СОВМЕЩЕННАЯ ПИТАЮЩАЯ УСТАНОВКА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ (СПУ)

Полезная модель относится к схемам резервного или аварийного энергоснабжения с автоматическим переключением источников электропитания и может быть использована в системах с повышенными и особыми требованиями к устойчивости электропитания, отсуствие которого может привести к катастрофическим последствиям, таких, как средства автоматики на железных дорогах, компьютерные центры и центры обработки и хранения данных, узлы связи, оборудование для непрерывного управления производственными процессами в различных отраслях промышленности (газовая, атомная, нефтяная и др.), медицинское оборудование, системы вещания и спутниковой связи, системы передачи данных, аварийные системы освещения, системы безопасности, финансовые системы и услуги, судовые электроустановки, системы специального применения Минобороны и другие.
Обеспечение бесперебойного, гарантированного энергоснабжения средств автоматики железной дороги (электрической, горочной и микропроцессорной централизации, переездной сигнализации, систем автоматической блокировки и т.п.) является важным фактором обеспечения безопасности перевозок. К этим системам предъявляются жесткие требования по качеству энергоснабжения. В частности, максимальное время обесточивания релейной системы в соответствии с требованиями «Правил технической эксплуатации» (ПТЭ) не должно превышать 1.3 сек, а для систем, построенных на базе микропроцессорной техники обесточивание схем вообще недопустимо. Современные сложные системы автоматики и телемеханики предъявляют очень высокие требования к бесперебойности и качеству энергоснабжения. В настоящее время на железных дорогах применяется двухуровневая система бесперебойного энергоснабжения средств автоматики. На первом уровне находится система бесперебойного энергоснабжения переменным током, которая обычно включает один основной фидер и резервный. При необходимости в качестве дополнительного источника энергоснабжения применяется фидер альтернативной сети или дизель-генератор.
Дополнительный источник, как правило, обладает меньшей мощностью и невысокими качественными характеристиками. В результате резервные источники рассматриваются и используются лишь, как временная мера, позволяющая с невысоким качеством парировать отказы основного фидера. В соответствии с этим схемы обеспечения гарантированного энергоснабжения строятся по принципу "при отказе основного фидера - переход на резервный, с возвратом на основной при его восстановлении". Таким образом, основной фидер считается приоритетным. Второй уровень составляет система вторичного, низковольтного энергоснабжения. Такая система содержит, в том числе, низковольтные аккумуляторы, обеспечивающие бесперебойное энергоснабжение устройств автоматики при отказе первого высоковольтного уровня. Низковольтная система обеспечивает питанием только блоки железнодорожной автоматики гарантированного электроснабжения.
Известна установка бесперебойного электроснабжения (Великосельский Н.П. и др. «Организация электроснабжения в условиях перерывов и значительных отклонений напряжения питающей сети» - М.: Информэлектро. 1987), содержащая входной фидер, блок контроля состояния и коммутации фидеров и источник бесперебойного питания.
В установке предполагается замена отказавшего источника бесперебойного питания на промышленную сеть в аварийных ситуациях.
Недостатком такой установки является невысокие надежность и качество электроснабжения, в частности, переключение осуществляется после превышения выходным напряжением границ U ном 10%, что сопровождается значительной просадкой напряжения при развитии аварийной ситуации.
Контроль электроснабжения осуществляется по узкому числу параметров.
Известна установка бесперебойного электроснабжения (Патент №2133542 от 20.07.1999 г.), содержащая входные фидеры, блок контроля состояния и коммутации фидеров и источник бесперебойного питания.
Такая установка обеспечивает контроль и компьютерное прогнозирование состояния альтернативных источников питания, и их реконфигурацию.
Недостатком такой установки является невысокий уровень надежности электроснабжения, связанный с низким уровнем резервирования источников и невысоким уровнем контроля их состояния (проверяется только входной и выходной фидеры).
Известна установка бесперебойного электроснабжения железнодорожной автоматики Коган Д.А., Эткин З.А. "АППАРАТУРА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ", М., Транспорт, 1987, стр.161, рис.5.1, содержащая входной фидер и первый блок контроля и коммутации фидеров, силовой выход которого является выходом установки. Такая установка имеет два входных фидера: основной и резервный. В ней предусмотрен контроль сосотяния фидеров по ограниченному числу параметров: понижение фазных напряжений фидера и ошибки в чередовании фаз. При отказе (сбое) основного фидера вырабатывается сигнал на переключение на резервный фидер. Этот сигнал задерживается на фиксированный интервал времени, в расчете на возможное восстановление основного фидера. В этом случае переключение отменяется. При устойчивом отказе происходит переход на резервный фидер. В случае восстановления параметров основного фидера производится обратное переключение.
Недостатками такой установки являются низкий уровень надежности и качества энергоснабжения, связанные с ограниченным числом параметров фидеров, подвергающихся контролю, а также низким уровнем резервирования фидеров.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является установка бесперебойного электроснабжения железнодорожной автоматики (Патент РФ 2215355 от 27.10.2003), содержащая входные фидеры и первый блок контроля и коммутации фидеров, силовой выход которого является выходом установки. Установка дополнительно снабжена вторым и третьим блоками контроля состояния и коммутации фидеров, блоками защиты от перенапряжений, источниками бесперебойного питания, первым, вторым и третьим блоками индикации текущего состояния фидеров, индикации статистики состояния фидеров, задания приоритетов фидеров, задания задержки переключения фидеров и блоком ручного управления. Входные фидеры через блоки защиты от перенапряжений соединены с силовыми входами третьего блока контроля состояния и коммутации фидеров, силовой выход которого соединен с силовыми входами источников бесперебойного питания и первым силовым входом первого блока контроля состояния и коммутации фидеров. Выходы источников бесперебойного питания соединены с силовыми входами второго блока контроля состояния и коммутации фидеров. Второй силовой вход первого блока контроля состояния и коммутации фидеров, соединен с силовым выходом второго блока контроля состояния и коммутации фидеров, первые сигнальные выходы первого, втрого и третьего блоков контроля состояния и коммутации фидеров соединены с соответствующими блоками индикации текущего состояния фидеров, а вторые сигнальные выходы - с блоком индикации статистики состояния фидеров, первые управляющие входы первого, второго и третьего блоков контроля состояния и коммутации фидеров, соединены с соответствующими блоками задания приоритетов фидеров, вторые управляющие входы - с соответствующими блоками задания задержки переключения фидеров, а третьи управляющие входы - с блоком ручного управления.
