[논문]중대사고를 대비한 원전비상통신시스템 개념설계

손광섭

doi:10.5573/ieie.2014.51.5.058

[국내논문] 중대사고를 대비한 원전비상통신시스템 개념설계
Conceptual Design of Emergency Communication System to Cope with Severe Accident in Nuclear Power Plants 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.51 no.5, 2014년, pp.58 - 69

초록
AI-Helper

후쿠시마 사고와 같은 중대사고에 대비하기 위하여 극한환경 내에서도 동작하여 원자력 발전소 내부 상태에 관련된 계측신호를 취득하고, 사고복구에 필요한 밸브, 펌프 등과 같은 비상기기를 작동시킬 수 있는 극한환경용 제어기기와 발전소로부터 최소 30km 떨어진 곳에서 발전소 내부 상황을 감시하고, 제어할 수 있는 모바일 원격 제어실 등으로 구성된 비상대응시스템이 필요하다. 본 논문에서는 극한환경용 제어기기와 모바일 원격 제어실과의 연계를 위한 비상대응시스템 개념 설계 및 성능분석에 대하여 논의하였다. 비상통신시스템은 IEEE 802.11 기술표준을 이용한 지상망과 천리안 위성을 이용한 위성망의 이중화 시스템으로 구성되고, 각 시스템에 대하여 통신링크 버짓, Throughput, 지연시간을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

To cope with sever accident like Fukushima accident, the emergency response system is needed. It consist of the hardened I&C system and the mobile control station. The hardened I&C system monitors the state in the nuclear power plant and controls the emergency equipment such as valves, pumps and the mobile control station placed at 30km away from nuclear power plant receives the status information from the hardened I&C system and transmits the control data to the hardened I&C system. In this paper, we design the emergency communication system connecting the hardened I&C system to the mobile control station and analyze the performance of the system. This system consists of the terrestrial communication system and the satellite communication. The performance such as a communication link budget, throughput and delay time is analyzed for each system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 원자력발전소에서 후쿠시마 사고와 같이 중대사고 발생 시, 극한환경제어기기를 이용하여 최대 12개 발전소 내부 상태를 감시하고, 감시된 변수를 최소 30km 떨어진 모바일 원격 제어실로 전송할 수 있는 원전비상통신시스템을 개념 설계 및 성능 분석하였다. 비상통신시스템은 신뢰성 향상 및 통신 수단의 다양성 확보를 위해서 지상망과 위성망을 이용한 이중화 시스템으로 설계하였다.

가설 설정

. 12개 발전소에 설치되는 통신시스템은 20dBi의 지향성 안테나를 사용하고, 중계기가 필요하다면, 중계기는 6dBi 안테나를 사용한다고 가정하였다. 그리고 수신단의 민감도(Sensitivity)는 채널 전송 속도에 따라 표 3^[7]과 같다고 가정하였다.
12개 발전소에 설치되는 통신시스템은 20dBi의 지향성 안테나를 사용하고, 중계기가 필요하다면, 중계기는 6dBi 안테나를 사용한다고 가정하였다. 그리고 수신단의 민감도(Sensitivity)는 채널 전송 속도에 따라 표 3^[7]과 같다고 가정하였다.
우리나라 고리 지역에 운영되는 원자력 발전소는 최대 12개로, 후쿠시마 원전사고와 같은 중대사고 발생 시, 12개의 발전소가 동시에 고장이 발생하는 상황을 가정하여 최소 30km 떨어진 원격 모바일 제어실에서 12개 발전소의 내부 상황을 감시 및 제어할 수 있어야 한다. 따라서 네트워크 구성은 1:12 통신이 가능하도록 구성되어야 한다.
위성통신 시스템의 수신 민감도는 전송속도별로 표 9 과 같이 분석하였다. 표 9에서와 보는 같이 모뎀 손실 구현 및 시스템 마진을 고려하였고, 시스템 잡음 지수는 13dB라고 가정하였다. 그림 14는 전송속도에 따른 수신 민감도를 보여주는 그래프로 –73dB ∼ -89dB 범위 내에 존재한다.

