조환희
(Hwan-Hee Cho)
1†iD
김재원
(Jae-Won Kim)
1
이한민
(Han-Min Lee)
1
정호성
(Ho-Sung Jung)
1
-
(Korea Railroad Research Institute (KRRI))
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers
Key words
Hardware-in-the-Loop Simulation (HILS), OPAL-RT Integration, TCP/IP Communication, Virtual Train Operation, Real-time Computation Method
1. 서 론
도시철도 전력계통은 급가변 부하(가·감속), 회생제동, 분산형 에너지원(ESS/신재생에너지원)에 의해 시간·공간적으로 크게 변동한다. 이로 인한 가선전압
변동과 미활용된 회생에너지 에너지 손실과 전압 운영 제약을 유발한다. 최근에는 전기철도 분야에서도 에너지저장장치(ESS) 적용과 제어전략 고도화가
활발하며, 전력품질 안정화와 에너지 절감 효과가 보고되고 있다 [1]- [4].
동시에, 전세계적인 RE100 및 탄소중립 기조 속에서 현장 시험 의존도를 줄이고 신기술을 빠르게 검증할 수 있는 실시간 (Hardware-in-the-loop,
HIL) 기반 검증 체계의 중요성이 커지고 있다. HIL은 실제 제어기 및 장치와 실시간 전력계통 모델을 폐루프로 연결해 위험과 비용을 줄이면서 재현성
있는 시험을 가능하게 한다. [5]
한편, 전기 철도 시스템 수준의 HIL 및 실시간 시뮬레이션은 FPGA 플랫폼을 활용해 제어기 검증 비용·기간을 줄이는 방향으로 연구 및 노하우가
축적되고 있다. 예를 들어, 고속열차 견인제어 HIL 플랫폼 [6]과 전기철도시스템 HIL 플랫폼 기반 철도 ESS 연구 [7]가 대표적이다. 그러나 이들 연구는 주로 플랫폼 내부의 폐루프 검증에 집중되어, 외부 인터페이스 장치와의 네트워크 연동, 다중 열차 운행 시나리오,
전철 전력계통 (변전소-전차선)과의 통합 HILS 구조를 실시간으로 검증한 사례는 거의 보고되지 않았다.
또한 전철 ESS·재생에너지의 계통 연계 및 전압안정화 연구는 광범위하나, 실제 운영 노선 (예: 인천 2호선)을 대상으로 한 전력조류 및 제어전략에
대한 시뮬레이션 기반 검증은 대부분 오프라인 해석(PSCAD/EMTDC 등)에 머무는 경향이 있다 [8].
본 연구는 시스템 검증을 중심으로 한 외부 플랫폼 연동 철도 전력계통 실시간 HILS 구조를 제안 및 구현한다. 즉, 가상 열차 운행을 라즈베리파이와
같은 외부 플랫폼 장치와 OPAL-RT 간 TCP/IP(UDP) 통신으로 실시간 연동하여 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 활용해 다중 열차를 외부 제어
신호로 구동하고 운행조건 (차량, 선로, 급전정보 등)을 부여하여 가상 운행을 구현하였으며, ESS 모델을 연계해 변전소·가선 전압 변동 저감 효과를
검증하였다. 또한 동일 시나리오를 RTDS에 구현해 결과 파형을 비교함으로써 플랫폼 간 재현성과 신뢰성을 확보하였다.
그림 1. 실시간시뮬레이션의 개념
Fig 1. Concept of real time simulation
구조적 기여로는 OPAL-RT–외부 장치 간 실시간 연동을 철도 전력계통 HILS에 적용하고, 실노선 기반 열차 가상 운행 알고리즘과 급전계통을 통합
구현한 점을 들 수 있다. 응용적으로는 ESS 연계를 통해 전압 안정화 가능성을 실증했으며, 검증적으로는 OPAL-RT 및 RTDS 교차검증을 통해
결과 신뢰성을 높였다. 나아가 AI 기반 실시간 최적화 및 철도차량·ESS·친환경에너지원으로 확장 가능한 전기철도 시스템에 특화된 실험 환경 구성을
제안한다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 먼저 서론에서 연구 배경과 목표를 제시하고, 이어 제안하는 HILS 환경과 TCP/IP 인터페이스를 설명한다. 이후
라즈베리파이 기반 실시간 구현과 인천 2호선 ESS 적용 사례 연구를 다루며, 마지막으로 OPAL-RT와 RTDS 비교 검증을 거쳐 결론 및 향후
연구 과제를 제시한다.
