[논문]아크고장 검출 기능을 가지는 지능형 분전반 개발

고윤석; 이서한

doi:10.13067/jkiecs.2016.11.1.59

아크고장 검출 기능을 가지는 지능형 분전반 개발
Development of the Intelligent Switchgear Prototype with Arc Fault Detection Capability 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.11 no.1, 2016년, pp.59 - 64

초록
AI-Helper

본 논문에서는 주택의 전기화재 방지를 위해 아크고장전류로부터 아크 진단 기능을 가지는 지능형 분전반이 개발된다. 지능형 분전반의 주 제어장치는 단상전력관리를 지원하는 단상 전력관리 장치와 아크전류로부터 아크 고장을 진단하기 위한 아크 진단 장치로 구성된다. 본 논문에서는 단상 전력관리 장치와 아크진단장치의 시작품이 설계, 제작되며, 전기화재의 원인을 분전반으로부터 원격 서버 시스템에 전송하기 위해서 주제어장치와 아크 고장 진단 장치와의 연동기능이 개발된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper aims at the prototype-making of the intelligent switchgear with arc fault diagnosis function required to prevent the electrical fire. The main control unit of the intelligent switchgear consists of a single-phase power management device and a arc fault diagnosis device. The prototype of the single-phase power management device and the prototype of the arc fault diagnosis device in this paper. In the device, the cooperation function with the arc fault diagnosis device is developed to transmit the cause of the electrical fire to the remote server system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 아크고장진단기능을 가지는 지능형 분전반을 개발하는 것을 기본 목표로 하며, 수용가 전기사용을 관리하기 위한 단상전력관리 장치, 아크고장전류로부터 아크고장을 검출하기 위한 아크고장진단 장치의 시작품을 제작하고 아크고장여부를 원격서버에 전송하기 위한 연동 기능이 개발된다.
본 연구에서는 전기 수용가의 단상전력을 관리하기 위한 단상 전력관리 장치, UL1699에 의해 아크고장전류로부터 아크고장을 검출하기 위한 아크고장진단 장치의 시작품을 제작하고[10-11] 단상전력 관리정보는 물론, 아크고장여부를 원격서버에 전송하기 위한 주제어장치와 아크고장진단장치 간의 연동 기능이 개발되었다.
본 연구에서는 전기 수용가의 단상전력을 관리하기 위한 단상 전력관리 장치, 아크고장전류로부터 아크고장을 검출하기 위한 아크고장진단 장치의 시작품을 제작하였다.
본 연구에서는 지능형 분전반의 주 제어장치 중 단상전력관리 장치의 신뢰성을 확보하기 위해 기본회로를 수차례 제작, 디버깅하였다. 다음, 검증된 기본회로를 바탕으로 PCB를 실험적으로 제작, 프로그램을 적용한 후, 성능을 검증 및 보완하여 완성도를 제고하였으며, 이를 기반으로 최종적인 시작품들을 개발하였다.

