[논문]500MW 동기발전기용 시뮬레이터 탑재형 디지털 삼중화 여자시스템 개발

류호선; 차한주

doi:10.5370/kiee.2014.63.1.070

500MW 동기발전기용 시뮬레이터 탑재형 디지털 삼중화 여자시스템 개발
Development of the Triple Modular Redundant Excitation System with Simulator for 500MW Synchronous Generator 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.63 no.1, 2014년, pp.70 - 75

류호선 (Korea Electric Power Company Research Institute) , 차한주 (Dept. of Electrical Engineering, Chungnam National University)

Abstract ▼ AI-Helper

TMR(triple modular redundant) digital excitation system with simulator is developed for tuning optimal control parameters during commissioning test and coping with system faults rapidly. A new system which mocks up virtual generator, turbine, grid can simulate as if excitation system is connected to a real generator system by setting four switches. The maintenance crew using the simulator is able to test perfectly the phase controller rectifiers, field breaker, sequence relays as well as TMR controller of the excitation system. Commissioning and performance results about the excitation system with simulator is discussed. The trial product was installed and operated at a 500MW thermal power plant after the commissioning test.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

시작 품은 2012년 5월에 500MW 표준 석탄화력 발전소에 적용되어 성능시험이 완벽하게 수행되었고, 현재 상업 운전중에 있다. 본 논문에서는 시작품의 시뮬레이터 기능과 현장적용시의 여자시스템 시운전 성능시험에 대한 내용을 상세히 기술 하였다.

가설 설정

1기 무한모선 계통주파수는 항상 60Hz라고 가정하였고, 선로의 특성을 무시하고, 로드플로우(load flow)방식으로 접근하였다. 또 복잡해 보이는 그림 4를 회로형태로 만든 후, 테브난 정리를 이용하여 테브난 등가회로로 간략화 시켰다 [2].

