94 계장기술

기획특집

발전소시뮬레이터를이용한원전설계검증현황

이이 명명 수수 // 한한국국전전력력공공사사 전전력력연연구구원원

fiatlux@kepri.re.kr

ⅠⅠ. 서론

원자력발전소시뮬레이터는고도의

안전성과 정밀성을 바탕으로 운전원

이실제상황과동일한환경하에서실

습할 수 있도록 해주는 모의 훈련 장

치로서, 1970년대후반에발생한TMI

사고 이후에 원자력발전소 운전원 훈

련 및 면허시험에 필수적으로 시뮬레

이터들을설치, 이용하도록법적인강

제사항이 되어 많은 시뮬레이터들이

설치및운영중이다.

우리나라에서도 70년대 말 80년대

중반까지 원전 공급자(웨스팅하우스, 프라마톰 등)에

의해시뮬레이터들이공급되다가 90년대초에이르러

전력연구원이주관으로‘발전소모의제어반국산화개

발계획’을 통해 원자력 및 화력발전소 시뮬레이터를

국산화하는데성공하였다.

본내용은최근원자력산업계에서진행되고있는전

범위발전소시뮬레이터(FSS, Full Scope Simulator)를

이용한원전설계및인간공학검증, 신규개발된MMIS

(Man-Machine Interface System) 검증 등에 관한

국내외기술동향을분석한기술동향보고서이다.

그림 1. 최초국산화개발설치된영광 3호기시뮬레이터전경

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96 계장기술

전기 및 전력설비 신기술동향(Ⅱ)

2. 원전전범위시뮬레이터와그응용

가. 원전 전범위시뮬레이터

원자력발전소 시뮬레이터는 고도의 안전성과 정밀

성을바탕으로운전원이실제상황과동일한환경하에

서실습할수있도록해주는모의훈련장치로서, 발전

소 운전원 운전능력 배양, 운전절차서 검증 및 개발,

제어기법사전점검및안전도분석, 운전방법개선등

을가능케하는설비이다.

미국규제기관(NRC)에서는원자력발전소운전원의

자격시험에 관한 규정(10CFR55)을 통해 원자력발전

소 운영자들이 꼭 갖춰야할 필수설비로 규정하고있

고, 우리나라에서도그동안해외규정을준용하다가최

근 규제지침(경수로형 원전 안전규제지침 17.8 ‘원전

종사자의 훈련에 사용되는 모의제어반’)을 개발하여

운용중에있다. 원전시뮬레이터의구성은크게소프

트웨어와하드웨어로나눌수있는다.

소프트웨어구성을보면,

1) 원자력발전소모델을개발할수있도록하는

시뮬레이션환경소프트웨어,

2) 기준호기(Reference Unit) 원전을그대로

모의한원전모델,

3) 개발된원전모델을실시간으로동작할수

있도록하는시뮬레이션소프트웨어,

4) 시뮬레이터를제어할수있도록하는

강사조작반소프트웨어,

5) 하드웨어등과통신등기타소프트웨어로

나눌수있다.

하드웨어는

1) 원전모델등소프트웨어를실시간으로

시뮬레이션할수있도록하는시뮬레이션

컴퓨터시스템,

2) 시뮬레이터를제어하는강사조작반,

3) 기준호기주제어실의기기를그대로모사하여

제작한하드웨어패널

4) 기타장치등으로구분할수있다.

가. 원전전범위시뮬레이터의응용

원자력발전소시뮬레이터는운전원의훈련및면허

시험에 활용되어 왔으나, 최근 급속히 발전하는 컴퓨

터 기술과 소프트웨어 기술을 바탕으로, 공학적 설계

에 사용되던 최적해석코드(Best Estimated Engi

neering Code)를채택한정교한시뮬레이션이가능해

짐에따라원전설계검증, 인간공학검증, 신규 개발

MMIS 검증, 공학적응용, 가상현실기술을이용한가

상모의(Virtual prototyping) 및 원전 최적운영 지원

등새롭게 그 응용분야가확장되고있는추세이다.

