KR20060012206A - 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템용 이중화 전력제어기 - Google Patents

원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템용 이중화 전력제어기 Download PDF

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권순만
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Abstract

본 발명에 따른 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템용 이중화 전력제어기는, 그 전체적인 구성은 정지집게 코일, 이동집게 코일, 올림 코일의 3개의 코일에 대응하는 각각의 3상 반파정류기를 제어하는 3그룹의 제어기군으로 구성되되, 각 그룹의 제어기군은 마스터/슬레이브 개념의 상위 제어기와 하위 제어기의 2개의 제어기로 각각 구성되고, 상위 및 하위의 각 개별 제어기는 디지털 신호의 처리를 위한 DSP 카드, 그 DSP 카드로 입출력되는 신호의 조건을 처리하는 신호조건처리 카드, DSP 카드로 디지털 신호가 원활하게 입력되도록 하는 디지털 입력신호 카드, DSP 카드로부터 디지털 신호가 원활하게 출력되도록 하는 디지털 출력신호 카드, 위의 제 구성요소들에 입력되는 전원을 감시하는 전원감시 카드 및 다른 구성요소와의 회로적 연결을 위한 백플레인을 각각 구비한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템에 있어서의 전력제어기를 이중화함으로써 시스템의 신뢰성을 향상시키고, 이중화된 전력제어기를 활용하여 홀드 버스 전원 공급 장치를 대용함으로써 유지/보수작업을 한층 편리하게 수행할 수 있다.
원자로, 제어봉, 구동장치, 이중화, 전력제어기

Description

원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템용 이중화 전력제어기{Dual power controller for control system of a control rod drive in an atomic reactor}
도 1은 본 발명에 따른 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템용 이중화 전력제어기가 채용된 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력함의 구성을 보여주는 도면.
도 2는 도 1의 전력함에 채용된 본 발명의 이중화 전력제어기의 내부 구성을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 2중화 전력제어기에 있어서, 상대방 제어기에서 출력되는 하트비트를 이용하여 상대방 제어기의 정상 또는 비정상을 판단하는 알고리즘(방법)을 나타낸 흐름도.
도 4는 본 발명의 2중화 전력제어기에 있어서, 마스터/슬레이브 모드 운전 및 운전 모드 절체와 관련된 흐름도.
도 5는 본 발명의 이중화 전력제어기가 채용된 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템에 있어서, 이중 유지시 3개의 코일에 인가하는 전류 명령의 일 예를 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 이중화 전력제어기가 채용된 원자로 제어봉 구동장치의 제 어시스템에 있어서, 제어봉 정지시의 마스터/슬레이브 절체 파형을 보여주는 도면.
도 7은 본 발명의 이중화 전력제어기가 채용된 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템에 있어서, 제어봉 인출시의 마스터/슬레이브 절체 파형을 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101,107...전원공급장치 102∼104...3상 반파정류기
105...제어함(MCU) 106...게이트 드라이버
108m,108s...2중화 전력제어기 109a,109b...개별 전력제어기
110...올림 코일 111...모의 RL 부하
112...모의 제어봉 구동장치 113...변압기
201...DSP 카드 202a∼202c...신호조건 처리카드
203...디지털 입력신호 카드 204...디지털 출력신호 카드
205...전원 감시카드 206...백플레인
207...하트비트 신호라인 208...보조신호 라인
209...제어전압 신호라인
본 발명은 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템용 이중화 전력제어기에 관 한 것으로서, 특히 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템에 있어서의 전력제어기를 이중화함으로써 하나의 전력제어기에서의 고장으로 인해 발전소가 정지되는 상황이 발생하지 않도록 하여 시스템의 신뢰성을 향상시키고, 이중화된 전력제어기를 활용하여 홀드 버스 전원 공급 장치를 대용함으로써 유지/보수작업을 한층 편리하게 수행할 수 있는 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템용 이중화 전력제어기에 관한 것이다.
