[논문]급속충전방식 무가선 전동차 시스템을 이용한 전기요금 절감 방안 연구

고효상; 조인호; 류준형; 김길동

doi:10.7782/jksr.2017.20.1.31

급속충전방식 무가선 전동차 시스템을 이용한 전기요금 절감 방안 연구
Study of Electric Charge Saving Plan Using High-speed Charging Wireless Railway System 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.20 no.1 = no.98, 2017년, pp.31 - 42

고효상 (Propulsion System Research Team, Korea Railroad Research Institute) , 조인호 (Propulsion System Research Team, Korea Railroad Research Institute) , 류준형 (Propulsion System Research Team, Korea Railroad Research Institute) , 김길동 (Propulsion System Research Team, Korea Railroad Research Institute)

초록
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철도 시스템의 전력 소비를 줄이기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중에서 급속충전방식 무가선 전동차 시스템은 철도 분야에서 매우 효율적인 에너지 절감 기술로 주목 받고 있다. 본 논문에서는 ESS를 이용한 급속충전 무가선 전동차 시스템을 소개하고 현재의 도시철도 전기요금 산정방식에 대하여 분석하였다. 이러한 분석을 바탕으로 급속 충전 무가선 전동차 시스템 적용 가능한 두 가지 전기요금 저감 방안(기본요금을 저감하는 방식(Case 1)과 전력량요금을 저감시키는 방식(Case 2))을 제안하였다. 제한하는 방식의 타당성 확인을 위해 현재 운영 중인 전동차 시스템(도시철도 2호선)의 전기요금과 비교하여 비용 경제성을 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Many studies have been performed to reduce electric consumption in railway systems. Due to its low conduction loss and high regenerative braking efficiency characteristics, the ESS powered railway system is chosen as a promising candidate for future railway systems. This paper introduces the ESS powered railway system and analyzes current power charge calculation methods that have been set up by KEPCO (Korea Electric Power Corporation). Based on the analysis, this paper proposes two different power charge reduction methods for the railway system. One is to smooth the peaks of traction energy consumption by supplying additional energy to the grid. The other is to save electric charge by reducing electric energy consumed by the railway during the energy peak time, 2 p.m.~5 p.m., which has highest 'Won/kWh' rates. To verify the effectiveness of the proposed method, the power charge of Seoul Metro Line 2 is recalculated using the method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 대용량 매체를 이용한 급속충전 무가선 전동차 시스템을 소개하고 현재 적용중인 도시철도 전기요금 산정방식에 대하여 논의하였다. 또한, 급속 충전 무가선 전동차 시스템을 활용한, 전기요금 저감 방안을 제안하고, 현재 전동차 시스템(도시철도 2호선)의 전기요금과 비교하여, 비용 경제성을 평가하였다.
국내의 경우 철도시장규모의 한계성으로 철도분야용 에너지저장장치 및 충전용 전력변환기술에 대한 연구가 미비하다. 본 논문에서는 대용량 매체를 이용한 급속충전 무가선 전동차 시스템을 소개하고 현행 메트로 2호선 현행 전기요금 구성 체계를 설명하였다. 또한, 무가선 전동차 시스템을 활용한 전기요금 절감방안을 제안하였으며, 현재 운행 중인 도시철도 2호선 전기요금과 제안한 요금절감방안을 적용한 전기 요금을 비교하여, 비용 경제성을 평가하였다.
본 논문에서는 상기 4장에서 설명했듯이, 총 2가지 케이스의 요금저감 방안에 대해서 시뮬레이션 및 경제성 평가를 진행하였다.

