2015 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2015S134

고속철도 피크전력 저감장치 및 능동형 고조파 필터의

RAMS 분석에 관한 연구

Study on the RAMS Analysis for the Peak Power Reduction Device and Active

Harmonic Filter of High-Speed Railroad

편장식*†, 이대봉*, 임성수*, 이현우**

Jang-Sik Pyun*†, Dae-Bong Lee*, Sung-Soo Lim*, Hyun-Woo Lee**

Abstract In order to solve the traffic problems, electric railways are presented as the best alternative such as high-speed railways, urban railways which have a safety, rapidity, convenience and friendly advantages to the environment. These high-speed railways is increased the peak power due to load fluctuation occurrence in accordance with the operating status of the train, and it causes the energy costs increase. In addition, harmonic generated from the traction motor of high-speed railways, and it will have adverse effects such as communication induction failure of power equipment, over-current and malfunction. In this study, we conducted a RAMS analysis of active harmonic filter and peak power reduction device that has been developed for harmonic management and peak power reduction, and introduce a reliable analysis of the presented prototype through the RAMS analysis process. Keywords : RAMS(Reliability, Availability, Maintainability and Safety), Peak Power Reduction Device, Active Harmonic Filter, High-Speed Railroad, Sub-Station

초 록 교통문제 해결을 위해 안전성, 신속성, 편리성, 환경 친화적인 이점을 갖고 있는 고속철도, 도시철도 등

의 전기철도가 최선의 대안으로 제시되고 있다. 이러한 고속철도는 열차 운행상태에 따라 부하변동이 발생하여

피크전력이 증가하게 되며 이는 에너지 비용이 증가하는 원인이 된다. 또한 고속열차의 견인전동기 등에서 발생

하는 고조파는 전력관련 장비의 통신유도장애, 과전류, 오동작 등과 같은 악영향을 미치게 된다. 본 연구에서는

고조파 관리 및 피크전력 감소를 위해 개발한 능동형 고조파 필터 및 피크전력 저감장치에 대한 RAMS 분석을

실시하였으며, RAMS 분석과정을 통해 나타난 시제품에 대한 신뢰성 분석결과를 소개하고자 한다.

주요어 : RAMS(신뢰성, 가용성, 유지보수성, 안전성), 피크전력 저감장치, 능동형 고조파필터, 고속철도, 전철변

전소

† 교신저자: (주)우진산전 중앙연구소(jspyun@wjis.co.kr)

* (주)우진산전 중앙연구소

** (주)아이티베인

1. 서 론

교통문제 해결을 위해 안전성, 신속성, 편리성, 환경 친화적인 이점을 갖고 있는 고속철도, 도시철도 등의 전기

철도가 최선의 대안으로 제시되고 있다. 그 중에서 고속철도는 빠른 속도와 정시성 등의 편리성, 접근성 제고를

위한 연계교통망 확충 등으로 매년 이용객이 증가함에 따라 매년 열차 운행횟수를 점차적으로 확대해 나가고 있

고, 이러한 환경변화는 전철변전소의 피크전력이 상승하는 원인이 되며, 이로 인하여 변압기 등의 변전소 설비비

용이 증가와 에너지 비용이 증가하게 발생하게 된다. 또한 고속열차의 견인전동기 등에서 발생하는 고조파는 전

력관련 장비의 통신유도장애, 과전류, 오동작 등과 같은 악영향을 미치게 된다. 이에 고속철도 변전소의 고조파

관리 및 피크전력 감소를 위하여 능동형 고조파 필터 및 피크전력 저감장치를 개발이 진행되고 있는 상태이다.

