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표제지

목차

제I장 서론 14

제1절 연구의 필요성 15

1. 연구개발 개요 15

2. 연구개발의 중요성 20

제2절 연구의 목표 22

1. 연구개발의 최종목표 22

2. 연차별 연구목표 및 내용 22

제3절 국내·외 관련기술 동향 25

1. 국내 동향 25

2. 국외 동향 29

제II장 철도에너지이용효율화지표 개발 37

제1절 열차운행관련 기초자료 조사 및 분석 38

1. 현행 열차운행시간표 작성현황 조사 및 분석 38

2. 열차운행관련 분야별 기초 자료 55

제2절 열차운행과 변전소 에너지 소비량 조사 및 분석 82

1. 차량 km당 수송인원 82

2. 연도별 전력 사용량 및 요금 현황 83

3. 용도별 전력사용량 현황 83

4. 호선별 월간 전동차용 전력사용량 및 전력요금 분석 84

제3절 기동에너지 패턴 분석 및 저항계수 산출 89

1. 전동차 가감속 성능시험 89

2. 전동차 기동에너지 패턴 분석 91

참고문헌 95

제III장 최적 운전 알고리즘 개발 97

제1절 서론 98

제2절 사례 연구 100

1. 열차 에너지 사용에 있어서의 효율개선 100

2. 에너지 효율적인 운전(Energy efficient driving) 108

제3절 에너지 최적의 열차 속도 궤적 생성을 위한 GA 기반 알고리즘 111

1. 서론 111

2. 열차 성능 시뮬레이션(TPS) 모델 111

3. 시뮬레이션 프로그램 설계 116

4. 시뮬레이션 결과 및 고찰 123

5. TPS 검증 130

제4절 결론 135

참고문헌 136

부록 - Matlab 코드 137

제IV장 급전 전압 안정화 개발 146

제1절 서론 147

1. 연구의 배경 및 기대효과 147

2. 연구의 범위 및 방법 148

3. 기대효과 150

제2절 AT방식 교류 급전시스템에서의 에너지 효율 향상 151

1. 급전시스템 개요 151

2. 교류 급전시스템의 에너지 이용 효율 향상 152

제3절 단권변압비 탭변환을 통한 전압 강하 해소 154

1. 기존 시스템의 단권변압기 154

2. 단권변압기의 탭변환 156

제4절 시뮬레이션 모델 160

1. 급전시스템 데이터 160

2. 급전시스템의 시뮬레이션 모델 162

제5절 시뮬레이션 결과 167

1. 전압강하 시뮬레이션 167

2. 단락 사고 시뮬레이션 179

제6절 결론 188

1. 연구결과 요약 188

2. 향후 연구과제 189

참고문헌 190

제V장 에너지 효율화 열차시각표 개발 191

제1절 서론 192

1. 연구의 배경 및 기대효과 192

2. 연구의 범위 및 방법 193

3. 기대효과 196

제2절 현황 및 국내외 사례조사 197

1. 현황조사 197

2. 현행 전기철도 차량별 전류발생 분석 208

3. 국내외 연구사례 214

4. 열차군관리 최적화 진행방향 218

제3절 열차동력운전 분산 열차시각표 작성 220

1. 문제정의 220

2. 수리모형 및 해법 223

3. 실험결과 228

제4절 결론 230

1. 연구결과 요약 230

2. 향후 연구과제 231

참고문헌 232

서지정보 234

판권기 235

표목차

표 1.1. 에너지이용 효율화를 위한 급전파라미터 17

표 1.2. 연구목표 및 내용 22

표 1.3. 부산교통공사 회생전력 현황 27

표 1.4. Train Simulation 결과 35

표 2.1. 운행현황 56

표 2.2. 총괄현황 57

표 2.3. 월별현황 57

표 2.4. 시간대별 승하차 인원 구성비 58

표 2.5. 호선별 혼잡도 59

표 2.6. 본선 곡선 제한속도 60

표 2.7. 정거장 곡선 제한속도 60

표 2.8. 내림기울기 제한속도 60

표 2.9. 분기기 제한속도 61

표 2.10. 신호기에 의한 운전속도 61

표 2.11. 차내신호기에 의한 운전속도 62

표 2.12. 호선별 전동차 주요제원 63

표 2.13. 신호설비 현황 68

표 2.14. 궤도 현황 73

표 2.15. 역간거리 75

표 2.16. 주요 곡선선로 현황 76

표 2.17. 주요 곡선승강장 현황 77

표 2.18. 주요 기울기 현황 78

표 2.19. 전기설비 현황 79

표 2.20. 전력사용 계약용량(한전) 80

표 2.21. 현행 전기요금표 81

표 2.22. 차량 km당 수송인원 82

표 2.23. 연도별 전력사용량 및 요금 현황 83

표 3.1. 단위수송량당 에너지소모와 CO₂배출량 98

표 3.2. 열차 운전모드 112

표 3.3. 시뮬레이션 파라미터 124

표 3.4. GA case I, II, III에 대한 시뮬레이션 결과 129

