WO2021010808A9 - 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 the prevention of electric disasters by measuring and analyzing the characteristics of the line such as power loss and line resistance of the line and detecting abnormal signs of the power grid in advance.
  • the electric breaker is a method to cut 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 the existing technology has no solution for this.
  • the present invention uses communication technology such as IoT technology to detect abnormal signs of fire that may occur in an electric distribution network, and measures the physical quantity of the line at the feed end and the load end in a live state at all times to measure the power lost on the line By indirectly measuring the line resistance and the cause, it detects a fault in the line and detects a fire sign.
  • communication technology such as IoT technology
  • Detecting faults in the power grid that supplies power is very important and affects safety management and preventive maintenance/repair. In particular, it is very important to detect faults before disasters occur. 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 could detect a fault only after a device failure occurred or had an effect due to an electrical fault in the power grid or power system.
  • Existing overcurrent circuit breaker technology still has an area in which an accident caused by a defect in the transmission line has not been detected.
  • the threshold of the existing electrical safety protection technology is set by multiplying the maximum value of the load's available current capacity by the margin. It is subject to one line protection mechanism when one line is used in a power system with multiple loads. That is, since the protection threshold is determined by the sum of the current capacities of the loads connected to the line, when a device with a heavy load capacity and a load with a light load are mixed, the trip condition is set appropriately for the heavy load, so short circuit within the rating of ) is out of the protection area.
  • the protection mechanism does not work properly according to the load or the allowable capacity of the line, but is applied collectively, so there is an undetectable area of the protection function.
  • the existing safety cutoff technology does not distinguish between a light short circuit and a normal load, so the safety technology for detecting a light short circuit or electric shock is insufficient, so there is an area where the existing risk of fire or electric shock cannot be detected.
  • AFCI Arc-Fault Circuit Interrupter
  • the present invention can estimate the amount of heat generated on the line by measuring power lost or line resistance on a line receiving power.
  • the technical idea of the present invention is Kirchhoff's current law and voltage by collecting data at all times (in real time) using (live) measurement technology and Internet of Things technology for a power grid in the form of a distributed mesh network. It is a method of finding energy loss due to faults in the power grid through extended analysis of the law. It is a method that detects and monitors abnormal signs of accidents in advance to maintain the integrity of the power grid or operate the power system only within a safe range. It is the realization of an electric disaster prevention system that can fundamentally prevent electric disasters by implementing a verification/detection mechanism.
  • the causes of electrical disasters are largely classified into two types of electrical faults as follows. Electrical faults such as short circuit, defective/damaged insulation, insulation breakdown (moisture/dust), ground fault/interference, short circuit, tracking, overload/overcurrent, etc. are collectively defined as parallel faults, and conductor damage (half breakage), Electrical faults such as connection faults (connection faults), contact faults, and compression damage are collectively defined as serial faults.
  • most of the electrical faults can be detected in advance by 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 faults in the power grid and automatically taking appropriate measures.
  • anomalies can be detected before they develop into accidents, so accidents can be predicted. disasters can be prevented.
  • random/sudden accidents such as light short circuits (short-circuits, electric shocks below the trip current) of the live charging circuits that were not detected by the existing protectors (such as circuit breakers), so that the power supply to the power grid is cut off. to take effective measures to prevent the progression of the accident.
  • the present invention measures basic electrical characteristics such as voltage and current of the power supply end and the load end in the energized state of the electric network in order to detect an abnormal sign of fire, line resistance, connection parasitic resistance, power lost in the line, leakage current, Anomalies are detected by measuring electrical characteristics such as maximum allowable current, overload, arcing, and current instability, analyzing them in real time, and tracking the changes in real time.
  • the sign detection technology of the present invention measures basic physical quantities such as line voltage and current at the feed end and load end in a live state at all times, 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 presuming, you can notify managers before they become big problems or eliminate their causes so they can be prevented before they turn into a real story.
  • the power grid that supplies power may have various electrical faults for various reasons. That is, various forms such as electrical contact, carbonization of connection, incomplete connection, loose connection state, contact resistance, poor contact, connection defect, insulation breakdown, improper installation, damage, semi-disconnection, physical aging/transformation, and chemical corrosion may be seen, but the present invention In Fig., the electrical component related to the heat generated by this deterioration phenomenon is expressed as Parasitic Resistance (4).
  • the parasitic resistance ( , ) can be found in changes in electrical properties such as an increase in The increase in line resistance causes power loss when current flows and is immediately converted to Joule heat. If it exceeds a certain value, it becomes a condition for ignition. Therefore, it is necessary to minimize this or detect the existence of this phenomenon in advance.
  • the resistive element is converted into Joule heat when current flows, so a line defect caused by the increase of the resistive element is detected.
  • the line deterioration resistance is more dangerous than the distributed resistance of the line having the same distribution constant since it is concentrated in a specific physical location.
  • Loss of electrical energy due to parasitic resistance of a line is expressed as an increase in power dissipated between both ends of a line or an increase in voltage drop, and a decrease in dielectric strength develops into a short circuit or short circuit.