그림 2. 최적해석코드/원전분석기/전범위시뮬레이터범위정밀도비교

원전 M&S방법 3가지(FSS/NPA/BE Codes)

원전분석기

전범위 시뮬레이터

모의범위(능력)FSS : Full Scope SimulatorNPA : Nuclear Plant Analyzer 원전분석기B.E Code : Best Estimate Code 최적해석코드

정

밀

도

최적해석코드

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98 계장기술

전기 및 전력설비 신기술동향(Ⅱ)

차를수정하여검토단계와실제건설공정과일치되도

록권고하고있으며3), 최근의 NRC 보고서에서는 디

지털기술이새롭게적용되고있는‘노후원전주제어실

개선’, 신규 원전 주제어실 설계시 인간공학 검증’등

분야에가상주제어실및전범위시뮬레이터의중요성

에대해기술하고있다.

산업계에서는웨스팅하우스사가가압경수로형차세

대원전(GEN III+)인 AP1000을중국및미국내건설

하기위해고성능AP1000 시뮬레이터를GSE사를통

해 개발중에있으며, 이 시뮬레이터는 AP1000 상세

설계및인간공학검증에사용될예정이다.4)

GE사는 차세대 비등수로형원전(ABWR)의 설계 및

인간공학검증을위해 2단계에걸쳐서인간공학검증

설비를개발하여설계검증을한후 최종적으로훈련

용 시뮬레이터를 개발하여 설계 및 인간공학 검증에

활용중이다.5)

그림 6는 GE사가 추진했던 인간공학 검증을 위한

단계별전략개념도이다. 처음에다이나믹목업(Mock

up)을 만든후인간공학검증용시뮬레이터를거쳐서

최종적으로 운전원 훈련용 시뮬레이터를 개발하는 3

단계인간공학검증전략을채택하였으며(그림4), 서로

다른 공급자(NSSS-GE, TBN-MHI, DCIS-IN

VENSYS, Radwaste-Hitachi, BOP-S&W 등)의디

3) DOE NP2010 Nuclear Power Plant Construction Infrastructure Assessment, pp 46-47, 2005

4) http://nuclearstreet.com/blogs/nuclear_power_news/archive/2009/08/04/gse-systems-announces-award-to-build-full-scope-power-plant-simulator-for-u-s-based-ap1000-nuclear-plants-

1811.aspx

5) http://www.google.co.kr/search?complete=1&hl=ko&q=GE+NRC+certification+lungmen+simulator&aq

=f&aqi=&aql=&oq=&gs_rfai=

그림 5. WEC사 AP1000 시뮬레이터

그림 6. GE ABWR 인간공학검증설비단계별전략

그림 7. GE ABWR Lungmen 시뮬레이터전경

1 2 3

1998-2000

Mockup

2000-2005

2005+

Factory Tested EqulpmentFull Scope SimulatorInstalled Equipment

Simulator(Baseline and Update)

GE Test System(GETS)

4 5

HFE V&V-3(Process steps 1-5

HFE V&V-2(Process steps 1-4

HFE V&V-1(Process steps 1-4

HFE Analysisand DisplaySpecifications

HSI TASKSUPPORT

VERIFICATION

FINAL PLANTHFE:HSI DESIGNVERIFICATION

INTEGRATEDSYSTEM

VERIFICATION

ISSUERESOLUTIONVERIFICATION

HFE DESIGNVERIFICATION

TASKANALYSIS

HSI DESIGNREPORTS

DISPLAYCONNECTIONTABLES

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100 계장기술

전기 및 전력설비 신기술동향(Ⅱ)

링동 원자력(Ling Dong Nuclear

Power Co)이 소유한링아오(Lingao) 원

전은 중국원자력기술주식회사(CNPEC

; China Nuclear Power Engineering

Co,)가설계한1080MWe의출력을가진

3 루프(loop)로구성된중국표준형가압

경수로(PWR)이다.

