Системы электропитания РЭА: эволюция развития магистрально-модульной архитектуры в централизованной части комбинированной системы. Адаптивная шина постоянного тока

Создание приведенного в [1] ряда функциональных модулей обеспечило возможность применения большинства из них в перспективной централизованной части (ЦЧ) на основе магистрально-модульной архитектуры (ММА) [2] в виде адаптивной шины постоянного тока (АШПТ), входящей в состав комбинированной системы электропитания (КСЭ) РЭА. Наиболее важными задачами совершенствования преобразователей напряжения (ПН), как таковых, в начальный период применения ММА, являлись повышение значений показателей их безотказности до уровня, недостижимого при использовании ранее применявшихся технологий, а также практически полное исключение влияния «человеческого фактора» в межрегламентный период применения ПН по назначению [3]. Это обеспечивалось способом резервирования «N+1+K» их типовых силовых каналов (СК), подключенных параллельно выходными цепями к общей силовой шине ПН, при котором К ненагруженных резервных СК позволяли автоматически поддерживать в течение заданного периода времени способ нагруженного резервирования «N+1» СК без участия человека - оператора РЭА[4]. Реализованный в ПН способ «N+1+K» соответствовал смешанному виду резервирования [5].

Для дальнейшего изложения материала напомним читателям основные сведения о созданных ранее вышеупомянутых функциональных модулях [1]:

• трехканальный модуль защиты от сетевых помех вида МЗСП трех типов: МЗСП-1, МЗСП-2 и МЗСП-3;
• трехканальный модуль выпрямителя вида МВ двух типов: МВ-1 и МВ-2;
• трехканальный модуль корректора коэффициента мощности вида МККМ двух типов: МККМ-1и МККМ-2;
• шестнадцатиканальный модуль сопряжения с силовыми коммутаторами вида МССК;
• двухканальный модуль контроля и управления вида МКУ двух типов: МКУ-1 и МКУ-2.

Общие виды вышеперечисленных типовых модулей приведены на рис. 1а) – 1д).

а

б

в

г

д

Рис. 1 Общие виды типовых модулей: а) МЗСП; б) МВ; в) МККМ; г) МССК; д) МКУ

Отсутствие в вышеприведенном комплекте модуля преобразователя напряжения (МПН) обусловлено многовариантностью значений его выходных параметров, выбираемых разработчиком АШПТ с ММА под конкретную задачу.

Совокупность модулей видов МЗСП, МВ и МККМ являлась унифицированной основой для реализации силовой части (СЧ) АШПТ. Модули видов МССК и МКУ, в свою очередь, являлись унифицированной основой ее информационно-управляющей части (ИУЧ).

Разработанная с применением этих видов модулей «линейчатая» [4] структура АШПТ с ММА, содержавшая как созданные модули, так и другие дополнительные компоненты, представлена на рисунке 2.

Рис. 2 «Линейчатая» структура АШПТ с ММА

К последним (на рис. 2 показаны пунктиром) относились:

• трехканальный (содержал три СК вида «DC-DC») МПН, обеспечивавший номинальное значение выходного напряжения каждого СК модуля, соответствовавшее заданному значению выходного напряжения АШПТ;
• выходная силовая шина (СШ 2), объединявшая выходы СК МПН и связывавшая их с нагрузкой АШПТ;
• разделительные диоды (РД), предназначавшиеся для устранения влияния отказавших СК МПН на исправные СК этого и других МПН через СШ 2;
• сетевые фильтры (СФ), характеристика которых выбиралась в зависимости от уровня и частотного диапазона кондуктивных электромагнитных воздействий, совокупно создаваемых СК модулей вида МККМ и МПН;
• входная силовая шина (СШ1), подключенная к источнику входной электроэнергии и ко входам всех СК модулей вида МЗСП;
• управляемые силовые коммутаторы (УСК), включавшие и отключавшие входное напряжение СК модулей вида СФ.