  • energy loss occurs due to a short circuit or short circuit in the power grid in the active state, it is left unattended. This energy loss exceeds the limit and shows abnormal signs 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.
  • the abnormality can be measured and quantified, so it can be used as a factor that can objectify the safety of the line.
  • the voltage at the feed end ( ), the voltage at the receiving end ( ) and load current ( ) is measured and converted to the line loss power ( , line dissipation power), line resistance ( ), load power ( ), load resistance ( ) and total supply power ( ) can be obtained.
  • 3 shows the leakage resistance ( ) when there is no line resistance ( ), shows the line loss power, load power consumption, and total power consumption trend.
  • the power dissipated in the line exceeds a certain amount, it can be generated by ignition. Therefore, when 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 .
  • 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, the more dangerous.
  • Loss power in the line is a direct cause of line ignition.
  • Line loss power is due to excess of allowable power or line deterioration (line defect) aging, physical/chemical deformation - Deteriorated parts generate relatively excessive joule heat. This heat can be a direct cause 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 ( ) in the normal line loss power ( ) minus ( ), which is a parasitic resistance caused by a fault, and is normally lost power ( ) is close to 0, so to be.
  • Line loss power ( ) is the line resistance ( ) is the load resistance ( ) is the same, the maximum power loss occurs in the line.
  • Line resistance provides a method to calculate line resistance in energized state as basic data that can analyze deterioration factors or the trend/progression of deterioration as well as accident prevention. The following method can be calculated even in an on-line state, so that measurement values can be collected on the network.
  • Equation-2 is the relative voltage ratio of the water supply front ( ) and line resistance ( ) shows a correlation.
  • 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 ( ), the receiving end (load) voltage ( ) and the receiving end (load) current ( ) and converted to the following formula (Equation-2), it can be calculated indirectly.
  • Normal normal line resistance ( ) is the line resistance ( ) means the normal part, so abnormal line resistance ( ) is the summed total line resistance ( ) can be considered.
  • the present invention monitors the voltage drop or power loss between both ends of a line (feeder end-receiver end) that is easy to measure among the electrical abnormalities of the power grid to prevent the occurrence of a fire.
  • a line feeder end-receiver end
  • An example of the implementation of the detection technique in advance is shown.
  • An increase in parasitic resistance of a power line appears as a change in electrical energy loss (power consumption) on the line. As the resistance of the electrical defect area increases, the voltage drop and power dissipation of the line increase.
  • the line loss power 10 shows the change in line loss power according to the line resistance change at a constant load.
  • the line loss power also shows an increasing trend, but has a maximum value when it has the same value as the load resistance, at this time
  • the maximum power loss is the load rated power. to the most dangerous situation.
  • the present invention can detect a sign of a fire accident that may occur on the line by measuring the power lost on the line.
  • This method measures the line voltage drop and load current, calculates the lost power, and cuts off the load current when the threshold value is exceeded. It is possible to prevent fires occurring on the line. Also, if the line resistance value increases by more than a certain value in conversion, the same result can be obtained even when the load current is cut off. If the voltage at the feed end is stable, the desired purpose can be achieved simply by measuring only the voltage drop rate.
  • Existing fire prevention methods are mainly used to detect and block overcurrent, leakage current, and arc generation.
  • this method it is difficult to detect a fire caused by an increase in line resistance. In other words, it is possible to cause a fire due to deterioration of the line even at a normal load within the allowable power.
  • the dotted line 160 is an area in which excessive power that can cause a fire is lost. When entering this area, the supply power must be immediately cut off.
  • the threshold can be set in various ways.
  • usable power can be calculated by calculating the resistance or maximum allowable current of a pre-installed line in advance in order to prevent a fire, so it can be utilized in the construction of a safe power grid.
  • the safety maximum current value of the line is the power supply voltage ( ), the receiving end (load) voltage ( ) and load current ( ) and measure the maximum allowable voltage drop rate ( ) can be applied to convert
  • the core principle of this electric disaster prevention technology is to detect a line defect by measuring/analyzing the physical quantity of the line reflecting the electrical characteristics of the line due to the current flowing in the line, and finding the signs of fire based on this.
  • the line resistance ( ) voltage drop across the line, load voltage and line loss power ( ) shows a change in
  • the symptoms of line deterioration are abnormal signs of increase and decrease of line loss power and increase of line voltage drop due to a change in line resistance, so it is monitored to predict and detect dangerous situations.
  • detection of anomalies can achieve its intended purpose by selecting any physical quantity such as line loss power, line voltage drop, load voltage fluctuation, and line resistance as a control variable.
  • the threshold 79 may have a fixed value, and if it is dynamically set by changing it according to the power supply time, the input power voltage, and the type and characteristics of the load, a more flexible and sophisticated system can be built. If this is developed, it is possible to construct a system more suitable for the situation by learning the characteristics of the load and setting the threshold 79 variably.
  • a soft-start method other than a simple on/off method can also be considered for shutting off or inputting the load power, and can be applied to all electrical devices regardless of AC/DC.
