KR100991938B1 - Synchronous Phaser Measurement Modules, Devices, and Methods - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기준이 되는 신호와 샘플링 앤 홀드 제어 신호 간에 동기오차가 발생한 경우에, 상기 동기 오차를 보상하여 원하는 동기 페이저의 크기와 위상각을 계측할 수 있는 동기 페이저 계측 모듈, 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a synchronous pager measurement module, apparatus and method for measuring the size and phase angle of a desired synchronous pager by compensating for the synchronous error when a synchronization error occurs between a reference signal and a sampling and hold control signal. will be.
계측, 오차, 보상, 계측 장치, 샘플링 Measurement, error, compensation, measuring device, sampling
Description
본 발명은 PMU(Phasor Measurement Unit), 디지털 보호 계전기, 미터(METER) 등에 설치되어 동기 페이저를 측정하고, 동기오차가 발생하는 경우 상기 동기오차를 보상할 수 있는 동기 페이저 측정 모듈, 장치 및 방법에 관한 것이다. 여러 장소에 분산되어 있는 PMU(Phasor Measurement Unit), 디지털 보호 계전기, 미터(METER) 등에는 본 발명에 따른 동기 페이저 측정 장치가 장착될 수 있다. 상기 동기 페이저 측정 장치를 이용하여 GPS의 1PPS(Pulse Per Second)신호에 동기화된 동기 페이저의 값을 측정하고, 측정된 상기 동기 페이저의 값들을 중앙 통제 센터로 송신함으로써 상기 중앙 통제 센터가 전체 전력 계통의 조류, 안정도 등을 해석할 수 있게 된다. DETAILED DESCRIPTION The present invention relates to a synchronous pager measurement module, apparatus, and method installed in a PMU (Phasor Measurement Unit), a digital protective relay, a meter (METER), and the like to measure a synchronous pager and compensate for the synchronous error when a synchronous error occurs. It is about. A PMU (Phasor Measurement Unit), a digital protective relay, a meter, and the like distributed in various places may be equipped with a synchronous phaser measuring device according to the present invention. The central control center measures the value of the synchronous pager synchronized to the 1PPS (Pulse Per Second) signal of the GPS using the synchronous pager measuring device, and transmits the measured values of the synchronous pager to the central control center. Tide, stability, etc. can be analyzed.
여러 장소에 분산되어 있는 PMU(Phasor Measurement Unit), 디지털 보호 계전기, 미터(METER) 등에서 동기 페이저를 측정한다. 중앙 통제 센터에서는 각각의 장소에서 측정된 동기 페이저를 비교하거나 별도의 과정을 통해서 전체 전력 계통의 조류, 안정도 등을 해석하여 전력 계통의 문제가 있는지를 더욱 명확하게 분석할 수 있다.Synchronous phasors are measured in Phasor Measurement Units (PMUs), digital protective relays, and meters (METERs) that are distributed in multiple locations. The central control center can compare the synchronous pagers measured at each location, or perform separate procedures to analyze the flow, stability, etc. of the entire power system to more clearly analyze whether there is a problem with the power system.
상기 동기 페이저를 측정하기 위해서는, 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호가 GPS 모듈에 의해서 생성된 1PPS신호(기준이 되는 신호)에 동기화된다. 상기 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호는 샘플 앤 홀드부로 입력되는 전압 신호를 샘플링하고 홀드 할 수 있도록 제어하는 신호이다.In order to measure the synchronous pager, a sample and hold control signal is synchronized with a 1PPS signal (signal as reference) generated by the GPS module. The sample and hold control signal is a signal for controlling to sample and hold the voltage signal input to the sample and hold unit.
그러나, 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호가 GPS 모듈에 의해서 생성된 1PPS신호(기준이 되는 신호)에 동기화 되는 과정에서 일정한 오차가 발생하게 된다. 즉, 상기 GPS 모듈에 의해서 생성된 1PPS신호의 시작점과 상기 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호의 시작점이 정확하게 일치되지만 내부적 또는 외부적인 변화 요인에 의해서 오차가 발생하게 된다. However, a constant error occurs while the sample and hold control signal is synchronized with the 1PPS signal (signal as a reference) generated by the GPS module. That is, although the starting point of the 1PPS signal generated by the GPS module and the starting point of the sample and hold control signal are exactly matched, an error occurs due to an internal or external change factor.
상기 동기 페이저는 매우 민감한 계측 요소로써 아주 작은 오차에도 민감한 반응을 보여 그 결과 값이 많이 달라질 수 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해서 오차를 보상할 수 있는 여러 가지 장치 및 방법들이 사용되고 있다. 상기 오차를 보상하기 위한 장치 및 방법들은 하드웨어적인 구성요소들을 이용하고 대부분 피드백 구조를 갖는다. The synchronous pager is a very sensitive measurement element, which shows a sensitive response to a very small error, and thus the value may vary greatly. Therefore, in order to solve this problem, various apparatuses and methods for compensating for errors have been used. Apparatus and methods for compensating for the error utilize hardware components and most have a feedback structure.
그러나, 상기 장치를 이용한 오차 보상 과정은 여러 단계의 하드웨어적인 구성 요소(아날로그 회로로 구성된)를 통과하는 과정에서 또 다른 오차를 발생시키는 문제가 있다. However, the error compensating process using the device has a problem of generating another error in the process of passing through various hardware components (consisting of analog circuits).
또한, 상기 장치에 포함된 피드백 구조는 피드백되는 과정에서 발생하는 시간 차이로 인해 또 다른 오차를 발생시키는 문제가 있다. In addition, the feedback structure included in the apparatus has a problem of generating another error due to the time difference occurring during the feedback process.
또한, 상기 장치들은 아날로그 회로를 포함하며, 상기 아날로그 회로는 온도, 부하 등의 주위 환경에 따라 특성이 변화함에 따라 또 다른 오차를 발생시키는 문제가 있다.In addition, the apparatus includes an analog circuit, which has a problem of generating another error as the characteristic changes depending on the surrounding environment such as temperature, load, and the like.
또한, 상기 오차 보상 장치들의 부품 및 전체 가격이 비싸다는 문제가 있다. In addition, there is a problem that the parts and the total price of the error compensation devices are expensive.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위해서, 본 발명의 목적은 복잡한 아날로그 회로를 통해 오차를 보상하는 과정을 거칠 필요없이 디지털 회로를 이용하여 간단하게 오차를 측정하고, 소프트웨어를 이용하여 오차를 보상해 줌으로써 오차를 보상하는 과정에서 발생할 수 있는 또 다른 오차를 줄이면서 동기 페이저를 측정할 수 있는 동기 페이저 계측 모듈, 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to measure the error simply by using a digital circuit, and to compensate for the error using software without having to go through the process of compensating for the error through a complex analog circuit. To provide a synchronous pager measurement module, an apparatus and a method for measuring a synchronous pager while reducing another error that may occur in the process of compensating for the problem.
또한, 저렴한 비용으로 구현가능한 동기 페이저의 오차를 보상할 수 있는 동기 페이저 계측 모듈, 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a synchronous pager measurement module, an apparatus, and a method capable of compensating for an error of a synchronous pager that can be implemented at low cost.
또한, 온도, 부하 등의 외부 요소에 영향을 덜 받는 동기 페이저 계측 모듈, 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다. It is also an object of the present invention to provide a synchronous pager measurement module, apparatus and method that are less susceptible to external factors such as temperature and load.
본 발명에 따른 동기 페이저 계측 모듈은, 샘플 앤 홀드 제어 신호를 출력하는 타이머; GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호의 상승 또는 하강 에지(edge) 신호가 입력되면 소정의 시간마다 카운터 값을 증가시키고, 상기 타이머에서 출력된 샘플 앤 홀드 신호의 상승 또는 하강 에지(edge) 신호가 입력되면 상기 카운터 값의 증가를 중단하고, 중단된 상기 카운터 값을 출력하는 카운터;및 상기 카운터에서 출력된 상기 카운터 값을 입력받아, 상기 소정의 시간과 상기 카운터 값을 곱함으로써 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호와 샘플 앤 홀드(sample and hold) 신호 간의 동기오차시간을 계산하고, 상기 동기오차시간을 이용하여 동기 페이저 위상각의 오차를 보상하는 제어부를 포함한다.Synchronous phaser measurement module according to the present invention, a timer for outputting a sample and hold control signal; When the rising or falling edge signal of GPS 1PPS (Pulse Per Second) signal is input, the counter value is increased every predetermined time, and the rising or falling edge signal of the sample and hold signal output from the timer is A counter for stopping the increase of the counter value and outputting the stopped counter value when inputted; and receiving the counter value output from the counter and multiplying the predetermined time by the counter value to obtain 1PPS (Pulse) of GPS. And a controller for calculating a synchronization error time between the Per Second) signal and the sample and hold signal, and compensating for an error in the synchronization phaser phase angle using the synchronization error time.
