8비트 MCU를 사용한 파워미터 애플리케이션 개발하기

본 글은 직접 측정 기능이 있는 고정 단상 파워 미터의 구조와 기능을 중점적으로 설명한다. 고정이란 PM(파워 미터)에 기계적 부품이 전혀 없음을 의미하며, 고정 미터는 마이크로 컨트롤러 기반이다. 직접 측정이란 부하에 유입되는 전류를 의미한다. 이는 분로 저항기 전압에서 감지되며 전류는 고정밀 AD 컨버터를 사용하여 측정된다. 그 다음 측정된 값을 사용하여 전력이 계산되며, 마지막으로 총 유효 에너지[Wh]를 판정할 수 있도록 전력이 시간에 합산된다.

라도미르 코주프 / 프리스케일 반도체 애플리케이션 엔지니어

전기 기계식 파워 미터는 이제 거의 전자식 버전으로 교체되었다. 전자식 미터는 이전의 전기 기계식 미터에 비해 다수의 장점을 가지고 있다. 예를 들자면, 기계적 구조가 더 비용 효율적이며, 작동 부품이 없다는 사실로 인해 더 간단하다.
전자식 PM은 또한 더 높은 정밀도와 넓은 다이나믹 레인지를 제공한다. 전기 기계식 PM의 표준 다이나믹 레인지는 2% 정밀도에서 1:80인 반면, 최신 고정 PM의 전력 측정 다이나믹 레인지는 1% 정밀도에서 1:1000이다. 공급 전원의 전압이 안정적이라고 가정하면, PM의 다이나믹 레인지는 전류 측정의 다이나믹 레인지에서 산출된다.
더불어, 전기 기계식 PM은 유효 에너지 값만을 기록하고 표시하지만, 전자식 PM은 유효 전력, 전압, 전류 RMS, 피크 값, 라인 주파수, 역률(power factor) 또는 온도와 같은 추가적인 정보를 측정하고 표시할 수 있다. 위 값은 RS232, RS485, MBUS 또는 IRDA와 같은 전자식 인터페이스를 통해 읽을 수 있다.
고정 PM은 강력한 보안 기능도 제공한다. 현재 전기 요금이 계속 상승하는 추세이므로, 변조가 점점 흔한 현상이 되어가고 있다. 전자식 파워 미터는 전류 흐름의 방향 변경, 부분적 접지, 중성단 누락 상태, 덮개 분리 등을 감지할 수 있는 기능이 있다.
소비 전력 또한 미터 설계에서 중요한 요소이다. 현재 설치된 수백만 개의 PM은 상당한 양의 전력을 소비하고 있다. 따라서 미터 자체의 전력 예산도 엄격히 제한되어야 한다. 전류 센서 및 미터 전자장치에서 발생하는 총 손실은 2W 및 10VA로 제한된다. 고정 단상 파워 미터는 EN62056 및 EN50470 규정을 준수해야 한다. 유효 에너지에 해당하는 고정 전기 미터의 특정 요건(클래스 인덱스 A, B, C)이 EN50470-3에 명시되어 있다. 이 규정에는 전압, 전류 회로, 자체 소비 전력에 대한 요구사항과 정밀도, 노이즈의 영향, 온도, 과전압 및 저전압, 과전류 및 고조파에 대한 다양한 테스트가 설명되어 있다.표준에는 로컬 데이터 교환에 대한 설명과, 로컬 포트(광학 또는 전류 단상 파워 미터의 기본 요구사항)를 통해 COSEM을 사용하는 방법이 설명되어 있다.
현재 PM을 설계하려면 몇 가지 기능이 필수적이다.  모든 조건이 EN50470-3 규정을 준수해야 한다.
a) 입력 전압 : PM은 미국 및 유럽 공급 전압 230(120)V, 50(60)Hz에 호환되어야 한다.
b) 총 소비 전력 : 2W를 넘지 않아야 한다. 이에 따라 전류 감지 요소의 최대 저항과 전자 회로의 소비량이 제한된다. PM(전자 회로) 자체의 소비 전력은 100mW 이하이며, 대부분의 전력이 분로에 소비된다. 분로 저항은 R = P/I2 = ~312μΩ이다. 표준 300μΩ 분로 저항기가 설계에 사용되었다. 따라서 PM의 전력 소비 또한 10VA로 제한되며, 정전용량식 전원 공급기에서 인출되는 전류의 양도 제한된다. 정전용량식 분배기 전원 공급기를 사용하고 470nF의 콘덴서를 사용하면 약 8mA의 전력 예산이 산출된다.
c) 정밀도 : PM의 정밀도는 1%에서 5(80)A로 설정된다(EN50470-3의 B 클래스). 최신 단상 PM의 경우 5(80)A의 사양을 충분히 만족하며, 이는 측정되는 전류의 다이나믹 레인지가 1:320임을 의미한다.50470 규정에서 요구하는 정밀도와 경계를 이루는 Istart, Imin, Itr 등의 몇 가지 전류 한계치가 있다. 최대 전류 Imax는 최대 정밀도(1%)를 80A로 설정한 상태에서 측정된다. PM은 단기 과전류 Imax * 30 = 2400A를 견뎌야 한다.
레퍼런스 전류 Iref는 5A로 설정된다. Iref는 EN50470-3 규정에 의거하여 Imin, Itr Istart의 기준이 된다.= Iref/20 = 250mA. Imin은 PM이 결정된 정밀도(B 클래스의 경우 +-1.5%)로 측정해야 하는 최소 전류이다. 위 값에서, 전류 측정의 다이나믹 레인지는 Imax/Imin =.25/80 = 1:320이고, Istart=Iref/250=25mA이다. 전류가 Istart보다 크면 PM이 에너지 기록을 시작해야 하며, 정밀도는 측정되지 않는다.=Iref/10 = 500mA(Itr은 최대 정밀도의 한계치, 1%)이다.
d) 표준 미터링 기능 : 전압 RMS, 전류 RMS, 유효 전력, 유효 에너지, 실시간 클록
e) 광절연 및 광학(LED) 에너지 펄스 출력이 존재해야 파워 미터 교정과 정밀도 검증이 가능하다.
f) LCD 인터페이스 및 버튼 : 측정된 모든 값을 보여주는 데 필요하다. 버튼으로 표시된 값을 전환할 수 있어야 한다.
g) 덮개 분리를 감지할 수 있는 변조 방지 스위치 : 공급전원 커넥터는 덮개 안쪽에 배치되어야 한다. 공급 전원에 전압이 존재하지 않더라도 PM은 공급 전원 연결에 대한 일체의 조작을 모니터링 한다.
h) 적외선 인터페이스 및 RS232 광절연 직렬 인터페이스가 미터링 데이터 판독에 사용된다.

