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[SPECIAL FEATURE ③]
해외에서의 에너지 절약 운전 지원
본고에서는 독자적인 원격 유지보수기술을 중심으로 열차의 운행전력 절감을 위해 노력하고 있는 Nomad Tech사와 ㈜도시바의 에너지 절약 운전에 관한 실증 시험을 소개한다.
정리 편집부
일본의 철도사업 분야에서는 국토교통성의 에코(친환경) 레일 라인 프로젝트에 의해 2030년까지 소비전력량의 20% 절감이 요구되고 있다. 일본 국내의 철도뿐만 아니라, 해외의 철도에서도 에너지 절약 및 에너지 효율 향상을 도모하는 대책이 진행되고 있다. 도시바는 철도 에너지 솔루션으로서 철도 EMS(Energy Management System: EMS) 개발을 추진하고 있다. 이는 에너지 소비량에 주목한 운행 계획·운행 제어와 회생 인버터 및 축전 장치, 그리고 재생가능에너지를 도입한 전력 공급 시스템의 종합 설계에 의해 수송과 에너지 소비의 조화를 도모하여 에너지 소비량 절감을 목표로 하는 것이다.도시바의 에너지 절약 운전 시스템은 ▲수송 계획 ▲운전 지원 ▲수송 해석으로 구성된다. 수송 계획에서는 에너지 소비량을 평가함수로 하고, 속도제한이나 승차감 등을 제약조건으로 하여 최적화 기술을 사용해 에너지 소비량을 억제한 운전곡선을 작성한다. 또 열차 다이어그램(열차 운행표)의 조정을 실시한다. 열차 운전에 있어서는 운전사가 운전 조작 시 에너지 소비량을 고려한 어드바이스(도움말)를 제공 받을 수 있는 운전 지원 기능이 있다. 수송 해석 시스템에서는 운행 계획 및 운행 결과를 분석하여 에너지 소비량의 절감을 도모하고 있다.
한편, 유럽에서는 재생가능에너지로의 전환이 진행됨에 따라 전기요금이 상승하고 있다. 이러한 가운데 사용자 측이 전력회사를 선택할 수 있는 전력자유화 환경이 구축되면서 전기요금에 대한 비용 의식이 매우 높은 편이다. 또한, 회생차량의 도입이 진행되면서 운전 방법도 정속주행 중심에서 타행(惰行)을 적절하게 도입하는 방향으로 가고 있다. 각국의 관련 사업자들 사이에서는 에너지 절약 운전에 관한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 가운데 Nomad Tech사(포르투갈 철도의 유지보수 부문 EMEF사(Empresa de Manutenção de Equipamento Ferroviário)의 일부가 독립한 회사)는 독자적인 원격 메인터넌스(유지보수) 기술을 중심으로 열차의 운행전력 절감을 위한 신규 사업을 검토하고 있다. 본고에서는 ㈜도시바가 이 Nomad Tech사와 제휴를 맺고 2013년 11월 27일부터 12월 8일까지의 기간 동안 포르투갈 공화국, 포르투갈 철도, Caíde선(현재는 Marco선으로 명칭 변경)에서 에너지 절약 운전 실증 시험을 실시한 내용에 대해 소개한다. 본 실증 시험은 에너지 절약 운전의 검증을 목표로 하고 있으며, ▲에너지 절약 수송 계획 기능 ▲운전 지원 장치 ▲수송 해석 장치의 유효성을 확인한다. 그에 따라 과거의 열차 운행에 근거한 에너지 소비 실적을 분석한 후 역간(驛間) 주행시간의 적정화를 도모하고, 에너지 소비량에 주목한 에너지절약 운전곡선을 작성하여 이를 운전 지원 장치를 통해 운전사에게 제시하는 방식으로 주행시험을 실시했다. 그 결과, 전년 동월 실적과 비교하여 에너지 소비량이 평균 10% 절감된 것을 확인할 수 있었다.
