1.1 연구 추진 배경

인류는 지속가능한 미래를 위하여 다양한 연구를 해오고 있으며, 지속가능한 미래를 위해서는 신․재생에너지의 개발을 포함하여, 현재 인류가 보유하고 있는 에너지 자원을 어떻게 최적화하여 활용할 것인지에 대한 연구가 수반되어야 한다. 인류가 많이 사용하는 에너지는 전기에너지이며, 이 중 조명전력은 총 전기에너지 발전량의 약 20% 를 사용할 만큼 많은 비중을 차지하고 있다.

조명전력이 에너지 사용량의 높은 비중을 차지하는 만큼 효율적인 사용이 요구되어 왔으며, 최근에는 LED 광원의 개발․보급으로 인하여 조명설비의 교체만으로도 에너지 절감에 크게 기여하고 있으며, 특히 국내에서는 공공시설물에 활발하게 적용되고 있다.

공공시설물 중 하나인 철도시설물의 국내 조명설치 흐름을 보면, 2013년부터 시작하여 현재까지 LED 조명으로의 교체가 활발하게 이루어지고 있는 대표적인 공공시설물이라고 할 수 있겠다.

철도시설물의 조명설비는 크게 철도역사와 철도선로 구간에 설치된 조명설비로 구분할 수 있는데, 이 중에서 철도선로 구간에서의 조명설비는 열차운영자 및 승객의 안전을 위해서 매우 중요한 설비이다.

철도선로 구간 중 지하터널 구간에 사용하는 조명설비의 경우 지하공간에서 발생할 수 있는 안전, 재난 등의 위급 상황 시 인명의 신속한 대피를 위해 열차 선로구간에서 필요한 조명의 최소 밝기를 요구하게 되어 있으며, 기존에는 on/off 제어에 취약한 광원인 형광램프를 주로 사용하기 때문에 조명설비의 별도 제어 없이 지속적 상시 점등 상태로 사용하였다. 그러나 최근에는 on/off 제어 및 조광제어가 가능한 LED 조명으로 교체되면서 열차선로 지하터널 구간에서도 조명을 제어해야 한다는 목소리가 높아져 왔으나, 효과적인 방법을 찾지 못해, 조명전력의 낭비가 계속되고 있어 개선이 시급하다.

이는 국내만의 문제가 아닌, 전 세계적인 문제로서 이를 해결하기 위해서는 노후된 조명설비의 교체만이 아닌, 열차선로 지하터널 구간에서의 효율적인 조명제어시스템에 대한 연구가 필요하였다.

1.2 연구 목적

본 논문에서는 대부분의 철도신호 체계에서 사용하고 있는 철도신호시스템의 열차 위치추적 정보를 활용한 최적화된 조명제어시스템을 고안하게 되었고, 시뮬레이션 및 실증시험을 통해 열차선로 지하터널 구간의 조명제어시스템의 개발 방향성을 제시해 보고자 한다.

2.1 철도신호시스템

철도신호시스템은 열차의 진행 위치를 실시간으로 파악하여 자동 진로설정, 열차의 대피, 교행, 운행속도, 운전자의 실수, 시스템 고장 여부 등을 확인하여 최우선적으로 안전을 확보하고 열차의 운용효율을 향상시키는 주요한 시스템이다^[1].

2.2 폐색 신호 정보 수집

철도신호시스템에서 폐색 장치를 통해 폐색 구간을 정하고, 열차가 진입할 시 그 구간에 다른 열차가 들어오지 못하게 하는 장치를 폐색장치라 하며, 그림. 1은 고정 폐색방식의 개념도를 나타내는데 폐색 구간을 분할하여 궤도를 설치하고, 열차가 어떤 궤도 회로를 점유하였느냐에 따라 이를 검지하여 뒤에서 따라오는 열차에게 자동으로 신호 현시 또는 차상 신호를 전송토록 하는 방식을 말한다^[1].

그림. 2는 궤도회로 장치의 개념도로 고정 폐색방식에서 열차의 속도를 제어하기 위해 열차와 지상간의 통신을 이용하며, 레일을 전기회로로 구성하여 이 회로가 차축에 의해 레일이 단락될 때, 궤도회로 내에 열차의 유무를 자동적으로 검지한다.

실시간으로 검지된 열차 위치 정보는 신호기계실의 열차위치 모니터링 시스템에서 확인이 가능하며 최종적으로는 열차관제시스템으로 정보가 도착하여 열차의 다양한 제어를 위한 정보로서 사용된다^[1].

