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신호 발생기
신호 발생기(signal generator)는 진폭, 진동수 및 파형의 설정된 속성을 가진 전기 신호를 생성하는 전자 장치의 일종이다. 이 생성된 신호는 전자 측정의 자극으로 사용되며, 일반적으로 전자 또는 전기 음향 장치의 설계, 테스트, 문제 해결 및 수리에 사용되지만 예술적인 용도로도 자주 사용된다.
다양한 목적과 응용 분야, 그리고 다양한 비용 수준을 가진 여러 종류의 신호 발생기가 있다. 이러한 종류에는 함수 발생기, RF 및 마이크로파 신호 발생기, 피치 발생기, 임의 파형 발생기, 디지털 패턴 발생기 및 주파수 발생기가 포함된다. 일반적으로 모든 가능한 응용 분야에 적합한 단일 장치는 없다.
신호 발생기는 보정된 진동수와 진폭을 가진 발진기만큼 단순할 수 있다. 더 범용적인 신호 발생기는 신호의 모든 특성을 제어할 수 있다. 최신 범용 신호 발생기는 마이크로프로세서 제어를 가지며 개인용 컴퓨터로도 제어할 수 있다. 신호 발생기는 독립형 자체 포함 기기일 수도 있고, 더 복잡한 자동 테스트 시스템에 통합될 수도 있다.
신호 발생기 역사
1928년 6월, 제너럴 라디오 403은 최초로 상용화된 신호 발생기였다. 이 제품은 500 Hz에서 1.5 MHz의 주파수 범위를 지원했다. 또한 1929년 4월, 최초의 상용 주파수 표준이 제너럴 라디오에 의해 50 KHz 주파수로 판매되었다.
신호 발생기 범용 신호 발생기
함수 발생기는 단순한 반복 파형을 생성하는 장치이다. 이러한 장치에는 반복 파형을 생성할 수 있는 전자 회로인 전자 발진기가 포함되어 있다. (최신 장치는 디지털 신호 처리를 사용하여 파형을 합성하고, DAC를 사용하여 아날로그 출력을 생성할 수 있다.) 가장 일반적인 파형은 사인파이지만, 톱니파, 계단(펄스), 방형파, 삼각파 발진기가 일반적으로 사용 가능하며, 임의 파형 발생기(AWG)도 있다. 발진기가 사람의 가청 범위(>20 kHz) 이상에서 작동하는 경우, 발생기에는 종종 AM, FM 또는 PM과 같은 일종의 변조 기능과 저주파 변조 파형을 제공하는 두 번째 발진기가 포함될 수 있다.
임의 파형 발생기(AWG 또는 ARB)는 공표된 진동수 범위, 정확도 및 출력 레벨의 한계 내에서 임의의 파형을 생성하는 정교한 신호 발생기이다. 소수의 특정 파형을 생성하는 함수 발생기와 달리, AWG는 사용자가 다양한 방식으로 소스 파형을 지정할 수 있도록 한다. AWG는 일반적으로 함수 발생기보다 비싸고 대역폭이 작을 때가 많다. AWG는 고급 설계 및 테스트 애플리케이션에 사용된다.
신호 발생기 범용 신호 발생기
RF(무선 주파수) 및 마이크로파 신호 발생기는 셀룰러 통신, 와이파이, 와이맥스, GPS, 오디오 및 비디오 방송, 위성 통신, 레이더 및 전자전을 포함한 광범위한 응용 분야에서 부품, 수신기 및 테스트 시스템을 테스트하는 데 사용된다. RF 및 마이크로파 신호 발생기는 일반적으로 유사한 기능과 성능을 가지고 있지만, 주파수 범위에 따라 구별된다. RF 신호 발생기는 일반적으로 몇 kHz에서 6 GHz까지의 범위를 가지며, 마이크로파 신호 발생기는 1 MHz 미만에서 최소 20 GHz까지 훨씬 더 넓은 주파수 범위를 커버한다. 일부 모델은 직접 동축 출력으로 70 GHz까지 도달하며, 외부 도파관 멀티플라이어 모듈과 함께 사용하면 수백 GHz까지 도달할 수 있다. RF 및 마이크로파 신호 발생기는 아날로그 또는 벡터 신호 발생기로 더 분류될 수 있다.
사인파 발진기를 기반으로 하는 아날로그 신호 발생기는 디지털 전자 장치의 출현 이전에 흔히 사용되었으며, 여전히 사용되고 있다. 무선 주파수 및 저주파 신호 발생기의 목적과 설계에는 뚜렷한 차이가 있었다.
신호 발생기 범용 신호 발생기
RF
RF 신호 발생기는 정의되고 조절 가능한 진폭과 주파수의 연속파 무선 주파수 신호를 생성한다. 많은 모델은 표준 장비로 또는 기본 장치의 옵션 기능으로 다양한 유형의 아날로그 변조를 제공한다. 여기에는 AM, FM, ΦM(위상 변조) 및 펄스 변조가 포함될 수 있다. 일반적인 기능은 신호의 출력 전력을 변경하는 감쇠기이다. 제조업체 및 모델에 따라 출력 전력은 -135에서 +30 dBm까지 다양하다. 다양한 출력 전력 범위가 바람직한데, 다른 응용 분야에는 다른 양의 신호 전력이 필요하기 때문이다. 예를 들어, 신호가 매우 긴 케이블을 통해 안테나로 이동해야 하는 경우, 케이블을 통한 손실을 극복하고 안테나에 충분한 전력을 공급하기 위해 높은 출력 신호가 필요할 수 있다. 그러나 수신기 감도를 테스트할 때는 낮은 신호 대 잡음비 조건에서 수신기가 어떻게 작동하는지 확인하기 위해 낮은 신호 레벨이 필요하다.
신호 발생기 범용 신호 발생기
RF 신호 발생기는 벤치톱 기기, 랙 마운트 기기, 내장형 모듈 및 카드 레벨 형식으로 제공된다. 모바일, 현장 테스트 및 항공 응용 분야는 더 가볍고 배터리로 작동되는 플랫폼의 이점을 얻는다. 자동화 및 생산 테스트에서는 다중 소스 제어를 허용하는 웹 브라우저 액세스 및 더 빠른 주파수 전환 속도가 테스트 시간과 처리량을 향상시킨다.
RF 신호 발생기는 무선 수신기를 서비스하고 설정하는 데 필요하며, 전문 RF 응용 분야에 사용된다.
RF 신호 발생기는 주파수 대역, 전력 용량(-100 ~ +25 dBc), 다양한 반송파 주파수에서의 단일 측파대 위상 잡음, 스퓨리어스 및 고조파, 주파수 및 진폭 스위칭 속도, 변조 기능으로 특징지어진다.
AF
저주파 신호 발생기는 저주파 범위 이상에서 신호를 생성한다. 초기 사례로는 1939년 휴렛 팩커드에서 판매된 첫 번째 제품인 HP200A 오디오 발진기가 있다. 응용 분야에는 오디오 장비의 주파수 응답 확인 및 전자 연구실에서의 다양한 용도가 포함된다.
신호 발생기 범용 신호 발생기
장비 디스토션은 매우 낮은 왜곡 오디오 발생기를 신호원으로 사용하여 측정할 수 있으며, 파형 분석기를 통해 출력 왜곡 고조파를 하나씩 측정하거나, 단순히 총 고조파 왜곡을 측정하는 적절한 장비와 함께 사용한다. 상대적으로 간단한 회로를 가진 오디오 신호 발생기로 0.0001%의 왜곡을 달성할 수 있다.
