CC BY
164Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов УДК 625.42
В. А. Шатохин, канд. техн. наук
Кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах»,
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ КОМПЛЕКСОВ
МЕТРОПОЛИТЕНОВ
Введение
При перерывах энергоснабжения, вызывающих задержки в перевозочном процессе и снижающих пропускную способность линий, значительно увеличивается цена потерь. Особую актуальность проблема бесперебойности энергоснабжения приобретает для метрополитенов, где из-за малого интервала попутного следования поездов и плотного пассажиропотока, да еще в ограниченном пространстве, возникает угроза безопасности пассажиров.
Данная работа посвящена проблемам обеспечения живучести систем электропитания микропроцессорных комплексов при их в функционировании в условиях, не отвечающих требованиям, установленным в стандартах и технических заданиях на данные системы. На практике результаты исследования были реализованы на ряде станций Петербургского и Екатеринбургского метрополитенов и на магистральном транспорте ОАО «РЖД» и положительно зарекомендовали себя.
1. Хронология исследований
С 2000 г. в Центре компьютерных железнодорожных технологий (ЦКЖТ) Петербургского государственного университета путей сообщения (ПГУПС) ведутся научно-исследовательские работы по совершенствованию устройств электропитания микропроцессорных комплексов железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ). В 2002 г. централизованной системой бесперебойного питания (СБП) разработки ЦКЖТ был оборудован Центр диспетчерского управления (ЦДУ) Петербургского метрополитена. В 2004 г. были приняты в эксплуатацию на железнодорожном узле Петербург-Московский Сортировочный Октябрьской железной дороги устройства электропитания микропроцессорного комплекса (УЭП-МПК) с СБП на основе моноблочных устройств бесперебойного питания (УБП). В настоящее время данная система широко тиражируется на магистральном транспорте ОАО «РЖД». В 2006 г. УЭП-МПК была интегрирована с микропроцессорной централизацией МПЦ-МЗ-Ф на элементной базе фирмы «Сименс» и пущена в экс-
40
Системы автоматики в метрополитенах
плуатацию на Юго-Восточной железной дороге. В 2008 г. на Красноярской железной дороге были внедрены устройства электропитания микропроцессорных комплексов на основе шины постоянного тока (УЭП-МПК-ШПТ). В 2009 г. УЭП-МПК-ШПТ были адаптированы для станций Девяткино и Удельная Петербургского метрополитена с учетом специфики работы в метрополитене и в конце обозначения получили индекс «М»: УЭП-МПК-М. Данная система может быть с успехом применена для любой системы ЭЦ: релейной, релейно-процессорной, микропроцессорной. Благодаря применению УЭП-МПК-М было экономично и компактно и в то же время независимо друг от друга организовано электропитание комплексной автоматизированной системы диспетчерского управления (КАС ДУ) и электрической централизации и прочего оборудования от одной и той же установки, что сократило капитальные вложения на 40 %. В 2010 г. была разработана и введена в эксплуатацию система электропитания для горочной автоматической централизации УЭП-МПК-ГАЦ на третьей горке Петер-бург-Московского Сортировочного узла Октябрьской железной дороги.
2. Постановка задачи
В последнее время наблюдается тенденция к ухудшению качества и надежности энергоснабжения от внешних электрических сетей. Это вызвано тем, что скорость увеличения количества и мощности потребителей электроэнергии превышает скорость модернизации значительно изношенной, а в большинстве случаев давно исчерпавшей свой ресурс энергоснабжающей инфраструктуры. Несмотря на то что в РФ принят государственный стандарт [1], регламентирующий качество напряжения, на большинстве объектов эксплуатации ЖАТ напряжение фидеров питания не соответствует этому стандарту, а обеспечить соответствие не позволяет устаревшая инфраструктура энергохозяйства. Эти обстоятельства вынуждают применять для ЖАТ системы бесперебойного питания потребителей, непосредственно влияющих на безопасность и непрерывность перевозочного процесса. Перед ЦКЖТ была поставлена задача синтеза электропитающей установки микропроцессорных комплексов с учетом обеспечения живучести оборудования при его эксплуатации в условиях, не соответствующих стандартизованным в нормативной документации.
