УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕВЕНТИВНОЙ ЗАЩИТЫ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
DEVICE FOR PREVENTIVE PROTECTION OF SHIP ELECTRIC POWER SYSTEM

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для превентивной защиты судовых электроэнергетических систем (СЭЭС).
Известно устройство защиты сети СЭЭС (А.П. Баранов. Судовые автоматизированные электроэнергетические системы: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. / СПб.: Судостроение, 2005. -, 440 с.), которое при исчезновении напряжения в сети запускает аварийный дизель генераторный агрегат (АГА). Устройство позволяет восстановить электроснабжение ответственных приемников электроэнергии, работающих в аварийном режиме, до момента запуска резервного генераторного агрегата (ГА).
Недостаток устройства заключается в том, что на запуск АГА необходимо время, в течение которого не работает рулевое управление судна, пожарный и осушительные насосы, главная двигательная установка судна и другие потребители электроэнергии, от работы которых зависит безопасность судна и экипажа.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства, принятым за его  прототип, является устройство, реализующее способ защиты судовой электроэнергетической системы (патент RU 2 681 940 C1 H02J 9/00 (2018.08); H02J 9/06 (2018.08) опубликовано: 14.03.2019), согласно которому при переходе одного или нескольких из работающих генераторных агрегатов (ГА) в неисправное состояние формируют команду на запуск аварийного генераторного агрегата (АГА) до отключения неисправного (неисправных) ГА при условии, что СЭЭС находится в режиме функционирования, при котором отключение работающего неисправного (работающих неисправных) ГА приведет к исчезновению напряжения в сети. Реализующее способ устройство содержит по числу ГА: датчики активной нагрузки, блоки контроля технического состояния ГА, датчики работы ГА, а также блок идентификации режима запуска АГА и блок запуска АГА, при этом выходы датчиков активной нагрузки соединены с первыми соответствующими входами блока идентификации режима запуска АГА, выходы блоков контроля технического состояния ГА соединены с соответствующими вторыми входами блока идентификации режима запуска АГА, выходы датчиков работы соединены с третьими соответствующими входами блока идентификации режима запуска АГА, выход которого соединен с входом блока запуска АГА.
Данное устройство позволяет заранее, до момента исчезновения напряжения на шинах главного распределительного щита (ГРЩ), осуществлять запуск АГА, что в большинстве случаев обеспечивает переход с основного на аварийное питание ответственных потребителей без перерыва в электроснабжении. В этой связи оно является устройством превентивной защиты СЭЭС. Недостатком данного устройства является низкая достоверность алгоритма управления, заключающаяся в том, что при формировании команды на запуск АГА не учитывается действие других устройств, обеспечивающих защиту СЭЭС. В этой связи характерна ситуация, при которой отключение работающего неисправного (неисправных) ГА приведет к тому, что нагрузка любого из оставшихся исправными ГА окажется выше допустимой величины после отключения неисправных ГА. Если при этом одновременно с командой на запуск АГА будет подана команда на отключение групп потребителей, то может оказаться, что на момент, когда АГА запустится, нагрузка сети будет такова, что после отключения неисправных ГА нагрузка всех оставшихся исправными ГА не превысит допустимую величину. В этом случае запуск АГА будет ошибочным, что характеризует методическую погрешность алгоритма, реализованного устройством, принятым за прототип и существенно снижает его достоверность. Очевидно, что в принцип работы устройства, принятого за прототип, методически заложена низкая достоверность управления, заключающаяся в том, что в определенных режимах работы СЭЭС данное устройство будет осуществлять запуск АГА в ситуации, когда этого не требуется, т.е. будет осуществлять ложный запуск АГА.
Целью настоящего изобретения является повышение достоверности управления при формировании команды на запуск АГА за счет исключения ложных запусков АГА.
Для решения указанной проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в устройство для защиты судовой электроэнергетической системы, содержащее так же как и прототип, по числу ГА: датчики активной нагрузки, блоки контроля технического состояния ГА, датчики работы ГА, а также блок идентификации режима запуска АГА и блок запуска АГА, при этом выходы датчиков активной нагрузки соединены с первыми соответствующими входами блока идентификации режима запуска АГА, выходы блоков контроля технического состояния ГА соединены с соответствующими вторыми входами блока идентификации режима запуска АГА, выходы датчиков работы соединены с третьими соответствующими входами блока идентификации режима запуска АГА, в отличие от прототипа, дополнительно включен блок отключения групп потребителей и блок задержки, при этом выход блока идентификации режима запуска АГА соединен с входом блока отключения групп потребителей и входом блока задержки, выход которого соединен с входом блока запуска АГА.
Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от прототипа запуск АГА осуществляется не сразу при переходе хотя бы одного из работающих ГА в неисправное состояние, при том, что нагрузка СЭЭС такова, что отключение  работающего неисправного (работающих неисправных) ГА приведет к тому, что нагрузка любого из оставшихся исправными ГА окажется выше допустимой величины, а только в том случае, при котором указанная ситуация сохранится после разгрузки сети (отключения выбранных групп потребителей). Указанное отличие достигается тем, что устройство для защиты судовой электроэнергетической системы, принятое за прототип, дополнительно содержит блок отключения групп потребителей и блок задержки, при этом выход блока идентификации режима запуска АГА соединен с входом блока отключения групп потребителей и входом блока задержки, выход которого соединен с входом блока запуска АГА. Это отличие существенное, позволяющее исключить ложные запуски АГА, так как сигнал на запуск аварийного генератора формируется после разгрузки сети и учитывает снижение ее нагрузки. При этом команда на запуск АГА подается до момента исчезновения напряжения в сети, что позволяет говорить о превентивной защите СЭЭС от обесточивания.
Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача - повышение достоверности управления при формировании команды на запуск АГА за счет исключения ложных запусков АГА - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь, проведенный информационный поиск в области электроснабжения не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг.1), на котором представлена функциональная схема устройства для превентивной защиты судовой электроэнергетической системы.
Предлагаемое устройство содержит по числу ГА: 1.1, 1.2 … 1.n - датчики активной нагрузки, 2.1, 2.2 … 2.n - блоки контроля технического состояния ГА, 3.1, 3.2 … 3.n - датчики работы ГА, а также 4 - блок идентификации режима запуска АГА, 5 - блок отключения групп потребителей, 6 - блок задержки и 7 - блок запуска АГА, при этом выходы датчиков активной нагрузки 1.1, 1.2 … 1.n соединены с первыми соответствующими входами блока идентификации режима запуска АГА 4, выходы блоков контроля технического состояния ГА 2.1, 2.2 … 2.n соединены с соответствующими вторыми входами блока идентификации режима запуска АГА 4, выходы датчиков работы 3.1, 3.2 … 3.n - соединены с третьими соответствующими входами блока идентификации режима запуска АГА 4, выход которого соединен с входом блока отключения групп потребителей 5 и входом  блока задержки 6, выход которого соединен с входом блока запуска АГА 7.
Датчик активной нагрузки - известный функциональный блок, аналогичный блоку, используемому в прототипе и формирующий на своем выходе сигнал в виде напряжения, пропорционального активной нагрузке соответствующего ГА;
блок контроля технического состояния - известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал логической «1», когда хотя бы один из параметров, характеризующих работоспособное состояние ГА вышел за пределы допуска, блок аналогичный применяемому в устройстве, реализующем способ, принятый за прототип;
датчик работы ГА - известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал логической «1», когда данный ГА работает, в качестве этого блока можно использовать, например, блок контакты автоматического выключателя соответствующего генератора, аналогичен блоку, используемому в прототипе;
Рперегр
Рперегр
блок идентификации режима запуска АГА - известный функциональный блок, обеспечивающий идентификацию режима работы СЭЭС с любым количеством работающих ГА (n), при котором отключение неработоспособного (m неработоспособных) ГА приведет к исчезновению напряжения в сети. Блок аналогичен блоку, используемому в прототипе, определяет загрузку каждого из m-n оставшихся исправными ГА, сравнивает ее с предельно допустимой для каждого ГА величиной и в случае, если загрузка хотя бы одного их ГА, оставшихся работоспособными, окажется больше, чем предельно допустимая величина ., то формирует команду на запуск АГА в виде сигнала логической «1» на своем выходе. В противном случае, если загрузка каждого из ГА оставшихся исправными окажется меньше ., то сигнал на запуск АГА не подается, на выходе блока - сигнал логического «0»;
блок запуска АГА - известный функциональный блок, обеспечивающий запуск АГА, когда на его вход поступает сигнал логической «1», аналогичен блоку, применяемому в прототипе;
блок отключения групп потребителей – известный функциональный блок, осуществляющий отключение групп потребителей, которые могут быть выбраны заранее (например, второстепенные потребители: сауна, вентиляция жилых помещений, прачечная, камбуз) при поступлении сигнала логической «1» на его вход. В качестве блока может быть выбрано электромагнитное реле, размыкающий контакт которого включен в цепь минимального расцепителя автоматического выключателя, через который получает питание щит второстепенных потребителей судна;
tзад
tзад
tотк
tзад
блок задержки  – известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал логической «1» через время после того, как этот сигнал появится на его входе. Если за время  сигнал на входе блока задержки изменится с логической «1» на логический «0», то на его выходе сохранится сигнал логического «0». Блок задержки может быть выполнен в виде стандартной схемы, содержащей  R-C элементы. При этом, учитывая, что время срабатывания блока отключения групп потребителей 5 () обычно составляет 20-30 мс, то  следует выбирать несколько большим, например, равным 40 мс.