신호 발생기 범용 신호 발생기
디지털 통신 시스템의 출현으로, 기존의 아날로그 신호 발생기로는 이러한 시스템을 적절하게 테스트하는 것이 더 이상 불가능해졌다. 이는 디지털 신호 발생기로도 알려진 벡터 신호 발생기의 개발로 이어졌다. 이러한 신호 발생기는 QAM, QPSK, FSK, BPSK 및 OFDM과 같은 수많은 디지털 변조 형식을 사용할 수 있는 디지털 변조 무선 신호를 생성할 수 있다. 또한, 최신 상업용 디지털 통신 시스템은 거의 모두 잘 정의된 산업 표준을 기반으로 하므로, 많은 벡터 신호 발생기는 이러한 표준을 기반으로 신호를 생성할 수 있다. 예시로는 GSM, W-CDMA, CDMA2000, LTE, Wi-Fi(IEEE 802.11), WiMAX(IEEE 802.16)이 있다. 대조적으로, 견고성과 정보 보안에 큰 중요성을 두는 JTRS와 같은 군사 통신 시스템은 일반적으로 매우 독점적인 방법을 사용한다. 이러한 유형의 통신 시스템을 테스트하기 위해 사용자는 종종 자체 맞춤형 파형을 생성하고 이를 벡터 신호 발생기에 다운로드하여 원하는 테스트 신호를 생성한다.
논리 신호 발생기 또는 데이터 패턴 발생기 또는 디지털 패턴 발생기는 논리 신호, 즉 기존 전압 수준 형태의 논리 1과 0을 생성한다. 일반적인 전압 표준은 LVTTL 및 LVCMOS이다.
이는 다른 아날로그 특성(예: 펄스 상승/하강 시간, 높은 레벨 길이 등)을 가진 논리 펄스를 생성할 수 있는 신호 발생기를 의미하는 "펄스/패턴 발생기"와는 다르다.
디지털 패턴 발생기는 디지털 집적 회로 및 임베디드 시스템의 기능 검증 및 테스트를 위한 자극원으로 사용된다.
신호 발생기 특수 목적 신호 발생기
위에 설명된 범용 장치 외에도 특정 응용 분야를 위해 설계된 여러 종류의 신호 발생기가 있다.
피치 발생기는 오디오 및 음향학 응용 분야에 최적화된 신호 발생기의 한 유형이다. 피치 발생기는 일반적으로 인간의 가청 범위(20 Hz ~ 20 kHz)의 사인파를 포함한다. 정교한 피치 발생기에는 스위프 발생기(주파수 영역 측정을 위해 출력 주파수를 범위 내에서 변경하는 기능), 다중 피치 발생기(여러 피치를 동시에 출력하여 상호변조 왜곡 및 기타 비선형 효과를 확인하는 데 사용됨), 톤 버스트(과도 응답 측정을 위해 사용됨)가 포함된다. 피치 발생기는 일반적으로 방이나 음향 재생 시스템의 음향을 측정할 때 소음계 및 오실로스코프 또는 전문 오디오 분석기와 함께 사용된다.
많은 피치 발생기는 디지털 도메인에서 작동하며, AES3 또는 SPDIF와 같은 다양한 디지털 오디오 형식으로 출력을 생성한다. 이러한 발생기에는 클리핑, 지터, 비트 오류와 같은 다양한 디지털 효과 및 문제를 자극하는 특수 신호가 포함될 수 있으며, 종종 디지털 오디오 형식과 관련된 메타데이터를 조작하는 방법도 제공한다.
신호 발생기 특수 목적 신호 발생기
신시사이저라는 용어는 음악용 오디오 신호를 생성하거나 약간 더 복잡한 방법을 사용하는 장치를 의미한다.
컴퓨터 프로그램은 범용 컴퓨터에서 임의의 파형을 생성하고 출력 인터페이스를 통해 파형을 출력하는 데 사용될 수 있다. 이러한 프로그램은 상업적으로 제공되거나 프리웨어일 수 있다. 단순한 시스템은 표준 컴퓨터 사운드 카드를 출력 장치로 사용하며, 출력 파형의 정확도를 제한하고 주파수를 저주파 대역 내로 제한한다.
영상 신호 발생기는 미리 정해진 비디오 및 텔레비전 파형과 텔레비전 및 비디오 시스템의 결함을 자극하거나 매개변수 측정에 도움이 되는 기타 신호를 출력하는 장치이다. 널리 사용되는 여러 종류의 영상 신호 발생기가 있다. 특정 유형에 관계없이, 영상 발생기의 출력은 일반적으로 수평 및 수직 동기 펄스(아날로그) 또는 동기어(디지털)를 포함하여 텔레비전에 적합한 동기화 신호를 포함한다. 복합 비디오 신호(예: NTSC 및 PAL) 발생기는 출력의 일부로 컬러버스트 신호도 포함한다. 영상 신호 발생기는 다양한 응용 분야와 다양한 디지털 형식으로 제공되며, 이들 중 다수는 오디오 생성 기능도 포함한다(오디오 트랙은 모든 비디오 또는 텔레비전 프로그램 또는 영화의 중요한 부분이기 때문).
전력량계
전력량계(electricity meter), 전기계량기, 전기 미터, 에너지 미터 또는 킬로와트시 미터는 시간 간격 동안 주거지, 사업체 또는 전기 구동 장치에서 소비된 전기 에너지의 양을 측정하는 장치이다.
전력 회사는 청구 및 모니터링 목적으로 고객의 구내에 설치된 전력량계를 사용한다. 일반적으로 청구 단위로 보정되며, 가장 일반적인 단위는 킬로와트시(kWh)이다. 일반적으로 각 청구 기간에 한 번 읽는다.
특정 기간 동안 에너지 절약이 필요한 경우, 일부 계량기는 특정 간격 동안의 최대 전력 사용량인 수요를 측정할 수 있다. "시간대별" 계량은 하루 동안의 전기 요금을 변경하여, 피크 고비용 기간과 비피크 저비용 기간 동안의 사용량을 기록할 수 있도록 한다. 또한, 일부 지역에서는 계량기에 피크 부하 기간 동안 수요 반응 부하 차단을 위한 릴레이가 있다.
전력량계 역사
1880년대에 전기가 상업적으로 처음 사용될 때는 사용량이 쉽게 예측 가능하여, 건물에 설치된 램프나 모터의 수에 따라 요금이 청구되었다. 그러나 사용이 확산되면서, 특히 콘센트의 발명으로 인해 사용량이 더욱 가변적이 되었고, 전력 회사들은 추정 사용량이 아닌 실제 사용량에 따라 고객에게 요금을 부과할 수 있는 수단을 찾았다.
많은 실험적인 유형의 계량기가 개발되었다. 토머스 에디슨은 처음에는 직접 판독 레지스터가 있는 직류(DC) 전기 기계식 계량기를 개발했지만, 대신 전기화학 계량 시스템을 개발하여 전해전지를 사용하여 전류 소비량을 총계냈다. 주기적으로 플레이트를 제거하고 무게를 측정한 후 고객에게 요금을 청구했다. 전기화학 계량기는 판독하는 데 많은 노동력이 필요했고 고객들에게 잘 받아들여지지 않았다.
직류 계량기는 종종 암페어시 단위로 전하를 측정했다. 공급 전압은 실질적으로 일정하게 유지되어야 하므로, 계량기 판독값은 실제 소비된 에너지에 비례했다. 예를 들어, 계량기가 200볼트 공급에서 100암페어시가 소비되었다고 기록하면, 20킬로와트시의 에너지가 공급된 것이다.
