신현진
(Hyun-Jin Shin)
1iD
최의성
(Eui-Song Choi)
2iD
지평식
(Pyeong-Shik Ji)
†iD
-
(Dept. of Electrical Engineering, Korea National University of Transportation, Korea
)
-
(DEWETRON Korea, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Energy Prosumer, Electrical Safety Diagnosis, Complex Diagnostic Equipment, Power Quality Analyzer, Analog DAQ module
1. 서 론
고유가 및 기후변화 협약 발효 등의 이유로 정부의 신재생 에너지 보급정책으로 인하여 에너지 프로슈머 시장이 활성화 되고 보급되면서, 에너지 프로슈머
전기설비 안전관리의 필요성이 증대되었다. 현재 전기설비의 안전점검은 그림 1과 같이 정기점검이나 사용자 요청기반으로 전기안전관리자의 방문점검을 통하여 이루어지며, 각 설비의 계측 요소들을 개별장비에서 데이터를 취득하여 점검하고,
조치하는 방법으로 이루어지고 있어 평상시 발생하는 문제의 징후를 파악하기 어려운 경우가 있다. 또한 에너지 프로슈머 설비에 대한 안전진단은 대부분
전기적 특성이나, 환경적 특성, 기계적 특성에 대하여 단일 요소에 대한 측정시스템이 대부분이며, 이로 인하여 설비별 특성의 상관관계에 대한 연구에
어려움이 있다(1-3).
이러한 문제를 해결하기 위해 그림 2와 같이 각 프로슈머 설비의 복합적 계측 요소를 취득하여 전기설비의 취득 데이터를 온라인을 통하여 상시로 데이터를 측정할 필요가 있다. 이벤트가 발생되면
문제점을 운영자 또는 관리자에게 1차 통보하여 알리고, 2차적으로 복합진단 시스템에서 사전분석을 통하여 판단하여 사전조치를 취한다. 최종적으로 고성능
복합진단 계측기기를 통하여 현장에서 정밀분석하여 문제점의 요인을 확인 및 대응 조치를 취하는 등의 서비스 제공이 필요하다.
그림 1 프로슈머 설비 안전 진단 개념도
Fig. 1 Diagram of prosumer facility safety diagnosis
그림 2 프로슈머 설비 모니터링 시스템 개념도
Fig. 2 Diagram of prosumer facility monitoring system
본 논문에서는 기존의 전력품질분석기에 기계적, 환경적 요소 데이터를 시각 동기화하여 수집하는 기능을 적용하여 에너지 프로슈머 설비 복합진단장비를 개발하고자
한다. 이를 위하여 프로슈머 설비 관련 표준을 분석하여 계측 요소를 정의하고, 진단 장비 개발을 위해 진단 장비 본체, 아날로그 데이터 수집 모듈,
제어 및 모니터링 프로그램을 개발하고자 한다.
2. 에너지 프로슈머 설비 복합진단장비 설계
2.1 프로슈머 설비 복합진단장비 개발을 위한 표준 분석
수용가가 보유하고 있는 프로슈머 설비는 신재생에너지, 에너지저장장치 등으로 구분할 수 있으며 국내 신재생 에너지 중 대부분이 태양광 발전으로 구성되어
있다. 각 프로슈머 설비의 진단요소는 전기적 요소와 기계적 요소, 환경적 요소로 구분할 수 있다. 전기적 요소는 IEC61000-4-30(전기자기적합성(EMC)-4-30부：시험
및 측정기술－전기품질 측정방법)에 전원품질 분석기 설계 기준이 제시되어 있으며, IEC 61000-4-7(전원 계통 및 연결기기의 고조파 측정 및
설치에 대한 일반 지침)에서 고조파 연산 방법에 대한 기준이 제시되어 있고 IEC61000-4-15(전기자기적합성(플리커 측정기-기능 및 설계사양)에서
플리커 측정기준이 제시되어 있다. 기계적 요소는 KS B 10816-6(100kW 초과 왕복동 기계의 진동기준)에 제시되어 있으며, 환경적 요소는
KS C IEC 62548(태양광 발전(PV) 어레이-설계요건)의 설계 기준에 의해 일사량 및 온도 측정방법 및 기준이 정의되어 있다.
