KR20030020536A - 지진감시 및 분석 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 지진파 신호 계측을 위한 3축 지진가속도계, 지진스위치 및 지진트리거로 구성된 지진감지 센서부; 지진감지 센서부와 테이터취득모듈 및 지진센서 시험모듈과의 신호연계와 센서 시험기능을 제공하는 센서 인터페이스 부; 아나로그 형태의 지진동 신호를 디지털로 변환한 후 지진파의 검출, 취득, 저장 및 운전기준 지진 초과 판정을 위한 지진파 분석알고리즘을 실행하고 지진센서와 지진감시시스템의 자동시험을 위한 독립 모듈기반의 데이터 프로세싱 유닛; 데이터 프로세싱 유닛으로부터 지진파 데이터, 분석정보 및 배경신호 데이터를 넘겨받아 자동 및 수동으로 취득 신호의 가속도, 속도, 변위, 댐핑별 응답스펙트럼 계산 및 설계응답스펙트럼 비교 등의 상세 분석을 실행하고 분석과정 및 그 결과를 객관적으로 이해하기 쉬운 그래픽으로 화면 표시하고 지진에 대한 각종 필요정보를 제공하며, 분석데이터의 데이터베이스 저장 및 보고서 형식 출력 기능을 제공하는 분석컴퓨터; 이중화된 정원구조와 비상용 무정전 전원공급장치를 포함한 전원공급부; 지진스위치, 지진트리거 동작 경보 및 감시시스템 정상동작 및 고장정보를 표시해주는 경보패널; 지진트리거 동작에 따라 3축 가속도계 신호를 연속 저장하는 디지털식 테이프 레코더로 구성되어, 고도의 시스템 동작신뢰성이 요구되는 원자력발전소와 같은 특수구조물 및 설비의 지진에 의한 거동 감시 및 영향 평가를 위한 구성모듈 상호간의 독립성이 유지되는 VME 모듈 기반의 지진감시 및 분석 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 원자력발전소와 같이 높은 내진성이 요구되는 특수 구조물의 지진영향평가를 위해 적용되는 지진 감시 및 분석시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지진에 반응하는 지반 및 구조물의 거동특성을 가속도 단위로 연속 계측하여 수평방향 2성분(남북방향, 동서방향)과 연직방향 1성분 등 3축 가속도 신호크기가 설정값을 초과하는 경우 지진파 신호를 취득, 실시간 지진응답 특성 분석 및 구조물 설계 응답 스펙트럼 비교를 통해 발전소 운전계속여부를 평가하도록 하는 VME 모듈형식의 독립모듈 기반 지진 감시 및 분석시스템에 관한 것이다.
원자력발전소 구조물은 매우 보수적인 내진설계 요건에 따라 설치되어 있어 구조물의 지진 거동특성을 연속 감시하기 위한 지진감시시스템도 높은 내진성과 시스템 동작신뢰성이 보증되어야 한다.
현재까지 국내에서 개발된 지진감시 시스템 기술은 산업용컴퓨터(PC) 기반의 지진감시시스템(특허출원번호:10-1998-053236)과 단일 지진센서 감시에 적합한 네트워크를 기반으로한 지진감시시스템(특허출원번호: 10-2000-0017710)등이 있다.
PC 기반의 지진감시시스템은 한 대의 산업용컴퓨터(PC)가 전체 지진센서를 감시하기 위한 구조로 PC 내부에 설치된 1장의 데이터취득보드가 3~4개의 지진센서를 감당하고 있으며, 센서당 1개의 가속도신호값 표시와 센서 시험기능 제공을 위한 별도의 프로그래머블로직 컨트롤러(PLC)를 채용하고 있다.
산업용컴퓨터 기반의 지진감시시스템의 경우 하나의 컴퓨터, 하나의 데이터취득보드가 전체 지진센서의 지진신호 검출, 신호취득, 분석 및 데이터 저장 등을실행하는 구조로 되어 있어 Windows 운영체제, 기타 운영프로그램 또는 컴퓨터 단일 고장에 의해 전체 지진감시채널에 대한 연속감시가 불가능해 질 수 있으며, 또한 발전소 지진감시시스템 운영요건에 명시된 주기적 시스템 성능시험 또는 어느 한 감시 채널정비를 위해서 모든 감시 기증이 정지되는 등 물리적 채널 독립성이 확보되지 않아 시스템 동작신뢰성이 매우 낮으며, 지진신호 데이터가 고속으로 회전하는 하드디스크에 저장된 후에 지진응답특성 분석이 수행되는 구조로 되어있어 지진발생시 하드디스크가 손상되는 경우 지진파 신호의 취득 및 지진응답특성 분석이 불가능할 위험성을 내포하고 있다.
네트워크 기반의 지진감시시스템이 경우 단일 지진센서의 연속감시에 적합한 구조로 센서 근처에 설치된 지진신호 감지장치, 수신장치를 통해 1개 가속도센서의 지진신호 검출, 분석을 수행하는 구조로 원자력발전소와 같은 특수 구조물의 통합감시에는 부적합한 구조이며, 적은 규모의 미소지진에 의한 불필요한 원자력발전소 운전정지 및 영향평가를 방지하기 위해 적용되는 절대누적속도(CAV) 등의 알고리즘이 적용되지 않았으며, 각 지진센서마다 감지장치 및 수신장치 필요로 과도한 설치 및 정비비용이 수반되는 구조로서 엄격한 설비 설치 및 운영요건이 요구되는 원자력발전소의 지진감시시스템으로는 적합하지 않다.
