* 책임저자, 서울과학기술대학교, 철도전문대학원, 철도전기신호공학과, 석사과정 E-mail : [email protected] TEL : (02)3704-8775
† 교신저자, 서울과학기술대학교, 전기공학과, 교수
‡ 교신저자, 서울과학기술대학교, 철도전문대학원, 철도전기신호공학과, 교수
친환경 에너지 절약을 위한 열차운전 최적화 연구
A Study on the Train Operation Optimization for Energy Saving
최익식
*
장우진† 최규형‡Ik-Sik Choi
Woo-Jin Jang
Kyu-Hyoung Choi
ABSTRACT
In line with the expansion of electric railway, reducing carbon emission and optimal train operation are
required by economical, eco-friendly and efficient management. Most of the energy consumption in electric
railway is consumed by train operation. So it is important that minimize the energy consumption in train
operation. An analysis of the operation performance of the new model vehicle which in South Korea, Korail
introduced shows that the energy consumption is different in line with the skill level of the engine driver.
In this study, the know-how of train operation of a skilled engine driver is systematized by using artificial
intelligence, and the technique which supports engine drivers with train operation was offered. As a result of
applying in South Korea, the Gyeongbu line by using simulation, it confirmed that the maximum 20% can
reduce the energy consumption in comparison with unskilled engine drivers in case of applying the Expert
System.
1. 서론 교통수단으로의 전기철도가 확대됨에 따라 경제적 및 친환경 효율적 운영을 통해 탄소배출량 감축과 열차운영의 선진화가 요구되고 있다. 전기철도에서 소비되는 전력에너지의 대부분은 열차운전에 소비되 고 있기 때문에 열차운전에너지를 최소화하는 것이 특히 중요하다. 한국의 코레일에서 도입운영하고 있 는 신형전기기관차의 운영실적을 분석한 결과 기관사의 숙련 정도에 따라 소비전력의 편차가 큰 것으로 나타났다. 본 연구에서는 숙련된 기관사의 열차운전 노하우를 인공지능 기법을 이용하여 시스템화하고 기관사들 의 열차운전을 지원하는 기법을 제시하였다. 숙련 기관사들의 운전 전력소비를 최소화하기 위한 열차운 행 know-how를 rulebase로 도출하였고, 열차 및 선로 데이터들을 데이터베이스로 구축하여 Expert System을 개발하였다. 시뮬레이션을 통하여 임의의 선로구간에서 rulebase로 운전하였을 경우와 그렇지 않았을 경우를 비교하여 소비전력의 절감을 정략적으로 확인하였다. 2. 운전패턴에 따른 에너지 소비량 전동열차는 고정된 역간거리를 정해진 운전시분 내 운행하여야 한다. 운행함에 있어서 선로의 조건, 승차감 향상, 정위치정차 등 많은 것들을 고려하면서 운전 한다. 이러한 조건들을 만족하면서 운행에너 지 소비를 최소화하는 최적운행은 열차의 운전조건에서 크게 3가지 운전모드로 나누어지는데 역행운전 모드, 타행운전모드, 제동운전모드로 분류한다. 역행운전모드에서 역행시 전동열차를 견인하는데 소비되는 에너지가 역행에너지인데 열차가 운행하는데 소비되는 에너지의 대부분을 차지하게 된다. 