3. Анализ применяемых технических решений
Анализ применяемых в настоящее время на метрополитенах технических решений показал наличие серьезных ошибок в выборе структуры СБП и аппаратной реализации ее элементов. За основу ошибочно были взяты моноблочные источники бесперебойного питания (ИБП) общего применения, предназначенные для работы в глухозаземленных сетях, не
41
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
принята во внимание необходимость осуществления электроснабжения изолированно от земли. Это решение было принято отчасти из-за некомпетентности людей, отчасти из-за недобросовестности продавцов оборудования, навязывающих потребителю тот товар, который легче продать. Моноблочный ИБП, как конструктивно законченный агрегат широкого применения, дешевле и его легче перепродать, чем систему, которую нужно комплектовать и адаптировать под нужды конкретного заказчика с относительно малым объемом реализаций. Кроме того, периодическое обслуживание моноблочных агрегатов осуществляет, как правило, продавец, что приносит ему прибыль длительное время и после продажи агрегата. Это отчасти повлияло на появление более глобальной ошибки - принятие безответственного решения о переводе потребителей, непосредственно влияющих на безопасность и непрерывность перевозочного процесса, на глухозаземленное электроснабжение с отказом от изолированного. Основным аргументом принятия этого решения было желание соответствовать Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) [2] для обеспечения электробезопасности обслуживающего персонала.
Решение о переходе с изолированной системы энергоснабжения на глухозаземленную ошибочно по следующим причинам. Электроустановки ЖАТ относятся к специальным электроустановкам и должны регламентироваться отраслевыми нормативными документами, а не ПУЭ. Для электроустановок, не связанных с производством и сбытом электроэнергии, ПУЭ регламентируют правила построения исходя из того, что с этими электроустановками могут работать люди, не подготовленные в области электробезопасности, а электроустановки ЖАТ эксплуатирует персонал, который должен в обязательном порядке иметь допуск не ниже, чем по 3-й группе электробезопасности, и доступ к этим электроустановкам ограничен. При возникновении неисправности в электроустановке с глухозаземленным электроснабжением происходит срабатывание устройств защиты, которые прерывают подачу электроэнергии и производственный процесс останавливается, возобновляясь только после устранения неисправности. Это недопустимо для ответственных технологических процессов (в медицине, судовой и атомной технике, железнодорожной автоматике и т. п.), поэтому для них применяется изолированное электроснабжение. При неисправности в электроустановке с изолированным электроснабжением устройствами контроля включается аварийная сигнализация, но подача энергии не прерывается, решение об остановке производственного процесса принимает уполномоченный оператор, а у обслуживающего персонала, как правило, есть возможность и время для устранения неисправности без прерывания технологического процесса. При этом безопасность обслуживающего персонала, работающего на неисправной электроустановке, находящейся
42
Системы автоматики в метрополитенах
под напряжением, решается организационными (обучение, допуск к работе, порядок работы, использование средств групповой и индивидуальной защиты от поражения электрическим током и т. п.) и техническими (применение системы уравнивания потенциалов, контроль и сигнализация, диагностика, мониторинг и т. п.) мероприятиями.
Решение о переходе с изолированной системы энергоснабжения на глухозаземленную безответственно по следующим причинам. Глухозаземленные системы более пожароопасны, чем изолированные, так как токи короткого замыкания на землю в последней пренебрежимо малы, а в глухозаземленной системе могут превышать несколько тысяч ампер. Также безответственно защищать электрика от электрического тока, при этом ставя под угрозу безопасность тысячи беззащитных пассажиров.
