 하나의 전원과 n개(n:자연수)의 부하를 갖는 전력망 구성을 보인다. 전원부(1))와 모든 부하단(Load-1 ~ Load-n)은 전압측정수단(전압계, 412-1~412-n) 및 전류측정수단(전류계, 414-1~414-n)를 구비한다.
기존의 안전기술은 선로의 불평형 전류 누설은 용이하게 검출이 가능하나, 평형 전류 누설(선간단락)은 정상부하와 구별이 안되기 때문에 검출이 어렵다.
활선선로간 누전검출은 모든 부하의 전원을 차단하고 전원전류를 측정하면 가능하다, 그러나 부하에 전원공급를 차단해야 다른 문제가 생길 수 있을 뿐만 아니라, 진행성 결함(누전)은 검출하기 어렵다. 전원이 공급된 활선 상태에서 누전을 측정/검출하는 기술은 매우 중요하다. 활선 상태에서 누전 검출기술은 상시 감시가 가능하여 사고 예방에 실효적이다.
전송선로(5, 300)는 고유의 선로저항과 접속불량 등 직렬결함(FS201)은 부하 전류에 선로의 특성이 반영되나, 활선상태에서는 선로를 가로지르는 병렬결함(FP204, FP206, FP208)으로 기인한 누설 전류는 부하에 전력을 공급한 직접측정이 불가능하다. 본 발명은 간접적인 방법으로 상기 병렬결함으로 기인한 누설전류를 산출할 수 있다.
정상적인 전력망은 전원에서 공급한 전력이 부하단에 모두 전달되어야한다. 정상적인 경우 전원단에서 공급한 전류는 부하전류를 모두 합하면 동일하여야 한다. 그러나 상기 두 전류가 불일치할 때 누설 전류가 존재함을 의미한다. 누설전류는 전원단에서 측정한 공급전류와 부하에서 측정한 모든 부하전류의 차를 구하면 구할 수 있다. 따라서 모든 정상부하는 전류측정이 가능하여야 한다.
모든 부하에서 측정한 전류(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000107
)를 합(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000108
)하여 공급전류(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000109
)에서 차감하면 누설전류(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000110
)를 측정할 수 있다.
누전, 단락, 지락 등 병렬결함은 공급전류과 부하에 전달된 실 전류의 차이를 구하여 병렬결함으로 기인한 누설 전류를 측정할 수 있다. 누설전류는 총공급전력에서 각 부하에서 측정된 전력의 총합과 차이로 다음 식으로 표현할 수 있다. 상기 병렬결함으로 발생한 누설 전류는 다음과 같다.
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000111
본 발명은 다음과 같은 방법으로 모든 비정상 부하로 기인한 누설전류을 계측할 수 있다.
① 급전단은 전력망을 통하여 부하단에 전력을 공급한다.
② 모든 부하단은 자신의 부하전류를 측정하여 급전단으로 보낸다(피드백).
③ 급전단은 상기 모든 부하의 부하전류를 합산한다.
④ 급전단은 부하단에서 보낸 공급전류와 상기 부하전류의 총합과의 차이를 구하여 누설전류을 구한다.
본 실시예는 전력망의 누설전류의 정량값()을 실시간으로 추출할 수 있어 선로의 건전성(무결성)을 정량화할 수 있다. 또한 최대 한계치가 결정되면 위험의 정도를 정량화 할 수 있어 전력망의 유지/보수 정보를 도출할 수 있다. 이 전류는 누전 등 전원선로를 가로지르는 병렬경로(병렬결함)가 있음을 의미한다. 이 누설전류가 증가하여 한계치를 넘으면 (방치하면) 사고로 발전할 수 있다. 누전이 한계치를 초과하면 전원 공급단에서 공급전력을 차단하여 사고의 예방이 가능하거나 사고초기에 진압이 가능할 뿐만 아니라, 또한 누설전류의 증가 추이를 추적할 수 있어 사고 이상 징후 탐지가 가능하다.
또한 상기 총 누설전류(215)은 위험수위의 한계치(414)와 함수 관계가 있어 위험도(Dangerous Index, 227)를 얻을 수 있다. 위험도를 바탕으로 사고로 진행되기 전에 선제적인 조치가 가능하다.
10.4 전력망의 누전 검출 및 비접지 감전 예방
기존의 누전차단 기술은 선로간 불평형 전류를 검출하여 누전을 감지하는 기술로 감전사고를 예방하는 수단으로 널리 이용되어왔다. 그러나 충전부 활성선간 비접지 누설전류는 정상부하와 구별이 안되므로 보호할 수 없다.
기존의 기술은 지락에는 유효하나 비접지 누전 검출은 불가능하여 활성 충전전로 간 경단락 감전에 대한 특별한 대책이 없었다. 위에 보인 바와 같이 단락사고로 흐르는 전류는 부하 전류계를 통과할 수 없는 구조이므로 부하전류로 반영되지 않는다.
본 발명은 지락 전류를 포함하여 모든 비정상 부하로 기인한 누설 전류를 계측할 수 있다. 이를 이용하면 활성 충전전로 간의 비접지 경단락이나 감전도 검출할 수 있다.
상기전류는 지락전류와 활성 충전전로간의 절연내력 저하로 발생한 비접지 누설전류와 감전사고시 감전전류 모두 포함되나 접속불량 등 기생저항으로 기인한 직렬결함에는 거의 영향을 받지 않는다. 따라서 이 전류가 일정값 이상이 검출되면 사고로 연결된다. 본 발명은 사고가 발생하기 전 누설전류를 알 수 있으므로 누전/단락 사고의 진행성을 알 수 있다. 즉 누전으로 기인한 사고의 이상 징후를 정량적으로 검출이 가능하다. 또한 미리 설정된 임계한계치에 얼마나 접근했는가
또한 본 충전전로 누전 기술검출은 안전 차단기 설계시 필요에 따라 임계한계치()를 가변 설정하면 민감성을 조절할 수 있어 전력망의 무결성을 유지하기 어려운 선로가 노출된 공사현장 등 임시로 가설된 전력망에서 실수로 인한 피해를 최소화할 수 있다. 감도조절 기능은 전원 투입 초기에는 높게 설정하고 안전성이 확인되었을 때 적정하게 조절하면 가설 전력망에서 유용하게 사용할 수 있다. 한편 누전 검출 방법은 소실전력 검출 보다 누설전류를 검출하는 방법이 더 민감하게 설계할 수 있어, 경단락 사고 발생할 때나 감전시 피해를 최소할 수 있다.
본 발명은 기존의 과부하를 감시하는 과전류차단기와는 달리, 전력 전송 경로상에서 발생하는 사고를 감지하여및 예방하거나 취약 불량선로를 미리 식별하기 위한 전력망 선로 검사(측정)기술에 관한 것으로 부적절한 사용을 미리 막거나 취약 정보를 미리 파악하여 사전조치를 할 수 있게 해준다.
선로의 전기적 특성을 통전 상태에서 상시 측정하여 분석한 후 화재 발생 가능성이 높으면 부하를 제어(차단)하는 방법으로 발화를 예방하고, 또한 선로 상태정보를 사물인터넷 기술을 이용하여 송배전로의 선로 손실전력을 실시간 감시하는 방법으로 손실전력이 허용치에 근접함에 따라 사전조치(Alert)함으로써 사전예방이 가능하다.