블록도
앞서 언급한 대로, 아래 디자인은 직접 측정(분로) 기능이 있는 고정 단상 PM의 예다. 측정 세그먼트는 몇 개의 블록으로 구성되어 있다.
정확한 측정에 가장 중요한 블록은 ADC 컨버터와 전압 레퍼런스이다. 에너지가 전력에 대해 적분 관계이며 요금 전환으로 인해 측정이 실시간으로 이루어져야 하므로, 시간축 또한 중요한 요소다.
인터페이스 부품에는 디스플레이를 구동하는 LCD 인터페이스와 수동 데이터 판독용 버튼이 포함된다. PM의 자동 데이터 판독에는 적외선 인터페이스(EN62056-21), 광절연 RS232, 에너지 펄스 출력이 사용된다. 변조 감지를 위한 일부 인터럽트 입력도 필요하다.그림 1>에 나타난 PM 레퍼런스 디자인에는 미터링 애플리케이션에 적합한 단상 PM으로 프리스케일 8비트 MC9S08LH64 MCU가 사용되었다.


ADC 컨버터
단상 전기 미터 애플리케이션에는 14.5 ENOB 정밀도의 ADC가 권장된다. 14.5 ENOB가 1%에서 1:320의 정밀도 요구사항을 만족하는가? 클래스 B는 간격 <Imin; Itr>에서 1.5%의 오류를 허용하므로 다음과 같은 공식이 성립된다. (식 1)은 MCU는 14.5 ENOB의 AD 컨버터 기능을 제공하며, 이는 정의된 전류 다이나믹 레인지에 충분한 수준이다. 계산 알고리즘에 에버리징을 적용하면 에너지 계산의 정밀도를 더욱 높일 수 있다.
더블 다이나믹 레인지에서 노이즈 없는 가능한 최상의 신호를 얻으려면 전류 측정에 차동 입력을 사용해야 한다.
공급 전원의 전압이 공칭 230(120)V에서 최대 + 또는 -20%까지 변화되므로, 전압 측정 경로에는 엄격한 요구사항이 존재하지 않는다.에 MUX 기능이 있는 ADC 컨버터가 1개뿐이라면 MCU가 전압과 전류 입력 사이에 ADC를 전환해야 한다. MC9S08LH64 MCU는 샘플을 적절한 시간에 수집하고 하드웨어를 통해 두 입력을 전환하는 ‘핑퐁(ping-pong)’ 모드가 포함된 하드웨어 트리거링을 제공한다. 그 다음 양쪽의 변환이 완료된 후에 인터럽트가 발생된다. 핑퐁 모드는 샘플링에 소요되는 CPU 시간을 최소화하므로 PM 애플리케이션에 이상적이다. 전압과 전류 신호 사이의 위상 편이는 전압 샘플과 전류 샘플 사이의 시간 지연으로 보상할 수 있다.컨버터는 샘플 최대 32개의 하드웨어 에버리징을 지원한다.

전압 레퍼런스
16비트 SAR AD 컨버터에서 내부 전압 레퍼런스를 사용할 수 있다. 프리스케일 9S08LH64 전압 레퍼런스는 보상 밴드갭(bandgap) 다이오드 기반이며 1.2V@40ppm/°C의 사양이다. 레퍼런스는 8비트 레지스터를 통해 0.5mV 단위로 트림 가능하다. 예를 들어, 온도에 대한 전반적인 측정 오류 보상 방법으로 레퍼런스 전압의 미세 조정을 고려할 수 있다(참고: 온도 측정에 내부 밴드갭 다이오드를 사용할 수 있음).

시간 레퍼런스
크리스탈 레퍼런스를 사용하여 고정밀 CPU 버스 클록과 실시간 클록 신호 소스를 함께 쌍으로 만들 수 있다. FLL 모드에서는 크리스탈 주파수를 곱하여 CPU 계산 성능을 활용할 수 있는 19.922MHz의 버스 클록을 얻을 수 있다.에는 ‘TOD(시각)’ 모듈이 내장되어 있으며 크리스탈을 직접 소스로 사용할 수 있다. TOD 모듈은 MCU가 정지 모드일 때에도 작동하며, 사전 정의된 시간에 MCU를 가동시킬 수 있다. 이 기능은 소프트웨어에서 실시간과 캘린더 시간을 만들 수 있다는 장점을 제공한다.

정지 모드와 소비 전력
정지 모드의 소비 전력은 필요한 배터리 용량에 직접적인 영향을 준다. 따라서 뛰어난 소비 전력과 폭넓은