제안 방법

500MW 대형발전소에 적용된 시뮬레이터 탑재형 디지털 삼중화 여자시스템은 고도의 신뢰성과 설비의 안정성이 요구되어 IEEE 국제규격에 따라서 성능시험을 실시하였다. 현장설치 후 각 신호의 건전성 및 제어기능을 발전소 정지중에 탑재된 발전기-무한모선 디지털 시뮬레이터를 이용하여 시험하였고 제어파라미터를 사전튜닝 하였다.
삼중화 제어기는 내고장성 기능을 갖고 있어서 2개의 제어기가 고장이 발생하여도 이상없이 운전될 수 있다. TOP는 각종 운전화면, SOE(Sequence Of Event), 실시간 트랜드, 제어변수튜닝 등을 할 수 있도록 설계하였다. 제어신호는 아날로그 4-20mA로 출력이 되어서 위상제어 정류기의 점호모듈에 보내어지며, 총 140포인트의 IO가 사용되었다.
특히 대형 발전소의 각종 발전기, 터빈, 전력계통 상수값은 제작사에서 제공하고 있으므로 사전지식이 없더라도 입력데 이터를 발전소와 동일하게 할 수 있다. 가부하장치는 발전기 계자권선과 흡사하게 하기 위하여 저항과 리액터로 구성 하였으며, 사전튜닝 가능하도록 하였다.
시뮬레이터는 크게 발전기, 터빈 그리고 전력계통이 모델링이 되어있다. 각각의 발전기, 터빈 그리고 전력계통의 상수값은 전력계통에 대한 지식을 갖고 있는 사람이면, 누구나 수정 가능하도록 설계되었다. 특히 대형 발전소의 각종 발전기, 터빈, 전력계통 상수값은 제작사에서 제공하고 있으므로 사전지식이 없더라도 입력데 이터를 발전소와 동일하게 할 수 있다.
입력 2는 PT, CT에서 측정되어 내부에서 계산된 전기적인 전력신호이다. 각각의 신호는 고주파 필터를 거치는데 속도와 전력의 정상상태 또는 저주파 변화를 제거하여 PSS 출력에 영향이 없도록 하였다. 또한 램프 트랙킹(Ramp tracking) 필터가 사용되었다.
무부하시험 후 계통연계 운전을 실시 하여 정격부하 운전시 응답특성을 파악하였다. 각종 제어/제 한/보호 튜닝값에 대한 특성시험을 하였고, 최적값을 실제 시스템의 사전 튜닝값으로 설정하였다.
모의 동기발전기와 전력계통 실시간 시뮬레이션이 가능한 보드형태 시뮬레이터는 TMS320C33 DSP를 이용하여 개발 하여 모든 제어코드는 C와 어셈블러 언어를 이용하여 구현 하였다. 그림 5에서 나타낸 것처럼 시뮬레이터는 실제 여자 시스템의 출력 직류전압을 받게 되어있고, 그림 3의 내부 시뮬레이션 흐름도에서 알 수 있듯이 60Hz AC 3상 동기발전기 전압과 전류를 출력하도록 되어있다.
현장시험과 동일하게 발전기 초기확립 및 정지시험도 실시되었다. 무부하시험 후 계통연계 운전을 실시 하여 정격부하 운전시 응답특성을 파악하였다. 각종 제어/제 한/보호 튜닝값에 대한 특성시험을 하였고, 최적값을 실제 시스템의 사전 튜닝값으로 설정하였다.
전자와의 파형을 비교해보면, 유효전력의 과도상태에 따른 댐핑효과가 크게 나타남을 알 수 있다. 물론 게인값을 증가하면, 댐핑효과를더 크게 볼 수 있으나 게인증가에 따른 발전기 과도안정도 측면에서 10으로 결정하였다.
최근 전력연구원은 탑재형 시뮬레이터 개발이전에 이동형 외장형 시뮬레이터를 개발하여 상품화하여 수십개의 발전소에 확대적용하였으나, 시험시의 판넬이동 및 여러 케이블 연결작업이 필요한 단점을 가지고 있었다[7]. 본 논문에서 소개되는 시뮬레이터는 보드형태로 개발되었으며, 4개의 별도의 스위치 동작만으로 마치 발전기 및 터빈이 정상동작하여 현장의 여자시스템 투입조건을 만들어 준다. 그리고 계통연계 운전도 가상으로 가능하게 할 수 있어서 시운전 또는 고장 발생시 각종 기능시험을 할 수 있게 되어 있다.
그림 8 제어블럭도는 IEEE 421 규격에 정의되어 있으며, 각각의 튜닝값은 시운전시 튜닝을 통하여 최종결정 된다[8]. 본 논문에서는 계산된 튜닝 값을 시뮬레이터를 통하여 그 안정도를 검증하였고, 세부튜 닝 후, 별도의 수정없이 시운전에 사용되었고 시험으로 최종 확인하였다.
시스템 구성상 4개의 스위치동작으로 정상운전과 시뮬레이터 운전으로 전환될 수 있게 설계되었다. 시뮬레이터 동작시 위상제어 정류기의 건전성도 시험하기 위하여 정류기 입력단에 480V를 연결하며, 정류기 출력단에 가부하 장치가 구비되어 있어서 싸이리스터가 도통될 수 있도록 하였다. 시뮬레이터는 가부하장치의 전압을 마치 계자전압인 것처럼 인식하게 되어있으며, 시뮬레이터의 모의 PT, CT 신호는 다시 삼중화 신호처리보드로 입력되게 스위치를 설치하였다.
PSS 주요 튜닝값은 Ks1의 이득값이다. 실제 시운전 튜닝시 이득값을 조절하여 응답 특성을 확인하였다. Ks1 블럭후에는 최적위상보상이 필요하여 2단계의 진상-지상블럭을 사용하였고, 최종단에는 출력값을 제한하는 기능이 있는데 -0.
발전플랜트의 특성상 많은 노하우를 가진 제작사 기술자가 방문하여 고장복구를 수행하고 있으며, 그비용도 상당히 고가로 알려져 있다. 이런 현장 유지 보수원의 고충을 해결하고자 발전기 정지중 디지털 여자시스템이 마치 계통운전 되는 것처럼 모사할 수 있는 모의 발전기, 1기 무한모선 시뮬레이터 내장 여자시스템을 개발하였다. 현재까지 시뮬레이터 탑재형 여자시스템은 개발 되지 않았으며, 다만 실험실 또는 제작사에서 여자시스템 사전튜닝 등을 위하여 개인 PC로 발전기 시뮬레이터를 제작하여 소신호(10V이하)로 시험하는 것이 소개되었다[1-4].
프로그램은 실시간 OS 프로그램인 µC/OS(Micro-C Operation System)를 적용하여 다중작업들(Task)의 특성에 따라서 작업우선권을 주어 불필요한 상호간섭을 막게 하였다.
500MW 대형발전소에 적용된 시뮬레이터 탑재형 디지털 삼중화 여자시스템은 고도의 신뢰성과 설비의 안정성이 요구되어 IEEE 국제규격에 따라서 성능시험을 실시하였다. 현장설치 후 각 신호의 건전성 및 제어기능을 발전소 정지중에 탑재된 발전기-무한모선 디지털 시뮬레이터를 이용하여 시험하였고 제어파라미터를 사전튜닝 하였다. 실제 시운전시 처음 계획하였던 시운전시간보다 절반가량 빨리 성능시 험을 마칠 수 있어서 발전기 공회전에 따른 과열 및 비용을 절감 할 수 있었다.
그림 7은 시뮬레이터를 이용한 발전기 부하 스텝시험 파형결과이다. 현장시험과 동일하게 발전기 초기확립 및 정지시험도 실시되었다. 무부하시험 후 계통연계 운전을 실시 하여 정격부하 운전시 응답특성을 파악하였다.

