KR101695893B1 - 부유식 해상 구조물의 전력 관리 시스템을 테스트하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스러스터의 부하모델을 수학적 모델로 미리 시뮬레이션하고 그 결과에 매칭되는 추상화모델을 설정함으로써 실제에 가깝게 상세 모델링을 할 수 있음과 동시에 연산속도를 줄여 시뮬레이션의 시간을 단축시킬 수 있도록 한 부유식 해상 구조물의 전력 관리 시스템을 테스트하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 부유식 해상 구조물의 전력 관리 시스템(PMS)을 테스트하기 위한 방법에 있어서, 상기 전력 관리 시스템(PMS)에 연결된 시뮬레이터가 상기 부유식 해상 구조물에 설치된 스러스터의 모터를 기준으로 구동되는 용량에 맞게 수학적 모델링하는 단계; 상기 시뮬레이터가 상기 수학적 모델링이 적용된 시뮬레이션을 수행한 후 유효전력 및 무효전력을 추출하는 단계; 상기 시뮬레이터가 상기 추출된 유효전력과 무효전력에 매칭되는 추상화모델을 설정하는 단계; 및 상기 시뮬레이터가 상기 설정된 추상화모델을 적용하여 상기 스러스터에서 필요로 하는 전력을 생산하여 공급되도록 시뮬레이션을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법이 제공된다.

Description

부유식 해상 구조물의 전력 관리 시스템을 테스트하기 위한 방법{METHOD AND FOR TESTING POWER MANAGEMENT SYSTEM OF OFFSHORE STRUCTURE}

본 발명은 부유식 해상 구조물의 전력 관리 시스템을 테스트하기 위한 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스러스터의 부하모델을 수학적 모델로 미리 시뮬레이션하고 그 결과에 매칭되는 추상화모델을 설정함으로써 실제에 가깝게 상세 모델링을 할 수 있음과 동시에 연산속도를 줄여 시뮬레이션의 시간을 단축시킬 수 있도록 한 부유식 해상 구조물의 전력 관리 시스템을 테스트하기 위한 방법에 관한 것이다.

최근 선주로부터 발주되는 Drilling Unit에 대해 DP(III)가 적용된 호선은 Power Generation and Distribution Configuration이 변경/적용되었다. 선박의 소프트웨어에 대한 사전 검증 및 시운전(Commissioning) 단계에서의 시간과 비용을 절약하기 위하여 선주는 DP 뿐만 아니라, 전력 관리 시스템(이하, 'PMS'라 한다)에 대해서도 Function 및 Failure Logic 등에 대한 HIL (Hardware-in-the-Loop) Test를 요구하고 있다.

PMS(Power Management System) HILS의 경우 실제 선박에 탑재되는 소프트웨어의 사전 검증을 목적으로 하며, 선박 (Vessel), 발전 시스템 (Power Generation System), 배전 시스템(Power Distribution System), 전력 소비 시스템 (Power consumption system)등을 실제 시스템과 유사하게 수학적으로 모사한 시뮬레이터를 구성하고, PMS의 일부 기능들과 failure mode, 선박에 가해지는 외부 환경들을 모사하여 HIL 테스트를 수행한다.

PMS는 시뮬레이션에서 테스트되는데, PMS는 시뮬레이터(simulator)에 연결된다. PMS는 선박으로부터 분리되어 HIL로서 테스트되거나, 혹은 선박에 여전히 계속하여 연결된다.

시뮬레이터는 PMS에 제공할 커맨드를 입력하고, 이러한 스러스터 및 러더 커맨드(rudder commands)의 결과인 선박 모션(motion)을 계산한다. 시뮬레이터는 이 시뮬레이터에 의해 계산된 모션에 대해 측정 시스템으로부터의 결과인 신호를 반환한다.

이와 같이 PMS와 연결된 시뮬레이터는 대한민국 공개특허 제2008-0072966호 등 다수가 출원되어 있다.

