распределительное устройство системы электропитания потребителей здания

Формула изобретения

Распределительное устройство системы электропитания потребителей здания, содержащее подключенные к отдельным высоковольтным магистральным кабелям кабели питающих - и -линий, каждый из которых через соответствующий понижающий трансформатор подключен к соответствующей секционной шине, к каждой из которых через управляемые выключатели подключены линии питания потребителей, при этом в линии связи трансформаторов с секционными шинами установлены сблокированные между собой нормально закрытые выключатели, а шины секций соединены между собой через секционный выключатель, отличающееся тем, что оно снабжено источником гарантированного питания в виде резервной дизель-генераторной электростанции, выход которой через нормально открытый выключатель связан непосредственно с одной из секционных шин, при этом нормально открытый выключатель резервной дизельной электростанции и нормально закрытые выключатели связи трансформаторов с секционными шинами механически сблокированы между собой и связаны с управляемым механизмом переключения, по крайней мере, одним контроллером, выходами связанным с управляемыми выключателями в связи линий питания потребителей с секционными шинами и с управляемым механизмом переключения сблокированных выключателей, сервером диспетчеризации, оснащенным соответствующим программным обеспечением по параметрическому контролю за состоянием электроцепей по показаниям датчиков и за состоянием помещений по показаниям датчиков системы пожарной сигнализации и выдачи управляющих сигналов на указанный контроллер или выдачи на указанный контроллер сменного алгоритма, резервная дизельная электростанция снабжена установленным в линии связи на участке до расположения нормально открытого выключателя, по крайней мере, одним управляемым дополнительным выключателем для обеспечения вывода оборотов генератора на заданный режим в условиях его отключения от секционной шины, причем указанный контроллер выполнен в соответствии с введенным в него сменным алгоритмом, по крайней мере, с возможностью реализации функции по отключению, по крайней мере, части линий питания потребителей при запуске резервной дизельной электростанции или в случае нарушения функционирования линий питания потребителей и включения линий питания потребителей, с возможностью реализации функции отключения линии питания системы вентиляции здания по сигналу датчика системы пожарной сигнализации, с возможностью реализации функции по замыканию нормально открытого выключателя при отсутствии напряжения в одной из питающих линий, с возможностью реализации функции по отключению связи понижающих трансформаторов с секционными шинами при отсутствии напряжения в обеих указанных шинах для обеспечения запуска резервной дизельной электростанции и их подключения при возникновении напряжения в, по крайней мере, одной из указанных шин с отключением указанной электростанции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике и касается конструкции распределительного устройства системы электропитания потребителей здания или группы зданий.

Известная практика подвода и распределения электропитания в здании в основном базировалась на обеспечении непосредственной связи кабелей питающих линий здания с источником высокого напряжения, понижении напряжения на питающих трансформаторах и обеспечении разводки по шине или по нескольким шинам с использованием автоматических выключателей в линиях питания потребителей, которые прокладываются по зданию. Бесперебойность такой системы электроснабжения здания полностью зависела от наличия напряжения в кабелях питающих линий и от исправности линий питания потребителей. При аварийных работах в магистральных линиях возникала необходимость отключения питающей линии от здания, в результате чего здание обесточивалось. Такой принцип упрощенного энергоснабжения вполне оправдывал себя в условиях обеспечения здания освещением, отоплением, вентиляцией, то есть тогда, когда здание не относилось к категории интеллектуальных зданий.

