KR100655119B1 - 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출장치 및 그검출방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출장치는, 코일에 공급된 전압을 감지하는 전압감지기; 코일에 흐르는 전류를 감지하는 전류감지기; 전압감지기 및 전류감지기에 의해 각각 감지된 전압 및 전류신호를 입력받아 저주파 필터링을 하는 신호처리부; 신호처리부를 거친 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터; 아날로그-디지털 컨버터로부터 출력되는 디지털 데이터를 입력받아 웨이블릿 변환을 이용하여 제어봉 구동장치의 각 구성요소의 비정상 동작을 검출하는 한편 주제어부로부터의 제어봉 구동장치 동작관련 제어명령을 수신받아서 제어봉 구동장치가 원하는 동작을 하도록 공급전력을 제어하고 주제어부에 데이터를 전송하는 CPU; CPU의 메모리 맵을 구성하고 각 소자의 선택 신호를 생성하며 CPU에서 연산한 점호각을 출력하는 디지털 논리 구현부; CPU에서 출력되는 디지털 신호를 입력받아 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 컨버터; 상기 디지털 논리 구현부에 의해서 구별 선택되어 상기 CPU에서 필요로 하는 데이터나 CPU에서 생성된 데이터를 저장하는 메모리; 및 디지털 논리 구현부를 거쳐 상기 제어봉 구동장치에 전력을 변환하여 공급하는 전력변환부의 게이트 드라이브로 전송되는 게이트 구동 신호를 일정 시간 간격으로 카운팅하는 타이머 카운터를 포함하여 구성된다.
Description
도 1은 본 발명에 따른 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출장치의 구성을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출장치가 채용되는 제어봉 구동장치의 구성을 보여주는 도면.
도 3은 전기자와 자극 사이의 거리변화와 코일 인덕턴스 변화 사이의 관계를 보여주는 도면.
도 4는 제어봉 인출을 위한 제어봉 구동장치의 각 코일 전류 지령치를 예시한 도면.
도 5는 제어봉 인출을 위한 코일 전류 지령치에 대하여 실제로 각 코일에 흐르는 전류 파형을 예시한 도면.
도 6은 제어봉 삽입을 위한 제어봉구동장치의 각 코일 전류 지령치를 예시한 도면.
도 7은 제어봉 삽입을 위한 코일 전류 지령치에 대하여 실제 각 코일에 흐르는 전류 파형을 예시한 도면.
도 8은 제어봉 구동장치의 올림 전기자의 동작을 위한 일반적인 올림 코일 전류 파형을 예시한 도면.
도 9는 제어봉 구동장치의 각 기구의 전기자의 동작을 검출하기 위한 알고리즘(본 발명의 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출방법)을 보여주는 흐름도.
도 10은 제어봉 구동장의 올림 전기자가 올림 자극에 정상적으로 부착되는지 감시한 결과를 예시한 도면.
도 11은 올림 전기자가 올림 자극에서 정상적으로 분리되는지 감시한 결과를 예시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
15...전압감지기(PT) 16...전류감지기(CT)
17...신호처리부 18...아날로그-디지털 컨버터
20...CPU(DSP) 21...디지털 논리 구현부(FPGA)
22..디지털-아날로그 컨버터 23...메모리
24...타이머 카운터
본 발명은 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출장치 및 그 검출방법에 관한 것으로서, 특히 웨이블릿 변환 기법을 채용함으로써 전류신호에 대한 평균값을 계산하는 등의 번거로운 과정을 피하고 비정삭적인 동작 발생 여부뿐만 아니라 정확한 동작 발생 시점도 알 수 있는 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출장치 및 그 검출방법에 관한 것이다.
원자로의 열적 출력 제어는 중성자 흡수재로 만들어진 제어봉들의 상하 이동에 의한 핵반응의 조절을 통해 이루어진다. 제어봉구동장치는 전자기 잭(Jack) 형식으로 되어 있으며 전류로 여자되는 코일들에 의하여 기구들이 동작한다. 제어봉구동장치의 구동축에 연결된 제어봉들은 상ㆍ하로 스텝 이동하는데, 제어봉구동장치의 기구들의 제어봉 이동 방향별로 상이하게 정해진 시퀀스 동작을 통해 구동축과 함께 한 스텝씩 이동한다. 만약 제어봉구동장치를 구성하고 있는 기구들에서 전기적ㆍ기계적으로 결함이 생기면, 원자로 열적 출력 제어를 위하여 상부의 주제어부로부터 하달되는 제어봉 이동 관련 명령이 실제로 구현되지 못한다. 이러한 사실을 상부에서 신속하고 정확하게 파악하기 위해서는 제어봉구동장치의 비정상 동작 발생 여부를 감시할 방편이 필요하다.
