Система и способ бесперебойного электроснабжения постоянного тока
UNINTERRUPTABLE DC POWER SUPPLY SYSTEM AND METHOD

Изобретение относится к энергетике, в частности, к системе и способу бесперебойного электроснабжения постоянного тока с применением аккумуляторных батарей. Заявленная система предназначена для организации бесперебойного питания постоянным током потребителей первой и первой особой категории, а также для защиты цепей от сверхтоков, мониторинга и сигнализации нормального и аварийного режимов работы. Система постоянного тока обеспечивает питание потребителей постоянного тока от зарядно-выпрямительных блоков в нормальном режиме и от аккумуляторных батареи в аварийном режиме.
Заявленное изобретение может быть применимо к объектам со стабильной небольшой нагрузкой постоянного тока, где потребителями постоянного тока являются устройства телемеханики, автоматики, сигнализации, связи и отсутствуют сильноточные потребители: такие как маслонасосы, приводы масляных выключателей и т.д. К таким объектам относятся цеха газоперерабатывающих заводов; аварийные резервные электростанции и электростанции собственных нужд, закрытые распределительные устройства 6 (10) кВ, газораспределительные станции, объекты по добыче газа (нагрузки постоянного тока), установки по подготовке газа, а также иные объекты с небольшими потребляемыми токами.
Известен способ бесперебойного энергоснабжения (патент RU 2355092, опубл. 10.05.2009 г.), в котором предложено сопряжение возобновляемых источников энергии с аккумуляторными батареями обеспечивать через конвертор напряжений, при перерывах питания от электросети подключать к нагрузке генератор переменного напряжения, приводимый в движение двигателем внутреннего сгорания в автоматическом режиме. Также способом предложено обеспечивать заданную величину напряжения на нагрузке стабилизатором напряжения.
Однако данный способ бесперебойного энергоснабжения имеет следующие недостатки: необходимо постоянное техническое обслуживание двигателя внутреннего сгорания, а также необходимо использование дорогостоящих и климатически зависимых возобновляемых источников энергии. Это приводит к снижению надежности бесперебойного электроснабжения.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности электроснабжения потребителей.
Заявленный технический результат достигается тем, что формула содержит систему бесперебойного электроснабжения, содержащую блок автоматического ввода резерва 3, блок коммутации аккумуляторной батареи 9, аккумуляторные батареи 8, блок контроля и управления аккумуляторных батарей 15, блок мониторинга и автоматизации 16, блок секционирования 14, как минимум основной и резервный вводы питания 1, 2, как минимум по два зарядно-выпрямительных блока 4, 5, блока подключения зарядно-выпрямительного блока 6, 7, блока подключения аккумуляторных батарей 10, 11, а также как минимум по два блока распределения постоянного тока 12, 13. При этом зарядно-выпрямительные блоки 4, 5, блоки подключения зарядно-выпрямительного блока 6, 7, секции распределения постоянного тока 12, 13, блоки подключения аккумуляторных батарей 10, 11 последовательно связаны друг с другом в две цепи, а цепи параллельно подключены к блоку коммутации аккумуляторных батарей 9. При этом блок мониторинга и автоматизации 16 связан со всеми блоками и секциями линиями передачи данных, кроме блока автоматического ввода резерва 3, основного ввода 1 и резервного ввода 2. Блок автоматического ввода резерва 3 связан линиями передачи данных только с вводами питания основным 1 и резервными 2.
Также заявленный технический результат достигается тем, что система бесперебойного электроснабжения характеризуется тем, что блок мониторинга и автоматизации выполнен с возможностью передачи данных по радиоканалу, линии передачи данных могут являться радиоканалами, блок мониторинга и автоматизации выполнены с возможностью двухсторонней связи, а аккумуляторная батарея является литий-ионной аккумуляторной батареей.
Также заявленный технический результат достигается тем, что блок автоматического ввода резерва и блок мониторинга и автоматизации не имеют между собой линии передачи данных (полностью развязаны), что в свою очередь позволяет обеспечить их независимость и тем самым повысить надежность.