«Линейчатая» структура рассматриваемого АШПТ с ММА состоит из N однотипных «силовых линеек» (СЛ), включенных между СШ1 и СШ2. Каждая из СЛ содержит по одному СК модулей видов МЗСП, МВ, МККМ и МПН, а также по одному УСК, СФ и РД, соединенных последовательно. При отказе практически любого компонента СЛ происходит ее зависимый отказ. Поэтому общее количество СЛ в АШПТ должно быть более N = Р_АШПТ/ Р_СЛ, чтобы отказ одной СЛ не привел к зависимому отказу АШПТ.

При резервировании СЛ традиционным способом «N+1» (1- резервная СЛ, работающая в нагруженном режиме наряду с N основными СЛ) наличие ММА в ШПТ (неадаптивной шине постоянного тока) не требуется, зато требуются постоянный контроль оператором возникновения отказа любой из СЛ и оперативная (до момента отказа следующей СЛ) замена отказавшего трехканального модуля на работоспособный (предположительно) из состава ЗИП-О, несмотря на наличие в первом двух работоспособных СК. Оба этих фактора являются существенными недостатками данного способа резервирования СЛ. Некоторого улучшения такой ситуации возможно достичь путем применения в данном случае способа резервирования «N+М» (М >1 - количество СЛ, работающих в нагруженном режиме наряду с N основными СЛ), но обладающего другими недостатками, рассмотрение которых не входит в тему этой статьи.

Количество N СЛ, входящих в базовую структуру АШПТ с ММА, зависит от заданных значений ее выходной мощности и показателей безотказности. Конкретное исполнение АШПТ требует разработки и установки в его модуль вида МКУ соответствующей версии программного обеспечения, учитывающей состав и алгоритм ее работы.

Дополнительным к способу резервирования «N+1+K» и весьма существенным путем повышения безотказности СЛ было применение в АШПТ режима их «временной» или «циклической» ротации с участием всей совокупности работоспособных СЛ.

В первом режиме ротация СЛ в АШПТ происходила автоматически «на ходу» через заранее установленный в программе управления временной интервал (сутки, неделя, месяц, любой другой) путем полной или частичной замены (в зависимости от количества работоспособных К СЛ ненагруженного резерва) «отработавших» данный интервал времени нагруженных N+1 СЛ. Не замененные по какой-либо причине в текущем временном интервале нагруженные СЛ подлежали первоочередной замене в следующем за ним.

Во втором режиме продолжительность работы основных СЛ определялась циклом выдачи выходного напряжения АШПТ, т.е. отрезком времени между его включением и отключением.

Кроме одного из этих двух основных видов (режимов) ротации СЛ предусматривался также дополнительный ряд вариантов, объединенных общим названием «ситуационные» и соответствовавших перечню возможных внутренних и внешних нештатных ситуаций при функционировании АШПТ. Во всех вышеприведенных вариантах ротации предусматривалась возможность выбора длительности ее периода с учетом решаемой задачи. Эта возможность позволяла компенсировать значение показателей безотказности при уменьшении резервного ресурса К СЛ вследствие их отказов путем адекватного сокращения этого периода. При этом другой положительной особенностью ротации СЛ являлась априорная возможность уменьшения в АШПТ количества К ненагруженных СЛ [6].

Оперативный контроль работоспособности СЛ выполнялся по определенному алгоритму, а его результат – постоянно обновлялся в электронном журнале (ЭЖ) АШПТ в МКУ.

В дальнейшем, при использовании идеологии ММА в АШПТ были выявлены возможности получения и других положительных эффектов:

• параметрическая многовариантность - оперативное создание ряда исполнений АШПТ путем размена значений выходной мощности и безотказности;
• динамическое изменение значения выходной мощности АШПТ в зависимости от значения тока нагрузки с целью стабилизации значения КПД СЛ;
• повышенная противоаварийность - предотвращение развития аварийных ситуаций в отказавших СЛ путем автоматической блокировки подачи на них входного напряжения и их последующего использования;
• повышенная живучесть без аварийных отключений СЛ (АШПТ в целом) при некоторых сверхрегламентированных значениях входного напряжения, тока нагрузки и внешней температуры путем адаптивного использования резервных аппаратных и программных ресурсов, а также обеспечения выдачи основных параметров и функций за счет некоторых второстепенных;
• априорное автоматическое оповещение специалистов в удаленных центрах технического обслуживания о необходимости замены отказавших узлов, номенклатуре и количестве оставшихся работоспособных, а также о других ситуациях.