전력량계 역사
1885년 페란티는 가스 계량기와 유사한 레지스터를 갖춘 수은 모터 계량기를 선보였다. 이는 소비자가 계량기를 쉽게 읽고 소비량을 확인할 수 있다는 장점이 있었다. 눈으로 볼 수 있는 판독값을 가진 또 다른 초기 전자기 계량기는 헤르만 아론이 1884년에 특허를 받은 직류 계량기였다. 영국 제너럴 일렉트릭 컴퍼니의 휴고 허스트 남작은 1888년부터 이를 영국에서 상업적으로 도입했다. 아론의 계량기는 시간 경과에 따른 총 전하 사용량을 기록하고 일련의 시계 다이얼에 표시했다.
1897년에 발명된 바스티안(Bastian) 전해 계량기:76와 1900년에 특허를 받은 라이트(Wright) 전해 계량기 또는 '리즌(Reason)' 계량기와 같이 전기화학 계량기도 직접 판독이 가능하도록 개선되었다. 주로 영국에서 사용된 라이트 계량기는 계량기 상단에 수은 저장소가 있는 수직으로 설치된 유리 구조로 구성되었다. 전원이 공급되면 전기화학적 작용으로 수은이 기둥 아래로 이동했다. 수은의 높이는 총 전하량을 나타냈다. 수은이 바닥나기 전에 계량기를 0으로 재설정해야 했다. 재설정은 계량기를 뒤집어 수은을 저장소로 되돌려 놓는 방식으로 수행되었다.
전력량계 역사
헝가리 오토 블라티의 특허를 기반으로 제작되어 그의 이름을 딴 교류 킬로와트시 계량기의 첫 번째 시제품은 1889년 가을 프랑크푸르트 박람회에서 간츠 공장에서 선보였으며, 첫 번째 유도형 킬로와트시 계량기는 같은 해 말에 이미 공장에서 시판되었다. 이들은 블라티-미터라는 이름으로 알려진 최초의 교류 와트시 계량기였다. 현재 사용되는 교류 킬로와트시 계량기는 블라티의 원래 발명과 동일한 원리로 작동한다. 또한 1889년경, 미국 제너럴 일렉트릭 회사의 엘리후 톰슨은 철심 없는 정류자 모터를 기반으로 기록 와트미터(와트시 미터)를 개발했다. 이 미터는 전기화학적 방식의 단점을 극복하고 교류 또는 직류 모두에서 작동할 수 있었다.
1894년 웨스팅하우스 일렉트릭 코퍼레이션의 올리버 셸런베르거는 이전에 AC 암페어시 계량기에서만 사용되었던 유도 원리를 현대적인 전기 기계식 와트시 계량기에 적용하여, 회로의 전력에 비례하는 회전 속도를 갖는 유도 원판을 사용했다. 블라티 계량기는 셸런베르거 및 톰슨 계량기와 유사하게 2상 모터 계량기였다. 유도 계량기는 교류에서만 작동했지만, 톰슨 설계의 섬세하고 문제가 많았던 정류자를 제거했다. 셸런베르거는 병에 걸려 초기 크고 무거운 설계를 개선할 수 없었지만, 다상 버전도 개발했다.
전력량계 단위
전력량계의 가장 일반적인 측정 단위는 킬로와트시(kWh)이며, 이는 1시간 동안 1킬로와트의 부하에 의해 사용된 에너지 양, 즉 3,600,000줄과 같다. 일부 전력 회사는 SI 메가줄을 대신 사용한다.
수요는 일반적으로 와트로 측정되지만, 보통 15분 또는 30분 간격으로 평균을 낸다.
무효 전력은 "수천 볼트암페어 무효시"(kvarh)로 측정된다. 관례적으로 모터와 같은 "뒤처지는" 또는 유도성 부하는 양의 무효 전력을 가진다. "앞서는" 또는 용량성 부하는 음의 무효 전력을 가진다.
볼트-암페어는 무효 및 실제 전력을 포함하여 배전 네트워크를 통해 전달되는 모든 전력을 측정한다. 이는 실효 볼트와 암페어의 곱과 같다.
전력량계 단위
부하에 의한 전류의 왜곡은 여러 가지 방법으로 측정된다. 역률은 저항(또는 실제) 전력과 볼트-암페어의 비율이다. 용량성 부하는 앞선 역률을 가지며, 유도성 부하는 뒤처지는 역률을 가진다. 순수 저항성 부하(예: 필라멘트 램프, 히터 또는 주전자)는 역률 1을 나타낸다. 전류 고조파는 파형 왜곡의 척도이다. 예를 들어, 컴퓨터 전원 공급 장치와 같은 전자 부하는 내부 저장 요소를 채우기 위해 전압 피크에서 전류를 끌어온다. 이는 공급 전압 피크 근처에서 상당한 전압 강하를 유발하여 전압 파형의 평탄화를 초래할 수 있다. 이러한 평탄화는 특정 한계를 초과하면 허용되지 않는 홀수 고조파를 유발하는데, 이는 낭비적일 뿐만 아니라 다른 장비의 작동을 방해할 수 있기 때문이다. 고조파 방출은 EU 및 기타 국가에서 지정된 한계 내에 들도록 법으로 의무화되어 있다.
사용된 에너지 양을 기반으로 한 계량 외에도 다른 유형의 계량도 가능하다. 사용된 쿨롬의 양을 측정하는 암페어시 미터는 전력화 초기에 사용되었다. 이들은 정확한 에너지 사용량 측정을 위해 공급 전압이 일정하게 유지되는 것에 의존했으며, 이는 대부분의 공급에서 가능성이 낮은 상황이었다. 가장 일반적인 적용은 대용량 배터리의 충전/방전 상태를 모니터링하기 위한 특수 목적 계량기와 관련이 있었다. 일부 계량기는 전하가 흐르는 시간 길이만 측정하고, 전압이나 전류의 크기는 측정하지 않았다. 이들은 일정한 부하 응용 프로그램에만 적합하며 오늘날에는 거의 사용되지 않는다.
전력량계 작동
전력량계는 순간적인 전압(볼트)과 전류(암페어)를 지속적으로 측정하여 사용된 에너지(줄, 킬로와트시 등)를 제공한다. 소규모 서비스(예: 소규모 주거 고객)를 위한 계량기는 전원과 고객 사이에 직접 인라인으로 연결될 수 있다. 약 200암페어 이상의 대규모 부하의 경우, 변류기가 사용되어 계량기가 서비스 도체와 인라인이 아닌 다른 곳에 위치할 수 있도록 한다. 계량기는 전자기계식과 전자식 두 가지 기본 범주로 나뉜다.
가장 일반적인 유형의 전력량계는 전자기계식 와트시 미터이다.
단상 전력 공급에서 전자기 유도 계량기는 비자성이나 전기 전도성 금속 원반의 회전을 계산하여 전자기 유도를 통해 작동하며, 이 원반은 계량기를 통과하는 전력에 비례하는 속도로 회전한다. 따라서 회전 수는 에너지 사용량에 비례한다. 전압 코일은 미터에 기록되지 않는 약 2와트의 작고 비교적 일정한 양의 전력을 소비한다. 전류 코일은 유사하게 흐르는 전류의 제곱에 비례하는 소량의 전력을 소비하며, 완전 부하에서 최대 몇 와트까지 미터에 기록된다.