지진발생에 따른 원자력 구조물 손상평가 및 재가동 여부 결정을 위해서는 신뢰성 있는 지진파 신호의 취득 및 정확한 분석이 요구되며, 이를 위해서는 지진파 신호의 연속 감시가 가능한 매우 높은 동작신뢰성 및 정비 유연성을 갖춘 지진감시시스템이 필수적이나, 상기한 바와 같이 현재의 국내 지진감시시스템 기술은설계 및 운영 측면에서 많은 구조적 취약성을 갖고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 제반 결점을 해소하기 위하여 창출한 것으로서, 본 발명은 감시하고자하는 지반 및 구조물에 설치된 지진센서의 3축 가속도신호를 실시간으로 감시하여, 지진발생에 따른 지진파의 존재를 검출 알고리즘을 통해 확인한 후 지진발생 전후의 지진파 데이터를 디지털 형식으로 취득하고, 실시간으로 운전기준지진(Operating Based Earthquake : OBE) 판단을 위한 지진응답스펙트럼 및 누적절대속도 계산을 수행한 후 설정된 경보조건 만족 시 운전정지 또는 구조물 건전성 평가를 위한 경보를 발생시키며, 지진데이터의 상세 분석장치를 이용하여 취득된 지진파의 시간이력분석, 주파수 특성 분석 및 설계 응답스펙트럼 비교분석 등을 수행하고 그 결과를 직관적으로 이해하기 쉬운 그래픽 형태의 화면 출력 및 데이터 베이스로 저장이 가능하며, 주기적으로 지진센서 기능시험 및 지진감시시스템의 지진파 검출능력 및 분석의 정확성을 확인할 수 있는 시스템 검증시험기능을 포함한 실시간 지진감시 및 분석 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 지진파 신호 계측을 위한 3축 지진가속도계, 지진스위치 및 지진트리거로 구성된 지진감지 센서부; 지진감지 센서부와 데이터 취득모듈 및 지진센서 시험모듈과의 신호연계를 위한 센서 인터페이스 부; 아나로그 형태의 지진동 신호를 디지털로 변환한 수 지진파의 검출, 취득, 저장 및 운전기준지진 초과 판정을 위한 지진파 분석알고리즘을 실행하고 지진센서와 지진감시시스템의 자동시험을 위한 독립 모듈기반의 데이터 프로세싱 유닛(DataProcessing Unit: DPU); 데이터 프로세싱 유닛으로부터 지진파 데이터, 분석정보 및 배경신호(Background Signals) 데이터를 넘겨받아 자동 및 수동으로 취득 신호의 가속도, 속도, 변위, 댐핑별 응답스펙트럼 계산 및 설계응답스펙트럼 비교 등의 상세 분석을 실행하고 분석과정 및 그 결과를 직관적으로 이해하기 쉬운 그래픽으로 화면 표시하고 지진에 대한 각종 필요정보를 제공하며, 분석데이터의 데이터베이스 저장 및 보고서 형식 출력 기능을 제공하는 분석컴퓨터 부, 이중화된 전원구조와 비상용 무정전전원공급장치를 포함한 전원공급 부; 지진스위치, 지진트리거 동작 경보 및 감시시스템 정상동작 및 고장정보를 램프 점등으로 표시해주는 경보패널; 지진 트리거 동작에 따라 3축 가속도계 신호를 연속 저장하는 디지털식 테이프 레코더로 구성된 것을 특징으로 한다.
도 1은 선행 기술에 의한 지진 감지 시스템을 나타난 도면.
도 2는 단일 지진센서 감시에 적합한 네트워크를 기반으로한 종래의 지진 감지 시스템을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 의한 VME 모듈 기반의 지진감시 및 분석 시스템 구성도
도 4 는 본 발명에 의한 분석컴퓨터의 맨 머신 인터페이스(MMI) 소프트웨어 구조도
도 5는 본 발명에 따른 운전기준지진(OBE) 초과판정 과정을 도시한 플로우차트
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 지진 감지 센서부20 : 센서 인터페이스장치
30 : 데이터 프로세싱 유닛40 : 분석컴퓨터부
50 : 전원공급장치부60 : 경보 패널
70 : 디지털식 마그네틱 테이프 레코더
이하, 예시된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 3 은 본 발명에 의한 VME 모듈 기반의 지진감시 및 분석 시스템 구성도를나타낸 도면이다.
동 도면에서, 지진감지 센서부(10)는 자유지반(Free Field) 및 구조물에 설치되어 지진동 신호의 실시간 계측을 위한 최대 8개의 3축 지진가속도계와; 운전기준지진(Operating Based Earthquake : OBE)과 안전정지지진(Safety Shutdown Earthquake : SSE) 설정값 이상의 지지파 가속도 진폭에만 반응하는 8개의 지진스위치와; 특정 주파수 범위의 지진 가속도 진폭의 설정치 이상에 반응하여 다중의 지진파 취득 명령을 위한 별도의 동작접점을 제공하는 2개의 지진트리거를 포함한다.
센서 인터페이스부(20)는 3축 가속도계의 출력신호를 필터링하여 데이터 취득모듈의 입력신호로 제공하고 동작전원 및 가속도계 제어신호를 연계할 수 있으며, 센서 성능시험을 위한 관련 접점을 순차적으로 제공하고 센서 출력신호 측정 및 디지털 마그네틱테이프 레코더에 입출력 신호를 제공하는 가속도계 인터페이스 모듈과; 지진스위치의 3축 방향 설정 값 초과에 따른 접점신호를 받아 디지털 입력모듈의 입력신호로 제공하고, 지진스위치 건전성 시험기능을 연계해주는 지진스위치 인터페이스 모듈과 ; 지진트리거의 3축 방향 설정값 초과에 따른 접점신호를 받아 디지털 입력모듈의 입력신호로 제공하고 지진 트리거 건전성 시험기능을 연계해주는 지진 트리거 인터페이스 모듈을 포함한다.
