[교안] e-Test Professionals Excel 2010
LabVIEW를 이용한 TCP/IP 기반 분산전원 모니터링 시스템
LabVIEW를 이용한 TCP/IP 기반 분산전원 모니터링 시스템 전력계통은 시대의 발달과 더불어 그 다양성과 복잡성이 증 가하고 있으며, 고도의 기술 집약적 형태로 변해감에 따라 고 신뢰성 및 고품질의 전력공급에 대한 요구가 그 어느 때보다도 높다. 이에 본 논문에서는 LabVIEW와 AVR을 활용하여 저렴 하고 간단한 모니터링 시스템을 구축함으로써 지속적으로 전력 선 데이터를 취득, 저장, 표시가 가능하다. 제안된 시스템은 분 산전원에 관한 데이터를 원격으로 전송 받아 전력망의 상태를 종합적으로 분석하는 시스템 구조를 가진다. 위 내용의 타당성 을 입증하기 위하여 시작품을 통한 검증을 수행하였다. 1. 서 론 최근 국내 산업의 발전과 더불어 인버터, 가변속 구동장치, 정류기 등 전력변환을 이용한 기기의 사용이 증대되고 있다. 이와 같이 전력변환 장치를 이용한 기기의 사용 증가에 따라 부하 전류에 많은 고조파를 비롯한 전력 품질을 저하시키는 요 인이 증가하고 있다. 고조파를 비롯한 전력품질을 저하시키는 요인들은 부하기기의 오동작 및 과열을 야기하여 전기안전사고 로 이어질 수 있다.[1] 스위칭 방식을 이용한 전력 전자기기의 사용 증가에 따른 수용가의 전력 설비는 더욱 더 복잡해지고 다양해지고 있어 이 에 따른 순간전압강하, 순간전압상승, 순간정전, 플리커, 고조파 등의 전력품질 문제가 발생하고 있다. 전력품질의 문제는 설비 사고를 유발하며 설비에서 발생하는 사고는 정전등의 파급사고 로 이어져 수용가의 경제적 피해에 따른 비용은 상당히 크게 된다. 이러한 이유로 인하여 전기설비의 신뢰성은 매우 중요하 다고 할 수 있다.[2] 수용가의 전기설비의 전력품질 진단시 사용되는 전력품질분 석기로 일반기업 등에서는 관련 장비를 개발하고 관련 프로그 램을 제작하여 사용하고 있다. 그러나 국외에서 제조한 장비이 거나 통일성이 부족하고 장비의 가격이 고가이기 때문에 기술 자들이 편리하고 수월하게 적용하기 곤란한 면이 있고 일부 소 수의 기술자들만이 계측기를 활용하고 측정된 데이터를 분석하 고 있다. 따라서 본 논문에서는 가격이 저렴하고 제어가 간편한 ATMEGA2560을 사용하여 활용도와 접근성을 높이고 LabVIEW로 작성된 모니터링 시스템을 사용하여 분석결과 및 2.시스템의 구성 2.1 전체 시스템 본 논문에서 제안하는 시스템 구성은 클라이언트(Client)와 서버(Server)로 구분할 수 있으며, 클라이언트의 경우 분산 전 원의 데이터를 수집하여 서버로 전송하는 부분으로 교류 전압 센서, ATMEGA2560 모듈, Serial to TCP/IP 모듈로 구성되어 있다. 또한, 서버는 클라이언트에서 전송된 데이터를 TCP/IP 통신으로 받아 디스플레이, 저장, 알람, 상태표시 기능을 수행 하는 모니터링 부분이다. 2.2 시스템 구성 요소 2.2.1 AC Voltage Sensor 전압센서는 분산 전원에서 출력되는 전압에 따라 비례적으 로 전류를 발생한다. 생성된 전류는 외부 저항값에 따라 전압 값으로 바뀌며 전압센서의 구조는 그림 1과 같다. 본 논문에서 는 단상 220V의 전압을 센싱하기 위해서 1차측 R'에 110㏀을 구성하여 2차측에 2mA의 전류값을 얻었고, 사인파형의 2차측 R의 양단전압 700mV를 얻기위해 270Ω을 구성하였다. 내용을 파악하여 전력품질분석 업무에 활용을 용이하게 하는데 그 목적이 있다. 그림 1. 