2.3 CPLC 방식을 이용한 조명제어^[3]

기존의 전력선 통신(PLC : Power Line Communication)은 9~500kHz 사이의 다양한 대역폭을 사용하는 전력선 통신인데, 흔히 사용하는 220V, 60Hz의 전력선을 이용하며, 송신부에서 정보를 담은 변조 신호를 전송하여 수신부에서 다시 복조하는 방식이다. 신호의 변·복조를 해야 하기 때문에 PLC 전용 수신기가 필요하다. 도시철도 터널 내부의 60Hz 교류 전압이 PLC 변조 신호에 매우 큰 잡음으로 작용하기 때문에 통신 환경이 나쁘다. 또한 접지나 정전 용량, 배선 방법에 따라 감쇄가 급속도로 일어날 수도 있다. 부하 특성에 따라서도 전송선의 입력 임피던스나 출력 임피던스가 바뀌는 문제로 반사파 특성이 쉽게 바뀐다는 문제점이 있을 수 있다.

이러한 기존 PLC의 단점을 극복하고 저비용․고효율의 조명제어를 위한 방법으로 검토한 방식이 폐회로 전력선 통신(CPLC : Closed circuit Power Line Communication)방법이다. 이 통신방법은 구성이 단순하고 높은 신뢰도를 보장한다.

그림. 3과 같이 병렬로 접속된 최대 64개까지의 램프를 개별로 제어하기 위해서는 각 램프를 식별하기 위한 어드레스 6bit, on/off/dimming 등의 명령 4bit, 밝기 등의 데이터 8bit, 총 18bit의 정보를 조명제어에 사용하게 된다. 제로크로스 직후의 낮은 전압부분에서의 위상제어를 이용해 폐회로에서만 가능한 전력선 통신으로, 노이즈에 강하고, 수신부의 회로가 간단하여 등기구 이외의 다른 어떤 배선도 필요가 없다. 또한 가격이 저렴하고 실장면적이 작은 것 또한 장점이다. 이렇게 검토한 CPLC방식이 도시철도 터널 내부의 스마트 조명제어 시스템 구축에 있어 적합하다고 판단했다.

2.4 조명제어 알고리즘 개발

철도차량의 위치에 따른 최적의 조명제어 알고리즘을 구축하는 것이 필요하며, 조명제어 알고리즘에는 열차시간, 장소, 위치, 열차의 종류, 열차의 구성, 탑승객의 수 등 각종 요소에 따른 설정을 적용하여 효과적인 제어가 가능하도록 해야 한다. 표 1과 같이 현재의 시스템은 폐색구간의 수, 길이, 조명설비의 수량, 열차의 진행 방향 등 일부의 명령어만을 고려하여 설계되었으며, 추후 추가적 연구를 통해 추가가 필요하다^[1].

그림. 4와 그림. 5는 조명제어 알고리즘의 기본 구성을 나타낸 것이다.

2.5 조명제어시스템의 구성

철도신호시스템의 열차 점유 검지 방식을 이용하여 신호 기계실의 열차위치 모니터링 시스템에서 열차위치 정보를 수집한 후 각 조명별로 제어 신호를 송신해 열차 이동에 따른 일정 조명설비 설치구간을 설정하여 전방 및 후방 구간의 조명설비를 제어하게 되는 것이다^[1].

3.1 실증시험 장소 선정

서울메트로의 경우 1호선~8호선까지 노선 및 구간 별로 폐색의 길이, 열차의 종류, 승객 밀집도, 운행시간 등이 서로 상이하며, 환경 조건에서도 매우 다양한 특성을 가지고 있는데, 이번 실증시험 장소로는 4호선 쌍문역에서 수유역 지하터널 구간을 실증 장소로 선정하였으며, 이유는 최근 터널 구간 조명설비의 광원이 형광램프에서 LED 광원으로 교체가 이루어진 구간인 것이 주요하다. 이 구간에는 철도역 승강장 구간을 제외하고 5개의 폐색구간이 존재하며 제어 구간이 아닌 철도역 승강장 구간의 조명설비를 제외하고 역 사이에 70개의 조명설비가 설치되어 있으며, 인가되는 전원의 배선은 R, S, T, 3개의 상으로 구성되어 있고^[2] 각 역사의 전기실에서 약 50% 정도의 비율로 나뉘어져 관리되고 있다.

3.2 조명제어 알고리즘 설계

해당 구간의 조명제어를 위해서는 해당 구간의 폐색의 길이, 폐색의 수, 조명설치 간격, 조명의 개수 등을 파악하여 열차위치에 따른 일련의 제어알고리즘을 구성해야 한다.

이번 실증시험에서는 열차가 폐색에 진입 시 열차전방의 1.5개 구간의 폐색구간을 점등하고 나머지 구간의 조명설비는 소등, 열차후방은 1개 폐색구간이 점등을 유지하는 형태의 알고리즘을 구성하였다.

표 2는 열차의 폐색 점유에 따른 조명 on/off 제어 패턴을 나타낸 것이다.