전동열차는 주어진 역간거리를 정해진 시분을 만족하는 범위에서 최고속도를 낮추어 운행하는 것이 운행에너지를 절감하는 주요한 방법이 된다. 타행운전모드에서는 전동열차가 궤도위에서 타력주행 함을 말하는데 타행시점이 너무 빠르면 각종 저 항성분에 의한 열차속도의 저하로 계획된 운전시분을 만족할 수 없고 반대로 너무 느리면 운전시분은 단축되지만 역행시 주행에너지의 소비가 대단히 커진다. 제동운전모드에서는 전동열차 속도를 0으로 만들기 위해 견인력에 대해 반대로 힘을 작용시키는 것을 말하는데 제동운전모드를 빨리 적용하면 정해진 거리를 만족할 수 없다. 따라서 전동열차가 고정된 역 간거리와 정해진 운전시분을 만족하는 타행운전모드의 시작점과 제동운전모드의 시작점을 결정하는 것 이 에너지 절감에 중요한 변수가 된다.[1] 그림 1. 열차운행모드 열차운행에 따른 에너지소모량 계산을 위한 방법들 가운데, 본 논문에서는 간소화된 계산 방법을 사 용하였다. : 전력[kw], : 견인력[N], : 속도[km/h], : 열차의 전압[V], : 전류[A], cos : 역률 이라고 할 때, 전력 는 식 (1)과 같다. cos (1) 전류 는 역률 cos가 일정할 경우, 견인력과 전류의 열차특성곡선을 통해 얻을 수 있다. 열차의 전압 은 식 (2)와 같다. cos (2) : 전력량(총 에너지 소모량)[kwh], : 시간[hour]이라고 할 때, 총 에너지 소모량은 식 (3)과 같 다.[2]
(3) 열차에서 소모되는 에너지 소모량은 전동차의 식 (1)과 속도-견인력 특성곡선을 이용하여 구할 수 있 다. 그림 2는 본 논문에서 시뮬레이션에 적용한 신형전기기관차의 속도-견인력 특성곡선을 나타낸다.그림 2. 신형전기기관차의 속도-견인력 특성곡선 3. 열차운전 rulebase 신형전기기관차는 견인성능이 크게 향상되고 회생제동기능이 추가되어 운전조작방법에 따라 열차운전 에너지 소비량이 크게 차이가 나고 있다. 또한 차량 경량화에 따라 출발견인력은 감소하고 있어 열차의 운전조작에 주의할 필요가 있다. 따라서 신형전기기관차를 운전함에 있어 경험이 충분하지 않은 기관사 의 경우 전력소비가 불필요하게 크게 나타날 수 있다. 전력소비를 1%만 줄여도 연간 50억원의 비용이 절감되는 것으로 분석되고 있어, 신형전기기관차의 효과적인 운전방법에 대한 검토가 필요하다. 아래는 에너지 소비 최소화를 위한 운전전략 및 제동취급 요령들을 열차출발 및 주행, 제동 취급의 두 가지로 나누어 구축한 rulebase의 일부이다.[3] - 열차 출발 및 주행 관련 rulebase Rule 1.1 : if 열차출발 시 인출할 경우 then 견인력을 5[kN] 이하로 객차 연결기가 충분히 인장될 때까지(5초 이상)인출 후 견인력 을 천천히 상승시킨다. 이때, 견인력은 40[kN]을 넘지 않도록 한다. Rule 1.2 : if 선로의 상태가 평탄선에서 상구배로 변화되는 지점의 경우 then 열차가 평탄선을 운전하다가 상구배로 운전하는 경우 열차 전부운전속도는 감속되고 중간부 및 후부속도는 평탄선이므로 등속운전을 하게 되고 열차의 중간부에서는 연결 리 수축상태인 충격이 발생되므로 이를 방지하기 위하여 상구배 50[m]전방에서 주간제 어기를 약 10[kN] 유지하다가 열차의 전부가 상구배에 진입하면서 서서히 상승시켜 전 열차의 연결기가 인장상태로 되도록 하여 열차의 속도를 상승시킨다. Rule 1.3 : if 선로의 상태가 하구배에서 상구배로 변화되는 지점의 경우 then 타력운전으로 전 열차의 연결기가 수축상태로 운전되다가 상구배에 도달되면서 주간제 어기 상승에 따라 수축상태의 연결기가 인장상태로 되도록 주간제어기를 서서히 상승 시킨다. - 제동 취급 관련 rulebase 제동취급의 방법에는 혼합제동, 공기제동, 전기제동의 3가지 방식이 있다. 이 중에서 에너지절약 효과 를 최대로 할 수 있는 제동취급 방법은 전기제동방식이다. 하지만 전기제동방식을 취급할 때에는 사전 에 회생제동이 제대로 이루어지는지 반드시 확인하여야만 회생제동 실패시 제동력이 떨어지는 것에 대 비할 수 있다. Rule 2.1 : if 전기제동장치에 이상이 있을 경우
