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전력 품질 모니터링(제2부)
표준을 준수하는 전력 품질 미터 설계 고려사항

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글/호세 멘디아(Jose Mendia), 제품 애플리케이션 담당 선임 엔지니어, 아나로그디바이스

이 글에서는 개발을 가속화할 수 있도록 즉시 사용 가능한 플랫폼을 사용하여, 표준을 준수하는 전력 품질(PQ) 측정기를 효율적으로 설계할 수 있는 방법에 대해 설명한다. 이와 함께 전력 품질 모니터링 기기의 개발 시간과 비용을 크게 줄여주는 새로운 클래스 S 전력 품질 측정 통합 솔루션을 포함하여 클래스 A 및 클래스 S 미터 설계를 위한 다양한 솔루션들도 소개한다. ‘전력 품질 모니터링 제1부: 표준을 준수하는 전력 품질 측정의 중요성’에서는 IEC 표준에 정의된 전력 품질과 전력 품질 파라미터를 확인할 수 있다.

전력 품질 솔루션 구현과 관련한 다양한 과제들

그림 1은 전력 품질 측정을 위한 계측 장비 설계에 필요한 기본적인 부품들을 보여준다. 먼저, 전류 및 전압 트랜스듀서는 기기의 동작 범위를 고려하고 입력 신호를 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 입력의 동적 특성에 맞춰 조정해야 한다. 전통적인 트랜스듀서는 측정의 불확실성을 유발하는 1차 원인이므로 올바른 제품 선택이 매우 중요하다. 다음으로, 신호는 ADC로 이동하는데, 오프셋, 이득, 비선형성 오차와 같은 개별 특성들이 불확실성의 2차 원인이 된다. 전력 품질 측정기 설계에서 이러한 기능에 맞는 적합한 ADC를 선택하는 데에는 까다로운 작업을 필요로 한다. 마지막으로, 입력 신호로부터 전기 및 전력 품질 측정을 위한 일련의 신호 처리 알고리즘을 생성해야 한다.

[그림 1] 전력 품질 측정을 위한 계측기의 주요 부품들

전압 및 전류 트랜스듀서

전력 품질 측정기의 위치와 애플리케이션에 따라 공칭 공급 전압(UNOM)과 공칭 전류(INOM), 그리고 주파수가 달라진다. 기기가 측정하는 공칭값과 별개로, IEC 61000-4-7 표준은 전력 품질 측정기가 표 1에 제시된 정확도를 달성할 것을 요구한다. 따라서 측정기가 정확도 요구사항을 만족하도록 하는 트랜스듀서를 선택해야 한다.

IEC61000-4-7 표준은 다음의 공칭 전압(UNOM) 및 공칭 전류(INOM)에 따라 입력 회로를 설계할 것을 권장한다. 

• 50Hz 시스템의 경우: 66V, 115V, 230V, 400V, 690V

• 60Hz 시스템의 경우: 69V, 120V, 240V, 277V, 347V, 480V, 600V

• 0.1A, 0.2A, 0.5A, 1A, 2A, 5A, 10A, 20A, 50A, 100A

이 외에도, 전압과 전류 측정을 위한 트랜스듀서는 1.2× UNOM 및 INOM을 연속으로 인가할 때 특성과 정확도를 변함없이 유지해야 한다. 공칭 전압의 4배 또는 1kV rms 중 적은 값이 측정기에 1초 동안 인가되어도 어떠한 손상이 발생하지 않아야 한다. 마찬가지로 10× INOM 전류가 1초 동안 인가되어도 손상을 일으켜서는 안 된다.