대상 시스템 실증 시험의 대상 노선은 포르투시 근교의 Caíde선이다. [그림 1]에 포르투갈 철도 포르투 지구 인근의 노선도를 나타냈다. Caíde선에는 22개의 역이 있으며, 전체 길이는 약 47km이다. 시험 구간은 다른 운전계통과의 중복이 없는 Ermesinde-Caíde 구간이며, 길이는 약 38km이다. 이번 시험에서 사용한 차량에 대한 정보는 [그림 2]와 같다. Nomad Tech사의 에너지 관리에 대한 전체 구상은 [그림 3]에 나타냈다. 이러한 에너지 관리 Web 시스템을 통해 차량 측에서의 정보를 수집하고 그 정보를 바탕으로 더 효과적인 에너지 절약 운전을 실현하기 위해 운전곡선 및 운전지원에 대한 업데이트를 실시하고 있다.
  
에너지 절약 운전 계획
과거 데이터 분석 이번 실증 시험에서 2012년 2월, 6월, 8월, 12월 데이터 분석 시 입수한 각 열차번호의 소비에너지 차이에 대해 확인한 결과, 같은 열차번호라도 월별 소비에너지가 고르지 않아 평균치가 다르게 나타난다는 것을 확인했다. 이번 실증 시험의 기준선은 시험 기간과 같은 12월 데이터를 사용했다. 소비에너지가 다르게 나타나는 요인으로는 날마다 달라지는 외란(外亂, disturbance) 및 운전사에 기인하는 것으로 판단된다. [그림 4]는 시험 구간에서의 주행시간과 소비에너지의 관계를 정리한 것이다. 종축은 소비에너지이며, 횡축은 주행시간이다. 주행시간을 짧게 하면 소비에너지가 증가하는 경향을 그림에서 확인할 수 있다. 이 밖에 역간(驛間)의 주행시간을 보면 꼭 예정된 시간보다 일찍 도착하는 역간과 늦게 도착하는 역간이 있었다. 이에 역간의 주행시간을 조정하기로 했다.
역간 주행 시분의 적정화
열차번호에 따라 주행 소요 시간에 격차가 발생했으며 전체적으로는 늦게 도착했다. 또 역간에 따라 빨리 도착하거나 늦게 도착하는 경향이 있어 주행시험 시 역간 주행 시간의 적정화를 도모했다. 이용객에게 영향을 주지 않는 범위에서 30초 정도의 조정을 실시했는데 그 방침으로서 역간의 주행시간은 2012년 12월의 실적 주행 시간의 평균치와 소정 주행 시간(REFER(인프라 회사)가 정한 열차 다이어그램의 시분(時分))이 긴 쪽을 채용하고 승객에게 영향을 주지 않기 위해 정차시분(停車時分, Stopping Time)은 변경하지 않고 조발(早發)시키지 않기로 했다.
에너지절약 운전곡선의 작성 앞에서 설정한 역간 주행시간에 대해 에너지 소비량을 고려한 에너지절약 운전곡선을 작성했다. [그림 5]에 에너지절약 운전곡선의 작성 방법을 나타냈다. 위의 그림에서 횡축은 위치, 종축은 노치를 나타낸다. 아래의 그림에서 종축은 속도이다. 에너지절약 운전곡선은 다음과 같은 특징을 가진다.
(1 ) 에너지 소비량의 최적화 시각표(時刻表, time-table)의 주행시간에 맞춰 이론적으로 에너지를 최소화할 수 있는 솔루션을 구한다.
(2 ) 실현 가능한 운전곡선 노선조건, 차량특성, 주행시간, 노치조작 등의 제약을 고려할 수 있다.
(3 ) 짧은 연산시간 독자 개발한 가지치기 알고리즘(pruning algorithm)에 의해 초 단위로 산출 가능하다. 이 에너지절약 운전곡선 작성 알고리즘에 의해 얻어진 운전곡선은 일반적으로 알려진 다음과 같은 특징도 겸하고 있다.
· 출발 시에는 풀(full) 노치로 가속
· 최고속도를 떨어뜨린다(운전시분의 조정).
· 타행의 비율을 늘린다.
