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문제 정의
- 본 논문에서는 여러 곳에서 측정된 전력 품질 정보를 별도의 통신선이 없이 원격으로 상시 감시할 수 있는 전력선 통신을 이용한 전력 품질 모니터링 시스템을 제안하고, 이러한 시스템이 수용가 배전계통의 말단의 전원관리에 유용하게 적용될 수 있음을 밝히었다.
제안 방법
- 이러한 반주기 값을 이용하여 순시 전압 강하, 순시 전압 상승, 순시 정전을 검출하는 알고리즘을 그림 2에 나타내었다. 그림과 같이 실효치를 기준값과 비교하여 전력 품질 문제들을 분류하고 이를 매주기 반복 계산한 값을 횟수를 세어 지속시간을 측정하였다. 이러한 방법은 간단하며 구현하기도 쉬운 장점을 가지고 있다.
- 고조파 검출은 주파수 영역을 분석하는 푸리에 변환을 이용하면 가능하다. 그중에서 이산 푸리에 변환(DFT)은 식 (3) 과 같이 구현될 수 있으나 이산 푸 리에 변환은 연산량이 많아서 시스템의 속도를 현저하게 줄일 수 있으므로 연산량을 줄여 속도가 개선된 식 (4) 와 같은 고속 푸리에 변환(FFT)를 이용하여 고조파를 검출하였다. 이러한 고속 푸리에 변환을 바탕으로 고조파는 50차까지 계산이 가능하도록 프로그램하였으며 식 (5) 의 총 고조파 왜 형률 (THD) 도 분석하였다.
- 전력 품질 측정 보드에서 실효치, FFT의 계산을 하도록 프로그램하였으며 모든 계산이 끝난 뒤 알고리즘에 따라 Sag, Swell, Interruption을 판단하는 내부 프로그램을 실행하고 이와 같은 결과와 전압측정 파형을 전력선을 통하여 전송한다.
- 전력선 품질 데이터는 Z-Bus 프로토콜을 기본으로 한 패킷의 형태로 전송하였다. 그러나 본 시스템에서는 Z-Bus 프로토콜을 그대로 이용하지 않고 전력선 품질질 데이터를 효과적으로 보낼 수 있도록 패킷 형태를 변형하여 적용하였다.
- 전력선 품질 데이터는 Z-Bus 프로토콜을 기본으로 한 패킷의 형태로 전송하였다. 그러나 본 시스템에서는 Z-Bus 프로토콜을 그대로 이용하지 않고 전력선 품질질 데이터를 효과적으로 보낼 수 있도록 패킷 형태를 변형하여 적용하였다. 변형된 패킷의 형태는 표 3과 같다.
- ⑤ RS-232C 통신으로 PC에 데이터를 보내고 프 로그램에 의해 CRC16 에러 체크를 해서 에러 발생 여부를 확인한다.
- 모뎀이 정상적으로 동작하는 것을 확인한 뒤 전체 시스템을 그림 6과 같이 구성하여 측정한 데이터를 전력선 모뎀을 통하여 원격지의 PC에 전송하는 실험을 하였다. 전력 시뮬레이터를 이용하여 전원에 Sag, Swell, Interruption 및 고조파가 함유된 전원 전 압을 발생시키고 이 전압을 PQ DAS(Data Acquisition System)에서 측정하고 시스템의 내부에서 실효치 전압을 계산하여 순시 전압강하, 순시 전 압상승, 순간 정전, 고조파 등의 전력 품질 문제가 발생할 경우에 그 유형을 Z-Bus 프로토콜을 변형한 Packet Structure로 구성한 뒤 CRC16 에러 체크를 한 후 RS-232C 시리얼 통신을 통해 전력선 모뎀으로 전송한다.
- 모뎀이 정상적으로 동작하는 것을 확인한 뒤 전체 시스템을 그림 6과 같이 구성하여 측정한 데이터를 전력선 모뎀을 통하여 원격지의 PC에 전송하는 실험을 하였다. 전력 시뮬레이터를 이용하여 전원에 Sag, Swell, Interruption 및 고조파가 함유된 전원 전 압을 발생시키고 이 전압을 PQ DAS(Data Acquisition System)에서 측정하고 시스템의 내부에서 실효치 전압을 계산하여 순시 전압강하, 순시 전 압상승, 순간 정전, 고조파 등의 전력 품질 문제가 발생할 경우에 그 유형을 Z-Bus 프로토콜을 변형한 Packet Structure로 구성한 뒤 CRC16 에러 체크를 한 후 RS-232C 시리얼 통신을 통해 전력선 모뎀으로 전송한다. 이렇게 전력선 모뎀을 통해 전송된 데 이 터는 다시 RS-232C 통신으로 PC에 데이터를 전송한다.
- 그림 7(d)는 고조파 (3th: 20[%], 5th: 15[%], 7th: 10[%], 9th: 5[%])가 함유된 파형이다. 이들 4가지 유형의 전압을 전력시뮬 레이 터 출력단에서 오실로스코프로 각각 측정하였다. 이러한 전압은 그림 6과 같은 과정을 거치게 된다.
- 보완할 수 있는, 전력선 통신을 이용한 전력 품질 모니터링 시스템을 구현하였다. 또한 IEEE Std.