상기 특허를 포함하는 종래의 PMS를 테스트하는 시뮬레이터는 선박용 HIL(Hardware In the Loop) 테스트를 위하여 구성요소를 수학적으로 최대한 단순화시켜 실시간 테스트 플랫폼을 구성하였다.

이에 따라 종래의 PMS를 테스트하는 시뮬레이터는 수학모델이 들어간 상세모델을 통해서 상세 시뮬레이션을 함으로써 실시간 시뮬레이션 속도가 느리다. 특히 스러스터를 고차 방정식으로 모델링된 수학적 모델로 사용하면 시뮬레이션 속도를 느리게 하는 영향을 미칠 수 있다.

따라서 스러스터를 고차 방정식으로 모델링된 수학적 모델로 사용하지 않고도 실제에 가깝게 상세 모델링을 할 수 있음과 동시에 연산속도를 줄여서 시뮬레이션의 시간을 단축시킬 수 있는 개선된 PMS의 테스트하는 시뮬레이터가 요구된다.

대한민국 공개특허공보 제2008-0072966호(2008.08.07) "해양 선박의 전력 관리 시스템을 테스트하기 위한 방법 및 시스템"

본 발명의 목적은, 스러스터의 부하모델을 수학적 모델로 미리 시뮬레이션하고 그 결과에 매칭되는 추상화모델을 설정함으로써 실제에 가깝게 상세 모델링을 할 수 있음과 동시에 연산속도를 줄여 시뮬레이션의 시간을 단축시킬 수 있도록 한 부유식 해상 구조물의 전력 관리 시스템을 테스트하기 위한 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 부유식 해상 구조물의 전력 관리 시스템(PMS)을 테스트하기 위한 방법에 있어서, 상기 전력 관리 시스템(PMS)에 연결된 시뮬레이터가 상기 부유식 해상 구조물에 설치된 스러스터의 모터를 기준으로 구동되는 용량에 맞게 수학적 모델링을 수행하는 단계; 상기 시뮬레이터가 상기 수학적 모델링이 적용된 시뮬레이션을 수행한 후 유효전력 및 무효전력값을 추출하는 단계; 상기 시뮬레이터가 상기 추출된 유효전력과 무효전력값과 동일한 값을 출력하기 위한 추상화모델을 설정하는 단계; 및 상기 시뮬레이터가 상기 설정된 추상화모델을 적용하여 상기 스러스터에서 필요로 하는 전력을 생산하여 공급되도록 시뮬레이션을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법이 제공된다.

상기 추상화모델을 설정하는 단계는 상기 추출된 유효전력과 무효전력값에 맞춰지도록 조정하는 파라미터값을 설정할 수 있다.

상기 파라미터값은 피크치, 기울기 및 스케일 팩터를 포함할 수 있다.

상기 시뮬레이션을 수행하는 단계는 상기 모터의 용량이 같은 스러스터의 경우 상기 설정된 추상화모델을 적용하여 시뮬레이션을 수행할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 상기 시뮬레이션을 수행하는 단계 이후에, 상기 추상화모델을 적용하여 수행된 시뮬레이션 결과 중 유효전력값 또는 유효전력값과 무효전력값을 표시할 수 있다.

또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 부유식 해상 구조물의 전력 관리 시스템(PMS)을 테스트하기 위한 시뮬레이터에 있어서, 상기 전력 관리 시스템으로부터 임의의 전력 소비기에 대한 구동지시신호를 수신하면 상기 구동지시신호에 따라 상기 전력 소비기의 모터를 기준으로 구동되는 용량에 맞게 수학적 모델링을 수행하고, 수학적 모델링이 적용된 시뮬레이션을 수행한 후 추출된 유효전력과 무효전력값과 동일한 값을 출력하기 위한 추상화모델을 설정하여 상기 전력 소비기에서 필요로 하는 전력을 생산하여 공급되도록 시뮬레이션을 수행하는 것을 특징으로 하는 시뮬레이터가 제공된다.