아날로그-디지털 컨버터(ADC)

IEC 61000-4-30 표준에는 샘플링 레이트에 대한 최소 요구사항이 명시되어 있지 않지만, ADC는 몇몇 빠르게 변화하는 전력 품질 현상을 측정하기에 충분한 샘플링 레이트를 가져야 한다. 만약 샘플링 레이트가 충분하지 않다면 전력 품질 이벤트가 잘못 분류되거나 검출되지 못할 수 있다. IEC 61000-4-30 표준에 따르면 기기의 전압 및 전류 센서는 최대 9kHz에 적합해야 한다. 따라서 ADC의 샘플링 주파수는 최대 9kHz의 주파수 성분에 대한 측정을 수행하도록 신호 분석의 규칙에 맞춰 선택해야 한다. 그림 2는 샘플링 레이트가 충분하지 않을 때의 결과를 보여준다. 

왼쪽 위 파형에는 10주기(200ms)당 64개의 샘플이 포함되고, 오른쪽 위 파형에는 10주기당 1024개의 샘플이 포함된다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 왼쪽 위 그래프는 전압강하 이벤트를, 오른쪽 위 그래프는 전압강하가 유도된 과도 현상을 각각 보여준다.

IEC 표준은 단상 및 3상 시스템에 적용되므로, 선택된 ADC는 필요한 수의 전압과 전류 채널을 동시에 샘플링 할 수 있어야 한다. 기기의 모든 전압과 전압 채널을 동시에 측정하면 모든 파라미터를 검사하고 전력 품질 이벤트가 발생할 때 즉시 트리거할 수 있다.

디지털 신호 처리(DSP)

전력 품질 측정을 위한 트랜스듀서와 ADC를 선택하는 데 상당한 엔지니어링 노력이 필요하다고 하더라도, 전력 품질 기기 제작 작업에서 대부분의 시간과 자원을 차지하는 것이 ADC 측정 알고리즘 개발 작업이라는 것은 의심할 여지가 없다. 표준을 준수하는 기기를 구현하려면 올바른 DSP 하드웨어를 선택하고, 파형 샘플에서 전력 품질 파라미터를 계산하는 알고리즘을 개발한 다음, 적절한 테스트까지 수행해야 한다. 표준은 계산뿐만 아니라 클래스 A의 경우 24시간 주기당 ±1초 미만, 클래스 S의 경우 24시간 주기당 ±5초 미만의 시간 정확도로 다양한 시간별 집계를 필요로 한다. 이러한 알고리즘은 고조파 분석을 수행해야 한다. 

또한 전력 품질 파라미터는 고속 푸리에 변환(FFT) 분석(고조파, 차수간 고조파, 주 신호 전압, 불평형)에 의존하기 때문에 구현하기가 까다롭다. FFT 분석은 최소 200ms(10주기)당 1024개 샘플로 파형을 샘플링해야 한다. 이 ADC로부터 읽어낸 파형을 필요한 레이트로 재샘플링하려면 고조파 왜곡과 앨리어싱이 발생하지 않도록 주의해야 한다.

알고리즘이 개발된 다음, IEC 표준은 기기가 완전한 인증을 받기 위해 통과해야 하는 400가지 이상의 광범위한 테스트 목록을 요구한다. 그림 3은 DSP 시스템이 전력 품질 측정을 생성하는 데 필요한 가장 관련성 높은 기능을 표시한 블록 다이어그램을 보여준다.

[그림 3] DSP 전력 품질 시스템의 관련 기능을 나타낸 블록 다이어그램

IEC 61000-4-30 클래스 A를 위한 다채널 동시 샘플링 ADC

클래스 A 전력 품질 측정기를 개발하는 데 요구되는 정확도, 채널 수 및 샘플링 레이트 요건을 고려할 때, 신호 체인/시스템의 ADC 변환에는 AD777x 및 AD7606x 제품군이 권장된다. 이 솔루션은 입력 신호로부터 디지털화된 미가공 데이터만 제공한다는 사실에 유의할 필요가 있다. 인증된 전력 품질(PQ) 측정을 얻기 위해서는 DSP 시스템을 개발해야 한다.

