СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОСЕТЕВОГО КОМПЬЮТЕРА Российский патент 2020 года по МПК G06F9/02 G05B15/02 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в области электротехники для создания устройств электрических аппаратов широкого назначения, кроме того, предлагаемое устройство относится к области к цифровизации и автоматизации инженерных систем, работающих в электрической сети.

В настоящий момент существует два варианта цифровизации и автоматизации при этом оба варианта требуют коммутации и распределения в электрической сети электроэнергии и информации, в первом случае применяются электрические аппараты, работающие по принципу кинематики (механические) которые требуют внешней управляющей автоматики и программируемых логических контроллеров, а в другом некоторые из электрических аппаратов до оснащены встроенным микроконтроллером. Для данного изобретения оба варианта являются Альтернативными, поскольку оба варианта требуют трудоемкого ручного процесса проектирования, сборки в электрические щитки (шкафы), монтажа, программирования, наладки, проводной коммутации для межмодульных связей, существенно большего количества разрозненных электрических аппаратов и как следствие дороговизна. Кроме того, оба варианта имеют эксплуатационную сложность и габаритные размеры.

Таким образом, цифровые технологии и автоматизация управления информацией и электроэнергией в электрической сети состоит из различных готовых устройств, которые в широком ассортименте производятся различными предприятиями. Однако каждый случай собирается из этих устройств индивидуальным образом, в соответствии с техническим задание для целей удовлетворения потребностей Заказчика. Другими словами, технология изготовления цифровой автоматической системы включает индивидуальное проектирование, сборку и настройку. Это требует участия таких специалистов как проектировщики и сборщики, планировщики закупок и работ и др. на стадии проектирования и, монтажников, программистов, настройщиков на стадии изготовления монтажа, а также требуется организовать инженерный надзор на всех этапах производства.

Из всего этого складывается чрезмерно высокая себестоимость продукта, что и останавливает широкое распространения этих инновационных технологий и их последующее удешевление.

Таким образом, существует необходимость усовершенствовать технологию производства электрических аппаратов наделив электротехнические устройства, более высокими технологиями, путем замены и расширения функций без обратной связи, специальной автоматической системе с обратной связью, для лучшего выполнения задач управления и коммуникации.

Техническое решение может быть реализовано путем комбинации интегральных схем, вычислительных процессоров и силовых ключей в один прибор (устройство), тем самым обеспечив потребителя ранее недоступными функциями управления электро-потребителями и источниками питания, а также использующее электрическую энергию для управления неэлектрическими процессами, при этом существенно повысив защиту самой электросети и подключенных к ней электроприборов от несанкционированных аварийных режимов работы.

Известен патентный документ RU 2613130, опубл. 15.03.2017, из которого известно изобретение, относящееся к устройствам для измерения электрической мощности. Автоматизированное устройство мониторинга оборудования электрической подстанции содержит ЭВМ, соединенную с датчиками параметров оборудования подстанции. ЭВМ выполнена в виде микропроцессорного блока сбора и обработки данных. Чувствительные элементы вынесены из самих датчиков и соединены с ними одним или двумя волоконно-оптическими кабелями. Кабели соединены соответственно с совмещенными или с разделенными формирователем и приемником оптических сигналов. Микропроцессор и датчики размещены в одном корпусе, который снабжен блоком питания, индикацией и интерфейсным модулем. Датчики соединены с ЭВМ при помощи электрической или волоконно-оптической связи. Датчики могут быть выполнены в виде датчиков тока, напряжения и температуры. Микропроцессор содержит микроконтроллер, соединенный с модулем связи Profinet и/или Ethernet, памятью ПЗУ и ОЗУ-1, а также с контроллером данных, к которому подсоединены ОЗУ-2 с кольцевым буфером и коммутационная плата с входами сигналов датчиков. Выход микропроцессорного блока подсоединен по сети Profinet и/или Ethernet с рабочим местом оператора.

