원전 발전기 AVR 무효전력 지령, 소내모선 전압 여유가 수용 한계를 정합니다

결론부터 씁니다. 원전 발전기의 여자·AVR 설정에서 계통 전압 지령을 얼마나 받아줄 수 있는지는 발전기 용량곡선보다 소내모선 전압 여유가 먼저 정합니다. 소내변압기가 발전기 단자에 물려 있는 구성에서는 무효전력을 흡수(진상 운전)할수록 발전기 단자 전압과 함께 소내모선 전압도 내려가고, 안전 관련 모선의 저전압 감시 여유가 줄어듭니다. 따라서 무효전력 지령 수용 로직은 과여자·부족여자 제한기와 함께 소내모선 전압 하한 인터락을 같은 층위에서 걸어야 합니다.

여자기와 AVR 캐비닛이 붙은 발전기가 주변압기를 거쳐 스위치야드로, 소내변압기를 거쳐 소내모선으로 전력을 보내고 인터락 PLC 점선 신호가 AVR로 이어지는 등각 도식 — 발전기 출력은 주변압기로 계통에, 소내변압기로 소내모선에 나뉘며, 점선은 인터락 PLC가 AVR에 보내는 허용 지령 경로입니다.

안전 인터락 조건을 먼저 정리합니다

여자계통은 발전기 보호와 직접 맞물려 있어, 제한기(Limiter)가 보호계전기보다 먼저 동작하도록 협조하는 것이 핵심입니다. 제한기가 늦으면 보호계전기가 발전기를 트립시키고, 원전에서는 그 트립이 터빈 트립과 원자로 출력 감발로 이어질 수 있습니다. 아래 조건은 지령의 출처(주제어실, 급전소, 자동 전압 조정 시스템)와 무관하게 적용합니다.

□ 부족여자 제한기(UEL) 동작점이 계자상실 보호(40) 동작 영역보다 안쪽(안전 쪽)에 있는지 P-Q 평면에서 확인합니다. 두 곡선이 겹치면 진상 지령 한 번으로 발전기가 트립됩니다.
□ 과여자 제한기(OEL)가 계자권선 열 한계에 맞춰 시한 특성을 갖고, 계자 과전류 보호보다 먼저 동작하는지 확인합니다.
□ V/Hz 제한기가 V/Hz 보호(24)보다 먼저 동작하는지 확인합니다. 기동·정지 시 저주파수 구간에서 특히 중요합니다.
□ 소내모선 전압 하한 인터락. 무효전력 흡수 지령이 와도 소내모선 전압이 설정 하한에 가까우면 지령을 제한하고 상위에 “수용 불가”를 회신합니다.
□ AVR 채널 이중화 상태. 한 채널이 고장이면 자동 전압 조정 지령의 변화율을 제한하거나 수용을 멈춥니다.
□ 계자 차단기(41) 개방·EMO 계열 회로는 하드와이어로 구성하고, PLC와 AVR 소프트웨어는 상태 감시만 합니다.

여자 제어 모드와 원전에서의 선택

AVR은 단자 전압을 일정하게 유지하는 전압 제어 모드가 기본이고, 그 위에 무효전력(MVAR) 제어나 역률(PF) 제어를 얹는 구성이 일반적입니다. 원전은 기저부하 운전이 많아 유효전력 변동이 작으므로, 어느 모드를 쓰느냐는 결국 계통 운영 요구와 소내 전압 안정성 사이의 선택이 됩니다.

모드	제어 대상	계통 기여	소내모선 영향
전압 제어	단자 전압	계통 전압 변동에 자동 대응	단자 전압 일정 → 소내모선 안정
MVAR 제어	무효전력 출력	급전 지령 이행이 명확	계통 전압 변동이 소내모선에 그대로 전달
역률 제어	역률	기여가 유효전력에 비례	원전처럼 P가 일정하면 MVAR 제어와 유사
수동(계자 전류)	계자 전류	기여 없음(시험·고장 시)	계통 사고 시 전압 지지 불가

표의 시사점은 한 줄입니다. 원전 발전기는 전압 제어 모드를 기본으로 두고, 무효전력·역률 제어는 소내모선 전압 여유를 조건으로 하는 부가 모드로 다루는 편이 안전합니다. MVAR 제어로 고정하면 계통 전압이 내려갈 때 발전기가 무효전력을 더 내지 않으므로, 그 전압 저하가 소내모선까지 그대로 전달됩니다.

전압 지령 수용 순서도

지령 수신: 급전소·자동 전압 조정 시스템에서 전압 또는 무효전력 목표값 수신. 통신 두절이면 마지막 지령 유지가 아니라 현재 단자 전압 유지로 전환합니다.
채널 상태 판정: AVR 두 채널 정상, PSS 정상 여부 확인.
제한기 여유 판정: 목표점이 UEL·OEL·V/Hz 제한 곡선 안쪽에 있는지 계산.
소내모선 판정: 목표점 도달 시 예상 소내모선 전압이 하한 이상인지 판정. 예상값은 UAT 변압비와 탭 위치로 계산합니다.
램프 적용: 허용된 목표값으로 설정 변화율 제한을 걸어 이동.
회신: 수용·부분 수용·거부 여부와 사유를 상위에 회신.