Вышеприведенные результаты получили практическое развитие с созданием ряда опытных образцов АШПТ. Они были разработаны и изготовлены с целью отработки базовой технологии их создания на основе ММА и предназначались для применения в виде самостоятельных изделий или в виде встроенной в РЭА централизованной части ее комбинированной системы электропитания, создающей на ее выходной шине высококачественное промежуточное напряжение постоянного тока для электроснабжения преобразователей напряжения в распределенной части этой системы, обеспечивающих, в свою очередь, электропитание функциональных частей, узлов и элементов РЭА.

В качестве еще одного варианта использования АШПТ рассматривалось ее применение в виде централизованного преобразователя параметров электрической энергии класса «АC-DС» в устройствах бесперебойного электроснабжения для потребителей постоянного или переменного тока. Так, например, при введении в состав АШПТ устройств накопления электроэнергии постоянного тока и узлов, обеспечивающих их функционирование, она могла быть использована в качестве электропитающей установки для различных систем связи (48/60 В).

Главными задачами, подлежащими решению при реализации АШПТ, являлись:

• создание ее базового варианта;
• реализация повышенных (относительно ПН на основе традиционных технических решений) значений показателей безотказности, безаварийности и живучести;
• снижение эксплуатационных расходов на восстановление ее работоспособности после отказа основных составных частей;
• существенное снижение зависимости от «человеческого фактора» в условиях эксплуатации.

Основным путем решения вышеперечисленных задач являлось повышение уровня системной автоматизации АШПТ для реализации в ней вышеприведенных адаптивных свойств с помощью оригинальных алгоритмов функционирования и резервирования составных частей.

Адаптивность (интеллектуальность) АШПТ обеспечивалась ее способностью автоматически распознавать различные внутренние (отказы отдельных узлов и устройств, возникновение локальных перегревов силовых компонентов), а также внешние (наличие нерегламентированных значений входного напряжения, выходного тока, температуры окружающего воздуха, несанкционированное изъятие сменных составных частей и другие) нештатные ситуации и без участия оператора принимать и реализовывать различные решения для продолжения (поддержание живучести) или прекращения (применение защитных ресурсов) дальнейшего функционирования с фиксацией всех вышеперечисленных событий в энергонезависимом системном ЭЖ.

Рис. 3 Внешний вид базовой АШПТ

Внешний вид реализованного базового варианта АШПТ приведен на рисунке 3. В нее входили следующие основные части:

• стойка - 1 шт.;
• устройство воздушного охлаждения УВО-1 - 2 шт.
• модуль преобразования параметров электроэнергии МППЭ, включающий в себя все компоненты АШПТ, кроме УВО-1 - 1 шт.

В свою очередь, в состав модуля МППЭ входили следующие основные части:

• модуль выпрямителя с корректором коэффициента мощности МВК-1 - 3 шт.;
• модуль преобразователя напряжения МПН-1 - 3 шт.;
• модуль вспомогательных узлов МВУ-1 - 1 шт.;
• модуль контроля и управления МКУ-3 - 1 шт.,

являющиеся сменными элементами (типовыми элементами замены) АШПТ. К ним также относится УВО-1.

АШПТ функционировала при электроснабжении однофазным напряжением переменного тока 220 В; частотой 50 Гц от системы электроснабжения общего назначения со следующими диапазонами значений показателей качества электроэнергии:

• входное напряжение – от 187 В до 242 В;
• частота входного напряжения – от 49 Гц до 51 Гц.

АШПТ обеспечивала создание на выходной шине постоянного тока электроэнергии со следующими показателями и их значениями:

• номинальное выходное напряжение - 27 В;
• предельно допустимые технологические отклонения номинального значения выходного напряжения - ± 1%;
• предельно допустимые значения установившегося отклонения (суммарной нестабильности) выходного напряжения, отсчитываемые от его номинального значения с учетом значения его технологического отклонения - ± 3%;
• предельно допустимое значение пульсации (от пика до пика) выходного напряжения - 0,3 В;
• значение выходной мощности – 2 кВт (базовый вариант), 3 – 4 кВт (опции) – 5 кВт (габаритная мощность).

