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Digital Transformation Technologies for Subway Power Systems 전철전력 시스템의 디지털 전환기술 [철도연 창립 제27주년 국제세미나]

철도 전기시스템의 디지털 전환은 현실 세계의 방대한 데이터를 가상 공간으로 옮겨와 최적의 운영 방안을 도출하는 혁신적인 기술입니다. 이는 전철 전력과 추진 시스템을 중심으로 에너지 효율화, 안정성 향상, 유지보수 최적화, 그리고 운영 효율화라는 네 가지 핵심 목표를 실현하는 데 초점을 맞춥니다. 인공지능과 빅데이터를 활용한 상태 진단 기술은 전장품의 건전성을 실시간으로 관리하며, 융복합 에너지원 활용을 통해 미래 철도 운영의 한계를 극복하는 스마트 시스템 구축의 든든한 토대가 되고 있습니다. 에너지 효율을 극대화하기 위해 하이브리드 에너지 저장 시스템(ESS)의 가상 검증 플랫폼을 구축하고 회생 에너지 활용 시스템을 고도화하고 있습니다. 특히 인공지능 기반의 스마트 스테이션 기술은 수년간 축적된 역사 내 에너지 데이터와 공공데이터를 딥러닝으로 분석하여 조명과 냉난방 설비를 자동으로 최적화합니다. 이러한 지능형 제어 알고리즘은 전력 요금과 기상 조건에 따른 전략적 충방전을 가능하게 하며, 수소 하이브리드 철도 차량의 거동 분석과 연계되어 혁신적인 에너지 절약 효과를 창출합니다. 안정성 향상 측면에서는 전력 계통에서 발생하는 고장 전류 파형을 딥러닝 알고리즘으로 분석하여 이상 상태를 정밀하게 판별하는 기술이 도입되었습니다. 합성곱 신경망(CNN) 기술을 적용해 사고의 유형과 방향을 판단함으로써 전력망의 보호 성능을 한층 강화하였으며, 전동기 제어 기술과 전장품의 모듈화를 통해 시스템의 불안정 요소를 사전에 제거합니다. 이러한 지능형 감시 제어 기술은 노후 설비 증가에 따른 사고 위험을 최소화하고 철도 전기 인프라의 신뢰성을 확보하여 더욱 안전한 열차 운행 환경을 조성합니다. 유지보수 분야에서는 인력 중심의 수동 작업을 지능형 자동 검측 및 무인 세척 시스템으로 전환하는 기술 혁신이 활발히 진행되고 있습니다. 전차선로 지능형 자동 검측 시스템은 실시간으로 설비 상태를 파악하며, 위험도가 높은 고소 세척 작업을 로봇이 대체함으로써 작업자의 안전과 관리 효율성을 동시에 확보합니다. 또한 배터리리스 스마트 센서와 클라우드 기반 관리 시스템을 활용해 부품의 잔여 수명을 예측함으로써, 기존의 사후 정비 방식에서 벗어나 데이터에 기반한 선제적 예방 정비로의 패러다임 변화를 이끌어냅니다. 운영 효율화를 위해 지리정보시스템(GIS) 기반의 3차원 공간 정보와 디지털 도면을 통합한 관리 환경을 구축하고 있습니다. 국산 기술로 개발된 실시간 시뮬레이터는 실제 전력 계통과 동일한 속도로 상태 변화를 모의하며, 실제 장비와의 연계 실험을 통해 보호 계전기와 고장점 표정 장치의 성능을 완벽하게 검증합니다. 이러한 디지털 전환은 단순한 기술 도입을 넘어 철도 시스템 전반의 운영 방식을 혁신하고, 경제적 손실 방지와 친환경 교통 수단으로의 성장을 견인하는 선두적인 역할을 수행할 것입니다.

Real-time Simulation System for Railway Power Supply Network [철도급전계통 실시간 모의시스템]

오늘날의 철도는 전철화를 통해 비약적인 속도와 편안함을 제공하며 에너지 효율과 안전성 면에서도 큰 발전을 이루었습니다. 그러나 전기철도는 전차선로에 55,000볼트라는 매우 높은 전압을 공급하기 때문에 설비 취급에 각별한 주의가 필요하며 복잡한 네트워크에 대한 섬세한 관리가 필수적입니다. 특히 실제 운영 중인 노선에서는 사고 재현을 통한 원인 분석이나 신규 장비의 성능 테스트를 진행하는 데 현실적인 제약이 많아 효율적인 유지보수에 어려움이 있었습니다. 이러한 한계를 극복하고자 개발된 것이 철도 급전 계통 실시간 시뮬레이션 시스템인 DRTS-R입니다. 이는 철도 급전 계통의 디지털 트윈으로서 국내 철도 환경의 특수성을 반영한 가상 모듈과 필수 연동 장비들로 구성되어 있습니다. 39노드 규모의 대용량 서버와 입출력 포트를 통해 외부 장치와 긴밀하게 연계되며, 각 요소의 전기적·물리적 특성을 수치화하여 실제 철도 전력 시스템의 모든 변화를 실시간으로 모의 해석할 수 있는 혁신적인 기술입니다. DRTS-R의 가장 큰 특징은 하드웨어 인 더 루프(HIL) 실험이 가능한 고도의 실시간 연동 능력에 있습니다. 내부 서버가 구성 요소 간의 상호작용을 실제 상황과 물리적으로 일치하는 속도로 처리함으로써 외부의 실제 장비와 데이터를 유기적으로 주고받는 실험 환경을 제공합니다. 이를 통해 특고압 보호 설비의 신뢰성을 사전에 검증하고 현장에서 발생할 수 있는 잠재적 위험 요소를 안전하게 탐색할 수 있어, 실제 설비 도입 시 발생할 수 있는 오동작을 획기적으로 줄여줍니다. 전기철도 운영 중 발생하는 불안정한 전압이나 고조파는 보호 설비의 오동작을 유발하고 전력 설비 전반에 악영향을 미칠 수 있습니다. DRTS-R은 급전 계통의 전력 품질을 미리 예측하여 최적의 설비 구성을 제안함으로써 이러한 오동작을 예방합니다. 또한 사고 발생 시 신속하고 정확하게 원인을 파악하여 복구 시간을 단축하고, 시뮬레이션 기반의 교육 시스템을 통해 인적 오류로 인한 사고까지 예방하는 등 다각적인 방면에서 철도 운영의 안정성을 확보하는 핵심 역할을 수행합니다. 신규 노선 건설이나 열차 증편 시에는 변전소의 용량 산정이 매우 중요하지만, 다양한 변수가 얽혀 있어 단순 계산만으로는 한계가 있습니다. DRTS-R은 선로의 곡선, 기울기, 변전 설비 등 모든 환경 변수를 반영한 정밀 시뮬레이션을 통해 가장 경제적이고 안전한 전력 용량을 산출해 냅니다. 뛰어난 확장성을 바탕으로 철도 운영의 효율성을 극대화하는 이 기술은 디지털 트윈으로 운영되는 미래 철도 시스템을 향한 중추적인 발판이 될 것으로 기대됩니다.

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Digital Transformation Technologies for Subway Power Systems 전철전력 시스템의 디지털 전환기술 [철도연 창립 제27주년 국제세미나]

한국철도기술연구원

Real-time Simulation System for Railway Power Supply Network [철도급전계통 실시간 모의시스템]

한국철도기술연구원