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[미래형 친환경 전력기기] 원전 적용을 위한 DCS 국산화 방안
2010-12-07



LS산전㈜(www.lsis.biz)
Smart Grid 연구단_이동일 선임연구원
dilee1@lsis.biz

개요

원자력발전소 계측제어시스템은 안전과 신뢰성이 최우선시 되는 대표적인 안전필수(Safety-Critical)분야다. 지구온난화와 화석연료 고갈에 따른 원자력 신르네상스 시대를 맞이해 국내외 가동 원전의 업그레이드와 신규 원전 건설이 향후 몇 십 년간 지속될 것으로 예상된다. 따라서 국내 원자력 기술의 완전한 자립과 몇몇 해외 글로벌 기업이 독점하고 있는 세계 원전 시장 진출을 위해서는 원자력발전소 계측제어시스템의 국산화가 필수적이다.
KNICS(지식경제부 산하 원전계측제어시스템 개발) 사업단의 연구개발 보고서에 의하면 국내 원전계측제어시스템은 한국 고유 원자로인 ORP-1000 및 차세대 원전인 APR-1400의 개발과 건설을 통해 기본 설계 및 상세 설계 기술이 이미 국산화 된 상태이다. 그러나 제어기기 제작 및 설계 기술이 국산화 되지 못한 관계로 국내 원전에서 운용 중인 대부분의 계측제어시스템은 외산 제품을 사용하고 있는 실정이었다. 다행히 최근 제어기기 제작 및 기기설계 기술을 국산화하는 데 성공해 원자력발전소용 계측제어시스템의 완전한 자립을 이루는 기반을 마련했다. 사업단 계획에 의하면 개발된 제어기기의 국내 신규 원전 적용과 관련해 현재 차세대 원전인 신울진 1, 2호기 원전에 대한 적용을 준비 중이고, 이를 위해 통합성능 검증설비를 활용해 통합성능검증을 진행 중이다. 국내 가동 원전에도 적용을 추진하고 있으며, 일부는 현재 적용되어 운전 이력을 쌓고 있는 것으로 알려져 있다.

원전용 DCS의 필요요건

교육과학기술부 고시 제2009-37호 '원자로 시설의 안전등급과 등급별 규격에 대한 규정 고시'제4조에는 원자로 시설의 안전등급에 대한 일반요건을 규정하고 있다. 이 조항에 의하면 원자로 시설의 모든 설비는 안전등급 1, 2, 3 또는 비안전등급으로 분류돼야 하며 해당되는 등급이 부여돼야 한다. 따라서 원자로 시설은 크게 안전계통과 비안전계통으로 구분된다. 안전계통에 사용되는 제어기기는 안전등급을 획득한 PLC나 DCS 제품이 사용돼야 한다.
원전용 DCS(Distributed Control System)가 갖춰야 할 주요요건들을 부문별로 요약하면 다음과 같다.

 

<DCS 하드웨어>
- 100Mbps 제어/정보 통신 내장의 고성능 제어 CPU 모듈
- 채널별 아이솔레이션(Isolation)이 구비된 원전용 I/O 모듈
- 캐비닛, 터미널 블록 등 지진 및 전자파 내성을 가진 구조물
- 무순단 운전을 위한 이중화 기능 제공

<제어 소프트웨어>
- 제어 알고리즘 수행을 위한 다양한 기능 블록 제공
- 표준 제어 언어를 사용한 제어 로직 엔지니어링 기능 제공

<엔지니어링 툴>
- 시스템 구성, DB 태그, 제어로직 등을 사용자가 엔지니어링 할 수 있는 GUI(Graphical User Interface) 제공
- 온라인 모니터링 기능 제공

<운전화면 패키지>
- 운전자 화면 작화 및 모니터링이 가능한 그래픽 빌더 및 뷰어 제공
- 운전 정보들을 제공하는 트렌드, 이벤트, 레포트 조회 기능 제공

