발전소 트립 원인 추적시스템(TIS) 개발

BNF테크놀로지㈜_이순성 이사 (042)934-8634 / www.bnftech.com 개요 전기와 열을 동시 생산하는 정상 운전 중 발전설비나 열 공급 설비에 갑작스럽게 트립(고장)이 발생하면 가동이 중단되어 경제적인 손실뿐 아니라 열 충격 등에 의한 설비 손상과 같은 피해를 발생시킨다. 따라서 신속하게 트립 원인을 파악하고 적절한 조치 후 빨리 재가동함으로써 발전소 가동 중지로 인한 경제적인 피해를 최소화하는 것이 중요하다. 발전소 트립 발생 시 트립 원인을 신속하게 파악하기 위해서는 분산 제어 시스템(DCS : Distributed Control System) 제어 로직 도면과 SOE(Sequence of Event) 보고서를 분석할 수 있는 고도로 숙련된 전문 인력이 필요하다. 그러나 전문가나 선(先)경험자가 없는 경우 신속한 원인 파악 및 조치를 취하는 데 어려움이 발생하며, 이로 인해 설비 정지기간이 길어져 가동 중단에 의한 과다한 비용 손실이 발생한다. 또한 전문가나 선경험자가 분석하는 과정에서도 DCS 제어 로직 도면과 SOE 보고서 등을 수작업으로 일일이 분석하고 조치하기 때문에 사고 분석에 많은 시간과 노력이 필요할 뿐 아니라, 재현성 없는 뇌서지의 영향으로 추측되는 애매모호한 트립의 경우에는 원인을 단지 추정에 의존하기도 하므로 빨리 원인을 파악하고 재가동해야 하는 발전소에 큰 부담이 된다.

