KR101626318B1 - Power signal blackbox system using dct techniques - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전력신호 블랙박스 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 DCT-2 기법을 이용하여 전력신호를 압축하고 이를 복원하여 전력신호의 모니터링을 가능하게 함으로써 전력품질 분석이 가능한 DCT 기법을 이용한 전력신호 블랙박스 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a power signal black box system, and more particularly, to a power signal black box system using a DCT technique capable of power quality analysis by compressing a power signal using the DCT-2 technique, Black box system.
최근 전력계통에서의 비선형부하와 시변부하의 증가 그리고 스마트그리드(smart grid)로 인한 분산전원의 증가 및 신재생에너지(renewable energy)를 이용한 발전이 기존의 전력계통에 연계되면서 전력품질의 저하를 야기시키는 요인이 증가하고 있다.Recently, the increase of the nonlinear load and the time varying load in the power system, the increase of the distributed power source due to the smart grid, and the power generation using renewable energy have been linked to the existing power system, Are increasing.
과거에 전력품질이라는 용어는 전력계통에 있어서, 단순히 전압과 전류 및 주파수의 변동을 나타내기 위해서만 쓰였고, 대부분의 전기기기들은 이 값들이 비교적 넓은 범위에서 변동하여도 잘 동작할 수 있었다. 하지만 점차 첨단화·정밀화 되어가는 예민한 과학기기들이나 통신기기, 의료기기들은 더욱 고품질의 전력을 원하는 경우가 많다. 그렇다고 해서 모든 전력의 품질을 이러한 첨단장치의 요구조건을 기준으로 고품질화 할 필요는 없다. 고품질 전력이 요구되지 않는 곳까지 고품질 전력을 공급할 경우 많은 비용이 소요되므로, 필요한 곳에만 고품질 전력을 공급해주고 일반적인 전기제품에는 통상 전력망의 전력을 공급하면 된다. 더욱이 전력품질 문제로 인한 수용가의 피해는 매년 증가하고 있으나, 이에 따른 국내의 실태조사 및 적용기술은 아직 미흡하다.In the past, the term power quality was used only to describe voltage, current, and frequency variations in power systems, and most electrical appliances were able to operate well over a relatively wide range of variations. However, there are many cases in which sensitive scientific equipment, communication equipment, and medical equipment that are becoming increasingly advanced and refined require higher quality of electric power. However, it is not necessary to upgrade the quality of all the power according to the requirements of these advanced devices. Supplying high-quality power to a place where high-quality power is not required is expensive, so it is only necessary to supply high-quality power to the place where it is needed, and power supply of a general electric appliance is usually required. Moreover, the damage caused by the power quality problem is increasing year by year, but the survey and application technology in Korea is still insufficient.
이에 전력 신호 상시 모니터링을 통하여 특정 시간과 장소에서 전력품질을 모니터링 하고 분석해야 할 필요성이 생기게 되었다. 이를 위해서는 전력신호를 계속해서 저장해야 하는데, 많은 양의 데이터를 저장하기 위해서는 신호를 압축해서 저장하는 것이 유리하다.Therefore, there is a need to monitor and analyze power quality at specific time and place through constant monitoring of power signal. For this purpose, it is necessary to continuously store the power signal. In order to store a large amount of data, it is advantageous to compress and store the signal.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 압축성능이 우수한 DCT-2 기법을 이용하여 전력신호를 변환하고, 이 기법에서 변환된 계수를 저장함에 있어, 압축되어 저장된 계수를 역변환(inverse transform)을 통해 복원했을 때 원신호와의 오차 범위가 5% 이내가 되도록 변환된 계수를 잘라내어 저장하는 압축 기법을 이용하는 전력신호 블랙박스 시스템을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a method and apparatus for transforming a power signal using a DCT-2 technique with excellent compression performance, And a compression scheme for cutting and storing the transformed coefficients so that the error range from the original signal is within 5% when the compressed and stored coefficients are restored through inverse transform.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 DCT 기법을 이용한 전력신호 블랙박스 시스템은, 전력신호를 획득하는 전력신호 획득부, 상기 전력신호 획득부에서 획득된 아날로그 전력신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기(ADC; Analog-Digital Converter), 상기 아날로그 디지털 변환기로부터 입력된 전력신호를 이산 코사인 변환(DCT; Discrete Cosine Transform)을 이용하여 압축하는 전력신호 압축부, 상기 전력신호 압축부에서 압축된 전력신호 압축 데이터를 저장하는 저장부 및 상기 저장부에 저장된 전력신호 압축 데이터를 이산 코사인 역변환(IDCT; Inverse Discrete Cosine Transform)을 이용하여 복원하는 전력신호 복원부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a power signal black box system using a DCT technique, including: a power signal obtaining unit for obtaining a power signal; an analog-to-digital converter An analog-to-digital converter (ADC), a power signal compressor for compressing the power signal input from the analog-to-digital converter using discrete cosine transform (DCT) And a power signal restoring unit for restoring the power signal compressed data stored in the storage unit using an inverse discrete cosine transform (IDCT).
