KR20110139551A

KR20110139551A - 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치

Info

Publication number: KR20110139551A
Application number: KR1020100059702A
Authority: KR
Inventors: 김양수
Original assignee: 테크노아이즈코리아(주); 김양수
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2011-12-29
Also published as: KR101134517B1

Abstract

본 발명은 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치에 관한 것으로, AC 또는 DC 계통별로 각 차량에 설치된 전력 소비 장치들의 전압과 전류를 측정하여 전력을 검출하는 각 차량에 설치된 적어도 하나 이상의 전력검출기; 각 차량에 설치된 적어도 하나 이상의 전력검출기들로부터 전력선 통신(PLC)으로 각 차량별 전력소비 장치들의 소모하는 전압, 전류를 검출하고 시간당 전력량(W=P·t)을 각각 인가받아, 총전력량을 산출하고, 차량내 교류전원기기의 고조파 전류를 검출하는 전력량 분석기; 전력량 분석기와 연결된 A/D 변환기; A/D변환기로부터 각 차량별 시간당 전력량 및 차량내 교류전원기기의 고조파 전류를 나타내는 디지털 신호를 수신받아 평균 전력 소비량과 비교하여 과부하 또는 전기기기의 고장유무를 판단하는 마이크로프로세서; 마이크로프로세서와 직렬통신(RS232C)으로 연결되고, 각 차량별 시간당 전력량 및 차량내 교류전원기기의 고조파 전류를 나타내는 데이타를 수신받아 관리서버의 데이타베이스에 저장하고, 각 차량별 전기기기의 전력소모량을 관리하는 EMS 소프트웨어가 설치된 컴퓨터를 포함한다. 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 시스템은 차량별 전력소비량(kWh) 및 연비(kWh/km당)를 모니터링하여 차량내 전기기기의 에너지절감 및 성능을 향상시키고, 철도차량의 부하계통을 실시간 분석하여 전원 장치의 고장 사전 검지 및 교체시기를 효율적 관리한다.

Description

철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치{Energy management apparatus for measuring the wattage lots of electric devices of the railroad electric train}

본 발명은 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치에 관한 것으로, 특히 철도전기차량의 전력 소비를 측정하는 에너지 관리 시스템(EMS:Energy Management System)을 사용하여 차량별 전력소비량(kWh) 및 연비(kWh/km당)를 모니터링하여 차량내 전기기기의 에너지절감 및 차량의 성능을 향상시키고, 철도전기차량의 부하계통을 실시간 분석하여 고장 사전 검지 및 교체시기를 체계적으로 판정하여 효율적 관리하기 위한, 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치에 관한 것이다.

우리나라 철도차량의 기술 동향은 경유를 직접 사용하는 디젤차량에서 에너지 이용효율이 높고 환경 친화적인 전기차량으로 급속히 교체되고 있다. 현재, 코레일의 고속철도(KTX)를 비롯하여 주요간선의 철도와 수도권전철, 서울메트로 등 6대 도시철도(지하철도)공사는 전기차량을 운행하고, 앞으로 지자체 경전철 시스템이 도입됨에 따라 전기차량에 대한 수요가 급증하고 있어 전기 소비량이 급속하게 증가될 것으로 예상된다.

그러나, 철도전기차량은 전기를 주된 동력으로 사용하고 있기 때문에 운행에 따른 전력요금이 전체 수송비용에 약17%를 차지하고 있을 정도로 많은 전기에너지를 사용하고 있으나 철도전기차량에 대한 전력소비 등의 관리가 전혀 이루어지고 있지 않아 이에 대한 대책이 시급한 실정이다.

철도전기차량은 에너지소비기록[VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 인버터, 보조전원장치(SIV:Static Inverter)], 동력운전, 제동, 출입문제어 등을 비롯한 각종 전동차의 상태 및 고장표시 등의 열차상태에 대한 정보를 디스플레이 스크린(Display Screen)을 통해 승무원에게 표시하여 전동차 제어와 감시를 하는 TCMS(Train Control Monitoring System)이 개발되어 운영되고 있으나, 철도전기차량내의 부하(負荷)를 모니터링하고 차량의 전력소비 및 효율 등을 관리하는 시스템이나 이와 관련된 연구가 국내외에 없는 실정으로, 철도전기차량의 에너지절감 및 차량의 성능향상을 유도할 시스템의 개발이 요구되고 있다.

그러므로, 국내 철도산업은 전철화가 급속히 진행됨에 따라 철도전기차량 도입이 증가하고 있다. 따라서, 부하인 철도차량 1편성당 운행에 따른 소비되는 전력량을 체계적으로 관리할 필요가 있는데, 고유가 시대를 맞이하여 국가차원에서 에너지 절감을 위한 철도전기차량용 에너지 관리 시스템(EMS:Energy Management System) 개발될 필요성이 요구되고 있다. 철도전기차량은 에너지 관리 시스템(EMS)을 통해 철도차량내의 전장품 노후화에 따른 교체시기 및 사전 고장을 예측 가능하여 철도차량의 신뢰성을 확보할 수 있으며, 차량 운행시 승객에 대한 안정성을 보장받게 된다.

철도전기차량은 전기를 주된 동력으로 사용하고 있고, 화석연료를 사용하는 철도디젤차량에 비하여 효율적인 에너지 사용과 환경 친화적인 측면이 있어 향후 철도수송의 주력으로 급부상되고 있다. 그러나, 철도수송원가에 전력사용 요금은 여전히 큰 비중을 차지하고 있으며, 국가적 에너지 절감차원에서 전기에너지의 효율적 관리와 절감이 필요하다.

