이진호
(Jin-Ho Lee)
1iD
김윤호
(Yun-Ho Kim)
1iD
김경화
(Kyung-Hwa Kim)
1iD
김지명
(Ji-Myung Kim)
1iD
전진택
(Jin-Taek Jeon)
1iD
노대석
(Dae-Seok Rho)
†iD
-
(Dept. of Electrical, Electronics and Communication Engineering, Korea University of
Technology and Education, Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Digital Governor, Diagnosis Devices, Hydro Power, Pumped-storage Power, Wicket Gate, Servomotor, Position Feedback
1. 서 론
수력・양수발전소의 핵심 제어설비인 디지털 조속기는 대부분 해외에서 설계・제작된 것으로, 지속적으로 국산화 개발을 수행하고 있지만 상용화는 미비한 실정이다(1,2). 이에 따라, 제품이 생산되고 일정 기간이 경과 하여 부품의 단종 및 서비스 지원이 중단되면, 예비품 확보 및 유지보수가 불가능한 상황이 되며,
한 개의 모듈에서 문제가 발생해도 시스템 전체를 교체해야 하는 상황이 발생한다(3-6). 또한, 조속기 제어기의 진단을 위한 온라인 시험은 wicket gate(W/G)가 열리므로 위험부담이 매우 크고, 디지털 및 아날로그 신호의 공급에
의하여 모듈을 진단할 수 없으며, 입력에 대한 출력 값과 서보기구를 드라이브하는 신호에 대한 해석이 매우 어려운 실정이다(7,8). 따라서, 본 논문에서는 수력 및 양수발전소에 사용되는 디지털 조속기 제어기의 고장 여부를 다양한 운용모드에 기반하여 오프라인으로 시험할 수 있는
고장진단장치를 제안한다. 즉, 7MW급 수력발전기용 조속기 제어기와 250MW급 양수발전용 조속기 제어기의 구성과 운용 메커니즘을 제시하고, 이를
바탕으로 수력발전기용 조속기 제어기 고장진단장치와 양수발전용 조속기 제어기 고장진단장치를 구현한다. 여기서, 고장진단장치는 Status S/W 콘솔부,
전원공급 장치부, DI/DO부, position feedback 모의장치부, W/G 제어기 모의장치부, 계통/발전기 주파수 공급장치부, 등으로 구성된다.
한편, 디지털 조속기는 연속적인 제어와 서보모터 및 main distributing valve(DIST) 포지션 등의 여러 가지의 파라미터를 바탕으로
운전되므로, 본 논문에서는 제시한 고장진단장치를 통해 조속기가 정상 동작할 수 있는 시험조건을 제시한다. 또한, 수력발전용 및 양수발전용 조속기 제어기
진단장치의 터빈모드, 펌프모드, 수동모드 등의 시험조건에 대한 모드별 운용특성을 분석한 결과, 여러 대의 조속기 제어기에서 정상적인 출력특성을 확인하였으며,
실제 현장에서 운용되고 있는 7MW급 수력발전용 조속기 제어기 2기와 250MW급 양수발전용 조속기 제어기 4기를 진단한 결과 다양한 고장상태를 정확히
파악하여, 본 논문에서 제시한 고장진단장치의 유효성을 확인할 수 있었다.
