[국내논문]SIL 기반 액화천연가스운반선 전력관리시스템의 모델링 및 시뮬레이션 Software-In-the-Loop based Power Management System Modeling & Simulation for a Liquefied Natural Gas Carrier원문보기
액화천연가스운반선(LNGC) 건조 시 증가하는 리스크로 인해 시스템 통합 및 안전 운용에 다양한 시나리오의 사전 시뮬레이션이 필요하다. 특히, LNGC에서 전력관리시스템은 중요한 장비이고, 전력 제어 시스템과의 오류없는 통합이 이루어져야 기대하는 성능 및 안전성이 보장된다. 본 논문에서는 LNGC에서 발생하는 오류를 개선하기 위해 Software-In-the-Loop(SIL) 기반의 PMS 테스트용 전력 발생원과 소모원에 대한 시뮬레이션 모델을 구현하였다. PMS 제어 및 검증을 위해 MATLAB/Simulink를 활용하여 수치적 물리 시뮬레이션 모델링을 수행하였고, 시뮬레이션 모델을 검증하기 위하여 시운전 시나리오를 대상으로 부하 분배 테스트를 하였다. PMS SIL 시뮬레이션은 고부가가치 선박 및 해양플랜트의 시운전, 설치, 유지보수 시장 진출에 크게 기여할 것으로 사료된다.
액화천연가스운반선(LNGC) 건조 시 증가하는 리스크로 인해 시스템 통합 및 안전 운용에 다양한 시나리오의 사전 시뮬레이션이 필요하다. 특히, LNGC에서 전력관리시스템은 중요한 장비이고, 전력 제어 시스템과의 오류없는 통합이 이루어져야 기대하는 성능 및 안전성이 보장된다. 본 논문에서는 LNGC에서 발생하는 오류를 개선하기 위해 Software-In-the-Loop(SIL) 기반의 PMS 테스트용 전력 발생원과 소모원에 대한 시뮬레이션 모델을 구현하였다. PMS 제어 및 검증을 위해 MATLAB/Simulink를 활용하여 수치적 물리 시뮬레이션 모델링을 수행하였고, 시뮬레이션 모델을 검증하기 위하여 시운전 시나리오를 대상으로 부하 분배 테스트를 하였다. PMS SIL 시뮬레이션은 고부가가치 선박 및 해양플랜트의 시운전, 설치, 유지보수 시장 진출에 크게 기여할 것으로 사료된다.
With the increasing risk in building liquefied natural gas carriers (LNGC), pre-simulation of various scenarios is required for system integration and safe operation. In particular, the power management system (PMS) is an important part of the LNGC; it works in tight integration with the power contr...
With the increasing risk in building liquefied natural gas carriers (LNGC), pre-simulation of various scenarios is required for system integration and safe operation. In particular, the power management system (PMS) is an important part of the LNGC; it works in tight integration with the power control systems to achieve the desired performance and safety. To verify and improve unpredicted errors, we implemented a simulation model of power generation and consumption for testing PMS based on software-in-the-loop (SIL) method. To control and verify the PMS, numeric and physical simulation modeling was undertaken utilizing MATLAB/Simulink. In addition, the simulation model was verified with a load sharing test scenario for a sea trial. This simulation allows shipbuilders to participate in new value-added markets such as commissioning, installation, operation, and maintenance.
With the increasing risk in building liquefied natural gas carriers (LNGC), pre-simulation of various scenarios is required for system integration and safe operation. In particular, the power management system (PMS) is an important part of the LNGC; it works in tight integration with the power control systems to achieve the desired performance and safety. To verify and improve unpredicted errors, we implemented a simulation model of power generation and consumption for testing PMS based on software-in-the-loop (SIL) method. To control and verify the PMS, numeric and physical simulation modeling was undertaken utilizing MATLAB/Simulink. In addition, the simulation model was verified with a load sharing test scenario for a sea trial. This simulation allows shipbuilders to participate in new value-added markets such as commissioning, installation, operation, and maintenance.
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문제 정의
본 논문에서는 선박 및 해양플랜트의 PMS를 검증하기 위해 널리 사용되는 SIL 시뮬레이션을 구현하고자 하였다. 기존 발전기 위주의 연구와 달리 LNGC PMSSIL 테스트하기 위해 전력 발생원과 소모원에 대한 시뮬레이션 모델을 함께 구현하였다.