3.3 조명제어시스템의 설치

쌍문역과 수유역 터널구간의 경우 조명설비에 인가되는 전원을 각각 관리하고 있기 때문에 조명제어시스템을 양측 역사에 구축하는 형태로 그림. 7과 같이 구성하였다.

그림. 8은 실제 설치된 열차위치(폐색) 모니터링 및 인터페이스 시스템이고 그림. 9는 감시 모니터링 화면으로 폐색 신호 모니터링, 폐색 신호 로그 저장, 폐색 신호 시뮬레이터 기능, 위급 상황 시 터널 내 모든 조명의 점등 기능을 가지고 있다.

그림. 10과 그림. 11은 조명설비 제어반(조명제어시스템)이 설치된 모습으로 쌍문역과 수유역 구간의 조명설비를 제어알고리즘을 통해 제어하는 역할을 하며, 추가적으로 전류 감시기능을 탑재하고 있다.

3.4 실증시험용 조명설비

해당 구간의 조명설비는 형광램프를 사용하고 있었으나 LED 램프로 교체를 한 상태로서 해당 제품의 교체 전․후 제원은 표 3과 같다.

해당 조명설비에 전원선을 통해 전송된 조명제어 신호를 수신하고 프로토콜을 해석하여 등기구를 제어하는 장치인 CPLC Receiver, 그림. 12의 노드(Node)를 설치하여 개별 및 구간제어가 가능하도록 준비한다.

3.5 실증시험 준비단계

실증시험에 사용하는 구간은 실제 열차 운행 구간으로서, 이런 경우 실증시험 전 모의 시뮬레이션 등의 기법을 통하여 발생할 수 있는 위험을 사전에 최소화 시킬 수 있다.

그림. 13과 같이 열차위치 모니터링 인터페이스 시스템의 시뮬레이션를 이용하여 가상의 열차를 보내고 조명설비 제어반(조명제어시스템)의 전류 감시기능을 통해 전류의 변동을 확인하고, 그림. 14와 같이 실제 폐색 구간별 인원을 배치하여 정상동작 유무를 확인하는 실증시험 사전 예비 시험을 하였다.

추가적으로 그림. 15와 같이 폐색구간의 선로를 강제로 단락시켜 조명의 제어가 정상적으로 동작하는지에 대한 검증도 실시하였다.

최종적으로 표 2의 열차의 폐색 점유 패턴에 따른 on/off 점등 제어 시 조명의 전류를 시뮬레이션 예측 및 비교하여 전체 시스템의 정상적인 동작을 확인할 수 있었다.

3.6 실증시험 실시

실증시험은 열차가 폐색에 진입 시 열차전방의 1.5개 구간의 폐색구간을 점등하고 나머지 구간의 조명설비는 소등, 열차후방은 1개 폐색구간이 점등을 유지하는 형태의 알고리즘을 적용하였으며, 조명제어 시스템의 효과를 확인하기 위하여, 평일시간인 목요일, 금요일, 주말 및 공휴일에 해당하는 토요일, 일요일의 05:30~24:00까지를 실증시험 시간으로 설정하여 조명제어시스템 적용 전․후의 전력량 측정을 통해 조명제어 에너지절감의 효과를 확인하고자 하였다.

전력량의 측정은 실시간 측정이 가능한 전력측정용 에너지로거(FLUKE 1732)를 사용하여 시험하였다.

3.7 실증시험의 결과

그림. 16과 그림. 17은 실증시험의 상시 점등 시(제어 전)와 조명제어 알고리즘 패턴에 의한 제어 동작시의 전력량을 나타내는 그래프로, 상시 점등 시에 일정하던 전력량 그래프가, 조명제어 시에는 열차의 위치 이동에 따른 알고리즘 제어패턴에 따라 모양이 지속적으로 변화하고 있음을 확인할 수 있으며, 변화가 없는 구간은 열차의 비 운행 시간대로 상시 점등 상태로 설정되어 있기 때문이다.

표 4는 실증시험시의 전력량 측정값을 요일별로 정리한 표이다. 표를 보면 상시 점등 시 대비 조명제어 시 쌍문역 조명제어 구간의 전력 사용량은 39.9% 의 에너지 절감률을 보이며, 수유역 구간의 경우 53.7% 의 에너지 절감률을 보이는 것을 확인할 수 있다.

다른 부하가 있는 것은 제외하더라도 쌍문역 및 수유역 구간의 전력 사용량에 대한 종합적인 에너지 절감률은 46.8% 로 확인할 수 있다.

조명설비 이외에 다른 부하가 없었던 수유구간의 경우를 세부적으로 살펴보면, 열차 운행이 많은 평일의 에너지 절감률은 51.7%~52.5%, 평일대비 열차 운행이 적은 주말의 경우는 54.8%~55.9%의 에너지 절감률을 나타내는 것을 확인할 수 있다.