Также заявленный технический результат достигается способом работы системы бесперебойного электроснабжения, который включает подачу переменного тока из блока ввода основного или резервного питания переменного тока в блок автоматического ввода резерва, подачу тока из автоматического ввода резерва в зарядно-выпрямительный блок, выпрямление переменного тока в нем и дальнейшую подачу постоянного тока в блок распределения постоянного тока через блок подключения зарядно-выпрямительного блока и дальнейшую его подачу через блок секционирования к потребителю, при этом часть тока из блока распределения постоянного тока поступает на поддержание заряда аккумуляторных батарей через блок подключения аккумуляторной батареи к блоку распределения постоянного тока и блок коммутации аккумуляторных батарей. При этом состояние аккумуляторных батарей контролируется блоком контроля и управления аккумуляторными батареями, а состояние всех блоков системы контролируется блоком мониторинга и автоматизации, за исключением блоков вводов основного и резервного питания переменного тока и блока автоматического ввода резерва, состояние которых контролируется самим блоком автоматического ввода резерва. При этом при перерывах питания от электросети питание потребителя осуществляют от блока ввода резервного питания переменного тока. При перерыве питания от блока ввода основного питания переменного тока блок автоматического ввода резерва производит переключение на блок ввода резервного питания переменного тока и продолжает снабжать потребителя питанием через последовательно подключенные зарядно-выпрямительный блок, блок подключения зарядно-выпрямительного устройства к блоку распределения постоянного тока, блок распределения постоянного тока и блок секционирования. Подзарядка аккумуляторных батарей производится частью отходящего тока от блока распределения постоянного тока через блок подключения аккумуляторных батарей к секции распределения и блок коммутации аккумуляторных батарей. При перерывах в подаче переменного тока на всех вводах питания переменного тока блок распределения постоянного тока и/или блок секционирования выдает сигнал о падении напряжения, который обрабатывается в блоке мониторинга и автоматизации, после этого блок мониторинга и автоматизации выдает сигнал блоку коммутации аккумуляторных батарей через блок контроля и управления аккумуляторных батарей на включение батарей в режим отдачи тока. При этом блок управления и контроля аккумуляторными батареями контролирует как минимум напряжение аккумуляторных батарей и при падении напряжения на аккумуляторных батареях ниже критического выдает сигнал блоку коммутации аккумуляторных батарей на отключение аккумуляторных батарей из цепи. При возобновлении подачи переменного тока от любого из блоков ввода питания переменного тока зарядно-выпрямительный блок направляет сигнал в блок мониторинга и автоматизации, который выдает сигнал в блок коммутации аккумуляторных батарей через блок контроля и управления аккумуляторными батареями на подключение батарей в режим заряда. При этом блок контроля и управления аккумуляторными батареями отслеживает степень заряда аккумуляторных батарей и по окончании заряда аккумуляторных батарей выдает команду блоку коммутации аккумуляторных батарей на перевод аккумуляторных батарей в буферный режим.
Также заявленный технический результат достигается тем, что способ работы системы бесперебойного электроснабжения характеризуется тем, что критическое напряжение на аккумуляторных батареях, при котором происходит отключение батарей из цепи, составляет 2,8 В/эл., а блок управления и контроля аккумуляторными батареями контролирует напряжение единичного элемента аккумуляторной батареи, ее внутреннее сопротивление и температуру самой батареи.
Заявленная группа изобретений поясняется чертежом, где показаны:
1 - основной (приоритетный) ввод питания переменного тока;
2 - резервный ввод питания переменного тока;
3 - блок автоматического ввода резерва;
4, 5 - зарядно-выпрямительные устройства - преобразование AC/DC (зарядно-выпрямительные блоки);
6, 7 - блок подключения зарядно-выпрямительного устройства к секции распределения постоянного тока;
8 - литий-ионная аккумуляторная батарея (аккумуляторные батареи);
9 - блок коммутации аккумуляторной батареи;
10, 11 - блок подключения аккумуляторной батареи к секции распределения;
12, 13 - блок распределения постоянного тока;
14 - блок секционирования (секционный выключатель);
15 - блок контроля и управления аккумуляторной батареей;
16 - блок мониторинга и автоматизации.
