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문제 정의
- 본 논문에서는 변전소와 운행차량간의 전압, 전류 데이터 동기화를 통한 기존의 전차선로의 임피던스 예측계산 수식을 보편화 하여 제시하였다. 또한 실제 급전계통에 열차를 운행하며 데이터를 취득하고 시간동기화 하여 전차선로 임피던스를 예측 계산하였다.
- 본 논문에서는 변전소와 운행차량간의 전압, 전류 측정값의 동기화를 통한 전차선로의 임피던스 예측기법에 대해 실제 급전계통에 열차를 투입하여 운행하며 데이터를 취득하고 지락시험 결과와 비교 검증하였다. 현행 적용중인 계산식과 지락시험(인공포함)으로 보정하는 방식과 비교 시 열차운행 중단 없이 연속적인 데이터를 확보할 수 있고 시간경과에 따른 임피던스 변화에 대해서도 신속하고 편리하게 대응할 수 있는 장점이 있으며 이론적 모델링 예측기법을 현장에 실 구현함으로써 동기화 데이터를 활용한 임피던스 예측이 가능함을 확인하였다.
- 따라서 현장 여건을 반영한 고장점 표정의 정확도 향상을 위해 전차선로 임피던스와 관계된 시험과 예측방법들이 다양하게 연구되어 적용되고 있다. 본 논문에서는 전철변전소와 구간 내에 운행중인 차량에서 동기화된 전압, 전류를 실측하여 임피던스를 예측하는 기법을 적용하고 유효성을 검증하였다.
제안 방법
- 열차 부하전류는 운행노선에서 열차의 운행다이아에 따라 운행되는 가공되지 않은 실제 영업운전 조건으로 구간 내에서 역행, 타행, 정차 등을 반복하였다. 거리데이터는 실시간 정밀하게 확보되어 연계되지 않았으나, 열차의 이동속도 및 정류장 정차 시 시간 등을 기록하여 상호 연계 비교하는 방법을 적용하였다. Fig.
- 5에 변전소 및 차량의 전력품질분석장치와 GPS 측정모듈 연계현황을 나타내었다. 계측기에 기록되는 데이터의 시간 동기를 적용하여 측정값을 동일 시간대에 나열하여 보편화 계산식(3), (4)로부터 전차선로 임피던스를 예측 계산하였다.
- 시뮬레이션은 PSCAD/EMTDC를 활용하여 교류 급전시스템의 변전소, 전차선로 및 차량을 모델링 하였다. 교류급전계통은 전력공급사업자로부터 3상 154kV 수전 받아 철도변전소에서 스코트변압기와 AT를 통해 단상 27.5kV를 공급하는 것으로 구성하였고, 급전계통은 전철변전소 1개소, 구분소 1개소, 보조구분소 1개소로 통상적인 계통으로 모델링 하였다. 모델링 구간은 총 20km로 각 각의 변전소와 전구분소 및 보조급전구분소 사이는 10km 간격으로 선정하였다.
- 식(2)~(4)를 적용하여 전차선로 임피던스를 계산해 본 결과 AT의 특성이 반영된 포물선 형태의 계산값이 도출되었다. 다만 열차가 타행 중이거나, 일부 회생중인 조건에서 부하전류가 작게 계측되는 경우 계통에 설치된 필터설비의 영향과, 전압대비 전류값이 작아 계산상 많은 오차가 발생됨이 확인되어 중복시험을 시행하여 계통내의 부수설비를 중지하고, 일정 전류값(50[A]) 이상의 전류가 확보된 조건의 데이터를 활용하여 계산하였으며 기타의 경우는 반영하지 않았다.
- 전차선로 임피던스는 거리에 대한 함수이나, 열차의 부하전류 크기에 따라 부하단에서 바라보는 임피던스의 합에 영향을 받게 된다. 따라서 계통 내에 동일한 지점에서 열차전류가 변화될 때 전체적인 임피던스와 전차선로의 임피던스 변화 영향을 파악하여 전철변전소 및 차량에서 계측되는 실시간 동기화 데이터로부터 예측 계산한 전차선로의 임피던스가 해당위치의 대푯값임을 확인하기 위해 다음과 같은 사례를 만들고 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 PSCAD/EMTDC를 활용하여 교류 급전시스템의 변전소, 전차선로 및 차량을 모델링 하였다.
- 본 논문에서는 변전소와 운행차량간의 전압, 전류 데이터 동기화를 통한 기존의 전차선로의 임피던스 예측계산 수식을 보편화 하여 제시하였다. 또한 실제 급전계통에 열차를 운행하며 데이터를 취득하고 시간동기화 하여 전차선로 임피던스를 예측 계산하였다. 특히 열차의 운행패턴(부하전류)에 따른 임피던스 계산값의 변화 확인을 통해 열차의 위치 별 실측 계산된 임피던스 데이터가 대푯값을 가질 수 있는지 여부를 확인하기 위해 시뮬레이션 모델을 만들고 동일지점에서 열차전류를 변경시키며 검증하였다.