2. HILS 환경 및 TCP/IP 프로토콜 구현
이번 절에서는 OPAL-RT를 기반으로 라즈베리파이와 TCP/IP 프로토콜을 구현하고, HILS 환경 구축한 내용을 다룬다.
2.1 실시간시뮬레이션과 HILS의 개념
그림 1과 같이 일반적인 단순 문제를 다루는 기존 오프라인 시뮬레이션은 요구되는 처리 시간에 비해 연산 시간이 짧아 신속하게 결과를 얻을 수 있다. 그러나
시스템이 비선형적이거나 규모가 커질 경우, 연산 시간이 처리 시간보다 길어 결과 출력이 지연되는 문제가 발생한다. 이러한 상황에서는 실시간 시뮬레이션을
활용하게 되며, 정해진 처리 시간을 맞추기 위해 시스템을 분할하고 통신(TCP/IP 등)을 통해 연동하는 방식을 사용한다. 또한 실시간 시뮬레이터의
모델을 분할하거나 외부 연산 장치·제어기를 연계하여 복잡한 문제를 효율적으로 처리하는데, 이를 HILS(Hardware-in-the-Loop Simulation)라고
한다.
2.2 TCP/IP 기반 HILS 검증 환경
그림 2는 OPAL-RT 실시간 시뮬레이터의 백패널과 열차운행 알고리즘이 탑재된 라즈베리파이의 접속된 모습이다. 본 논문에서는 열차 두 편성에 대해 모의를
진행하므로 라즈베리파이는 2대를 TCP/IP 프로토콜을 통해 연동한다.
그림 2. OPAL-RT (OP5707) 및 라즈베리파이 연계
Fig 2. Integration of OPAL-RT OP5707 and Raspberry Pi
2.3 TCP/IP 인터페이스 구조 및 구현
본 논문에서 라즈베리파이 내부에 적용되는 모델이 비교적 시간 샘플링 간격이 넓은 차량 모델을 취급하므로, 실시간시뮬레이터의 짧은 샘플링 간격과 맞추기
위해서 라즈베리파이의 샘플링 간격과 실시간성 보존을 위한 라즈베리파이의 시각동기화 기능이 표 1과 같이 구현되었다.
그림 3은 철도 급전 시스템에서 실시간 시뮬레이션 플랫폼과 외부 장치 간의 데이터 통신 과정을 나타낸다. 그림 3의 좌측은 소켓 통신을 이용한 데이터 전송 과정을 단계별로 설명하며, 우선 소켓 생성 후 소켓 주소 구조체를 설정한다. 이후 서버(실시간 시뮬레이터)를
바인딩하여 데이터 수신(서버) 또는 데이터 전송(클라이언트, 외부 장치)을 수행한다. 데이터 처리를 통해 필요한 정보를 분석한 후, 응답을 전송(서버)하거나
재전송을 요청(클라이언트)하는 과정이다. 마지막으로 소켓을 종료하여 통신을 마친다. 그리고 이러한 통신 인터페이스를 기반으로 실시간 시뮬레이션 플랫폼(철도
급전 계통)과 차량 운행이 C 기반으로 모델링된 라즈베리파이가 통신 인터페이스를 통해 데이터를 OP5707과 교환한다.