<제어/정보 통신망>
- 100Mbps 이상 급 결정론적 제어통신 기기 및 통신망

<하드웨어 기기 검증>
- 시스템의 성능 및 안전성을 입증하기 위한 시험 절차서 및 보고서 제공

<소프트웨어 V&V>
- 자체 개발한 시스템 전체 소프트웨어들에 대해 개발단계별 소프트웨어 V&V 수행


원전용 DCS의 국산화 방안

LS산전㈜는 발전주제어 분야에서 2001년 순수국산기술로 호남화력 2호기의 보일러 주제어시스템의 국산화 개발 및 적용을 성공한 후, 2003년 호남화력 1호기 보일러 주제어시스템, 2004년 평택화력 1, 2, 3, 4호기 보일러 주제어시스템, 2006년 일산복합 주제어시스템(HRSG, BOP, Turbine)을 적용한 실적을 가지고 있다. 이러한 실적과 제어시스템 노하우를 계승해 개발한 'MASTER P-5000'을 원전 비안전계통의 DCS로 적용할 수 있을지 가능성을 검토해 보고자 한다.

1. MASTER P-5000 시스템 구성도
MASTER P-5000 시스템 구성은 크게 Operation Level과 Process Level로 나뉜다.
Operator Level은 플랜트의 운영, 감시, 데이터관리, 알람 등 플랜트 운영에 있어 주요 기능을 담당하며, Process Level은 시퀀스 제어, 피드백 제어 등 다양한 제어 기능을 수행한다.

2. MASTER P-5000 이중화
MASTER P-5000은 고신뢰성 제공을 목적으로 개발됐으며, 최상위 DB Server에서부터 MPU Shelf를 거쳐 I/O 보드에 이르기까지 FULL 이중화시스템으로 구성할 수 있다.


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플랜트 제어시스템에 최적의 신뢰성을 제공하기위해 다음과 같은 사항을 이중화로 구성할 수 있다.

 
    · MPU SHELF 이중화(시스템 버스 및 전원)
    · 제어 네트워크 이중화
    · I/O Shelf 컨트롤러 이중화(DCU)
    · I/O Shelf 전원 이중화(SPS & DPS)
    · I/O 네트워크 이중화
    · I/O 보드 이중화
    · DB SERVER 이중화(DPC)
    · 정보 네트워크 이중화


3. MASTER P-5000 제어기
Master P-5000 시스템은 크게 4가지로 구성이 된다. 즉, ▲ 각종 제어 연산을 실행하는 Main Controller(MPU SHELF) ▲ 현장 신호와의 인터페이스가 일어나는 입출력(I/O Shelf) ▲ MPU 및 I/O Shelf를 연결하는 Data-Way ▲ 플랜트 운영에 필요한 전원부(PDU, DPS)로 구성된다.
MPU SHELF와 I/O Shelf 간 통신방식은 이더넷(Ethernet) 기반의 전용 프로토콜로 데이터를 주고 받으며 1개의 MPU Shelf 하부에 최대 8개의 I/O Shelf를 연결할 수 있으며, 디지털 3,072points 또는 아날로그 1,536points를 제어할 수 있다.

⑴ MPU Shelf
MPU Shelf는 Shelf 내 각 보드에 전원을 공급해주는 SPS, 제어연산 기능을 수행하는 MPU, I/O Shelf와 통신해 입출력 데이터를 갱신하는 FBC 및 이중화 구성 시 데이터 등치화 기능을 수행하는 DLU로 구성되어 있다. MPU Shelf는 I/O Shelf에 수집된 현장의 데이터에 대해 제어, 연산 및 알람 처리를 해 그 결과를 상위(HMI) 시스템에 통보하는 기능을 수행한다. MPU Shelf는 DLU, FBC, MEM, MFM, FMC 보드로 구성되며, Ethernet, Profibus, HART, TMTC 등 다양한 필드기기와 통신이 가능하다.

⑵ I/O Shelf
I/O Shelf는 현장계기로부터 데이터를 수집해 MPU Shelf에 전달하고, MPU Shelf의 제어 연산결과를 현장계기로 전달하는 역할을 담당한다. I/O Shelf는 Fail-safe 기능을 제공하며 MPU 에러, FBC 통신에러, DCU 에러 등 상위 레벨에서 문제발생 시 현재 보드의 출력 상태를 현재 값 혹은 사용자 지정 값 출력, 클리어 리셋 값으로 운영자가 설정할 수 있다.

