EP4104270A1 - Redundant power supply, in particular for a data centre, and method and computer programme for operating same - Google Patents

Redundant power supply, in particular for a data centre, and method and computer programme for operating same

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Publication number
EP4104270A1
EP4104270A1 EP22726026.2A EP22726026A EP4104270A1 EP 4104270 A1 EP4104270 A1 EP 4104270A1 EP 22726026 A EP22726026 A EP 22726026A EP 4104270 A1 EP4104270 A1 EP 4104270A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
power supply
switches
switch
tie
busbar
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22726026.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Shivansh BATRA
David MEULENBROEKS
Yi Zhu
Thomas Beckert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP4104270A1 publication Critical patent/EP4104270A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/007—Arrangements for selectively connecting the load or loads to one or several among a plurality of power lines or power sources
    • H02J3/0073—Arrangements for selectively connecting the load or loads to one or several among a plurality of power lines or power sources for providing alternative feeding paths between load and source when the main path fails, e.g. transformers, busbars
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H1/00—Details of emergency protective circuit arrangements
    • H02H1/04—Arrangements for preventing response to transient abnormal conditions, e.g. to lightning or to short duration over voltage or oscillations; Damping the influence of dc component by short circuits in ac networks
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/001—Methods to deal with contingencies, e.g. abnormalities, faults or failures
    • H02J3/0012—Contingency detection

Definitions

  • Redundant power supply especially for data centers, as well as methods and computer programs for their operation
  • the invention relates to a redundant power supply that is particularly suitable for data centers.
  • the power supply is designed redundantly.
  • Such a system already expanded to include a generator and a local uninterruptible power supply, is known from US 2014/0191579 A1.
  • a critical component of a data center is powered by two independent power supplies.
  • both power supplies In order to ensure the operation of the critical component even if one of the power supplies fails, both power supplies must be dimensioned in such a way that each of the power supplies alone can reliably supply at least the critical component with power.
  • every power supply must be designed in such a way that it can carry double the load compared to the undisturbed case. This is very uneconomical, since the design of the power supply for this rare fault leads to a considerable increase in the cost of the individual power supplies.
  • a so-called "Isolated-Parallel Rotary Diesel UPS System” is disclosed in EP 1890 371 A1.
  • a unified power supply network supplies several essential and several critical electrical loads and several diesel-powered emergency power supplies are provided, which take over the supply of the critical loads if the unified power supply fails.
  • flywheels are provided as intermediate kinetic energy stores, which supply electrical energy via a generator after a power failure until the internal combustion engines of the emergency generators have been started using the kinetic energy of the flywheels.
  • the emergency power units are coupled by means of an electrical bus system, which is intended to prevent a combustion engine that does not start or does not start in time from leading to an interruption in the supply of the critical load assigned to the corresponding emergency power unit.
  • This system is also very expensive, both mechanically and in terms of circuitry.
  • each load is immediately switched off (apart from the usual safety precautions such as circuit breakers and etc.) is supplied by two power supplies and is also coupled to the power supplies of the other load(s) via coupling switches and a busbar.
  • each power supply does not have to be designed for twice (200%) the load to be carried in normal operation, but only for 133%, since the power lost from three power supplies if one power supply fails can be delivered.
  • this is advantageously done without any intervention, i.e. without operator intervention and without changing the switching position of one of the elements in the current path, i.e. without any time delay.
  • the redundant power supply according to claim 1 ensures an even load on the Stromversor conditions, especially in periods in which a load consumes less electricity than the other load (or is switched off in the extreme case), and also without any action. This has advantages with regard to the cooling of the power supply, for example, since the power loss is (more) evenly distributed over all four power supplies (and thus spatially).
  • the concept according to the invention can be expanded to include additional power supplies and loads, advantageously in the form of additional subsystems that can be connected to the busbar by means of coupling switches, each consisting of two power supplies and one load, which means that the remaining power supplies also have to be borne in the event of a power supply failure
  • the load can be further reduced or failures of more than one power supply can be intercepted if the design of the power supplies remains the same.
  • a controller can be provided to handle other (rare) faults than the failure of one of the power supplies.
  • This control can be implemented centrally or distributed or locally, for example in one or more coupling switches.
  • a possible error is a fault in the busbar, for example a short circuit or short circuit. If such a fault is detected, the tie switches are opened.
