2016 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2016S050 부하차단관점에서의도시철도역사전력부하분석 Analysis of Electric Load in Urban Railway Considering Load Shedding 박종영 *, 허재행 **, 신승권 *, 김형철 * Jong-young Park *, Jae-Haeng Heo **, Seungkwon Shin *, Hyungchul Kim * Abstract Load of a substation consists of car load and station load which includes lighting, heating, ventilation, air-conditioning, lifts, etc. Load shedding is done to reduce the consumption of electricity, and the electric loads are categorized by the possibility of cut out in the substation of urban railway. It is important to analyze the electric load, because it is needed to stably supply electric power with low cost. This paper presents the analysis of electric load in the actual substation of urban railway and the possibility to reduce the electricity fee with demand response market. Keywords : Electric Load, Urban Railway, Load Shedding 초록도시철도부하는전차선부하와역사부하로구분할수있으며, 역사부하는조명, 전열, 동력, 공조등의용도로사용된다. 전력소비절감을위하여부분적인부하차단이이루어지고있는데, 도시철도운영기관은부하의중요도및특성에따라부하차단가능여부를구분하고있다. 역사에대한안정적인전력공급은물론이고추후수요자원시장에도시철도역사가참여할경우의경제성을분석하기위하여도시철도역사의전력부하에대한분석이필요하다. 이논문에서는도시철도역사부하의부하차단가능여부에따른각부하의구성비를정리하고, 전력요금제도및수요자원거래시장제도하에서전력요금비용절감가능성에대해서검토한다. 주요어 : 전력부하, 도시철도, 부하차단 1. 서론 에너지절약및효율화의필요성이높아짐에따라철도분야를비롯한여러분야에서에너지절감을위한활동들이이루어지고있다. 도시철도를비롯한철도분야에서는차량을회생을이용하는방안이라든지, 첨두부하절감을통한전력요금감소를위한연구등이이루어지고있다 [1-3]. 또한우리나라전력소비의효율화를위하여, 빌딩, 아파트, 공장등소비자가아낀전기를모아판매하여수익을창출할수있는수요자원거래시장이운영되고있다. 철도분야에서도에너지소비효율화가필요하며, 이를위해서는우선철도부하의특성을파악하는것이중요하다. 이논문에서는도시철도전력부하의특성을분석하고, 변화하는전력시장환경하에서의효율적전력소비의방안에대해고찰한다. 교신저자 : 한국철도기술연구원광역도시교통연구본부스마트역사연구팀 (jypark@krri.re.kr) * 한국철도기술연구원스마트역사연구팀 ** 장인의공간
2. 도시철도역사부하및전력요금분석 2.1 도시철도변전소부하분석 2.1.1 도시철도변전소부하종류도시철도부하는전차선부하와도시철도역사부하로구분할수있으며, 그중역사부하는그역할에따라다양하게분류된다. 역사부하는역시전등, 전열, 동력, 공조등을담당하는부하와역사설비부하로구분된다. A도시철도역사에서사용하는부하는 Fig. 1과같다. 부하차단과관련하여차단가능여부에따라역사설비부하들의구분이가능하다. 도시철도공사는부하의중요도및특성을고려하여부하차단이가능한부하, 일부가가능한부하, 불가한부하로구분한다. Fig. 1에서는역사설비부하를제외한부하를 흰색 으로구분하였고, 역사설비중, 부하차단이불가한부하를 빨간색 으로, 에스컬레이터와같이짝 (pair) 형태로운영되어필요시일부부하의차단이가능한부하를 파란색 으로, 마지막으로부하의중요도가떨어져유사시부하차단이가능한부하를 노란색 으로구분하였다. 본논문에서는색으로구분한부하의명칭을사용한다. 각부하별용도는다음과같다. 흰색부하는 1,2호계전등, 전열및 3호계동력, 공조등의부하가해당하고, 빨간색부하는전기실 UPS, 조명, 역무실, 무인발매기실, 편의시설, 통신기기, 화재수신반등역사설비중필수부하가해당된다. 복수개로운영되어일부차단이가능한파란색부하는에스컬레이터와같은일부차단이가능한부하가해당되며, 노란색부하는그외역사내광고, 공조, 송풍, 환기등필요시차단하여도큰문제가없는부하이다. 2.1.2 도시철도변전소부하별비율 Table 1은 A역사의 7월각부하별용량을표로정리한것이다. 역사내부하의구분을부 하차단가능여부에따라네가지로구분하고, 부하별사용량비율과전력량요금비율을계산, 비교하였다. Table 1 Amount of load for each type of load shedding possibility 흰색 빨간색 파란색 노란색 전체 사용량 (MWh) 1586.83 52.51 52.51 54.71 1746.56 비율 90.85% 3.01% 3.01% 3.13% 100.00% 전력량요금 ( 백만원 ) 162.84 5.32 5.70 5.83 179.69 비율 90.62% 2.96% 3.17% 3.25% 100.00 % 흰색부하가총부하에서의비율이전력량요금측면과사용량측면모두약 90% 로큰비율로구성되어있음을확인할수있었고, 부하차단이가능한파란색부하와노란색부하의경우모두 3% 내외의비율로구성되어있음을확인할수있었다. 전력량요금과사용량의비율이다른이유는 A 변전소에적용되는요금이계절별, 시간대별로차등부과되는계시별요금제의적용을받고있기때문이다.
