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과제기본정보

철도 급전계통 실시간 모의 시스템 기술 개발4년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 철도기술연구사업 과제번호 21RTRP-B146034-04
국가과학표준분류 1순위 전기 전자 | 중전기기 | 보호 감시장치 적용분야 교통/정보통신/기타 기반시설
2순위 전기 전자 | 중전기기 | 송배전 설비 실용화대상여부 실용화
3순위 전기 전자 | 중전기기 | 전력변환기기 과제유형 개발
과제명 철도 급전계통 실시간 모의 시스템 기술 개발
주관연구기관 한국철도공사
총괄연구 책임자 성명 이병곤
소속 한국철도공사 직위 부장
기관 대표번호 042-615-4656 FAX 02-361-8542
총 연구기간 2018-04-01 ~ 2022-09-30
당해연도 연구기간 2021-01-01 ~ 2022-09-30

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
4차년도 3,256,000,000 100,440,000 781,960,000 882,400,000 4,138,400,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ○ 전기철도 구간이 전국적으로 확대됨에 따라 철도 급전계통과 부하인 차량의 사고장애가 지속적으로 발생하고 있으며 전력을 공급하는 급전계통이 서로 복잡하게 연계
되고 다양한 종류의 열차가 운행되어 열차의 안전운행을 위한 계통운영 환경이 복잡해지고 있음
○ 최근 수서~평택 개통 등 전기철도 구간 확대(2019년: 90%)에 따라 전기설비가 전국적으로 방대하게 설치되어 있음( 2017년 코레일 변전소 312개소, SS,SP,SSP 포함)
○ 전기철도 급전회로는 철도차량의 전력변환장치에 의해 고조파가 발생하여 통신유도장해, 신호회로에 좋지 않은 영향을 끼치며 보호계전기 오동작 및 고조파 공진현상
등으로 열차운행에 지장을 주고 있음
○ 철도용 변압기, 전력품질보상설비 등 새로운 설비가 개발되었을 때 전기철도 환경에 사전 검증방법이 없어 기본적인 자체시험만 시행한 후 열차가 운행하는 선로에
설치하여 사고장애를 초래하는 경우도 간혹 발생하고 있음
○ 전기설비는 IT 도입 등에 따라 점차적으로 복잡？전자화되고 있으며 눈에 보이지 않은 전기 관련 사고장애가 지속적으로 증가하고 있음(최근 5년 평균: 18건)
○ 전기를 동력으로 하는 철도차량, 변전설비, 전력품질 보상장치 등 제어기가 적용된 다양한 설비들의 현장계통 적용 시 사전 발생할 수 있는 사고 발생 가능성 및 계통
영향 등의 문제점들이 사전 검증 되지 않고 있으며, 보호계전기의 정정 및 보호용 계통설비의 성능 검증이 부족하며, 실계통 적용을 통한 설비검증은 시험품 설치에
따른 많은 시간과 비용이 소요되며 사고발생 위험성 등이 상시 존재함
○ 기존의 철도 전력해석프로그램은 차량의 특성곡선을 활용한 오프라인 해석으로 차량의 동적특성을 반영하지 못하고 있음. 따라서 실시간 시뮬레이터를 통해 차량의
동적특성을 도출하고 이를 반영한 실시간 전력해석기법 도출이 필요함
○ 또한, 급전장애 발생 시 보호계전기의 사고데이터 분석 등을 수작업으로 확인하여 원인 분석을 하고 있는 실정이며, 상시 열차가 운행하고 있어 사고원인에 대한 재차
검증은 곤란한 실정임, 또한 사고원인을 정확히 알 수 없는 사고가 종종 발생하고 있지만 원인규명의 어려움으로 인하여 이에 대한 재발방지 대책을 마련하지 못하고
있는 실정임
○ 신규 전기철도 노선 설계하거나 기존 운행구간에서 열차 운행계획이 변경되는 경우 해당노선의 열차 운행상황을 고려한 정밀한 시뮬레이션 부재로 열차운행에 필요한
전력설비 용량, 고조파 등에 대한 적정 설계 검증이 마련되어 있지 않음
○ 급전계통 사고 발생 시 기존 사고 현상을 정확하게 모의하여 사고원인 규명을 통해 대책 마련이 필요함에 따라 사고분석 및 원인규명에 필요한 시뮬레이션 시스템의
개발이 필요함
○ 실제 제품이 투입될 계통과 유사한 모델에 제품의 제어기 및 보호계전기의 실시간 시뮬레이터를 적용한 HIL- Test를 통해 다양한 상황에서의 정상동작 확인 및 문제
발생 가능성 유무, 계통 전력품질을 확인할 필요가 있음
○ 철도용 시뮬레이터를 구축하면,전기설비 문제점 사전 확인이 가능함에 따라 사고장애 감소에 따른“안전한 철도구현”이 가능함
최종목표 ○ 전기철도 구간의 전기사고 발생 시 나타나는 현상을 실제 환경과 유사하게 모의하여 전기적 현상 검증과 사고 원인을 분석할 수 있고, 신규 급전시스템 구축시 적정
용량의 사전 산정을 통한 건설비 절감이 가능한 전기철도 모의 시스템 개발

