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KR100439647B1 - 휴대용 앵글미터 - Google Patents

휴대용 앵글미터 Download PDF

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KR100439647B1
KR100439647B1 KR10-2001-0049707A KR20010049707A KR100439647B1 KR 100439647 B1 KR100439647 B1 KR 100439647B1 KR 20010049707 A KR20010049707 A KR 20010049707A KR 100439647 B1 KR100439647 B1 KR 100439647B1
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phase difference
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Abstract

본 발명은 전력계통 기기의 상차각(Phase-Difference Angle)을 측정하는 휴대용 앵글미터(Angle Meter)의 제조기술에 관한 것으로서, 상차각은 효율, 역률, 전력계통 안정화 및 보호계전시스템 정정에 중요한 지표로서, 발ㆍ변전소 등의 설치, 점검 및 보호계전기 정정을 위하여 측정되고 있다.
종래의 기술/제품으로 PMM1 Power Multi-Meter(AVO International, 영국) 및 휴대용 변류기시험기(발명자 한홍석 외 3) 등이 있으며, 한국전력공사 등에서 휴대용 계측기로 사용되고 있지만, 상기 PMM1은 주로 보호계전기 특성시험에 사용되고 상기 휴대용 변류기시험기는 변류기 특성시험에 적합한 것이므로, 전력계통 설비의 상차각 측정 전용의 사용이 간편하고 저가이며 유지보수가 편리한 휴대용 앵글미터의 제작에 필요한 기술개발이 필요하다.
상기한 필요성에 의하여 개발되는 본 발명은 마이크로프로세서를 기반으로 하여 전력계통 설비의 상차각을 실시간으로 측정하기 위한 전용의 휴대용 측정기로, 전압전류 측정도 가능한 휴대용 멀티미터 기능, Auto-ranging기능, 측정결과의 기록과 표시기능, 외부장치에서의 검색ㆍ인쇄ㆍ설정을 가능하게 하는 통신기능, 사용환경의 한글화, 메뉴 조작에 의한 간편한 조작 등을 실현할 수 있는 휴대용 앵글미터이다.
본 발명은 외부 장치와의 전기적 연결을 위한 단자블록과 조작스위치가 장착된 조작스위치 패널, 전원을 개폐 조작하기 위한 전원조작회로, 전원을 적합한 레벨로 변환하여 공급하기 위한 전원공급장치, 시스템을 관장하고 측정 및 신호처리 알고리즘이 장착된 중앙처리장치인 CPU, 조작스위치 상태를 읽어들이기 위한 디지털신호 입력회로, 전압전류 신호를 검출하고 적당한 레벨로 변환하는 전압전류 검출회로, 전압전류 검출신호를 디지털신호로 변환하는 아날로그신호 입력회로, 전압전류의 측정범위를 자동으로 최적화 시키기 위한 이득제어회로, 표시장치 구동회로, 키 제어기, 통신제어기, 반도체 메모리소자, Clock 및 LED 등으로 구성되는 주변장치 및 클램프식 변류기 등의 부속기구와 개인용 컴퓨터에서 시험 데이터를 분석하기 위한 소프트웨어 프로그램 등을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하며; 전기량을 크기와 위상각 두 개의 파라미터로 표현하여 연산하는 알고리즘을 실현하는 페이저 측정(Phasor Measurement)기법을 적용하여 잡음에 의한 영향 및 Zero-crossing법에 의한 불확실성을 해소한 것을 특징으로 하며; 전압전류신호 검출 레벨에 따라 측정범위가 자동으로 조정되는 Auto-Ranging을 실현하기 위한 이득제어회로가 부가된 것을 특징으로 하는 휴대용 앵글미터이다.

Description

휴대용 앵글미터{Portable Anglemeter}
본 발명은 전력계통(Power System) 요소인 발전기, 변압기 등의 전력용 기기의 상차각(Phase Difference Angle)을 측정하기 위한 전용의 휴대용 앵글미터에 관한 것으로서, 전력설비의 전기적 특성을 시험하기 위한 계측 및 시험장치 제조에 관한 기술분야이다.
