KR100982774B1 - 원자력발전소 제어계통 성능검증 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가동중인 원자력발전소(원전)에서 출력상승시험의 수행없이 제어계통 하드웨어의 동적 성능을 검증하는 기술로서, 제어계통의 로직 및 그 설정치 변경이나 하드웨어 교체 등으로 제어계통의 성능을 검증할 필요가 있을 때 발전소의 시운전 기간에나 수행되며 막대한 비용이 드는 출력상승시험을 다시 수행하지 않고 제어계통의 동적 성능을 검증하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명에서는 원전의 과도상태 모사가 가능한 설계 전산코드를 제어계통 하드웨어에 직접 연결하여 온라인 상태에서 설계 전산코드의 제어계통 모델 대신에 제어계통 하드웨어를 직접 이용하여 원전의 과도상태 또는 출력상승시험에서 수행하는 시험들을 모사한다.

Description

원자력발전소 제어계통 성능검증 장치 및 방법{Performance validation apparatus and method for control systems of nuclear power plant}

본 발명은 가동중인 원자력발전소에서 제어계통의 로직을 변경하거나 노후화된 하드웨어를 변경하고자 제어계통 성능을 검증할 필요가 있을 때, 또는 신규 건설 원전에서 출력상승시험 수행 이전에 제어계통 성능검증을 미리 수행하고자 할 때, 출력상승시험을 수행하지 않고도 발전소 과도 상태와 같은 동적인 변화에 대한 제어계통의 성능검증을 수행할 수 있는 검증 장치 및 방법에 관한 것이다.

원자력발전소는 많은 제어계통과 제어기기를 갖고 있으며 이들의 도움으로 정상상태나 과도상태에서 안전하고 효율적인 상태로 운전된다. 이들 제어계통이나 제어기기의 성능은 시운전 기간의 출력상승시험을 통해 확인되고 검증된 다음 상업운전에 들어가게 된다.

종래에 신규로 건설되는 원자력발전소의 경우에, 다음에 열거하는 세 가지 방법을 순차적으로 사용하여 발전소 제어계통의 성능을 검증하여 왔다. (1) 오프라인 상태에서 설계 전산코드를 이용하여 원자력발전소에서 발생할 수 있는 과도상태들을 분석하여 제어계통에 설치되는 제어로직 및 그 설정치들이 적절히 발전소 과 도상태를 완화시킬 수 있는지 검증하는 작업을 수행, (2) 제작된 하드웨어에 제어로직과 그 설정치를 설치하여 현장적응성 시험(Field Acceptance Test, FAT) 및 운전전 시험(Pre-operational Test) 등의 정적 성능 시험을 수행하여 제작 중에 발생한 소프트웨어 오류들을 걸러냄, (3) 시운전 기간 동안 수행되는 출력상승시험을 통하여 실제 과도상태를 유발시켜 제어계통이 설계된 대로 적절히 동작하여 발전소를 안정화시키는지 확인하는 동적 성능검증 수행.

설계 전산코드를 이용한 오프라인 설계검증의 경우에, 설계 전산코드는 특정 하드웨어와는 무관하게 제어계통을 모델링하기 때문에 하드웨어에 대한 특성이 반영되지 않으므로 제어로직 및 그 설정치 자체에 대해서만 검증이 가능하며 제어계통 하드웨어가 변경되는 경우나 제어계통 소프트웨어 작성시에 발생할 수 있는 인적 오류에 대해서는 검증이 불가능하다.

이를 보완하기 위해 하드웨어 제작 후 정적 성능시험을 수행하게 되는데 정적 성능시험은 제어계통에 입력을 제공했을 때 나오는 제어계통 결과값을 미리 예측해 놓고 실제 모의신호를 입력신호로 제공했을 때 예상한 값이 나오는지를 수작업을 통해 확인하는 방법이므로 발전소 과도상태와 같은 동적 변화에 대한 제어계통의 응답특성을 평가할 수 없다는 단점이 있다.