대상 데이터

시뮬레이터 탑재형 디지털 여자시스템은 삼중화 신호처리, 제어기, 다중화 위상제어 정류기, 시뮬레이터 모듈 등으로 구성되어있다. 주제어기는 인벤시스사의 삼중화 제어기를 사용하였으며, 삼중화 신호처리 보드가 추가로 제작되었다.
모든 시뮬레이터 조작은 운전원 화면에서 가능하도록 하였다. 시뮬레이터는 크게 발전기, 터빈 그리고 전력계통이 모델링이 되어있다. 각각의 발전기, 터빈 그리고 전력계통의 상수값은 전력계통에 대한 지식을 갖고 있는 사람이면, 누구나 수정 가능하도록 설계되었다.
여자시스템 전력계통안정화(PSS: Power System Stabilizer) 블럭은 2개의 입력을 사용하였다. 입력 1은 발전기 모선의 기계적인 주파수 신호이다.
연구시작품은 국내 500MW 표준석탄화력 발전소에 설치 되었다. IEEE 421 기준에 의하여 성능시험이 실시되었으며, 각 시운전 단계별 파형이 측정되었다[9].
TOP는 각종 운전화면, SOE(Sequence Of Event), 실시간 트랜드, 제어변수튜닝 등을 할 수 있도록 설계하였다. 제어신호는 아날로그 4-20mA로 출력이 되어서 위상제어 정류기의 점호모듈에 보내어지며, 총 140포인트의 IO가 사용되었다.
시뮬레이터 탑재형 디지털 여자시스템은 삼중화 신호처리, 제어기, 다중화 위상제어 정류기, 시뮬레이터 모듈 등으로 구성되어있다. 주제어기는 인벤시스사의 삼중화 제어기를 사용하였으며, 삼중화 신호처리 보드가 추가로 제작되었다. 삼중화 신호처리 보드에는 고속의 신호처리연산과 전력 계통안정화(PSS : Power System Stabilizer) 장치의 프로그램이 내장되어있다.

이론/모형

연구시작품은 국내 500MW 표준석탄화력 발전소에 설치 되었다. IEEE 421 기준에 의하여 성능시험이 실시되었으며, 각 시운전 단계별 파형이 측정되었다[9]. 그림 10은 발전기 초기정격전압 확립파형을 나타내고 있다.
동기발전기의 d축과 q축 등가회로는 그림 2에서 처럼 IEEE SSFR2 모델을 이용하였다. 팍스 변환(Park's Transformation)식을 이용하여 회전자 권선전류에 의한 회전자계와 정지된 고정자 권선전류에 의한 회전자계의 전자 기적인 회로관계가 수식화 되어 있다[1].

성능/효과

그리고 계통연계 운전도 가상으로 가능하게 할 수 있어서 시운전 또는 고장 발생시 각종 기능시험을 할 수 있게 되어 있다. 개발된 시뮬레이터 탑재형 여자시스템은 발전기 정지중에 제어기 뿐만 아니라 전력변환부분인 위상제어 정류기, 최종 계자차단기 시퀀스 등의 모든 시험을 완벽하게 할 수 있다. 시작 품은 2012년 5월에 500MW 표준 석탄화력 발전소에 적용되어 성능시험이 완벽하게 수행되었고, 현재 상업 운전중에 있다.
개발된 시뮬레이터 탑재형 여자시스템은 실험실에서 철저한 기능시험을 실시하였다. 표 1과 표 2는 현장에 적용된 대상발전소의 발전기 정수들이다.
실제 시운전시 처음 계획하였던 시운전시간보다 절반가량 빨리 성능시 험을 마칠 수 있어서 발전기 공회전에 따른 과열 및 비용을 절감 할 수 있었다. 본 논문에서 소개된 발전기 무부하 및부하시험을 통하여 500MW 발전기 기준으로 아주 성공적인 성능을 가지고 있음이 확인되었다. 향후 국내외 발전기 여자시스템에 본 기술을 확대 적용할 예정이며, 대형 발전소의 안정적인 운전에 크게 기여할 것으로 기대된다.
현장설치 후 각 신호의 건전성 및 제어기능을 발전소 정지중에 탑재된 발전기-무한모선 디지털 시뮬레이터를 이용하여 시험하였고 제어파라미터를 사전튜닝 하였다. 실제 시운전시 처음 계획하였던 시운전시간보다 절반가량 빨리 성능시 험을 마칠 수 있어서 발전기 공회전에 따른 과열 및 비용을 절감 할 수 있었다. 본 논문에서 소개된 발전기 무부하 및부하시험을 통하여 500MW 발전기 기준으로 아주 성공적인 성능을 가지고 있음이 확인되었다.
그림 10은 발전기 초기정격전압 확립파형을 나타내고 있다. 초기전압은 정격 전압 22kV까지 소프트 전압확립블록의 기능에 의하여 셋팅한 값까지 완만하게 상승하는 것을 확인하였다. 발전기전압 초기에 정상적으로 상승하면, 스텝시험을 실시한다.

