СПОСОБ ПРЕДУПРЕДИТЕЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ Российский патент 2023 года по МПК H02H3/08 H02H7/85 

Изобретение относится к электроснабжению и может использоваться для предупредительного управления судовыми электроэнергетическими системами (СЭЭС).

Известен способ автоматической разгрузки электроэнергетической системы с параллельно работающими генераторными агрегатами (ГА) (патент RU 2653361, опубликован 08.05.2018. Бюл.№13), согласно которому измеряют величины активной нагрузки каждого ГА (Рi), вычисляют суммарную активную нагрузку всей электроэнергетической системы (Рсумм.i), вычисляют величину суммарной допустимой активной нагрузки электроэнергетической системы (Рсум.доп.откл.) для случаев отключения неработоспособного или неработоспособных ГА, сравнивают вычисленную величину Рсумм.i с допустимой величиной Рсум.доп.откл. и при Рсумм.i>Рсум.доп.откл. формируют сигнал на отключение выбранных потребителей электроэнергии до момента отключения неработоспособных ГА.

Данный способ относится к предупредительному управлению СЭЭС, так как позволяет разгрузить сеть до момента отключения неработоспособного, но продолжающего выполнять свои функции ГА, и тем самым избежать перегрузки и отключения работоспособных агрегатов.

Недостаток способа – невозможность применения в случае отказа системы управления (СУ) СЭЭС, при котором СУ сформировала постоянный сигнал на увеличение или уменьшение подачи топлива в первичный двигатель одного из ГА. В этом случае отключение выбранной группы потребителей приведет лишь к снижению загрузки разгружаемых ГА, более быстрому переходу их в двигательный режим и отключению защиты.

Наиболее близким и выбранным за прототип предлагаемого изобретения является способ предупредительного управления судовой электроэнергетической системой с параллельно работающими генераторными агрегатами (патент RU 2739364, МПК H02H 3/08, опубл. 23.12.2020), согласно которому определяют момент перехода СЭЭС в неработоспособное состояние, уменьшают нагрузку СЭЭС, определяют ГА, загрузка которого при уменьшении нагрузки СЭЭС увеличивается, и отключают этот ГА.

Применение данного способа позволяет эффективно, минуя аварийную ситуацию на судне, переводить работу СЭЭС в режим правильного функционирования в случае отказа, вызванного формированием сигнала СУ на постоянное увеличение подачи топлива хотя бы в один из ГА. Недостатком способа, принятого за прототип, является невозможность его применения в случае отказов СУ, приводящих к неконтролируемому уменьшению подачи топлива хотя бы в один из параллельно работающих ГА. Данная ситуация возникает, например, при залипании контактов контактора в цепи уменьшения подачи топлива СУ, выходе из строя топливного насоса дизеля, нарушении герметичности (разрыве) трубопровода подачи топлива. В этом случае при уменьшении нагрузки СЭЭС ситуация, при которой загрузка хотя бы одного из ГА, работающих параллельно, увеличивается, не наступает и применение способа, принятого за прототип, не позволяет осуществить предупредительное управление СЭЭС.

Целью изобретение является обеспечение возможности применения способа в случае отказов СУ, приводящих к неконтролируемому уменьшению подачи топлива хотя бы в один из параллельно работающих ГА (неконтролируемому уменьшению загрузки хотя бы одного из параллельно работающих ГА).

Для решения указанной проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в способе предупредительного управления СЭЭС с параллельно работающими ГА определяют момент перехода СЭЭС в неработоспособное состояние, увеличивают нагрузку СЭЭС, определяют ГА, загрузка которого при увеличении нагрузки СЭЭС уменьшается, и отключают этот ГА.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В случае внезапного отказа СУ СЭЭС, при котором СУ сформировала постоянный сигнал на уменьшение подачи топлива в первичный двигатель одного из ГА при его параллельной работе хотя бы с одним из других генераторных агрегатов или отказе топливной аппаратуры первичного двигателя (например, дизеля) ГА, его загрузка уменьшается вплоть до полной разгрузки и перехода в двигательный режим и не зависит от изменения нагрузки СЭЭС. При этом остальные ГА, работающие параллельно, принимают на себя нагрузку разгружаемого агрегата и их загрузка увеличивается в случае, если нагрузка СЭЭС остается постоянной. В случае подобного типа отказов уменьшение нагрузки СЭЭС приводит к уменьшению загрузки всех ГА, как и в случае с исправной СУ и ГА. В этой случае применение способа, принятого за прототип, не позволяет своевременно идентифицировать и отключить неработоспособный ГА, и таким образом осуществить предупредительное управление СЭЭС. При этом увеличение нагрузки СЭЭС приведет к тому, что загрузка ГА, подача топлива в который неконтролируемо уменьшается, будет уменьшаться, так как не зависит от нагрузки сети. В это же время загрузка исправных ГА при увеличении нагрузки СЭЭС увеличится. Уменьшение загрузки ГА при увеличении нагрузки СЭЭС является диагностическим признаком, позволяющим идентифицировать данный агрегат как неработоспособный. Отличие предлагаемого решения от прототипа заключается в том, что при отключении неработоспособного ГА СЭЭС переходит в режим правильного функционирования, при котором оставшиеся в работе машины принимают на себя нагрузку. При этом своевременное отключение неработоспособного ГА позволяет предотвратить дальнейшее развитие дефекта, который мог быть вызван повреждением трубопровода, прекратить разлив топлива, предотвратить возникновение пожароопасной ситуации на судне.

Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача – обеспечение возможности применения в случае отказов СУ, приводящих к неконтролируемому уменьшению подачи топлива хотя бы в один из параллельно работающих ГА (неконтролируемому уменьшению загрузки хотя бы одного из параллельно работающих ГА), 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 предложенного способа поясняется чертежом (Фиг.1), на котором представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, на примере параллельной работы «n» ГА. Устройство предупредительного управления СЭЭС (Фиг.1) содержит: по числу ГА датчики загрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n, блоки контроля уменьшения загрузки 2.1, 2.2 … 2.n, блоки контроля увеличения загрузки 3.1, 3.2 … 3.n, а также первый логический элемент «ИЛИ» 4 и блок контроля разности загрузок ГА 5, по числу ГА первые логические элементы «И» 6.1, 6.2, … 6.n, а также второй логический элемент «ИЛИ» 7, ждущий одновибратор с задержкой формирования импульса 8, блок подключения потребителей 9, по числу ГА: вторые логические элементы «И» 10.1, 10.2 … 10.n и блоки отключения ГА 11.1, 11.2 … 11.n; причем выход каждого из датчиков загрузки 1.1, 1.2 … 1.n соединен с входом соответствующего блока контроля уменьшения загрузки 2.1, 2.2 … 2.n, с входом соответствующего блока контроля увеличения загрузки 3.1, 3.2 … 3.n и соответствующим входом блока контроля разности загрузок ГА 5, выход каждого из блоков контроля уменьшения загрузки 2.1, 2.2 … 2.n соединен со вторым входом соответствующего из первых логических элементов «И» 6.1, 6.2, … 6.n и первым входом соответствующего из вторых логических элементов «И» 10.1, 10.2 … 10.n, выход каждого из блоков контроля увеличения загрузки 3.1, 3.2 … 3.n соединен с соответствующим входом первого логического элемента «ИЛИ» 4, выход первого логического элемента «ИЛИ» 4 соединен с первыми входами всех первых логических элементов «И» 6.1, 6.2, … 6.n, выходблока контроля разности загрузок ГА 5 соединен с третьими входами всех первых логических элементов «И» 6.1, 6.2, … 6.n, выход каждого из первых логических элементов «И» 6.1, 6.2, … 6.n соединен с соответствующим входом второго логического элемента «ИЛИ» 7, выход которого соединен с входом ждущего одновибратора с задержкой формирования импульса 8 и входом блока подключения потребителей 9, выход ждущего одновибратора с задержкой формирования импульса 8 соединен со вторыми входами всех вторых логических элементов «И» 10.1, 10.2 … 10.n, выход каждого из которых соединен с входом соответствующего блока отключения ГА соединен с третьими входами логических элементов 11.1, 11.2 … 11.n.

Датчики загрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n – известные функциональные блоки, формирующие на своем выходе сигналы в виде напряжения постоянного тока, пропорционального загрузке ГА (нагрузке сети, которую принимает на себя данный ГА).

Блоки контроля уменьшения загрузки 2.1, 2.2 … 2.n – известные функциональные блоки, формирующие на своих выходах сигнал логической «1», когда сигнал в виде напряжения на их входах уменьшается и сигнал логического «0» в обратном случае.

Блоки контроля увеличения загрузки 3.1, 3.2 … 3.n - известные функциональные блоки, формирующие на своих выходах сигнал логической «1», когда сигнал в виде напряжения на их входах увеличивается и сигнал логического «0» в обратном случае.

