전력 계통에서 발생하는 고조파는 전동기 등 기기 오동작 및 고장, 불필요한 전력 소모 등을 야기시킨다. 고조파 발생에 대한 근본적인 대책은 고조파 발생 원인을 찾아 제거하는 것이며 본 논문에서는 아날로그 디바이스사의 ADE7880을 이용하여 고조파 발생 원인을 실시간으로 파악할 수 있는 전력품질 측정장치를 제작하고 동작을 검증하여 다양한 전력 품질 측정 분야에 활용할 수 있도록 하였다. 전력은 일반적으로 45Hz에서 66Hz까지의 라인 주파수를 가지고 있는데, 본 연구에서 사용한 ADE7880 필터대역인 2.8kHz 밴드 내에서 분석될 수 있는 고조파의 수는 2800/f로 최대 2800/45 = 63차 고조파까지 가능하며, 라인주파수가 60Hz인 한국에서의 최대 고조파차수는 2800/60 = 46차까지 측정할 수 있었다. 또한 전압, 전류, 전력 측정의 정확도는 0.1%이내의 오차를 가져 매우 정밀한 수준임을 확인하였다.
전력 계통에서 발생하는 고조파는 전동기 등 기기 오동작 및 고장, 불필요한 전력 소모 등을 야기시킨다. 고조파 발생에 대한 근본적인 대책은 고조파 발생 원인을 찾아 제거하는 것이며 본 논문에서는 아날로그 디바이스사의 ADE7880을 이용하여 고조파 발생 원인을 실시간으로 파악할 수 있는 전력품질 측정장치를 제작하고 동작을 검증하여 다양한 전력 품질 측정 분야에 활용할 수 있도록 하였다. 전력은 일반적으로 45Hz에서 66Hz까지의 라인 주파수를 가지고 있는데, 본 연구에서 사용한 ADE7880 필터대역인 2.8kHz 밴드 내에서 분석될 수 있는 고조파의 수는 2800/f로 최대 2800/45 = 63차 고조파까지 가능하며, 라인주파수가 60Hz인 한국에서의 최대 고조파차수는 2800/60 = 46차까지 측정할 수 있었다. 또한 전압, 전류, 전력 측정의 정확도는 0.1%이내의 오차를 가져 매우 정밀한 수준임을 확인하였다.
The harmonic frequency occurred in a power system causes errors and failures of equipments such as motors, and an unnecessary power consumption. The fundamental countermeasure for the harmonic frequency is to eliminate the cause of the harmonic frequency. This paper describes about making the device...
The harmonic frequency occurred in a power system causes errors and failures of equipments such as motors, and an unnecessary power consumption. The fundamental countermeasure for the harmonic frequency is to eliminate the cause of the harmonic frequency. This paper describes about making the device to figure out the cause in real time, verifying the operation of the device, and utilizing it to various power quality measurements. The power usually has the line frequency between 45Hz and 66Hz. In this research, the number of the harmonic frequencies which can be analysed inside the 2.8kHz bandwidth, the filter bandwidth of ADE7880, is 2800/f, and the maximum is 2800/45 = 63. The maximum order of the harmonic frequency in Korea, which has the line frequency of 60Hz, was measured as 2800/60 = 46th. Also, the accuracy of the voltage, current, and power measurement had the error within 0.1%, confirming that it is very precise.
The harmonic frequency occurred in a power system causes errors and failures of equipments such as motors, and an unnecessary power consumption. The fundamental countermeasure for the harmonic frequency is to eliminate the cause of the harmonic frequency. This paper describes about making the device to figure out the cause in real time, verifying the operation of the device, and utilizing it to various power quality measurements. The power usually has the line frequency between 45Hz and 66Hz. In this research, the number of the harmonic frequencies which can be analysed inside the 2.8kHz bandwidth, the filter bandwidth of ADE7880, is 2800/f, and the maximum is 2800/45 = 63. The maximum order of the harmonic frequency in Korea, which has the line frequency of 60Hz, was measured as 2800/60 = 46th. Also, the accuracy of the voltage, current, and power measurement had the error within 0.1%, confirming that it is very precise.