Устройство превентивной защиты СЭЭС работает следующим образом.
m
-
Рперегр
tотк
m
-
Рперегр
-
Рперегр
tзад
При работе нескольких, например, n ГА датчики работы ГА 3.1, 3.2 … 3.n на своих выходах формируют сигналы логической «1», которые поступают на соответствующие из третьих входов блока идентификации режима запуска АГА 4. Сигналы, пропорциональные загрузке каждого ГА с выходов датчиков активной нагрузки 1.1, 1.2 … 1.n поступают на соответствующие из первых входов блока идентификации режима запуска АГА 4. В случае, если хотя бы один из параметров, характеризующих работоспособное состояние ГА вышел за пределы допуска, например у m ГА, то на выходах m блоков контроля технического состояния сформируется сигнал логической «1» и поступит на  соответствующих из вторых входов блока идентификации режима запуска АГА 4. Блок идентификации режима запуска АДГ 4 определит загрузку каждого из nm оставшихся исправными ГА, сравнит ее с предельно допустимой для каждого ГА и в случае, если загрузка хотя бы одного их ГА, оставшихся работоспособными окажется больше, чем предельно допустимая величина , то на его выходе сформируется  сигнал логической «1» который поступит на вход блока отключения групп потребителей 5 и вход блока задержки 6. Через время, равное  блок 5 отключит группы потребителей, уменьшив нагрузку СЭЭС. Если при этом окажется, что нагрузка СЭЭС стала такой, что отключение  работающих неисправных ГА приведет к тому, что после отключения неисправных ГА нагрузка любого из оставшихся исправными nm ГА окажется меньше величины , то на выходе блока идентификации режима запуска АГА 4 появится сигнал логического «0», который поступит на вход блока задержки 6, блокирует появление сигнала логической «1» на его выходе, и, следовательно, команда на ложный запуск АГА подана не будет. Если же после отключения потребителей блоком 5 нагрузка СЭЭС осталась такой, что отключение  m работающих неисправных ГА приведет к тому, что после отключения неисправных ГА нагрузка любого из оставшихся исправными nm ГА окажется больше величины , то на выходе блока идентификации режима запуска АГА 4 сохранится сигнал логической «1» и через  время  на выходе блока задержки 6 появится сигнал логической «1», поступит на вход блока запуска АГА 7, который осуществит запуск аварийного генераторного агрегата.
-
Рперегр.
При этом отметим, что теоретически можно для любого режима работы СЭЭС подобрать такие группы потребителей, при отключении которых нагрузка СЭЭС станет такой, что после отключения неисправных ГА нагрузка любого из оставшихся исправными nm ГА окажется меньше величины  Однако на практике конструктивные особенности СЭЭС не позволяют этого сделать и, как правило, нагрузка отключаемых групп потребителей не превышает 20% от номинальной мощности одного ГА.
Пример реализации.
Р1=Р2
Рперегр
Рперегр
tотк
tзад
Допустим, что в составе СЭЭС работают два ГА - ДГ1 и ДГ2 с номинальной мощностью по 100 кВт каждый, то есть =100 кВт. Пусть перегрузочная способность агрегатов такова, что каждый из них может выдержать нагрузку в 130 кВт (=130 кВт), в случае, если нагрузка любого из ДГ окажется больше, чем , то этот ГА не сможет работать и остановится или будет отключен защитой от перегрузки. Предположим, что отключаемые потребители создают нагрузку, равную 20 кВт, время отключения нагрузки равно 0,03с (=0,03 с), а время задержки блока задержки 6 (Фиг.1) равно 0,04с (=0,04 с).