Основным режимом работы системы постоянного тока является режим постоянного подзаряда аккумуляторных батарей. В этом режиме полностью заряженные аккумуляторные батареи подключены на блоки распределения постоянного тока параллельно с постоянно работающим зарядно-выпрямительным блоком. Зарядно-выпрямительный блок обеспечивает питание потребителя постоянной нагрузки и одновременно подзаряжает аккумуляторные батареи, компенсируя их саморазряд.
Система постоянного тока переходит в автономный режим работы при исчезновении напряжения переменного тока на щите собственных нужд, а также при неисправности зарядно-выпрямительного блока. В этом режиме питание потребителей постоянной нагрузки и временной, кратковременной, в т.ч. толчковой нагрузки, осуществляется от аккумуляторных батарей. Время автономной работы системы постоянного тока в условиях полного отключения питания со стороны системы внешнего электроснабжения и отсутствия аварийного или резервного питания выбирается исходя из безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров, и повреждения оборудования.
Режим уравнительного заряда (балансировки) для аккумуляторных батарей проводится автоматически с помощью блока мониторинга и автоматизации для поддержания всех элементов аккумуляторных батарей в полностью заряженном состоянии. Уравнительный заряд производится повышением напряжения, уровень которого приводится в инструкции по эксплуатации аккумуляторных батарей. Продолжительность режима зависит от состояния аккумуляторных батарей. В режиме уравнительного заряда превышение напряжения на элементах батарей не должно превышать 10% от номинального значения.
Контрольный разряд аккумуляторной батареи выполняется для определения ее фактической емкости. Результаты измерений тока разряда при контрольных разрядах должны равняться результатам измерений предыдущих разрядов. При наличии в системе постоянного тока только одной аккумуляторной батареи режим контрольного разряда может проводиться только при проведении регламентных или ремонтных работ основного оборудования при отключении всех потребителей.
В режиме технического обслуживания отключается часть потребителей и проводится контроль технического состояния оборудования, подключенного к одной из секций блока секционирования. Конструктивное исполнение оборудования системы постоянного тока должно обеспечивать возможность безопасного выполнения работ.
Из основного (приоритетного) ввода питания переменного тока 1 осуществляется передача электроэнергии по линии переменного тока в блок автоматического ввода резерва 3 и далее по линии переменного тока в зарядно-выпрямительные устройство - преобразование AC/DC 4. После этого по линии постоянного тока электроэнергия передается в блок подключения зарядно-выпрямительного устройства к секции распределения постоянного тока 6 и оттуда по линии постоянного тока поступает в шину распределения постоянного тока 12, откуда передается в блок секционирования 14 и в блок подключения аккумуляторной батареи к секции распределения 10.
Также из шины распределения постоянного тока 12 по линии управления и контроля передается сигнал в систему мониторинга и автоматизации 16 для контроля уровня напряжения и потребляемого тока потребителями. Блок секционирования 14 связан с шиной распределения постоянного тока 13 посредством линии постоянного тока, а блок подключения аккумуляторной батареи к секции распределения 10 обоюдно связан с блоком подключения аккумуляторной батареи к секции распределения 11 через блок коммутации аккумуляторной батареи 9 через линии постоянного тока. При этом блок подключения аккумуляторной батареи к секции распределения 11 связан с шиной распределения постоянного тока 13 посредством линии постоянного тока.
При прекращении подачи питания на основной ввод переменного тока 1 из резервного ввода питания переменного тока 2 по линии переменного тока осуществляется передача электроэнергии в блок автоматического ввода резерва 3 и далее по линии переменного тока в зарядно-выпрямительные устройство - преобразование AC/DC 5, а из блока 5 по линии постоянного тока в блок подключения зарядно-выпрямительного устройства к секции распределения постоянного тока 7 и оттуда по линии постоянного тока поступает в шину распределения постоянного тока 13. При этом шина распределения постоянного тока 13 связана линией управления с системой мониторинга и автоматизации 16, при этом система мониторинга и автоматизации 16 обоюдно связана линией управления с зарядно-выпрямительным устройством - преобразованием AC/DC 5.