선로의 상태 등 선로의 정상여부를 미리 측정하여 최대 허용전류를 DB화시킴으로써 제공함으로써 화재 안전관리 강화 및 체계화를 제공할 수 있는 화재 전기화재 예방 시스템 구축이 가능하다. 선로의 안전도 향상 정보의 DB를 구현할 수 있어 배전선로의 위험도/안전도의 정량화가 가능하다.
도-1 : 본 발명의 선로결함 검출 시스템의 개념도
도-2 : 기생저항을 갖는 대표적 선로의 직병렬 결함 모델링
도-3 : 기생저항이 전력망에 미치는 영향
도-4 : 선로저항변화에 따른 선로손실전력, 부하전력, 총소비전력 및 선로전압강하
도-5 : 전력망 열화에 따른 선로 소실전력
도-6 : 전력망 열화에 따른 선로손실전력, 부하전력 및 총소비전력의 변화 추이
도-7 : 선로전압과 선로저항의 함수 (선로 저항 측정)
도-8 : 원격 선로저항 측정 개념도
도-9 : 선로전압과 최대허용전류 함수 (최대허용전류 측정)
도-10 : 선로저항증가와 선로손실전력의 함수관련 및 보호 영역
도-11 : 과전류차단기의 정격 부하초과시 보호/비 비호 위험 영역
도-12 : 전력망의 소실전력 계측
도-13 : 다중부하 전력망의 소실전력 계측
도-14 : 활선 충전전로의 누전 단락 검출 - 누설전류 검출 (감전 검출)
도-15 : 다중부하 전력망의 활선 충전전로의 누전 단락 검출
도-16 : 에너지 변환기(변압기)의 보호 메커니즘 실시예
도-17 : 선로결함검출기의 실시예
도-18 : 제어 노드간의 연관 제어 메커니즘 동작도
도-19 : 단일 부하를 갖는 선로결함검출기의 제 실시예
도-20 : 제어노드의 구조
도-21 : IoT-클라우드 망으로 연결된 스텐드어론 관제시스템의 실시예
도-13~18은 본 발명은 전력망의 결함을 검출하는 검출기의 실시예로써, 전원(공급원)->제어노드(상위)-> 전력망(선로)->제어노드(하위)->부하(소비단) 순으로 종속(계층적) 구조로 연결하여 전력(전기 에너지)을 공급하는 전력 제어망에서, 상기 각 구성 요소들은 각각 에너지 흐름에 따라 전원(입력)과 부하(출력)의 두 역할을 하는 구조로 연결되며, 하위노드와 부하는 최소 하나 이상으로 구성된다.
각 제어노드는 자신을 경유한 에너지(전력정보)를 측정하는 측정수단, 제어노드 간 메시지를 교환하는 통신수단 및 출력을 제어 또는 경보하는 제어수단을 구비하고, 각 제어노드는 서로 통신이 가능하며, 자신을 경유한 에너지(전력정보)를 측정하고 제어하는 기능을 갖는다.
제어노드는 다음과 같은 방법으로 전력망의 결함을 측정/감시하고 제어하여 재해를 최소화 한다.
(1) 상위 제어노드는 자신의 전기적 정보(전압)를 하위노드에 제공(피드 포워드)하고;
(2) 하위노드는 상위노드와의 전압차를 구하여 그 결과에 따라 부하를 제어하고;
(3) 모든 하위노드는 각각 자신을 경유하거나 자신이 소비한 에너지(전력 및 전류)를 측정하여 상위노드에 제공(피드백);
(4) 상위노드는 복수의 하위노드에 전달된 에너지 측정값을 모두 합산;
(5) 상위노드는 하위노드의 에너지(전력, 전류) 측정값과 자신을 경유한 에너지(전력, 전류) 측정값을 연산/비교하여 결과를 도출 (손실되는 에너지(전력, 전류)를 구하는 단계)
(6) 상기 도출 결과에 따라 출력을 제어하거나 외부에 전달하는 출력제어 단계;
여기서 제어는 임계치(미리 설정된 특정 값)와 비교하여, 그 결과에 따라 하위노드로 에너지 공급을 차단하거나 경보를 발신하는 방법으로 대처한다.
전력망의 결함은 진행성이거나 돌발성(임의성)일 수 가 있다. 특히 진행성일 경우 출력 변화 추이를 관찰하는 방법으로 전력망의 이상 징후의 검출이 가능하여 재해의 예측이 가능하고 선제적 대응이 가능하다. 즉, 검출결과에 따라 선제적 대응을 함으로써 전력망이 무결성을 유지하게 하여 미리 재해를 예방 할 수 있다.
노드제어기 실시예
전력망으로 연결된 둘 이상의 원격지점(노드)에서 에너지의 공급과 분배를 제어하고, 물리적으로는 둘 이상으로 분리되나 기능적으로 결합된 연관 메커니즘을 구성은,
자신의 전압과 자신을 통과(관통)하는 전력정보(전류 또는 전력)를 측정하는 측정수단;
상기 전력정보를 외부로 송신하는 출력 송신수단,
자신의 전압과 외부에서 입력된 전압을 연산하여 전압차를 구하는 연산수단,
상기 전압차를 상기 임계치와 비교하는 비교수단,
복수의 외부 전력정보(전력 및 전류)를 수집하여 합산하는 외부정보 수집수단,
자신의 전력 정보와 상기 수집된 외부 전력정보를 연산 또는 비교하여 연산/비교 결과에 따라 제어량을 출력하는 출력수단을 구비하여 전력망의 소실전력 또는 누설전류를 측정하여 출력을 제어하는 전력제어장치를 구성한다.
1. 실시예
도-21 는 선로의 결함의 이상 징후인 선로전압강하, 선로손실전력의 변화와 및 부하전력의 한계치 초과를 감시하여 사고를 예방하기 위한 보호기의 일실시 예로써,
판단의 기준인 각 임계치(54, 56, 58)를 설정하는 초기화;
2. 무부하선로 전압(21)을 측정하여 가상전원레지스터(52)에 저장;
3. 부하(2)에 전력을 공급;
4. 급전단 전압(11)의 측정이 가능하면 가상전원레지스터 임계치(52)를 갱신;
5. 선로 전압강하(45)를 산출하고, 임계치(54) 초과하면 부하에 전력공급을 차단;
6. 상기 강하전압(45)에 부하전류(23-1)를 곱하여 선로 손실전력(47)을 산출;
7. 상기 손실전력(47)이 전력 임계치(56)를 초과하면 부하에 공급하는 전력을 차단하고 보호기 작동;
8. 상기 부하전압(21-1)에 부하전류(23-1)를 곱하여 부하전력(49)을 산출;
9. 상기 부하전력(49)이 전력 임계치(58)를 초과하면 부하에 공급하는 전력을 차단하고 보호기를 작동하여
10. 경보를 발하고 3단계 부터 무한 반복하여 선로에 흐르는 전류로 인한 선로의 전기적특성이 반영된 물리량을 측정하고 이를 분석하여 결함을 검출하여 선로에서 발생할 수 있는 사고를 방지하기 위해 이상 징후가 나타나면 적합한 후속 처리한다.