Минимальное значение коэффициента полезного действия (КПД) - 75%.

Минимальное значение коэффициента мощности (Км) – 99%.

Расчетное значение гамма-процентной (γ = 95%) наработки базового варианта АШПТ до отказа – не менее 20 тысяч часов.

АШПТ могла быть использована для функционирования в непрерывном или циклическом режимах работы с учетом проведения необходимого технического обслуживания.

Рис. 4 Функциональная схема АШПТ

АШПТ, функциональная схема которой приведена на рисунке 4, была выполнена на основе ММА и содержала три основные функциональные части: две вышеупомянутые - СЧ и ИУЧ и вспомогательную (ВЧ).

СЧ выполнена на основе «линейчатой» структуры, образованной совокупностью девяти однотипных каналов – силовых «линеек» (СЛ), каждая из которых содержит следующие однотипные последовательно соединенные элементы и функциональные узлы:

• плавкая вставка (ПВ) в модулях выпрямителя и корректора (МВК-1) и преобразователя напряжения вида «DC-DC» (МПН-1);
• ограничитель высоковольтных импульсов (ОВИ) в модуле МВК-1;
• коммутатор напряжения (КН) в модуле МВК-1;
• сетевой фильтр радиопомех (СФР) в модуле МВК-1;
• выпрямитель с корректором коэффициента мощности (ВККМ) в модуле МВК-1;
• сглаживающий фильтр (СФ) в модуле МВК-1;
• ПН в модуле МПН-1;
• развязывающий диод (РД) на выходной шине СШ2 в модуле МППЭ;

Все СЛ подключены параллельно к двум СШ: входной переменного тока СШ1 и выходной постоянного тока СШ2 (через канальные развязывающие диоды VD1 и VD2). Номинальное значение выходной мощности одной СЛ – 500 Вт.

В ИУЧ АШПТ входят:

• модуль МКУ-3;
• датчик напряжения выходной шины (ДН1) в модуле МВУ-1;
• датчик напряжения входной шины (ДН2) в модуле МВУ-1;
• датчик тока (ДТ) на шине СШ2;
• датчик температуры окружающей среды (ДТС) в модуле МВУ-1;
• датчики температуры корпусов (ДТК) ПН и ВККМ в модулях МПН-1 и МВК-1, соответственно;
• внутрисистемные интерфейсы (ВСИ1 и ВСИ2) в модулях МКУ-3, МПН-1, МВК-1, МВУ-1 и МППЭ;
• внешние интерфейсы (ВИ1 и ВИ2) в модулях МКУ-3 и МППЭ;
• устройства согласования (УС) с ВСИ в модулях МПН-1, МВК-1, МВУ-1и МКУ-3;
• физические цепи «комплект» в модулях МПН-1, МВК-1, МВУ-1, МКУ-3 и МППЭ;
• узлы индикации в модулях МПН-1, МВК-1, МВУ-1, МКУ-3;
• узлы обработки аналоговой информации в модуле МВУ-1.

В ВЧ АШПТ входят:

• вспомогательный источник питания в модуле МВУ-1;
• два (нижнее и верхнее) устройства воздушного охлаждения (УВО-1).

Работа АШПТ возможна в двух режимах управления: местном – с лицевой панели (ЛП) модуля МКУ-3 и дистанционном – от удаленного внешнего устройства контроля и управления (ВУКУ) по интерфейсу RS-485. Выбор режима управления проводится до начала работы АШПТ путем установки в соответствующее положение тумблера, расположенного на ЛП МКУ-3.

Работа АШПТ состоит из двух этапов.

На первом этапе (независимо от выбранного режима управления) при включении входного напряжения автоматически выполняется ряд необходимых проверок.

В режиме дистанционного управления также проверяется наличие связи с ВУКУ.