- 001[Ω]), 정격출력(142[Ω]), 50%출력(282[Ω]), 25%출력(564[Ω]), 12%출력(1,128[Ω]), 6%출력(2,256[Ω])으로 6가지 사례를 임의로 모의하여 입력하였다. 또한 열차를 전철변전소에서부터 1km 단위로 급전구분소 방면으로 이동시키며 동일한 시뮬레이션을 시행하였다. 식(3), (4)를 이용하여 전차선로 임피던스를 계산하고 그 결과를 Table 1에 나타내었다.
- 전철변전소와 전기차 간의 동기화 데이터 비교결과 전류값은 오차범위 이내로 차이가 없이 나타났으며, 전압은 선로에서 발생되는 강하분이 반영되어 전철변전소보다 차량에서 측정하는 값이 다소 작게 계측되었다. 또한 위상각은 전압을 기준으로 계산하였다. 열차부하전류에 따라 위상각은 큰 변화를 보이며 나타났으나, 부하전류가 일정값 이상 계측된 경우 상차각은 15°이내로 나타났다.
- 이를 바탕으로 전원단과 열차에서 동 시간대 전력품질을 측정하는 방법을 고안하여 실험 하였다. 먼저 GPS 수신 모듈을 전력분석기에 연결하여 각 각 데이터를 계측하여 시간동기 정보를 기록하고, 전기차의 거리데이터는 타코메타를 적용하였다. 전철변전소는 상하선 연결 운영 영향을 반영하기 위해 방면 별(상·하선) 모두 전압, 전류를 4개 채널을 계측하였으며, 열차는 동력실 수전부에서 전압, 전류값을 계측하여 상호 비교하였다.
- 모델링 구간은 총 20km로 각 각의 변전소와 전구분소 및 보조급전구분소 사이는 10km 간격으로 선정하였다. 송전선로는 154kV 100MVA 무한모선과 30km를 입력하였으며, 주변압기(스코트변압기)는 M상 T상 각각 22.5MVA 총 45MVA 용량으로 설계하였다. 차량부하는 계산의 편의를 위해 저항부하로 모델링 하였으며 AT는 용량 10[MVA], 리액턴스 j0.
- 실측 구현을 통한 임피던스 예측기법의 성능 검증을 위해 급전계통의 구성에 따라 다양하게 변화되는 기존 시뮬레이션 계산 예측수식에 실측값을 기지값으로 적용하여 보편화 정리하였으며 열차의 운행패턴(부하전류)에 따른 전차선로 전압강하 영향을 사전에 조사하고 위치 별 실측 계산된 임피던스 데이터가 해당전차선로의 대푯값을 가질 수 있는지 여부를 시뮬레이션 모델로 검증해보았다. 그 결과 열차부하전류에 따라 전차선로 임피던스는 변화하였으나, 그 차이의 최대값은 0.
- 열차의 저항값은 완전지락(0.001[Ω]), 정격출력(142[Ω]), 50%출력(282[Ω]), 25%출력(564[Ω]), 12%출력(1,128[Ω]), 6%출력(2,256[Ω])으로 6가지 사례를 임의로 모의하여 입력하였다. 또한 열차를 전철변전소에서부터 1km 단위로 급전구분소 방면으로 이동시키며 동일한 시뮬레이션을 시행하였다.
- 이를 바탕으로 전원단과 열차에서 동 시간대 전력품질을 측정하는 방법을 고안하여 실험 하였다. 먼저 GPS 수신 모듈을 전력분석기에 연결하여 각 각 데이터를 계측하여 시간동기 정보를 기록하고, 전기차의 거리데이터는 타코메타를 적용하였다.
- 전원단과 열차의 임피던스 차이가 해당선로의 임피던스로 나타남을 현장에서 실측하기 위해 시험구간을 선정하고 시간동기화를 적용하여 데이터를 취득 하였다. 전철변전소의 전력품질 사전 측정결과 열차가 하선 또는 상선에서 단독 운행하고 있어도 전철변전소의 피더반에는 상선과 하선에 모두 부하전류가 흐르는 것이 확인되어 전철변전소에서는 측정방면으로 상선과 하선에 각각 전압, 전류 2채널씩 총 4개를 계측하였으며, 운행중인 열차에서는 내부 동력실 수전부에서 전압, 전류 1채널씩 총 2개를 계측하였다.
- 전철변전소는 상하선 연결 운영 영향을 반영하기 위해 방면 별(상·하선) 모두 전압, 전류를 4개 채널을 계측하였으며, 열차는 동력실 수전부에서 전압, 전류값을 계측하여 상호 비교하였다.
