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문제 정의
- 이러한 기존 시스템의 문제점을 해결하기 위해 외국 기술에 전적으로 의존하여 공급되었던 비상 디젤발전기 여자시스템을 디지털 다중화 시스템으로 전력연구원에서 개발하고, 기기검증과 소프트웨어 확인 및 검증과정을 수행하여 원전 안전등급(Q)에 적용 가능한 여자시스템으로 인증을 받았다. 본 논문에서는 고속의 신호처리와 연산이 가능한 신호처리시스템과 고장을 허용하는 신뢰성이 있는 다중화 방식을 적용한 디지털 여자시스템을 제안하고, 또한 디젤발전기의 특성에 적합하도록 다중 PI(KP/KI) 제어 파라메터를 적용한 개선된 제어알고리즘을 제안하였다. 제안된 디지털 다중화 여자시스템은 전력연구원이 보유하고 있는 전동발전기(M-G Set) 시험설비에서 모의시험을 통하여 1차 성능을 검증하였으며, 1000MW급 원자력발전소 디젤발전기의 실 계통에 적용하고, 국제기준에 준한 종합시험을 통하여 제어알고리즘의 건전성과 개발시스템의 성능을 검증하였다.
- 선진외국 기술에 전적으로 의존하고 있었던 원자력발전소 비상디젤발전기의 여자시스템을 순수 국내기술로 개발하였다. 본 논문에서는 고장을 허용하는 신뢰성이 있는 다중화 방식으로 고속의 신호처리 및 연산이 가능한 신호처리시스템과 연계된 디지털 다중화 여자시스템을 제안하였다. 또한 디젤발전기의 특성에 적합하도록 다중 PI(KP/KI) 제어 파라메터를 적용하고 초기 전압확립 시 과도한 오버슈트가 발생하지 않도록 Soft Start가 가능한 개선된 제어알고리즘을 제시하였다.
제안 방법
- 디젤발전기 정격속도의 무부하 상태에서 발전기 전압이 정상적으로 생성되는지 또한 미리 설정해 놓은 전압 설정값까지 발전기 전압이 Soft Start의 개선 제어알고리즘 적용을 통해 과도한 Overshoot 없이 안정적으로 확립되는지 확인하였다. [그림 11]의 발전기 전압확립 결과 그래프를 통해 보여 주듯이 자동(Auto) 및 수동(Manual) 운전모드에서 시험하여 정상적으로 발전기 전압이 4,160[V] 정격전압까지 확립하는 것과 급 기동 시 6.
- 디젤발전기를 무 부하상태에서 정격전압인 4,160[V]의 5%에 해당하는 계단응답(Step Up/Down) 신호를 주어 시험을 실시하여 응동 특성을 확인하였으며, 그 결과를 가지고 제어기의 PI 파라메터(KP, KI)값을 설정하였다. 아래의 [그림 15]는 계단응답 시험의 결과를 나타내며, 발전기 정격전압의 5%에 해당하는 계단응답 신호를 주었을 때 계자전압 및 계자전류의 변화에 따라 속응성있게 발전기 전압이 응동함을 확인하였다.
- 연계된 신호처리보드는 디젤발전기의 전압과 전류신호, 무효전력신호, 유효전력신호, 주파수신호 등 대용량 고속 연산처리를 한 후 표준화된 신호로 변환하여 주제어기로 보낸다. 또한 고도의 신뢰성과 안정성이 요구되는 원자력발전소의 특성에 맞게 고장을 허용하는 신뢰성이 있는 다중화 방식을 적용한 디지털 여자시스템을 제안하였다. 3중화 주제어기와 2중화된 정류기로 설계하여 2개의 채널이 동시에 고장이 나는 최악의 상황에서도 발전소의 운전에 영향을 주지 않고 안정적으로 운전되어, 기존의 시스템이 후비보호가 미흡하여 어느 한 소자의 고장이 발생할 경우 기동이 불가능하거나 운전 중에는 시스템이 정지될 수 있는 문제점을 개선하였다.