현재 원자력 발전소에서 운용 중인 원자로 제어봉 구동장치 제어시스템용 전력제어기는 프로세서를 이용한 이중화 제어 방식이 아닌 아날로그와 디지털 로직 게이트로 구성된 하이브리드형 단일 제어기 방식이다. 이 경우 전력제어기에서 고장이 발생하면 발전소를 정지시켜야 할 상황까지 확대될 수도 있다. 또한, 이러한 방식에서는 제어봉 제어 계통의 유지/보수를 위해 홀드 버스 전원 공급 장치라는 별도의 유지/보수 장치를 구비하고 있어야 한다.
본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템에 있어서의 전력제어기를 이중화함으로써 하나의 전력제어기에서의 고장으로 인해 발전소가 정지되는 상황이 발생하지 않도록 하여 시스템의 신뢰성을 향상시키고, 이중화된 전력제어기를 활용하여 홀드 버스 전원 공급 장치를 대용함으로써 유지/보수작업을 한층 편리하게 수행할 수 있는 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템용 이중화 전력제어기를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템용 이중화 전력제어기는,
3 코일(정지집게 코일, 이동집게 코일, 올림 코일) 형식의 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템에 적용되어, 상기 3종류 코일에 각각 전력을 공급하기 위한 3상 반파정류기를 제어함으로써 3종류 코일에 공급되는 전력을 제어하는 제어기로서,
그 전체적인 구성은 상기 각 코일에 대응하는 각각의 3상 반파정류기를 제어하는 3그룹의 제어기군으로 구성되되, 각 그룹의 제어기군은 마스터/슬레이브 개념의 상위 제어기와 하위 제어기의 2개의 제어기로 각각 구성되고, 상위 및 하위의 각 개별 제어기는 디지털 신호의 처리를 위한 DSP(digital signal processor) 카드, 그 DSP 카드로 입출력되는 신호의 조건을 처리하는 신호조건처리 카드, DSP 카드로 디지털 신호가 원활하게 입력되도록 하는 디지털 입력신호 카드, DSP 카드로부터 디지털 신호가 원활하게 출력되도록 하는 디지털 출력신호 카드, 위의 제 구성요소들에 입력되는 전원을 감시하는 전원감시 카드 및 다른 구성요소와의 회로적 연결을 위한 백플레인(backplane)을 각각 구비하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 바람직하게는 상기 두 제어기 사이에는 적어도 각 개별 제어기의 상기 DSP 카드의 정상 여부를 상대 제어기에 알려주는 하트비트 신호 라인, DSP 카드 외부에서의 이상 유무를 알려주는 보조신호 라인 및 마스터 제어신호를 추종하기 위한 제어전압 신호 라인이 접속된다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템용 이중화 전력제어기가 채용된 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력함의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 원자로 제어봉 구동장치 제어기기용 전력함은 1대의 전력함으로 3개의 그룹, 즉 그룹 "A", 그룹 "B" 및 그룹 "C"를 동작시킬 수 있도록 구성된다.
이와 같은 전력함은 2중화된 전원 공급장치(101)(107)와, 3종류 코일(정지집게 코일, 이동집게 코일, 올림 코일)에 전력을 공급하기 위한 3상 반파정류기(102∼104), 본 발명의 2중화 전력제어기(108m)(108s), 모의 RL 부하(111) 및 모의 제어봉 구동장치(112) 등을 구비한다.
전력함의 주 기능은 상위의 제어함(MCU:Main Control Unit)(105)으로부터 동작 지령을 받아 미리 정해진 순서에 따라 상기 3종류의 코일에 전류를 흘려 제어봉을 한 스텝씩 삽입, 인출하는 것이며, 본 발명의 이중화 전력제어기(108m)(108s)를 이용하여 마스터/슬레이브 방식으로 제어봉을 구동시킨다.
도 1에 나타낸 전력함은 최대 13개의 제어봉을 구동할 수 있는 구성이며, 따라서 2중화된 전력제어기(108m)(108s)로는 최대 5개까지의 제어봉을 구동시킬 수 있다. 이 과정에서 자동 및 수동 마스터/슬레이브 절체, 이중 유지 기능 등을 수행하게 된다. 도 1에서 참조번호 106은 게이트 드라이버, 110은 올림 코일(lift coil), 113은 변압기를 각각 나타낸다.