При совокупном положительном итоге проверок устанавливается готовность АШПТ к работе на втором этапе, отображаемая соответствующей световой сигнализацией на ЛП модуля МКУ-3, а также выполняется ряд установок исходного функционального состояния СЛ.

В случае выявления несоответствия результата хотя бы одной из проверок установленному критерию дальнейшие проверки прекращаются с выдачей соответствующей сигнализации оператору в виде цифрового кода или символов, отображающих наличие какой-либо из предусмотренных нештатных ситуаций на ЛП МКУ-3, а возможность дальнейшей работы АШПТ на втором этапе блокируется. Результат проверки на этапе 1 фиксируется в системном ЭЖ.

На втором этапе работы выполняется включение выходного напряжения АШПТ: в режиме местного управления – кнопкой на ЛП модуля МКУ-3, в режиме дистанционного управления – по команде от ВУКУ.

При поступлении сигнала (команды) на включение выходного напряжения АШПТ выполняются операции:

а) включение обоих УВО-1;

б) контроль включения двух УВО-1 и наличия в них хотя бы одного работоспособного ограничителя высоковольтных импульсов (ОВИ);

в) подключение к СШ1 всех СЛ, числящихся работоспособными по данным ЭЖ за предыдущий цикл включения выходного напряжения (ЦВВН) - промежуток времени между поступлениями команд на включение и штатное (аварийное) отключение выходного напряжения - или всех СЛ при отсутствии в ЭЖ таких данных;

г) контроль наличия выходного напряжения каналов модулей МВК-1;

д) контроль наличия минимально-необходимого количества СЛ по результату контроля по п. г);

е) включение выходного напряжения во всех каналах модулей МПН-1, в СЛ, прошедших проверки с положительным результатом по п. п. г) и д);

ж) контроль наличия выходного напряжения во включенных каналах модулей МПН-1;

з) выбор «N+1» СЛ из общего числа работоспособных по установленным критериям и поочередное отключение избыточных СЛ;

и) проведение периодического контроля:

• значения входного напряжения АШПТ на СШ1;
• значения выходного напряжения и тока нагрузки на СШ2;
• технического состояния функциональных узлов во включенных СЛ и УВО-1;
• значения температуры корпусов основных тепловыделяющих элементов СЛ (в каналах модулей МВК-1 и МПН-1);
• значения температуры среды, окружающей АШПТ;
• минимально-необходимого количества работоспособных СЛ в АШПТ;
• состояния контрольной цепи «комплект»;
• наличия связи с ВУКУ (в режиме дистанционного управления).

При выявлении отрицательного результата контроля по любой из вышеперечисленных ситуаций (кроме отказа СЛ при наличии резервных), отображаемого соответствующими символами на цифровом индикаторе ЛП МКУ-3, выполняется аварийное отключение выходного напряжения АШПТ с фиксацией факта и причины в системном ЭЖ, а также с последующей блокировкой такой возможности.

Изъятие «на ходу» какой-либо сменной составной части в составе АШПТ является несанкционированным действием (НСД).

Снятие блокировки возможно после устранения вызвавшей ее причины и последующего повтора процедуры запуска цикла работы (ЦР) – отрезка времени между включением входного напряжения АШПТ и последующим его отключением.

При отказе в течение времени ЦВВН любой из «N+1» СЛ автоматически выполняется ее замена на работоспособную из числа СЛ ненагруженного резерва, т.е. реализован смешанный способ резервирования «N+1+К», позволяющий без участия оператора поддерживать безотказную работу АШПТ в течение расчетного промежутка времени. После замены отказавшей СЛ обеспечивается исключение влияния последней на работу АШПТ, а также развития в ней аварийной ситуации.

Наличие в АШПТ «К» ненагруженных резервных СЛ позволяет автоматически по определенному критерию проводить ротацию включенных и невключенных СЛ с целью равномерной выработки их ресурса. Ротация СЛ может быть «временной» - проводиться в каждом ЦВВН или по команде от системного таймера с априорно установленным периодом ротации (вариант программного обеспечения), или циклической (замена СЛ в каждом ЦВВН), а также «ситуационной» - выполняемой при возникновении определенной нештатной ситуации.