구현한 시뮬레이션 모델을 검증하기 위하여 터빈 발전기와 디젤 발전기 간의 부하 분할 기능을 테스트하였다. 특히, 디젤 발전기를 자동모드로 두고 임의의 부하를 초과하였을 때 디젤 발전기가 구동하여 부하 분할을 하는지에 대해 확인하였다. PMS 시운전 시나리오 중두 시나리오는 추출하여 테스트 시나리오를 계획하였고, 9,000kW를 지령값으로 균등부하분배(symmetric load sharing) 및 비균등부하분배(asymmetric load sharing) 모드를 각각 수행하였다.
제안 방법
LNG 선박에서의 전력 주요 장비는 전력공급원과 전력 소모원으로 나누어 전력 공급원은 터빈 발전기 2기, 디젤 발전기 1기로 구성하였고, 전력 소모원은 6,600V 고압부와 440V 저압부로 나누어 구현하였다. 6,600V 고압부 모델링은 선수추진기 1기, 압축기 2기, 화물창 펌프 8기, 평형수 펌프 3기로 구성하였고, 440V 저압부는 일반부하 4기로 구성하였다. 해당 기기들의 상세사양은 표 1과 같이 명기하였고, 디젤 및 터빈 발전기의 경우 최대 출력, 전압, 주파수 각각 3.
LNG 선박에 설치된 PMS는 발전기에서 공급된 전력을 선박의 각 부하로 전력을 배분 및 관리하고 감시하는 시스템으로 선박용 전력 시스템을 제어하고 관리하는데 필수적이다. LNG 선박에서의 전력 주요 장비는 전력공급원과 전력 소모원으로 나누어 전력 공급원은 터빈 발전기 2기, 디젤 발전기 1기로 구성하였고, 전력 소모원은 6,600V 고압부와 440V 저압부로 나누어 구현하였다. 6,600V 고압부 모델링은 선수추진기 1기, 압축기 2기, 화물창 펌프 8기, 평형수 펌프 3기로 구성하였고, 440V 저압부는 일반부하 4기로 구성하였다.
특히, 디젤 발전기를 자동모드로 두고 임의의 부하를 초과하였을 때 디젤 발전기가 구동하여 부하 분할을 하는지에 대해 확인하였다. PMS 시운전 시나리오 중두 시나리오는 추출하여 테스트 시나리오를 계획하였고, 9,000kW를 지령값으로 균등부하분배(symmetric load sharing) 및 비균등부하분배(asymmetric load sharing) 모드를 각각 수행하였다. 이에 대한 결과로 표2와 같이 발전기가 병렬 구동될 때 부하 분배되는 상태가 3% 불감대(dead band) 내에 들어와 설계 범위 내 테스트를 만족함을 알 수 있었다.
기존 발전기 위주의 연구와 달리 LNGC PMSSIL 테스트하기 위해 전력 발생원과 소모원에 대한 시뮬레이션 모델을 함께 구현하였다. PMS 제어 및 검증을 위해 수치적 물리 모델링 및 시뮬레이션을 MATLAB/Simulink를 활용하여 수행하였고, 시뮬레이션 모델을 검증하기 위하여 시운전 시나리오를 대상으로 부하 분배 테스트를 수행하였다. 테스트 결과, 3%의 불감대 영역내에 만족함을 도출하였다
PMS 관련 연구로 LNGC용 전력관리시스템 시뮬레이터 모델링의 국산화 연구 일환으로 진행된 사례가 있다[7]. PMS 주요 부품들인 동기발전기, 디젤 엔진 시스템, 변압기, 차단기, 3상 부하들의 개별 모델링을 수행하였고, 특성해석 시퀀스에 따라 시뮬레이션 및 특성해석 결과의 비교 검토를 통해 모델링의 신뢰성을 검증하였다. 하지만 발전기 중심의 모델링이 수행하였고, 전력 부하 측면에서는 다루지 못 하였다.