제안 방법

본 논문에서는 이전 논문에서 분석된 원전비상통신 시스템에 대한 핵심성능 요구사항^[6]을 토대로, 원전비상 통신시스템의 구성 및 운용 시나리오에 대하여 분석하고, 설계된 시스템에 대하여 분석과 시뮬레이션을 통하여 그 성능을 검증하였다.
본 논문에서는 원자력발전소에서 후쿠시마 사고와 같이 중대사고 발생 시, 극한환경제어기기를 이용하여 최대 12개 발전소 내부 상태를 감시하고, 감시된 변수를 최소 30km 떨어진 모바일 원격 제어실로 전송할 수 있는 원전비상통신시스템을 개념 설계 및 성능 분석하였다. 비상통신시스템은 신뢰성 향상 및 통신 수단의 다양성 확보를 위해서 지상망과 위성망을 이용한 이중화 시스템으로 설계하였다.
신뢰성 있는 통신시스템 구현을 위하여 원전비상통 신시스템은 지상망과 위성망을 이용하여 그림 1과 같이 모바일 원격 제어실과 12개의 발전소가 통신 가능 하도록 구성하였다.
원전비상통신시스템의 위성망 통신시스템은 천리안 위성을 기반으로 개념설계 하였다. 운용 대역은 광대역 위성 주파수 자원 활용이 가능한 Ka 대역으로(상향링크:29.
위성망 통신 시스템은 천리안 위성을 이용하여 감시 데이터의 전송은 FDMA, 제어 데이터의 전송은 DSSS 방식으로 설계하였다. 링크 가용률 99%를 고려하여 통신 링크를 분석하였으며, 2Mbps ∼ 46Mbps의 데이터 전송속도에 약 1.
이하가 되어야 한다. 이 비트 오류율을 만족시키기 위하여 통신링크버짓을 분석하였다.
일반적인 무선환경의 비트 오류율은 10-3∼10-6 사이에 존재하므로, 본 시스템에서는 보수적으로 10-6이하의 비트 오류율을 요구하도록 설정하였다.
지상망 통신 시스템의 경우 IEEE 802.11 WLAN 기술을 바탕으로 최소 2개의 중계기기를 이용하여, 발전소 주변 지형환경이 반영된 통신링크버짓, Throughput 및 지연시간을 네트워크 시뮬레이터를 이용하여 분석하였다. 분석 결과, 요구 비트 오류율인 10^-6 및 1Mbps의 Throughput은 충분히 만족시킬 수 있지만, 발전소 내부 상황을 실시간으로 감시하는 영상 데이터를 고려하면, 지원되는 데이터 용량이 충분하지 않다.
표 1을 토대로 Matlab◯R을 이용하여 신호 대 잡음비율(SNR, Signal to Noise Ratio)에 따른 비트 오류율을 시뮬레이션 하였다. 채널의 잡음모델은 AWGN (Additive White Gaussian Noise)라 가정하였고, 부호화 방법은 길쌈(Convolution) 부호화와 리드 솔로몬 (Reed Solomon)부호화 방법을 사용하였으며, 다양한 부호화율을 지원하기 위해서 천공화기(Puncturing)를 사용하였고, 복호방법은 비터비(Viterbi) 복호화기와 리드 솔로몬(Reed Solomon) 복호화기를 사용하였다.
표 4의 파라미터 설정값을 토대로 OPNETTM 네트워크 시뮬레이터를 이용하여 Throughput 및 지연시간을 분석하였다. 2개의 중계기가 사용되기 때문에, 비상통신시스템에서는 총 3개의 BSS(Basic Service Set)를 설정하고 각 BSS는 채널 간섭을 최소화하기 위하여 그림 7과 같이 1, 6, 11 채널을 사용한다.
이와 같이 다양한 전송속도를 지원하는 위성통신 시스템의 용량예측을 위해 전송속도는 상시 필요한 데이터는 제외한 순수한 데이터를 기준으로 정의하였으며, 표 5와 같이 용량 예측한 결과를 설계에 반영하였다. 표 5의 입력속도는 패킷 길이에 따라 가변적으로 변하므로, 패킷의 최소 길이 및 최대 길이가 신호처리기로 입력했을 경우, 각각에 대해 용량예측을 산정하였다. 통상 이더넷 패킷의 구조는 그림 10과 같다.