전력량계 작동
원반은 두 세트의 유도 코일에 의해 작동되며, 이는 사실상 2상 직선형 유도 전동기를 형성한다. 한 코일은 전압에 비례하는 자기 선속을 생성하도록 연결되고, 다른 코일은 전류에 비례하는 자기 선속을 생성한다. 전압 코일의 필드는 코일의 유도성 특성으로 인해 90도 지연되며, 지연 코일을 사용하여 보정된다. 이는 원반에 와전류를 생성하며, 그 효과는 순간 전류와 순간 전압의 곱에 비례하는 힘이 원반에 가해지도록 한다. 영구 자석은 와전류제동 역할을 하여 원반의 회전 속도에 비례하는 반대 힘을 가한다. 이 두 반대 힘 사이의 평형은 원반이 전력 또는 에너지 사용률에 비례하는 속도로 회전하게 한다. 원반은 차량의 오도미터처럼 회전 수를 세는 등록 메커니즘을 구동하여 총 사용된 에너지를 측정한다.
다른 다상 시스템 구성은 추가 전압 및 전류 코일을 사용한다.
전력량계 작동
원반은 웜 기어가 있는 스핀들에 의해 지지되며, 이 웜 기어가 레지스터를 구동한다. 레지스터는 사용된 에너지 양을 기록하는 일련의 다이얼이다. 다이얼은 각 다이얼에 대해 하나의 숫자가 계량기 전면의 창을 통해 표시되는 읽기 쉬운 오도미터와 유사한 디스플레이인 사이클로미터 유형이거나, 포인터가 각 숫자를 나타내는 포인터 유형일 수 있다. 다이얼 포인터 유형의 경우, 기어 메커니즘으로 인해 인접한 포인터가 일반적으로 반대 방향으로 회전한다.
원반의 한 회전으로 나타나는 에너지 양은 Kh 기호로 표시되며, 와트시/회전 단위로 제공된다. 7.2라는 값이 흔히 보인다. Kh 값을 사용하여 스톱워치로 원반의 시간을 측정하여 언제든지 전력 소비량을 확인할 수 있다.
.
여기서:
t = 원반이 한 바퀴를 완전히 도는 데 걸리는 시간(초),
P = 전력(와트).
예를 들어, 위에서 Kh = 7.2이고 한 바퀴 도는 데 14.4초가 걸렸다면, 전력은 1800와트이다. 이 방법은 가전제품을 하나씩 켜면서 전력 소비량을 측정하는 데 사용할 수 있다.
전력량계 작동
대부분의 가정용 전력량계는 전기 소매 회사의 대표자 또는 고객이 수동으로 판독해야 한다. 고객이 계량기를 판독하는 경우, 판독값은 전화, 우편 또는 인터넷을 통해 전력 회사에 제공될 수 있다. 전력 회사는 일반적으로 고객이 제공한 판독값을 확인하고 계량기의 기본적인 안전 점검을 위해 최소한 연 1회 회사 대표자의 방문을 요구한다.
유도형 계량기에서 크리프는 전압이 인가되고 부하 단자가 개방 회로된 상태에서 계량기 원반이 계속 회전할 때 발생하는 현상으로, 정확도에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 크리프에 의한 오차를 테스트하는 것을 크리프 테스트라고 한다.
계량기 정확도를 규정하는 두 가지 표준은 북미의 ANSI C12.20과 IEC 62053이다.
전자식 계량기는 LCD 또는 LED 디스플레이에 사용된 에너지를 표시하며, 일부는 원격지로 판독값을 전송할 수도 있다. 사용된 에너지를 측정하는 것 외에도, 일부 전자식 계량기는 순간 및 최대 사용량 수요, 전압, 역률 및 사용된 무효 전력 등 부하 및 공급의 다른 매개변수도 기록할 수 있다. 또한 시간대별 청구를 지원하여, 예를 들어 피크 시간과 비피크 시간 동안 사용된 에너지 양을 기록할 수 있다.
전력량계 작동
이 계량기는 전원 공급 장치, 계량 엔진, 처리 및 통신 엔진(즉, 마이크로컨트롤러), 그리고 실시간 클록(RTC), 액정 디스플레이, 적외선 통신 포트/모듈 등과 같은 다른 추가 모듈을 갖추고 있다.
계량 엔진은 전압 및 전류 입력을 받아 전압 기준, 샘플러 및 양자화기, 그리고 아날로그-디지털 변환 섹션을 통해 모든 입력의 디지털화된 등가 값을 얻는다. 이러한 입력은 디지털 신호 처리 장치를 사용하여 다양한 계량 매개변수를 계산한다.
계량기에서 가장 큰 장기 오차의 원인은 프리앰프의 드리프트이며, 그 다음은 전압 기준의 정밀도이다. 이 두 가지는 온도에 따라 달라지며, 계량기가 실외에 있을 때는 크게 변동한다. 이러한 특성을 파악하고 보상하는 것이 계량기 설계의 주요 부분이다.
처리 및 통신 섹션은 계량 엔진이 생성한 디지털 값에서 다양한 파생량을 계산하는 책임을 맡고 있다. 또한 다양한 프로토콜을 사용하여 통신하고 노예로 연결된 다른 추가 모듈과 인터페이스하는 책임도 있다.
전력량계 작동
RTC 및 기타 추가 모듈은 다양한 입력/출력 기능을 위해 처리 및 통신 섹션에 노예로 부착된다. 현대적인 계량기에서는 RTC, LCD 컨트롤러, 온도 센서, 메모리 및 아날로그-디지털 변환기와 같은 대부분 또는 전부가 마이크로프로세서 내부에 구현된다.
원격 검침은 원격 측정법의 실제적인 예시이다. 이는 인력 검침원의 비용과 그로 인한 오류를 절감할 뿐만 아니라 더 많은 측정과 원격 공급을 가능하게 한다. 많은 스마트 미터는 이제 서비스를 중단하거나 복원하는 스위치를 포함하고 있다.
역사적으로 회전식 계량기는 KYZ 라인에 연결된 한 쌍의 전기 접점을 사용하여 계량된 정보를 원격으로 보고할 수 있었다.
전력량계 작동
KYZ 인터페이스는 미터에서 공급되는 Form C 접점이다. KYZ 인터페이스에서 Y 및 Z 와이어는 K에 단락된 스위치 접점으로, 측정된 에너지 양에 해당한다. 하나의 접점이 닫히면 다른 접점은 열려 정확한 카운트 보안을 제공한다. 각 접점 상태 변경은 하나의 펄스로 간주된다. 펄스 주파수는 전력 수요를 나타낸다. 펄스 수는 계량된 에너지를 나타낸다. 전자기계식 계량기에 통합될 경우, 릴레이는 계량기 원반의 전체 또는 절반 회전마다 상태를 변경한다. 각 상태 변경을 "펄스"라고 한다.
KYZ 출력은 역사적으로 "집계 릴레이"에 연결되어 "집계기"로 데이터를 공급하여 여러 계량기를 한 번에 한 곳에서 읽을 수 있게 했다.
KYZ 출력은 또한 프로그래머블 로직 컨트롤러, HVAC 또는 기타 제어 시스템에 전력량계를 연결하는 고전적인 방법이다. 일부 최신 계량기는 더 높은 전기 요금에 가까운 수요를 계량기가 감지할 때 경고하는 접점 폐쇄 기능을 제공하여 수요측 관리를 개선한다.
전력량계 작동
EN 62053-31 (구 DIN 43864)은 전기적으로 절연된 개방 컬렉터 출력을 정의하는 S0 인터페이스를 정의한다. 전압과 전류는 각각 27V와 27mA로 제한된다. 계량된 각 전기 에너지 양은 32-100ms 길이의 임펄스를 생성한다. 계량기 상수(kWh당 펄스)는 일부 계량기에서 프로그래밍 가능하지만, 종종 kWh당 1000-10000 펄스로 고정되어 있다. 다른 계량기는 유사한 펄스 인터페이스를 구현하지만, 전기 연결 대신 적외선 LED를 사용한다. 이 인터페이스는 수도 계량기와 같은 다른 종류의 계량기에도 사용된다.