제어봉구동장치의 동작 발생 인식에 관한 특허로는 출원번호 특1986-0003232가 있다. 이 특허에서는 제어봉을 한 스텝 이동시키기 위하여 제어봉구동장치의 기구들이 각자 정해진 여러 시퀀스 동작들을 취하는 중에 한 기구가 정상적으로 동작을 완료하였는지 확인한 후에 다음 동작 대상 기구의 동작 개시 여부를 결정하기 위하여 필요한 기구 동작 인식 방법을 제시하였다. 전자기 잭(Jack) 형식으로 되어 있는 제어봉구동장치의 기구들은 코일 여자에 의한 전자기적 힘에 의해 동작하게 되는데 기구 동작 발생이 코일 전류 파형을 변화시킨다. 이 특허에서는 기구 동작에 의해 발생하는 전류 파형 왜곡에 착안하여 전류 변화율 계산을 통해 기구 동작 발생 여부를 판단한다.
센서를 통하여 입력된 코일 전류 신호에는 삼상 반파 전력변환에 의하여 발생하는 주기적인 맥동과 잡음들이 섞여 있다. 특1986-0003232 특허에서도 이를 고려하여 정해진 시간 간격 동안의 전류 신호에 대하여 평균값을 계산하는 과정을 별도로 마련하였고 이들 평균된 값들 사이의 변화율을 분석하여 기구 동작 발생 여부를 결정하였다.
본 발명은 이상과 같은 종래 방식에서의 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 웨이블릿 변환 기법을 채용함으로써 전류신호에 대한 평균값을 계산하는 등의 번거로운 과정을 피하고 비정삭적인 동작 발생 여부뿐만 아니라 정확한 동작 발생 시점도 알 수 있는 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출장치 및 그 검출방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출장치는,
원자로 제어봉 구동장치에 채용되어 제어봉 구동장치에서 발생하는 각종 비정상 동작을 검출하기 위한 장치로서,
상기 제어봉 구동장치의 각 코일에 병렬로 접속되며, 코일에 공급된 전압을 감지하는 전압감지기;
상기 제어봉 구동장치의 각 코일에 직렬로 접속되며, 코일에 흐르는 전류를 감지하는 전류감지기;
상기 전압감지기 및 전류감지기에 의해 각각 감지된 전압 및 전류신호를 입력받아 저주파 필터링을 하는 신호처리부;
상기 신호처리부를 거친 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터;
상기 아날로그-디지털 컨버터로부터 출력되는 디지털 데이터를 입력받아 웨이블릿 변환을 이용하여 제어봉 구동장치의 각 구성요소의 비정상 동작을 검출하는 한편 주제어부로부터의 제어봉 구동장치 동작관련 제어명령을 수신 받아서 제어봉 구동장치가 원하는 동작을 하도록 공급전력을 제어하고 주제어부에 데이터를 전송하는 CPU;
상기 CPU의 메모리 맵을 구성하고 각 소자의 선택 신호를 생성하며 CPU에서 연산한 점호각을 출력하는 디지털 논리 구현부;
상기 CPU에서 출력되는 디지털 신호를 입력받아 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 컨버터;
상기 디지털 논리 구현부에 의해서 구별 선택되어 상기 CPU에서 필요로 하는 데이터나 CPU에서 생성된 데이터를 저장하는 메모리; 및
상기 디지털 논리 구현부를 거쳐 상기 제어봉 구동장치에 전력을 변환하여 공급하는 전력변환부의 게이트 드라이브로 전송되는 게이트 구동 신호를 일정 시간 간격으로 카운팅하는 타이머 카운터를 포함하여 구성된 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출방법은,
a) 구동장치의 각 전기자의 자극 부착 예상 시점 전후로 코일 전류 데이터를 얻는 단계;
b) 상기 전기자의 자극 부착 예상 시점 근처의 코일 전류 데이터를 웨이블릿 변환하는 단계;
c) 상기 웨이블릿 변환 결과 진동이 발생하였는지를 판별하는 단계;
d) 상기 판별에서 진동이 발생하지 않았으면, 전기자의 자극이 부착되지 않았다고 판단하고 저장된 코일 전류 데이터를 삭제하는 동시에 고장 발생을 알리는 단계;
e) 상기 판별에서 진동이 발생하였으면, 전기자의 자극이 성공적으로 부착되었다고 판단하고 저장된 코일 전류 데이터를 삭제하는 단계;
f) 상기 각 전기자와 자극 분리 예상 시점 전후로 코일 전류 데이터를 얻는 단계;
g) 상기 전기자와 자극 분리 예상 시점 근처의 코일 전류 데이터를 웨이블릿 변환하는 단계;
h) 상기 웨이블릿 변환 결과 진동이 발생하였는지를 판별하는 단계;
i) 상기 판별에서 진동이 발생하지 않았으면, 전기자와 자극이 분리되지 않 았다고 판단하고 저장된 코일 전류 데이터를 삭제하는 동시에 고장 발생을 알리는 단계; 및
j) 상기 판별에서 진동이 발생하였으면, 전기자와 자극이 성공적으로 분리되었다고 판단하고 저장된 코일 전류 데이터를 삭제하는 단계를 포함하여 구성된 점에 그 특징이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출장치의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출장치는, 원자로 제어봉 구동장치(6)에 채용되어 제어봉 구동장치에서 발생하는 각종 비정상 동작을 검출하기 위한 장치로서, 전압감지기(15), 전류감지기(16), 신호처리부(17), 아날로그-디지털 컨버터(18), CPU(20), 디지털 논리 구현부(21), 디지털-아날로그 컨버터(22), 메모리(23), 타이머 카운터(24)를 포함하여 구성된다.