2. 수력 및 양수발전소용 디지털 조속기의 제어기 구성 및 운용 메커니즘
2.1 수력발전용 조속기의 N1000 제어기 특성
디지털 조속기는 수력 및 양수발전소의 핵심장치로 wicket gate를 통해 수량을 조절하여 수차발전기의 회전을 제어하는 역할을 수행한다. 그러나,
이러한 디지털 조속기는 주로 해외에서 설계・제작되며, 국내 수력 및 양수발전소에는 대부분 Alstom의 N1000 및 N1500 제어장치가 사용되고
있다. 여기서, Alstom을 제외한 대부분의 디지털 조속기 제어기는 신호를 출력하는 방식에 차이가 있지만, W/G의 피드백 신호를 통해 PWM 출력으로
W/G 포지션을 제어하고, 산업용 표준인 4~20mA의 피드백 신호를 사용하며, PWM 서보 제어형태의 유압 액추에이터 시스템을 적용하는 등의 유사한
동작 메커니즘 및 제어방식을 가진다. 먼저, 카플란 수차를 사용하는 7MW급 수력 발전소용 조속기의 전기적 제어장치는 그림 1과 같이 wicket gate(W/G)용 N1000 디지털 제어기, runner blade(R/B)용 N1000 디지털 제어기, SL1000과 LD1000으로
구성된 통신 변환장치로 구성된다. 여기서, W/G용 제어기는 디지털 토글 신호에 따라 설정치 만큼 일정 시간 동안 opening과 closing 동작
펄스를 출력한 후 holding 동작 펄스를 유지시키며, R/B용 제어기는 서보모터(피스톤)와 벨브 포지션의 연산을 통해 펄스 폭을 제어한다(9,10). 또한, SL1000은 RS232를 통해 감시제어장치(Status)용 S/W와 연결되고, LD1000은 다른 수력발전기의 디지털 조속기와 연동되고,
조속기 제어기의 통신방식은 RS485 시리얼 통신방식과
그림. 1. 조속기용 N1000 제어기의 전기적 시스템 구성
Fig. 1. Configuration of electrical system in N1000 controller for digital governor
그림. 2. 조속기용 N1000 제어기의 전기적 시스템 구성
Fig. 2. Configuration of electrical system in N1000 controller for digital governor
유사한 GANP network가 적용된다. 여기서, GANP network 통신방식은 디지털 조속기와 제어기 또는 디지털 조속기와 다른 조속기의 데이터
전송을 위한 필드버스로 그림 2와 같이 RS485와 RS232의 가역 컨버터 역할을 수행할 수 있다.
2.2 양수발전용 조속기의 N1500 제어기 특성
국내의 250MW급 양수발전소에서 사용되고 있는 디지털 조속기의 전기적 시스템은 그림 3과 같이 upper와 lower W/G용 N1500 디지털 제어기와 speed tachometer ADT1000으로 구성된다. 여기서, N1500
제어기는 카플란 수차에 적용되는 N1000 조속기와 달리, 두 개의 이중 프란시스 수차에 사용되므로 upper W/G와 lower W/G에 적용된다(11,12). 또한, N1500 디지털 제어기는 processor 모듈(UCT)의 RS232를 통해 Status용 S/W 콘솔과 연결되며, TR10 actuator
제어용 신호를 통해 upper와 lower W/G를 제어한다. 한편, ADT1000은 발전기 로터에서 측정되는 두 개의 redundancy 주파수
신호를 통해, 스피드 접점 신호를 제공하고 4~20mA의 아날로그 신호로 전송한다.
그림. 3. 조속기용 N1500 제어기의 전기적 시스템 구성
Fig. 3. Configuration of electrical system in N1500 controller for digital governor
2.3 디지털 조속기의 기계적 제어기 구성 및 운용 메커니즘
수력 및 양수발전소용 디지털 조속기의 기계적 제어기 구성은 그림 4와 같다. 여기서, 그림 4(a)는 N1000 제어기의 기계적 운용 메커니즘을 나타내고, 그림 4(b)는 이중 터빈구조의 N1500 제어기를 나타낸다. 즉, 이 디지털 조속기는 펄스 폭 제어방식에 의하여 TR10 actuator를 통해 main distributing
valve(DIST V/V)를 제어하며, 이 밸브의 spool 위치에 따라 서보모터의 속도 및 위치를 제어한다(13). 한편, 서보모터 동작에 의한 W/G의 운용 메커니즘을 나타내면 그림 5와 같다. 여기서, 두 개의 서보모터(피스톤)는 각각 반대 방향으로 설치되어 개폐 동작을 수행하고, W/G용 position sensor는 어느 하나에만
설치하여 W/G의 개도를 측정한다.