  • One embodiment shown in the conceptual diagrams of Figures -1, 12, and 13 includes means 10 for measuring the line voltage of the feeding stage 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) a physical quantity 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 above implementation shows an embodiment as a method for detecting an abnormality in line loss power, it can be implemented more simply by applying a method of comparing the line voltage drop between the feeding end and the receiving end as a reference. In this case, there is a region where the operation is sensitive even if a minute line power loss occurs at an extreme light load.
  • 10 and 11 show the power loss in the transmission line according to the load change within the allowable trip current of the overcurrent breaker. 10 and 11 show line loss power that can be generated by ignition in a line that the overcurrent circuit breaker cannot detect. That is, the overcurrent circuit breaker does not detect even though a dangerous situation has occurred.
  • the maximum power loss within the allowable trip current of the overcurrent breaker is as follows.
  • the existing overcurrent circuit breaker technology for preventing electrical accidents is a method of controlling the power supplied to the load in a way that determines whether the load current exceeds the limit value as a criterion for determining whether the load current exceeds the allowable limit value.
  • Accidents can be prevented, but accidents that occur due to short circuit (hereinafter referred to as light short circuit) or faulty lines 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 electrical characteristics on the transmission path. That is, it can have various forms such as electrical contact, carbonization of connection, incomplete connection, loose connection state, contact resistance, physical deformation, anti-disconnection and chemical corrosion, but in the present invention, these electrical properties are expressed as parasitic resistance (4). do.
  • the causes of line electrical fires are line deterioration and overcurrent.
  • the main causes of fires occurring in lines are from changes in electrical characteristics such as an increase in parasitic resistance due to the deterioration of the line. can be found
  • the increase in line resistance causes power loss when current flows and is immediately converted into Joule heat. If it exceeds a certain value, it becomes a condition for ignition. Therefore, it is necessary to minimize this or detect the existence of this phenomenon in advance.
  • the parasitic resistance components which are the cause of electric fires, cannot be directly measured in the energized state, so in order to know the exact values, the following methods are derived or present by analyzing the loss power of the following electrical components, changes in line voltage drop, arc energy spectrum, etc. expression) can be detected.
  • the resistive element is converted into Joule heat when current flows, so a line defect caused by the increase of the resistive element is detected.
  • the line deterioration resistance is more dangerous than the distributed resistance of the line having the same distribution constant since it is concentrated in a specific physical location.
  • Loss of electrical energy on a line appears as an increase in power or an increase in voltage between both ends of the line. This energy loss exceeds the limit and shows abnormal signs such as temperature rise and power consumption increase before a dangerous situation occurs. Since the above abnormal signs can be measured, they can be objectively or quantified and can be used as a fire prevention technology 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 power facility so that detection may be performed at all times, but may be performed in terms of safety inspection if necessary.
  • the present invention basically provides a line due to the current flowing in the line connecting both ends in a series network consisting of a power supply end (1, power source) for supplying power, a line for transmitting power, and a receiving end (2, load) for receiving power. It is a technology that detects defects by measuring the physical quantity that reflects the electrical characteristics of the device and analyzing it.
  • the line measurement technology includes an ohmmeter, an impedance meter, an earth leakage meter, a phase difference meter, etc., but it is not suitable for a energized circuit network and the goal is to implement an optimized electric disaster prevention system that can detect at all times in order to prepare for unexpected accidents without notice.
  • 8 shows an unknown line impedance of an established transmission line in a power grid in an energized state. As shown in Equation-3, if the reference resistance is known, the internal impedance can be measured without current measuring means. 8 shows a network-based impedance measuring device capable of collecting data by measuring line impedance and transmitting the measured value to the network. In this method, the characteristics of the reference resistor can be accurately known, so the measurement error is low and precise measurement is possible.
  • the known reference resistance connect to the terminal to be measured and load voltage Measure the change of the reference load and voltage by measuring the internal synthetic impedance ( ), if the absolute value and phase of the voltage are measured, the internal impedance can be obtained with one voltage measuring means.
  • An unknown internal impedance can be measured in a system with an internal power supply.
  • 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 abnormal signs of disasters and preventing disasters in a circuit network where power, transmission lines and loads are connected.
  • a voltage measuring means for measuring the voltage at the feeding and receiving ends and a current measuring means for measuring the current at the feeding and receiving ends are required.
  • Communication means data analysis means, arithmetic means, processing means, and output control means are necessary for exchanging messages between the feeding and receiving ends. Since the feed end and the receiver end may be physically separated, a suitable message exchange means is required.
  • the transmission means can be implemented using any one of wired, optical communication, or wireless technology. All of the above means and the like can be implemented with IoT technology.
  • the present invention is a method of constantly monitoring electrical faults in the power grid and automatically taking appropriate measures. For chronic static faults or progressive faults, signs can be detected before they develop into accidents in advance, so accidents can be predicted. can prevent In addition, it can detect random/sudden accidents such as light short circuits (short circuit in trip current, electric shock) that the existing protectors (circuit breaker, etc.) cannot detect, so it is possible to prevent the worst accidents and take effective measures.