여기서 후속조치는 이상 징후의 정도에 따라 가변적으로 경보를 발할 수도 있고, 전력 공급을 차단하는 방법 또는 선로결함의 정도를 관제시스템이나 사람에게 통보하여 결함 원인의 분석, 정비 및 복구 조치를 신속히 취할 수 있도록 할 수 있다.
통신문제 등으로 제어의 기준인 전원전압을 획득할 수 없어 시스템이 혼란에 빠질수 있을 경우를 대비하여 초기화과정에서 무부하 전압을 전원전압으로 간주하고 처리한다. 이후 급전단전압을 정상적으로 얻을 수 있을 때는 실 전원 전압으로 갱신하고 처리한다.
도-1, 12는 본 발명의 동작원리를 나타내는 실시예의 계념도이다. 다양한 요소로 구성된 하드웨어 회로로 표현되었으나, 측정수단 및 제어수단 대부분의 요소를 마이크로프로세서와 소프트웨어로 구현할 수 있다.
본 발명의 화재이상 징후 검출방법으로는 선로손실전력, 누적 손실에너지량 또는 선로전압강하를 검출하는 방법 등이 있다.
상기 두 개의 전압측정 수단과 1개의 전류측정수단 이외 디지털 이산처리하기 위하여 아나로그-디지털변환기(ADC) 로 취득한 데이터를 처리단에 전송하기 위한 통신수단을 구비하여,
1. 위험상황의 판단 기준인 손실전력의 허용 상한치인 임계치(58)를 설정;
2. 급전단과 수전단의 전력을 측정하기 위해 양단의 전압과 전류를 디지털 데이터로 변환(A/D) ;
3. 상기 디지털 변환된 데이터를 처리수단에서 수집;
4. 상기 급전단의 전압(11)에서 수전단의 전압(21)을 감산하여 구한 선로양단의 전압의 차(45)와 상기 전류(23)를 곱하여 선로에서 손실되는 전력(47, 선로손실전력)을 추출;.
5. 상기 선로손실전력(47)과 미리 설정된 임계치(58)를 비교;
6. 상기 선로손실전력(47)이 상기 임계치(58)를 초과하면 경보를 발하거나 부하(2, 수전단)에 위험한 전력공급을 제한하는 방법으로 화재의 이상 징후검출하고 사고를 사전에 예방한다.
(1) 허용 전압강하율을 설정;
(2) 부하에 전력공급을 차단하고 무부하 선로전압을 측정하여 이 값을 공급전압으로 간주하고 저장;
(3) 상기 무부하 선로전압과 상기 허용전압강하율을 연산하여 임계치를 설정;
(4) 부하에 전력을 공급;
(5) 부하에 공급되는 부하전압을 측정;
(6) 상기 부하전압과 상기 임계치를 비교;
(7) 상기 비교결과 상기 임계치 이하로 떨어지지 않으면 단계(4)부터 반복하고, 낮으면 부하에 전력공급을 제한하는 방법으로, 선로의 결함(전기적 특성변화, 열화에 따른 허용 전류용량 초과)을 검출하여 부하를 차단하는 방법을 특징으로 하는 동적 회로차단기.
부하 차단 기준치(71)를 가변적으로 설정할 수 있는 임계치 설정수단(54)을 구비한 화재 예방 시스템에서, 급전단은 급전전압을 상시 측정하여 수전단에서 상기 급전단의 물리량(1, 13)을 알 수 있도록 상시 전송(broadcasting)하고, 제어수단(40)은 부하의 외부 Turn-on 신호(91)가 입력되면, 부하제어수단(24)를 턴-온 하여 부하(2)에 전원을 공급하기 전에 다음과 같은 단계로 처리한다.
(1) 부하(2)에 전원을 공급하고자 제어 신호(99)를 입력하면 상기부하에 전력을 공급하기 전에 부하단(25)의 무부하 전압(21)을 측정하여 저장한 후;
(2) 부하제어수단(24)를 턴-온 하여 부하(2)에 전력 공급한 다음 선로(3X)의 전압과 전류를 측정하여 미리 설정된 임계치에 수렴하는 정도를 감시한다.
여기서 선로결함검출 검출 임계치는 허용 최대 선로전압강하율과 전원전압을 연산하여 상황에 따라 상대값으로 결정하면 일일이 특정값으로 설정하지 않아도 동적으로 자동으로 결정되게 할 수 있어 전원전압 및 부하용량과 무관하게 모든 부하에 동적으로 적용할 수 있으므로 보다 유용할 수 있다. 그러나 이는 어디까지나 전력공급 선로상의 결함에 따른 예방하므로 본 발명기술의 회로차단기 이후 전력용량은 선로의 최대 가용 용량까지 허용하므로 부하를 보호하기 위해 최대 부하전류을 전류임계치로 병용하는 것이 바람직하다. 이 값의 임계치는 부하의 필요에 따른 고유전력이므로 자동 계산할 수 없다.
본 발명은 공급선로에서 발생하는 문제를 방지하는 기술이지 모든 종류의 부하 내부에서 발생하는 결함을 검출 예방하지 영역을 벗어난다. 그러나 부하전류/전력을 측정하므로 기존의 방법과 동일하게 부하전류의 상한을 결정하는 임계를 설정하여 병용하거나 부하전력을 기준으로 과부하를 차단하는 병용 방법도 제공한다.
(3) 부하에 공급되는 부하전압(21) 및 전류(23)를 측정
본 발명은 다음 4가지 방법으로 선로이상을 검출하여 하나 이상이 검출되면 선로 문제가 있는 것으로 판단 후속조치를 한다. 다양한 방법으로 검출할 수 있다.
(a) 전송 선로의 손실전력
(b) 전송 선로의 손실전력량(구간 누적 전력 손실)
(c) 전송 선로의 전압강하
(d) 전송 선로의 임피던스
(4) 상기 급전단 전압(1)을 측정하여 제어수단(40)에 전송, 제어수단은 정상적인 데이터를 수신하면 허용전압 변동률(54)을 곱하여 판단 기준치인 RDmax(54)에 저장된 임계치를 갱신;
(5) 상기 급전단(11)의 급전전압(1) (또는 상기 저장된 무부하전압(21)과 현재 부하전압(21-1))으로 부터 선로전압강하(31, 45)를 구하여 미리 설정된 임계치(71)를 비교하여 임계치를 이하로 떨어지면 선로상의 결함이라고 판단하여 부하(2)에 공급하는 전력을 차단하거나, 검출하는 방법
(6) 상기 급전단(11)의 급전전압(1) (또는 상기 저장된 무부하전압(21)과 현재 부하전압(21-1))으로 부터 선로전압강하(31, 45)를 구하여 부하전류(22)를 곱하여 선로에서 손실되는 손실전력(85)을 산출;
(7) 상기 선로손실전력(65)과 미리 설정된 임계치(74)를 비교하여 임계치를 초과하여 선로상의 결함이라고 판단되면 부하(2)에 공급하는 전력을 차단하거나, 통보하는 방법으로 사고를 예방한다.
2. 실시예-2
원격지의 급전단 전원전압의 취득이 어려워 간이하게 실시한 스텐드-어로운 모델은 초기화과정에서 무부하 전압을 전원전압으로 간주하여 처리한다.
