[논문]500MW급 표준화력발전소 시뮬레이터 모델을 이용한 디지털 제어시스템 검증

서정관; 이명수; 홍진혁

doi:10.9709/jkss.2010.19.3.071

문제 정의

본 논문에서는 제어시스템 검증용 시뮬레이터의 구성 및 터빈 제어계통 모델에 대하여 소개하고, 개발된 입출력 장치를 이용한 제어시스템 연계방법 및 정상, 과도상태 등에서 수행한 종합 성능검증 결과를 기술하였다.
본 연구는 시뮬레이터를 구축하고 터빈 제어시스템과 같은 제어시스템을 연계하여 그 성능을 검증하는 방법론을 개발하는 것이 중요한 목적이다. 이를 위해 연계된 제어시스템의 동작성능을 검증하기 위한 시험 조건을 설정하고 시험을 수행하였다.
본 연구를 통하여 발전소 시뮬레이터 모델을 사용한 디지털 제어시스템의 종합 검증을 수행함으로써, 시뮬레이터가 디지털 제어시스템을 발전소에 적용하기 위한 테스트 베드로 사용될 수 있는 방법론을 개발하였다.
본 연구에서는 화력발전소 디지털 제어시스템을 발전소에 적용하기 전에 종합 검증할 수 있는 시험설비를 구축하기 위하여, 500MW급 표준화력발전소 시뮬레이터 모델을 개발하고 터빈 제어시스템을 연계하여 검증시험을 수행하였다. 검증시험은 출력 증감발 및 터빈 트립에 의한 고장인가를 수행하였으며, 시험결과 검증대상 제어시스템은 발전소를 적절히 제어하는 것으로 나타났다.
그림 11은 LabView로 구현된 입출력 변수 연계결과 화면을 나타내고 있다. 이 화면에서 시뮬레이터 모델 및 터빈 제어시스템으로부터 수신된 변수 값이 단위 변환되어 정확 값으로 나타나는 지 확인한다. 터빈 제어시스템으로부터 수신되는 변수 값은 변환기를 경유하므로, 저항을 이용하여 전류를 전압 신호로 변경할 경우 샘플링 시간에 따라 오차가 발생하므로 이를 조정하여야 한다.

