KR102158677B1 - 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템에 있어서, 급전계통의 제1 지점에 배치되어 전압 및 전류를 측정하는 제1 측정기; 급전계통의 제2 지점에 배치되어 전압 및 전류를 측정하는 제2 측정기; 및 제1 측정기 및 제2 측정기에서 각각 측정된 전압 및 전류를 기초로 제1 지점과 제2 지점 사이에 위치하는 구간의 전차선로의 임피던스를 산출하는 임피던스 산출부를 포함하고, 전차선로의 임피던스 산출 구간은 전차가 부하로서 배치된 구간을 포함하고, 제1 측정기와 제2 측정기의 측정시점은 동기화되는 것인, 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템을 제공하고자 한다.

Description

실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING IMPEDANCE TO A CATENARY IN REAL TIME}
본 발명은 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 전차선로의 구간별 임피던스를 실시간으로 측정하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
전차선로의 교류급전시스템에서는 급전 시뮬레이션 및 보호계전기를 정정하기 위해 전차선로(급전선, 전차선을 포함함)의 임피던스에 대한 정보가 필요하다.
이를 산출하기 위해, 칼슨-폴라첵(Carson-Pollaczek) 공식을 이용하는 해석적 방법이 알려져 있다.
또 다른 방법으로는 전차선로에 임의의 전원을 인가하여 단락과 개방회로를 만들어 임피던스를 측정하는 방법이 알려져 있다.
그러나, 이러한 방법은 오차가 발생할 가능성이 높고, 온도와 같은 환경적인 요인에 의해 임피던스의 변화가 발생할 수 있다.
또한, 전차선로의 정확한 고장점 표정을 위해서는 보다 정확하게 임피던스를 산출할 수 있는 방법이 요구된다.
전차선로의 임피던스는 일반 급전선의 임피던스가 그의 길이에 직선적으로 비례하여 증가하는 것과는 다르므로, 직접 계측을 통하여 길이에 따른 전차선로 임피던스를 미리 측정하여 고장점을 정확히 검출할 수 있도록 할 필요가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2005-0044944호(발명의 명칭: 토공구간 전차선로 설계 시스템)
본 발명에 따른 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템 및 그 방법은, 전차선로의 복수 개의 지점에서 직접 계측한 전압 및 전류에 기초하여 전차선로의 임피던스를 정확하게 측정하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템에 있어서, 급전계통의 제1 지점에 배치되어 전압 및 전류를 측정하는 제1 측정기; 급전계통의 제2 지점에 배치되어 전압 및 전류를 측정하는 제2 측정기; 및 제1 측정기 및 제2 측정기에서 각각 측정된 전압 및 전류를 기초로 제1 지점과 제2 지점 사이에 위치하는 구간의 전차선로의 임피던스를 산출하는 임피던스 산출부를 포함하고, 전차선로의 임피던스 산출 구간은 전차가 부하로서 배치된 구간을 포함하고, 제1 측정기와 제2 측정기의 측정시점은 동기화되는 것인, 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템을 제공하고자 한다.
본 실시예에 있어서, 임피던스 산출부는 임피던스 측정 구간을 설정하기 위해, 복수 개의 측정기에서 측정되는 전류를 비교하여 전차가 부하로서 배치된 구간을 탐색하는, 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템을 제공할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 급전계통의 제1 지점 및 제2 지점에 각각 배치되는 변압기를 포함하는, 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전차선로 임피던스 측정 시스템을 이용하여 전차선로의 임피던스를 측정하는 방법에 있어서, 전차선로의 전차가 부하로서 배치된 구간을 포함하는 일정 구간을 임피던스 측정 구간으로 설정하는 단계; 및 설정된 임피던스 측정 구간의 임피던스를 산출하는 단계를 포함하되, 임피던스 측정 구간은 급전계통의 전압 및 전류를 측정하는 제1 측정기가 배치된 제1 지점 및 제2 측정기가 배치된 제2 지점 사이에 위치하는 전차선로 구간이고, 제1 측정기와 제2 측정기의 측정시점은 동기화되는 것인, 실시간 전차선로 임피던스 측정 방법을 제공하고자 한다.