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 DCT 기법을 이용한 전력신호 블랙박스 시스템에 따르면, 에너지 응축 특성을 가지는 DCT-2를 이용하여 전력신호를 효율적으로 압축하고 시간대별로 저장하고 원하는 시간대의 신호를 IDCT를 이용하여 복원함으로써, 오차율 5% 이내의 필요한 데이터만으로 원신호 복원이 가능하고 시간대별 오류 검출이 가능하여 실제 전력신호에 대한 전력품질 분석에 효율적이다.As described above, according to the power signal black box system using the DCT technique according to the present invention, the power signal is efficiently compressed using the DCT-2 having the energy condensation characteristic and is stored by time zone, , It is possible to restore the original signal with only the necessary data with an error rate of 5% or less, and it is possible to perform time-based error detection, which is efficient in analyzing the power quality of the actual power signal.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력신호 블랙박스 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 전력신호 압축부가 DCT를 이용하여 전력신호를 압축하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 합성 전력신호에 대한 압축 및 복원 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 순간정전에 대한 압축 및 복원 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 순간 전압강하에 대한 압축 및 복원 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 순간 전압강하에 대한 압축 및 복원 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 전력신호 압축 데이터가 저장되어 있는 텍스트 파일을 예시한다.
도 8은 전력신호 복원부가 IDCT를 이용하여 전력신호를 복원하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 9는 실시간 모니터링 모듈의 디스플레이 화면을 나타낸다.
도 10은 저장부에 저장된 DCT 계수와 위치정보 파일을 나타낸다.
도 11은 메일링 모듈의 디스플레이 화면을 나타낸다.
도 12는 전력신호 블랙박스 모듈의 디스플레이 화면을 나타낸다.
도 13은 이상신호가 검출된 경우 전력신호 블랙박스 모듈의 디스플레이 화면을 나타낸다.1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a power signal black box system according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a process of compressing a power signal using a DCT.
3 is a graph showing compression and restoration simulation results for a combined power signal.
4 is a graph showing compression and restoration simulation results for instantaneous power failure.
5 is a graph showing compression and restoration simulation results for instantaneous voltage drop.
6 is a graph showing compression and restoration simulation results for instantaneous voltage drop.
7 illustrates a text file in which power signal compressed data is stored.
8 is a flowchart illustrating a process of restoring the power signal using the IDCT.
9 shows a display screen of the real-time monitoring module.
10 shows DCT coefficients and position information files stored in the storage unit.
11 shows a display screen of the mailing module.
12 shows a display screen of the power signal black box module.
13 shows a display screen of the power signal black box module when an abnormal signal is detected.
이하, 본 발명의 DCT 기법을 이용한 전력신호 블랙박스 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a power signal black box system using the DCT technique of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력신호 블랙박스 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a power signal black box system according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력신호 블랙박스 시스템은, 전력신호를 획득하는 전력신호 획득부(100), 전력신호 획득부(100)에서 획득된 아날로그 전력신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기(ADC; Analog-Digital Converter)(200), 이산 코사인 변환(DCT; Discrete Cosine Transform)을 이용하여 전력신호를 압축하는 전력신호 압축부(300), 전력신호 압축부(300)에서 압축된 전력신호 압축 데이터를 저장하는 저장부(400), 저장부(400)에 저장된 전력신호 압축 데이터를 IDCT를 이용하여 복원하는 전력신호 복원부(500)를 포함하여 이루어진다. 추가로, 전력신호 복원부(500)에서 복원된 전력신호 복원 데이터에서 이상신호를 검출하는 이상신호 검출부(600), 전력신호 압축부(300), 저장부(400), 전력신호 복원부(500) 및 이상신호 검출부(600)의 데이터를 디스플레이하는 디스플레이부(700) 및 각 구성요소를 동작시키기 위한 기본 전원인 전원부(800)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a power signal black box system according to an embodiment of the present invention includes a power
