우리나라는 2004년 경부고속철도 개통을 계기로 전철화가 급격하게 확대되었으며 최근에도 정부는 제4차 국가철도망 구축 계획 발표를 통해 안전한 철도 건설을 지속해서 추진하고 있다.
그러나 고속철도 건설에 따른 고속노선과 건설 후 수십 년 이상 경과한 기존선로가 병존하여 열차가 운행됨에 따라 속도 저하 및 경부·호남고속철도 열차 운행확대에 따른 선로용량 확충이 필요하다.
또한 전기를 공급하는 철도 급전시스템은 일반적으로 길이가 길고 변전소간 연장급전 운용할 때 부하의 증대에 따라 전압강하가 크며 역률 저하 등이 발생됨에 따라 이를 고려한 전력품질의 안정화 대책 수립이 필요하다.
이에 따라 본 논문에서는 전기철도 시스템 운용효율 향상을 위한 전기설비의 최적 시나리오 도출 및 운용기법 분석하여 성능을 검증하고자 총 다섯 가지 알고리즘을 제안하여 분석하였다.
첫 번째는 전기철도시스템의 전압 프로파일과 유효전력, 무효전력 흐름을 알 수 있는 조류계산 기법을 제안한 것이다. 제안된 조류계산 기법은 기존의 모선 별로 전류 균형 방정식을 풀어야 하는 한계를 극복하고 어드미턴스 행렬 기반으로 수학적으로 도출할 수 있다. 또한 제안된 제어 기법은 기존과 같이 단계적(Sequential)으로 수렴시키는 방법이 아니므로 결정적 방법론에 기반을 둔 최적화 알고리즘에 적용할 수 있는 특징을 가지고 있다.
두 번째로는 첫 번째로 제안한 조류계산 방법론을 활용하여 SVC의 최적 운전점을 도출하는 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 3단계로 구성되며 가장 먼저 전압 위배가 발생하는지를 확인하고 역률 유지가 가능한지를 확인한다. 마지막으로 전기철도시스템의 손실을 최소화하는 SVC의 무효전력 출력량을 도출하는 것을 목적으로 한다. 특히 제안한 SVC의 운용 방안이 선제적으로 전기철도시스템에 적용된 적이 없다는 점에서 제안한 알고리즘이 높은 우수성과 참신성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
세 번째는 전기철도시스템의 ESS 최적 운용 방법이다. ESS의 최적 운용 방법은 철도에서 적용되고 있는 전기요금 기준을 적용하여 제안하였으며, 피크부하에 의하여 결정되는 기본요금과 사용하는 전력량에 의하여 결정되는 전력량 요금이 모두 적용된 경우에 ESS 운용을 통하여 전기철도시스템이 경제성을 얻을 수 있는지 판단하는 알고리즘이다. 특히 주어진 정보에서 경제적인 이익을 최대화하기 위하여 ESS 출력량을 시간에 따라 결정하는 알고리즘을 제안하였다.
두 번째와 세 번째로 제안된 SVC와 ESS의 최적 운용 알고리즘이 고정된 위치에 고정된 용량에 대하여 수행된 최적화 알고리즘이라면 이에 더 나아가 위치와 용량을 변동시키면서 알고리즘을 수행하여 최종적으로 주어진 전기 철도시스템에 최적으로 설치 가능한 SVC와 ESS 용량 결정을 위한 알고리즘을 네 번째와 다섯 번째로 각각 제안하였다.
네 번째 알고리즘은 두 번째로 제안된 SVC의 운전 알고리즘 중 손실 최소화하는 것을 사용하지 않았으며 전압 안정도 판별 모듈만을 활용하여 전기철도시스템의 전압 위배가 발생하지 않도록 하는 최소의 SVC 용량을 결정하는 것을 목적으로 한다.
다섯 번째 알고리즘은 세 번째로 제안된 ESS의 운전 알고리즘을 적용하였으며 많은 케이스 중 대표 케이스를 선발하는 시나리오 도출 기법을 제안하였다. 결과적으로 최종 시나리오에 대하여 제안한 ESS 알고리즘의 경제적 이익을 판별하고 최종적으로 이익이 극대화되는 ESS 설치량을 도출했다.