그러나, 현재 철도전기차량의 전기에너지 관리는 전기차에 전력을 공급하는 전철변전소에서 각각의 급전선(feeder line)별로 관리하고 있으나 각각의 철도전기차량의 전력소비 및 효율 등을 관리하고 있지 않아 에너지의 관리가 효율적으로 이루어지고 있지 않다. 때문에 직접 전력을 소비하는 각각의 철도전기차량의 에너지를 관리하는 철도전기차량에너지 관리시스템(TEMS)이 필요하다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 시스템(EMS:Energy Management System)을 사용하여 경전철 및 철도전기차량의 차량별 전력소비량(kWh) 및 연비(kWh/km당)를 모니터링하여 차량내 전기기기의 에너지절감 및 차량의 성능향상을 유도하고, 철도전기차량의 부하계통을 실시간 분석하여 전원 장치의 고장 사전 검지 및 교체시기를 체계적으로 판정하여 효율적 관리운영하기 위한, 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치는, 교류(AC) 또는 직류(DC) 계통별로 각 차량에 설치된 전력 소비 장치들의 전압과 전류를 측정하여 전력을 검출하는 각 차량에 설치된 적어도 하나 이상의 전력검출기; 상기 각 차량에 설치된 적어도 하나 이상의 전력검출기들로부터 전력선 통신(PLC:Power Line Communication)으로 각 차량별 전력소비 장치들의 소모하는 전압, 전류를 검출하고 시간당 전력량(W=P·t=VI·t)(Ws,kWh)을 각각 인가받아, 총전력량을 실시간으로 산출하며, 차량내 교류전원기기의 고조파 전류를 검출하는 전력량 분석기; 상기 전력량 분석기로부터 각 차량별 전력소비 장치들의 시간당 전력량 및 차량내 교류전원기기의 고조파 전류를 나타내는 아날로그 신호를 수신받아 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기; 상기 A/D변환기로부터 각 차량별 전력소비 장치들의 시간당 전력량 및 차량내 교류전원기기의 고조파 전류를 나타내는 디지털 신호를 수신받아 평균 전력 소비량과 비교하여 과부하 또는 전기기기의 고장유무를 판단하는 마이크로프로세서; 및 상기 마이크로프로세서와 직렬통신(RS232C)으로 연결되고, 각 차량별 시간당 전력량 및 차량내 교류전원기기의 고조파 전류를 나타내는 데이타를 수신받아 관리서버의 데이타베이스에 저장하고, 각 차량별 전기기기의 전력소모량을 관리하는 EMS(Energy Management System) 소프트웨어가 설치된 컴퓨터를 포함한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치(EMS)는, 철도전기차량의 차량별 전력소비량(kWh) 및 연비(kWh/km당)를 모니터링하여 차량내 전기기기의 에너지절감 및 차량의 성능향상을 유도하고, 철도전기차량의 AC 또는 DC 전원기기의 부하계통의 전력 소모량을 실시간 분석하여 전원 장치의 고장 사전 검지 및 교체시기를 체계적으로 판정하여 효율적 관리운영하고, 철도차량에 사용되는 전원 장치들의 연비(소비전력/km)에 대한 데이타를 데이터베이스화(DB)하고, 부하별 고장분석 및 수명예측 프로그램 개발하고, 기관사의 운전 패턴에 따른 철도차량의 전력 소비량 데이터를 관리하고, 고조파 함유율 및 서지에 따른 전력 소비량을 관리하여, 철도차량의 에너지 관리 시스템(EMS) 데이터 분석에 따른 레일상의 누설전류량 예측 보고를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 철도전기차량의 에너지소비 계통을 나타내는 단위변전소 계통도이다.
도 2는 직류 전기 철도 전력 공급도이다.
도 3은 철도전기차량별 주요기기(10량 1편성)를 나타낸 도면이다.
도 4는 철도전기차량의 주제어 장치(PWM 제어방식, VVVF제어방식, IGBT소자 이용)를 나타낸 도면이다.
도 5는 Tc, T2 Car에 취부되어 있는 보조전원 장치(SIV)의 개요도이다.
도 6은 연장급전장치(ESK)와 보조전원장치(SIV)의 배치도를 나타낸 도면이다.
도 7은 철도전기차량 10량 1편성을 기준으로 차량별 주요 전기기기를 나타낸 도면이다.
도 8은 철도전기차량의 전차선에 연결된 집전장치, 주변압기, 주변환장치, 보조전원 장치의 전기 흐름을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 철도전기차량의 주변환 장치의 주회로를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 8의 철도전기차량의 주변압기 또는 전차선으로부터 입력받은 보조전원장치(SIV)의 회로도이다.
도 11은 도 8의 철도전기차량의 보조 변압기를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치의 구성도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 철도 전기차량의 에너지 소비영향을 조사 분석하여 절감 방향을 제시하고자 한다.

I. 철도전기차량 EMS ( Energy Management System ) 장치

철도모터에 공급되는 전원이 다르게 되는 이유는 과부하, 장비노후화, 기타 사유로 발행한다.

철도전기차량 내의 전동기는 부하(예를 들면, 차륜(Wheel), 냉각용 팬(Fan) 등)와 맞물려 회전하게 되는데, 부하에 이상이 발생하여 과부하가 상태가 될 경우 과전류가 유입되어 전동기가 손상을 입는다. 또한, 전동기를 장기간 사용함에 따라 전동기내의 고정자 및 회전자의 설계 파라미터(권선저항, 인덕턴스 등)가 변하여 유입되는 전류가 달라진다. 뿐만 아니라 철도전기차량의 전동기내의 권선간 단락사고 또는 개방사고가 발생하면 유입전류로 인해 전동기 소손이 발생한다.

철도전기차량에 사용되는 전원의 종류 모터, 실내등, 기타 전원 설비가 존재한다.

철도전기차량에 사용되는 전기적 메카니즘은 크게 두 가지로 철도차량을 견인하는 추진제어장치 또는 모터블럭(Motor Block)과 철도차량내의 승객서비스를 위한 보조전원장치(SIV)가 있다. 추진제어장치는 집전장치를 통해 주변압기로 전달되고, 전력변환장치인 컨버터, 인버터를 거쳐 기관사의 속도지령에 맞춰 견인전동기를 구동하게 된다.

또한, 철도전기차량의 보조전원장치(SIV:Static InVerter)는 승객서비스를 위한 각종장치를 제어하게 되는데, 객실내의 냉난방장치 공급전원, 각종기기에 대한 냉각용 송풍기 전원, 출입문 개폐 구동전원, 객실내 실내등이 있다. 또한, 보조전원장치(SIV)의 공급전원은 추진제어장치를 비롯하여 각종 제어장치의 제어전원으로도 사용된다.

Ⅱ. 철도전기차량의 에너지소비계통

도 1은 철도전기차량의 에너지 소비 계통을 나타내는 단위변전소 계통도이다.

철도전기차량의 전력공급 시스템은 한국전력 변전소 및 인접 변전소로부터 154kV 또는 22.9kV를 수전받아 정류기 급전계통 및 전차선급전계통을 통해 전철용변전소에서 교류단상 AC 25kV 또는 직류 DC 1500V로 변환하여 전기차에 전력을 공급한다.

또한, 한전변전소, 인접 변전소는 고압배전계통을 통해 1호계,2호계,3호계로 전력을 공급한다.

도 2는 직류 전기 철도 전력 공급도이다.

지하철 변전소는 철도 차량에 전차선(+) 및 부급전선(-)(Return Rail)으로 전력을 공급한다.

첫째, 철도전기차량의 전력사용량을 설명한다.

철도에서 철도전기차량의 전력사용은 일반동력용과 열차동력용으로 구분된다. 현재 철도전기사용량의 검측은 전철용변전소에 설치된 전산전력계에 전체적인 전산전력량(한전용)이 검측되며, 이 중에서 일반전력용과 열차동력용으로 구분하도록 각각의 적산전력계(철도운영용)를 운영하고 있다. 일반 동력은 주로 역사조명과 에스컬레이터, 환풍, 배수, 열차신호 등에 사용하는 동력이 대부분이며, 열차동력용은 전력을 동력으로 사용하는 전기차량의 소비전력이 중심이다. 실제로 한국철도공사의 2008년 1년간 전력사용량을 보면 다음 표1과 같다.

수전 장소별

구분	일반전력수전	전철변전소
구분	일반전력수전	계	열차동력용	일반동력용
전력사용량	261,515천kWh	1,836,014천kWh	1,685,795천kWh	150,949천kWh
전력요금	21,109백만원	138,221백만원	127,182백만원	11,039백만원
단 가	80.7원	75.3원

☞ 일반전력:열차운행용을 제외한 역사 조명 및 전력,통신,신호설비 등의 사용전력

사용용도별

구분	계	일반전력용	열차동력용	비고
전력사용량	2,097,529천kWh	412,464천kWh	1,685,795천kWh	19.7%/80.3%
전력요금	32,148백만원	32,148백만원	127,182백만원	20.2%/79.8%

다음은 철도차량의 전력사용량의 검측에 대하여 설명한다.