전력신호 획득부(100)는 계기용 변압기(PT; Potential Transformer)를 이용하여 전력신호를 획득하고, 획득한 전력신호를 아날로그 디지털 변환기(200)에서 인식할 수 있는 범위의 신호로 만들기 위해 변압기를 통해 전압을 낮추고, OP-AMP 가산기를 통해 (-) 값을 갖지 않도록 직류 오프셋(DC-offset) 전압을 더한다. 구체적으로, 본 발명의 전력신호 획득부(100)에서 변압기는 전력신호를 획득하기 위한 장치로서 상용전압 220V를 입력신호로 하여 -1.5V 내지 +1.5V의 출력신호를 가지며, OP-AMP 가산기는 변압기를 거친 -1.5V 내지 +1.5V의 신호를 0 내지 3V의 전압으로 오프셋시켜 아날로그 디지털 변환기(200) 및 전력신호 압축부(300)에서 인식할 수 있는 범위의 신호로 만든다.The power
아날로그 디지털 변환기(ADC; Analog-Digital Converter)(200)는 전력신호 획득부(100)에서 획득된 아날로그 전력신호를 디지털 신호로 변환한다.An analog-to-digital converter (ADC) 200 converts the analog power signal obtained by the power
전력신호 압축부(300)는 DCT를 이용하여 전력신호를 압축한다. 본 발명의 일 실시예에서 이러한 전력신호 압축부(300)는 DSP 보드 등일 수 있다.The power
먼저, 본 발명의 전력신호 압축부(300)에서 사용되는 전력신호 압축 기법인 이산 코사인 변환(DCT; Discrete Cosine Transform)에 대해 살펴보면, DCT는 직교 변환 방식의 국제 표준으로서 이산 코사인 함수를 사용하여 신호를 부호화한다. 컬러 정지 이미지의 압축 방식인 JPEG이나 컬러 동영상의 압축 파일인 MPEG 등에 사용되며, 시간 영역 데이터들로부터 주파수 성분들을 추출해내는 데도 유용하다. 어떤 임의의 신호가 있을 때, 이것을 사인 또는 코사인의 합으로 표현하는 것이 푸리에 변환(Fourier transform)이라면, 코사인만의 합으로 표현하는 것이 DCT이다. 각 코사인 함수의 계수를 DCT 계수라 하며, 이 계수가 시간 영역 데이터들의 주파수 성분을 나타낸다. DCT 계수를 알면 역으로 원래 데이터 배열을 계산할 수 있다. DCT 계수를 이용해 원래 데이터 배열을 구해내는 것을 역이산 코사인 변환(IDCT; Inverse Discrete Cosine Transform)라고 한다. n개의 데이터에 대해 DCT를 하면, n개의 DCT 계수가 나오므로, DCT 만으로는 데이터 압축 효과가 크지 않다. 그런데 DCT 계수는 정보가 특정한 대역에 몰려 분포하게 되는데, 이 계수 가운데 큰 값들, 즉 작은 값들을 무시하고 IDCT를 수행하여도 원래 데이터와 큰 차이가 나지 않는다. 따라서 적은 수의 계수 데이터만으로도 원래의 신호와 유사하게 복원이 가능하다.First, DCT (Discrete Cosine Transform), which is a power signal compression technique used in the power
DCT는 크게 4가지 형태(type)으로 분류할 수 있는데, 가장 널리 쓰이는 변형 DCT 알고리즘은 type-II DCT이다. 실제로 디지털 TV에서도 데이터의 송수신에서 type-II DCT를 사용하고 있다. type-II DCT는 가장 흔히 사용하고 있기 때문에 "DCT"라고 부르는 경우가 많다. DCT 계수는 정보가 특정한 대역에 몰려 분포하게 되고, 계산이 훨씬 더 단순하기 때문에 성능도 뛰어나서 가장 널리 쓰이고 가장 많이 알려진 이미지 처리(image processing) 또는 신호 처리(signal processing) 방법이다. DCT가 이렇게 널리 알려지게 된 이유 중의 하나는, DCT가 복소수를 이용하는 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform)과는 달리 계산중에 처음부터 끝까지 실수만을 사용한다는 것 때문이다.DCT can be classified into four types. The most widely used transformed DCT algorithm is type-II DCT. In fact, digital TV also uses type-II DCT for data transmission and reception. The type-II DCT is often called "DCT" because it is most commonly used. DCT coefficients are the most widely used and most widely used image processing or signal processing methods because their information is distributed in a specific band and computation is much simpler. One of the reasons why DCT became so widely known is that DCT uses real numbers only from start to finish during computation, unlike fast Fourier transforms that use complex numbers.
또한, DCT-2는 에너지 응축(energy compaction)특성에 의해 데이터 압축 응용에서 DFT(discrete Fourier transform)에 비해 보다 효율적이다. 데이터 압축에서 DCT-2는 DFT에 비해서 데이터 압축 응용에 좋은 장점이 있기에 본 발명에서는 DCT-2를 사용하여 전력신호를 압축한다.In addition, DCT-2 is more efficient than DFT (discrete Fourier transform) in data compression applications due to energy compaction characteristics. In data compression, DCT-2 has a better advantage in data compression than DCT-2, so DCT-2 is used to compress a power signal.
신호 압축을 위한 DCT-2의 관련식은 다음과 같다.The related equation of DCT-2 for signal compression is as follows.