- 전기철도 급전계통 실시간 해석을 위한 시뮬레이터 구축, 급전계통설비 모델링 및 모델 검증
* 시뮬레이터 시스템 구축 및 검증
* 시뮬레이터 해석모델(S/W) 개발

- 실시간 시뮬레이터를 활용한 응용기술 개발
* 보호설비(보호계전기, 고장점표정장치) 검증기술 개발
* 제어기(고조파필터, SVC 등) 검증기술 개발
* 전기철도 급전 사고장애 분석·해석기술 개발
* 설비용량 검증 및 열차최적운용방안 기술 개발
* 급전시스템 오취급 방지를 위한 휴먼에러 방지 기술 개발
연구내용 및 범위 ○ [1세부] 철도 급전계통 실시간 해석용 시뮬레이터 구축 및 모델링

- 교류 및 직류계통에서의 과도현상 해석이 가능하고 확장성이 있는 실시간 모의시스템 개발
- 철도 급전계통 실시간 모의시스템 해석모델(S/W) 개발
* 전기철도 차량 및 인프라 단위설비별 정적/동적 해석모델 개발

○ [2세부] 실시간 시뮬레이터 활용기술 개발

- 보호설비(보호계전기, 고장점표정장치) 검증기술 개발
- 제어기(고조파필터, SVC 등) 검증기술 개발
- 전기철도 급전 사고장애 분석·해석기술 개발
- 기존, 신규 변전설비 및 전차선로의 설비용량 검증 기술 개발
- 열차(EL) 최적운용방안 도출을 위한 해석모델 개발
- 전기설비 성능검증 및 차량운전에 따른 전력품질(고조파, 불평형률, 역률, 전기효율 등) 분석 기법 개발
- 급전계통 운영상황별 전력품질 예측
- 신규 추가설비 도입 시 시뮬레이션을 활용한 적정성 분석

① 개발 목표
- (1세부)협동연구기관(한국철도기술연구원)
* 전기철도 급전시스템 실시간 모의를 위한 실시간 H/W 시뮬레이터 규모 산정
* 실시간 H/W 시뮬레이터 구축을 위한 제반 사항 검토 및 작성

- (1세부)공동연구기관(국가철도공단)
* 전기철도용 제품 기능 시험 현황 조사
* 전기철도 부하 특성 조사

- (1세부)위탁연구기관(고려대학교 산학협력단)
* 실시간 시뮬레이션 환경 구축을 위한 직/교류 철도시스템 철도차량 모델 구축 방안 연구

- (2세부)주관연구기관(한국철도공사)
* 1,2세부 상호 연구범위 및 기능 조정
* 열차(EL) 최적운용방안 도출을 위한 해석모델 개발(위탁)
* 신규 전기설비 도입 시 시뮬레이션을 활용한 적정성 분석기법 개발(위탁)

- (2세부)공동연구기관 1(엔텍월드㈜)
* 사고 종류별, 유형별 모델링 개발
* 고장점표정장치 검증용 모델링 개발
* 1세부와 연계하여 고장점 성능검증용 모델개발
* 급전계통 유형별, 사고유형별 모델개발
* 보호계전기 보호특성 분석
* 사고 종류별, 유형별 보호특성 분석
* 보호계전기 보호요소 별 보호특성 분석
* 보호계전기간 보호협조특성 분석
* 고장점 표정방식별 표정특성 분석
* 리액턴스방식(LDN2의 표정특성 및 사고위치별 리액턴스 특성 분석
* 흡상전류방식 표정특성 및 사고위치별 흡상전류특성 분석
* 표정방식별 장단점 분석
* 사고 유형별 계전기 동작특성 파악
* 보호협조, 정정의 적정성, 보호요소 파악
* 표정방식별 고장점표정장치 검증방안 제시