  • the 12 is a system for preventing a disaster by measuring the power lost in the transmission line and blocking the power supplied to the line when the power is excessive.
  • the input of the upper node is connected to the power source 1
  • the output 290 is the power grid 300 ) connected to the input terminal 390 of the lower node 400 via a power system provided with a communication means 500 for transmitting a message between the upper node 200 and the lower node 400,
  • the lower node 400 measures the load power (receiver power, 415);
  • the upper node receives the load power 403T of the lower node and subtracts it from its own power supply power 215 to obtain dissipated power (FIG.-13 205).
  • the dissipated power 205 is abnormal power caused by the series-parallel faults 320, 330, and 3 of the lines of the transmission line, and the degree of deterioration of the transmission line can be known.
  • a trip signal 209 is generated to cut off the supply power to prevent an accident in advance.
  • the load may be additionally connected to the power terminal 290 . If all load power is subtracted from step 3, it can be applied to power grids with multiple loads.
  • 13 is an embodiment for measuring the power dissipation of the power grid 300 having multiple loads, the power network configuration having one power source (feeding end) and n (n: natural number) loads (receiving end) see. power supply (1, )), a voltmeter 301 and an ammeter, the power wattmeter and all load stages 2, Load-1 to Load-n, are composed of power measuring means 414-1 to 414-n, calculation, communication and control means. do.
  • the power supplied from the power source should be delivered to the load stage.
  • the power supplied from the power stage should be the same when all load powers are added up.
  • the present invention can calculate the power dissipation even in the active state in an indirect way. The power dissipated due to leakage can be obtained by finding the difference between the supply power measured at the power stage and all load power measured at the load. Therefore, all loads must be capable of measuring power.
  • Power measured at all loads ( ) to sum ( ) to supply power ( ), the power dissipated ( ) can be measured.
  • the dissipated power 215P can be expressed by the following equation as the sum and difference of the power measured at each load in the total supply power of the power stage. This power dissipation includes all power losses caused by series-parallel faults.
  • 13 is a quantitative value of abnormal power dissipated in the power grid ( , 215) can be extracted. If this dissipated power increases and exceeds the limit value (if left unattended), it may lead to an accident. When the dissipated power exceeds the limit value, the power supply terminal blocks the power supply to prevent an accident or to cope with the accident at an early stage. In addition, it is possible to detect signs of an accident by tracking the increase trend of the dissipated power (215P).
  • the quantitative value of the dissipated power has a function relationship with the threshold 214 of the dangerous level, so that a Dangerous Index 217 can be obtained. Since the degree of risk can be quantified, it is possible to take preemptive measures before it develops into an accident.
  • This embodiment can extract the quantitative value 215P of power dissipated in the power grid in real time, so that the soundness (integrity) of the line can be quantified.
  • the maximum threshold is determined, the degree of risk can be quantified, and maintenance/repair information of the power grid can be derived.
  • the present invention can measure the power dissipated due to all abnormal loads in the following way.
  • the feed end supplies power to the load end through the power grid.
  • the feed end calculates the power dissipation (line loss power) by calculating the difference between the total power supplied to the load end and the load power.
  • the power dissipation occurs not only due to a decrease in dielectric strength, but also due to line intrinsic resistance or parasitic resistance. Since the measurement result is all abnormal power except for the normal load, it can be used as basic data for preventing accidents or judging abnormal signs of the power grid. If this power dissipation increases, it leads to an accident. Since the present invention can know the quantitative value of dissipated power before an accident occurs, it is possible to know the progress of the leakage/short circuit accident. In other words, it is possible to quantitatively express abnormal signs of accidents caused by electric leakage. In addition, electric shock detection is possible, but the above method cannot be designed to be more sensitive than the method for detecting leakage current described below.
  • the detection principle is a method of calculating the abnormal power through network analysis after measuring the power dissipation (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 connected to the input terminal 390 of the lower node 400 via the power grid 300.
  • the upper node ( 200) and the lower node 400 in the power system including the message transmission means 500;
  • the upper node (supply 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 power information (current 403, power) of the load to the upper node,
  • the upper node receives the power supply current 403T of the lower node and subtracts it from its own power supply current 203 to measure the leakage current 205 .
  • the load circuit breaker 210 cuts off all power supplied to the load to prevent accidental power generation.
  • the threshold limit value is usually set to the maximum value that allows accident-free operation.
  • the load may be configured to pass through the receiving end 400 . If all the load currents are summed up in step 3, it can be applied to a power grid with multiple loads.
  • the series fault detection 310 of the line can be detected at the receiving end 400 in the following way.
  • the lower node receives the feed voltage 203T of the upper node and subtracts its own voltage (load voltage, 401) to obtain the voltage drop (voltage difference, 405)), that is, the voltage drop reflecting the characteristics of the line. Since this voltage forms a different path when a parallel fault occurs, an error may occur. Although there are some problems, it is a useful method for detecting line faults.
  • Determining whether the voltage drop 405 exceeds a preset voltage drop threshold 414 detects a fault in the transmission line, and when a dangerous situation occurs, only the load partially partially exceeds the line capacity. It is useful because it does not interfere with the entire system as it is removed.