또한, 상기 제어부는, 상기 동기오차시간을 이용하여 동기 페이저 위상각의 오차를 보상함에 있어서 아래의 수학식을 이용하여,In addition, the controller uses the following equation in compensating for the error of the synchronous phaser phase angle by using the synchronous error time.
Øn= Ø'n - (w*e)Øn = Ø'n-(w * e)
여기서, Øn : 오차가 보상된 동기 페이저의 위상각, Ø'n : 오차가 보상되기 전의 동기 페이저의 위상각, w : 각 주파수 ,e : GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호와 샘플 앤 홀드(sample and hold) 신호의 동기오차시간 Where Øn is the phase angle of the synchronous phaser with error compensation, Ø'n is the phase angle of the synchronous phaser before error is compensated, w is the frequency of 1PPS (Pulse Per Second) signal and sample and hold ( sample and hold)
동기 페이저 위상각의 오차를 보상하는 것을 특징으로 한다.Compensating for the error of the synchronous phaser phase angle.
또한, 상기 제어부는, 동기 페이저의 위상각 보상이 종료되면, 상기 카운터에 상기 카운터 값을 초기화할 수 있는 신호가 입력되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.The control unit may control to input a signal for initializing the counter value to the counter when the phase angle compensation of the synchronous pager is completed.
본 발명에 따른 동기 페이저 계측 장치는, 샘플 앤 홀드 제어 신호를 출력하는 타이머; 상기 샘플 앤 홀드 제어 신호에 따라 샘플링과 홀딩을 반복적으로 실행하고 샘플링된 값을 출력하며 입력되는 전압 신호의 주파수를 고정하는 샘플 앤 홀드부; 상기 샘플 앤 홀드부에서 출력된 상기 샘플링한 값을 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부; GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호의 상승 또는 하강 에지(edge) 신호가 입력되면 소정의 시간마다 카운터 값을 증가시키고, 상기 타이머에서 출력된 샘플 앤 홀드 신호의 상승 또는 하강 에지(edge) 신호가 입력되면 상기 카운터 값의 증가를 중단하고, 중단된 상기 카운터 값을 출력하는 카운터;및 상기 카운터에서 출력된 상기 카운터 값을 입력받아, 상기 소정의 시간과 상기 카운터 값을 곱함으로써 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호와 샘플 앤 홀드(sample and hold) 신호 간의 동기오차시간을 계산하고, 상기 아날로그 디지털 변환부에서 출력된 디지털 신호들을 이용하여 보상되기 전의 동기 페이저의 크기 및 위상각을 계산하고, 상기 동기오차시간을 이용하여 보상되기 전의 동기 페이저 위상각의 오차를 보상하는 제어부를 포함한다.In accordance with another aspect of the present invention, a synchronous phaser measuring device includes a timer for outputting a sample and hold control signal; A sample and hold unit repeatedly performing sampling and holding according to the sample and hold control signal, outputting a sampled value, and fixing a frequency of an input voltage signal; An analog-digital converter for converting the sampled value output from the sample-and-hold unit into a digital signal; When the rising or falling edge signal of GPS 1PPS (Pulse Per Second) signal is input, the counter value is increased every predetermined time, and the rising or falling edge signal of the sample and hold signal output from the timer is A counter for stopping the increase of the counter value and outputting the stopped counter value when inputted; and receiving the counter value output from the counter and multiplying the predetermined time by the counter value to obtain 1PPS (Pulse) of GPS. Calculates the synchronization error time between the Per Second) signal and the sample and hold signal, calculates the magnitude and phase angle of the synchronization phaser before compensation using the digital signals output from the analog-to-digital converter; And a controller for compensating for an error in the sync phaser phase angle before compensating using the sync error time.
또한, 상기 제어부는, 상기 동기오차시간을 이용하여 동기 페이저 위상각의 오차를 보상함에 있어서 아래의 수학식을 이용하여,In addition, the controller uses the following equation in compensating for the error of the synchronous phaser phase angle by using the synchronous error time.
Øn= Ø'n - (w*e)Øn = Ø'n-(w * e)
여기서, Øn : 오차가 보상된 동기 페이저의 위상각, Ø'n : 오차가 보상되기 전의 동기 페이저의 위상각, w : 각 주파수 ,e : GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호와 샘플 앤 홀드(sample and hold) 신호의 동기오차시간 Where Øn is the phase angle of the synchronous phaser with error compensation, Ø'n is the phase angle of the synchronous phaser before error is compensated, w is the frequency of 1PPS (Pulse Per Second) signal and sample and hold ( sample and hold)
동기 페이저 위상각의 오차를 보상하는 것을 특징으로 한다.Compensating for the error of the synchronous phaser phase angle.
또한, 상기 샘플 앤 홀드부의 전단에 연결되며, 입력되는 전압의 크기를 변경하여 출력하는 전압 변성기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The apparatus may further include a voltage transformer connected to the front end of the sample and hold unit and changing and outputting the magnitude of the input voltage.
또한, 상기 전압 변성기와 상기 샘플 앤 홀드부 사이에 연결되며, 상기 전압 변성기에서 출력되는 전압 중에 원하는 전압만을 통과시키는 아날로그 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The apparatus may further include an analog filter connected between the voltage transformer and the sample and hold part and configured to pass only a desired voltage among the voltages output from the voltage transformer.
또한, 상기 제어부는, 동기 페이저의 위상각 보상이 종료되면, 상기 카운터 에 상기 카운터 값을 초기화할 수 있는 신호가 입력되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.The control unit may control to input a signal for initializing the counter value to the counter when the phase angle compensation of the synchronous pager is completed.
본 발명에 따른 동기 페이저 계측 방법은, 카운터가 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호의 상승 또는 하강 에지(edge) 신호가 입력되면 소정의 시간마다 카운터 값을 증가시키고, 타이머에서 출력된 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호의 상승 또는 하강 에지(edge) 신호가 입력되면 상기 카운터 값의 증가를 중단시키고, 중단된 상기 카운트 값을 출력하는 제 1 단계; 제어부가 출력된 상기 카운터 값을 입력받아, 상기 소정의 시간과 상기 카운터 값을 곱함으로써 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호와 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호 간의 동기오차시간을 계산하는 제 2 단계; 제어부가 GPS의 상기 1PPS(Pulse Per Second) 신호의 상승 또는 하강 에지(edge)가 입력된 후에, 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호의 첫번째의 단위 샘플 앤 홀드 파형을 초기화하는 제 3 단계; 샘플 앤 홀드부가 상기 샘플 앤 홀드 제어 신호에 따라 샘플링과 홀딩을 반복적으로 실행하고 샘플링된 값을 출력하며 입력되는 전압 신호의 주파수를 고정하는 제 4 단계; 아날로그 디지털 변환부가 상기 샘플링된 값을 입력받아 디지털 신호로 변환하는 제 5 단계; 제어부가 상기 아날로그 디지털 변환부에서 출력된 디지털 신호들을 이용하여 보상되기 전의 동기 페이저의 크기와 위상각 계산하는 제 6 단계;및 제어부가 상기 동기오차시간을 이용하여 보상되기 전의 동기 페이저 위상각을 보상함으로써 보상된 동기 페이저의 크기와 위상각을 계산하는 제 7 단계를 포함한다.In the synchronous pager measuring method according to the present invention, when the counter receives a rising or falling edge signal of a 1PPS (Pulse Per Second) signal of GPS, the counter increments the counter value every predetermined time, and the sample and hold output from the timer. a first step of stopping the increase of the counter value and outputting the stopped count value when a rising and falling edge signal of a sample and hold control signal is input; A control unit receives the output counter value, and calculates a synchronization error time between a 1PPS (Pulse Per Second) signal and a sample and hold control signal by GPS by multiplying the predetermined time and the counter value. Two steps; A third step of the control unit initializing the first unit sample and hold waveform of the sample and hold control signal after the rising or falling edge of the 1PPS (Pulse Per Second) signal of the GPS is input; A fourth step of a sample and hold unit repeatedly performing sampling and holding according to the sample and hold control signal, outputting a sampled value, and fixing a frequency of an input voltage signal; A fifth step of receiving, by the analog-to-digital converter, the sampled value and converting the sampled value into a digital signal; A sixth step of the control unit calculating the size and phase angle of the synchronous pager before compensation using the digital signals output from the analog-digital converter; and the control unit compensating the synchronous pager phase angle before compensation using the synchronization error time. Thereby calculating a size and phase angle of the compensated sync phaser.