상기 전압감지기(15)는 제어봉 구동장치(6)의 각 코일에 병렬로 접속되며, 코일에 공급된 전압을 감지한다. 이러한 전압감지기(15)로는 변압기(PT)가 사용될 수 있다.
상기 전류감지기(16)는 제어봉 구동장치(6)의 각 코일에 직렬로 접속되며, 코일에 흐르는 전류를 감지한다. 이러한 전류감지기(16)로는 변류기(CT)가 사용될 수 있다.
상기 신호처리부(17)는 상기 전압감지기(15) 및 전류감지기(16)에 의해 각각 감지된 전압 및 전류신호를 입력받아 저주파 필터링을 한다.
상기 아날로그-디지털 컨버터(18)는 상기 신호처리부(17)를 거친 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환한다.
상기 CPU(20)는 상기 아날로그-디지털 컨버터(18)로부터 출력되는 디지털 데이터를 입력받아 웨이블릿 변환을 이용하여 제어봉 구동장치의 각 구성요소의 비정상 동작을 검출하는 한편 상기 주제어부(25)로부터의 제어봉 구동장치 동작관련 제어명령을 수신 받아서 제어봉 구동장치가 원하는 동작을 하도록 공급전력을 제어하고 주제어부(25)에 데이터를 전송한다. 이와 같은 CPU(20)로는 DSP(digital signal processor)가 사용될 수 있다.
상기 디지털 논리 구현부(21)는 상기 CPU(20)의 메모리 맵을 구성하고 각 소자의 선택 신호를 생성하며 CPU(20)에서 연산한 점호각을 출력한다. 이러한 디지털 논리 구현부(21)로는 FPGA(field programmable gate array)가 사용될 수 있다.
상기 디지털-아날로그 컨버터(22)는 상기 CPU(20)에서 출력되는 디지털 신호를 입력받아 아날로그 신호로 변환한다.
상기 메모리(23)는 상기 디지털 논리 구현부(21)에 의해서 구별 선택되어 상기 CPU(20)에서 필요로 하는 데이터나 CPU(20)에서 생성된 데이터를 저장한다.
상기 타이머 카운터(24)는 상기 디지털 논리 구현부(21)를 거쳐, 상기 제어봉 구동장치(6)에 전력을 변환하여 공급하는 전력변환부(3)의 게이트 드라이브(5)로 전송되는 게이트 구동 신호를 일정 시간 간격으로 카운팅한다. 도 1에서 참조번호 1은 제어봉 구동장치에 전력을 공급하는 MG-세트, 2는 삼상 반파 변환기, 4는 사이리스터(thyristor), 7은 올림 코일, 8은 이동집게 코일, 9는 정지집게 코일, 10은 올림 자극, 11은 올림 전기자, 12는 이동 집게, 13은 정지 집게, 14는 구동축을 각각 나타낸다.
도 2는 이상과 같은 본 발명의 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출장치가 채용되는 제어봉 구동장치의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 제어봉 구동장치(6)의 기구들 중에서 동작 검출이 필요한 주요 부분은 올림 전기자(35), 이동 집게 전기자(38) 그리고 정지 집게 전기자(42)들이다. 정지 집게 코일(30)이 여자(勵磁)되면 정지 집게 전기자(42)가 정지 집게 자극(39)에 부착되면서 정지 집게(43)가 구동축(32)의 홈을 물게 되고, 이동 집게 코일(28)이 여자되면 이동 집게 전기자(38)가 올림 전기자(35)에 부착되면서 이동 집게(37)가 구동축(32)의 홈을 문다. 그리고 올림 코일(26)이 여자되면 올림 전기자(35)가 올림 자극(33)에 부착되면서 올림 전기자(35)에 연결된 이동 집게 전기자(38)가 이동 집게(37)와 함께 위로 이동한다. 이렇게 제어봉구동장치(6)의 주요 기구들의 동작들을 통해 제어봉을 잡고 있는 구동축(32)을 상ㆍ하로 이동시켜서 제어봉 이동이 이루어진다.
