KR20220063071A - 철도 시설물의 에너지 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 철도 시설물에 설치되는 온도 제어 설비 및 미세먼지 농도 제어 설비를 포함한 전기 설비들, 그리고, 상기 철도 시설물에 구비되는 에너지 저장 시스템(ESS)과 데이터 송수신을 수행하는 통신 모듈, 철도 시설물 에너지 제어 프로그램이 저장된 메모리, 그리고, 상기 메모리에 저장된 철도 시설물 에너지 제어 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하는 철도 시설물의 에너지 제어 시스템을 제고한다. 상기 철도 시설물 에너지 제어 프로그램은, 상기 온도 제어 설비의 출력에 따른 상기 철도 시설물의 내부 온도가 기설정된 범위 내로 설정되는 제1 조건과, 상기 미세먼지 농도 제어 설비의 출력에 따른 상기 철도 시설물 내 미세먼지 농도가 기설정된 범위 내로 설정되는 제2 조건을 충족시키는, 미리 지정된 기간 내 상기 전기 설비들의 첨두 부하들 중 가장 큰 값을 최대 첨두 부하로 결정하고, 상기 미리 지정된 기간 내 시간당 상기 철도 시설물의 전기 사용 요금과 상기 철도 시설물의 전체 부하를 곱한 값들의 총합의 최소값을 산출하도록 구성된다.

Description

철도 시설물의 에너지 제어 시스템 및 방법{ENERGY CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR RAILWAY FACILITIES}
본 발명은 철도 시설물의 에너지 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 철도 시설물의 부하 특성을 고려하여 에너지 저장 시스템과 수요 반응 자원의 협력 운영을 통해 철도 시설물의 에너지를 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
철도 시설물에 이용되는 전기 설비들의 부하 패턴은 전기 사용 요금이 높지 않은 시간대에서 최고점에 도달할 가능성이 있다. 이에 따라, 종래의 피크 감소 알고리즘을 철도 시설물의 에너지 제어 시스템에 그대로 적용하는 경우, 에너지 변화량이 증가하여 철도 시설물의 총 전기 사용 요금이 높아질 수 있는 문제가 있다. 이와 관련하여, 최근에는 수요 반응(DR: Demand-Response)의 개념이 도입됨에 따라, 전기 사용 요금을 줄이기 위한 소비자의 전략이 변경되고 있다. 즉, 단순히 전기를 절약하는 것에서 전기 가격에 따라 비용을 절감하는 것으로 전략이 변경되고 있다. 수요 반응의 예로서, 전기 사용자가 전기 사용 요금이 상대적으로 높은 시간대에는 전력 소모량을 줄이고, 전기 사용 요금이 상대적으로 낮은 시간대에는 전력 소모량을 증가시키는 방법이 있다.
기차역과 같은 철도 시설물의 전기 사용 요금을 줄이기 위해 상술한 수요 반응 전략을 철도 시설물에 적용하는 연구가 활발하게 수행되고 있다. 일 예로서, 철도 시설물에 이용되는 전기에너지 사용 자원을 수요 반응 자원으로 대체하는 것에 대한 연구가 진행되고 있다. 대부분의 연구는 전기 사용 요금 절감에 중점을 두고 있다. 그러나, 철도 시설물에서의 전기에너지 사용량은 이용자의 효용성과 직접적으로 관련이 있다. 즉, 특정 시간대에 높은 전기 사용 요금 부담을 줄이기 위해 철도 시설물의 전기에너지 사용량을 줄이면, 해당 시간대의 철도 시설물 이용자의 효용성이 감소할 수 있다. 특히, 기차역과 같이 폐쇄적인 공간 내에 이용자가 밀집된 경우, 내부 미세먼지 수준과 온도는 이용자의 만족도를 결정 짓는 핵심요소이다. 따라서, 철도 시설물 내 일정 수준 이하의 미세먼지와 쾌적한 온도를 유지하면서 철도 시설물을 운영할 필요가 있다.