가설 설정

6V, 용량은 165F이다. 가용 가능한 에너지는 5.1절에서 가정한 ⑧에 의해 최대 충전량의 55%를 적용하였다. 상기 3장에서 설명했듯이, 연구 중인 무가선 전동차는 직류 1,500V를 적용하였다.
또한, 무가선 전동차에 탑재된 ESS 장치의 기본적인 제약 조건도 포함되어 있다. 도시철도 2호선 총 편성 수는 88대이고, 차량기지에 대기하는 전동차의 수는 실제 도시철도 메트로 2호선 편성표를 이용하여 가정하였다. 대기하는 전동차의 수를 이용하여 계통에 연계되는 전력량을 파악할 수 있다.
상기 표 5를 보면 역간 평균 소모에너지가 약 30kWh이다. 따라서, 본 논문에서는 예비 전력량까지 가정하여 최대 가용 에너지량을 100kWh로 설정하였다. 따라서, 급속충전무가선 전동차의 ESS 용량은 다음 표 6과 같다.
현재 도시철도는 무가선 전동차가 아닌 가선에서 전력을 공급받는 시스템이다. 따라서, 현재 도시철도 시스템이 아닌 무가선 전동차시스템을 도입했을 때를 가정하였다. 또한, 무가선 전동차에 탑재된 ESS 장치의 기본적인 제약 조건도 포함되어 있다.
ESS 장치는 전력수요분배에만 활용할 수 있지만, 무가선 전동차는 수송용이기 때문에, 온전히 전력수요분배에만 활용될 수 없기 때문이다. 또한, 본 논문에서는 무가선 전동차가 갖는 큰 특징 중 하나인 회생제동에 대한 전력량은 포함시키지 않았다. 하기 표 11은 TOU 단가가 높은 시간대의 전력량을 감소시킴으로써, 얻어지는 전기요금을 나타낸다(Case 2).
상기에서 가정한 사항은 급속충전 무가선 전동차가 전기요금에 미치는 영향을 알아보기 위한 기본적인 가정사항이다. 현재 도시철도는 무가선 전동차가 아닌 가선에서 전력을 공급받는 시스템이다.