상기 스텐드-어로운 방식에서 발생하는 문제를 해결하기 위해, 첫 번째 트립 조건이 발생하면 상기 급전단의 조건 변화에 따른 오류를 확인하기 위해 일시적으로 단시간 부하를 차단한 무부하 상태로 전환하고 무부하전압을 측정하여 급전단의 전압의 안정성을 재검토함으로써 트립신호의 원인이 전원전압 변동이 아닌 경우 선로의 결함으로 결론 짖고, 아니면 전원 전압변동이 원인이면 무부하 전압값을 갱신하고 초기 전원투입 절차를 재수행하는 방법으로 오동작을 막아 신뢰성 저하를 방지할 수 있다. 이후 동일 부하에서는 상기 절차로 학습된 데이터를 임계치 설정에 반영할 수도 있다. 즉, 부하전류의 변화패턴을 분석 학습하여 부하조건에 적합한 임계값을 도출하여 부하전류의 패턴에 따라 연동하여 동적으로 가변한다.
급전단과 수전단을 연결하는 단일 직렬선로에서 손실전력을 구하기 위해 상기 양단의 전압 전류를 측정하여 전력을 산출하여
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관계로 선로의 손실전력을 구할 수 있다.
도-1, 12는 본 발명에서 결함검출 및 제어장치를 수전단에서 설치하는 예를 보인다.
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(기본적으로 선로 손실전력과 연관성이 있는 )급전단전압, 수전단전압 및 부하전류를 측정하여 연산하면 선로 손실전력을 산출할 수 있다. 그러나 급전단과 수전단(부하)이 물리적으로 떨어진경우 새로운 추가선로가 필요한 면이 있다. 따라서 이 원리를 적용하기 위한 추가선로 증설은 현실성이 없어 실용성이 낮다. 그러나 최근 무선 통신기술의 발달은 이 문제를 용이하게 해결할 수 있다. 현실성이 높은 기술로는 무선 IoT기술을 이용하면 실용성이 높은 방재시스템 구현이 가능하다. (다음 식으로 표현된 기본원리를 바탕으로 하고 있다.)
급전단의 실시간 전원전압(1)을 실측할 수 없거나, 급수전단간의 전송오류가 발생하여도 독립적(자체적, Stand-alone)으로 기본 기능을 수행할 수 있어야 한다.
이를 위해 수전단 무부하 선로전압(
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)을 상황이 변하여 새값으로 갱신될 때까지 급전단 전압(1, 15)으로 간주(대체)하여 기준치로 처리한다. 상기 수전단 무부하 선로전압(
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)은 부하가 턴온되면 턴온되기 직전의 전압을 유지하고 부하가 차단되면 이 값은 실시간으로 갱신된다.
그러나 이 방법은 급전단(11)의 전압이 변화할 경우 오류가 발생한다. 부하가 활성화 상태에서는 급전단 전압 변동이 요인 인지 선로특성의 변화인지 정확한 특성을 알 수 없어 다소의 문제를 수반하고 있다. 급전단 전압(1)의 변동이 심한 경우 정교한 동작은 불가능하지만 급전단 전원이 안정된 경우, 급전단 전압을 측정하기 위한 외부 측정수단(10) 및 통신수단(34, 36)을 사용하지 않아 구조가 간단하다. 다음 식은 상기 설명을 뒷받침하는 식이다.
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: Pseudo Supply Voltage
노이즈나 돌입전류에 과민한 동작을 방지하기 위해, 선로전력 손실로 인한 발생열량은 판단의 기준치로 사용할 수도 있다.
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위 근사식은 전원 공급단의 용량이 충분하지 못하거나 급전전압의 변동이 심한 경우 오류가 증가하지만, 실제적으로
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는 급전단과 수전단에서 부하를 회로망에서 제거한 무부하 상태에서 얻을 수 있는 물리량이므로 실용성이 높다.
한편 선로 직렬회로망의 손실전력은 양단의 전압강하에 비례함으로 전류측정수단이 없더라도 선로결함의 검출이 가능하여, 공급전압 대 부하전압 변동비 측정하더라도 선로 결함을 검출할 수 있다. 이 경우 모든 선로 임피던스(저항)가 누적 합산되므로 특정 구간 간의 정보를 알 수 없으므로 부정확 할 수 있어 상황을 오판할 수 있으나, 직렬 배전 경로 상에 있는 부하의 증설에 따른 허용 용량 초과로 발생하는 취약 부분의 사고를 예방할 수 있다.
4. 실시예 - 에너지 변환기 보호
전력망에 변압기 등 에너지 변환기의 안전관리에도 본 발명의 기본 개념을 적용할 수 있다. 즉 변압기에서 소실되는 전력이 실시간 측정 가능하여 안전운전 정보를 얻을 수 있고 위험수위 정보를 알 수 있어 폭발 등 사고를 예방할 수 있다.
도-16은 본 발명은 전력시스템의 에너지 손실을 검출하여 결함을 검출하는 사상을 기초로 구현한 것으로 에너지 전송 변환에 분야에 모두 적용가능하다. 실예로 변압기(810), 인버터 등 전력변환기 등 사고의 주요 원인은 층간단락(812, 814), 과열, 절연유 열화, 접속 결함, 과부하 등 이 주원인으로 분석된다. 위 원인과 관련된 물리량이 임계치를 초과했는지를 검출하여 적절한 조치를 취하는 방식이다. 그러나 상기 방법은 외부조건과 노후화/열화 등에 따른 경년 변화가 일어나 최대 허용전력이 낮아진다. 본 실시예는 이런 문제를 최소화하기 위해 변환기의 효율과 손실전력(205)으로 한계전력(214)을 설정하면 노후화에 따른 적절하게 안전운전이 가능하다. 또한 변환기(810)의 열화의 증상인 과열검출(820)을 병용한 예를 보인다. 상태를 적절하게 반영하여 IoT 기술을 통해 원격 모니터링하면 복잡한 추가 센서를 사용하지 않고도 적절한 운전이 가능하다. 본 발명의 재해 예방/감시 시스템은 스마트 그리드 기술과 연동하면 기존의 방법보다 저렴하고 간단한 방법으로 원격관리가 용이한 구조를 갖고있다. 다음은 열화 정도에 따른 적절한 트립조건의 일례를 다음에 보인다.
변환효율 :
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손실전력 :
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최대 허용 전력손실률 :
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입출력 간 통신 수단(500)으로는 에너지변환기(802)는 통상 입출력 간 전기적 절연이 필요에 따라 RF, 전자기적 결합방식, 광통신 등 어느 수단을 채택해도 무방하나, 변압기 등 에너지 변환기는 입출력이 근접하여있고 고절연 내압을 요구하므로 EMI 등을 고려하면 Fiber Optics 통신 방식이 유리하다.
5. 전력제어 영역(Power Control Domain)
Power Node(Power Bridge Controller)는 전원(상위전력망)에서 전력을 공급(입력)받아 부하(하위전력망)에 전력을 분배하는 제어장치로 전력 전송선로의 전기적 정보를 측정하여 상태에 따라 전력 공급을 제어한다. 전력망은 계층적 구조를 갖고, 상위노드-전력망-하위노드 형태가 반복되는 계층적 트리구조(Tree Topology)를 갖는다. 본 발명의 노드(bridge)가 없는 물리적 브랜치는 논리적으로 동일 계층으로 간주한다.