표 1. 시각 동기화 알고리즘
Table 1. Time Synchronization Algorithm
|
(알고리즘) 시각동기화 모듈
1. 초기화:
counter ← 0으로 설정
Timer ← 0.0으로 설정
2. 제어 파라미터 수신:
라즈베리파이 (클라이언트)로부터 제어 입력을 수신하여
sim_input 업데이트
3. 동기화 카운트 계산:
sync_count ← sim_input.Ts / sim_input.Ts_sys로 설정
4. 카운터 증가:
counter ← counter + 1로 설정
5. 동기화 조건 확인:
counter ≥ sync_count일 경우:
1. 동기화 상태 출력:
● 출력: "Synchronized at Timer : " + Timer
● 출력: "Timing setting : Ts = " + sim_input.Ts + ",
Ts_sys = " + sim_input.Ts_sys
2. counter를 0으로 재설정
3. Timer ← Timer + sim_input.Ts로 타이머 업데이트
6. 프로세스 종료 전까지 2-5단계 반복
|
그림 3. TCP/IP 기반 소켓프로그래밍 방식
Fig. 3. TCP/IP-based Socket Programming Method
3. TCP/IP 기반 다중열차 제어 실시간 구현
3.1 TCP/IP 기반 다중 열차운행모델 개발
3.1.1 철도 전력계통 모델 개요
본 논문의 TCP/IP 기반 다중열차운행 모델은 TCMS 데이터 기반 제어에 관한 선행연구 [3]에서 개발한 기본적인 열차 동역학 및 노선 단위의 제어 구조를 기반으로 [4]에서 개발한 PI 제어 기반 통합형 열차 실시간 제어 알고리즘을 적용하여 구현하였다.
본 연구에서는 다중 열차 운행을 모사하기 위하여 TCMS 데이터를 기반으로 제어되는 전력계통 모델을 적용하였다. 기존 연구에서 제안된 기본 구조를
참고하되, 실시간 연산 알고리즘과 PI 제어 기법을 결합하여 열차 단위의 거동을 반영하도록 구성하였다. 시뮬레이션 대상은 750 V급 직류 급전계통이며,
운행 구간의 전력 손실과 선로 조건을 반영할 수 있도록 프로그램 내 변수화하였다.
3.1.2 철도차량 동역학 모델
차량의 거동은 다음과 같은 운동 방정식으로 나타낼 수 있다.
여기서, $x$는 열차 위치 (m), $m$은 차량 질량 (ton), $F(v)$는 견인력, $R_{cur}$, $R_{grad}$, $R_{run}$은
각각 곡선저항, 구배저항, 주행저항을 의미한다. 공급 전압 $V$는 열차의 소비·회생 전력과 밀접히 연계되어 있으며, 위치에 따라 변동한다.
3.1.3 견인 및 제동 특성
견인력과 제동력은 전동기의 설계 특성을 기반으로 하며, 속도 구간에 따라 달리 정의된다.
제동력 역시 속도에 따른 구간별 함수로 표현된다.
이러한 특성은 그림 4의 견인·제동력 곡선으로 정리된다.
그림 4. 철도 차량용 주간제어기 노치의 이산화 특성
Fig 4. Master Controller of Railway Vehicle
3.1.4 선로 조건
노선 조건은 다음과 같이 정의된다.
여기서 $m_{dyn}$은 동적 질량, $r(x)$는 곡선 반경, $G(x)$는 선로 구배를 나타낸다.
3.1.5 차량 제어 전략
실시간으로 계산된 열차의 상태 값은 PI 제어기를 통해 가속, 정속, 제동의 세 구간으로 나뉘어 운행 제어에 반영된다. 또한 주간제어기의 스텝 특성(여러
단계의 역행·제동, 중립 상태)은 이산화하여 제어 모델에 포함하였다. 이를 통해 열차 위치와 운행 상황에 맞는 제어 입력이 지속적으로 계산·적용된다
[4]. 또한 그림 5와 같이 주간제어기의 스텝 특성 (4단계의 역행, 중립, 7단계의 제동)을 제어량을 이산화시켜서 모델로 구현하였다.
그림 5. OPAL-RT 연계용 라즈베리파이 모델 변환 과정
Fig 5. Model Conversion Process for OPAL-RT Integration
그림 6. 라즈베리파이 실시간 TPS 운영 화면
Fig 6. Raspberry Pi Real-Time TPS Operation Interface
이 방식은 열차 운행과 전력 시뮬레이션을 일원화하여 실시간으로 통합 연산을 수행할 수 있으며, 이를 통해 단일 열차 부하 프로파일을 노선 단위로 확장할
수 있다. 또한 열차의 이동과 선로 상태를 실시간으로 반영함으로써 급전 시스템 및 차량 현상 분석이 용이해진다.