한편, 철도 시설물에 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)을 이용하여 철도 시설물의 전력 사용량을 지원하거나 대체할 수 있다. 예컨대, ESS를 철도 시설물에 설치하면, 철도 시설물의 냉난방 시설 및 공기 청정 시설을 그대로 가동하면서도 전기 사용 요금을 줄일 수 있다. 이와 같이, ESS를 철도 시설물에 설치하여, 철도 시설물 이용자의 만족도를 유지하면서 전기 사용 요금을 절약할 수 있다. 다만, 과도한 ESS 사용시 ESS의 열화 및 노화 문제가 발생할 수 있다 따라서, ESS의 배터리 건강 상태(SOH, state of health)를 고려하여 수요 반응 자원과 ESS를 함께 이용한 철도 시설물의 에너지 제어 방법이 요구된다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 철도 시설물의 부하 특성을 고려하여 에너지 저장 시스템과 수요 반응 자원의 협력 운영을 통해 철도 시설물의 에너지를 제어하는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 일 기술적 과제로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 상기한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 이하의 설명으로부터 본 발명의 또 다른 기술적 과제들이 도출될 수 있다.
전술한 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따른 철도 시설물의 에너지 제어 시스템은, 철도 시설물에 설치되는 온도 제어 설비 및 미세먼지 농도 제어 설비를 포함한 전기 설비들, 그리고, 상기 철도 시설물에 구비되는 에너지 저장 시스템(ESS)과 데이터 송수신을 수행하는 통신 모듈, 철도 시설물 에너지 제어 프로그램이 저장된 메모리, 그리고, 상기 메모리에 저장된 철도 시설물 에너지 제어 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함한다. 상기 철도 시설물 에너지 제어 프로그램은, 상기 온도 제어 설비의 출력에 따른 상기 철도 시설물의 내부 온도가 기설정된 범위 내로 설정되는 제1 조건과, 상기 미세먼지 농도 제어 설비의 출력에 따른 상기 철도 시설물 내 미세먼지 농도가 기설정된 범위 내로 설정되는 제2 조건을 충족시키는, 미리 지정된 기간 내 상기 전기 설비들의 첨두 부하들 중 가장 큰 값을 최대 첨두 부하로 결정하고, 상기 미리 지정된 기간 내 시간당 상기 철도 시설물의 전기 사용 요금과 상기 철도 시설물의 전체 부하를 곱한 값들의 총합의 최소값을 산출하도록 구성된다. 상기 최소값은, 상기 제1 조건, 제2 조건 및 상기 철도 시설물의 전체 부하의 값은 상기 최대 첨두 부하에서 상기 ESS의 전력 변환 시스템의 용량을 뺀 값보다 작거나 같게 설정되는 제3 조건을 충족시키도록 결정된다.
또한, 본 발명의 제2 측면에 따른, 철도 시설물에 설치되는 온도 제어 설비 및 미세먼지 농도 제어 설비를 포함한 전기 설비들, 그리고, 상기 철도 시설물에 설치되는 에너지 저장 시스템(ESS)을 이용한 철도 시설물의 에너지 제어 방법은, 상기 온도 제어 설비의 출력에 따른 상기 철도 시설물의 내부 온도가 기설정된 범위 내로 설정되는 제1 조건과, 상기 미세먼지 농도 제어 설비의 출력에 따른 상기 철도 시설물 내 미세먼지 농도가 기설정된 범위 내로 설정되는 제2 조건을 충족시키는, 미리 지정된 기간 내 상기 전기 설비들의 첨두 부하들 중 가장 큰 값을 최대 첨두 부하로 결정하는 1차 최적화 단계와, 상기 미리 지정된 기간 내 시간당 상기 철도 시설물의 전기 사용 요금과 상기 철도 시설물의 전체 부하를 곱한 값들의 총합의 최소값을 산출하는 2차 최적화 단계를 포함한다. 상기 최소값은, 상기 제1 조건, 제2 조건 및 상기 철도 시설물의 전체 부하의 값은 상기 최대 첨두 부하에서 상기 ESS의 전력 변환 시스템의 용량을 뺀 값보다 작거나 같게 설정되는 제3 조건을 충족시키도록 결정된다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 따르면, 철도 시설물의 온도 제어 설비와 미세먼지 농도 제어 설비의 전력 사용량을 줄이지 않으면서 철도 시설물의 전기 사용 요금을 최소화하도록 철도 시설물의 에너지 제어를 수행할 수 있다.