  • Another possible fault is a fault, again just a short circuit or short circuit, for example, in a line coming from a power supply, for example the line between one of the power supplies and the coupling switch connected to the power supply, or in the event of a line fault between one of the Power supplies and the load connected to the power supply without coupling switch. It can, at least in part, be the same line or a branch from which these two lines open. This error case is handled by opening the tie switch connected to the relevant power supply.
  • the section switches have means for determining the current flowing through the respective section switch and/or the sign of the current flowing through the respective section switch, as well as means for transmitting a current value and/or a sign value to the Steering.
  • the control can also be arranged centrally for this purpose or distributed to the individual section switches.
  • the power supplies have means for generating a signal which signals whether the respective power supply is active or inactive, and means for transmitting this signal to the controller.
  • the (central or distributed) controller receives the current values and/or sign values from all tie switches and optionally the signals from all power supplies and detects a busbar fault if the sum of all current values supplied by the tie switches exceeds a threshold value and/or all tie switches supply sign values, which show a current flow from the respective power supply to the busbar.
  • threshold values for the current values can be defined and/or threshold values above which a section switch outputs a certain sign, so that tolerable (transient or permanent) effects do not lead to the section switch being switched off.
  • the controller can be designed to take the course of time into account and only recognize the error or initiate measures when the described state lasts for a defined and/or configurable period of time.
  • the time period can be selected as a function of the strength of the current flowing in the direction of the busbar fault or the electrical power flowing there, whereby shorter time periods are advantageously chosen for high power flows.
  • the method described can also be used to detect so-called low-level faults, i.e. faults that cause fault currents that cannot be detected by conventional local short-circuit or fault current detectors because they cannot be distinguished locally from a permissible load case.
  • errors can also be detected which occur in the line system to be assigned to an individual power supply.
  • the signals mentioned above are also evaluated and the fault in the line system that can be assigned to a power supply is determined when all power supplies signal that they are active and the current value at one of the section switches corresponds to the negative value of the sum of the current values of all other section switches and/ or if the sign value of a tie switch is inverse to the sign values of all other tie switches.
  • threshold values for the current values can also be defined for this error case and/or threshold values above which a section switch outputs a specific sign, so that tolerable, in particular transient, effects do not lead to the section switch being switched off. These thresholds may differ from or be the same as the thresholds used for the busbar fault.
  • the controller can be designed to take into account the passage of time and only recognize the error or initiate measures when the described state for a defined and/or configurable period of time.
  • the period of time can be selected as a function of the strength of the current flowing in the direction of the affected line system or the electrical power flowing there, with shorter periods of time advantageously being selected in the case of high power flows.
  • the time periods can also deviate from or correspond to the time periods used for the busbar fault.
  • the present invention also relates to a method for operating a redundant power supply according to the invention and a computer program which causes a processor to execute this method.
  • the single FIGURE shows a schematic representation of a redundant power supply 1 to which two loads LI and L2 can be connected, according to a preferred exemplary embodiment of the present invention.
  • the redundant power supply 1 can be viewed as the interconnection of two fundamentally known subsystems by means of a busbar 100 and coupling switches 15, 25, 35, 45.
  • the first subsystem on the left in the illustration, has a first power supply module 10 and a second power supply module 20 .
  • the first power supply module 10 is connected to a first line system 12 by means of a source-side safety device 11 .
  • the safety device 11 on the source side is a safety device that is customary in the art.
  • the second power supply module 20 is connected to a second line system 22 by means of a source-side safety device 21 .
  • a source-side safety device 21 is a standard safety device.
  • a first load LI is connected to the first line system 12, specifically by means of a load-side safety device 13.
  • the load-side safety device 13 is also a customary safety device.
  • the first load LI is also connected to the second line system 22, specifically by means of a load-side safety device 23.
  • the load-side safety device 23 is also a conventional safety device.
  • the second subsystem on the right in the illustration, has a third power supply module 30 and a fourth power supply module 40, which are connected via respective source-side safety devices 31, 41 to a corresponding third and fourth line system 32, 42.
  • a second load L2 is connected to corresponding load-side safety devices 33, 43 both with the third and with the fourth line system 32, 42.
  • a busbar is generally understood here to mean a possibly multi-pole rigid or flexible line which, in particular, does not necessarily have to have the shape of a rail.