현재 철도전기사용량의 검측은 전철용변전소에 설치된 전산전력계에 전체적인 전산전력량(한전용)을 검측하고 있다. 다만, 철도운영기관에서 부하를 관리하기 위하여 일반동력용과 열차동력용을 구분하기 위해 전철변전소에 별도의 적산전력량계를 설치하고 있다. 현재 철도전기차량은 TCMS(Train Control Monitoring System)이 개발되어 운영되고 있으나, 이는 동력운전, 제동, 출입문제어 등을 비롯한 각종 전동차의 상태 및 고장표시 등의 열차상태에 대한 정보를 디스플레이 스크린(lay Screen)을 통해 승무원에게 표시하는 장치로서 철도전기차량내의 부하(負荷)를 모니터링하고 차량의 전력소비 및 효율 등을 관리하는 시스템이 없는 것으로 조사되었다.

둘째, 철도전기차량의 전력소비구조에 대하여 설명한다.

철도전기차량은 고속전철용, 일반전철용, 도시전철용, 경량전철용으로 구분되며, 각 용도별 전기차량도 운행노선별, 제작사별로 각각 그 종류가 다양하다. 본 발명에서는 서울메트로 2호선 전동차를 모델로 하여 전기차량의 전력소비에 대하여 조사하였다. 열차편성은 Tc(운전실과 보조전원장치(SIV:Static InVerter)가 있는 객차), 동력이 있는 객차(M), T1(무동력차)를 포함하여 4량(Tc-M2-M2-Tc), 6량(Tc-M1-M2-T1-M2-Tc), 10량(Tc-M1-M2-T1-M2-T2-T1-M1-M2-Tc)로 구성된다.

도 3은 철도전기차량별 주요기기(10량 1편성)를 나타낸 도면이다.

10량 1편성 철도전기차량은, Tc(운전실 및 SIV가 있는 무동력차) M1(제1동력차, VVVF, TM), M2 또는 M'(제2동력차,팬터그래프,VVVF,TM), T1(무동력차, 부수차량) T2(SIV가 있는 무동력 부수차량)으로 구성된다.

도 4는 철도전기차량의 주제어 장치[PWM(Pulse Code Modulation) 제어방식, VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 제어방식, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자 이용]를 나타낸 도면이다.

철도전기차량의 주제어 장치는 M-Car 하부에 취부되어 있으며, 4대의 견인전동기를 일괄 제어하는 전압형 인버터이다.

* 주제어장치(인버터) 제원(정격 입력전압 : DC 1500V, 입력전압 변동 범위: DC 900~1800V, 방식: 2-레벨 3상 전압형 PWM 인버터, 출력전압 : 3상, 0~1100Vrms, 출력주파수: 0~140Hz, 정격용량: 1100kVA, 최대용량: 1640kVA, 정격부하: 210kW, 4대 병렬구동)

* 견인전동기 제원(3상 인버터에 운전되는 농형 유도전동기, 연속 정격: 1100V, 136A, 210kW, 2200rpm, 1시간 정격: 1100V, 150A, 230kW, 절연등급: Class 200, 통풍방식: 자기 통풍식(Self Ventilation))

* 견인전동기 용량계산

상행선의 전속 운전에 대한 견인전동기의 실효 전류치는 128.9A 이다. 하행선의 전속 운전에 대한 견인전동기의 실효 전류치는 129.4A, 평균 주행시간은 101.25분 이다. 따라서, 최대 운전 조건인 1M Car 고장 및 만차 조건에서의 실효 전류치 129.4A, 견인전동기 공칭전압 1.10kV를 적용하여 견인전동기 용량을 계산하면 다음과 같다.

입력전력 =

출 력 =

따라서, 견인전동기의 1시간 정격은 최소한 129.4A, 199.60kW를 필요로 하며, KTM-ILS-210C는 1시간 정격으로 1100V, 150A, 230kW이며, 연속정격은 1100V, 136A, 210kW 이다.

도 5는 Tc, T2 Car에 취부되어 있는 철도전기차량의 보조전원 장치(SIV:Static InVerter, IGBT 소자)의 개요도이다.

* 보조전원장치 제원(정격 입력전압: DC 1500V, 입력전압 변동범위: DC 900~1800V(연속정격), 인버터 효율: 90% 이상(Full load), 인버터 정격용량: 180kVA(연속정격), AC 정격 출력전압: 3상 AC 380V(+5%, -10%), 단상 AC 220V, AC 정격 출력주파수: 60Hz±1Hz, AC 정격 용량: 150kVA(연속정격), DC 정격 출력전압: DC 100V(+5%, -10%), DC 정격용량: 30kW(연속정격), 축전지 충전용 정류장치: 상시 부동 충전방식)

철도전기차량의 보조전원장치(SIV:Static InVerter) 1대 고장시, 연장급전 장치(ESK)를 사용한다.

도 6은 연장급전장치(ESK)와 보조전원장치(SIV)의 배치도를 나타낸 도면이다.

다음은 보조 전원장치의 용량 계산에 대하여 설명한다.

보조전원장치(SIV:Static InVerter)는 공기압축기, 조명, 냉난방장치 및 열차의 제어 전원 등의 보조전원에 사용되는 안정적이고 일정한 전압과 주파수를 출력하는 장치이다.

10량 편성의 전동차는 3 Unit의 보조전원장치(SIV)(Tc1,T2,Tc2)가 탑재되고(Tc, T2), 4량 및 6량 편성의 전동차는 2 Unit의 보조전원장치(SIV)가 탑재되어 운행된다. 정상운행 및 보조전원장치(SIV) 고장시, 본 발명은 연장급전으로 전동차의 정상운전이 가능한지 각 부하조건에 대해 보조전원장치(SIV) 용량을 검토하였다.

전제조건으로 공기압축기의 동작율은 부하의 40%, 방송장치의 동작율은 부하의 30%, 무선장치의 동작율은 송신이 부하의 30%, 수신 또는 대기가 70%, 축전지 충전기의 효율은 90%로 하였다. 또한, 동절기보다는 하절기의 부하조건이 더 열악하므로 가장 열악한 하절기의 정상운행 및 연장급전시의 SIV 용량을 검토하였다. 부하계산의 결과는 다음과 같다.

(1) 하절기 정상 운행 시(full load)

(2) 연장급전 운전(SIV 1 Unit 고장시)

정상운전시와 비교하면, 철도전기차량은 380VAC의 냉방장치, 220VAC의 실내형광등, 100VDC의 보조전원장치제어, 신호장치의 전력이 줄어든다.

1) AC부하의 용량은 SIV 연장급전(SIV 1대 고장)시 5M5T(10량) 편성인 경우 최대부하(7량)는 126.83kVA 이다. 따라서, 보조전원장치(SIV)의 여유율을 고려하여, 필요한 보조전원장치(SIV)의 용량은 150kVA(연속정격)이상의 용량이면 충분하다.