Известен патентный документ RU 2423771, опубл. 10.07.2011, в котором раскрывается устройство выполненное в виде контроллера, содержащего блок внешних датчиков замыкания, сопряженный с кнопками - эмуляторами его состояния, входы которого предназначены для подключения внешних коммутирующих элементов, а выходы соединены со входом блока сопряжения датчиков замыкания с силовыми ключами, выход которого через блок выбора режима работы датчиков замыкания соединен со входом блока коммутационных ключей, выходы которого предназначены для подключения электрических нагрузок, второй выход блока внешних датчиков замыкания соединен со входом блока интерфейсов внешнего ввода-вывода, с подключаемыми модулями интерфейсов, оборудованного адресным модулем, предназначенного для подключения к информационной шине и соединенного со входом блока коммутационных ключей.

Из документа CN 108572562 A, опубл. 25.09.2018, принятого за аналог, известно изобретение, которое раскрывает интеллектуальную систему управления энергией, содержащую интеллектуальное аппаратное управление и интеллектуальный терминал управления, в котором интеллектуальное аппаратное управление главным образом содержит электрический контроллер, модуль связи и модуль сбора данных; модуль сбора данных состоит из датчика и монитора и используется для сбора данных об электроэнергии в режиме реального времени; модуль связи используется для осуществления связи между терминалом и оборудованием; электрический контроллер используется для контроля поведения различных электрических приборов; интеллектуальный терминал управления в основном содержит систему управления, систему сбора информации, систему связи и систему прогнозирования и анализа; система связи обменивается данными с модулем беспроводной верности (Wifi) интеллектуального аппаратного управления посредством связи через последовательный порт; система сбора информации принимает данные датчика и монитора и сохраняет полученные данные в базе данных; система управления формирует распределенное управление посредством главного блока верхнего компьютера и вспомогательных блоков верхнего компьютера; Система прогнозирования и анализа используется для проведения обработки и прогнозирования данных. Интеллектуальная система управления энергопотреблением может использоваться на разных платформах и может выполнять сложную обработку данных, что имеет важное значение для прогнозирования нагрузки и распределения ресурсов.

Недостатком известных способов является недостаточность функционирования и ограниченное количество выполняемых функций, а также невозможность модернизации.

Задача, решаемая изобретением - создание возможности снабжения потребителей электронно-цифровой электрической сетью управления электроэнергией (электросетевой компьютер).

Технический результат способа заключается в расширении эксплуатационных возможностей электроустановки, повышении надежности электрической системы, а также в уменьшении проводной коммутации и габаритов электрических аппаратов.

Технический результат достигается предложенным способом комплексного управления электрическими системами с помощью электросетевого компьтера в котором к платформе, выполненной в виде специализированной гибридной док-станции, с установленным центральным компьютером управления, подключается при помощи интерфейсов требуемое количество гибридных вычислительных машин базового преобразования силовых токов, которые коммутируют, принемают, передают и обрабатывают электрические и информационные сигналы в электроустановке. Через узлы подключения внешних активных слаботочных и внешних физических сетевых информационных интерфейсов, подключаются гибридные вычислительные машины базового преобразования слабых токов и мультимедиа сигналов. Через центральный узел подключения внешних потребителей, подключается узел подключения внешних активных силовых интерфейсов. При этом гибридная док-станция, через единый сильноточный транзитный узел подключается к силовой электрической сети посредством единого сильноточного вводного узла. Затем в центральный компьютер загружается программа, содержащая алгоритмы, определяющие все подключенные по общей шине устройства и позволяющая загрузить функциональные программы для гибридных вычислительных машин базового преобразования силовых токов, слаботочных токов и мультимедиа сигналов, объединяя их в общую сеть обмена данными, и обеспечивая всю систему общей операционной системой с обратной связью.

Кроме того, электросетевой компьютер содержит программу расширенного управления питанием мобильного и стационарного исполнения, которая может быть использована для управления работой электроустановки, путем выбора на экране смартфона или монитора функций необходимых для расширенного управление питанием.

Способ комплексного управления электрическими системами также содержит подключение ряда периферийных устройств, таких как сетевой фильтр, подавляющий помехи, внешний модуль блока питания слаботочных устройств, а также другое аппаратное обеспечение для выполнения функциональных задач электросети.

Причем каждая гибридная вычислительная машина базового преобразования силовых токов оборудуется блоком внешней релейной защиты, автоматически выявляющей и отделяющей от электроэнергетической системы, повреждённые в аварийных ситуациях элементы, обеспечивая нормальную работу всей системы.

Сущность способа поясняется чертежами.