  • a first section switch 15 connects the first line system 12 to the busbar 100
  • a second section switch 25 connects the second line system 22 to the busbar 100
  • a third section switch 35 connects the third line system 32 to the busbar 100
  • a fourth section switch 45 connects this fourth line system 42 with the busbar 100.
  • the first load LI is connected to the first power supply 10 without a section switch, via the line system 12, and the first power supply is also connected via the line system 12 to the busbar by means of the first section switch 15.
  • This enables the first power supply 10 to supply power to the second load L2 via the first line system 12, the first tie switch 15 and the busbar 100 if required, namely by means of the third and/or the fourth tie switch 35, 45 and the third and /or the fourth line system 32, 42.
  • the section switches 15, 25, 35, 45 are all closed during normal operation. It is not important for the present invention whether the power supply modules 10, 20, 30, 40 supply DC or AC voltage. It goes without saying, however, that the nominal voltages of the power supply modules in the two subsystems must be at least approximately the same and that, in the case of alternating voltage, there must be phase synchronicity in order to avoid undesirable effects. Alternatively, it is of course also possible to couple two asynchronous AC systems by means of a DC voltage busbar and the corresponding rectifiers and inverters, in which case systems with different operating voltages can then also be coupled. As already explained above, the present invention provides considerable advantages in the design of the power supply modules 10, 20, 30, 40.
  • a first subsystem is usually already present here, with the usual design of the power supply modules such that each of the power supply modules can supply the load of the first subsystem alone. If a second subsystem is to be installed, the first subsystem is simply expanded by adding two branches to the line systems and the tie switch and then connected to the new busbar - no further changes are required and the (now actually oversized) power supply modules can continue be used or, if necessary, replaced by more efficient modules.
  • the redundant power supply 1 also has a controller 110, the function of which is described in detail further below.
  • the control can be implemented centrally or decentrally, ie distributed to other components, for example the section switches 15, 25, 35, 45.
  • the presentation of the signal and/or command lines that may be required between the power supply modules and the controller and/or between the section switches and the control or the section switches among themselves were omitted for the sake of a better overview.
  • the direction of the currents i1, i2, i3, i4 is defined for the present consideration without loss of generality such that there is a positive value when the current flows from the line system 12, 22, 32, 43 to the busbar 100 and vice versa a negative value Value is present when the current from the bus bar 100 to the respective line system 12, 22, 32, 42 flows out.
  • the second operating scenario differs from the first operating scenario in that the power consumption of the first load LI is (significantly) lower than the power consumption of the second load L2, for example the first load LI consumes only 70% of its nominal power, while the second load L2 consumes 100% of its rated power.
  • the first error scenario has already been discussed above and relates to the failure or maintenance of a power supply module. Without restricting the generality, the case should be considered that the first power supply module 10 is not available or the source-side safety device 11 is defective or has been triggered due to an error and as a result no energy is fed into the first line system 12 from the first power supply module 10 can.
  • the failure of the first power supply module 10 is completely transparent, the electrical power continues to be routed via the redundant power supply paths of the first load LI and can be called up equally by the load LI from both power supply paths, as in the fault-free case will.
  • the second fault scenario relates to a fault in the busbar.
  • this fault situation more current or power flows into the busbar than is drawn from elsewhere, i.e. il + i2 + i3 + i4 > 0 or, for many practical applications, il + i2 + i3 + i4 > iS, where iS is a defi nable threshold value, so that normal operation is recognized as long as this threshold value is not exceeded.
  • a self-test signal is generated by each power supply module and output to controller 110 .
  • a positive self-test signal indicates that the respective controller is active and working properly.
  • the instantaneous value of the current is measured by each coupling switch, ie il..i4, and a signal representing this value is transmitted to the controller 110.
  • the controller 110 evaluates the received signals and detects a fault if the criteria already briefly mentioned above are met, i.e. if positive self-test signals are received from all power supply modules and the sum of the current values exceeds a threshold value.
  • the criterion that the sum of the current values exceeds a threshold value is used to differentiate this second error scenario from the two operating scenarios and the first error scenario, because both in the two operating scenarios and in the first error scenario it applies that the sum of the instantaneous values of the currents is at least approximately Resulting in zero, i.e. below the threshold value iS.
  • This error detection also works when the redundant power supply 1 is in the second operating scenario, i.e. the two loads LI and L2 have different power consumptions, and it also works when the second error scenario occurs in addition to the first error scenario.