따라서 정적 성능시험만 수행해서는 하드웨어 제작이나 소프트웨어 작성시에 발생한 오류들을 모두 검출한다는 것은 불가능하다. 그래도 신규 원전의 경우라면 상업운전에 들어가기 전에 출력상승시험을 통해 제어계통의 동적 성능을 최종 점검하게 되므로 설계 전산코드를 통한 설계검증과 정적 성능시험의 보완이 가능하다. 그런데 상업운전 도중에 제어로직이나 그 설정치 또는 제어계통 하드웨어가 바뀌어야 할 경우, 상기와 같은 검증과정을 통해 확인되고 검증된 제어계통의 성능이 변할 수 있다. 이 경우 바뀌는 제어로직이나 제어계통 하드웨어에 대한 객관적 검증을 수행하여 변경하고자 하는 제어로직이나 교체되는 하드웨어가 상업운전 중에 과도상태를 유발하지 않을 것이라는 확신이 생겨야만 관련 설계변경이 가능할 것이다.

상업운전중인 원자력발전소에서 제어계통 하드웨어를 교체하거나 제어로직을 변경하는 경우, 제어계통의 성능을 가장 확실하게 검증하는 방법은 새로 건설되는 원자력발전소에서 사용하는 방법과 동일한 절차대로 성능검증을 수행하는 것이다. 첫째, 시운전시와 동일한 응답특성을 갖도록 조정되고 최적화되어 있는 설계 전산코드 내부에 변경하고자 하는 제어로직이나 설정치를 대입하고 발전소 과도상태들을 모사하여 오류 및 결함여부를 확인한다. 하드웨어를 교체하는 경우에는 설계 전산코드에 의한 검증 다음에 하드웨어 제작자에 의한 현장적응성 시험(Field Acceptance Test, FAT) 및 운전전 시험(Pre-operational Test) 등의 정적 성능 시험을 수행한다. 둘째, 출력상승시험을 수행하여 동적 성능을 검증한다. 하지만 두번째로 언급된 출력상승시험을 통한 동적 성능시험의 경우, 출력상승시험을 위해 소요되는 인력 및 시험에 따른 전기출력 감소로 인한 경제적 손실, 과도상태로 인한 발전소 기기들의 영향 등을 고려한다면 출력을 변화시켜 가면서 시험을 수행한다는 것이 사실상 불가능할 것으로 판단된다. 이와 같이 가동중인 원전의 경우 신규로 건설되는 원전과는 달리 제어계통의 동적 성능검증이 사실상 불가능하므로 제 어계통의 하드웨어가 노후화되어 고장 위험이 높더라도 선뜻 제어계통 교체 결정을 하지 못하고 있는 상황이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 가동중인 원전에서 제어계통의 로직이나 하드웨어 변경시, 출력상승시험을 수행하지 않고 출력상승시험 모사를 통해 제어계통의 동적 성능을 검증할 수 있는 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 검증대상 제어계통 하드웨어와 온라인으로 연결된 상태에서 이 제어계통의 동적성능을 검증할 수 있는 장치를 개발하였다. 이 장치는 기존의 원자력발전소 설계 전산코드에 부가적으로, 검증대상 제어계통 하드웨어의 동작에 필요한 입력신호를 제공하고 제어계통 하드웨어에서 출력되는 신호를 받아서 설계 전산코드에 제공하는 기능 및 외부의 검증대상 제어계통 하드웨어와의 인터페이스 수단, 그래픽유저인터페이스(GUI)가 포함된다.

본 발명은 종래에 출력상승시험 수행을 통해서만 동적 성능검증이 되었던 것을 개선한 형태이다. 즉, 발전소 과도상태 모사가 가능한 원자력발전소 설계 전산코드를 오프라인에서 사용하는 것이 아니라 검증대상 제어계통 하드웨어와 직접 연결하여, 온라인 상태로 제어계통 하드웨어를 사용하여 발전소의 과도상태를 모사하는 방법이다.