Фиг.1 – схематичный общий вид блоков и элементов электросетевого компьютера;

Фиг.2 – схема электросетевого компьютера в сборе;

Фиг. 3 – общий вид электросетевого компьютера без позиций.

Предложенное техническое решение открывает возможности снабжения потребителей электронно-цифровой электрической сетью управления электроэнергией - электросетевой компьютер.

Ключевой идеей предложенного изобретения является обеспечение потребителей устройством (компьютером распределения электроэнергии) для управления электрической сетью. Современные цифровые технологии примененные в электрораспределительных электрических аппаратах повысят качество комфорта и электробезопасности, снизят стоимость и эксплуатационные расходы электрической сети за счет совмещения работы двух видов устройств-приборов (вычислительных и электротехнических) в одном комбинированном устройстве, а также за счет отсутствия потерь при трудоемком производстве электроустановки и электрической сети.

Принимая во внимание глубину внедрения и доступность в повседневных задачах цифровых технологий, нынешнего уровня техники и электроники, необходимым является оснащение автоматизацией электрической сети.

Употребляемый в контексте данной заявки термин «гибридный» подразумевает собой то, что данное устройство предназначено одновременно для приема и/или передачи и/или обработки одновременно слаботочных сигналов и силовых токов.

Совмещенная технология - «компьютер + программное обеспечение + электрический аппарат = электросетевой компьютер» позволяет использовать максимально полезно все виды электрических сигналов, которые присутствуют в электрической сети. Это становиться возможным благодаря встраиванию силовых электронных ключей и микропроцессорной техники в электрические аппараты. Они позволяют раскрыть все положительные качества электромеханических и электронных аппаратов в одном комбинированном устройстве.

При этом, поскольку внешняя среда программирования обеспеченна экспертной системой проектирования, то устройство при монтаже уже содержит исполнительную программу и специализированную операционную систему. Таким образом, за счет новых функциональных возможностей, существенно расширяются эффективность контроля и диагностики, а также возможности управления электрической сетью с различных иерархических уровней.

Поскольку технически коммутационная и вычислительная часть располагается в одном месте, то отсутствует потери на трудоемкое ручное соединение и сборку разрозненных компонентов автоматики.

Таким образом устройство в котором обеспечивается прием, передача, хранение и обработка разного рода скалярных физических и математических величин (ватт, ампер, вольт и т д, алгоритмы, данные, информационные потоки и т п), и в результате реагирования изменяется или могут быть изменены одна или несколько из величин, необходимы для того чтобы лучше выполнять задачи контроля, управления и регулирования электросети, подключенных к ней электроприборов, и есть электросетевой компьютер.

Изобретение относится к областям электротехники и может быть использовано для создания средств электропитания.

Таким образом, заявленное устройство представляет собой электросетевой компьютер и характеризуется тем, что содержит платформу, которая организованна в виде специализированной гибридной док-станции 1, к которой, с помощью клеммной колодки, подключено множество гибридных вычислительных машин 2 (силовой ключ-компьютер) базового преобразования силовых токов, центральный компьютер управления 7, узел для подключения внешних активных слаботочных интерфейсов 8, узел для подключения внешних информационных интерфейсов 5, единый сильноточный вводный узел 9 (одно или трех фазного исполнения) для электрического подключения устройства в целом, единый сильноточный транзитный узел 6 для масштабирования дополнительной док станции к одному центральному компьютеру управления, а также центральный узел 10 для подключения внешних потребителей.

Также электросетевой компьютер содержит гибридную вычислительную машину базового преобразования слабых токов 3, подключенную к гибридной док-станции 1 посредством узла для подключения внешних активных слаботочных интерфейсов 8, гибридную вычислительную машину базового преобразования мультимедиа сигналов 11, подключенную к гибридной док-станции 1 посредством узла для подключения внешних физических сетевых информационных интерфейсов 5, и узел для подключения внешних активных силовых интерфейсов 4, подключенный к гибридной док-станции 1 посредством центрального узла 10 для подключения внешних потребителей.

Гибридные вычислительные машины 2 (компьютеры) базового преобразования силовых токов являются цифровыми устройствами коммутации и обработки электрических сигналов, поскольку с их помощью происходит коммутация, прием-передача и обработка как электрических, так и информационных сигналов в электроустановке. Платформа 1 позволяет подключать при помощи интерфейсов требуемое количество гибридных вычислительных машин 2 (компьютеров) базового преобразования. Клеммная колодка - это устройство, управляемое от компьютера базового преобразования, и необходима для подключения внешней нагрузки к системе.