- (2세부)공동연구기관 2(㈜파워닉스)
* 제어기 검증 시스템 제작 및 자체시험
* 각 제어기 수정 및 재 제작
* 제어기 제어용 소프트웨어(DSP, FPGA 등) 및 제어 HMI 프로그래밍(2차)
* 개발 제어기 및 연계시스템이 적용된 시스템 제작 및 자체시험
* 실시간 시뮬레이터와의 통신 기능 검증
* 제어기 검증 시스템 성능시험
* 제어기 검증 시스템과 실시간 시뮬레이터간의 HIL-Test 성능 시험
* 현장기기 및 실측데이터와의 비교를 통한 성능검증

- (2세부)공동연구기관 3(인텍전기전자㈜)
* 전기철도 급전 사고장애 분석·해석용 H/W, S/W, HMI 2차 제작
* 1차 제작된 H/W, S/W, HMI 설계 수정 및 기능 보완
* 전기철도 급전 사고장애 자동분석, 레포팅 등 기능 설계 및 제작
* 전기철도 급전계통 전력품질 예측 방안 도출
* 급전계통 전력품질 측정 결과 및 모델링 결과 비교 분석을 통한 전력품질 예측
* 전력품질 예측 기반 전력품질 강화 방안 도출 및 전력품질보상방안 보고서 작성

- (2세부)공동연구기관 4(㈜디투엔지니어링)
* 전차선 및 조가선 선종 및 정특성 해석
* 전차선 및 조가선 장력, 가고 연구
* 드로퍼 배치 및 표준경간 연구
* 허용 압상량 제한 및 사전이도 크기에 따른 집전성능 영향 예측 연구
* 최대 경간길이 결정방법 연구
* 전차선 높이 및 구배 결정방법 연구

- (2세부)공동연구기관 5(인텍전기전자㈜)
* 휴먼에러 방지 기술 상세설계
* 감시/제어/계측 정보 HMI 기능 상세 설계
* On-line 모드(RTDS 연동), Off-line(개별 동작) 모드의 시나리오 상세 설계
* RTDS 연계(On-line Mode)를 위한 휴먼에러 방지 시스템 통신 테스트 환경 구축
* 휴먼에러방지 서버 구축
* 휴먼에러 방지 시스템 매뉴얼 작성
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
4차년도 라. 4차 연도
① 개발 목표
- (1세부)협동연구기관(한국철도기술연구원)
* 전기철도 급전시스템 실시간 모의를 위한 실시간 H/W 시뮬레이터 규모 산정
* 실시간 H/W 시뮬레이터 구축을 위한 제반 사항 검토 및 작성
- (1세부)공동연구기관(국가철도공단)
* 전기철도용 제품 기능 시험 현황 조사
* 전기철도 부하 특성 조사
- (1세부)위탁연구기관(고려대학교)
* 실시간 시뮬레이션 환경 구축을 위한 직/교류 철도시스템 철도차량 모델 구축 방안 연구
- (2세부)주관연구기관(한국철도공사)
* 시험 가이드라인 작성
* 종합시험결과보고서 작성
* 운용방안보고서 작성
- (2세부)공동연구기관 1(엔텍월드㈜)
* 보호계전기 시험절차서 및 시험결과보고서 작성
* 고장점표정장치 시험절차서 및 시험결과보고서 작성
* 전기철도 고압배전반 보호계전기 검증시험절차서 및 검증시험결과보고서 작성
* 보호설비 공인기관 입회 시험성적서 발급
* 철도용 다기능 IED 시뮬레이터 개발
- (2세부)공동연구기관 2(㈜파워닉스)
* 제어기 시험절차서 작성
* FACTS Scale Down 시제품 제작
* 제어기 검증시스템 활용기술 분석보고서 작성
* 공인기관 입회 시험성적서 발급
* 운용 및 유지보수 매뉴얼 작성
- (2세부)공동연구기관 3(인텍전기전자㈜)
* 사고장애 분석·해석 시스템 성능시험 절차서 작성
* 휴먼에러 방지 프로그램 S/W 등록
* 휴먼에러 방지 기능 절차서 작성
* 공인기관 입회 시험성적서 발급
* 운용 및 유지보수 매뉴얼 작성
- (2세부)공동연구기관 4(㈜디투엔지니어링)
* 시뮬레이션 결과 분석 보고서 작성 		[개발 내용 및 범위]
- (1세부)협동연구기관(한국철도기술연구원)
* 전기철도 급전시스템 모의를 위한 실시간 H/W 시뮬레이터 국내외 현황 조사
* 급전시스템 실시간 모의를 위한 구성요소(전력설비) 선정 및 조사
* 실시간 H/W 시뮬레이터를 활용한 급전시스템의 모의시험 요구사항 작성
* 급전시스템 실시간 모의를 위한 시뮬레이터 구축 규모 산정
* 실시간 H/W 시뮬레이터 구축을 위한 장비도입심의(NFEC 심의 등)

