원전 디지털 계측제어계통 통신망에서는 일반 산업체의 사이버보안과는 달리 안전성과 가용성, 그리고 경성실시간 조건을 매우 중시하면서도 일반 IT 분야에서 사용하고 있는 사이버보안 기술의 대부분을 수용할 것을 요구받고 있다. 사이버보안 활동은 원전 디지털 계측제어계통 통신망에서 요구하는 통신망의 성능 조건을 저해하지 않아야만 하는데, 이러한 요구 조건들은 서로 상충되는 측면들이 있다. 원전 디지털 계측제어계통 사이버보안을 위한 보안기술들이 계측제어시스템 및 이와 관련된 통신망에 적용될수록 이들의 성능은 저하될 수밖에 없기 때문이다. 사이버보안에 대한 위협이 일반 산업계는 물론 국가 핵심 기반 시설까지 확대되고 있는 현실에서 안전성이 가장 우선시되는 원전의 핵심 제어계통인 원전 디지털 계측제어계통에 대한 사이버보안 활동은 매우 주요하다. 본 논문에서는 원전 디지털 계측제어계통 사이버보안에 활동 수행에 필요한 고려사항들에 대하여 기술한다.
캐나다 원자력공사(AECL)에 의하여 1960년대 초에 개발되어 상업운전중이거나 건설중인 CANDU 6 발전소는 중앙집중제어방식을 채택하여 계통의 성능 및 신뢰성이 입증되었으나 경제성 및 유지보수의 어려움으로 인하여 현재 개발이 진행중인 CANDU3과 CANDU9 발전소에서는 프로그래머블 콘트롤러를 이용한 분산제어방식을 기반으로 하여 계측제어계통이 설계되고 있다. 분산제어계통은 우수한 확장성과 신뢰성으로 인하여 이미 일반 산업 분야에서 널리 활용되고 있으며 최근에는 원자력발전소에도 적용범위가 계속해서 확대되고 있다. 본 보고서는 최신의 계측제어기술을 적용하여 차세대 대용량 원자력발전소로 개발중인 CANDU9 발전소의 발전소 전제어계통과 핵연료취급제어계통 등 계측제어계통에 대한 주요 계통설계 방안과 분산제어계통의 설계개념을 소개하고 CANDU 발전소에 분산제어방식을 적용한 장점을 고찰하고자 한다.
원자력발전소의 계측제어계통은 제어, 감시기능을 수행하여 안전운전을 위한 두뇌 역할을 하는 핵심적인 분야이다. 최근 계측제어계통은 마이크로프로세서기반의 디지털 기술을 받아들여 디지털화되었다. 그러나 계측제어계통의 디지털시스템은 아날로그 기반 시스템에 비해 사이버위협에 매우 취약하여, 사이버공격에 의해 발전소 안전에 부정적인 영향을 받을 수 있다. 따라서 사이버침해에 대응할 수 있는 사이버 보안 대책이 계측제어계통에 요구된다. 사이버 보안성이 우수한 계통 설계를 위해서는 계측제어계통을 구성하는 자산에 대한 효과적인 자산분석이 요구된다. 본 연구에서는 원자로 계측제어설계의 사이버보안 적합성을 분석하기 위한 전 단계로 계측제어계통의 디지털 자산을 분석하기 위한 방법론을 제안한다. 제안된 디지털자산 분석 방법은 자산식별, 식별된 자산에 대한 평가방법으로 구성된다. 제안된 자산분석방법은 원자력발전소 계측제어계통의 사이버보안을 위한 자산분석에 응용하였다.
앞으로 건설되는 원전의 계측제어계통은 디지털 기술로 설계될 전망이다. 그러나 디지털 기술을 원전 계측제어계통에 적용하는데 있어서 디지털 기술이 원전의 안전성이나 신뢰도에 영향을 미치지 않는다는 사실을 보증하여야 하며, 디지털계통의 기능과 성능에 대한 확인/검증은 원전에 설치되기 전에 수행되어야 한다. 계측제어 시험검증설비의 목적은 새롭게 개발되는 디지털 제어 및 보호 알고리즘, 경보축약 알고리즘 또는 운전지원계통등의 성능을 검증하기 위함이다. 시험검증설비의 소프트웨어는 웨스팅하우스형 993 MWe 가압경수로를 모델링한 수학적 모델링과 시험검증설비를 운용하기 위하여 필요한 종합운용프로그램으로 구성된다. 하드웨어는 공학용 워크스테이션, 시험용 패널, 개발되는 계통과의 인터페이스를 위한 VXI 인터페이스 모듈, 그리고 공유메모리의 값을 시험대상 시작품으로 전송하는 Ethernet 모듈 등으로 구성된다. 사용자 인터페이스로 할덴 원자로 프로젝트에서 개발된 Picasso 그래픽 도구를 이용한 화면과 60개의 주요변수의 값을 CRT에 표시하는 기능을 제공한다. 계측제어 시험검증설비를 응용한 계측제어계통 시작품은 정상운전 및 과도상태에서 적절한 시험결과를 제공하였다.
