ISS 1975-8359(Print) / ISS 2287-4364(Online) The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 64, o. 11, pp. 1631~1638, 2015 http://dx.doi.org/10.5370/kiee.2015.64.11.1631 철도전력관제시스템을위한운영자훈련용시뮬레이터설계에관한연구 A Study on the Design of the Operator Training Simulator for Power Monitor and Control System in the Railway System 조윤성 * (oon-sung Cho) Abstract - This paper describes the design methodology of the operator training simulator for power monitor and control system in the railway system. In power system, the purpose of energy management system was to monitor, control, and analyze the performance of generation and transmission system based on H/W and S/W. etwork analysis applications provide a clear picture of power system characteristics using state estimation, power flow and short circuit analysis. In this respect, the operator training system in the railway system should be equipped with the methodology of these systems. First, the proposed database structure in the railway system was introduced. Then the overall structure of operator training system based on railway analysis applications was proposed. Finally, a methodology to verify the performance of the developed applications was described. Key Words : EMS, Railway system, Power flow, Operator training simulator 1. 서론최근 IT 산업의발전으로인해높은신뢰도를갖는철도시스템의전력감시및제어시스템에대한중요성이증대되고있다. 기존의철도시스템과 IT 기술의접목은열차운행및제반시스템등의전체상황을관리및통제하는종합관제센터뿐만아니라철도해석시스템의고도화를가능하게하고있다. 국내에서운영중인종합관제센터의기능중전철 전력감시시스템을통한전력계통상의변전소와지하철전력공급을감시하는것은매우중요한요소이다. 철도시스템의종합관제센터와유사한전력계통의계통운영시스템도국내전력계통의안정적이고경제적인운영을위해에너지관리시스템을구축하여운영하고있다. 에너지관리시스템은스카다및데이터베이스, 발전응용프로그램, 전력계통해석응용프로그램및급전원훈련시스템으로구성되어있다. 개별응용프로그램은온라인데이터를주기적으로취득하여자동발전제어, 경제급전, 상태추정, 조류계산, 상정사고해석및고장계산해석등을수행하여전력계통급전원에다양한정보를제공하고있다. 이런관점에서철도시스템의운영자훈련시뮬레이터도에너지관리시스템과같이구축할필요가있다. 종합관제시스템운영자의조작오류가발생하면상당한규모의사회적손실이생겨날수있기때문에철도시스템의안정적인 * Corresponding Author : Department of Electronic and Electrical Engineering, Catholic University of Deagu, Korea E-mail : philos@cu.ac.kr Received : September 30, 2015; Accepted : October 17, 2015 운영을위하여운영자의체계적인훈련이필요하며정상시, 사고발생시, 복구시등에대한반복적인훈련이필요하다. 