Недостатками такой установки являются:
- недостаточный уровень надежности электроснабжения потребителей, связанный с отсутствием защиты цепей контроля состояния входных фидеров, что при длительных (более допустимого времени) перенапряжениях (свыше 600 В) может привести к выходу из строя практически всех электронных устройств аппаратного контроля фидера. При такой ситуации установка лишается резерва и, как следствие, гарантированного входного питания. Наиболее подвержены таким аварийным ситуациям основной и резервный фидеры, которые подводятся извне. ДГА таким авариям практически не подвержен;
- отсутствие непрерывного анализа качества работы аппаратных средств контроля и коммутации установки. При отклонениях технических характеристик электронных средств контроля, вызванных различными причинами (температура окружающей среды, отказ элементов схемы), может привести к неконтролируемым отклонениям параметров выходного напряжения в процессе электроснабжения потребителей. В случае нераспознаваемого схемой выхода из строя отдельных электронных устройств (устройство всегда выдает разрешение на подлючение контролируемого источника питания) на выходе установки возможно появление опасного для потребителя напряжения;
- отсутствие непрерывной диагностики наиболее важных элементов установки вплоть до устройств распределения электроэнергии;
- применение одноуровневого регулирования работы трехступенчатой схемы контроля и коммутации состояния источников питания, основанного на аппаратной логике (устройства контроля состояния источников питания работают по принципу «норма» или «дефект», приоритет источников питания устанавливается жестко при помощи перемычек и т.д.);
- провалы выходного напряжения установки при переключениях в третьей ступени энергоснабжения, что неприемлемо для ряда потребителей;
- сверхкритичные провалы в энергоснабжении потребителей в случае тройного одновременного отказа резерва всех ступеней энергоснабжения, что неприемлемо практически для всех ответственных потребителей электроэнергии;
- отсутствие резерва питания второй ступени энергоснабжения.
Задачей полезной модели является создание высококачественной и надежной установки бесперебойного электроснабжения.
Техническим результатом полезной модели является повышение качества энергоснабжения в системах с повышенными и особыми требованиями к устойчивости электропитания.
Совмещенная питающая установка бесперебойного электроснабжения, включает фидер основной, фидер резерва и фидер альтернативной сети или дизель-генераторный агрегат, вводные устройства фидеров и щит аварийного отключения, подсоединенный к водным устройствам, выходы вводных устройств фидеров подключены к входу первого блока контроля и коммутации фидеров, выход которого подключен к устройству гальванической развязки и ко входу третьего блока контроля и коммутации фидеров, второй блок контроля и коммутации фидеров включает устройства бесперебойного питания, выходы которых являются выходом второго блока контроля и коммутации фидеров, при этом выходы первого и второго блоков контроля и коммутации фидеров являются входами для третьего блока контроля и коммутации фидеров, а к первому блоку контроля и коммутации фидеров подключены первый блок цифровой индикации текущего состояния фидеров щитового исполнения, первый блок задания задержки переключения фидеров и первый блок задания приоритетов фидеров, ко второму блоку контроля и коммутации фидеров подключены второй блок цифровой индикации текущего состояния фидеров щитового исполнения, второй блок задания приоритетов фидеров, второй блок задания задержки переключения фидеров, к третьему блоку контроля и коммутации фидеров подключены третий блок цифровой индикации текущего состояния фидеров щитового исполнения, третий блок задания задержки переключения фидеров, третий блок задания приоритетов фидеров, блок ручного управления подключен к блокам управления и коммутацией фидеров.
Вводные устройства фидеров дополнительно снабжены дистанционным управлением со щита аварийного отключения. Первый блок контроля и коммутации фидера дополнительно может быть снабжен устройством защиты схем контроля состояния фидера от длительных перенапряжений, дополнительно может иметь блок анализа и выбора приоритетного фидера с возможностью управления от программируемого логического контроллера (ПЛК), дополнительно может иметь контактор и устройство гальванической развязки (УГР), дополнительно может иметь блок ручного или автоматического ввода резерва УГР и резервное УГР, устройства бесперебойного питания (УБП) - до восьми устройств, второй блок контроля и коммутации УБП (выполнен на базе современных интелектуальных систем управления самих УБП, обладающих высочайшими техническими характеристиками), СПУ дополнительно может иметь блок выбора синхронизации резервированных УБП.
Третий блок контроля и коммутации фидера дополнительно может быть снабжен блоком управления нулевого времени переключения.
СПУ дополнительно может иметь аппаратно - программный комплекс диагностики и управления СПУ (с аппаратными средствами управления, измерения и контроля состояния основных элементов и цепей установки) с возможностью удаленного управления и мониторинга текущего состояния установки и архива нештатных состояний установки.