본 실시예에 있어서, 임피던스 측정 구간을 설정하는 단계는, 복수 개의 측정기에서 측정되는 전류를 비교하여 전차가 부하로서 배치된 구간을 탐색하는 단계를 포함하는, 실시간 전차선로 임피던스 측정 방법을 제공할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 급전계통의 제1 지점 및 제2 지점에는 각각 변압기가 배치되는, 실시간 전차선로 임피던스 측정 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템은 전차선로 상의 단권변압기(AT)가 배치된 부분에서 전압 및 전류를 측정하고, 이를 이용하여 전차선로의 임피던스를 구간별로 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템이 적용되는 철도의 전체적인 전기배선계통을 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템의 구성을 보여주는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템의 회로도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템(1)이 적용되는 철도의 전체적인 급전계통을 보여주는 개략도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템(1)의 구성을 보여주는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 급전계통은 변전소(SS)에서 급전구분소(SP) 및 보조급전구분소(SSP)에 전력을 공급하는데, 급전전압은 급전거리와 부하용량에 비례하여 강하되므로, 전차선(Catenary)과 급전선(Feeder) 사이에 단권변압기(AT: Autotransformer)를 연결하여 급전을 실시하고 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템(1)은 이러한 급전계통에 적용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템(1)은 전압 및 전류를 측정하는 제1 측정기(10), 제2 측정기(20) 및 임피던스 산출부(30)를 포함할 수 있다.
제1 측정기(10)는 급전계통의 제1 지점에 배치되어 전압 및 전류를 측정하는 것일 수 있다. 제2 측정기(20)는 급전계통의 제2 지점에 배치되어 전압 및 전류를 측정하는 것일 수 있다. 임피던스 산출부(30)는 제1 측정기(10) 및 상기 제2 측정기(20)에서 각각 측정된 전압 및 전류를 기초로 제1 지점과 제2 지점 사이에 위치하는 구간의 전차선로의 임피던스를 산출하는 것이다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템(1)의 제1 지점 및 제2 지점은 급전계통에 변압기가 배치된 지점일 수 있다.
일 예로, 변압기는 단권변압기(AT)일 수 있다. 단권변압기(AT)가 각각 배치된 제1 지점과 제2 지점 사이의 거리(대략 5km 이상 10km 이하)에 해당하는 전차선로의 일정 구간에서, 제1 지점에서 전원단을 구성하는 제1 측정기(10)와 제2 지점에서 부하단을 구성하는 제2 측정기(20)를 이용하여 전압 및 전류를 각각 측정할 수 있다. 임피던스 산출부(30)는 이를 이용하여 전차선로의 임피던스를 실시간으로 측정할 수 있는 것이다.
보다 정확하게는, 각각의 단권변압기(AT)에 전압, 전류를 측정할 수 있는 측정기를 직접적으로 연결하여 배치하는데, 이때 각 측정기는 측정 위치에 따라 전원단을 구성하는 제1 측정기(10)가 되거나 부하단을 구성하는 제2 측정기(20)가 될 수 있는 것이다. 이러한 측정기들은 전차의 주행과는 무관하게 단권변압기(AT)가 설치된 각 지점에서의 전압, 전류를 실시간으로 측정할 수 있다.
예를 들어, 제1 측정기(10)는 측정된 전압(ES)과 전류(IS)를 임피던스 산출부(30)에 전송하고, 제2 측정기(20)는 측정된 전압(EL)과 전류(IL)를 임피던스 산출부(30)에 전송할 수 있다. 이때, 제 1 측정기(10)와 제2 측정기(20)는 서로 시간적으로 동일한 시점에 동기화되어 각각의 값을 측정하고, 측정된 전압 및 전류 값을 임피던스 산출부(30)로 전송할 수 있다. 이때, 제1 측정기(10)는 전원단 측정기로서 기능하고, 제 2 측정기(20)는 부하단 측정기로서 기능하게 되는 것이다. 이를 위해, 제1 측정기(10)와 제 2 측정기(20)는 각각 전압과 전류를 측정하기 위한 기본 회로 구성을 포함하며, 측정된 값을 데이터 통신을 통해 전송하는 통신 모듈(미도시)을 각각 포함할 수 있다.
통신 모듈은 통신망과 연동하여 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템(1)에 통신 인터페이스를 제공할 수 있다. 여기서, 통신 모듈은 다른 네트워크 장치와 유무선 연결을 통해 제어 신호 또는 데이터 신호와 같은 신호를 송수신하기 위해 필요한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하는 장치일 수 있다.
임피던스 산출부(30)는 제1 측정기(10)와 제2 측정기(20)로부터 수신한 전압 및 전류 값을 기초로, 전차선로의 특성 임피던스, 전파 정수를 산출하고 이를 기초로 임피던스와 어드미턴스를 산출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템(1)의 회로도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템(1)의 회로도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제 1 측정기에서 측정한 전압(VS) 및 전류(IS)와 제 2 측정기에서 측정된 전압(VL) 및 전류(IL)를 통해 아래의 수학식들을 활용하여 전차선로의 임피던스를 산출할 수 있다. 여기서 각각 G는 그라운드, R은 리액턴스, L은 인덕턴스, C는 컨덕턴스를 의미할 수 있다.