교류 전압센서 Fig.1 AC voltage sensor 전압 센서의 출력 파형은 순시치 ±700mV 크기를 갖는 사인 파형으로 그림 2와 같이 RC 필터를 거쳐 노이즈를 제거하고 OP-Amp를 이용하여 증폭되며 전압 분배에 의한 offset 전압 을 출력한다. 또한, 계통 전압과 동일한 극성을 갖기 위한 극성 검출 회로가 추가되어 있다. 525 넷에 연결시켜주는 모듈형 Serial to TCP/IP 컨버터이다. 인터 넷 데이터 전송 프로토콜인 TCP/IP 데이터를 자동으로 처리하 기 때문에 TCP/IP 기능이 없는 사용자 장비를 인터넷(TCP/IP 망)에 연결할 수 있으며, EZL-50R-E의 성능은 아래와 같다. 표 1 EZL-50R-E Serial to TCP/IP 모듈 사양 Table 1 Specifications of EZL-50R-E module 전 원5V (±10%) 메모리 Flash - 64K, SRAM - 32K 프로토콜 TCP, UDP, IP, ICMP, ARP, DHCP, PPPoE 그림 2. 전압센싱 및 전압증폭 회로도 Fig.2 Voltage sensing and voltage amplification circuit 2.2.2 ATMEGA2560 Module 전력품질 분석을 위한 시스템의 메인 컨트롤러는 ATMEL 사의 ATMEGA2560 칩을 사용하여 ADC, Timer Interrupt, RS-232, PWM 기능을 구현하고 RMS(Root Mean Square) 값 을 계산하였다. 실효값 RMS는 전력품질에 결정적인 영향을 미 치는 여러 가지 지수중의 하나이며, 전압강하 또는 전압상승의 판단기준으로 사용된다. 그 크기와 지속시간에 따라 여러 가지 로 정의되어지고, 전력계통 내의 순시전압 또는 순시전류 신호 v(t)의 실효값은 식 (1)과 같다. (1) 2.2.4 Monitoring System 본 논문에서 제안된 모니터링 시스템은 사용자의 접근이 편 또한, 프로그램적으로 계산된 RMS 값은 RS-232 통신을 이 용하여 Serial to TCP/IP 모듈로 보내어지게 되며 실시간으로 RMS값을 LCD에 출력한다. 리한 GUI(Graphical User Interface)를 제공하기 위해서 LabVIEW를 사용하였고, 데이터의 측정 및 분석에 적절하게 고안되어 있어 네트워크 기반의 측정을 가능하게 해준다. 이러 한 기능들을 이용하여 손쉽게 TCP/IP 통신과 저장, 알람 기능 을 구현하였다. 또한, TCP/IP 통신 포트(Port) 번호에 따라 여 러 클라이언트 데이터를 손쉽게 수집함으로써 멀티 모니터링 (Multi-monitoring) 시스템을 구축하였다. 통신모드 T2S TCP 서버모드 COD TCP 클라이언트 모드 ATC TCP 서버/클라이언트 모드 U2S UDP 직렬포트 UART (1,200bps ~ 115,200bps) EZL-50R-E의 COD 통신모드를 사용하여 클라이언트로 동 작하도록 설정을 하였고, 9600bps의 UART통신 속도로 지정된 만큼의 데이터가 직렬 포트로 들어오면 통신모듈이 미리 설정 된 서버의 IP Address의 TCP/IP 포트로 접속을 시도하게 된 다. 서버에서 접속을 승낙하면 접속이 이루어지게 되며, 접속성 립 후 데이터는 Server측의 화면에 디스플레이 됨으로써 데이 터 통신을 하게된다. 그림 4. LabVIEW 프로그램을 이용한 TCP/IP 서버 프로그램 Fig.4 Server program using LabVIEW 그림 3. 개발된 AVR2560 보드의 사진 Fig.3 Experimental photograph of AVR2560 board 2.2.3 Serial to TCP/IP 본 논문에서 사용한 Serial to TCP/IP 모듈인 EZL-50R-E 은 원격지에서 시리얼 장비를 제어 및 관리할 수 있도록 인터 그림 4는 Server측 LabVIEW의 Block diagram으로써 실제 프로그램이 작성되는 공간이다. 