2) DC 부하의 용량은 축전지 충전용량을 고려하여 최악조건(5M5T)으로 계산하면 약 15.02 kW이다. 하지만, 30kW 이상의 용량이 제작사양서에 되어 있으므로 충전기의 용량은 30kW이다.

따라서, 본 발명에서는 상기의 계산에서와 같이 교류와 직류 부하를 포함하여 약 180kVA 이상의 용량을 가진 보조 전원장치를 제안한다.

보조전원장치에 걸리는 부하는 냉난방장치, 주 공기압축기(CM), 라인플로우팬(Line Flow FAN)(설치대수 6대/량), 배기 FAN, 조명 장치, 정류기(열차제어용 직류전원공급, 축전지 부동충전 및 기타 장치), 각종 표시기 장치, 기타 부하가 포함된다.

1) 냉난방장치

- 주회로: AC380V 3상 60Hz

- 제어회로: DC100V, DC 24V

- 정격: 소비전력12.5kW, 소비전류 21.0A

- 난방운전 소비전력: 5.5kW

- 압축기: 왕복동식 밀폐형, 5.00kW×2

- 응축기용송풍기: 전동기 직결 프로펠러, 0.70kW×2

- 증발기용송풍기: 전동기 직결 양축 다익 원심형, 0.99kW×1

- 보조히터: FIN&TUBE형×2단, 4.0kW×1

- 히터: Sheathed 전기히터(원적외선 세라믹 히터,좌석 밑에 설치되는 히터)

* 입력전압 : AC 380V 60Hz

* 용량 : Tc차(객실 1050W×13개, 운전실 750W×2개), M,T차 (객실1050W×16개)

2) 라인플로우팬

- 전원: AC 380V 3상 60Hz, 93W/EA

- 설치대수: 6대/량

3) 조명장치

조명장치는 교류 형광등, 직류형광등, 방공등, 운전실 시각표시등, 전조등 및 후미등이 사용된다.

* 교류형광등

- 입력전원: AC220V, 60Hz

- Tc Car 운전실: FL 20W(삼파장), Tc Car 객실: FLR 32W(삼파장)

- M, T Car: FLR 32W(삼파장)

* 직류형광등

- 입력전원: DC100V

- Tc Car 운전실: FL 20W(삼파장), Tc Car 객실 : FLR 32W(삼파장)

- M, T Car: FLR 32W(삼파장)

* 방공등

- 입력전압: DC100V

- 수량: 객실(30W × 4개), 운전실(30W × 1개)

* 운전실 시각표시등

- 입력전압: DC100V

- 수량: 15W × 2개

* 전조등, 후미등

- 입력전압: DC100V

- Tc Car 전면에 2개의 전조등 및 후미등 세트

- 전조등: 165W/55W

- 후미등: LED module

4) 표시기

표시기는 중앙제어장치, 설정기,열차번호 표시기, 정면 행선 안내표시기, 측면 행성 안내표시기, 객실 자동 안내표시기, 및 노선안내 표시기로 구성된다.

No	기기명칭	수량
No	기기명칭	TC1	TC2	M1,M2,T1,T2
1	중앙제어장치	1	-	-
2	설정기	1	1	-
3	열차번호표시기	1	1	-
4	정면행선안내표시기	1	1	-
5	측면행성안내표시기	2	2	2
6	객실자동안내표시기	2	2	2
7	노선안내표시기	4	4	4

* 중앙제어장치

역 안내 정보, 출입문 방향의 정보를 받고 무선통신을 통하여 문자정보를 실시간으로 운영하며, 하드디스크에 저장된 동영상 광고를 LCD승객 안내 표시기에 표출하여 승객들에게 볼거리를 제공한다.

- 입력전압: AC220V(AC180~AC240V)

- 소비전력: 300W 이하

* 설정기

본 설정기는 열차종합제어관리장치에서 운행정보를 입력받아 이 정보를 CLIENT SERVER에 보내주고 CLIENT SERVER가 LCD표시기로 역 안내 내용을 표출토록 하여 승객들에게 그 내용을 시각적으로 전달하고자 하는데 있다.

또한, 열차종합제어관리장치와 INTERFACE가 불가능 시 설정기의 행선 및 역명 설정에 의해 LCD표시기로 역 안내를 제어하는 SYSTEM이다.

- 입력전압: DC100V(DC70~110V)

- 소비전력: 15W 이하

- 사용전압: 5V

* 열차번호·정면/측면행선 표시기

- 정격입력전압: AC220V(전압변동범위 : AC180~AC240V)

- 소비전력: 150W 이하

* 객실자동안내 표시기

- 입력전압: AC220V(전압변동범위 : AC180~AC240V)

- 소비전력: 300W 이하

* 노선안내 표시기

- 정격입력전압: AC220V, 60Hz(전압변동범위 : AC180~240V)

- 소비전력: 50W 이하

5) 출입문제어

출입문 제어는 승객용 출입문과 차량간 통로문을 제어한다.

* 승객용 출입문

- 구동방식 : 전기식 모터

- 공급전압 : DC 100V(DC 70~110V)

- 도어제어장치(DCU): 전원전압 DC100V(DC70~110V)

- DCU 소비전력: 300W(DC Motor 최대부하시)

* 차량 간 통로문

- 구동방식: 전기식 모터, 타이밍 벨트

- 공급전압: DC100V(작동전압 : DC70~110V)

6) 방송장치

방송장치는 자동방송장치(사용전원: DC100V(DC70~110V), 소비전력 : 100W 이하), 중앙제어기(소비전력: 50W 이하), 측면제어기(소비전력: 10W 이하), 출력 증폭기(전원: DC100V(DC70~110V), 소비전력 100W 이하), 비상 인터폰(전원: DC100V(DC70~110V), 소비전력 30W 이하)로 구성된다.

장치명	Tc	M1	M2	T1	M2	T2	T1	M1	M2	Tc	비고
자동방송장치	1									1
중앙제어기	1									1
측면제어기	2									2
비상인터폰	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2
출력증폭기	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
모니터 스피커	1									1
차내스피커	6	6	6	6	6	6	6	6	6	6
차외스피커	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2

7) 열차무선장치

- 전원부: 입력전압(DC100V±20%), 출력전압(DC13.8V±5%((-)접지))

8) 제동장치

* 스쿠루 공기 압축기(전동기 규격)

- 형식 : 3상 유도전동기(4극)

- 공급전원: 380VAC, 60Hz, (4량 편성시 55Hz)

- 소비전력: 15kW

- 3상 교류 농형 유도전동기

- 출력: 15kW

- 정격전압: AC380V

- 전부하전류: 30.4A

- 극수: 4극

- 주파수: 60Hz

* 공기 건조기

- 공급전원: 100V DC

- 히터정격: 35W × 2

* 보조공기 압축기

보조공기압축기(전압:DC80V, 전류: 7.5A, 소비전력 400W)는 동력차에 취부되어 있으며 축전지로 구동되어 판토그래프를 상승시키기 위한 압축공기를 얻고자 할 때 사용한다.