  • simpler section switches are used which, instead of determining the instantaneous current value, only determine a direction of the current, or, to put it another way, the sign of the current flowing through the respective section switch. Then the second error scenario can be recognized by evaluating the sign. An error occurs when all signs supplied by the section switches are the same. However, the detection of the second error scenario with these simpler coupling switches is only possible if the two loads LI and L2 have at least approximately the same power consumption, which is still advantageous compared to the case in which the error is not detected at all.
  • the section switches only output a sign value if the magnitude of the current flowing exceeds a specific threshold value implemented in the section switch using hardware or software.
  • the controller 110 preferably causes all coupling switches to open, as a result of which the faulty busbar 100 is isolated. In addition, an alarm can be given to an operator.
  • the third error scenario is that a fault occurs in one of the line systems 12, 22, 32, 42 that can be assigned to the individual power supply modules, while all four power supply modules 10, 20, 30, 40 are working without faults, for example if in the line section between the first power supply 10 and the first coupling switch 15 and/or a fault occurs in the wiring harness between the first power supply 10 and the first load LI.
  • this negative signal is present or the positive signal is not present, so that controller 110 can distinguish between the first and third fault scenarios and can initiate the measure already described in principle above, namely isolating first line system 12 by opening it of the first dome switch 15.
  • a corresponding alarm can be issued to an operator.
  • the controller 110 sends a disconnect command to the source-side safety device 11 and the load-side safety device 13 of the first line system 12 in order to completely isolate the fault location.
  • the methods described above are used to detect so-called low-level errors, ie errors that cannot be detected, or at least cannot be reliably detected, by conventional trigger criteria that can be implemented locally.
  • Conventional, locally recognizable triggering criteria mean in particular: the instantaneous current value exceeds a maximum current value (this situation is referred to below as a high-level error) or the current-time curve has a characteristic that is above a triggering criterion, for example the well-known evaluation of I 2 t (this situation is hereinafter referred to as moderate level error).
  • high-level error detection moderate-level error detection and low-level error detection, for example by means of appropriately designed section switches.
  • tie switches have a locally implemented high-level error detection, for example means for comparing the instantaneous current value with a configurable or fixed maximum value.
  • high-level error detections are known to those skilled in the art and offer the advantage that arithmetic operations can be switched off very quickly and in particular without delay, and consequential damage can thus be avoided.
  • a typical high level error is a short circuit.
  • tie switches have a moderate level error detection, for example in the form of a tripping curve.
  • a moderate level error detection for example in the form of a tripping curve.
  • This can be implemented completely locally in the section switch, and many electromechanical or electrothermal implementations are known for this.
  • the tripping curve can also be implemented electronically by the section switch and the central or decentralized control by evaluating the measured current values over time by the Control is made, which is particularly advantageous if, as in the illustrated embodiment, a central controller controls a number of coupling switches.
  • the moderate level error detection can be combined with the low level error detection.
  • a typical moderate level error is, for example, an inadmissibly long-lasting excessive current flow between the both subsystems, for example caused by a detected and treated error according to the third error scenario combined with excessive power consumption in the affected subsystem with very low power consumption in the other subsystem at the same time.
  • a low-level error detection is preferably implemented as described in detail above, in which a central controller 110 or a controller distributed, for example, to the individual section switches preferably the measured current values of all section switches, alternatively the sign of the Current flows through all section switches, recorded and evaluated according to the procedures described. This can be combined with the moderate level error detection.
  • electronic switches are used as coupling switches, so-called Solid State Circuit Breakers (abbreviation SSCB, sometimes also SCCB) being particularly preferred.
  • SSCB Solid State Circuit Breakers
  • the use of electronic switches has the advantage that the section switches can be opened and faults isolated so quickly that the usual protective devices 11, 13, 21, 23, 31, 33, 41, 43 cannot be triggered due to the fault (which would lead to functional restrictions) is avoided.
  • the tripping characteristic of the tie switches is selected to be faster than the tripping characteristic of the source-side protective devices 11, 21, 31, 41 and/or than the tripping characteristic of the load-side protective devices 12, 23, 33, 43.
