KR101567291B1 - 변곡점 측정을 이용한 전기차량과 전차선간 집전율 계산 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변곡점 측정을 이용한 전기차량과 전차선간 집전율 계산 시스템에 관한 것으로서, 전기철도에서 전기차량이 전차선으로부터 공급되는 전기 에너지에 의해 운행하고 있는 경우, 전류의 파형 분석에 따른 변곡점 측정을 이용하여 전기차량과 전차선간 집전율을 계산하는 시스템을 제공함에 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전차선로의 전류를 측정하는 전류 측정부; 상기 전류 측정부를 통해 측정된 전차선로의 전류의 파형을 분석하여, 전류상태에 따른 아크를 판단하는 아크 판단부; 상기 아크 판단부를 통해 아크가 발생했다고 판단한 구간에서, 전류가 하강하기 시작하는 변곡점을 추출하는 변곡점 추출부; 및 아크가 발생했다고 판단한 구간에서의 추출된 변곡점 정보를 바탕으로 총 이선아크 발생시간을 추출하고, 추출된 총 이선아크 발생시간과 총 전류 측정시간의 비로서, 집전율을 계산하는 집전율 계산부;를 포함한다.

Description

변곡점 측정을 이용한 전기차량과 전차선간 집전율 계산 시스템{System for calculating ratio of power collection between electric railway vehicle and catenary using measuring of point of inflection}

본 발명은 변곡점 측정을 이용한 전기차량과 전차선간 집전율 계산 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기철도에서 전기차량이 전차선으로부터 공급되는 전기 에너지에 의해 운행하고 있는 경우에, 전류의 파형 분석에 따른 변곡점 측정을 이용하여 전기차량과 전차선간 집전율을 계산하는 시스템에 관한 것이다.

팬터그래프와 전차선간의 이선아크는 상호 작용에 따라 발생된다. 특히, 팬터그래프와 전차선간의 비접촉에 따라 강한 아크가 발생되며, 이때 전류 값은 0에 근접하게 된다. 전차선로는 60Hz의 단상 정형파가 흐르므로 일정시간 이상 전류 값이 0에 근접하면 아크발생 시간으로 볼 수 있다. 즉, 전류 값을 이용한 집전성능 검출은 차량의 팬터그래프의 전류를 측정하여 전류 값이 0으로 떨어질 때를 이선이라고 보고, 이를 분석하여 접촉률을 구하게 된다.

한편, 철도는 다양한 구조물, 전기시스템, 신호시스템, 철도차량, 집전설비 등 서로 다른 시스템이 복합적으로 이루어져 상호 연계되어 있다. 인터페이스는 각 시스템과의 상호작용에 의해 복합적으로 연계되는 것으로 각각의 시스템이 상호작용에 의한 변화를 예측하고 이를 실제적으로 인증하는 검측시스템의 개발과 기술이 필요하다.

예를 들어, 철도차량의 집전설비인 팬터그래프와 전차선간의 인터페이스에서 발생되는 다양한 효과는 기계적, 전기적으로 복잡하게 나타난다.

전차선은 고속전기철도의 차량에 전기를 공급하기 위해 사용되는 가장 적합하고 효율적인 방법이며, 전차선으로부터 전기를 차량에서 집전하기 위한 방법은 팬터그래프가 현재까지는 가장 널리 사용되고 있다. 전차선과 팬터그래프는 철도의 전력을 차량에 전달하기 위해 사용되는 가장 적합한 인터페이스 수단이다.

팬터그래프와 전차선간 인터페이스란 팬터그래프의 집전판이 전차선에 접촉되어 있는 것을 뜻하며, 접촉상태는 열차의 속도, 기상조건, 운영조건에 상관없이 충분히 좋은 품질을 유지해야 한다. 그러나, 팬터그래프와 전차선간의 접촉력이 매우 높을 경우 전차선의 과도한 압상량(押上量, uplift)이 발생되며, 이로 인해 가동부에 과도한 마모가 발생되며 전차선이 팬터그래프와 얽혀 사고의 원인이 될 수 도 있다.

반대로, 접촉력이 매우 낮은 경우 결과적으로 지나치게 많은 전기적 이선현상인 아크(electric arc)가 발생되어 동력차의 성능을 손상하고 전차선을 훼손하며 마모현상을 가속화시켜 가공선로가 단선될 위험이 있다.

이상과 같이 팬터그래프와 전차선간의 집전상태에 따라 다양한 파급효과가 나타나므로 정밀한 측정을 통해 명확한 집전상태를 판단하는 기술이 필요하다. 현재까지 알려진 집전성능 검측기술로는 전차선과 팬터그래프간의 접촉력을 측정하거나 전차선과 팬터그래프간 이선이 되었을 때 발생하는 아크를 측정하여 평가하는 것이 일반적이다.