Р2
(Pобщ =Р1+Р2=
Рперегр
tотк
tзад
Рперегр
Предположим, что нагрузка ДГ1 составляет 80 кВт (Р1=80 кВт), а нагрузка ДГ2 - 75 кВт (=75 кВт). При этом с датчика активной нагрузки 1.1 устройства (Фиг. 1) на первый из первых входов блока идентификации режима запуска АГА4 поступает сигнал в виде напряжения, соответствующего 80 кВт, например, 8 В, а на второй из первых его входов поступает сигнал, соответствующий 75 кВт, соответственно 7,5 В. Допустим, что в ДГ2 произошел разрыв трубопровода смазочного масла, при этом давление смазочного масла дизеля ДГ2 начнет резко падать и достигнет предупредительного значения, например, 0,2 МПа, информирующего о том, что ГА неисправен, но пока еще может работать. На выходе блока контроля технического состояния 2.1 (Фиг. 1) появится сигнал логической «1» и поступит на второй из вторых входов блока идентификации режима запуска АГА 4. Так как работают оба ГА, то с выходов датчиков 3.1 и 3.2 на первый и второй из третьих входов блока идентификации режима запуска АГА 4 поступит сигнал логической «1». Так как общая нагрузка сети составляет 155 кВт 80+75=155 кВт), то после отключения ГА2 защитой она придется на ГА1, и превысит допустимое значение по перегрузке (155 кВт> =130 кВт). При этом на выходе блока идентификации режима запуска АГА 4 появится сигнал логической «1» и поступит на вход блока отключения групп потребителей 5 и вход блока задержки 6. Блок 5 в течение =0,03с осуществит отключение групп потребителей и нагрузка сети снизится на 20 кВт до 135 кВт. Так как полученная величина превышает допустимое значение по перегрузке ГА1 (135 кВт > 130 кВт), то сигнал логической «1» на выходе блока 5 сохранится и через время =0,04 с после начала разгрузки сети появится на выходе блока задержки 6 и входе блока 7. блок запуска АГА 7 сформирует команду на запуск аварийного генераторного агрегата, АГА запустится и будет готов к приему нагрузки. После того как давление смазочного масла дизеля ГА2 опустится ниже аварийного значения, например, 0,1 МПа, произойдет отключение ГА2 от сети и вся нагрузка в 155 кВт перейдет на ГА1. Так как нагрузка ГА1 окажется больше, чем , ГА1 остановится или будет отключен защитой от перегрузки и произойдет исчезновение напряжения в сети СЭЭС, однако АГА уже будет запущен и мгновенно включится для питания приемников электроэнергии, обеспечивающих движение судна, его управляемость и безопасность экипажа.
Если же СЭЭС работает в режиме, при котором нагрузка ГА составит 65 кВт, а нагрузка ГА2 составит 60 кВт, то в случае выхода из строя ГА2 на первый агрегат придется 135кВт нагрузки, что тоже превысит допустимое значение по перегрузке. При этом на выходе блока идентификации режима запуска АГА 4 так же, как и в предыдущем случае сформируется сигнал логической «1» и поступит на вход блока отключения групп потребителей 5 и вход блока задержки 6. Блок 5 отключит группы потребителей, снизив нагрузку сети до 115 кВт. Так ка полученная величина окажется меньше, чем допустимое значение по перегрузке ГА1 (115кВт<130кВт), то через 0,03с после возникновения неисправности в ГА2 на выходе блока идентификации режима запуска АГА 4 сигнал логической «1» сменится на сигнал логического «0». Сигнал логического «0» с выхода блока 4 поступит на вход блока задержки 6, на его выходе сигнал логической «1» не появится, команда на запуск АГА подана не будет. В данной ситуации устройство, принятое за прототип, подаст команду на ложный запуск АГА.
Предлагаемое изобретение было создано в составе научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре Электропривода и электрооборудования береговых установок ФБГОУ ВО «Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова». Были произведены расчеты, показавшие возможность использования заявляемого устройства в судовых энергетических установках и электроэнергетических системах, что с учетом выше изложенного позволяет сделать вывод о возможности его промышленного применения.