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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEE Vol. 72, No. 12, p.1627-1636

ISSN (print) :

1975-8359

ISSN (online) :

2287-4364

Received : 19 September 2023Revised : 14 November 2023Accepted : 20 November 2023

DOI :

http://doi.org/10.5370/KIEE.2023.72.12.1627

Implementation and Characteristic Analysis of Diagnosis Device for Digital Governor Controller of Hydro power and Pumped-storage Power Plants

수력 및 양수발전소의 디지털 조속기 제어기용 고장진단장치 구현 및 특성분석

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.)

^†Corresponding Author : Dept. of Electrical, Electronics and Communication Engineering, Korea University of Technology and Education, Korea.

E-mail : dsrho@koreatech.ac.kr

License :

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.(www.kiee.or.kr).

Abstract

Digital governor, which is a key control equipment for hydro power and pumped-storage power plants, is mostly designed and manufactured overseas. Therefore, when its parts are not produced or after service is terminated, it may be entirely replaced because spare parts and maintenance is not available. Moreover, the module test for diagnosing the governor controller cannot be effectively performed since it supply digital and analog signals to the modules in independent way. And also, it is difficult to analyze the output value for the input and the signals to drive the servo device. Therefore, this paper proposes fault diagnosis devices to perform offline test for governor controller of hydro power and pumped-storage power plants. And also, this paper presents the configuration and operation mechanism of the governor controller for 7MW hydro power and 250MW pumped-storage power plants and then implements diagnosis devices for digital governor controller of hydro power and pumped-storage power plants. From the test results according to the operation mechanism and diagnosis devices, it is confirmed that the proposed fault diagnosis devices can identify the normal operation characteristics for the governor controllers operated in the fields, and then the proposed devices are useful to diagnose fault in governor controllers of hydro power and pumped-storage power plants.

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[V$_{dc}$]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
DI/DO부	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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Alstom Hydro France, Neyrpic TR10 actuator description and operation, https://www.comprasestatales.gub.uy/Aclaraciones/ aclar_llamado_i297936_3.pdf.

저자소개

이진호(Jin-Ho Lee)

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.

김윤호(Yun-Ho Kim)

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.

김경화(Kyung-Hwa Kim)

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.

김지명(Ji-Myung Kim)

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.

전진택(Jin-Taek Jeon)

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.

노대석(Dae-Seok Rho)

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.

KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers

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수력 및 양수발전소의 디지털 조속기 제어기용 고장진단장치 구현 및 특성분석

Abstract

Key words

1. 서 론

2. 수력 및 양수발전소용 디지털 조속기의 제어기 구성 및 운용 메커니즘

2.1 수력발전용 조속기의 N1000 제어기 특성

2.2 양수발전용 조속기의 N1500 제어기 특성

2.3 디지털 조속기의 기계적 제어기 구성 및 운용 메커니즘

3. 수력 및 양수발전용 디지털 조속기의 고장진단장치 구현

3.1 N1000 제어기용 고장진단장치 구현

3.2 N1500 제어기용 고장진단장치 구현

4. 시험결과 및 분석

4.1 디지털 조속기 고장진단장치의 시험조건

4.1.1 N1000 제어기 고장진단장치의 시험조건

4.1.2 N1500 제어기 고장진단장치의 시험조건

4.2 N1000 제어기 고장진단장치의 운용특성

4.2.1 W/G의 운용특성

4.2.2 R/B의 운용특성

4.3 N1500 제어기 고장진단장치의 운용특성

4.3.1 터빈모드의 운용특성

4.3.2 펌프모드의 운용특성

4.3.3 수동모드의 운용특성

5. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

이진호(Jin-Ho Lee)

김윤호(Yun-Ho Kim)

김경화(Kyung-Hwa Kim)

김지명(Ji-Myung Kim)

전진택(Jin-Taek Jeon)

노대석(Dae-Seok Rho)

Article Information (continued)

Key words

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수력 및 양수발전소의 디지털 조속기 제어기용 고장진단장치 구현 및 특성분석

Abstract

Key words

1. 서 론

2. 수력 및 양수발전소용 디지털 조속기의 제어기 구성 및 운용 메커니즘

2.1 수력발전용 조속기의 N1000 제어기 특성

2.2 양수발전용 조속기의 N1500 제어기 특성

2.3 디지털 조속기의 기계적 제어기 구성 및 운용 메커니즘

3. 수력 및 양수발전용 디지털 조속기의 고장진단장치 구현

3.1 N1000 제어기용 고장진단장치 구현

3.2 N1500 제어기용 고장진단장치 구현

4. 시험결과 및 분석

4.1 디지털 조속기 고장진단장치의 시험조건

4.1.1 N1000 제어기 고장진단장치의 시험조건

4.1.2 N1500 제어기 고장진단장치의 시험조건

4.2 N1000 제어기 고장진단장치의 운용특성

4.2.1 W/G의 운용특성

4.2.2 R/B의 운용특성

4.3 N1500 제어기 고장진단장치의 운용특성

4.3.1 터빈모드의 운용특성

4.3.2 펌프모드의 운용특성

4.3.3 수동모드의 운용특성

5. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

이진호(Jin-Ho Lee)

김윤호(Yun-Ho Kim)

김경화(Kyung-Hwa Kim)

김지명(Ji-Myung Kim)

전진택(Jin-Taek Jeon)

노대석(Dae-Seok Rho)

Article Information (continued)

Key words

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