또한, 제어부가 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형의 순서를 1씩 증가시키는 제 8 단계; 제어부가 증가된 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형의 순서의 크기와 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형들의 총 개수의 크기를 비교하는 제 9 단계; 제어부가 증가된 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형의 순서의 크기가 단위 샘플 앤 홀드 파형들의 총 개수의 크기보다 작은 경우에만, 제 4 단계 이후의 과정을 실행하는 제 10 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the eighth step of the control unit increases the order of the unit sample and hold waveform by 1; A ninth step of the control unit comparing the magnitude of the order of the increased unit sample and hold waveform with the magnitude of the total number of unit sample and hold waveforms; The control unit may further include a tenth step of executing a process after the fourth step only when the magnitude of the order of the increased unit sample and hold waveform is smaller than the magnitude of the total number of unit sample and hold waveforms. .
또한, 상기 제 7 단계는,In addition, the seventh step,
아래의 수학식을 이용하여 Using the equation below
Øn= Ø'n - (w*e)Øn = Ø'n-(w * e)
여기서, Øn : 오차가 보상된 동기 페이저의 위상각, Ø'n : 오차가 보상되기 전의 동기 페이저의 위상각, w : 각 주파수 ,e : GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호와 샘플 앤 홀드(sample and hold) 신호의 동기오차시간 Where Øn is the phase angle of the synchronous phaser with error compensation, Ø'n is the phase angle of the synchronous phaser before error is compensated, w is the frequency of 1PPS (Pulse Per Second) signal and sample and hold ( sample and hold)
보상되기 전의 동기 페이저 위상각을 보상함으로써 보상된 동기 페이저의 크기와 위상각을 계산하는 것을 특징으로 한다.Compensating the synchronous phaser phase angle before compensation is characterized in that the size and phase angle of the compensated synchronous phaser is calculated.
또한, 제 1 단계 이후에, 제어부가 동기 오차 시간이 존재하는지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하고, 상기 판단 결과 동기 오차 시간이 존재하는 경우, 상기 제어부가 상기 제 2 단계 이후의 단계를 실행하는 것을 특징으로 한다.The method may further include determining whether the synchronization error time exists after the first step. If the synchronization error time exists as a result of the determination, the controller executes the step after the second step. It is characterized by.
또한, 상기 판단 결과 동기 오차 시간이 존재하지 않는 경우, 상기 제어부가 상기 제 4 단계, 제 5 단계 및 제 6 단계만 실행하는 것을 특징으로 한다.In addition, if there is no synchronization error time as a result of the determination, the controller executes only the fourth, fifth and sixth steps.
본 발명에 따르면, 동기 오차로 인해 발생하는 위상각을 보상함으로써 정확한 동기 페이저를 측정할 수 있는 이점이 있다.According to the present invention, an accurate synchronization phaser can be measured by compensating for a phase angle caused by a synchronization error.
또한, 간단한 오차 보상 과정을 통해 오차 보상 과정에서 발생할 수 있는 또 다른 오차를 줄일 수 있는 이점이 있다.In addition, there is an advantage that can reduce another error that can occur in the error compensation process through a simple error compensation process.
또한, 오차 보상 회로가 단순화되는 이점이 있다.In addition, there is an advantage that the error compensation circuit is simplified.
또한, 온도, 부하 등의 주위 환경에 영향을 받지 않는다는 이점이 있다.In addition, there is an advantage that it is not affected by the surrounding environment such as temperature and load.
또한, 오차 보상 회로를 매우 저렴한 가격으로 구현할 수 있다는 이점이 있다. In addition, there is an advantage that the error compensation circuit can be implemented at a very low price.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 동기 페이저 계측 모듈, 장치 및 방법의 바람직한 실시예를 기술한다. 상기 바람직한 실시예는 여러 가지 실시 가능한 예 중에서 이 분야의 통상의 지식을 가진자의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 반드시 상기 실시예에만 한정되거나 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of a synchronous pager measurement module, apparatus and method according to the present invention. The preferred embodiment is only for helping those skilled in the art among various possible examples, the technical spirit of the present invention is not necessarily limited or limited to the above embodiment.
도 1은 동기 페이저 계측 장치의 일실시예에 관한 구성도이다.1 is a block diagram of an embodiment of a synchronous pager measurement apparatus.
도 1을 참조하면, 상기 동기 페이저 계측 장치는 전압 변성기(10), 아날로그 필터(15), GPS 모듈(20), 위상동기회로(PLL), 샘플 앤 홀드부(35), 아날로그 디지 털 변환부(40) 및 제어부(45)를 포함한다. Referring to FIG. 1, the synchronous pager measuring apparatus includes a
상기 전압 변성기(10)는 입력되는 전압의 크기를 변경하여 출력한다. 예를 들면, 입력되는 고전압을 회로를 구동 시킬 수 있는 저전압으로 변경하여 출력한다.The voltage transformer 10 changes the magnitude of the input voltage and outputs the changed voltage. For example, the input high voltage is changed to a low voltage capable of driving a circuit and output.
상기 아날로그 필터(15)는 상기 전압 변성기(10)에서 출력되는 전압 중에 원하는 전압만을 통과시킨다. 이를 통해, 전압 변성 과정에서 발생할 수 있는 불필요한 고조파를 제거할 수 있다.The
상기 GPS 모듈(20)은 세계 표준시에 동기된 1초마다 출력되는 1PPS(Pulse Per Second) 신호를 출력한다.The
상기 위상동기회로(PLL;Phase Locked Loop)(30)는 상기 1PPS신호에 동기된 샘플 앤 홀드 제어신호를 출력한다. 상기 샘플 앤 홀드 제어신호는 상기 아날로그 필터(15)에서 출력된 전압신호를 고정하도록 제어하는 신호이다. 상기 위상동기회로(PLL)는 피드백(feedback)구조를 가지고 있으며, 상기 피드백 구조로 인해 상기 1PPS신호와 상기 샘플 앤 홀드 제어신호의 동기오차를 보상할 수 있게 된다. The phase locked loop (PLL) 30 outputs a sample and hold control signal synchronized with the 1PPS signal. The sample and hold control signal is a signal for controlling to fix the voltage signal output from the
상기 샘플 앤 홀드부(35)는 상기 위상동기회로(PLL)(30)에서 출력된 상기 샘플 앤 홀드 제어 신호의 샘플링 구간 동안은 입력되는 전압 신호를 샘플링하고, 홀딩 구간 동안은 샘플링된 값을 홀딩하고, 홀딩하는 동안에 상기 샘플링된 값을 출력한다. 상기 샘플링 구간은 상기 샘플 앤 홀드 제어 신호가 하이(high)이고, 상기 홀딩 구간은 상기 샘플 앤 홀드 제어 신호가 로우(low)일수도 있고, 그 반대가 될 수도 있다. 또한, 상기 샘플 앤 홀드부(35)는 샘플링과 홀드를 반복적으로 수행하 다가 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호의 상승 또는 하강 에지(edge)가 입력된 후(또는 동시에)에, 입력되는 단위 샘플 앤 홀드 파형마다 전압 신호의 주파수(시간)를 고정한다. 상기 고정 과정은 주파수의 흔들림을 잡아주는 것이다. 이렇게 함으로써, 나중에 아날로그 디지털 변환부를 통해 아날로그 신호(전압 신호)를 디지털 신호로 변환하고, DFT 변환을 수행하여 동기 페이저를 계측하는 과정을 더욱 정확하게 실행할 수 있게 한다. The sample and hold
상기 아날로그 디지털 변환부(40)는 상기 샘플 앤 홀드부(35)에서 출력된 상기 샘플링한 값을 디지털 신호로 변환한다.The analog-to-
상기 제어부(45)는 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호의 상승 또는 하강 에지(edge)가 입력된 후(또는 동시에)에 입력되는 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형(230)마다(주파수가 고정될 때마다) 상기 아날로그 디지털 변환부(40)에서 출력된 디지털 신호들을 이용하여 DFT(Discrete Fourier Transformation) 연산을 수행함으로써 동기 페이저의 크기와 위상각을 계산한다. 위와 같이 함으로써, 원하는 동기 페이저의 크기와 위상각을 계산할 수 있게 된다. 상기 제어부(45)는 상기 동기 페이저의 크기와 위상각을 외부장치로 전송하게 된다. 상기 외부 장치는 도 6에서 기술되는 중앙통제센터가 될 수 있다.When the frequency is fixed, the
그러나, 상기 동기 페이저 계측 장치의 위상동기회로는 피드백 구조를 가짐으로 인해 1PPS와 샘플 앤 홀드 제어 신호간의 동기오차를 유발시킨다. However, the phase synchronization circuit of the synchronous pager measurement apparatus has a feedback structure, causing a synchronization error between the 1PPS and the sample and hold control signal.