제안 방법

단상 전력관리 장치에서 전력신호처리기는 전류센서 CT와 전압센서 회로로부터 전류신호 i(t), 전압신호 v(i)를 받아 전압 실효값 VRMS, 전류 실효값 IRMS, 피상전력 P, 유효전력 Pr, 그리고 유효전력량 (에너지) 데이터 E를 주기적으로 기록한다. 그리고 마이크로프로세서는 주기적으로 단상전력 신호 처리기로부터 전력정보를 얻어 내부 처리를 거친 후, EEPROM에 기록하고 LCD에 디스플레이하며 필요에 따라 주택 또는 원격 관리 시스템에 인터넷을 통해 제공하도록 설계한다.
본 연구에서는 지능형 분전반의 주 제어장치 중 단상전력관리 장치의 신뢰성을 확보하기 위해 기본회로를 수차례 제작, 디버깅하였다. 다음, 검증된 기본회로를 바탕으로 PCB를 실험적으로 제작, 프로그램을 적용한 후, 성능을 검증 및 보완하여 완성도를 제고하였으며, 이를 기반으로 최종적인 시작품들을 개발하였다. 그림 5는 본 연구에서 시험 제작된 지능형 분전반의 단상 전력관리 장치의 시작품 사진을 보인다.
디지털 분전반[8-9]과는 달리 전원부에 하나의 과전류 차단기를 두고 분전반 주 제어장치를 설치한다. 다음으로 각 분기선로에 누전 차단기를 설치하여 각 분기선로로부터 과부하 또는 누전 발생 시 회로를 차단하도록 설계한다. 또한, 각 차단기들은 자체 동작기능은 물론, 외부 디지털 신호에 의해서 동작되는 구조를 가지도록 설계함으로서 전원을 On/Off하기 위한 릴레이를 요구하지 않는다.
단상 전력관리 장치에서 전력신호처리기는 전류센서 CT와 전압센서 회로로부터 전류신호 i(t), 전압신호 v(i)를 받아 전압 실효값 VRMS, 전류 실효값 IRMS, 피상전력 P, 유효전력 Pr, 그리고 유효전력량 (에너지) 데이터 E를 주기적으로 기록한다. 그리고 마이크로프로세서는 주기적으로 단상전력 신호 처리기로부터 전력정보를 얻어 내부 처리를 거친 후, EEPROM에 기록하고 LCD에 디스플레이하며 필요에 따라 주택 또는 원격 관리 시스템에 인터넷을 통해 제공하도록 설계한다.
또한 자기 동작성능을 확인할 수 있도록 테스트 버튼을 설계, 테스트 버튼이 눌러질 경우, 내장된 아크고장 파형을 기반으로 아크 고장판단 기법에 근거하여 아크고장 여부를 판단 출력 핀에 출력하도록 설계, 구현한다. 단상전력관리 장치는 기본적인 전력관리 업무이외에 아크고장진단 장치의 출력 핀을 주기적으로 감시, 아크고장으로 판단되는 경우 그 결과를 인터넷을 통해 주택 또는 원격지에 위치하는 원격 관리시스템에 제공하도록 설계한다. 주택 아크고장판단 장치에서 프로세서는 암 코어 기반의 32비트 마이크로프로세서가 채택되며, 아크고장 파형의 데이터 신호처리를 위한 AD컨버터로는 아날로그 디바이스사의 12비트 ADC가 채택된다.
마이크로프로세서는 샘플링된 데이터를 수집하여 아크고장판단 기법에 근거하여 아크고장 여부를 판단, 그 결과를 아크 출력 핀에 출력, 차단기(외부 명령에 의해서 동작하는 동작 메커니즘을 가지는 MCCB)에 회로 차단 명령을 내리거나 단상전력관리 장치로 하여금 아크고장여부를 확인할 수 있도록 한다. 또한 자기 동작성능을 확인할 수 있도록 테스트 버튼을 설계, 테스트 버튼이 눌러질 경우, 내장된 아크고장 파형을 기반으로 아크 고장판단 기법에 근거하여 아크고장 여부를 판단 출력 핀에 출력하도록 설계, 구현한다. 단상전력관리 장치는 기본적인 전력관리 업무이외에 아크고장진단 장치의 출력 핀을 주기적으로 감시, 아크고장으로 판단되는 경우 그 결과를 인터넷을 통해 주택 또는 원격지에 위치하는 원격 관리시스템에 제공하도록 설계한다.
본 논문에서 제안하는 주택 아크고장 검출능력을 가지는 지능형 분전반의 주 제어장치는 그림 3과 같이 단상전력 관리 장치와 연동되도록 설계된다[7].
본 연구에서는 제안된 아크고장 진단장치의 시작품이 설계, 제작되었다. 아크고장 진단알고리즘은 멀티-퍼셉트론 구조를 가지는 인공신경회로망을 이용하여 구현되었으며[12-14], 직병렬, 아크고장발생장치로부터 수집된 아크고장 파형들을 학습하여, 아크고장을 검출할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 제안된 아크고장 진단장치의 시작품이 설계, 제작되었다. 아크고장 진단알고리즘은 멀티-퍼셉트론 구조를 가지는 인공신경회로망을 이용하여 구현되었으며[12-14], 직병렬, 아크고장발생장치로부터 수집된 아크고장 파형들을 학습하여, 아크고장을 검출할 수 있도록 하였다. 제안된 아크진단 장치는 32비트 프로세서와 12비트 AD 컨버터로 설계, 구현되었다.
아크고장 진단알고리즘은 멀티-퍼셉트론 구조를 가지는 인공신경회로망을 이용하여 구현되었으며[12-14], 직병렬, 아크고장발생장치로부터 수집된 아크고장 파형들을 학습하여, 아크고장을 검출할 수 있도록 하였다. 제안된 아크진단 장치는 32비트 프로세서와 12비트 AD 컨버터로 설계, 구현되었다.
프로세서와 AD 컨버터 사이에는 SPI 통신을 통해 양방향 통신이 가능하도록 하였다. 특히, 자체의 아크진단 성능을 검증하기 위해서 테스트버튼이 설계되었으며, 분전반과 연동을 통해서 아크진단 결과를 TCP/IP 컨버터를 통해 원격 관리 시스템에 보고할 수 있도록 연동기능이 설계, 구현되었다.
아크고장 진단알고리즘은 다층 퍼셉트론 구도를 가지는 인공신경회로망을 이용하여 구현되었다. 특히, 제안되는 아크고장진단 장치는 개발된 단상 전력관리 장치와 연동이 가능하도록 설계, 제작되었다. 아크고장진단 장치는 출력 핀의 상태를 “1”에서 "0“으로 변화시켜, 단상전력관리 장치로 하여금 아크 고장발생 사실을 원격관리시스템에 전송하도록 함으로서 아크고장진단 및 단상전력관리 장치와의 연동능력을 확인할 수 있었다.
프로세서와 AD 컨버터 사이에는 SPI 통신을 통해 양방향 통신이 가능하도록 하였다. 특히, 자체의 아크진단 성능을 검증하기 위해서 테스트버튼이 설계되었으며, 분전반과 연동을 통해서 아크진단 결과를 TCP/IP 컨버터를 통해 원격 관리 시스템에 보고할 수 있도록 연동기능이 설계, 구현되었다.