Первую ступень энергоснабжения образует резервированное первичное питание установки от входных фидеров. Их автоматический выбор может осуществляться на основе анализа текущего состояния входных фидеров с помощью аппаратных и программных средств контроля и управления приоритетом с применением двух режимов управления первой ступенью энергоснабжения (штатного и предаварийного). Для этого в СПУ дополнительно может быть предусмотрена техническая возможность автоматического дистанционного изменения приоритета фидера и отключения фидера от выхода ступени энергоснабжения, а так же возможность автоматического выбора режима управления первой ступенью энергоснабжения. Переключение фидеров осуществляется с регулируемой задержкой времени в расчете на возможное восстановление параметров подключенного фидера.
Вторую ступень энергоснабжения образуют устройства бесперебойного питания, которые обеспечивают непрерывную (без провалов) подачу электроэнергии вне зависимости от состояния входных фидеров. Резервирование УБП и их синфазная работа позволяет переводить питание потребителей с одного УБП на другой электронными коммутаторами без провалов в энергоснабжении. Во второй ступени энергоснабжения возможно подключение до восьми УБП. Дополнительно в СПУ может применяться схема выбора синхронизации УБП.
Схема анализирует напряжение байпаса УБП (эту функцию в современных УБП способна выполнять аппаратная часть самого УБП) и, в случае его недопустимого отклонения или пропадания, переключает вход синхронизирующего модуля УБП с выхода устройства гальванической развязки на выход первой ступени энергоснабжения, а так же с помощью контактора отключает вход УГР (разделительный трансформатор) от выхода первой ступени энергоснабжения. Этим обеспечивается защита выхода первой ступени энергоснабжения от перегрузок со стороны поврежденного УГР. В случае особых применений и по требованию потребителя электроэнергии в СПУ предусмотрена возможность резервирования УГР и ручного или автоматического ввода резерва УГР. В этом случае СПУ дополнительно комплектуется резервным УГР и блоком ввода резерва УГР. Блок ручного ввода резерва УГР может быть выполнен на базе двух соосно включенных перекидных рубильников и кнопки принудительного включения контактора 24, устройство автоматического ввода резерва УГР может быть выполнено на базе двух двойных контакторов с механической блокировкой одновременного включения и устройства запуска штатного режима работы СПУ. В случае применения вырожденной второй ступени энергоснабжения (ступень состоит из одного УБП) при выходе из строя УГР или байпаса УБП для предотвращения провалов выходного напряжения СПУ при переключениях в третьей ступени возможно дополнительное применение маломощных вторичных источников бесперебойного питания низкого напряжения постоянного тока с временем удержания заданного напряжения в течение нескольких минут на отдельных наиболее ответственных нагрузках (цепи СЦБ ЖД автоматики) потребителей электроэнергии. При этом применение вырожденной второй ступени энергоснабжения СПУ является частным случаем конфигурации заявляемой установки, и выполняется по требованию потребителя электроэнергии с целью удешевления конструкции.
Третью ступень энергоснабжения образует резервированное питание, от двух источников: выхода первой ступени энергоснабжения и выхода второй ступени энергоснабжения. При этом выход второй ступени энергоснабжения всегда имеет высший приоритет, так как современные интеллектуальные системы резервированных УБП обеспечивают высочайшее качество выходного напряжения. При ухудшении параметров выходного напряжения второй ступени энергоснабжения, вызванных пропаданием входного напряжения второй ступени и разрядом аккумулятора, третья ступень СПУ подключает к выходу напряжение первой ступени энергоснабжения. При этом, благодаря блоку выбора синхронизации, синхронизирующему модулю УБП и блоку управления нулевого времени переключения, СПУ обеспечивает переключение фидеров без провалов выходного напряжения установки (при снятии логикой СПУ разрешения на подключение УБП к выходу установки, третья ступень энергоснабжения сначала подключает к выходу установки оба входных фидера ступени, а затем отключает дефектный выход второй ступени энергоснабжения). Коммутатор третьей ступени энергоснабжения может быть выполнен на контакторах либо на встречно включенных тиристорах, обеспечивающих бесконтактную коммутацию. Для обеспечения в третьей ступени коммутации в случае одновременного пропадания входного напряжения второй ступени энергоснабжения и выхода из строя инверторов УБП в качестве УГР возможно применение разделительных трансформаторов с нулевой группой переключения.
Таким образом, достигается качественная коммутация (без провалов и бросков напряжения) фидеров третьей ступени и бесперебойное питание потребителей в случае выхода из строя второй ступени энергоснабжения или устройства гальванической развязки.
Дополнительно СПУ может иметь два уровня контроля и принятия решений благодаря возможному применению комплекса диагностики и управления (КДУ) СПУ:
- первый (нижний) уровень контроля выполнен на основе аппаратных электронных средств контроля состояния фидеров (реле контроля фаз, реле контроля напряжения, блок контроля частоты и др.) позволяет с минимальными задержками времени осуществлять контроль входных источников и выдавать разрешение на их подключение блоку приоритетов.
Однако эти устройства не способны обнаруживать некоторые отклонения в своей работе и собственные неисправности, например постоянный сигнал разрешения на выходе устройства и другие.
- второй (верхний) уровень контроля и принятия решений может быть выполнен на базе встраиваемого промышленного компьютера (микро-ЭВМ) и промышленного программируемого логического контроллера (ПЛК). Специализированное программное обеспечение микро - ЭВМ позволяет оперативно контролировать напряжения выходов 1 и 3 ступеней энергоснабжения, оценивать качество работы нижнего уровня управления и, в случае необходимости, - понижать приоритет выбранного источника питания.
Оба уровня управления могут выбирать режим управления первой ступенью энергоснабжения с приоритетом решения второго уровня управления.
