The 4-channel Multiple Contact Resistance Measurement Systems using MQTT Broker Server for AC 22.9 kV COS/Lightning Arrester

MQTT 브로커 서버를 이용한 AC 22.9 kV 차단기/피뢰기의 4-채널 다중 접촉저항 측정 시스템

Abstract

In this study, we propose a method to improve the precision of contact resistance measurement circuits using constant current method and voltage drop method, and implement a dashboard that monitors the measured data of contact resistance measurement systems through MQTT broker server. The contact resistance measurement system measures the resistance value and transmits the measured value to the MQTT broker server using wireless communications. This developed dashboard uses Node-RED and Node-RED-Dashboard to receive the resistance values of up to four contact resistance measurement systems and show them to user's monitor screen. Users can manage multiple measurement data using a single dashboard and easily interface with other devices through the MQTT broker server. Through the experimental results from real data measurements, the relative standard deviation about precision is improved to average 40.37% and maximum 64.73% respectively.

본 연구에서는 정전류 회로와 전압 강하법을 이용한 접촉 저항 측정 회로의 정밀도를 개선하는 방법을 제안하고, MQTT 브로커 서버를 통해 접촉 저항 측정 시스템의 측정값을 모니터링할 수 있는 대시보드를 구현한다. 접촉 저항 측정 시스템은 저항값을 측정하고 무선통신을 이용해 MQTT 브로커 서버로 측정값을 전달하고, 대시보드는 Node-RED와 Node-RED-Dashboard을 이용하여 최대 4개의 접촉저항 측정 시스템의 저항값을 받아 이를 사용자 화면에 출력하여 보여준다. 사용자는 하나의 대시보드를 이용해 복수의 측정 데이터를 관리할 수 있고, MQTT 브로커 서버를 통해 다른 장치와 쉽게 인터페이스 가능하게 한다. 실제 데이터 측정을 통해 정밀도 상대표준편차가 평균적으로 40.37%, 그리고 최대 64.73% 각각 감소하여 정밀도의 개선 효과가 있다.

Ⅰ. 서론

접촉저항이란 기계적 접촉이 있는 2개의 도체 사이에서 접촉면으로 지나는 전류를 흘릴 때, 접촉면에서 다른 면보다 높게 생성되는 저항을 의미한다. 접촉면이 평면 접촉이 아니라 요철 등과 같은 접촉이 있는 경우 실제 접촉 단면적이 겉보기 접촉 단면적보다 작거나 도체의 표면이 전류의 흐름을 방해할 때 생성된다. 이러한 상황에서 2개의 도체를 접촉시킨 후 전류를 흘리면 그 접촉부의 저항은 접촉저항에 의해 상승하기 때문에 전압은 강하하고 온도는 상승하게 된다. 따라서 각종 전기 및 전자 장치에 사용하는 기기에서 접촉저항이 낮을수록 우수한 품질의 성능을 갖게 된다. 이와 같은 접촉 저항을 각종 전기 및 전자 장치 생산에서 정확하게 측정할수록 제품의 품질이 향상된다.

본 연구에서는 정전류 원리를 적용하여 각종 전기재료의 특정 대역 접촉저항 측정 시스템을 마이크로프로세서(ESP32 임베디드 보드)를 사용하여 개발한다. 이와 같은 임베디드 보드에서 실행되는 Firmware 프로그램으로 신호처리 및 시스템 소프트웨어를 작성하고, 특정 대역으로 0.0∼10.0 Ω범위의 정밀 접촉저항을 Texas Instrument 24-bit 1220 ADC(analog-to-digital converter)를 사용하여 2^23(8,388,608) 고정밀도로 측정하고 소수점 10자리까지 연산, 출력 및 검증한다.