- (2세부)주관연구기관(한국철도공사)
* 1, 2세부 연구개발방향 수립 및 조정(통합, 표준화)
* 산·학·연에서 활용 가능한 시뮬레이터 개발 요구사항 조사 및 분석
* 열차(EL) 최적운용방안 도출을 위한 해석모델 연구(위탁)
* 직류 급전시스템 활용기술 개발(위탁)
* 시험 가이드라인 작성
* 종합시험결과보고서 작성
* 운용방안보고서 작성

- (2세부)공동연구기관 1(엔텍월드㈜)
* 개발 요구사항 조사 및 보호설비 기술 분석
* 검증기술 및 검증설비 요구사항 조사
* 보호설비 설치현황, 시스템 구성, 보호계전기 관련 기술 분석
* 보호설비 검증용 설비 개념 및 상세설계
* 검증설비용 보호설비의 구매 모델, 수량 선정
* 실시간 RTDS 연계장치 내역 산출 및 설계
* 보호계전기, 고장점표정장치, 자동화시스템이 통합된 검증 설비 설계
* 시뮬레이터와 검증설비간 Interface 연계방안 설계

- (2세부)공동연구기관 2(㈜파워닉스)
* 개발 요구사항 및 기술분석
* 요구사항 분석 및 정의
* 개발 가이드라인 작성 및 필요 절차서 조사
* 구현 제어기 선정 및 자료 조사
* 전체 시스템 구성 및 목표사양 정의
* 제어기 검증 시스템 기초 설계
* 전체 시스템 설계 : 제어기 구성, 기능, Rack, 통신방법 등
* 각 제어기별 구현 범위 및 수량 선정
* 연계 시스템 인터페이스 설계
* 제어기 설계 및 제작(1차)
* 광범위 적용 제어기 구현범위 조사 및 기초설계
* 기존 급전계통 적용 제어기 설계(회로도, Artwork 등) 및 구매

- (2세부)공동연구기관 3(인텍전기전자㈜)
* 전기철도 급전 사고장애 분석·해석관련 자료조사 및 설계
* 전기철도 급전 사고장애 실제 데이터 취득 및 사고장애별 특성 분석
* 시뮬레이터 해석모델을 활용한 사고장애 분석·해석을 위한 요구조건 조사/분석 및 기술요건 정립
* 사고장애 분석·해석 시스템의 설계 가이드라인, 절차서, 상세설계서 작성
* 급전계통 운영상황별 전력품질계측
* 급전계통 운영상황(병렬급전, 분리급전, 차량운행 등)별 전력품질 측정 계획 수립 및 측정

- (2세부)공동연구기관 4(㈜디투엔지니어링)
* 급전계통 데이터 기술자료 조사 및 분석
* 전원공급점(한전 공급변전소), 수전선로(지중, 가공) 거리(km), 변전설비 위치, 역사 위치
* 전철변전소의 정상 및 연장급전 범위 등
* 임피던스 데이터 조사
* 전원공급점(한전) 계통 및 수전선로 임피던스, 전철변전소(주변압기, 단권변압기) 임피던스
* 전차선로 임피던스(전차선, 급전선, 레일, 전차선-레일, 전차선-급전선, 레일-급전선 등)
* 투입열차 데이터 조사
* 열차종류(KTX-Ⅰ, KTX-Ⅱ, EMU급행, EMU완행, EL8100, 전동차 등)
* 열차제원(편성당 차량수[량], 중량[ton], 최고 운행속도[km/h], 보조동력[kw], 최대견인력[kN], 전기제동력[kN], 가속도[m/s2], 감속도[m/s2] 등)
* 선로 데이터 조사
* 선로조건(구선조건, 곡선조건)
* 열차운행 데이터 조사
* 운행열차 종별 운행횟수/일, 운행시격, 정차역 등(열차운행 다이아 작성)