L3-MAAP사를 통해 개발된 LingAo

시뮬레이터는안전계통은아레바사의Te

leperm XS, 운전제어 시스템은 지멘스

사의 SPPA-T2000상의 디지털 제어계

통을갖는전범위시뮬레이터이다.9) 아레

바사의 EPR(플라망빌 3호기) 엔지니어

링 시뮬레이터처럼디지털 설계및인간

공학검증에활용될예정이다.

4. 신규개발MMIS 상용화를위한

검증

우리나라는 원전 수출의 쾌거를 이루

었지만일부핵심기술에대해서원천기

술을 보유하지 못하고 외국기술에 의존

하였다. 따라서정부는원전기술자립2012

(Nutech 2012) 계획을 수립하여 MMIS

에대한해외수출이가능한안전기기제

작 및 검증, 해외 인허가 취득, MMIS의

그림 9. MHI사의 APWR 개발 전략

그림 10. MHI사의 APWR 시뮬레이터

1955 2000

Licensing of Tsuruga #3/4

•Reactor Internalsand Neutron Reflector

•Compact SG andImproved Separator

•Safel\ty System andAdvanced Accumulator

•High-perfromance RCP

•Advanced I&C System

•Main Steam Turbine

Flow Tests

Performance, Flow, Seismic Tests

Performance Tests

Performance and Flow Tests

Operability Tests with Simulator

Performance and Vibration Tests

2005

Large Display Panel

ConventionalHSI

Alarm VDU

Safety VDU

Operation VDU(Non-Safety)

OperationConsole

9) http://www.power-technology.com/contractors/training/l-3-mapps/press49.html

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102 계장기술

전기 및 전력설비 신기술동향(Ⅱ)

기술의 이전을 회피하고 있어 선진국에서는 장기간의

기술개발로 축적된 노하우를 기반으로 신기술의 개발

및시장지배력이우수한신제품을출시하여글로벌시

장에서의경쟁력을확보, 시장지배력을넓히고있다.

전력연구원에서는두산중공업과함께발전소통합성

능감시제어시스템(IMCS)을개발중에있으며, 시뮬레

이터를이용한통합성능검증을수행중에있다.

본시스템이성공적으로개발되면, 외국에서도입되

던대부분의화력발전용MMIS를국산화하게되어많

은외화절감이기대된다.(그림13)

5. 결론

원자력발전소시뮬레이터는고도의안전성과정밀성

을바탕으로운전원이실제상황과동일한환경하에서

실습할수있도록해주는모의훈련장치로서, TMI 사

고 이후운전원훈련용시뮬레이터를이용한교육, 훈

련분야가주응용분야이었으나, 최근에는최적해석코드

(Best Estimated Code) 기반의정밀한모델을탑재한

전범위 발전소 시뮬레이터(FSS, Full Scope Simul

ator)를이용하여원전설계및인간공학검증, 신규개

발된 MMIS(Man-Machine Interface System) 검증

등세계각국에서아래와같은분야에다양하게기술이

개발, 응용되고있다.

- 시뮬레이터를이용한원전종사자교육및훈련

- 신규원전시스템설계및인간공학검증(V&V)

- 신규개발MMIS

(Man Machine Interface System)의검증(V&V)

- 공학적설계및해석

- 가상생산(Virtual Prototyping)

- 시뮬레이션을이용한원전최적운영등

전력연구원은 1992년부터 발전소시뮬레이터국산화

개발을시작으로하여시뮬레이터를이용한여러산업응

용분야기술개발에지속적인노력을기울일예정이다.

그림 13. 화력발전용 통합감시제어시스템(IMCS) MMIS 통합성능 검증

OISIMCS

SimulatorI/O Rack

(인프라과제산출을 활용)

시험용 IMCS제어기 with I/O Rack

가상 IMCS 시스템

Fieldbus

BLR/BOP TBN GEN

Other System

Web Client

Web

OPC Server FirewallInformation Net

MMI Net

Web Server

AMSPrinter

Control Net

DataServer

HMI Server(Historion, Alarm

Trend, Log)

BLR/BOP/T/G 통합Engineering Ststion

표준Interfoce

TBN/BOP/BOILER 통합 HMI

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