Устройство для построения структурированных систем электропитания

Полезная модель относится к системе автоматизации электроснабжения и может быть использована на различных электрических объектах при их электроснабжении.
Известно устройство защиты от перенапряжения (патент RU №80594), содержащее делитель напряжения, контроллер ключа защиты от перенапряжения, затвор и исток КМОП-транзистора, резистор, диод Зенера.
Известен способ для мониторинга качества электроэнергии (патент RU №2339046), содержащий интерфейс электрической линии для измерения сигналов электрической линии, энергонезависимую запоминающую среду и процессор, выполненный с возможностью записи в энергонезависимую запоминающую среду отображения информации о форме волны измеряемых сигналов электрической линии непрерывно и независимо от того, была ли идентифицирована аномалия.
Известна распределительная энергоснабжающая и/или информационно-измерительная сеть с передачей данных по электросети (патент RU №22268), включающая в себя счетчики расхода энергоресурсов, контроллеры счетчиков, связанные кабелем с указанными счетчиками, устройство сбора данных, связанное с контроллерами указанных счетчиков одним из фазных проводов и проводом «нейтраль» магистральной электросети. Контроллер указанных счетчиков выполнен в виде последовательно соединенных интерфейсного модуля, процессорного блока и электросетевого модема, связанного через один из трех фазных проводов и провод «нейтраль» магистральной электросети с устройством сбора данных, выполненным с возможностью передачи данных в центральную диспетчерскую.
Известно устройство регулирования напряжения в контролируемой зоне распределительной сети (патент RU №161387), содержащее блок измерений, блок оценки состояния сети, блок базы знаний и памяти, блок реализации управляющих воздействий, а также блоки прогнозирования, координации и выработки управляющих воздействий, расположенные на центре питания распределительной сети. Блок реализации управляющих воздействий соединен с питающим трансформатором с регулированием под нагрузкой и исполнительными устройствами местных средств регулирования напряжения распределительной сети: управляемых компенсирующих устройств, накопителей энергии, многофункциональных оптимизирующих устройств (при наличии), вольтодобавочных трансформаторов.
Известно устройство управления и защиты трехфазной нагрузки с возможностью бесконтактного контроля перекоса фаз (патент RU №2633393), которое содержит искусственную нейтраль, реле, заземление, катушку индуктивности, измерительное устройство, содержащее феррозонд, генератор прямоугольных импульсов, соединительный конденсатор, блок регистрации с измерительным прибором и компенсатор, при этом измерительное устройство выполнено с возможностью контроля величины перекоса фаз на основании величины постоянного магнитного поля дополнительной катушки индуктивности, а реле и дополнительная катушка индуктивности подключены параллельно друг другу к выпрямленному напряжению между искусственной нейтралью и землей.
Недостатками всех описанных выше устройств является ограниченная функциональность данных устройств, из-за чего не обеспечивается защита выходной цепи электропитания и управление выходной нагрузкой.
Задача, на решение которой направленно заявленное техническое решение, заключается в создании устройства, которое обеспечивало бы защиту потребителя и обеспечивало удаленное управление и мониторинг. Техническим результатом предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей за счет объединения функций по измерению напряжения и тока с функциями по защите выходной цепи с элементами управления выходной нагрузкой.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что устройство для построения структурированных систем электропитания с микроконтроллером на плате, датчиками тока и напряжения, дополнительно содержит модуль связи с гальванической развязкой, гальванически изолированный DC/DC-преобразователь, измерительную цепь, модуль управления исполнительными устройствами установленные на плате, при этом гальванически изолированный DC/DC-преобразователь соединен с модулем связи с гальванической развязкой, кроме того датчики тока и напряжения через измерительную цепь, а гальванически изолированный DC/DC-преобразователь, модуль связи с гальванической развязкой, модуль управления исполнительными устройствами через входы-выходы подключены к микроконтроллеру, микроконтроллер в свою очередь включает блок получения значений с датчиков, блок расчета разности фаз между током и напряжением, и активной мощности, блок расчета превышения по току, блок расчета превышения по напряжению, память микроконтроллера, блок передачи данных, при этом блок получения значений с датчиков, память микроконтроллера и блок передачи данных последовательно соединены, кроме того память микроконтроллера через входы-выходы подключена к блокам расчетов разности фаз между током и напряжением, и активной мощности, превышения по току и превышения по напряжению.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
- Фиг. 1 - схема устройства;
- Фиг. 2 - пример размещения устройства в составе системы сбора данных, где:
1 - плата;
2 - микроконтроллер;
3 - гальванически изолированный DC/DC-преобразователь;
4 - модуль связи с гальванической развязкой;
5 - измерительная цепь;
6 - модуль управления исполнительными устройствами;
7 - датчик тока;
8 - датчик напряжения;
9 - блок получения значений с датчиков;
10 - блок расчета разности фаз между током и напряжением, и активной мощности;
11 - блок расчета превышения по току;
12 - блок расчета превышения по напряжению;
13 - память микроконтроллера;
14 - блок передачи данных;
УК - управляемый контактор;
АРМ - автоматизированное рабочее место системы сбора данных и управления;
УСЭ - устройство для построения структурированных систем электропитания;
- Фиг. 3 - пример работы блока получения значений с датчиков;
- Фиг. 4 - пример работы блока расчета разности фаз между током и напряжением, и активной мощности;
- Фиг. 5 - пример работы блока расчета превышения по току;
- Фиг. 6 - пример работы блока расчета превышения по напряжению;
- Фиг. 7 - пример работы блока передачи данных.