그림. 4. 디지털 조속기의 기계적 제어기 구성
Fig. 4. Configuration of mechanical control system in digital governor
그림. 5. Wicket gate의 운용 메커니즘
Fig. 5. Operation mechanism of wicket gate
3. 수력 및 양수발전용 디지털 조속기의 고장진단장치 구현
3.1 N1000 제어기용 고장진단장치 구현
수력·양수발전소에 사용되는 N1000 제어기는 기존 제조사에서 별도의 고장진단방법이 제시되지 않아 조속기 제어기의 전기적 신호에 대한 해석이 매우
어려운 실정이다. 또한, 디지털 제어기는 SD1000/LD1000 모듈을 이용하여 마스터-슬레이브 구조의 양방향 통신을 수행하는데, 부품의 단종 및
서비스 지원이 중단 등의 이유로 SD1000/LD1000의 예비품이 공급되지 않기 때문에, 본 논문에서는 조속기의 구조와 동작 메커니즘을 바탕으로
전기적인 신호분석을 통해 디지털 조속기를 평가할 수 있는 고장진단장치를 제안한다. 여기서, N1000 제어기 고장진단장치는 그림 6과 같이, 네트워크 인터페이스부, Status S/W 콘솔부, 전원공급 장치부, DI/DO부, position feedback 모의장치부, W/G
및 R/B 제어기 모의장치부, 발전기 주파수 공급장치부로 구성된다. 먼저, 네트워크 인터페이스부는 N1000 제어기와 연동할 수 있도록 구성하며,
본 논문에서는 네트워크의 통신방식으로 표 1과 같이 RTS 지원 RS485 converter를 적용한다. 여기서, N1000 제어기는 SD1000/LD1000 모듈을 이용한 독자적인 인터페이스를
구현하므로, 일반적인 통신방식인 일반 RS485/422 converter, Modbus master, Profibus DP master은 통신 프로토콜이
다르기 때문에 조속기 제어기의 모니터링을 수행할 수 없으나, RTS 기능을 지원하는 RS485 컨버터는 GANP network를 통해 Status
S/W 콘솔부에 접속하여 모니터링 기능을 수행할 수 있다. 한편, Status S/W 콘솔부는 GANP network를 통해 디지털 및 아날로그 신호와
제어 연산용 파라미터에 대한 모니터링 기능을 수행하며, 전원공급 장치부는 AC/DC 컨버터를 통해 디지털 조속기의 정격 입력전압인 DC 125V를
공급한다. 또한, DI/DO부는 조속기에 기동 및 각종 명령을 전달하기 위한 입력과 상태 및 fault 등을 확인할 수 있는 출력으로 구성되고, position
feedback 모의장치부는 W/G의 개도 및 DIST V/V의 spool 포지션을 0~20mA(4mA~20mA)의 아날로그 신호로 공급하며, W/G
및 R/B 제어기용 모의장치부는 W/G 및 R/B의 개도 신호를 측정한다. 한편, 표 2는 N1000 제어기의 출력터미널과 조속기 고장진단장치와 연결되는 단자의 입・출력 상태 및 기능을 나타낸다. 여기서, ETOR은 D/I 신호로 조속기의
각 장치에 지령을 내리고, STOR은 D/O 신호로 조속기의 상태를 나타낸다. 또한, sensor input No.1은 서보모터의 포지션(SM position)을
의미하고, 4~20mA의 아날로그 신호를 입력받으며, sensor input No.2는 DIST V/V position을 의미하고, 0~20mA의
아날로그 신호를 입력받는다.
그림. 6. N1000 제어기용 고장진단장치의 구현
Fig. 6. Configuration of diagnosis device in N1000 controller
표 1. N1000 네트워크 인터페이스 구현을 위한 통신방식
Table 1. Simulation conditions
|
네트워크 통신방식
|
모니터링
|
비 고
|
|
일반 RS485/422 converter
|
x
|
|
|
MOD Bus Master
|
x
|
|
|
profibus DP master
|
x
|
|
|
RTS 지원 RS485 converter
|
◎
|
|
|
SL1000/LD1000
|
△
|
예비용 없음
|
표 2. N1000 제어기용 고장진단장치의 입출력 연결 및 기능
Table 2. Configuration and function of fault diagnosis device in N1000 controller
|
터미널번호
|
신호명
|
내 역
|
|
1
|
ETOR0
|
validation of the external analog setpoint
|
|
2
|
ETOR1
|
startup order
|
|
3
|
ETOR2
|
operation in positioner mode
|
|
4
|
ETOR3
|
pre-positioning validation(optional)
|
|
5
|
ETOR4
|
+ speed / load
|
|
6
|
ETOR5
|
- speed / load
|
|
7
|
ETOR6
|
circuit breaker open.
|
|
8
|
ETOR7
|
pre-positioning 2 (optional).
|
|
10
|
+12v
|
supply of TOR logic inputs
|
|
11
|
STOR0
|
major fault
|
|
12
|
0v
|
com
|
|
13
|
STOR1
|
threshold I
|
|
14
|
STOR2
|
threshold II
|
|
15
|
+12v
|
supply of external governor relays.