데이터 프로세싱 유닛(Data Processing Unit)(30)은 동작신뢰성과 정비유연성이 확보된 VMEbus 모듈과 같은 상호 독립기능을 유지할 수 있는 모듈방식으로 구성되어 주제어모듈을 포함한 모듈 고장의 경우에도 설계기능이 유지되는 내고장(Fault-Tolerant) 기술이 적용된 것으로, 지진감시시스템을 제어하여 지진파 신호의 검출, 취득, 인터럽트 처리 및 경보방생이 가능토록 하는 주제어모듈(Main Control Module : MCM)과; 가속도계 인터페이스모듈로부터의 지진동신호를 실시간 감시하여 지진파의 존재를 검출하고, 지진발생 전후의 지진파 데이터를 취득하여 저장한 후 주제어모듈로 전송하며, 신호검출 알고리즘과 운전기준 지진 초과 분석을 위한 누적절대속도, 지진응답스펙트럼 계산을 실행하는 데이터취득모듈(Data Acquisition Module : DAM)들과; 지진 스위치 및 트리거 필드인터페이스 모듈로부터 신호입력을 받아, 지진스위치 및 트리거 동작시 디지털 출력모듈에 신호를 전달하며, 지진트리거 동작시 주제어모둘을 통해 전 감시채널에 대한 지진파 신호의 취득이 데이터취득모듈에 의해 이루어지도록 하는 디지털입력모듈(Dagital Input Module : DIM)과; 지진스위치 및 트리거 동작시 주제어실에 경보를 발생시키고 시스템의 경보 패널에 시스템 운영상태를 램프로 표시해주는 디지털 출력모듈(Digital Output Module : DOM)과; 취득되는 지진파 신호데이터 및 분석데이터와 설계 응답스펙트럼 데이터의 영구 저장공간을 제공한 플래시 메모리모듈(Flash Memory Module : FMM)과; 가속도 센서 및 필드인터페이스 모듈, 데이터취득모듈 등을 포함한 전체 지진감시시스템의 성능진단시험을 위한 다양한 형태의 기준신호를 출력해 주는 아나로그출력모듈(Analog Output Module : AOM)을 포함한다.
분석컴퓨터부(40)는 지진동신호의 화면표시와 사용자 인터페이스를 위한 각종 정보, 지진파 신호 분석결과를 그래픽으로 표시해주는 터치스크린 방식의 디스플레이장치와; LAN 통신을 통해 주제어모듈로부터 지진파신호, 배경신호를 입력받아 실시간 계측 가속도 값을 화면에 표시하며, 수동 및 자동의 누적절대속도, 가속도, 속도, 변위 및 댐핑별 지진응답스펙트럼 계산 및 설계 응답스펙트럼과의 비교 분석을 실행하기 위한 내진성능이 검증된 상업용 분석컴퓨터를 포함한다. 또한 분석컴퓨터는 시스템의 통신상태와 감시채널의 실시간 가속도 계측값과 최대값, 그리고 가속도계의 상태를 표시하는 메인화면과; 지진동신호의 배경잡음과 지진파 데이터를 화면에 표시해주는 데이터로그화면과; 지진감시시스템의 동작상태를 표시해주는 시스템 정보화면과; 시스템 운영파라메터 확인과 변경 기능을 제공하는 운영환경화면과; 기준신호를 이용한 지진감시시스템의 건전성 시험을 위한 시스템진단화면과; 지진가속도계 설치정보 및 경보발생 정보를 제공하는 운전정보화면 등으로 구성된다.
전원공급부(50)는 이중화된 전원구조로 데이터 프로세스유닛(30) 및 지진감지센서부의 전원공급을 위한 전원공급장치와 110Vac 주전원 단절시 자동 비상 전원을 30분간 전 지진감시 및 분석시스템에 공급하기 위한 무정전 전원공급장치를 포함한다.
경보패널부(60)는 운전기준지진(OBE) 스위치 동작 경보 지시기; 안전정지지진(SSE) 스위치 동작 경보 지시기; 지진트리거 동작 지시기; 지진감시시스템 정상동작 및 고장을 램프로 표시해주는 시스템정보지시기를 포함한다.
상기와 같은 구성을 가진 VME 모듈 기반의 지진감시 및 분석 시스템의 작동을 상세히 기술하면 다음과 같다.
도 3 에 도시된 도면은 본 발명에 따른 전체 지진감시 및 분석시스템 구성도로서, VME모듈 기반의 지진감시 및 분석시스템은 크게 지진 감지 센서부(10)와 센서 인터페이스장치(20)와 데이터프로세싱유닛(30)과 분석컴퓨터부(40)와 전원공급장치부(50)와 경보패널(60)과 디지털식 마그네틱 테이프레코더(70)을 포함한다.
상기 지진 감지 센서부(10)는 자유지반(Free Field) 및 구조물에 설치되어 지진동 신호의 실시간 계측을 위한 최대 8개의 3축 지진가속도계(1, 2)와; 운전기준지진(OBE)과 안전정지지진(SSE) 설정값 이상의 지진파 가속도 진폭에만 반응하여접점신호를 제공하는 8개의 지진스위치(3, 4)와; 특정 주파수 범위의 지진 가속도 진폭의 설정치 이상에 반응하여 지진파 취득 명령을 위한 별도의 동작접점을 제공하는 지진트리거(5)로 구성된다. 3축 지진가속도계는 지진동신호를 2500mv/1g 단위의 전기신호를 변환하여 가속도계 인터페이스 모듈(11, 12)입력으로 제공한다.