전력용 기기의 상차각은 두 전압/전류의 위상의 사이 각(Difference Angle)으로서 효율, 역률 및 전력계통 안정화의 한 지표이며, 특히 전력계통 보호계전시스템의 정정에 중요한 파라미터임으로, 발전소, 변전소 등의 신설, 보수, 점검 및 보호계전기 정정시에 대상 전력기기의 상차각 시험을 실시하고 있다. 상차각의 측정은 한국전력 공사와 대용량 전력수용가 외에도 중전기 제작업체, 전력설비 시공업체 및 연구소 등에서도 시행되고 있으며, 상기한 기관 및 업체에서 상차각 측정 전용의 측정기의 필요성을 인식하고 있으나 수요량 및 경제적 이유로 계측기 제작소에서 연구개발을 기피하고 있다.
위상 또는 상차각 측정과 관련된 종래의 기술/제품을 요약하여 기술하면, 표1의 상차각 측정 기술/제품 요약표와 같다.
[표 1]
상차각 측정 기술/제품 요약표
상기 표1과 같이, DPM609 Digital Phase-meter(Feedback Instruments Ltd.,영국), SD1000 Phase Meter(CNN, 말레이시아), GP102 Multi-function Gain-phase Analyzer(Clark-hess, 미국), 6000 Phase Meter(Clark-hess, 미국), PMM1 Power Multi-Meter(AVO International, 영국) 및 휴대용 변류기시험기(특허 제 0206655호, 1999.02.09, 특허권자 한국전력공사, 발명자 한홍석 외 3인) 등의 위상 또는 상차각 측정과 관련된 기술/제품을 분류하면 다음과 같다:
- 실험실습용: DPM609 Digital Phase-meter 및 6000 Phase Meter
- 교정용: SD1000 Phase Meter
- 저압계통, 시스템 특성시험용: GP102 Multi-function Gain-phase Analyzer
- 초고압계통 설비의 휴대용, 다용도 측정용: PMM1 Power Multi-Meter 및 휴대용 변류기시험기
PMM1 Power MultiMeter 및 휴대용 변류기시험기는 한국전력공사 등 국내 기관/업체에서 전력계통의 현장 휴대용 계측기로 사용되고 있지만, PMM1은 주로 보호계전기 특성시험에 사용되며 다용도용임에 따른 사용상의 번거로움과 고가의 외국산임에 따른 경제적 및 유지보수 등의 측면에서 문제가 있고, 휴대용 변류기시험기는 변류기의 특성시험에 적합한 것으로 여러 종류의 전력용기기의 상차각 시험에 효과적으로 적용하기에 문제가 있다.
상기와 같이 종래의 기술/제품을 검토할 때, 일상적으로 사용하고 있는 전기저항 및 전압/전류 측정용 회로시험기(Multi-Tester)와 같이 사용이 간편하고 저가이며 유지보수가 편리한 휴대용 앵글미터의 개발이 요구되고 있다.
초고압 전력계통 및 전력설비의 상차각을 측정 전용의 사용이 간편하고 저가이며 유지보수가 편리한 휴대용 앵글미터의 제작에 필요한 기술 개발이 본 발명의 과제이며, 본 발명의 특징과 기능은 다음과 같다:
ㆍ특징
- 초고압 전력계통설비의 상차각 측정 전용의 휴대용 측정기
- 마이크로프로세서를 기반으로 하는 실시간 측정
- Auto-ranging 기능
- 휴대용 멀티미터 기능
- 측정결과의 기록, 표시, 통신(다운로드, 인쇄) 및 측정조건 설정 기능
- DFT(Discrete Fourier Transform) 기법을 기반으로 하는 페이저(Phasor) 연산에 의한 전압, 전류, 위상 및 상차각 측정기법을 실현함으로서 잡음에 의한 영향 및 Zero-crossing 법에 의한 위상측정이 갖는 불확실성 해소
ㆍ설정
- 설정항목: 측정대상기기 정보(사업소명/기기명/기기번호), 환경정보(일시)
- 설정방법: 4Key에 의한 메뉴식 설정
ㆍ조작