  • FIG. 13 and 15> show a power grid configuration having one power source and n loads (n: natural number) as an embodiment for detecting a parallel fault in the power grid.
  • Power supply (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.
  • series faults such as inherent line resistance and poor connection (FS201) reflect the characteristics of the line in the load current, but in the live state, it is caused by parallel faults (FP204, FP206, FP208) that cross the line.
  • FP204, FP206, FP208 parallel faults
  • One leakage current cannot be directly measured when power is supplied to the load.
  • the present invention can calculate the leakage current due to the parallel fault in an indirect way.
  • 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 is the sum and difference of the power measured at each load in the total supply power, and can be expressed by the following formula.
  • 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 feed end obtains the leakage current by calculating the difference between the supply current sent from the load end and the sum of the load currents.
  • This embodiment can extract the quantitative value of the leakage current of the power grid in real time, so that the soundness (integrity) of the line can be quantified.
  • the maximum threshold 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) crossing the power line, such as a short circuit. If this leakage current increases and exceeds the limit (if left unattended), an accident may occur. If the leakage current exceeds the limit, the power supply stage cuts off the supply power to prevent accidents or suppress the accident at an early stage, as well as tracking the increase in leakage current, so it is possible to detect abnormal signs of an accident.
  • the total leakage current 215 has a function relationship with the limit value 414 of the dangerous level, so that a Dangerous Index 227 can be obtained. Based on the level of risk, preemptive measures can be taken before an accident occurs.
  • the existing earth leakage blocking technology is a technology to detect an earth leakage by detecting an unbalanced current between lines and has been widely used as a means to prevent electric shock accidents.
  • the ungrounded leakage current between the active lines of the live part cannot be protected because it is indistinguishable from the normal load.
  • the present invention can measure leakage current caused by any abnormal load, including ground fault current. By using this, it is possible to detect an ungrounded light short between active charging paths or an electric shock.
  • the current includes both the non-ground leakage current caused by the decrease in dielectric strength between the ground fault current and the active charging path and the electric shock current in case of an electric shock accident, but is hardly affected by series faults caused by parasitic resistance such as poor connection. Therefore, if this current exceeds a certain value, it is connected to an accident.
  • the leakage current can be known before the accident occurs, the progress of the leakage/short circuit can be known. In other words, it is possible to quantitatively detect abnormal signs of accidents caused by electric leakage. Also, how close did you approach the preset threshold?
  • this charging circuit leakage technology detection can be made by setting the critical limit value ( ) variably as needed when designing a safety circuit breaker, so it is difficult to maintain the integrity of the power grid because it is difficult to maintain the integrity of the power grid. damage can be minimized.
  • the sensitivity control function can be usefully used in the temporary power grid if it is set high at the beginning of power-on and appropriately adjusted when safety is confirmed.
  • the leakage current detection method can be designed to be more sensitive to the leakage current detection method than the dissipation power detection method, so that damage can be minimized in the event of a light short circuit or electric shock.
  • the present invention relates to a power grid line inspection (measurement) technology for detecting and preventing accidents occurring on the power transmission path, or identifying in advance a weak defective line, unlike an overcurrent circuit breaker that monitors an existing overload. Prevents or identifies vulnerable information in advance so that you can take proactive measures.
  • a fire/electrical fire prevention system that can strengthen and systematize fire safety management by measuring in advance whether the line is normal, such as the condition of the line, and providing the maximum allowable current as a DB. It is possible to implement a DB of the safety improvement information of the line, so that the risk/safety level of the distribution line can be quantified.
  • Figure-2 Modeling a series-parallel fault of a representative line with parasitic resistance
  • Figure-4 Line loss power, load power, total power consumption and line voltage drop according to line resistance change
  • Fig.-10 Function relation and protection area of line resistance increase and line loss power
  • Fig.-11 Protection/non-protection danger zone when the rated load of the overcurrent circuit breaker is exceeded
  • Fig.-14 Detection of short circuit of leakage current in live charging circuit - detection of leakage current (electric shock detection)
  • Fig.-15 Detection of short circuit of electric leakage 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 line fault detector
  • FIG. 13-18 show the present invention as an embodiment of a detector that detects a fault in the power grid, power source (supply source) -> control node (upper) -> power grid (line) -> control node (lower) -> load (consumption)
  • supply source supply source
  • control node upper
  • line power grid
  • control node lower
  • load load
  • each of the components plays two roles of a power source (input) and a load (output) according to the energy flow, respectively. It is connected in a structure, and a subnode and a 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 alerting the output, and each control node can communicate with each other, , has a function of measuring and controlling the energy (power information) passing through it.
  • the control node minimizes disasters by measuring/monitoring and controlling faults in the power grid in the following way.
  • the upper control node provides its own electrical information (voltage) to the lower node (feed forward);
  • the upper node calculates/compares the energy (power, current) measured value of the lower node with the energy (power, current) measured value passed through it and derives the result (the step of obtaining the lost energy (power, current) )
  • control responds by comparing it to a threshold (a specific preset value), and depending on the result, cut off the energy supply to the lower node or send an alarm.