또한, 1PPS신호를 이용하여 샘플 앤 홀드 제어 신호를 출력하기 위해서는 1Hz 에서 1920Hz(또는 3840Hz) 주파수 이상의 신호를 이용하여 매우 큰 비율로 주 파수를 체배하여야 한다. 따라서, 큰 비율의 체배는 높은 정밀도의 위상동기회로(PLL)설계를 어렵게 한다.In addition, in order to output the sample and hold control signal using the 1PPS signal, the frequency must be multiplied at a very large rate by using a signal higher than 1Hz to 1920Hz (or 3840Hz). Therefore, a large multiplication ratio makes it difficult to design a high precision PLL.
또한, 위상동기회로(PLL)는 아날로그 회로로 구성되어 있기 때문에, 온동 등에 민감하고 주위 환경에 따라 특성이 많이 변화하는 문제가 있다. In addition, since the phase synchronizing circuit PLL is composed of an analog circuit, there is a problem that the characteristics are sensitive to warming and the like and the characteristics vary greatly depending on the surrounding environment.
도 2는 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호와 샘플 앤 홀드 제어 신호가 정확하게 동기된 것을 보여주는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating that a 1PPS (Pulse Per Second) signal of a GPS and a sample and hold control signal are accurately synchronized.
도 2 을 참조하면, GPS의 상기 1PPS 신호(100)는 GPS 모듈에서 생성되는 신호로써 1초에 한번 출력되는 1HZ 신호이다. 또한, 상기 1PPS 신호는 시간과 장소에 관계없이 세계 표준시에 동기화될 수 있도록 하는 절대적인 시간(위상) 정보를 포함하는 신호이다. 즉, 상기 1PPS 신호에 맞게 동기화한다면, 장소가 떨어져 있는 장치 사이에서도 절대적인 시간(1PPS)에 맞추어서 동기화함으로써 특정한 값들을 비교할 수 있게 된다.Referring to FIG. 2, the 1PPS signal 100 of the GPS is a 1HZ signal that is output once per second as a signal generated by the GPS module. In addition, the 1PPS signal is a signal including absolute time (phase) information that can be synchronized to universal time regardless of time and place. That is, when synchronizing to the 1PPS signal, it is possible to compare specific values by synchronizing according to an absolute time (1PPS) even between devices in remote locations.
샘플 앤 홀드 제어 신호(110)는 샘플링과 홀딩하는 구간이 반복적을 실행될 수 있도록 샘플 앤 홀드부를 제어하기 위한 신호이다. 예를 들면, 샘플 앤 홀드 제어 신호(110)가 하이(HIGH) 신호인 경우에는 샘플링을 하고, 로우(LOW) 신호인 경우에는 샘플링한 값을 홀딩하도록 제어하는 신호이다. 또한, 샘플 앤 홀드 제어 신호(110)가 로우(LOW) 신호인 경우에는 샘플링을 하고, 하이(HIGH) 신호인 경우에는 샘플링한 값을 홀딩하도록 제어하는 것도 가능하다. 도 2에서는 정확하게 표현되지 않았지만, 일반적으로 상기 전압 신호의 주파수는 60Hz를 사용하며, 샘플 앤 홀드 제어 신호의 주파수가 1920Hz가 사용된다. 이런 경우에는, 상기 전압 신호의 1주기 동안에 32번의 샘플링이 일어나게 된다. 이외에도 상기 전압 신호의 주파수 및 샘플 앤 홀드 제어 신호의 주파수는 다양한 변형이 가능하다.The sample and hold
전압 신호(120)는 상기 샘플 앤 홀드 제어 신호(110)에 따라 샘플링된다. 예를 들면, 샘플 앤 홀드 제어 신호(110)가 하이(HIGH) 신호인 경우에는 상기 전압 신호(120)는 샘플링 되고, 로우(LOW) 신호인 경우에는 상기 전압 신호(120)의 샘플링된 값이 홀딩된다. 상기 샘플링된 값들을 이용하여 동기 페이저의 크기와 위상각을 계측하게 된다. The
동기 페이저의 위상각(130)은 각각의 샘플링된 주파수(시간)을 기준으로하여 계측한 여러 개의 위상각 중에 첫번째 위상각(이하의 도 4에서는 Ø0를 의미함)을 의미한다. 상기 동기 페이저의 위상각(130)은 동기오차가 존재하지 않는 경우의 위상각을 의미하며, 동기오차가 존재하는 경우의 위상각은 이하의 도 3에서 기술하겠다. 동기 페이저의 크기 및 위상각의 개수는 샘플링된 개수와 동일하게 존재하게 된다.The
1PPS 신호의 상승 에지(edge)와 샘플 앤 홀드 제어 신호의 상승 에지(edge)가 일치되게 동기화된 것을 보여 준다. 또 다른 방법으로는, 1PPS 신호의 하강 에지(edge)와 샘플 앤 홀드 제어 신호의 하강 에지(edge)가 일치되게 동기화할 수도 있다. 이외에도 다양한 방식에 의해서 동기화하는 것이 가능하다. 위와 같이, 정확한 동기화가 이루어지고, 이를 이용하여 입력되는 전압 신호를 변환하고 계측함으 로써 정확한 동기 페이저를 측정할 수 있게 된다. 그러나, 위와 같이 정확한 동기화가 이루어지지 않기 때문에 문제가 발생하고, 이는 이하의 도 3을 참조하면서 기술하겠다.It shows that the rising edge of the 1PPS signal and the rising edge of the sample and hold control signal are synchronized in synchronization. Alternatively, the falling edge of the 1PPS signal and the falling edge of the sample and hold control signal may be synchronized to match. In addition, it is possible to synchronize by various methods. As described above, accurate synchronization is achieved, and by using this to convert and measure the input voltage signal, it is possible to measure an accurate synchronization phaser. However, a problem occurs because accurate synchronization is not performed as described above, which will be described with reference to FIG. 3 below.
도 3은 GPS의 1PPS 신호와 샘플 앤 홀드 제어 신호 간의 동기 오차가 발생한 것을 보여주는 도면이다.3 is a diagram illustrating a synchronization error between a 1PPS signal and a sample and hold control signal of a GPS.