Под выражением “интеллектуальное здание” согласно определению Института интеллектуального здания, расположенного в Вашингтоне, понимается “здание, обеспечивающее продуктивное и эффективное использование рабочего пространства, благодаря оптимизации его четырех основных элементов”, а именно: структуры, систем, служб и управления, а также взаимоотношений между ними. Под структурой понимается обеспечение здания общей кабельной платформой для силовых потребителей, телекоммуникаций, функций автоматизации здания в целом и отдельных его служб. Под общей кабельной платформой здания понимается инсталлированная в здании на стадии строительно-монтажных или завершающих перед сдачей в эксплуатацию работ или работ по капитальной реконструкции многофункциональная кабельная сеть, реализующая функции электропитания силового оборудования, телекоммуникаций слаботочных систем различного рода, автоматизации подразделений здания и здания в целом. Поэтому под понятием “многофункциональная кабельная система здания” понимается инсталлированная в здании комплексная кабельная сеть для современных и будущих высокотехнологичных систем и служб, представляющая собой набор встроенных в здание в качестве неотъемлемой его части независимо от назначения здания кабельных и соединительных компонентов, интегрированных в архитектуру здания с использованием специфических правил инженерного конструирования.

Таким образом, кроме систем непосредственного жизнеобеспечения, в здании инсталлированы специальные системы, например системы противопожарной безопасности, локальные компьютерные информационные сети, системы управления пассивным и активным оборудованием, функционирование которых в зависимости от решаемых задач порой не предусматривает обесточивание здания по причине внешнего отключения от магистральных линий или в результате функциональных нарушений части цепей распределительного устройства самого здания. При таком исполнении самого здания к системе его электропитания предъявляются повышенные требования, основным из которых является живучесть распределительного устройства и обеспечение гарантированного питания линий потребителей здания. При этом решение таких задач в здании возможно с использованием введения контролирующих и управляющих устройств с компьютерной обработкой параметров линий и выработкой алгоритма функционирования распределительного устройства в зависимости от создавшейся ситуации вне здания или внутри здания. При этом как правило к таким задачам прибавляется задача по обеспечению экономичного энергосберегающего режима питания потребителей здания, что возможно лишь с использованием компьютерных систем управления.

Известно распределительное устройство системы электропитания потребителей здания, содержащее подключенные к отдельным высоковольтным магистральным кабелям кабели питающих - и -линий, каждый из которых через соответствующий понижающий трансформатор подключен к соответствующей секционной шине низкого напряжения, к каждой из которых через управляемые выключатели подключены линии питания потребителей, при этом в линии связи трансформаторов с секционными шинами установлены нормально закрытые выключатели, а шины секций соединены между собой через секционный выключатель (Г.Е.Поляков. Устройство электрических станций, подстанций и линий электропередач. М.: Всесоюзное учебно-педагогическое издательство ПРОФТЕХИЗДАТ, 1961, стр. 222, рис. 165 б).

Данное распределительное устройство реализует принцип разделения системы питания на два секционных шинных блока, каждый из которых запитывается от отдельного источника питания высокого напряжения и обеспечивает питание отдельных линий потребителя. А за счет наличия между секционными шинами секционного выключателя обеспечивается передача напряжения с одной шины на другую при отключении одной из шин от магистрального кабеля высокого напряжения.

Недостатком данной конструкции является зависимость функционирования от наличия напряжения в обоих магистральных кабелях высокого напряжения. При отключении обоих кабелей здание обесточивается полностью. При этом в схеме распределительного устройства введены автоматические выключатели в линиях питания потребителей, что приводит при замыкании этих выключателей к постоянной нагрузке каждой линии. Такое исполнение ведет к необоснованному расходу электроэнергии за счет питания всех систем жизнеобеспечения здания. Регулирование включением или отключением незадействованных линий питания в данной схеме распределительного устройства возможно диспетчеризацией, но данная задача решается ручным образом, что снижает эффективность из-за несвоевременного отключения или подключения линий.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению бесперебойной подачи электроэнергии потребителям при отключении от магистральных кабелей высокого напряжения за счет введения резервной дизель-генераторной электростанции, по сокращению монтажных габаритов распределительного устройства за счет схемного совмещения системы распределения напряжения в устройстве с указанной электростанцией, по автоматизации диспетчеризации за счет введения управляющих выключателями по заданному алгоритму контроллеров, по обеспечению энергосберегающих и безаварийных режимов работы потребителей питания и линий цепей связей устройства за счет осуществления контроля за параметрами работы линий и цепей и корректировки режимов работы через управляющие выключателями контроллеры.

Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении эксплуатационной эффективности распределительного устройства за счет обеспечения безаварийности работы, бесперебойной подачи напряжения и обеспечения экономичного и безопасного функционирования линий питания потребителей интеллектуального здания.

Указанный технический результат достигается тем, что распределительное устройство системы электропитания потребителей здания, содержащее подключенные к магистральным кабелям кабели питающих - и - линий, каждый из которых через соответствующий трансформатор подключен к соответствующей секционной шине, к каждой из которых через управляемые выключатели подключены линии питания потребителей, при этом в линии связи трансформаторов с секционными шинами установлены нормально закрытые выключатели, а шины секций соединены между собой через секционный выключатель, снабжено источником гарантированного питания в виде резервной дизельной электростанции, выход которой через нормально открытый выключатель связан непосредственно с одной из секционных шин, по крайней мере одним контроллером, выходами связанным с управляемыми выключателями в связи линий питания потребителей с секционными шинами и с управляемым механизмом переключения сблокированных выключателей и выполненным с возможностью отключения по крайней мере части потребителей при запуске резервной дизельной электростанции или в случае нарушения функционирования линий питания потребителей и их включения в соответствии с введенным в него алгоритмом по показаниям контрольных датчиков состояния электроцепей или с сервера, оснащенного соответствующим программным обеспечением по параметрическому контролю за состоянием электроцепей и помещений, при этом нормально открытый выключатель резервной дизельной электростанции и нормально закрытые выключатели связи трансформаторов с секционными шинами механически сблокированы между собой и связаны с управляемым механизмом переключения, резервная дизельная электростанция снабжена установленным в линии связи на участке до расположения нормально открытого выключателя управляемыми дополнительными выключателями для обеспечения вывода оборотов генератора на заданный режим в условиях его отключения от секционной шины, а указанный контроллер выполнен с возможностью реализации дополнительной функции по замыканию нормально открытого управляемого выключателя при отсутствии напряжения в одной из питающих линий и отключения связи трансформаторов с секционными шинами при отсутствии напряжения в обоих указанных шинах для обеспечения запуска резервной дизельной электростанции и их подключения при возникновении напряжения в по крайней мере одной из указанных шин с отключением указанной электростанции.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.

На чертеже представлена блок-схема распределительного устройства системы электропитания потребителей здания.

Согласно настоящему изобретению распределительное устройство системы электропитания потребителей здания содержит подключенные к отдельным высоковольтным магистральным кабелям 1, 2 кабели питающих - и - линий 3, 4, каждый из которых через соответствующий понижающий трансформатор 5 подключен к соответствующей секционной шине 6 и 7, к каждой из которых через управляемые выключатели 8 подключены линии питания потребителей 9. В линии связи трансформаторов 5 с секционными шинами 6 и 7 установлены механически сблокированные между собой нормально закрытые выключатели 10, а шины секций соединены между собой через секционный выключатель 11.

Распределительное устройство выполнено с источником гарантированного питания в виде резервной дизель-генераторной электростанции 12, выход которой через нормально открытый выключатель 13 связан непосредственно с одной из секционных шин, например с секционной шиной 6. Нормально открытый выключатель 13 резервной дизель-генераторной электростанции и нормально закрытые выключатели 10 связи трансформаторов 5 с секционными шинами 6, 7 механически сблокированы между собой и связаны с управляемым механизмом переключения (не показан).

С шинами также связаны отключаемые узлы 14 компенсации реактивного напряжения.

Линии питания потребителей распределены по четырем категориям в зависимости от типа потребителя. К особой группе первой категории относятся системы кондиционирования и вентиляции помещений, системы автоматизации и диспетчеризации инженерных систем, системы дымоудаления и подпора воздуха, наружное, аварийное и эвакуационное освещение, светоограждение, системы пожарного водоснабжения, пожаротушения, пожарные лифты. К первой категории относятся пассажирские лифты, насосы систем теплоснабжения и отопления, холодильные камеры пищеблока. Остальные потребители относятся к второй и третьей категориям (информационные и телефонные системы и т.д.).

