본 논문에서는 원전용 계측 제어기기를 진단하고 유지 보수하기 위한 무선통신기술의 국내외 적용 사례, 프로토콜(Wi-Fi, Zigbee, Z-wave, WirelessHart 등) 및 그에 따른 전파특성을 조사하였다. 또한, 원전 내 무선통신기술 적용시 우려되는 전자파 간섭(EMI/RFI)과 관련하여 국내 규제지침 KINS/RG-N03.09(개정 2판)에서 승인한 RG. 1.180(Regulatory Guide 1.180 rev.1), MIL-STD 461E, 및 IEC 61000-4의 차이를 분석하였다. 추가적으로 기존의 EMC 관련 규제에 포함되어 있지 않았던, 실내 환경에서의 구조적 특징, 전파산란 및 차폐효과, 실내 감쇄모델을 고려한 전자파 영향성 평가요소에 대해서도 연구하였다.
본 논문에서는 원전용 계측 제어기기를 진단하고 유지 보수하기 위한 무선통신기술의 국내외 적용 사례, 프로토콜(Wi-Fi, Zigbee, Z-wave, WirelessHart 등) 및 그에 따른 전파특성을 조사하였다. 또한, 원전 내 무선통신기술 적용시 우려되는 전자파 간섭(EMI/RFI)과 관련하여 국내 규제지침 KINS/RG-N03.09(개정 2판)에서 승인한 RG. 1.180(Regulatory Guide 1.180 rev.1), MIL-STD 461E, 및 IEC 61000-4의 차이를 분석하였다. 추가적으로 기존의 EMC 관련 규제에 포함되어 있지 않았던, 실내 환경에서의 구조적 특징, 전파산란 및 차폐효과, 실내 감쇄모델을 고려한 전자파 영향성 평가요소에 대해서도 연구하였다.
In this paper, we surveyed previous cases, network protocols (such as Wi-Fi, Zigbee, Z-wave, and WirelessHart) and propagation characteristics on the application of maintaining equipments for instrumentation and control (I&C) using wireless communication techniques inside the nuclear power plant (NP...
In this paper, we surveyed previous cases, network protocols (such as Wi-Fi, Zigbee, Z-wave, and WirelessHart) and propagation characteristics on the application of maintaining equipments for instrumentation and control (I&C) using wireless communication techniques inside the nuclear power plant (NPP). In addition, we compared and analyzed the difference of detailed regulations with respect to the electromagnetic interference (EMI) and radio frequency interference (RFI) in the Regulatory Guide 1.180 rev. 1 (RG. 1.180) for adopting the wireless communication techniques inside the NPP, and other regulations, such as MIL-STD 461E and IEC 61000-4, that are recognized in the KINS/RG-N03.09 (Rev. 2). Furthermore, we investigated evaluating factors about electromagnetic properties by considering indoor environments, wave scattering, shielding effectiveness, and the indoor wave attenuation model that were not included in the current electromagnetic compatibility regulation.
In this paper, we surveyed previous cases, network protocols (such as Wi-Fi, Zigbee, Z-wave, and WirelessHart) and propagation characteristics on the application of maintaining equipments for instrumentation and control (I&C) using wireless communication techniques inside the nuclear power plant (NPP). In addition, we compared and analyzed the difference of detailed regulations with respect to the electromagnetic interference (EMI) and radio frequency interference (RFI) in the Regulatory Guide 1.180 rev. 1 (RG. 1.180) for adopting the wireless communication techniques inside the NPP, and other regulations, such as MIL-STD 461E and IEC 61000-4, that are recognized in the KINS/RG-N03.09 (Rev. 2). Furthermore, we investigated evaluating factors about electromagnetic properties by considering indoor environments, wave scattering, shielding effectiveness, and the indoor wave attenuation model that were not included in the current electromagnetic compatibility regulation.
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문제 정의
180의 규제 현황을 분석하고, 이 문서가 참고하는 타 규제 기준(MIL-STD 461E, IEC 61000-4 등)의 방사내성 내역을 조사하였다. 또한, 차폐 효과, 실내 감쇄 모델과 같이 실내 환경 및 구조적 특징을 고려한 전자파 평가요소에 대해 연구하였다.
본 연구에서는 국내 및 해외 발전소 환경에 무선통신 시스템을 활용한 사례를 조사하였고, 원전 내 적용 가능한 무선통신을 확인하기 위하여 다양한 무선통신의 특성을 비교 및 분석하였다. 이와 더불어 원전 내 EMI/RFI 규제 기준인 RG.
본 연구에서는 원전용 계측·제어기기를 진단하고 유지·보수하기 위한 무선 통신 기술의 국내외 적용 사례, 프로토콜 및 그에 따른 전파특성을 조사하였다.
제안 방법
RG. 1.180은 MIL-STD-461E[4]를 기반으로, EPRI-TR102323[5], IEC 61000-4 시리즈[6], CISPR 문서 등의 규제 기준을 참고하여 전도방출(conducted emission(CE)), 전도내성(conducted susceptibility(CS)), 방사방출(radiated emission(RE)), 방사내성(radiated susceptibility(RS)) 등에 관한 시험 내용을 원전 환경에 맞게 일부 변경하여 작성되었다. 그러나 RG.