- 조작항목: ON/OFF, 측정모드 절환, 표시모드 절환
- 조작방법: ON/OFF 스위치, 측정절환 스위치 및 표시절환 스위치
ㆍ표시
- 표시항목: 상차각, 3상 위상, 3상 전압, 3상 전류 중 표시항목 절환
- 표시장치: LCD
ㆍ측정
- 측정항목: 상차각 , 3상 전압/전류/위상 중 측정항목 절환
- 상차각: ±0∼180˚ , 분해능 0.05˚ , 정도 0.5˚
- 위 상: ±0∼180˚ , 분해능 0.05˚ , 정도 0.5˚
- 전 압: 0∼650Vac(Auto Ranging), 분해능 0.02% of FS, 정도 0.5% of FS
- 전 류: 0∼100Aac(Auto Ranging), 분해능 0.02% of FS, 정도 0.5% of FS
ㆍ기록
- 기록매체: S-RAM kbyte
- 기록용량: 300회 측정 데이터
ㆍ통신 및 인쇄
- 통신포트: RS232
- 통신속도: 38,400kbyte
- PC 모니터링 소프트웨어 프로그램: 데이터 업/다운 로드, 검색 및 인쇄
ㆍ기타
- 사용환경의 한글화
- 조작의 간단화 : 설정항목의 최소화, 4키에 의한 메뉴식 조작
도 1은 본 발명에 의한 휴대용 앵글미터의 구성도.
＜ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ＞
01 : 단자블록 02 : 전원 조작회로
03 : 조작스위치 패널 04 : 전원공급장치
05 : 중앙처리장치(CPU) 06 : 모선(Bus)
07 : 디지털신호 입력회로 08 : 전압전류 검출회로
09 : 아날로그신호 입력회로 10 : 표시장치 구동회로
11 : 키 제어기(Key Controller) 12 : 통신 제어기(Comm. Controller)
13 : 메모리소자(RAM/SRAM) 14 : 이득제어회로(Gain Controller)
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 휴대용 앵글미터의 구성도이다.
도 1에서 01은 단자블록, 02는 전원조작회로, 03은 조작스위치 패널, 04는 전원공급장치, 05는 중앙처리장치(CPU), 06은 모선(Bus), 07은 디지털신호입력(DI) 회로, 08은 전압전류 검출회로, 09는 아날로그신호 입력회로, 10은 표시장치 구동회로, 11은 키(key) 제어기, 12는 통신(Communication) 제어기, 13은 메모리소자(RAM/SRAM), 14는 이득제어회로를 각각 나타낸다.
도 1에서 단자블록(01)은 본 발명의 휴대용 앵글미터와 외부 장치와의 전기적 연결을 위한 단자가 좌로부터 전원단자(P, N, E), 전압신호단자(V1, V2, V3, G), 전류신호단자(A1, A2, A3)가 배열되어 있으며,
상기 전원단자(P, N, E)의 P-단자는 전원의 양극, N-단자는 전원의 음극, E-단자는 접지극에 각각 연결되어 전원을 공급받을 수 있도록 하며;
상기 전압신호단자(V1, V2, V3, G)의 V1, V2, V3, G-단자는 각각 시험대상 기기의 전압요소(통상 3상 전력기기의 a, b, c상 전압과 중성점)에 연결되어 아날로그 전압신호를 입력시키며;
상기 전류신호단자(A1, A2, A3)의 A1, A2, A3-단자는 각각 시험대상 기기의 전류요소(통상 3상 전력기기의 a, b, c상 전류)를 검출하는 클램프형 변류기(Clamp Type Current Transformer)에 연결되어 아날로그 전류신호를 입력시킨다.
도 1에서 전원조작회로(02)는 전자식 개폐기, 과전류 보호회로, 전원 표시램프를 포함하여 구성되어, 조작스위치 패널(03)의 '전원스위치' 조작에 따라서 상기전원단자(P, N, E)로부터 유입되는 전원을 안전하게 흐르도록 하고 개ㆍ폐 조작하여 전원공급장치(04)로 전원을 공급한다.