운영자훈련시스템은철도데이터를기반으로다양한해석이가능한플랫폼으로구성되어있어야하며시나리오편집이가능하도록편집기가구축되어있어야한다. 지금까지이러한운영요원훈련을위해다양한연구노력이있었다. 참고문헌 [1-9] 에서는전기철도시스템의해석기법으로많이사용되는폐로해석법및마디해석법등에대한연구에대해소개하였다. 그러나신재생에너지등이포함된철도전력관제시스템의모의시스템을개발하기위해서는정밀한해석알고리즘이필요하다 [5]. 철도시스템에대한데이터베이스설계, 토폴로지처리및 ewton-rapshon 기법의조류해석등에관한연구가필요하다 [9]. 본논문에서는직류급전시스템을모의할수있는운영자훈련용시뮬레이터개발에대해설명하였다. 우선철도시스템의다양한전력설비를공통으로연결할수있는데이터베이스모델을구축하였다. 강인한계층구조의데이터베이스를기반으로복잡한철도시스템의교류및직류시스템해석기법을소개하였다. 다음으로입력데이터생성응용프로그램설계및정합성검증방안을제안하였다. 2. 운영자훈련시뮬레이터 2.1 시뮬레이터전체구조그림 1의철도시스템에대한운영자훈련시뮬레이터는 Stand- Copyright c The Korean Institute of Electrical Engineers 1631 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution on-commercial License (http://creativecommons.org/ licenses/by-nc/3.0/)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
전기학회논문지 64 권 11 호 2015 년 11 월 SCADA 실시간데이터베이스 실시간데이터복사저장케이스열기 Simulator 운영자훈련데이터베이스 제어 결과 훈련원콘솔 모의프로그램관리 그림 1 전력흐름중점의철도시스템구성도 Fig. 1 Structure of railway system w.r.t power flow 토폴로지처리 조류해석 다양한기능 그림 3 운영자훈련시뮬레이터구조도 Fig. 3 Structure of operator training simulator 그림 2 철도운영자훈련시스템의데이터흐름도 Fig. 2 Data flow of operator training simulator in railway system Alone 환경의전용컴퓨터에구축하여운영자가편리하게해석할수있게구축할수있다. 이를위해서는스카다의데이터취득기능을대체하는입력데이터생성프로그램이필요하다. 그림 2에서보는바와같이운영자훈련시뮬레이터를위한입력데이터생성은다음과같은특징을갖고있어야한다. MMI 그래픽페이지를통한제어명령에대해입력데이터생성시뮬레이터프로그램은이를수신하고이에대한 FeedBack 정보를 Host에전송하여제어성공을모의할수있도록한다. 입력데이터생성시뮬레이터프로그램을통해운영자는 Point 값을변경하고이를상위에 Host에전송시켜아날로그변화등에대한 SCADA 시스템의동작을모의할수있다. 차량이동에대한계통변화를모의하기위해운영자는입력데이터생성시뮬레이터프로그램을통해운행차량의대수를입력하거나화면상에서운행차량의위치를이동시킬수있으며각경우에대해운영자는시뮬레이션명령을내릴수있다. 시뮬레이션명령을운영자가지시할때마다입력데이터생성시뮬레이터는차량의위치에따른전기적특성을고려하여 DC전차선의전류와전압을계산하고이에따른 AC 계통각지점의전압 / 전류를계산한다. 계산된결과중 Point 정보로상위에전송할내용은입력데 이터생성시뮬레이터가전송하는 Packet 형태로상위시스템에전송하여 SCADA 시스템의 Point 정보변경및알람이발생하도록한다. 시뮬레이션의수행은사용자가입력데이터생성시뮬레이터프로그램을통해시뮬레이터명령을지시한경우외에도운영자가일반 MMI를통해개폐기및차단기의상태를변경하는제어명령을내려계통이변경된경우에도수행되어야한다. 운영자훈련시뮬레이터는운영자에게일상적인전력계통운영절차를학습하게하며, 계통사고와같은다양한비상상황시나리오를통하여실제운전환경의적응력을향상시킬수있다. 훈련시뮬레이터는 On-Line 상태의계통데이터를기반으로전력계통모의프로그램, 훈련이벤트프로그램및사용자조작화면을사용하여모의운전할수있는시스템으로구축되어있다. 그림 3의훈련시뮬레이터시스템의모의환경은다음과같은특징을갖고있다. 