9) ATP / ATO 차상장치

- 전원: 110VDC(-30% to +25%)

- ATP 및 ATO 컴퓨터 전력소비 : 300W

- 주변장치 포함한 총 소비전력량 : 520W

- MMI디스플레이 : 정격전압(rated voltage)(14.5V to 154VDC),

전력소비(power consumption)(max 50W)

10) 열차종합제어장치

열차종합 제어장치는 TC(Train computer)(LIU1, LIU2로 구성, 각각 최대 150W의 소비전력을 가짐.), CC(Car computer)(입력전원: DC24V, 최대 50W의 소비전력), RTD(무선송수신장치)(DC100V(DC70V~DC110V) 입력, 소비전력 10W 이하)로 구성된다.

서울메트로 2호선 직류전용 VVVF 전동차에 적용하는 Ni-Cd축전지는 가선으로부터 전원이 공급되지 않고, 온도조건이 0도씨, 축전지 충전율 85% 상태에서 축전지 전원이 요구되는 전동차 부하에 1시간 이상 전원을 공급할 수 있고, 보조 공기 압축기를 가동시켜 판토그라프를 상승시킬 수 있어야 한다.

따라서, 축전지 용량 계산서는 이 조건을 만족시키는 축전기 용량을 지니고 있는가를 검토하는데 그 목적이 있다.

비상시 부하는 견인제어회로, 제동 제어회로, 출입문 제어회로, 방송장치, 무선장치, 신호장치(ATP/ATO), 열차종합제어관리장치, 보조 전동공기압축기, 객실 직류형광등, 비상등, 전조등, 후미등을 포함한다.

DC 100V 사용기기 [A]

부하원	Tc(후)	M1	M2	T1	M2	T2	T1	M1	M2	Tc(전)
실내형광등	2.9	2.9	2.9	2.9	2.9	2.9	2.9	2.9	2.9	2.9
전조등 후미등	0.2	-	-	-	-	-	-	-	-	3.3
출입문제어	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5
보조전원 제어장치	7	-	-	-	-	7	-	-	-	7
제동제어	0.5	1.0	1.0	0.5	1.0	0.5	0.5	1.0	1.0	0.5
방송장치	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.7
무선장치	-	-	-	-	-	-	-	-	-	1
신호장치	-	-	-	-	-	-	-	-	-	5.2
견인장치제어		2	2		2			2	2
기타	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
합	14.3	9.6	9.6	7.6	9.6	14.1	7.6	9.6	9.6	24.1

비상 운전용 축전지(Battery)용량은 안전운전 확보를 위한 최대 부하시 소요량 기준 이상으로 설정되어야 한다. 따라서, 열차 1편성의 경우, 총 DC부하 115.7A 이며, 편성 당 3세트의 축전지가 설치되므로 각 축전지의 담당부하는 38.6A가 된다. 여기서, 속도저감 요인(derating factor)(15%)를 고려하면, 각 축전지 부하는 45.4A이다.

따라서, 당 사는 비상시 각 축전지에서 위의 용량을 1시간 동안 공급해 주기 위한 용량인 70Ah 이상의 축전지를 제안한다.

Ⅲ. 철도 전기차량 에너지관리

철도전기차량의 에너지 관리 시스템(TEMS:Train Energy Management System)은 단순히 각각의 철도전기차량의 전력소비량을 검측하여 관리하는 것이 아니라 전기차량의 차량별 부하계통을 실시간으로 모니터링하여 차량의 전력소비 및 효율 등을 분석하여 관련정보를 제공하여 소비되는 전력량을 체계적으로 관리하고자 하는 것이다. 이를 해결하기 각각의 방안과 향후 연구방향은 다음과 같다.

○ 철도전기차량별 연비( kWh / km 당)산출

철도전기차량은 동일한 조건에서도 제작사별, 차량상태별로 에너지소비 효율이 각각 다르다. 당연히 에너지소비 효율이 높은 가전제품이 전기사용량이 적은 것처럼 에너지 효율이 높은 철도전기차량이 에너지가 절감될 것이다. 차량별 부하계통을 실시간으로 모니터링하여 차량의 전력소비 및 효율 등을 분석하면 편성별 연비(kWh/km당) 산출이 가능하다.

향후 철도전기차량의 연비(kWh/km당)규정을 도입하면 철도 운영부서는 차량의 구입에 주요지표로 활용하여 부하효율이 높은 전기차량을 구입하여 에너지소비를 감축할 수 있도록 한다. 철도전기차량 제작사는 철도전기차량 편성별 연비(kWh/km당)를 높이도록 품질향상과 기술개발을 유도하게 될 것이다.

향후 철도전기차량 부하 모니터링을 위해 수행되어야 할 연구방향은 철도전기차량 내부의 계통별 전압, 전류 검출 방안 연구, 철도전기차량 연비(소비전력/km)에 대한 데이터베이스화(DB), 철도전기차량의 에너지 관리 시스템(TEMS:Train Energy Management System) 개발에 따른 하드웨어 설계 및 개발, 에너지 관리에 따른 프로그램 설계 및 개발이 요구된다.

○ 철도전기차량의 전장품의 교체시기 및 고장예측

철도전기차량 사용연한이 증가할수록 전장품 노후화로 성능이 저하되고 에너지소비가 증가하게 된다. 철도전기차량의 전장품의 소비전력량의 데이터를 활용하면 기기별 교체시기를 예측할 수 있다. 그리고, 전장품에 대한 사전 고장 예측도 가능하므로, 이를 토대로 기기 교체에 따른 철도전기차량의 안전성 및 부품에 대한 신뢰성 보장받을 수 있다. 이와 같은 데이터는 철도전기차량 유지보수에 따른 LCC 산정시 활용이 가능한 효과를 제공한다. 향후, 철도전기차량 전장품의 교체시기 및 고장예측을 위해 수행되어야 할 연구방향은 부하별 고장분석 및 수명예측 프로그램 개발이 요구된다.

○ 기관사 운전페턴에 따른 에너지소비

동일한 구간을 동일차량으로 운행할 때, 철도전기차량은 기관사의 운전성향에 따라 에너지소비량에서 각각의 차이가 발생할 것이다. 기관사 운전 패턴에 따른 전력 소비량 데이터를 분석하여 운전시스템의 보완과 에너지소비율이 많은 기관사에 대하여 재교육 등을 통하여 전기에너지 절감 유도가 가능하다. 향후 에너지소비율을 절감하는 자동운전시스템의 개발, 기관사의 운전 패턴에 따른 전력 소비량 데이터 분석프로그램 개발이 요구된다.

○ 고조파 및 서지함유에 따른 전력소비

철도전기차량에서 발생하는 고조파 및 서지함유에 따라 전력소비가 증가될 수 있다. 전기차량내의 부하(負荷)를 모니터링하면 차량에서 발생하는 고조파 및 서지함유량을 파악할 수 있으며, 이를 제거하면 차량의 성능이 향상되어 전력소비의 절감이 가능하다. 향후 고조파 함유율 및 서지에 따른 전력 소비량 영향, EMS(Energy Management System) 데이터 분석에 따른 레일상의 누설전류량 예측에 대한 데이터 분석프로그램 개발이 요구된다.

전동차는 입력받는 전기 종류에 따라 직류전동차, 교류전동차, 교직류 전동차로 나눌 수 있는데, 여기서 서울지하철 1호선에서 운행되고 있는VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 제어 교직류 전동차를 위주로 설명한다.

전동차는 보통 6량 편성, 8량 편성, 10량 편성으로 구성된다.