Система контроля и управления аккумуляторной батареей 15 связана линиями управления с системой мониторинга и автоматизации 16 и блоком коммутации аккумуляторной батареи 9 и при этом обоюдно связана с литий-ионной аккумуляторной батареей 8. Также линиями управления связаны с блоком автоматического ввода резерва 3 основной (приоритетный) ввод питания переменного тока 1 и резервный ввод питания переменного тока 2. Следует отметить, что взаимную связь через линии управления имеют: система мониторинга и автоматизации 16 с зарядно-выпрямительными устройствами - преобразованиями AC/DC 4, 5, а также система контроля и управления аккумуляторной батареей 15 с литий-ионной аккумуляторной батареей 8.
Блок зарядно-выпрямительного устройства представляет собой следующее. В состав каждого блока зарядно-выпрямительных блоков входят: от одного до четырех выпрямительных модулей, модуль сбора данных и устройство контроля и индикации, которое осуществляет управление выпрямительными модулями и управление зарядом аккумуляторной батареи. Устройство контроля и индикации (управляющий контроллер) является самостоятельным модулем, полностью независимым от выпрямительных модулей. В его функции входит: контроль заряда аккумуляторной батареи, контроль состояния изоляции, удаленная сигнализация аварий. Выпрямительные модули предназначены для преобразования переменного тока в выпрямленный и подачи электрического питания на оборудование.
Блок мониторинга и автоматизации характеризуется следующим. В системе постоянного тока может осуществляться передача дискретных сигналов, характеризующих его состояние, с помощью контактов реле, расположенных на плате управления, сигналы от которых выведены на клеммы, установленные в шкафу. Для передачи информации о величинах напряжения и токов могут использоваться цифровые вольтметры и амперметры. Используются по одному цифровому вольтметру на секцию и по одному цифровому амперметру на ввод аккумуляторной батареи. Передача данных о состоянии защитно-коммутационных устройств осуществляется с выходов модулей сбора дискретных сигналов через специальный контроллер. Блок мониторинга и автоматизации включает в себя панели управления устройства контроля и индикации.
Система постоянного тока преобразует входное переменное напряжения в напряжение постоянного тока посредством зарядно-выпрямительных блоков 4, 5 и распределяет электрическую энергию потребителям в цепях постоянного тока, а также обеспечивает режимы эксплуатации аккумуляторных батарей.
Содержание аккумуляторных батарей в режиме буферном режиме -буферный режим является номинальным режимом работы зарядно-выпрямительных блоков. Режим заряда аккумуляторных батарей характеризуется током заряда 0,2 от емкости аккумуляторных батарей А⋅ч. до напряжения 3,4 В/эл, затем заряжают аккумуляторные батареи до снижения уровня потребления тока до уровня 5 А. Буферный режим автоматически возобновляется после режима заряда. Балансировка аккумуляторных батарей осуществляется при превышении напряжения на одном из элементов напряжения выше 3,4 В. При этом параллельно с ячейкой подключаются резисторы, снижая ток заряда конкретной ячейки.
Контроль выходного напряжения осуществляется следующим образом. Максимальная уставка напряжения выпрямителя (высокое напряжение зарядно-выпрямительных блоков) отсчитывается относительно напряжения текущего режима заряда. По достижении уровня максимальной уставки напряжения зарядно-выпрямительные блоки отключаются. Минимальная уставка напряжения выпрямителя (низкое напряжение зарядно-выпрямительных блоков) отсчитывается относительно буферного режима. По достижении уровня минимальной уставки напряжения зарядно-выпрямительные блоки отключаются. Минимальная уставка напряжения аккумуляторных батарей (пониженное напряжение аккумуляторных батарей). При снижении напряжения аккумуляторных батарей до конечного напряжения данная уставка блокируется. Уставка напряжения конечного разряда аккумуляторных батарей (низкое напряжение аккумуляторных батарей).