2.2 에너지 프로슈머 설비 계측 요소
에너지 프로슈머 설비에 따라 계측 요소는 해당 설비의 규격이나 측정 결과에 영향을 미치는 요소에 따라 표 1과 같이 정의할 수 있다.
태양광 발전의 경우 일사량에 따라 발전량이 달라지며, 전기적 요소(AC, DC)와 환경적 요소인 일사량, 대기 온도, 표면 온도에 대한 측정이 필요하며,
기계적 요소로 하중에 대한 측정이 필요하다. 풍력발전의 경우 풍속에 따라 발전량이 달리지며, 전기적 요소(AC)와 환경적 요소인 풍속에 대한 측정이
필요하며, 기계적 요소에서 가속도, 소음, 진동에 대한 측정이 필요하다. ESS의 경우 전기적 요소(AC, DC)와 환경적 요소인 습도, 대기 온도에
대한 측정이 필요하다. EV 충전기의 경우 전기적 요소에 대하여 측정하며, 부하 설비의 경우 일반적인 수용가로 가정하여 전기적 요소와 함께 환경적
요소 중 온도에 대하여 측정한다. 한전 계통은 프로슈머 설비의 전기적 요소와 연관성을 연구하기 위하여 표 2와 같이 32가지 항목으로 분류하여 전기적 요소에 대하여 데이터를 측정하여 분석이 가능하도록 하여야 한다.(4-7)
표 1 에너지 프로슈머 설비의 종류별 계측 요소
Table 1 Measurement elements by type of energy prosumer
|
Contents
|
Electrical
element
|
Mechanical element
|
|
PQ
|
DC
|
Wight
|
Acceleration
|
Noise
|
Vibration
|
|
PV
|
O
|
O
|
O
|
|
|
|
|
Wind
|
O
|
|
|
O
|
O
|
O
|
|
ESS
|
O
|
O
|
|
|
|
|
|
EV Charger
|
O
|
O
|
|
|
|
|
|
Load
|
O
|
O
|
|
|
|
|
|
Grid
|
O
|
|
|
|
|
|
|
Contents
|
Environmental element
|
|
Environmental information
|
Temperature
|
|
Solar radiation
|
Wind speed
|
Humidity
|
Atmospheric temperature
|
Surface temperature
|
|
PV
|
O
|
|
|
O
|
O
|
|
Wind
|
|
O
|
|
|
|
|
ESS
|
|
|
O
|
O
|
|
|
EV Charger
|
|
|
|
|
|
|
Load
|
|
|
|
O
|
|
|
Grid
|
|
|
|
|
|
표 2 에너지 프로슈머 설비의 전력품질 측정 항목
Table 2 Energy Prosumer Power Quality Measurement List
|
No.
|
List
|
No.
|
List
|
|
1
|
channel
|
17
|
measurement uncertainty
|
|
2
|
declared input voltage, Udin
|
18
|
nominal voltage, Un
|
|
3
|
declared supply voltage, Uc
|
19
|
overdeviation
|
|
4
|
dip threshold
|
20
|
power quality
|
|
5
|
flagged data
|
21
|
root-mean-square values
|
|
6
|
flicker
|
22
|
r.m.s voltage refreshed each half cycle, Urms(1/2)
|
|
7
|
fundamental component
|
23
|
range of influence quantities
|
|
8
|
fundamental frequency
|
24
|
reference channel
|
|
9
|
harmonic component
|
25
|
residual voltage, Ures
|
|
10
|
harmonic frequency
|
26
|
sliding reference voltage, Usr
|
|
11
|
hysterisis
|
27
|
swell threshold
|
|
12
|
influence quantity
|
28
|
time aggregation
|
|
13
|
inter-harmonic component
|
29
|
underdeviation
|
|
14
|
inter-harmonic frequency
|
30
|
voltage dip(sag)
|
|
15
|
정전 interruption
|
31
|
voltage swell
|
|
16
|
interruption threshold
|
32
|
voltage unbalance
|
2.3 진단 장비 본체 설계
기존의 각각의 단일 요소를 측정할 수 있는 별도의 계측기를 활용하여 구성하는 경우 계측기별 데이터 취합을 위한 통신방법과 측정 결과의 시각동기화의
어려움으로 인하여 각 요소별 상관관계에 대한 연구에 오차가 발생할 수 있다.