6량 편성 : Tc - M - M' - T - M' - Tc

8량 편성 : Tc - M - M' - T - T - M - M' - Tc

10량 편성 : Tc - M - M' - T - M' - T1 - T - M - M' - Tc

여기서, Tc car는 운전실이 있는 무동력 차량, M car는 동력(전동기)이 있는 차량, M' car 는 동력과 집전장치(팬터그래프)가 있는 차량, T car 는 동력이 없는 부수차량이다.

아래의 내용은 철도전기차량 10량 1편성을 기준으로 기술하고자 한다.

도 7은 철도전기차량 10량 1편성을 기준으로 차량별 주요 전기기기를 나타낸 도면이다.

축전지는 비상시(보조전원장치(SIV)의 고장 등) 제어회로, 전조등, 표시등, 출입문 개폐회로, 방송회로에 전원을 공급해 준다.

보조전원장치(SIV)는 전차선 또는 주변압기에서 직,교류를 받아 내부의 인버터회로를 통해 정전압, 정주파수의 3상 교류 전원을 전동차의 제어회로, 조명장치, 냉난방장치 등에 공급한다. 보조전원장치(SIV)는 인버터부와 변압기 부로 나뉘어져 있다.

공기압축기는 차량 내부에 공기압이 필요한 곳에 쓰이는 공기를 압축하는데 쓰인다. 공기를 압축하는데에 전동기가 사용된다.

주변환장치는 컨버터와 인버터로 이루어져 있으며 견인전동기를 구동하는데 사용된다.

주변압기는 AC25kV를 각 장치에 필요한 장치에 맞게 변압해 준다.

집전장치(팬터그래프)는 전차선으로부터 전기를 받아 차량으로 공급해주는 역할을 한다.

보조공기 압축기는 집전장치를 전차선에 접촉할 수 있도록 상승시켜주는 역할을 할 공기를 압축시킨다.

견인전동기는 차륜에 연결되어 차량을 움직이게 해준다.

도 8은 철도전기차량의 전차선에 연결된 집전장치, 주변압기, 주변환장치, 보조전원 장치의 전기 흐름(전원 흐름)을 나타낸 도면이다.

철도 차량에 전기 흐름을 간략히 보면, 전차선(100)에서 AC25kV 또는 DC1500V를 집전장치(110)를 통해 철도전기차량으로 공급되면, M' 카에 있는 주변압기(120)에서 주변환장치(130) 또는 보조전원장치(150)로 공급된다.

주변환장치(130)는 견인전동기(140)를 구동시키며, 보조전원장치(SIV)(150)는 견인전동기(140)를 제외한 전기회로에 전원을 공급해 주게 된다.

집전장치(팬터그래프)(110)는 AC25kV, DC1500V를 공급하는 전차선(100)으로부터 전기를 받아 차량으로 공급해주는 역할을 한다.

주변압기(120)는 AC25kV를 각 장치에 필요한 장치에 맞게 변압해 준다.

주변환장치(130)는 컨버터와 인버터로 이루어져 있으며 견인전동기(140)를 구동하는데 사용된다.

견인전동기(140)는 차륜에 연결되어 차량을 움직이게 해준다.

보조전원장치(SIV)(150)는 전차선(100) 또는 주변압기(120)로부터 직,교류를 받아 내부의 인버터회로를 통해 정전압, 정주파수의 3상 교류 전원(AC440V)을 전동차의 제어회로, 조명장치, 냉난방장치, 보조변압기(AC220V,100V) 등에 공급한다. 보조전원장치(SIV)(150)는 인버터부와 변압기부로 나뉘어져 있다.

도 9는 도 8의 철도전기차량의 주변환 장치의 주회로를 나타낸 도면이다.

집전장치(110)가 있는 M' car에서 AC25kV(교류구간 주행 시) 를 공급받으면 주변압기(120)를 거쳐 주변환장치(컨버터, 인버터)(130)를 거쳐 견인 전동기(140)를 구동하게 된다.

주변압기(120)는 AC1548V가 나오는 탭과 DC1500V는 보조전원장치(SIV)(150)로 입력된다.

DC1500V(직류구간 주행 시)를 공급받을 때, 주변압기(120), 컨버터를 거치지 않고 바로 보조전원장치(SIV)(150)의 인버터의 입력전원으로 가게 된다.

도 10은 도 8의 철도전기차량의 주변압기 또는 전차선으로부터 입력받은 보조전원장치(SIV)의 회로도이다.

주변압기 또는 전차선으로부터 입력받은 보조전원장치(SIV)의 회로도이다.

철도전기차량의 주변압기(120)로부터 입력받은 전원은 교류이므로 보조 정류기를 통해 직류로 변환되고, 직류구간 주행시 입력되는 전원은 직류전원이므로 보조정류기를 통하지 않고 바로 보조전원장치(SIV)(150)의 인버터로 입력된다.

보조전원장치(SIV)(150)의 인버터를 통해 교류로 변환된 전원은 변압기를 통해 AC440V전원을 각 보조전기회로(냉난방장치,라인플로우팬,주공기압축기,냉각송풍기)에 공급하고, 정류기용 변압기 -> 정류기를 통해 DC100V전원을 만들어 직류전원이 필요한 전기 회로(제어 회로,DC형광등,전조등,후미등,방공등,차측표시등,객실안내표시기,방송장치,출입문개폐장치,전자경보기,멀티부저,축전지충전,전기식 창닦이)에 공급하게 된다.

도 11은 도 8의 철도전기차량의 보조 변압기를 나타낸 도면이다.

보조변압기(180)는 보조전원장치(SIV)(150)로부터 AC440V를 입력받아 AC220V, AC100V로 변환하여 각 차내에 필요한 회로(제어 회로, 행선표시기, 열차번호표시기, AC형광등, AC용전조등, 제상기, 전기난방기)에 공급하게 된다.

보조변압기(180)는 도 11에서는 편의상 하나만 그렸지만 각 차량내에 모두 배치된다. 참고로, 도 11에서 연장급전장치(ESK)란 보조전원장치(SIV)가 고장시, SIV 2대로 전원을 공급하도록 해주는 연장급전장치이다.

도 12는 본 발명에 따른 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치의 구성도이다.

본 발명에 따른 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치는 각 차량에 설치된 적어도 하나 이상의 AC 전력검출기(200), DC 전력검출기(203), PLC 어댑터(PLC 모뎀)(204), 전력량 분석기(210), A/D 변환기(220), 마이크로 프로세서(230) 및 컴퓨터(240)로 구성된다.

철도전기차량의 주변환장치는 AC1100V를 전원을 공급하여 견인전동기(M)를 구동한다.

철도전기차량의 보조전원장치(SIV)는 AC440V, 보조변압기를 통해 AC220V/AC100V, DC100V의 전원공급부를 통해 전원이 공급되며, 냉난방장치(380VAC), 라인플로우팬, 주공기압축기, 냉각송풍기, 220VAC의 실내형광등, 100VDC의 보조전원장치(제어 회로, DC형광등, 전조등, 후미등, 방공등, 차축표시등, 객실안내표시기, 방송장치, 출입문개폐장치, 전자경보기, 멀티부저, 축전지충전 등)는 전압검출기(201) 및 전류검출기(202)를 포함하는 AC 전력검출기(200), DC 전력검출기(203)의 전압 검출기 및 전류 검출기에 의해 전력을 측정하여 계통별 PLC 어댑터(204)를 통해 전력선통신으로 전력량 분석기(210)로 전송한다.