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문제 정의
근본적인 대책은 고조파가 발생하는 것을 검출하여 발생원의 고조파 발생 원인을 제거하여야 하며[4～5] 본 논문에서는 고조파의 발생을 실시간으로 파악할 수 있는 장치를 제작하고 동작을 검증하여 다양한 전력 품질 측정 분야에 활용할 수 있도록 하였다.
제안 방법
ADE7880에 의해 동시에 모니터되는 3개까지의 고조파 인덱스는 8비트 레지스터 HX, HY, HZ로 준비된다. 간단하게 모니터하려는 고조파에 대해 고조파 레지스터에 고조파 인덱스를 세트한다. 기본정보는 HX, HY, HZ와 독립적으로 항상 모니터된다.
고조파 측정은 DSP를 이용하여 입력된 전류를 FFT하여 기본파에 함유된 고조파를 분석할 수 있는데, 본 연구에서는 2011년 10월에 출시된 아날로그 디바이스사의 ADE7880칩을 이용하여 고조파 측정 회로를 제작하였다.[7]
각 입력은 ADE7880에서 FFT연산을 수행한 후 버퍼를 거쳐 ARM7칩으로 입력된다. 마이크로프로세서는 쉽게 구할 수 있는 삼성의 SAM7x256칩을 사용하였으며 특히 마이크로 컨트롤러 보드는 학생들의 ARM 실습이나 기타 ARM 실습에도 이용할 수 있도록 RS-232 출력과 RS-485 출력을 추가로 설치했으며 OLED 기반의 소형 디스플레이를 부착하여 PC로 데이터를 전송하지 않더라도 컨트롤러 보드 상에서 측정 값을 바로 확인할 수 있도록 하였다. 이를 위해 8개의 tact 스위치를 부착하여 원하는 측정 값을 선택하여 볼 수 있도록 하였다.
마이크로프로세서는 쉽게 구할 수 있는 삼성의 SAM7x256칩을 사용하였으며 특히 마이크로 컨트롤러 보드는 학생들의 ARM 실습이나 기타 ARM 실습에도 이용할 수 있도록 RS-232 출력과 RS-485 출력을 추가로 설치했으며 OLED 기반의 소형 디스플레이를 부착하여 PC로 데이터를 전송하지 않더라도 컨트롤러 보드 상에서 측정 값을 바로 확인할 수 있도록 하였다. 이를 위해 8개의 tact 스위치를 부착하여 원하는 측정 값을 선택하여 볼 수 있도록 하였다.
전력 품질 측정 시스템은 그림 3과 같이 전력 측정 모듈과 마이크로 컨트롤러를 연결한 후 마이크로 컨트롤러를 시리얼 인터페이스를 이용하여 PC의 하이퍼터미널로 연결하여 실시간으로 측정된 결과를 하이퍼터미널에 모니터링할 수 있도록 하였다.
전력의 측정은 그림 3과 같이 3상 4선의 입력 전력(좌측 하단)을 전력 측정 모듈에 연결한 후 단상 출력(우측 하단)에 부하를 연결하여 부하에서 소모되는 전력의 품질을 하이퍼터미널로 실시간 모니터링하도록 하였다.
측정 방법은 무부하시, 단상 전력을 사용하는 히터를 1단, 2단, 팬히터(정격500W)를 차례대로 동작시켰을 때와 차례대로 껐을 때의 각 상별 전압(VA, VB, VC), 각 상별 전류( IA, IB, IC), 중성 전류(IN), 유효전력(WATT), 무효전력(VAR), 피상전력(VA), 역률(Pf%)를 측정하였다.