도 3은 전기자와 자극 사이의 거리변화와 코일 인덕턴스 변화 사이의 관계를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 이동자인 전기자(50)와 고정자인 자극(44)에서 직류 전압(46)에 의해 전류(45)가 흘러서 코일(48)이 여자될 때 전기자(50)가 전자석이 되어서 자극(44)으로 탈착되면서 그 거리(47)가 변하고 이에 반비례하여 코일 인덕턴스 (49) 변화가 발생한다. 도 3에서 참조번호 45는 코일에 흐르는 전류를 나타낸다.
도 4는 제어봉 인출을 위한 제어봉구동장치의 각 코일 전류 지령치를 예시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 인출 스텝 이동이 시작되기 전에는 정지 집게 코일 전류 레벨(58)을 4.4 Amp(57)의 중간 레벨로 유지하여 정지 집게(13,43)만 구동축(14, 32)을 물고 정지해 있지만, 인출 명령을 받고난 이후에 6.1 msec가 경과하면 정지 집게 코일 전류 레벨(58)을 최대 허용 8 Amp(56)로 높여서 정지 집게(13,43)가 구동축(14,32)을 더 확실히 물게 하고 동시에 이동 집게 코일 전류 레벨(55)도 최대 허용 8 Amp(54)로 높여서 이동 집게(12,37)가 구동축(14,32)을 물도록 한다. 인출 명령 발생 이후 134.2 msec가 경과하면 정지 집게 코일 전류 레벨(58)을 0으로 줄여서 정지 집게(13,43)가 구동축(14,32)을 놓도록 한다. 이제 이동 집게(12,37)만 구동축(14,32)을 물고 있는 상태에서 인출 스텝 명령 발생 이후 231.8 msec가 경과하면 올림 코일 전류 레벨(53)을 최대 허용 40 Amp(51)로 높여서 올림 전기자(11, 35)를 올림 자극(10,33)에 부착되도록 하여 이동 집게(12,37)가 구동축(14,32)을 물고 함께 상승하도록 한다. 인출 스텝 명령 발생 이후 378.2 msec가 경과하면 정지 집게 코일 전류 레벨(58)을 다시 최대 허용 8 Amp(56)으로 높여서 정지 집게(13,43)가 구동축(14,32)을 물도록 한다. 코일에 최대 허용 전류가 계속 흐르게 되면 코일에 손상을 주게 되므로, 인출 스텝 명령 발생 이후 408.7 msec가 경과하면 올림 코일 전류 레벨(53)을 16 Amp(52)로 낮추어서 그 상태를 유지하도록 한다. 인출 명령 발생 이후 500.2 msec가 경과하면 이동 집게 코일 전류 레벨(55)을 0으로 줄여서 이동 집게(12,37)가 구동축(14,32)을 놓고 정지 집게(13,43)만 구동축(14, 32)을 잡도록 한다. 인출 명령 발생 이후 518.5 msec가 경과하면 올림 코일 전류 레벨(53)을 0으로 줄여서 올림 전기자(11,35)가 올림 자극(10,33)에서 분리되도록 하여 이동 집게 전기자(38)와 이동 집게(12,37)도 같이 제자리로 하강시킨다. 인출 명령 발생 이후 780 msec가 경과하면 제어봉의 한 스텝 인출을 위한 모든 과정이 마무리되고, 정지 집게 코일 전류 레벨(58)을 4.4 Amp(57)의 중간 레벨로 내려진 상태에서 구동축(14,32)을 물고 제어봉을 정지 상태로 유지한다.
도 5는 제어봉 인출을 위한 코일 전류 지령치에 대하여 실제로 각 코일에 흐르는 전류 파형을 예시한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 올림 코일 전류 파형(59), 이동 집게 코일 전류 파형(60), 그리고 정지 집게 코일 전류 파형(61)이 각각의 파형 특성을 보여 주고 있다.
