КОМПЛЕКС МОНИТОРИНГА СИСТЕМ ПОСТОЯННОГО ОПЕРАТИВНОГО ТОКА
COMPLEX FOR MONITORING DC CONTROL POWER SYSTEMS

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам контроля состояния систем постоянного оперативного тока.
Известен ряд устройств контроля сопротивления изоляции электрических сетей постоянного тока, описанный в патентах: РФ №2284537, кл. G01R 31/08, заявка от 10.05.2006 г., опубликовано 27.09.2006 г.; РФ №2411526, кл. G01R 27/18, заявка от 20.08.2008 г., опубликовано 10.02.2011 г.; РФ №2460082, кл. G01R 31/02, G01R 27/02, заявка от 25.03.2011 г., опубликовано 27.08.2012 г.; РФ №2480776, кл. G01R 31/02, заявка от 19.10.2011 г., опубликовано 27.04.2013 г. Эти устройства, однако, предназначены для контроля лишь одного параметра сети постоянного тока - сопротивления изоляции, и не в состоянии обеспечить ее комплексный мониторинг.
Известен микроконтроллерный комплекс автоматизации и мониторинга МКА RIDUS, описанный в научно-техническом журнале «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение», №6, 2011 г. Комплекс предназначен для измерения и контроля аналоговых и дискретных величин в системах постоянного и переменного тока. Комплекс МКА RIDUS включает в себя графическую панель индикации RIDUS VIS, микроконтроллерный модуль автоматизации RIDUS MCU и совокупность модулей контроля рабочих параметров системы (напряжение, ток, температура и т.п.) Недостатком данного комплекса является отсутствие модуля контроля сопротивления изоляции цепей постоянного тока, вследствие чего для реализации данной функции необходимо использовать оборудование сторонних производителей.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение комплексного контроля состояния систем постоянного оперативного тока с измерением и контролем сопротивления изоляции как в целом по системе, так и по отдельным присоединениям, а также других режимных параметров.
Поставленная задача решается созданием комплекса мониторинга систем постоянного оперативного тока, представляющего собой совокупность функциональных блоков, причем состав и количество функциональных блоков определяется набором режимных параметров, которые требуется контролировать, и схемой системы постоянного оперативного тока.
Отличительные особенности комплекса:
- возможность работы в сетях постоянного тока, имеющих большую протяженность;
- интеллектуальный алгоритм измерительного воздействия, снижающий вероятность ложного срабатывания реле и дискретных входов микропроцессорных защит;
- измерение полного сопротивления изоляции сети, сопротивления изоляции сети по полюсам и полного сопротивления изоляции присоединений;
- возможность корректных измерений при любом снижении сопротивления изоляции, включая симметричное снижение изоляции на положительном и отрицательном полюсе сети;
- возможность работы комплекса с уже существующим Т-образным мостом в системе, возможность применения резисторов, удерживающих потенциалы сети при снижении сопротивления изоляции;
- возможность применения шунтов и датчиков тока для измерения и контроля тока;
- контроль асимметрии напряжения элементов аккумуляторной батареи при симметричном и несимметричном отводе от аккумуляторной батареи.
Комплекс мониторинга систем постоянного оперативного тока характеризуется следующими признаками:
- наличие совокупности функциональных блоков, состав и количество которых определяются набором режимных параметров, которые требуется контролировать, и схемой системы оперативного тока;
- функция измерения полного сопротивления изоляции сети, сопротивления изоляции сети по полюсам и полного сопротивления изоляции отдельных присоединений.
Совокупность перечисленных признаков отсутствует в известных решениях, поэтому предлагаемое изобретение соответствует критерию «новизна».
Структура комплекса изображена на фиг. 1, где обозначены:
1 - блок индикации (БИ);
2 - источник питания (ИП);
3 - устройство сбора информации (УСИ);
4 - функциональные блоки.
Блок индикации БИ предназначен для обработки и отображения информации, управления комплексом в целом и функциональными блоками в отдельности, а также для хранения уставок и ведения журнала событий. В качестве БИ в комплексе применяется промышленный сенсорный цветной жидкокристаллический дисплей.
Источник питания ИП обеспечивает стабилизированным напряжением +24 В электронную часть блоков УСИ, БИ и функциональных блоков.
Устройство сбора информации УСИ служит для приема команд управления от БИ и передачи команд управления в функциональные блоки, приема данных от функциональных блоков и передачи их в БИ, а также связи комплекса с автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУ ТП). Для связи с БИ используется интерфейс RS-232, для связи с функциональными блоками реализована шина CAN. Связь комплекса с АСУ ТП осуществляется по протоколу Modbus RTU посредством гальванически развязанного интерфейса RS-485.
К функциональным блокам, входящим в состав комплекса, относятся:
- блок контроля аккумуляторной батареи (БКАБ);
- блок контроля напряжения и тока (БКНТ);
- блок контроля дискретных сигналов (БКДС);
- блок тестового воздействия (БТВ);
- блок контроля изоляции (БКИ).
Количество функциональных блоков может варьироваться в зависимости от размера и структуры контролируемой системы постоянного тока, а также функциональных возможностей, которые требуется обеспечить.