도 1에서 조작스위치 패널(03)은 전원스위치, 측정모드 절환스위치, 표시모드 절환스위치를 포함하는 스위치 패널로서,
상기 전원스위치인 '전원'을 'ON' 또는 'OFF'로 절체함에 따라 전원조작회로(02)의 전자식 개폐기를 ON 또는 OFF시켜 본 발명의 앵글미터의 전원을 단속하고;
상기 측정모드 절환스위치는 두 개의 측정모드(상차각 측정모드와 3상 전압/전류/위상 측정모드)를 절환하는 자동복귀형 누름 버튼(Push Button)으로, 버튼을 누를 때마다 측정모드가 교대하여 절환되도록 누름 버튼의 접점상태가 디지털신호입력회로(07)에 입력되며;
상기 표시모드 절환스위치는 표시장치의 네 개의 표시모드(상차각, 3상 위상, 3상 전압, 3상 전류 표시모드)를 전환하는 자동복귀형 누름 버튼으로, 버튼을 누를 때마다 표시모드가 교대하여 절환되도록 누름 버튼의 접점상태가 디지털신호입력 회로(07)에 입력된다.
도 1에서 전원공급장치(04)는 본 발명의 휴대용 앵글미터의 소요 직류전원을 공급하기 위한 장치로서, CPU(05)를 포함하는 내부전원 및 주변장치의 전원에 연결된다.
도 1에서 CPU(05)는 마이크로프로세서로서, 본 발명의 휴대용 앵글미터의 시스템 OS 프로그램, 각종 측정알고리즘, 각종 I/O 인터페이스(Input/Output Interface) 프로그램 및 MMI(Man-Machine Interface) 프로그램이 내장되어 있고, 모선(06)에 접속된 각종 인터페이스 및 주변장치와 상호 데이터/명령을 수수하며, MMI를 통한 사용자의 지령에 따라 시스템을 관장한다.상기 각종 측정 알고리즘은 발명이 이루고자하는 기술적 과제 항목에 기술한 DFT(Discrete Fourier Transform) 기반으로 한 페이저 연산에 의한 상차각 측정 알고리즘에 관한 것이다.상기 측정 알고리즘을 이루기 위하여 중앙처리장치(CPU)는 전력계통 장치의 각 출력 전압신호 및 전류신호의 페이저(Phasor) 크기와 주파수 성분을 DFT(Discrete Fourier Transform)를 이용해 구하는 DFT 연산모듈과, 상기 DFT 연산모듈의 각 출력 주파수 성분으로부터 각 신호의 위상을 구하는 위상각 연산모듈과, 상기 위상각 연산모듈에서 계산된 각 신호의 위상간의 상차각을 구하는 상차각 연산모듈을 구비한다.일반적으로 신호로부터 위상 계산하는 방법은 페이저(phasor)를 이용하는 방법과 zero-crossing을 이용하는 두 가지 방법이 있다. 상기 두 방법의 장단점을 비교하면, 페이저법은 소프트웨어적으로 간단히 계산되지만 파형 순시치의 노이즈가 심할 경우 오차가 발생할 여지가 있고, zero-crossing법은 노이즈가 심각하지 않다는 전제하에서 ppm 단위의 오차를 보장하므로 페이저법에 비해 높은 신뢰도를 갖는다. 하지만, zero-crossing 법을 이용하기 위해서는 측정되는 신호치의 노이즈가 심각하지 않아야 하며 또한 별도의 하드웨어 장치가 요구되는 단점이 있다.종래 계측장치들은 zero-crossing법을 적용하여 구현되었기 때문에 별도의 추가 하드웨어장치가 요구되었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 중앙처리장치(CPU)가 페이저법을 이용하여 위상차를 측정하고자 한다. 페이저법 적용 시에 문제되는 노이즈 문제는 전압전류 검출회로(08)내에서 노이즈 필터링을 수행함으로써 이를 해결하였다.상기 페이저법에 의한 위상차를 측정하기 위해서는, 각 3상 신호의 기본파의 순시치로부터 페이저 실수부(Vre)와 허수부(Vim)를 각각 구해야 하는데, 3상 신호의 각 페이저의 실수부와 허수부는 각각 DFT(Discrete Fourier Transformation) 알고리즘에 의해서 구해진다.상기 이산 퓨리에 변환(DFT)에 대해서는 이산 시간 함수를 이용한 수학 공식으로서, 당업자 누구나 쉽게 알 수 있으므로 여기서는 그에 대한 기본식(식1)만 소개하고 자세한 설명은 생략한다.[식 1] 여기서, V는 순시치의 기본파이고, N은 한 주기 동안의 샘플수이고, n은 고조파 차수를 나타낸다.상기 이산 퓨리에 변환(DFT)을 통해 구한 실수부와 허수부를 이용하여, 중앙처리장치내 위상각 연산모듈은 다음 기재된 식 2를 이용해서 3상신호의 각 위상(θ1,θ2,θ3)을 구할 수 있다.[식 2]
상기와 같은 식 알고리즘을 이용해 위상각 연산모듈이 3상 신호의 위상을 각각 구하게 되면, 상차각 연산모듈은 각 위상(θ1,θ2,θ3)간의 상차를 계산해 낼 수 있다.도 1에서 디지털신호 입력회로(07)는 상기 조작스위치 패널(03)의 측정모드 절환스위치와 표시모드 절환스위치의 접점상태 출력신호인 0∼5V 레벨의 전압신호를 입력받아 로직회로를 통하여 디지털화 하여 모선(06) 상에 올려놓는다.