반자동 판독을 위해 설계된 많은 계량기는 계량기 전면판을 통해 적외선 LED로 통신하는 직렬 포트를 가지고 있다. 일부 다세대 건물에서는 유사한 프로토콜이 사용되지만, 모든 계량기를 단일 플러그에 연결하기 위해 직렬 전류 루프를 사용하는 유선 버스로 연결된다. 플러그는 종종 더 쉽게 접근할 수 있는 지점 근처에 있다.
유럽 연합에서 가장 일반적인 적외선 및 프로토콜은 IEC 61107 모드 C의 단순화된 하위 집합인 "FLAG"이다. 미국과 캐나다에서는 선호되는 적외선 프로토콜은 ANSI C12.18이다. 일부 산업용 계량기는 모드버스 또는 DNP3와 같은 프로그래머블 로직 컨트롤러용 프로토콜을 사용한다.
이러한 목적으로 제안된 프로토콜 중 하나는 DLMS/COSEM으로, 직렬 포트를 포함한 모든 매체에서 작동할 수 있다. 데이터는 직비, 와이파이, 전화선 또는 전력선 자체를 통해 전송될 수 있다. 일부 계량기는 인터넷을 통해 판독할 수 있다. OSGP (Open Smart Grid Protocol)와 같은 다른 최신 프로토콜도 널리 사용되고 있다.
전자식 계량기는 이제 저전력 무선, GSM, GPRS, 블루투스, IrDA는 물론 EIA-485 유선 연결도 사용한다. 계량기는 타임스탬프가 있는 전체 사용량 프로필을 저장하고 버튼 클릭 한 번으로 중계할 수 있다. 프로필에 저장된 수요 판독값은 고객의 부하 요구 사항을 정확하게 나타낸다. 이 부하 프로필 데이터는 유틸리티에서 청구 및 계획 목적으로 처리된다.
AMR(자동 검침) 및 RMR(원격 검침)은 검침원을 파견할 필요 없이 원격으로 계량기를 확인할 수 있는 다양한 시스템을 설명한다. 전자 계량기는 전화선이나 무선을 통해 중앙 청구 사무실로 판독값을 전송할 수 있다.
전력량계 모니터링 및 청구 방법
대규모 상업 및 산업 시설에서는 30분 이하 단위로 전력 사용량을 기록하는 전자식 계량기를 사용할 수 있다. 이는 대부분의 전력망에서 하루 종일 수요 급증이 발생하며, 전력 회사는 이러한 시기에 대규모 고객에게 수요를 줄이도록 가격 인센티브를 제공하고자 할 수 있기 때문이다. 이러한 수요 급증은 종종 식사 시간이나, 유명하게는 인기 텔레비전 프로그램을 방해하는 광고([TV 픽업 현상]])와 일치한다.
에너지 절약을 위한 잠재적으로 강력한 수단은 사용자에게 편리한 실시간 피드백을 제공하여 에너지 사용 행동을 변경하도록 돕는 것이다. 최근에는 저비용 에너지 피드백 디스플레이가 출시되었으며, 에너지(와트시), 순간 전력(와트), 그리고 추가적으로 주전원 전압, 전류, 가동 시간, 피상 전력을 측정하고 피크 와트 및 피크 전류를 기록하며 수동으로 설정 가능한 시계를 가질 수 있다. 이 디스플레이는 주간 전력 소비량을 그래픽으로 표시할 수 있다.
전력량계 모니터링 및 청구 방법
온타리오 주 500가구에서 소비자 판독 가능한 계량기를 사용한 하이드로 원의 연구에 따르면, 유사한 규모의 대조군과 비교했을 때 총 전기 사용량이 평균 6.5% 감소한 것으로 나타났다. 하이드로 원은 파일럿 성공을 바탕으로 30,000명의 고객에게 무료 전력 모니터를 제공했다. 구글 파워미터와 같은 프로젝트는 스마트 미터에서 정보를 가져와 사용자가 더 쉽게 이용할 수 있도록 하여 절약을 장려한다.
플러그인 전력량계(또는 플러그 부하 계량기)는 개별 기기에서 사용되는 에너지를 측정한다. 오늘날 시중에는 다양한 모델이 있지만 모두 동일한 기본 원리로 작동한다. 계량기를 콘센트에 꽂고, 측정할 기기를 계량기에 꽂는다. 이러한 계량기는 주요 에너지 사용자 또는 과도한 대기전력을 소비하는 장치를 식별하여 에너지 절약에 도움이 될 수 있다. 연구 목적에 전력 소비량 추정만으로 충분하다면 웹 리소스를 사용할 수도 있다. 전력량계는 종종 지역 전력 당국이나 지역 공공 도서관에서 빌릴 수도 있다.
전력량계 모니터링 및 청구 방법
전기 소매업체는 발전 및 송전 비용을 더 잘 반영하기 위해 하루 중 다른 시간에 고객에게 다른 요금을 부과하기를 원할 수 있다. 수요가 적은 기간 동안 상당한 양의 전기를 저장하여 수요가 많은 기간에 사용하는 것이 일반적으로 비용 효율적이지 않기 때문에, 비용은 하루 중 시간에 따라 크게 달라진다. 원자력과 같은 저비용 발전 용량(기저부하)은 가동하는 데 몇 시간이 걸릴 수 있어 수요가 적은 시간에는 잉여가 발생하며, 반면 고비용이지만 유연한 발전 용량(가스 터빈 등)은 피크 수요에 즉시 대응하기 위해 항상 준비되어 있어야 하며(회전 예비력), 하루에 몇 분만 사용될 수도 있어 매우 비싸다.
일부 다중 요금 계량기는 수요량에 따라 다른 요금을 사용한다. 이러한 계량기는 주로 산업용이다.
가정용 변동 요금 계량기는 일반적으로 두세 가지 요금("피크", "비피크" 및 "숄더")을 허용하며, 이러한 설치에는 간단한 전자기식 타임 스위치가 사용될 수 있다. 역사적으로 이들은 종종 전기 축열식 히터 또는 온수 저장 시스템과 함께 사용되었다.
복합 요금은 타임 스위치를 통합하거나 연결하고 여러 레지스터를 갖춘 시간 사용(TOU) 계량기를 통해 더 쉽게 적용된다.
전력량계 모니터링 및 청구 방법
요금 간 전환은 리플 제어 또는 무선 활성화 스위치를 통해 이루어질 수 있다. 원칙적으로 밀봉된 타임 스위치도 사용할 수 있지만, 더 저렴한 전기를 얻기 위해 조작에 취약하다고 간주된다.
라디오 활성화 스위칭은 영국에서 흔히 사용되며, BBC 라디오 4의 장파 주파수 198kHz 캐리어 내에서 야간 데이터 신호가 전송된다. 비피크 충전 시간은 일반적으로 자정부터 오전 7시까지(GMT/BST) 7시간이며, 이는 축열식 히터 및 침수 히터에 전력을 공급하도록 설계되었다. 영국에서는 이러한 요금제가 일반적으로 이코노미 7, 화이트 미터 또는 이중 요금으로 불린다. 이러한 요금제의 인기는 최근 몇 년 동안, 적어도 국내 시장에서는 축열식 히터의 (인지된 또는 실제) 단점과 kWh당 천연가스 비용이 상대적으로 훨씬 저렴하여(일반적으로 3-5배 저렴) 감소했다. 그럼에도 불구하고, 상당수의 부동산은 가스 사용 옵션이 없으며, 많은 시골 지역은 가스 공급 네트워크 밖에 있고, 다른 지역은 라디에이터 시스템으로 업그레이드하는 데 초기 비용이 많이 든다.
