한국수력원자력㈜ - 월성 1, 2호기 Plant Safety System Process Data Acquisition

Author(s):
이호원 대리 - 한국수력원자력㈜ 월성 원자력본부 1발전소 기술실 계측제어부

Industry:
Energy/Power

Products:
Embedded, LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
안전계통 운전 변수들의 실시간 감시 및 Display 기능으로 Operator 및 System Engineer에게 효과적인 정보를 제공하기 위하여 개발한다.

The Solution:
원자로 출력, 온도, 압력, 수위 등 주요 운전 변수에 대해 Data socket 방식 및 DB를 활용한 실시간 Trend, 추이변화 분석 Trend, Bar Chart, Numerical 및 P&I Diagram, 순간적인 과도현상인 Transient 신호 분석 기능 구현

요약 :
발전소 정지 및 보호와 관련된 안전계통(Safety System)은 설계특성상 제어용 전산기와 완전히 독립되어 있어 발전소 제어용 전산기(DCCX/Y) 및 원격 감시망(Gateway프로그램)에 의해 제어 및 감시되는 공정계통과는 달리 Application Tool이 없어 임의 한 루프에서 오신호 및 일시적인 과도현상이 발생할 때 현상의 재연성이 매우 어렵고 원인 분석 및 조치에 한계가 있어 이를 근본적으로 해결하고자 다음과 같은 시스템을 구성하게 됨.

그림 1. 시스템 구성도

① 발전소 전용 LAN망을 이용한 원격 감시망 시스템 구축
② 원자로 출력, 온도, 압력, 수위 등 주요 운전 변수에 대해 Data socket 방식 및 DB를 활용한 실시간 Trend, 추이변화 분석 Trend, Bar Chart, Numerical 및 P&I Diagram, 순간적인 과도현상인 Transient 신호 분석 기능 구현
③ 기본적으로 매 0.1초(100ms) 주기로 Scan을 수행하고 정상 운전시 Data를 매 2초, Transient발생시 Scan 주기인 0.1초(100ms) Scan 주기로 15초(Transient 발생 전 5초, 발생 후 10초)동안 그리고 장기적인 신호변화 추이 감시 목적으로 전 채널에 대해 매 2초마다 Data를 영구히 원격 감시망 Server DB에 저장 등.

그림 2. 시스템 연관도

개발 배경 및 목적
월성 원자력은 우리나라에서 유일한 중수로 형 원자력 발전소로 현재 site에 700Mwe 급 발전소 4개의 호기가 운전 중에 있다. 원자력 발전소는 오염이 없는 친환경적인 에너지로 전력 수급에 중요한 역할을 하며 이와 아울러 안전에 대한 요구는 그 어느 때보다 크게 작용하고 있다. 발전소 제어용 전산기(DCCX,Y)에 의해 제어되는 공정계통은 별도의 FA Network을 기반으로 하는 원격 감시망 Gateway System과 연계되어 신호분석, 변화추이, 경보발생이력 등과 같은 정보를 실시간 및 DB에 접속하여 과거의 자료를 분석함으로써 발전소 과도현상 및 문제 발생시 즉시 대처가 가능함. 반면 발전소 정지 및 보호와 관련된 안전계통(Safety System)은 설계특성상 제어용 전산기와 완전히 독립되어 있고 원자로 중성자 출력(Reactor Neturen Power), Log Power, Reactor building pressure, Steam Generator Level, Pressurizer Level, Reactor core flow 및 Primary Heat Transport Pressure 등의 정보를 실시간 및 분석할 수 있는 기능이 없어 문제점 발생시 원인분석에 소요되는 시간이 과다하게 소요되므로 다음과 같은 목표에 근거하여 시스템을 개발함.

- 안전계통 운전 변수들의 실시간 감시 및 Display 기능으로 Operator 및 System Engineer에게 효과적인 정보를 제공하기 위함.
- DB화된 자료를 토대로 신호이상, 오 신호 및 순간적인 과도 현상과 같은 결과 발생시 원인 분석 및 정비에 소요되는 시간 단축으로 정비 신뢰도 향상
- 운전 중 각 변수 별, 채널별 출력신호 분석을 통해 드리프트 평가 및 관리를 수행할 수 있고 장기적으로 계측기 교정 주기 연장에 활용할 수 있음.

안전계통 감시시스템(Safety System Process Data Acquisition System)
본 시스템은 각 호기당 4개의 안전계통, 원자로 제1정지계통, 원자로 제2정지계통, 비상노심냉각계통, 원자로 건물 격리계통의 각 250여개, 총 500여개의 압력, 온도, 유량, 수위, 중성자 출력등의 아날로그 공정 변수를 감시하고 정보를 제공하는 것으로 현장 DAS SYSTEM및 DAS 운영 프로그램(PDASPXI), 운전원 지원 프로그램, 분석 및 감시 프로그램(WPDAS)으로 구성되어 있다. 그리고 발전소 주제어실 안전계통과 주요 데이터 흐름도 및 현장 DAS 설비는 아래와 같다. (그림 3, 4, 5참조)