본 발명을 통하여, 가동중인 원전에서 제어계통의 로직이나 하드웨어 변경시 결정권자의 제어계통 성능에 대한 부담을 덜어주어 관련 설계변경이 용이해질 것으로 기대된다. 본 발명에서는 발전소 과도상태 모사가 가능한 설계 전산코드를 제어계통 하드웨어와 직접 연결하여 온라인 상태로 제어계통 하드웨어를 직접 이용해서 원자력발전소의 과도상태들을 모사하는 방법을 사용함으로써 원자력발전소 제어계통의 로직이나 하드웨어 변경시, 출력상승시험시의 검증 수준으로 제어계통 검증을 수행할 수 있다. 이로 인해 종래의 방법으로는 수행할 수 없었던 프로그래밍시의 인적 오류나 하드웨어 특성 차이로 인한 제어계통의 결함 검출, 발전소 과도 상태 같은 동적인 변화에 대한 제어계통의 동적 성능검증을 수행할 수가 있다. 무엇보다도 출력상승시험을 별도로 수행할 수 없는, 가동 중인 원전에서 출력상승시험을 별도로 수행하지 않고 이러한 제어계통 검증이 가능해진다는 것이 중요한 효과이다. 또한 신규 건설 원전에서도 출력상승시험 수행 이전에 제어계통 성능검증을 미리 수행해 봄으로써 설치될 제어계통의 오류를 미리 확인하여 출력상승시험을 용이하게 수행할 수 있게 되는 효과도 있다.

본 발명에 따른 원자력발전소 제어계통 성능검증 장치의 구성은 대체적으로, 도 1에서 보는 것처럼 기존의 원자력발전소 설계 전산코드로부터 검증대상 제어계통에 관련된 입력과 출력을 제어하기 위한 인터페이스 프로그램(미도시)을 부가하고, 원자력발전소 설계 전산코드로부터 출력되는 신호를 신호인터페이스 장치(30) 를 통해 검증대상 제어계통 하드웨어(20)에 입력하고 검증대상 제어계통 하드웨어(20)로부터 출력되는 신호를 신호인터페이스 장치(30)를 통해 원자력발전소 설계 전산코드로 입력시킨다. 상기 원자력발전소 설계 전산코드와 인터페이스 프로그램은 컴퓨터 내에 설치하여 사용가능하다. 도 1에서 '10'으로 표시된 부분이 본 발명에 따른 성능검증 장치가 된다. 도 1에서는 도시되어 있지 않지만, 인터페이스 프로그램의 세부 구성은 도 3에서 나타내었다.

원자력발전소 설계 전산코드라 함은 기존의 원자력발전소 모델프로그램(110)과 제어계통 로직 모델 프로그램(120)을 합쳐서 일컫는 용어로서, 기존에 공지되어 있는 프로그램이다.

인터페이스 프로그램의 제어에 의해서 원자력발전소를 대신하여 모사한 신호를 검증대상 제어계통 하드웨어에 제공하고, 상기 제어계통 하드웨어의 출력신호를 설계 전산코드에 의한 원자력발전소 모사에 다시 반영함으로써 원자력발전소의 출력상승시험을 모사할 수 있게 된다. 제어로직이나 설정치 변경 전과 후 또는 신규 제어계통 하드웨어 설치 전과 후에 각각 발전소 과도상태들을 모사한 다음 그 결과를 비교하여 변경된 제어로직이나 제어 설정치가 기검증된 발전소 제어계통에 미치는 영향을 평가하거나 신규로 교체되는 제어계통 하드웨어의 성능을 기존 하드웨어와 비교할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 원자력발전소 제어계통 성능검증 방법의 개략적인 설명을 위한 흐름도이다. 전체적으로, 인터페이스 프로그램의 콘트롤에 의해서 이루어진다. 도 1과 함께 도 2에 대해서 설명한다.