본 발명의 실시예에 따르면 스러스터의 부하모델을 수학적 모델로 미리 시뮬레이션하고 그 결과에 매칭되는 추상화모델을 설정함으로써 실제에 가깝게 상세 모델링을 할 수 있음과 동시에 연산속도를 줄여 시뮬레이션의 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 부유식 해상 구조물의 전력 관리 시스템을 테스트하기 위한 시뮬레이터를 설명하기 위한 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 부유식 해상 구조물의 전력 관리 시스템을 테스트하기 위한 시뮬레이터를 적용시킨 DP 시스템을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 부유식 해상 구조물의 전력 관리 시스템을 테스트하기 위한 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도,
도 4는 본 발명에 적용되는 추상화모델을 설정하기 위한 파라미터값을 도시한 도면,
도 5는 스러스터의 모터에서 필요로 하는 용량에 맞춰지도록 수학적 모델링을 수행한 결과로 생성된 기준선에 맞추는 추상화모델을 설정하는 과정을 설명하기 위한 도면,
도 6은 수학적 모델링이 된 모터 블록과 시뮬레이션 결과를 도시한 도면, 그리고
도 7은 동적 부하 블록과 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 부유식 해상 구조물의 전력 관리 시스템을 테스트하기 위한 시뮬레이터를 설명하기 위한 블록도를 도시하고 있다.

도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 부유식 해상 구조물의 전력 관리 시스템을 테스트하기 위한 시뮬레이터는 전력을 생산하는 시스템을 제어하도록 구성된 PMS(전력관리시스템)(10)와, PMS(10)를 테스트하기 위해 전력 소비기에서 필요로 하는 전력을 공급되도록 시뮬레이션하는 시뮬레이터(20)를 포함하여 구성된다.

PMS(10)는 발전기의 full auto start의 경우 작업자의 입력을 받아 자동으로 엔진을 기동하고, 전력 계통 내 다른 발전기와 동기화하고, 발전기의 차단기를 클로즈(close)해서 계통에 연결된 작업을 순차적으로 진행한다. PMS(10)는 HMI(Muman Machine Interface) 화면을 통해서 작업자로부터 지시신호를 입력받는다.

시뮬레이터(20)는 이러한 PMS(10)로부터 임의의 전력 소비기, 예를 들면 스러스터에 대한 구동지시신호를 수신하고 수신된 구동지시신호에 따라 구동되는 전력 소비기에서 필요로 하는 전력을 생산하여 해당 전력 소비기에 공급되도록 시뮬레이션한다. 전력 소비기는 생산된 전력을 사용한다.

이러한 시뮬레이터(20)는 스러스터의 모터를 기준으로 구동되는 용량에 맞게 수학적 모델링을 수행하고, 수학적 모델링이 적용된 시뮬레이션을 수행한 후 추출된 결과 데이터 중 유효전력과 무효전력에 대한 결과값과 동일한 값을 출력하기 위한 추상화모델을 설정하고 추상화모델을 적용시켜 스러스터에서 필요로 하는 전력을 생산하여 공급되도록 시뮬레이션을 수행한다.

추상화모델은 수학적 모델링이 된 모터블록(Motor Block)(Mathworks사 Simulink의 Machine Block)의 결과 데이터 중 유효 전력 및 무효 전력값과 동일한 값을 출력하도록 하는 동적 부하 블록(Dynamic Load Block)을 이용한 모델이다. 이러한 추상화모델은 Dynamic Load Block의 결과 데이터를 설정하기 위해서 필요한 파라미터값을 설정하여 모델링한다.

여기서 파라미터값은 피크치, 기울기 및 스케일 팩터를 포함한다. 시뮬레이터(20)는 이와 같은 파라미터값의 조정을 통하여 수학적 모델링된 모터 블록의 결과 데이터 중 유효전력 및 무효 전력값과 매칭시킬 수 있도록 추상화모델을 설정한다.