4. Установление требований к синтезируемой системе электропитания
В результате научных исследований были сформулированы основные требования, которым должна соответствовать электроустановка (ЭУ), осуществляющая электропитание систем ЖАТ метрополитена:
1) иметь изоляцию от земли на всем протяжении от фидеров до питаемого оборудования;
2) иметь контроль изоляции всех изолированных источников с выводом сигнала тревоги локально и в системы верхнего уровня;
3) быть масштабируемой - допускать увеличение мощности при изменении потребления путем добавления компонентов без замены или перемонтажа эксплуатируемой части;
4) реализовывать принцип унификации, заключающийся в однотипности оборудования для разных категорий станций;
5) иметь открытую архитектуру, позволяющую использовать компоненты разных производителей и разработчиков для исключения монополизации;
6) позволять перейти от регламентного технического обслуживания к техническому обслуживанию по состоянию;
7) иметь время восстановления полностью исправного состояния после отказа не более одного часа силами эксплуатирующего персонала с квалификацией электромеханика;
8) допускать «горячую» замену электронных блоков и узлов без прерывания электроснабжения потребителя;
9) состоять из заменяемых элементов, вес которых не должен превышать 20 кг - норму поднятия тяжестей на одного человека согласно требованиям нормативных документов по охране труда;
43
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
10) не иметь напряжений на открытых токоведущих частях, доступных обслуживающему персоналу при ремонте превышающих пороговые значения низких безопасных напряжений (110 В постоянного тока и 50 В переменного);
11) аккумуляторные батареи должны резервироваться;
12) содержать в своем составе герметичные аккумуляторные батареи, не требующие долива воды;
13) должно предусматриваться резервирование по технологии N+1, заключающейся в параллельном включении нескольких элементов (АКБ, выпрямителей, инверторов, конверторов) с избыточностью на один элемент по сравнению с расчетными значениями;
14) иметь корректор мощности для снижения реактивности входных цепей;
15) осуществлять бестоковую коммутацию входных силовых цепей для увеличения ресурса коммутируемого оборудования;
16) позволять работать с неодинаковыми фидерами (одно-, двух-, трех- и многофазными) в любом сочетании и с равномерной прогрузкой последних;
17) отвечать требованиям нормативных документов по электромагнитной совместимости [3-5] и быть защищенными от воздействий внешних дестабилизирующих факторов [6];
18) обеспечивать защиту от пыли и влаги не ниже IP45 [7];
19) при одинаковом напряжении и способе заземления по входу и выходу иметь возможность организации обходной линии (байпас);
20) соответствовать требованиям функциональной безопасности [6].
Последнее требование необходимо прокомментировать. Важным аспектом применения ЭУ ЖАТ является обеспечение ее функциональной безопасности. Суть его состоит в том, что при любых отказах аппаратнопрограммных средств ЭУ ЖАТ она не должен допускать превышения напряжения и генерировать частоты, совпадающие с рабочими частотами рельсовых цепей, цепей кодирования, цепей АЛС-АРС и функциональных преобразователей управления стрелок и сигналов [8]. Системы бесперебойного питания (СБП), применяемые в ЭУ, являются мощными программно-управляемыми генераторами. При превышении 280 В на выходе СБП, при отказе ее элементов или сбое программного обеспечения может не выполняться шунтовой режим рельсовой цепи, а это опасный отказ. При генерации частот, совпадающих с рабочими частотами рельсовых цепей и цепей кодирования, возможно включение путевого приемника от этих паразитных частот в обход рельсовой цепи - это тоже опасный отказ. В рамках научно-исследовательских работ ЦКЖТ в первом десятилетии 2000-х гг. проводил исследование соответствия требованиям функциональной безопас-44
Системы автоматики в метрополитенах
ности различных типов СБП и инверторов различных производителей для ОАО «РЖД». В результате этих исследований были выработаны рекомендации, на основании которых в настоящее время построены все установки бесперебойного питания на ОАО «РЖД». Но из-за разобщенности с магистральным транспортом метрополитены этим серьезным вопросам до сих пор не уделяют должного внимания и применяют для электропитания ЖАТ непроверенные СБП.
5. Синтез системы электропитания
Для выполнения перечисленных выше требований наиболее подходящей является СБП на основе шины постоянного тока (ШПТ), которую на протяжении нескольких десятилетий используют для электропитания телекоммуникационных систем. Обобщенная структурная схема СБП на основе ШПТ приведена на рис. 1. Принцип работы СБП ШПТ заключается в следующем. Одно-, двух- или трехфазное входное напряжение равномерно распределяется между комплектом выпрямителей (КВ). Выходы выпрямителей объединяются ШПТ. Нагрузки постоянного тока с напряжением, совпадающим с напряжением ШПТ (1-я группа нагрузок), питаются непосредственно от ШПТ через элементы токовой защиты (АВ). Нагрузки переменного тока (2-я группа нагрузок) получают электропитание от комплекта инверторов (КИ), который питается от ШПТ через элементы токовой защиты (АВ). Нагрузки постоянного тока с напряжением, отличным от напряжения ШПТ (3-я группа нагрузок), получают питание от DC/DC-конверторов, образующих комплекты преобразователей (КП). Контроль и управление осуществляет контроллер, основными функциями которого является равномерное распределение мощности между резервируемыми элементами и обеспечение диагностики и мониторинга работы системы. При отказе контроллера система питания способна работать самостоятельно длительное время, обеспечивая нагрузку необходимым питанием, а также заряжать батарею. Сигнализация состояния системы может выдаваться различными интерфейсами, а также безпотенциальными «сухими» контактами.