Предлагаемое устройство для построения структурированных систем электропитания фиг. 1 содержит установленные на плате 1 микроконтроллер 2, гальванически изолированный DC/DC-преобразователь 3, модуль связи с гальванической развязкой 4, измерительная цепь 5, модуль управления исполнительными устройствами 6. Гальванически изолированный DC/DC-преобразователь 3 соединен с модулем связи с гальванической развязкой 4. Датчик тока 7 и датчик напряжения 8 подключены к измерительной цепи 5, которая соединена с микроконтроллером 2. Гальванически изолированный DC/DC-преобразователь 3, модуль связи с гальванической развязкой 4, модуль управления исполнительными устройствами 6 через входы-выходы подключены к микроконтроллеру 2. Микроконтроллер 2 включает блок получения значений с датчиков 9, блок расчета разности фаз между током и напряжением, и активной мощности 10, блок расчета превышения по току 11, блок расчета превышения по напряжению 12, память микроконтроллера 13, блок передачи данных 14. В микроконтроллере 2 блок получения значений с датчиков 9, память микроконтроллера 13 и блок передачи данных 14 последовательно соединены. Память микроконтроллера 13 соединена с блоками расчетов разности фаз между током и напряжением, и активной мощности 10, превышения по току 11 и превышения по напряжению 12. Устройство для построения структурированных систем электропитания подключено к линиям питания, управления и к связи.
Устройство для построения структурированных систем электропитания для размещения в системе сбора данных и управления фиг. 1, фиг. 2 подключают к линии питания с напряжением 24 В через гальванически изолированный DC/DC-преобразователь 3, а с помощью модуля связи с гальванической развязкой 4 - к линии связи по одному из следующих каналов RS-485, Ethernet, радиоканалу с частотой 433 МГц или 868 МГц, WiFi (радиоканал с частотой 2,4 ГГц или 5 ГГц) с протоколом ModBUS RTU или ModBUS TCP с АРМ системы сбора данных и управления, которая собирает, сохраняет, отображает полученные данные и управляет электроснабжением через модуль управления исполнительными устройствами 6.
Устройство для построения структурированных систем электропитания работает следующим образом.
Устройство для построения структурированных систем электропитания фиг. 1, фиг. 2 соединяют с АРМ системы сбора данных и управления с помощью модуля связи с гальванической развязкой 4 к линии связи, например, по каналу RS-485 с протоколом ModBUS RTU, а по линии питания подают напряжение 24 В, которое через гальванически изолированный DC/DC-преобразователь 3 питает микроконтроллер 2, а также модуль связи с гальванической развязкой 4.
Микроконтроллер 2 при помощи блока передачи данных 14 через модуль связи с гальванической развязкой 4 получает установленные в АРМ системы сбора данных и управления максимальные значения по току и напряжению и заносит их в память микроконтроллера 13.
Микроконтроллер 2 при помощи блока получения значений с датчиков 9 через измерительную цепь 5 производит периодический последовательный опрос датчиков тока 7 и напряжения 8, размещенных на выходной линии электроснабжения, а их значения отправляет в память микроконтроллера 13. Пример работы блока получения значений с датчиков 9 приведен на Фиг. 3.
Полученные значения тока и напряжения из памяти микроконтроллера 13 поступают в блок расчета разности фаз между током и напряжением, и активной мощности 10, а затем результаты расчета поступают в память микроконтроллера 13. Пример работы блока расчета разности фаз между током и напряжением, и активной мощности 10 приведен на Фиг. 4.
Полученные значения тока из памяти микроконтроллера 13 поступают в блок расчета превышения по току 11, где сравниваются с максимальными значениями по току, полученными из памяти микроконтроллера 13. Результаты сравнения поступают в память микроконтроллера 13. Если зафиксировано превышение по току, то формируется команда на выключение управляемого контактора УК, которая поступает в память микроконтроллера 13. Пример работы блока расчета превышения по току 11 приведен на Фиг. 5.
Полученные значения напряжения из памяти микроконтроллера 13 поступают в блок расчета превышения по напряжению 12, где сравниваются с максимальные значения по напряжению, полученными из памяти микроконтроллера 13. Результаты сравнения поступают в память микроконтроллера 13. Если зафиксировано превышение по напряжению, то формируется команду на выключение управляемого контактора УК, которая поступает в память микроконтроллера 13. Пример работы блока расчета превышения по напряжению 12 приведен на Фиг. 6.
При получении запроса от АРМ системы сбора данных и управления данные из памяти микроконтроллера 13 передаются при помощи блока передачи данных 14 через модуль связи с гальванической развязкой 4, например, по каналу RS-485 ModBUS RTU. Пример работы блока передачи данных 14 приведен на Фиг. 7.
Команда на выключение управляемого контактора УК из памяти микроконтроллера 13 при помощи блока передачи данных 14 через модуль управления исполнительными устройствами 6 поступает на управляемый контактор УК и он отключается.