모의운전이나사고분석시시뮬레이터의결과는실제운용중인철도시스템과동일한상태의전압, 전력조류및다양한계통상태를출력하는기능을제공하기위해실제시스템과동일한계통을구성한다. 시뮬레이터의입력데이터는스카다에서저장된정보또는이전에저장된정보를입력으로사용한다. 응용프로그램은사용자목적에맞게수행된다. 시뮬레이터는토폴로지및조류계산기법을이용하여전력계통을모의하는기능을수행한다. 조류계산에서수행된정보가다른응용프로그램의입력으로사용된다. 조류계산의해가부정확하다면다른용용프로그램의정밀도가감소한다. 시나리오편집기등을통해사전에상정고장을입력할수있으며, 응용프로그램은생성된시나리오를기반으로수행된다. 운영자가다양한사고를설정할수있는편리한화면을제공하며, 모의결과를직관적으로확인할수있는화면을제공한다. 시뮬레이터는시간의흐름에따라응용프로그램이수행된다. 1632
Trans. KIEE. Vol. 64, o. 11, OV, 2015 그림 4 운영자훈련시뮬레이터모의절차 Fig. 4 Simulation procedure of operator training simulator 2.2 시뮬레이터모의절차앞절에서언급한바와같이운영자훈련시뮬레이터는교류시스템및직류시스템으로구성된철도시스템에대해온라인데이터를취득받아운영및해석이수행된다. 운영자훈련시뮬레이터는스터디모드에서수행되며조류계산수행결과를입력데이터로활용하여수행된다. 그림 4의훈련시뮬레이터시스템모의절차는다음과같은특징을갖고있다. 운영자훈련시스템은훈련시작후타입스탭에따라지정된시간까지모의된다. 실시간데이터또는저정된데이터를입력데이터로사용후사용자가조작한정보 ( 아날로그 / 디지털 ) 들을반영하여한셋 (set) 의데이터를구성한다. 아날로그값은전압, 유효및무효전력의값을의미하며, 디지털은차단기상태정보를의히마한다. 시나리오편집기를통해시간별발생가능한항목을상세하게모델링할수있다. 구성된데이터셋을활용하여전기적해석을수행한다. 단선도는역사계통에대해 One-line diagram 형태로표출한형태이다. 3. 훈련용시뮬레이터설계 3.1 철도시스템구조그림 5에서보는바와같이철도시스템은역사내 AC측의수 변전소단선도와 DC측의직류철도로구성되어있다. 일반적으로 AC측은한국전력공사로부터전력을수전받기때문에등가회로로구성할수있지만역사내의다양한특성을반영하기위해서는상세모델링이필요하다. AC측의설비모델링요소는다음과같다. 발전기 / 분산전원 / 부하 / 조상설비 : 단자하나인설비 변압기 / 선로 : 단자가두개인설비 부스바 : 설비를공통으로연결해주는설비 차단기 (VCB): 설비와설비를연결해주는설비, 부스바연결하는타이차단기는 ormal Open DC측의설비모델링요소는다음과같다. 정류기 : AC를 DC로변환하는설비 철도차량 : 가변부하또는정밀부하로설계 분산전원 : DC측에설치할분산전원 3.2 데이터베이스구축일반적인에너지관리시스템의데이터베이스는계층및비계층구조로구성되어있다. 비계층구조는데이터의출력과관련된정보를포함하고있으며, 계층구조는오프라인으로구성되는선로의임피던스, 차단기의구성등을나타내고있다 [10]. 계층구조는데이터가트리형태로조직화되어반복적인부모-자식관계를표현한다. 이와같은계층구조를바탕으로철도시스템의데이터베이스를그림 6과같이구축하였다. 그림 6에서인젝션은발전기, 부하, 조상설비등단자가 1개인전력설비를동일한테이블에저장해둔형태이며, 브렌치는선로및변압기등단자가 2개 철도전력관제시스템을위한운영자훈련용시뮬레이터설계에관한연구 1633
전기학회논문지 64 권 11 호 2015 년 11 월 그림 5 철도시스템구성도 Fig. 5 Configuration of railway system 표 1 데이터베이스상세예시 Table 1 Detail description of database 순번 지역 지시자 순번 정거장 하위상위링크링크 1 A 1 1 가 2 1 2 B 4 2 나 3 1 3 다 0 1 4 라 5 2 그림 6 철도시스템의데이터베이스 Fig. 6 Database of railway system 인전력설비를동일한테이블에저장해둔형태이다. 모선의의미는전기적으로동일한전기적레벨을갖는전력설비를의미한다. 일반적인전력설비는물리적인노드및차단기로모델링되어있으며, 이를전기적으로해석하기위해서는전기적인모선으로변환해야한다. 토폴로지처리를통해모선, 인젝션및브랜치정보들이생성된다. 그림 6의계층구조는다음과같이설명할수있다. 