1. 서 론
도시철도 직류 급전시스템은 전력공급사업자인 한국전력공사로부터 교류 22.9kV을 도시철도 변전소에서 수전 받아 전동차에 전력을 공급하기 위해 정류기를 이용하여 전동차용 전력인 직류 1,500V 전력과 조명, 냉난방설비 등과 같이 역사전기설비용 전력인 교류 삼상 6,600V(또는 22,900V) 전력을 변환하여 공급하고 있다. 최근 들어 직류 급전계통에서 에너지 절감을 위해 차량 회생시 발생하는 회생에너지 및 태양광 등 신재생에너지를 연계하여, 전력사용량 절감 및 피크 저감을 위한 기술이 연구되고 있다. 차량의 회생에너지 및 신재생에너지를 직류 급전계통에 연계하는 경우에는 각 개별 피더 및 새로운 에너지원에 대한 정확한 직류 전력량의 계측이 요구된다. 하지만 직류 급전계통은 직류 1,500V의 고전압 계통으로, 고압 대전류 환경 조건에서도 정확한 직류 전력량 계측이 필요하지만 기존의 미터기는 단순한 전압, 전류 정보만을 제공하며, 원격지와의 양방향 통신이 어려워 실시간으로 여러 곳의 전압, 전류 등의 정보를 비교 판단할 수 없다. 그리고 계측기 형태의 미터기는 원하는 지점의 전압, 전류정보를 측정하여 정보를 제공할 수 있으나 가격 및 장기간 설치하여 운영하기에는 안전성이 떨어지는 단점도 있다. 또한 패널 형태나 계측기 형태의 미터기는 서버와 정보를 교환하기 위해서 유선방식으로 통신망을 구축하고 있으나 기존에 설비에 추가되는 미터기의 통신망을 추가적으로 구성하는데 어려움이 있다.
따라서 본 논문에서는 기존 도시철도 직류 고압 대전류 전력계통에서 적용 가능한 직류용 센서 및 직류용 스마트미터의 요구사항을 제시하고 이를 만족하는 시작품을 개발하였다. 또한 개발된 직류용 센서 및 스마트미터의 개별 성능시험 및 시스템 성능시험을 통해 직류용 스마트미터링 시스템의 성능을 확인하였다.
2. 직류 급전계통에서의 직류 계측설비 및 설치위치
도시철도 직류급전계통의 경우에 에너지 절감을 위해 최근 들어 전동차의 회생에너지를 급전계통에서 활용하기 위한 회생인버터 및 회생에너지 저장장치의 적용 및 도시철도에서의 태양광, 풍력 등 신재생에너지원을 연계하는 기술이 적용되고 있다. 이러한 다양한 에너지원의 통합적인 관리를 통한 전력사용량 절감 및 피크 저감을 위해서는 기존의 직류 급전계통의 각 모선별, 설비별 전력량 계측과 새로 추가되는 에너지원에 대한 전력량의 계측이 가능하여야 하며, 철도 에너지관리시스템에서 원하는 목적에 따라 전압, 전류 및 전력량을 적절히 활용하기 위한 계측 정보의 전송이 가능해야 한다.
하지만 기존의 직류급전계통의 경우에는 원하는 모든 모선 및 설비에 전압, 전류센서가 부착되어 있지 않으며, 또한 미터기도 단순한 전력량 표시 기능만을 가진 미터기가 배전반 외함에 패널 형태로 부착되어 있어 원하는 기능을 수행 하는 데에는 어려움이 있다. 또한 기존 설치된 센서 및 미터기의 정보를 통합 관리하기 위한 시스템 구성도 되어 있지 않다.
따라서 그림 1와 같이 직류 고전압 계통에서 원하는 지점에 추가적으로 직류 전압, 직류 전류를 측정하기 위해서는 직류 급전계통에서의 전압, 전류의 측정 범위를 만족해야 하며, 전류 센서의 경우 기존 모선을 분리할 수 없기 때문에 코어 분리형 구조여야 한다. 또한 원격지로부터 직류 전압, 전류를 취득하기 위해서는 원격지의 서버와의 양방향 통신이 가능한 미터기의 설치가 요구되며, 유, 무선 통신에 무관하게 전체적인 계측 오차율이 기존의 유선 시스템의 오차율 범위를 만족해야 한다[1-2]. 그림 1은 직류 급전계통에서의 회생에너지 및 신재생에너지 적용시 직류 센서 및 직류 스마트미터 설치 위치를 제시한 사례이다.