도 6은 제어봉 삽입을 위한 제어봉구동장치의 각 코일 전류 지령치를 예시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 삽입 스텝 이동이 시작되기 전에는 정지 집게 코일 전류 레벨(69)을 4.4 Amp(68)의 중간 레벨로 유지하여 정지 집게(13,43)만 구동축(14,32)을 물고 정지해 있지만, 삽입 명령을 받고난 이후에 6.1 msec가 경과하면 정지 집게 코일 전류 레벨(69)을 최대 허용 8 Amp(67)로 높여서 정지 집게(13,43)가 구동축(14,32)을 더 확실히 물도록 한다. 삽입 명령 발생 이후 30.5 msec가 경과하면 올림 코일 전류 레벨(64)을 최대 허용 40 Amp(62)로 높여서 올림 전기자 (11,35)를 올림 자극(10,33)에 부착시켜서 이동 집게 전기자(38)와 함께 이동 집게(12,37)가 구동축(14,32)을 물지 않은 채로 상승한다. 삽입 명령 발생 이후 189.1 msec가 경과하면 이동 집게 코일 전류 레벨(66)을 최대 허용 8 Amp(65)로 높여서 이동 집게(12,37)가 구동축(14,32)을 물도록 한다. 삽입 명령 발생 이후 213.5 msec가 경과하면 올림 코일(7,26) 손상을 막기 위하여 올림 코일 전류 레벨(64)을 16 Amp(63)로 낮추어서 그 상태를 유지하도록 한다. 삽입 명령 발생 이후 280.6 msec가 경과하면 정지 집게 코일 전류 레벨(69)을 0으로 줄여서 정지 집게(13,43)가 구동축(14,32)을 놓도록 한다. 삽입 명령 발생 이후 390.4 msec가 경과하면 올림 코일 전류 레벨(64)을 0으로 줄여서 올림 전기자(11,35)가 올림 자극(10,33)에서 분리되도록 하여 이동 집게(12,37)가 구동축(14,32)을 물고 함께 하강하도록 한다. 삽입 명령 발생 이후 579.5 msec가 경과하면 정지 집게 코일 전류 레벨(69)을 다시 최대 허용 8 Amp(67)로 높여서 정지 집게(13,43)가 구동축(14,32)을 물도록 한다. 삽입 명령 발생 이후 689.3 msec가 경과하면 이동 집게 코일 전류 레벨(66)을 0으로 줄여서 이동 집게(12,37)가 구동축(14,32)을 놓고 정지 집게(13,43)만 구동축(14,32)을 잡고 있도록 한다. 인출 명령 발생 이후 780 msec가 경과하면 제어봉의 한 스텝 인출을 위한 모든 과정이 마무리되고 정지 집게 코일 전류 레벨(69)을 4.4 Amp(68)의 중간 레벨로 내려진 상태에서 구동축(14,32)을 물고 제어봉을 정지 상태로 유지한다.
도 7은 제어봉 삽입을 위한 코일 전류 지령치에 대하여 실제 각 코일에 흐르는 전류 파형을 예시한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제어봉 삽입 코일 전류 지령치에 대하여 실제로 각 코일에 흐르는 올림 코일 전류 파형(70), 이동 집게 코일 전류 파형(71), 그리고 정지 집게 코일 전류 파형(72)이 각각의 파형 특성을 보여 주고 있다.
도 8은 제어봉 구동장치의 올림 전기자의 동작을 위한 일반적인 올림 코일 전류 파형을 예시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 올림 코일 전류 파형(74)을 예로 들어서 기구의 정상적 동작 발생 여부를 판단하는 원리를 설명하면 다음과 같다. 검출하는 최대 허용 전류가 올림 코일(7,26)에 흐르도록 하면 올림 전기자(11,35)가 전자석이 되면서 올림 자극(10,33) 사이에 당기는 힘이 발생한다. 그러면 올림 전기자(11,35)와 올림 자극(10,33) 사이의 간격이 줄어들면서 간격이 반비례하여 코일 인덕턴스가 증가한다. 증가된 코일 인덕턴스에 의해 코일 전류는 감소하면서 왜곡이 생기게 되고 올림 전기자(11,35)가 올림 자극(10,33)에 붙게 되면 코일 인덕턴스는 더 이상 증가하지 않고 전류도 일정한 시정수로 증가한다. 이렇게 올림 전기자(11,35)가 이동하여 올림 자극(10,33)에 부착되는 순간(73)에 전류가 크게 왜곡되는 것을 알 수 있다. 그리고 올림 코일 전류를 0으로 줄여서 올림 자극(10,33)에 부착되었던 올림 전기자(11,35)가 분리되어 서로 간의 거리가 갑자기 늘어나면 코일 인덕턴스도 갑자기 줄어들게 된다. 그러면 올림 전기자(11,35)가 분리되는 순간(75) 일시적으로 코일 전류에서는 상승하는 왜곡이 발생한다. 본 발명에서는 이렇게 기구 동작으로 인해서 발생하는 코일 전류의 왜곡 발생 여부를 판별하여 해당 기구의 비정상적 동작 발생을 검출하고자 한다.
도 9는 제어봉 구동장치의 각 기구의 전기자의 동작을 검출하기 위한 알고리즘(본 발명의 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출방법)을 보여주는 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 먼저 0.56 msec씩 샘플링된 코일 전류(45) 데이터 90개를 저장하여 전기자(50)의 자극(44) 부착 예상 시점 전후로 0.05초 동안의 코일 전류(45) 데이터를 얻는다(단계 76). 그런 후, 90 포인트의 전기자(50) 부착 예상 시점 근처 코일 전류(45) 데이터를 웨이블릿 변환한다(단계 77). 그리고, 웨이블릿 변환 결과인 계수가 진동하여 그 크기가 임계치보다 커지는지 판별한다(단계 78). 이 판별에서, 웨이블릿 변환 결과 진동이 발생하지 않았으면, 웨이블릿 변환 계수가 진동하지 않아서 올림 전기자(11, 35)가 부착되지 않았다고 판단하고 저장된 코일 전류(45) 데이터를 삭제하는 동시에 고장 발생을 알린다(단계 80). 그리고 상기 판별에서 웨이블릿 변환 결과 진동이 발생하였으면, 전기자(50)가 성공적으로 부착되었다고 판단하고 저장된 코일 전류(45) 데이터를 삭제한다(단계 79).