В соответствии с условиями безопасности функционирования здания в случае отсутствия напряжения на выходах обоих трансформаторов электроснабжение потребителей, относящихся к особой группе первой категории, реализуется от резервной электростанции.

Для электроснабжения высокотехнологичного оборудования, чувствительного к ухудшению качества электрической энергии: компьютеров, активного оборудования вычислительных сетей, телекоммуникационной аппаратуры, систем безопасности, системы пожарной безопасности и оповещения и т.п., - распределительное устройство выполнено с системой бесперебойного электроснабжения с установкой источников бесперебойного питания с аккумуляторными батареями (не представлена).

Распределительное устройство снабжено системой контроля и управления, включающей в себя сервер 15 диспетчеризации, контроллер 16, датчики 17 контроля за состоянием электроцепей и датчики 18 контроля за состоянием помещений и освещенности.

Сервер диспетчеризации оснащен соответствующим программным обеспечением по параметрическому контролю за состоянием электроцепей по показаниям датчиков 17 и контроля за состоянием помещений по показаниям датчиков, например, системы пожарной сигнализации и выдачи управляющих сигналов на указанный контроллер или выдачи на указанный контроллер сменного алгоритма. В качестве программируемого сервера диспетчеризации можно использовать компьютерную серверную станцию, описанную в DE 4125839, US №5684374 или станцию семейства AlphaServer корпорации DIGITAL (см. проспект корпорации DIGITAL “Семейство AlphaServer”, 1997).

Программное обеспечение на базе SCADA-системы типа CiTect5.21 для Microsoft Windows включает в себя набор алгоритмов, рассчитанных на различные режимы содержания здания в зависимости от времени суток и времени года и состояния окружающей среды.

Программное обеспечение на базе пакета CiTect5.21 позволяет формировать отчетную документацию и выводить ее на принтер. Используя графический редактор можно создавать на экране дисплея картинки, которые будут отображать физические процессы, происходящие на реальных объектах и необходимые для контроля оператором. С помощью пакета CiTect5.21 можно задавать команды на управление конкретным элементом объекта автоматизации (например, краном, двигателем, задвижкой, вентилем и так далее). При просмотре картинки на экране дисплея в динамическом режиме происходит связь с контролером нижнего уровня через базу данных и соответствующий драйвер связи CiTect5.21. Для связи с контроллерами различных фирм-изготовителей имеется набор драйверов для наиболее распространенных контроллеров с нестандартными протоколами обмена.

Оператор может наблюдать за текущими значениями контролируемых параметров, состояниями аварийных и других объектов, осуществлять при необходимости, ручное управление, изменять коэффициенты регулирования и так далее. Управление объектом автоматизации оператор может осуществлять с помощью манипулятора типа "мышь", с функциональной клавиатуры, со стандартной клавиатуры или со специального пульта управления. При совместной работе программируемых логических контролеров с пакетом CiTect5.21 создается база данных формата DBF, которая представляет собой перечень аналоговых или дискретных сигналов. Каждый сигнал имеет свой адрес, по которому происходит обращение ПЭВМ к контролеру нижнего уровня. Количество сигналов в базе данных определяется необходимым количеством контролируемых или управляющих сигналов, заданных техническим заданием и к которым обеспечен доступ со стороны управляющих контролеров. Процесс создания программного обеспечения верхнего уровня заключается в последовательности написания программы для управляющих контролеров нижнего уровня, с формированием исходных данных для базы данных в CiTect5.21, создание картинки или картинок на экране дисплея объекта автоматизации и подключение базы данных к элементам картинок. После этого определяются параметры и текущие значения, необходимые для хранения в виде отдельных файлов и протоколов в виде отчетных документов.

Резервная дизельная электростанция снабжена установленным в линии связи на участке до расположения нормально открытого выключателя 13 по крайней мере одним управляемым дополнительным выключателем 19 для обеспечения вывода оборотов генератора на заданный режим в условиях его отключения от секционной шины.