대상 데이터

운용 대역은 광대역 위성 주파수 자원 활용이 가능한 Ka 대역으로(상향링크:29.6∼30.1GHz, 하향링크:19.6∼20.1GHz) 기존 C, Ku 대역에 비해 작은 위성 안테나로 충분한 하향 링크의 유효등방성 복사전력을 제공할 수 있고, 스팟빔의 크기가 작아 주파수 재사용을 향상시킬 수 있다.
천리안 위성을 기반으로 분석하였으며, 안테나는 Auto Tracking이 가능한 1.2m의 접시 안테나를 사용하였다.

이론/모형

Eb/N0에 따른 비트 오류율 성능을 분석하기 위해서 Matlab®을 이용하여 시뮬레이션 하였다.
발전소와 모바일 원격 제어실 간 경로손실을 계산하기 위해서 TIREMTM((Terrain Integrated Rough Earth Model) 전파모델을 이용하였고, 지형 데이터는 미국지질조사국에서 제공하는 DTED(Digital Terrain Elevation Data)^[9]를 이용하였다. 그림 3은 우리나라 고리 지역 발전소와 모바일 원격 제어실 주변 지형을 보여준다.
지상망 통신 시스템은 통신 사업자를 배제하고 사설망으로 쉽게 설계할 수 있는 802.11계열의 WLAN (Wireless Local Area Network)방식을 선정 하였다.
표 1을 토대로 Matlab◯R을 이용하여 신호 대 잡음비율(SNR, Signal to Noise Ratio)에 따른 비트 오류율을 시뮬레이션 하였다. 채널의 잡음모델은 AWGN (Additive White Gaussian Noise)라 가정하였고, 부호화 방법은 길쌈(Convolution) 부호화와 리드 솔로몬 (Reed Solomon)부호화 방법을 사용하였으며, 다양한 부호화율을 지원하기 위해서 천공화기(Puncturing)를 사용하였고, 복호방법은 비터비(Viterbi) 복호화기와 리드 솔로몬(Reed Solomon) 복호화기를 사용하였다. 시뮬레이션 결과는 그림 2와 같다.

성능/효과

그림 8에서와 같이, 1개의 발전소는 프로토콜 오버헤드를 포함하여 초당 75kbit의 데이터를 전송한다. 12개의 발전소를 고려하며 초당 900kbit가 전송됨을 알 수 있고, 지연시간은 약 17msec로 앞 장에서 분석된 성능 요구사항을 충분히 만족시킬 수 있다. 추후 발전소의 송신 데이터가 더 증가한다고 가정했을 때, 이 망에서 지원 가능한 Throughput은 그림 9와 같이 16Mbps로, 12개의 발전소를 고려하면 각 발전소는 약 1.
링크 가용률 99%를 고려하여 통신 링크를 분석하였으며, 2Mbps ∼ 46Mbps의 데이터 전송속도에 약 1.3dB ∼ 15.7dB의 링크 마진을 확보하 였다.
11 WLAN 기술을 바탕으로 최소 2개의 중계기기를 이용하여, 발전소 주변 지형환경이 반영된 통신링크버짓, Throughput 및 지연시간을 네트워크 시뮬레이터를 이용하여 분석하였다. 분석 결과, 요구 비트 오류율인 10^-6 및 1Mbps의 Throughput은 충분히 만족시킬 수 있지만, 발전소 내부 상황을 실시간으로 감시하는 영상 데이터를 고려하면, 지원되는 데이터 용량이 충분하지 않다. 시뮬레이션에 사용된 802.

