스마트 그리드, 스마트 계측기, 지능형 가로등과 같은 스마트 에너지 인프라 설계자는 안정적이고 비용 효율적이며 안전한 통신이 필요합니다. 무선 기술이 해야 할 역할이 있지만 취약성, 비용 및 범위 제한과 같은 상당한 문제가 존재합니다. 데이터를 기존 전력선으로 전송할 수 있는 전력선 통신(PLC) 기술은 중요한 통신의 기반이 되는 우수한 기본 기술을 제공합니다.
PLC는 잘 정의되고 널리 사용되는 기술이긴 하지만 신호 감쇠, 잡음, 과도 전압 등 통신을 방해할 수 있는 몇 가지 문제점이 있다는 점을 설계자는 알고 있어야 합니다. 이러한 문제를 해결하려면 최적의 성능을 보장하기 위해 실용적이고 효율적인 솔루션이 필요합니다. 그러한 솔루션으로는 PLC 변압기와 GMOV 과전압 보호기, 두 가지를 들 수 있습니다.
PLC 변압기는 협대역(NB) 응용 분야 내에서 삽입 손실을 최소화하기 위해 최적화됩니다. 또한 전기적 분리와 전자파 장해(EMI)를 감소하여 신호 품질과 신뢰성을 향상합니다. GMOV는 가스 방출관(GDT)과 금속 산화물 배리스터(MOV)를 결합한 하이브리드 과전압 보호 부품입니다. GMOV는 열악하고 통제되지 않는 환경에서 성능 저하 및 열폭주에 취약한 표준 MOV의 한계 및 고장 문제를 극복하도록 설계되었습니다.
이 기사에서는 PLC의 작동 방식과 스마트 인프라에 적합한 이유를 간략하게 검토합니다. 그런 다음 Bourns의 PLC 변압기와 GMOV 보호기 예시를 소개하고 그 작동 방식을 보여주며 선택 및 적용 시 고려해야 할 몇 가지 요소를 제시합니다.
PLC 작동, 응용 분야 및 문제
PLC 시스템에서 전송되는 데이터는 반송파 신호에 변조되어 전력선에 주입됩니다. 세부 사항은 응용 분야 간에 매우 다양하지만 IEEE 1901.2는 전력 그리드에 대한 글로벌 표준입니다. 이는 최대 500Kbits/s까지 저주파수(500kHz 이하) NB 통신을 지정하며 스마트 그리드, 스마트 계측기 및 지능형 가로등과 같은 응용 분야에 적합합니다.
PLC 기술이 스마트 에너지 인프라의 설계자에게 유용한 솔루션임이 증명되었지만 문제가 없는 것은 아닙니다. 설계 시 신호 감쇠, 잡음 및 과도 전압와 같은 장애물이 있으며 이러한 장애물은 모두 통신 품질과 신뢰성을 크게 저하시킬 수 있습니다. 구체적인 내용은 다음과 같습니다.
- 신호 감쇠는 PLC 신호가 데이터가 아닌 전력용으로 설계된 선을 사용하기 때문에 문제가 됩니다. 이러한 선에는 특히 장거리에 상당한 감쇠를 부과할 수 있는 임피던스 특성이 있습니다. 결과적으로 신호 강도가 떨어지면 유효 범위가 감소하여 잠재적으로 데이터 손실이나 오류가 발생할 수 있습니다.
- 잡음은 전력선에 연결된 전자 제품, 전원 공급 장치 변형, 외장형 EMI 등 다양한 소스에서 발생할 수 있습니다. PLC 데이터 신호는 상대적으로 고주파 특성을 지녀 비차폐 전력 그리드 내에서 발생하는 이러한 잡음 소스에 특히 취약합니다.
- 과도 전압은 낙뢰 또는 유도 부하 스위칭으로 인해 발생할 수 있습니다. 이러한 과도 전류는 전력선에 높은 전압을 유도하여 잠재적으로 PLC 모뎀에 해를 입힐 수 있습니다.
PLC 시스템이 직면한 문제를 해결할 때 설계자는 2가지 주요 기술인 PLC 변압기와 GMOV 보호기를 적용할 수 있습니다. 두 부품은 모두 PLC 시스템의 신뢰성, 성능 및 안전을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다.
설계 검토: 커플링 회로의 PLC 변압기 및 GMOV
PLC 변압기 및 GMOV가 해결할 수 있는 문제를 설명하기 위해 그림 1에 나와 있는 커플링 회로를 자세히 살펴보겠습니다. 이 회로는 주 라인(Z라인)에서 PLC 모뎀(Z모듈)을 분리하면서 또한 데이터 신호를 위한 경로를 제공해야 합니다. 이렇게 하면서 커플링 회로는 고주파 및 저주파, 고전력 AC를 모두 처리해야 합니다.
PLC 변압기(T1)은 PLC 모뎀과 전력선 간에 전기적 분리를 제공하여 PLC를 AC 주 전원에서 분리하는 데 도움이 됩니다. 이러한 변압기의 주요 특징은 삽입 손실을 최소화하여 신호 왜곡 및 감쇠를 감소합니다. 예를 들어 그림 2에서는 500kHz 미만의 NB 응용 분야에 대해 최적화되어 있는 Bourns의 PLC 변압기에 대한 PFB 계열을 보여줍니다. 또한 PLC 변압기의 EMI 억제 기능은 잡음을 감소하는 데 도움이 되어 더욱 안정적이고 효율적인 통신을 지원합니다.
그림 1에서 과도 전압은 GMOV 보호기가 처리합니다(그림 3). 이 장치는 MOV의 빠른 응답과 GDT의 높은 서지 전류 처리 기능을 통합하는 하이브리드 과전압 보호 부품입니다. 이 조합은 PLC 시스템의 전자 회로에 손상을 줄 수 있는 낙뢰 또는 스위칭 이벤트로 인한 과도 전압으로부터 강력하게 보호할 수 있습니다.