Работа КДУ СПУ может быть реализована путем следующего распределения функций между микро-ЭВМ и ПЛК. ПЛК может выполнять:
- сбор логической информации о состоянии аппаратной части СПУ;
- сбор, нормализацию и оцифровку аналоговой информации о параметрах фидеров СПУ;
- программный анализ логической информации;
- формирование сигналов управления объектами СПУ. Микро-ЭВМ может выполнять:
- контроль числовых параметров фидеров СПУ;
- контроль полюсов питания СПУ;
- контроль функционирования элементов и агрегатов СПУ;
- выявление предаварийных ситуаций СПУ;
- ведение архива событий;
- визуализацию состояний узлов и агрегатов СПУ;
- сопряжение с системами диагностики и удаленного мониторинга верхнего уровня.
Передача некоторых функции управления СПУ программируемому логическому контроллеру может обеспечить высокие показатели качества и надежности установки за счет гибкости управления, относительно простых программных решений, применяемых в ПЛК и быстроты реакции ПЛК на изменение входной логической информации о состоянии аппаратной части СПУ.
В случае дальнейшей оптимизации процессов управления СПУ возможно и иное разделение функций между составными частями КДУ СПУ.
Заявляемую установку иллюстрируют следующие графические материалы:
На Фиг.1 приведена структурная схема установки бесперебойного электроснабжения, где: 1 - фидер основной; 2 - фидер резерва; 3 - дизель-генераторный агрегат; 4 - вводное устройство первого фидера; 5 - вводное устройство второго фидера; 6 - вводное устройство; третьего фидера; 7 - щит аварийного отключения; 8 - первый блок контроля и коммутации фидеров; 9 - устройство гальванической развязки; 10 - устройство бесперебойного питания; 11 - второй блок контроля и коммутации фидеров; 12 - третий блок контроля и коммутации фидеров; 13 - блок ручного управления; 14 - первый блок цифровой индикации текущего состояния фидеров щитового исполнения; 15 - первый блок задания задержки переключения фидеров; 16 - первый блок задания приоритетов фидеров; 17 - второй блок цифровой индикации текущего состояния фидеров щитового исполнения; 18 - второй блок задания приоритетов фидеров; 19 - второй блок задания задержки переключения фидеров; 20 - третий блок цифровой индикации текущего состояния фидеров щитового исполнения; 21 - третий блок задания задержки переключения фидеров; 22 - третий блок задания приоритетов фидеров; 23 - измерительный преобразователь параметров трехфазной сети переменного тока (в случае применения в первой ступени энергоснабжения 8 микропроцессорного счетчика электроэнергии с контролем качества сети - может не устанавливаться); 24 - контактор; 25 - распределенная система управления на базе ПЛК; 26 - микро-ЭВМ; 27 - монитор; 28 - блок выбора синхронизации УБП; 29 - щит распределения электроэнергии; 30 - синхронизирующий модуль УБП;
На фиг.2 приведена структурная схема первого блока контроля и коммутации, где: 31 - блок контроля состояния фидера; 32 - блок анализа и выбора приоритетного фидера; 33 - блок задержки переключения фидеров; 34 - коммутатор; 35 - устройство защиты схем контроля состояния фидера; 36 - счетчик электроэнергии;
На Фиг.3 приведена структурная схема устройства бесперебойного питания, где: 38 - выпрямитель; 39 - аккумулятор; 40 - синхронизирующий модуль; 41 - инвертор (преобразователь); 42 - фильтр;
На Фиг.4 приведена структурная схема третьего блока контроля и коммутации, где: 31 - блок контроля состояния фидера; 32 - блок анализа и выбора приоритетного фидера; 33 - блок задержки переключения фидеров; 34 - коммутатор, 37 - блок управления нулевого времени переключения;
На Фиг.5 приведена структурная схема блока контроля состояния фидера, где:
43 - блок контроля напряжения на понижение; 44 - блок контроля напряжения на превышение; 45 - блок контроля чередования фаз; 46 - блок контроля перекоса фаз; 47 - блок контроля обрыва фаз; 48 - блок контроля частоты;
На Фиг.6 приведена структурная схема устройства защиты схем контроля состояния фидера, где: 49 - понижающий трансформатор; 50 - выпрямитель; 51 - пороговое устройство; 52 - контактор;
На Фиг.7 приведена структурная схема блока выбора синхронизации УБП, где: 53 - блок контроля напряжения байпаса; 54 - коммутатор;
На Фиг.8 приведена структурная схема комплекса диагностики и управления СПУ.
На Фиг.9 приведена структурная схема блока подключения резерва устройства гальванической развязки СПУ, где: 55 - перекидной рубильник; 56 - кнопка принудительного включения контактора 24;
Входные фидеры 1, 2, 3 предназначены для первичного энергоснабжения СПУ, при этом входной фидер 1 является основным, входной фидер 2 - резервным, а 3 - фидер альтернативной сети или дизель-генераторный агрегат. Дизель-генераторный агрегат (ДГА) управляется сигналами пуск ДГА, стоп ДГА в соответствии с логикой текущего режима управления первой ступенью энергоснабжения.
Вводные устройства фидеров 4, 5, 6 предназначены для защиты от импульсных перенапряжений и дистанционного отключения фидеров со щита аварийного отключения 7, а так же для измерения дифференциальных токов прямых и обратных жил фидеров с целью обеспечения электро и пожаробезопасности СПУ.
Первый 8, второй 11 и третий 12 блоки контроля и коммутации фидеров предназначены для текущего контроля состояния входных фидеров 1, 2, 3, резервированных источников бесперебойного питания 10 и выходов второго 11 и третьего 12 блоков контроля и коммутации фидеров, соответственно, и подключения к выходу наиболее приоритетого из исправных фидеров.
Структурная схема первого блока контроля и коммутации фидеров 8 (первой ступени энергоснабжения) приведена на Фиг.2.