Каждая гибридная вычислительная машина 2 базового преобразования силовых токов оборудована блоком внешней релейной защиты 12. Релейная защита 12 предназначена для быстрого, автоматического (при повреждениях) выявления и отделения от электроэнергетической системы повреждённых в аварийных ситуациях элементов с целью обеспечения нормальной работы всей системы. Действия средств релейной защиты 12 организованы по принципу непрерывной оценки технического состояния отдельных контролируемых элементов электроэнергетической системы. Релейная защита 12 осуществляет непрерывный контроль состояния всех элементов электроэнергетической системы и реагирует на возникновение повреждений и ненормальных режимов. При возникновении повреждений релейная защита 12 выявляет повреждённый участок и отключает его от электроэнергетической системы.

При подключении гибридной вычислительной машины 2 к док-станции 1 при помощи разъёмного электрическое соединения, она соединяется по слаботочному каналу с центральным компьютером 7. Док-станция 1 соединена с центральным компьютером 7 тридцати клеммной колодкой по которой проходят 24 слаботочных и 6 сильноточных сигналов. Центральный компьютер 7 запускает режим диагностики в отношении гибридной вычислительной машины 2. При подтверждении корректной работы гибридной вычислительной машины 2 силовых токов, центральный компьютер 7 переводит в режим самостоятельной работы гибридную вычислительную машину 2 силовых токов. Гибридная вычислительная машина 2 подает команду на включение внешней релейной защиты 12, после чего подаётся силовое электрическое питание, которым впоследствии коммутирует и управляет гибридная вычислительная машина 2 для обеспечения электропитания и защиты, управления и регулирования подключенных по ее каналу внешних устройств.

При этом центральный компьютер 7 путем информационного обмена постоянно осуществляет диагностику и управление всеми подключенными в общую систему гибридными вычислительными машинами как силовых, так и слаботочных токов.

При аварийной ситуации в работе гибридной вычислительной машины 2, центральный компьютер 7 обесточивает при помощи внешней релейной защиты 12 внутреннюю релейную защиту в гибридной вычислительной машине 2 и принимает управление электрической цепью и конечными потребителями на себя. При этом вышедшую из строя гибридную вычислительную машину 2 можно заменить, не отключая подачу тока на электросетевой компьютер.

Электросетевой компьютер также содержит программу для расширенного управление питанием как мобильного, так и стационарного исполнения, которая может быть использована для управления работой электроустановки, путем выбора на экране смартфона или монитора необходимых функций из списка для расширенного управление питанием. Также электросетевой компьютер содержит различные входы, такие как LAN, USB и оборудован Wi-Fi и Bluetooth.

Узлы сетевого интерфейса 5 и 8, предназначены для работы, например, с USB накопителем, и могут содержать разъёмы типа 8P8C для сетевого взаимодействия, являются одновременно устройством и ввода, и вывода. С них загружаются необходимые программы и с их же помощью обеспечивается питание для гибридных вычислительных машин (компьютеров) базового преобразования слабых токов 3, и мультимедиа сигналов 11. Существует также ряд периферийных устройств, входящих в состав электроустановок сети, например, сетевой фильтр, который подавляет помехи, или внешний модуль блок питания слаботочных устройств, а также другое аппаратное обеспечение для выполнения функциональных задач электросети.

Блоки гибридной вычислительной машины базового преобразования слабых токов 3, гибридной вычислительной машины базового преобразования мультимедиа сигналов 11 и узла для подключения внешних активных силовых интерфейсов 4 соединены с гибридной док-станцией 1 с помощью кабелей 13.

Гибридная вычислительная машина базового преобразования слабых токов 3 подключена гибридной док-станции 1 с помощью кабеля 13 через узел для подключения внешних активных слаботочных интерфейсов 8. Гибридная вычислительная машина базового преобразования мультимедиа сигналов 11 подключена гибридной док-станции 1 с помощью кабеля 13 через узел для подключения внешних физических сетевых информационных интерфейсов 5. Узел для подключения внешних активных силовых интерфейсов 4 подключен гибридной док-станции 1 с помощью кабеля 13 через центральный узел 10 для подключения внешних потребителей, который может быть выполнен в виде 48-ми клеммной колодки.

