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그림 1은 Power CT를 이용한 자율독립전원 시스템 블록도이다. 시스템은 Power CT를 이용한 전력 공급 장치와 정류기, 전압제한회로, 전원회로, 충전회로를 포함한 전원관리장치로 구성되었다. 전체 시스템 동작은 다음과 같다. 송전선에 흐르는 수십 암페어의 교류 전류가 Power CT에 의해 2차 측으로 전달되고, 전달된 2차 측 교류 전류는 Bridge rectifier와 DC/DC Converter를 거쳐 배터리의 충전 전압으로 사용 된다. 이 때 전원 관리 장치의 전압/전류 감시 장치에서 상태 모니터링을 통해 배터리의 충전 전압/전류를 감시하게 된다.

Fig. 1. 
Autonomous independent power system block diagram

CT(변류기)란 1차측의 교류 전류를 2차측 교류 전류로 전달하는 장치이다. 그림 2는 변류기의 기본회로이다. 1차측에 교류전류(i₁)을 흘려보내면 암페어의 오른손 법칙에 의해 자계가 발생한다. 이때 발생한 자속은 철심(Core)를 통해 이동한다. 철심을 통해 이동하는 자속이 2차측 권선에 쇄교하면서 기전력이 유기 된다. 이 때 유기되는 기전력(E)의 크기는 페러데이 전자기유도 법칙에 따라 식 (1)과 같다.

Fig. 2. 
Current transformer

2차 전류는 권선비에 반비례하며 식 (2)로 나타낼 수 있다.

Power CT 송전선로에 흐르는 전류를 고려하여 선정 하였다. 그림 3은 전력공급장치에 사용된 Power CT 이다.

Fig. 3. 
Power CT products used in power supplies

2.2.1 Power CT 성능 테스트

전력공급장치에 사용된 Power CT성능 검증을 위해 최대 출력 전력 시험을 진행하였다. 시험 방법은 대전류 발생장치로 CT의 1차측 전류를 공급하고, 2차측의 정류다이오드의 출력을 커패스터와 저항을 병렬로 연결하여 구성하였다. 그림 4는 Power CT 성능 시험 구성도이다.

Fig. 4. 
Power CT test configuration diagram

성능 측정은 1차 측 공급 전류를 5A, 10A, 50A, 100A로 변경하고, 1차 측 각각의 전류에 따라 2차 측 저항을 33.7Ω, 50Ω, 100Ω, 200Ω, 1KΩ, 10kΩ로 변경하며 측정되는 전압을 측정하여 출력 전력을 계산하였다. 표 1은 측정된 전압으로부터 계산된 출력 전력이다.

Table 1. 
Output power calculated from the measured voltage

2차 저항	10kΩ	1kΩ	200Ω	100Ω	50Ω	33.7Ω
1차 전류
5A	0.0088	0.0637	0.0779	0.0512	0.0291	0.0204
10A	0.0462	0.2993	0.3292	0.2136	0.1172	0.0806
50A	0.3025	2.7428	8.0878	5.3824	2.9760	2.0393
100A	0.4900	4.3405	15.292	19.550	12.110	8.2786

그림 5는 1차 측 전류에 따른 2차 측 전류와 전력의 관계 그래프이다. 시험 결과 선정된 Power CT는 1차 측에 100A 전류를 인가하고, 2차 측 저항을 100Ω으로 구성하면 19.6W의 최대 전력을 얻을 수 있음을 확인하였다.

Fig. 5. 
Graph of correlation between secondary current and power according to primary current

전원관리장치는 전력공급장치로부터 인가된 AC전원을 Bridge rectifier와 DC/DC Converter를 거쳐 배터리의 충전 전압으로 사용 될 수 있게 설계 하였다. 충전회로 보호를 위한 전압제한회로와 배터리상태 모니터링을 위해 전압/전류 감시 장치를 적용하였다. 설계된 전원관리장치는 전력공급장치인 Power CT의 출력을 최대 3개까지 수용할 수 있도록 설계하였다. 그림 6은 전원관리장치의 세부 구성도이다.

Fig. 6. 
Detailed configuration of power management device

전압제한회로는 Comparator, Gate Driver, MOSFET을 사용하여 설계하였다. 제한전압은 식 (3)을 통해 30.0V로 설정하였다.

식 (3)에서 V_in은 정류된 전압이고, V_ref는 comparator의 기준 전압이다. V_in이 30.0V가 되면 R2에 인가되는 전압에 의해 comparator가 동작하고, Gate Driver 출력(V_gate)을 통해 MOSFET은 단락되어 제한전압을 유지하도록 동작한다.

그림 7은 전압제한회로의 입력전압과 comparator의 출력전압을 측정한 결과이다. 측정 결과 입력전압이 31.0V에서 comparator가 동작함을 확인하였다. 측정 결과와 식 (3)을 통해 설정한 값의 오차는 입력과 출력 사이의 다이오드와 저항의 오차율에 의한 것으로 정상동작으로 판단할 수 있다. 그림 8은 전압제한 회로의 출력전압과 Comparator의 출력전압을 측정한 결과이다.

Fig. 7. 
Test result of voltage limit circuit (input voltage, comparator output voltage)

Fig. 8. 
Test result of voltage limit circuit (output voltage, comparator output voltage)

배터리 상태 모니터링을 위한 전압/전류 감시 장치는 상용 Buck-Boost Battery Charge Controller(LT8490)를 사용하여 구현하였다.

LT8490는 대부분의 배터리 충전에 사용되는 정전류-정전압(CC-CV)충전방식을 적용한 Battery Charge Controller로 배터리 충전전압과 충전전류를 모니터링하여 배터리 충전을 위한 DC/DC Converter를 제어하고, 배터리의 상태와 충전모드에 대해 LED로 표시해주는 기능을 포함하고 있다[8]. 그림 9는 제작된 전원관리장치이다.

Fig. 9. 
Fabricated power management device

제작된 전원관리장치를 적용하여 배터리 충전실험을 진행하였다. 그림 10은 배터리 충전실험 구성도이다. 배터리 충전을 위한 전류원은 저항부하와 단상 220V 전원을 사용하여 22A의 전류를 발생시켜 실험하였다. 실험은 Power CT의 수를 증가시키며 충전전력과 충전전류를 확인하였다.

Fig. 10. 
Battery charging experiment configuration diagram

표 2는 22A기준 CT 수에 따른 충전전력과 충전전류 실험결과이다. 실험결과 Power CT 1개를 적용 시 총 소비전력이 1W정도의 센서노드를 안정적으로 운영이 가능할 것이다.

본 논문에서 제안한 자율독립전원 시스템 성능 검증을 위한 실험을 진행하였다. 실험은 SLV(Sheath Voltage Limiter)진단장치를 센서노드로 그림 11과 같이 구성하여 진행하였다. SVL진단장치는 지중 송전선의 낙뢰 및 서지전압의 대책으로 설치되는 SVL의 누설전류를 진단하여 열화 상태를 점검하는 장치이다. 실험에 사용된 SVL진단장치는 상위외부장치와의 이더넷통신모듈을 포함한 총 소비전력이 1.8W로 Power CT 2개를 사용하여 안정적으로 운용됨을 확인하였다.

Fig. 11. 
Experimental configuration diagram of autonomous independent power system

Fig. 12. 
Experimental configuration diagram of autonomous independent power system