그림 1직류급전계통 및 직류용 센서 설치위치 Fig. 1 DC power feeding system and installation point of DC sensor
3. 직류용 센서 및 직류용 스마트미터
3.1 직류용 센서 요구사항 및 시작품
직류 급전계통에서 원하는 지점의 전압 및 전류량을 계측하기 위한 센서는 기존 시설물에 설치를 해야 하므로 센서 구조 및 전기적 절연 등 여러 전기적, 구조적 요구사항 등을 만족해야 한다.
전류센서의 경우 Shunt방식과 같이 모선을 분리하는 방식은 정밀도는 높으나 기존 설비의 추가적으로 설치하기 위해서는 모선을 분리할 수 없어 기존 설비에 적용이 어렵다. 따라서 기존 시스템에 적용하기 위해서는 그림 2와 같이 홀소자 방식의 코어 분리형 구조의 센서 구조를 나타낸다. 본 논문에 입력전류(In)가 마그네틱 코어를 통과하면 1차 자기장을 유도하며, 이 자기장에 의해 홀소자에서 전압값을 출력하는 방식을 채택하였다.
전압센서의 경우에도 그림 3과 같이 기존의 직류 배전반 내부의 협소한 공간에 설치할 수 있어야 하며, 절연 파괴로 인한 1차측의 고전압이 2차측으로 유입되는 것을 방지하기 위해 1차측과 2차측의 절연을 확보하기 위한 절연변압기를 활용한 분리절연방식이 적용되어야 한다. 고전압은 1차측의 +HT, -HV에 직접 인가하고, 인가된 전압은 절연을 담당하는 절연 트랜스포머를 통해 센서의 2차측에 전송되며, 2차측 에서는 저전압의 신호를 증폭하여 전류신호로 변환하여 출력을 내보낸다.
그림 2홀효과 방식의 직류 전류센서 구조 및 시작품 Fig. 2 DC current sensor structure and prototype of Hall effect
그림 3절연변압기 방식의 직류 전압센서 구조 및 시작품 Fig. 3 DC voltage sensor configuration and prototype of isolating transformer
표 1는 도시철도 직류 급전계통에서 적용하기 위한 센서 의 전압 및 전류 측정범위 및 2차측 출력 등의 사양을 제시하였다. 전압의 측정범위는 국제 규격인 KS C IEC 60850에 서 제시하고 있는 직류 1,500V(정격전압) 시스템의 최대, 최소 허용전압을 만족하도록 선정하였으며, 전류의 측정 범위는 국내 도시철도 변전소에 설치된 급전계통 보호용 CT의 전류 측정범위를 기준으로 최대 14kA로 선정하였다[3].
3.2 직류용 스마트미터 요구사항 및 시작품
도시철도에 적용되는 직류용 스마트미터는 직류 전압, 전류 및 전력량을 계측할 수 있는 전력 미터링 기능과 향후 시간대별 부하의 피크 전력을 감시 제어하기 위한 전력량 계측 기능 등을 보유하여야 한다. 특히, 도시철도의 각 피더별 전력량을 측정하는 경우에는 변전소로부터 전동차로 전류를 공급하는 정방향 전류와 전동차의 정지시에 발생되는 회생에너지를 타 피더의 전동차에 공급하기 위한 역방향 전류를 구분하여 계측하는 기능을 가지고 있어야 한다. 계측 오차는 일반적인 스마트미터 수준을 유지하여야 하며, 기존의 시설물에 설치되어 원격으로 감시할 수 있어야 하므로 유선뿐만 아니라 무선 방식으로 데이터를 전송할 수 있는 기능을 갖춰야 한다. 표 2는 직류용 스마트미터의 사양을 제시한 것이며, 그림 4는 직류용 스마트미터 시작품과 RF통신을 통해 원격에서 스마트미터의 계측 정보를 서버로 전송하기 위한 수신기를 나타낸 것이다[4-5]. RF통신을 통해 무선 통신거리는 1km까지 가능하며, 일반적으로 변전소의 최대 거리가 50m 내외이므로 무선으로 원격지에 데이터 전송이 가능한 거리이다.
표 1직류용 전압센서 및 전류센서 사양 Table 1 Specification of DC voltage and current sensor
표 2직류용 스마트미터 사양 Table 2 Specification of DC smart meter
그림 4직류용 스마트미터 시작품 및 무선수신장치 Fig. 4 Prototype of DC smart meter and wireless data receiver
4. 성능시험 및 평가
4.1 전압센서 및 전류센서 계측오차 시험
표 1에서 제시한 직류용 전압센서의 성능을 검증하기 위해서 5개의 전압센서 시료를 제작하여 측정값 범위의 직류 0V~2,000V의 전압을 20％ 간격으로 인가하여 출력값을 측정하였다. 그림 5는 직류 전압센서의 성능시험을 나타낸 사진이다.