그런 후, 0.56 msec씩 샘플링된 코일 전류(45) 데이터 90개를 저장하여 전기자(50)의 올림 자극(10,33)에서 분리 예상 시점 전후로 0.05초 동안의 코일 전류(45) 데이터를 얻는다(단계 81). 그리고, 90 포인트의 전기자(50) 분리 예상 시점 근처 코일 전류(45) 데이터를 웨이블릿 변환한다(단계 82). 그런 후, 웨이블릿 변환 결과인 계수가 진동하여 그 크기가 임계치보다 커지는지 판별한다(단계 83). 이 판별에서, 웨이블릿 변환 결과 진동이 발생하였으면, 웨이블릿 변환 계수가 진동하여 전기자(50)가 성공적으로 분리되었다고 판단하고 저장된 코일 전류(45) 데이터 를 삭제한다(단계 84). 그리고, 상기 판별에서 웨이블릿 변환 결과 진동이 발생하지 않았으면, 웨이블릿 변환 계수가 진동하지 않아서 전기자(50)가 분리되지 않았다고 판단하고 저장된 코일 전류(45) 데이터를 삭제하는 동시에 고장 발생을 알린다(단계 85).
이상과 같은 일련의 과정에 있어서, 상기 웨이블릿 변환과 관련하여 설명을 조금 더 부연해 보기로 한다.
제어봉 구동장치에는 이에 속한 주요 기구들을 동작시키기 위하여 정지 집게 코일, 이동 집게 코일 그리고 올림 코일이 있다. 각 기구는 해당 코일의 여자에 의한 전자기적 힘에 의하여 동작하는데 정지 집게의 경우에는 정지 집게 코일 여자에 의하여 정지 집게 전기자가 전자석이 되어서 정지 집게 자극에 부착되거나 분리되면서 정지 집게가 제어봉 구동축의 홈을 물거나 놓게 되고 이동 집게의 경우에는 이동 집게 코일 여자에 의하여 이동 집게 전기자가 전자석이 되어서 자극 역할을 하는 올림 전기자에 부착되거나 분리되면서 이동 집게가 제어봉 구동축의 홈을 물거나 놓게 된다. 올림 코일이 여자되면 올림 전기자가 전자석이 되어서 올림 자극에 부착되거나 분리되면서 올림 전기자에 연결된 이동 집게 부분을 들어올리거나 내리게 된다. 이렇게 각 기구의 전기자가 자극에 탈착되면서 각 코일 전류 파형에는 왜곡이 발생한다. 그 원리를 도 3에서 확인할 수 있다.
도 3에서 코일에 전류(i)가 흐르면 전기자(이동자)(50)가 전자석이 되며 위에 위치한 자극(고정자)(44)과 서로 당기는 힘이 작용하여 거리(z)가 줄어든다. 이 때의 전기적인 방정식은 다음과 같다.
상기 수학식 1은 키르히호프의 전압방정식을 나타낸 것이고 수학식 2는 코일의 인덕턴스가 이동자와 고정자 간의 거리에 반비례한다는 것을 나타내고 있다. 여기서 v는 인가전압이고, i는 코일에 흐르는 전류, R은 코일의 저항이고, k는 코일의 권선 수 및 형상에 관계되는 상수이다. 따라서 올림 전기자가 올림 자극에 부착되면서 코일 인덕턴스 L이 증가하므로 전류 파형의 크기가 줄어들고 반대로 올림 전기자가 올림 자극으로부터 분리되면서 코일 인덕턴스 L이 감소하므로 전류 파형의 크기가 늘어난다. 이러한 원리에 의하여 전류 파형 변화가 기구 동작과 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다. 본 발명에서도 전류 파형 변화를 분석하여 기구 동작을 인식하는 방법을 제시한다.
제어봉 구동장치의 각 기구 동작으로 인해 발생하는 전류 파형 왜곡을 감지하기 위하여 본 발명에서 사용한 웨이블릿 변환에 대하여 설명한다. 웨이블릿이란 적분하여 0의 값을 가지는 곡선 신호를 뜻하는데, 여러 가지 모(母) 웨이블릿 중에서 본 발명은 Morlet 웨이블릿을 웨이블릿 변환에 사용한다. Morlet 웨이블릿 식은 다음의 수학식 3과 같다.
상기 수학식 3의 웨이블릿에서 유도되는 웨이블릿 그룹식은 다음의 수학식 4와 같다.