[그림 1] BNF테크놀러지(주)의 발전소 트립 원인 추적시스템 시연회

컴퓨터와 소프트웨어 기술 발전으로 DCS 성능이 향상되고 선진 제어 기술도 개선되고 있지만, 국내는 물론 해외에서도 트립 원인을 전문적으로 분석하기 위한 시스템은 전무한 실정으로, 일부 외국 DCS에 그것도 아주 제한된 기능만이 적용되어 있을 뿐이다. 따라서 발전소에서 발생되는 트립 원인 추적에 대한 획기적인 해결책 마련이 절실했다. 이에 BNF테크놀로지㈜는 한국남동발전㈜를 포함한 발전5사의 지원을 받아 자동으로 트립 원인을 추적하고 트립에 관련된 종합적인 정보를 제공하여 미숙련된 발전소 운전원 및 유지정비 요원이라도 트립 원인을 쉽게 파악하고 조치할 수 있는 시스템을 개발하게 됐다. 개발된 ‘발전소 트립 원인 추적시스템(TIS)’은 수작업으로 수행하던 기존 발전소 트립 원인 분석 업무를 전산화 및 자동화하고, 전문가의 노하우와 경험 데이터를 활용하여 DCS에 미숙련된 운전원 및 정비원도 최대한 짧은 시간 내에 트립 원인을 파악하고 조치하도록 유용한 정보를 제공하는 운전 지원 시스템이다. 또한 더 나아가 국내외 SI(시스템 통합) 업체들이 각 발전소 특성에 맞게 TIS(Trip-cause Information System)를 구현할 수 있도록 제품화했다. 과제 진행 과정 1. 1차년도 : 2005년 6월 24일 ~ 2005년 12월 31일 ① DCS 제어 로직 및 발전소 P&ID 도면 분석 ② 발전소 트립 로직 및 데이터베이스 구축 ③ 시스템 설계 2. 2차년도 : 2006년 1월 1일 ~ 2006년 12월 31일 ① 단위기기용 모의 설비 구성 및 평가 ② DCS 인터페이스 구축 ③ 시스템 구성 ④ 소프트웨어 개발 - DCS 데이터 취득 및 처리 엔진 개발 - 트립 발생 감시 및 원인 추적 엔진 개발 - Rule 감시, 이력 조회 및 전문가 메시지 표시 엔진 개발 - EWS 역할의 사용자 인터페이스 프로그램(TIS View) 개발 ⑤ 현장 설치 3. 3차년도 : 2007년 1월 1일 ~ 2007년 6월 24일 ① 스팀 터빈용 트립 원인 추적 시스템 시제품 제작 및 통합 ② 현장 병렬 시험 및 평가 발전소 트립 원인 추적시스템 1. 기술 특징 ⑴ 기술적 측면 발전소 트립 원인 추적시스템은 제어 로직을 역추적하여 자동으로 트립 원인과 경로를 분석하는 국산 신기술로, 전문가 경험 및 트립 사례와 정비 지식을 저장할 수 있는 지식 기반 데이터베이스를 구축함으로써 운전원에게 조언이 가능한 지능형 Rule 기반 전문가 시스템(Rule Based Expert System)이다. 과거 트립 발생 전후 공정 상태를 저장하고 정확하게 복구하며, 자동 기동 정지 단계 및 주요 트립 신호의 Set-point 마진을 감시하여 트립을 사전에 예방할 수 있다. ⑵ 경제적 측면 이 개발 시스템을 복합화력발전소에 적용하여 트립 복구 시간을 1일 감소한다고 가정하면 발전소 설비 가동으로 인한 약 1억 원 이상의 직접적인 기대 효과를 볼 수 있다. 또한 발전소 트립을 신속히 복구하고 사전에 예방하여 발전소 가동률을 향상시키고 유지 보수비용을 절감함으로써 부가적인 경제적 효과를 얻을 수 있다. 한편 향후 국내 시장에서 기술력이 입증되고 참조 발전소(Reference Site)가 확보되면 해외 화력발전소에도 수출 가능할 뿐 아니라 자체 원천 기술을 확보함으로써 외국업체로부터의 기술 의존을 탈피, 운전지원 시스템의 국산화 및 국가 기술 경쟁력에도 기여할 수 있다. 2. 주요 기능 ⑴ Trip Margin Monitor Trip Margin Monitor 기능은 실시간으로 운전되는 수천 개의 발전소 입·출력 신호들 중에서 트립 신호의 정상운전 대비 트립의 여유 정도를 감시하는 기능으로, 특히 내부적으로 운전 값의 변화 추이를 계산하여 운전원에게 트립 유발 가능성이 가장 높은 신호를 쉽게 인지하도록 지원한다. · 발전소 주요 설비의 운전 상황(Trip 여유도)을 방사형 그래프로 출력 · Trip 신호들의 현재 값이 Trip 설정치에 얼마나 근접했는가 표시 · Trip 신호들의 현재 값이 Trip 설정치에 얼마나 빨리 근접하는가 표시 · 운전값의 변화 추이에 따라 Trip 사전 경보를 문자 또는 음향으로 표시 · 운전 모드에 따른 정상운전 영역 설정 기능 지원 ⑵ Trip Logic Editor Trip Logic Editor는 트립 로직을 편집하는 전용 툴로, 운전원이 IEC 61131-1 규격의 로직 개발 언어를 모두 사용하여 로직 작성 및 변경이 용이하다. · 발전소 제어시스템의 트립 로직 편집 · 트립 로직 저장 및 관리 · IEC 61131-3 규격에서 정의한 6개의 Language (IL, ST, LD, FBD, CFC, SFC) 지원 ⑶ Online Logic Simulator Online Logic Simulator는 발전소 분산제어시스템(DCS)과 병렬로 운전하면서 실시간으로 발전소 주요 설비에 대한 제어 로직의 운전상태 변경 및 추이 분석이 가능한 시뮬레이션 기능이다. · 설비 운전 중에 제어 로직의 입력신호 값을 변경하면 해당 제어출력의 연산 결과 표시 · 제어시스템 로직의 내부 변수에 대한 조회 및 변경 가능 · 제어시스템 로직 시뮬레이션 연속 실행 및 정지 기능 지원 ⑷ Trip Cause Tracker Trip Cause Tracker는 발전소 분산제어시스템(DCS)에서 트립이 발생하는 경우 최종 트립 신호를 기준으로 하부의 제어 로직 경로를 역추적하여 최초에 원인이 된 신호까지 자동으로 추적하여 표시하는 기능이다. · 트립이 발생하면 자동으로 Trip Mode로 전환되어 트립 경로추적 기능 작동 · 최종 트립 신호를 기준으로 하부의 제어 로직을 역추적하여 최하단 원인 신호 표시 · 트립 경로에 포함된 모든 신호, 연산자 그리고 연결선이 순차적으로 강조되어 표시 · 최초 원인 신호에 대한 상세 정보(계기 및 기기 사양)를 자동으로 표시 · 데이터베이스를 검색하여 트립 추정 원인, 결과 그리고 해결방안 정보를 표시 · 트립 보고서 생성, 저장, 프린트 및 관리 기능 지원 ⑸ Trip Analyzer Trip Analyzer는 트립 로직 도면상에서 트립 발생 전후의 과거 값들을 시간대별로 복구하여 표시함으로써 제어 시스템이 과거에 어떤 단계를 거쳐 트립 상태에 도달하였는지를 상세하게 분석하는 기능이다. · 트립 발생 전후 30분간의 모든 데이터를 자동으로 저장 및 관리 · 저장된 트립 전후 데이터를 원하는 시간대 별로 로직 도면상에서 복구 · 과거에 발생한 트립 리포트에 대한 모든 이력 정보를 저장 및 관리 · 과거 트립 사례의 원인 신호 및 추적 경로를 로직 도면상에서 재현 3. 지적재산권 확보 ⑴ 특허 취득 : 10-2007-0089005, 2008년 산업 플랜트의 트립 원인 추적 방법 및 그 시스템 ⑵ 신기술인증(NET) : 제0162호, 2007년 DCS와 병렬운전을 통한 정지로직 역추적방식 트립 원인 자동 분석 기술