이와 더불어 원전 내 EMI/RFI 규제 기준인 RG. 1.180의 규제 현황을 분석하고, 이 문서가 참고하는 타 규제 기준(MIL-STD 461E, IEC 61000-4 등)의 방사내성 내역을 조사하였다. 또한, 차폐 효과, 실내 감쇄 모델과 같이 실내 환경 및 구조적 특징을 고려한 전자파 평가요소에 대해 연구하였다.
비안전 계측·제어기기 시스템은 압력, 온도, 흐름 송신기 등을 포함하며, ‘스마트 송신기’라는 용어는 송신기에 마이크로프로세서가 내장 되어 기술자의 휴대용 시스템과 데이터(예를 들어, 알람 상태, 기기의 관리 상태)를 무선으로 송신하는 기기를 의미한다. 또한 송신기의 스마트 기능을 통해 자가 검진 및 재교정이 가능하도록 하였다.
또한 시설의 다른 센터에 설치된 모터 시험 시스템은 무선 송수신기를 추가로 설치하여 장비의 고장을 예측 가능하게 하였고 그에 따라 유지·보수를 하도록 하였다[7].
180, MIL-STD 461E 및 IEC 61000-4를 분석하였고 대하여 분석하였다. 또한 차폐효과, 실내 감쇄 모델 등 실내 환경 및 구조적 특징을 고려한 전자파 평가 요소에 대하여 분석하였다. 원전 내 무선통신 적용시, 유지·보수 비용의 절감, 안정적인 기기 운용 등 다양한 장점이 있으나, 전자파 적합성과 관련하여 현재 원전 내에서 승인하고 있는 규제 지침은 무선통신 적용에 대한 고려가 다소 미진한 실정이다.
그림 1은 단말기 위치에 따른 무선 단말기 간 송수신 테스트 셋업과 그 결과를 요약한 그림이다. 무선 단말기는 발전소 가장자리 부근을 이동하도록 설치하였고, 각 단말기는 특정 위치에 있는 메인 단말기와 통신 하도록 구성하였다. 모든 단말기들은 해발 424 ft의 동일한 고도에 설치되었으며, 3 dBm(2 mW) ~ 0 dBm(1 mW)의 전력으로 통신하도록 하였다.
본 절에서는 국내외 발전소 시설에 무선통신을 선행 적용한 사례 또는 무선통신을 적용하여 유지·보수 비용을 절감한 사례 등을 조사하였다.
11b의 무선 LAN 기술을 적용하였다[3]. 이 시스템은 시설 전체에 배포된 무선 AP를 광섬유로 연결하여 backbone 네트워크를 구성하였으며, IEEE 802.11b에 준거하는 IP 무선 통신기술을 이용하여 음성통신이 가능하도록 하였다. Voice-over IP 게이트웨이는 무선음성통신 시스템에 LAN 연결을 제공하였고, 2002년에 실증시험 및 종합적인 사용범위에 대한 조사를 성공적으로 마쳤다.
이 프로세스는 기기의 상태 데이터를 사용하여 장애를 예측하고 오작동 또는 고장이 발생하기 전에 미리 유지·보수 일정을 세울 수 있게 하였다.
해당 보고사례에서는 총 11개의 펌프에 장착된 결빙 방지용 히터의 온도 정보를 송신하여 결빙현상 및 고장을 사전에 예측함으로서 무선통신기술을 적용하기 전보다 유지·보수비용을 대폭 감소시켰다[2].
대상 데이터
표 4는 RG. 1.180에서 참고한 각종 외부 규제 문서들에 대한 개정 이력과 내용을 분석한 자료이다. EPRI TR-102323의 RS 시험 항목들은 시험 주파수 범위를 제외하고는 RG.
데이터처리
09(개정 2판)에서 승인한 RG. 1.180, MIL-STD 461E 및 IEC 61000-4를 분석하였고 대하여 분석하였다. 또한 차폐효과, 실내 감쇄 모델 등 실내 환경 및 구조적 특징을 고려한 전자파 평가 요소에 대하여 분석하였다.
이론/모형
◦ 원전 내 무선통신기술을 적용한 사례 중 하나로, 해외 원전 중 하나는 시설 전체에 IEEE 802.11b의 무선 LAN 기술을 적용하였다[3]. 이 시스템은 시설 전체에 배포된 무선 AP를 광섬유로 연결하여 backbone 네트워크를 구성하였으며, IEEE 802.
국내외 다수 원자력 발전소에 적용되는 전자파 적합성(electromagnetic compatibility, EMC) 관련 규제지침은 NRC(Nuclear Regulatory Commission)에서 2003년에 발표한 Regulatory Guide(RG.) 1.180의 규제 기준을 따른다. RG.
성능/효과
메인 단말기는 제어실 외부에 위치시켰으며, 그림 1에서 녹색 원으로 표기된 위치에 존재하고, 다른 단말기들의 위치는 황색 원과 적색 원으로 표시하였다. 시험 결과 대부분의 위치에서 무선 송수신이 가능했으나, 보일러실의 용광로가 가로막는 위치(적색 원)에서 무선 송수신이 불가능하였다.