먼저, 원자력발전소 설계 전산코드로부터 공정변수값(111)을 출력한다(S100). 그리고 디지털인 공정변수값(111)을 아날로그 공정변수 신호(111')로 변환한다(S200). 이는 신호인터페이스장치(30)에 의해 이루어진다. 다음에, 이 아날로그 공정변수 신호(111')를 검증대상 제어계통 하드웨어(20)로 전송한다(S300). 한편, 검증대상 제어계통 하드웨어(20)에서는 아날로그 공정변수 신호(111')를 입력받아서 소정의 동작을 수행하고 그 출력신호(112')를 신호인터페이스 장치(30)로 보내고, 신호인터페이스 장치(30)에서는 이 아날로그 출력신호(112')를 디지털로 변환한다(S400). 그리고 변환된 디지털 신호를 실제 단위 값(112)으로 변환하여 원자력발전소 설계 전산코드의 해당 변수에 입력시킨다(S500).

반복설명하지만, 도 1에서 '10'은 원자력발전소 모델 프로그램(110) 및 제어계통 로직 모델 프로그램(120)을 통칭하는 설계 전산코드에 외부와 인터페이스 할 수 있는 별도의 프로그램(미도시) 및 그래픽유저인터페이스(GUI)를 부가하여 개발한 프로그램으로서(이하, 본 명세서 및 도면에서는 이 프로그램의 상표명인 Win-NPA를 혼용해서 사용함), 실제 원자력발전소를 대신하여 모사한 신호를 검증대상 제어계통 하드웨어(20)에 제공하게 된다. 여기에서 원자력발전소 설계 전산코드는 원자력발전소를 모사하기 위한 원자로 노심 모델, 열수력 모델, 제어 알고리즘 모델, 구성기기 모델(펌프, 밸브 등) 등을 가지고 있으며 원자력발전소 설계시에 사용되고 있는 것이다.

본 발명에 따른 인터페이스 프로그램은 도 3에 나타낸 것과 같이 구성되어 다음과 같은 기능을 수행한다.

설계 전산코드 제어부(123)는 원자력발전소 설계 전산코드를 제어하는 것으로서, 공정변수값 출력제어부(123-1)와 검증대상 제어계통 하드웨어 출력신호 입력제어부(123-2)를 포함한다. 설계 전산코드에서 계산되어 모사되는 공정변수(압력, 유량, 온도, 수위 등)들은 실제 단위로 계산되는데, 공정변수값 출력제어부(123-1)는 이 변수값을 출력하도록 설계 전산코드를 제어한다. 그리고 검증대상 제어계통 하드웨어 출력신호 입력제어부(123-2)는 검증대상 제어계통 하드웨어(20)로부터 오는 아날로그 신호(0~10Vdc 또는 4~20mA)를 신호인터페이스 장치(30)를 통하여 디지털값으로 입력 받아서 이를 실제 단위 값으로 변환하여 모델 프로그램(110)의 해당 변수에 입력하는 기능을 수행한다.

신호인터페이스 제어부(124)는 신호인터페이스 장치(30)로 하여금 A/D 또는 D/A 변환을 수행하도록 지시하는 변환지시부(124-1)와, 실제 단위의 공정변수값을 검증대상 제어계통 하드웨어(20)의 실제 신호값으로 변환하기 위한 변환부(124-2)와, 제어계통 하드웨어의 실제 신호값을 원자력발전소 모델 프로그램(110)의 공정신호의 실제단위값으로 변환하기 위한 변환부(124-3)로 구성된다.

또한, 도 3의 인터페이스 프로그램은 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)(125)를 가지고 있으며 이를 이용하여 원자력발전소 설계 전산코드에 모델링 되어있는 구성기기들(펌프, 밸브 전열기 등)을 조작하는 기능을 수행한다(예를 들면 밸브의 열림을 수동으로 조절하는 것 등).

한편, 도 1에서 신호인터페이스 장치(30)는 아날로그/디지털 및 디지털/아날로그 변환기(ADC & DAC)를 포함하고 있는 인터페이스 장치로서, Win-NPA(10)로부터 의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 검증대상인 제어계통 하드웨어(20)에 제공하고, 또한 제어계통 하드웨어로(20)부터의 아날로그 출력 신호를 디지털 신호로 변환하여 Win-NPA(10)에 제공하는 기능을 수행한다. 여기에서 아날로그 신호는 0~10 Vdc 또는 4~20mA의 표준신호이다.