표 3.5. GA case I, II, III에 대한 적합도 함수값과 염색체값(타행지점) 130

표 3.6. 노치에 따른 속도 변화 131

표 3.7. 슬립에 따른 시작속도 133

표 4.1. 에너지 이용 합리화를 위한 급전파라미터 152

표 4.2. 단권변압기 특성 164

표 4.3. 전차선로 임피던스 166

표 4.4. 열차 집전 전압 및 부하 전류 결과 (변압비 1:1) 169

표 4.5. 구분소 전압 결과 (변압비 1:1) 170

표 4.6. 변전소 공급 전압 결과 (변압비 1:1) 171

표 4.7. 열차 집전 전압 및 부하 전류 결과 (변압비 1.2:1) 172

표 4.8. 구분소 전압 결과 (변압비 1.2:1) 173

표 4.9. 변전소 공급 전압 결과 (변압비 1.2:1) 174

표 4.10. 열차 집전 전압 및 부하 전류 결과 (변압비 1.2:1) 176

표 4.11. 구분소 전압 결과 (변압비 1.2:1) 177

표 4.12. 변전소 공급 전압 결과 (변압비 1.5:1) 178

표 4.13. 권선비에 따른 집전전압 비교 179

표 4.14. 단락 전류 결과 (공급전류) 182

표 4.15. 단락 전류 결과 (단락 전류) 183

표 5.1. 산업용 갑(A) 요금제도 197

표 5.2. 월간 전기요금 현황 198

표 5.3. 코레일 변전소 전력계약 현황 (2008년) 199

표 5.4. 메트로 4호선 전력계약 현황 (2008년) 201

표 5.5. 메트로 4호선 하행 운전선도 분석 203

표 5.6. 메트로 4호선 상행 운전선도 분석 205

표 5.7. 메트로 4호선 열차출발 분석 207

표 5.8. 예제 열차스케줄 221

표 5.9. 조상 및 조하시발에 따른 동력운전여부 223

표 5.10. 동력운전 최적화 실험결과 228

그림목차

그림 1.1. 철도에너지 효율향상 연구 범위 16

그림 1.2. Eco-driving 개념도 17

그림 1.3. 에너지 절약형 열차군(群) 관리에 의한 출발·도착 손실 최소화 개념(1/2) 18

그림 1.4. 에너지 절약형 열차군(群) 관리에 의한 출발·도착 손실 최소화 개념(2/2) 19

그림 1.5. 에너지 절약형 열차군(群) 관리 최적화 구성 체계 19

그림 1.6. 코레일 Eco-rail 2015 29

그림 1.7. 2002년 대비 2006년 에너지 소비량 추세 30

그림 1.8. 에너지 소비량 감소(2002/2003~2006년) 31

그림 1.9. F-V 곡선 32

그림 1.10. 타행시점에 따른 열차 에너지 효율화 32

그림 1.11. Siemens Metromiser 33

그림 1.12. TU Sofia의 개발 시뮬레이션 33

그림 1.13. Driver Assistance System 적용 시의 운전 34

그림 1.14. Driver Assistance System의 효과 34

그림 1.15. Genetic Algorithm Search 35

그림 1.16. Train Simulation 과정 35

그림 2.1. 열차 Dia 예시 45

그림 2.2. 고정폐색장치 69

그림 2.3. 자동폐색장치 70

그림 2.4. 이동폐색장치 70

그림 2.5. 자동열차정지장치 71

그림 2.6. 자동열차제어장치 71

그림 2.7. 서울메트로 용도별 전력사용량 현황 84

그림 2.8. 1호선 월간 전동차용 전력사용량 84

그림 2.9. 2호선 월간 전동차용 전력사용량 85

그림 2.10. 3호선 월간 전동차용 전력사용량 85

그림 2.11. 4호선 월간 전동차용 전력사용량 85

그림 2.12. 1호선 월간 전동차용 전력요금 86

그림 2.13. 2호선 월간 전동차용 전력요금 86

그림 2.14. 3호선 월간 전동차용 전력요금 87

그림 2.15. 4호선 월간 전동차용 전력요금 87

그림 2.16. 2000~2009년 전력요금의 계절별 단가 및 피크전력요금 88

그림 2.17. 지축차량사업소 시험선 89

그림 2.18. 열차저항 시험 개념도 89

그림 2.19. P4로 역행 후 B7으로 제동 91

그림 2.20. P3로 역행 후 B7으로 제동 91

그림 2.21. P2로 역행 후 B7으로 제동 91

그림 2.22. P1로 역행 후 B7으로 제동 92

그림 2.23. P4로 역행 후 B2으로 제동 92

그림 2.24. P4로 역행 후 B3으로 제동 93

그림 2.25. P4로 역행 후 B3로 제동 93

그림 2.26. 동력차 역행성능 곡선 94

그림 3.1. 전체 GB traction 에너지 사용 프로파일 100

그림 3.2. S5-Energy efficient driving과 train regulation 104

그림 3.3. S11-Disconnect electric vehicles from supply when stabled/loadshedding 104