- 본 논문에서는 고장을 허용하는 신뢰성이 있는 다중화 방식으로 고속의 신호처리 및 연산이 가능한 신호처리시스템과 연계된 디지털 다중화 여자시스템을 제안하였다. 또한 디젤발전기의 특성에 적합하도록 다중 PI(KP/KI) 제어 파라메터를 적용하고 초기 전압확립 시 과도한 오버슈트가 발생하지 않도록 Soft Start가 가능한 개선된 제어알고리즘을 제시하였다. 이를 1000MW급 원자력발전소 디젤발전기의 실계통에 적용하고, 원자력 안전등급(Q) 및 국제기준에 준한 종합시험을 통하여 제어알고리즘의 건전성과 개발시스템의 성능을 검증하였고, 아래와 같은 결과를 얻었다.
- 산업플랜트 공정제어용으로 주로 사용 중인 중 저속 연산 속도(10-100Hz)를 가진 3중화 디지털 제어기를 주제어 연산 제어기로 사용하고, 고속(1800Hz)의 연산 및 신호처리가 가능한 별도의 신호처리보드(Signal Conditioning Board)를 연계시켜 시스템을 구성하였다. 이러한 시스템의 장점은 주제어기의 연산부하를 대폭(약 50%) 경감시킴으로 인해서 제어연산 속도를 빠르게 하고, 범용 제어기의 다양한 소프트웨어를 최대한 활용 할 수 있어서 운전 편의성, 시스템 구성의 유연성을 갖는 시스템이다.
- 선진외국 기술에 전적으로 의존하고 있었던 원자력발전소 비상디젤발전기의 여자시스템을 순수 국내기술로 개발하였다. 본 논문에서는 고장을 허용하는 신뢰성이 있는 다중화 방식으로 고속의 신호처리 및 연산이 가능한 신호처리시스템과 연계된 디지털 다중화 여자시스템을 제안하였다.
- 장기사용으로 인한 설비의 노후화가 진행되고, 후비보호가 미흡하여 어느 한 소자의 고장이 발생할 경우 기동이 불가능하거나 운전 중에는 시스템이 정지될 수 있는 문제점이 있어 설비개선 및 교체의 필요성이 대두되었다. 이러한 기존 시스템의 문제점을 해결하기 위해 외국 기술에 전적으로 의존하여 공급되었던 비상 디젤발전기 여자시스템을 디지털 다중화 시스템으로 전력연구원에서 개발하고, 기기검증과 소프트웨어 확인 및 검증과정을 수행하여 원전 안전등급(Q)에 적용 가능한 여자시스템으로 인증을 받았다. 본 논문에서는 고속의 신호처리와 연산이 가능한 신호처리시스템과 고장을 허용하는 신뢰성이 있는 다중화 방식을 적용한 디지털 여자시스템을 제안하고, 또한 디젤발전기의 특성에 적합하도록 다중 PI(KP/KI) 제어 파라메터를 적용한 개선된 제어알고리즘을 제안하였다.
- 또한 최초 디젤발전기를 기동하고 발전기 전압이 정해진 Preset 전압(일반적으로 정격전압)으로 확립이 되는데 초기 전압확립 시는 과도한 오버슈트가 발생하기가 쉽다. 이러한 문제를 해결하기 위해 여자시스템 기동 후 지정된 시간(Start_Time) 동안 Soft Start 함수에 따라 발전기 단자전압 조정하는 제어알고리즘을 사용하였다. 다음의 [그림 10]은 소프트 Start 제어알고리즘 블록도를 나타낸다.
- 또한 디젤발전기의 특성에 적합하도록 다중 PI(KP/KI) 제어 파라메터를 적용하고 초기 전압확립 시 과도한 오버슈트가 발생하지 않도록 Soft Start가 가능한 개선된 제어알고리즘을 제시하였다. 이를 1000MW급 원자력발전소 디젤발전기의 실계통에 적용하고, 원자력 안전등급(Q) 및 국제기준에 준한 종합시험을 통하여 제어알고리즘의 건전성과 개발시스템의 성능을 검증하였고, 아래와 같은 결과를 얻었다.
- 원자력발전소의 비상전원을 공급하는 디젤발전기의 특성상 급 기동 시는 10초안에 정격전압과 정격주파수에 도달해야 하는 등 요구전력을 빠른 시간 내에 안정적으로 공급해야 한다. 일반적인 제어기는 비례(KP), 적분(KI)동작 각 1개의 제어 파라메터를 이용하여 구성하는데, 디젤발전기의 특성에 맞게 기동 시는 빠른 응답특성과 정상 운전 시의 안정적인 운전이 가능하도록 별도로 2개의 제어 파라메터(KP1, KI1/KP2, KI2)를 설정할 수 있는 다중 PI 제어 알고리즘을 제안하였다. 다음의 [그림 9]는 실제 구현된 다중 PI 설정 제어프로그램을 나타내는데, 왼쪽 박스부분이 다중 PI 제어파라메터를 설정하는 부분이며, 가운데 박스는 PI제어기를 나타낸다.