Напряжения основного и резервного фидеров 1 и 2 поступают на устройства защиты схем контроля состояния 35 (структурная схема устройства защиты схем контроля состояния фидера приведена на Фиг.6., которые отключают входы цепей контроля от фидера при длительных (более установленного времени) перенапряжениях. Выходное напряжение от фидера 3 минует блок 35.
Затем напряжения фидеров 1, 2 и 3 поступают на блоки контроля состояния фидеров 31 (информация контроля отражается на дверных цифровых индикаторах с ручным выбором фаз 14), их сигналы разрешения на подключение поступают на блоки анализа и выбора приоритетного фидера 32. Приоритет фидеров может устанавливаться блоком задания приоритетов 16 с помощью перемычек или нормально замкнутых контактов промежуточных реле, управляемых выходными модулями ПЛК КДУ СПУ. Верхний уровень управления может автоматически изменять приоритет фидера с целью недопущения автоколебательного режима переключений, а в случае необходимости - отключать фидер от выхода. При отсутствии в СПУ верхнего уровня управления функция автоматического изменения приоритета может быть выполнена аппаратной логикой.
Сигнал управления для выбора приоритетного фидера поступает на блок задержки переключения фидеров (задержки задаются блоком задания задержки переключения фидеров 15), откуда передается на коммутатор, выполненный на контакторах. С коммутатора фидеров напряжение поступает на счетчик электроэнергии 36 с возможностью измерения и передачи информации о параметрах сети в микро-ЭВМ. При отсутствии у счетчика такой возможности на выходе первого блока контроля и коммутации устанавливается измерительный преобразователь параметров трехфазной сети переменного тока 23. Выход первого блока контроля и коммутации фидера (8) является выходом первой ступени энергоснабжения СПУ.
Далее напряжение выбранного фидера поступает на контактор 24 и устройство гальванической развязки 9 (УГР), выполненное на базе разделительного трансформатора.
С выхода УГР 9 напряжение поступает на вход второй ступени энергоснабжения (блок контроля и коммутации фидеров 11). По требованию потребителя электроэнергии СПУ может комплектоваться резервным УГР и блоком ручного или автоматического ввода резервного УГР, который, в случае выхода из строя основного УГР 9, позволяет переключить питание на резерв и принудительно включить контактор 24.
Второй 11 блок контроля и коммутации фидеров реализован на базе встроенных интеллектуальных систем управления резервированных устройств безперебойного питания 10, включает собственно УБП (до 8 штук), блок цифровой индикации текущего состояния фидеров 17, блок задания приоритетов фидеров 18, блок задания задержки переключения фидеров 19, синхронизирующий модуль УБП 30.
Синхронизирующий модуль УБП 30 обеспечивает высокоточную взаимную синхронизацию УБП при их совместной работе на общую нагрузку, а так же синхронизирует выходные напряжения всех УБП с напряжением байпаса (входным напряжением резервированных УБП).
Благодаря синфазности всех напряжений УБП достигается режим работы с нулевым временем переключений. Устройства бесперебойного питания (УБП) 10 предназначены для выработки выходного переменного напряжения путем двойного преобразования энергии. Для этого в штатном режиме они используют энергию входных фидеров - выпрямляют переменный ток, заряжают аккумулятор 39 (фиг.3) и вновь формируют переменное напряжение с требуемыми параметрами. При отказе входных фидеров УБП используют энергию аккумулятора. Структурная схема УБП представлена на Фиг.3.
В СПУ используется автоматическое переключение сигналов синхронизации УБП в случае пропадания или сверхкритичного ухудшения напряжения байпаса (что возможно в случае выхода из строя УГР). В этом случае блок выбора синхронизации 28 подключает ко входу синхронизирующего модуля 30 напряжение первой ступени энергоснабжения - выход блока 8, отключает контактор 24 (разрывает связь УГР с выходом блока 8) и подготавливает выход УБП к коммутации в третьей ступени энергоснабжения.
Для обеспечения коммутации в третьей ступени энергоснабжения при одновременном пропадания входного напряжения второй ступени энергоснабжения и выходе из строя инверторов УБП в качестве УГР возможно применение разделительных трансформаторов с нулевой группой переключения.
Благодаря такому техническому решению в третьем блоке контроля и коммутации осуществляется коммутация с нулевым временем переключения.
Выход резервированных УБП является выходом второй ступени энергоснабжения СПУ. Структурная схема третьего блока контроля и коммутации фидера 12 (третьей ступени энергоснабжения) приведена на Фиг.4.
Выходные напряжения первой 8 и второй 11 ступеней энергоснабжения поступают на вход третьего блока контроля и коммутации фидеров 12. Этот блок включает блок контроля состояния фидера 31, блок анализа и выбора приоритетного фидера 32, блок задержки переключения фидеров 33, коммутатор 34 и блок управления нулевого времени переключения 37.
Блок выбирает приоритетный фидер (выход второй ступени энергоснабжения всегда имеет высший приоритет) и коммутирует его по следующему алгоритму.
При отказе подключенного фидера блок нулевого времени переключения 37 под управлением ПЛК КДУ СПУ или аппаратной логики сначала подключает к выходу оба входных фидера третьей ступени энергоснабжения, а затем отключает дефектный входной фидер. После восстановления нормальной работы второй ступени, блок аналогично переключает фидеры в исходное состояние.
Для аварийного переключения фидеров всех ступеней энергоснабжения может применяться блок ручного управления 13. Выходное напряжение третьей ступени контролируется измерительным преобразователем параметров трехфазной сети переменного тока 24, показания которого передаются в микро-ЭВМ КДУ СПУ. Далее выходное напряжение поступает на щит распределения электроэнергии и к нагрузкам потребителей.