도 1에서 전압전류 검출회로(08)는 신호절연회로, 필터링회로 및 Auto-Ranging 회로가 부가된 증폭회로 구성되며, 상기 단자블록(01)의 전압신호단자(V1, V2, V3, G) 및 전류신호단자(A1, A2, A3)로부터 입력되는 전압을 저항 분압기 등으로 감압한 후, 신호절연, 필터링 및 증폭과정을 거쳐 0∼5V 레벨의 신호를 아날로그신호 입력회로(09)로 출력한다. 상기 Auto-Ranging 회로가 부가된 증폭회로는 증폭기, 증폭기 이득 조정용 저항 어레이(Array) 및 디코더(Decoder)로 구성되어 이득제어회로(14)의 코드 값을 디코딩하는 방법으로 증폭도를 조절하여 Auto-Ranging을 실현한다.
도 1에서 아날로그신호 입력회로(09)는 상기 전압전류 검출회로(08)의 출력신호인 0∼5V 레벨의 전압신호를 입력받아 ADC(Analog to Digital Convertor)에 의하여 디지털화 하여 모선(06) 상에 올려놓는다.
도 1에서 이득제어회로(14)는 입력신호 레벨의 Auto-Ranging을 실현하기 위하여 전압전류 검출회로(08)의 증폭도 설정신호를 출력하는 회로로서, CPU(05)의증폭도 설정 값인 디지털 데이터를 논리 값으로 변환하여 전압전류 검출회로(08)의 디코더에 입력시키는 로직회로이다.
도 1에서 표시장치 구동회로(10), 키 제어기(11), 통신제어기(12), 메모리소자(13)는 본 발명의 휴대용 앵글미터의 주변장치로서 일반적으로 사용되는 컴퓨터 주변기기와 동일하며;
상기 표시장치 구동회로(10)는 측정데이터 및 설정치를 텍스트 모드로 표시하기 위한 액정표시장치의 드라이버로서, 측정데이터 또는 설정데이터의 표시조작 및 입력은 메뉴(Manu)식으로 처리하며,
상기 키 제어기(11)는 설정 데이터를 입력하기 위한 4개의 키 패드(메뉴 키, 엔터키, 커서 상ㆍ하 이동 키 또는 설정 데이터 증ㆍ감 키) 제어를 위한 드라이버이며,
상기 통신제어기(12)는 개인용 컴퓨터와 본 발명의 휴대용 앵글미터의 측정데이터 또는 설정데이터를 수수하기 위한 통신드라이버이며,
상기 메모리소자(13)는 측정데이터 및 설정데이터를 저장하기 위한, 정전보상이 가능한 반도체 저장소자이며,
기타의 주변장치로서 타이머(Clock) 및 본 발명의 휴대용 앵글미터의 시스템 상태를 표시하기 위한 LED가 있다.