|
|
16-17
|
EFREQ
|
unit frequency input
|
|
18-19
|
SANA1
|
analog output 1
|
|
20-21
|
SANA2
|
analog output2 (optional)
|
|
22-23
|
EANA1
|
external setpoint I
|
|
24-25
|
EANA2
|
external opening limitation or pressure head
|
|
26
|
+12v
|
supplies for sensor input No.1
|
|
27
|
EANA3
|
sensor input No.1
|
|
28
|
-12v
|
supplies for sensor input No.2
|
|
30
|
EANA4
|
sensor input No.2
|
|
31
|
-12v
|
supplies for sensor input No.2
|
|
32-33
|
EANA5
|
measure power or level
|
|
39
|
+12v
|
supplies for sensor input No.2
|
|
|
|
BN1
|
125Vdc
|
조속기 입력전원공급
|
|
BN2
|
PWM
|
W/G 모의장치부에 연결 (TR10 actuator 구동펄스 출력)
|
3.2 N1500 제어기용 고장진단장치 구현
N1500 제어기 고장진단장치는 그림 7과 같이, Status S/W 콘솔부, 전원공급 장치부, DI/DO부, position feedback 모의장치부, W/G 제어기 모의장치부, 계통/발전기
주파수 공급장치부, 발전기 로터 주파수 공급장치부, 접점 출력 표시부로 구성된다. 즉, N1500 제어기 고장진단장치는 N1000 제어기 고장진단장치와
유사하지만, processor 모듈에 RS232로 통신을 수행할 수 있으므로 네트워크 인터페이스부가 포함되지 않는다. 여기서, Status S/W
콘솔부는 디지털 및 아날로그 신호와 제어 연산용 파라미터에 대한 모니터링 기능을 수행하며, 전원공급 장치부는 AC/DC 컨버터를 통해 디지털 조속기의
정격 입력전압인 DC 125V를 공급한다. 또한, DI/DO부는 조속기에 기동 및 각종 명령을 전달하기 위한 입력과 상태 및 fault 등을 확인할
수 있는 출력으로 구성되고, position feedback 모의장치부는 W/G와 DIST V/V의 position에 따라 아날로그 신호를 제어기에
전달한다. 한편, W/G 제어기 모의장치부는 upper와 lower W/G의 개도를 측정하며, 계통/발전기 주파수 공급장치부는 조속기 제어기에 계통주파수와
발전기 출력주파수를 전달한다. 표 3은 N1500 제어기와 본 연구에서 구현한 고장진단장치에 연결되는 신호의 종류와 기능을 나타낸다. 여기서, ESB 모듈과 연결되는 ETOR은 D/I
신호로 조속기의 각 장치에 지령을 내리고, STOR은 D/O 신호로 조속기의 상태를 나타내며, EFREQ는 계통/발전기 주파수를 공급한다. 또한,
조속기 서브랙 우측하단부에 위치한 BP1 터미널에 전원공급장치부(BAT P.S)가 연결되고, VS1, VS2에 W/G 제어기 모의장치부가 연결된다.
한편, BN1 터미널에 수동조작을 위한 신호가 연결되며, BN2와 BN3 터미널의 SM1과 SM2는 각각 upper 및 lower W/G의 서보모터
position을 나타내며, DIST1과 DIST2는 upper 및 lower DIST V/V position으로, 4~20mA의 feedback
신호를 제어기에 전달한다.
그림. 7. N1500 제어기용 고장진단장치 구현
Fig. 7. Configuration of diagnosis device in N1500 controller
표 3. N1500 제어기용 고장진단장치의 입출력 구성 및 기능
Table 3. Configuration and function of fault diagnosis device in N1500 controller
|
ESB1 모듈
|
ESB2 모듈
|
|
BC1 터미널
|
BC1 터미널
|
|
19-20
|
ETOR2
|
circuit BRK open
|
19-20
|
ETOR2
|
lower opening limiter setting
|
|
17-18
|
ETOR1
|
turbine mode
|
17-18
|
ETOR1
|
raise opening limiter setting
|
|
15-16
|
EFRQ
|
TAC1 (FG.)