그림 5직류용 전압센서 성능시험 Fig. 5 Performance test of DC voltage sensor
표 3는 직류용 전압센서의 성능시험 결과를 나타낸 것으로 측정 구간 내에서 최대 0.32％ 오차가 발생하였으며, 전체적으로 평균 0.17％ 오차가 발생하여 직류 전압센서의 허용범위 내의 성능을 만족함을 확인하였다.
표 3전압센서 성능시험 결과 Table 3 Performance test output of DC voltage sensor
직류 전류센서의 경우에도 그림 6과 같이 직류 전류센서의 정밀측정 범위내의 측정 정밀도를 확인하기 위해 5개의 전류센서 시료를 제작하여 0A~±2,000A의 전류를 20％ 간격으로 인가하여 출력값을 측정하였다. 실질적인 직류 급전 계통에서는 역행시 변전소로부터 전동차로 정방향의 전류가 흐르지만 전동차 회생시에는 전동차로부터 변전소로 역방향의 전류가 흐르므로 전류의 방향을 고려하여 센서의 성능을 검증하였다.
그림 6직류용 전류센서 성능시험 Fig. 6 Performance test of DC current sensor
표 4는 직류용 전류센서의 성능시험 결과를 나타낸 것으로 정밀측정 구간 내에서 정방향의 경우에는 최대 –0.51％ 가, 역방향의 경우에는 최대 -0.83％ 오차가 발생하였으며, 전체적으로 평균 0.21％ 오차가 발생하였다. 이는 실제 직류 급전계통에서 역행전류 및 회생전류 발생으로 인한 전류의 방향과 무관하게 성능을 만족함을 확인하였다.
표 4전류센서 성능시험 결과 Table 4 Performance test output of DC current sensor
4.2 직류용 스마트미터 계측오차 시험
직류용 스마트미터의 계측 성능을 평가하기 위해서 직류 전압센서와 전류센서의 출력값을 입력으로 하여 입력 대비출력 성능을 평가하였다. 전압센서의 비율이 2,000V/50mA 이므로 50mA 입력시 2,000V 출력될 수 있도록 하였으며, 전류센서의 경우에도 ±2,000A/±4V이므로 ±4V 입력시 ±2,000A가 출력되도록 설정하여 3개의 직류용 스마트미터 시료에 대해 계측 성능을 평가하였다. 그림 7는 직류용 스마트미터에 대한 전압 계측시험과 전류 계측시험을 나타낸 사진이다.
그림 7직류용 스마트미터 전압/전류 성능시험 Fig. 7 Voltage/current performance test of DC smart meter
표 5는 직류용 스마트미터 전압계측 시험 결과이며, 표 6 는 전류계측 시험 결과이다. 전압계측의 경우 전압센서의 입력 범위 내에서 3개 시료에 대한 평균 오차가 최대 0.24％ 이였으며, 전류계측의 경우 정밀측정 범위 내에서 3개 시료에 대한 평균 오차가 최대 0.92％가 발생함을 알 수 있었다. 특히 전류의 경우 실제 직류급전계통에서 발생할 수 있는 역행전류 및 회생전류의 전류 방향에 무관하게 정확히 측정이 가능함을 확인할 수 있었다.
표 5직류 스마트미터 전압계측 성능시험 결과 Table 5 Voltage measurement Performance test output of DC smart meter
표 6직류 스마트미터 전류계측 성능시험 결과 Table 6 Current measurement Performance test output of DC smart meter
4.3 직류용 스마트미터링 시스템 계측오차 시험
표 3 ∼ 표 6의 전압센서, 전류센서 및 스마트미터의 계측오차 성능시험 결과에서 알 수 있듯이 센서 및 미터기 자체의 계측 오차가 허용 범위를 만족함을 확인할 수 있었다. 하지만 일반적으로 그림 1에서와 같이 도시철도 직류 급전 계통에 직류용 스마트미터링 시스템을 적용하기 위해서는 직류용 전압센서, 전류센서 및 직류용 스마트미터가 결합된 형태로 설치되기 때문에 종합적인 성능평가를 위해서는 센서와 스마트미터가 연결된 상태에서의 계측오차에 대한 성능평가가 이뤄져야 한다. 이를 위해 그림 8과 같이 직류용 전압센서, 전류센서를 직류 스마트미터에 연결한 후 3m 이상 떨어진 곳에 무선데이터수신장치 및 데이터 취득프로그램이 구현된 서버를 설치하여 평가시스템을 구성하였다. 전압센서와 전류센서에는 임의의 직류 전력공급장치를 연결하여 임의의 직류 전압 및 직류 전류를 인가할 수 있도록 하였으며, 입력된 직류 전압 및 전류값과 원격 서버에서 계측한 출력값을 비교하여 성능평가를 수행하였다.