그림 3. 주제어실(Main Control Room)

그림 4. 데이터 흐름도

그림 5 . PDAS SYSTEM

DAS 설비는 PXI-8176 Controller 와 PXI-6031E Module로 구성하였고 Input Single Source Type은 Single-Ended Ground Referenced(RSE)방식을 적용함. 신호의 안전성을 위해서는 Differential(DIFF) 방식을 적용하는 것이 바람직하나 안전계통 특성상 계통과 추가되는 설비와 실제 안전계통과 상호 격리를 위해서는 계통 신호와 DAS 설비 사이에 Isolator를 설치해야 하고 호기당 250개(총 500여개)의 변수만큼 추가적인 ISOLATOR를 설치해야 하는 설계 규정으로 인해 RSE 방식을 적용하게 됨. 상기의 그림 4에 있는 설비는 각각의 호기당 설치되어 있고 DAS 설비 및 ISOLATOR로 구성된 2개의 판넬로 구성됨.

그리고 이 DAS 를 운영하는 응용 프로그램인PDASPXI2 및 사용자 운영 프로그램인 WPDAS 은 모두 LabVIEW® 6.1버전으로 프로그래밍 되었고 먼저 PDASPXI2 프로그램의 Block Diagram및 주요 VI 기능은 아래의 표와 같다.

그림 6. PDASPXI Main Program Block Diagram

다음 원격지 사용자 운영 프로그램인 WPDAS Program이며 다음과 같다.

WPDAS Program
WPDAS는 월성 1, 2호기 현장 안전계통에서 발생되는 신호를 취득하여 실시간 감시 및 과거 데이터 조회, 분석하기 위해 제작된 Server/Client 형태의 Application임.
프로그램 주요 구성은 크게
- 발전소 Status Main Display, 세부 Sub Display
- 각 파라메타별 Bar chart
- 신호 분석 Trend 및 Transient 신호 분석 Trend (날짜별, 시간별, 변수별 검색 및 data 저장 편집기능, 프로그램 Log-in시 경보 메시지 제공)
- 각 파라메타별 Real Time Trend
- Configuration(Signal 정보–Ch No, 공학 신호범위, 입력전압 범위등 주요 정보 검색 및 변경)
으로 되어 있음. 모든 기능에서 1, 2호기 상호 전환이 가능하고 주 화면에는 대표적인 값이 나타나고 주 화면상에 나타난 기기를 선택하면 세부 동적 화면으로 이동하여 압력, 수위, 유량등의 값들을 제공함.
신호 분석의 경우 매 2초마다 DB에 저장된 자료를 각 파라메타별, 날짜별, 시간별 검색, 사용자 파일로 저장기능이 되어 있고 Trend에 입력되는 신호는 1, 2호기 동일변수 또는 유사 변수를 한꺼번에 검색할 수 있도록 신호에 제한을 두지 않음. Transient 분석 Trend의 경우 입력되는 신호가 전체 입력 신호범위에 10%가 초과하면 이 시점을 기준으로 발생전 5초 후 10초의 저장된 data를 보여주는 것으로 과도 신호 발생 분석이 용이하게 프로그래밍 되어 있음.
다음은 주요 화면 구성임.

그림 7. WPDAS Main Status Display

그림 8. WPDAS Sub Status Display

그림 9. WPDAS 신호 분석 Trend Display

Trend 분석 화면은 저장되어 있는 모든 데이터를 조회 및 분석을 목적으로 제작 되었고 하나의 그래프에 표현 될 수 있는 데이터의 개수는 제한이 없으며 본 화면은 2초 주기로 저장된 데이터를 변수 그룹으로 조회하여 볼 수 있는 화면으로 대 분류와 그에 따른 소분류를 트리 형대로 구성되어 대 분류를 클릭함으로써 소분류를 바로 옆에서 확인 할 수 있도록 구성함.

그림 10. WPDAS Bar Chart Display

결론 :
본 시스템 구축 후 다음과 같은 이점 및 효과가 나타남.
- 트립 가능성이 항상 상존하는 안전계통에 직접 측정하던 방식에서 상시 감시 및 확인이 가능하고
- 순간적인 오신 호 및 이상 신호 발생시 신호의 재연성이 어려워 감시를 위해 추가적인 설비를 설치하고 기다려야 하는 문제점이 해소됨.
- 핵연료 교체로 인한 원자로 출력 변동을 상시 감시하고 실시간 정보 및 경보기능을 운전원에게 제공하여 운전 여유도를 확보할 수 있도록 함.
- 현장 전송기 신호 변화 추이 분석가능으로 기기 결함 유무를 신속하게 판단하여 조치한 사례가 있고 노심 열역학 코드 운영에 필요한 노심 차압 및 유량 변수의 data를 전압계로 정지용 전산기 입력단자 전압을 직접 측정하던 방식에서 필요한 날짜, 시간별로 저장, 활용하여 직접 측정하는 위험 부담 및 정비 효율을 높이는데 기여함.

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이호원 대리
한국수력원자력㈜ 월성 원자력본부 1발전소 기술실 계측제어부

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