2.2.1 편성 시간별 전력소비량 분석

현장시험을 위해서 차량편성의 경우 오전시간 인천공항철도의 대표적인 운행패턴인 서울역에서 인천공항역 구간과 검암역에서 서울역까 구간을 통해 전력소비량을 분석하였다. 취득된 데이터는 운행시간, 추진노치별 소비전력량, 제동노치별 회생전력량, 소비전력량과 회생전력량에 의해 계산된 총 소비전력량, 운행거리에 따른 연비 등을 통하여 분석할 수 있다. 각 항목 별 데이터 취득 및 산출은 표 1에 나타난 바와 같이 TCMS데이터 및 측정값으로 부터 계산하였다. 표 2는 열차 운행패턴으로 운행 시 전력공급을 받는 Fig. 1의 Unit2에서 소비하는 에너지에 대해 표 1의 방법에 따라서 정리한 것이다.

Fig. 2는 열차번호 중 A2001열차의 서울역에서 인천공항역까지 구간을 각 정차역 구간에 따른 운행속도, 전동차 입력전압, 전류, 제동노치, 견인노치 및 전력사용량을 나타내었다. 에너지 미터링 장치를 활용하여 그림과 같이 운행구간에 따른 열차의 전력량을 분석함으로써 다양한 운행 조건에 따른 에너지 사용량 분석이 가능하다.

2.2.2 운행 구간별 전력 소비량 분석

본 절에서는 동일한 운행구간에 대해 운행시간이 다른 경우의 차량 에너지 소비량을 분석하였다. Fig. 3은 동일구간을 다른 시간대에 운행 시 에너지 소비량을 분석한 그래프로 아침 시간대 운행한 열차의 연비가 더 낮음을 확인 할 수 있다. 이러한 연비차는 운전모드나 승객하중에 따라 다를 수 있다.

2.2.3 운전 모드에 따른 에너지 사용량 분석

철도차량의 에너지 사용량은 운행 조건, 상하선 선로 선형, 및 승객하중과 같은 다양한 요인에 의해서 차이가 발생할 수 있다. 개발된 에너지 미터링 장치에 저장된 데이터를 활용하여 열차운행 모드에 따른 에너지 사용량 분석하였다. 운행일이 같은 오전 시간 때의 TCMS(Train Control and Monitoring System, 열차종합제어장치) 열차운행기록을 분석한 결과 A2001열차의 경우 서울역에서 검암역까지 수동운전모드로 운행하였고, 이와 동일한 패턴으로 운행한 열차는 A3009, A3019, A2053이다. 이 중 A3009, A3019 열차의 경우 출근시간대 운행하는 열차로서 승객하중이 A2001열차 운행 시 보다 높은 것으로

예상되어 승객하중이 비슷할 것으로 예상되는 A2053열차의 서울역에서 검암역까지 자동운전 시와 상대 비교하여 에너지 사용량을 분석하였으며, 표 3에 전력소비량을 분석하여 정리하였다.

각 구간 별 소비전력량과 연비를 계산하여 수동운전과 자동운전을 비교하여 표 4에 나타내었다. 표 4에서 보는 바와 같이 수동운전과 자동운전 연비가 차이가 있음을 확인할 수 있다. 검암역까지 도착시간은 거의 동일하나 수동운전 시 자동운전에 비해 타행 다수 사용하였으며, 특히 자동운전 시에는 제한속도에 근접하기 위해 추진과 제동을 빈번하게 사용하는 운전 패턴을 사용하였다. 자동운전 시에는 각 구간별로 정해진 속도를 맞추기 위해서 톱니 운전모드로 추진과 제동을 계속해서 사용하기 때문이며, 수동운전 시에는 추진과 제동을 일정하게 유지하거나 타행 운전 패턴을 사용하여 에너지 사용량이 자동운전에 비해 적음을 확인할 수 있었다.

편성단위(3호차, 7호차)의 에너지 사용량 분석을 위해 동일시간대 및 동일구간을 운행한 열차인 A2111열차(서울역 → 인천공항역)를 선정하였다. 운행일자는 상이하지만 운행시간과 평일운행은 동일하다.