전력량계 모니터링 및 청구 방법
이코노미 10 미터도 이용 가능하며, 24시간 동안 세 가지 시간대에 분산되어 10시간 동안 저렴한 비피크 전기를 제공한다. 이는 축열식 히터에 여러 번의 보충 충전을 허용하거나, 더 저렴한 전기 요금으로 습식 전기 난방 시스템을 가동하기 위한 좋은 시간대를 제공한다.
대부분의 이코노미 7을 사용하는 계량기는 7시간의 야간 시간 동안 전체 전기 공급을 더 저렴한 요금으로 전환하며, 단지 축열식 히터 회로만 전환하는 것이 아니다. 이로 인한 단점은 kWh당 주간 요금이 상당히 높고, 기본 요금이 더 높을 때도 있다는 점이다. 예를 들어, 2017년 7월 기준으로 런던 지역의 EDF 에너지(런던의 민영화 이후 기존 전기 공급업체)의 표준 기본 요금에서 일반("단일 요금") 전기는 kWh당 17.14페니이며, 일일 기본 요금은 18.90페니이다. 해당 이코노미 7 비용은 피크 사용 기간 동안 kWh당 21.34페니, 비피크 사용 기간 동안 kWh당 7.83페니이며, 일일 기본 요금은 18.90페니이다. 세탁기, 회전식 건조기, 식기세척기 및 침수 히터에 설치된 타이머 스위치는 비피크 사용 기간에만 작동하도록 설정할 수 있다.
전력량계 모니터링 및 청구 방법
스마트 미터는 단순한 AMR(자동 검침)에서 한 단계 더 나아갔다. 스마트 미터는 실시간 또는 거의 실시간 판독, 정전 알림, 전력 품질 모니터링 등 추가 기능을 제공한다. 이를 통해 가격 설정 기관은 시간대와 계절에 따라 소비량에 다른 가격을 적용할 수 있다.
다른 유형의 스마트 미터는 비침습 부하 모니터링을 사용하여 주택의 가전제품 수와 유형, 각 가전제품의 에너지 사용량, 사용 시기를 자동으로 결정한다. 이 계량기는 전력 회사에서 에너지 사용 조사를 위해 사용된다. 이는 각 가전제품의 에너지 사용량을 결정하기 위해 집안의 모든 가전제품에 타이머를 설치할 필요를 없애준다.
전기 소매업의 표준 비즈니스 모델은 전력 회사가 이전 월 또는 분기에 사용된 에너지 양에 대해 고객에게 요금을 청구하는 것을 포함한다. 일부 국가에서는 소매업체가 고객이 요금을 지불하지 않을 것이라고 판단하는 경우 선불 계량기를 설치할 수 있다. 이 경우 고객은 전기를 사용하기 전에 미리 지불해야 한다. 사용 가능한 크레딧이 소진되면 전자계전기에 의해 전기 공급이 차단된다.
전력량계 모니터링 및 청구 방법
영국에서는 개인 임대 숙소와 국유화된 전력 부문의 주거 고객 모두에게 기계식 선불 동전 계량기가 흔히 사용되었다. 이러한 계량기의 단점은 현금을 수거하기 위해 정기적으로 방문해야 한다는 점과 고객과 도둑 모두에 의한 계량기 내 현금 도난 위험이었다.
전력량계 모니터링 및 청구 방법
최초의 자동 선불 계량기는 영국 펠릭스토에 기반을 둔 슐럼버거 계측과 협력하여 런던 일렉트리시티(London Electricity)에 의해 도입되었다. 처음에는 키 미터(Key Meters)라고 불렸고 나중에는 버짓 미터(Budget Meters)로 이름이 변경되었다. 이들은 연간 60,000건의 미납으로 인한 연결 해제를 방지했으며 현금 선불의 많은 단점을 없앴다. 또한 편리한 지불 방법을 원하는 고객, 특히 단기 임차인에게 인기가 많았다. 도입 후 몇 년 동안 영국 전역에 1백만 개 이상의 계량기가 설치되었다. 현대의 솔리드 스테이트 전력량계는 스마트카드와 결합하여 이러한 단점을 제거했으며, 이러한 계량기는 신용 위험이 낮은 것으로 간주되는 고객에게 일반적으로 사용된다. 영국에서는 고객이 우체국 리미티드 또는 페이포인트 네트워크와 같은 기관을 이용할 수 있으며, 재충전 가능한 토큰(천연 기체용 퀀텀 카드 또는 전기용 플라스틱 "키")에 고객이 사용할 수 있는 돈을 충전할 수 있다.
전력량계 모니터링 및 청구 방법
인도네시아, 북아일랜드, 남아프리카 공화국, 수단에서는 선불 계량기에 키패드를 사용하여 고유하게 암호화된 20자리 숫자를 입력하여 충전한다. 이를 통해 전자적으로 전달되거나 구매 시점에 종이 영수증으로 인쇄될 수 있는 토큰을 매우 저렴하게 생산할 수 있다.
전 세계적으로, 특히 개발도상국에서 선불 시스템을 시험하는 실험이 진행되고 있다. 일부 경우, 선불 계량기는 고객들에게 받아들여지지 않았다. STS 협회와 같은 다양한 그룹은 제조업체 전반에 걸쳐 선불 계량 시스템에 대한 공통 표준을 홍보한다. STS 표준을 사용하는 선불 계량기는 여러 국가에서 사용된다.
전력량계 모니터링 및 청구 방법
시간대별 계량(TOD)은 사용 시간(TOU) 또는 계절별 시간대(SToD) 계량이라고도 하며, 하루, 한 달, 1년을 요금 구간으로 나누어 피크 부하 기간에는 높은 요금을, 비피크 부하 기간에는 낮은 요금을 적용한다. 이는 고객의 사용량을 자동으로 제어하는 데 사용될 수 있지만(자동 부하 제어), 종종 고객 스스로 사용량을 제어하거나 그에 따라 비용을 지불하는 것이 고객의 책임이다(자발적 부하 제어). 이는 또한 유틸리티가 송전 인프라를 적절하게 계획할 수 있도록 한다. 수요 측 관리(DSM)도 참조하라.
TOD 계량은 일반적으로 요금 구간을 피크, 비피크, 중피크 또는 숄더, 중요 피크를 포함한 여러 세그먼트 배열로 나눈다. 일반적인 배열은 여름철에는 평일(공휴일 제외) 오후 1시부터 오후 9시까지, 겨울철에는 오전 6시 30분부터 정오까지와 오후 5시부터 오후 9시까지 피크가 발생하는 것이다. 더 복잡한 배열에는 높은 수요 기간 동안 발생하는 중요 피크 사용이 포함된다. 피크 수요/비용 시간은 전 세계 시장마다 다르다.
대규모 상업 사용자는 예측 가격 또는 실시간 가격을 사용하여 시간당 전력을 구매할 수 있다.
일부 유틸리티는 일리노이와 같이 주거 고객이 시간당 요금을 지불하도록 허용하며, 이는 익일 가격을 사용한다.
많은 전기 소비자들이 경제성, 잉여성 또는 환경적 이유로 자체 발전 설비를 설치하고 있다. 고객이 자체 사용에 필요한 것보다 더 많은 전기를 생산할 때, 잉여 전력은 다시 전력망으로 수출될 수 있다. "그리드"로 다시 발전하는 고객은 일반적으로 고장(전기 단락) 또는 그리드 유지 보수(예: 수출 고객 시설에서 오는 끊어진 선의 전압) 시 그리드 구성 요소(및 고객 자신의 구성 요소)를 보호하기 위한 특수 장비와 안전 장치를 갖추어야 한다.