[수학식 1] DCT 관련식[Equation 1] DCT-related equation
( 
[수학식 2] IDCT 관련식[Equation 2] IDCT-related expression
( N : 
여기서, 
[수학식 3]&Quot; (3) "
다음으로, 도 2는 전력신호 압축부(300)가 DCT를 이용하여 전력신호를 압축하는 과정을 나타내는 흐름도로서, 도 2를 참조하여 전력신호 압축 과정을 살펴보면 다음과 같다. ADC(200)를 통해 전력신호가 전달되면, 전력신호 압축부(300)는 우선 전력신호를 샘플링한다(S201). 본 발명의 일 실시예에서, 샘플링 주파수는 IEEE std 1159에 의거, 샘플링 주파수를 한 주기당 128개의 데이터가 되도록 7680Hz로 하였다. 샘플링된 데이터는 시간이 지나면 계속 축적되기 때문에 특정시간 기준으로 잘라낸 후에 연산을 해야 한다. 샘플링되고 윈도우윙된 데이터는 DCT 연산과정을 거치게 된다(S202). 그 후, DCT 계수를 크기에 따라 내림차순으로 배열하고(S203), DCT 계수 중 큰 값을 가지는 계수를 차례로 선택하여(S204), 계수의 위치정보를 저장한다. 단계 S203 내지 S205에 대한 구체적인 동작은 이하 도 3 내지 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명된다.Next, FIG. 2 is a flowchart illustrating a process of the power
전력품질 문제를 IEC기준에 따라 분류하면, 크게 이벤트(Event)와 베이에이션(Variation)으로 분류할 수 있다. 이벤트는 전력신호의 전압 또는 전류 파형이 짧은 시간동안 큰 변동을 일으키는 경우를 말하고, 순간정전(short interruption), 순간 전압강하(voltage sag), 순간 전압상승(voltage swell)등의 현상이 있다. 반면, 베리에이션은 비교적 긴 시간 동안 연속적으로 전압 또는 전류파형이 변동을 일으키는 경우를 말하며, 고조파(harmonics), 전압 플리커(voltage flicker)등이 있다.If the power quality problem is classified according to the IEC standard, it can be largely divided into an event and a variation. An event refers to a case where a voltage or current waveform of a power signal causes a large variation in a short time, and there is a phenomenon such as a short interruption, a voltage sag, and a voltage swell. Variation, on the other hand, refers to the case where a voltage or current waveform changes continuously over a relatively long period of time, such as harmonics, voltage flicker, and the like.
전력품질 문제 발생의 약 95%는 수전점 이후의 수용가에서 발생하고, 이로 인한 손실금액의 약 80%가 전력회사에서 발생하는 순간정전, 순간 전압강하, 순간 전압상승에 의하여 발생하므로 본 발명의 일 실시예에서는 이 문제에 대하여 시뮬레이션 하였다. 모든 시뮬레이션은 IEEE std. 1159에 따라 1주기 128개 샘플을 및 윈도우 길이는 12 사이클로 하였다. 따라서, 샘플링 주파수(sampling frequency)는 7680㎐이고 12사이클 동안의 데이터 수는 1536개이다.Approximately 95% of the power quality problems occur in the customers after the water supply point, and about 80% of the losses are caused by the instantaneous power failure, the instantaneous voltage drop, and the instantaneous voltage rise occurring in the power company. In the embodiment, this problem is simulated. All simulations are performed by IEEE std. 1159, and the window length was 12 cycles. Therefore, the sampling frequency is 7680 Hz and the number of data for 12 cycles is 1,536.
1. 합성신호1. Synthetic signal
도 3은 합성 전력신호에 대한 압축 및 복원 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing compression and restoration simulation results for a combined power signal.
도 3a의 신호는 표 1의 IEC 61000-3-6 표준에 맞추어 홀수 고조파만을 31차까지 합성한 신호이다.3A is a signal obtained by synthesizing only odd harmonics up to 31 th in accordance with IEC 61000-3-6 standard of Table 1.
(非 3의 배수)Odd harmonics
(Multiples of non-3)
(3의 배수)Odd harmonics
(Multiples of 3)
차수(H)Harmonic
Order (H)
전압왜형율(%)Harmonic
Voltage Distortion Rate (%)
차수(H)Harmonic
Order (H)
전압왜형율(%)Harmonic
Voltage Distortion Rate (%)
차수(H)Harmonic
Order (H)
전압왜형율(%)Harmonic
Voltage Distortion Rate (%)
합성 신호에 대한 간단한 식은 아래 수학식 4와 같다.A simple expression for the composite signal is shown in Equation 4 below.
[수학식 4]&Quot; (4) "
여기서, 
본 발명의 일 실시예에서 전체 샘플링 개수는 1536개, 샘플링 주파수는 7680㎐, 한 주기 당 샘플링 개수는 128개로 하였다(단계 S201). 관측시간은 IEEE std. 1159에 따라 12주기로 설정하였다. 도 3b는 합성 신호의 DCT계수 파형이고(단계 S202), 도 3c는 계수 크기의 절댓값을 내림차순을 통하여 데이터 크기별로 정렬한 파형이다(단계 S203). 도 3d는 1536개의 데이터 중 크기가 큰 300개의 데이터만 남긴 파형이다(단계 S204). 여기까지가 전력신호의 압축과정이 된다. 도 3e는 압축된 데이터 300개를 원래의 위치로 재배열한 DCT계수 파형이고 도 3f는 IDCT를 이용하여 복원한 신호이다. 그리고, 도 3a의 합성된 신호와 도 3f의 복원한 신호의 오차가 도 3g이다. 시뮬레이션 결과, 오차율이 5%이내의 값을 가지고, 1536개중 300개로 압축했을 때의 압축률(수학식 5 참조)은 80.47%가 된다.In one embodiment of the present invention, the total sampling number is 1536, the sampling frequency is 7680 Hz, and the sampling number per one cycle is 128 (step S201). Observation time was measured by IEEE std. 1159, respectively. FIG. 3B is a DCT coefficient waveform of the synthesized signal (step S202), and FIG. 3C is a waveform obtained by sorting the absolute values of the coefficient magnitudes by data size in descending order (step S203). FIG. 3D is a waveform in which only 300 pieces of large data among 1536 pieces of data are left (Step S204). This is the process of compressing the power signal. FIG. 3E is a DCT coefficient waveform obtained by rearranging 300 compressed data to the original position, and FIG. 3F is a signal restored using IDCT. The error between the synthesized signal of FIG. 3A and the restored signal of FIG. 3F is shown in FIG. 3G. As a result of the simulation, the error rate is within 5%, and the compression ratio (see Equation 5) when compressed to 300 out of 1,536 is 80.47%.