Компьютерные программы как неотъемлемая часть цифровых устройств хранятся и выполняются в гибридных вычислительных машинах (компьютерах) базового преобразования силовых токов 2, слаботочных токов 3, мультимедиа сигналов 11, и в центральном компьютере управления 7.

Программа центрального компьютера управления 7 содержит специальные алгоритмы, которые необходимы для определения всех подключенных по общей шине устройств. Они же позволяют загрузить специальные функциональные программы для гибридных вычислительных машин, при этом объединяя их в общую сеть обмена данными, тем самым обеспечивая всю систему общей операционной системой с обратной связью. За счет реализации такой технологии достигается синхронизация устройств и приобретается сущность работы в качестве цифрового устройства локальной электроустановки и электрической сети в целом.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в повышении надежности электрической системы. С помощью электросетевого компьютера, в котором к платформе, выполненной в виде специализированной гибридной док-станции, с установленным центральным компьютером управления, подключается при помощи интерфейсов требуемое количество гибридных вычислительных машин базового преобразования силовых токов, которые коммутируют, принимают, передают и обрабатывают электрические и информационные сигналы в электроустановке. Через узлы подключения внешних активных слаботочных и внешних физических сетевых информационных интерфейсов подключаются гибридные вычислительные машины базового преобразования слабых токов и мультимедиа сигналов. Через центральный узел подключения внешних потребителей подключается узел подключения внешних активных силовых интерфейсов. При этом гибридная док-станция через единый сильноточный транзитный узел подключается к силовой электрической сети посредством единого сильноточного вводного узла. Затем в центральный компьютер загружается программа, содержащая алгоритмы, определяющие все подключенные по общей шине устройства и позволяющая загрузить функциональные программы для гибридных вычислительных машин базового преобразования силовых токов, слаботочных токов и мультимедиа сигналов, объединяя их в общую сеть обмена данными и обеспечивая всю систему общей операционной системой с обратной связью. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ комплексного управления электрическими системами с помощью электросетевого компьтера в котором к платформе, выполненной в виде специализированной гибридной док-станции 1, с установленным центральным компьютером управления 7, подключается при помощи интерфейсов требуемое количество гибридных вычислительных машин 2 базового преобразования силовых токов, которые коммутируют, принимают, передают и обрабатывают электрические и информационные сигналы в электроустановке, через узлы подключения внешних активных слаботочных и внешних физических сетевых информационных интерфейсов 8 и 5, подключаются гибридные вычислительные машины базового преобразования слабых токов 3 и мультимедиа сигналов 11, а через центральный узел 10 подключения внешних потребителей поключается узел подключения внешних активных силовых интерфейсов 4, при этом гибридная док-станция 1, через единый сильноточный транзитный узел 6 подключается к силовой электрической сети посредством единого сильноточного вводного узла 9, затем в центральный компьютер 7 загружается программа, содержащая алгоритмы, определяющие все подключенные по общей шине устройства и позволяющая загрузить функциональные программы для гибридных вычислительных машин базового преобразования силовых токов 2, слаботочных токов 3 и мультимедиа сигналов 11, объединяя их в общую сеть обмена данными и обеспечивая всю систему общей операционной системой с обратной связью.

2. Способ комплексного управления электрическими системами по п.1, в котором электросетевой компьютер содержит программу расширенного управления питанием мобильного и стационарного исполнения, которая может быть использована для управления работой электроустановки, путем выбора на экране смартфона или монитора функций, необходимых для расширенного управление питанием.

3. Способ комплексного управления электрическими системами по п.1, включающий подключение ряда периферийных устройств, таких как сетевой фильтр, подавляющий помехи, внешний модуль блока питания слаботочных устройств, а также другое аппаратное обеспечение для выполнения функциональных задач электросети.

4. Способ комплексного управления электрическими системами по п.1, в котором каждая гибридная вычислительная машина 2 базового преобразования силовых токов оборудуется блоком внешней релейной защиты 12, автоматически выявляющей и отделяющей от электроэнергетической системы повреждённые в аварийных ситуациях элементы, обеспечивая нормальную работу всей системы.