Fig. 1 Composition of load in the substation of urban subway Fig. 2 Daily load curve and the unit cost of electricity
Fig. 2는 7월하루중의부하별부하수준과해당시간의게시별요금을나타낸다. 도시철도는요금의적용및계측이 15분단위로이뤄지기때문에하루를 96개의타임스텝으로구분하여도시하였다. 그림을통해시간대별부하수준과그때의각부하별크기를확인할수있다. 또한최대부하시간대, 중부하시간대, 경부하시간대세가지로구분되는게시별요금제의요율을표시하여 ( 각각 191.1원, 109원, 56.1원 ) 전력량요금계산및수준을예상할수있도록하였다. 2.2 도시철도역사부하와외부환경과의상관관계분석 도시철도역사의부하패턴의분석을위해외부환경과부하의상관관계를분석하였다. 고려한외부환경은온도, 습도, 강수량으로각외부환경의변화가부하의패턴변화에어떠한영향을주는지확인하고, 그상관관계에따라진행될부하차단의관련자료로의활용을기대하였다. 만약외부환경의변화와도시철도역사의부하변화와밀접한관련이있을경우, 외부환경의예측을통해부하를예측하고나아가부하차단의신호로사용할수있을것이다. 분석을위해 7월한달간의부하데이터를사용하였고, 해당시간의외부온도, 습도, 강수량의실제데이터를사용하였다. 부하종류별로시간대별부하량과각시간대의온도, 습도, 강수량을분석하였으며, 상관계수분석을통해수치적으로얼마만큼의연관이있는지확인하였다. 각부하별외부환경과의상관계수는아래 Table 2와같다. Table 2 Correlation coefficient of electric load and environment factors 흰색 빨간색 파란색 노란색 전체 Temperature 0.307195 0.35436 0.397986 0.208429 0.31798 Humidity -0.13512-0.19563-0.26628-0.14296-0.15001 Rainfall 0.038282 0.018643 0.024508 0.039996 0.039487 온도, 습도, 강수량과부하별상관계수의평균값은각각 0.317, -0.185, 0.031로뚜렷한양의혹은음의상관관계가있다고보기는어려웠다. 파란색부하의경우온도와 0.398의비교적높은양의상관관계가있다고볼수있는상관계수가나왔으나, 온도가높을수록더높은부하크기가나왔다고보기가어려워이역시부하차단을위한신호로쓰기는어려웠다. 다만복합적으로보았을경우섭씨 25도이상이고습도 50~70% 인경우부하가높게나타나는경향을확인할수있었다. 따라서온도, 습도, 강수량정보를부하차단신호로이용하기에는어려움이있을것으로판단하며, 위정보를복합적으로이용하여, 경험적인운영을하는것이보다나은결과를나타낼것으로보인다.