계층의 구분은 본 노드의 제어 대상이 되었을 때 유효하다. 노드가 관리하는 전력망에 하위노드가 추가되면 그에 종속된 노드는 하나의 부하로 간주 된다. 통상 전력망은 물리적으로 메시(mesh) 다중점 버스(Bus) 트리(Tree)형태를 띈다. 본 발명에서는 제어노드()를 기준으로 층(layer)과 지선(branch)을 분류한다.
도-17(b) 의 본 발명은 Power Control Domain(Power Segment Plane, Power Class)(도-17B)은 하나의 전원(1, 공급단, 입력)과 하나 이상의 부하(수전단, 출력)을 갖는 전력 시스템에서 에너지의 수급과는 상관없이 감지 영역과 보호 등 제어 메커니즘이 타 전력망과 분리(독립 객체)된 전력망 단위로, 일반적으로 전력망은 계층적(Hierarchy) 구조로 확장되므로 전원의 물리적으로 동일 층(layer)이지만 제어영역 및 상관성을 가지는 전기적/논리적으로 영역으로 제어와 감시가 가능한 하나의 전원(공급단, 입력)과 하나 이상의 부하(수전단, 출력)을 갖는 전력 시스템에서 에너지의 수급과는 상관없이 감지 영역과 보호 등 제어 메커니즘이 타 전력망과 분리(독립 객체)된 전력망 단위로 정의한다.
제어노드(200, 400, 600)는 상위노드에서 전력을 공급받아 직접하위 부하에게 전달한다. 제어와 측정은 상하 1단계만 가능하다. 단 공급전압의 측정값을 얻는데 있어서 자신의 공급 제어노드(n-1 Layer)와 통신이 원활하지 않을 경우 더 레벨이 높은 상위 node(200. n-2)에서 얻어 제어구간을 확장할 수 있다. 여기서 노드(200, 400, 600)는 전력의 전달이 가능하고 상기 전압, 전류, 전력을 측정할 수 있고 출력을 제어할 수 있는 수단을 구비한 노드로 메시지 교환이 가능하다. 게이트웨이노드(400)는 급전단과 수전단의 기능을 갖는 상위노드에서 전력을 공급 받아 하위 노드 또는 Domain에게 전달하고 필요시 하위 node(600)에 전력 공급을 제어하는 기능을 구비한 노드(400)이다.
전원의 공급 및 감지/제어 영역으로 하위 전력망은 계층적 구조로 확장되므로 전력에너지 전달흐름과 영향을 미치다. 모든 Power Plane은 자신보다 상위 Plane은 전력원으로 보고 전원 공급을 받고, 하위 Plane(600, 600-2, 600-3)을 부하로 보고 전력을 공급한다. 제어와 측정은 동일 Domain의 부하 만 유효하며, 동일레벨인 이웃을 제외하고 2단계 이상의 상위 domain이나 하위 domain의 전력 정보는 판단의 대상이 되지 않는다.
6. Smart Grid 연동
도-21은 IoT 기술을 적용한 전력망의 관리 시스템을 보인다. 본 발명의 시스템에서 측정할 수 있는 물리량 중 사고의 이상 징후를 판단할 수 있는 전기 데이터는 선로 전압강하(
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), 선로손실전력(
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), 선로저항(
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) 및 최대허용전류(
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)는 사고와 직접 관련있는 정보로 이 중 하나라도 허용범위를 초과하면 사고로 연결되므로 상시 감시해야 한다. 이중 선로저항(
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), 최대허용전류(
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)은 선로설비와 관련있으므로 사전에 파악하고 정비하여야 한다, 본 발명의 동적 측정기술은 선로의 전력공급을 차단하지않고 특별한 측정기를 사용하지 않더라도 간접적인 방법으로 통전상태에서도 선로저항(
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)와 최대허용전류(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000131
)를 추정할 수 있다.
실제 거미줄처럼 연결된 상용 배전망도 선로저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000132
)과 최대허용전류(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000133
) 선로 정보를 추출하여 DB화하고 선로공급전압(
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), 부하전압(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000135
), 부하전류(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000136
), 부하전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000137
)을 실시간 실측정보를 분석 관리하면 선로로 인한 사고를 혁신적으로 줄일 수 있는 체계적인 시스템을 구축할 수 있다. 실시간으로 배전망의 정보를 수집하여 선로의 안전도, 최대허용전류용량(
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), 전력손실 (
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)등 망 상태 DB를 구축하면 고장 예방 등 선제적 조치를 할 수 있어 유지/보수 정보를 제공할 수 있다.
전력망 결함 검출기술은 기존의 IoT기술 등 정보통신기술을 융합해 실시간전력 과 공급량, 전력망의 상태까지 알 수 있어 전력망 안전 지도(맾)의 구현이 가능하다. 기술로 사회 안전망을 구축해 전기사고의 사전검출이 가능하여 안전도를 극대화할 수 있다.
상기 추출된 선로정보는 손실전력 기록과 분석을 통해 전기화재 원인 분석 또는 선로 열화의 조기발견 등 보다 발전된 방법으로 분석처리 정보를 기초로 다중 배전망에 적용하여 데이터를 수집/분석하면 전력망의 안전에 관한 정량화 정보(위험도지수, 안전지수)를 도출할 수 있다.
경고 발생 횟수, 보수정보, 선로연결지점, 분기선 및 위치/주소 등 정보를 결합하면 선로관리에 노드의 위치 정보와 사고 상황을 선로별 위험정보(안전도)를 지도상에 표시할 수 있을 뿐만 아니라 전력공급 상태를 표시하여 직관적으로 확인할 수 있어 유용하다.
상기 안전도-맾은 전압강하(
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), 선로손실전력(
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), 선로저항(
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) 및 최대허용전류(
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)를 고려하여 안전도를 지도에 표시하고, 선로공급전압(
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), 부하전압(
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), 부하전류(
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), 부하전력(
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)을 실시간으로 측정 비교하여 일정치를 초과하면 경보를 발생하고 전력망 관제센터에 통보한다. 사용자에게는 경보나 SMS 메시지로 통지한다. 위험지수가 높아 심각하다고 판단되면 부하에 전력공급을 즉각 차단하여 대부분의 선로사고를 예방할 수 있으나, 과부하의 경우는 상기 방법이 적합하나, 선로 열화로 기인한 사고는 사전에 인지할 수 있으므로, 사전 예고를 통해 미리 대처할 수 있도록 하면 보다 실용적인 시스템이 될 것이다. 임계치를 다단계로 설정하여 위험도에 따라 단계별로 경고하면 보다 실용적인 시스템을 구축할 수 있다.
스마트그리드에 연결은 기 상용화된 IoT기술을 이용해 게이트웨이(300)를 경유하여 인터넷 클라우드에 연결하면 구현할 수 있다. 게이트웨이에 포함된 별도의 전력망 정보 수집장치로 부터 복수개의 선로정보들에 대한 모니터링 데이터를 전달할 수 있다. 여기서, 인터넷은 한정된 지역 내에서 각종 정보장치들의 통신을 제공하는 유무선 통신망 중에서 어느 하나이거나, 둘 이상의 결합으로 이루어질 수 있다. 한편, 인터넷에 상응하는 네트워크의 전송 방식 표준은, 기존의 전송 방식표준에 한정되는 것은 아니며, 향후 개발될 모든 전송 방식 표준을 적용할 수 있어야 유용하다.