|
15-16
|
EFRQ
|
TAC2 (FR)
|
|
BC2 터미널
|
BC2 터미널
|
|
12-13
|
STOR1
|
major fault
|
10-11
|
ETOR8
|
lower load/freq. setting
|
|
2-3
|
ETOR4
|
pump mode
|
8-9
|
ETOR7
|
raise load/freq. setting
|
|
BP1 터미널
|
|
7-8
|
BAT P.S
|
battery P.S
|
|
5-6
|
VS1
|
PUI1 module output (TR10 actuator 구동펄스 출력)
|
|
3-4
|
VS2
|
PUI2 module output (TR10 actuator 구동펄스 출력)
|
|
BN1 터미널
|
|
4
|
POS+
|
manual control + direction
|
|
3
|
24V pos
|
24V postioner
|
|
2
|
POS-
|
manual control - direction
|
|
BN2 터미널
|
|
8-9
|
SM1
|
servomotor pos 1
|
|
6-7
|
DIST1
|
main distribution v/v 1
|
|
BN3 터미널
|
|
8-9
|
SM2
|
servomotor pos 2
|
|
6-7
|
DIST2
|
main distribution v/v 2
|
4. 시험결과 및 분석
4.1 디지털 조속기 고장진단장치의 시험조건
4.1.1 N1000 제어기 고장진단장치의 시험조건
N1000 디지털 조속기 제어기를 진단하기 위한 시험조건은 표 4와 같다. 여기서, 고장진단장치의 통신방식은 RTS 지원 RS485 converter이며, 고장진단장치는 sensor No.1의 feedback 신호를
일정하게 공급하고 sensor No.2의 feedback 신호를 4~20[mA]으로 인가하여 actuator 구동펄스 출력특성을 확인한다. 또한,
조속기 제어기의 동작모드는 DI/DO부의 ETOR1을 통해 결정되며, 조속기 정격 입력전압은 전원공급 장치부를 통해 125[Vdc]로 공급된다.
표 4. N1000 제어기 고장진단장치의 시험조건
Table 4. Test conditions of fault diagnosis device in N1000 controller
|
항 목
|
내 역
|
|
네트워크 인터페이스부
|
통신방식 - RTS 지원 RS485
|
|
position feedback 모의장치부
|
feedback 신호 - 4~20[mA]
|
|
DI/DO부
|
W/G 동작모드 - ETOR1 토글
|
|
R/B 동작모드 - ETOR1 턴-온
|
|
전원공급장치부
|
조속기 정격 입력전압 - 125[Vdc]
|
4.1.2 N1500 제어기 고장진단장치의 시험조건
N1500 디지털 조속기 제어기를 진단하기 위한 시험조건은 표 5과 같다. 여기서, N1500 디지털 조속기의 actuator 구동펄스는 upper 및 lower W/G의 SM position, upper 및 lower
DIST V/V position과 발전기 주파수에 따라 출력된다. 즉, 고장진단장치는 upper W/G SM position을 8.40[mA], lower
W/G SM position을 9.25[mA], upper DIST V/V position을 6.55[mA], lower DIST V/V position을
7.40[mA]로 상정하여, 발전기 주파수를 변화시켜 actuator 구동펄스 출력특성을 확인한다. 여기서, 각각의 position feedback
신호는 Status S/W 콘솔부에서 0으로 인식되는 수치이며, SM position과 DIST V/V position의 값이 일정 범위 이상이 되면
디지털 조속기의 major fault가 발생할 수 있다. 또한, 조속기 제어기의 동작모드는 DI/DO부의 입출력 신호에 따라 결정되며, ETOR1이
턴-온되면 터빈모드, ETOR4가 턴-온되면 펌프모드, MANU1이 턴-온되면 수동모드를 나타낸다. 또한, DI/DO부의 MANU2가 턴-온되면 lower
W/G, 턴-오프되면 upper W/G가 선정된다.
표 5. N1500 제어기 고장진단장치의 시험조건
Table 5. Test conditions of fault diagnosis device in N1500 controller
|
항 목
|
내 역
|
|
position feedback 모의장치부
|
upper W/G SM position
|
8.40[mA]
|
|
lower W/G SM position
|
6.55[mA]
|
|
upper DIST V/V position
|
9.25[mA]
|
|
lower DIST V/V position
|
7.40[mA]
|
|
DI/DO부
|
터빈모드
|
ETOR1 턴-온
|
|
펌프모드
|
ETOR4 턴-온
|
|
수동모드
|
MANU1 턴-온
|
|
upper W/G
|
MANU2 턴-오프
|
|
lower W/G
|
MANU2 턴-온
|
|
발전기주파수 공급장치부
|
발전기 주파수
|
0~61[Hz]
|
|
전원공급장치부
|
조속기 정격 입력전압
|
125[Vdc]
|
4.2 N1000 제어기 고장진단장치의 운용특성
4.2.1 W/G의 운용특성
W/G용 제어기의 actuator 구동펄스 출력특성은 그림 8과 같다. 여기서, 고장진단장치는 sensor No.1의 feedback 신호를 4[mA]로 일정하게 유지하고, sensor No.2의 feedback
신호를 변화시킨다.