먼저, 하기 [수학식 1]을 이용하여 제1 측정기(10)에서 측정되는 전압(Vs )을 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019055304674-pat00001
여기서, Z: 임피던스, Y: 어드미턴스, Vs: 제1 측정기 전압, Vr: 제2 측정기 전압, Is: 제1 측정기 전류, Ir: 제2 측정기 전류일 수 있다.
다음으로, 하기 [수학식 2]를 이용하여 제1 측정기(10)에서 측정되는 전류(Is)를 산출할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112019055304674-pat00002
다음으로, 하기 [수학식 3]을 이용하여 전차선 및 급전선의 임피던스(Z)를 각각 산출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112019055304674-pat00003
다음으로, 하기 [수학식 4]를 이용하여 전차선 및 급전선의 어드미턴스(Y)를 각각 산출할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112019055304674-pat00004
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 임피던스 측정 시스템을 이용한 임피던스 측정 방법에 대하여 설명하기로 한다.
전체적으로, 임피던스 산출부(30)는 제1 측정기(10)에서 측정된 전압 및 전류와 제2 측정기(20)에서 측정된 전압 및 전류를 기초로, 제 1 지점과 제 2 지점 사이의 전차선로의 임피던스를 산출할 수 있다.
이때, 임피던스 산출부(30)는 제 1 측정기와 제 2 측정기의 동작을 설정하여, 어느 구간에서의 임피던스를 산출할 것인지를 결정한다. 이를 위해, 임피던스 산출부(30)는, 복수 개의 단권변압기(AT)에 연결된 측정기들로부터 측정되는 전류를 비교하여 전차가 부하로서 배치된 구간을 탐색할 수 있다.
구체적으로, 임피던스 산출부(30)는 전차가 부하로서 배치된 구간을 포함하는 전차선로의 일정 구간을 임피던스 측정 구간으로 설정할 수 있다. 임피던스 측정 구간은 급전계통의 전압 및 전류를 측정하는 제1 측정기(10)가 배치된 제1 지점 및 제2 측정기(20)가 배치된 제2 지점 사이에 위치하는 전차선로 구간일 수 있다. 임피던스 산출부(30)는, 단권변압기(AT)가 배치된 전차선로의 여러 지점 중에 제1 지점 및 제2 지점을 선택하여, 전차가 부하로서 위치하는 구간을 포함하는 임피던스 측정 구간을 설정할 수 있는 것이다.
예를 들어, 도1을 참조하면, 전차가 제1 보조급전구분소(SSP)와 제2 보조급전구분소(SSP) 사이에 위치할 때에는, 좌측의 변전소(SS)와 제 2 보조급전구분소(SSP) 사이의 전차선로 구간을 임피던스 측정 구간으로 설정할 수 있다.
한편, 단권변압기(AT) 사이에 차량이 존재하는지 여부를 판단하는 방법은 단권변압기(AT)의 중성선 전류를 이용하여 판단할 수 있다.
예를 들어, 차량이 제1 보조급전구분소(SSP)와 제2 보조급전구분소(SSP)의 정중앙에 있으면 차량의 좌측과 우측에 위치한 단권변압기(AT)에서 측정되는 전류는 동일하고, 차량이 어느 한쪽 보조급전구분소(SSP)로 치우쳐 위치하고 있으면 일측에서 측정되는 전류 값은 증가하고 반대측에서 측정되는 전류 값은 감소한다. 이를 이용하여, 전차선로 상에 차량이 위치하는 구간을 확인할 수 있는 것이다.
이로써, 임피던스 산출부(30)는 차량이 위치하는 단권변압기(AT) 사이의 구간을 특정하고, 해당 구간이 포함되도록 제1 측정기(10)와 제 2 측정기(20)를 특정하여, 임피던스 측정 구간을 설정하고 전차선로의 임피던스를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템(1)은 전차선로 상의 단권변압기(AT)가 배치된 부분에서 전압 및 전류를 측정하고, 이를 이용하여 전차선로의 임피던스를 구간별로 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템(1)은 전차선로 상에 전차가 부하로서 배치된 구간을 탐색하고, 이러한 구간을 포함하는 구간을 대상으로 임피던스를 측정할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 전차선로 임피던스 측정 방법은 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 본 발명의 방법 및 시스템은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템
10: 제1 측정기
20: 제2 측정기
30: 임피던스 산출부