또한 본 발명의 전력망 선로 진단기술을 통해 수집된 배전망 정보는 IoT 게이트웨이를 통해 DB에 체계적으로 DB에 저장하여 빅데이터기술과 연계하면 사고의 징후 사고의 원인분석에도 혁신적인 발전을 이룰 것이며, 보다 유용한 전력망관리 스마트그리드 기술을 구현할 수 있다.
전력망 관제 센터는 전력선로 현황을 실시간으로 파악할 수 있기 때문에 선로결함 및 과부하로 인한 전력망의 결함이 검출 가능하여 사전에 유지/보수 정보를 얻을 수 있어 고장도 예방할 수 있다.
전력망의 과도한 전력손실은 곧 사고를 예고하므로, 위험도의 정량화가 가능하여 위험도를 객관적인 안전등급지수를 결정요소 반영할 수 있다.
10. 고 찰
본 발명은 전력망의 전기적 결함과 선로의 이상 징후를 검출하여 적절한 사전 조치를 함으로써 사전에 사고 예방한다. 통신망에 문제가 있을 경우를 대비하여 기본적으로 스탠드-어론 모드로도 동작되게 설계된다.
전기적 결함을 끊임없이 연속적으로 감시하고 선로결함이 공급전원 전압 등 외부조건에 영향을 받지 않고 자동적으로 검출한다.
본 발명의 선로결함검출기는 기본적으로 선로의 물리적 위치에 종속되지 않으므로 어디에 위치하든 측정점(전원공급단)부터 수전단(부하)간의 선로 결함을 검출한다. 상기 결함은 전압강하의 증가나 선로손실전력 및 누설전류의 증가로 형태로 나타난 이상 징후를 탐지한다.
전기적 결함은 전력망의 어느 지점에서나 발생할 수 있다. 따라서, 선로 결함검출기가 촘촘이 배치되면 보다 효과적으로 결함 원인을 찾을 수 있다. 이 경우 각 노드는 자신이 측정한 정보와 제어정보를 외부 관제 센터나 주변의 노드에 알림으로써 보다 효과적이고 촘촘한 정교한 안전망 구축이 가능하다. 그러나 본 발명의 각 노드 시스템은 연관관계를 갖게 구성할 수 있으나 각 노드가 독립적(스탠드-어론)으로 동작하는 구조로 서로 악영향을 미치지 않는 확장 구조가 가능하다. 관련 노드에서 정보를 받아 자신과 관련된 데이터만 가공하여 처리함으로써 망구축시 확장의 유연성이 높아 제한받지 않는다.
각 측정 수단에서 측정값과 이를 기반으로 처리/검증 알고리즘에 따라 연산된 값이 미리 설정된 정상 범위를 벗어나는 경우 제어 장치는 선로 허용전류용량을 초과하거나 전류용량을 초과한 과부하 중 하나 이상에서 오류가 발생했다고 판단하고 후속조치를 한다. 이 단계의 각각의 측정 및 처리는 인터럽트 기술을 이용 동기화하여 병렬로 실시간으로 처리하면 정밀도를 높일 수 있어 바람직하다.
후속조치는 기준치 범위를 벗어난 정도에 따라 단계별로 경보를 발할 수도 있고 경보횟수와 위험도에 따라 그 원인이 되는 부하에 공급되는 전력을 차단하는 위험도를 관리센터에 보내 데이터베이스를 기반으로 위험도 map 등을 구축 가능하여 다양한 조치를 할 수도 있고, IoT기술을 이용하여 스마트그리드의 노드로 등 관제 제어망에 주요 구성요소 역할을 할 수 있다.
결함 상태가 제거되면, 중단 된 회로에 전원을 복원하기 위해 접점을 다시 닫아 오류 검출루프를 순환한다.
본 발명은 기술은 AC/DC에 상관없이 모든 전기 시스템에 적용될 수 있으며 변압기, 전력인버터, 태양광발전시스템, ESS 등 에너지 변환시스템에도 다양한 형태로 응용 될 수 있다.
본 발명의 사상은 명세서의 예시에 한정되지 않고, 많은 수정, 대체, 변경 및 등가물이 다양한 형태로 변형하여 구현할 수 있다. 실시예들은 본 발명의 사상이 통산적인 지식을 갖는 당업자에게 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로써 제공되는 것이다. 본 발명의 원리는 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화되고 변형될 수 있다. 상기 설명은 많은 특정을 포함하지만, 이들은 설명을 용이하게 하기 위한 것으로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
선제적 안전기술은 전기화재로 기인한 인명, 재산상 피해 사회적 비을용 획기적으로 줄일 수 있어 상용화가 크게 기대되며, IoT 기반 안전관련 스마트디바이스 부품/제품 산업의 수요를 통한 성장과 IoT 기반 계측기술 관련 산업의 동반 성장이 예상됨.
해당없음

Claims (11)

  1. 전력망의 결함을 검출하기 위하여 전원(공급원) -> 제어노드(상위) -> 전력망(선로) -> 제어노드(하위) -> 부하(소비단) 순으로 종속(계층적) 구조로 연결하여 전력(전기 에너지)을 공급하는 전력 제어망에서, 상기 각 구성 요소들은 각각 에너지 흐름에 따라 전원(입력)과 부하(출력)의 두 역할을 하는 구조로 연결되며, 하나 이상 하위노드와 부하로 구성하여, 각 제어노드는 자신을 경유한 에너지(전력정보)를 측정하는 측정수단, 제어노드 간 메시지를 교환하는 통신수단 및 출력을 제어 또는 경보하는 제어수단을 구비하고, 각 제어노드는 서로 통신이 가능하며, 자신을 경유한 에너지(전력정보)를 측정하고 제어하는 기능을 구비하여,
    (1) 상위 제어노드는 자신의 전기적 정보(전압)를 하위노드에 제공(피드 포워드)하는 단계;
    (2) 하위노드는 상위노드와의 전압차를 구하여 그 결과에 따라 부하를 제어하는 단계;
    (3) 모든 하위노드는 각각 자신을 경유하거나 자신이 소비한 에너지(전력 및 전류)를 측정하여 상위노드에 제공(피드 백)하는 단계;
    (4) 상위노드는 복수의 하위노드에 전달된 에너지 측정값을 모두 합산하는 단계;
    (5) 상위노드는 하위노드의 에너지(전력, 전류) 측정값과 자신을 경유한 에너지(전력, 전류) 측정값을 연산/비교하여 결과를 도출하는 단계 (손실되는 에너지(전력, 전류)를 구하는 단계)
    (6) 상기 도출 결과를 미리 설정된 임계치와 비교하여, 그 결과에 따라 부하(하위노드)로 에너지 공급을 차단하거나 경보를 발신하는 방법으로 대처한 전력망의 결함을 측정/감시하는 전력망제어 시스템
  2. 전원, 제어노드, 배전선로, 제어노드, 부하로 구성된 전력망에서 상위노드(전원측)는 배전선로를 경유하여 하위노드(부하측)로 에너지(전력)를 공급하여,
    (1) 하위노드는 전압측정치를 상위 노드로 전송하는 피드-포워드단계;
    (2) 상위노드와 하위노드 간의 전압강하에 따른 전압 변동률에 따라 부하를 제어하는 단계;
    (3) 모든 하위노드는 각각 자신이 공급받은 에너지(전력 또는 전류)를 측정하여 상위노드에 전달하는 측정값 피드-백 단계;
    (4) 상위노드는 복수의 하위노드의 상기 에너지(전력 또는 전류) 측정값을 모두 합산하는 단계;
    (5) 상위노드는 하위노드에 전달된 상기 에너지(전력 또는 전류)를 자신이 보낸 에너지(전력 또는 전류)를 연산하여 손실 에너지를 구하는 연산단계;
    (6) 상기 도출 결과를 미리 설정된 임계치와 비교하여, 그 결과에 따라 부하(하위노드)로 에너지 공급을 차단하거나 경보를 발신하는 방법으로 대처한 전력망의 결함을 측정/감시하는 전력망제어 시스템.