На Фиг.4 приведена структурная схема устройства бесперебойного питания, где выпрямитель 38 предназначен для преобразования входного переменного напряжения фидера в постоянное. Выпрямитель может быть реализован на основе обычной 3-х фазной диодной схемы. Аккумулятор 39 предназначен для накопления энергии в штатном режиме работы и резервного источника энергоснабжения при отказе всех водных фидеров. В качестве аккумулятора может использоваться высоковольтный аккумулятор.
Синхронизирующий модуль 40 предназначен для выработки сигналов управления инвертором (преобразователем) 41, а также для согласования по фазам всех УБП. Инвертор предназначен для формирования переменных фазных напряжений (меандра). Инвертор может быть реализован в виде ключевых схем, открывающихся по сигналам от синхронизирующего модуля 40. Фильтр 42 предназначен для формирования синусоидального выходного напряжения УБП, а именно, для устранения высокочастотных составляющих из выходного сигнала генератора потребителям.
На Фиг.5 приведена структурная схема блока контроля состояния фидера.
Блок контроля напряжения на понижение 42 предназначен для выявления случая снижения фазных напряжений ниже порогового уровня. Блок может быть реализован в виде автономного многофункционального электромеханического полупроводникового реле напряжения или микроэлектронного устройства. Блок контроля чередования фаз 45 предназначен для выявления случаев нарушения последовательности следования фазных напряжений в фидере. Блок может быть реализован в виде автономного многофункционального электромеханического полупроводникового реле напряжения или микроэлектронного устройства. Блок контроля перекоса фаз 44 предназначен для выявления случаев искажения векторной диаграммы трехфазной сети - появление недопустимого напряжения в нулевом проводе. Блок может быть реализован в виде автономного многофункционального электромеханического полупроводникового реле напряжения или микроэлектронного устройства. Блок контроля обрыва фаз 46 предназначен для выявления случаев полного пропадания одной из фаз фидера. Контроль этого параметра позволяет различить случаи снижения напряжения (блок 42) и полного пропадания фазы. В результате в аварийных ситуациях оператор может принять решение о возможности использования фидера с пониженным уровнем напряжения, чего нельзя делать при пропадании фазы. Блок может быть реализован в виде автономного многофункционального электромеханического полупроводникового реле напряжения или микроэлектронного устройства.
Блок контроля напряжения на превышение 43 предназначен для выявления случаев превышения фазных напряжений фидера выше установленных пределов. Такое превышение оказывается не менее опасным отклонением от нормального состояния, чем снижение напряжения. Блок может быть реализован в виде автономного многофункционального электромеханического полупроводникового реле напряжения или микроэлектронного устройства. Блок контроля частоты 47 предназначен для выявления случаев недопустимого отклонения частотных свойств фидеров от номинального значения. Блок может быть реализован в виде автономного многофункционального электромеханического полупроводникового реле напряжения или микроэлектронного устройства.
На Фиг.6 приведена структурная схема устройства защиты схем контроля состояния фидера. Контролируемое напряжение поступает на силовые контакты включенного контактора 52 и на понижающий трансформатор 49. После трансформатора - на выпрямитель 50 и на пороговое устройство 51. В случае превышения порогового уровня напряжения
пороговое устройство отключает контактор 52 и контролируемое напряжение от цепей контроля состояния фидера. В прототипе применяется токовая защита цепей контроля состояния фидера в виде плавкой вставки или автоматического выключателя с электромагнитным расцепителем. Плавкая вставка не способна защитить единичное устройство контроля состояния фидера, так как номинальный ток плавкой вставки выбирается как ближайший (больший номинал токового ряда) к суммарному потреблению тока всех устройств контроля состояния, находящихся в состоянии максимального энергопотребления при максимально допустимом напряжении питания. Аналогично выбирается номинальный ток автоматического выключателя. При перенапряжениях в фидере ряд устройств контроля состояния фидера может выйти из строя по причине перераспределения энергопотребления между подключенными устройствами и запаса по току плавкой вставки или автоматического выключателя. Так же при такой защите цепей контроля любое перенапряжение, приводящее к перегоранию плавкой вставки, вызывает временную потерю всего канала резервирования СПУ до замены плавкой вставки или ручного включения автоматического выключателя, что в отдельных случаях может нарушить гарантированность энергоснабжения потребителей.
На Фиг.7 приведена структурная схема блока выбора синхронизации УБП. Напряжение байпаса (с выхода 9) поступает на блок контроля напряжения 53, который в случае ыявления недопустимого ухудшения его показателей или обрыва, дает команду на переключение коммутатора 54. Нормально замкнутые контакты 54 подключают к синхронизирующему модулю УБП напряжение байпаса, а нормально разомкнутые контакты - напряжение первой ступени энергоснабжения (с выхода 9). В случае применения современных УБП ведущих мировых производителей функцию блока 53 может выполнять встроенная аппаратура УБП. Блок анализа и выбора приоритетного фидера 32 предназначен для приема и обработки информации о текущем состоянии фидеров, приема и хранения приоритетов фидеров, заданных оператором и КДУ СПУ, выдачи на блоки индикации 14, 20 информации о состоянии фидеров; оценки состояния и выработки сигнала на переключение в зависимости от заданных приоритетов 15, 21 и текущего состояния фидеров. Правило переключения состоит в выборе наиболее приоритетного из исправных фидеров. Блок анализа и выбора приоритетного фидера 32 может быть выполнен на аппаратной основе с включением исполнительных реле, управляемых КДУ СПУ.
В блоке контроля и коммутации первой ступени энергоснабжения применяется три уровня приоритетов: 1 - основной фидер; 2 - резервный фидер; 3 - ДГА. Первый блок контроля и коммутации имеет два режима управления, выбор которых инициируется программным обеспечением КДУ СПУ или аппаратной логикой СПУ:
- штатный режим управления первой ступенью (при наличии напряжении байпаса);
- предаварийный режим управления первой ступенью (при выходе из строя УГР или отсутствии напряжения байпаса).