접촉력 시험은 전차선과 팬터그래프 집전판간의 접촉 상태를 팬터그래프에 적절한 센서와 장비를 설치하여 전기차 운행 중에 측정하는 시험을 의미하며, 집전성능을 판단하는 기준으로 사용할 수 있다.

팬터그래프의 집전판과 전차선간 접촉력이 0이하로 떨어질 경우, 집전판과 전차선간에서 발생하는 빛을 광학적 센서를 이용하여 전기적 신호로 처리함으로써 이선아크를 측정하는 것이 일반적이다.

한편, 팬터그래프와 전차선간 이선신호를 측정하는 기술과 관련해서는, 한국공개특허 제10-2012-0031554호(이하, '선행문헌') 외에 다수 등록 및 공개되어 있다.

그러나, 상기한 선행문헌을 포함한 종래에는, 검출을 위해 별도의 센서를 설치하거나 철도차량의 상부에 검출기를 고정하여 측정하므로 검측설비가 복잡하고 비용이 올라가는 단점이 있다.

한국공개특허 제10-2012-0031554호.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 전기철도에서 전기차량이 전차선으로부터 공급되는 전기 에너지에 의해 운행하고 있는 경우, 전류의 파형 분석에 따른 변곡점 측정을 이용하여 전기차량과 전차선간 집전율을 계산하는 시스템을 제공함에 목적이 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 변곡점 측정을 이용한 전기차량과 전차선간 집전율 계산 시스템에 관한 것으로서, 전차선로의 전류를 측정하는 전류 측정부; 상기 전류 측정부를 통해 측정된 전차선로의 전류의 파형을 분석하여, 전류상태에 따른 아크를 판단하는 아크 판단부; 상기 아크 판단부를 통해 아크가 발생했다고 판단한 구간에서, 전류가 하강하기 시작하는 변곡점을 추출하는 변곡점 추출부; 및 아크가 발생했다고 판단한 구간에서의 추출된 변곡점 정보를 바탕으로 총 이선아크 발생시간을 추출하고, 추출된 총 이선아크 발생시간과 총 전류 측정시간의 비로서, 집전율을 계산하는 집전율 계산부; 를 포함한다.

또한 상기 아크 판단부는, 중간 값 필터(median fiter)를 이용하여, 측정된 전차선로의 전류의 파형의 노이즈를 제거하는 것을 특징으로 하는 노이즈 제거모듈; 및 신호 값들의 평균에서의 평균 변화량(Variance)을 측정하여, 변화량에 따라 이선아크가 발생한 구간을 판단하는 변화량 측정모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 노이즈 제거모듈은, L개의 신호 값들을 내림차순으로 정렬하여 중간 값을 구하고, 구한 중간 값을 파형에 넣어줌으로써, 노이즈를 제거하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 변화량 측정모듈은, 현재 위치를 중심으로 앞뒤로 신호 값의 개수와, 상기 앞뒤의 신호 값을 이용한 평균에서의 평균 변화량(Variance)을 이용하여 이선아크가 발생한 구간을 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 변곡점 추출부는, 중간 값 필터를 통과한 신호의 1차 미분 값의 변화를 비교하여, 1차 미분 값이 음수에서 양수 또는 양수에서 음수로 변하는 점을 추출하여 변곡점으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 변곡점 추출부는, 1차 미분 값의 평균을 계산하여, 현재 위치를 중심으로 양수에서 음수로 또는 음수에서 양수로 변하는 점을 추출하여, 변곡점으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 신호 값들의 평균에서의 평균 변화량을 측정하고, 아크가 발생했다고 판단한 구간에서 변곡점을 추출함으로써 아크 검출률을 높이고, 집전율을 손쉽게 계산할 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 변곡점 측정을 이용한 전기차량과 전차선간 집전율 계산 시스템을 개념적으로 도시한 전체 구성도.
도 2 는 본 발명에 따른 중간 값 필터를 보이는 일예시도.
도 3 은 본 발명에 따른 중간 값 필터를 통해 노이즈가 제거된 모습을 보이는 일예시도.
도 4 는 본 발명에 따른 중간 값 필터 통화 후 신호와 평균 변화량이 0인 모습을 보이는 일예시도.
도 5 는 본 발명에 따른 아크 발생 시 전류 신호의 변곡점을 보이는 일예시도.
도 6 은 본 발명에 따른 중간 값 필터를 통과한 신호가 1차 미분된 신호를 보이는 일예시도.
도 7 은 본 발명에 따른 1차 미분 값의 평균에 따른 변곡점을 추출하는 모습을 보이는 일예시도.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 변곡점 측정을 이용한 전기차량과 전차선간 집전율 계산 시스템에 관하여 도 1 내지 도 7 을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 변곡점 측정을 이용한 전기차량과 전차선간 집전율 계산 시스템(S)을 개념적으로 도시한 전체 구성도로서, 도시된 바와 같이 전류 측정부(100), 아크 판단부(200), 변곡점 추출부(300) 및 집전율 계산부(400)를 포함하여 이루어진다.