PMS-SIL 시뮬레이션 모델을 통합 후 제어 시퀀스를 쉽게 확인하기 위하여 C#을 활용하여 그림 7과 같이 LNGC PMS 계통도를 구현하였다. 디젤발전기, 터빈발전기를 비롯한 6,600V의 고전압 부하단과 440V의 저전압 부하단의 전력정보를 확인하고, 차단기를 통해 제어가 가능하다.
본 논문에서는 최근 발주가 늘어나고 있는 LNG 선박의 통합 자동화 시스템의 일부로써 전력계통을 원격에서 제어 감시하는 기능 갖는 PMS을 시뮬레이션 대상으로 한다. PMS의 주요 기능 테스트를 비롯한 전력계통의 시스템 시퀀스 동작 확인, 파라메터 설정, 알람 표시, 시스템 오류 등의 문제 요소들을 찾아내기 위해 PMS-SIL 시뮬레이션 모델링을 수행하였다. 더불어 PMS-SIL 시뮬레이션 모델링 시 발전기뿐만 아니라 전력 사용량이 많은 heavy consumer의 모델링 및 시뮬레이션을 구현하였다.
구현한 시뮬레이션 모델을 검증하기 위하여 터빈 발전기와 디젤 발전기 간의 부하 분할 기능을 테스트하였다. 특히, 디젤 발전기를 자동모드로 두고 임의의 부하를 초과하였을 때 디젤 발전기가 구동하여 부하 분할을 하는지에 대해 확인하였다.
본 논문에서는 선박 및 해양플랜트의 PMS를 검증하기 위해 널리 사용되는 SIL 시뮬레이션을 구현하고자 하였다. 기존 발전기 위주의 연구와 달리 LNGC PMSSIL 테스트하기 위해 전력 발생원과 소모원에 대한 시뮬레이션 모델을 함께 구현하였다. PMS 제어 및 검증을 위해 수치적 물리 모델링 및 시뮬레이션을 MATLAB/Simulink를 활용하여 수행하였고, 시뮬레이션 모델을 검증하기 위하여 시운전 시나리오를 대상으로 부하 분배 테스트를 수행하였다.
PMS의 주요 기능 테스트를 비롯한 전력계통의 시스템 시퀀스 동작 확인, 파라메터 설정, 알람 표시, 시스템 오류 등의 문제 요소들을 찾아내기 위해 PMS-SIL 시뮬레이션 모델링을 수행하였다. 더불어 PMS-SIL 시뮬레이션 모델링 시 발전기뿐만 아니라 전력 사용량이 많은 heavy consumer의 모델링 및 시뮬레이션을 구현하였다. 또한 LNGC PMS 시뮬레이션 모델을 검증하기 위해 시운전 시나리오에 맞춰 테스트하고 신뢰성을 검증하였다.
PMS-SIL 시뮬레이션 모델을 통합 후 제어 시퀀스를 쉽게 확인하기 위하여 C#을 활용하여 그림 7과 같이 LNGC PMS 계통도를 구현하였다. 디젤발전기, 터빈발전기를 비롯한 6,600V의 고전압 부하단과 440V의 저전압 부하단의 전력정보를 확인하고, 차단기를 통해 제어가 가능하다.
더불어 PMS-SIL 시뮬레이션 모델링 시 발전기뿐만 아니라 전력 사용량이 많은 heavy consumer의 모델링 및 시뮬레이션을 구현하였다. 또한 LNGC PMS 시뮬레이션 모델을 검증하기 위해 시운전 시나리오에 맞춰 테스트하고 신뢰성을 검증하였다.
설계된 모델은 엔진 조속기가 시스템에 포함된 모델로 입력 참조값에 따라 적용된 수식에 의해 출력이 조절된다. 또한 디젤 엔진, 조속기, 여기시스템, 동기기 모델 라이브러리를 이용하여 시뮬레이션에 검증에 필요한 발전기 출력 데이터를 도출하고, 동기기 모델의 출력부에 전력 부하를 인가하여 발전기 출력 특성 파악 및 정상 출력 검증을 수행한다.
3상 전압은 3상 전류 차단기를 거쳐 선박에 사용되는 화물창 펌프, 선수 추진기와 같은 부하에 인가된다. 선박용 발전기를 구성하고 있는 조속기, 디젤 및 터빈 발전기, 필드 전압 계산기, 동기기는 그림 3와 같이 Matlab/Simulink 기반의 시뮬레이션 모델로 구성된다.