본 논문에서는 데이터 수신 프 로그램으로 작성하여, TCP Listen아이콘 부분에서 Port를 열어 주고 TCP/IP를 통하여 전송된 데이터를 TCP 읽기 함수를 통 하여 string으로 변환시켜 디스플레이 해주는 부분과 클라이언 트에 접속이 끊어졌을 때 에러 코드를 처리하여 TCP 연결닫 526 기에서 TCP를 닫는 부분, 실제의 데이터의 저장값을 0.5초마 다 Excel 파일로 저장하는 부분으로 구성되어 있다. 3.실험 및 결과 본 논문에서는 전력품질 모니터링의 간편한 제어와 여러곳 2.2.5 웹출판(Web Publishing) 일반적인 모니터링 시스템은 하나의 클라이언트가 서버에 데이터를 전송하고 서버는 데이터를 디스플레이하는 형식이지 만 제안된 모니터링 시스템은 LabVIEW의 웹 출판이라는 기능 을 추가함으로써 그림 5와 같이 사용자가 서버에 위치한 모니 터링 시스템에 있지 않더라도 전압의 상태를 원격으로 컨트롤 과 모니터링이 가능하다. 이러한 웹 출판 기능을 사용하여 사 용자가 데이터 수집을 위해선 작업 환경에 있어야 한다는 고정 관념을 깨고 원거리에서도 웹을 통하여 직접 실행 및 모니터링 을 할 수 있게 된다. 뿐만 아니라, 다수의 사용자가 동시에 접 속하여 모니터링 할 수 있기 때문에 시공간적인 제약을 넘어서 서 시스템 구축이 가능하다. 에 위치한 클라이언트의 전압을 모니터링 하였다. 그림 7은 현 재의 클라이언트 1과 클라이언트 2의 각각 다른곳에 위치한 원 격지의 전압파형을 LabVIEW를 이용하여 사용자가 시스템의 데이터 분석이 용이하도록 데이터를 디스플레이 한 것이며 RMS값의 디지털 표시, 파형의 최대값과 최소값, 동작상태를 LED를 통해 표시하였다. 그림 5. 멀티모니터링과 웹출판 Fig.5 Multi monitoring and web publishing 그림 7. 클라이언트의 전압파형 모니터링 Fig.7 Client voltage monitoring 2.3 시스템 흐름도 본 논문에서 제안된 시스템은 그림 6과 같이 다수의 분산전 원을 모니터링 하기위해 [ATMEGA2560을 탑재한 전압 측정 모듈]을 클라이언트에 위치시킨다. 전압센서에 의해 측정된 분 산전원의 아날로그 값은 ADC를 통해 디지털 값으로 변환되고 이 값은 RMS 계산에 이용된다. 측정된 데이터와 RMS 데이터 는 RS-232 통신으로 Serial to TCP/IP 모듈로 보내어지고, 이 데이터는 모듈을 통해 TCP/IP 통신으로 서버에 전송된다. 서 버로 전송된 데이터는 LabVIEW 프로그램을 이용하여 그래픽 으로 표현된 모니터링과 저장, 알람 그리고 멀티 모니터링, 웹 출판 기능으로 우수한 모니터링 시스템을 구축하였다. 4. 결론 본 논문에서는 기존의 전력품질 모니터링 시스템이 고가의 장비들로 이루어져있고 제어가 어려운 단점들을 보완 할 수 있 는 전력품질 모니터링 시스템을 구성하였다. 개발된 장비는 독 립적으로 동작이 가능하고 전압센서와 마이크로 컨트롤러, Serial to TCP/IP 모듈을 하나의 모듈로 구성함으로써 저가격 과 소형화가 가능하였다. 또한, 인터넷을 통한 모니터링 시스템 을 구축하고 인터넷이 가능한 곳이면 어디든지 모니터링이 가 능하여 시스템을 원활하게 유지하여, 문제 발생시 신속히 조치 를 취할 수 있다. 이는 기존의 전력품질 모니터링 장비에 비해 사용하기가 쉽고, 설치공간이 크게 감소하여 전력품질 모니터 링 시스템에 적합한 장비임을 확인할 수 있었다.