AD777x 제품군 시그마-델타 ADC

AD777x는 8채널, 24비트 동시 샘플링 ADC 디바이스 제품군이다. 이 8채널의 풀 시그마-델타(∑-Δ) ADC는 16kSPS/32kSPS/128kSPS의 샘플링 레이트를 온칩으로 제공한다. AD777x의 입력은 낮은 전류에서도 동작하므로 센서에 직접 연결할 수 있다. 각 입력 채널에는 1, 2, 4, 8의 이득을 허용하는 프로그래밍 가능한 이득 스테이지가 있어 더 낮은 진폭 센서 출력을 풀스케일 ADC 입력 범위에 매핑할 수 있으므로 신호 체인의 동적 범위를 극대화한다. AD777x는 1V ~ 최대 3.6V까지의 VREF 전압과 0V ~ 2.5V 또는 ±1.25V의 아날로그 입력 범위를 받아들인다. 아날로그 입력은 트루 차동, 의사 차동 또는 단일 종단 신호를 수용하도록 구성할 수 있어 다양한 센서 출력 구성과 일치시킬 수 있다. 

또한 샘플 레이트 컨버터가 제공되므로 AD7770에서 미세하게 분해능을 제어할 수 있으며, 라인 주파수의 0.01Hz 변화에서도 일관성(coherency)을 유지하기 위해 ODR 분해능이 필요한 애플리케이션에서 사용할 수 있다. AD777x는 또한 5kHz(AD7771의 경우는 10kHz)의 큰 신호 입력 대역폭을 제공한다. 데이터 출력 및 SPI 통신 인터페이스가 제공되며, SPI 라인은 시그마 델타 변환 데이터를 바로 출력하도록 구성할 수도 있다. 작동 온도 범위는 -40℃ ~ +105℃이며, 3.3V 또는 ±1.65V의 전원 공급으로는 최대 +125℃까지 작동한다.

그림 4는 전류 트랜스포머를 전류 트랜스듀서로 사용하고 전압에 저항 분배기를 사용하는 전력 품질 측정기를 위한 AD777x ADC 제품군의 일반적인 3상 애플리케이션 시스템 다이어그램을 보여준다.

[그림 4] AD777X 및 AD7606x ADC 제품군의 전력 품질 3상 애플리케이션 시스템 다이어그램

AD7606x 제품군 16/18비트 ADC 데이터 수집 시스템

AD7606x는 8채널의 16/18비트, 동시 샘플링, 아날로그-디지털 데이터 수집 시스템(DAS)을 제공한다. 각 채널마다 아날로그 입력 클램프 보호, 프로그래밍 가능 이득 증폭기(PGA), 저역 통과 필터, 그리고 16/18비트 연속 근사 레지스터(SAR) ADC가 포함되어 있다. AD7606x는 또한 유연한 디지털 필터, 낮은 드리프트, ADC 구동을 위한 2.5V 정밀 레퍼런스 및 레퍼런스 버퍼, 그리고 유연한 병렬 및 직렬 인터페이스를 포함한다.

AD7606B는 단일 5V 전원으로 동작하며, 모든 채널에 대해 800kSPS(AD7606B)/1MSPS(AD7606C)의 처리 속도로 샘플링하는 경우 ±10V, ±5V 및 ±2.5V의 트루 바이폴라 입력 범위를 수용한다. 입력 클램프 보호 기능을 지원하므로 사용자 선택이 가능한 아날로그 입력 범위(±20V, ±12.5V, ±10V, ±5V, ±2.5V)에서 다양한 전압을 허용한다. AD7606x는 단일 5V 아날로그 전원을 필요로 한다. 또한 단일 전원 동작, 온칩 필터링, 높은 입력 임피던스가 특징으로, 바이폴라 전원을 필요로 하는 연산 증폭기가 필요하지 않다.

소프트웨어 모드에서 다음과 같은 향상된 기능을 사용할 수 있다.