본 발명의 효과들은 상술한 효과들로 제한되지 않으며, 이하의 기재로부터 이해되는 모든 효과들을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 시설물의 에너지 제어 시스템과 철도 시설물의 설비들을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 철도 시설물의 에너지 제어 시스템의 세부 구성을 도시한 블록도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 철도 시설물의 에너지 제어 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않는다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에 나타난 각 구성요소의 크기, 형태, 형상은 다양하게 변형될 수 있다. 명세서 전체에 대하여 동일/유사한 부분에 대해서는 동일/유사한 도면 부호를 붙였다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부" 등은 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여 되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결 (접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(구비 또는 마련)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 "포함(구비 또는 마련)"할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 나타내는 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되며, 구성 요소들의 순서나 관계를 제한하지 않는다. 예를 들어, 이하에서 설명될 제1조건은 제2조건으로 명명될 수 있고, 유사하게 제2조건도 제1조건으로 명명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 시설물의 에너지 제어 시스템(100)과 철도 시설물의 설비들(200, 300)을 도시한 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시된 철도 시설물의 에너지 제어 시스템(100)의 세부 구성을 도시한 블록도이다. 이하에서, 도 1 및 도 2를 참조하여 철도 시설물의 에너지 제어 시스템(100)에 대해 상세히 설명하도록 한다.
철도 시설물의 에너지 제어 시스템(100)은 무선 네트워크를 통해 철도 시설물에 설치된 전기 설비들(200) 및 철도 시설물에 설치된 에너지 저장 시스템(ESS)(300)과 데이터 송수신을 수행한다. 철도 시설물은 기차역과 같은 시설물을 의미하며, 이하에 기재되는 철도 시설물은 모두 동일한 하나의 시설물을 지칭하는 것으로 가정한다.
전기 설비들(200)은 철도 시설물 내 온도를 조절하는 온도 제어 설비(210)와 철도 시설물 내 미세먼지 농도를 조절하는 미세먼지 농도 제어 설비(220)를 포함한다. 예컨대, 온도 제어 설비(210)는 에어컨디셔너 장치와 같은 형태로 구현될 수 있고, 미세먼지 농도 제어 설비(220)는 환기 장치와 같은 형태로 구현될 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 도면에 도시되지 않았으나, 전기 설비들(200)은 철도 시설물 내 습도를 조절하는 습도 제어 설비(도시되지 않음)와 같은 공조 장치뿐만 아니라 기타 철도 시설물 운영에 필요한 다양한 전력 소모 장치들을 더 포함할 수 있다.
철도 시설물의 에너지 제어 시스템(100)은 서버 또는 단말기 형태로 구현될 수 있다. 예컨대, 철도 시설물의 에너지 제어 시스템(100)은 사설(private) 클라우드, 공용(public) 클라우드 또는 하이브리드(hybrid) 클라우드와 같은 형태로 구축될 수 있다. 또한, 철도 시설물의 에너지 제어 시스템(100)은 스마트폰, 스마트워치 및 웨어러블디바이스를 포함하는 다양한 모바일 기기와 같은 형태로 구축될 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다. 철도 시설물의 에너지 제어 시스템(100)이 서버로서 구현되는 경우, 철도 시설물의 에너지 제어 시스템(100)은 SaaS (Software as a Service), PaaS (Platform as a Service) 또는 IaaS (Infrastructure as a Service)와 같은 클라우드 컴퓨팅 서비스 모델에서 동작될 수 있다.
철도 시설물의 에너지 제어 시스템(100)은 외부 장치들과의 데이터 송수신을 수행하는 통신 모듈(110), 철도 시설물의 에너지 제어 시스템(100)에서 구동되는 프로그램을 저장하는 메모리(120). 메모리(120)에 저장된 프로그램을 실행하는 프로세서(130)를 포함하여 구성된다. 철도 시설물의 에너지 제어 시스템(100)은 데이터 베이스(140)를 더 포함할 수 있다.
통신 모듈(110)은 전기 설비들(200)로부터 전송되는 데이터, ESS(300)로부터 전송되는 데이터를 수집하고 전기 설비들(200) 및 ESS(300)의 동작을 제어하는 신호를 각 장치에 전송한다. 또한, 통신 모듈(110)은 철도 시설물 내외의 온도, 습도, 미세먼지 농도와 같은 상태 데이터, 외부 공공기관이 제공하는 공공 데이터, 기후 정보, 철도 시설물 이용객 정보 등을 더 수집할 수 있다. 이러한 통신 모듈(110)은 다른 네트워크 장치와 유무선 연결을 통해 제어 신호 또는 데이터 신호와 같은 신호를 송수신하기 위해 필요한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하는 장치로 구현될 수 있다.