제안 방법

단순히 Peak 전력량만을 줄이게 되면, 기본요금은 줄일 수 있지만, 전력사용량요금을 줄일 수 없게 된다. 따라서, 그림 4에 표시된 부분의 전력량을 조정하여, 전기요금을 저감시키는 방법을 제안하였다. 총 2가지 방법으로 A는 최대 Peak 전력값을 줄이는 방법을 나타내며, B는 요금단가가 비싼 시간대 전력량을 저감시키는 방법이다.
기본요금을 줄이는 방법은 1년간 발생하는 최대 Peak 전력을 감소시키는 방법이 유일한 방법이다. 따라서, 본 논문에서는 운행하지 않은 급속충전용 무가선 전동차에 저장되어 있는 전력을 이용하여, 최대 Peak 전력을 저감시켰다. 하기 표 11은 최대 Peak 전력을 감소시킴으로써, 얻어지는 전기요금을 나타낸다(Case 1).
전기요금을 산정하는 방식은 본문에서 설명했듯이, 기본요금과 전력량요금을 합산한 방식을 택한다. 따라서, 본 논문에서도 기본요금 저감 방식인 Case 1과 전력량요금을 저감시키는 방안인 Case 2으로 분리하여 저감 방안을 제시하였다. 제안된 Case 1 방식은 운행되지 않은 급속충전 무가선 전동차를 이용하여, 도시철도 Peak 전력량을 저감시킴에 따라 기본요금을 감소시키는 방식이다.
Case 1은 최대 Peak 전력을 감소시켜 전기 기본요금을 줄이는 목적으로 설계된 요금저감 방식이다. 따라서, 최대 전력사용 Peak 시간인 9시에 대기차량에 저장된 전기에너지를 전부 사용하여, 전력사용량을 저감시켰다. 다른 시간의 대기차량도 이용할 수 있지만, Case 1은 오직 Peak 사용 전력량 크기를 줄여 기본요금을 절감하는 방식을 적용하였기 때문에 9시의 대기차량만 이용하였다.
본 논문에서 적용한 전력데이터는 2015년 중 가장 높은 Peak 전력을 갖는 하루의 전력데이터를 이용하였다. 따라서, 하루 전기요금을 계산한 뒤, 한 달 전기요금으로 변환하여 비교하였다. 표 11은 식 (1)과 하루 전력량 데이터를 이용하여, 계산된 2015년 8월 전기요금을 나타낸다(Base).
본 논문에서는 대용량 매체를 이용한 급속충전 무가선 전동차 시스템을 소개하고 현재 적용중인 도시철도 전기요금 산정방식에 대하여 논의하였다. 또한, 급속 충전 무가선 전동차 시스템을 활용한, 전기요금 저감 방안을 제안하고, 현재 전동차 시스템(도시철도 2호선)의 전기요금과 비교하여, 비용 경제성을 평가하였다.
본 논문에서는 대용량 매체를 이용한 급속충전 무가선 전동차 시스템을 소개하고 현행 메트로 2호선 현행 전기요금 구성 체계를 설명하였다. 또한, 무가선 전동차 시스템을 활용한 전기요금 절감방안을 제안하였으며, 현재 운행 중인 도시철도 2호선 전기요금과 제안한 요금절감방안을 적용한 전기 요금을 비교하여, 비용 경제성을 평가하였다. 일년 중 가장 많은 전기를 소비하는 여름철 실제 부하 데이터를 활용하여 시뮬레이션을 진행하였고, 그에 따른 전기요금을 항목별로 도출 및 비교하여 타당성을 검토하였다.
표 11은 식 (1)과 하루 전력량 데이터를 이용하여, 계산된 2015년 8월 전기요금을 나타낸다(Base). 본 논문에서 계산된 전기요금은 가장 가혹한 조건을 설정하기 위해서 한 달 중 가장 높은 Peak 값을 이용하여, 한 달 전기요금을 계산하였다.
본 논문에서 도시철도 전기요금을 저감하기 위해, 다음과 같은 가정사항을 설정하여 시뮬레이션을 진행하였다.
가선에서 전력을 공급받는 방식이 아닌 ESS를 이용한 급속충전 무가선 전동차를 적용하기 위해서, ESS의 용량을 산정하고 적용하는 것은 매우 중요하다. 본 논문에서는 도시철도 2호선의 평균 전력사용량을 적용하여 ESS용량을 산정하였다. 표 5는 서울 메트로에서 측정한 도시철도 2호선 전력사용량을 보여준다.
또한, 무가선 전동차 시스템을 활용한 전기요금 절감방안을 제안하였으며, 현재 운행 중인 도시철도 2호선 전기요금과 제안한 요금절감방안을 적용한 전기 요금을 비교하여, 비용 경제성을 평가하였다. 일년 중 가장 많은 전기를 소비하는 여름철 실제 부하 데이터를 활용하여 시뮬레이션을 진행하였고, 그에 따른 전기요금을 항목별로 도출 및 비교하여 타당성을 검토하였다.
전기요금을 산정하는 방식은 본문에서 설명했듯이, 기본요금과 전력량요금을 합산한 방식을 택한다. 따라서, 본 논문에서도 기본요금 저감 방식인 Case 1과 전력량요금을 저감시키는 방안인 Case 2으로 분리하여 저감 방안을 제시하였다.
따라서, 본 논문에서도 기본요금 저감 방식인 Case 1과 전력량요금을 저감시키는 방안인 Case 2으로 분리하여 저감 방안을 제시하였다. 제안된 Case 1 방식은 운행되지 않은 급속충전 무가선 전동차를 이용하여, 도시철도 Peak 전력량을 저감시킴에 따라 기본요금을 감소시키는 방식이다. Case 2는 그림 4에 표시된 부분의 시간별 전력사용량을 감소시켜, 전기요금을 저감시키는 방법이다.