그림 8직류용 스마트미터링 시스템 통합 성능시험 Fig. 8 Total performance test of DC smart metering system
표 7는 실제 도시철도 급전계통에서 흔히 발생할 수 있는 전압, 전류조건을 설정하여 시험을 수행한 결과이다. 시험 1 은 경부하 조건으로 전류크기가 크지 않아 전압 강하가 거의 발생하지 않는 조건으로 측정 오차는 최대 0.5％ 이내에 서 발생하였으며, 시험 2의 경우에는 차량 부하의 증가로 인한 전류가 증가하고, 전압 강하가 발생한 경우로 최대 0.29％ 이내의 오차가 발생하였다. 시험 3은 전압센서, 전류 센서의 최대 정밀 측정범위인 2,000V, 2,000A에서의 오차로 0.4％ 이내의 오차가 나타남을 확인하였다. 이와 같이 실제 직류 급전계통의 부하 조건과 유사한 조건에서 최대 0.5％ 이내의 오차가 발생하였으며, 이는 직류 스마트미터링 시스템의 성능 요구사항인 1％ 이내의 계측오차를 만족함을 확인하였다.
표 7직류용 스마트미터링 시스템 통합 성능시험 결과 Table 7 Total performance test output of DC smart metering system
5. 결 론
본 논문은 기존 도시철도 직류 고압 대전류 전력계통에서 적용 가능한 직류용 센서 및 직류용 스마트미터의 요구사항을 제시하고 시작품을 제작하였으며, 성능시험을 통해 직류 스마트미터링 시스템의 성능을 검증하였다.
직류 센서의 경우 기존 직류급전계통에 설치하기 위해 홀소자 방식의 코어 분리형 구조의 센서 구조로 제작하였으며, 전압센서의 경우 1차측과 2차측의 절연을 확보하기 위한 절연변압기를 활용한 분리절연방식이 적용하였다. 직류 스마트미터의 경우 역행전류 및 회생전류의 측정이 가능하며, 원격에서 데이터 취득을 위해 무선 방식을 채택하였다. 전압의 측정범위는 국제 규격인 KS C IEC 60850에서 제시하고 있는 직류 1,500V(정격전압) 시스템의 최대, 최소 허용전압을 만족하도록 선정하였으며, 전류의 측정 범위는 국내 도시 철도 변전소에 설치된 급전계통 보호용 CT의 전류 측정범위를 기준으로 최대 14kA로 선정하였다.
성능시험결과 직류 전압센서의 경우 2,000V/50mA에 대해 평균 0.17％의 계측오차가 발생하였으며, 전류센서의 경우 양방향 전류인 ±2,000A/±4V에 대해 평균 0.21％이내의 계측 오차가 발생하였다. 직류 스마트미터의 경우에도 전압센서, 전류센서의 출력에 대해 최대 0.92％ 이내로 계측오차가 발생하였다. 또한 실제 직류급전계통에 적용하기 위한 직류 스마트미터링 시스템에 대해 실 계통과 유사한 전압, 전류조건에서도 0.5％ 이내의 계측오차가 발생하였으며, 이는 직류 스마트미터링 시스템의 성능 요구사항인 1％ 이내의 계측오차를 만족하였다.
최종적으로 본 논문에서 제시한 직류 스마트미터링 시스템은 기존의 직류 급전계통에 적용할 수 있음을 확인하였으며, 향후 실 계통 시험을 통해 시스템 적용성에 대한 검증을 수행할 계획이다.
References
- Hosung Jung, "A study on Requirements Technology of Smart Meter for the Smart Urban Railway Power System Implementation", Fall Conference for Society Electrical Facilities of the Korean Institute of Electrical Engineers, No. 1, pp. 196-198 2011.11
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- A Study on the Development of a Real-time Energy Metering Device for Electric Railway Vehicles vol.65, pp.4, 2016, https://doi.org/10.5370/KIEE.2016.65.4.689