또한 도 1에서 '20'은 본 발명에서 개발된 성능검증 방법 및 장치를 이용하여 검증되는 대상인 제어계통 하드웨어를 나타내고 있다. 본래는 실제 원자력발전소로부터 공정신호(압력, 유량, 온도, 수위 등)를 입력 받아서 원자력발전소의 해당 시스템을 제어하는 출력을 원자력발전소에 제공하게 된다. 하지만 성능검증시에는 도 1에서 나타낸 바와 같이 원자력발전소 대신에 성능검증 장치(원자력발전소 설계 전산코드)로부터 신호를 입력받고, 해당 제어계통을 제어하는 아날로그 출력을 Win-NPA(10)에 제공한다. 여기에서 입출력 아날로그 신호는 마찬가지로 0~10 Vdc 또는 4~20mA의 표준신호이다.

한편, 도 7은 제어계통 성능검증장치 Win-NPA(10)로의 입력을, 제어계통에 연결되어 제어되는 제어기기(밸브, 펌프 등)(40)의 작동 결과 신호를 받아서 사용함으로써 제어기기(40)가 요구신호에 따라 제대로 동작하는지를 포함해서 성능검증을 수행하는 실시예를 나타낸다. 즉, 설계 전산코드로의 입력을, 검증대상 제어계통 하드웨어에 연결되어 제어되는 제어기기의 작동 결과 신호를 받아서 사용함으로써 제어기기가 요구신호에 따라 제대로 동작하는지를 검증한다.

도 4에서 도 6 까지는 본 발명에 따른 제어계통 성능검증 방법 및 장치를 사용하여 주급수 제어계통(증기발생기 수위제어를 목적으로 함)에 대한 성능검증시험 을 수행한 결과(증기발생기 수위 추이)를 나타내고 있다. 도 4는 부하상실 사건시의 성능검증시험 결과를, 도 5는 주급수펌프 한 대 상실사건 시의 성능검증시험 결과를, 그리고 도 6은 원자로 정지사건시의 성능검증시험 결과를 각각 나타내고 있다. 각각의 도면에서 (a)는 설계 전산코드 내부의 제어로직을 사용해서 모사한 기준 결과와 그리고 설계 전산코드 내부의 제어로직을 우회시키고 제어계통 하드웨어를 연결해서 모사한 결과를 비교해서 보여주고 있고, (b)는 기존 제어계통 하드웨어를 사용한 결과와 신규 제어계통 하드웨어를 사용한 결과를 비교해서 보여주고 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다. 또한, 본 발명에 포함되는 설계 전산코드 및 제어계통 모델 프로그램은 컴퓨터프로그램의 형태로서 구현될 수 있다. 이 경우에 본 발명의 권리범위는 컴퓨터 프로그램을 저장하고 있는 컴퓨터 기록매체에도 미치게 된다.

도 1: 본 발명에 따른 제어계통 성능검증장치의 시스템 구성도

도 2: 본 발명에 따른 제어계통 성능검증방법의 프로세스 흐름도

도 3: 도 1의 인터페이스 프로그램의 기능적 구성도

도 4: 부하상실 사건시의 성능검증시험 결과

도 5: 주급수펌프 한 대 상실사건시의 성능검증시험 결과

도 6: 원자로 정지사건시의 성능검증시험 결과

도 7: 제어기기를 포함하는 성능검증장치의 실시예 구성도

Claims (6)

1. 원자력발전소의 제어계통 하드웨어의 성능을 검증하는 장치로서,

   원자력발전소 설계 전산코드로부터 출력되는 디지털 공정변수값을 검증대상 제어계통 하드웨어에 제공하도록 제어하고, 상기 검증대상 제어계통 하드웨어로부터 출력되는 신호를 상기 원자력발전소 설계 전산코드에 제공하도록 제어하는 인터페이스 프로그램 제어장치; 및