그림 3.4. S26-Weight Reduction 105

그림 3.5. S45-Low resistance conductor rail 106

그림 3.6. QUICK WINS AND SHORTER TERM OPPORTUNITIES 107

그림 3.7. LONGER TERM OPPORTUNITIES 107

그림 3.8. OPPORTUNITIES LIKELY TO DELIVER REDUCED ENERGY USE WITHOUT COST SAVINGS 107

그림 3.9. NOT CURRENTLY VIABLE, BUT WORTH CONTINUING TO REVIEW 108

그림 3.10. OTHER OPPORTUNITIES 108

그림 3.11. 열차 운행 모드 114

그림 3.12. 전-후향 속도궤적 산출 블록 117

그림 3.13. 전향 속도궤적블록(Forward(Powering/Coasting)의 내부 구성 118

그림 3.14. 후향 속도궤적 블록 (Backward(Breaking))의 내부구성 118

그림 3.15. 전향 속도궤적과 후향 속도궤적 통합 TPS 블록 119

그림 3.16. TPS 블록의 내부구성 120

그림 3.17. Speed & Distance 블록 내부구성 120

그림 3.18. 전체 TPS 흐름도 121

그림 3.19. GA 블록 122

그림 3.20. GA C-코드 헤더파일과 Legacy C-코드 생성을 위한 매트랩 M-파일 122

그림 3.21. GA 흐름도 123

그림 3.22. 타행 개시지점 스텝 변동에 따른 열차주행 성능 (목표주행거리:1[km],타행지점 변동:100[m] ~ 500[m]) 126

그림 3.23. 열차주행성능 (목표주행거리 1[km], 목표운전시간 70[sec], GA case I) 127

그림 3.24. 열차주행성능 (목표주행거리 1[km], 목표운전시간 70[sec], GA case II) 128

그림 3.25. 열차주행성능 (목표주행거리 1[km], 목표운전시간 70[sec], GA case III) 129

그림 3.26. 노치 1에 따른 시험 데이터및 시뮬레이션 결과 131

그림 3.27. 노치 2에 따른 시험 데이터및 시뮬레이션 결과 131

그림 3.28. 노치 3에 따른 시험 데이터및 시뮬레이션 결과 132

그림 3.29. 노치 4에 따른 시험 데이터및 시뮬레이션 결과 132

그림 3.30. 슬립 1에 따른 시험 데이터및 시뮬레이션 결과 133

그림 3.31. 슬립 2에 따른 시험 데이터및 시뮬레이션 결과 133

그림 3.32. 슬립 3에 따른 시험 데이터및 시뮬레이션 결과 134

그림 3.33. 슬립 4에 따른 시험 데이터및 시뮬레이션 결과 134

그림 4.1. 3상 전원계통을 포함한 AT급전시스템 구성 151

그림 4.2. 전차선 전압에 따른 견인력 153

그림 4.3. 이상 단권변압기 154

그림 4.4. 교류급전시스템의 단권변압기 회로 156

그림 4.5. 교류 급전시스템 전압강하 개념 157

그림 4.6. 단권변압기의 전압비 조정 158

그림 4.7. 가변탭 단권변압기 모델 159

그림 4.8. 경부고속철도 신청주 전철변전소 급전시스템 구성 161

그림 4.9. 3상 수전측 EMTDC 모델 162

그림 4.10. 스코트 결선 변압기 개념도 162

그림 4.11. 스코트 결선 변압기 모델 163

그림 4.12. 전차선로의 회로 모델 166

그림 4.13. 전기차의 회로 모델 166

그림 4.14. 전압강하 시뮬레이션을 위한 시뮬레이션 모델 168

그림 4.15. 집전전압 결과 (변압비 1:1) 169

그림 4.16. 부하전류 결과 (변압비 1:1) 170