Первые и вторые логические элементы «И» 6.1, 6.2, … 6n и 10.1, 10.2 … 10.n – известные функциональные блоки, которые формируют на своих выходах сигналы логической «1», если на все их входы поступили сигналы логической «1» и сигнал логического «0» в обратном случае.

Первый и второй логические элементы «ИЛИ» 4, 7 – известные функциональные блоки, которые формируют на своих выходах сигналы логической «1», если хотя бы на один из его входов поступил сигнал логической «1» и сигнал логического «0» в обратном случае.

Блок контроля разности загрузок ГА 5 – функциональный блок (имеющий n входов и один выход), на выходе которого появляется сигнал логической «1», если разность загрузок хотя бы одной из пар ГА из числа n превысит допустимое значение и будет увеличиваться. Для реализации данной функции все n ГА разбиты на возможное число пар (k) и вычисляется разность загрузок в каждой паре ГА. Вычисляется абсолютная величина разности загрузок каждой пары и контролируется ее увеличение. Если абсолютная величина хотя бы одной пары будет увеличиваться и при этом превысит допустимое значение разности загрузок ГА, то на выходе блока 5 сформируется сигнал логической «1». Блок полностью аналогичен соответствующему блоку, используемому в прототипе.

Ждущий одновибратор с задержкой формирования импульса 8 – известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал логической «1» определенной длительности (t_имп) через выдержку времени (t_выд) после появления сигнала логической «1» на его входе. Может быть выполнен на базе обычного ждущего одновибратора с цепью задержки на входе или на базе микросхемы LM 555 (m.grz.ru).

Блок подключения потребителей 9 – известный функциональный блок, обеспечивающий подключение заранее выбранных потребителей (групп потребителей) электроэнергии при поступлении сигнала логической «1» на его вход. В качестве такого блока может быть использовано обычное электромагнитное реле, замыкающие контакты которого включены параллельно кнопки «Пуск» магнитного пускателя соответствующего потребителя (группы потребителей) электрической энергии.

Блоки отключения ГА 11.1, 11.2 … 11.n - известные функциональные блоки, каждый из которых обеспечивает отключение соответствующего ГА при поступлении сигнала логической «1» на его вход. В качестве такого блока может быть использовано обычное электромагнитное реле, размыкающие контакты которого включены в цепь катушки нулевой защиты автоматического выключателя соответствующего генератора.

Устройство предупредительного управления СЭЭС (Фиг.1) работает следующим образом. В случае внезапного отказа СЭЭС, при котором СУ сформировала постоянный сигнал на уменьшение подачи топлива в первичный двигатель одного из ГА, например, g –го, загрузка g–го агрегата начнет уменьшаться. Тогда уменьшается значение выходного сигнала на выходе соответствующего датчика загрузки 1.g. Этот сигнал поступает на вход соответствующего блока контроля уменьшения загрузки 2.g и g–ый вход блока контроля разности загрузок ГА 5.

На выходе блока контроля уменьшения загрузки 2.g формируется сигнал логической «1» и поступает на второй вход g –го из первых логических элементов «И» 6.g и первый вход g –го из вторых логических элементов «И» 10.g. Так как загрузка g–го агрегата уменьшается, а общая нагрузка сети остается неизменной, то загрузка оставшихся ГА начнет увеличиваться. При этом сигналы на выходах всех датчиков загрузки соответствующих ГА 1.1,1.2 … 1.n, кроме 1.g, начнут увеличиваться. Эти сигналы поступают на входы соответствующих блоков контроля увеличения загрузки и соответствующие входы блока контроля разности загрузок ГА 5. На выходах блоков контроля увеличения загрузки 3.1, 3.2 … 3.n, кроме 3.g, появится сигнал логической «1» и поступит на соответствующий вход первого логического элемента «ИЛИ» 4, на выходе которого также появится сигнал логической «1» и поступит на первые входы всех первых логических элементов «И» 6.1, 6.2, … 6.n. Так как сигнал на g-ом входе блока 5 уменьшается, а на остальных его входах увеличивается, то разность загрузок g –го ГА и остальных растет и в момент, когда она превысит допустимое значение на выходе блока контроля разности загрузок ГА 5 появится сигнал логической «1» и поступит на третьи входы всех первых логических элементов «И» 6.1, 6.2, … 6.n. При этом на все входы g –го из первых логических элементов «И» 6.g поступит сигнал логической «1», на его выходе появится сигнал логической «1», который поступит на g-ый вход второго логического элемента «ИЛИ» 7. Так как на один из входов второго логического элемента «ИЛИ» 7 поступит сигнал логической «1» на его выходе тоже появится сигнал логической «1», свидетельствующий о неработоспособном техническом состоянии СЭЭС (В данном случае СЭЭС признается неработоспособной, если один (одни) из ГА увеличивают свою загрузку, в то время как другой (другие) уменьшают свою загрузку и при этом разность загрузок превышает допустимое значение и увеличивается)