[수학식 5]&Quot; (5) "
2. 순간정전2. Momentary power failure
도 4는 순간정전에 대한 압축 및 복원 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing compression and restoration simulation results for instantaneous power failure.
순간정전(6 사이클 동안의)을 입력 파형으로 구현하면 도 4a의 신호가 구현된다(단계 S201). 도 4b는 합성 신호의 DCT계수 파형이고(단계 S202), 도 4c는 계수 크기의 절댓값을 내림차순을 통하여 데이터 크기별로 정렬한 파형이다(단계 S203). 도 4d는 300개의 데이터만 남긴 파형이다(단계 S204). 도 4e는 재배열된 DCT계수 파형이고 도 4f 복원된 신호이다. 오차율(5% 이내)을 확인하기 위한 것이 도 4g이다. 총 데이터 1536개중 300개로 압축했을 때의 압축률은 80.47%가 된다.When the instantaneous power failure (for 6 cycles) is implemented as an input waveform, the signal of FIG. 4A is implemented (step S201). 4B is a DCT coefficient waveform of the synthesized signal (step S202), and FIG. 4C is a waveform obtained by sorting the absolute values of the coefficient magnitudes by data size in descending order (step S203). FIG. 4D shows a waveform leaving only 300 data (step S204). Figure 4e is a rearranged DCT coefficient waveform and Figure 4f is a reconstructed signal. Fig. 4g is for confirming the error rate (within 5%). The compression rate when compressed to 300 out of 1536 total data is 80.47%.
3. 순간 전압강하3. Instantaneous voltage drop
도 5는 순간 전압강하에 대한 압축 및 복원 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing compression and restoration simulation results for instantaneous voltage drop.
순간 전압강하(6 사이클 동안, 0.4pu)를 입력 파형으로 구현하면 도 5a의 신호가 구현된다(단계 S201). 도 5b는 합성 신호의 DCT 계수 파형이고(단계 S202), 도 5c는 계수 크기의 절댓값을 내림차순을 통하여 데이터 크기별로 정렬한 파형이다(단계 S203). 도 5d는 300개의 데이터만 남긴 파형이다(단계 S204). 도 5e는 재배열된 DCT 계수 파형이고 도 5f는 복원된 신호이다. 오차율(5% 이내)을 확인하기 위한 것이 도 5g이다. 총 데이터 1536개중 300개로 압축했을 때의 압축률은 80.47%가 된다.When the instantaneous voltage drop (0.4 pu during 6 cycles) is implemented as an input waveform, the signal of Fig. 5A is implemented (step S201). FIG. 5B is a DCT coefficient waveform of the synthesized signal (step S202), and FIG. 5C is a waveform obtained by sorting the absolute values of the coefficient magnitudes by data size in descending order (step S203). 5D shows waveforms of only 300 data (step S204). FIG. 5E is a rearranged DCT coefficient waveform and FIG. 5F is a reconstructed signal. Fig. 5g is for confirming the error rate (within 5%). The compression rate when compressed to 300 out of 1536 total data is 80.47%.
4. 순간 전압상승4. Instantaneous voltage rise
도 6은 순간 전압강하에 대한 압축 및 복원 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing compression and restoration simulation results for instantaneous voltage drop.
순간 전압상승(6 사이클 동안, 1.4pu)을 입력 파형으로 구현하면 도 6a의 신호가 구현된다(단계 S201). 도 6b는 합성 신호의 DCT 계수 파형이고(단계 S202), 도 6c는 계수 크기의 절댓값을 내림차순을 통하여 데이터 크기별로 정렬한 파형이다(단계 S203). 도 6d는 300개의 데이터만 남긴 파형이다(단계 S204). 도 6e는 재배열된 DCT 계수 파형이고 도 6f 복원된 신호이다. 오차율(5% 이내)을 확인하기 위한 것이 도 6g이다. 총 데이터 1536개중 300개로 압축했을 때의 압축률은 80.47%가 된다.When the instantaneous voltage rise (1.4 pu for 6 cycles) is implemented as an input waveform, the signal of Fig. 6A is implemented (step S201). FIG. 6B is a DCT coefficient waveform of the synthesized signal (step S202), and FIG. 6C is a waveform obtained by sorting the absolute values of the coefficient magnitudes by data size in descending order (step S203). 6D shows waveforms of only 300 pieces of data (step S204). 6E is a rearranged DCT coefficient waveform and FIG. 6F is a reconstructed signal. Fig. 6g is to confirm the error rate (within 5%). The compression rate when compressed to 300 out of 1536 total data is 80.47%.