따라서 에너지 프로슈머 설비의 복합진단 모니터링 시스템은 앞서 소개한 바와 같이 전기적 요소와 환경적 요소, 기계적 요소에 관하여 동시에 모니터링이
가능해야 한다. 전기적 특성을 측정하기 위한 전압과 전류 데이터 수집 모듈이 필요 하며, 환경적 요소를 측정하기 위해 저전압과 온도 데이터 수집 모듈이
필요하고, 기계적 요소를 측정하기 위해 브릿지와 가속도 데이터 수집 모듈이 필요하다. 각 데이터 수집 모듈은 설비의 환경에 따라 채널변경이 가능하도록
슬롯형으로 설계하였다.
프로슈머 설비의 복합진단 장비는 그림 3과 같이 계측기기 본체와 데이터 수집 모듈, CPU 등으로 구성된다. 계측기기 본체는 프로슈머 설비로부터 수집된 상태 정보를 실시간으로 복합진단시스템으로
전송이 필요하므로 컴퓨터 베이스로 데이터 수집 모듈을 슬롯 형식으로 연결하여 PCI 버스를 통하여 데이터를 취합할 수 있도록 설계하였다(8).
그림 3 계측기기 본체 블록 다이어그램
Fig. 3 Block diagram of Main Frame
2.4 데이터 수집 모듈 설계
데이터 수집 모듈은 아날로그 앰프와 디지털 변환장치로 구성되어 4, 5와 같이 전압과 전류 데이터 수집 블록다이어그램을 설계하였다. 전압 데이터 수집
모듈은 그림 4와 같이 측정 대상 설비의 임피던스가 증가할 경우를 고려하여 입력임피던스를 10MΩ으로 설계하였으며, 태양광 발전설비에 대한 진단이 가능하기 위해서
진단 장비의 ±1600V까지 측정할 수 있도록 설계하였으며, 입력받은 신호를 3rd Anti-aliasing filter를 적용하여 아날로그 신호의
왜곡을 차단 후 IEC61000-4-7를 규격을 기준으로 고조파 연산이 9kHz까지 가능하도록 진단 장비의 분해능과 샘플링 주파수는 24bit, 144kS/s로
설계 하였다.
그림 5 에서는 전류 데이터 수집 모듈의 Block Diagram을 나타냈으며, 다양한 설비에 적용할 수 있도록, Direct Current, Rogowski
Coil, Clamp Sensor의 센서 입력을 사용하여 측정할 수 있도록 설계하였다.
그림 4 전압 데이터 수집 모듈 블록 다이어그램
Fig. 4 Block diagram of voltage channel DAQ(data acquisition) module .
그림 5 전류 데이터 수집 모듈 블록 다이어그램
Fig. 5 Block diagram of current channel DAQ(data acquisition) module.
3. 시제품 제작
3.1 진단 장비 본체 제작
그림 6에서는 제작한 진단 장비 본체를 나타낸다. 그림 6에서 보는 바와 같이 데이터 수집 모듈을 슬롯 형태로 4개 슬롯의 삽입이 가능하도록 구성하여 프로슈머 설비의 형태에 따라 채널을 변경하기 위해 사용된다.