  • a threshold a specific preset value
  • Faults in the power grid can be progressive or sudden (random).
  • measuring means for measuring its own voltage and power information (current or power) passing through (through) itself;
  • External information collection means for collecting and summing a plurality of external power information (power and current);
  • a power control device for controlling the output by measuring the power loss or leakage current of the power grid by having an output means for calculating or comparing own power information and the collected external power information and outputting a control amount according to the calculation/comparison result do.
  • Figure-21 is an example of a protector for preventing an accident by monitoring line voltage drop, changes in line loss power, and exceeding the limit value of load power, which are abnormal signs of line defects,
  • the virtual power register threshold value (52) is updated
  • step 3 In order to generate an alarm and repeat indefinitely from step 3, measure the physical quantity that reflects the electrical characteristics of the line due to the current flowing in the line and analyze it to detect defects and prevent accidents that may occur in the line. follow up processing.
  • the follow-up action can generate an alarm variably depending on the severity of the abnormality, and the method to cut off the power supply or the degree of the line fault can be notified to the control system or person to quickly analyze the cause of the fault, and take measures for maintenance and recovery. can make it
  • the no-load voltage is treated as the power supply voltage in the initialization process in case the system may be confused because the power supply voltage, which is the standard for control, cannot be obtained due to communication problems, etc. Afterwards, when the power supply voltage can be obtained normally, it is updated and processed with the actual power supply voltage.
  • FIGS. 1 and 12 are schematic diagrams of an embodiment showing the operating principle of the present invention. Although expressed as a hardware circuit composed of various elements, most elements of the measurement means and control means can be implemented with a microprocessor and software.
  • a communication means for transmitting the data acquired by an analog-to-digital converter (ADC) to the processing end for digital discrete processing is provided,
  • step (4) If the comparison result does not fall below the threshold, repeat from step (4), and if it is low, the fault of the line (electrical characteristic change, excess of the allowable current capacity due to deterioration) is detected by limiting the power supply to the load.
  • a dynamic circuit breaker characterized by a method to cut off the load.
  • the feed end constantly measures the feed voltage 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 fault detection detection threshold is determined as a relative value depending on the situation by calculating the maximum allowable line voltage drop rate and the power supply voltage, it can be dynamically and automatically determined without setting it to a specific value, regardless of the power supply voltage and load capacity. This can be more useful as it can be dynamically applied to any load.
  • the power capacity after the circuit breaker of the present invention allows up to the maximum usable capacity of the line. Therefore, it is preferable to use the maximum load current as the current threshold value together to protect the load.
  • the threshold of this value cannot be automatically calculated because it is a specific power according to the needs of the load.
  • the present invention is a technology for preventing problems occurring in the supply line, and it goes beyond the scope of detecting and preventing defects occurring inside all kinds of loads.
  • a combined method is also provided, either by setting a threshold that determines the upper limit of the load current in the same way as the existing method, or by blocking the overload based on the load power.
  • the present invention detects a line abnormality in the following four ways, and when one or more is detected, it is determined that there is a line problem and a follow-up action is taken. It can be detected in a variety of ways.
  • the line voltage drops 31 and 45 are obtained from the feeding voltage 1 (or the stored no-load voltage 21 and the current load voltage 21-1) of the feeding stage 11, and a preset threshold value ( 71), and when the threshold value falls below the threshold, it is determined that it is a fault on the line and the power supplied to the load 2 is cut off or detected.
  • the load current 22 by obtaining the line voltage drops 31 and 45 from the feeding voltage 1 of the feeding stage 11 (or the stored no-load voltage 21 and the current load voltage 21-1) ) to calculate the power loss 85 lost in the line;
  • the no-load voltage is treated as the power supply voltage during the initialization process.
  • the load is temporarily switched to the no-load state and the no-load voltage is changed.
  • the cause of the trip signal is not the power voltage fluctuation, it is concluded as a fault in the line. Otherwise, if the supply voltage fluctuation is the cause, the no-load voltage value is updated and the initial power-on procedure is performed again. This can prevent malfunction and reduce reliability.
  • the data learned by the above procedure may be reflected in the threshold setting. That is, by analyzing and learning the change pattern of the load current, a threshold value suitable for the load condition is derived, and it is dynamically changed in conjunction with the pattern of the load current.
  • the power is calculated by measuring the voltage and current at both ends.
  • the power loss in the line can be calculated from the relationship.
  • Line loss power can be calculated by measuring and calculating the feeding shear voltage, receiving shear voltage, and load current (which are basically related to line loss power). However, if the feed end and the receiving end (load) are physically separated, a new additional line is required. Therefore, additional line extension to apply this principle is not practical and practical. However, the recent development of wireless communication technology can easily solve this problem. As a highly realistic technology, it is possible to implement a highly practical disaster prevention system by using wireless IoT technology. (It is based on the basic principle expressed in the following formula.)
  • the receiving end no-load line voltage ( ) is regarded as (replaced) as the feed-end voltage (1, 15) until it is updated to a new value as the situation changes and is treated as a reference value.