컷아웃 스위치(COS; cut out switch)는 애자 몸체, 상부 및 하부접촉부, 고정자, 퓨즈홀더 및 퓨즈로 구성된다[1]. 컷아웃 스위치는 변압기 보호 목적으로 사용되며 이상 전류가 흐를 경우 퓨즈가 용단되어 전류를 차단한다. 컷아웃 스위치의 접촉부에서 발생하는 접촉저항으로 인해 발열, 제품 손상, 화재, 전력 단전 등의 문제가 발생할 수 있다. 본 연구는 위의 문제를 예방하기 위해 AC 22.9 KV 차단기 및 피뢰기로 사용되는 컷아웃 스위치 구조의 제품의 생산과정에서 접촉저항을 측정하기 위한 다중 접촉저항 측정 시스템을 구현하고, MQTT(message queuing telemetry transport) 브로커 서버를 이용하여 4개의 시스템을 모니터할 수 있도록 대시보드를 구현한다.

Ⅱ. 시스템 구성 요소 및 활용 기술

2-1 정전류(Constant Current) 및 신호처리 회로

본 연구에서 접촉저항을 측정하기 위해 계산된 정전류 고정 저항은 6.25 Ω이지만, 해당 저항은 표준저항에 속하지 않아 구매가 불가능하다. 필요하다면 주문 제작이 요구되며, 0.25 Ω 단위의 정밀도를 구현하기도 매우 어려운 상황이다. 따라서 직렬 또는 병렬 연결을 통해 해당 저항을 구현해야 하며, 직렬로 연결하면(예: 3.0 Ω 0.5% + 3.25 Ω 0.1%) 2개의 부품 중에 정밀도가 낮은 부품에 의존하여 정밀도가 낮아지는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 MIL(military) 사양으로 정밀도 0.01%, 온도 계수 50ppm/℃, 동작온도 -65℃ ~ 175℃의 15 Ω 저항을 4개 병렬 또는 30 Ω 저항 8개 병렬로 연결하여 6.25 Ω을 구현하였다. 이와 같이 병렬로 연결하면 서로 다른 오차가 존재하더라도 평균값으로 상쇄되어 정밀도가 향상되고, 또한 정전류가 4 또는 8개의 저항으로 분산되어 Watt수가 증가하여 신뢰성이 향상되는 장점이 있다. 그리고 정전류 회로에 흐르는 전류에 대해 DUT(device under test) 저항을 곱하면 오옴의 법칙에 의해 전압이 발생한다. 이 전압을 입력저항이 무한대이고 출력저항이 0인 OP-AMP의 특성을 이용하여 1:1 Unity Gain Buffer를 구성하였으며, 1:1 증폭을 구현하기 위해 사용한 4개의 10 ㏀ 저항은 Ultra High Precision Z-Foil 방식으로 오차 0.01%, 온도 계수 0.05ppm/℃, 동작온도 -55℃ ~ 145℃의 정밀 사양을 갖고 있어 정밀한 측정이 가능하다.

2-2 MQTT Messaging Protocol

MQTT는 OASIS에서 표준화한 Publish/Subscribe 형식의 경량화 메시징 전달 프로토콜이다. 사물인터넷(IoT; internet of things)에 도입되기 위해 낮은 성능, 낮은 대역폭, 높은 지연시간, 불안정한 네트워크에서 동작하면서도 신뢰성을 제공하도록 설계되었다[2].

MQTT는 MQTT 클라이언트들과 MQTT 브로커로 이루어져 있으며, MQTT 클라이언트는 MQTT 브로커로 메시지를 발행하거나, MQTT 브로커로부터 메시지를 구독받는다. MQTT 브로커는 모든 메시지를 수신하고, 필터링하여 메시지 토픽을 구독한 클라이언트에게 메시지를 전달하는 역할을 한다[3].

2-3 Node-RED

Node-RED는 흐름-기반 프로그래밍을 통해 하드웨어와 API(application programming interface) 및 온라인 서비스를 연결시킬 수 있는 프로그래밍 도구이다. 웹 브라우저를 통해 흐름 에디터에 접근할 수 있도록 하는 Node.js 기반의 런타임으로 이루어졌다. 이 흐름 에디터를 통해 사용자가 노드를 파레트에서 작업공간으로 드래그하고, 서로 연결하여 어플리케이션을 제작할 수 있고, 손쉽게 배포하여 동작시킬 수 있도록 개발되었다[4].