제안 방법

100% 정상상태 운전 시 주증기 압력, 주증기량 등 주요 변수 값은 발전소 데이터를 기준으로 ± 2% 이내에 들어오도록 하고, 기타 변수는 ± 5% 이내에 들어오도록 하였다.
상기와 같이 매핑된 시뮬레이터 모델 변수 및 제어시스템 변수는 입출력 장치에서 LabView를 사용하여 연계되었다. LabView를 이용한 변수 연계 시 터빈 제어시스템에서 생성되는 신호가 샘플링 시간에 따라 변동폭이 크게 나타나서, 평균신호를 발생하는 객체를 사용하여 연계 변수 값을 조정하였다. 터빈 제어시스템에서 입출력 장치로 전달되는 신호는 전압, 전류 및 디지털 형태이며, 송신된 값이 감쇄 없이 수신되는 지 확인하여야 한다.
고장인가 시험은 터빈 제어시스템의 동작성을 확인하기 위하여 터빈 제어기가 작동하는 터빈 트립 시험을 선정하였다. 그림 16은 터빈 트립에 의한 고장인가 시 생성한 화면이다.
디지털 제어시스템의 종합적인 성능검증을 위하여 시뮬레이터 모델과 검증대상인 터빈 제어시스템을 연계한 후 정상운전, 과도상태 및 고장인가 시험을 수행하였다.
또한, 시뮬레이터 모델 및 제어시스템 연계를 위하여 입출력 장치를 개발하였으며, 입출력 변수는 연계 장치에 있는 LabView 프로그램을 사용하여 연결되었다. 본 연구에서 개발한 제어변수 입출력 장치는 범용성을 고려하여 개발되어 다양한 제어시스템 검증에 활용될 수 있는 확장성을 갖추었다.
또한, 시뮬레이터 모델과 검증대상 제어시스템과의 연계를 위한 입출력 장치가 개발되었고 입출력 변수는 LabView를 이용하여 연계되었다. 입출력 장치는 디지털 입출력, 전류 입출력 및 전압 입출력을 모두 연계할 수 있도록 구성되어 있으며, LabView를 이용한 변수 연계 시 제어시스템에서 생성되는 신호가 샘플링 시간에 따라 변동폭이 크게 나타나서 평균신호를 발생하는 객체를 사용하여 연계변수 값을 조정하였다.
이를 위해 연계된 제어시스템의 동작성능을 검증하기 위한 시험 조건을 설정하고 시험을 수행하였다. 시험은 기동/정지 운전 및 출력 증감발 등을 통하여 터빈 제어시스템의 동작성을 확인하고, 터빈 제어시스템이 동작하는 터빈 트립과 같은 고장인가 시험을 통해 수행되었다. 터빈 제어시스템은 터빈에 유입되는 증기량을 조절하여 터빈의 속도를 유지하고, 터빈 과속 및 이상상태 발생 시 터빈의 모든 밸브를 신속히 폐쇄하여 터빈을 보호하는 기능을 가진다.
정상운전 시험을 위하여 시뮬레이터 모델 및 터빈 제어시스템을 연계한 후 100% 출력운전 조건에서 발전소의 상태를 나타내는 주요 변수 값을 확인하였다. 연계 시시뮬레이터 모델은 100% 출력운전 조건에서 단독 실행되고, 터빈 제어시스템은 0% 출력운전 조건에서 시뮬레이터 모델로부터 초기값을 받아서 100% 출력운전 조건으로 초기값을 조정하였다.
그림에서 좌측은 터빈 제어시스템으로부터 수신되는 변수 값을 나타내고, 우측은 시뮬레이터 모델이 송신하는 변수 값을 내타내고 있다. 이 화면에서 터빈 제어시스템으로부터 받는 변수가 100% 초기값에 접근하면 시뮬레이터 모델은 자체의 터빈 제어 계통 모델을 차단하고 터빈 제어시스템으로 절체 운전을 수행한다.
본 연구에서 평균신호 발생 객체를 사용하여 변수 값 조정시, 소수점 이하 6자리까지 일치함을 확인하였다. 이러한 변수 조정은 해당 물리량의 허용 오차범위를 고려하여 수행하였다.
먼저, 시뮬레이터에는 터빈 제어 모델이 동작하므로 이를 차단하고 터빈 제어시스템을 연계하여야 한다. 이를 위해 시뮬레이터 모델 및 터빈 제어시스템에서 연계 변수 목록을 작성하고, 단위 변환을 고려하여 입출력 카드를 통한 통신을 위한 Map을 표 1과 같이 작성하였다. 연계변수 Map에는 시뮬레이터 모델 변수명 및 입출력 카드의 주소명이 매핑되어 있으며, 신호 형태에 따라 사용하는 입출력 카드 형태를 지정하여야 한다.
본 연구는 시뮬레이터를 구축하고 터빈 제어시스템과 같은 제어시스템을 연계하여 그 성능을 검증하는 방법론을 개발하는 것이 중요한 목적이다. 이를 위해 연계된 제어시스템의 동작성능을 검증하기 위한 시험 조건을 설정하고 시험을 수행하였다. 시험은 기동/정지 운전 및 출력 증감발 등을 통하여 터빈 제어시스템의 동작성을 확인하고, 터빈 제어시스템이 동작하는 터빈 트립과 같은 고장인가 시험을 통해 수행되었다.
시뮬레이터 제어계통 모델은 검증대상 제어시스템으로의 절체 운전이 용이하도록 개발되어야 한다. 이를 위해 제어계통 별 모듈화하여 개발하고, 제어시스템과의 입출력 변수는 외부 링크 방식으로 모델링하여 계통별 별도의 파일로 관리하였다. 검증대상 제어시스템에 따라 송수신 되는 변수 형태가 다른 경우가 있으므로 연계 시 이를 고려하여야 한다.
또한, 시뮬레이터 모델과 검증대상 제어시스템과의 연계를 위한 입출력 장치가 개발되었고 입출력 변수는 LabView를 이용하여 연계되었다. 입출력 장치는 디지털 입출력, 전류 입출력 및 전압 입출력을 모두 연계할 수 있도록 구성되어 있으며, LabView를 이용한 변수 연계 시 제어시스템에서 생성되는 신호가 샘플링 시간에 따라 변동폭이 크게 나타나서 평균신호를 발생하는 객체를 사용하여 연계변수 값을 조정하였다. 본 연구에서 검증대상으로 선정한 터빈 제어시스템에 대한 상세 설명은 선행 연구논문에 기술되어 있다^[5].
정상운전 시험을 위하여 시뮬레이터 모델 및 터빈 제어시스템을 연계한 후 100% 출력운전 조건에서 발전소의 상태를 나타내는 주요 변수 값을 확인하였다. 연계 시시뮬레이터 모델은 100% 출력운전 조건에서 단독 실행되고, 터빈 제어시스템은 0% 출력운전 조건에서 시뮬레이터 모델로부터 초기값을 받아서 100% 출력운전 조건으로 초기값을 조정하였다.
제어계통 모델은 제어시스템 검증시험 시 스티뮬레이션(Stimulation) 방법으로 되는 것을 고려하여, 변환 프로그램을 사용하여 제어계통 화면 및 펑션블럭이 생성되도록 하는 변환 이뮬레이션(Emulation) 방법으로 개발하였다. 그림 5는 발전소 데이터를 변환 프로그램을 사용하여 시뮬레이터 환경에서 실행 가능한 로직 다이어그램으로 구현한 예를 보여주고 있다.
. 제어시스템 검증용 시뮬레이터 모델에서 제어계통 모델은 실제 발전소에서 사용될 제어시스템과 교체되어 검증시험이 수행되므로 이를 용이하게 하기 위하여 모듈화하여 개발하고, 시뮬레이터 제어계통 모델을 사용한 운전 중 검증대상 제어시스템으로의 절체 운전이 가능하도록 하였다. 개발된 시뮬레이터 모델에 대한 상세 설명은 선행 연구논문에 기술되어 있다^[4].
터빈계통은 발전소 배관 및 기기도(P&ID)를 기준으로 1장을 1페이지로 구현하였으며, 계통의 복잡도 및 모델링 편의에 따라 2페이지 이상으로 구현하여 가독성 향상 및 수정/추가 시 용이하도록 하였다. 타 계통과 연계되는 부분은 경계조건으로 모델링하여 모듈화하였다.
터빈계통은 발전소 배관 및 기기도(P&ID)를 기준으로 1장을 1페이지로 구현하였으며, 계통의 복잡도 및 모델링 편의에 따라 2페이지 이상으로 구현하여 가독성 향상 및 수정/추가 시 용이하도록 하였다.
화력발전소 제어시스템 검증을 위하여 태안 1호기를 기준발전소로 선정한 500MW급 표준화력발전소 시뮬레이터 모델을 개발하였다. 발전소의 공정모델 및 제어모델은 객체지향 시뮬레이션 환경 프로그램인 3KeyMaster를 사용하여 개발되었다^[6].