메모리(120)는 철도 시설물 에너지 제어 프로그램을 저장한다. 이러한 메모리는 프로세서(130)가 처리하는 데이터를 일시적 또는 영구적으로 저장하는 기능을 수행한다. 여기서, 메모리(120)는 휘발성 저장 매체(volatile storage media) 또는 비휘발성 저장 매체(non-volatile storage media)를 포함할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
프로세서(130)는 메모리(120)에 저장된 철도 시설물 에너지 제어 프로그램을 실행하되, 프로그램의 실행에 따른 전체 과정을 제어한다. 프로세서(130)는 데이터를 제어 및 처리하는 다양한 종류의 장치들을 포함할 수 있다. 프로세서(130)는 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다. 예컨대, 프로세서(130)는 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙처리장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 형태로 구현될 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
데이터 베이스(140)는 프로세서(130)의 제어에 따라, 철도 시설물 에너지 제어 프로그램에 필요한 데이터, 예컨대, 통신 모듈(110)을 통해 수집되는 각종 정보 및 데이터를 저장한다. 이러한 데이터 베이스(140)는 메모리(120)와는 별도의 구성 요소로서 포함되거나, 또는 메모리(120)의 일부 영역에 구축될 수도 있다.
상술한 철도 시설물 에너지 제어 프로그램은, 미리 지정된 기간 내에서 제1 조건 및 제2 조건을 충족시키는 전기 설비들(200)의 첨두 부하들 중 가장 큰 값을 최대 첨두 부하로 결정한다. 또한, 철도 시설물 에너지 제어 프로그램은, 상기 미리 지정된 기간 내 제1 내지 제3 조건을 충족시키는 시간당 상기 철도 시설물의 전기 사용 요금과 상기 철도 시설물의 전체 부하를 곱한 값들의 총합의 최소값을 산출한다. 여기서, 미리 지정된 기간은 24시간일 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 조건은 온도 제어 설비(210)의 출력에 따른 철도 시설물의 내부 온도가 기설정된 범위 내로 설정되는 것을 의미한다. 제2 조건은 미세먼지 농도 제어 설비(220)의 출력에 따른 상기 철도 시설물 내 미세먼지 농도가 기설정된 범위 내로 설정되는 것을 의미한다. 제3 조건은 상기 철도 시설물의 전체 부하의 값은 상기 최대 첨두 부하에서 ESS(300)의 전력 변환 시스템의 용량을 뺀 값보다 작거나 같게 설정되는 것을 의미한다. 상기 철도 시설물의 전체 부하는, 온도 제어 설비(210)의 출력, 미세먼지 농도 제어 설비(220)의 출력, 전기 설비들(200) 중 온도 제어 설비(210)와 미세먼지 농도 제어 설비(220)를 제외한 전기 설비들의 출력, ESS(300)의 충전 전력 및 ESS(300)의 방전 전력을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 철도 시설물 에너지 제어 프로그램은, 상기 미리 지정된 기간 내 상기 첨두 부하의 값을 Q회(Q는 2보다 크거나 같은 자연수) 산출할 수 있다. 또한, 철도 시설물 에너지 제어 프로그램은, Q번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값이 Q-1번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값보다 작거나 같은 경우, Q-1 번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값을 상기 최대 첨두 부하로 설정할 수 있다. 이와 달리, 철도 시설물 에너지 제어 프로그램은, Q번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값이 Q-1번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값보다 큰 경우, Q 번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값을 상기 최대 첨두 부하로 설정할 수 있다.