Контроллер, с одной стороны, связан с сервером диспетчеризации, а с другой стороны, связан с управляемыми выключателями в связи линий питания потребителей с секционными шинами и с управляемым механизмом переключения сблокированных выключателей, а также выполнен в соответствии с веденным в него сменным алгоритмом по крайней мере:

- с возможностью реализации функции по отключению по крайней мере части линий питания потребителей при запуске резервной дизельной электростанции или в случае нарушения функционирования линий питания потребителей и их включения,

- с возможностью реализации функции отключения линии питания системы вентиляции здания по сигналу датчика системы пожарной сигнализации,

- с возможностью реализации функции по замыканию нормально открытого управляемого выключателя при отсутствии напряжения в одной из питающих линий,

- с возможностью реализации функции по отключению связи понижающих трансформаторов с секционными шинами при отсутствии напряжения в обоих указанных шинах для обеспечения запуска резервной дизельной электростанции и их подключения при возникновении напряжения в по крайней мере одной из указанных шин с отключением указанной электростанции.

В качестве контроллера можно использовать многоканальный контроллер, описанный в US, №5684374 (поз. 16), известный под названием “IMC S Class Compact”, выпускаемый компанией Allen-Bradley Company, US, или контроллеры серии АС 31 концерна ABB (см. проспект концерна ABB “AC 31 a new opening for automation”, 1998, стр. 1-23). В этом же проспекте концерна ABB представлены модули (контроллеры) удаленного ввода-вывода, которые могут быть использованы в качестве модулей 6 удаленного ввода-вывода в рамках настоящего изобретения. Эти контроллеры содержат программные и аппаратные средства для организации процесса обмена данными с автономными системами, имеющими последовательный интерфейс.

Распределительное устройство эксплуатируется следующим образом.

При наличии высокого напряжения в кабелях питающих - и -линий происходит запитка понижающих трансформаторов 5 и выдача низкого напряжения на секционную шину 6 от кабеля питающей -линии и на секционную шину 7 кабеля питающей -линии через соответствующие нормально закрытые выключатели 10. По заданному алгоритму контроллер 16 выдает управляющие сигналы на соответствующие управляемые выключатели 8 и соединяет линии питания потребителей с секционными шинами. Так как нормально закрытые выключатели 10 сблокированы с нормально открытым выключателем 13, то цепь связи резервной электростанции 12 с секционной шиной 6 разорвана. Компенсация реактивного напряжения осуществляется в узлах 14 компенсации реактивного напряжения, подключаемых к секционным шинам.

Во время функционирования распределительного устройства на контроллер 16 поступают сигналы от датчиков 17 контроля за состоянием электроцепей и датчиков 18 контроля за состоянием помещений и освещенности. Данные параметры в виде сигналов через контроллер поступают в сервер диспетчеризации, где оцениваются, анализируются и сравниваются с заложенными оптимальными параметрами нормального функционирования линий и звеньев связи потребителей.

При поступлении сигнала от датчика контроля за состоянием напряжения в кабеле 3 питающей линии или на секционной шине 6 об отсутствии высокого или низкого напряжения контроллер 16 выдает управляющий сигнал на включение секционного выключателя 11 и соединения секционных шин 6 и 7 между собой. В этом случае напряжение от другого кабеля 4 питающей линии поступает на секционную шину 7, а затем на секционную шину 6. Для исключения перегрузки контроллер в соответствии с заложенным в нем сменным алгоритмом может осуществлять отключение части линий питания потребителей.