이론/모형

본 연구에서는 전기 수용가의 단상전력을 관리하기 위한 단상 전력관리 장치, 아크고장전류로부터 아크고장을 검출하기 위한 아크고장진단 장치의 시작품을 제작하였다. 아크고장 진단알고리즘은 다층 퍼셉트론 구도를 가지는 인공신경회로망을 이용하여 구현되었다. 특히, 제안되는 아크고장진단 장치는 개발된 단상 전력관리 장치와 연동이 가능하도록 설계, 제작되었다.

성능/효과

아크고장진단 장치는 출력 핀의 상태를 “1”에서 "0“으로 변화시켜, 단상전력관리 장치로 하여금 아크 고장발생 사실을 원격관리시스템에 전송하도록 함으로서 아크고장진단 및 단상전력관리 장치와의 연동능력을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지능형 분전반의 주 제어장치는 어떤 구성으로 이루어져 있는가?	본 논문에서는 주택의 전기화재 방지를 위해 아크고장전류로부터 아크 진단 기능을 가지는 지능형 분전반이 개발된다. 지능형 분전반의 주 제어장치는 단상전력관리를 지원하는 단상 전력관리 장치와 아크전류로부터 아크 고장을 진단하기 위한 아크 진단 장치로 구성된다. 본 논문에서는 단상 전력관리 장치와 아크진단장치의 시작품이 설계, 제작되며, 전기화재의 원인을 분전반으로부터 원격 서버 시스템에 전송하기 위해서 주제어장치와 아크 고장 진단 장치와의 연동기능이 개발된다.
	지능형 분전반의 설계 상 특징은 무엇인가?	디지털 분전반[8-9]과는 달리 전원부에 하나의 과전류 차단기를 두고 분전반 주 제어장치를 설치한다. 다음으로 각 분기선로에 누전 차단기를 설치하여 각분기선로로부터 과부하 또는 누전 발생 시 회로를 차단하도록 설계한다. 또한, 각 차단기들은 자체 동작기 능은 물론, 외부 디지털 신호에 의해서 동작되는 구조를 가지도록 설계함으로서 전원을 On/Off하기 위한 릴레이를 요구하지 않는다. 특히, 주제어장치가 단상 전력관리 장치와 아크고장진단 장치로 설계된다. 그림 1에서 CT(: Current Transformer)는 전류의 크기를 얻기 위한 전류센서를 표시하고, ZCT(: Zero Sequence Transformer)는 누전감지를 위해 요구되는 영상전류 크기를 얻기 위한 영상전류 센서를 표시한다.
	아크고 장전류가 가진 한계는 무엇인가?	일반적으로 전기화재는 과부하나 누전에 의해서 발생하는 것으로 인식되어왔으나 미국의 소방안전협회 자료에서 알 수 있듯이 전기화재의 상당 비율이 아크 고장에 해당함을 확인할 수 있다[1-2]. 하지만 아크고 장전류는 그 크기가 부하전류의 크기와 비슷하고 간헐적 특성을 가지며 발생시점도 예측하기 어렵기 때문에, 부하전류나 영상전류의 실효값 크기에 근거하여 고장을 차단하는 기존의 차단기 메커니즘으로는 고장 판단에 의한 차단이 불가능하다.