상기에서 살펴본 바와 같이, 시뮬레이션 결과 DCT 계수가 300개가 있으면 합성신호, 순간정전, 순간 전압강하, 순간 전압상승에 대한 입력신호와 복원신호의 오차율이 5% 이내로 되는 것을 확인 할 수 있었으며, 이 때 압축률은 80.47%이다. 따라서, 전력품질에 대해 분석을 위해서는 최소 300개 이상의 데이터를 사용해야한다. 이에 본 발명의 일 실시예에서는 전력신호 압축기법을 구현 할 때, 300개의 DCT 계수를 취하도록 설계 및 구현하는 것이 바람직하다.As described above, simulation results show that the error rate of the input signal and the restored signal for the composite signal, the instantaneous power failure, the instantaneous voltage drop, and the instantaneous voltage rise is within 5% when the number of DCT coefficients is 300, Is 80.47%. Therefore, at least 300 data must be used to analyze power quality. Accordingly, in one embodiment of the present invention, when implementing the power signal compression scheme, it is desirable to design and implement the DCT coefficient to take 300 DCT coefficients.
다음으로, 저장부(400)는 전력신호 압축부(300)에서 압축된 전력신호 압축 데이터를 전달받아 이를 시간대별로 텍스트 파일 등의 형태로 저장한다. 본 발명의 일 실시예에서 저장부(400)는 PC 등의 메모리 등이 활용될 수 있으며, 이때 저장부(400)는 전력신호 압축부(300)와 RS-232 직렬 통신을 통해 전력신호 압축 데이터를 수신받는다.Next, the
도 7은 전력신호 압축 데이터가 저장되어 있는 텍스트 파일을 예시한다. 도 7에서, 첫 번째 열은 DCT 계수 값을 나타내고 두 번째 열은 계수 값의 위치정보를 나타낸다.7 illustrates a text file in which power signal compressed data is stored. 7, the first column indicates the DCT coefficient value, and the second column indicates the position information of the coefficient value.
전력신호 복원부(500)는 저장부(400)에 텍스트 파일 등의 형태로 저장된 전력신호 압축 데이터를 DCT 계수 재배열을 한 후 IDCT 연산을 이용하여 최종 전력신호를 복원시키고, 복원된 신호를 컴퓨터 모니터 등에 디스플레이하여 사용자가 모니터링할 수 있도록 한다. 본 발명의 일 실시예에서 이러한 전력신호 복원부(500)는 LabVIEW 프로그램을 이용할 수 있다.The power
도 8은 전력신호 복원부(500)가 IDCT를 이용하여 전력신호를 복원하는 과정을 나타내는 흐름도로서, 도 8을 참조하여 전력신호 복원 과정을 살펴보면 다음과 같다. 전력신호 압축부(300)를 통해 전력신호가 압축된 후, 전력신호 복원부(300)는 우선 단계 S204에서 압축된 계수를 원래의 위치로 재배열한 한다(S801). 이때, 계수는 살펴본 바와 같이 입력신호와 복원신호의 오차율이 5% 이내, 압축률은 80 이상을 얻기 위해 300개의 DCT 계수를 취하도록 설계 및 구현하는 것이 바람직하다. 그리고, 자료의 개수가 N(<2n, n은 자연수)인 시계열 함수에서 N+M이 2n이 되도록 M개의 0을 시계열에 추가하는 영 채우기(Zero padding)을 수행한다(S802). 마지막으로, 전력신호 복원부(500)는 IDCT를 이용하여 전력신호를 복원한다(S803). 단계 S801 내지 S803에 대한 구체적인 동작은 상기 도 3 내지 도 6에서 구체적으로 예시된 바와 같다.FIG. 8 is a flowchart illustrating a process in which the power
이상신호 검출부(600)는 이상신호가 감지될 경우 이벤트를 검출하여 경보한다. 본 발명의 일 실시예에서는 IDCT된 신호의 크기의 평균을 구해 전압하강 5%, 전압상승 5%를 검출하도록 구현하였다. 이때, 이상신호 검출의 전압하강 및 전압상승율은 사용자가 설정하도록 구성할 수도 있다.The
디스플레이부(700)는 전력신호 압축부(300)에서 압축된 전력신호, 저장부(400)에 저장된 데이터, 전력신호 복원부(500)에서 복원된 전력신호, 이상신호 검출부(600)에서 검출된 이벤트 등을 디스플레이 및 경보한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전력신호 복원부(500) 있어서, 디스플레이 부분은 크게 실시간 모니터링 모듈(510) 및 전력 신호 블랙박스 모듈(520)의 두 가지로 나눌 수 있다.The
먼저 실시간 모니터링 모듈(510)은 전력신호 압축부(300)에서 압축된 전력신호 압축 데이터를 일정 시간(예컨대, 1분)마다 파일링하여 저장부(400)에 텍스트 파일 형태로 저장함과 동시에, 전력신호 복원부(500)에서 IDCT 연산을 통해 복원된 전력신호 복원 데이터를 실시간으로 모니터링을 할 수 있다. 그리고, 실시간 모니터링 모듈(510)은 이상신호 검출부(600)를 통해 이벤트가 검출될 경우 담당자에게 자동으로 이메일을 보내게 할 수 있다.First, the real-time monitoring module 510 stores the compressed power signal compressed data in the power
