[논문]전차선의 집전상태 판단 알고리즘 구현

박영; 정호성; 윤일권; 김원하

doi:10.5370/kiee.2014.63.6.850

전차선의 집전상태 판단 알고리즘 구현
On the Implementation of an Advanced Judgement Algorithm for Contact Loss of Catenary System 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.63 no.6, 2014년, pp.850 - 854

박영 (High-speed Railroad Infrastructure System Research Team, KRRI) , 정호성 (Intermodal Transfer Systems Research Team, KRRI) , 윤일권 (DHCNI) , 김원하 (Department of Electronics and Radio Engineering, KHU)

Abstract ▼ AI-Helper

Analyzing dynamic performance between pantograph and contact wire depends on mechanical and electrical conditions such as contact force, currents, aerodynamics of pantograph and tension of overhead contact wire. For the characteristic of dynamic performance between pantograph and overhead contact wire, various evaluation systems are used to measuring of the interaction of the contact line and the pantograph. Among the various methods, the contact force and percentage of arcing are intended to prove the safety and the quality of the current collection system on the train. However, these methods are only capable of measuring on the train which are installed measurement systems. Therefore in this paper, a track-side monitoring system was implemented to measure electrical characteristics from active overhead contact wire systems in order to constantly estimate current collection performance of railway operation. In addition, a method to analyze loss of contact phenomena was proposed. According to simulation results, the proposed system was capable of measuring abnormal electrical behavior of pantograph and contact wires on the track-side. The advantage of the proposed system is possible to detect loss of contact or any other electrical abnormalities of all types of trains within sections from sub to sub without the need to install any on-board equipment on trains.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 전차선의 전류 값을 이용하여 집전상태를 판단하는 분석 기술에 대하여 기술하였다. 특히 아크가 발생될 때의 다양한 전류 값을 모의하여 아크 발생에 따른 전류 변화를 실험하였다.

제안 방법

현재까지는 광학적 계측기를 이용한 비접촉에 따른 이선율의 최소 응답속도가 100 us로 보고되고 있다[11]. 따라서 본 논문에서는 검측 되는 전류값의 최소 응답속도를 선택하기 위해 응답속도 변화에 따른 전류 신호의 주파수 특성인 스펙드럼을 관찰하여 엘리어싱 (Aliasing)이 발생되지 않는 최소 주파수 범위를 분석하였다. 그림 2에 이선상황에서 전류 응답 속도에 따른 이선아크 발생 시의 주파수 응답 특성을 나타내었다.
이선율은 EN 50137에 검측기의 기준과 이선율을 획득하기 위한 다양한 조건이 명시되어 있으나 전류를 이용한 접촉성능 검측에 대해서는 나타나 있지 않다. 따라서 본 논문에서는 전차선로 전류값을 이용한 집전상태 알고리즘 구현을 위해 이선 조건에서의 다양한 전류값을 획득하여 검측기의 응답속도, 아크 전류의 응답시간을 분석하였다. 그림 1에 집전상태 알고리즘 구현을 위한 전류획득 시험기 사진을 나타내었다.
특히 아크가 발생될 때의 다양한 전류 값을 모의하여 아크 발생에 따른 전류 변화를 실험하였다. 또한 다양한 조건에서 발생된 아크 전류 값을 정확하게 모니터링하기 위해 최적화된 주파수 범위를 판단하였다. 본 논문에서 제안한 아크 발생에 따른 전차선 전류 변화 값과 이를 분석하기 위한 최소 전류 획득 시간은 지상부에서 집전상태를 모니터링 하는 검측기술에 활용될 것으로 기대된다.
최소 샘플링 주파수를 선택하기 위하여 집전상태 분석을 위해 에일리어싱 (Aliasing)이 발생되지 않는 최소의 샘플링 주파수를 분석결과 5 kHz 이상의 샘플링 주파수를 획득할 경우 집전상태 분석이 가능 할 것으로 분석되었다. 또한 이선아크 발생 시 전류 값의 변곡점 측정 알고리즘에 대해서 기술하였으며 이를 통해 집전상태를 분석하였다. 향후 연구로는 아크 발생 시에 다양한 노이즈 패턴을 구분하여 전류를 이용한 집전상태 분석 기술이 필요할 것으로 사료되며 본 논문에서 제안한 아크 발생에 따른 전차선 전류 변화 값과 이를 분석하여 집전상태를 모니터링 하는 검측기술에 활용될 것으로 기대된다.
4 GHz의 무선공유기를 이용하여 사용자에게 전송된다[10]. 본 논문에서 제안한 집전상태 판단알고리즘은 팬터그래프와 전차선간 비 접촉에 따른 전류 파형을 분석하게 되므로 전류계의 응답 속도가 이선상황에서의 주파수 변화에 충분히 민감한 특성이 나타나도록 하여야 한다.
본 논문에서는 이선 아크 전류 값이 0이외에 전류의 변곡점 측정 알고리즘을 나타냈다. 그림 5와 같이 변곡점은 이선 발생 판단 시 전류신호 곡선에서 오목한 모양이 바뀌는 점으로 미분 가능한 함수에서 1차 미분 값의 부호가 바뀌는 점이다.
본 논문은 전차선의 전류 값을 이용하여 집전상태를 판단하는 분석 기술 중 아크 전류를 모의하여 최적화된 주파수 샘플링을 제안하였다. 최소 샘플링 주파수를 선택하기 위하여 집전상태 분석을 위해 에일리어싱 (Aliasing)이 발생되지 않는 최소의 샘플링 주파수를 분석결과 5 kHz 이상의 샘플링 주파수를 획득할 경우 집전상태 분석이 가능 할 것으로 분석되었다.
본 시험기의 세부구성과 회로구성은 보고된바 있다[12]. 시험기의 전류 측정위치는 전차선로의 전류를 모의할 수 있는 입력 전원에서 측정하였으며 최적의 응답특성 모의를 위해 샘플링 주파수를 5 kHz, 10 kHz, 20 kHz 및 50 kHz 로 각각 증가시키면 시험하였다. 전류 검측을 위한 CT는 모의 시험기의 최대 전류치가 30 A이므로 최대 40 A의 클램프 타입 CT (순시치, 정밀도 ± 3%, Sampling : 40 k/sec)를 사용하였다.
본 논문에서는 전차선의 전류 값을 이용하여 집전상태를 판단하는 분석 기술에 대하여 기술하였다. 특히 아크가 발생될 때의 다양한 전류 값을 모의하여 아크 발생에 따른 전류 변화를 실험하였다. 또한 다양한 조건에서 발생된 아크 전류 값을 정확하게 모니터링하기 위해 최적화된 주파수 범위를 판단하였다.