- 본 논문에서는 고속의 신호처리와 연산이 가능한 신호처리시스템과 고장을 허용하는 신뢰성이 있는 다중화 방식을 적용한 디지털 여자시스템을 제안하고, 또한 디젤발전기의 특성에 적합하도록 다중 PI(KP/KI) 제어 파라메터를 적용한 개선된 제어알고리즘을 제안하였다. 제안된 디지털 다중화 여자시스템은 전력연구원이 보유하고 있는 전동발전기(M-G Set) 시험설비에서 모의시험을 통하여 1차 성능을 검증하였으며, 1000MW급 원자력발전소 디젤발전기의 실 계통에 적용하고, 국제기준에 준한 종합시험을 통하여 제어알고리즘의 건전성과 개발시스템의 성능을 검증하였다.
이론/모형
- 또한 수동·자동 제어기 절체 시 원만한 절체를 위하여 사용되는 추종 및 순차 제어기능, 그리고 기존의 아날로그 방식의 한시특성 또는 반한 시 특성을 갖는 보호 계전기의 기능을 디지털 방식으로 구현된다. 개발시스템의 제어프로그램은 국제 표준규격인 IEC61131 -3을 준용한 Triconex 소프트웨어를 이용하였고, 아래의 [그림 5]는 개발시스템의 소프트웨어 블록도를 나타낸다[1][5].
성능/효과
- 또한 고도의 신뢰성과 안정성이 요구되는 원자력발전소의 특성에 맞게 고장을 허용하는 신뢰성이 있는 다중화 방식을 적용한 디지털 여자시스템을 제안하였다. 3중화 주제어기와 2중화된 정류기로 설계하여 2개의 채널이 동시에 고장이 나는 최악의 상황에서도 발전소의 운전에 영향을 주지 않고 안정적으로 운전되어, 기존의 시스템이 후비보호가 미흡하여 어느 한 소자의 고장이 발생할 경우 기동이 불가능하거나 운전 중에는 시스템이 정지될 수 있는 문제점을 개선하였다. 아래의 [그림 8]은 신호처리보드가 연계된 다중화 디지털 여자시스템을 나타낸다.
- [1] 디젤발전기 정격속도의 무부하 상태에서 전압 설정값까지 발전기 전압이 과도한 Overshoot 없이 안정적으로 확립되었으며, 정격전압까지 확립되는데 소요되는 시간이 6.5초로 10초 이내의 기준을 만족하는 결과를 얻었다.
- [2] 발전기 전압의 자동조정 및 계단응답 시험을 통해 운전원의 설정값 및 계단응답 전압설정값의 변화에 따라 발전기 전압 및 무효전력 제어가 정상적으로 잘 수행됨을 알 수 있었으며, 이를 통해 개발시스템의 성능 및 제어프로그램의 건전성을 확인하였다.
- [3] 디젤발전기의 특성에 맞게 기동 시는 빠른 응답특성과 정상 운전 시의 안정적인 운전이 가능하도록 제어 파라메터를 구분하여 설정할 수 있는 다중 PI 제어 알고리즘과 초기 전압확립 시 과도한 오버슈트가 발생하지 않도록 Soft Start가 가능한 개선된 제어알고리즘은 매우 유용한 방법이라 사료된다.
- 디젤발전기 정격속도의 무부하 상태에서 발전기 전압이 정상적으로 생성되는지 또한 미리 설정해 놓은 전압 설정값까지 발전기 전압이 Soft Start의 개선 제어알고리즘 적용을 통해 과도한 Overshoot 없이 안정적으로 확립되는지 확인하였다. [그림 11]의 발전기 전압확립 결과 그래프를 통해 보여 주듯이 자동(Auto) 및 수동(Manual) 운전모드에서 시험하여 정상적으로 발전기 전압이 4,160[V] 정격전압까지 확립하는 것과 급 기동 시 6.5초에 정격전압까지 확립되어 10초 이내의 국제기준을 만족함을 확인할 수 있었다.