then 공기제동을 한다. Rule 2.2 : if 제동력을 충분히 확보하기 위한 안전한 운행을 위한 상용제동을 체결할 경우 then 혼합제동을 실시한다. Rule 2.3 : if 열차출발 후 열차의 제동력 파악을 위한 제동 감도시험시 then 주간제어기를 중립위치(0위치)로 놓는다. -> 2~3초 경과 후 제동핸들을 상용제동위치 (1B~2단)로 이동한다. -> 3초 정도 경과 후 전기제동핸들과 공기제동핸들을 분리한다. -> 전기제동핸들로 제동을 체결하여 열차의 제동력이 파악되면 제동핸들을 해방위치로 한다. 4. 시뮬레이션
열차성능해석 프로그램(TPS : Train Performance Simulation)은 목적하는 선로에 차량의 운전속도조 건과 소요시간, 소요동력 등을 시뮬레이션 하기 위해 개발된 프로그램이다. 운행 시뮬레이션을 수행하기 위해서는 차량, 선로, 속도의 기본 데이터를 필요로 한다. 차량데이터는 차량의 최고속도, 제동성능, 견인 력 등의 기본성능과 열차 편성에 따른 중량, 길이, 동력차량형식, 열차주행저항 등에 대한 제원을 요한 다. 선로데이터는 운행시간 예측을 대상으로 하는 선로에 대한 거리별 구배 및 곡선, 정거장 위치 및 정 차시간에 대한 데이터이다. 속도데이터는 구배 및 곡선에 대한 선로제한 속도로 선로데이터와 연계하여 각 선로위치별 차량의 제한속도로 이용된다. 그림 3은 본 논문에서 개발한 TPS 프로그램의 시뮬레이션 흐름도를 나타낸다. 그림 3. 시뮬레이션 흐름도 본 논문에서 개발한 프로그램은 차량정보, 선로정보, 속도정보를 입력받아 rulebase에 의한 열차운행 패턴과 그렇지 않은 경우의 열차운행패턴을 생성하게 된다. 또한 두 가지의 열차운행패턴에 대하여 각 각의 주요 열차성능인자를 계산해 구간별 운행속도, 표정속도, 운행시간 및 소비에너지를 계산하여 출력 하게 된다.
그림 4. TPS 프로그램 본 연구에서는 열차 출발 및 주행, 제동 취급 관련으로 나누어진 rulebase 중 Rule 2.1과 2.2에 대하여 rulebase대로 운전하였을 경우와 그렇지 않았을 경우에 대해 시뮬레이션 하였다. KTX 경부노선 중 서 울역 ~ 광명역에 대하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 열차정보, 곡선 및 구배정보, 운행속도제한 정보 등 시뮬레이션에 필요한 정보들은 실제 운행되고 있는 조건과 같게 하였다. 그림 5와 그림 6은 시뮬레이션 결과를 나타내며 위에서 언급한 두 가지 경우에 대한 총 소비에너지와 열차운행 패턴 및 운행시간이 출력된 것을 볼 수 있다. 그림 5. 시뮬레이션 결과 - Rule 2.1
그림 6. 시뮬레이션 결과 - Rule 2.2 표 1에 시뮬레이션 결과를 정리하였다. 표 1. 시뮬레이션 결과 구분 표정속도 운행시간 소비 에너지 Rule 2.1 적용 Rule 2.1 미적용 Rule 2.2 적용 Rule 2.2 미적용 5. 결론 본 연구에서는 숙련 기관사들의 운전 전력소비를 최소화하기 위한 열차운행 know-how를 rulebase로 도출하였고, 열차 및 선로 데이터들을 데이터베이스로 구축하여 TPS 프로그램을 개발하였다. 시뮬레이 션을 통하여 임의의 선로구간에서 rulebase로 운전하였을 경우와 그렇지 않았을 경우를 비교한 결과 Rule 2.1과 Rule 2.2의 경우 각각 19%와 20%의 소비에너지 절감의 효과가 있었다. 향후 보다 정확한 입력데이터를 확보하고 역행, 타행, 제동구간에서 더욱 다양한 rulebase를 제시하여 시뮬레이션을 통해 검증하고자 한다. 또한 본 논문이 기관사들에게 에너지절약을 위한 체계화된 표준운 전법을 제공하는데 충분한 기초자료로 활용될 것으로 기대한다.
참고문헌 1.김용현, “전동열차 운행에너지를 최소화 하는 운전모드 결정”, 서울과학기술대학교 석사학위논문2006. 2.주영목, “에너지절약을 위한 열차운행전략에 관한 시뮬레이션 연구”, 서울과학기술대학교 석사학위논 문, 2008 3.서일권, “에너지 절약을 위한 인공지능기법 기반 열차운전 최적화 연구”, 서울과학기술대학교 석사학위 논문, 2010