철도 시설물 에너지 제어 프로그램이 최대 첨두 부하를 결정할 때 일 예로서, 제1 조건에 따라, 철도 시설물의 내부 온도는 20 °C 이상 22 °C이하의 범위를 만족할 것이 요구될 수 있다. 또한, 제2 조건에 따라, 철도 시설물 내 미세먼지 농도는 0㎍/m³ 이상 80㎍/m³ 이하의 범위를 만족할 것이 요구될 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 조건을 충족시키도록 온도 제어 설비(210) 및 미세먼지 농도 제어 설비(220)의 출력이 결정될 수 있다. 여기서, 철도 시설물 에너지 제어 프로그램은 24시간 내에 상기 제1 및 제2 조건을 충족시키는 전기 설비들(200)의 첨두 부하들을 1시간 마다 측정하고 이 중 가장 큰 첨두 부하 값을 최대 첨두 부하로 결정할 수 있다.
철도 시설물 에너지 제어 프로그램의 실행에 이용되는 수식들은 다음과 같다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
식(1)을 통해 매시간 철도 시설물의 부하에서 사용되는 전체 전력의 합의 제곱을 최소화할 수 있다. 식(1)에서
Figure pat00005
은 온도 제어 설비(210)의 출력을 나타내고,
Figure pat00006
은 미세먼지 농도 제어 설비(220)의 출력을 나타내고,
Figure pat00007
는 전기 설비들(200) 중 온도 제어 설비(210)와 미세먼지 농도 제어 설비(220)를 제외한 전기 설비들의 출력을 나타낸다. n은 관심 날짜, N은 한달의 날짜 수로 설정될 수 있다. t는 시간으로 설정되고, T는 미리 지정된 기간 예컨대, 24시간으로 설정될 수 있다.
위의 식(2)는 상술한 제1 조건과 관련된다. 식(2)는 기 측정된 철도 시설물의 내부 온도(
Figure pat00008
)와 현재 측정된 철도 시설물의 내부 온도 간의 변화량(
Figure pat00009
)의 합이, 기설정된 철도 시설물의 허용 가능 최소 내부 온도(
Figure pat00010
)보다 크거나 같고, 기설정된 철도 시설물의 허용 가능 최대 내부 온도(
Figure pat00011
)보다 작거나 같아야 함을 의미한다. 다시 말해, 식 (2)는 기 측정된 철도 시설물의 내부 온도(
Figure pat00012
)와 현재 측정된 철도 시설물의 내부 온도 간의 변화량(
Figure pat00013
)의 합인 현재 측정된 철도 시설물의 내부 온도가 기설정된 범위 이내로 설정될 것을 의미한다. 이렇게 측정된 철도 시설물의 내부 온도에 따라 온도 제어 설비(210)의 출력이 결정될 수 있다.
위의 식(3)은 상술한 제2 조건과 관련된다. 식(3)는 기 측정된 미세먼지 농도(
Figure pat00014
)와 현재 측정된 미세먼지 농도 사이의 미세먼지 농도 변화량(
Figure pat00015
)의 합이, 기설정된 철도 시설물의 허용 가능 최소 내부 미세먼지 농도(
Figure pat00016
)보다 크거나 같고, 기설정된 철도 시설물의 허용 가능 최대 내부 미세먼지 농도(
Figure pat00017
)보다 작거나 같아야 함을 의미한다. 다시 말해, 식 (3)은 기 측정된 미세먼지 농도(
Figure pat00018
)와 현재 측정된 미세먼지 농도 사이의 미세먼지 농도 변화량(
Figure pat00019
)의 합인 현재 측정된 철도 시설물 내 미세먼지 농도가 기설정된 범위를 이내로 설정될 것을 의미한다. 이렇게 측정된 철도 시설물 내 미세먼지 농도에 따라 미세먼지 농도 제어 설비(220)의 첨두 부하가 결정될 수 있다.
위의 식(4)는 철도 시설물 에너지 제어 프로그램에 의해 최대 첨두 부하를 산출하는데 사용된다. 최대 첨두 부하는, 일정 주기마다 측정되는 온도 제어 설비(210)의 출력(
Figure pat00020
),미세먼지 농도 제어 설비(220)의 출력(
Figure pat00021
) 및 전기 설비들(200) 중 온도 제어 설비(210)와 미세먼지 농도 제어 설비(220)를 제외한 전기 설비들의 출력(
Figure pat00022
)을 합한 값들 중 가장 큰 값으로 설정된다.
위의 식 (5)는 시간당 철도 시설물의 전기 사용 요금과 철도 시설물의 전체 부하의 곱들의 합의 최소값을 산출하기 위한 식을 나타낸다.