즉, 그림 8(a)는 양의 펄스폭과 음의 펄스폭이 같은 holding position 상태를 나타내고, 그림 8(b)는 음의 펄스폭이 양의 펄스폭보다 큰 opening position 상태이며, 그림 8(c)는 양의 펄스폭이 음의 펄
그림. 8. W/G용 N1000 제어기의 actuator 구동펄스 출력특성
Fig. 8. Waveform of actuator driving pulse in N1000 controller for W/G
그림. 9. 4-20mA feedback 신호에 대한 W/G 동작특성
Fig. 9. Operation characteristics of W/G for 4-20mA feedback signal
스폭보다 큰 closing position 상태를 나타낸다. 먼저, actuator 구동펄스는 초기에 holding position을 유지한다. 또한,
4-20mA feedback 신호에 대한 W/G 제어기의 동작 특성은 그림 9와 같이 나타낼 수 있다. 즉, sensor No.2의 feedback 신호를 4, 8, 12, 16, 20[mA]에서 ETOR1을 토글하면, actuator
구동펄스는 opening position을 수 초간 유지하고 holding position 상태로 돌아간다. 또한, feedback 신호가 셋 포인트에
도달하면 더 이상 opening position을 수행하지 않고 holding position 상태를 유지한다. 한편, sensor No.2의 feedback
신호를 16, 12, 8, 4[mA] 에서 ETOR1을 토글 시키면, actuator 구동펄스는 closing position을 수 초간 유지하고
holding position 상태로 돌아간다.
4.2.2 R/B의 운용특성
R/B용 제어기의 opening 동작에 대한 actuator 구동펄스 출력특성은 그림 10과 같다. 여기서, 고장진단장치는 sensor No.1의 feedback 신호를 20[mA]으로 일정하게 유지하고, sensor No.2의 feedback
신호를 4[mA]에서 20[mA]으로 증가시킨다. 즉, 그림 10(a)는 sensor No.2의 feedback 신호를 4[mA]에서 14[mA]까지 증가시킨 경우의 출력특성으로, actuator 구동펄스는 음의 폭이
양의 폭보다 매우 크기 때문에 opening position 상태를 나타낸다. 그림 10(b)는 sensor No.2의 feedback 신호를 15[mA]으로 인가된 출력특성으로, actuator 구동펄스는 음의 폭이 약간 감소하지만 opening
position 상태를 유지한다. 또한, 그림 10(c)는 sensor No.2의 feedback 신호가 16[mA]으로 인가된 출력특성으로, actuator 구동펄스는 음의 폭과 양의 폭이 동일하여 holding
position 상태임을 알 수 있다. 한편, 그림 10(d)는 sensor No.2의 feedback 신호가 17[mA]에서 20[mA]으로 인가된 경우의 출력특성으로, actuator 구동펄스는 양의 폭이
음의 폭보다 매우 커 closing position 상태임을 알 수 있다.
한편, R/B용 제어기의 closing 동작에 대한 actuator 구동펄스 출력특성은 그림 11과 같다. 여기서, 고장진단장치는 sensor No.1의 feedback 신호를 4[mA]으로 일정하게 유지하고, sensor No.2의 feedback
신호를 20[mA]에서 4[mA]으로 감소시킨다. 먼저, 그림 11(a)는 sensor No.2의 feedback 신호를 20[mA]에서 11[mA]으로 감소시킨 경우의 출력특성으로, actuator 구동펄스
그림. 10. R/B용 N1000 제어기의 opening 동작 운용특성
Fig. 10. Opening characteristics of actuator driving pulse in N1000 controller for
R/B
의 양의 폭이 음의 폭보다 매우 크기 때문에 closing position 상태를 나타낸다. 그림 11(b)와 (c)는 sensor No.2의 feedback 신호가 10[mA]과 9[mA]으로 인가된 출력특성으로, actuator 구동펄스의 양의 폭이 감소하지만
closing position 상태를 유지한다. 한편, 그림 11(d)는 sensor No.2의 feedback 신호가 8[mA]에서 4[mA]으로 인가된 출력특성으로, actuator 구동펄스의 양의 폭과 음의 폭이
동일하여 holding position 상태임을 알 수 있다.