차량 ID로 구분된 각 차량에 설치된 적어도 하나 이상의 AC 전력검출기(200) 및 DC 전력검출기(203)는 차량별/AC 또는 DC 계통 전압별 전원기기를 구분하고, 차량별 견인구동기(M)를 별도로 그룹으로 나누고 각각 전압과 전류를 측정하고, 견인구동기(M)를 제외한 나머지 전원장치들을 장치 ID로 구분하여 동일 장치별로 개별적으로나 그룹으로 설정하여 AC 또는 DC 전원기기 계통별로 차량 ID로 구분된 각 차량에 설치된 전력소비 장치들의 전압과 전류를 측정하여 전력을 검출한다.

AC 전력 검출기(200)는 계통 전압별로 차량내 연결된 전기기기의 전압을 검출하는 전압 검출부(201); 및 교류 또는 직류 계통별로 차량내 연결된 교류 또는 직류 전기기기의 전류를 검출하고, 고조파 전류를 검출하는 전류 검출부(202)로 구성되고, 계통전압별로 차량 ID로 구분된 각 차량에 설치된 전력소비 장치들의 계통 전압별로 분류된 전압과 전류를 측정하여 실시간으로 전력을 검출한다.

DC 전력 검출기(203)는 DC 전압 검출기 및 DC 전류 검출기를 포함하고, 계통전압별로 차량 ID로 구분된 각 차량에 설치된 전력소비 장치들의 계통 전압별로 분류된 전압과 전류를 측정하여 실시간으로 전력을 검출한다.

전력 검출기는, 차량내에 교류(AC25kV,AC840V,AC110V) 또는 직류(DC1500V,DC100V) 계통별로 용도에 따라 각 차량별 전력소비장치들에 AC 전력 검출기(200) 또는 DC 전력 검출기(203)를 사용한다.

AC 전력 검출기(200) 또는 DC 전력 검출기(203)는 전력선 통신(PLC:Power Line Communication)으로 각 차량별로 설치된 PLC 어댑터(204)를 통해 전력량 분석기(210)로 연결된다.

AC 전력 검출기(200) 또는 DC 전력 검출기(203)는 철도전기차량에 전력선 통신 네트워크(Power Line Network)를 구축하여 전력선으로 연결되고 각 차량에 설치된 PLC 어댑터(PLC 모뎀)(204)를 통해 각 차량별로 교류 및 직류 전원기기로부터 계통별로 측정된 전압과 전류 신호를 수백 KHz~수십 MHz 이상의 고주파 신호에 실어 전력선 통신(PLC:Power Line Communication)으로 전력량 분석기(210)로 전송한다.

전력선 통신(PLC:Power Line Communication)은 지금까지 주로 10k~450kHz로 사용 대역이 한정되어 10kbps 정도의 저속 PLC 통신 밖에 할 수 없었지만, 최근 규제가 완화되어 2M~30MHz의 넓은 대역을 사용가능하게 되었고, 수십 Mbps의 전송 속도를 낼 수 있을 것으로 전망된다. 고속의 PLC는 주로 광대역 인터넷 접속용으로 활용되기 때문에 BPL(Broadband over Power Line)으로 부르기도 한다.

전력량 분석기(210)는 각 차량에 설치된 적어도 하나 이상의 전력검출기(200)들로부터 전력선 통신(PLC:Power Line Communication)으로 각 차량별 전력소비장치들의 소모하는 전압, 전류를 검출하고 시간당 전력량(W=P·t=VI·t)(Ws,kWh)을 각각 인가받아, 10량 1편성 등의 철도전기차량의 총전력량을 실시간으로 산출하고, 차량내 교류 전원기기의 고조파 전류를 검출하여 A/D 변환기(220)로 전송한다.

A/D 변환기(220)는 전력량 분석기(210)로부터 각 차량별 전력소비 장치들의 시간당 전력량 및 차량내 교류전원기기의 고조파 전류를 나타내는 아날로그 신호를 수신받아 디지털 신호로 변환하여 마이크로프로세서(230)로 전송한다.

마이크로프로세서(230)는 A/D변환기(220)로부터 각 차량별 시간당 전력량 및 차량내 교류전원기기의 고조파 전류를 나타내는 디지털 신호를 수신받아 기준치(평균 전력 소비량)과 비교하여 기준치보다 높은 전력을 사용하면 과부하 또는 계통별 전기기기의 고장으로 판단하고, 전원기기의 점검을 통해 철도전기차량의 차량별 전력소비량(kWh), 연비(kWh/km당)를 모니터링하여 부하 계통의 전원 장치의 고장을 사전에 감지하고, 전원 기기의 교체시기를 판단한다.

마찬가지로, 보조전원장치에 사용 전기기기 또는 각 차량의 견인전동기는 기준치(평균 전력 소비량)과 비교하여 기준치보다 높은 전력을 사용하면 과부하로 판단하거나 또는 계통별 전기기기의 고장으로 판단하고, 전원기기의 점검을 통해 철도전기차량의 차량별 전력소비량(kWh), 연비(kWh/km당)를 모니터링하여 부하 계통의 전원 장치의 고장을 사전에 감지하고, 전원 기기의 교체시기를 판단한다.

예를 들면, 컴퓨터(240)에 설치된 철도전기차량용 EMS 소프트웨어는 10량으로 구성된 철도전기차량의 각 차량에 380VAC의 냉방장치, AC220V 교류형광등 10개, DC 100V 직류형광등 20개의 평상시 전력소모량보다 작으면, 관리자에 의해 고장 유무나 년비를 계산하여 장비 교체시기를 다시 확인하도록 차량별/AC 또는 DC 전압 계통별 전원기기의 전력 소모량 정보를 실시간으로 제공한다.

컴퓨터(240)는 마이크로프로세서(230)와 직렬통신(RS232C, RS422)으로 연결되고, 각 차량별 시간당 전력량 및 차량내 교류전원기기의 고조파 전류를 나타내는 데이타를 수신받아 관리서버의 데이타베이스에 저장하고, 차량별, AC 및 DC 계통별로 고장유무나 과부하를 판단하고, 유무선 네트워크로 클라이언트/서버 방식으로 각 차량별 전기기기의 전압과 전류 소비량을 검출하고, 계통별로 분류된 전원기기들의 그 전력소모량을 관리하는 EMS(Energy Management System) 소프트웨어가 설치된다.

컴퓨터에 설치된 EMS 소프트웨어는, 차량 ID를 설정하고, AC1100V를 전원을 사용하는 각 차량의 견인전동기(M)로 그룹화하고 교류(AC) 및 직류(DC) 계통별로 전기기기의 소요 전압과 전류를 측정하고, AC440V, AC220V/AC100V, DC100V의 사용전원별로 각 차량별로 장치 ID로 차량을 구분하고, 전원기기 분류 ID를 사용하여 개별적으로 또는 사용전압별/동일 장치별로 장치분류ID로 구분하여 그룹화시키고 전기기기로부터 측정된 소요 전압과 전류를 수신받아 전력을 검출하고, 시간당 전력소요량을 산출한다.