Проверка целостности цепи аккумуляторных батарей происходит следующим образом. Данная функция используется для проверки исправности цепи аккумуляторных батарей. Проверка осуществляется вручную с панели управления зарядно-выпрямительных блоков. В процессе проверки зарядно-выпрямительных блоков снижают напряжение на выходе до регулируемой уставки (заводская настройка 0,9 номинального напряжения), и блок управления контролирует напряжение аккумуляторных батарей. Если напряжение батареи падает ниже уровня уставки (разомкнута цепь защиты аккумуляторных батарей, отсоединен кабель и т.п.), на дисплей выводится сообщение о неисправности. С помощью кнопки ОТМЕНА можно выполнить сброс состояния ошибки.
Блок автоматизации выполнен с возможностью выполнять пофидерный контроль сопротивления изоляции блоков вводов питания переменного тока. Блок распределения постоянного тока также выполнен с возможностью контроля изоляции отходящих линий, а также общего контроля состояния изоляции с помощью системы контроля сопротивления изоляции.
Система контроля изоляции постоянного тока (отходящих линий) предназначена для: измерения значений сопротивления изоляции в сетях постоянного тока напряжением 220 В и 110 В; измерения перекосов напряжения в сетях постоянного тока; световой и звуковой сигнализации, также сигнализации типа «сухой контакт» при выходе величины сопротивления контролируемой изоляции, замеров уровня напряжения на шинах и перекоса напряжения за установленные пределы; индикации типа, времени и местоположения аварии; интеграции с различными системами мониторинга (например, по протокам RS485, Modbus RTU).
Автоматический контроль и измерение сопротивления изоляции и напряжения полюсов относительно шины заземления осуществляется посредством подключения измерительного моста в измеряемую сеть. При снижении уровня сопротивления ниже регулируемых уставок происходит пофидерный поиск с целью обнаружения дефектной линии.
Блок контроля параметров напряжения (на схеме входит в блок 16) предназначен для использования в сетях оперативного постоянного тока распределительных устройств электрических станций и подстанций и может выполнять следующие функции: контроль величины напряжения на шинах оперативного тока; контроль уровня пульсаций напряжения; сравнение контролируемых параметров с заданными граничными значениями; формирование аварийной сигнализации в случае выхода контролируемых параметров за граничные значения; передача значений контролируемых параметров на верхний уровень системы.
Способ осуществляется следующим образом.
В нормальном режиме потребители получают питание постоянного тока от основного ввода переменного тока через зарядно-выпрямительный блок по цепям 1-3-4-6-12 для первой секции блока распределения постоянного тока 12 и 1-3-5-7-13 для второй секции блока распределения постоянного тока 13. При этом аккумуляторные батареи 8 находятся в буферном режиме (поддерживаемое с помощью зарядно-выпрямительных блоков напряжение 3,34 В/эл), секционный выключатель 14 отключен.
При отсутствии напряжения переменного тока на основном вводе блок автоматического ввода резерва переключает питание на резервный ввод. При этом потребители постоянного тока получают питание по цепям 2-3-4-6-12 для первой секции блока распределения постоянного тока и 2-3-5-7-13 для второй секции блока распределения постоянного тока. При этом аккумуляторные батареи находятся в буферном режиме (поддерживаемое с помощью зарядно-выпрямительных блоков напряжение 3,34 в/эл), секционный выключатель 14 отключен. При появлении напряжения на основном вводе схема возвращается в нормальный режим работы.
При этом под перерывами питания от электросети подразумевается отсутствие переменного тока на любом из блоков ввода питания переменного тока 1, 2.