Сигнал логической «1» с выхода блока 7 поступает на вход ждущего одновибратора с задержкой формирования импульса 8 и на вход блока подключения потребителей 9, который подключает выбранные группы потребителей электроэнергии. Нагрузка сети увеличивается. Через время t_выд, равное времени подключения потребителей электроэнергии, на выходе ждущего одновибратора с задержкой формирования импульса 8 появится короткий сигнал логической «1», длительность которого t_имп несколько больше, чем время срабатывания топливного регулятора (t_сраб) данной СУ. Этот сигнал поступит на вторые входы всех вторых логических элементов «И» 10.1, 10.2 … 10.n. Так как на оба входа g–го из вторых логических элементов «И» 10.g поступят сигналы логической «1», то на его выходе – тоже появится короткий сигнал логической «1», который поступит на вход g–го блока отключения ГА 11.g. Блок 11.g отключит g-ый ГА, что предотвратит наступление аварийной ситуации на судне.

В соответствие с предлагаемым способом предупредительного управления СЭЭС устройство (Фиг.1) осуществляет следующие действия:

блоки 1.1, 1.2 … 1.n, 2.1, 2.2 … 2.n, 3.1, 3.2 … 3.n, 4, 5, 6.1, 6.2 … 6.n и 7 - определяют момент перехода СЭЭС в неработоспособное состояние;

блок 9 - увеличивает нагрузку СЭЭС;

блоки 3.1, 3.2 … 3.n, 8 и 10.1, 10.2 … 10.n - определяют ГА, загрузка которого при увеличении нагрузки СЭЭС уменьшается;

блоки 11.1, 11.2 … 11.n – отключают ГА, загрузка которого при увеличении нагрузки СЭЭС уменьшается.

Пример реализации способа.

Рассмотрим в качестве примера СЭЭС с двумя параллельно работающими ГА (ГА1 и ГА2 соответственно). Предположим, что номинальная мощность каждого из них – 100кВт (Рн1=Рн2=100кВт), точность распределения нагрузок-10%Рн(∆Рраспр =10%Рн=10кВт), время срабатывания топливного регулятора равно 0,4с (t_сраб=0,4с), время подключения потребителей электроэнергии (t_подкл) равно 0,03с. Для данной СЭЭС установим допустимое значение разности загрузок (∆Рдоп>∆Рраспр) ГА равным 15%Рн (∆Рдоп =15%Рн=15кВт), время задержки (выдержки) ждущего одновибратора с задержкой формирования импульса равным 0,45с (t_выд>t_сраб +t_подкл), длительность сигнала логической «1» ждущего одновибратора с задержкой формирования импульса равным 0,1с (t_имп=0,1с). Предположим, что загрузка ГА1 составила 50%Рн (Р1=50кВт), а загрузка ГА2 составила 40%Рн (Р2=40кВт). Допустим, что в процессе эксплуатации произошла неисправность СУ СЭЭС, при которой СУ сформировала постоянный сигнал на уменьшение подачи топлива в первичный двигатель ГА1. При этом ГА1 начал отдавать нагрузку (разгружаться), его загрузка начала уменьшаться, а загрузка ГА2 увеличиваться. Так как загрузка ГА1 уменьшается, уменьшается и сигнал на выходе датчика загрузки 1.1 устройства, реализующего настоящий способ (Фиг.1), который поступает на вход блока контроля уменьшения загрузки 2.1 и первый вход блока контроля разности загрузок ГА 5. На выходе блока 2.1 появляется сигнал логической «1» и поступает на второй вход первого из первых логических элементов «И» 6.1 и первый вход первого из вторых логических элементов «И» 10.1. Так как ГА2увеличивает загрузку, на выходе датчика загрузки 1.2 сигнал увеличивается и поступает на вход блока контроля увеличения загрузки 3.2 и второй вход блока контроля разности загрузок ГА 5. На выходе блока контроля увеличения загрузки 3.2 формируется сигнал логической «1» и поступает на второй вход первого логического элемента «ИЛИ» 4, на выходе которого появляется сигнал логической «1» и поступает на первые входы всех первых логических элементов «И» 6.1 и 6.2. В момент, когда разница загрузок ГА превысила допустимое значение (∆Р>∆Рдоп), например, когда загрузка агрегатов составила: Р1=37,4кВт, а Р2=52,6 кВт, и продолжила увеличиваться, так как ГА2 загружается, а ГА1 разгружается, на выходе блока контроля разности загрузок ГА 5 формируется сигнал логической «1» и поступает на третьи входы первых логических элементов «И» 6.1 и 6.2. Так как на все три входа первого из первых логических элементов «И» 6.1поступают сигналы логической «1» то и на его выходе – сигнал логической «1», который поступает на первый вход второго логического элемента «ИЛИ» 7. При поступлении сигнала логической «1» на первый вход второго логического элемента «ИЛИ» 7 на его выходе формируется сигнал логической «1», информирующий о том, что СЭЭС неработоспособна. Сигнал логической «1» с выхода блока 7 поступает на вход ждущего одновибратора с задержкой формирования импульса 8 и на вход блока подключения потребителей 9. Блок 9 подключает группы потребителей электроэнергии за время t_отк=0,03с, осуществляя увеличение нагрузки СЭЭС, например, посредством запуска пожарного насоса мощностью 5,0 кВт. Через выдержку времени t_выд=0,45с на выходе ждущего одновибратора с задержкой формирования импульса 8 появится короткий импульс логической «1» и поступит на вторые входы вторых логических элементов «И» 10.1 и 10.2. Так как загрузка ГА1 при этом продолжит уменьшаться, то сигнал логической «1» на выходе блока 2.1 сохранится. При этом на оба входа первого из вторых логических элементов «И» 6.1 поступят сигналы логической «1», на его выходе тоже сформируется сигнал логической «1» и поступит на вход блока отключения первого ГА 11.1. ГА1 отключится от сети. ГА2 примет на себя 95 кВт нагрузки, осуществляя переход неработоспособной СЭЭС в режим правильного функционирования. При этом своевременное отключение неработоспособного ГА1 позволит прекратить розлив топлива и предотвратить возникновение пожароопасной ситуации на судне.

