3상 전자식 전력량계(저압) 계측원리

3상 전자식 전력량계(저압) 계측원리 

 

 

우리나라에서는 유도형인 기계식 전력량계가 개발되어 오랫동안 사용되어 왔다. 그러나 산업의 발달에 따른 전력사용의 증가로 전력수급 조절을 위한 수요관리의 필요성이 대두되면서 다기능을 갖춘 전자식 전력량계의 도입이 불가피 해 짐에 따라, 1993년에 전자식 전력량계를 도입·사용하기 시작하였으며, 현재에는 고압고객을 대상으로 전자식 전력량계를 부설하고 있다.

현재 전력량계 제조업체를 중심으로 전자식 전력량계의 본격적인 사용 확대에 대비하여 전자식 전력량계 및 관련기술의 개발에 노력하고 있으며, 전력회사에서도 수요관리의 강화를 위해 저압용 전자식 전력량계 채택을 검토하고 있어 전자식 전력량계의 사용이 더욱 늘어날 전망이다.

고압용 전자식 전력량계는 대한전선, 서창전기, LG산전 등의 계기업체에서 완제품 국산화하였으나, 계기 내부의 핵심부품인 반도체소자 등은 아직 외국에서 수입·사용하고 있는 실정이며, 전자식 계기용 ASIC칩(주문형반도체)은 국산화 개발에 착수한 상태로 가까운 시기에 개발이 완료될 전망이다. 반면에 저압용 전자식 전력량계는 아직 전력회사에서 채택·사용되지 않고 있으나 관련업계에서 연구·개발이 진행중이며, 한전과 협력업체가 공동으로 개발하고 있어 머지 않아 시제품이 생산될 전망이다. 따라서 개발이 진행중인 제품의 계측 및 동작원리를 간단히 소개하면 다음과 같다.

 

1. 전력 계측 원리

가. RMS 전력량 계측

그림 1과 같이 전압과 전류를 일정 시간 간격으로 샘플링한 다음 전압과 전류의 순시치를 승산한다. 승산한 결과를 합하면 소비된 에너지 Ws가 된다.

이를 수식으로 표현하면 다음 식과 같다.

 

<그림 1 전압전류의 셈플링과 전력과의 관계>

 

True RMS 전력량 계측 방식은 실제 파형의 형태를 샘플링하여 전력량으로 표현하므로 파형의 종류에 의존하지 않고 정확한 전력계측이 가능하고 H/W부품에 의한 승산 방식이 아니므로 온도의 영향이 적다. 따라서 최근의 디지털 반도체 및 소프트웨어 기술발전과 함께 가장 널리 사용되는 방식이다.

나. RMS 방식의 전력계측 동작 흐름도

RMS 방식의 간단한 동작 흐름도는 아래 그림 2에 나타낸 바와 같다. 측정된 전압과 전류신호를 샘플링한 뒤 두 신호의 순시치를 곱하여 한주기 또는 임의의 주기동안 합하여 전력을 구한다. 여기에서 구한 전력의 값에 비례한 펄스 형태의 주파수를 발생하는 주파수 변환기를 거쳐 계기의 정밀도를 측정할 수 있는 시험용 오차를 출력하고, 또한 펄스를 임의의 시간 간격으로 누적하여 디맨드 및 사용전력량을 산출하고 필요한 내용을 LCD표시기에 표시하여 나타내기도 한다.

<그림 2 RMS 방식의 전력계측 동작의 흐름도>

 

 

2. 동작원리

개발중인 제품은 그림 3과 같이 크게 6개 부분으로 구성되어 있으며 동작원리는 다음과 같다.

가. 전원회로

전원 회로부는 전원 트랜스, 정류회로, 정전 보상부로 구성되는 것으로 전원트랜스의 1차측은 전원측에 연결되고, 그 출력은 정류회로에 바로 인가되며, 정류회로는 입력된 교류전압을 정류하여 직류 5V를 생성하여 회로부의 동작 전원으로 사용된다. 또한 정전 보상부는 정전시에 계량기의 각종 데이터 및 전자시계를 유지하기 위해 공급되는 보조 동작 전원이다.

나. 전압 변환부

전압 변환부는 전류신호와 승산하여 전력을 계산하기 위한 신호로서 전력계산을 실행하는 DSP의 ADC(Analog Digital Converter)에서 처리할 수 있도록 220V의 전압을 이에 비례한 소정의 미소전압으로 변환하여 주는 회로이다. 전압신호는 부하의 크기에 상관없이 항상 거의 일정한 값을 가지는 신호이다. 계량기에서 사용하는 전압 변환부는 저항 분압 회로를 사용하는 방식이다.

<그림 3 Block Diagram>

 

다. 전류 변환부

전류 변환부는 전압신호와 승산하여 전력을 계산하기 위한 신호로서 전력계산을 실행하는 DSP의 ADC(Analog Digital Converter)에서 처리할 수 있도록 부하전류에 비례한 소정의 미소전압으로 변환하여 주는 회로이다.

전류신호는 전압신호와는 다르게 부하의 크기에 따라서 값이 변하는 성분이다. 이 제품은 CT를 이용하여 전류변환을 하고 있으며 일반적으로 많이 사용하는 전류 sensing방법 중의 하나이다. 계기의 오차 등급(class 1.0)에 합당한 CT를 사용하였다. CT(current transformer)는 비오차(ratio error)와 위상각 오차(phase angle error) 2종류의 error발생 요인이 있으며 계기의 오차는 이 2가지 error요소의 결합으로 나타난다.

라. CPU 주변회로

CPU는 계기가 동작하는데 중추적인 역할을 하는 부분으로 다음과 같은 하드웨어적인 특징을 가지고 있다.