PC 인터페이스를 기반으로 제작하여 복합진단 시스템에 데이터를 전송하기 위한 Ethernet단자가 사용되며, 모니터링 상태를 확인하기 위한 HDMI
단자와 유지보수 및 로컬 데이터 획득을 위해 USB 단자를 나타낸다.
그림 6 진단 장비 본체
Fig. 6 Main Frame
3.2 아날로그 데이터 수집 모듈 제작
그림 7에서는 제작한 아날로그 데이터 수집 모듈을 나타낸다. 그림 7과 같이 데이터 수집 모듈은 슬롯 형태로 구성하여 전면부 패널에 아날로그 측정 신호를 연결할 수 있는 단자이며, 전압 데이터 취득 단자 4개와 전류
데이터 취득 단자 4개로 구성되어 있으며, 각 데이터 수집 모듈은 취득한 아날로그 신호를 24bit 144kS/s의 신호로 변환하여 진단 장비 본체로
연결된다.
그림 7 아날로그 데이터 수집 모듈
Fig. 7 Analog DAQ(Data Acquisition) Module
3.3 디지털 변환장치 및 FPGA 제작
그림 8에서는 디지털 변환장치와 FPGA의 블록다이어그램을 나타낸다. 그림 8과 같이 데이터 수집 모듈에서 수집된 아날로그 데이터를 디지털 신호로 변환하여 FPGA로 연결된다. FPGA에서 498차 FIR Filter를 적용하여
측정 신호를 디지털 필터 처리 후 SDRAM에 임시저장한다. 임시저장된 데이터는 DMA에서 제어하여 PCI 버스를 통해 진단 장비 본체로 전송이 된다.
그림 8 아날로그/디지털 변환장치 및 FPGA 블록 다이어그램
Fig. 8 Block diagram of Analog/Digital converter and FPGA
3.4 시제품 시험 프로그램 제작
그림 9에서는 진단 장비 본체와 데이터 수집 모듈간의 동작시험을 수행하는 제어 시험 프로그램을 나타낸다. 진단 장비 본체에 연결된 데이터 수집 모듈에 대한
정보를 표시하는 기능을 갖으며, 아날로그 신호의 데이터 수집상태에 대한 시험동작과 연결상태를 확인하는 기능을 한다. 펌웨어 업그레이드에 대한 기능을
갖는다.
그림 9 데이터 취득 모듈 시험 프로그램
Fig. 9 DAQ Module Test Program
4. 실증시험센터 구축
4.1 프로슈머 설비 실증시험센터 구성
그림 10에서는 프로슈머 설비 복합진단장비를 시험하기 위한 프로슈머 실증시험센터를 나타낸다. 태양광 발전 6kW, 풍력발전 1.5kW, ESS 10kW, EV
Charger를 설치하고, 해당 건물을 일반적인 수용가로 가정하여 프로슈머 설비의 실증시험 센터를 구성하였다.
그림 11에서는 프로슈머 설비 복합진단장비를 시험하기 위해 시험 컨테이너에 배전반을 구성하여 각 프로슈머 설비의 전압과 전류 입출력을 계측하고, 그림 11과 같이 기계적, 환경적 요인을 복합적으로 계측할 수 있도록 센서를 연결하여 시험을 수행하였다.
그림 10 프로슈머 설비 실증시험센터 구성도
Fig. 10 Diagram of Prosumer facility demonstration plants testing center
4.2 실증 시험 결과
그림 11에서는 프로슈머 실증시험센터의 측정데이터를 수집하고 모니터링하는 프로그램을 나타낸다. 각 프로슈머 설비로부터 측정된 전기, 기계적, 환경적 데이터를
저장하여 모니터링하는 기능을 갖는다. 각 설비의 전기적 측정 신호의 벡터 다이어그램과 고조파 그래프, 현재값과 추세 그래프를 시각화하여 프로슈머 설비를
모니터링하는 기능을 갖는다.