В штатном режиме управления КДУ СПУ (аппаратная логика) формирует сигнал на включение ДГА только в случае выхода из строя основного и резервного фидеров (до этого ДГА находится в состоянии холодного резерва). При возобновлении нормальной работы одного из более приоритетных фидеров первый блок контроля и коммутации фидеров снова переключает выход от ДГА к более приоритетному фидеру, а ДГА прекращает свою работу и переводится в холодный резерв.
В предаварийном режиме управления первой ступенью КДУ СПУ (аппаратная логика) формирует сигнал на включение ДГА при выходе из строя хотя бы одного из фидеров - основного или резервного. По сигналу включения ДГА запускается и находится в состоянии горячего резерва, обеспечивая необходимое резервирование фидеров первой ступени энергоснабжения. При возобновлении нормальной работы основного фидера первый блок контроля и коммутации фидеров отключает ДГА и переводит его в режим холодного резерва. Таким образом в предаварийном режиме при отсутствии напряжения байпаса, обеспечивается горячий резерв первой ступени энергоснабжения. Благодаря такому техническому решению в предаварийной ситуации на время прибытия сервисинженеров и время устранения неисправности обеспечивается гарантированное питание потребителей с минимальным временем коммутации (менее 1.3 сек) в первой ступени энергоснабжения.
Таким образом заявляемая установка даже в режиме тройного одновременного отказа резерва всех ступеней энергоснабжения (выход из строя основного фидера, выход из строя резервного фидера и полный разряд аккумуляторов УБП) обеспечивает электроснабжение потребителей с допустимым временем переключения фидеров.
По требованию потребителя электроэнергии СПУ может быть укомплектована резервным УГР с блоком ручного ввода резервного УГР. Это позволит в предаварийной ситуации при выходе из строя основного УГР оператору установки вручную перевести СПУ на резервное УГР и с помощью кнопки принудительного включения контактора 24 снова вернуть СПУ в штатный режим работы. При возникновении предаварийной ситуации оператор оповещается сигналом тревоги, а КДУ СПУ на мониторе рекомендует выполнить действия по устранению неисправности и извещению сервисной службы. Возможно применение блока автоматического ввода резервного УГР, выполненного на аппаратной логике. Таких параметров не имеет ни одна из известных систем первичного питания потребителей.
При переключениях фидеров возможно возникновение автоколебательного режима.
Это может быть вызвано тем, что в отключенном состоянии более приоритетный фидер имеет устойчивые параметры, а при подключении нагрузки - параметры с отклонением от нормы. Тогда аппаратная логика установки может беспрерывно переключать выход ступени энергоснабжения с одного фидера на другой.
Для остановки этого процесса микро-ЭВМ или аппаратная логика СПУ может вести подсчет количества переключений и при достижении заданного числа - выдавать управляющий сигнал на понижение приоритета фидера, таким образом колебательный процесс может быть остановлен. Через заданное время микро-ЭВМ (аппаратная логика) снова возвращает фидеру исходный приоритет и, если колебания возобновляются - включает сигнализацию об аварийном состоянии данного фидера.
Блок контроля и коммутации третьей ступени энергоснабжения работает аналогично первому. Он имеет два уровня приоритетов: 1 - выход резервированных УБП; 2 - выход первой ступени энергоснабжения. Блок нулевого времени переключения обеспечивает коммутацию фидеров без провалов выходного напряжения установки.
Блок задержки переключения фидеров 33 предназначен для исключения срабатывания коммутатора 34 при кратковременных сбоях в фидерах. Для решения этой задачи блок задержки принимает сигнал от блока анализа и выбора приоритетного фидера 32 задерживает его на интервал, определяемый задающими блоками 15, 21. Если в течение этого интервала состояние отказавшего (сбойного) фидера восстановится, то управляющий сигнал на коммутатор не поступит.
На Фиг.8 приведена структурная схема комплекса диагностики и управления совмещенной питающей установки бесперебойного электроснабжения (КДУ СПУ). Комплекс диагностики КДУ СПУ представляет собой совокупность программных и аппаратных средств, предназначенных для: контроля параметров входного питания; контроля выходных параметров полюсов питания; контроля функционирования элементов и агрегатов СПУ; выявления предаварийных состояний; ведения архива состояния СПУ с целью определения причин отказов; сопряжения с системами диагностики и удаленного мониторинга верхнего уровня;
Согласно Фиг.8:
- Модули сбора информации, визуализации, генерирования тревог и сопряжения с КДУ СПУ выполнены аппаратно на базе компьютера, причем допускается как их компоновка в одном компьютере, так и распределенная система с вынесением любой задачи или группы задач в отдельный компьютер под управлением операционной системы Windows (в перспективе возможны различные варианты операционных систем);
- Модуль сбора информации собирает информацию о состоянии СПУ от объектов контроля в упорядоченную структуру данных и активирует программный агент доступа к информационной базе;
- Выходные модули управления КДУ СПУ обеспечивают передачу сигналов управления на исполнительные устройства СПУ;
- Модули анализа информации в соответствии с заданной логикой обрабатывают полученные данные и формируют сигнал управления;
- Модуль визуализации получает информацию от МСИ и использует ее для визуального отображения состояния СПУ. Программно модуль может быть запущен как локально (на том же компьютере, что и МСИ), так и удаленно, допускается несколько запущенных экземпляров модуля в различных компьютерах, их количество ограничено только пропускной способностью сети передачи данных;
- Модуль генерирования тревог берет информацию от МСИ и проверяет получаемые величины на критические отклонения. В случае имеющегося критического отклонения генерируется тревога в соответствии с конфигурацией модуля. Допускается запуск одного экземпляра программного модуля на локальном или удаленном компьютере;
- Модуль ведения базы данных преобразует получаемую информацию от МСИ в формат, удобный для хранения в базе данных с произвольным доступом, осуществляет запись, индексацию и чтение полученной базы данных состояния СПУ. Допускается запуск одного экземпляра программного модуля на локальном или удаленном компьютере.
