[논문]16비트 신호처리 프로세서 기반 유효성분 누설전류 감지 알고리즘 구현

한영오

doi:10.13067/jkiecs.2016.11.6.605

16비트 신호처리 프로세서 기반 유효성분 누설전류 감지 알고리즘 구현
The Implementation of Active Leakage Current Detecting Algorithm based on 16 bit Signal Processor 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.11 no.6, 2016년, pp.605 - 610

초록
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누전차단기는 전기재해로 인한 사고를 미연에 방지하기 위해 사용되는 유일한 방법이다. 그러나 기존의 누전차단기는 15mA~30mA의 차단범위에서 합성 누설전류를 검출하여 동작하기 때문에 저항성 누설전류에 의해 발생하는 화재 및 인체감전으로 인한 인명 및 재산피해를 미연에 방지하는데 한계가 있다. 또한 용량성 누설전류에 의한 오동작으로 인한 생산성 감소 및 신뢰성 등의 문제를 가지고 있다. 본 연구에서는 기존 누전차단기의 문제를 해결하기 위해 위상차를 측정을 통하여 유효성분(저항성) 누설전류를 감지할 수 있는 알고리즘을 개발하였고, 감지된 누설전류를 기술표준규격에서 규정하는 0.03초 이내에 차단을 할 수 있도록 16 bit 신호처리 프로세서인 MSP430 프로세서를 사용하여 유효성분 누설전류 감지 알고리즘을 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The ELCB(: Earth Leakage Circuit Breaker) is the only way being used to prevent accidents from happening caused by electrical disaster. However, the existing ELCB has a limit to prevent damages to life and property due to a electric fire and a human body electric shock caused by the resistive leakage current, because of detecting the total leakage current in the block range of 15mA~30mA. It also has problems such as reduced productivity and reliability due to malfunctions by capacitive leakage currents. In this study, we have implemented the algorithm for the resistive leakage current detection technique and developed the resistive leakage current detection module based on a MSP430 processor, 16bit signal processor and this module can be operated in a desired block threshold within 0.03 seconds as specified in KS C 4613.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 화재, 인체감전을 일으키는 누전차단기의 한계를 인식하고, 누전차단기가 가지고 있는 위험성을 보완하기 위해서 저항성 누설전류 검출 기법을 이용하여 알고리즘을 개발하였다. 제안된 저항성 누설 전류 검출 알고리즘을 16 bit 신호처리 프로세서인 MSP430에서 프로그램으로 구현하였다.

제안 방법

03초 이내에 차단해야 되기 때문에 복합신호처리 프로세서인 MSP430F47187을 사용하였다. MSP430F47187에서 저항성 누설전류를 검출하기 위해서 저항성 누설전류 검출 모듈에는 전압 검출부 회로와 변류기와 영상변류기(Zero Phase Current Transformer, ZCT)를 통해 검출된 각각의 전압, 전류 및 합성 누설전류가 AD컨버팅된 값을 가지고 제안된 알고리즘을 이용해 저항성 누설전류를 검출한다.
제안된 저항성 누설 전류 검출 알고리즘을 16 bit 신호처리 프로세서인 MSP430에서 프로그램으로 구현하였다. 구현된 저항성 누설전류 검출 및 차단 알고리즘은 차단 임계값을 임의로 조정이 가능하며 KS C 4613에서 규정하는 차단시간 0.03초 이내에 차단 임계값을 초과하면 자동적으로 저항성 누설전류를 차단하도록 설계하였다.
03초 이내에 차단하는지 실험하였다. 그림 4와 같이 6.5mA의 저항성 누설전류, 20.0mA의 용량성 누설전류 즉, 합성 누설전류 20.0mA를 통과시키고 영상변류기에 오실로스코프의 1번 채널을 연결해 저항성 누설전류의 파형을 확인하고 2번 채널은 릴레이에 신호가 나오는 부분에 연결하여 저항성 누설전류가 차단되는 파형을 확인하였다.
그림 3은 유효성분 누설전류 검출을 위한 알고리즘의 순서도이다. 먼저 전원전압을 검출하고 영교차점을 검출한 뒤, ZCT에서 입력되는 합성 누설전류와 연산 처리하여 저항성 누설전류 I_gr을 구한다. 연산 처리를 통해 구해진 저항성 누설전류가 임계값보다 크면 릴레이를 차단하고, 차단임계값보다 작으면 통과시킨다.
본 연구에서는 위상차 측정을 이용한 저항성 누설 전류 검출기법을 기반으로 알고리즘을 개발하고, 제안된 알고리즘을 16bit 신호처리 프로세서인 MSP430에서 프로그램으로 구현하였다.
본 연구에서는 위상차를 통한 저항성 누설전류 검출 기법을 이용하여 저항성 누설전류 검출 알고리즘을 개발하고, 개발한 알고리즘을 MCU에 프로그램으로 구현해 합성 누설전류에서 저항성 누설전류를 검출한다. 본 연구에 사용된 MCU는 MSP430F47187로서 전압과 전류의 샘플링을 동시에 할 수 있는 복합 신호처리 프로세서이다[7].
본 연구에서는 인체에 영향을 미칠 수 있는 저항성 누설전류인 6mA를 차단 임계값으로 설정하고, 표준 안전규격인 0.03초 이내에 차단하는지 실험하였다. 그림 4와 같이 6.
본 연구에서는 화재, 인체감전을 일으키는 누전차단기의 한계를 인식하고, 누전차단기가 가지고 있는 위험성을 보완하기 위해서 저항성 누설전류 검출 기법을 이용하여 알고리즘을 개발하였다. 제안된 저항성 누설 전류 검출 알고리즘을 16 bit 신호처리 프로세서인 MSP430에서 프로그램으로 구현하였다. 구현된 저항성 누설전류 검출 및 차단 알고리즘은 차단 임계값을 임의로 조정이 가능하며 KS C 4613에서 규정하는 차단시간 0.