도 9는 실시간 모니터링 모듈(710)의 디스플레이 화면을 나타내고, 도 10은 저장부에 저장된 DCT 계수와 위치정보 파일을 나타낸다. 도 9를 참조하면, ①은 전력신호 압축부(300)에서 실시간으로 들어오는 DCT 연산 후의 전력신호 압축 데이터를 그래프로 출력한 것이다. 도 9 ①의 데이터들은 1초 간격마다 출력해내는 그래프이고, 압축된 데이터들이 쌓여서 1분마다 도 10과 같이 저장부(400)에 텍스트 파일 형태로 파일링된다. 텍스트 파일에는 DCT 계수와 위치정보들이 저장되어 있다. 그 아래 ②는 압축된 데이터를 전력신호 복원부(500)에서 IDCT하여 복원한 신호를 나타낸다. ③은 이상신호 검출부(600)를 통한 이벤트 검출기를 나타낸다. 이벤트 검출기를 ON했을 때 이상신호가 들어올 경우 LED에 불이 켜지게 된다. ④는 알람 메일 서비스를 나타낸다. 이벤트 검출기가 ON이 되고 알람 메일 서비스도 ON인 상태에서 이상신호 검출부(600)를 통해 이상신호가 검출이 될 경우 담당자의 이메일로 메시지가 보내지게 된다.FIG. 9 shows a display screen of the real-time monitoring module 710, and FIG. 10 shows DCT coefficients and position information files stored in the storage unit. Referring to FIG. 9, (1) is a graph showing the power signal compressed data after the DCT operation in real time in the power
도 11은 메일링 모듈의 디스플레이 화면을 나타낸다. 도 11a는 메일링 옵션을 나타낸다. 메일을 보내게 될 때 받는 사람을 지정해 줄 수 있고 이메일의 제목과 내용을 설정할 수 있는 옵션이다. 도 11b와 같이 실시간 모니터링 모듈(710)은 이벤트 검출기와 알람 메일 서비스를 ON한 상태에서 이상신호 검출부(600)를 통해 이상신호를 감지할 경우 LED를 ON함으로써 경보하고 메일링 옵션을 토대로 담당자에게 메일을 발송하게 된다. 도 11c는 이상신호 감지 후 송부된 이메일을 나타내는 화면이다.11 shows a display screen of the mailing module. 11A shows a mailing option. When you send mail, you can specify the recipient, and you can set the title and content of the email. 11B, the real-time monitoring module 710 alerts the user by turning on the LED when an abnormal signal is detected through the
다음으로, 전력신호 블랙박스 모듈(720)은 저장부(400)에 파일링 된 텍스트 파일 중 하나를 불러와서 전력신호 복원부(500)를 통해 신호를 복원하고 그래프를 출력한다. 여기서도 이상신호 검출부(600)을 통해 간단히 이상신호를 판별할 수 있고, 어느 부분에서 이상신호가 발생했는지 확인할 수 있다.Next, the power signal black box module 720 retrieves one of the text files stored in the
도 12는 전력신호 블랙박스 모듈(720)의 디스플레이 화면을 나타내고, 도 13은 이상신호가 검출된 경우 전력신호 블랙박스 모듈(720)의 디스플레이 화면을 나타낸다. 도 12를 참조하면, 전력신호 압축부(300)에서 DCT 압축연산 후의 파일링 된 데이터들은 저장부(400)에 도 10과 같이 일정 시간(예컨대, 1분)마다 저장이 되고, 전력신호 블랙박스 모듈(720)에서 특정 시간대의 데이터를 불러오기하면 전력신호 복원부(500)에서 도 12와 같이 원 신호를 복원하게 된다. 즉, 전력신호 압축부(300)에서 압축된 데이터들은 DCT 계수와 위치정보를 포함하고 있으며 그것을 전력신호 복원부(500) 내에서 IDCT 연산을 한 후 최종 복원을 하게 된다. 또한, 이상신호 검출기(600)를 통해 원 신호 중에 이상신호가 검출된 경우에는 도 13과 같이 이벤트 검출기를 통해서 어느 부분에 이상신호가 있는지 확인할 수 있다.FIG. 12 shows a display screen of the power signal black box module 720, and FIG. 13 shows a display screen of the power signal black box module 720 when an abnormal signal is detected. 12, the filed data after the DCT compression operation in the power
전원부(800)는 전력신호 획득부(100)의 OP-AMP, 전력신호 압축부(300)의 DSP 보드 등을 동작시키기 위한 기본 전원으로서, 본 발명의 일 실시예에서는 OP-AMP를 위한 +12V, -12V 두 개의 DC 전압원과 DSP 보드를 동작시키기 위한 5V의 DC 전압원을 포함할 수 있다.The
이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention.