대상 데이터

본 논문에서는 2015년 8월 전기요금을 상기 2장에서 설명한 식 (1)과 2015년 8월 실제 전력량 데이터를 이용하여 산정하였다. 2015년 8월 도시철도 2호선 전기요금을 기본료와 전력량요금으로 분리하여 계산하였다. 기본요금은 그림 1의 최대 Peak 전력을 사용하였고, 전력량요금은 TOU단가와 전력량 데이터를 적용하여 계산하였다.
2015년 8월 도시철도 2호선 전기요금을 기본료와 전력량요금으로 분리하여 계산하였다. 기본요금은 그림 1의 최대 Peak 전력을 사용하였고, 전력량요금은 TOU단가와 전력량 데이터를 적용하여 계산하였다. 본 논문에서 적용한 전력데이터는 2015년 중 가장 높은 Peak 전력을 갖는 하루의 전력데이터를 이용하였다.
본 논문에서는 전기요금의 구성 요소인 기본요금과 전력량요금을 산정하기 위해서 서울시 메트로 2호선 Peak전력과 전력량부하를 적용하였다. 또한, 가장 가혹한 조건을 설정하기 위해서 2015년(8월) 부하 중 가장 높은 Peak 전력과 전력량을 선정하였다. 메트로 2호선은 총 15개의 변전소로 구성되어 한국전력공사에서 수전받고 있으며, 각 변전소별 최대 Peak의 합이 2호선의 최대 Peak값이 된다.
본 논문에서 설계한 ESS는 Maxwell 사의 슈퍼커패시터 모듈을 이용하였다. 울트라커패시터는 18개의 커패시터를 직렬로 연결하여 구성되었고, 단위는 모듈당 48.
기본요금은 그림 1의 최대 Peak 전력을 사용하였고, 전력량요금은 TOU단가와 전력량 데이터를 적용하여 계산하였다. 본 논문에서 적용한 전력데이터는 2015년 중 가장 높은 Peak 전력을 갖는 하루의 전력데이터를 이용하였다. 따라서, 하루 전기요금을 계산한 뒤, 한 달 전기요금으로 변환하여 비교하였다.
본 논문에서는 2015년 8월 전기요금을 상기 2장에서 설명한 식 (1)과 2015년 8월 실제 전력량 데이터를 이용하여 산정하였다. 2015년 8월 도시철도 2호선 전기요금을 기본료와 전력량요금으로 분리하여 계산하였다.
본 논문에서는 전기요금의 구성 요소인 기본요금과 전력량요금을 산정하기 위해서 서울시 메트로 2호선 Peak전력과 전력량부하를 적용하였다. 또한, 가장 가혹한 조건을 설정하기 위해서 2015년(8월) 부하 중 가장 높은 Peak 전력과 전력량을 선정하였다.
1절에서 가정한 ⑧에 의해 최대 충전량의 55%를 적용하였다. 상기 3장에서 설명했듯이, 연구 중인 무가선 전동차는 직류 1,500V를 적용하였다. 따라서, 아래의 식 (4)에서 보듯이, 모듈을 32개를 직렬로 연계하여, 직류 1,500V로 설정하여 계산되었다.
본 논문에서 설계한 ESS는 Maxwell 사의 슈퍼커패시터 모듈을 이용하였다. 울트라커패시터는 18개의 커패시터를 직렬로 연결하여 구성되었고, 단위는 모듈당 48.6V, 용량은 165F이다. 가용 가능한 에너지는 5.

성능/효과

3절에서 보여진 것과 같이, Case 1은 약 18,620,357원을 저감할 수 있고, Case 2는 약 21,391,939원을 저감할 수 있다. 제안한 두 가지 방식의 저감된 요금은 거의 비슷하고, Case 2가 Case 1보다 약 2,771,582원 더 저감 시킬 수 있다. 년간으로 변환하여 Case 1에 의해 저감된 요금은 약 2.
하기 표 11은 최대 Peak 전력을 감소시킴으로써, 얻어지는 전기요금을 나타낸다(Case 1). 한 달을 기준으로 요금을 계산하였고, 상기의 표 7과 8을 비교하면, 기본요금은 약 15,554,510원 감소하고, 전력량요금은 약 3,065,846원 절감할 수 있고, 한 달에 총 18,620,356원 절감할 수 있다.