원자력산업계에서는 원전 계측제어계통의 디지털화를 위해 많은 노력을 기울이고 있으나, 원자력산업의 특수성인 시스템 안전성 확보에 필요한 소프트웨어 개발기준과 규제방법이 정립되지 못하고 있다. 뿐만 아니라 디지털 계측제어계통의 핵심 기반기술인 고신뢰도 소프트웨어 개발 방법론이 확립되지 못하여 소프트웨어 공통모드고장 문제, 정량적인 소프트웨어 신뢰도 보장 문제 등이 논란의 대상이 되고 있다. 이와 같이 원전 계측제어계통 디지털화 성공을 위해서는 소프트웨어 신뢰도 확보가 관건이며 고신뢰도 소프트웨어 확인 및 검증 기술 개발이 절실히 요구된다. 본 기술보고에서는 디지털 계측제어계통 소프트웨어에 대한 규제요건을 소프트웨어 신뢰도 보장을 위한 개발자, 사용자, 규제자 사이의 합의 기준측면에서 분석하였다. 또한 최근의 미국 원자력규제위원회의 디지털 계측제어계통 소프트웨어에 대한 규제방법과 규제동향을 살펴보았으며 마지막으로 고신뢰도 소프트웨어 개발과 확인 및 검증 방법, 규제 요건, 규제 방법 등에서 공통적으로 고려해야 할 기술적 측면의 현안과 이의 해결을 위한 연구 현황등을 파악하였다.
지금까지 원전 계측제어계통은 안전을 위한 보수적인 설계기준을 적용하여 아날로그 기기를 사용하여 설계되었다. 그러나 최근에는 아날로그 기기의 생산 중단으로 기기 및 장비의 예비품 조달에 어려움을 겪게 되었고, 점차 복잡하면서도 편리한 기능에 대한 사용자 요구로 인해 디지털 기기의 사용이 확대되고 있는 추세이다. 프로그램 가능한 논리제어기 (Programmable Logic Controller:PLC)는 기존의 산업체에서 널리 사용되고 있지만, 높은 수준의 안전성 기준 때문에 일부 극소수의 PLC만이 원자력에 적용되고 있는 실정이다. 최근 국내에서도 원전 안전등급의 보호, 제어 및 감시계통에 디지털 기기의 적용을 위해 많은 노력을 하고 있다. 원전 계측제어계통의 디지털화는 부품 단종 및 설비 노후화 문제 등을 해결할 수 있는 장점이 있는 반면에 디지털화로 인한 새로운 안전 현안이 제기될 수 있다. PLC를 기반으로 하는 원전 계측제어계통은 안전등급의 보호, 제어 및 감시 기능을 수행하게 되므로, 고신뢰도 소프트웨어 적용등의 안전계통 개발에서 요구하는 요건을 만족해야 한다. 따라서 상용 또는 신규 개발되는 PLC를 사용하여 발전소보호계통을 구현할 경우에 적용 가능한 기술기준 및 계통요건이 필요하다. 본 논문에서는 발전소보호계통에 적용하기 위한 PLC 평가 항목을 개발하고, 각 부분별 평가 항목에 대해 소개한다.
원전에서 사용되는 계측제어계통 기기들의 국산화를 위하여 수행중인 KNICS 사업의 개발내용을 요약하였다. 본 연구개발은 계측제어계통 구성의 근간이 되는 핵심 기기를 PLC와 DCS로 선정하여 국산화하고, 이를 기반으로 원전에서 요구되는 각종 보호계통, 제어계통 및 감시계통 캐비닛을 개발한다. 원전 적용시 필수적으로 거쳐야 하는 인허가 획득을 위하여 개발요건 수립에서부터 기기검증에 이르기까지 체계적인 계획하에 개발을 추진중에 있으며, 개발결과는 국내 후속원전 건설 및 기존 원전의 기기교체 시 사용가능할 것으로 기대한다.
원전에서 개발되는 계측제어 계통의 소프트웨어에 대한 평가를 위해서 발전소 상태를 모사하는 시뮬레이터를 활용하는 방법이 있다. 기존의 정적인 데이터만을 이용해서 수행하는 시험은 시스템의 성능을 정확하게 검증하는 데 한계가 있었지만 시뮬레이터에서 생성하는 입력 데이터를 계측제어 계통에 입력하여 시험을 수행하면 동적으로 변하는 상태를 구현할 수 있고, 계측제어 계통의 동작이 정확하게 수행되는 지 확인할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 시뮬레이터를 기반으로 계측제어 계통의 시험검증 적합성 평가를 수행할 수 있는 환경을 구축하였고, 필요한 프로그램을 개발하였다.
디지털 계측제어계통을 발전소에 적용하기 전에 시험 및 검증하기 위하여 500MW급 표준화력발전소 시뮬레이터 모델을 개발하고 터빈 제어시스템과 연계하였다. 선택된 디지털 계측제어계통의 성능시험 시, 해당되는 시뮬레이터 모델은 조정할 수 없는 발전소 디지털 계측제어계통과 교체된다. 시뮬레이터 모델 및 제어시스템의 입출력은 연계장치에 있는 LabView 프로그램을 사용하여 연결되었다. 본 논문에서는 시뮬레이터 모델 및 디지털 계측제어계통을 연계하는 방법론에 대하여 기술하고, 정상운전, 과도상태 및 고장인가 시 수행된 검증시험 결과를 제시하였다. 시뮬레이터 모델을 사용한 디지털 계측제어계통의 종합검증을 통하여 시뮬레이터가 디지털 제어시스템을 발전소에 적용하기 위한 시험장치로 사용될 수 있는 방법론을 개발하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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