이론/모형

본 연구에서는 저항성 누설전류 검출 알고리즘 개발을 위하여 위상차 측정을 이용한 누설전류 검출기법을 사용하였다. 전압검출부에서 검출된 전압을 기준 전압으로 하여 영상변류기에서 측정한 누설전류에 용량성 누설전류의 성분이 흐를때 위상차 θ를 산출한 다음, 벡터 분해 공식을 이용하여 저항성 누설전류를 분리 및 산출하는 매우 신뢰성 있는 방식으로 고조파가 발생하는 환경에서도 측정값의 오차가 거의 없는 방법이다.
장시간 배터리 수명을 요구하는 작은 기기, 모바일 디바이스, 의료기기에 이르기까지 다양한 용도에 많이 사용되고 있다. 연구에서는 전압과 전류를 동시에 샘플링하여 전력을 구하고 빠른 연산을 통해 저항성 누설전류를 0.03초 이내에 차단해야 되기 때문에 복합신호처리 프로세서인 MSP430F47187을 사용하였다. MSP430F47187에서 저항성 누설전류를 검출하기 위해서 저항성 누설전류 검출 모듈에는 전압 검출부 회로와 변류기와 영상변류기(Zero Phase Current Transformer, ZCT)를 통해 검출된 각각의 전압, 전류 및 합성 누설전류가 AD컨버팅된 값을 가지고 제안된 알고리즘을 이용해 저항성 누설전류를 검출한다.
전압검출부에서 검출된 전압을 기준 전압으로 하여 영상변류기에서 측정한 누설전류에 용량성 누설전류의 성분이 흐를때 위상차 θ를 산출한 다음, 벡터 분해 공식을 이용하여 저항성 누설전류를 분리 및 산출하는 매우 신뢰성 있는 방식으로 고조파가 발생하는 환경에서도 측정값의 오차가 거의 없는 방법이다. 이 방법은 실효치 계산, 위상차, 역률계산을 CPU에서 직접 처리해야 되기 때문에 고가의 MCU가 필요하지만 프로그램을 통해 저항성 누설전류 검출이 가능하고 추가적으로 전력량과 용량성 누설전류도 구하는 것이 가능하여 위상차 측정을 이용한 저항성 누설전류 검출 기법을 사용하였다[8-9].