참고문헌 (14)

L. Smith and J. Mah, "Revised Residential Fire Loss Estimates 1980-1998," U. S. Consumer Product Safety Commission, Division of Hazard Analysis, Directorate Epidemiology, Oct. 1998.
U.S. FEMA, "Residential Building Electrical Fires(2009-2011)," Topical Fire Report Series, Vol. 14, No. 13, March 2014.
G. Gregory, K. Wong, and R. Dvorak, "More About Arc-Fault Circuit Interrupters," IEEE Trans. Industry Applications, vol. 40, no. 4, July/August 2004, pp. 1006-1011.

상세보기
W. Middendorf, "Successful Performance of the High Current Arc Ignition Test," IEEE Trans. Electrical Insulation, vol. EI-17, no. 5, Oct. 1992.
G. Ban and N. Kim, "Arc Fault Current Interrupter Design for Electrical Fire Protection," J. of the Korean Institute of Electrical Engineering, vol. 56D, no. 5, May 2006, pp. 220-224.
Y. Ko, "The Arc Fault Determination for the Electric Fire Prevention," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 3, no. 4, Dec. 2008, pp. 275-281.
Y. Ko, S. Lee, H. Choi, and H. Lee, "The Development of the Single-Phase Electric Power Information Management Module of the Intelligent Electrical Switchgear Panel with Arc Fault Diagnosis function," Proc. of the 2009 Summer Korean Institute of Electrical Engineering Conf., Pyeongchang, Korea, July. 2009, pp. 2256-2257.
Y. Ko, H. Kim, and S. Yun, "Development of the Ubiquitous-based Intelligent Digital Switchgear Panel for Home Automation," J. of the Korean Institute of Electrical Engineering, vol. 57, no. 5, May 2008, pp. 741-747.
Y. Ko and H. Shin, "The Prototype-Making of a Three-Phase Power Management Device for the Industrial Switchgear," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 5, no. 5, Oct. 2010, pp. 498-503.
Y. Ko, "Development of the Intelligent itchgear for the Prevention of the Electrical Fire - PART I : The Prototype-Making of a Single-Phase Power Management Device," Proc. of Int. Conf. on Electronic Information and Communication 2015, vol. 9, no. 1, Goesan, Korea, June 2015, pp. 359-361.
Y. Ko, "Development of the Intelligent Switchgear for the Prevention of the Electrical Fire - PART II : The Prototype-Making of Arc-Fault Diagnosis Device", Proc. of Int. Conf. on Electronic Information and Communication 2015, vol. 9, no. 1, Goesan, Korea, June 2015, pp. 362-365.
S. K. Mitra, Digital Signal Processing : A Computer-Based Approach. McGraw-Hil.
D. Feucht, "Pattern Recognition : Basic Concepts and Implementations," Computer Design, Dec. 1968, pp. 57-68.
D. Rumelhart, G. Hinton, and R. Williams, "Learning Internal Representations by Error Propagation," In Parallel Distributed Processing: Exploration in the Microstructure of Cognition, vol. 1 : Foundations, MIT Press, 1987.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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