또한 시뮬레이터(20)는 부하의 용량이 동일한 스러스터의 경우, 수학적 모델링을 적용하여 시뮬레이션하는 과정을 거치지 않고 설정된 추상화모델을 적용시켜 스러스터에서 필요로 하는 전력을 생산하여 공급되도록 시뮬레이션을 수행한다.

또한 시뮬레이터(20)는 부하의 용량이 다른 스러스터나 시추장비의 경우, 해당 용량에 맞게 수학적 모델링을 수행하고 수학적 모델링이 적용된 시뮬레이션을 수행한 결과 데이터 중 유효전력 및 무효전력값과 동일한 값을 출력하기 위한 추상화모델을 설정해야 한다.

상술된 바와 같이, 스러스터의 부하모델을 수학적 모델로 미리 시뮬레이션한 결과 중 유효전력 및 무효전력값과 동일한 값을 출력하기 위한 추상화모델로 설정하여 설정된 추상화모델에 따라 해당 스러스터에 전력을 생산하여 공급되도록 시뮬레이션을 수행함으로써 실제에 가깝게 상세 모델링을 할 수 있을 뿐만 아니라 고차 방정식으로 모델링된 수학적 모델링을 수행하지 않음에 따라 시뮬레이션의 시간을 단축시킬 수 있다. 더 설명하면 수학적 모델링이 사용된 고차 방정식들을 매시간마다 계산을 해서 출력해 내야 하기 때문에 계산 시간이 오래 걸렸던 종래의 시뮬레이터에 비해, 추상화모델을 스러스터 수학적 모델링 대신 적용하여 고차 방정식을 계산하는데 걸리는 시간을 단축할 수 있어 시뮬레이션 속도를 높일 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 부유식 해상 구조물의 전력 관리 시스템을 테스트하기 위한 시뮬레이터를 적용시킨 DP 시스템을 설명하기 위한 도면을 도시하고 있다.

도 2를 참조하면, DG1~DG6은 전력 생산기(21)이다. 전력 생산기(21)는 전력 분배기(27)와 연결되어, 전력 생산기(21)에서 생산된 전력을 사전 학습된 추상화모델에 맞춰 전력 분배기(27)에 공급하도록 한다.

전력 분배기(27)는 배전반, 차단기, 스위치, 버스 등으로 구성된다. 여기서, 전력 소비기(29)는 부유식 해상 구조물이 미리 정해진 목표점에서 벗어나지 않도록 부유식 해상 구조물의 위치를 제어하는 스러스터(thruster)(M1~M6), 부유식 해상 구조물이 시추선인 경우 시추장비나 보조 기기류에서 필요로 하는 부하들(부하1-부하3)이다.

예를 들어, 제 1 및 제 2 전력 소비기(M1, M2)에서 각각 요구하는 전력, 예를 들면 1[MW]를 공급하도록 전력 생산기(21)는 제 1 및 제 2 전력 소비기(M1, M2)의 모터를 기준으로 구동되는 용량에 맞게 수학적 모델링이 적용된 시뮬레이션을 수행한 결과 중 유효전력 및 무효전력값과 동일한 값을 출력하기 위해 설정된 추상화모델을 적용시켜 제 1 및 제 2 전력 소비기(M1, M2)에서 필요로 하는 전력을 생산한다. 전력 분배기(27)는 전력 생산기(21)에서 생산된 전력을 제 1 및 제 2 전력 소비기(M1, M2)에 적절히 분배되도록 한다.