성능/효과

본 연구에서 개발된 저항성 누설전류 검출 모듈과 기존의 누전차단기의 특성실험에서는 저항성 누설전류 검출 모듈이 KS C 4613 한국공업규격을 바탕으로 설계된 누전차단기보다 화재사고에 대해 더 안전한 특성을 지니는 것을 확인하였고, 인체감전 실험에서는 6mA의 차단 임계값을 설정하고 한 실험에서는 UL규격의 GFCI와 같은 인체감전 보호용 누전차단기와 같은 차단특성을 보이는 것을 확인하였다.
따라서 마이크로프로세서를 이용한 소프트웨어적인 방법은 적분을 이용한 방법으로 전류와 전압을 마이크로프로세서의 A/D port를 이용하여 측정 후, 전압과 전류를 한 주기 동안 300uS로 54번 전후로 샘플링 하여 구한 후 이의 곱으로 이루어지는 부분을 +부분과 -부분으로 정리하여 이를 합한 후 순수하게 남는 부분은 유효전력 P = VIcosΘ이고 cosΘ = P/VI이므로 역률(Power Factor)을 구한다. 본 연구에서는 영점이 검출된 이후로 한 주기를 샘플링한 값을 연산하여 저항성 누설전류를 구하므로, 그림 1과 같이 검출시간은 이론적으로 최소 16.67mS의 시간을 가진다.
차단시간의 정확성을 확인하기 위해 30번의 차단실험을 반복하였을 때, 26ms∼30ms 사이에서 동작하는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	누전차단기는 어떠한 목적으로 사용하는가?	누전차단기는 전기재해로 인한 사고를 미연에 방지하기 위해 사용되는 유일한 방법이다. 그러나 기존의 누전차단기는 15mA~30mA의 차단범위에서 합성 누설전류를 검출하여 동작하기 때문에 저항성 누설전류에 의해 발생하는 화재 및 인체감전으로 인한 인명 및 재산피해를 미연에 방지하는데 한계가 있다.
	기존의 누전차단기의 한계는 무엇인가?	누전차단기는 전기재해로 인한 사고를 미연에 방지하기 위해 사용되는 유일한 방법이다. 그러나 기존의 누전차단기는 15mA~30mA의 차단범위에서 합성 누설전류를 검출하여 동작하기 때문에 저항성 누설전류에 의해 발생하는 화재 및 인체감전으로 인한 인명 및 재산피해를 미연에 방지하는데 한계가 있다. 또한 용량성 누설전류에 의한 오동작으로 인한 생산성 감소 및 신뢰성 등의 문제를 가지고 있다.
	국내의 누전차단기의 차단 용량 규정은 어떻게 되어 있는가?	각 국가마다 누전차단기의 차단 용량에는 차이가 있으며, 유럽의 RCCB(: Residual Current Circuit Breaker)의경우 30mA 합성 누설전류 이고, 북미의 GFCI(: Ground Fault Circuit Interrupt)는 6mA의 저항성 누설전류로 제한하고 있다[2-3]. 국내에서는 한국공업규격 KS C 4613에 의해 일반장소 30mA, 습기장소 15mA 이하의 누설전류를 0.03초 내에 차단하도록 규정 되어있다[4-5]. 그러나 일반적으로 대략 10∼20mA의 저항성 누설전류가 흐르면 줄열이 발생해 화재가 일어나고 5mA 이상의 저항성 누설전류는 접촉크기와 시간에 따라 인체에 악영향을 미친다.

참고문헌 (9)

Y. Han and D. Kim, "The development of a android application for intelligent outlets," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 9, no. 4, 2013., pp. 447-452.
K. Ban, K. Yoon, J. Park, M. Nam, and N. Kim, "The design of control algorithm for leakage current detection and blocking," Int. and Control Proc., 2003, pp. 417-420.
C. Shoi, H. Kim, and D. Kim, "Flame Spread and Damaged Properties of RCD Cases by Tracking," IEEE Trans. PE, vol. 127, no. 1, 2007, pp.321-326

상세보기
Korea Industrial Standards, KS C 4613, Korea Industrial Standards Association, 2006.
IEC 61009-1 : Residual current operated circuit-breakers with integral over current protection for household and similar uses(RCBO's) : General rules, 2002.
Y. Go, "The Arc Fault Determination Method for the Electric Fire Prevention," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, Vol. 3, No. 4, pp. 260-265, 2008.
Texas Instruments, "MSP430x4xx Family User's Guide," Texas Instruments Document, pp. 1-946, 2013.
Y. Han, "The development of a Leakage Current Detection Module for outlets," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 9, no. 4, 2013, pp. 447-452.
S. Ham, S. Han, and C. Go, "The New Earth Leakage Breaker Operating with Resistive Leakage Current," J. of the Korean Institute of Electrical Engineerings, vol. 57, no. 2, 2008, pp. 198-207.

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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