Предлагаемое изобретение было создано в составе научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре Электропривода и электрооборудования береговых установок ФБГОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова». Были произведены расчеты, показавшие возможность использования заявляемого способа в судовых энергетических установках и электроэнергетических системах, что с учетом выше изложенного позволяет сделать вывод о возможности его промышленного применения.

Изобретение относится к средствам предупредительного управления судовыми электроэнергетическими системами (СЭЭС). Технический результат - обеспечение возможности предупредительного управления СЭЭС в случае отказов, вызванных увеличением подачи топлива хотя бы в один из параллельно работающих ГА. Он достигается тем, что предложен способ предупредительного управления СЭЭС с параллельно работающими генераторными агрегатами (ГА), при этом все ГА разбиты на пары и вычисляется абсолютная величина разности загрузок каждой пары и контролируется ее увеличение, согласно способу определяют момент перехода СЭЭС в неработоспособное состояние. При этом судовая электроэнергетическая система (СЭЭС) признается неработоспособной, если хотя бы в одной из пар ГА один из ГА увеличивает свою загрузку, в то время как другой уменьшает свою загрузку, и при этом разность загрузок превышает допустимое значение и увеличивается. После этого увеличивают нагрузку СЭЭС, определяют за счет контроля увеличения загрузки ГА, загрузка которого при увеличении нагрузки СЭЭС уменьшается, и отключают этот ГА. 1 ил.

Способ предупредительного управления судовой электроэнергетической системой (СЭЭС) с параллельно работающими генераторными агрегатами (ГА), при этом все ГА разбиты на пары и вычисляется абсолютная величина разности загрузок каждой пары и контролируется ее увеличение, согласно способу определяют момент перехода СЭЭС в неработоспособное состояние, при этом судовая электроэнергетическая система (СЭЭС) признается неработоспособной, если хотя бы в одной из пар ГА один из ГА увеличивает свою загрузку, в то время как другой уменьшает свою загрузку, и при этом разность загрузок превышает допустимое значение и увеличивается, после этого увеличивают нагрузку СЭЭС за счет подключения выбранных групп потребителей электроэнергии, определяют за счет контроля увеличения загрузки ГА, загрузка которого при увеличении нагрузки СЭЭС уменьшается, и отключают этот ГА.