그림 11 프로슈머 설비 진단 장비 모니터링
Fig. 11 Diagram of Prosumer facility demonstration plants testing center
그림 12 태양광 발전 일사량 대비 출력 전력 분석
Fig. 12 solar irradiation against the output power analysis
그림 13 태양광 발전 일사량 대비 출력 전압, 전류 분석
Fig. 13 Solar irradiation against the output voltage & current analysis
그림 14 태양광 발전 일사량 대비 출력 전압, 전류 분석
Fig. 14 Solar irradiation against the output voltage & current THD analysis
그림 15 태양광 발전 일사량, 대기온도, 하중 패턴 분석
Fig. 15 PV solar irradiation, atmospheric temperature, load pattern analysis
그림 12는 프로슈머 설비 진단 장비의 태양광 발전 설비의 일사량 대비 출력전력의 시험 결과를 나타낸다. 일사량과 비교하여 유효전력, 무효전력, 피상전력이
비례하여 동작하는 것을 확인하였다.
그림 13은 일사량 대비 태양광 모듈의 DC 출력 전압, 전류의 시험 결과를 나타낸다. 일사량과 비교하여 태양광 모듈의 DC 전류가 비례하는 것을 확인하였다.
그림 14는 유효전력대비 전압과 전류 THD의 시험 결과를 나타낸다. 전압 THD의 경우 계통의 전압 THD를 따라 거의 일정하게 유지되지만, 전류 THD는
유효전력과 비교하여 반비례 하는 것을 확인하였다.
그림 15는 프로슈머 태양광 발전 설비의 환경적 특성과 기계적 특성을 비교한 결과이다. 특수한 상황에서의 유의미한 데이터 패턴을 보이진 않았지만, 향후 프로슈머
설비의 전기적 출력, 환경적, 기계적 요소에 대한 데이터를 누적을 통하여 태양광 발전설비의 안정성 예측에 대한 연구자료로 활용될 예정이다.
5. 결 론
본 논문에서는 프로슈머 설비 복합진단장비를 개발하였다. 진단 장비는 진단 장비 본체, 데이터 수집 모듈, 데이터 수집 및 모니터링 프로그램으로 구성되어
있다. 진단 장비 본체는 데이터 수집 모듈을 연결하고 취합하여, 프로슈머 설비 복합진단 시스템으로 데이터를 전송하는 기능을 하도록 개발하였다. 데이터
수집모듈은 전압과 전류와 같은 다양한 측정값을 디지털 신호로 변환하여 진단 장비 본체로 전송하는 기능을 한다. 마지막으로 데이터 수집 및 모니터링
프로그램을 통하여 측정제어 및 측정 결과를 시각화하였다. 향후 개발된 진단 장비와 프로슈머 실증시험센터의 데이터를 활용하여 향후 전기사고 전조 징후
파악 및 사고 예방을 위한 조기 진단 기술 개발에 대한 연구를 하고자 한다.
Acknowledgements
본 연구는 2020년도 산업통상자원부의 재원으로 산업기술혁신사업 에너지기술개발사업의 지원을 받아 수행한 연구과제입니다. (20191210301940)
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저자소개
2010년 충북대학교 전기공학과 졸업(공학사)
2015년 동 대학원 전기공학과 졸업(공학석사)
현재 한국교통대학교 대학원 전기공학과 박사과정, (주)데베트론코리아 선임 연구원
E-mail : hjshin@dewetron.co.kr
2007년 한세대학교 정보통신공학 졸업(공학석사)
2016년 부산대학교대학원 융합학과 졸업(공학박사)
현재 한국태양에너지학회 기술이사, (주)데베트론코리아 상무이사
E-mail : system@dewetron.co.kr
1994년 충북대학교 대학원 전기공학과 졸업(공학석사)
1998년 동대학원 전기공학과 졸업(공학박사)
현재 대한전기학회 평의원, 한국교통대학교 전기공학과 교수
E-mail : psji@ut.ac.kr