I/O Shelf의 특징 및 장점은 다음과 같다.
    ① 모듈화 되어 장착이 쉬우며 장기간 신뢰성이 보장됨
    ②전원및모듈이중화구성으로시스템신뢰성제공
    ③Hot Swapping 기능으로연속적인시스템운영
    ④ 진단용 LED를 표시함으로써 상태 파악이 용이
    ⑤ Ethernet I/O 통신 방식으로 I/O Shelf 증설이 용이, 결선 및 공사 비용 절감
    ⑥ 현장기기들과 절연
    ⑦ 입출력에 대한 상태 LED
    ⑧ 자동 에러 감지, 자가 진단
    ⑨ 단선 체크 기능
    ⑩ 디지털 출력에 대한 단락 및 과부화 보호
    ⑪ 디지털 역전압 연결에 대한 보호
    ⑫ 아날로그 입력 채널 간 절연


4. Database Process Center(DPC)
DPC는 현장으로부터 데이터를 수집해 데이터베이스화 하고 이를 처리, 저장, 관리하는 기능을 수행하는 서버이며 주요 기능은 다음과 같다.
    ① 데이터 수집 및 데이터 처리 기능
    ② 고속의 데이터베이스 처리
    ③ 과거 이력 데이터 저장 기능
    ④알람처리및저장관리, 알람메시지음성출력
    ⑤ 운영자 인터페이스 기능(WDC에서 요구된 화면 데이터 처리)
    ⑥ 보고서 출력 기능
    ⑦대용량HDD 디스크로플랜트운영데이터저장
    ⑧ 시각 동기용 GPS Time Server 인터페이스
    ⑨ RCS/TMTC/SOE 제어기 시각 동기 지원


5. Workstation Display Center(WDC)
WDC는 Windows OS 환경에서 운영되는 최신의 오퍼레이터 스테이션으로서 시스템에 연결된 전체공정에 대한 상태 감시 및 운전조작을 수행하는 스테이션이며, DPC에서 가공 처리된 정보를 오퍼레이터가 원하는 형태로 사용하도록 다양한 화면 체계를 제공한다. 또한 필요에 따라 프린터, 하드카피 등 각종 주변기기를 연결해 사용자에게 최적의 감시 및 조작 환경을 제공해 준다.


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6. Engineering Workstation(EWS)
EWS는 Master P-5000의 시스템 운영에 있어 필요한 엔지니어링 데이터를 만드는 데 사용되는 워크스테이션으로서 각종의 Utility Software를 탑재해 운전에 필요한 화면, 데이터베이스, 제어 프로그램을 쉽고 편리하게 작성할 수 있으며, Network에 연결된 각종 기기에 대한 관리 기능도 제공한다.
EWS는 시스템 운전과는 별도로 운영되므로 전체 시스템 구성에 있어 설치 대수는 제한 없이 구성이 가능하나, 시스템의 구성 및 엔지니어링에 대한 독립성을 위해서 통상적으로 EWS는 1대로 구성하기를 권장한다. 또한 EWS 없이 시스템 구성도 가능하며, 이때에는 CCS에서 EWS의 기능까지 수행할 수 있도록 Stand-alone 형태로 구성이 가능하다.
그리고 EWS는 하위 컨트롤 스테이션의 구성에 따라 별도의 엔지니어링 프로그램이 있다.

마무리

원전용 DCS가 필요로 하는 기본요건과 MASTER P-5000이 제공하는 기능을 비교해 살펴본 결과 대부분 충족하는 것으로 보인다. 다만, 안전과 신뢰성이 최우선시 되는 원전 계측제어시스템 특성상이에 대한 검증이 필요하다. 이를 위해서는 한국원자력연구소 및 정부의 관련 핵심기관과의 긴밀한 교류가 필수적이다. 앞으로 LS산전㈜도 발전주제어 분야에서의 경험과 노하우를 바탕으로 원전 제어계측시스템에 진출할 수 있는 기회가 주어지기를 기대해 본다.

 
◈ 참고자료
· 《원전계측제어시스템 개발 과제 보고서 》원전계측제어시스템개발사업단, 2008.6.
· 《원전용 분산제어시스템 개발 》㈜우리기술, 2008.6.
· 《MASTER P-5000 시스템 설명서 》LS산전㈜

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