본 발명에 의한 휴대용 앵글미터의 제조 기술/제품의 개발에 따라, 초고압 전력계통 기기의 제작, 설치, 운전, 유지, 보수, 점검과 관련된 기관/기업체에서상차각 측정 전용의 계측기를 사용할 수 있게 되고, 계측기제작업체에서는 관련 계측기술을 확보할 수 있게 되는 결과로 다음과 같이 기술적 및 경제적 효과가 기대된다:
ㆍ기술적 효과
- 765kV까지의 초고압 환경 하에서도 적용되는 계측기의 신뢰성 기술 향상
- DFT 기법을 기반으로 하는 페이저 연산에 의한 전기량 측정기술 적용(Zero-crossing 기법 등에 비하여, 일반적으로 측정오차의 경감 및 불확실성 감소)
- 마이크로프로세서를 기반으로 하는 실시간 측정
- 사용환경의 한글화
- 조작의 간단화 : 설정항목의 최소화, 4키에 의한 메뉴식 조작
ㆍ경제적 효과
- 국내수요: 한전전력공사(발ㆍ변전소, 전력관리처, 전력연구원 등 약 370 개소), 중전기 제작회사, 대전력 수용가, 전력설비공사업체, 연구기관 등 총 수요량 300대 이상, 년간 수요량 30대 이상(추정)
- 매출신장: 년간 0.6억원 (2,000천원×30대/년)
- 수입대체: 년간 75만$ (MultiAmp의 PMM1 도입가 기준, 25천$×30대/년)
- 수출촉진: 미정이나, 국내 확대보급 후 국제적 수요가 신장될 것으로 기대됨
ㆍ기타의 효과
- 계측기 메이커에서 고객봉사를 위한 품종 다양화 실현(경제적 효과보다 우선)
- 계측기 및 시험장치의 개발, 제조 기술력 확보에 기여

Claims (3)

  1. 전력계통(Power System) 장치의 상차각(Phase Difference Angle)을 측정하는 전력계통 상차각 계측장치에 있어서,
    상기 전력계통과의 전기적 연결을 위한 전원단자, 전압신호단자 및 전류신호단자를 포함한 단자블록과,
    측정된 신호를 기본고조파의 페이저(phasor)로 변환하는 페이저 측정 알고리즘, 각종 인터페이스 알고리즘이 내장된 기능부와, 모선에 접속된 구성요소와 데이터 및 제어신호를 수수하여 시스템을 관장하기 위한 마이크로 프로세서를 포함한 중앙처리장치(CPU)와,
    상기 단자블록의 전압신호단자 및 전류신호단자로부터 입력된 신호를 외부와 내부 신호간의 전기적 절연을 위한 신호절연회로, 잡음을 제거하기 위한 필터링회로, 신호를 소정 레벨로 변환하기 위한 증폭회로 및 측정신호 레벨의 Auto-Ranging을 실현하기 위한 증폭기 이득 조정용 저항 어레이(array)와 디코더(decoder)로 구성된 Auto-Ranging 회로를 포함한 전압전류 검출회로
    를 구비하여 페이저(Phasor) 연산에 의해 상차각을 측정하는 것을 특징으로 하는 휴대용 앵글미터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중앙처리장치내는,
    상기 전력계통 장치의 각 출력 전압신호 및 전류신호의 기본 고조파의 페이저(Phasor) 크기와 주파수 성분을 구하는 DFT 연산모듈과,
    상기 DFT 연산모듈의 각 출력 주파수 성분으로부터 각 신호의 위상을 구하는 위상각 연산모듈과,
    상기 위상각 연산모듈에서 계산된 각 신호의 위상간의 상차각을 구하는 상차각 연산모듈
    을 구비하여 페이저(Phasor) 연산에 의해 상차각을 측정하는 것을 특징으로 하는 휴대용 앵글미터.
  3. 제1항에 있어서, 전압전류 검출회로에서 Auto-Ranging 회로는,
    전압전류신호 검출레벨에 따라 측정범위(Measuring Range)가 자동으로 조정되는 Auto-Ragnging을 실현하기 위하여, 증폭도 설정치를 로직신호로 변환하여 전압전류 검출회로내의 디코더에서 출력하는 이득제어 회로를 추가적으로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 앵글미터.
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