도 3을 참조하면, 상기 샘플 앤 홀드 제어 신호(210)는 단위 샘플 앤 홀드 파형(230)이 반복적으로 존재하는 신호이다. 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형(230)은 샘플링하는 구간과 홀딩하는 구간이 각각 1번씩 일어나는 주기를 의미한다. 상기 1PPS 신호의 한 주기 시간 내에 존재하는 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형(230)의 총 개수는 N으로 표현된다. 1PPS 신호(200)의 상승 에지(edge)가 입력된 후에, 첫번째로 발생하는 상기 샘플 앤 홀드 제어 신호(210)의 단위 샘플 앤 홀드 파형(230)에 n=0을 부여한다. 상기 n은 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호 중에 동기화된 1PPS 신호의 한 주기 시간 내에 존재하는 단위 샘플 앤 홀드 파형들의 순서(n = 0, 1, 2, 3, ..., N-1)를 의미한다. 상기 첫번째로 발생하는 상기 샘플 앤 홀드 제어 신호(210)의 단위 샘플 앤 홀드 파형(230)에 n=0을 부여한 과정을 초기화한다고 표현한다. 상기 초기화(n=0)된 순서(n=0)는 N-1까지 계속하여 증가하게 된다. Referring to FIG. 3, the sample and hold
전압 신호(230)는 상기 샘플 앤 홀드 제어 신호(210)에 따라 샘플링된다. 상기 전압 신호(230)는 주로 60Hz가 사용된다. 예를 들면, 샘플 앤 홀드 제어 신호(210)가 하이(HIGH) 신호인 경우에는 상기 전압 신호(230)는 샘플링 되고, 로 우(LOW) 신호인 경우에는 상기 전압 신호(230)의 샘플링된 값이 홀딩된다. 상기 샘플링된 값들을 이용하여 동기 페이저의 크기와 위상각을 계측하게 된다. The
동기 페이저의 위상각(240)은 각각의 샘플링된 주파수(시간)을 기준으로하여 계측한 여러 개의 위상각 중에 첫번째 위상각(이하의 도 4에서는 Ø'0를 의미함을 의미한다. 상기 동기 페이저의 위상각(240)은 동기오차가 존재하는 경우의 위상각을 의미한다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 동기 페이저의 위상각(130)과 동기 페이저의 위상각(240)을 비교하면, 원래 측정하고자 했던 동기페이저의 위상각(130)이 동기오차(220)의 발생으로 인해 달라진 것을 알수 있다.The
GPS의 1PPS 신호(200)와 샘플 앤 홀드 제어 신호(210) 간에는 여러 가지 이유로 인해 동기 오차(220)가 발생하게 된다. 이러한 동기 오차(220)로 인해 최종적으로 얻어지는 동기 페이저의 값이 매우 부정확해진다. 따라서, 이러한 동기 오차가 보상되어야만 정확한 동기 페이저를 계측할 수 있게 되는 것이다. 본 발명은 위와 같은 오차를 보상할 수 있는 동기 페이저 계측 모듈, 장치 및 방법에 관한 것이다.The
도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 동기 페이저 계측 모듈 및 장치의 블록 구성도(block diagram)이다.4 is a block diagram of a synchronous pager measurement module and apparatus related to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 상기 동기 페이저 계측 모듈은 타이머(340), 카운터(350) 및 제어부(360)를 포함한다. 상기 동기 페이저 계측 장치는 상기 동기 페이저 계측 모듈, 전압 변성기(310), 아날로그 필터(320), 샘플 앤 홀드부(370), 아날로그 디 지털 변환부(380) 및 GPS 모듈(330)을 포함한다.Referring to FIG. 4, the synchronous pager measurement module includes a
상기 전압 변성기(310)는 입력되는 전압의 크기를 변경하여 출력한다. 예를 들면, 입력되는 고전압을 회로를 구동 시킬 수 있는 저전압으로 변경하여 출력한다.The
상기 아날로그 필터(320)는 상기 전압 변성기(310)에서 출력되는 전압 중에 원하는 전압만을 통과시킨다. 이를 통해, 전압 변성 과정에서 발생할 수 있는 불필요한 고조파를 제거할 수 있다.The
상기 GPS 모듈(330)은 세계 표준시에 동기된 1초마다 출력되는 1PPS(Pulse Per Second) 신호를 출력한다.The
상기 타이머(340)는 상기 GPS 모듈(330)에 의해서 생성되는 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호의 한 주기 시간 동안, 단위 샘플 앤 홀드 파형(230)이 N개 존재하는 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호를 출력한다. 예를 들면, 상기 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호의 한 주기 시간이 1초이면, 상기 타이머(340)는 상기 1초 동안에 단위 샘플 앤 홀드 파형(230)이 N개 존재하는 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호를 출력하게 된다.The
상기 카운터(350)는 상기 1PPS(Pulse Per Second) 신호의 상승 또는 하강 에지(edge) 신호가 입력되면 소정의 시간마다 카운터 값을 증가시키고, 상기 타이머에서 출력된 샘플 앤 홀드(sample and hold) 신호의 상승 또는 하강 에지(edge) 신호가 입력되면 상기 카운터 값의 증가를 중단시킨다. 상기 카운터(350)는 중단된 상기 카운터 값을 출력하는 한다. 상기 소정의 시간은 0.1ms(1000분의 1초), 0.5ms 초, 1ms , 2ms초 등이 될 수 있다. The
상기 제어부(360)는 상기 카운터(350)에서 출력된 상기 카운터 값을 입력받아, 상기 소정의 시간과 상기 카운터 값을 곱함으로써 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호와 샘플 앤 홀드(sample and hold) 신호 간의 동기오차시간을 계산한다. 예를 들면, 상기 소정의 시간이 0.1ms이고 증가된 상기 카운터 값이 4인 경우에는, 상기 동기오차시간은 0.4ms가 된다.The
상기 샘플 앤 홀드부(370)는 상기 타이머(340)에서 출력된 상기 샘플 앤 홀드 제어 신호의 샘플링 구간 동안은 입력되는 전압 신호를 샘플링하고, 홀딩 구간 동안은 샘플링된 값을 홀딩하고, 홀딩하는 동안에 상기 샘플링된 값을 출력한다. 상기 샘플링 구간은 상기 샘플 앤 홀드 제어 신호가 하이(high)이고, 상기 홀딩 구간은 상기 샘플 앤 홀드 제어 신호가 로우(low)일수도 있고, 그 반대가 될 수도 있다. 이렇게 샘플링과 홀드를 반복적으로 수행하다가 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호의 상승 또는 하강 에지(edge)가 입력된 후(또는 동시에)에, 입력되는 단위 샘플 앤 홀드 파형마다 전압 신호의 주파수(시간)를 고정한다. 상기 고정하는 과정은 주파수의 흔들림을 잡아주는 것이다. 이렇게 함으로써, 나중에 아날로그 디지털 변환부를 통해 아날로그 신호(전압 신호)를 디지털 신호로 변환하고, DFT 변환을 수행하여 동기 페이저를 계측하는 과정을 더욱 정확하게 실행할 수 있게 한다. The sample-and-
상기 아날로그 디지털 변환부(380)는 상기 샘플 앤 홀드부(370)에서 출력된 상기 샘플링한 값을 디지털 신호로 변환한다.The analog-to-
상기 제어부(360)는 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호의 상승 또는 하강 에지(edge)가 입력된 후(또는 동시에)에 입력되는 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형(230)마다(주파수가 고정될 때마다) 상기 아날로그 디지털 변환부(380)에서 출력된 디지털 신호들을 이용하여 DFT(Discrete Fourier Transformation) 연산을 수행함으로써 보상되기 전의 동기 페이저의 크기와 위상각(Øn)을 계산한다. 보상 되기 전의 상기 동기 페이저의 크기와 위상각(Øn)은 N개(샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호 중에 동기화된 1PPS 신호의 한 주기 시간 내에 존재하는 단위 샘플 앤 홀드 파형들의 총 개수)이 존재한다. 즉, GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호의 상승 또는 하강 에지(edge)가 입력된 후(또는 동시에)에 입력되는 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형(230)마다(주파수가 고정될 때마다) 상기 디지털 신호들을 이용하여 DFT(Discrete Fourier Transformation) 연산을 수행하기 때문에, 보상 되기 전의 상기 동기 페이저의 크기와 위상각(Øn)은 N개가 존재하게 된다. 또한, 상기에서 계산한 동기오차시간(e)를 이용하여 아래의 수학식에 대입한다.When the frequency is fixed, the
Øn : 오차가 보상된 동기 페이저의 위상각 Øn: Phase angle of the synchronous phaser with error compensation
Ø'n : 오차가 보상되기 전의 동기 페이저의 위상각 Ø'n: Phase angle of the sync phaser before the error is compensated
w : 각 주파수w: each frequency
e : GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호와 샘플 앤 홀드(sample and hold) 신호의 동기오차시간 e: Synchronous error time between 1PPS (Pulse Per Second) signal and sample and hold signal of GPS
n : 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호 중에 동기화된 1PPS 신호의 한 주기 시간 내에 존재하는 단위 샘플 앤 홀드 파형들의 순서(n = 0, 1, 2, 3, ..., N-1)n: Sequence of unit sample and hold waveforms existing within one cycle time of the synchronized 1PPS signal during the sample and hold control signal (n = 0, 1, 2, 3, ..., N-1)
위와 같이 함으로써, 보상된 동기 페이저의 크기와 위상각(Øn)을 계산할 수 있다. By doing the above, the size and phase angle Øn of the compensated sync pager can be calculated.
예를 들면, 주파수가 1Hz인 경우에 각주파수는 2п=2*3.14=6.28(rad)이다. 만약, 보상되기 전의 동기 페이저의 위상각(Ø'0)이 0.5973(rad)이고, e는 0.4ms라면, Ø0= 0.5973 - 6.28*(0.0004) = 0.59479(rad)이 된다. 따라서, 보상된 동기 페이저의 크기는 보상되기 전의 동기 페이저의 크기와 동일하고, 보상된 동기 페이저의 위상각은 0.59479(rad)이 된다. 위와 같이, 보상되기 전의 동기 페이저의 위상각(Ø'0, Ø'1, Ø'2, Ø'3, Ø'4, Ø'5, ... ,Ø'n)들도 위와 같은 과정을 통해 보상된다.For example, when the frequency is 1 Hz, the angular frequency is 2п = 2 * 3.14 = 6.28 (rad). If the phase angle Ø ' 0 of the synchronous pager before compensation is 0.5973 (rad) and e is 0.4 ms, then Ø 0 = 0.5973-6.28 * (0.0004) = 0.59479 (rad). Thus, the size of the compensated sync pager is equal to the size of the sync pager before being compensated, and the phase angle of the compensated sync pager is 0.59479 (rad). As above, the phase angles of the synchronous phaser before compensation (Ø ' 0 , Ø' 1 , Ø ' 2 , Ø' 3 , Ø ' 4 , Ø' 5 , ..., Ø'n) Is compensated through.