도 2는 상기 도 1의 전력함에 채용된 본 발명의 이중화 전력제어기(108m)(108s)의 내부 구성을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 이중화 전력 제어기(108m)(108s)를 구성하는 각 개별 제어기(109a)(109b)는 디지털 신호의 처리를 위한 DSP(digital signal processor) 카드(201), 그 DSP 카드(201)로 입출력되는 신호의 조건을 처리하는 신호조건처리 카드(202a∼202c), DSP 카드(201)로 디지털 신호가 원활하게 입력되도록 하는 디지털 입력신호 카드(203), DSP 카드(201)로부터 디지털 신호가 원활하게 출력되도록 하는 디지털 출력신호 카드(204), 위의 제 구성요소들에 입력되는 전원을 감시하는 전원감시 카드(205) 및 다른 구성요소와의 회로적 연결을 위한 백플레인(backplane)(206)을 각각 구비한다.
또한, 바람직하게는 상기 두 제어기(109a)(109b) 사이에는 적어도 각 개별 제어기의 상기 DSP 카드(201)의 정상 여부를 상대 제어기에 알려주는 하트비트(heartbeat) 신호 라인(207), DSP 카드 외부에서의 이상 유무를 알려주는 보조신호 라인(208) 및 마스터 제어신호를 추종하기 위한 제어전압 신호 라인(209)이 접속된다.
이상과 같이, 전력 제어기는 각각의 그룹마다 상위 전력 제어기 및 하위 전력 제어기로 이중화 구조로 구성된다. 상위 및 하위 제어기는 별도의 랙에 장착되고 동일한 제어카드 및 백플레인으로 구성되며, 직류 제어전원도 이중화된 직류 전원 공급 장치의 공통 출력으로부터 퓨즈 회로로 분기된 전원을 각각 공급받는다.
각각의 전력 제어기는 자기의 상태를 진단하고 이상이 없으면 보조 신호를 출력하여 서로의 상태를 감시할 수 있도록 구성되고, 또한, 와치독(watch dog) 타이머 기능에 해당하는 하트비트 신호를 펄스 형태로 출력하여 서로의 상태를 감시한다.
상위 및 하위 전력 제어기는 마스터/슬레이브 형태로 운전되고, 현재 제어를 담당하고 있는 전력 제어기는 마스터 신호를 제어함(105)으로 제공하여 자기가 마스터임을 알린다. 전력 제어기는 랙에 장착된 백플레인(28)에 제어카드들이 삽입되어 필요한 기능들을 수행하며, 랙에 장착된 백플레인에 제어카드가 삽입될 때 다른 종류의 제어카드가 오삽입되는 것을 방지하기 위한 수단을 마련한다.
또한, 전력제어기는 자동 또는 수동 조작에 의한 이중 고정이 가능하도록 설계되어지며 이중 고정 유지 상태 정보는 상기 제어함(105)으로 송신되어 제어함(105)에서 전력함으로 동작 명령이 송출되지 않게 하며, 만약 이중 고정 상태에서 전력함으로 동작 명령이 오면 전력함에서 그 명령에 반응하지 않도록 한다.
상기 신호 처리 카드(202a∼202c)는 정지 집게 코일용, 이동 집게 코일용 및 올림 코일용으로 3개가 설치되며, 신호처리 카드에 입력되는 정지 집게 코일용 전력 변환기와 이동 집게 코일용 전력 변환기 및 올림 코일용 전력 변환기 출력 전압 검출용 PT 신호와 각 제어봉 구동장치들의 코일에 흐르는 출력 전류 검출용 CT 신호는 공통으로 사용한다.