45MW, 6,600V, 60Hz를 기본으로 사양을 정의하였다. 아울러 그림 2와 같이 PMS 모델링 사양에 맞게 MATLAB/Simulink를 활용하여 시뮬레이션 모델링을구현하였다.
6,600V 고압부 모델링은 선수추진기 1기, 압축기 2기, 화물창 펌프 8기, 평형수 펌프 3기로 구성하였고, 440V 저압부는 일반부하 4기로 구성하였다. 해당 기기들의 상세사양은 표 1과 같이 명기하였고, 디젤 및 터빈 발전기의 경우 최대 출력, 전압, 주파수 각각 3.45MW, 6,600V, 60Hz를 기본으로 사양을 정의하였다. 아울러 그림 2와 같이 PMS 모델링 사양에 맞게 MATLAB/Simulink를 활용하여 시뮬레이션 모델링을구현하였다.
대상 데이터
본 논문에서는 최근 발주가 늘어나고 있는 LNG 선박의 통합 자동화 시스템의 일부로써 전력계통을 원격에서 제어 감시하는 기능 갖는 PMS을 시뮬레이션 대상으로 한다. PMS의 주요 기능 테스트를 비롯한 전력계통의 시스템 시퀀스 동작 확인, 파라메터 설정, 알람 표시, 시스템 오류 등의 문제 요소들을 찾아내기 위해 PMS-SIL 시뮬레이션 모델링을 수행하였다.
성능/효과
또한 다시 스위치를 닫게 되면, 정상적으로 전동기가 동작함을 알 수 있다. 그 결과, 선수추진기의 최대 모터출력전력은 1.8MW인 것을 확인할 수 있다.
PMS 시운전 시나리오 중두 시나리오는 추출하여 테스트 시나리오를 계획하였고, 9,000kW를 지령값으로 균등부하분배(symmetric load sharing) 및 비균등부하분배(asymmetric load sharing) 모드를 각각 수행하였다. 이에 대한 결과로 표2와 같이 발전기가 병렬 구동될 때 부하 분배되는 상태가 3% 불감대(dead band) 내에 들어와 설계 범위 내 테스트를 만족함을 알 수 있었다.
5MW씩 인가되는 로드에서도 5sec 이내에 안정화되어 동작한다. 터빈 발전기의 경우 동작 특성상 안정화에 시간이 다소 소요되는 것을 확인하였다
PMS 제어 및 검증을 위해 수치적 물리 모델링 및 시뮬레이션을 MATLAB/Simulink를 활용하여 수행하였고, 시뮬레이션 모델을 검증하기 위하여 시운전 시나리오를 대상으로 부하 분배 테스트를 수행하였다. 테스트 결과, 3%의 불감대 영역내에 만족함을 도출하였다
후속연구
향후 PMS-SIL 시뮬레이터의 검증을 위한 하드웨어 환경을 구축하여 PMS-HIL 테스트를 수행할 수 있는 실시간 시뮬레이션을 구현할 계획이다. 아울러 PMS-HIL 시뮬레이션은 고부가가치 선박 및 해양플랜트의 시운전, 설치, 유지보수 시장 진출에 크게 기여할 것으로 사료된다.
향후 PMS-SIL 시뮬레이터의 검증을 위한 하드웨어 환경을 구축하여 PMS-HIL 테스트를 수행할 수 있는 실시간 시뮬레이션을 구현할 계획이다. 아울러 PMS-HIL 시뮬레이션은 고부가가치 선박 및 해양플랜트의 시운전, 설치, 유지보수 시장 진출에 크게 기여할 것으로 사료된다.
액화천연가스운반선(Liquified Natural Gas Carrier, LNGC), 셔틀탱커(shuttle tanker), 드릴십(drillship)과 같이 고부가가치 선박일수록 자동화에 대한 선주의 요구가 다양하게 변화하고, 해양플랜트 공사에 적용되는 통합시스템의 복잡도가 증가할수록 소프트웨어의 오류 발생 빈도는 증가한다. 향후 선박 및 해양플랜트 통합시스템 소프트웨어의 복잡도는 계속 증가할 것으로 예상되며, 이를 해상 시운전으로 대체하는 것은 한계가 있으므로 통합시스템의 고장 및 오작동을 테스트하기 위한 검증체계가 필요하다[1].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
액화천연가스운반선 건조 시 증가하는 리스크로 인해 무엇이 필요한가?