3.2 모델 개발 및 배포
위에서 설명한 운행구간별 제어, 열차동특성 제어 및 주간 제어기 이산화 처리 프로그램을 각각 개발하며, 오프라인 툴로 검증을 진행하며 이를 추후 다중
열차 모의를 위한 배포 용이성을 위해 단계별로 통합하여 그림 6과 같이 라즈베리파이에 배포한다. 라즈베리파이에는 그림 6의 TCP/IP 소켓프로그램을 실시간으로 OPAL-RT와 연동하도록 구현하였다.
그림 7. 실시간 철도급전 및 TCP/IP 연계 모델
Fig 7. Real-Time Railway Power Supply and TCP/IP Integration Model
3.3 TCP/IP 인터페이스 연계
외부 연동한 라즈베리파이에서는 열차 운앵에 관한 전반적인 기능을 수행하며, 이를 OPAL-RT에 구현된 철도 급전시스템과 정보를 교환하며 실시간으로
진행된다. 그림 8은 해당 OPAL-RT 인터페이스를 나타낸다.
4. 실시간 다중열차 및 ESS에 의한 철도급전 영향
4.1 시뮬레이션 결과 분석
본 시뮬레이션은 OPAL-RT와 TCP/IP 연계 기반의 HILS 환경에서 수행되었다. 열차 모델과 급전계통 모델을 OPAL-RT에서 각각 독립적으로
구동하면서, TCP/IP 통신을 통해 실시간으로 제어 신호와 전력 데이터를 교환하는 구조를 구성하였다. 이를 통해 열차의 가속·제동에 따른 전력 소비와
회생제동 전력의 발생이 급전계통 전압 응답에 즉각 반영되고, 다시 그 결과가 열차 모델로 피드백되는 양방향 상호작용을 구현할 수 있다.
그림 9는 차량 1과 차량 2의 제어 입력, 가감속 특성, 위치, 전인력 및 제동력, 속도 및 전력 파형을 나타낸다. OPAL-RT 연계로 각 차량의 운행
패턴이 실시간으로 반영되었으며, 두 열차의 주행 곡선이 중첩되는 구간에서는 전력 수요 급증과 회생제동 전력 공급이 동시에 발생하여 계통 부하의 변동성이
크게 확대되었다. 정차 후 재가속 시에는 전인력이 급격히 상승하고, 제동 시에는 회생전력이 발생하는 양상이 뚜렷하게 확인되었다.
그림 8. 차량 1과 2의 TCP/IP 기반 HILS 시뮬레이션 결과 파형
Fig 8. TCP/IP-based HILS simulation results of Train 1 and 2
그림 10은 변전소 1과 2의 전압 파형을 ESS 적용 전후로 비교한 결과이다. ESS가 없는 경우, 변전소 전압은 최대 약 943V까지 상승하고 최소 약
590V까지 하락하여 300V 이상의 변동 폭을 보였다. 이는 다중 열차 운행의 부하 특성이 OPAL-RT 기반 급전계통 모델에 직접 반영된 결과로,
회생제동 전력이 흡수되지 못한 채 전압 상승으로 이어지거나 동시 가속 시 급격한 전압 저하가 발생했음을 의미한다. 반대로 ESS를 적용한 경우, 변전소
전압은 약 790~770V 범위에서 안정적으로 유지되었고, 표 2에서 확인할 수 있듯 전압 변동 폭은 20V 이내로 억제되었다. 이는 ESS가 회생제동 에너지를 흡수·방전하면서 계통에 연계된 OPAL-RT 시스템에서도
전압 안정화 효과가 뚜렷하게 구현되었음을 보여준다.
그림 9. 변전소 1과 2의 전압 파형 비교
Fig 9. Voltage Comparison between Substation 1 and Substation 2
표 2. ESS 적용 전후 변전소 전압 개선 효과 검토
Table 2. Voltage Improvement Effect at Substations After ESS Application
|
시나리오 및 측정 개소
|
최대
|
최소
|
|
ESS 적용 전
|
변전소 1 전압
|
943.5
|
589.7
|
|
변전소 2 전압
|
938.4
|
607.8
|
|
ESS 적용 후
|
변전소 1 전압
|
790.2
|
769.7
|
|
변전소 2 전압
|
789.7
|
769.9
|
결과적으로 OPAL-RT와 TCP/IP 연계를 통한 실시간 HILS 시뮬레이션은 다중 열차 운행과 ESS 적용 여부가 급전계통 전압 안정성에 미치는
영향을 효과적으로 분석할 수 있는 수단임을 확인하였다.