  • the receiving end no-load line voltage ( ) maintains the voltage just before the turn on when the load is turned on, and this value is updated in real time when the load is turned off.
  • the amount of heat generated due to line power loss may be used as a reference value for judgment.
  • the error increases when the capacity of the power supply stage is insufficient or the supply voltage fluctuates greatly. Since is a physical quantity that can be obtained in the no-load state when the load is removed from the network at the feed end and the receiving end, it is highly practical.
  • the basic concept of the present invention can also be applied to the safety management of energy converters such as transformers in the power grid.
  • energy converters such as transformers in the power grid.
  • 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 transmission and conversion.
  • the main causes of accidents such as power converters such as transformers 810 and inverters are analyzed as main causes such as interlayer short circuits 812 and 814, overheating, deterioration of insulating oil, connection defects, and overload.
  • the maximum allowable power is lowered due to secular changes due to external conditions and aging/deterioration.
  • the limit power 214 is set as the efficiency of the converter and the power loss 205 in order to minimize this problem, 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 is shown.
  • Remote monitoring through IoT technology by properly reflecting the status enables proper operation 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 cheaper and simpler method than the existing method when it is linked with smart grid technology. The following shows 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., depending on the need for electrical insulation between input and output, but the energy converter such as a transformer has input and output close to each other. Fiber Optics communication method is advantageous in consideration of EMI, etc., as it requires high insulation 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 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-child node form is repeated.
  • a physical branch without a node (bridge) of the present invention is logically regarded as the same layer.
  • Classification of layers is effective when the node is subject to control.
  • the subordinated node is considered as one load.
  • the power grid is physically in the form of a mesh, multi-point bus, and tree.
  • a layer and a branch are classified based on the control node ( ).
  • FIG.-17(b) is a Power Control Domain (Power Segment Plane, Power Class) (FIG.-17B) having 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, the control mechanism such as the sensing area and protection is a power grid unit that is separated (independent object) from other power grids.
  • the control mechanism such as the sensing area and protection is a power grid unit that is separated (independent object) from other power grids.
  • the power grid is extended in a hierarchical structure, so In a power system with one power source (supply end, input) and one or more loads (receiver end, output) that can be controlled and monitored, it is different from the supply and demand of energy Regardless, it is defined as a power grid unit in which the detection area and control mechanisms such as protection are separated from other power grids (independent objects).
  • the control nodes 200 , 400 , and 600 receive power from the upper node and directly transmit it to the lower load. Control and measurement are only possible in one step up and down. However, if communication with the own supply control node (n-1 Layer) is not smooth in obtaining the measured value of the supply voltage, the control section can be extended by obtaining it from a higher level node (200. n-2).
  • the nodes 200, 400, and 600 are capable of transmitting power, measuring the voltage, current, and power, and exchanging messages with nodes having 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 power supply end and a power receiving end, delivering it to a lower node or a domain, and controlling power supply to the lower node 600 when necessary. .
  • the lower power grid is expanded in a hierarchical structure, so it affects the power energy transfer flow. All Power Planes view the higher plane as a power source and receive power, and see the lower plane (600, 600-2, 600-3) as a load and supply power. For control and measurement, only the load of the same domain is effective, and power information of higher domains or lower domains of two or more steps is not subject to judgment, except for neighbors at the same level.
  • Figure-21 shows a management system of a power grid to which IoT technology is applied.
  • electrical data that can determine abnormal signs of an accident is the line voltage drop ( ), line loss power ( ), line resistance ( ) and maximum allowable current ( ) is information directly related to an accident, and if any one of them exceeds the allowable range, it will lead to an accident, so it should be monitored at all times.
  • double line resistance ( ), the maximum allowable current ( ) is related to the line equipment, so it should be identified and maintained in advance.
  • the dynamic measurement technology of the present invention does not cut off the power supply of the line and does not use a special measuring instrument, but in an indirect way, even in the energized state ( ) and the maximum allowable current ( ) can be estimated.
  • the power grid fault detection technology fuses information and communication technologies such as the existing IoT technology to know real-time power, supply, and even the state of the power grid, making it possible to implement a grid safety map.
  • information and communication technologies such as the existing IoT technology to know real-time power, supply, and even the state of the power grid, making it possible to implement a grid safety map.
  • the extracted line information is applied to a multi-distribution network based on analysis processing information in a more advanced method such as analyzing the cause of an electric fire or early detection of line deterioration through loss power recording and analysis.
  • Quantitative information (risk index, safety index) can be derived.
  • the above safety-large voltage drop ( ), line loss power ( ), line resistance ( ) and maximum allowable current ( ), the safety level is displayed on the map, and the line supply voltage ( ), load voltage ( ), load current ( ), load power ( ) is measured and compared in real time, and when a certain value is exceeded, an alarm is generated and the power grid control center is notified. Users are notified by alert or SMS message. If it is judged that the risk index is high and serious, most line accidents can be prevented by immediately shutting off the power supply to the load. However, in the case of overload, the above method is suitable. It will be a more practical system if you can respond in advance through advance notice. A more practical system can be built by setting the threshold in multiple stages and warning in stages 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 commercially available IoT technology. Monitoring data for a plurality of line information may be transmitted from a separate power grid information collection device included in the gateway.