Figure pat00023
는 시간당 철도 시설물의 전기 사용 요금을 의미하고,
Figure pat00024
는 상술한 제3 조건과 관련하여 철도 시설물의 전체 부하를 의미한다. 즉 위의 식 (6)을 참조하면 전체 부하(
Figure pat00025
)는 온도 제어 설비(210)의 출력(
Figure pat00026
) 미세먼지 농도 제어 설비(220)의 출력(
Figure pat00027
), 전기 설비들(200) 중 온도 제어 설비(210)와 미세먼지 농도 제어 설비(220)를 제외한 전기 설비들의 출력(
Figure pat00028
). ESS(300)의 충전량(
Figure pat00029
) 및 ESS(300)의 방전량(
Figure pat00030
)을 포함한다.
위의 식(7)에서
Figure pat00031
은 철도 시설물 에너지 제어 프로그램에 의해 산출된 최대 첨두 부하에서 ESS(300)의 전력 변환 시스템의 용량을 뺀 값을 의미한다.
위의 식(8)은 상술한 제3 조건과 관련하여, 전체 부하(
Figure pat00032
)가 철도 시설물 에너지 제어 프로그램에 의해 산출된 최대 첨두 부하에서 ESS(300)의 용량을 뺀 값(
Figure pat00033
)보다 작거나 같아야 함을 의미한다.
위의 식 (9) 및 (10)은 철도 시설물 에너지 제어 프로그램이 시간당 철도 시설물의 전기 사용 요금과 철도 시설물의 전체 부하의 곱의 합들의 최소값을 구하는데 사용되는 추가 조건들과 관련된다.
Figure pat00034
는 ESS(300)의 최대 충전 및 방전 용량을 나타내고,
Figure pat00035
는 n 일의 t 시간에서의 충전량
Figure pat00036
는 n일의 t시간에서의 방전량을 나타낸다.
Figure pat00037
는 정수값(1 또는 0)을 나타낸다. ESS(300)가 충전 상태인 경우
Figure pat00038
는 1이고, ESS(300)가 방전 상태인 경우
Figure pat00039
은 0이 된다. 이와 같이, 위의 식 (9) 및 (10)에 따라 추가 조건들이 도출될 수 있다.
위의 식 (11) 내지 (13) 역시 철도 시설물 에너지 제어 프로그램이 시간당 철도 시설물의 전기 사용 요금과 철도 시설물의 전체 부하의 곱의 합들의 최소값을 구하는데 사용되는 추가 조건들과 관련된다. 식 (11)은 ESS(300)의 충전 비율(%)을 나타내는 SOC(state of charge) 제한에 대한 것으로,
Figure pat00040
는 SOC의 최소 제한 조건,
Figure pat00041
는 SOC의 최대 제한 조건을 각각 의미한다.
Figure pat00042
는 n 일의 t 시간에서의 ESS(300)의 충전 상태(%)를 나타낸다. 위의 식 (12)는 일일 경계 조건으로, ESS(300)의 구동이 시작되는 지점(
Figure pat00043
)과 ESS(300)의 구동이 끝나는 지점(
Figure pat00044
)에서 동작 용량(
Figure pat00045
)의 20%를 유지할 것을 의미한다. 여기서 ESS(300)의 구동이 끝나는 지점의 t값이 96으로 설정되어 있으나 이는 다양하게 변경될 수 있다. 위의 식 (13)은 ESS(300)의 배터리 효율(
Figure pat00046
)을 고려한 SOC 제한 조건을 나타낸다.
Figure pat00047
은 ESS(300)의 용량을 나타내는 것으로,
Figure pat00048
와 같다. 이와 같이, 철도 시설물 에너지 제어 프로그램이 철도 시설물의 전체 부하와 시간당 전기 사용 요금의 곱의 합을 최소화하기 위한 다양한 조건들이 추가될 수 있다.
상술한 조건들에 따라 철도 시설물의 에너지를 제어하는 경우, 철도 시설물 이용자의 만족도를 결정짓는 핵심 요소인 철도 시설물 내 적정 온도와 미세먼지 농도를 유지하면서 철도 시설물의 전기 사용 요금을 최소화할 수 있다. 즉, 상술한 본 발명의 실시예에 따르면, 철도 시설물의 온도 제어 설비와 미세먼지 농도 제어 설비의 전력 사용량을 줄이지 않으면서 철도 시설물의 전기 사용 요금을 최소화하는 방안을 도출할 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 철도 시설물의 에너지 제어 방법의 순서를 도시한 흐름도이다. 이하에서 도 3 및 도 4를 참조하여 철도 시설물의 에너지 제어 방법을 설명하도록 한다.