대상 데이터

검증대상 제어시스템은 발전소에서 실제 적용할 터빈 제어기 로직, 입출력 신호처리 변환기(Converter) 및 운전 조작 화면으로 구성되어 있다. 신호처리 변환기는 터빈 제어기에서 발생하는 전류 신호를 저항을 사용하여 전압으로 변환하고 실배선으로 입출력 장치와 통신한다.
화력발전소 제어시스템 검증용 시험설비를 구축하기 위하여 그림 1과 같은 시뮬레이터 환경을 구성하였다. 검증설비는 시뮬레이터 서버, 강사조작 컴퓨터, 제어계통 감시 및 조작 컴퓨터, 운전정보표시반 및 입출력 장치 등으로 구성되어 있다.
입출력 장치는 시뮬레이터 서버 및 검증대상 제어시스템에서의 입출력 신호를 정해진 위치에서 연계하는 기능을 수행한다. 이를 위해 본 연구에서 검증대상으로 선정한 터빈 제어시스템과의 호환성을 위하여 NI사 PXI 및 cFP를 사용하였다. PXI에 설치된 LabView 프로그램을 사용하여 입출력 Map에서 지정한 변수를 연계한다.

데이터처리

연계 절차는 시뮬레이터 모델 변수 및 입출력 장치 간 연계, 입출력 장치 및 터빈 제어시스템 간 연계, 그리고 시뮬레이터 모델 및 터빈 제어시스템 간 연계의 순서로 진행된다. 이를 위해 통신 프로그램(testBuildFPList)을 사용하여 각 연계변수가 정확한 값으로 송수신되는지 확인하였다.

이론/모형

화력발전소 제어시스템 검증을 위하여 태안 1호기를 기준발전소로 선정한 500MW급 표준화력발전소 시뮬레이터 모델을 개발하였다. 발전소의 공정모델 및 제어모델은 객체지향 시뮬레이션 환경 프로그램인 3KeyMaster를 사용하여 개발되었다^[6]. 그림 4에 공정모델인 터빈계통의 시뮬레이션 다이어그램 중 일부를 나타내었다.