GMOV에서 MOV 및 GDT 부품은 직렬 구성에서 용량적으로 결합됩니다. 저주파 조건에서 GMOV 부품의 전압 제한은 MOV 부품 및 GDT 부품의 전압 제한의 합과 같습니다.
성능 저하 및 열폭주가 발생하기 쉬운 표준 MOV와 달리, GMOV 보호기는 열악하고 통제되지 않는 환경을 견디도록 설계되었습니다. MOV 부품은 과도한 전압을 안전한 수준으로 클램핑하는 반면 GDT는 극심한 서지 조건에서 고장 시 안전 역할을 수행합니다. 이러한 기능은 MOV에서 과도한 에너지를 리디렉션하여 수명을 연장하고 시스템 고장 가능성을 감소합니다.
PLC 변압기 및 GMOV 보호기의 설계 고려 사항
PLC 시스템용 라인 커플링 회로를 설계하려면 주요 부품과 상호 작용에 대해 세심하게 고려해야 합니다. 다음은 설계에 고려해야 할 요소에 대한 몇 가지 문제입니다.
PLC 시스템 요구 사항: 설계 공정을 시작하기 전에 PLC 시스템 요구 사항을 명확하게 이해해야 합니다. 여기에는 필요한 데이터 전송률, 작동 범위, 작동할 전력선 유형 및 노출될 환경 조건이 포함됩니다.
안전 및 규정 준수: 안전은 사용자 또는 유지보수 작업자가 액세스할 수 있는 설계에 특히 중요합니다. 응용 분야에 따라 설계에는 EN 62368-1(IT 및 오디오-시각 장비) 또는 EN 61885(통신 네트워크 및 전력 설비 자동화)를 준수해야 합니다.
통신 관점에서 설계는 일반적으로 최대 신호 레벨과 허용 가능한 캐리어 주파수 대역을 정의하는 유럽의 CENELEC EN 50065-1 표준을 준수해야 합니다.
PLC 변압기 선택: 변압기가 작동 주파수, 전압 및 임피던스 요구 사항을 충족하는지 확인해야 합니다. 예를 들어 앞서 언급한 Bourns PFB 계열은 NB PLC(NB-PLC) 응용 분야에 최적화되어 있어 장거리 작동에 적합합니다. 저전압 및 중전압 범위를 지원하는 PFB 계열은 실내외 설정 모두에 사용할 수 있습니다.
PLC 모뎀 임피던스가 전력선 임피던스와 일치할 수 있도록 권선비를 갖춘 변압기를 선택해야 합니다. 많은 경우 모뎀 임피던스는 변경할 수 없으므로 신호 전송을 효율적으로 하기 위해 임피던스가 일치하도록 변압기를 신중히 선택해야 합니다.
또한 응용 분야 환경도 고려해야 합니다. 예를 들어 PFB 계열은 표준 및 늘어난 형태 모두 사용할 수 있습니다. 표준 모델인 PFBR45-ST13150S는 안전한 하우징 내에서 사용하도록 설계되었지만 늘어난 형태의 모델인 PFB45-SP13150S는 유지보수 작업자 또는 사용자가 액세스할 수 있는 지역에서 사용할 수 있도록 안전 기능을 추가적으로 제공합니다. 후자의 강화 절연은 사용자를 감전으로부터 보호하고 위험한 입력 전압과 분리합니다. 그림 4는 두 모델의 주요 특성을 보여줍니다.
GMOV 보호기 선택: 적합한 보호기를 선택할 때 시스템에 발생할 수 있는 전력 서지 및 과도 전압의 종류를 고려해야 합니다. 예를 들어 Bourns에서는 6kA의 서지 전류를 지원하는 GMOV-14D301K와 같은 14mm GMOV 보호기와 10kA 서지 전류를 지원하는 GMOV-20D151K와 같은 20mm 변형을 제공합니다. 특히 14mm 변형 및 20mm 변형은 크기 및 실장 면적 면에서 표준 MOV와 호환할 수 있습니다. 그림 5는 이러한 장치에 사용할 수 있는 전체 구성 목록을 제공합니다.
또한 정전 용량 및 누설 전류를 염두에 두는 것이 중요합니다. 높은 정전 용량은 PLC 시스템의 데이터 전송을 방해할 수 있습니다. Bourns GMOV 보호기의 2pF 미만의 낮은 정전 용량은 신호 왜곡을 최소화하므로 전력선을 통한 데이터 전송에 크게 영향을 미치지 않습니다.
또한 Bourns GMOV 보호기는 1µA 미만의 누설 전류를 특징으로 합니다. 누설이 사소한 문제처럼 보일 수 있지만 도시 규모의 응용 분야에서는 누설이 가중됩니다. 예를 들어 누설 전류가 10µA인 가로등 응용 분야에서는 일반 도시 지역에 있는 가로등 1백만 개에 이를 곱하면 누출로 인한 에너지 손실이 심각해집니다.
결론
스마트 그리드, 스마트 계측기, 지능형 가로등으로 특징되는 스마트 에너지 인프라의 도래로 인해 안정적이고 비용 효율적이며 효율적인 통신 시스템에 대한 필요성이 주목을 받고 있습니다. 위에서 살펴본 바와 같이 PLC는 신호 품질 및 신뢰성을 보장하고 누설 전류를 최소화하면서 과도 전류 또는 서지로부터 보호하기 위해 특수 PLC 변압기 및 GMOV 보호기가 지원하는 경우 특히 적합한 옵션입니다.
참조 : https://www.digikey.kr/ko/articles/how-to-protect-plc-systems-two-technologies-to-know
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