도 3은 이상과 같은 2중화 전력제어기에 있어서, 상대방 제어기에서 출력되는 하트비트를 이용하여 상대방 제어기의 정상 또는 비정상을 판단하는 알고리즘(방법)을 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 개별 제어기(109a)(109b)가 정해진 제어 주기로 운전하면서 매 주기마다 하트비트를 발생시켜 상대 제어기로 하트비트 신호를 전송하게 되면(단계 301), 개별 제어기(109a)(109b)는 상대 제어기로부터 입력된 하트비트 신호의 정상 여부를 논리회로를 이용하여 점검하고(단계 302), 상대방 제어기의 하트비트 이상 유무를 최종적으로 판단하게 된다(단계 303). 여기서, 논리회로를 통한 1차 점검은 상대제어기로부터 입력되는 하트비트 신호가 정해진 시간 동안 입력되지 않거나 더 빨리 입력되는 경우를 하트비트 입력 함수를 통해 검사하게 된다.
상기 단계 303의 판단 결과, 이상이 없으면 하트비트 에러를 체크한 후(단계 305), 상기 단계 302로 회귀하고, 이상이 있으면 하트비트 점검용 플래그(flag)를 1로 하여(단계 304), 일정 시간 동안 계속적으로 입력이 없는 경우에만(단계 306∼308) 최종적으로 상대방 하트비트의 이상을 선언하게 된다(단계 309∼311). 이와 같은 메커니즘은 노이즈 등에 의한 짧은 순간의 상대방 하트비트 신호의 상실 등에는 고장이 발생한 것으로 판단하지 않게 되며, 따라서 판단의 신뢰도를 높이는 효과가 있다.
도 4는 2중화 전력제어기에 있어서, 마스터/슬레이브 모드 운전 및 운전 모드 절체와 관련된 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 마스터 또는 슬레이브 모드 여부를 체크한 후(단계 401), 마스터 모드인지를 판별하여(단계 402) 마스터 모드이면 비상 경보 상태인지를 판별한다(단계 403). 이 판별에서 비상경보 상태가 아니면, 상기 단계 401로 회귀하고, 비상경보 상태이면 슬레이브 제어기(109b)가 정상인지를 판별한다(단계 404). 이 판별에서 정상이면 슬레이브 모드를 선언하고(단계 405), 정상이 아니면 이중 고정 모드로 들어간다(단계 406). 여기서, 이중 고정이란 이중화된 제어기 모두 비정상 상태로 제어봉의 삽입/인출이 가능하지 않는 경우 정지 집게 코일과 이동 집게 코일에 정해진 패턴의 전류를 동시에 흘려 제어봉을 보다 안정되게 유지시키는 것으로, 이는 제어봉의 낙하를 최대한 방지하기 위한 것이다.
한편, 상기 단계 402에서 마스터 모드가 아니면, 마스터 제어기(109a)가 정상인지를 체크하여(단계 407) 마스터 제어기(109a)의 정상여부를 판별한다(단계 408). 이 판별에서 마스터 제어기(109a)가 정상이면 이중 고정 모드를 해제하고(단계 409), 정상이 아니면 슬레이브 제어기(109b)가 정상인지를 판별한다(단계 410). 이 판별에서 정상이면 마스터 모드를 선언하고(단계 411), 정상이 아니면 슬레이브 제어기(109b)가 비정상임을 알린다.
이상의 도 3 및 도 4에서와 같은 흐름도로 표현되는 소프트웨어 프로그램은 상기 각 개별제어기(109a)(109b)의 DSP 카드(201) 내부의 RAM이나 ROM의 메모리에 저장된다.
도 5는 본 발명의 이중화 전력제어기에 있어서, 이중 유지시 3개의 코일에 인가하는 전류 명령의 일 예를 보여주는 도면이다.
여기서, 이중 유지란 제어봉을 동작시킬 수 없는 긴급 상황의 발생시나 제어봉의 유지 보수시 제어봉의 낙하를 최소화하기 위해 도 5에 도시된 바와 같이, 정지집게 코일(500)과 이동집게 코일(501)에 동시에 전류를 인가하여 제어봉을 확실히 잡게 하는 기능을 말한다. 이때, 올림 코일(502)에는 전류를 인가하지 않는다.