Блок контроля аккумуляторной батареи 6 (см. фиг. 2) предназначен для измерения и контроля напряжения и тока аккумуляторной батареи (АБ) 9, асимметрии напряжений батареи и пульсаций тока, а также совместно с датчиком температуры 5 - для измерения и контроля температуры батареи. Измерение и контроль тока производится посредством датчиков тока 7 либо внешних измерительных шунтов 8 с номинальным выходным напряжением 75 мВ.
Блок контроля напряжения и тока БКНТ 9 (см. фиг. 3) предназначен для измерения и контроля напряжения и тока, а также пульсаций напряжения и тока. Каждый БКНТ имеет два входа для приема сигнала от датчиков тока 7, два гальванически развязанных входа для подключения внешних измерительных шунтов 8 с номинальным выходным напряжением 75 мВ, а также два гальванически развязанных входа для измерения напряжения постоянного тока в диапазоне от нуля до 300 В.
Блок контроля дискретных сигналов БКДС служит для оценки логического состояния вспомогательных контактов автоматических выключателей, контакторов, предохранителей. Один блок БКДС контролирует до 16 дискретных сигналов и передает информацию о них по шине CAN. В состав комплекса может входить до 12 блоков БКДС, большее количество может быть реализовано по требованию заказчика.
Блоки тестового воздействия БТВ и контроля изоляции БКИ необходимы для измерения и контроля полного сопротивления изоляции сети и отдельных сопротивлений, сопротивления изоляции сети по полюсам, измерения и контроля напряжений полюсов относительно земли, а также осуществления тестового воздействия на сеть в соответствии с реализованным алгоритмом измерения сопротивления изоляции. Схема подключения БТВ и БКИ к системе постоянного тока, включающей в себя зарядно-выпрямительное устройство (ЗВУ) 14, аккумуляторную батарею 9, шины постоянного тока и совокупность потребительских присоединений с датчиками дифференциального тока 10 показана на фиг. 4.
Блок тестового воздействия 12 входит в комплекс в единственном числе. Он имеет два режима работы: активный (включен по умолчанию) и пассивный. В активном режиме блок с помощью встроенных реле по разработанному уникальному алгоритму подключает между положительным или отрицательным полюсом и землей высокоточный электронный потенциометр. До и после подключения электронного потенциометра между полюсами и землей измеряется напряжение полюсов относительно земли. Полученные данные используются при расчете общего сопротивления изоляции сети и сопротивлений изоляции полюсов сети. К разъемам БТВ можно подключить два датчика дифференциального тока для контроля сопротивления изоляции двух присоединений или сопротивления изоляции шин. Для увеличения количества контролируемых присоединений используется блок контроля изоляции 11, к которому подключаются последующие датчики дифференциального тока 10, расположенные на контролируемых присоединениях.
В пассивном режиме БТВ измеряет и контролирует напряжение полюсов относительно земли, а полученные данные выводятся на БИ в реальном времени, что облегчает персоналу поиск присоединений со сниженным сопротивлением изоляции методом поочередного отключения присоединений.
Блок контроля изоляции, помимо функции измерения и контроля сопротивлений изоляции, также контролирует исправность подключенных к нему датчиков дифференциального тока 10, установленных на присоединениях. Один блок БКИ может обслуживать до восьми датчиков. Количество блоков БКИ в составе комплекса может быть от нуля до 10 (большее количество может быть реализовано по требованию заказчика).
В состав комплекса могут быть включены два уравнительных резистора 13, создающих сопротивление полюсов относительно земли 30 кОм. Уравнительные резисторы располагаются в распределительном щите контролируемой сети. Использование этих резисторов вместо эквивалентного по величине сопротивления Т-образного моста позволяет снизить тепловыделение в три раза, уменьшить габариты и массу резисторов.
Минимальный обязательный набор блоков, входящих в комплекс, включает в себя БИ, ИП и УСИ; состав и количество остальных блоков определяется требуемыми функциональными возможностями.
В полной комплектации рассматриваемый комплекс позволяет реализовать все необходимые функции измерения и контроля системы постоянного оперативного тока, а именно:
- измерение и контроль напряжения и пульсаций напряжения на шинах секций сети постоянного тока;
- измерение и контроль потенциалов полюсов сети относительно земли;
- измерение и контроль напряжения аккумуляторной батареи;
- измерение и контроль асимметрии напряжения элементов аккумуляторной батареи;
- измерение и контроль тока и пульсаций тока аккумуляторной батареи;
- измерение и контроль температуры аккумуляторной батареи;
- измерение и контроль токов и пульсаций токов сборных шин и зарядного устройства;
- измерение и контроль сопротивлений изоляции полюсов сети и полного сопротивления изоляции сети;
- измерение и контроль сопротивлений изоляции присоединений;
- контроль направления тока аккумуляторной батареи;
- оценку полной емкости сети относительно земли;
- контроль дискретных сигналов;
- отображение информации мониторинга и контроля на экране блока индикации;
- самодиагностику комплекса;
- формирование обобщенных сигналов о неисправностях в сети и комплексе;
- передачу результатов мониторинга и контроля на верхний уровень АСУ по протоколу Modbus RTU;
- ведение журнала событий;
- обновление программного обеспечения посредством интерфейса USB 2.0 и Ethernet.
Изобретение реализовано в виде опытного образца комплекса мониторинга систем оперативного тока КМСОТ-М «Дубна».