데이터처리

현재 위치 중심으로 뒤로 n개의 평균과 앞으로 n개의 평균이 양수에서 음수로 또는 음수에서 양수로 변하는 점이 변곡점으로 정의할 수 있기 때문이다. 개발된 알고리즘 검증을 위해 변곡점 알고리즘을 적용 전․후의 집전율을 비교하였다. 집전율은 식 (3)에 따라 구하였으며 전류 값이 0근처에서의 변화만을 미분하여 적용하였을 경우는 집전율이 10.

이론/모형

그림 3에 샘플링 주파수에 따른 이산신호의 분석을 Discrete Fourier Transform (DFT)를 이용하여 분석하였다. DFT한 신호의 안정된 프로파일을 얻기 위하여 Least mean square 방법을 적용하여 6차 다항식으로 배열 (fitting)하였다. 그림 3에 샘플링 주파수에 따른 DFT 신호의 프로파일을 타나내었다.

성능/효과

본 논문은 전차선의 전류 값을 이용하여 집전상태를 판단하는 분석 기술 중 아크 전류를 모의하여 최적화된 주파수 샘플링을 제안하였다. 최소 샘플링 주파수를 선택하기 위하여 집전상태 분석을 위해 에일리어싱 (Aliasing)이 발생되지 않는 최소의 샘플링 주파수를 분석결과 5 kHz 이상의 샘플링 주파수를 획득할 경우 집전상태 분석이 가능 할 것으로 분석되었다. 또한 이선아크 발생 시 전류 값의 변곡점 측정 알고리즘에 대해서 기술하였으며 이를 통해 집전상태를 분석하였다.

후속연구

또한 다양한 조건에서 발생된 아크 전류 값을 정확하게 모니터링하기 위해 최적화된 주파수 범위를 판단하였다. 본 논문에서 제안한 아크 발생에 따른 전차선 전류 변화 값과 이를 분석하기 위한 최소 전류 획득 시간은 지상부에서 집전상태를 모니터링 하는 검측기술에 활용될 것으로 기대된다.
또한 이선아크 발생 시 전류 값의 변곡점 측정 알고리즘에 대해서 기술하였으며 이를 통해 집전상태를 분석하였다. 향후 연구로는 아크 발생 시에 다양한 노이즈 패턴을 구분하여 전류를 이용한 집전상태 분석 기술이 필요할 것으로 사료되며 본 논문에서 제안한 아크 발생에 따른 전차선 전류 변화 값과 이를 분석하여 집전상태를 모니터링 하는 검측기술에 활용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실험에서 집전상태 판단을 위한 전류 측정은 무엇으로 검출하는가?	집전상태 판단을 위한 전류 측정은 25 kV의 고전압 전차선로에 전류계를 이용하여 검출한다. 전류계의 검측 값은 전차선로 지지점인 가동브라켓에 설치한 검측장치를 디지털화 하여 비 가압구간으로 2.
	집전상태란?	집전상태는 전차선과 팬터그래프간의 상호운영에 따른 성능의 지표로 이선율 (Percentage of arcing)을 식 1에 따라 계산하여 나타내는 것이 일반적이다[7,11]. 식 1에서 나타난바와 같이 이선율은 이선아크의 측정시간과 유효이선시간의 총합에 따라 달라지므로 검출된 파장의 이선 시간에 따라 민감하게 된다.
	실험에서 집전상태 판단을 위하여 25 kV의 고전압 전차선로에 전류계로 검측한 값은 무엇을 이용하여 사용자에게 전송되는가?	집전상태 판단을 위한 전류 측정은 25 kV의 고전압 전차선로에 전류계를 이용하여 검출한다. 전류계의 검측 값은 전차선로 지지점인 가동브라켓에 설치한 검측장치를 디지털화 하여 비 가압구간으로 2.4 GHz의 무선공유기를 이용하여 사용자에게 전송된다[10]. 본 논문에서 제안한 집전상태 판단알고리즘은 팬터그래프와 전차선간 비 접촉에 따른 전류파형을 분석하게 되므로 전류계의 응답 속도가 이선상황에서의 주파수 변화에 충분히 민감한 특성이 나타나도록 하여야 한다.

참고문헌 (12)

"Fundamental Research on Maximum Speed Improvement of HEMU-430X", KRRI research report, 2013
"Development of interface technology on vehicle/track and pantagraph/catenary for high speed train", KRRI research report, 2010.
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EN 50317:2001, "The European Standard, Railway applications-Current collection systems - Requirements for and validation of measurements of the dynamic interaction between pantograph and overhead contact line", 2001.
Y. Park, S. Y. Kwon, J. M. Kim, "Analysis of Arcing Measurement System Between Pantograph and Catenary", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 61, No. 8,, pp. 1216-1220, 2012.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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