- 전원단과 열차의 임피던스 차이가 해당선로의 임피던스로 나타남을 현장에서 실측하기 위해 시험구간을 선정하고 시간동기화를 적용하여 데이터를 취득 하였다. 전철변전소의 전력품질 사전 측정결과 열차가 하선 또는 상선에서 단독 운행하고 있어도 전철변전소의 피더반에는 상선과 하선에 모두 부하전류가 흐르는 것이 확인되어 전철변전소에서는 측정방면으로 상선과 하선에 각각 전압, 전류 2채널씩 총 4개를 계측하였으며, 운행중인 열차에서는 내부 동력실 수전부에서 전압, 전류 1채널씩 총 2개를 계측하였다. 측정장비는 변전소와 차량에서 동일한 사양으로 샘플링(10khz)을 적용하였으며, 상호간 시간동기화를 위해 GPS 모듈을 부착하였다.
- 5MVA 총 45MVA 용량으로 설계하였다. 차량부하는 계산의 편의를 위해 저항부하로 모델링 하였으며 AT는 용량 10[MVA], 리액턴스 j0.4[Ω], 전차선은(TF) 임피던스 0.1076 + j0.2614[Ω/km], 레일은 임피던스 0.1052 + j0.4736[Ω/km], 급전선은(AF) 임피던스 0.1180 + j0.4519[Ω/km]로 설정하였다. Fig.
- 전철변전소의 전력품질 사전 측정결과 열차가 하선 또는 상선에서 단독 운행하고 있어도 전철변전소의 피더반에는 상선과 하선에 모두 부하전류가 흐르는 것이 확인되어 전철변전소에서는 측정방면으로 상선과 하선에 각각 전압, 전류 2채널씩 총 4개를 계측하였으며, 운행중인 열차에서는 내부 동력실 수전부에서 전압, 전류 1채널씩 총 2개를 계측하였다. 측정장비는 변전소와 차량에서 동일한 사양으로 샘플링(10khz)을 적용하였으며, 상호간 시간동기화를 위해 GPS 모듈을 부착하였다.
- 또한 실제 급전계통에 열차를 운행하며 데이터를 취득하고 시간동기화 하여 전차선로 임피던스를 예측 계산하였다. 특히 열차의 운행패턴(부하전류)에 따른 임피던스 계산값의 변화 확인을 통해 열차의 위치 별 실측 계산된 임피던스 데이터가 대푯값을 가질 수 있는지 여부를 확인하기 위해 시뮬레이션 모델을 만들고 동일지점에서 열차전류를 변경시키며 검증하였다. 끝으로 계산된 임피던스 값과 지락시험을 통해 실측된 기지값을 비교함으로써 본 예측 기법에 대한 유효성을 검증하였다.
대상 데이터
- 5kV를 공급하는 것으로 구성하였고, 급전계통은 전철변전소 1개소, 구분소 1개소, 보조구분소 1개소로 통상적인 계통으로 모델링 하였다. 모델링 구간은 총 20km로 각 각의 변전소와 전구분소 및 보조급전구분소 사이는 10km 간격으로 선정하였다. 송전선로는 154kV 100MVA 무한모선과 30km를 입력하였으며, 주변압기(스코트변압기)는 M상 T상 각각 22.
- 따라서 계통 내에 동일한 지점에서 열차전류가 변화될 때 전체적인 임피던스와 전차선로의 임피던스 변화 영향을 파악하여 전철변전소 및 차량에서 계측되는 실시간 동기화 데이터로부터 예측 계산한 전차선로의 임피던스가 해당위치의 대푯값임을 확인하기 위해 다음과 같은 사례를 만들고 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 PSCAD/EMTDC를 활용하여 교류 급전시스템의 변전소, 전차선로 및 차량을 모델링 하였다. 교류급전계통은 전력공급사업자로부터 3상 154kV 수전 받아 철도변전소에서 스코트변압기와 AT를 통해 단상 27.
- 열차의 운행거리는 차내에 부착된 타코메타 거리정보를 활용하였다. 운행열차는 영업 열차를 활용하여 첫차 편성을 대상으로 시험하였다.
- 열차의 운행거리는 차내에 부착된 타코메타 거리정보를 활용하였다. 운행열차는 영업 열차를 활용하여 첫차 편성을 대상으로 시험하였다. 열차 부하전류는 운행노선에서 열차의 운행다이아에 따라 운행되는 가공되지 않은 실제 영업운전 조건으로 구간 내에서 역행, 타행, 정차 등을 반복하였다.
데이터처리
- 특히 열차의 운행패턴(부하전류)에 따른 임피던스 계산값의 변화 확인을 통해 열차의 위치 별 실측 계산된 임피던스 데이터가 대푯값을 가질 수 있는지 여부를 확인하기 위해 시뮬레이션 모델을 만들고 동일지점에서 열차전류를 변경시키며 검증하였다. 끝으로 계산된 임피던스 값과 지락시험을 통해 실측된 기지값을 비교함으로써 본 예측 기법에 대한 유효성을 검증하였다.