  • the coupling switch(es) to be switched are switched in accordance with the above detailed description before one or more power supply module(s) are impermissibly loaded due to a fault, For example, too high a current is called up for too long and/or before a load is not supplied with the required electrical power due to a fault, for example the supply voltage drops below the minimum permissible value.
  • the criteria mentioned above i.e. loading a power supply module with too high a current and/or supplying a load with too low a voltage, possibly also taking into account a time over which the respective critical state lasts, as an alternative or additional switching criteria can be used for switching the section switches.
  • the present invention entails a certain amount of implementation effort, but this should be worthwhile in most cases, because only the present invention enables the use of significantly smaller power supply modules (as already explained, the power supply modules only have to be used for 133% of the normal load can be designed, compared to 200% of the normal load for isolated subsystems not equipped according to the invention).
  • all relevant error scenarios can be detected in good time and the errors can be automatically isolated in such a way that the operation of the loads LI, L2 is not impaired.
  • the respective error can be remedied by a maintenance team without the loads L1, L2 having to be switched off for this purpose.
  • controller includes processors and processing units in the broadest sense, for example general purpose processors, graphics processors, digital signal processors, application-specific integrated circuits (ASICs), programmable logic circuits such as FPGAs, discrete analog or digital circuits and any combination thereof, including any other processing units known to those skilled in the art or hereafter developed.
  • processors can consist of one or more devices. When a processor consists of multiple devices, they may be configured to process instructions in parallel or sequentially.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

The present invention relates to a redundant power supply (1) comprising: a first power supply (10) which is detachably connected to a busbar (100) by means of a first bus-tie breaker (15) and can be connected to a first load (L1) without a bus-tie breaker; a second power supply (20) which is detachably connected to the busbar (100) by means of a second bus-tie breaker (25) and can be connected to the first load (L1) without a bus-tie breaker; a third power supply (30) which is detachably connected to the busbar (100) by means of a third bus-tie breaker (35) and can be connected to a second load (L2) without a bus-tie breaker; and a fourth power supply (40) which is detachably connected to the busbar (100) by means of a fourth bus-tie breaker (45) and can be connected to the second load (L2) without a bus-tie breaker. All of the bus-tie breakers (15, 25, 35, 45) are closed under normal operating conditions.

Description

Beschreibung description
Redundante Stromversorgung, insbesondere für Data Center, sowie Verfahren und Computerprogramm für deren Betrieb Redundant power supply, especially for data centers, as well as methods and computer programs for their operation
Die Erfindung betrifft eine redundante Stromversorgung, die sich insbesondere für Data Center eignet. The invention relates to a redundant power supply that is particularly suitable for data centers.
Für Data Center und andere kritische elektrische Einrichtun gen besteht die Anforderung, deren Betrieb auch dann uneinge schränkt fortzusetzen, wenn elementare Komponenten wie bei spielsweise die Stromversorgung ausfallen. For data centers and other critical electrical equipment, there is a requirement to continue their operation without restrictions even if elementary components such as the power supply fail.
In vielen Fällen wird daher die Stromversorgung redundant ausgelegt. Ein solches System, bereits erweitert um einen Generator und eine lokale unterbrechungsfreie Stromversor gung, ist aus US 2014/0191579 Al bekannt. Eine kritische Komponente eines Data Center wird über zwei unabhängige Stromversorgungen versorgt. Damit der Betrieb der kritischen Komponente auch dann gewährleistet ist, wenn eine der Strom versorgungen ausfällt, müssen beide Stromversorgungen so dimensioniert sein, dass jede der Stromversorgungen allein zumindest die kritische Komponente zuverlässig mit Strom versorgen kann. Anders ausgedrückt muss jede Stromversorgung so ausgelegt sein, dass sie gegenüber dem ungestörten Fall die doppelte Last tragen kann. Dies ist sehr unökonomisch, da die Auslegung der Stromversorgung für diesen seltenen Stö rungsfall zu einer erheblichen Verteuerung der einzelnen Stromversorgungen führt. In many cases, the power supply is designed redundantly. Such a system, already expanded to include a generator and a local uninterruptible power supply, is known from US 2014/0191579 A1. A critical component of a data center is powered by two independent power supplies. In order to ensure the operation of the critical component even if one of the power supplies fails, both power supplies must be dimensioned in such a way that each of the power supplies alone can reliably supply at least the critical component with power. In other words, every power supply must be designed in such a way that it can carry double the load compared to the undisturbed case. This is very uneconomical, since the design of the power supply for this rare fault leads to a considerable increase in the cost of the individual power supplies.