이하에서, 보상된 동기 페이저의 위상각을 측정하기 위한 상기 수학식 1을 얻는 과정은 기술하겠다.Hereinafter, a process of obtaining
전압 변성기(310)로부터 출력되는 전압은 아래와 같다. The voltage output from the
여기서, w는 각주파수(예, 60Hz 계통에서는 120п), V는 전압의 크기, t는 시간, Ø는 위상각이다.Where w is the angular frequency (e.g. 120п in the 60Hz system), V is the magnitude of the voltage, t is the time, and Ø is the phase angle.
만약, 동기 오차 시간이 0인 경우(e=0), 상기 전압식을 샘플 앤 홀드 제어 신호에 따라 샘플링하고, 샘플링한 값을 이용하여 DFT(Discrete Fourier Transformation) 연산을 수행하여, 동기 페이저의 크기(V) 및 위상각(Ø)을 계산한다. 상기 DFT(Discrete Fourier Transformation) 연산은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 알 수 있는 널리 알려진 방법이다. If the synchronization error time is 0 (e = 0), the voltage expression is sampled according to the sample and hold control signal, and the Fourier Transformation (DFT) operation is performed using the sampled value, thereby the size of the synchronization pager. Calculate (V) and phase angle (Ø). The Discrete Fourier Transformation (DFT) operation is a well-known method that anyone skilled in the art may know.
동기 오차 시간이 0인 경우가 가장 이상적인 경우이다. 상기 동기 페이저는 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호에 동기화된 페이저이며, 시간과 장소에 관계없이 항상 세계 표준시에 동기화된 위상 정보를 가진다.The ideal case is when the synchronization error time is zero. The synchronous pager is a pager synchronized to a 1PPS (Pulse Per Second) signal of GPS, and always has phase information synchronized to universal time regardless of time and place.
동기 오차 시간이 0인 경우, 샘플 앤 홀드 제어 신호의 시간 t는If the sync error time is zero, the time t of the sample and hold control signal is
여기서, t1은 1PPS의 초단위 시간으로 정수값(= 0, 1, 2, 3, ...)Where t1 is the time in seconds of 1 PPS and is an integer value (= 0, 1, 2, 3, ...)
n : 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호 중에 동기화된 1PPS 신호의 한 주기 시간 내에 존재하는 단위 샘플 앤 홀드 파형들의 순서(n = 0, 1, 2, 3, ..., N-1)n: Sequence of unit sample and hold waveforms existing within one cycle time of the synchronized 1PPS signal during the sample and hold control signal (n = 0, 1, 2, 3, ..., N-1)
N : 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호 중에 동기화된 1PPS 신호의 한 주기 시간 내에 존재하는 샘플 앤 홀드되는 주기 신호들의 총 개수N: Total number of sampled and held periodic signals present within one cycle time of the synchronized 1PPS signal during the sample and hold control signal
도 2를 참조하면, t1 값은 0초, 1초, 2초,...등이 될 수 있으며, 도 2에서는 0이 된다. 또한, e는 동기오차시간(220)이 되고, n은 각각의 단위 샘플 앤 홀드 파형들의 순서가 되고, N은 샘플 앤 홀드되는 주기 신호들의 총 개수가 된다.Referring to FIG. 2, the t1 value may be 0 seconds, 1 second, 2 seconds, ..., and the like, and 0 in FIG. 2. In addition, e is the
수학식 3을 수학식 2에 대입하면,Substituting Equation 3 into
v1(t) = V * cos(w*t1 + w*n/N + Ø)v1 (t) = V * cos (w * t1 + w * n / N + Ø)
여기서, t1은 1PPS에서의 초단위 시간으로 정수값이므로 다음 식과 같이 표현된다.Here, t1 is an integer value in seconds at 1PPS, and thus is expressed as follows.
여기서, DFT(Discrete Fourier Transformation) 연산을 수행하면, 동기오차시간이 0일 경우(이상적인 경우)의 동기 페이저의 크기는 V이고, 위상각(Øn)은 w*n/N + Ø임을 알 수 있다.Here, when performing a Fourth Transformation (DFT) operation, it can be seen that the size of the synchronization phaser when the synchronization error time is 0 (ideal) is V, and the phase angle Øn is w * n / N + Ø. .
반면에, 동기 오차 시간이 존재하는 경우(e가 발생)라면, 샘플 앤 홀드 제어 신호의 시간 t는On the other hand, if there is a sync error time (e occurs), the time t of the sample and hold control signal is
여기서, t1은 1PPS의 초단위 시간으로 정수값(= 0, 1, 2, 3, ...)Where t1 is the time in seconds of 1 PPS and is an integer value (= 0, 1, 2, 3, ...)
n : 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호 중에 동기화된 1PPS 신호의 한 주기 시간 내에 존재하는 단위 샘플 앤 홀드 파형들의 순서(n = 0, 1, 2, 3, ..., N-1)n: Sequence of unit sample and hold waveforms existing within one cycle time of the synchronized 1PPS signal during the sample and hold control signal (n = 0, 1, 2, 3, ..., N-1)
N : 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호 중에 동기화된 1PPS 신호의 한 주기 시간 내에 존재하는 샘플 앤 홀드되는 주기 신호들의 총 개수N: Total number of sampled and held periodic signals present within one cycle time of the synchronized 1PPS signal during the sample and hold control signal
도 2를 참조하면, t1 값은 0초, 1초, 2초,...등이 될 수 있으며, 도 2에서는 0이 된다. 또한, e는 동기오차시간(220)이 되고, n은 각각의 단위 샘플 앤 홀드 파형들의 순서가 되고, N은 샘플 앤 홀드되는 주기 신호들의 총 개수가 된다.Referring to FIG. 2, the t1 value may be 0 seconds, 1 second, 2 seconds, ..., and the like, and 0 in FIG. 2. In addition, e is the
수학식 5를 수학식 2에 대입하면,Substituting Equation 5 into
v1(t) = V * cos(w*t1 + w*e + w*n/N + Ø)v1 (t) = V * cos (w * t1 + w * e + w * n / N + Ø)
여기서, t1은 1PPS에서의 초단위 시간으로 정수값이므로 다음 식과 같이 표현된다.Here, t1 is an integer value in seconds at 1PPS, and thus is expressed as follows.
여기서, DFT(Discrete Fourier Transformation) 연산을 수행하면, 보상되기 전(동기오차시간을 갖는)의 동기 페이저의 크기는 V이고, 위상각(Ø'n)은 w*e + w*n/N + Ø임을 알 수 있다.Here, when the Discrete Fourier Transformation (DFT) operation is performed, the size of the synchronous phaser before compensation (with a synchronization error time) is V, and the phase angle Ø'n is w * e + w * n / N + It can be seen that
수학식 4와 수학식 6을 비교하면, 보상된 동기 페이저의 위상각(Øn)은 수학식 1과 같이Comparing Equation 4 and Equation 6, the phase angle Øn of the compensated sync pager is expressed as in
Øn= Ø'n - (w*e)Øn = Ø'n-(w * e)
임을 알 수 있다. 따라서, 동기 오차 시간으로 인해 발생한 위상각의 변화를 보상함으로써, 원래 구하고자 했던 동기 페이저의 크기와 위상각을 구할 수 있다.It can be seen that. Therefore, by compensating for the change in the phase angle caused by the synchronization error time, it is possible to obtain the size and phase angle of the original sync pager.
위와 같이, 본 발명에 따르면 디지털 회로와 소프트웨어를 이용하여 위상각을 보상함으로써, 복잡한 오차 보상 과정에서 발생할 수 있는 또 다른 오차를 줄일 수 있는 이점이 있다.As described above, according to the present invention, by compensating the phase angle by using a digital circuit and software, there is an advantage that can reduce another error that can occur in the complex error compensation process.
또한, 위상각을 보상하기 위한 회로가 단순하며, 매우 저렴한 가격으로 구현할 수 있다는 이점이 있다.In addition, the circuit for compensating the phase angle is simple, there is an advantage that can be implemented at a very low price.
또한, 아날로그 회로와는 달리 본 발명에 따르면 온도, 부하 등의 주위 환경에 영향을 받지 않는다는 이점이 있다.In addition, unlike the analog circuit, according to the present invention, there is an advantage that it is not affected by the surrounding environment such as temperature and load.