시추선에서는 위치 유지를 위한 동적 위치 유지(Dynamic Positioning)를 지속적으로 수행하며 예상치 못한 고장, 예를 들면 발전기의 Trip, 고압차단기의 On/OFF 등의 상태에서도 전력계통을 안정적으로 유지하여 항상 위치를 유지한다. 이를 위해서 부하에 지속적으로 이용 가능한 전력신호(0~100%)를 보내 고장발생시 전력 제한(Power Limitation)을 걸어주는 제어가 이루어진다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 부유식 해상 구조물의 전력 관리 시스템을 테스트하기 위한 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 도시하고 있다.

도 3을 참조하면 PMS(10)와 연결되어 PMS(10)를 테스트하는 시뮬레이터(20)는 PMS(10)으로부터 임의의 전력 소비기, 예를 들면 스러스터에 대한 구동지시신호를 수신하면 수신된 스러스터의 모터에서 필요로 하는 용량에 맞는 수학적 모델링을 수행한다(S11). 이때 시뮬레이터(20)는 모터의 3상 전압값과, 입력파라미터값(비상전력, 정격전압, 모터의 주파수, 고정자의 저항 및 인덕턴스, 로터의 저장 및 인덕턴스, 상호 인덕턴스, 관성계수, 마찰계수, 극 쌍의 개수 및 시뮬레이션을 위한 모터의 초기상태를 나타내는 초기조건)을 설정하고 미리 정해진 사용수식을 이용하여 수학적 모델링을 수행한다.

다음 시뮬레이터(20)는 수학적 모델링이 적용된 시뮬레이션 결과 데이터 중에서 유효전력 및 무효전력값을 추출한다(S13). 이때 시뮬레이션을 수행한 결과는 고정자의 전류(ia,ib,ic), Dq0 요소, 고정자의 전류(iq, id), 계자전류(ifd), 로터 속도, 고정자 전압, 전력, 로터 속도 편차, 로터 각도, 토크, 부하각도, 유효전력, 무효전력 등이다. 수학적 모델링이 된 모터 블록은 도 6의 (a)에 도시되어 있으며, 도 6의 (b)는 수학적 모델링이 적용된 시뮬레이션이 수행된 시뮬레이션 결과 데이터 중 일부를 도시하고 있다.

시뮬레이터(20)는 추출된 유효전력 및 무효전력값에 매칭되는 추상화모델을 설정한다(S15). 이때 시뮬레이터(20)는 상술된 S13 단계에서 수행한 시뮬레이션 결과 데이터 중 유효전력 및 무효전력값과 동일한 값을 출력하도록 미리 정의되어 있는 파라미터값을 조정하여 추상화모델을 설정한다. 파라미터값은 도 4에 도시된 바와 같은, 피크치(Peak max-steady state), 기울기(Ramp slope) 및 스케일 팩터(Q Scale factor)를 포함한다.

추상화모델은 수학적 모델링이 된 모터 블록을 동적 부하 블록으로 대체한 것으로, 동적 부하 블록은 도 7의 (a)에 도시되어 있으며, 도 7의 (b)는 도 6의 (b)에 도시된 시뮬레이션 결과 중 유효전력 및 무효전력값과 동일한 유효전력 및 무효전력값을 도시하고 있다.

도 5의 (a)는 상술된 S13 단계를 통하여 수행된 시뮬레이션 결과 데이터 중 유효전력값과 동일한 값을 출력하기 위하여 피크치, 기울기 및 스케일 팩터의 조정을 거쳐 추상화모델을 설정한다. 도 5의 (c)에 도시된 바와 같은 on/off 제어신호에 따라 유효전력의 피크치, 기울기 및 스케일 펙터를 조정할 수 있다.

여기서 실선은 수학적 모델링이 된 모터 블록의 결과 데이터 중 유효전력을 나타낸 것이고, 점선은 실선의 유효전력과 동일한 값을 출력하도록 추상화 모델링이 된 동적 부하 블록의 결과 데이터 중 유효전력을 나타낸 것이다.