При отсутствии напряжения на секционных шинах 6 и 7 вследствие прекращения подачи высокого напряжения по отдельным высоковольтным магистральным кабелям 1 и 2, контроллер выдает управляющий сигнал на отключение линий питания линий потребителей первой, второй и третьей категорий, за исключением линий, питающих потребителей особой группы первой категории. Затем выдается управляющий сигнал на управляемый механизм переключения сблокированных выключателей 10, в результате чего цепи связи трансформаторов 5 с секционными шинами 6 и 7 разрываются, а выключатель 13 соединяет секционную шину 6 с резервной дизель-генераторной электростанцией с выдачей сигнала на запуск дизель-генератора, отключенного от секционной шины 6 по крайней мере одним управляемым дополнительным выключателем 19 для обеспечения вывода оборотов генератора на заданный режим. После вывода дизель-генератора на нормированные обороты контроллер осуществляет выдачу сигнала на включение дополнительного выключателя 19, что обеспечивает передачу напряжения на секционную шину 6 и запитку линий питания потребителей особой группы первой категории, с возможностью реализации функции по отключению связи понижающих трансформаторов с секционными шинами при отсутствии напряжения в обоих указанных шинах для обеспечения запуска резервной дизельной электростанции и их подключения.

При возникновении напряжения в по крайней мере одной из указанных секционных шин контроллер выдает управляющий сигнал на управляемый механизм переключения сблокированных выключателей 10, в результате чего цепи связи трансформаторов 5 с секционными шинами 6 и 7 восстанавливаются, а выключатель 13 разъединяет секционную шину 6 с резервной дизель-генераторной электростанцией, с возможностью реализации функции по отключению по крайней мере части линий питания потребителей при запуске резервной дизельной электростанции.

В случае нарушения функционирования линий питания потребителей, которое определяется по показаниям датчиков 17 и сравнения этих показателей с заданными, контроллер обеспечивает их включение. А по сигналу датчика системы пожарной сигнализации контроллер осуществляет отключение линии питания системы вентиляции здания.

Сервер диспетчеризации постоянно получает через контроллер данные от датчиков и формирует график функционирования той или иной линии питания потребителей и график состояния звеньев соединений в распределительном устройстве, а также степень загрузки линий питания потребителей во времени. Наличие таких графиков позволяет оптимизировать алгоритм включения и отключения линий питания и звеньев распределительного устройства не только в аварийном режиме работы системы электропитания потребителей здания, но и в плановом режиме, который корректируется с учетом времени дня, сезона года, освещенности помещений, освещенности снаружи здания, температуры снаружи здания, температуры внутри помещений, задействованности отдельных помещений и т.д. В базе данных сервера диспетчеризации находится таблица алгоритмов, рассчитанных на любые возможные варианты эксплуатации здания как в плановом режиме, так и в аварийном. В результате анализа поступающих данных сервер диспетчеризации может не изменять введенного в контроллер алгоритма его работы, а если при данном алгоритме не достигается экономичный оптимальный режим электроснабжения потребителей здания, и необходимо перейти на другой алгоритм, то с сервера производится перенастройка контроллера за счет смены его алгоритма.

Наличие источника бесперебойного питания на аккумуляторных батареях в качестве отдельного самостоятельного узла позволяет по сигналу контроллера в момент начала нарушения функционирования силовой линии питания компьютеров перейти на автономное питание до восстановления параметров источника питания линии для этих компьютеров.

Таким образом, распределительное устройство представляет собой конструкцию виртуального узла, обеспечивающего не только преобразование напряжения, его распределение по линиям питания потребителей, но и обеспечивающего переход с одного источника питания (с магистральных кабелей высокого напряжения) на другой источник питания (от резервной дизель-генераторной электростанции) с обеспечением гибкого перенастраиваемого алгоритма нагрузки и функционирования линий связи с самом распределительном устройстве и в линиях питания потребителей при обеспечении возможности автоматического перевода здания из режима плановой в режим аварийной эксплуатации.

Настоящее изобретение позволяет повысить эксплуатационную эффективность распределительного устройства за счет обеспечения безаварийности работы, бесперебойной подачи напряжения и обеспечения экономичного и безопасного функционирования линий питания потребителей интеллектуального здания. Использование такого виртуального распределительного устройства позволит существенно сократить непроизводственное расходование электроэнергии и обеспечить целостную сохранность важнейших элементов структурированных сетей интеллектуального здания.