· 정지를 위한 제동개시속도의 저속화
검증 방법
검증 절차
실증 시험에서는 적정화를 고려한 역간 주행시간에 부합하는 에너지절약 운전곡선을 지상 측에서 작성하고 이를 바탕으로 차상 측 운전 지원 장치의 표시 화면에서 권장 속도 및 지형 조건, 계획 다이어그램 운전곡선을 작성한다. 이를 바탕으로 차상 측의 운전 다이어그램 등을 제시하며, 운전사는 운전 지원 장치가 제시하는 지원 정보에 따라 운전을 실시함으로써 에너지 절약 운전을 검증하고 있다.
주행 시험 조건
실증 시험 기간 동안 시험 데이터의 상호 비교를 실시하기 위해 동일한 차량(ID3408(4대 1편성))을 사용하여 고정 열차번호의 주행시험을 실시했다(1일 3왕복 총 6회). 또 운전사에 의한 격차를 줄이기 위해 오전과 오후에 각 1명씩 투입시켜 총 2명의 운전사가 운전을 담당하도록 했다.
주행 시험 장치 상기의 운전 지원 시스템의 구성은 [그림 6]과 같다. 열차에 탑재된 차량 정보 장치 TRAINIX는 일정한 주기로 속도와 거리, 전력량을 제어 컴퓨터로 송신한다. 제어 컴퓨터에서는 문(도어)의 개폐 정보를 수신하고 운전 지원을 시작한다. 운전 지원 장치의 화면 및 지원 정보의 제시법에 대해서는 공청회 등을 통해 Nomad Tech사와 포르투갈 철도, 운전사들의 의견을 반영했다. 운전사는 이러한 운전 지원 정보를 바탕으로 속도 조정을 실시하게 된다.
검증 결과
에너지 소비량 전년 동월의 실적치를 기준선으로 하여 기준선에 대한 주행시험 실측치의 절감률을 다음의 식으로 산출했다.
절감률=(기준선치 - 주행시험 실측치)/기준선치
기준선치: 전년 동월(2012년 12월)의 같은 열차번호의 소비전력량[kWh]의 평균치
실측치: 실증 구간의 종점 도착 시 소비에너지의 미터값과 출발 시점의 미터값의 차
주행시험 결과, 상행선에서 평균 17%, 하행선에서 평균 6%로, 상하행선 평균 10%의 에너지 소비량 절감 효과를 확인했다.
주행시간과 소비에너지량
[그림 7]에 주행시험에서의 주행시간과 소비에너지와의 관계를 나타냈다. 횡축에 주행시간, 종축에 소비에너지량을 나타냈으며, 그림 상단이 상행선, 그림 하단이 하행선 구간의 값을 나타내고 있다. 작은 원 안의 플롯(점)이 주행시험의 결과이며, 큰 원 안의 플롯이 기준선(전년 동월의 실적치)이다.
[그림 7]로부터 전체적인 주행시간은 거의 변하지 않고, 실적치와 비교하여 소비에너지량이 감소하고 있음을 확인할 수 있다.
 운전 방법에 따른 소비에너지의 차이
[표 1]을 바탕으로 운전 조작 방법에 따른 소비에너지의 차이에 대해 고찰해 본다. 이번 검증에서는 2명의 운전사가 운전을 담당했으며, 각각의 운전 방법의 차이가 소비에너지에 어떻게 영향을 미쳤는지에 대해 정리했다. 한 명은 운전 지원 표시에 따라 충실하게 운전하고, 다른 한 명은 운전 지원 표시를 대중 삼아 자신만의 스타일로 운전을 실시했다. 그 결과, [표 1]에 제시된 속도에 충실하게 주행한 경우의 에너지 절감률이 높게 나타나 이번에 제안한 에너지절약 운전곡선의 효과를 확인할 수 있었다.
 그 밖의 경향
[그림 8]에 3일간의 주행시험에 의한 평균 소비에너지의 변화를 나타냈다. 종축이 소비에너지, 횡축이 날짜를 나타내고 있다. [그림 8]에서 주행시험을 거듭할수록 평균 소비에너지가 감소하고 편차 또한 작아지고 있음을 확인할 수 있다. 이로부터 운전사가 에너지절약 운전곡선에 따른 주행에 익숙해질수록 에너지 절감 효과가 높아진다는 것을 알 수 있다.
<Energy News>
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