최근에 또한 철도산업의 신뢰성을 향상시키기 위하여 국내외적으로 RAMS(Reliability, Availability, Maintainability,

Safety) 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 국내에서는 철도분야 RAMS에 대해 많은 연구가 이루어지고 있으나

아직 그 활용도가 미흡한 실정이었다. RAMS는 2차 대전 이후 미국 방위산업 분야의 필요에 의해 발전을 거듭하

면서, 원자력, 오일·가스·플랜트 등의 위험물 취급 산업분야에서도 적용되어 성과를 내고 있는 실정이다. RAMS

관리 기술은 시스템의 신뢰성 및 안전성 향상과 함께 시스템의 수명주기에 걸쳐 운영자의 이익을 확보할 수 있

다는 인식이 전파되면서 철도분야에서는 근래에 RAMS개념이 도입되기 시작하여 영국을 중심으로 철도시스템의

RAMS관리를 위한 EN 규격이 제정되었으며, 현재에는 활발히 적용되고 있다. 국내에서는 KTX의도입 시에 최초

로 RAMS관리 기술이 적용되었고, 홍콩 등의 해외 수출 철도차량에 대해서는 RAMS 관리 기술이 적용되었으나,

국내에서는 최근 들어 각 철도운영기관 중심으로 RAMS 관리 기술의 도입이 대세를 이루고 있는 실정이다.

RAMS는 철도 서비스의 품질을 결정하는 중요한 요소들 중 하나이며, RAMS 성능 향상을 통해 철도 서비스의

품질을 높이기 위해서는 높은 RAMS 성능을 가진 시스템을 획득하여야 하며, 또한 획득된 시스템의 RAMS성능

을 지속적으로 유지하여야 한다. 이를 위해서 국내 철도운영기관에서는 구매사양서에 RAMS에 대한 요구사항을

명기하여 높은 RAMS성능을 가진 시스템이 도입될 수있도록 하고 있다. 특히 최근 들어 국토교통부에서는 모든

운영기관은 RAMS분석을 통한 RCM수행을 필수적으로 수행하도록 법제화 하였으며, 철도분야에서도 RAMS, SW

입증 등이 적용되고 있는 실정이다. RAMS와 관련하여 2002년에 철도 RAMS가 국제규격에 포함되는 등 국외의

많은 나라에서 EN50126, IEC62278 등의 RAMS 국제규격에 따라 철도에 신뢰성과 안전성 평가를 실시하게 되었

다. 국내에서도 세계적인 추세에 따라 철도산업에서도 RAMS 활동이 점차 증가하고 있으며, IEC62278를 번역하

여 2004에 철도관련 RAMS 규격인 KS C IEC62278이 제정되었다.

본 연구에서는 고속철도 변전소의 고조파 관리 및 피크전력 감소를 위해 개발한 능동형 고조파 필터 및 피크

전력 저감장치에 대한 시스템 분류, 기능분석 등을 시행하고 각 장치별로 RAMS 분석을 실시하였으며, RAMS

분석과정을 통해 나타난 시제품에 대한 신뢰성 결과를 분석하였다.

2. 시스템 개요

2.1 피크전력 저감장치

피크전력 저감장치는 크게 PCS, 제어기반, 배터리로 구성되며, PCS에서 멀티레벨 인버터는 배터리 DC전압과

계통 AC전압을 실시간으로 계산하여 검지하며, 동작레벨 검지시에 멀티레벨 인버터의 동작을 통하여 제한된 D

C 입력전압으로부터 출력전압을 크게하여 출력전류를 제한할 수 있으며, 출력전압에 대한 THD 저감에 따라 필

터의 용량을 줄일 수 있다는 특징을 갖는다. 제어기반은 전련변환장치 좌측면에 위치하며 이동성을 고려하여 분

리제작이 되었으며, 전력변환장치와 케이블로 연결되어 6개의 셀인버터로 구성된 전력변환장치를 제어하기 위한

제어보드, 릴레이 및 전원공급장치가 내장된 장치이다. 배터리시스템은 6개의 배터리 랙으로 구성되어 있으며, 16

개의 트레이가 직렬로 연결되며, 하나의 프레임에 256 직렬 배터리 1개가 연결된다. 배터리 보호를 위한 스위치

소자와 제어감시를 위한 Rack BMS가 함께 설치가 되며, 전원 및 통신연결은 Rack 전면에 배치되어 유지보수가

용이한 장점이 있다.