철도 시설물의 에너지 제어 방법은 앞서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 철도 시설물의 에너지 제어 시스템(도 1의 100)에 의해 수행될 수 있다. 예컨대, 철도 시설물의 에너지 제어 방법은 상술한 철도 시설물 에너지 제어 프로그램에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 앞서 도1 및 도 2를 참조하여 설명한 철도 시설물의 에너지 제어 시스템(도 1의 100)에 대한 설명은 이하의 철도 시설물의 에너지 제어 방법에도 동일하게 적용될 수 있다.
본 실시예에 따른 철도 시설물의 에너지 제어 방법은, 1차 최적화 단계(S310)와 2차 최적화 단계(S320)를 포함한다.
1차 최적화 단계(S310)는 미리 지정된 기간 내 전기 설비들(200)의 첨두 부하들 중 가장 큰 값을 최대 첨두 부하로 결정하는 단계이다. 1차 최적화 단계(S310)에서 산출되는 첨두 부하의 값은 온도 제어 설비(210)의 출력에 따른 철도 시설물의 내부 온도가 기설정된 범위 내로 설정되는 제1 조건과, 미세먼지 농도 제어 설비(220)의 출력에 따른 철도 시설물 내 미세먼지 농도가 기설정된 범위 내로 설정되는 제2 조건을 충족시키도록 결정된다.
1차 최적화 단계(S310)는, 상기 미리 지정된 기간 내 상기 첨두 부하의 값을 Q회(Q는 2보다 크거나 같은 자연수) 산출하는 단계(S310)와, Q번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값이 Q-1번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값보다 작거나 같은 경우, Q-1 번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값을 상기 최대 첨두 부하로 설정하고, Q번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값이 Q-1번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값보다 큰 경우, Q 번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값을 상기 최대 첨두 부하로 설정하는 단계(S320)를 포함할 수 있다.
2차 최적화 단계(S13)는 상기 미리 지정된 기간 내 시간당 철도 시설물의 전기 사용 요금과 철도 시설물의 전체 부하를 곱한 값들의 총합의 최소값을 산출하는 단계이다. 2차 최적화 단계(S13)에서 산출되는 총합의 최소값은 상기 제1 조건 및 제2 조건뿐만 아니라 제3 조건을 충족시키도록 설정된다. 제3 조건은 철도 시설물의 전체 부하의 값이 상기 최대 첨두 부하에서 ESS(300)의 전력 변환 시스템의 용량을 뺀 값보다 작거나 같게 설정될 것을 의미한다. 여기서, 철도 시설물의 전체 부하는, 온도 제어 설비(210)의 출력, 미세먼지 농도 제어 설비(220)의 출력, 전기 설비들(200) 중 온도 제어 설비(210)와 미세먼지 농도 제어 설비(220)를 제외한 전기 설비들의 출력, ESS(300)의 충전 전력 및 ESS(300)의 방전 전력을 포함할 수 있다. .