Node-Red-Dashboard는 Node-RED의 대시보드를 만들 수 있는 노드를 제공하는 모듈이다[5]. 흐름 에디터에서 노드를 설치하고 배포하면, 해당 노드의 UI를 웹 페이지를 통해 확인할 수 있다. 노드는 버튼, 드롭다운 리스트, 토글 스위치와 슬라이더를 포함하는 사용자 입력 노드와 텍스트, 바 차트, 파이 차트 및 HTML(hypertext markup language) 템플릿을 포함하는 정보 출력 노드가 있다.

Ⅲ. MQTT 브로커 서버 및 4-채널 다중 접촉저항 측정 시스템 구현

3-1 접촉저항 측정 시스템

접촉저항을 측정하기 위한 회로를 설계한 기존 연구[6], [7]는 지속적인 전류 흐름으로 인한 발열로 저항값이 변하는 문제가 있다. 본 연구는 정전류 회로에 릴레이를 추가하여 측정 시에만 전류가 흐르도록 하였다. 또한 기존 연구에는 MCP3424 18-bit ADC를 사용하였으며, 이를 ADS1220 24-bit ADC[8]로 변경하여 저항 측정의 분해능을 높였다. 그림 1은 접촉저항 측정회로의 구성을 간략하게 나타낸 그림이다.

그림 1. 접촉저항 측정 회로의 구성도

Fig. 1. Diagram for contact resistance measurement circuit

ESP32는 802.11 b/g/n 프로토콜(Wi-Fi)을 지원한다[9]. 접촉 저항 측정 시스템의 컨트롤러는 ADC를 통해 전압을 측정하고 접촉저항을 계산한다. Wi-Fi와 PubSubClient 라이브러리[10]를 이용하여 측정한 저항값을 MQTT 브로커 서버로 전송하도록 구현하였다. 그림 2는 4-채널 다중 접촉저항 측정시스템의 구성을, 그림 3은 설계된 회로를 이용하여 구성하여 동작시키는 그림이다.

그림 2. 4-채널 다중 접촉저항 측정 시스템의 구성도

Fig. 2. Diagram for 4-channel multiple contact measurement system

그림 3. 접촉저항 측정 시스템

Fig. 3. Contact resistance measurement system

3-2 MQTT 브로커 서버

서버 하드웨어는 Raspberry Pi 4 Model B+ 개발보드를 사용하였으며, 운영체제는 Raspberry Pi OS with desktop and recommended software의 2022년 09월 06일 빌드를 사용하였다. MQTT Broker는 Mosquitto 2.0.11 버전을 사용한다.

Node-js v12.22.12 버전과 Node-RED v2.1.6 버전을 사용하여 MQTT 브로커로부터 접촉저항 값을 받고 사용자 인터페이스로 볼 수 있도록 구현하였다. Node-RED는 로컬호스트에 설치된 MQTT 서버에 연결하여 접촉저항을 구독하고 이를 배열 형태로 저장한다. Node-RED-Dashboard의 템플릿 노드를 사용하여 사용자가 접촉저항의 변화를 차트로 보여주고, 평균과 표준편차를 숫자로 확인할 수 있도록 하였다. 이러한 기능을 하는 플로우 4개를 만들어 총 4개의 접촉저항 측정 시스템으로부터 저항값을 수신하고 대시보드로 전달한다. 그림 4는 1번 접촉저항 측정 시스템의 측정값을 처리하는 플로우이다. 그림 5는 Node-RED-Dashboard의 웹 페이지에서 측정 후에 확인할 수 있는 결과 화면이다. Chart.js를 이용하여 저항 값의 그래프와 각 측정값의 평균과 표준편차를 출력하도록 하였다. 4개의 접촉저항 측정 시스템의 정보가 Dashboard #1부터 #4에 나오도록 하였으며, Voltage, Count, Resistance는 각각 프로브 양단의 전압, ADC로 측정된 계산 전의 값, 계산되어 나온 접촉저항을 나타낸다.