그리고 센서 인터페이스장치(20)는 3축 가속도계(1, 2), 지진스위치(3, 4) 및 지진트리거(5)와 같은 지진센서와 지진동신호 감시 및 취득을 위한 데이터 프로세싱 유닛(30)을 연계해주며, 또한 지진센서 성능시험 수단을 제공해주는 모듈들로 3축 가속도계 인터페이스 모듈(11, 12), 지진스위치 인터페이스 모듈(3, 4) 및 지진트리거 인터페이스 모듈(5)로 구성된다. 8개의 3축 가속도계 인터페이스 모듈(11, 12)들은 가속도계 출력 신호를 저역통과 필터링하여 각 가속도계를 처리하는 해당 데이터 취득모듈(21, 22)의 입력신호로 제공하고, 가속도계 성능시험을 위한 관련 접점을 순차적으로 제공하며 가속도계 출력 신호의 측정 및 별도의 외부 기록계(70)에 입출력 신호를 제공한다. 8개의 지진스위치 인터페이스 모듈(13, 14)은 스위치별 동작 독립성 보장을 위해 단일 채널로 구성되며 지진스위치의 3축 방향 설정 값 초과에 따른 접점 신호를 받아 디지털 입력모듈(24)의 입력신호로 인가하며 지진스위치 건전성 시험기능을 제공한다. 지진 트리거 인터페이스 모듈(15)은 지진트리거의 3축 방향 설정값 초과에 따른 접점신호를 받아 디지털 입력모듈(24)의 입력신호로 제공하며, 또한 지진트리거 건전성 시험기능을 제공한다.
상기 데이터 프로세싱 유닛(30)은 본 발명에 의한 지진감시 및 분석시스템의 주 구성설비로서, 구성모듈 상호간의 독립기능을 유지하는 모듈방식으로 주제어모듈(25)을 포함한 모듈 고장의 경우에도 정상적인 지진파 감시 및 신호 취득이 가능한 구조로서 주제어모듈(25), 데이터취득모듈(21, 22), 디지털입력모듈(24), 디지털출력모듈(27), 아나로그출력모듈(23), 메모리모듈(26) 및 전원공급모듈(28a, b)로 구성된다.
주제어모듈(25)는 전체 지진감시시스템을 제어하여 지진파 신호의 검출, 취득, 인터럽트 처리, 경보발생 및 분석컴퓨터와의 통신기능을 제공한다. 1개 또는 그 이상의 데이터취득모듈(21, 22)부터의 지진파 검출 인터럽트가 존재하는 경우, 또는 지진트리거의 동작이 감지되는 경우 주제어모듈(25)은 전 데이터취득모듈(21, 22)로 하여금 동시에 지진파 신호를 설정된 시간동안 취득하도록 하며, 취득 완료 후 지진데이터를 넘겨받아 메모리 모듈(26)에 저장하고 분석컴퓨터(31)로 전송한다.
데이터취득모듈(21, 22)은 감시채널의 독립성 유지를 위해 1개의 3축 가속도계를 1개의 데이터취득모듈이 담당하며, 가속도계 인터페이스 모듈(11, 12)로부터의 지진동신호를 실시간 입력받아 고정 설정치 또는 가변 설정치 알고리즘을 이용하여 지진파를 검출한다. 고정 또는 가변 설정치 알고리즘은 다음과 같이 구성된다.
- 고정 설정치 검출방식 -
① 가속도계 계측 값의 자승평균값(RMS)을 실시간 계산
② 미리 정의된 설정치와 연속 비교
③ 자승평균값(RMS)이 설정치보다 큰 경우 지진파 검출로 판단
- 가변 설정치 검출방식 -
① 입력신호 자승평균값에 대한 짧은 기간 평균을 계산(Short-term Value)
② 입력신호 자승평균값에 대한 긴 기간의 평균을 계산(Long-term Value)
③ Event Level을 (Long-term Value) + (Floating Off-set)으로 설정
;여기서 Floating Off-set 값은 계통 배경잡음을 고려한 부유치임
④ Short-term Value와 Event Level 교차시 지진파 검출로 판단
가변 설정치 검출알고리즘으로 지진파를 검출하는 경우 전기적 잡음 및 계통 진동에 의한 영향을 무시할 수 있어 미소지진신호에 대한 검출 감도를 극대화 할 수 있다.
고정 및 가변 설정치 알고리즘에 의해 지진파가 검출될 경우 지진발생 전 4초를 포함 지진발생종료 후 14초 까지의 지진파 데이터를 취득하며 이때 이미 설정된 시간 이내에 후속적 지진파가 검출되면 신호 취득범위는 자동으로 연장된다. 또한 동 데이터 취득 모듈은 취득된 지진파 데이터를 운전기준지진(OBE) 초과 분석을 위해 각 데이터 취득모듈(21, 22)이 독립적으로 누적절대속도(CAV) 초과 판단 알고리즘을 다음과 같이 수행한다. 누적절대속도(CAV)는 지진평가와 관련한 미국의 변경된 지진영향평가 개념으로서, 고주파 영역에 주로 영향을 주는 작은 규모의 지진에 의한 불필요한 발전소 정지를 방지하기 위해 도입한 것으로 주파수 영역에서는 운전정지기준(OBE) 설계응답스펙트럼 값을 초과하는 신호가 발생하더라도 시간영역에서의 누적절대속도(CAV)값이 설정치를 넘지 않는다면 위험한 지진신호로 판단하지 않도록 하는 것으로서, 데이터취득모듈(21, 22)이 취득한 각 방향의 지진신호에대해 누적절대속도 판단알고리즘은 다음과 같이 계산된다.
① 절대가속도 시간이력을 1초 간격으로 분할
② 0.025g를 초과하는 부분이 있는 각각의 1초 구간을 시간에 대해 적분
③ 적분된 모든 값을 누적하면 CAV 값됨
④ CAV계산 결과가 0.16g·sec보다 크면 CAV를 초과한 것으로 판정
이를 계산식으로 나타내면 다음과 같다.
a(t) : Acceleration Time - History
tmax : Duration of Record. 1sec.