이상에서 설명한 철도 시설물의 에너지 제어 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 매체 및 통신 매체를 모두 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.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (7)

  1. 철도 시설물의 에너지 제어 시스템에 있어서,
    철도 시설물에 설치되는 온도 제어 설비 및 미세먼지 농도 제어 설비를 포함한 전기 설비들, 그리고, 상기 철도 시설물에 구비되는 에너지 저장 시스템(ESS)과 데이터 송수신을 수행하는 통신 모듈;
    철도 시설물 에너지 제어 프로그램이 저장된 메모리; 및
    상기 메모리에 저장된 철도 시설물 에너지 제어 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하고,
    상기 철도 시설물 에너지 제어 프로그램은,
    상기 온도 제어 설비의 출력에 따른 상기 철도 시설물의 내부 온도가 기설정된 범위 내로 설정되는 제1 조건과, 상기 미세먼지 농도 제어 설비의 출력에 따른 상기 철도 시설물 내 미세먼지 농도가 기설정된 범위 내로 설정되는 제2 조건을 충족시키는, 미리 지정된 기간 내 상기 전기 설비들의 첨두 부하들 중 가장 큰 값을 최대 첨두 부하로 결정하고, 상기 미리 지정된 기간 내 시간당 상기 철도 시설물의 전기 사용 요금과 상기 철도 시설물의 전체 부하를 곱한 값들의 총합의 최소값을 산출하도록 구성되며,
    상기 최소값은,
    상기 제1 조건, 제2 조건 및 상기 철도 시설물의 전체 부하의 값은 상기 최대 첨두 부하에서 상기 ESS의 전력 변환 시스템의 용량을 뺀 값보다 작거나 같게 설정되는 제3 조건을 충족시키도록 결정되는, 철도 시설물의 에너지 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 철도 시설물 에너지 제어 프로그램은,
    상기 미리 지정된 기간 내 상기 전기 설비들의 첨두 부하를 Q회(Q는 2보다 크거나 같은 자연수) 산출하고,
    Q번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값이 Q-1번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값보다 작거나 같은 경우 Q-1 번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값을 상기 최대 첨두 부하로 설정하고, Q번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값이 Q-1번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값보다 큰 경우 Q 번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값을 상기 최대 첨두 부하로 설정하도록 구성되는, 철도 시설물의 에너지 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전체 부하는,
    상기 온도 제어 설비의 출력, 상기 미세먼지 농도 제어 설비의 출력, 상기 전기 설비들 중 상기 온도 제어 설비와 상기 미세먼지 농도 제어 설비를 제외한 전기 설비들의 출력, 상기 ESS의 충전 전력 및 상기 ESS의 방전 전력을 포함하는 것인, 철도 시설물의 에너지 제어 시스템.
  4. 철도 시설물에 설치되는 온도 제어 설비 및 미세먼지 농도 제어 설비를 포함한 전기 설비들, 그리고, 상기 철도 시설물에 설치되는 에너지 저장 시스템(ESS)을 이용한 철도 시설물의 에너지 제어 방법에 있어서,
    상기 온도 제어 설비의 출력에 따른 상기 철도 시설물의 내부 온도가 기설정된 범위 내로 설정되는 제1 조건과, 상기 미세먼지 농도 제어 설비의 출력에 따른 상기 철도 시설물 내 미세먼지 농도가 기설정된 범위 내로 설정되는 제2 조건을 충족시키는, 미리 지정된 기간 내 상기 전기 설비들의 첨두 부하들 중 가장 큰 값을 최대 첨두 부하로 결정하는 1차 최적화 단계; 및
    상기 미리 지정된 기간 내 시간당 상기 철도 시설물의 전기 사용 요금과 상기 철도 시설물의 전체 부하를 곱한 값들의 총합의 최소값을 산출하는 2차 최적화 단계를 포함하며,
    상기 최소값은,
    상기 제1 조건, 제2 조건 및 상기 철도 시설물의 전체 부하의 값이 상기 최대 첨두 부하에서 상기 ESS의 전력 변환 시스템의 용량을 뺀 값보다 작거나 같게 설정되는 제3 조건을 충족시키도록 결정되는, 철도 시설물의 에너지 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 1차 최적화 단계는,
    상기 미리 지정된 기간 내 상기 첨두 부하의 값을 Q회(Q는 2보다 크거나 같은 자연수) 산출하는 단계; 및
    Q번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값이 Q-1번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값보다 작거나 같은 경우 Q-1 번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값을 상기 최대 첨두 부하로 설정하고, Q번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값이 Q-1번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값보다 큰 경우 Q 번째로 산출된 상기 첨두 부하의 값을 상기 최대 첨두 부하로 설정하는 단계를 포함하는, 철도 시설물의 에너지 제어 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전체 부하는,
    상기 온도 제어 설비의 출력, 상기 미세먼지 농도 제어 설비의 출력, 상기 전기 설비들 중 상기 온도 제어 설비와 상기 미세먼지 농도 제어 설비를 제외한 전기 설비들의 출력, 상기 ESS의 충전 전력 및 상기 ESS의 방전 전력을 포함하는 것인, 철도 시설물의 에너지 제어 방법.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 철도 시설물의 에너지 제어 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 비일시적 컴퓨터 판독가능 기록매체.
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