그림 10. TCP/IP 기반 RTDS 결과 파형
Fig 10. RTDS Result Waveforms Based on TCP/IP
4.2 RTDS 환경에서의 시뮬레이션 검증
위 OPAL-RT로 구현된 모델을 동일하게 RTDS 환경에서 그림 11과 같이 재현하고, 라즈베리파이로 TCP/IP 프로토콜 기반으로 통신하여 그림 12과 같이 정확하게 같은 응답이 나오는 것을 확인하였다.
그림 11. TCP/IP 기반 RTDS 모델링
Fig 11. TCP/IP Based RTDS Modeling
5. 결 론
본 논문은 TCP/IP 기반 외부 인터페이스(라즈베리파이)와 OPAL- RT를 연동한 전기철도 HILS 구조를 제안하고 이를 구현하였다. 제안한 프레임워크는
샘플링 불일치를 보정하기 위한 시각 동기화 모듈을 포함하며, 다중 열차의 가상 운행을 실시간으로 재현하여 변전소 및 가선 전압 응답을 평가할 수 있도록
하였다. 인천 2호선 사례 연구에서는 두 편성의 열차가 동시에 투입될 경우 전압이 약 943–590 V 범위에서 크게 변동하는 현상이 관찰되었고,
ESS를 연계함으로써 이러한 변동이 완화되는 효과를 실시간으로 확인하였다. 또한 동일한 운행 시나리오를 RTDS 환경에 이식하여 파형의 일치를 검증함으로써
제안된 플랫폼의 재현성과 신뢰성을 입증하였다.
향후 연구 방향으로는 첫째, 단일 차량 제어량을 이용한 운행 에너지 최적화 문제의 구체적 해법 도출, 둘째, 다편성·다노선 확장을 고려한 대규모 운행
시뮬레이션, 셋째, 열차 간 및 열차-급전계통(ESS 포함)·신호시스템 간의 실시간 협조제어 전략 수립을 들 수 있다. 이를 통해 제안된 TCP/IP
기반 가상 열차 운행 알고리즘은 다양한 철도 운행 시나리오에서 실질적인 제어전략 검증 및 평가 기술로 활용될 수 있을 것이다.
Acknowledgements
본 연구는 2025년도 한국철도기술연구원의 연구과제 가상화기반 에너지 통합형 철도역사 스마트 운영기술 개발 (과제번호: PK2503C1)의 지원을
받아 수행되었습니다.
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control method for regenerative inverters, Energies, Vol. 15, pp. 6572
저자소개
He received his B.S degree from Dankook University in 2014 and completed his combined
M.S and Ph.D. degrees at Korea University in 2020. He is currently a senior researcher
with the Smart Electrical & Signaling Division, Korea Railroad Research Institute,
Uiwang, South Korea. His research interests include railway transportation, traction
power supply system simulation and the railway system applications of hardware-in-the-loop
simulation (HILS).
Jaewon Kim (M'18) was born in Yeongju, South Korea, in 1979. He received the B.S.,
M.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from Korea University, Seoul, South
Korea, in 2006, 2008, and 2018, respectively. He joined Korea Railroad Research Institute
(KRRI), Uiwang, South Korea, in 2011. He is currently a Principal Researcher with
KRRI. His research interests include onboard energy storage system for railway trains,
traction power supply system analysis and design, and railway electric components
reliability analysis.
He received the M.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from Korea University,
Seoul, South Korea, in 2000 and 2005, respectively. He is currently a Principal Researcher
with Korea Railroad Research Institute, Uiwang, South Korea.
He received a B.S. and M.S. degree in Electrical Engineering from Sungkyunkwan University,
Republic of Korea, in 1995 and 1998, respectively. He received a Ph.D. degree in Electrical,
Electronic, and Computer Engineering from Sungkyunkwan University in 2002. He is currently
the head of the Electrical and Signaling Division at the Korea Railroad Research Institute,
Uiwang, South Korea.