При замене отказавшей СЛ одновременно включаются все работоспособные (по данным из ЭЖ) СЛ, затем последовательно отключаются все незадействованные СЛ в данном ЦВВН.

Штатное отключение выходного напряжения АШПТ выполняется с помощью той же кнопки на ЛП модуля МКУ-3 оператором, либо по команде от ВУКУ, поступившей по ВИ.

Сигнал на аварийное отключение выходного напряжения АШПТ от модуля МВК-1 передается по «быстрым» физическим цепям на все силовые каналы модулей МПН-1, затем-модулей МВК-1 и дублируется командами, передаваемыми по ВСИ тем же модулям.

Назначением МКУ-3 в АШПТ является управление ее автоматизированным функционированием в соответствии с установленной в модуль версией программного обеспечения (ПО).

МКУ-3 состоит из двух идентичных информационно-управляющих каналов (ИУК). Первому по умолчанию автоматически присваивается статус основного (активного), другому – резервного (пассивного) ИУК. Переход от основного к резервному ИУК выполняется автоматически при отказе первого без нарушения функционирования АШПТ в целом.

Каждый из ИУК формирует свой электронный код номера места в каркасе модуля МППЭ при установке него МКУ-3. Электронный код заводского номера присваивается модулю МКУ-3 в целом.

Принятая система электронных кодов обеспечивает автоматическое адресное взаимодействие МКУ-3 с другими модулями АШПТ при передаче команд и сообщений по ВСИ.

Каждый ИУК подключен к основному и резервному ВСИ, а также к основному и резервному ВИ с автоматическим переходом с основного интерфейса на резервный в случае его отказа.

Поддержка физической цепи «Комплект» для защиты системы от несанкционированного изъятия любого вида модуля обеспечивается наличием на его разъеме перемычки, замыкающей эту цепь при установке модуля в каркас модуля МППЭ.

Функциональное (основной/резервный) и техническое (работа/отказ) состояния каждого ИУК отображаются на ЛП модуля в виде световых сигналов «1/2 Канал» и «Работа / Отказ».

Готовность к включению выходного напряжения системы или ее отказ отображается на ЛП МКУ-3 световыми сигналами «Готовность АШПТ» или «Отказ АШПТ», соответственно. Цифровой код причины отказа АШПТ или (альтернативно) значение его выходной мощности (в кВт) после включения ее выходного напряжения отображаются на цифровом двухразрядном индикаторе на ЛП МКУ-3.

Пуск процесса включения выходного напряжения АШПТ и перегрузка по выходному току отображается в виде соответствующих световых сигналов на ЛП МКУ-3. Все вышеупомянутые сигналы выдаются под управлением ИУК МКУ-3, функционирующего в текущий момент времени в качестве основного.

Литература

1. Ю.Н. Либенко, А.Н.Четин. Система электропитания РЭА: предпосылки применения и эволюция развития магистрально-модульной архитектуры в централизованной части комбинированной системы электропитания РЭА. Создание системной компонентной базы // Научно-технический журнал «Электрическое питание» № 3, 2024 г.
2. Либенко Ю.Н., Ротаренко В.А. Способ управления группой источников вторичного электропитания, подключенных параллельно на общую шину нагрузки. А с. СССР 1348805, опубл. 23.03.93, Бюл. № 11. (Патент на изобретение СССР № 1804678, зарег.09.10.92).
3. Ю.Н. Либенко, А.В. Воронцов. Система электропитания РЭА: пути повышения безотказности // Научно-технический журнал «Электрическое питание» № 2, <%0>2022 г.
4. Ю.Н. Либенко, А.В. Воронцов. Система электропитания РЭА: структурные варианты магистрально-модульной архитектуры // Научно-технический журнал «Электрическое питание» № 1, 2023 г.
5. ГОСТ 27.002-2015. Надежность в технике. Термины и определения
6. Ю.Н. Либенко, А.Н.Четин. Система электропитания РЭА: ротация «единичных» силовых каналов централизованной части комбинированной системы для повышения ее показателей безотказности// Научно-технический журнал «Электрическое питание» № 2, 2024 г.