후속연구

6억원이다. 본 논문의 분석 결과를 바탕으로 급속충전 무가선 전동차를 도시철도에 구축 시, 전기요금 저감 방법 및 활용방안에 대한 연구로 이용할 수 있다.
현재 한국철도기술연구원에서는 역간 주행에 필요한 에너지를 회생제동 에너지흡수와 함께 정거장에서 정차하는 동안 급속충전(20초이내, 직류 1,500V)으로 슈퍼커패시터에 에너지를 저장하여 전차선 없이 주행할 수 있는 기술을 개발하고 있다[3]. 이 차량은 최대 2km를 무가선으로 운행하는 것을 목표로 연구 개발중에 있고, 2017년부터 실차에 배터리를 장착하여 테스트를 시작할 예정이다. 자세한 내용은 참고문헌[3,6]에 나타나 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ERRAC가 주목하고 있는 기술은 무엇인가?	이로 인해, 기존에 전기에너지를 추진동력으로 이용해오던 철도산업에서는 전력전송의 효율을 높이고 주변 환경과 조화를 이루는 친환경 철도시스템 구축을 위해 대용량 저장매체 도입을 추진 중에 있다. 유럽의 철도기술자문위원회, ERRAC(European Rail Research Advisory Council),에서 발표한 미래 철도기술 로드맵, European railway energy roadmap: towards 2030, 에서는 전동차 에너지저장 기술을 탄소 제로화 및 에너지 효율화를 위한 에너지 절감 기술로서 높은 중요성을 가지면서 반드시 개발해야 할 기술로 제시하고 있다. 국내의 경우 철도시장규모의 한계성으로 철도분야용 에너지저장장치 및 충전용 전력변환기술에 대한 연구가 미비하다.
	철도산업이 에너지 효율면에서 비효율적 운전을 하고 있다고 평가받는 근거는 무엇인가?	철도산업은 대량의 물류와 여객을 수송하는 교통수단으로 에너지의 효율적 사용을 위해 증기기관, 디젤기관을 넘어서 전기철도로 발전해 왔다. 하지만, 차량운행에 필요한 전기에너지를 지상으로부터 공급받는 방식을 사용하여, 전력전송과정에서 에너지 손실이 발생하는 등 에너지 효율면에서 상당히 비효율적 운전을 하고 있다. 또한, 전력을 공급받기 위해 지상에 전차선을 설치해야 함으로 이는 주변경관을 해치는 요인이 되며, 고전압 대전류로 인한 전자파 인체안전성 및 전기안전측면에서 많은 위험 요소를 가지고 있다.
	현재 에너지 산업은 어떤 추세를 보이고 있는가?	과거 에너지 산업은 국가 및 기업 간의 에너지 시장 경쟁에서 입지적 우위를 선점하기 위한 기술개발과 보급 활성화 등 경제성을 우선시 하였다. 그러나 현재 에너지 산업은 환경보호와 에너지 효율성 등의 환경적인 측면이 강조되고 있으며, 신재생 에너지 개발, 에너지 산업 기술 향상 및 운용 등의 저탄소 녹색성장을 위한 다양한 사업이 추진 및 발전되고 있다[1]. 특히, 대용량 저장매체의 기술성장 및 단가 절감으로 인해 대용량 저장매체를 이용한 많은 사업들을 추진하고 있다.

참고문헌 (6)

H.S. Go, D.U. Kim, J.H. Kim, S.J. Lee, et al. (2015) A Study on voltage sag considering real-time traffic volume of electric vehicles in South Korea, Journal of Electrical Engineering & Technology, 10(4), pp. 1492-1501.

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Korea Smart Grid Institute (2010) A Research of Charging Infrastructure for Electric Vehicle.
G.D. Kim, J.M. Lee, Y.J. Han, J.H. Ryu, et al. (2015) Development of wireless train power supply technology using 1MW-class high speed electric power charge storage, Korea Railroad Research Institute.
www.kepco.co.kr (Accessed 16 October 2016)
www.seoulmetro.co.kr (Accessed 16 October 2016)
J.M. Jo, Y.J. Han, J.W. Kim, J.M. Lee, et al. (2015) Design of DC-DC Converter to Charge and Discharge Ultra-Capacitor Modules for Wireless Trains, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, 64(12), pp. 1776-1781.

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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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