이 수출된 에너지는 가장 간단한 경우 순 수출 기간 동안 계량기가 역회전하여 고객의 기록된 에너지 사용량을 수출량만큼 줄이는 방식으로 계산될 수 있다. 이는 사실상 고객이 수출한 전력에 대해 전력의 전체 소매 가격으로 비용을 받는 결과를 가져온다. 래칫 또는 동등한 장치를 갖추지 않은 한, 표준 계량기는 전력이 수출될 때 단순히 역회전함으로써 각 방향의 전력 흐름을 정확하게 기록한다. 법적으로 허용되는 경우, 유틸리티는 소비자에게 공급되는 에너지 가격과 그리드로 다시 흐르는 소비자 생성 에너지에 대해 인정되는 요율 사이에 수익성 있는 마진을 유지한다.
최근에는 업로드 소스가 주로 재생 가능 에너지원(예: 풍력 터빈, 광전지) 또는 열병합 시스템에서 흔히 발견되는 가스 또는 증기 터빈에서 유래한다. 제안된 또 다른 잠재적 업로드 소스는 플러그인 하이브리드 자동차 배터리(V2G 전력 시스템)이다. 이는 원격 제어를 필요로 하고 고객에게 타이밍 및 가격 옵션을 제공하는 통신 네트워크를 통해 전기를 측정하는 계량기를 포함하는 "스마트 그리드"를 필요로 한다. V2G 시스템은 직장 주차장 및 차고, 파크 앤드 라이드에 설치될 수 있으며, 운전자가 비피크 전력 가격이 저렴할 때 밤에 집에서 배터리를 충전하고, 수요가 많은 시간에 잉여 전기를 그리드에 다시 판매하여 요금 크레딧을 받을 수 있도록 도울 수 있다.
전력량계 위치
전력량계의 위치는 각 설치마다 다르다. 가능한 위치로는 건물에 전력을 공급하는 전봇대, 길가의 캐비닛(미터 상자) 또는 분전반 옆의 건물 내부가 있다. 전력 회사는 건물에 접근하지 않고도 계량기를 읽을 수 있으므로 외부 위치를 선호할 수 있지만, 외부 계량기는 반달리즘에 더 취약할 수 있다.
변류기를 사용하면 계량기를 전류가 흐르는 도체에서 멀리 떨어진 곳에 배치할 수 있다. 이는 대규모 설치에서 흔히 볼 수 있다. 예를 들어, 단일 대형 고객에게 서비스를 제공하는 변전소에는 무거운 케이블을 캐비닛으로 가져오지 않고도 계량 장비가 캐비닛에 설치될 수 있다.
전기 표준은 지역마다 다르므로, 전력망에서 고객으로의 "고객 드롭"도 표준과 설치 유형에 따라 다르다. 전력망과 고객 간에는 몇 가지 일반적인 연결 유형이 있다. 각 유형은 다른 계량 방정식을 갖는다. 블론델의 정리에 따르면, N개의 전류 흐름 도체를 가진 모든 시스템에 대해 N-1개의 측정 요소만으로도 전기 에너지를 측정하기에 충분하다. 이는 예를 들어 3상 3선 시스템과 3상 4선(중성선 포함) 시스템에는 다른 계량 방식이 필요함을 나타낸다.
전력량계 위치
유럽, 아시아, 아프리카 및 대부분의 다른 지역에서는 단상 전력이 주거용 및 소규모 상업용 고객에게 일반적이다. 단상 배전은 비용이 저렴한데, 변전소의 한 세트 변압기가 일반적으로 상대적으로 높은 전압(보통 230V)으로 넓은 지역에 서비스를 제공하며 지역 변압기가 필요 없기 때문이다. 이들은 간단한 계량 방정식을 갖는다: 와트 = 볼트 x 암페어, 여기서 볼트는 중성선에서 상선까지 측정된다. 미국, 캐나다, 그리고 중남미 일부 지역의 유사한 고객은 일반적으로 삼선 단상으로 서비스된다. 삼선 단상은 지역 변압기를 필요로 하는데, 10가구당 1개 정도 적게 필요하지만, 소켓에서 더 낮고 안전한 전압(보통 120V)을 제공하고, 고객에게 두 가지 전압을 제공한다: 중성선에서 상까지(보통 120V)와 상에서 상까지(보통 240V). 또한, 삼선 고객은 일반적으로 중성선이 발전기 권선의 0전압 측에 연결되어 있어 안전하게 측정될 수 있는 접지를 제공한다. 이러한 계량기는 와트 = 0.5 x 볼트 x (상 A 전류 - 상 B 전류)의 계량 방정식을 갖는데, 볼트는 상선 사이에서 측정된다.
전력량계 위치
산업용 전력은 보통 3상전력으로 공급된다. 두 가지 형태가 있다: 3선식 또는 시스템 중성선이 있는 4선식. "3선식" 또는 "3선 델타"에서는 중성선이 없지만 접지가 안전 접지 역할을 한다. 세 상은 서로에 대해서만 전압을 갖는다. 이 배전 방식은 전선이 하나 적어 비용이 저렴하며, 아시아, 아프리카 및 유럽의 여러 지역에서 흔하다. 주거 및 경공업이 혼재된 지역에서는 이것이 유일한 배전 방식인 경우가 많다. 이 유형의 계량기는 일반적으로 세 번째 권선에 대해 두 개의 권선을 측정하고 와트를 더한다. 이 시스템의 한 가지 단점은 안전 접지가 고장 나면 직접 측정으로 이를 발견하기 어렵다는 것이다. 어떤 상도 접지에 대해 전압을 갖지 않기 때문이다.
전력량계 위치
4선식 3상 시스템은 "4선 와이"라고도 불리며, 안전 접지는 중성선에 연결되어 있으며, 이 중성선은 발전기 또는 변압기의 세 권선 중 0볼트 측에 물리적으로 연결되어 있다. 이 시스템에서는 모든 전력 상이 중성선에 대해 상대적이므로, 중성선이 분리되면 직접 측정할 수 있다. 미국에서는 국가 전기 규정에서 중성선을 이러한 유형으로 규정하고 있다. 이 시스템에서 전력량계는 중성선에 대한 세 상 모두를 측정하고 합산한다.
북미에서는 전력량계가 건물 측면의 실외 표준화된 소켓에 꽂히는 것이 일반적이다. 이를 통해 소켓의 전선이나 건물 거주자에게 방해를 주지 않고 계량기를 교체할 수 있다. 일부 소켓에는 서비스 위해 계량기가 제거되는 동안 바이패스 기능이 있을 수 있다. 이 짧은 시간 동안 기록되지 않고 사용되는 전기의 양은 전기 공급을 차단함으로써 고객에게 발생할 수 있는 불편함에 비해 미미하다고 간주된다. 북미의 대부분의 전자 계량기는 ANSI C12.18 직렬 프로토콜을 사용한다.
다른 많은 국가에서는 공급 및 부하 단자가 계량기 하우징 자체에 있다. 케이블은 계량기에 직접 연결된다. 일부 지역에서는 계량기가 외부에 있으며, 종종 전봇대에 설치된다. 다른 지역에서는 건물 내부의 틈새에 있다. 내부에 있는 경우 다른 계량기와 데이터 연결을 공유할 수 있다. 공유 연결이 있는 경우 종종 우체통 근처의 작은 플러그이다. 연결은 종종 EIA-485 또는 IEC 62056과 같은 직렬 프로토콜이 있는 적외선이다.