• 추가적인 오버샘플링(OS) 옵션, 최대 OS × 256

• 채널당 시스템 이득, 시스템 오프셋, 시스템 위상 캘리브레이션 

• 아날로그 입력 개방 회로 검출기 

• 진단 멀티플렉서

• 모니터링 기능: SPI 유효하지 않은 읽기/쓰기, CRC (cyclic redundancy check), 과전압 및 저전압 이벤트, 사용 중 멈춤 모니터, 리셋 검출

그림 4는 전류 트랜스포머를 전류 트랜스듀서로 사용하고 전압에 저항 분배기를 사용하는 전력 품질 측정기를 위한 AD7606x ADC 제품군의 일반적인 3상 애플리케이션 시스템 다이어그램을 보여준다.

ADI의 사전 인증된 IEC 클래스 S 전력 품질 솔루션

ADE9430은 호스트 마이크로컨트롤러 상에서 실행되는 ADSW-PQ-CLS 소프트웨어 라이브러리와 결합되는 높은 정확도의 완전 통합 다상 에너지 미터링 IC로서, IEC 61000-4-30 클래스 S 표준을 준수하는 완벽한 솔루션이다. 이처럼 높은 통합 수준은 전력 품질 모니터링 제품의 개발 시간과 비용을 크게 줄여준다. 

ADE9430 + ADSW-PQ-CLS 솔루션은 데이터 수집과 계산 엔진을 긴밀하게 통합하여 에너지 및 전력 품질 모니터링 시스템의 구현과 인증을 간소화한다. 그림 5는 전류 트랜스포머를 전류 트랜스듀서로 사용하고 전압에 저항 분배기를 사용하는 전력 품질 측정기를 위한 ADE9430 + ADSW-PQ-CLS 솔루션의 3상 애플리케이션 시스템 다이어그램을 보여준다.

[그림 5] ADE9430 및 ADSW-PQ-CLS 전력 품질 3상 시스템 다이어그램

ADE9430 클래스 S 전력 품질 아날로그 프런트 엔드

7개의 입력 채널이 있는 ADE9430은 단일 3상 시스템 또는 최대 3개의 단상 시스템에서 사용할 수 있다. 이 제품은 전류 측정을 위해 외부 아날로그 적분기가 추가된 전류 트랜스포머(CT) 또는 로고스키 코일(Rogowski coil)을 지원한다. 또한 전력 품질 모니터링 및 에너지 측정을 위한 아날로그 프런트 엔드도 통합하고 있다. ADE9430은 이와 유사한 아날로그 및 계측 성능을 제공하는 ADE9000 및 ADE9078과 핀 호환이 가능하다. ADE9430의 주요 특징은 다음과 같다:

• 7개의 고성능 24비트 시그마-델타 ADC

• 101dB SNR

• 넓은 입력 전압 범위: ±1V, 이득 = 1에서 707mV rms 풀스케일

• 차동 입력

• 클래스 0.2 정확도 계측

• 1주기 rms, 라인 주파수, 제로 크로싱, 향상된 계측

• 파형 버퍼

• 연속 재샘플링 데이터: 10/12라인 주기당 1024포인트

• 50Hz 및 60Hz의 기본 주파수를 지원하는 향상된 계측

• 유효(active) 에너지 표준 지원: IEC 62053-21 및 IEC 62053-22; EN 50470-3 OIML R46; ANSI C12.20

• 무효(reactive) 에너지 표준 지원: IEC 62053-23, IEC 62053-24

• 고속 통신 포트: 20MHz SPI

ADSW-PQ-CLS 소프트웨어 라이브러리

ADSW-PQ-CLS 소프트웨어 라이브러리는 ADE9430과 통합하도록 특별히 설계되어 표준을 준수하는 IEC 61000-4-30 클래스 S 전력 품질 측정을 생성하며, 클래스 S 기기용으로 IEC 61000-4-30에서 정의한 모든 파라미터를 구현한다. 사용자는 어떤 전력 품질 파라미터를 사용할 것인지 결정할 수 있다. 이 라이브러리는 낮은 CPU/RAM 리소스를 필요로 하며, 코어/OS에 구애받지 않는다(최소 Arm® Cortex®-M). 지원되는 MCU 아키텍처에는 Arm Cortex-M0, Cortex-MO+, Cortex-M1, Cortex-M3 및 Cortex-M4가 포함된다. 