여기서, a는 웨이블릿 파형의 높이와 폭을 조절하는 스케일 인자이고, b는 웨이블릿 파형을 수평으로 이동시키는 위치 인자이다. 임의의 신호 s(t)에 대하여 상기 수학식 3과 수학식 4를 이용하여 연속 웨이블릿 변환하는 식은 다음의 수학식5와 같다.
실제 시스템에서는 코일 전압이 0.56msec로 샘플링되므로 수학식 5를 이산 식으로 변형하여 사용하며 이는 코일 전압 신호와 웨이블릿 그룹 식을 교차상관(cross correlation)한 결과와 같다. 다음의 수학식 6에서는 두 신호들의 교차상관을 통한 연속 웨이블릿 변환(Continuous Wavelet Transform ; CWT) 식을 보여주고 있다.
상기 수학식 6은 수학식 4에서 위치 인자 b가 0인 웨이블릿 그룹 식을 교차상관식에 사용한 것을 알 수 있다. 교차상관식은 두 신호 사이의 상관관계의 크기를 알려주므로 입력 전류 신호가 왜곡되는 부분의 진동 주파수와 웨이블릿 그룹 식의 진동 주파수가 비슷하게 되면 수학식 6의 결과값이 상대적으로 커진다. 웨이블릿 그룹 식의 라디안 주파수는 스케일 인자 a에 의해 결정되는데, 이는 수학식 4의 
의 라디안 주파수가 2π/a이고 따라서 스케일 인자 a는 
의 주파수에 반비례하는 것으로부터 알 수 있다. 수학식 6의 교차상관식에서 웨이블릿 그룹 식의 스케일 인자 a의 역수를 입력 전류 신호(i)가 기구 동작으로 왜곡되는 부분의 진동 주파수와 유사하게 설정하면 다른 스케일 인자를 가지는 웨이블릿 그룹 식을 통한 교차상관 결과보다 큰 값을 가지게 된다. 이를 통하여 전류 파형에서 기구 동작으로 인한 왜곡 발생 여부를 판별할 수 있는 것이다.
한편, 도 10은 제어봉 구동장의 올림 전기자가 올림 자극에 정상적으로 부착되는지 감시한 결과를 예시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 그림 (a)는 올림 전기자(11,35)가 올림 자극(10,33)에 부착되는 시점 전후의 0.05초 사이의 올림 코일 전류이고, 그림 (b)는 이에 대한 웨이블릿 변환 계수를 보여주고 있다. 올림 코일 전류 파형의 점선(86)은 올림 전기 자(11,35)가 성공적으로 부착되는 경우의 것이고 올림 코일 전류 파형의 실선(87)은 올림 전기자(11,35)가 올림 자극(10,33)에 부착되지 못하는 경우의 것이다. 웨이블릿 변환 결과인 웨이블릿 변환 계수를 보면, 올림 전기자(11,35)가 정상적으로 부착되는 경우의 점선(88)은 크게 진동하여 임계치를 넘고 있고 비정상적으로 부착이 일어나지 못하는 경우의 실선(89)은 거의 진동이 없는 것을 알 수 있다. 그리고 웨이블릿 변환 계수의 크기가 가장 큰 시점(90)이 바로 올림 전기자(11,35)가 올림 자극(10,33)에 부착되는 시점인 것을 볼 때 웨이블릿 변환은 국소 왜곡 발생에 대한 시간 정보를 정확하게 알려주는 것을 알 수 있다.
도 11은 올림 전기자가 올림 자극에서 정상적으로 분리되는지 감시한 결과를 예시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 그림 (a)는 올림 전기자(11,35)가 올림 자극(10,33)에서 분리되는 시점 전후의 0.05초 사이의 올림 코일 전류이고, 그림 (b)는 이에 대한 웨이블릿 변환 계수를 보여주고 있다. 올림 코일 전류 파형의 점선(91)은 올림 전기자(11,35)가 성공적으로 분리되는 경우의 것이고 올림 코일 전류 파형의 실선(92)은 올림 전기자(11,35)가 올림 자극(10, 33)에서 분리되지 못하는 경우의 것이다. 웨이블릿 변환 결과인 웨이블릿 변환 계수를 보면, 올림 전기자(11,35)가 정상적으로 분리되는 경우의 점선(94)은 크게 진동하여 임계치를 넘고 있고 비정상적으로 분리가 일어나지 못하는 경우의 실선(95)은 진동이 적은 것을 알 수 있다. 그리고 웨이블릿 변환 계수의 크기가 가장 큰 시점(93)이 바로 올림 전기자(11,35)가 올림 자극(10,33)에서 분리되는 시점인 것을 알 수 있다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출방법은 파형의 국소적 왜곡 분석 능력과 잡음 제거 능력이 뛰어난 웨이블릿 변환을 이용함으로써, 기구 동작 발생 여부와 그 발생 시점을 비교적 간단한 식으로 정확하게 인식할 수 있으므로 제어봉구동장치의 비정상적 동작을 검출할 수 있다. 또한, 전자기적 힘에 의한 기구 동작은 코일 전류 파형 변화를 일으키므로 코일 전류 분석을 통해 기구의 정상적 동작 여부를 판단할 수 있다. 이에 따라, 제어봉 구동장치의 전기적ㆍ기계적 결함으로 생기는 일부 기구의 비정상적 동작을 신속하고 정확하게 검출하여 해당 제어봉이 원하는 위치에 도달하지 못하여 원자로 목표 열 출력을 얻지 못하는 상황을 미연에 방지할 수 있다.