В УЭП-МПК-М на автоматизированное рабочее место дежурной по станции (АРМ ДСП) передается обобщенный сигнал «Авария питающей», а детализированные сигналы, необходимые для поиска и устранения повреждения, отображаются на мнемосхеме рабочего места дежурного электромеханика (АРМ ШН). Система выполнена по архитектуре N+1. Все блоки и аккумуляторные линейки меняются в «горячем» режиме. Кроме того, значительно снижен вес и габариты за счет отказа от трансформаторов, работающих на частоте 50 Гц, и применения преобразователей и конверторов с гальванической развязкой на высокочастотных трансформаторах.
45
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
6. Практическая реализация
Структура системы электропитания, адаптированной для станции Де-вяткино Петербургского метрополитена, приведена на рис. 2. В ранее реализованных в Петербургском метрополитене проектах электроснабжения на моноблочных агрегатах предусматривалась отдельная установка из двух параллельно работающих УБП для КАС ДУ и отдельная установка для электрической централизации. При этом на входе каждого ИБП устанавливался изолирующий трансформатор. Применение УЭП-МПК-ШПТ-М позволило от одной установки осуществить независимое питание как КАС ДУ, так и МПЦ-МПК и отказаться от громоздких трансформаторов.
Особенностью также является то, что электропитание средств вычислительной техники (СВТ) осуществляется изолированно от земли. Для электропитания СВТ, использующей в своем составе импульсные источники питания с симметричными фильтрами по входу, больше подходит симметрично изолированная от земли сеть электропитания, а питание компьютерной техники глухозаземленным напряжением снижает эффективность помехозащитных средств, ухудшая ее помехоустойчивость [9].
46
Системы автоматики в метрополитенах
комплект А (— К АС ДУ —) комплект В
Рис. 2. Структура системы электропитания
Заключение
В ЦКЖТ продолжаются работы по совершенствованию устройств электропитания ЖАТ. В установках электропитания разработки ЦКЖТ используются только качественные компоненты, прошедшие испытания на функциональную безопасность и электромагнитную совместимость. Приоритетным направлением является не продвижение какого-либо типа оборудования определенного производителя, а разработка оптимальной структуры электроустановки для нужд конкретного объекта электропитания с использованием оборудования различных производителей.
47
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
Библиографический список
1. ГОСТ Р 54149-2010 (EN 50160:2010) Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М. : Стандартинформ, 2012. - 16 с.
2. Правила устройства электроустановок (с изменениями, принятыми в 1999-2003 гг.). -М. : ЗАО «Энергосервис», 1998. - 549 с.
3. ГОСТ Р 55176.4.1-2012. Совместимость технических средств электромагнитная. Системы и оборудование железнодорожного транспорта. Ч. 4-1. Устройства и аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики. Требования и методы испытаний. - М. : Стандартинформ, 2013. - 18 с.
4. ГОСТ 32133.2-2013. Совместимость технических средств электромагнитная. Системы бесперебойного питания. Требования и методы испытаний. - М. : Стандартинформ, 2014. - 36 с.
5. ГОСТ Р 51179-98 (МЭК 870-2-1-95). Устройства и системы телемеханики. Ч. 2. Условия эксплуатации. - М. : ИПК «Издательство стандартов», 1998. - 16 с.
6. ГОСТ Р 55369-2012. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики. Общие технические требования. - М. : Стандартинформ, 2014. - 57 с.
7. ГОСТ 14254-96. Степени защиты, обеспечиваемые оболочками. - М. : Стандар-тинформ, 2007. - 36 с.
8. Манаков А. Д. Нормы опасного и мешающего влияния помех на устройства АЛС-АРС системы БАРС Петербургского метрополитена / А. Д. Манаков, А. А. Блюдов, А. Г. Кабец-кий, А. А. Трошин // Автоматика на транспорте. - 2015. - Т. 1. - № 1. - С. 28-39.
9. Компьютер и система электроснабжения в офисе: современные аспекты безопасной эксплуатации / Под ред. О. А. Григорьева. - М. : Изд-во РУДН, 2003. - 107 с.
Email: vital@crtc.spb.ru
48