국내 발전소에서도 유지·보수를 위해 무선통신기술을 적용하여 실시간으로 기기의 작동 상태를 모니터링 한 사례가 보고되었다. 화력 발전소에 무선 센서 통신망(무선 센서 17대, 무선 중계기(AP: access point) 2대)을 설치하여 6개월간 시험 운전한 결과, 무선 센서를 통한 다른 기기와의 전파간섭 문제없이 운전감시 기능을 원활히 구현하였다. 원전의 경우 한울 4호기에 무선 인터넷 전화(출력 100 mW, 사용주파수 2.
후속연구
둘째, 무선 통신기기의 사용에 따른 원전 내 계측·제어기기에 대한 전자파 영향성(EMI/RFI: Electro Magnetic Interference / Radio-Frequency Interference)의 평가연구가 필요하다.
원전 내 무선통신 적용시, 유지·보수 비용의 절감, 안정적인 기기 운용 등 다양한 장점이 있으나, 전자파 적합성과 관련하여 현재 원전 내에서 승인하고 있는 규제 지침은 무선통신 적용에 대한 고려가 다소 미진한 실정이다. 따라서 원전 내 환경에 무선통신 시스템을 적용하는 것과 관련한 많은 연구가 필요할 것으로 예상된다.
특히 원전의 경우, 지금까지 무선통신의 사용이 일부 발전소에서만 허용되었기 때문에, 무선통신을 적용을 확대할 경우 시간적, 경제적 측면에서 많은 긍정적 효과를 창출할 수 있을 것으로 예상된다[3]. 또한 지속적인 설비 모니터링을 통하여 고장을 사전에 예방하고, 안정적인 전력 생산이 가능할 것으로 예상된다. 무선통을 원전에 확대, 적용하기 위해서는 몇 가지 선행 연구가 필요하다.
이를 원전 내 안전관련 계측·제어계통의 배제 구역 결정에 적용하면 보다 현실적인 결과를 도출할 수 있을 것으로 사료된다.
이와 같이 실내 환경에서 원전 내 기기에 영향을 줄 수 있는 요소를 다양하게 고려하여[13, 14] 실제 발전소 환경에 최적화된 규제요소 마련이 필요할 것으로 예상되며, 이를 위해 추후 실내 환경 변화에 따른 전자파 분포를 측정하여 실 환경에 적합한 전자파 적합성 규제 기준을 제시할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
ZigBee의 특징은?
ZigBee는 IEEE 802.15.4 표준 기반의 10 ~ 100 m 사용 거리에서 저전력 및 250 kbps의 낮은 전송속도의 통신을 위해 개발되었다. 장치 간에 여러 중간 노드를 거쳐 데이터를 전달함으로써 넓은 범위 통신을 가능하게 하며 호환 장치는 홈 오토메이션, 상업용 오피스 응용 프로그램, 온도, 방사선 및 압력을 모니터링하는 센서 등의 분야에서 주로 사용된다.
무선통신 시스템을 통한 운전상태의 감시가 중요한 이유는?
다른 사례로는 냉각팬의 운전 상태를 감시하기 위해서 무선통신 시스템을 설치하여, 5년간 고장이나 오류에 의한 전력 생산 중지 없이 발전소 시스템을 운용한 예가 보도된 바 있다[3]. 냉각탑 고장 또는 결빙 현상이 발생할 경우, 시스템의 보호를 위해 하나의 타워를 정지시켜 막대한 금전적 피해가 발생하므로 운전상태의 감시는 매우 중요하다.
원전에 무선 통신 시스템을 활용할 경우 이익은?
이와 같이 발전소 시스템 유지·보수에 있어서 무선 통신 시스템을 활용한 결과, 고장 및 오작동을 사전에 예측하고 대비하여 비용을 절감한 사례가 다수 존재한다. 특히 원전의 경우, 지금까지 무선통신의 사용이 일부 발전소에서만 허용되었기 때문에, 무선통신을 적용을 확대할 경우 시간적, 경제적 측면에서 많은 긍정적 효과를 창출할 수 있을 것으로 예상된다[3]. 또한 지속적인 설비 모니터링을 통하여 고장을 사전에 예방하고, 안정적인 전력 생산이 가능할 것으로 예상된다.
참고문헌 (14)
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C. W. Taft, A. J. Hussey, T. Kuruganti, J. N. Sorge, and A. Nasipuri., "Low-Cost Wireless Sensors Can Improve Monitoring in Fossil-Fueled Power Plants Power," [Internet]. Available: http://www.powermag.com/low-costwireless-sensors-can-improve-monitoring-in-fossil-fueledpower-plants/?printmode1.
U.S. NRC, "Instrumentation and Controls in Nuclear Power Plants: An Emerging Technologies Update," Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge: USA, Technical Report NUREG/CR-6992, 2009.
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IEEE Std 1560, IEEE Standard for Methods of Measurement of Radio-Frequency Power-Line Interference Filter in the Range of 100 Hz to 10 GHz, IEEE, Piscataway, N.J., 2006.
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