이론/모형
- 기존 전차선로 임피던스 예측은 전차선로를 구성하는 전차선, 조가선, 레일, 급전선 등 각종 전선의 전기적 사양데이터를 Carson-Pollazek 계산식에 적용하여 해당 구간의 단위 길이당(km)임피던스 대표값을 도출하고 리액턴스 방식의 고장점 표정장치 정정에 적용하였다[4]. Carson-Pollazek 계산식은 토공, 교량, 터널구간 등 다양한 전차선로의 현장조건에 따라 임피던스 대표값이 다르게 도출되어 일반화하는 데에 한계가 있다.
성능/효과
- 실측 구현을 통한 임피던스 예측기법의 성능 검증을 위해 급전계통의 구성에 따라 다양하게 변화되는 기존 시뮬레이션 계산 예측수식에 실측값을 기지값으로 적용하여 보편화 정리하였으며 열차의 운행패턴(부하전류)에 따른 전차선로 전압강하 영향을 사전에 조사하고 위치 별 실측 계산된 임피던스 데이터가 해당전차선로의 대푯값을 가질 수 있는지 여부를 시뮬레이션 모델로 검증해보았다. 그 결과 열차부하전류에 따라 전차선로 임피던스는 변화하였으나, 그 차이의 최대값은 0.68% 이하로 미미하게 나타남을 확인하였다.
- 동기화된 전압, 전류 측정결과로부터 예측 계산한 전차선로 임피던스는 AT 특성이 반영된 포물선 형태이나, 위치별 일그러짐이 나타났으며, 지락시험 데이터와 상호 비교 시 최대 평균 0.09[Ω]의 오차값이 발생하였다. 향후 주기적 측정을 통해 비교한다면 보다 정밀한 데이터 확보가 가능할 것으로 사료된다.
- 전철변전소는 상하선 연결 운영 영향을 반영하기 위해 방면 별(상·하선) 모두 전압, 전류를 4개 채널을 계측하였으며, 열차는 동력실 수전부에서 전압, 전류값을 계측하여 상호 비교하였다. 또한 계통 내에 운영 중인 부수설비(필터, RC-Bank 등)를 사전에 제외하고, 계산의 정확성 확보를 위해 일정전류 이상 역행하는 조건에서 데이터 계측이 요구됨을 알 수 있었다.
- 열차의 부하전류(고장전류) 크기 변화에 따라 전차선로 임피던스값도 비례하여 변화하는 것으로 확인되었으나 그 차이는 최대오차(완전지락과 6%부하)를 기준으로 해당위치에서 약 0.026[Ω](0.37%)~0.019[Ω](0.68%) 수준으로 분석되었다. 이는 고장점 표정장치 설치 시 정확성 판단 기준인 2% 보다 작은 값으로 전체적인 전차선로의 임피던스 절대크기에 크게 영향을 미치지 않는 미미한 수준으로 감안 할 수 있는 오차 범위일 것이다.
- 전철변전소와 전기차 간의 동기화 데이터 비교결과 전류값은 오차범위 이내로 차이가 없이 나타났으며, 전압은 선로에서 발생되는 강하분이 반영되어 전철변전소보다 차량에서 측정하는 값이 다소 작게 계측되었다. 또한 위상각은 전압을 기준으로 계산하였다.
- 전철변전소의 고장점표정장치에 입력된 연산 로직은 제안한 방법과 같이 전차선로에서 계측되는 전압과 전류요소를 입력값으로 활용하여 임피던스를 계산하고 표정한다는 점을 고려할 때 현장의 특성이 반영된 연속적인 데이터를 확보하는데 효과적일 것으로 추정해 볼 수 있다.
- 본 논문에서는 변전소와 운행차량간의 전압, 전류 측정값의 동기화를 통한 전차선로의 임피던스 예측기법에 대해 실제 급전계통에 열차를 투입하여 운행하며 데이터를 취득하고 지락시험 결과와 비교 검증하였다. 현행 적용중인 계산식과 지락시험(인공포함)으로 보정하는 방식과 비교 시 열차운행 중단 없이 연속적인 데이터를 확보할 수 있고 시간경과에 따른 임피던스 변화에 대해서도 신속하고 편리하게 대응할 수 있는 장점이 있으며 이론적 모델링 예측기법을 현장에 실 구현함으로써 동기화 데이터를 활용한 임피던스 예측이 가능함을 확인하였다.
후속연구
- 09[Ω]의 오차값이 발생하였다. 향후 주기적 측정을 통해 비교한다면 보다 정밀한 데이터 확보가 가능할 것으로 사료된다.
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