후속연구

위성망 통신 시스템에 사용되는 안테나는 Autoracking이 가능한 비교적 크기가 작은 안테나로, 링크 마진을 확보하기 위해서는 송신출력이 50W이상 되어야 한다. 따라서 발전소 정전 시, 배터리를 이용하여 시스템을 운용한다면, 추후 시스템 구현 시 배터리 용량 및 사용시간을 반드시 고려해야 한다.
4GHz 대역과 5GHz 대역을 혼합하여 사용하고, 발전소에서 모바일 원격 제어실까지의 경로를 다중화 하고, 지향성 안테나를 사용하여 경로간 간섭을 최대한 줄임으로서, 필요 데이터 용량을 확보할 수 있을 것이다. 추후 이에 대한 분석과 시뮬레이션이 필요할 것으로 판단된다. 또한 한정된 대역폭을 효과적 으로 운용하기 위해서는 12개 발전소의 내부 상태와 관련된 감시 데이터는 주기적으로 모바일 원격 제어실로 전송하지만, 영상 데이터의 경우는 운용자가 필요한 발전소의 영상만을 선택해서 볼 수 있도록 할 수 있는 운용 개념이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비상통신시스템은 어디에 설치되어야 하는가?	비상통신시스템은 각 원자력 발전소 외부 및 원자력 발전소로부터 최소 30km 떨어진 모바일 원격통제스테 이션에 각각 설치된다. 설치되는 곳은 모두 야지 환경 이므로 외부 환경 및 날씨에 관계없이 정상 동작해야 한다.
	주기적인 점검 시 발전소 제어실에서 확인되어야 하는 최소한의 점검 결과들은?	•각 구성장비들의 건전성 •자가발전기 건전성 혹은 배터리 잔량 •유효전송용량, 지연시간, 비트에러율과 같은 점검 데이터 결과
	후쿠시마 사고가 조기에 수습되지 못한 이유는?	후쿠시마 사고가 조기에 수습되지 못한 이유의 중의 하나는 원자력발전소 내부 상황을 정확하게 파악하지 못한 것으로, 대부분의 계측제어기기가 전원상실 및 사 고로 인한 손상으로 그 기능을 제대로 발휘하지 못했 다. 또한 비상대응 및 방사선 비상대책을 총괄하기 위한 비상대응시설(Emergency Response Facility)이 원 자력 발전소 외부에 설치되어 있지만[5], 발전소 사고에 따른 감시정보가 제한되어 있고, 방사는 누출로 30km 이상 넓은 지역으로 소개되어 이 시설을 활용할 수 가 없었다. 따라서 이와 같이 중대사고 발생 시, 계측제어 기기에 대한 취약성을 극복하기 위해서는 극한환경 내 에서도 작동하여 원자력 발전소 내부 상태 감시에 필요 한 계측신호를 수집하고, 사고복구에 필요한 펌프나 밸 브와 같은 비상기기를 제어할 수 있는 극한환경용 제어 기기와 최소 30km 떨어진 발전소 외부에서 내부사고 상황을 감시하고 사고 복구를 위한 제어를 수행할 수 있는 모바일 원격 제어실과 두 시스템의 연계를 위한 무선통신시스템이 필요하다.

참고문헌 (10)

The official report of the Fukushima Nuclear Accident Independent Investigation Commission, The National Diet of Japan, 2012.
Fukushima Nuclear Accident Analysis Report, Tokyo Electric Power Company, Inc., June 20, 2012.
IAEA Mission Report, "The Great East Japan Earthquake Expert Mission/IAEA International Fact Finding Expert Mission of the Fukushima Dai-ichi NPP Accident Following the Great East Japan Earthquake and Tsunami", May 24-June 2, 2011.
Electric Power Research Institute (EPRI), Fukushima Daiichi Accident/Technical Causal Factor Analysis, No. 1024946, March 2012.
NUREG-0696, Functional Criteria for Emergency Response Facilities, U.S. Nuclear Regulatory Commission Washington, D.C., 1981.
K.S. Son, "Performance Analysis for Emergency Communication System of Nuclear Power Plant using Markov Model", Journal of The Institute of Electronics and Information Engineers, Vol.51, No.3, March 2014.

원문보기 상세보기
Matthew S. Gast, 802.11 Wireless Networks, O'REILLY Press, Second Edition
Korea Communication Commission Notice, 2010-1, The Regulation of Wireless equipment
Online available http://earthexploer.usgs.gov
Rec. ITU-R P.618-8, "Propagation and Prediction Methods Required for the Design of Earth-Space Telecommunication Systems"

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증