Claims (5)
- 원자로 제어봉 구동장치에 채용되어 제어봉 구동장치에서 발생하는 각종 비정상 동작을 검출하기 위한 장치로서,상기 제어봉 구동장치의 각 코일에 병렬로 접속되며, 코일에 공급된 전압을 감지하는 전압감지기;상기 제어봉 구동장치의 각 코일에 직렬로 접속되며, 코일에 흐르는 전류를 감지하는 전류감지기;상기 전압감지기 및 전류감지기에 의해 각각 감지된 전압 및 전류신호를 입력받아 저주파 필터링을 하는 신호처리부;상기 신호처리부를 거친 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터;상기 아날로그-디지털 컨버터로부터 출력되는 디지털 데이터를 입력받아 웨이블릿 변환을 이용하여 제어봉 구동장치의 각 구성요소의 비정상 동작을 검출하는 한편 주제어부로부터의 제어봉 구동장치 동작관련 제어명령을 수신 받아서 제어봉 구동장치가 원하는 동작을 하도록 공급전력을 제어하고 주제어부에 데이터를 전송하는 CPU;상기 CPU의 메모리 맵을 구성하고 각 소자의 선택 신호를 생성하며 CPU에서 연산한 점호각을 출력하는 디지털 논리 구현부;상기 CPU에서 출력되는 디지털 신호를 입력받아 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 컨버터;상기 디지털 논리 구현부에 의해서 구별 선택되어 상기 CPU에서 필요로 하는 데이터나 CPU에서 생성된 데이터를 저장하는 메모리; 및상기 디지털 논리 구현부를 거쳐 상기 제어봉 구동장치에 전력을 변환하여 공급하는 전력변환부의 게이트 드라이브로 전송되는 게이트 구동 신호를 일정 시간 간격으로 카운팅하는 타이머 카운터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출장치.
- 제1항에 있어서,상기 전압감지기는 변압기(PT)이고, 상기 전류감지기는 변류기(CT)인 것을 특징으로 하는 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출장치.
- a) 구동장치의 각 전기자의 자극 부착 예상 시점 전후로 코일 전류 데이터를 얻는 단계;b) 상기 전기자의 자극 부착 예상 시점 근처의 코일 전류 데이터를 웨이블릿 변환하는 단계;c) 상기 웨이블릿 변환 결과 진동이 발생하였는지를 판별하는 단계;d) 상기 판별에서 진동이 발생하지 않았으면, 전기자의 자극이 부착되지 않 았다고 판단하고 저장된 코일 전류 데이터를 삭제하는 동시에 고장 발생을 알리는 단계;e) 상기 판별에서 진동이 발생하였으면, 전기자의 자극이 성공적으로 부착되었다고 판단하고 저장된 코일 전류 데이터를 삭제하는 단계;f) 상기 각 전기자와 자극 분리 예상 시점 전후로 코일 전류 데이터를 얻는 단계;g) 상기 전기자와 자극 분리 예상 시점 근처의 코일 전류 데이터를 웨이블릿 변환하는 단계;h) 상기 웨이블릿 변환 결과 진동이 발생하였는지를 판별하는 단계;i) 상기 판별에서 진동이 발생하지 않았으면, 전기자와 자극이 분리되지 않았다고 판단하고 저장된 코일 전류 데이터를 삭제하는 동시에 고장 발생을 알리는 단계; 및j) 상기 판별에서 진동이 발생하였으면, 전기자와 자극이 성공적으로 분리되었다고 판단하고 저장된 코일 전류 데이터를 삭제하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출방법.
- 제3항에 있어서,상기 단계 a)에서 0.56 msec씩 샘플링된 코일 전류 데이터 90개를 저장하여 전기자의 자극 부착 예상 시점 전후로 0.05초 동안의 코일 전류 데이터를 얻는 것 을 특징으로 하는 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출방법.
- 제3항에 있어서,상기 단계 f)에서 0.56 msec씩 샘플링된 코일 전류 데이터 90개를 저장하여 전기자의 자극 분리 예상 시점 전후로 0.05초 동안의 코일 전류 데이터를 얻는 것을 특징으로 하는 원자로 제어봉 구동장치의 비정상 동작 검출방법.
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