  • the Internet may be any one of wired and wireless communication networks that provide communication of various information devices within a limited area, or a combination of two or more.
  • the transmission method standard of the network corresponding to the Internet is not limited to the existing transmission method standard, and it is useful when all transmission method standards to be developed in the future can be applied.
  • the power grid control center can grasp the status of power lines in real time, faults in the power grid due to line faults and overloads can be detected, and maintenance/repair information can be obtained in advance to prevent breakdowns.
  • the present invention prevents accidents in advance by detecting electrical faults in the power grid and abnormal signs of lines and taking appropriate precautions.
  • it is basically designed to operate in stand-alone mode.
  • the line fault detector of the present invention is not basically dependent on the physical location of the line, it detects a line fault between the measuring point (power supply end) and the receiving end (load) wherever it is located.
  • the above fault detects abnormal signs in the form of an increase in voltage drop or an increase in line loss power and leakage current.
  • each node informs the external control center or neighboring nodes of the measured information and control information, making it possible to build a more effective and dense sophisticated safety net.
  • each node system of the present invention can be configured to have a relationship, it is possible to have an extended structure that does not adversely affect each other as each node operates independently (stand-alone). It receives information from related nodes and processes and processes only data related to itself, so it is not limited due to its high flexibility in network construction.
  • the control device If the measured value of each measuring 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 line allowable current capacity or overload that exceeds the current capacity. Assess what you have done and take follow-up action. Each measurement and processing in this step is synchronized using interrupt technology and processed in parallel in real time, which is desirable because precision can be increased.
  • Follow-up measures can trigger an alarm step by step depending on the degree of deviation from the standard range, and according to the number of alarms and the level of risk, the level of risk of cutting off the power supplied to the load that is the cause is sent to the management center to build a risk map based on the database It is possible to take various measures, and by using IoT technology, it can serve as a major component in the control network, such as a node of a smart grid.
  • the fault detection loop is cycled by closing the contacts again to restore power to the interrupted circuit.
  • the present invention can be applied to all electrical 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 ESSs.
  • Preemptive safety technology is expected to be commercialized as it can dramatically reduce the social cost of human life and property damage caused by electric fires, and it is related to growth through the demand of IoT-based safety-related smart device parts/product industries and IoT-based measurement technology. Industry growth is expected.

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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.
[규칙 제91조에 의한 정정 19.03.2021]　
선로의 접속불량, 접촉불량 및 노화/열화로 인해 "기생" 저항이 발생한다. 이 기생저항은 특정 조건(
Figure WO-DOC-FIGURE-13-1
동안 유지하는 Trip배율)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 WO-DOC-FIGURE-13-2
동안 유지하는 Trip배율)이런 조건이 되었을 때 합선이 일어나면 대단히 위험하다. 이때 최악의 상황이 (
Figure WO-DOC-FIGURE-13-3
) 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
[규칙 제91조에 의한 정정 19.03.2021]　
도-18: 계층적 제어노드의 동작 흐름도
[규칙 제91조에 의한 정정 19.03.2021]　
도-19: 단일 부하를 갖는 선로결함검출기의 실시예
[규칙 제91조에 의한 정정 19.03.2021]　
도-20: 제어노드의 직렬결함 검출 동작 흐름도
[규칙 제91조에 의한 정정 19.03.2021]　
도-21: 제어노드의 구조
[규칙 제91조에 의한 정정 19.03.2021]　
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
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000112
관계로 선로의 손실전력을 구할 수 있다.
도-1, 12는 본 발명에서 결함검출 및 제어장치를 수전단에서 설치하는 예를 보인다.
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000113
(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(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000114
)을 상황이 변하여 새값으로 갱신될 때까지 급전단 전압(1, 15)으로 간주(대체)하여 기준치로 처리한다. 상기 수전단 무부하 선로전압(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000115
)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.
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000116
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000117
: 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
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000119
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(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000124
), 선로손실전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000125
), 선로저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000126
) 및 최대허용전류(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000127
)는 사고와 직접 관련있는 정보로 이 중 하나라도 허용범위를 초과하면 사고로 연결되므로 상시 감시해야 한다. 이중 선로저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000128
), 최대허용전류(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000129
)은 선로설비와 관련있으므로 사전에 파악하고 정비하여야 한다, 본 발명의 동적 측정기술은 선로의 전력공급을 차단하지않고 특별한 측정기를 사용하지 않더라도 간접적인 방법으로 통전상태에서도 선로저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000130
)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(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000134
), 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(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000138
), 전력손실 (
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000139
)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(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000140
), 선로손실전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000141
), 선로저항(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000142
) 및 최대허용전류(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000143
)를 고려하여 안전도를 지도에 표시하고, 선로공급전압(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000144
), 부하전압(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000145
), 부하전류(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000146
), 부하전력(
Figure PCTKR2020009645-appb-img-000147
)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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