2.2 능동형 고조파 필터

고조파 저감 능동형 필터는 전체 2.88MVA용량으로 비선형 부하 특성에 따른 고조파에 대해 역고조파를 주입

하여 제어함으로 전원단에서 발생되는 고조파 전류를 상쇄시키는 기능을 수행하게 된다. 제어알고리즘은 Lyapun

ov 안정도 이론을 적용하여 제어기를 설계되었다. 고조파 저감 능동형 필터의 IGBT반은 단상 인버터 스택, 초퍼

스택, 입력측 콘택터, 캐패시터 뱅크 등으로 구성되어 있다.

IGBT반은 유지보수성 향상을 위하여 모듈화 설계를 적용하였으며, 전체를 분해하지 않고도 전면 또는 후면으

로 접근하여 분리 및 장착이 가능한 구조로 제작되었다. 제어기반은 능동형 고조파 필터를 제어하는 제어장치와

시퀀스를 담당하는 각종 릴레이 및 전원공급장치를 구성하며, 제어기반과 IGBT반간의 게이트 신호는 광케이블

을 사용하여 IGBT반에 정확하게 신호가 전달되도록 구성하였다.

Fig. 1 Block Diagram of Peak Power Reduction Device Fig. 2 Block Diagram of Active Harmonic Filter

3. 피크전력저감기술 및 능동형고조파필터 RAMS 분석

3.1 RAMS 목표 설정

고속철도 변전소의 피크전력 감소 및 고조파 관리를 위해 개발한 피크전력 저감장치 및 능동형 고조파 필터에

대해서는 별도의 RAMS 없으나 신뢰성이 있는 제품을 개발하기 위해서 다음과 같이 RAMS 목표를 설정하였다.

3.1.1 신뢰성 목표

신뢰성 데이터는 장치의 실제 운영정보를 바탕으로 106 Operating Hours(or Kilometers)당 발생하는 고장의 수 형

태로 표현한다. 이러한 신뢰성 데이터 산출시에 과거 경험 데이터 및 유사제품 데이터 등과 같은 정보가 없을

경우에는 MIL-HDBK-217, NPRD, EPRD 등의 Reliability Data Book에 근거하여 해당 장치와 동일하거나 유사한

조건에서 데이터를 산출하게 된다. 본 연구에서는 피크전력 저감장치 및 능동형 고조파필터에 대한 신뢰성 목표

는 Table 1과 같이 설정하였다.

3.1.2 보전성 목표

모든 장치 및 LLRU(Lowest Line Replaceable Unit)에 대해 MTTR(Mean Time To Repair) 및 MPTTR(Mean Person

Time To Repair)과 같은 보전성 데이터를 제시해야 하며, 보전성은 접근성, 세정용이성, 추출용이성, 모듈화, 상호

교환성, 자가진단, 취급/처리 등의 특성을 고려하여 설계에 적용되어야 한다. MTTR 및 MPTTR은 Corrective Main

tenance 소요시간과 관련이 있으며 차량 리프팅(Lifting) 또는 물류지연시간 등에 대해서는 고려하지 않는다.

3.1.3 안전성 목표

모든 Hazard에 대한 Risk를 제거 또는 감소시키기 위해 각 설계 검토 단계에서 Hazard Analysis, Safety Risk Ass

essment, Verification 등의 Safety Review를 수행해야 하며, 모든 Hazard에 대한 Risk Index는 Risk Matrix 정의에

근거하여 일정 Level 이상을 만족해야 한다. 안전성 목표를 충족하기 위하여 Hazard Analysis 및 FMECA (Failure

Mode, Effect and Criticality Analysis) 등을 수행하여 Risk Level을 평가하고, FTA(Fault Tree Analysis)를 수행하여

안전성을 평가해야 한다.