그림. 11. R/B용 N1000 제어기의 closing 동작 운용특성
Fig. 11. Closing characteristics of actuator driving pulse in N1000 controller for
R/B
4.3 N1500 제어기 고장진단장치의 운용특성
4.3.1 터빈모드의 운용특성
N1500 제어기의 터빈모드 출력특성은 그림 12와 같다. 여기서, 고장진단장치는 SM position과 DIST V/V의 feedback 신호를 일정하고 유지하고, 발전기 주파수를 0에서 60[Hz]로
증가시킨다. 먼저, 그림 12(a)는 터빈모드 기동시 출력특성을 나타내며, 발전기 주파수를 0에서 50.95[Hz]까지 인가시키면, upper W/G와 lower W/G의 actuator
구동펄스는 음의 폭이 양의 폭보다 매우 크기 때문에 opening position 상태를 유지함을 알 수 있다. 그림 12(b)는 발전기 주파수를 50.96[Hz]로 인가시킨 경우의 출력특성으로 upper W/G의 actuator 구동펄스는 양의 폭이 음의 폭보다 매우 크기
때문에 closing position 상태이며, lower W/G의 actuator 구동펄스는 양의 폭과 음의 폭이 동일하여 holding position
상태임을 알 수 있다. 또한, 그림 12(c)는 발전기 주파수를 59.94[Hz]로 인가시킨 경우의 출력특성을 나타내며, upper W/G의 actuator 구동펄스는 closing position
상태를 유지하고, lower W/G의 actuator 구동펄스는 음의 폭이 증가하여 opening position 상태로 변화됨을 알 수 있다. 한편,
그림 12(d)는 발전기 주파수가 60[Hz]로 인가된 출력특성으로, upper W/G와 lower W/G의 actuator 구동펄스는 음의 폭이 양의 폭보다 매우
크기 때문에 opening position 상태를 유지함을 알 수 있다.
그림. 12. N1500 제어기의 터빈모드 운용특성
Fig. 12. Actuator operation characteristics of turbine mode in N1500 controller
4.3.2 펌프모드의 운용특성
N1500 제어기의 펌프모드 출력특성은 그림 13과 같다. 여기서, 그림 13(a)는 펌프모드 기동시 출력특성을 나타내며, upper W/G와 lower W/G의 actuator 구동펄스는 음의 폭이 양의 폭보다 매우 크기 때문에
opening position 상태를 유지함을 알 수 있다. 또한, 그림 13(b)는 펌프모드를 기동하고 약 10초 후의 출력특성으로, upper W/G와 lower W/G의 양의 폭이 음의 폭보다 크기 때문에 closing position
상태로 변화함을 알 수 있다.
그림. 13. N1500 제어기의 펌프모드 운용특성
Fig. 13. Actuator operation characteristics of pumping mode in N1500 controller
4.3.3 수동모드의 운용특성
N1500 제어기의 수동모드 출력특성은 그림 14와 같다. 여기서, 그림 14(a)는 upper W/G를 positive direction(닫힘 방향)으로 제어한 출력특성으로, upper W/G의 actuator 구동펄스가 양의
폭이 음의 폭보다 크기 때문에 closing position 상태임을 알 수 있다. 또한, 그림 14(b)는 upper W/G를 negative direction(열림 방향)으로 제어한 출력특성으로, upper W/G의 actuator 구동펄스가 음의
폭이 양의 폭보다 크기 때문에 opening position 상태임을 알 수 있다. 한편, 그림 14(c)는 lower W/G를 positive direction으로 제어한 출력특성으로, lower W/G의 actuator 구동펄스가 양의 폭이 음의 폭보다
크기 때문에 closing position 상태임을 알 수 있고, 그림 14(d)는 lower W/G를 negative direction으로 제어한 출력특성으로, lower W/G의 actuator 구동펄스가 음의 폭이 양의 폭보다
크기 때문에 opening position 상태임을 알 수 있다.