상기 누적절대속도 분석결과치가 설정치를 초과하면 상기 데이터취득모듈(21, 22)은 누적절대속도 및 설계응답스펙트럼에 의한 운전정지지진(OBE) 판단알고리즘을 도 5와 같이 수행하는데 이때 지진데이터 값으로부터 2~10Hz 사이의 가속도응답스펙트럼을 계산한 후 그 계산결과가 설계응답스펙트럼 가속도 설정 값과 비교하여 안전정지기준 경보발생 여부를 판단하며, 경보발생 조건이 만족될 경우, 데이터취득모듈(21, 22)은 이를 주제어모듈(25)에 알리고 디지털출력모듈(27)을 통해 주제어실 및 지진감시시스템 경보패널(60)에 경보를 발생시킨다. 이때 경보가 아닌 데이터를 이벤트데이터로 처리되고, 경보 및 이벤트데이터는 고속의 입출력이 가능한 플레시 메모리모듈(26)에 저장되면, 상위 분석컴퓨터(31)로 TCP/IP 전송방식으로 분석결과와 함께 전송한다.
디지털입력모듈(24)은 지진 스위치 인터페이스모듈(13, 14) 및 트리거 인터페이스 모듈(15)로부터 +12Vdc 접점 신호입력을 받아, 지진스위치 및 트리거 동작시 디지털 출력모듈(27)에 신호를 전달하며, 지진트리거 동작시 주제어모듈(25)을 통해 전 감시 채널에 대한 지진파 신호의 취득이 데이터 취득모듈(21, 22)에 의해 이루어지도록 한다.
디지털 출력모듈(27)은 디지털입력모듈(24)로부터 입력받아 지진스위치 및 트리거 동작시 주제어실에 경보를 발생시키며 시스템의 경보 패널(60)에 시스템 운영상태를 램프 점등으로 표시해준다.
플레시 메모리모듈(26)은 취득, 분석된 지진파 데이터의 저장 공간 및 설계 응답스펙트럼 데이터를 영구 저장하기 위한 고속 입출력이 가능한 플레시 타입 모듈이다.
아날로그출력모듈(23)은 센서인터페이스 모듈(11~15)과 데이터취득모듈(21, 22)을 포함한 전체 지진감시 및 분석시스템이 주기적 성능진단을 위한 시험수단을 제공하는 모듈로 분석컴퓨터(31)의 하드디스크에 저장된 데이터 취득모듈 교정파형, 성능시험파형 및 임의 지진파 파형데이터를 이용하여 시스템 구성 모듈 및 처리 소프트웨어의 정상동작 상태를 확인할 수 있도록 해준다.
전원공급모듈(28)은 데이터 프로세싱 유닛(30)을 구성하는 VME 모듈들에 +24Vdc와 +5Vdc전원을 공급하는 이중화된 전원모듈로, 정상 운전중에는 110Vac 전원을 공급받으나, 110Vac 주전원 단절시 시스템 내부에 설치된 무정전 전원공급장치(50)로부터 전원을 공급받는다.
상기 분석컴퓨터부(40)는 각종 정보의 화면표시를 위한 터치스크린 방식의 디스플레이장치(32)와 지진동 신호의 상세분석, 실시간 데이터 표시 및 다양한 시스템 성능시험 수행기능을 포함한 내진성능이 검증된 산업용 분석컴퓨터(31)로 구성된다.
디스플레이장치(32)는 분석컴퓨터(31)와 연계하여 실시간 지진동신호의 화면표시와 그래픽 환경의 사용자 인터페이스 기능을 제공하는 장치고 터치방식 또는 마우스에 의해 사용자와 인터페이스를 수행한다.
분석컴퓨터(31)는 LAN 통신을 통해 주제어모듈(25)로부터 실시간 지진동신호 측정값을 입력받아 실시간 및 최대 값을 디스플레이장치(32)화면에 표시하며, 지진발생에 따라 취득된 지진파 데이터는 수동 및 자동으로 누적절대속도, 가속도, 속도, 변위 및 댐핑별 지진응답스펙트럼 계산 및 설계 응답스펙트럼과의 비교 분석이 실행되며 수행결과는 직관적으로 이해하기 쉬운 그래픽 형태로 화면에 표시된다.
도 4 는 분석컴퓨터의 맨 머신 인터페이스(MMI) 소프트웨어 구조를 도시한 것으로 주 메인화면(2A)과 데이터로그 화면(2B), 시스템정보화면(2C), 운영환경화면(2D). 시스템 진단화면(2E) 및 운전정보화면(2F) 등의 보조화면들로 구성된다.