전류 측정부(100)는 전차선로의 전류를 측정한다.

아크 판단부(200)는 측정된 전차선로의 전류의 파형을 분석하여, 전류상태에 따른 아크를 판단하는 기능을 수행하는 바, 상기 도 1 에 도시된 바와 같이 노이즈 제거모듈(210) 및 변화량 측정모듈(220)을 포함한다.

구체적으로, 노이즈 제거모듈(210)은 중간 값 필터(median fiter)를 이용하여, 측정된 전차선로의 전류의 파형의 노이즈를 제거한다.

참고로, 평균 값을 사용하는 평균 값 필터(Average Filter)를 사용할 수 있지만, 평균 값 필터(Average Filter)를 이용할 경우, 갑자기 튀는 노이즈에 의해 신호 값이 변형될 수 있다. 그러므로, 갑자기 튀는 노이즈가 많은 전류신호에 평균 값 필터는 적합하지 않다. 반면, 중간 값을 사용하는 중간 값 필터(Median Filter)의 경우, 거의 신호를 변형시키지 않고, 갑자기 튀는 노이즈를 제거할 수 있으므로 갑자기 튀는 노이즈가 많이 발생하는 전류신호에서 적합한 필터이다.

중간 값 필터(Median Filter)의 원리는 신호에서 L(필터의 길이)개의 값들의 중간 값을 구한다(본 발명에서의 L은 '9'이다).

즉, 노이즈 제거모듈(210)은 급격히 튀는 노이즈를 포함하여 신호의 노이즈를 제거하기 위한 것으로, 도 2 에 도시된 바와 같이 L개의 신호 값들을 내림차순으로 정렬하여 중간 값을 구하고, 구한 중간 값을 파형에 넣어줌으로써, 노이즈를 제거한다(도 3 참조).

변화량 측정모듈(220)은 신호 값들의 평균에서의 평균 변화량(Variance)을 측정하여, 변화량에 따라 이선아크가 발생한 구간을 판단한다.

도 4 에 도시된 바와 같이, 아크가 발생하면 전류 신호는 거의 변화가 없는 일정한 값(DC)이 되기 때문에 평균에서의 평균 변화량(Variance) 즉, power는 '0'에 가까우며, 다음의 [수식 1] 과 같이 구한다.

[수식 1]

여기서, n 은 평균 변화량을 측정하기 위한 전차선로 신호의 개수이며,

는 평균 변화량을 구하는 위치이고,

는 j번째 전차선 신호이며,

는 평균 변화량을 측정하기 위한 전차선 신호들의 평균이며, j는 전차선 신호의 시간적 순서를 지칭하는 가변수(dummy variable)이다.

한편, 9개의 전차선로 신호에 대한 평균에서의 평균 변화량(Variance)을 측정하고자 할 경우, 현재 위치를 중심으로 뒤로 4개의 신호 값과, 앞으로 4개의 신호 값을 사용하여 평균에서의 평균 변화량(Variance)을 구하며, 소정 개수의 신호이하에서 평균에서의 평균 변화량(Variance)이 아주 작으면, 아크가 발생되었다고 판단한다.

본 실시예에서는, 앞뒤의 신호의 개수가 4개 이하에서, 평균에서의 평균 변화량(Variance) 값이 0.05 보다 작은 구간은 이선아크가 발생한 구간이라고 판단하고, 그렇지 않은 경우 정상구간라고 판단하는 것으로 설정하였으나, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.

변곡점 추출부(300)는 아크 판단부(200)를 통해 아크가 발생했다고 판단한 구간에서, 전류가 하강하기 시작하는 변곡점을 추출한다.

변곡점은 곡선에서 오목한 모양이 바뀌는 점으로서, 미분 가능한 함수에서 1차 미분 값의 부호가 바뀌는 점이다. 전류가 정상파형을 유지하다가 아크가 발생하면 정상파형에서 전류의 크기가 거의 '0'으로 떨어진다. 전류의 크기가 떨어지기 시작하는 지점은 변곡점이고, 변곡점부터 아크가 발생한 것이므로 정확한 아크가 발생한 구간을 측정하기 위해서는 신호의 크기가 떨어지기 시작하는 변곡점을 측정해야 한다. 도 5 는 아크 발생 시 전류 신호의 변곡점을 나타낸다.