액화천연가스운반선(LNGC) 건조 시 증가하는 리스크로 인해 시스템 통합 및 안전 운용에 다양한 시나리오의 사전 시뮬레이션이 필요하다. 특히, LNGC에서 전력관리시스템은 중요한 장비이고, 전력 제어 시스템과의 오류없는 통합이 이루어져야 기대하는 성능 및 안전성이 보장된다.
PMS 관련 연구로 LNGC용 전력관리시스템 시뮬레이터 모델링의 국산화 연구 일환으로 진행된 사례는 무엇인가?
PMS 관련 연구로 LNGC용 전력관리시스템 시뮬레이터 모델링의 국산화 연구 일환으로 진행된 사례가 있다[7]. PMS 주요 부품들인 동기발전기, 디젤 엔진 시스템, 변압기, 차단기, 3상 부하들의 개별 모델링을 수행하였고, 특성해석 시퀀스에 따라 시뮬레이션 및 특성해석 결과의 비교 검토를 통해 모델링의 신뢰성을 검증하였다. 하지만 발전기 중심의 모델링이 수행하였고, 전력 부하 측면에서는 다루지 못 하였다.
선수추진기란?
대표적 전력 소모원인 선수추진기는 선박의 정지 시 또는 미속 항해 시에 있어서의 선박 조정성능을 향상시키기 위한 장치로 선박이 정지하고 있을 때라도 선수 또는 선미의 운동을 제어하는 것이 가능하기 때문에 예인설비가 없는 항구나 협수로의 항행 시에도 용이하고 PMS 관점에서는 전력 소모량이 많은 부하 중의 하나이다.
참고문헌 (9)
K. K. Lee, J. S. Park, S. H. Kim, "Hardware-In-the-Loop Simulation Technology for Productivity and Quality Improvement of Offshore Plant," Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea, vol. 52, no. 4, pp.1-6, 2016.
International Marine Contractors Association. DP station keeping incidents. International Marine Contractors Association, 2012. [Internet] Available: https://www.imca-int.com/news/2012/11/30/imca-publishes-dp-station-keeping-incidents/.
Det Norske Veritas and Germanischer Lloyd(DNV GL). Offshore standard DNV-OS-D203: Integrated software dependent systems (ISDS). Det Norske Veritas AS, 2012. [Internet]. Available: https://rules.dnvgl.com/docs/pdf/DNV/codes/docs/2012-12/Os-D203.pdf.
American Bureau of Shipping(ABS). Guide for Integrated Software Quality Management(ISQM). American Bureau of Shipping, 2014. [Internet] Available: https://www.eagle.org/eagleExternalPortalWEB/ShowProperty/BEA%20Repository/Rules&Guides/Current/185_ISQM/Guide.
S. G. Cheon, J. W. Kim, S. K. Lee, S. T. Lee, "Development of Hardware In the Loop Simulation Package for DPS and Acquisition of Certification by Class Society," Proceedings of the Annual Autumn Conference, pp.450-453, 2016.
A. Parizad, "Dynamic stability Analysis for Damavand power plant considering PMS functions by DIGSILET software," in Proceedings of the 13th International Conference on Environment and Electrical Engineering (EEEIC), Wroclaw, Poland, pp.1-11, 2013.
T. O. Kim, G. H. Kang, "HILS based PMS Testing of 30MW LNGC Electric Propulsion System," in Proceedings of the Conference on the Korean Institute of Electrical Engineers (KIEE), Yongpyong, Korea, pp. 1710-1711, 2014.
J. T. Hwang, S. Y. Hong, H. W. Kwon, K. K. Lee, J. H. Song, "Dual Fuel Generator Modeling and Simulation for Development of PMS HILS," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 21, no. 3, pp. 613-619, 2017.
K. I Park, H. M. Chae, J, H, Jang, Y. W, Jang, E, G. Kim, "Flow assurance based subsea monitoring system and HILS for verification," Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea, vol. 53, no. 4, pp.12-16, 2016.
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