지진감시시스템의 주기적 성능진단을 위한 시스템 진단은 크게 기능시험(Function Test)과 모의시험(Simulation Test)으로 구분되는데, 기능시험(Function Test)은 3축 가속도센서(1, 2)의 건전성을 확인하기 위해서 데이터취득모듈(21, 22)의 2채널 디지털 출력을 사용하여 데이터취득모듈(21, 22)의 제어신호에 반응하는 가속도센서(1, 2)의 출력 신호를 이용하여 고유주파수와 댐핑 값을 계산하여 센서의 건전성을 판별할 수 있고, 이러한 출력데이터를 이용하여 원자력발전소의 지진감시시스템 운영여건에 명시된 주기적 성능시험 절차서를 자동으로 수행할 수 있어 절차서 소요시간을 현저히 줄일 수 있다. 모의시험(Simulation Test)은 가속도센서를 제외한 센서 인터페이스 모듈(11, 12)부터 데이터취득모듈(21, 22), 주제어모듈(25), 분석컴퓨터(31)의 하드웨어 및 프로그램의 건전성을 평가하기 위한 방법으로서 분석컴퓨터에 저장된 시험기준신호 즉, 정해진 진폭, 주파수 및 파형의 형태를 갖는 다양한 기준파형 및 임의 지진파신호를 아나로그출력모듈(23)을 통해 가속도센서와의 연결이 차단된 센서 인터페이스모듈(11, 12)로 인가한 후 데이터모듈(21, 22)의 신호 검출, 취득 및 분석내용을 분서컴퓨터(31)에 저장된 기준값과 비교하여 시스템의 건전성을 판단하며, 이러한 과정은 자동 및 스텝별 수동으로 실행된다. 지진파에 의한 영향평가 기준으로 사용되는 댐핑별 운전기준지진(OBE) 및 안전정지지진(SSE) 설계 응답스펙트럼은 분석컴퓨터(31)의 하드디스크 및 데이터프로세싱유닛(30)의 플래시 메모리모듈(26)에 다중으로 저장되며 주기적 상호 데이터 일치성 시험을 통해 설계응답스펙트럼의 건전성을 유지한다.
상기 무정전 전원공급장치(50)는 지진감시 및 분석시스템 랙에 설치되어 110Vac 주전원 공급이 중단될 경우 최대 30분동안 지진감지센서(10), 센서인터페이스장치(20), 데이터프로세싱유닛(30) 및 분석컴퓨터부(40)에 동작전원을 공급하여정상적인 지진파 신호의 검출, 취득, 분석 및 경보발생 등이 가능하도록 해준다.
상기 경보패널(60)은 지진스위치(3, 4) 또는 지진트리거(5) 동작의 경우와 데이터취득모듈(21, 22) 및 분서컴퓨터(31)에 의한 지진파 분석 결과로 운전기준지진(OBE), 또는 안전정지지진(SSE) 초과로 판정될 경우 주제어실에 경보를 발생시키고 시스템 패널에 관련 정보를 표시하는 램프를 점등시키며, 시스템 정상동작 및 특정 고장정보를 램프 점등으로 표시하는 기능을 갖는다.
상기 디지털식 마그네틱 테이프레코더(70)은 지진트리거(5) 동작신호 또는 데이터 취득모듈(21, 22)의 지진파 검출신호에 의한 트리거에 의해 자동 동작하여 3축 가속도 센서 인터페이스 모듈(11 ,12)로부터 입력되는 지진파 신호를 마그네틱 테이프에 저장하는 구조로, 디지털식 테이프레코더 뿐만 아니라 외부 트리거에 의해 자동 동작하여 입력신호를 저장할 수 있는 다른 레코더 형식을 사용할 수도 있다.
본 발명에 의한 지진감시시스템의 데이터 프로세싱 유닛(30)은 구성모듈 상호간의 독립기능을 유지하는 VME 모듈방식으로 구성되어 각 구성모듈의 정상동작중의 인출 삽입이 가능한 정비유연성이 확보된 구조로 되어있고, 어느 한 모듈의 고장이 데이터 프로세싱 유닛(30) 전체 고장으로 파급되지 않으며 데이터 프로세싱 유닛(30)을 제어하는 주제어모듈(25)의 고장 발생시 각 데이터취득모듈(21, 22)은 보호모드로 동작하여 정상적인 지진파 감시동작을 계속하며 지진에 의한 지진파 검출 시 30분간의 지진파를 취득할 수 있다. 분석시스템(31) 고장의 경우에도 지진파 신호의 검출, 취득, 분석 및 경보발생 등이 가능하며, 상세 지진파 분석 및 시스템운영 파라메터 변경은 주제어모듈(25) 통신 포트를 통해 가능하도록 되어 있어 뛰어난 시스템 동작신뢰성 및 정비유연성을 갖추고 있다.
도 6은 지진스위치 및 지진트리거 인터페이스모듈(13, 14, 15) 회로도를 도시한 것으로 한 개의 모듈로 두 센서에 공통 사용가능하고, 지진스위치와 지진트리거 센서의 동작 접점신호를 디지털입력모듈(24)로 연계하며, 상기 센서들에 대한 성능시험기능을 제공할 수 있도록 설계된 회로도이다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
상술한 본 발명에 의하면, 다양한 가속도센서 신호특성을 지원하는 센서인터페이스모듈 적용으로 지진감시센서 형식에 독립적인 지진감시시스템 교체 및 신설이 가능하며, 지진감시시스템을 구성모듈 상호간 독립성을 가진 VME 모듈 방식으로 구성함으로서 주제어모듈을 포함한 구성기기 고장에 의한 시스템 동작불능 가능성을 배제하였으며 정상운전중 시스템 구성기기 정비 및 지진 감지 센서 채널별 성능시험이 가능한 정비유연성과 시험성(Testability)을 제공하여 고도의 시스템 연속동작 신뢰성이 요구되는 원자력발전소와 같은 특수구조물 지진감시 및 분석에 적합한 구조로 되어 있어 엄격한 지진감시시스템 운영 및 규제요건을 만족시킬 수 있다.