3.2 RAMS 분석

3.2.1 PBS 구성

PBS(Product Breakdown Structure)는 전체 시스템에서 하부 시스템의 구성형태, 아이템명과 각 아이템에 대한 간

략한 설명, 각 아이템의 기능설명, 각 차량별 아이템 수량 등과 같은 내용을 기술한다.

3.2.2 신뢰성 예측

신뢰성 분석을 위해 사용되는 데이터의 형태는 제품의 사용 중에 발생된 고장데이터, 제품을 보증을 받기 위해

필요한 가속수명 또는 시험 데이터, 제품을 설계하는 단계에서 사용되는 Prediction Data로 구분된다. 데이터 형태

중 앞의 두 가지는 실제로 현장데이터를 획득하거나 실험을 통해 획득하는 형태이지만 Prediction을 위한 데이터

는 제품의 실체가 없기 때문에 데이터 자체를 해당 제품에서 데이터를 획득하기 불가능하다. 따라서 설계 단계

Table 1 Reliability Target

Equipments Reliability TargetMTBF

Peak Power Reduction Device 11,000

Active Harmonic Filter 11,000

에서 제품의 신뢰성을 예측할 수 있는 방법은 유사 제품의 정보를 이용하거나 설계하고자 하는 제품의 부품별

신뢰성 데이터를 이용하여 계산하는 방법이 주로 사용되고 있다. 본 연구에서의 신뢰성 예측 방법은 가장 일반

적으로 사용되는 MIL-HBDK-217F를 활용하여 고장률을 예측하였다.

3.2.3 Maintenance Analysis

보전(Maintenance)은 제품의 요구기능을 수행할 수 있는 상태로 아이템을 유지하거나 회복시키기 위한 관리활

동을 포함한 모든 활동을 포함하며, 보전성(Maintainability)은 주어진 조건에서 규정된 절차와 자원을 사용하여

보전이 수행될 때 요구기능을 수행할 수 있는 상태로 유지 또는 복원되는 아이템의 능력을 의미한다.

보전성은 시스템 설계가 끝나고 시제품이 완성된 상태에서 검토한다면 이때는 이미 때늦은 상태가 되며, 따라

서 기획 및 설계 단계에서부터 보전성 설계에 대한 심사를 하여야 한다. 보전은 예방 보전(Preventive Maintenanc

e: PM)과 사후 보전(Corrective Maintenance: CM)으로 구분한다. 예방보전이란 아이템의 고장확률 또는 기능열화

를 줄이기 위해 미리 정해진 간격 또는 규정된 기준에 따라 수행되는 보전으로 정의하고 있으며, 사후보전은 사

건이 일어난 후 처리하는 것으로 결함 인식 후에 아이템이 요구기능을 수행할 수 있는 상태가 되도록 하기 위해

수행되는 보전으로 정의하고 있다.

3.2.4 FMEA Analysis

FMEA(Failure Mode Effects Analysis)는 부품의 설계 및 제품의 기획단계에서 제품이 사용자에게 인도된 후 발

생할 수 있는 예상 가능한 모든 잠재적 고장형태와 그 영향을 분석 평가하여 사전에 문제점을 해결함으로써 사

후에 발생하는 추가비용의 발생을 최소화 하고자 하는 활동 과정이다. FMEA 분석은 관련 자료 정리, 기능규명,

분해수준 결정, 신뢰성 블럭도 작성, 고장유형 분석, 고장영향, 고장원인분석 등과 같은 활동을 단계적으로 수행

하였다.