도 5의 (b)는 상술된 S13 단계를 통하여 수행된 시뮬레이션 결과 데이터 중 무효전력값과 동일한 값을 출력하기 위해 피크치, 기울기 및 스케일 팩터의 조정을 거쳐 추상화모델을 설정한다. 도 5의 (c)에 도시된 바와 같은 on/off 제어신호에 따라 무효전력의 피크치, 기울기 및 스케일 펙터를 조정할 수 있다.

여기서 실선은 수학적 모델링이 된 모터 블록의 결과 데이터 중 무효전력을 나타낸 것이고, 점선은 실선의 무효전력과 동일한 값을 출력하도록 추상화 모델링이 된 동적 부하 블록의 결과 데이터 중 무효전력을 나타낸 것이다.

시뮬레이터(20)는 상술된 바와 같은 과정을 거쳐 추상화 모델이 설정되면 설정된 추상화모델을 적용시켜 스러스터에서 필요로 하는 전력을 생산하여 공급되도록 시뮬레이션을 수행한다(S17).

이후, 시뮬레이터(20)는 동일한 용량을 필요로 하는 스러스터나 시추장비의 경우 설정된 추상화모델을 적용하여 시뮬레이션을 수행할 수 있다.

시뮬레이터(20)는 추상화모델을 적용하여 수행된 시뮬레이션 결과 중 유효전력값 또는 유효전력값과 무효전력값을 디스플레이기기(미도시)에 표시되도록 구현할 수 있다. 여기서는 시뮬레이터(20)의 디스플레이기기에 표시되도록 하는 것으로 설명하고 있지만 PMS에 구비된 디스플레이기기기에서도 표시가능함은 물론이다.

이렇게 함으로써, 스러스터의 부하모델을 수학적 모델로 미리 시뮬레이션하고 그 결과 데이터 중 유효전력 및 무효전력과 동일한 값을 출력하기 위해 설정된 추상화모델을 적용시켜 시뮬레이션을 수행함으로써 수학적 모델을 적용하여 시뮬레이션을 수행했던 종래의 시뮬레이터에 비해 시뮬레이션의 시간을 단축시킬 수 있다. 또한 스러스터의 부하모델을 수학적 모델로 미리 시뮬레이션한 결과에 매칭되도록 추상화모델을 설정하기 때문에 실제에 가깝게 상세 모델링할 수 있다.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

10 : PMS 20 : 시뮬레이터
21 : 전력 생산기 27 : 전력 분배기
39 : 전력 소비기

Claims (6)

1. 부유식 해상 구조물에 설치된 스러스터의 모터를 기준으로 구동되는 용량에 맞게 수학적 모델링을 수행한 시뮬레이션 결과를 이용하여 전력 관리 시스템(PMS)을 테스트하기 위한 방법에 있어서,
   상기 전력 관리 시스템(PMS)에 연결된 시뮬레이터가 상기 스러스터의 용량에 맞게 수학적 모델링을 수행한 시뮬레이션 결과 중 유효전력 및 무효전력값을 추출하는 단계;
   상기 시뮬레이터가 상기 추출된 유효전력과 무효전력값과 동일한 값을 출력하기 위한 추상화모델을 설정하는 단계; 및
   상기 시뮬레이터가 상기 설정된 추상화모델을 적용하여 상기 스러스터에서 필요로 하는 전력을 생산하여 공급되도록 시뮬레이션을 수행하는 단계를 포함하되,
   상기 추상화모델을 설정하는 단계는
   상기 추출된 유효전력과 무효전력값에 맞춰지도록 조정하는 파라미터값을 설정하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 파라미터값은 피크치, 기울기 및 스케일 팩터를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 시뮬레이션을 수행하는 단계는
   상기 모터의 용량이 같은 스러스터의 경우 상기 설정된 추상화모델을 적용하여 시뮬레이션을 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 시뮬레이션을 수행하는 단계 이후에,
   상기 추상화모델을 적용하여 수행된 시뮬레이션 결과 중 유효전력값 또는 유효전력값과 무효전력값을 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 삭제

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