후속연구

본 논문에서 소개된 발전기 무부하 및부하시험을 통하여 500MW 발전기 기준으로 아주 성공적인 성능을 가지고 있음이 확인되었다. 향후 국내외 발전기 여자시스템에 본 기술을 확대 적용할 예정이며, 대형 발전소의 안정적인 운전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대형 동기발전기에서의 여자시스템은 어떤 역할을 담당하고 있는가?	대형 동기발전기용 여자시스템은 발전기 계자전류를 조절하여 단자전압 및 계통연계시 무효전력을 제어하여 전력계통 전압안정도에 큰 역할을 담당하고 있다. 이런 중요한 발전소 주기기인 여자시스템이 예기치 못한 고장으로 인하여 대형 발전소가 불시에 정지되는 사고가 자주발생하고 있다.
	여자시스템의 고장 발생 시 신속히 대응하기 위하여 보안 된 점은 무엇인가?	발전플랜트의 특성상 많은 노하우를 가진 제작사 기술자가 방문하여 고장복구를 수행하고 있으며, 그비용도 상당히 고가로 알려져 있다. 이런 현장 유지 보수원의 고충을 해결하고자 발전기 정지중 디지털 여자시스템이 마치 계통운전 되는 것처럼 모사할 수 있는 모의 발전기, 1기 무한모선 시뮬레이터 내장 여자시스템을 개발하였다. 현재까지 시뮬레이터 탑재형 여자시스템은 개발되지 않았으며, 다만 실험실 또는 제작사에서 여자시스템 사전튜닝 등을 위하여 개인 PC로 발전기 시뮬레이터를 제작하여 소신호(10V이하)로 시험하는 것이 소개되었다[1-4].
	탑재형 시뮬레이터와 보드 형태로 개발된 시뮬레이터의 차이점은?	최근 전력연구원은 탑재형 시뮬레이터 개발이전에 이동형 외장형 시뮬레이터를 개발하여 상품화하여 수십개의 발전소에 확대적용하였으나, 시험시의 판넬이동 및 여러 케이블 연결작업이 필요한 단점을 가지고 있었다[7]. 본 논문에서 소개되는 시뮬레이터는 보드형태로 개발되었으며, 4개의 별도의 스위치 동작만으로 마치 발전기 및 터빈이 정상동작하여 현장의 여자시스템 투입조건을 만들어 준다. 그리고 계통연계 운전도 가상으로 가능하게 할 수 있어서 시운전 또는 고장 발생시 각종 기능시험을 할 수 있게 되어 있다. 개발된 시뮬레이터 탑재형 여자시스템은 발전기 정지중에 제어기뿐만 아니라 전력변환부분인 위상제어 정류기, 최종 계자차 단기 시퀀스 등의 모든 시험을 완벽하게 할 수 있다. 시작품은 2012년 5월에 500MW 표준 석탄화력 발전소에 적용되어 성능시험이 완벽하게 수행되었고, 현재 상업 운전중에 있다.

참고문헌 (9)

P. Kundur, "Power System Stability and Control" McGraw-Hill Inc., 1994.
Seung-Ill Moon etc, "Development of a new on-line Synchronous Generator Simulator using Personal Computer for Excitation System Studies" IEEE Trans. on Power Systems, 1998.
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Joong-Moon Kim, "(A)Study on an AVR parameter tuning method using real-time multi machine power system", Seoul National University, 2003.simulator
P. J. Throckmorton and L. Womiak, " A generic DSP based real-time simulator with application to hydrogenerator speed controller development," IEEE Trans on Energy Conversion, vol. 9, no. 2, June 1994, pp.238-242.

상세보기
T. J. Overbye, P. W. Sauer, C. M. Marzinzik, and G. Gross, "A user-friendly simulation program for teaching power system operations," IEEE lrans. on Power Systems, vol. IO. no. 4, November 1995, pp.1725-1733.

상세보기
Joo-Hyun Lee, Ho-Sun Rhew and Tae-Won Jeong, "A Field Test of Diesel Generator Excitation Control System Using Real Time Simulator", The trans. of KIEE, Vol. 59, no. 7, 2010.
IEEE Standard 421.5-1992, IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies.
lEEE Std 421.2-1990, IEEE Guide for Identification, Testing, and Evaluation of the Dynamic Performance of Excitation Control Systems.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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