최종 사용자를 위해, 이 라이브러리는 Keil Microvision, IAR Embedded Workbench 버전 8.x 또는 ADI의 CrossCore® Embedded Studio와 호환되는 CMSIS-PACK 파일(.pack)로 제공된다. 소프트웨어 라이브러리의 라이선스는 ADE9430 구매 시 포함된다. 라이브러리와 기능을 평가할 수 있도록 PC 직렬 CLI(command line interface) 예제가 제공된다. 그림 6은 전력 품질 파라미터가 이 CLI에 의해 어떻게 표시되는지 보여준다.

ADE9xxx 제품군 전력 품질 기능 요약

ADE9430 평가 키트

EVAL-ADE9430ARDZ는 ADE9430 및 ADSW-PQ-CLS 전력 품질 라이브러리를 사용하여 에너지 및 클래스 S 전력 품질 시스템을 빠르게 평가하고 프로토타이핑할 수 있게 해준다. 전력 품질 라이브러리와 애플리케이션 예제가 제공되므로 대형 시스템을 간단히 구현할 수 있으며, 3상 전기 시스템을 테스트하는 데 쉽게 사용할 수 있는 플러그 앤 플레이 방식의 경험을 제공한다.

이 평가 키트는 다음과 같은 하드웨어 특성을 제공한다:

• 전류 트랜스포머 입력 

• 고전압/전류 입력

• 공칭 240V rms(전위 분배기 사용)

• 최대 80A rms(제공되는 CT 센서 사용 시)

• 2.5kV 절연

• 온보드 RTC로 타임스탬프 측정

• IEC 61000-4-30 클래스 S에 대해 사전 인증됨(사용자 보정 필요)

• Arm Cortex-M4 MCU 상에서 실행되는 ADSW-PQ-CLS 라이브러리 및 예제 애플리케이션

• 전력 품질 파라미터의 구성과 로깅을 위한 직렬 CLI - PC 

그림 7은 PC로 EVAL-ADE9430ARDZ를 사용하는 데 필요한 연결을 보여준다.

EVAL-ADE9430ARDZ는 4개의 전류와 3개의 전압 + 중성 입력 커넥터가 있는 PCB, 온보드 ADE9430, 절연기, 실시간 클럭, ADSW-PQ-CLS 라이브러리의 예제 애플리케이션이 포함된 Cortex-M4 STM NUCLEO-413ZH 개발 보드, 그리고 3개의 전류 센서로 구성된다.

ADE9430 + ADSW-PQ-CLS 솔루션은 IEC 61000-4-30 클래스 S 표준의 요구사항에 따라 전력 품질 파라미터를 정확하게 측정하는 것으로 인증되었다.

[그림 7] PC에 연결된 EVAL-ADE9430ARDZ의 다이어그램

결론

표준을 준수하는 전력 품질 미터를 설계하는 것은 어려운 작업이다. ADE9430 + ADSW-PQ-CLS는 설계자가 IEC 61000-4-30 클래스 S 표준을 준수하는 전력 품질 측정기를 개발하는 데 필요한 시간과 엔지니어링 자원을 줄일 수 있도록 즉시 사용이 가능한 플랫폼으로서, 개발을 가속화하고 많은 중요한 설계 과제를 해결할 수 있는 완벽한 솔루션을 제공한다. 

[참고문헌]

[1] “IEC 61000-4-30:2015: Electromagnetic Compatibility (EMC)-Part 4-30: Testing and Measurement Techniques-Power Quality Measurement Methods.” International Electrotechnical Commission, February 2015.

leekh@seminet.co.kr
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