100 : 전력신호 획득부
200 : 아날로그 디지털 변환기
300 : 전력신호 압축부
400 : 저장부
500 : 전력신호 복원부
600 : 전원부100: power signal acquisition unit
200: Analog to Digital Converter
300: power signal compression unit
400:
500: Power signal restoration unit
600:
Claims (6)
상기 전력신호 획득부에서 획득된 아날로그 전력신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기(ADC; Analog-Digital Converter),
상기 아날로그 디지털 변환기로부터 입력된 전력신호를 이산 코사인 변환(DCT; Discrete Cosine Transform)을 이용하여 압축하는 전력신호 압축부,
상기 전력신호 압축부에서 압축된 전력신호 압축 데이터를 저장하는 저장부 및
상기 저장부에 저장된 전력신호 압축 데이터를 이산 코사인 역변환(IDCT; Inverse Discrete Cosine Transform)을 이용하여 복원하는 전력신호 복원부를 포함하며,
상기 전력신호 압축부는,
전력신호를 샘플링하는 단계,
샘플링된 상기 전력신호를 DCT 연산하는 단계,
DCT 계수를 크기에 따라 내림차순으로 배열하는 단계 및
상기 DCT 계수 중 큰 값을 가지는 순서대로 300개의 계수를 선택하는 단계를 수행하며,
상기 전력신호 복원부는,
상기 전력신호 압축부를 통해 전력신호가 압축된 후, 압축된 상기 300개의 계수를 원래의 위치로 재배열하는 단계,
영 채우기를 수행하는 단계 및
상기 전력신호 압축 데이터를 IDCT 연산하는 단계를 수행하는, DCT 기법을 이용한 전력신호 블랙박스 시스템.A power signal obtaining unit for obtaining a power signal,
An analog-to-digital converter (ADC) for converting the analog power signal obtained by the power signal obtaining unit into a digital signal,
A power signal compression unit for compressing the power signal input from the analog-to-digital converter using a discrete cosine transform (DCT)
A storage unit for storing compressed power signal data compressed by the power signal compressing unit;
And a power signal restoring unit for restoring the power signal compressed data stored in the storage unit using an inverse discrete cosine transform (IDCT)
The power-
Sampling the power signal,
Performing a DCT operation on the sampled power signal,
Arranging the DCT coefficients in descending order of magnitude; and
Performing a step of selecting 300 coefficients in order having a larger value among the DCT coefficients,
Wherein the power signal restoring unit comprises:
The power signal is compressed through the power signal compressing unit, and then the reassigned 300 coefficients are rearranged to their original positions,
Performing zero filling; and
And performing an IDCT operation on the power signal compressed data.
상기 전력신호 복원부에서 복원된 전력신호 복원 데이터에서 이상신호를 검출하는 이상신호 검출부;
상기 전력신호 압축부, 상기 저장부, 상기 전력신호 복원부 및 상기 이상신호 검출부의 데이터를 디스플레이하는 디스플레이부 및
각 구성요소를 동작시키기 위한 기본 전원인 전원부를 더 포함하는, DCT 기법을 이용한 전력신호 블랙박스 시스템.The method according to claim 1,
An abnormal signal detector for detecting an abnormal signal in the power signal restored data restored by the power signal restorer;
A display unit for displaying data of the power signal compression unit, the storage unit, the power signal restoration unit, and the abnormal signal detection unit,
Further comprising a power supply that is a basic power source for operating each component.
상기 저장부는,
상기 전력신호 압축 데이터를 시간대별로 저장하는, DCT 기법을 이용한 전력신호 블랙박스 시스템.The method according to claim 1 or 2,
Wherein,
And the power signal compressed data is stored for each time slot.
상기 이상신호 검출부는,
상기 IDCT 연산된 전력신호 복원 데이터 크기 평균의 전압하강율 또는 전압상승율이 소정의 비율 이상일 때 이상신호가 발생한 것으로 감지하는, DCT 기법을 이용한 전력신호 블랙박스 시스템.The method according to claim 2,
Wherein the abnormality signal detecting unit comprises:
And detects an abnormal signal when the voltage drop rate or the voltage increase rate of the IDCT-calculated power signal recovery data size average exceeds a predetermined ratio.
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|---|---|---|---|
| KR1020140193976A KR101626318B1 (en) | 2014-12-30 | 2014-12-30 | Power signal blackbox system using dct techniques |
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