При отсутствии напряжения переменного тока на обоих вводах переменного тока 1,2 блок распределения постоянного тока 12 и/или 13 и/или блок секционирования 14 выдает сигнал о падении напряжения, который обрабатывается в блоке мониторинга и автоматизации 16. При этом потребители постоянного тока получают питание от аккумуляторных батарей по цепи 8-9-10-12 для первой секции блока распределения постоянного тока и 8-9-11-13 для второй секции блока распределения постоянного тока. При этом аккумуляторные батареи находятся в режиме разряда. При разряде аккумуляторных батарей до критической величины (2,8 в/эл) блок контроля и управления аккумуляторными батареями 15 подает команду блоку коммутации аккумуляторных батарей 9 на отключение аккумуляторных батарей от потребителей, при этом разряд аккумуляторных батарей прекращается. Потребители при этом теряют питание. Срабатывает местная и дистанционная сигнализация в блоке мониторинга и автоматизации 16, извещающая о том, что аккумуляторные батареи 8 разряжены.
При отсутствии напряжения переменного тока на всех вводах питания переменного тока потребитель получает питание от аккумуляторных батарей. При этом блок распределения постоянного тока и блок секционирования оборудованы датчиками, которые выполнены с возможностью передачи сигнала о падении напряжения.
При восстановлении напряжения переменного тока на любом из вводов блок мониторинга и автоматизации 16 дает команду зарядно-выпрямительных блокам перейти в режим заряда (напряжение 3,4 В/эл). Потребители постоянного тока получают питание по цепям согласно нормальному режиму работы, но при этом дополнительно производится заряд аккумуляторных батарей по двум цепям (ниже рассмотрен пример при восстановлении основного ввода) 1-3-4-6-12-10-9-8 и 1-3-5-7-13-11-9-8. При достижении степени заряда 90% (критерий - напряжение аккумуляторных батарей достигло 3,4 в/эл, ток в цепи аккумуляторных батарей снизился до уровня 5 А) блок мониторинга и автоматизации дает команду зарядно-выпрямительным блокам перейти в буферный режим (напряжение 3,34 В/эл).
При выходе из строя одного из зарядно-выпрямительных блоков потребители постоянного тока обеих секций блока распределения постоянного тока получают питание от рабочего зарядно-выпрямительного блока по цепи (рассмотрен пример при выходе из строя блока 5) 1-3-4-6-12 для первой секции блока распределения постоянного тока и 1-3-4-6-12-10-9-11-13 для второй секции блока распределения постоянного тока. При восстановлении работоспособности зарядно-выпрямительных блоков схема возвращается в исходное состояние, т.е. в нормальный режим работы.
Блок секционирования 14 предназначен для организации ремонтной перемычки между первой и второй секциями блоков распределения постоянного тока 12, 13 для обслуживания зарядно-выпрямительных блоков 4, 5, а также блоков подключения зарядно-выпрямительных блоков к блоку распределения постоянного тока 6, 7 и аккумуляторным батареям 8 к блокам распределения постоянного тока 12, 13. Например, для обслуживания блоков 5, 7, 11 необходимо включить блок 14. При этом потребители постоянного тока второй секции блока распределения постоянного тока 13 получают питание по цепи 1-3-4-6-12-14-13. После завершения обслуживания схему необходимо вернуть в исходное положение, т.е. в нормальный режим работы.
Блок контроля и управления аккумуляторными батареями 15 предназначен для непрерывного контроля за параметрами аккумуляторных батарей, подачи сигнала блоку коммутации аккумуляторных батарей 9 на отключение аккумуляторных батарей от сети в случае выхода контролируемых параметров (напряжение, температура, ток и др.) за границы установленных значений, а также для обеспечения балансировки аккумуляторных батарей. При этом под состоянием аккумуляторной батареи подразумевается напряжение батареи в целом и напряжение единичного элемента, а также внутреннее сопротивление и температура самой батареи и т.д.
Блок мониторинга и автоматизации 16 предназначен для управления режимами работы зарядно-выпрямительных блоков 4, 5, непрерывного контроля за параметрами системы постоянного тока, местной и дистанционной сигнализации о режимах работы системы, а также передачи контролируемых параметров через стандартные информационные интерфейсы, протоколы.
Блок мониторинга и автоматизации 16 выполнен с возможностью передачи параметров таких, например, как: параметры аккумуляторной батареи (ток, напряжение, режим заряда/разряда и др.); параметры нагрузки (ток, напряжение, потребляемая мощность и др.); общая авария системы.