도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 동기 페이저 계측 방법에 대한 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating a synchronous pager measurement method according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 카운터가 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호의 상승 또는 하강 에지(edge) 신호가 입력되면 소정의 시간마다 카운터 값을 증가시키고, 상기 타이머에서 출력된 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호의 상승 또는 하강 에지(edge) 신호가 입력되면 상기 카운터 값의 증가를 중단시키고, 중단된 상기 카운트 값을 출력한다(S400). 제어부가 출력된 상기 카운터 값을 입력받아, 상기 소정의 시간과 상기 카운터 값을 곱함으로써 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호와 샘 플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호 간의 동기오차시간(e)를 계산한다(S410). 제어부가 동기 오차 시간이 존재하는지 여부를 판단한다(S420). 상기 판단 결과 동기 오차 시간이 존재하지 않는 경우, 샘플 앤 홀드부가 상기 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호의 샘플링 구간 동안은 입력되는 전압 신호를 샘플링하고, 홀딩 구간 동안은 샘플링된 값을 홀딩하고, 상기 샘플링된 값을 출력한다. 이렇게 샘플링과 홀드를 반복적으로 수행하다가 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호의 상승 또는 하강 에지(edge)가 입력된 후(또는 동시에)에, 입력되는 단위 샘플 앤 홀드 파형마다 전압 신호의 주파수(시간)를 고정한다. 아날로그 디지털 변환부가 상기 샘플링된 값을 입력받아 디지털 신호로 변환한다. 제어부가 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호의 상승 또는 하강 에지(edge)가 입력된 후(또는 동시에)에 입력되는 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형(230)마다(주파수가 고정될 때마다) 상기 아날로그 디지털 변환부(380)에서 출력된 디지털 신호들을 이용하여 DFT(Discrete Fourier Transformation) 연산을 수행함으로써 동기 페이저의 크기와 위상각을 계산한다(S430). 위와 같이, 동기 오차 시간이 없는 경우라면, 별도의 보상과정을 거칠 필요없이 직접 동기 페이저를 계측할 수 있다.Referring to FIG. 5, when a counter receives a rising or falling edge signal of a 1PPS (Pulse Per Second) signal of a GPS, the counter increases a counter value every predetermined time and outputs a sample and hold output from the timer. hold) When the rising or falling edge signal of the control signal is input, the increase of the counter value is stopped and the suspended count value is output (S400). The control unit receives the output counter value and multiplies the predetermined time by the counter value to synchronize the error time between a 1PPS (Pulse Per Second) signal of the GPS and a sample and hold control signal (e). To calculate (S410). The controller determines whether a synchronization error time exists (S420). If the synchronization error time does not exist, the sample and hold unit samples the input voltage signal during the sampling period of the sample and hold control signal, and holds the sampled value during the holding period. The sampled value is output. After repeatedly performing sampling and holding, the rising or falling edge of the 1PPS (Pulse Per Second) signal of GPS is input (or at the same time), and the frequency (time) of the voltage signal for each input unit sample and hold waveform. ). The analog-to-digital converter receives the sampled value and converts the sampled value into a digital signal. The analog is controlled by the control unit for each of the unit sample and hold waveforms 230 (when the frequency is fixed) input after (or at the same time) the rising or falling edge of the 1PPS (Pulse Per Second) signal of GPS is input. The size and phase angle of the sync pager are calculated by performing a Discrete Fourier Transformation (DFT) operation using the digital signals output from the digital converter 380 (S430). As described above, if there is no synchronization error time, the synchronization phase can be measured directly without going through a separate compensation process.
반면에, 상기 S420에서 판단한 결과, 상기 판단 결과 동기 오차 시간이 존재하는 경우, 제어부가 GPS의 상기 1PPS(Pulse Per Second) 신호의 상승 또는 하강 에지(edge)가 입력된 후에, 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호에서 첫번째의 단위 샘플 앤 홀드 파형을 초기화한다(S440). 즉, 샘플 앤 홀드 제어 신호에서 첫번째의 단위 샘플 앤 홀드 파형에 n=0을 부여한다. 샘플 앤 홀드부가 상기 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호의 샘플링 구간 동안은 입력되는 전압 신호를 샘플링하고, 홀딩 구간 동안은 샘플링된 값을 홀딩하고, 상기 샘플링된 값을 출력한다. 이렇게 샘플링과 홀드를 반복적으로 수행하다가 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호의 상승 또는 하강 에지(edge)가 입력된 후(또는 동시에)에, 입력되는 단위 샘플 앤 홀드 파형마다 전압 신호의 주파수(시간)를 고정한다. 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형마다 샘플링된 값이 출력되게 된다. 아날로그 디지털 변환부가 상기 샘플링된 값을 입력받아 디지털 신호로 변환한다. 제어부가 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호의 상승 또는 하강 에지(edge)가 입력된 후(또는 동시에)에 입력되는 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형(230)마다(주파수가 고정될 때마다) 상기 아날로그 디지털 변환부(380)에서 출력된 디지털 신호들을 이용하여 DFT(Discrete Fourier Transformation) 연산을 수행함으로써 보상되기 전의 동기 페이저의 크기와 위상각을 계산한다(S450).On the other hand, if it is determined in S420 that the synchronization error time is present as a result of the determination, after the controller inputs the rising or falling edge of the 1PPS (Pulse Per Second) signal of the GPS, the sample and hold (sample) and hold) initializes the first unit sample and hold waveform from the control signal (S440). That is, n = 0 is applied to the first unit sample and hold waveform in the sample and hold control signal. A sample and hold unit samples an input voltage signal during a sampling period of the sample and hold control signal, holds a sampled value during the holding period, and outputs the sampled value. After repeatedly performing sampling and holding, the rising or falling edge of the 1PPS (Pulse Per Second) signal of GPS is input (or at the same time), and the frequency (time) of the voltage signal for each input unit sample and hold waveform. ). A sampled value is output for each unit sample and hold waveform. The analog-to-digital converter receives the sampled value and converts the sampled value into a digital signal. The analog is controlled by the control unit for each of the unit sample and hold waveforms 230 (when the frequency is fixed) input after (or at the same time) the rising or falling edge of the 1PPS (Pulse Per Second) signal of GPS is input. The size and phase angle of the sync phaser before compensation are calculated by performing a Discrete Fourier Transformation (DFT) operation using the digital signals output from the digital converter 380 (S450).
제어부가 아래의 수학식을 이용하여 The controller uses the following equation
Øn= Ø'n - (w*e)Øn = Ø'n-(w * e)
Øn : 오차가 보상된 동기 페이저의 위상각 Øn: Phase angle of the synchronous phaser with error compensation
Ø'n : 오차가 보상되기 전의 동기 페이저의 위상각 Ø'n: Phase angle of the sync phaser before the error is compensated
w : 각 주파수w: each frequency
e : GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호와 샘플 앤 홀드(sample and hold) 신호의 동기오차시간 e: Synchronous error time between 1PPS (Pulse Per Second) signal and sample and hold signal of GPS
n : 샘플 앤 홀드(sample and hold) 제어 신호 중에 동기화된 1PPS 신호의 한 주기 시간 내에 존재하는 단위 샘플 앤 홀드 파형들의 순서(n = 0, 1, 2, 3, ..., N-1)n: Sequence of unit sample and hold waveforms existing within one cycle time of the synchronized 1PPS signal during the sample and hold control signal (n = 0, 1, 2, 3, ..., N-1)
위와 같이 함으로써, 보상된 동기 페이저의 크기와 위상각(Øn)을 계산할 수 있다. By doing the above, the size and phase angle Øn of the compensated sync pager can be calculated.
예를 들면, 주파수가 1Hz인 경우에 각주파수는 2п=2*3.14=6.28(rad)이다. 만약, 보상되기 전의 동기 페이저의 위상각(Ø'0)이 0.5973(rad)이고, e는 0.4ms라면, Ø0= 0.5973 - 6.28*(0.0004) = 0.59479(rad)이 된다. 따라서, 보상된 동기 페이저의 크기는 보상되기 전의 동기 페이저의 크기와 동일하고, 보상된 동기 페이저의 위상각은 0.59479(rad)이 된다.For example, when the frequency is 1 Hz, the angular frequency is 2п = 2 * 3.14 = 6.28 (rad). If the phase angle Ø ' 0 of the synchronous pager before compensation is 0.5973 (rad) and e is 0.4 ms, then Ø 0 = 0.5973-6.28 * (0.0004) = 0.59479 (rad). Thus, the size of the compensated sync pager is equal to the size of the sync pager before being compensated, and the phase angle of the compensated sync pager is 0.59479 (rad).
S450 및 S460에서 계산된 값을 통해, 보상된 동기 페이저의 크기와 위상각을 출력한다(S470). 제어부가 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형의 순서를 1씩 증가시킨다(S480). 즉, n의 값을 n+1의 값으로 증가시킨다. 제어부가 증가된 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형의 순서의 크기(n)와 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형들의 총 개수의 크기(N)를 비교한다(S490). 상기 판단 결과 증가된 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형의 순서의 크기(n)가 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형들의 총 개수의 크기(N)보다 작은 경우, S450이후에 과정을 실행한다.Through the values calculated in S450 and S460, the size and phase angle of the compensated sync pager are output (S470). The controller increases the order of the unit sample and hold waveform by 1 (S480). That is, the value of n is increased to the value of n + 1. The control unit compares the magnitude n of the order of the increased unit sample and hold waveforms with the magnitude N of the total number of unit sample and hold waveforms (S490). If the size n of the sequence of the unit sample and hold waveforms increased as a result of the determination is smaller than the size N of the total number of the unit sample and hold waveforms, the process is performed after S450.