성능/효과

본 연구에서는 화력발전소 디지털 제어시스템을 발전소에 적용하기 전에 종합 검증할 수 있는 시험설비를 구축하기 위하여, 500MW급 표준화력발전소 시뮬레이터 모델을 개발하고 터빈 제어시스템을 연계하여 검증시험을 수행하였다. 검증시험은 출력 증감발 및 터빈 트립에 의한 고장인가를 수행하였으며, 시험결과 검증대상 제어시스템은 발전소를 적절히 제어하는 것으로 나타났다.
그림에는 출력 감발 및 증가 변화율에 따른 터빈 속도, 발전기 출력, 고압 터빈 압력, 증기 요구량, 증기량 조절밸브 개도 및 시뮬레이터 모델로부터 받은 실제 밸브 개도 등이 나타나 있다. 그림에서 본 연구의 검증대상인 터빈 제어시스템은 연계 장치를 통하여 시뮬레이터 모델과 제어신호를 송수신하며 적절한 응답 속도로 기능을 수행하는 것으로 확인되었다.
또한, 시뮬레이터 모델 및 제어시스템 연계를 위하여 입출력 장치를 개발하였으며, 입출력 변수는 연계 장치에 있는 LabView 프로그램을 사용하여 연결되었다. 본 연구에서 개발한 제어변수 입출력 장치는 범용성을 고려하여 개발되어 다양한 제어시스템 검증에 활용될 수 있는 확장성을 갖추었다.
터빈 제어시스템에서 입출력 장치로 전달되는 신호는 전압, 전류 및 디지털 형태이며, 송신된 값이 감쇄 없이 수신되는 지 확인하여야 한다. 본 연구에서 평균신호 발생 객체를 사용하여 변수 값 조정시, 소수점 이하 6자리까지 일치함을 확인하였다. 이러한 변수 조정은 해당 물리량의 허용 오차범위를 고려하여 수행하였다.
출력 감발 시 발전기 출력이 설정치인 70% 보다 더 낮게 내려간 이유는 그림 8과 같은 터빈 제어시스템 화면을 통하여 수동 조작하기 때문이다. 운전원은 목표 출력에 따른 증기량 조절밸브 개도를 설정함으로써 출력을 감발하므로, 목표 값 350MW보다 30MW 낮은 출력까지 감발되었다. 이는 실제 발전소에서도 나타날 수 있는 현상이며 터빈 제어시스템은 열출력을 적절히 제어하는 것으로 나타났다.
터빈 제어시스템에서 터빈 트립신호가 발생하면 발전기 출력은 영출력으로 감소하고, 증기량, 급수량, 연료량 등의 주요 공정변수 값은 터빈 제어시스템으로부터 밸브 개도를 받아서 감소함을 알 수 있다. 터빈 트립 시험을 통하여 검증대상 제어시스템은 다양한 고장 상황에서도 적절히 기능을 수행함이 확인되었다.

후속연구

본 연구에서 개발된 발전소 제어시스템 검증용 시뮬레이터는 신규 개발된 제어시스템 검증뿐만 아니라, 최신 제어 알고리즘의 사전 시험 및 I&C 분야 교육훈련 등에 활용될 것으로 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시뮬레이터 모델 및 제어시스템의 입출력은 무엇을 사용하여 연결되었는가?	선택된 디지털 계측제어계통의 성능시험 시, 해당되는 시뮬레이터 모델은 조정할 수 없는 발전소 디지털 계측제어계통과 교체된다. 시뮬레이터 모델 및 제어시스템의 입출력은 연계장치에 있는 LabView 프로그램을 사용하여 연결되었다. 본 논문에서는 시뮬레이터 모델 및 디지털 계측제어계통을 연계하는 방법론에 대하여 기술하고, 정상운전, 과도상태 및 고장인가 시 수행된 검증시험 결과를 제시하였다.
	Lungmen 프로젝트 진행상황이 최근 발표된 논문에는 무엇이 소개되어 있는가?	다만 대만의 Lungmen 프로젝트 진행상황이 최근 발표된 논문에서 소개되었다[2]. 상기 논문에는 디지털 시스템 검증장치 구성 및 현재까지 수행된 검증시험, 즉 인간-계통 연계장치 시험, 로직 및 경보 시험, 계통 운전절차서 시험 결과가 소개되어 있으나, 디지털 제어시스템을 시뮬레이터와 연계하는 방법에 대한 설명은 기술되어 있지 않다.
	운전정보표시반는 무엇을 확인할 수 있도록 하는가?	제어계통 감시 및 조작 컴퓨터는 시뮬레이터 서버와 랜선으로 통신을 하며 제어계통 변수 값을 실시간으로 제공하고, 이 화면에서 제어계통 제어가 가능하다. 운전정보표시반은 시뮬레이터 서버에서 제공하는 발전소 모델상태, 강사조작 화면, 보일러 및 터빈 제어계통 상태를 제공하여 발전소 상태에 따른 제어시스템 상태를 확인할 수 있도록 한다. 입출력 장치는 시뮬레이터 서버에서 생성된 발전소 변수를 아날로그 및 디지털 입출력 신호로 변환하여 제어시스템과 실시간으로 변수 값을 주고받는다.

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