[그림 2] TIS 인터페이스 구조도

[그림 3] TIS Overview

[그림 4] TIS 통합화면 모드

(a) 트립 발생 감지 화면 (b) 트립 원인 신호 추적 화면 (c) 트립 원인 신호 세부 정보화면 (d) 트립 신호 감시 화면 [그림 5] TIS 실행 화면

기술 적용 개발된 시스템에 대한 현장 실증시험은 발전소의 특성상 자주 기동 및 정지하는 복합화력발전소를 대상으로 선정했다. 한국남동발전㈜의 지원 하에 2006년 12월부터 분당 복합화력발전소의 스팀 터빈에 시제품을 설치하여 각종 기능 및 성능 시험을 성공적으로 수용했으며, 지금도 계속 현장에서 운용하며 시스템의 안정성을 확인하고 기능 향상을 위한 테스트베드로 활용하고 있다. 이 제품은 2008년 한국 표준형 500㎿ 석탁화력발전소인 한국서부발전㈜의 태안 화력발전소 7호기에 적용 중에 있다. 2008년 12월 완공 예정인 본 시스템은 보일러 및 터빈을 위한 2대의 서버와 4대의 클라이언트로 구성되며, 특히 발전소 주제어반에 설치되는 대형 트립 여유도 모니터를 추가하여 트립 이전에 사고를 예방하는 한층 업그레이드된 운전 기원 기능을 포함하고 있다. 기대 효과 및 활용 방안 1. 기술적 측면 트립 원인 추적에 관한 신기술을 개발함으로써 설비 관리 효율과 가동률을 향상시키고, 국내 전력 산업계에서 많은 어려움을 겪고 있는 트립 원인 분석 및 조치 업무에 대한 전문가 의존도를 낮출 것으로 기대한다. 또한 발전소 트립 원인 추적에 관한 원천 기술과 트립 및 제어 프로세스에 대한 노하우, 트립 이력 축적 활용 방법 등의 운전 지원 기술들을 개발함으로써 외국 업체에 대한 기술 종속을 탈피할 수 있는 원천 기술을 확보할 수 있을 것이다. 개발 기술에는 기존 경험 많은 운전원의 노하우 및 절차서 내용을 데이터베이스화하여 신규 입사 미숙련 운전원이 트립 시 당황하지 않고 정확한 조치를 취할 수 있도록 한다. 이로 인해 발전소 운전을 통해 수 십 년간 쌓은 운영 노하우가 사장되지 않고 적극적으로 활용되도록 한다. 더 나아가 정유, 화학, 제철과 같이 안전이 중요시되는 유사 산업분야로 확장하여 선진 제어 기술의 국산화에 기여하고, 세계 유일 제품으로 남동발전과 협력하여 해외 수출을 추진함으로써 국가 기술 경쟁력 제고에 기여한다. 2. 경제적 측면 복합화력발전소 1블럭 적용만 고려해도 1일 발전이익이 약 1억 원이라면, 트립 원인 제거 및 재가동까지의 복구시간이 6시간 감소해도 2천 5백만 원 가량의 발전 수익 효과가 있을 것으로 기대된다. 따라서 모든 발전소에 적용할 경우 막대한 국가적 손실을 줄일 수 있을 것이다. 또한 트립 사고를 사전에 예방함으로써 설비 손상을 방지하여 유지 보수 비용을 절감할 수 있고, 정비 요원의 현장 점검 시간이 절약, 정비 효율성이 제고되어 더욱 효율적인 예방 점검 업무가 가능해진다. 이순성(李淳盛) 1992년~1996년 한국원자력연구소 선임연구원. 1997년~2000년 한국전력기술주식회사 책임연구원. 2000년부터 현재 BNF테크놀로지㈜ 이사 트립 발전소의 경우 출력운전 중 제어범위를 넘어서거나 장애 발생시 출력 운전을 중지시키는 것 분산제어시스템(DCS) 자동제어 프로그램이 내장된 여러 개의 제어용 컴퓨터를 기능별로 분산시켜 위험을 최소화시키고 전체 관리는 중앙에서 집중감시 및 제어할 수 있도록 한 자동제어 시스템 수처리, 발전, 보일러, 제철, 석유화학 등 산업전반에 걸친 각종 공정의 제어 및 감시에 사용되는 핵심설비