반면에, 상기 판단 결과 증가된 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형의 순서의 크 기(n)가 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형들의 총 개수의 크기(N)보다 크거나 같은 경우, 실행을 종료한다.On the other hand, when the size n of the order of the unit sample and hold waveforms increased as a result of the determination is greater than or equal to the size N of the total number of the unit sample and hold waveforms, execution ends.
구체적인 예를 들면, 동기 오차 시간이 발생한 경우, 카운터 값을 이용하여 동기 오차 시간을 측정한다. 상기 동기 오차 시간이 3초라고 가정한다. 첫번째의 단위 샘플 앤 홀드 파형(n=0)에서 샘플링된 값을 디지털 신호로 변환하고, 제어부에서 상기 디지털 신호를 DFT(Discrete Fourier Transformation) 연산을 수행하여 보상되기 전의 동기 페이저의 크기와 위상각(Øn) 계산한다. 상기 동기 오차 시간을 이용하여 (w*e) 식에 대입함으로써 보상할 위상각을 계산한 후, 보상된 동기 페이저의 위상각 Øn = Ø'n - (w*e) 식에 대입한다. 따라서, 보상된 동기 페이저의 크기는 보상되기 전의 동기 페이저의 크기와 동일하고, 보상된 동기 페이저의 위상각은 상기에서 구한 Øn이 된다. 이후에, 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형의 순서(n)를 1 증가시키고, 증가된 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형의 순서의 크기(n)와 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형들의 총 개수의 크기(N)를 비교한다. For example, when a synchronization error time occurs, the synchronization error time is measured using a counter value. Assume that the synchronization error time is 3 seconds. Convert the sampled value from the first unit sample and hold waveform (n = 0) into a digital signal, and perform a DFT (Discrete Fourier Transformation) operation on the digital signal to control the size and phase angle of the synchronous pager before compensation. Ø n) Calculate. After calculating the phase angle to be compensated by substituting the equation (w * e) using the synchronization error time, the phase angle of the compensated sync phaser is substituted into the equation Øn = Ø'n− (w * e). Therefore, the size of the compensated sync pager is equal to the size of the sync pager before being compensated, and the phase angle of the compensated sync pager is Øn obtained above. Thereafter, the order n of the unit sample and hold waveforms is increased by one, and the magnitude n of the order of the increased unit sample and hold waveforms and the size N of the total number of unit sample and hold waveforms are increased. Compare.
상기 판단 결과 증가된 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형의 순서의 크기(n)가 상기 단위 샘플 앤 홀드 파형들의 총 개수의 크기(N)보다 작은 경우, 두번째의 단위 샘플 앤 홀드 파형(n=1)에서 샘플링된 값을 디지털 신호로 변환하고, 제어부에서 상기 디지털 신호를 DFT(Discrete Fourier Transformation) 연산을 수행하여 보상되기 전의 동기 페이저의 크기와 위상각(Ø'n) 계산한다. 이후에 과정은 상기에서 기술한 것과 동일하다. 위와 같은 과정을 반복함으로써(n = 0, 1, 2, 3, ... , N-1) , 보상된 동기 페이저의 크기 및 위상각을 계산할 수 있게 된다. If the magnitude n of the order of the increased unit sample and hold waveforms is smaller than the magnitude N of the total number of unit sample and hold waveforms, the second unit sample and hold waveform n = 1 is determined. The sampled value is converted into a digital signal, and the control unit calculates the size and phase angle Ø'n of the synchronous phaser before compensation by performing a discrete fourier transform (DFT) operation on the digital signal. The procedure thereafter is the same as described above. By repeating the above process (n = 0, 1, 2, 3, ..., N-1), the size and phase angle of the compensated sync pager can be calculated.
위와 같이, 본 발명에 따르면 동기 오차 시간의 측정은 회로를 이용하여 측정하고 위상각의 보상은 소프트웨어를 이용하여 보상하게 됨으로써, 회로를 더욱 단순화시키고 물리적으로 보상하는 과정에서 발생(보상하는 복잡한 과정에서 발생하는 오차, 피드백 구조에서 오는 오차, 온도 등에 의한 오차 등)하는 또 다른 오차를 크게 줄일 수 있는 이점이 있게 된다. As described above, according to the present invention, the measurement of the synchronization error time is measured by using a circuit and the compensation of the phase angle is compensated by using software, so that the circuit is further simplified and physically compensated (in a complicated process of compensation). Another error such as an error occurring, an error from the feedback structure, an error due to temperature, etc.) can be greatly reduced.
도 6은 본 발명에 따른 동기 페이저 모듈, 장치를 장착한 페이저 측정장치(PMU;Phasor Measurement Unit)를 이용한 시스템에 관한 구성도이다.6 is a block diagram of a system using a phasor measurement unit (PMU) equipped with a synchronous pager module and a device according to the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 시스템은 페이저 측정장치(500), 페이저 측정장치(510), 페이저 측정장치(520) 및 중앙통제센터(530)를 포함한다.Referring to FIG. 6, the system according to the present invention includes a
상기 각각의 페이저 측정장치(500), 페이저 측정장치(510), 페이저 측정장치(520)는 본 발명에 따른 동기 페이저 모듈, 장치를 장착하고 있다. 상기 각각의 페이저 측정장치(500), 페이저 측정장치(510), 페이저 측정장치(520)에서 GPS의 1PPS에 동기된 동기 페이저의 값을 측정하고, 측정된 동기 페이저의 값을 상기 중앙통제센터(530)으로 송신한다. 상기 페이저 측정장치 이외에도, 본 발명에 따른 동기 페이저 모듈, 장치는 디지털 보호 계전기, 미터(METER) 등에도 장착될 수 있다. Each of the
상기 중앙통제센터(530)은 측정된 동기 페이저의 값을 수신하고, 수신된 동기 페이저의 값을 이용하여 전체 전력 계통의 조류, 안정도 등의 해석을 할 수 있다. 이와 같이, 동기 페이저를 측정하는 것은 전체 전력 계통의 상태를 파악하는 중요한 자료가 된다.The
위와 같이, 본 발명에 따르면, 페이저 측정장치 등에 외부 요소들에 의한 영향을 적게 받으면서 회로가 단순하면서 저렴한 가격의 동기 페이저 모듈 및 장치를 장착할 수 있다. 따라서, 전체적인 시스템을 구성함에 있어서도, 상기와 같은 특징을 갖는 페이저 측정 장치등을 사용함으로써 더욱 저렴하고 성능이 향상된 시스템을 구현할 수 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to mount a synchronous pager module and a device having a simple and low-cost circuit while being less affected by external factors such as a pager measuring device. Therefore, even in configuring the overall system, it is possible to implement a system that is more inexpensive and has improved performance by using a pager measuring device having the above characteristics.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention has been described in detail according to the above-described preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
도 1은 동기 페이저 계측 장치의 일실시예에 관한 구성도이다.1 is a block diagram of an embodiment of a synchronous pager measurement apparatus.
도 2은 GPS의 1PPS(Pulse Per Second) 신호와 샘플 앤 홀드 제어 신호가 정확하게 동기된 것을 보여주는 도면.FIG. 2 is a diagram showing that a 1PPS (Pulse Per Second) signal of a GPS and a sample and hold control signal are correctly synchronized. FIG.
도 3는 GPS의 1PPS 신호와 샘플 앤 홀드 제어 신호 간의 동기 오차가 발생한 것을 보여주는 도면.3 is a diagram illustrating a synchronization error between a 1PPS signal of a GPS and a sample and hold control signal;
도 4은 본 발명의 일 실시예와 관련된 동기 페이저 계측 모듈 및 장치의 블록 구성도(block diagram).4 is a block diagram of a synchronous pager measurement module and device in accordance with one embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 동기 페이저 계측 방법에 대한 흐름도.5 is a flow chart of a synchronous pager measurement method associated with one embodiment of the present invention.
도 6는 본 발명에 따른 동기 페이저 모듈, 장치를 장착한 PMU(Phasor Measurement Unit)를 이용한 시스템에 관한 구성도.6 is a block diagram of a system using a phasor measurement unit (PMU) equipped with a synchronous pager module and a device according to the present invention;
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