9월 중에 운행한 219편성 A2111열차는 서울역에서 인천공항역까지 수동운전을 실시하였고 58분 37초가 소요되었다. 9월 중에 운행한 219편성 A2111열차는 서울역에서 인천공항역까지 자동운전을 실시하였고, 58분 15초가 소요되었다. 수동운전이 자동운전에 비해 21초의 운행시간 더 소요되었지만 이는 전체 에너지 소비량에는 크게 영향이 없을 것으로 사료된다. 또한 환경적인 변수인 날씨도 11일은 21.4℃, 21일은 20.6℃로 거의 동일하여 냉/난방장치의 사용량도 유사하다고 사료된다.

표 4와 Fig. 4는 서울역에서 인천공항역까지 수동운전과 자동운전 시 각 역간과 전체 구간 에너지 사용량 분석 및 비교한 결과이다. 전체 구간 에너지 사용량를 분석한 결과 수동운전의 경우 492.3[kWh]의 소비전력량을 사용하였고, 자동운전의 경우 528.2[kWh]의 소비전력량을 사용하였다. 수동운전과 자동운전의 총 소요시간 차는 있으나 평균 승객하중이 수동운전 시 158[%] 자동운전 시 152[%]이고, 평균속도가 수동운전이 59.5[km/h] 자동운전이 59.7[km/h]였다는 점을 고려하고 수동운전이 자동운전에 비해 35.8[kWh] 에너지를 절약한 것으로 분석되었다. 또한 소비전력량 대비 운행거리의 척도인 연비로 계산하면 수동운전은 약 0.11[km/kWh] 자동운전은 약 0.10[km/kWh]으로 수동운전의 연비가 0.01[km/kWh] 높은 것으로 분석되었다.

서울역→인천공항역 구간별 연비 대비 평균 운행속도, 추진 시 소비전력량, 제동 시 회생전력량 등을 정리하였으며 수동운전과 자동운전 에너지 사용량 비교를 위해 구간별 소요시간이 동일하나, 연비 차가 0.02[km/kWh]인 검암역에서 청라국제도시역을 운행 시 저장된 데이터를 분석하였다.

평균속도의 경우 수동운전과 자동운전이 동일한 59.5[km/h]였으며, 추진 시 소비전략량은 자동운전이 9.1[kWh]의 전력을 더 소비하였고, 제동 시 회생전력량은 자동운전 이 4.9[kWh]의 전력을 회생하여 결론적으로 총 소비전력량(추진 시-제동 시)은 자동운전이 4.2[kWh]로 더 소비된 것으로 분석되었다. 또한 승객하중의 경우 수동운전 시에 7%가 높은 것으로 분석되어, 실제 운행 시 무거웠던 수동운전의 열차가 자동운전 시 보다 에너지를 적게 소비한 것으로 분석되었다.

Fig. 5는 A2111열차 검암역→청라역까지의 수동운전과 자동운전 시 추진, 제동 노치 패턴과 열차 속도를 나타낸 것으로서 자동운전에 비해 수동운전 시 타행을 사용한 시간과 횟수가 많았다. 또한 속도패턴은 서로 상이하지만 평균속도와 구간의 소요시간은 동일한 것으로 분석되었다. 수동운전과 자동운전 시 동일한 소요시간에서의 에너지 사용량은 타행운전의 사용빈도와 추진 및 제동을 빈번하게 변화시키지 않는 수동운전이 적음을 확인할 수 있었다.

ATO는 ATP(Automatic Train Protection)의 속도프로파일을 추종하도록 자신의 프로파일을 생성하는데 일반적으로 ATP의 제한속도는 구간최고속도와 제동에 대한 속도커브를 제공하고 가속에 대한 프로파일을 정의하지 않습니다. 따라서 ATO는 속도의 변곡점에서 최대가속을 사용하고 이후 제한속도를 넘지 않기 위해서 가감속을 수행하기 때문에 에너지 소비에 있어서 수동운전과 차이가 발생하는 것으로 판단된다.