그림. 14. N1500 제어기의 수동모드 운용특성
Fig. 14. Actuator operation characteristics for manual mode in N1500 controller
5. 결 론
본 논문에서는 수력 및 양수발전소에 사용되는 디지털 조속기 제어기의 고장 여부를 오프라인으로 시험할 수 있는 고장진단장치를 제안한다. 또한, 조속기
제어기의 전기적인 신호분석을 수행하여, 조속기의 운전조건을 시험조건으로 제시하며 이를 바탕으로 조속기의 동작특성을 분석한다. 이에 대한 주요 연구결과를
요약하면 다음과 같다.
(1) 수력발전기용 조속기 제어기와 양수발전용 조속기 제어기의 구성과 운용 메커니즘을 제시하고, 이를 바탕으로 수력발전기용 조속기 제어기 진단장치와
양수발전용 조속기 제어기 진단장치를 구현하며, 조속기 제어기의 신호분석을 수행하여 조속기의 정상 운전조건을 제시하였다.
(2) 수력발전용 조속기 제어기 진단장치의 운용특성을 분석한 결과, 여러 대의 조속기 제어기에서 정상적인 출력특성을 확인하였으며, 실제 현장에서 운용중인
7MW급 수력발전용 조속기 제어기 2기를 진단한 결과 다양한 고장상태를 정확히 파악하여, 본 논문에서 제시한 조속기 제어기 고장진단장치의 유효성을
확인할 수 있었다.
(3) 양수 발전용 조속기 제어기 진단장치의 터빈모드, 펌프모드, 수동모드 등의 시험조건에 대한 모드별 운용특성을 분석한 결과, 여러 대의 조속기
제어기에서 정상적인 출력특성을 확인하였으며, 실제 현장에서 운용중인 250MW급 수력발전용 조속기 제어기 4기를 진단한 결과 다양한 고장상태를 정확히
파악하여, 본 논문에서 제시한 조속기 제어기 고장진단장치의 유효성을 확인할 수 있었다.
(4) 본 논문에서 제시한 수력 및 양수발전소용 디지털 조속기 제어기 고장진단장치는 일반적으로 사용되는 Alstom의 N1000 및 N1500 제어장치를
대상으로 구현된 한계성을 가지고 있다. 따라서, 향후에는 조속기 제어기의 전기적인 신호분석 및 통신 프로토콜 분석을 통해 SM 및 DIST V/V의
postion feedback 아날로그 신호값을 추가적으로 고려하여 연구를 수행하고자 한다.
Acknowledgements
This research was supported by the National Research Council of Science & Technology(NST)
grant by the Korea government (MSIT) (No. CPS22131-100).
This work was supported by Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning(KETEP)
grant funded by the Korea Government(MOTIE)(20224000000160, DC Grid Energy Innovation
Research Center).
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저자소개
He received his B.S. degree in Electronic Engineering from Hannam University in 2001.
He is currently pursuing the M.S. degree at Korea University of Technology and Education.
He is the CEO of Daho Mechatronics. co., a company that inspecting and repairing
service, the control and electrical facilities of hydro/ thermal/ nuclear power plants.
He received his B.S. degree in Electrical Engineering from Korea University of Technology
and Education in 2022.
He is currently pursuing the M.S. degree at Korea University of Technology and Education.
He is interested in distribution system, power quality, coordination of protection
devices, renewable energy resources and micro-grid.
He received his B.S. and M.S. degrees in Electrical Engineering from Korea University
of Technology and Education in 2021 and 2023, respectively.
He is currently pursuing the Ph.D. degree at Korea University of Technology and Education.
He is interested in distribution system, power quality, coordination of protection
devices, renewable energy resources and micro-grid.
He received his B.S. and M.S. degrees in Electrical Engineering from Korea University
of Technology and Education in 2020 and 2022, respectively.
He is currently pursuing the Ph.D. degree at Korea University of Technology and Education.
He is interested in power and distribution system, energy storage system and renewable
energy sources.
He received his B.S. degree in Electronic Engineering from Cheongju University in
2009 and M.S. degrees in Electrical Engineering from Korea University of Technology
and Education in 2012.
He is currently pursuing the Ph.D. degree at Korea University of Technology and Education.
He is interested in distribution system, energy storage system and renewable energy
sources.
He received the B.S. degree and M.S. degree in Electrical Engineering from Korea University
in 1985 and 1987, respectively.
He earned a Ph.D. degree in Electrical Engineering from Hokkaido University, Sapporo,
Japan in 1997.
He has been working as a professor at Korea University of Technology and Education
since 1999.
His research interests include operation of power distribution systems, dispersed
storage and generation systems and power quality.