예를들어 A 지역에속한특정한정거장을찾을경우 A 지역은해당지역의첫번째 가 정거장을지시하며, 가 정거장은 나 정거장을지시하며, 마지막정거장은지시를하지않게되면 A 지역의모든정거장을찾을수있다. 위내용을표로나타내면표 1과같다. 표 1에서보는바와같이 A 지역의지시자 1 은해당지역 에속한정거장의첫번째를가리키며, 정거장의하위링크는해당지역의다른정거장을지시한다. 마지막으로상위링크는해당정거장의상위에있는해당지역을가리키는지시자이다. 그림 6에서보는바와같이해당철도시스템의운영지역에서부터정거장또는차량기지, 전압, 노트, 차단기, 발전기등의설비가계층구조로구성되어있다. 본논문에서제안된철도데이터베이스구조의장점은다음과같다. 계층구조로구성함에따라설비의검색이빠르다. 설비간의연결정보를찾기쉽다. 전기적해석에필요한모선정보와설비간의연결정보를확인할수있다. 강인한데이터베이스구조에따라응용프로그램의연산속도가빠르다. 3.3 AC/DC 하이브리드해석훈련용시뮬레이터의특징은역사는 AC 조류계산을수행하고 1634
Trans. KIEE. Vol. 64, o. 11, OV, 2015 그림 7 하이브리드해석방법 Fig. 7 Methodology of hybrid simulation 정해진시점에 AC 역사로전송하면 AC측은해당정보를바탕으로부하모델링을수행한다. 차량이설치된경계모선을중심으로 AC 조류계산을수행한해당모선의전압과전류를 DC 측에전송한다. 위과정을반복적으로수행한다. 그러나정밀한분석또는사고발생시에는 Serial 데이터교환기법을활용하여데이터를교환한다. 4. 시뮬레이터응용프로그램및검증방안설계 4.1 입력데이터생성응용프로그램설계 그림 8 역학적해석에따른철도시스템해석 Fig. 8 Analysis of railway system w.r.t dynamic characteristic DC의차량은 DC 조류계산을통해계산후지정된시점에데이터를교환한다. 우선데이터를교환하는방법은다음과같다. Parallel 교환 : 정해진시간마다데이터를교환하는기법이다. 정상상태에서는해당기법을이용할수있다. Serial 교환 : 사고가발생하거나정밀하게해석하고자하는시점에서데이터를교환하는기법이다. 그림 7에서보는바와같이 DC측에서차량의부하를계산후 철도시스템에대한운영자훈련용시뮬레이터는 AC 및 DC 시스템해석을위해토폴로지처리, 조류계산, 상정사고해석, 고장계산, 분산전원영향평가, 정류기부하예측등의다양한응용프로그램으로구성되어있다. 역사내의수 변전설비들에대해고장용량평가, 상정고장에따른조류및전압평가등을수행할수있다. 그러나역사내해석시직류철도차량자체는고정부하로모델링한후해석하기때문에정밀한해석결과를얻을수없다. 직류철도차량에대한역학적및전기적해석이수행되어야시뮬레이터의정밀한입력데이터를생성할수있다. 그림 9의훈련용시뮬레이터구축을위한입력데이터생성응용프로그램은다음과같이수행된다. 단계 1) 철도데이터베이스로부터데이터를입력받는다. 단계 2) 철도시스템에대한해석을위해서는 AC측해석과 DC측해석으로구분하여해석한다. AC측을해석하기위해서는 DC 철도부하가필요하기때문에우선 DC 측에대한해석을우선수행한다. DC 측은표 2의입력데이터를바탕으로시간에따른철도부하및 Conductance 행렬을기반으로직류전압및전류를계산한다. 직류데이터와 AC 데이터전송시간이되 철도전력관제시스템을위한운영자훈련용시뮬레이터설계에관한연구 1635
전기학회논문지 64 권 11 호 2015 년 11 월 철도데이터베이스 토폴로지처리 역학적해석 차량부하모델링 사고발생? 고장반영 조류계산수행 Conductance 행렬구성 수렴? 직류전압계산 전류갱신 전압, 전류, 조류계산 직류철도전압계산 수렴? DC 전송시간? AC 전송시간? 모의시간? 차량부하전력계산 종료 그림 9 입력데이터생성프로그램순서도 Fig. 9 Procedure of program for creating input data 표 2 역학적해석을위한입력데이터 Table 2 Input for dynamic characteristic 구분 데이터분류 상세데이터 운전시간표 역정보 표준운전곡선역간거리, 역간운전동작조건커브곡률반경, 커브구간위치및구배구배크기, 구배구간위치트랙조건 제한속도 곡류및구배조건에따른제한속도 동작특성곡선견인력곡선, 제동력곡선차량공차중량, 전동기효율, 인버터조건차량데이터효율, 기어효율 대한조류계산을수행한다. 단계 6) AC 해석결과를다시 DC 시스템으로전송후단계 1로이동한다. DC 측은 AC측으로받은경계모선의전압을바탕으로 DC 시스템을해석한다. 