- 또한 IEEE Std. 1199 에서 분류하는 전력 품질의 종류에 따른 측정 방법에 대해 분석하고, 실시간으로 전력 품질을 측정하는 시스템을 TI사의 TMS20C32를 메인 DSP로 사용하여 구현하였으며 Z-Bus 프로토콜의 전력선 모뎀을 적용하여 원격지에서 수신하여 모니터링하는 시스템을 구현하였다. 또한 전력 시뮬레이터를 이용하여 발생시킨 Sag, Swell, Intaruption 및 고조파가 함유된 전원 전압을 구현한 전력 품질 측정 보드로 데이터를 취득하고 전력선을 통하여 원격지의 컴퓨터에서 수신하여 그래프로 파형을 나타냄으로써, 전력선통 신을 이용한 원격지에서의 전력 품질 모니터링이 가 능함을 밝혔다.
대상 데이터
- 측정 시스템은 표 2에서 보는 바와 같이 클럭속도 가 40[MHz], 32[bit] floating-point 연산을 하며 2개의 32[bit] Timer를 내장하고 있는 TI사의 IMS玄0C32를 메인 DSP로 사용하였다. DSP 내부 클럭을 2 분주하여 클럭당 1개의 명령어 처리하여 20MIPS/60MFLO PS에서 50[ns]의 처리 능력을 갖도록 하였으며, 내부에는 OWait로 동작 가능한 256[K]x32 비트 용량의 내부 RAM(총 512Word)이 있으며 외부 FLASH 혹은 DSP 내부 시리얼 포트를 이용한 시스템 초기 실행 모드(Serial Boot Interrupt) 를 이용하여 내부 RAM에서 빠르게 동작시킬 수 있다
- 전력 품질 측정 보드의 외형은 그림 3와 같으며 Operand 용 Flash ROMe 5*8 12[K]의 데이터를 저장한다. 4[MB]의 Main Operating RAM 용량을 가지고 있는 AM29FW을 사용하였으며 실행프로그램을 위한 Operating RAMe 5*8 12[K]의 4[MB]의 용량을 갖는 K6R4008을 사용하였으며 115200[bps]의 속도를 지원하는 시리얼 포트가 l[ch]을 내장하고 있어 전력선 통신에 사용하였다. 전압을 읽어오는 12[bit], 1.
데이터처리
- 그중에서 이산 푸리에 변환(DFT)은 식 (3) 과 같이 구현될 수 있으나 이산 푸 리에 변환은 연산량이 많아서 시스템의 속도를 현저하게 줄일 수 있으므로 연산량을 줄여 속도가 개선된 식 (4) 와 같은 고속 푸리에 변환(FFT)를 이용하여 고조파를 검출하였다. 이러한 고속 푸리에 변환을 바탕으로 고조파는 50차까지 계산이 가능하도록 프로그램하였으며 식 (5) 의 총 고조파 왜 형률 (THD) 도 분석하였다.
이론/모형
- 전력선 통신을 위한 모뎀은 DCSK 변조에 Spread spectrum 방식을 사용하였으며 캐리어 주파수는 100[Khz] 에서 400[Khz] 영역을 가지며 Multiful Access 방식은 CSMA/CA 방식을 사용하였다. 19, 200[bps]로 통신 속도로 데이터를 전송하며 이때의 통신 방법은 Z-Bus 프로토콜을 사용하였으며 CRC16 에러 체크를 하여 데이터의 신뢰도를 향상 시 켰다.
- 전력선 통신을 위한 모뎀은 DCSK 변조에 Spread spectrum 방식을 사용하였으며 캐리어 주파수는 100[Khz] 에서 400[Khz] 영역을 가지며 Multiful Access 방식은 CSMA/CA 방식을 사용하였다. 19, 200[bps]로 통신 속도로 데이터를 전송하며 이때의 통신 방법은 Z-Bus 프로토콜을 사용하였으며 CRC16 에러 체크를 하여 데이터의 신뢰도를 향상 시 켰다. 전력선 모뎀의 내부 블록 도를 그림 4와 같다.
성능/효과
- 1199 에서 분류하는 전력 품질의 종류에 따른 측정 방법에 대해 분석하고, 실시간으로 전력 품질을 측정하는 시스템을 TI사의 TMS20C32를 메인 DSP로 사용하여 구현하였으며 Z-Bus 프로토콜의 전력선 모뎀을 적용하여 원격지에서 수신하여 모니터링하는 시스템을 구현하였다. 또한 전력 시뮬레이터를 이용하여 발생시킨 Sag, Swell, Intaruption 및 고조파가 함유된 전원 전압을 구현한 전력 품질 측정 보드로 데이터를 취득하고 전력선을 통하여 원격지의 컴퓨터에서 수신하여 그래프로 파형을 나타냄으로써, 전력선통 신을 이용한 원격지에서의 전력 품질 모니터링이 가 능함을 밝혔다.
후속연구
- 향후에는 PLC의 채널 환경 분석과 잡음에 강인한 모뎀을 설계함으로서 보다 실용적이며 고성능의 전력선 통신을 이용한 전력 품질 모니터링 시스템에 대한 연구를 지속하고자 한다.
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