또한 CPU가 수행하는 주요한 동작은 첫째, ADC 기능으로 CPU 내부에 별개의 6채널 ADC를 내장하고 있어, 전압신호 변환부와 전류 신호 변환부로부터 입력된 아날로그 신호를 14bit의 ADC를 통해 디지털 신호로 변환한다.

둘째, 전압과 전류에 해당하는 디지털 신호를 이용 승산하여 전력을 산출한다. 여기서 산출된 전력은 이에 비례한 주파수를 가진 펄스형태로 변환되어 일정시간 간격(15초)으로 저장한다. 이 때 주의하여야 할 내용은 가장 기본자료를 전력의 형태로 저장하지 않고 펄스의 형태로 저장하는 것과 15초 간격으로 저장된 자료를 이용하여 15분 디맨드도 연산하고, 15초 간격의 자료 240개를 합하면 1시간동안 사용한 전력량을 산출할 수도 있다.

셋째, 메모리에 관한 내용으로 계량기 동작을 위하여 사용되는 펌웨어(firmware)를 저장하기 위한 32kbyte 내장 ROM이 있고, 사용한 전력량, 디맨드 등 계량데이타 저장을 위한 1024Byte의 RAM을 가지고 있다.

(1) 16 bit DSP core (2) 27개의 명령어로 동작 (3) 또한 다음의 기능을 Chip에 내장하고 있음 : LCD Driver, 14 bit ADC(Analog Digital Converter), ROM, RAM

 

넷째, 데이터 값의 표시용 LCD이다. 자료를 표시하기 위하여 모듈형 LCD를 사용한 경우는 모듈에 LCD Driver IC가 취부 되어 있지만, 독자적으로 개발한 LCD 또는 일반 panel형 LCD는 CPU에서 보내준 digital자료를 LCD화면에 볼 수 있도록 나타내기 위해서는 LCD Driver가 필요하게 된다.

다섯째, 계기에는 날짜, 시간을 표시할 수 있는 기능을 구비하고 있다. 시계기능을 구현하기 위해서 전원 주파수(line frequency)를 이용하는 방법, RTC(real time clock)를 사용하는 방법 및 CPU에서 분주하여 시계 기능을 구현하는 방법이 있다. 이 제품은 CPU에서 문주하여 시간을 생성하는 방법을 사용하도록 설계 및 개발하고 있다.

시계기능의 정확도를 좌우하는 가장 기본요인은 시계회로를 이루는 부품 중의 하나인 크리스탈의 정밀도이다. 크리스탈은 온도 의존성과 전압변동 의존성이 높아 시계의 정밀도에 영향을 줄 수 있으므로 10PPM 이내의 X-tal을 사용하고 있다.

마, 조작 스위치부 회로

개발중인 계기는 계기에 환경설정, 시간입력 등을 위한 별도의 자료 입력기가 필요없이 동작한다. 따라서 필요한 자료를 계기에 입력하기 위하여 조작 스위치를 구비토록 개발하고 있다. 조작 스위치는 시간대별 요금제 종류를 자유롭게 설정하는 한편 시간설정 및 수정과 자동검침일 수정 등이 가능하다.

바. 정전 보상용 밧데리 감시회로

정상적으로 사용하던 계량기에 언제 정전이 발생할지 모른다. 따라서 정전이 발생하더라도 지금까지 동작하여 계량된 자료의 보존 및 시계기능의 유지를 위하여 정전보상 회로를 구비하여야 한다. 또한 일반 정전 보상회로의 차원을 넘어 100일 이상의 정전이 발생하여도 정전되기 이전의 자료를 보존할 수 있는 저 소비전력 회로를 구현하는 것이 필요하다. 정전 보상용 밧데리를 감시하는 밧데리 감시부는 잔여 밧데리 전압이 일정 수준 이하로 떨어지는 경우 CPU에 밧데리 저전압 신호(Battery Low Voltage)를 전달하여, CPU가 자료 표시용 LCD에 밧데리 저전압 오류를 표시하는 기능을 제공한다.

 

결 론

기술적 차원에서 보면 지금까지 국내에서 개발된 전자식 전력량계는 그 핵심부분인 전력계측 부분을 자체개발하지 않고 전용칩을 수입해 사용하여 왔으며 더욱이 전력계측 부분과 계량부분을 분리하여 별도의 칩을 사용하여 왔다.

그러나 위에서 소개한 개발중인 전자식 전력량계는 신호처리용 칩 1개만을 사용하여 전력계측 부분과 계량부분을 일체화하였고 연구를 통해 초신 디지털 신호처리 기술을 이용하여 전력계측용 핵심 프로그램을 완전 국산화하고 있다. 따라서 이 기술은 다른 전자식 전력량계의 개발에도 기술파급 효과가 클 것으로 예상된다.

전자식 전력량계는 시간대 구분 계량, 역률 측정 기능, 최대수요전력 계측 등 다기능을 보유하고 있어 수요관리를 위해 도입되고 있으나 기계식 계기에 비해 가격경쟁력을 갖추는 것이 무엇보다도 중요하다. 개발중인 이 전력량계는 여러개의 고가의 전용칩을 사용하던 것을 1개의 표준칩을 사용함에 따은 원가절감 효과가 있어 기계식 계기와 원가경쟁이 가능할 것으로 생각된다.

개발이 완료되어 저압용 3상 전자식 전력량계가 생산되어 사용되면 저압고객에도 시간대 구분 요금제도를 채택할 수 있게 되어 수요관리에 많은 효과를 거둘 수 있을 것이며, 전력계측 및 계량분야의 기술축적 효과도 클 것으로 기대된다.