  3. 전력망으로 연결된 둘 이상의 원격지점(노드)에서 에너지의 공급과 분배를 제어하고, 물리적으로는 둘 이상으로 분리되나 기능적으로 결합된 연관 메커니즘을 구성하기 위하여;
    자신의 전압과 자신을 통과(관통)하는 전력정보(전류 또는 전력)를 측정하는 측정수단;
    상기 전력정보를 외부로 송신하는 출력 송신수단,
    자신의 전압과 외부에서 입력된 전압을 연산하여 전압차를 구하는 연산수단,
    상기 전압차를 상기 임계치와 비교하는 비교수단,
    복수의 외부 전력정보(전력 및 전류)를 수집하여 합산하는 외부정보 수집수단,
    자신의 전력 정보와 상기 수집된 외부 전력정보를 연산 또는 비교하여 연산/비교 결과에 따라 제어량을 출력하는 출력수단을 구비하여 전력망의 소실전력 또는 누설전류를 측정하여 출력을 제어하는 전력제어장치.
  4. 전력을 공급하는 급전단, 전송선로 및 부하로 구성된 전기 회로망에서 선로의 전기적 결함으로 인한 사고발생 전에 위험 징후를 감지하기 위해, 상기 급전단의 선로전압을 측정하여 송출하는 수단; 상기 급전단의 선로전압을 수신하는 수단; 전원전압레지스터, 선로전압강하 임계치, 부하전류임계치, 부하전력 임계치를 설정하는 수단; 부하전류를 측정하는 전류측정수단; 차단(Trip) 전압, 전류 및 전력의 임계치 설정수단; 허용 전압강하율을 설정하는 설정수단; 상기 무부하시 미리 설정된 전압 임계치와 현재 부하전압을 비교하여 그 결과에 따라 부하 제어신호를 발생하는 제어수단; 상기 제어신호에 따라 부하 전력을 공급/차단할 수 있는 부하제어수단을 구비한 안전차단기에서,
    (1) 부하에 전력공급을 차단한 후 무부하 선로전압을 측정하여 전원전압레지스터에 설정;
    (2) 최대 전압허용임계치를 설정 - 기준치
    (3) 부하에 전력을 공급;
    (4) 급전단 전압의 측정이 가능하지 않으면 단계(6) 실행
    (5) 급전단의 전압을 측정하여 상기 전원전압레지스터로 대체;
    (6) 부하전압과 부하전류를 측정하여 외부로 송신;
    (7) 상기 전원전압레지스터에서 상기 부하전압의 차를 구하여 선로강하전압를 구함;
    (8) 상기 부하전류와 상기 선로강하전압을 곱하여 선로손실전력 계산;
    (9) 미리 설정된 전압임계치와 상기 선로강하전압를 비교하여, 선로강하전압이 임계치를 초과하는 정도에 따라 경보를 발하거나 부하를 차단;
    (10) 상기 선로손실전력과 미리 설정된 전력임계치를 비교;
    (11) 선로손실전력이 전력임계치 초과 정도에 따라 경보를 발하거나 상기 부하를 차단하고 아니면 단계(4)부터 반복 실행하는 방법으로,
    현재 배전선로 상태의 최대전력공급능력(허용전류용량)과 선로 전송경로의 열화의 상태에 따라 위험 징후를 검출하여 정상 동작 범위를 벗어나면 부하를 차단하는 방법을 특징으로 하는 화재징후 검출 방법 및 방지 시스템.
  5. 전력을 공급하는 전원과 부하 사이의 전송선로로 구성된 전기 회로망에서 선로의 전기적 결함으로 인한 사고발생 전에 위험 징후를 감지하기 위해,
    상기 전송선로의 전압을 측정하는 측정 수단; 부하전류를 측정하는 전류측정수단; 차단(Trip) 전압, 전류 및 전력 임계치 설정수단; 허용 전압강하율을 설정하는 설정수단; 상기 무부하시 미리 설정된 전압 임계치와 현재 부하전압을 비교하여 그 결과에 따라 부하 제어신호를 발생하는 제어수단; 상기 제어신호에 따라 부하 전력을 공급/차단할 수 있는 부하제어수단을 구비한 안전차단기에서,
    (1) 부하에 전력을 차단한 후 무부하 선로전압을 측정;
    (1) 허용 전압강하율을 설정;
    (2) 부하에 전력공급을 차단하여 무부하 선로전압을 측정하여 이 값을 공급전압으로 간주하고 저장;
    (3) 상기 무부하 선로전압과 상기 허용전압강하율을 연산하여 상한 임계치(허용변화율 )를 결정;
    (4) 부하에 전력을 공급;
    (5) 부하에 공급되는 부하전압을 측정;
    (6) 상기 저장된 무부하전압과 상기 부하전압의 감산; 선로 강하전압를 산출;
    (7) 부하전류측정한 후 상기 선로강하전압을 곱하여 선로소비전력 계산;
    (8) 미리 설정된 전압임계치와 상기 선로강하전압를 비교하여 이 선로강하전압 임계치를 초과하는 정도에 따라 경보를 발하거나 부하를 차단;
    (9) 한편 상기 선로소비전력과 미리 설정된 선로손실전력 임계치를 비교;
    (10) 임계치 초과 정도에 따라 경보를 발하거나 상기 부하를 차단하는 방법으로 현재 배전선로 상태의 최대전력공급능력(허용전류용량)에 따라 동적으로 차단 임계치가 가변되는 방법으로, 선로 전송경로 열화의 상태에 따라 위험 징후를 검출하여 정상 동작 범위를 벗어나면 부하를 차단하는 방법을 특징으로 하는 동적 회로차단기.