도 6은 제어봉이 정지 상태에 있을 때 마스터 모드에서 슬레이브 모드로 절체된 경우의 3개의 코일에서의 전류 파형을 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 위에서부터 참조번호 600은 올림 코일의 전류 파형, 601은이동집게 코일의 전류 파형, 602는 정지집게 코일의 전류 파형, 그리고 603은 마스터 출력 신호를 각각 나타낸다. 마스터 출력 신호는 2개의 전력제어기 중 마스터 모드로 운전되고 있는 제어기에서 슬레이브 모드로 운전 중인 제어기로 전송되는데, 도 6 및 도 7의 마스터 출력신호(603,603')를 통하여 하나의 제어기가 마스터 모드에서 슬레이브 모드로 절체된 것을 알 수 있다. 이때 3개의 코일에서의 전류 신호에는 범퍼 현상이 거의 없는 것을 볼 수 있다.
도 7은 제어봉을 인출하고 있을 때 마스터/슬레이브 절체 현상이 발생하여도 제어봉의 인출 동작이 정상적으로 행하여 지는 경우를 보여 주고 있다. 도 7에서 참조번호 600'는 올림 코일의 전류 파형, 601'는 이동집게 코일의 전류 파형, 602'는 정지집게 코일의 전류 파형을 각각 나타낸다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템용 이중화 전력제어기는 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템에 있어서의 전력제어기를 이중화함으로써 하나의 전력제어기에서의 고장으로 인해 발전소가 정지되는 상황이 발생하지 않도록 하여 시스템의 신뢰성을 향상시키고, 이중화된 전력제어기를 활용하여 홀드 버스 전원 공급 장치를 대용함으로써 유지/보수작업을 한층 편리하게 수행할 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

  1. 3 코일(정지집게 코일, 이동집게 코일, 올림 코일) 형식의 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템에 적용되어, 상기 3종류 코일에 각각 전력을 공급하기 위한 3상 반파정류기를 제어함으로써 3종류 코일에 공급되는 전력을 제어하는 제어기로서,
    그 전체적인 구성은 상기 각 코일에 대응하는 각각의 3상 반파정류기를 제어하는 3그룹의 제어기군으로 구성되되, 각 그룹의 제어기군은 마스터/슬레이브 개념의 상위 제어기와 하위 제어기의 2개의 제어기로 각각 구성되고, 상위 및 하위의 각 개별 제어기는 디지털 신호의 처리를 위한 DSP(digital signal processor) 카드, 그 DSP 카드로 입출력되는 신호의 조건을 처리하는 신호조건처리 카드, DSP 카드로 디지털 신호가 원활하게 입력되도록 하는 디지털 입력신호 카드, DSP 카드로부터 디지털 신호가 원활하게 출력되도록 하는 디지털 출력신호 카드, 위의 제 구성요소들에 입력되는 전원을 감시하는 전원감시 카드 및 다른 구성요소와의 회로적 연결을 위한 백플레인(backplane)을 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템용 이중화 전력제어기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상위 제어기와 하위 제어기의 두 제어기 사이에는 적어도 각 개별 제어 기의 상기 DSP 카드의 정상 여부를 상대 제어기에 알려주는 하트비트 신호 라인, DSP 카드 외부에서의 이상 유무를 알려주는 보조신호 라인 및 마스터 제어신호를 추종하기 위한 제어전압 신호 라인이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템용 이중화 전력제어기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 각 전력제어기는 자기의 상태를 진단하고 이상이 없으면 보조 신호를 출력하여 서로의 상태를 감시할 수 있도록 구성되는 한편, 와치독(watch dog) 타이머 기능에 해당하는 하트비트 신호를 펄스 형태로 출력하여 서로의 상태를 감시하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템용 이중화 전력제어기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력제어기는 자동 또는 수동 조작에 의한 이중 고정이 가능하도록 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 원자로 제어봉 구동장치의 제어시스템용 이중화 전력제어기.
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