그림 4.17. 급전구분소 전차선-레일간 전압 결과 (변압비 1:1) 170

그림 4.18. 급전구분소 전차선-급전선간 전압 결과 (변압비 1:1) 171

그림 4.19. 전철변전소 전차선-레일간 전압 결과 (변압비 1:1) 171

그림 4.20. 전철변전소 전차선-급전선간 전압 결과 (변압비 1:1) 172

그림 4.21. 집전전압 결과 (변압비 1.2:1) 173

그림 4.22. 부하전류 결과 (변압비 1.2:1) 173

그림 4.23. 급전구분소 전차선-레일간 전압 결과 (변압비 1.2:1) 174

그림 4.24. 급전구분소 전차선-급전선간 전압 결과 (변압비 1.2:1) 174

그림 4.25. 전철변전소 전차선-레일간 전압 결과 (변압비 1.2:1) 175

그림 4.26. 전철변전소 전차선-급전선간 전압 결과 (변압비 1.2:1) 175

그림 4.27. 집전전압 결과 (변압비 1.5:1) 176

그림 4.28. 부하전류 결과 (변압비 1.5:1) 176

그림 4.29. 급전구분소 전차선-레일간 전압 결과 (변압비 1.5:1) 177

그림 4.30. 급전구분소 전차선-급전선간 전압 결과 (변압비 1.5:1) 177

그림 4.31. 전철변전소 전차선-레일간 전압 결과 (변압비 1.5:1) 178

그림 4.32. 전철변전소 전차선-급전선간 전압 결과 (변압비 1.5:1) 178

그림 4.33. 권선비에 따른 집전 전압 비교 179

그림 4.34. 단락 사고 시뮬레이션을 위한 계통 구성 180

그림 4.35. 단락 사고시 공급 전류 계산 결과 181

그림 4.36. 단락 사고시 단락 전류 계산 결과 181

그림 4.37. 단락 임피던스 변화 (55kV side) 184

그림 4.38. 단락 임피던스 변화 (44R side) 185

그림 4.39. 단락 임피던스 변화 (27.5kV side) 185

그림 4.40. 단락 임피던스 R/X 비 (55kV side) 186

그림 4.41. 단락 임피던스 R/X 비 (44kV side) 186

그림 4.42. 단락 임피던스 R/X 비 (27.5kV side) 187

그림 5.1. 에너지 절약형 열차군 관리 최적화 구성체계 193

그림 5.2. 서울메트로 3, 4호선 전력사용 현황 199

그림 5.3. 운전선도 예제 202

그림 5.4. 운전선도 분석 202

그림 5.5. 1단계: 가속 (165km/h→177.5km/h) 208

그림 5.6. 2단계: 가속 (191km/h→194km/h) 209

그림 5.7. 3단계: 가속 (207km/h→210km/h) 209

그림 5.8. 주행 165km/h 210

그림 5.9. 회생제동 (145km/h→120km/h) 210

그림 5.10. 회생제동 (220km/h→180km/h) 211

그림 5.11. 가속 212

그림 5.12. 제동 212

그림 5.13. 아테네 전동차: 1회 213

그림 5.14. 아테네 전동차: 2회 213

그림 5.15. RAILENERGY(EET) 215

그림 5.16. 시각표작성 상용프로그램 216

그림 5.17. Chen의 연구결과 217

그림 5.18. 열차군 관리 최적화 진행방향 218

그림 5.19. 동력분산 시각표작성 진행방향 219

그림 5.20. 동력분산 시각표 출발간격 분산 219

그림 5.21. 열차동력운전 분산 220

그림 5.22. 시간 slot별 동력운전여부 222

그림 5.23. 동력운전분산 최적화 프로그램 225

그림 5.24. 동력분산 휴리스틱알고리즘 다이어그램 226

그림 5.25. 동력분산 휴리스틱 프로그램 227

그림 5.26. 동력 운전감소 비교 229

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