2014년에 계량기 연결 방식이 빠르게 변화하고 있다. 가장 일반적인 방식은 데이터에 대한 기존 국가 표준(예: ANSI C12.19 또는 IEC 62056)을 인터넷 프로토콜을 통해 전력선 통신을 위한 작은 회로 기판이나 휴대 전화 네트워크용 디지털 무선 또는 ISM 밴드와 결합하는 것으로 보인다.
전력량계 정확도
전력량계는 허용 오차 내에서 소비된 에너지를 기록해야 한다. 기록된 에너지에 상당한 오류가 발생하면 전력 공급업체에 손실이 발생하거나 소비자가 과도하게 청구될 수 있다. 정확도는 일반적으로 계량기가 설치된 지역의 법규에 명시되어 있다. 법적 조항은 정확도에 대한 논쟁이 발생할 경우 따라야 할 절차를 지정할 수도 있다.
영국에서는 설치된 모든 전력량계가 소비된 에너지를 정확하게 기록해야 하지만, 3.5%까지 과소 판독하거나 2.5%까지 과다 판독하는 것이 허용된다. 논쟁 중인 계량기는 처음에는 논쟁 중인 계량기와 함께 작동하는 확인 계량기로 검증된다. 최종 수단은 논쟁 중인 계량기를 설치된 위치와 전문 교정 연구소 모두에서 완전히 테스트하는 것이다. 논쟁 중인 계량기의 약 93%가 만족스럽게 작동하는 것으로 밝혀진다. 지불되었지만 소비되지 않은 전기(그 반대는 아님)에 대한 환불은 연구소에서 계량기가 얼마나 오랫동안 잘못 기록했는지 추정할 수 있는 경우에만 이루어진다. 이는 계량기가 과소 판독하는 것으로 밝혀지면 소비자가 가스 공급을 받은 기간 동안 과소 판독했다고 가정하는 가스 미터와 대조적이다. 환불 기한은 이전 6년으로 제한된다.
전력량계 변조 및 보안
계량기를 조작하여 기록량을 낮추는 방식으로 전기를 사용하고도 요금을 내지 않을 수 있다.
전력 회사들은 종종 원격 보고 계량기를 설치하여 변조를 원격으로 감지하고, 특히 에너지 도난을 발견한다. 스마트 전력량계로의 전환은 에너지 도난을 막는 데 유용하다.
변조가 감지되면, 미국의 대부분 지역에서 합법적인 일반적인 전술은 가입자를 계량기의 최대 설계 전류로 청구하는 "변조" 요금으로 전환하는 것이다. $0.095/kWh 기준으로, 표준 주거용 50A 계량기는 월 약 $5,000.00의 합법적으로 징수 가능한 요금을 발생시킨다. 검침원은 변조의 징후를 발견하도록 훈련받았으며, 조잡한 기계식 계량기의 경우 변조가 제거되거나 서비스가 단절될 때까지 각 청구 기간에 최대 요금이 부과될 수 있다.
기계식 원반 계량기에서 흔히 사용되는 변조 방법은 계량기 외부에 자석을 부착하는 것이다. 강력한 자석은 계량기 내부의 자기장을 포화시켜 기계식 계량기의 모터 부분이 작동하지 않도록 한다. 약한 자석은 내부 원반 저항 자석의 항력을 증가시킬 수 있다. 자석은 전자식 계량기의 변류기 또는 전원 공급 변압기를 포화시킬 수도 있지만, 이에 대한 방지책은 흔히 사용된다.
전력량계 변조 및 보안
용량성 및 유도성 부하의 일부 조합은 회전자의 코일 및 질량과 상호 작용하여 감소 또는 역방향 운동을 유발할 수 있다.
이러한 모든 효과는 전력 회사에서 감지할 수 있으며, 많은 최신 계량기는 이를 감지하거나 보정할 수 있다.
계량기 소유자는 일반적으로 계량기를 변조로부터 보호한다. 계량기의 메커니즘과 연결부는 봉인되어 있다. 계량기는 또한 VAR시(반사된 부하), 중성 및 직류 전류(대부분의 전기 변조로 인해 상승), 주변 자기장 등을 측정할 수 있다. 간단한 기계식 계량기조차도 자기 변조 또는 대규모 직류 전류에 의해 떨어지는 기계식 플래그를 가질 수 있다.
최신 컴퓨터화된 계량기는 일반적으로 변조에 대한 방지책을 갖추고 있다. AMR(자동 검침) 계량기는 종종 계량기 커버 개방, 자기 이상, 추가 시계 설정, 접착된 버튼, 역설치, 역전 또는 전환된 상 등을 보고할 수 있는 센서를 가지고 있다.
전력량계 변조 및 보안
일부 변조는 계량기를 전부 또는 일부 우회한다. 이 유형의 안전한 변조는 일반적으로 계량기에서 중성 전류를 증가시킨다. 미국 대부분의 분리형 주거용 계량기는 중성 전류를 감지할 수 없다. 그러나 최신 변조 방지 계량기는 이를 감지하고 표준 요율로 청구할 수 있다.
계량기의 중성 연결부를 분리하는 것은 안전하지 않다. 단락이 발생하면 발전기나 접지 대신 사람이나 장비를 통해 흐를 수 있기 때문이다.
접지를 통한 팬텀 루프 연결은 금속성 중성선 연결보다 훨씬 높은 저항을 갖는 경우가 많다. 접지가 안전하더라도 변전소의 계량기는 운영자에게 변조를 알릴 수 있다. 변전소, 연계점, 변압기는 일반적으로 서비스 지역에 대해 고정밀 계량기를 갖추고 있다. 전력 회사는 전력 분배 문제를 찾고 해결하기 위해 청구된 총량과 생성된 총량 간의 불일치를 일반적으로 조사한다. 이러한 조사는 변조를 발견하는 효과적인 방법이다.
미국에서의 전력 도난은 종종 실내 대마초 재배 작업과 관련이 있다. 마약 수사관들은 비정상적으로 높은 전력 사용량을 그러한 작업에 필요한 조명과 연관시킨다. 이를 아는 실내 대마초 재배자들은 단순히 자신의 사용을 숨기기 위해 전기를 훔치려는 동기가 특히 강하다.
전력량계 전력량계에 대한 글로벌 표준
전력량계는 정확성, 신뢰성 및 상호 운용성을 보장하기 위해 전 세계적으로 다양한 표준의 규제를 받는다. 이러한 표준은 지역에 따라 다르며 종종 국가 또는 국제 규정을 기반으로 한다.
유럽 표준
유럽에서 전력량계는 주로 유럽 연합이 제정한 측정 기기 지침(MID)에 따라 규제된다. MID는 전력량계가 정확한 청구를 위한 특정 기술 및 작동 기준을 충족하도록 보장한다. 주요 표준은 다음과 같다:
EN 50470-1 ~ EN 50470-3: 이 표준들은 능동 에너지 계량기에 대한 일반 요구사항, 특정 요구사항 및 테스트를 지정한다.
IEC 62052 및 IEC 62053 시리즈: 전력량계의 기능 및 정확성 성능에 일반적으로 적용된다.
미국 표준
미국에서는 미국 국가 표준 협회(ANSI)와 전기전자공학회(IEEE)에서 표준을 개발한다. 주요 표준은 다음과 같다:
ANSI C12 시리즈: 주거용, 상업용 및 산업용 계량기의 정확성, 테스트 및 성능을 다룬다.
IEEE 1708: 스마트 계량기의 사이버 보안 테스트에 대한 지침을 제공한다.