- (2세부)공동연구기관 5(㈜비츠로시스 → 인텍전기전자㈜) : 1차연도 작성범위임
* 휴먼에러 방지 기술 분석 및 요구사양 조사
* 요구사양 조사 및 정의
* 개발 가이드라인 작성 및 필요 절차서 조사
* 휴먼에러로 인한 장애사례 수집 및 분석
* 휴먼에러 방지 기술 기본 설계
* 휴먼에러 방지 시스템 구성 및 목표사양 정의
* 통신 연계방안 설계
* 휴먼에러 방지 기술 아키텍처 정의 및 모델링
연구성과 기술적 기대성과 ○ 기술적 측면
- 고장점 표정방식에 따른 표정특성 파악 및 고장점표정능력 향상
- 계통 연계 제어기 검증 기능을 활용한 신 설비 개발 시 기여
- 전력품질 현상 재현 및 개선을 위한 신 설비 연구 능력 배양
- 신규 도입설비 및 기존 운영 중인 주요 기기들의 성능검증을 통한 설비운용의 안전성 확보
- 전기철도 급전 사고장애 분석·해석 장치를 활용하여 사고데이터를 자동 분석하여 사고 재발방지를 위한 대책 수립 기여
- 신규 노선을 설계하거나 기존 계통을 증설할 경우, 변전소 운영조건, 전차선로 및 전철변전소 설계에 활용
- 변전설비 및 전차선로 급전 시뮬레이션 운용으로 전문적인 기술력 확보
- 전차선로 및 전철변전소 설계 검증용 모델 확보
- 구축된 실시간 모의시스템과 연계하여 철도용으로 최적화된 모의훈련 기술개발로 운영자의 휴먼에러 방지 및 운영기술 확보
사회 경제적 파급효과 ○ 경제적ㆍ산업적 측면
- 급전계통 전력설비 제어기 및 보호계전기 인증 시험을 통한 수익 창출
- 전기철도 급전 사고장애 분석·해석 시스템 구축 기술과 더불어 S/W 시뮬레이터의 급전계통 해석 모델 추가 제공하여 국내외 타 철도 운용 기관 및 전력
설비 제작 업체에 판매를 통한 수익 창출 가능
- 전기철도 급전 사고장애 신속한 사고복구를 통해 사고 구간 및 사고 발생 시간을 축소함으로 이로 인해 발생하는 손해 발생 비용 감소 가능
- 변전설비 및 전차선로 급전 시뮬레이션 구축기술로 국내와 타 해외 철도기관에 판매를 통한 수익 창출
- 전문적인 운영 능력이 필요한 전력설비에 대해 모의 훈련을 실시함으로써 훈련 부족 및 조작 미숙으로 인한 재해를 사전에 방지하여 이에 따른 사고 처리
비용을 절감할 수 있음
○ 사회적 측면
- 전기철도 급전사고 대응책 마련을 통한 철도 안전운행 확보
- 전기철도 급전사고의 명확한 원인규명을 통한 사고의 재발방지
- 열차 운행조건 변경 시 사전 용량, 전압, 고조파 등을 사전 예측함으로 안정적이며 효율적인 열차운행 도모
- 변전설비 운용자의 기술수준 및 사고대응능력 향상으로 사고장애에 따른 대국민 교통 불편을 해소 가능
활용방안 ○ 신규 철도용 보호계전기 및 고장점 표정반 도입 전 성능 확인
○ 보호설비 구매 관련 철도분야 보호계전기 구매규격에 반영
○ 철도 급전계통에 적용될 제어기에 대한 사전검증 및 계통 영향성 평가
○ 전기철도 급전계통(AC/DC급전, 전철전력 등)의 사고장애 분석·해석
○ 변전소 인프라 설계 검증용 모델 개발을 통해 향후 국산화 설계프로그램 개발을 위한 기반 마련
○ 변전설비 운영자의 기술수준 및 사고대응 능력 향상
○ 변화하는 전기 철도 운영환경에 대응하여 경제적이며 안정적인 열차 및 에너지 저장장치의 최적운용방안 활용
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 전기철도 시뮬레이터 보호시스템 급전계통 급전사고
영문 electric railway simulator protection system feeder line feeder fault
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