또한 지진파 신호검출시 고정 및 가변 설정치 알고리즘을 적용하여 비 지진파 잡음에 의한 시스템 동작을 억제하는 검출신뢰성을 갖고 있으며, 데이터프로세싱 유닛 및 분석컴퓨터에 의해 시간이력, 주파수특성 및 응답스펙트럼 분석이 다중으로 실행되어 지진파 영향평가의 신속성 및 분석의 정확성을 제공하며, 가속도센서 및 지진감시시스템의 주기적 성능시험을 통한 구성기기의 신뢰성을 자동으로 확인할 수 있어 발전소 주기점검 절차서 수행에 소요되는 인력과 시간을 대폭 줄일수 있고, 직관적으로 이해하기 쉬운 그래픽 형태의 지진파 분석 및 시스템 운영이 가능하며 지진파 및 분석 데이터의 데이터베이스 구축 및 여러 형태의 데이터형식 변경이 가능하여 지진파 데이터의 다양한 활용이 가능하며, 고주파성분의 미소지진에 의한 불필요한 원자력발전소 발전정지 가능성을 배제할 수 있고 특히 운전기준지진 발생이후 수행되는 발전소 건전성에 대한 후속 정밀평가 및 재 가동 결정에 필요한 상세 분석 정도를 제공하여 발전소 안전운전 및 신뢰도를 높이는 효과를 갖는다.
Claims (12)
- 실시간 지진동 신호 및 지진발생시의 지진파 신호를 취득하기 위한 지진감지 센서부와 데이터취득모듈 및 지진센서 시험모듈과의 신호연계 및 지진센서 성능시험 기능을 포함한 센서 인터페이스장치(20);아날로그 형태의 실시간 지진동 신호 및 지진파 신호를 디지털로 변환한 후 지진파의 검출, 취득, 저장 및 운전기준지진 초과 판정 알고리즘을 실행하고 지진센서와 지진감시시스템의 자동 성능시험기능을 제공하는 독립모듈 기반의 데이터 프로세싱 유닛(30);데이터 프로세싱 유닛으로부터 지진파 데이터, 분석정도 및 배경신호 데이터를 넘겨받아 자동 및 수동으로 취득 신호의 가속도, 속도, 변위, 파워스펙트럼, 댐핑별 응답스펙트럼 분석 및 설계응답스펙트럼 비교 등의 상세 분석을 실행하고 그 결과를 디스플레이장치에 표시하며 데이터베이스 저장 및 보고서 형식 출력 기능을 제공하는 분석 컴퓨터부(40);이중화된 전원구조와 비상용 무정전 전원공급장치를 포함한 전원공급부(50);지진스위치, 지진트리거 동작 경보 및 감시시스템 정상동작 및 고장정보를 램프 점등으로 표시해주는 경보패널(60);외부 트리거 동작에 따라 3축 가속도계 신호를 연속 저장하는 디지털식 테이프 레코더(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 지진감시 및 분석 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 센서 인터페이스장치(20)는 지진감지 센서부(10)로부터 실시간 3축 가속도계 출력 신호를 저역통과 필터링하여 데이터 취득모듈(21, 22)의 입력신호로 제공하고, 가속도계 성능시험을 위한 관련 접점을 순차적으로 제공하며 가속도계 출력 신호의 측정 및 별도의 외부 기록계(70)에 입출력 신호를 제공하는 3축 가속도계 인터페이스 모듈(11, 12)과;지진스위치의 3축 방향 설정 값 초과에 따른 접점신호를 받아 디지털 입력모듈(24)의 입력신호로 인가하며 지진스위치 건전성 시험기능을 제공하는 지진스위치 인터페이스 모듈(13, 14)과;지진트리거의 3축 방향 설정값 초과에 따른 접점신호를 받아 디지털 입력모듈(24)의 입력신호로 제공하며, 지진 트리거 건전성 시험기능을 제공하는 지진트리거 인터페이스 모듈(15)을 포함하는 것을 특징으로 하는 지진감시 및 분석 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 데이터 프로세싱 유닛(30)은 구성모듈 상호간의 독립기능을 유지하는 모듈방식으로 주제어모듈(25)을 포함한 모듈 고장의 경우에도 정상적인 지진파 감시 및 신호 취득이 가능한 구조로서, 전체 지진감시시스템을 제어하여 지진파 신호의 검출, 취득, 인터럽트 처리, 경보발생 및 분석컴퓨터와의 통신을 제어하는 주제어모듈(25)과; 가속도계 인터페이스 모듈(11, 12)로부터 지진동신호를 실시간 입력받아 고정 설정치 또는 가변 설정치 검출 알고리즘에 의해 지진파를 검출하고, 지진발생 전후의 지진파 데이터를 취득하며, 운전기준지진(OBE) 응답스펙트럼 및 누적절대속도 초과판단 알고리즘을 수행하는 데이터 취득모듈(21, 22)과; 지진스위치 인터페이스모듈(13, 14) 및 지진트리거 인터페이스 모듈(15)로부터 +12Vdc 접점 신호입력을 받아 디지털 출력모듈(27)에 신호를 전달하는 디지털입력모듈(24)과; 디지털입력모듈(24)로부터 지진스위치 및 트리거 동작 접점정보를 입력받아 주제어실에 경보를 발생시키며, 감시시스템 운영상태를 경보패널에 램프 점등으로 표시해주는 디지털 출력모듈(27)과; 지진파 데이터의 저장 및 설계 응답스펙트럼 데이터를 영구 저장 공간을 제공하는 고속 입출력이 가능한 플래시 메모리모듈(26)과; 센서 인터페이스 모듈(11~15)과 데이터취득모듈(21, 22)을 포함한 전체 지진감시 및 분석시스템의 주기적 성능진단을 위한 시험수단을 제공하는 아날로그출력모듈(23)과; 데이터 프로세싱 유닛(30)을 구성하는 독립 모듈들에 +24Vdc와 +5Vdc전원을 공급하는 이중화된 전원공급모듈(28)을 포함하는 것을 특징으로 하는 지진감시 및 분석 시스템
- 제 1항에 있어서, 상기 분석컴퓨터부(40)는 실시간 지진동신호의 텍스트, 그래픽 화면 표시와 지진파 데이터의 분석과정 및 결과의 그래픽 회면 표시와 그래픽 환경의 시스템 운영환경 변경 및 시스템 정보의 화면 표시 기능을 제공하는 터치스크린 방식의 디스플레이장치(32)와; 실시간 지진동신호, 지진발생에 의한 지진파 신호 및 시스템 성능진단용 임의 지진파형에 대해 수동 및 자동으로 가속도, 속도, 변위, 누적절대속도, 파워스펙트럼, 댐핑별 지진응답스펙트럼 분석 및 설계 응답스펙트럼과의 비교 분석 기능과 직관적으로 이해가 용이한 그래픽 화면 및 시스템 운영환경을 제공하고, 가속도 센서 및 지진감시 및 분석시스템의 자동 성능검증 기능을 제공하는 내진성능이 입증된 산업용분석컴퓨터로 구성된 것을 특징으로 하는 지진감시 및 분석 시스템.