- 디젤발전기 여자시스템을 개발한 후에 전력연구원이 보유하고 있는 전동 발전기(M-G Set) 시험설비에서 1차 성능을 검증하였으며, 1000MW급 고리원자력발전소 4호기 디젤발전기의 실 계통에 적용 후 시운전 및 성능시험을 통하여 발전기 전압의 안정적인 확립, 자동/수동 모드의 절환 및 각 모드별 전압조정이 정상적으로 동작되는 것을 확인하였다. 또한 무 부하/부하상태에서 계단응답시험, 과 여자/부족여자 제한시험 등 여자시스템이 보유하고 있는 제어, 제한 및 보호기능 등 모든 기능들을 원자력 안전등급(Q)에서 요구하는 성능 및 엄격한 기준들을 모두 만족하는 것을 확인하여 개발시스템의 건전성 및 성능을 검증하였다.
- 디젤발전기 여자시스템을 개발한 후에 전력연구원이 보유하고 있는 전동 발전기(M-G Set) 시험설비에서 1차 성능을 검증하였으며, 1000MW급 고리원자력발전소 4호기 디젤발전기의 실 계통에 적용 후 시운전 및 성능시험을 통하여 발전기 전압의 안정적인 확립, 자동/수동 모드의 절환 및 각 모드별 전압조정이 정상적으로 동작되는 것을 확인하였다. 또한 무 부하/부하상태에서 계단응답시험, 과 여자/부족여자 제한시험 등 여자시스템이 보유하고 있는 제어, 제한 및 보호기능 등 모든 기능들을 원자력 안전등급(Q)에서 요구하는 성능 및 엄격한 기준들을 모두 만족하는 것을 확인하여 개발시스템의 건전성 및 성능을 검증하였다. 아래는 기동시험에서 전 부하 탈락시험까지 원자력 안전등급(Q)에서 요구하는 종합 성능시험의 내용들이며, [표 1]은 종합 성능시험 기술기준들의 예를 보여준다.
- 또한 수동·자동 제어기 절체 시 원만한 절체를 위하여 사용되는 추종 및 순차 제어기능, 그리고 기존의 아날로그 방식의 한시특성 또는 반한 시 특성을 갖는 보호 계전기의 기능을 디지털 방식으로 구현된다.
- 따라서 국내에 도입된 디젤발전기 여자시스템은 외국 기술에 전적으로 의존하여 공급되었으며, 대부분이 구형의 아날로그 시스템이다. 본 논문에서 개발된 여자시스템은 디지털 다중화방식의 원자력발전소 디젤발전기 여자시스템으로 국내에서는 최초로 연구개발하여 원자력발전소에 적용하였으며, 기술적 수준은 세계 최고의 외국사 시스템과 견줄만한 수준으로 판단된다. 기존의 시스템은 연산증폭기와 트랜지스터 등으로 구성된 아날로그시스템이며, 단일채널의 제어기와 정류기로 구성되었다.
- 이중화된 정류기에 제어기 출력을 0.4PU→18.4[V], 0.8PU→79.8[V], 1.2PU→154[V]가 확립되어 제어기의 출력에 따라 정상적으로 전압이 조정됨을 확인하였다.
- 출력 증발 신호에 따라 유효출력과 계자전압, 계자전류 그리고 무효전력이 정상적으로 조정됨을 확인하였다. 전 부하 차단시험에서 순간적인 전압의 상승 값은 4,733[V]이었으며, 이는 4,784[V]의 원자력 안전등급(Q) 기준을 만족함을 확인할 수 있었다.
- [그림 16]은 여자시스템을 계통에 병입하고 7,000[KW]까지 출력을 증발한 후에 순간적으로 전 부하를 차단하였을 때의 결과 그래프를 보여 준다. 출력 증발 신호에 따라 유효출력과 계자전압, 계자전류 그리고 무효전력이 정상적으로 조정됨을 확인하였다. 전 부하 차단시험에서 순간적인 전압의 상승 값은 4,733[V]이었으며, 이는 4,784[V]의 원자력 안전등급(Q) 기준을 만족함을 확인할 수 있었다.
후속연구
- [4] 1ms 이내 고속의 신호처리 및 연산이 가능하고, 고장에 대한 자기진단 기능을 보유한 디지털 다중화 방식의 여자시스템으로, 기존시스템이 후비보호가 미흡하여 어느 한 소자의 고장으로 시스템을 정지시킬 수 있는 문제점을 해결하여 발전소의 안정적 운전에 크게 기여할 것으로 기대된다.
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