컴퓨터(240)에 관리 서버가 존재하고, 컴퓨터(240)에 설치된 EMS(Energy Management System) 소프트웨어(클라이언트)는 철도전기차량 내부의 차량 ID로 구분된 각 차량별로 AC 또는 DC 전압 계통별 전력소비장치들의 전압, 전류를 검출하고, 각 차량의 전력소비장치들의 전력소비량을 합산하여 총전력 소비량을 산출하며, 실시간으로 측정된 전력량을 데이터베이스에 저장하여, 고장진단 여부와 기기고장을 판단하고, 낙후된 전장품 등의 에너지 관리, 철도전기차량 연비(소비전력/km)에 대한 데이터를 관리하고, 계통별 부하(전등, 견인전동기 등)에 대한 실시간 소비전력 전력량 측정 및 관리한다.

컴퓨터(240)에 설치된 철도전기차량용 EMS 소프트웨어는 차량 ID로 객실을 구분하고, 차량별 분류된 장치 ID에 따라 계통별(AC, DC) 차량전원기기의 기준치(평균 전력 소모량)보다 전력소요량이 많으면 과부하 또는 낙후된 전장품으로 판단하여 장비 진단 및 고장유무 확인, 차량부품의 교체 시기를 결정하는 데이타를 제공한다.

또한, 컴퓨터(240)에 설치된 철도전기차량용 EMS 소프트웨어는 철도전기차량 연비(소비전력/km)에 대한 데이터베이스화(DB)하여, 소비전력 분석을 통한 부하별 고장분석 및 수명예측 프로그램으로 활용하고, 기관사 운전 패턴에 따른 철도전기차량 전력 소비량 데이터 측정 및 분석, 고조파 함유율 및 서지에 따른 전력 소비량 영향 분석, EMS 데이터 분석에 따른 레일상의 누설전류량을 예측하는 프로그램도 활용 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

100: 전차선 110: 집전장치
120: 주변압기 130: 주변환장치
140: 견인전동기 150: 보조전원장치(SIV)
160: AC440V 전원공급부 170: DC100V 전원공급부
180: 보조 변압기 190: AC220V, AC100V 전원공급부
200: AC 전력 검출기 201: 전압 검출부
202: 전류 검출부 203: DC 전력 검출기
204: PLC 어댑터 210: 전력량 분석기(210)
220: A/D 변환기 230: 마이크로 프로세서
240: 컴퓨터

Claims

철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치에 있어서,
교류(AC) 또는 직류(DC) 계통별로 각 차량에 설치된 전력 소비 장치들의 전압과 전류를 측정하여 전력을 검출하는 각 차량에 설치된 적어도 하나 이상의 전력검출기;
상기 각 차량에 설치된 적어도 하나 이상의 전력검출기들로부터 전력선 통신(PLC:Power Line Communication)으로 각 차량별 전력소비 장치들의 소모하는 전압, 전류를 검출하고 시간당 전력량(W=P·t=VI·t)을 각각 인가받아, 총전력량을 실시간으로 산출하고, 차량내 교류전원기기의 고조파 전류를 검출하는 전력량 분석기;
상기 전력량 분석기로부터 각 차량별 전력소비 장치들의 시간당 전력량 및 차량내 교류전원기기의 고조파 전류를 나타내는 아날로그 신호를 수신받아 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기;
상기 A/D변환기로부터 각 차량별 전력소비 장치들의 시간당 전력량 및 차량내 교류전원기기의 고조파 전류를 나타내는 디지털 신호를 수신받아 평균 전력 소비량과 비교하여 과부하 또는 전기기기의 고장유무를 판단하는 마이크로프로세서; 및
상기 마이크로프로세서와 직렬통신(RS232C)으로 연결되고, 각 차량별 시간당 전력량 및 차량내 교류전원기기의 고조파 전류를 나타내는 데이타를 수신받아 관리서버의 데이타베이스에 저장하고, 각 차량별 전기기기의 전력소모량을 관리하는 EMS(Energy Management System) 소프트웨어가 설치된 컴퓨터;
를 포함하는 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전력 검출기는,
교류(AC) 또는 직류(DC) 계통별로 차량별로 구분하여 교류 또는 직류 전기기기의 전압을 검출하는 전압 검출부; 및
교류(AC) 또는 직류(DC) 계통별로 차량별로 구분하여 교류 또는 직류 전기기기의 전류를 검출하고, 고조파 전류를 검출하는 전류 검출부;
를 포함하는 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전력 검출기는,
차량내에 교류 또는 직류 계통별로 각 차량별 전력소비장치들에 AC 전력 검출기 또는 DC 전력 검출기를 사용하는 것을 특징으로 하는 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 AC 전력 검출기 또는 상기 DC 전력 검출기는 전력선 통신(PLC)을 통해 상기 전력량 분석기와 연결하는 각 차량별로 설치된 PLC 어댑터를 더 포함하는 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전력검출기는,
차량별 견인구동기(M)를 별도로 그룹으로 나누고 전압과 전류를 측정하고, 견인구동기(M)를 제외한 나머지 전원장치들을 장치 ID로 구분하여 동일 장치별로 개별적으로나 그룹으로 설정하여 AC 또는 DC 전원 계통별로 각 차량에 설치된 전력소비 장치들의 전압과 전류를 측정하여 전력을 검출하는 것을 특징으로 하는 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 컴퓨터에 설치된 EMS 소프트웨어는,
상기 철도전기차량 내부의 각 차량별로 AC/DC 계통별 전력소비장치들의 전압, 전류를 검출하고, 각 차량의 전력소비장치들의 전력소비량을 합산하여 총 전력 소비량을 산출하고, 실시간으로 측정된 전력량을 데이터베이스에 저장하여, 고장진단 여부와 기기고장을 판단하고, 낙후된 전장품 등의 에너지 관리, 철도전기차량 연비(소비전력/km)에 대한 데이터를 관리하고, 계통별 부하(전등, 견인전동기 등)에 대한 실시간 소비전력 전력량 측정 및 관리하며, 소비전력 분석을 통한 부하별 고장분석 및 수명예측 기능을 제공하는 것을 특징으로 하는 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 컴퓨터에 설치된 EMS 소프트웨어는,
차량 ID로 객실을 구분하고, AC110V를 전원을 사용하는 각 차량의 견인전동기(M)로 그룹화하여 소요 전압과 전류를 측정하고, AC440V, AC220V/AC100V, DC100V의 사용전원별로 각 차량별 장치 ID로 구분하여 사용전압별/동일 장치별로 개별적으로 또는 그룹화하여 교류(AC) 및 직류(DC) 계통별로 전기기기의 소요 전압과 전류를 측정하여 전력을 검출하고, 총전력사용량을 산출하며, 차량별 분류된 장치 ID에 따라 각 차량을 구분하여 계통별(AC, DC)로 차량전원기기의 기준치(평균 전력 소모량)보다 전력소요량이 많으면 과부하 또는 낙후된 전장품으로 판단하여 고장진단, 및 장비 교체 시기를 결정하는 데이타를 제공하는 것을 특징으로 하는 철도전기차량의 전력량 측정 에너지 관리 장치.