ST 의사코드 — 무효전력 지령 수용 인터락

(* I/O MAP - 여자 감시·지령 인터페이스 PLC *)
(* %I1.0  DI_AVR_CH_A_OK        : AVR 채널 A 정상 *)
(* %I1.1  DI_AVR_CH_B_OK        : AVR 채널 B 정상 *)
(* %I1.2  DI_PSS_IN_SERVICE     : PSS 투입 상태 *)
(* %I1.3  DI_41_FIELD_BRK_CLOSED: 계자 차단기 투입 *)
(* %I1.4  DI_UEL_ACTIVE         : UEL 동작 중 *)
(* %I1.5  DI_OEL_ACTIVE         : OEL 동작 중 *)
(* %I1.6  DI_DISPATCH_LINK_OK   : 급전 지령 통신 정상 - IEC61850_MMS 워치독 *)
(* %IW200 AI_GEN_Q_MVAR         : 발전기 무효전력, 흡수 음수 *)
(* %IW201 AI_GEN_V_PCT          : 발전기 단자 전압, % *)
(* %IW202 AI_AUX_BUS_V_PCT      : 소내모선 전압, % *)
(* %IW203 AI_Q_SETPOINT_REQ     : 요청 무효전력 지령, MVAR *)
(* %QW200 AO_Q_SETPOINT_CMD     : AVR로 보내는 허용 무효전력 지령 *)
(* %Q1.0  DO_Q_CMD_REJECT       : 지령 거부 회신 *)

(* 1. 기본 허가 - 계자 차단기 투입, 두 채널 정상, 통신 정상 *)
Q_CMD_PERMIT := DI_41_FIELD_BRK_CLOSED
                AND DI_AVR_CH_A_OK AND DI_AVR_CH_B_OK
                AND DI_DISPATCH_LINK_OK;

(* 2. 소내모선 여유 - 흡수 방향 지령은 소내모선 하한 여유가 있어야 수용 *)
AUX_MARGIN_OK := AI_AUX_BUS_V_PCT > (R_AUX_V_MIN_PCT + R_AUX_V_BAND_PCT);

(* 3. 지령 제한 *)
IF NOT Q_CMD_PERMIT THEN
    Q_TARGET := AI_GEN_Q_MVAR;               (* 현재값 유지, 새 지령 불수용 *)
    DO_Q_CMD_REJECT := TRUE;
ELSIF (AI_Q_SETPOINT_REQ < AI_GEN_Q_MVAR) AND NOT AUX_MARGIN_OK THEN
    Q_TARGET := AI_GEN_Q_MVAR;               (* 흡수 방향 추가 이동 금지 *)
    DO_Q_CMD_REJECT := TRUE;
ELSIF DI_UEL_ACTIVE OR DI_OEL_ACTIVE THEN
    Q_TARGET := AI_GEN_Q_MVAR;               (* 제한기 동작 중 지령 변경 금지 *)
    DO_Q_CMD_REJECT := TRUE;
ELSE
    Q_TARGET := LIMIT(R_Q_MIN_MVAR, AI_Q_SETPOINT_REQ, R_Q_MAX_MVAR);
    DO_Q_CMD_REJECT := FALSE;
END_IF;

(* 4. 변화율 제한 - 스캔당 이동량 제한 *)
AO_Q_SETPOINT_CMD := RAMP_LIMIT(Q_TARGET, R_Q_RATE_MVAR_PER_S);

R_AUX_V_MIN_PCT와 R_AUX_V_BAND_PCT, R_Q_MIN_MVAR·R_Q_MAX_MVAR는 호기별 설계값으로 정해야 하는 자리이며 이 글에서 수치를 확정하지 않습니다. 특히 소내모선 하한은 안전 관련 모선의 저전압 감시 설정과 연동되므로, 해당 설정을 관리하는 부서의 정정값을 그대로 입력으로 받아야 합니다. PLC가 AVR 내부 제한기를 대신하는 구조가 아니라, 제한기 앞단에서 지령을 거르는 구조라는 점을 분명히 해 둡니다.

현장 점검 체크리스트

□ 발전기 용량곡선, UEL 곡선, 40 계전기 특성, 정태 안정 한계를 한 장의 P-Q 평면에 겹쳐 그리고, UEL이 가장 안쪽인지 확인합니다.
□ UAT 탭 위치별로 발전기 단자 전압과 소내모선 전압의 관계표를 만들어 PLC 계산식과 대조합니다.
□ AVR 한 채널 고장 모의 시 무효전력 지령 수용이 멈추고 경보가 뜨는지 확인합니다.
□ 급전 통신 두절 모의 시 단자 전압 유지 모드로 전환되는지 확인합니다.
□ 계통 전압 계단 변화 시험에서 AVR 응답과 PSS 감쇠 효과를 기록합니다. 저주파 진동 여부는 파형 분석 및 실측 요망입니다.
□ 기동·정지 구간에서 V/Hz 제한기가 24 계전기보다 먼저 동작하는지 저주파수 시험으로 확인합니다.

경계 조건 — 이 설계가 틀리게 되는 조건

첫째, 소내전원이 발전기 단자가 아니라 별도 기동변압기에서 상시 공급되는 구성입니다. 이 경우 발전기 무효전력 운전이 소내모선 전압에 주는 영향이 작아지므로, 소내모선 하한 인터락은 제약이 아니라 감시 항목으로 내려도 됩니다.

둘째, 소내변압기에 부하시 탭 절환기(OLTC)가 있는 경우입니다. OLTC가 소내모선 전압을 보상하면 흡수 운전 여유가 늘어납니다. 다만 탭 절환 속도가 발전기 전압 변화보다 느리므로, 과도 구간의 여유는 여전히 PLC 인터락이 담당해야 합니다.

셋째, 계통 운영 규정이 원전에 특정 무효전력 범위를 의무로 부과하는 경우입니다. 의무 범위가 소내모선 하한과 충돌하면 인터락으로 거부할 문제가 아니라 변압기 탭·소내 전압 체계의 설계 변경 문제가 됩니다.

단일 판단 기준은 이렇습니다. 소내모선이 발전기 단자 전압을 따라 움직이는 구성이라면, 무효전력 흡수 지령의 수용 한계는 UEL이 아니라 소내모선 전압 하한 여유로 먼저 결정합니다.