Aus der US 6,433,444 Bl ist ein System mit einer N+2 Redun danz der Stromversorgungen bekannt, welches sich insbesondere für elektrische Einrichtungen mit einem hohen Stromverbrauch eignet wie beispielsweise ganze Gebäude. Beispielsweise wer den drei kritische elektrische Einrichtungen durch insgesamt drei reguläre und zwei alternative Stromversorgungen redun dant versorgt oder sechs kritische Einrichtungen werden durch insgesamt sechs reguläre und zwei alternative Stromversorgun gen redundant versorgt. Eine sehr aufwendige Schaltungstech- nik sorgt dafür, dass bei Ausfall einer regulären Stromver sorgung auf eine erste alternative Stromversorgung zurückge griffen wird und dass bei Ausfall einer weiteren regulären oder der ersten alternativen Stromversorgung auf die zweite Stromversorgung zurückgegriffen wird. From US Pat. No. 6,433,444 B1 a system with an N+2 redundancy of the power supplies is known, which is particularly suitable for electrical devices with high power consumption, such as entire buildings. For example, three critical electrical devices are supplied redundantly by a total of three regular and two alternative power supplies, or six critical devices are powered by a total of six regular and two alternative power supplies redundantly supplied. A very complex switching technique ensures that if a regular power supply fails, a first alternative power supply is used and if another regular power supply or the first alternative power supply fails, the second power supply is used.
Ein etwas anderer Ansatz, ein sogenanntes "Isolated-Parallel Rotary Diesel UPS System", ist in EP 1890 371 Al offenbart. Hierbei versorgt ein einheitliches Stromversorgungsnetz meh rere essentielle und mehrere kritische elektrische Lasten und es sind mehrere dieselbetriebene Notstromversorgungen vorge sehen, die bei Ausfall der einheitlichen Stromversorgung die Versorgung der kritischen Lasten übernehmen. Dabei sind Schwungräder als kinetische Zwischenenergiespeicher vorgese hen, die nach einem Ausfall der Stromversorgung über einen Generator elektrische Energie liefern, bis die Verbrennungs maschinen der Notstromaggregate mithilfe der kinetischen Energie der Schwungräder gestartet wurden. Die Notstromaggre gate sind mittels eines elektrischen Bussystems gekoppelt sind, welches verhindern soll, dass eine nicht oder nicht rechtzeitig anspringende Verbrennungsmaschine zur Unterbre chung der Versorgung der dem entsprechenden Notstromaggregat zugeordneten kritischen Last führt. Auch dieses System ist sehr aufwendig, und zwar sowohl mechanisch als auch schal tungstechnisch . A somewhat different approach, a so-called "Isolated-Parallel Rotary Diesel UPS System", is disclosed in EP 1890 371 A1. In this case, a unified power supply network supplies several essential and several critical electrical loads and several diesel-powered emergency power supplies are provided, which take over the supply of the critical loads if the unified power supply fails. In this case, flywheels are provided as intermediate kinetic energy stores, which supply electrical energy via a generator after a power failure until the internal combustion engines of the emergency generators have been started using the kinetic energy of the flywheels. The emergency power units are coupled by means of an electrical bus system, which is intended to prevent a combustion engine that does not start or does not start in time from leading to an interruption in the supply of the critical load assigned to the corresponding emergency power unit. This system is also very expensive, both mechanically and in terms of circuitry.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte redundante Stromversorgung anzugeben. It is the object of the present invention to specify an improved redundant power supply.
Diese Aufgabe wird durch eine redundante Stromversorgung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. This problem is solved by a redundant power supply with the features of independent patent claim 1 .
Gemäß der Erfindung wird mit anderen Worten gewährleistet, dass im ungestörten Betriebszustand der Stromversorgung jede Last unmittelbar (abgesehen von den üblichen Sicherungsvor kehrungen wie Leitungs- und Lasttrennschaltern, Sicherungen, etc.) von zwei Stromversorgungen versorgt wird und zusätzlich über Kuppelschalter und eine Sammelschiene mit den Stromver sorgungen der anderen Last(en) gekoppelt ist. In other words, according to the invention it is ensured that, in the undisturbed operating state of the power supply, each load is immediately switched off (apart from the usual safety precautions such as circuit breakers and etc.) is supplied by two power supplies and is also coupled to the power supplies of the other load(s) via coupling switches and a busbar.