  6. 전력을 공급하는 전원(1)과 부하(2) 사이의 전송선로(3X)로 구성된 전기 회로망에서 선로의 전기적 결함을 검출하여 위험상황 발생을 미리 방지하기 위해, 상기 전송선로의 전압(21)을 측정하는 측정 수단(20, 22); 부하 차단 기준치(71)를 가변적으로 설정하여 저장하는 임계치 설정수단(54); 허용 전압강하율을 설정하는 허용전압강하율 설정수단; 무부하시 미리 설정된 상기 임계치와 (현시점의) 부하전압을 비교하여 그 결과에 따라 부하 제어신호를 발생하는 제어수단; 상기 제어신호(45)에 따라 부하 전력을 공급/차단할 수 있는 부하제어수단(24)을 구비한 안전차단기에서,
    (1) 허용 전압강하율을 설정;
    (2) 부하에 전력공급을 차단하고 무부하 선로전압을 측정하여 이 값을 공급전압으로 간주하고 저장;
    (3) 상기 무부하 선로전압과 상기 허용전압강하율을 연산하여 임계치를 설정;
    (4) 부하에 전력을 공급;
    (5) 부하에 공급되는 부하전압을 측정;
    (6) 상기 부하전압과 상기 임계치를 비교;
    (7) 상기 비교결과 상기 임계치 이하로 떨어지지 않으면 단계(4)부터 반복하고, 낮으면 부하에 전력공급을 제한하는 방법으로, 선로의 결함(전기적 특성변화, 열화에 따른 허용 전류용량 초과)을 검출하여 부하를 차단하는 방법을 특징으로 하는 동적 회로차단기.
  7. 전력을 공급하는 전원(1)과 부하(2) 사이의 전송선로(3X)로 구성된 전기 회로망에서 선로의 전기적 결함을 검출하여 위험상황 발생을 미리 방지하기 위해, 상기 전송선로의 전압(21)을 측정하는 측정 수단(20, 22); 부하 차단 기준치(71)를 가변적으로 설정하여 저장하는 임계치 설정수단(54); 허용 전압강하율을 설정하는 허용전압강하율 설정수단; 무부하시 미리 설정된 상기 임계치와 (현시점의) 부하전압을 비교하여 그 결과에 따라 부하 제어신호를 발생하는 제어수단; 상기 제어신호(45)에 따라 부하 전력을 공급/차단할 수 있는 부하제어수단(24)을 구비한 안전차단기에서,
    (1) 허용 전압강하율을 설정;
    (2) 부하에 전력공급을 차단하여 무부하 선로전압을 측정하여 이 값을 공급전압으로 간주하고 저장;
    (3) 상기 무부하 선로전압과 상기 허용전압강하율을 연산하여 상한 임계치(허용변화율)를 결정;
    (4) 부하에 전력을 공급;
    (5) 부하에 공급되는 부하전압을 측정;
    (6) 상기 저장된 무부하전압과 상기 부하전압의 감산;
    (7) 상기 연산결과 상기 임계치를 비교;
    (8) 상기 비교결과가 임계치를 초과하지 않으면 단계(4)부터 반복하고, 초과하면 부하에 전력공급을 제한하는 방법으로, 선로의 결함(전기적 특성변화, 열화에 따른 허용 전류용량 초과)을 검출하여 부하를 차단하는 방법을 특징으로 하는 동적 회로차단기.
  8. 전력의 공급 경로의 전기적 결함으로 인해 발생할 수 있는 사고의 징후를 검출하기 위해, 상기 급전단과 수전단의 전압을 측정하는 수단; 선로전류를 측정하는 수단; 연산수단 및 부하를 제어할 수 있는 제어수단을 구비하여;
    (1) 급전단의 전압을 측정;
    (2) 선로손실전력의 허용 임계치를 설정;
    (3) 수전단의 전압 및 전류를 측정하고 선로에서 소실되는 선로손실전력을 산출;
    (2) 상기 선로손실전력이 상기 허용 임계치를 초과하면, 공급경로(선로)의 결함으로 간주하고 선로의 전류를 제한하는 방법을 특징으로 하는 회로차단기.
  9. 전력의 공급 경로의 전기적 결함으로 인해 발생할 수 있는 사고의 징후를 검출하기 위해, 급전단과 수전단의 전압을 측정하는 수단; 선로전류를 측정하는 수단; 연산수단 및 부하를 제어할 수 있는 제어수단을 구비하여,
    (1) 급전단의 전압을 측정;
    (2) 선로손실전력의 허용 임계치를 설정;
    (3) 수전단의 전압 및 전류를 측정하고 선로에서 소실되는 선로손실전력을 산출;
    (2) 상기 선로손실전력이 상기 허용 임계치를 초과하면, 공급경로(선로)의 결함으로 간주하고 선로의 전류를 제한하는 방법을 특징으로 하는 회로차단기.
  10. 전력의 공급 경로의 전기적 결함으로 인해 발생할 수 있는 사고의 징후를 검출하기 위해, 수전단의 전압을 측정하는 수단; 선로전류를 측정하는 수단; 연산수단 및 부하를 제어할 수 있는 제어수단을 구비하여,
    (1) 선로에 연결된 부하를 차단하고 무부하 선로전압 전압을 측정하고 저장;
    (2) 상기 무부하 선로전압 전압과 허용률을 연산하여 임계치를 설정;
    (3) 부하에 전력을 공급;
    (4) 수전단의 부하전압을 측정하고 상기 허용 임계치를 벗어나면, 공급경로(선로)의 결함으로 간주하고 선로의 전류를 제한하는 방법을 특징으로 하는 회로차단기.
  11. 전력의 공급 경로의 전기적 결함으로 인해 발생할 수 있는 사고의 징후를 검출하기 위해, 급전단 및 수전단의 전압을 측정하는 수단; 선로전류를 측정하는 수단; 연산수단 및 부하를 제어할 수 있는 제어수단을 구비하여,
    (1) 선로에 연결된 부하를 차단하고 무부하 선로전압을 측정하고 저장;
    (2) 상기 무부하 선로전압 전압과 허용률을 연산하여 임계치를 설정;
    (3) 부하에 전력을 공급;
    (4) 급전단의 전압 측정이 유효하면 급전단전압을 측정하고 허용률과 연산하여 상기 임계치를 갱신;
    (5) 수전단의 부하전압을 측정하고 상기 허용 임계치를 벗어나면, 공급경로(선로)의 결함으로 간주하고 선로의 전류를 제한하는 방법을 특징으로 하는 회로차단기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112946401B (zh) * 2021-03-11 2022-09-16 南京工业大学 一种阴燃氛围下高压输电线路跳闸特性实验装置及其方法
EP4381302A1 (en) * 2021-09-11 2024-06-12 Astronics Advanced Electronic Systems Corp. Method for monitoring abnormal conditions in an electrical distribution system
CN117824876B (zh) * 2024-03-05 2024-06-14 浙江正泰电器股份有限公司 端子过温预警方法、装置、表箱设备及存储介质

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101151050B1 (ko) * 2010-09-03 2012-06-01 엘에스산전 주식회사 전기에너지 관리 시스템
KR101127672B1 (ko) * 2010-09-29 2012-03-22 한국전력공사 분산전원 제어 장치 및 방법
CN202059185U (zh) * 2011-05-05 2011-11-30 许继集团有限公司 微电网并离网控制装置
US9007735B2 (en) * 2012-04-27 2015-04-14 The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate Fault detection, isolation, location and reconnection systems and methods
DE102013104629A1 (de) * 2013-05-06 2014-11-06 Refusol Gmbh Energieerzeugungseinrichtung mit funktionssicherer Potentialtrennung
US11063431B2 (en) * 2014-07-04 2021-07-13 Apparent Labs Llc Hierarchical and distributed power grid control

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