Claims (8)

  1. 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템에 있어서,
    급전계통의 제1 지점에 배치되어 전압 및 전류를 측정하는 제1 측정기;
    상기 급전계통의 제2 지점에 배치되어 전압 및 전류를 측정하는 제2 측정기; 및
    상기 제1 측정기 및 상기 제2 측정기에서 각각 측정된 전압 및 전류를 기초로 상기 제1 지점과 상기 제2 지점 사이에 위치하는 구간의 전차선로의 임피던스를 산출하는 임피던스 산출부를 포함하며,
    전차선로의 임피던스 산출 구간은 전차가 부하로서 배치된 구간을 포함하고, 상기 제1 측정기와 상기 제2 측정기의 측정시점은 동기화되는 것이고,
    상기 임피던스 산출부는 하기 수학식 1에 기초하여 전차선로의 임피던스를 산출하는, 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템.
    [수학식 1]
    Figure 112020075277093-pat00011

    Z: 임피던스
    Vs: 제1 측정기 전압
    Vr: 제2 측정기 전압
    Is: 제1 측정기 전류
    Ir: 제2 측정기 전류
  2. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스 산출부는 임피던스 측정 구간을 설정하기 위해, 복수 개의 측정기에서 측정되는 전류를 비교하여 전차가 부하로서 배치된 구간을 탐색하는, 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    급전계통의 상기 제1 지점 및 상기 제2 지점에 각각 배치되는 변압기를 포함하는, 실시간 전차선로 임피던스 측정 시스템.
  4. 삭제
  5. 전차선로 임피던스 측정 시스템을 이용하여 전차선로의 임피던스를 측정하는 방법에 있어서,
    전차선로의 전차가 부하로서 배치된 구간을 포함하는 일정 구간을 임피던스 측정 구간으로 설정하는 단계; 및
    상기 설정된 임피던스 측정 구간의 임피던스를 산출하는 단계를 포함하되,
    상기 임피던스 측정 구간은 급전계통의 전압 및 전류를 측정하는 제1 측정기가 배치된 제1 지점 및 제2 측정기가 배치된 제2 지점 사이에 위치하는 전차선로 구간이고, 상기 제1 측정기와 상기 제2 측정기의 측정시점은 동기화되는 것이고,
    상기 임피던스 산출 단계는 하기 수학식2에 기초하여 전차선로의 임피던스를 산출하는, 실시간 전차선로 임피던스 측정 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112020075277093-pat00012

    Z: 임피던스
    Vs: 제1 측정기 전압
    Vr: 제2 측정기 전압
    Is: 제1 측정기 전류
    Ir: 제2 측정기 전류
  6. 제5항에 있어서,
    상기 임피던스 측정 구간을 설정하는 단계는,
    복수 개의 측정기에서 측정되는 전류를 비교하여 전차가 부하로서 배치된 구간을 탐색하는 단계를 포함하는, 실시간 전차선로 임피던스 측정 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    급전계통의 상기 제1 지점 및 상기 제2 지점에는 각각 변압기가 배치되는, 실시간 전차선로 임피던스 측정 방법.
  8. 삭제
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정호성. 변전소와 차량간의 동기화를 통한 실시간 전차선로 임피던스 예측 기법 연구. 전기학회논문지. Vol. 62, No. 10, 2013. 1458-1464쪽 1부. *

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