- 제 1항에 있어서, 전원공급부(50)는 데이터 프로세싱 유닛(30) 동작전원공급을 위한 이중화된 전원공급기와 지진감시센서부(10)의 동작전원 공급을 위한 이중화된 전원공급기의 주전원이 모두 단절될 경우 최대 30분간 전체 지진감시 및 분석시스템의 동작전원을 연속 공급할 수 있는 무정전 전원공급장치를 포함한 것을 특징으로 하는 지진감시 및 분석 시스템.
- 제 1항에 있어서, 경보패널(60)은 지진스위치 또는 지진트리거 동작의 경우와 데이터취득모듈 및 분석컴퓨터에 의한 지진파 분석 결과로 운전기준지진(OBE), 또는 안전정지지진(SSE) 초과로 판정될 경우 주제어실에 경보를 발생시키고 시스템 패널에 관련 정보를 표시하는 램프를 점등시키며, 시스템 정상동작 및 특정 고장정보를 램프 점등으로 표시하는 경보패널(60)을 포함하는 것을 특징으로 하는 지진감시 및 분석 시스템.
- 제 4항에 있어서, 데이터 프로세싱 유닛(30)은 하나의 데이터취득모듈(21, 22)의 고장이 다른 데이터취득모듈의 정상적인 동작을 방해하지 않으며, 데이터 프로세싱 유닛을 제어하는 주제어모듈(21) 고장 발생이 경우에도 데이터 취득모듈은각각 독립적인 보호모드로 동작하여 실시간 지진파 검출 알고리즘을 실행하고 지진파 검출시 최대 30분간의 지진파 데이터를 취득하고 취득된 데이터 보호동작을 수행하며, 분석컴퓨터(31) 고장의 경우에도 의도된 설계기능을 변경없이 제공하는 것을 특징으로 하는 지진감시 및 분석 시스템.
- 제 4항에 있어서, 데이터 취득모듈(21, 22)은 입력되는 지진동신호의 크기가 정해진 설정값을 초과할 경우 지진파의 검출로 판정되는 고정 설정치 알고리즘과 실시간 배경잡음신호의 단기, 장기 신호의 자승평균값을 이용하여 잡음신호는 무시하고 지진파 신호만 검출하도록 하는 배경잡음의 크기에 연동하는 가변 설정치 알고리즘을 갖는 것을 특징으로 하는 지진감시 및 분석 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 지진파 신호의 취득시 지진파 검출전 4초를 포함지진발생 종료후 14초 까지의 지진파 데이터를 취득하며, 취득기간 중 연속해서 지진파가 검출되면 데이터 취득시간이 자동 연장되도록 하는 것을 특징으로 하는 지진감시 및 분석 시스템.
- 제 4항에 있어서, 아나로그 출력모듈(23)은 센서인터페이스 모듈(11~15)후단의 전체 지진감시시스템의 구성모듈 교정과 지진파 검출, 취득 및 분석의 정확성 검증을 위한 파형 형태 및 진폭을 달리한 다양한 기준파형과 임의 지진파 등을 이용하여 지진감시시스템 구성 모듈 및 분석 소프트웨어의 정상동작 상태를 확인하도록 해주는 것을 특징으로 하는 VME 모듈 기반의 지진감시 및 분석 시스템.
- 제 5항에 있어서, 산업용 분석컴퓨터(31)는 데이터취득모듈(21, 22)의 2채널 디지털 출력을 사용하여 데이터취득모듈의 제어신호에 반응하는 가속도센서(1, 2)의 출력 신호를 취득하여 센서 고유주파수와 댐핑 값 분석을 통한 가속도 센서의 건전성을 판별할 수 있도록 해주는 기능시험(Function Test); 센서 인터페이스 모듈(11, 12), 데이터취득모듈(21, 22), 주제어모듈(25) 및 분석컴퓨터(31)의 채널 교정 및 임의 지진파 처리능력의 주기점검을 위한 진폭, 주파수 및 파형의 형태를 달리하는 기준파형 및 임의 지진파 데이터를 아나로그 출력모듈(23)을 통해 가속도센서와의 연결이 차단된 센서 인터페이스모듈(11, 12)로 인가하여, 기준신호와 취득된 파형을 상호 비교하여 감시채널 교정 및 시스템의 지진파 검출, 취득, 분석 성능을 검증할 수 있는 모의시험(Simulation Test)기능을 제공하는 것을 특징으로 하는 VME 모듈 기반 지진감시 및 분석 시스템.
- 제 4항에 있어서, 설계 응답스펙트럼 데이터는 데이터프로세싱유닛(30)의 플래시 메모리모듈과 분석컴퓨터의 하드디스크에 다중으로 저장되고, 주기적으로 상호 일치함을 상호 비교하여 설계 응답스펙트럼의 건전성을 유지하는 것을 특징으로 하는 VME 모듈 기반의 지진감시 및 분석 시스템.
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