3. 도시철도역사부하및전력요금 3.1 철도부하와일반전력부하비교분석안정적이고효율적인전력공급을위하여도시철도부하의특징을분석하는것이필요하다. 일반적으로전력계통및전력시장의운영은전력수요와밀접한연관성을가지고있기때문에본논문에서는철도부하와국내전체전력수요를비교, 분석하였다. Fig. 3은 2015년 1월국내전체전력수요와 A 변전소의전력수요를나타낸그림이다. Fig. 3 Comparison between electric loads of normal and urban railway 그림에서볼수있듯철도부하의첨두부하시점이일반전력수요와는다르고, 이특징을이용하면철도부하운영의경제성을높일수있다. 일반적인전력수요는출근이후오전 9 시부터 12시까지첨두부하를보이고, 점심시간 (12시 ~13시 ) 을지나오후시간대인 13시에서 17시까지첨두부하를보여준다. 그림에서는동계부하를사용하였기때문에난방을위해늦은밤에부하가증가하는계절성특성이나타난다. 이런계절적특징이나타나긴하지만전력수요는오전, 오후근무시간대에첨두부하가나타나는쌍봉형태의부하패턴을갖는것이일반적이다. 도시철도부하역시쌍봉형태의부하패턴을갖지만일반적인전력수요와첨두부하시간대가다르다. 도시철도부하는철도의승객수가급격히증가하는출근시간대, 7시부터 9시까지, 그리고퇴근시간대인 19시에서 21시까지첨두부하를나타낸다. 이를통하여하루중시간에따라사람들의이동량또한확인할수있다. 3.2 철도부하와 TOU(Time Of Use) 관계전력요금은전기사용자에게전기사용량혹은시간대에영향을주는유인및신호가된다. 따라서수요반응 (DR, Demand Response) 을통해전기요금이높은부하시간대의부하를줄이거나, 부하를전기요금이낮은부하시간대로이동시켜보다경제적이고안정적인계통운영이가능하도록한다. 하지만전기요금제는국내총전력수요를기반으로하여만들어지고, 도시철도부하는일반적인전력수요패턴과는다른형태를가지기때문에일반전력부하와는
다른운영이필요하다. 도시철도부하의출근시첨두부하가나타나는시간대는일반전력수요첨두부하의이전시점으로도시철도에적용되는요금제역시경부하시간대요금이부과된다. 반대로일반전력의첨두부하가나타나높은요율의요금이적용되는시간대에도시철도부하는비교적낮은부하수준을나타낸다. 이러한특성을이용하여, 도시철도부하는낮고요금이비싼시간대에부하를차단하거나에너지저장장치 (ESS, Energy Storage System) 등을방전하여부하를절감혹은이동시킬수있다. 부하절감은소비자의효용을감소시킨다는단점이있다. 그러나이러한철도부하패턴의특성을이용하여소비자의효용감소를최소로하면서, 전력요금이비싸고수요가많지않은시간대에부하를감소시킬수있다. 에너지저장장치를이용한부하의이동은소비자들의효용을감소시키지않아도된다는장점을가지며, 같은양의전력을사용함에도불구하고경제적으로도이익을얻을수있을것이다. 4. 결론 이논문에서는도시철도전력부하의특성을분석하고그비용을절감할수있는방안을고찰하였다. 이를위하여차단가능여부에따라역사부하를부하차단이불가능한부하, 일부차단이가능한부하, 부하차단이가능한부하로분류했다. 그리고기온, 습도, 강수량등외부환경과부하량과의상관관계는크지않았다. 철도부하는첨두부하가나타나는시점이출퇴근시간대로서일반전력부하와는다른양상을보이며, 이러한특성을이용하여에너지저장장치등을이용한전력요금절감이가능할것이다. 감사의글 본연구는한국철도기술연구원주요사업 (PK1603C) 의연구비지원으로수행되었습니다. 참고문헌 [1] Hansang Lee, Donghee Yoon, Hyungchul Kim, Sung-Kwan Joo, and Hosung Jung, Efficiency Improvement Effect Analysis for Marginal Storage Capacity in DC Electric Railway Systems," Trans. of KIEE, vol.63, no.8, pp. 1159-1163, 2014. [2] Cheon Heon An, Han Min Lee, Gil Dong Kim, and Hi Sung Lee, A Study on Effects of Energy Saving by Applying Energy Storage System," Journal of Korean Society for Railway, vol.12, no.4, pp. 582-589, 2009. [3] Jong-young Park, Hosung Jung, Hyungchul Kim, and Seung-kwon Shin, Capacity Determination of ESS for Peak Load Shaving Based on the Actual Measurement of Loads in the Substation of Urban Railway, Trans. Of KIEE, vol. 63, no. 6, pp. 860-865, 2014.