3.2.5 FTA Analysis

FTA(Fault Tree Analysis, 고장수목분석)는 시스템의 전체와 일부분의 고장이 어떠한 논리로 결부되어 있는지를

FT(Fault Tree)로 나타내어 시스템의 고장을 해석하는 방법이다. 시스템의 고장이나 결함을 발생시키는 사상(even

t)을 사건 원인에 따라 논리게이트를 이용하여 FT를 작성하고 시스템의 고장률을 구하여 고장이 발생한 부분을

찾아 시스템의 문제점이나 시스템의 신뢰성을 개선할 수 있다. FT의 작성은 시스템 고장의 최상위사건 즉, 주요

시스템 고장(Top event)을 규정하고 사건을 일으키는 하위 고장의 원인을 찾아 각 요소별 연결의 인과 관계에 따

른 논리게이트로 결합하여 더 이상 분해가 불가능한 기본사상(Basic event)이 될 때 까지 반복한다.

3.3 분석 결과

고속철도 피크전력 저감장치 및 능동형 고조파 필터의 RAMS 분석은 각 구성 요소의 고장률을 기반(유사 시스

템 데이터 및 예측데이터 등)으로 하여 PBS를 구성하고, 예방보전(PM) 및 사후보전(CM) 분석을 수행하였으며,

고장형태 및 유형 등의 영향을 분석하고자 FMEA 분석을 실시하였다. RAMS 분석을 통한 산출물로서 Fig. 3(a)

는 피크전력 저감장치 및 능동형 고조파 필터에 대해 전체 시스템에서 하부 시스템의 구성형태, 기능설명 등에

대한 PBS를 구성한 것이며, Fig. 3(b)는 각 장치별로 예방보전 및 사후보전 분석 결과를 나타내는 산출물이고, Fi

g. 3(c)는 장치들의 고장모드, 고장원인, 고장영향 등에 대해 FMEA 분석을 수행한 결과이다.

(a) PBS (b) PM/CM (c) FMEA

Fig. 3 System RAMS Analysis

Fig. 4는 RAMS 분석과정 중 피크전력 저감장치와 능동형 고조파 필터에 대해 FTA를 수행한 결과로서 FMECA

결과를 기반으로 각 시스템의 기능 및 동작에 영향을 주는 요인들을 FTA를 통해 분석하였으며, Table 2는 피크전

력 저감장치 및 능동형 도조파 필터의 목표로 하였던 MTBF와 RAMS 분석을 통해 나타난 MTBF 결과값을 비교

한 것으로 목표값 보다는 높은 신뢰성을 갖는 것으로 나타났다.

1) Failure Rate (with Mission time = 20 h) λ = 3.9915e-5

2) Mean Time Between Failure (assuming 1/λ) MTBF = 25,053 hours

λ=6.14e-6λ=3.77e-5

λ=2.00e-7λ=1.00e-8λ=5.00e-7λ=2.99e-6

λ=4.11e-9λ=5.66e-7

λ=2.19e-7λ=1.41e-8λ=1.41e-8λ=2.87e-9λ=8.00e-8λ=5.10e-9λ=3.60e-9λ=3.09e-6λ=8.80e-9

λ=3.20e-9λ=1.73e-7λ=1.10e-6λ=6.93e-9λ=2.74e-8λ=9.28e-8λ=7.57e-9λ=2.50e-7λ=2.50e-7

λ=9.13e-8λ=3.40e-7

λ=1.66e-8

λ=9.75e-6

λ=5.12e-7

λ=7.44e-8λ=2.99e-7

OR

Loss of ESS(Energy Storage System)

Functions

2/3

Loss of ESS Functionswhen only the operation

of Two groups of ESSis required

110000

Failure of GIS(Gas InsulatedSwitchgear)

130000

Failure of TR(Transformer)

OR

Loss of ESS Functionswhen the operation ofall Three groups of ESS

is required

OR

Loss of PCS(Power ConditioningSystem) Functions

OR

Loss of BAT(Battery) System

Functions

120000

Failure of VCB(Vacuum Circuit

Breaker)

141000

Failure ofControl Board

OR

Loss of Cell InverterFunctions

143000

Failure ofDK

144000

Failure ofACL

145000

Failure ofSHUNT

OR

Loss of Control CircuitFunctions

147100

Failure ofMC

147200

Failure ofMC

147300

Failure ofFUSE

147400

Failure ofEMI

147500

Failure ofNOISE FILTER

147600

Failure ofRELAY (6)