   상기 인터페이스 프로그램 제어장치로부터 출력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 검증대상 제어계통 하드웨어에 제공하고, 상기 검증대상 제어계통 하드웨어로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 인터페이스 프로그램 제어장치로 제공하는 신호 인터페이스장치를 포함하고,

   상기 원자력발전소 설계 전산코드로부터 출력되는 디지털 공정변수값은 원자력 발전소를 대신하여 모사한 성능 검증을 위한 신호에 해당하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 제어계통 성능검증 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 인터페이스 프로그램 제어장치는

   상기 원자력 발전소 설계 전산코드에서 계산되어 모사되는 공정변수값을 출력하도록 제어하는 공정변수값 출력제어부와, 상기 검증대상 제어계통 하드웨어로부터 제공되는 신호를 실제 단위 값으로 변환하여 상기 원자력 발전소 설계 전산코드의 해당 변수에 입력하는 기능을 수행하는 입력제어부를 포함하는 설계 전산코드 제어부,

   상기 신호인터페이스 장치의 A/D 또는 D/A 변환을 수행하도록 지시하는 변환지시부와, 실제 단위의 공정변수 값을 상기 검증대상 제어계통 하드웨어의 실제신호 값으로 변환하기 위한 공정변수값 변환부와, 상기 제어계통 하드웨어의 실제신호 값을 상기 원자력발전소 설계 전산코드의 공정신호의 실제단위 값으로 변환하기 위한 실제신호값 변환부로 구성되는 신호인터페이스 제어부,

   상기 원자력발전소 설계 전산코드에 모델링 되어있는 구성기기들을 조작하는 기능을 수행하는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 포함하는, 원자력발전소 제어계통 성능검증 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 인터페이스 프로그램 제어장치는

   상기 검증대상 제어계통 하드웨어에 연결되어 제어되는 제어기기의 작동 결과 신호를 상기 신호 인터페이스장치를 통해 수신하고, 상기 수신된 작동 결과신호를 상기 원자력발전소 설계 전산코드에 제공하도록 하여, 상기 제어기기가 요구신호에 따라 동작하는지를 검증하는 것을 특징으로 하는, 원자력발전소 제어계통 성능검증 장치.
5. 원자력발전소의 제어계통 하드웨어의 성능을 검증하는 방법으로서,

   인터페이스 프로그램 제어장치가 원자력발전소 설계 전산코드로부터 디지털 공정변수값을 출력하는 단계,

   신호 인터페이스장치가 상기 출력된 디지털 공정변수값을 아날로그 공정변수 신호로 변환하는 단계,

   상기 신호 인터페이스장치가 상기 변환된 아날로그 공정변수 신호를 검증대상 제어계통 하드웨어로 전송하는 단계,

   상기 검증대상 제어계통 하드웨어에서 상기 아날로그 공정변수 신호를 입력받아서 소정의 동작을 수행하고 아날로그 출력신호를 출력하면, 상기 신호 인터페이스장치가 상기 아날로그 출력신호를 디지털 신호로 변환하는 단계, 및

   상기 인터페이스 프로그램 제어장치가 상기 변환된 디지털 신호를 실제 단위 값으로 변환하여 상기 원자력발전소 설계 전산코드의 해당 변수에 입력시키는 단계를 포함하여,

   상기 원자력발전소 설계 전산코드로부터 출력되는 디지털 공정변수값은 원자력발전소를 대신하여 모사한 성능 검증을 위한 신호에 해당하는 것을 특징으로 하는, 원자력발전소 제어계통 성능검증 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 검증대상 제어계통 하드웨어에 연결되어 제어되는 제어기기의 작동 결과 신호를 상기 신호 인터페이스장치를 통해 수신하고, 상기 수신된 작동 결과신호를 상기 원자력발전소 설계 전산코드에 제공하도록 하여, 상기 제어기기가 요구 신호에 따라 동작하는지를 검증하는 것을 특징으로 하는, 원자력발전소 제어계통 성능검증 방법.

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