그림 9에서보는바와같이입력데이터생성응용프로그램은 AC 시스템해석과 DC 시스템해석을반복적으로수행하며데이터를상호교환하면서정밀한해석을수행한다. 그러나역학적정보를이용하여차량을해석하여철도차량부하를계산하는것은쉽지않으며 TPS(Train Performance Simulation) 등과연동하여구축하는것이바람직하다. 그림 10에서보는바와같이 DC 시스템에대한정밀한해석뿐만아니라정류기부하에대한 면해당경계모선의정보를 AC측에전송한다. 단계 3) AC측은 DC측에서받은직류철도부하의유효전력을바탕으로무효전력성분을아래와같이계산한다. Q = Pdc * tanθ (1) 여기서위상각 (θ) 를계산해야하나다양한정보를입력받을경우는계산가능하나없을경우에는일반적으로 tanθ를 0.6-0.65로사용한다. 단계 4) AC 시스템은조류계산을수행하기위해토폴로지처리를수행하여 AC 시스템의전기적모선을생성한다. 단계 5) 전기적모선과철부부하를바탕으로 AC 시스템에 그림 10 정류기부하누적 Fig. 10 Accumulation of load connected rectifier 1636
Trans. KIEE. Vol. 64, o. 11, OV, 2015 그림 11 파일기반의철도시스템데이터 Fig. 11 Railway system data based on file 그림 12 PSS/E 기반의철도시스템데이터 Fig. 12 Railway system data based on PSS/E 누적을통해서철도부하를계산할수있다. 그림 10에서 Smothing 기법은데이터누적에활용할수있으며, 데이터누적시현재값에 30% 의가중치를주고누적값에 70% 의가중치를할당한상태에서누적할수있다. 4.2 정합성검증절차설계입력데이터생성응용프로그램의정합성을검증하기위해서는다음과같은절차를수행한다. 단계 1) 그림 11에서보는바와같이시험계통을구성하여파일로데이터베이스를구축한다. 단계 2) 구축된파일데이터베이스를기반으로입력데이터생성응용프로그램을수행한다. 단계 3) 그림 12에서보는바와같이시험계통에대해 PSS/E 등을활용하여데이터를구축하여조류계산등을수행한다. 단계 4) 단계 2) 와단계 4) 의정합성을검증한다. 단계 5) 정합성오차가기준범위를초과시알고리즘및입력데이터를수정한다. 단계 6) 정합성검증이완료시계통규모를증대하여모의한다. 파일기반의정합성검증은온라인상으로대규모의시뮬레이 터를구축하기이전에개별적인기능의정합성을시험하는것이목적이다. 윈도우파일기반의데이터베이스의장점을활용하여개별응용프로그램의정합성을향상시킬수있다. 또한응용프로그램의기능을정밀하게검증하기위해서는다양한해석시나리오가필요하다. 시나리오 1) 데이터입출력 : 철도시스템에대해응용프로그램의입출력기능을검증한다. 시나리오 2) 전기적모선생성 : 차단기로구성된철도시스템을전기적모선으로변환하느기능을검증한다. 시나리오 3) 직류시스템해석 : 직류시스템의역학적해석및전기적해석의결과를검증한다. 시나리오 4) 교류시스템해석 : 역사내의교류시스템에대해조류계산을바탕으로결과를검증한다. 5. 결론본본문은철도시스템의전력관제시스템에연동가능한운영자훈련용시뮬레이터구축을위한사전설계에대해소개하였다. 시뮬레이터는온라인환경에서발생가능한이벤트에대해사전에동일하게모의후대책방안구축을사전에훈련하는것이목적이다. 이를위해철도시스템설비를공통으로연결할수있는데이터베이스모델을제안하였다. 그리고훈련시스템의입 철도전력관제시스템을위한운영자훈련용시뮬레이터설계에관한연구 1637
전기학회논문지 64 권 11 호 2015 년 11 월 력데이터를생성할수있는응용프로그램설계및정합성검증방안을제안하였다. 제안된시뮬레이터설계를바탕으로추후정밀한해석을진행하고자한다. 감사의글이논문은 2014년도정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된기초연구사업임 (o. 2014 R1A1A1005554) 이논문은 2013년산업통상자원부의재원으로한국에너지기술평가원 (KETEP) 의지원을받아수행한연구과제입니다. (o. 20131020000100) of Electrical Engineers, Vol. 59, o. 1, pp. 76-81. 2010. 