고조파는 최대 46차까지 측정한 결과를 확인할 수 있었다. 표 3은 ADE7880으로 고조파를 측정하였을 경우의 각 레지스터의 값을 캡쳐한 것이며 이 중 HVRMS 값은 전압 고조파를 1차부터 46차까지 그래프로 도시하여 기본파와 각 고조파의 전압을 육안으로 확인할 수 있도록 하였다. 그러나 기본파에 비해 고조파의 값이 1/10,000정도 이하로 작아 쉽게 그래프로는 측정되지 않아 그림 4와 같이 대략적인 그래프 형태로만 나타내었다.
대상 데이터
어떤 1상이 모니터되었을 때, 3개까지의 고조파 정보와 함께 기본정보가 계산된다. ADE7880에 의해 동시에 모니터되는 3개까지의 고조파 인덱스는 8비트 레지스터 HX, HY, HZ로 준비된다. 간단하게 모니터하려는 고조파에 대해 고조파 레지스터에 고조파 인덱스를 세트한다.
HXIRMS, HYIRMS, HZIRMS 레지스터는 N상 전류의 고조파 실효성분을 포함하고 HXVRMS, HYVRMS and HZVRMS 레지스터는 ISUM의 고조파 실효성분을 포함한다.
데이터 경로 구성도에는 HXIRMSOS, HYIRMSOS, HZIRMSOS, HXVRMSOS, HYVRMSOS, HZVRMSOS 24-bit 오프셋 보상레지스터가 포함되어 있다.
성능/효과
2.8kHz 밴드내에서 분석될 수 있는 고조파의 수 'N'은2800/f로 ADE7880에서 수용되는 고조파 수는 최대 2800/45 = 63 이다.
8kHz 범위 이내에 최대 46차 고조파까지 측정이 가능하였다. 또한 전압, 전류, 전력 측정의 정확도는 저주파 측정미터를 이용하여 측정한 것과 비교하여 0.1%이내의 오차를 가져 매우 정밀한 수준임을 확인하였다.
이상으로 부하의 변동에 따른 각종 파라미터들의 변동이 즉각적으로 발생하는 것을 확인할 수 있었고 각 측정값들의 측정결과도 테스터기로 측정한 결과 값과 거의 일치하게 측정되어 본 회로의 신뢰성을 검증할 수 있었다.
측정 결과 히터를 1단, 2단, 팬히터(정격500W)의 순서로 작동시킨 결과는 전력 소모의 증가로 인한 유효전력이 증가하였으며 역순으로 껐을 경우는 전력이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고조파는 어떤 상황을 발생시키는가?
전력 계통에서 발생하는 고조파는 전동기 등 기기 오동작 및 고장, 불필요한 전력 소모 등을 야기시킨다. 고조파 발생에 대한 근본적인 대책은 고조파 발생 원인을 찾아 제거하는 것이며 본 논문에서는 아날로그 디바이스사의 ADE7880을 이용하여 고조파 발생 원인을 실시간으로 파악할 수 있는 전력품질 측정장치를 제작하고 동작을 검증하여 다양한 전력 품질 측정 분야에 활용할 수 있도록 하였다.
고조파는 어떻게 나뉘는가?
전력 계통에서 발생하는 고조파는 Thyristor와 같은 비선형 전력변환장치에서 발생하는 일정 패턴의 예측 가능한 특정고조파(Characteristic Harmanics)와 아크 또는 조명기기 등에서 발생하는 고조파와 같이 불규칙한 특정고조파(Noncharacteristic Harmanics)의 두 가지로 대별되며 고조파의 발생 원인은 다음과 같다.[1]
참고문헌 (7)
윤기갑, 전력계통에서의 고조파 발생원인 및 영향, 전기학회논문집, 제50권, 제10호, 12-18쪽, 2001년 10월
민경찬, 전자파(EMC)환경공학, 한국기술연구소, pp 436, 2009년 11월
김경철, 전력계통 연계형 태양광 발전시스템의 고조파 및 플리커의 측정 및 분석에 관한 연구, 조명전기설비학회논문지, 제26권, 5호, 48-57쪽, 2012년.
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