구체적으로, 변곡점 추출부(300)는 아크 발생 시 신호의 변곡점을 검출하기 위하여, 아크 판단부(200)의 노이즈 제거모듈(210)의 중간 값 필터를 통과한 신호의 1차 미분 값의 변화를 비교하여, 1차 미분 값이 음수에서 양수 또는 양수에서 음수로 변하는 점을 추출하여 변곡점으로 설정한다(도 6 참조).

한편, 신호를 미분할 경우 신호에 노이즈가 증가되어 나타나게 되며, 이러한 노이즈에 의해 변곡점 오인식이 나타날 수 있다.

따라서, 변곡점 추출부(300)는 도 7 에 도시된 바와 같이, 1차 미분 값의 평균을 계산하여, 현재 위치 n을 중심으로 양수에서 음수로 또는 음수에서 양수로 변하는 점을 추출하여, 변곡점으로 설정한다.

본 실시예에서, 현재 위치 n을 중심으로, 뒤로 5개의 평균과, 앞으로 5개의 평균이 양수에서 음수로 또는 음수에서 양수로 변하는 점을 추출한다.

집전율 계산부(400)는 아크가 발생했다고 판단한 구간에서의 추출된 변곡점 정보를 바탕으로 총 이선아크신호 발생시간을 추출하고, [수식 2] 와 같이 추출된 총 이선아크신호 발생시간과 총 전류 측정시간의 비로서, 집전율을 계산한다.

[수식 2]

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100: 전류 측정부
200: 아크 판단부
300: 변곡점 추출부
400: 집전율 계산부
210: 노이즈 제거모듈
220: 변화량 측정모듈

Claims (6)

1. 전차선로의 전류를 측정하는 전류 측정부;
   상기 전류 측정부를 통해 측정된 전차선로의 전류의 파형을 분석하되, 상기 전류의 파형의 노이즈를 중간 값 필터(median filter)를 이용하여 제거하는 노이즈 제거모듈과, 신호 값들의 평균에서의 평균 변화량(variance)을 측정하여 변화량에 따라 이선아크가 발생한 구간을 판단하는 변화량 측정모듈을 구비하여 전류상태에 따른 아크를 판단하는 아크 판단부;
   상기 아크 판단부를 통해 아크가 발생했다고 판단한 구간에서, 전류가 하강하기 시작하는 변곡점을 추출하는 변곡점 추출부; 및
   아크가 발생했다고 판단한 구간에서의 추출된 변곡점 정보를 바탕으로 총 이선아크 발생시간을 추출하고, 추출된 총 이선아크 발생시간과 총 전류 측정시간의 비로서, 집전율을 계산하는 집전율 계산부; 를 포함하는 변곡점 측정을 이용한 전기차량과 전차선간 집전율 계산 시스템.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 노이즈 제거모듈은,
   L개의 신호 값들을 내림차순으로 정렬하여 중간 값을 구하고, 구한 중간 값을 파형에 넣어줌으로써, 노이즈를 제거하는 것을 특징으로 하는 변곡점 측정을 이용한 전기차량과 전차선간 집전율 계산 시스템.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 변화량 측정모듈은,
   현재 위치를 중심으로 앞뒤로 신호 값의 개수와, 상기 앞뒤의 신호 값을 이용한 평균에서의 평균 변화량(Variance)을 이용하여 이선아크가 발생한 구간을 판단하는 것을 특징으로 하는 변곡점 측정을 이용한 전기차량과 전차선간 집전율 계산 시스템.
   
5. 전차선로의 전류를 측정하는 전류 측정부;
   상기 전류 측정부를 통해 측정된 전차선로의 전류의 파형을 분석하여, 전류상태에 따른 아크를 판단하는 아크 판단부;
   상기 아크 판단부를 통해 아크가 발생했다고 판단한 구간에서, 전류가 하강하기 시작하는 변곡점을 추출하는 변곡점 추출부; 및
   아크가 발생했다고 판단한 구간에서의 추출된 변곡점 정보를 바탕으로 총 이선아크 발생시간을 추출하고, 추출된 총 이선아크 발생시간과 총 전류 측정시간의 비로서, 집전율을 계산하는 집전율 계산부; 를 포함하고,
   상기 변곡점 추출부는,
   중간 값 필터를 통과한 신호의 1차 미분 값의 변화를 비교하여, 1차 미분 값이 음수에서 양수 또는 양수에서 음수로 변하는 점을 추출하여 변곡점으로 설정하는 것을 특징으로 하는 변곡점 측정을 이용한 전기차량과 전차선간 집전율 계산 시스템.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 변곡점 추출부는,
   1차 미분 값의 평균을 계산하여, 현재 위치를 중심으로 양수에서 음수로 또는 음수에서 양수로 변하는 점을 추출하여, 변곡점으로 설정하는 것을 특징으로 하는 변곡점 측정을 이용한 전기차량과 전차선간 집전율 계산 시스템.

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