그림 4. Node-RED 플로우

Fig. 4. Node-RED flow

그림 5. 4-채널 다중 접촉저항 측정 시스템의 대시보드

Fig. 5. Dashboard for 4-channel multiple contact measurement system

Ⅳ. 측정 결과

기존 연구의 접촉저항측정 회로와 본 연구의 접촉저항 측정 회로를 이용하여 저항을 측정하고 상대표준편차(%RSD; relative standard deviation)를 비교하였다. 측정 저항은 프로브를 쇼트시킨 0 Ω, 10 Ω 저항을 각각 4개와 2개를 병렬 연결한 2.5 Ω과 5.0 Ω 그리고 10 Ω 저항을 사용하였다. 0 Ω, 2.5 Ω, 5.0 Ω, 7.5 Ω 저항을 각각 100회 측정하여 평균과 상대표준편차를 계산하여 표 1에 나타냈다. 본 연구에서 제안한 방식이 기존 연구의 방식에 비해 상대표준편차가 평균적으로 40.37%, 최대 64.73% 감소하여 정밀도의 개선 효과가 있음을 확인할 수 있다.

표 1. 기존 연구와 본 연구의 측정값 평균과 RSD 비교

Table 1. Comparison of mean and RSD between previous study and this study

그림 6은 AC 22.9 kV 차단기/피뢰기 시제품이다. 시제품의 리드선과 교체형 퓨즈 전단사이, 그리고 리드선과 교체형 퓨즈 후단 사이의 접촉저항을 개발한 접촉저항 측정 시스템을 이용하여 측정하였다. 각각 100회 측정하여 평균과 표준편차(SD; standard deviation)를 계산하여 표 2에 나타냈다. 그리고 두 측정값을 MATLAB을 이용하여 플로팅하여 그림 7에 나타냈다.

그림 6. AC 22.9 kV 차단기/피뢰기의 시제품

Fig. 6. Prototype of AC 22.9 kV COS/Lightning Arrester

표 2. 리드선과 교체형 퓨즈 전단 사이와 리드선과 교체형 퓨즈 후단 사이의 접촉저항의 평균과 표준편차

Table 2. Mean and standard deviation of measured contact resistance between lead wire and front of replaceable fuse, and lead wire and end of replaceable fuse

그림 7. 리드선과 교체형 퓨즈 전단 사이와 리드선과 교체형 퓨즈 후단 사이의 접촉저항의 그래프

Fig. 7. Graph of measured contact resistance between lead wire and front of replaceable fuse, and lead wire and end of replaceable fuse

Ⅴ. 결론

본 연구에서는 정전류 원리를 적용하여 각종 전기 및 전자 재료와 장치의 특정 대역 접촉저항 측정 시스템을 개발하였다. 특정 대역으로 0.0∼10.0 Ω의 정밀 접촉저항을 Texas Instrument 24-bit 1220 ADC를 사용하여 ESP32 임베디드 보드와 SPI 인터페이스 및 SPI 직렬 통신 프로그램으로 구현하고 2^23(8,388,608) 고정밀도로 측정하여 소수점 10자리까지 연산한 후, 0 Ω, 2.5 Ω, 5.0 Ω 그리고 10 Ω 4개 구간에서의 정확성을 실시간 구현 및 실험을 통해 입증하였다.

위와 같은 접촉저항의 고정밀 측정과 함께, 본 연구는 AC 22.9KV 차단기/피뢰기의 접촉저항 측정 시스템을 구축하고 MQTT 브로커 서버를 통해 4개의 측정 단말 시스템으로부터 측정된 접촉저항 값을 전달받아 하나의 대시보드에서 모니터링이 가능하도록 구현하였다. 기존 연구의 전류로 인한 발열로 저항 변화를 해결하기 위해 정전류를 측정할 때만 통전할수 있도록 릴레이를 도입하였고, 측정값의 RSD를 이용하여 성능을 비교하였다. 성능 측정 결과로 본 연구의 방법이 기존 연구 대비 상대표준편차를 평균적으로 40.37%, 최대 64.73% 까지 감소하였음을 확인하였다.