147700

Failure ofSMPS (3)

147810

Failure ofMICRO SWITCH (2)

147830

Failure ofSWITCH P/B

142100

Failure ofIGBT MODULE (4)

142200

Failure ofGATE DRIVER (2)

142300

Failure ofSNUBBER CAPACITOR (4)

142400

Failure ofFILM CAPACITOR (6)

142500

Failure ofRESISTOR (2)

142600

Failure ofTEMPERATURE SENSOR

142700

Failure ofACPT

142800

Failure ofVOLTAGE SENSOR

142900 -142A00

Failure ofCURRENT TRANSDUCER

(2)

OR

Loss of Functionsof ESS Group A

SUB-07

Loss of Functionsof ESS Group B

SUB-08

Loss of Functionsof ESS Group C

3/6

Loss of Charging/Discharging Functions

of Battery Group

OR

Loss of Charging/Discharging Functionsof Battery Group 1

SUB-01

Loss of Charging/Discharging Functions

of Battery Group 2

SUB-02

Loss of Charging/Discharging Functions

of Battery Group 3

SUB-03

Loss of Charging/Discharging Functions

of Battery Group 4

SUB-04

Loss of Charging/Discharging Functions

of Battery Group 5

SUB-05

Loss of Charging/Discharging Functionsof Battery Group 6

151000

Failure ofSYSTEM BMS

153000

Failure ofDISCONNECTING

SWITCH (2)

OR

Loss of BAT RACKFunctions

152100

Failure ofRACK BMS (4)

152210

Failure of RELAYof SWITCH GEAR

(12)

152220

Failure of FUSEof SWITCH GEAR

(8)

152220

Failure of DIODEof SWITCH GEAR

(4)

OR

Loss of BAT TRAYFunctions

152310

Failure ofTRAY BMS (64)

152320

Failure ofBATTERY CELL (1024)

SUB-06

Loss of Functionsof ESS Group A

SUB-07

Loss of Functionsof ESS Group B

SUB-08

Loss of Functionsof ESS Group C

SUB-06

Loss of Functionsof ESS Group A

SUB-07

Loss of Functionsof ESS Group B

SUB-08

Loss of Functionsof ESS Group C

AND

Loss of ESS Functionswhen only the operation

of One group of ESSis required

Fig. 4 FTA Analysis

Table 2 Reliability Analysis Result

Equipments Reliability Target Analysis Result

MTBF(hours)

Failure Rate(failure/hour)

MTBF(hours)

Failure Rate(failure/hour)

Peak Power Reduction Device 11,000 9.0909E-05 25,053 3.9915E-05

Active Harmonic Filter 11,000 9.0909E-05 36,103 2.7698E-05

4. 결 론

본 연구에서는 철도 RAMS 관련 규격을 바탕으로 고속철도 피크전력 저감장치 및 능동형 고조파 필터 장치에

대한 신뢰성 확보를 위한 RAMS 분석을 실시하였다. RAMS 분석은 PBS 구성, 신뢰도 분석, 예방보전, 사후보전,

FMEA, FTA 분석을 통해 개발된 장치의 목표로 하는 신뢰도 값을 만족하는 지 확인하였으며, 분석결과 목표로

하는 신뢰도 값을 만족하는 것으로 나타났다.

후 기

본 연구는 2014년도 국토교통부의 지원에 의하여 이루어진 철도기술연구사업(14PRTD-C063745-03) 연구로서, 관계부처에 감사 드립니다.

참고문헌

[1] WooJin(2014), Development of peak-power reduction for high-speed railroad.

[2] H.W. Lee, B.G. Lee, C.H. Lee (2014) Lifetime prediction using reliability analysis method about for the electric detection system, Journal of Applied Reliability, 14(3), pp. 191-196.