01. [9] oon-sung Cho, Hansang Lee, Gilsoo Jang, Development of AC/DC Hybrid Simulator for Operator Training Simulator in Railway System, J. Electr. Eng. Technol., Vol. 9, o. 1, pp. 52-59, Jan. 2014 [10] oon-sung Cho, Sang-un un, Development of the contingency analysis program of Korean energy management system, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 59, o. 2, pp. 232-241. 2010.02. References 저자소개 [1]. Cai, M.R. Irving, S.H. Case, Iterative techniques for the solution of complex DC-rail-traction system including regenerative braking, IEEE Proc. Gener. Transm. Distrib., Vol. 142, o. 5, pp. 445-452, Sep. 1995 [2] T.K. Ho,.L. Chi, J. Wang, K.K. Leung, L.K. Siu, C.T. Tse, Probabilistic load flow in AC electrified railways, IEE Proc. Electric Power Applications, Vol. 152, o. 4, pp. 1003-1013, Jul. 2005 [3] Hansang Lee, Development of a ovel Powerflow Algorithm for Energy Storage Optimization in DC Electric Railway Systems, Ph. D. Thesis, Korea University, 2010 [4] S.V. Raygani, A. Tahavorgar, S.S Fazel, B. Moaveni, Load flow analysis and future development study for an AC electric railway, IET Electrical Systems in Transportation, Vol. 2, o. 3, pp. 139-147, Sep. 2012 [5] Hansang Lee, oonsung Cho, Hyungchul Kim, Hosung Jung, Study for power management system using regenerative energy in electric railway systems, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 63, o. 1, pp. 191-196, 2014. 01 [6].-S. Tzeng, R.-. Wu,. Chen, Unified AC/DC power flow for system simulation in DC electrified transit railways, IEE Proc. Electric Power Applications, Vol. 142, o. 6, pp. 345-3547, ov. 1995 [7].-S. Tzeng,. Chen, R.-. Wu, A detailed R-L fed bridge converter model for power flow studies in industrial AC/DC power systems, IEEE Trans. Industrial Electronics, Vol. 42, o. 5, pp. 531-538, OCT. 1995 [8] Joorak Kim, Jung-Hoon Kim, Development of integrated simulator for AC traction power supply system, The Transactions of the Korean Institute 조윤성 (oon-sung Cho) 1977년 7월 5일생. 2008년고려대대학원. 전기공학과졸업 ( 공박 ). 2012년 LS산전연구소책임연구원. 현재대구가톨릭대학교전자전기공학과조교수. E-mail : philos@cu.ac.kr 1638