- Модуль сопряжения с системой диагностики и удаленного мониторинга (СД и УМ) КДУ СПУ осуществляет преобразование информации, получаемой от МСИ, в формат, удобный для передачи во внешние системы диагностики и удаленного мониторинга. Допускается запуск одного экземпляра программного модуля на локальном или удаленном компьютере.
Взаимодействие программных и аппаратных средств СПУ может быть построено на принципе взаимного дополнения и контроля. При выходе из строя элементов аппаратной логики первого уровня управления программная часть СПУ сигнализирует о выявленной неисправности, а при обнаружении в ходе циклических тестов нештатной работы программного обеспечения КДУ СПУ управление передается первому - аппаратному уровню управления СПУ.
На Фиг.9 приведена структурная схема подключения резерва устройства гальванической развязки СПУ, где: 55 - перекидной рубильник; 56 - кнопка принудительного включения контактора 24. В случае комплектования СПУ резервным УГР для переключения СПУ с основного УГР на резервное может применяться блок ручного ввода резервного УГР. Блок ручного ввода УГР может состоять из двух соосно соединенных перекидных рубильников переключающих выход контактора 24 с одного УГР на другой и одновременно подключающих выход выбранного УГР ко входу второй ступени энергоснабжения потребителей, а так же кнопки принудительного включения контактора 24. После перевода СПУ на резервное УГР и принудительного включения контактора 24 СПУ автоматически переходит с предаварийного режима работы на штатный режим работы. Возможно применение блока автоматического ввода резервного УГР, выполненного на аппаратной логике.
Таким образом, заявляемая совмещенная питающая установка бесперебойного электроснабжения имеет очень высокую степень живучести в условиях совокупных отказов резерва всех ступеней энергоснабжения, высочайшие характеристики энергоснабжения и обеспечивает гарантированным и высококачественным первичным электропитанием самых требовательных потребителей электроэнергии. Наличие КДУ СПУ в составе микро-ЭВМ и ПЛК позволяет без существенных дополнительных затрат наращивать интеллектуальные возможности всей системы в целом и оптимизировать принципы и алгоритмы управления СПУ.
Отличительными особенностями заявляемой установки являются:
1. Возможность применения двухуровневого контроля и принятия решений (с помощью аппаратных средств контроля состояния фидеров и комплекса диагностики и управления - КДУ СПУ) при сохранении трех ступеней контроля и коммутации источников питания. В прототипе применяется одноуровневая трехступенчатая система аппаратного контроля состояния источников питания.
2. Возможность применения устройств защиты схем контроля состояний входных фидеров от длительного превышения допустимого входного напряжения устройств контроля позволяет в случае аварии предотвратить потерю всего канала резервирования входного питания.
В прототипе и известных авторам аналогичных системах энергоснабжения устройств автоматики подобные устройства не применяются.
3. Возможность применения блока выбора синхронизации резервированных УБП позволяет обеспечить работу третьей ступени энергоснабжения СПУ с нулевым временем переключения под управлением аппаратной логики или ПЛК. В прототипе и известных авторам аналогах в системах энергоснабжения устройств автоматики такие устройства не применяются.
4. Возможность применения автоматического назначения приоритета и отключения (с помощью ПЛК) источников питания 1 и 3 ступени энергоснабжения позволяет верхнему уровню принятия решений автоматически управлять процессом оптимального выбора фидера.
5. Возможность применения двух режимов управления первой ступенью энергоснабжения:
- штатного режима управления (при исправном напряжении байпаса УБП);
- предаварийного режима управления (при пропадании напряжения байпаса - входного напряжения второй ступени энергоснабжения). Этим обеспечивается гарантированное энергоснабжение потребителей с минимальным временем переключения (менее 1.3 сек) даже в режиме тройного одновременного отказа резерва всех ступеней энергоснабжения СПУ (хотя бы одного из входных фидеров 3 или 2, питания байпаса и полного разряда аккумуляторных батарей резервированных УБП установки).
В прототипе в такой ситуации после факта аварии энергоснабжение потребителей прерывается на длительное время: выдержку времени на запуск ДГА и на время самого запуска ДГА с выходом в режим стабильной генерации напряжения. Эта пауза в энерго-снабжении является сверхкритичной и недопустимой практически для всех ответственных потребителей электроэнергии.
6. Возможность применения резервного устройства гальванической развязки с блоком ввода резерва. В прототипе этого не имеется.
7. Возможность применения комплекса диагностики и управления СПУ, который позволяет:
- осуществлять двухуровневое управление процессом выбора входного фидера в 1 и 3 ступенях энергоснабжения путем оперативного программного анализа данных контроля выходов ступеней, подтверждением либо отклонением аппаратного решения об оптимальности сделанного выбора и, в случае необходимости, автоматическим изменением приоритета фидеров и их отключением;
- осуществлять двухуровневый (аппаратный и программный) контроль состояний выходных сигналов 1 и 3 ступеней контроля и коммутации источников питания;
- оперативно иметь полную информацию о текущем состоянии входных фидеров, выходов, а так же данные контроля выходных параметров полюсов питания, данные контроля функционирования элементов и агрегатов СПУ, данные о предотказных состояниях;
- автоматически вести архив нештатных состояний СПУ с целью определения причин отказов;
- обеспечить сопряжение с системами диагностики и удаленного мониторинга верхнего уровня. В прототипе этого не имеется.