Aus dieser Zusammenschaltung der beiden grundsätzlich auch unabhängig voneinander betreibbaren Teilsysteme jeweils be stehend aus zwei Stromversorgungen und einer Last ergibt sich vorteilhafterweise, dass nicht (wie beispielsweise im Fall der US 2014/0191579 Al) jede Stromversorgung allein in der Lage sein muss, die Last zu betreiben. Bei Ausfall (oder Wartungsarbeiten an) beispielsweise der ersten Stromversor gung muss nämlich nicht die redundante zweite Stromversorgung allein die Aufgabe der ersten Stromversorgung übernehmen, sondern durch die im störungsfreien Betrieb, also standardmä ßig, eingeschalteten Kuppelschalter wird die erste Last nach Wegfall der ersten Stromversorgung ohne Zutun nicht nur durch die zweite, sondern auch durch die dritte und die vierte Stromversorgung versorgt. This interconnection of the two subsystems, which can in principle also be operated independently of one another, each consisting of two power supplies and a load, means that not (as in the case of US 2014/0191579 A1, for example) each power supply must be able to handle the load on its own operate. In the event of a failure (or maintenance work on), for example, the first power supply, the redundant second power supply does not have to take over the task of the first power supply alone, but due to the section switches switched on during fault-free operation, i.e. by default, the first load is without power after the first power supply fails Zutu not only supplied by the second, but also by the third and the fourth power supply.
Daraus folgt für die Auslegung der Stromversorgungen vorteil hafterweise, dass jede Stromversorgung nicht für das Doppelte (200%) der im Normalbetrieb zu tragenden Last ausgelegt wer den muss, sondern nur für 133%, da die bei Ausfall einer Stromversorgung entfallende Leistung von drei Stromversorgun gen geliefert werden kann. Dies erfolgt, wie erwähnt, vor teilhafterweise ohne Zutun, d.h. ohne Bedienereingriff und ohne Änderung an der Schaltstellung eines der im Strompfad befindlichen Elemente, also ohne jede Zeitverzögerung. When designing the power supplies, this means that each power supply does not have to be designed for twice (200%) the load to be carried in normal operation, but only for 133%, since the power lost from three power supplies if one power supply fails can be delivered. As mentioned, this is advantageously done without any intervention, i.e. without operator intervention and without changing the switching position of one of the elements in the current path, i.e. without any time delay.
Ferner gewährleistet die redundante Stromversorgung gemäß Patentanspruch 1 eine gleichmäßige Belastung der Stromversor gungen, insbesondere in Zeiträumen, in denen eine Last weni ger Strom verbraucht als die andere Last (oder im extremen Fall ausgeschaltet ist), und zwar ebenfalls ohne Zutun. Dies hat beispielsweise bezüglich der Kühlung der Stromversorgun gen Vorteile, da sich die Verlustleistung auf alle vier Stromversorgungen (und damit räumlich) gleichmäßig(er) ver teilt. Natürlich kann das erfindungsgemäße Konzept um weitere Strom versorgungen und Lasten erweitert werden, vorteilhafterweise in Form weiterer mittels Kuppelschalter an die Sammelschiene anschließbarer Teilsysteme bestehend jeweils aus zwei Strom versorgungen und einer Last, wodurch sich die bei Ausfall einer Stromversorgung durch die verbleibenden Stromversorgun gen zusätzlich zu tragende Last weiter verringert bzw. bei gleichbleibender Auslegung der Stromversorgungen auch Ausfäl le von mehr als einer Stromversorgung abgefangen werden kön nen. Furthermore, the redundant power supply according to claim 1 ensures an even load on the Stromversor conditions, especially in periods in which a load consumes less electricity than the other load (or is switched off in the extreme case), and also without any action. This has advantages with regard to the cooling of the power supply, for example, since the power loss is (more) evenly distributed over all four power supplies (and thus spatially). Of course, the concept according to the invention can be expanded to include additional power supplies and loads, advantageously in the form of additional subsystems that can be connected to the busbar by means of coupling switches, each consisting of two power supplies and one load, which means that the remaining power supplies also have to be borne in the event of a power supply failure The load can be further reduced or failures of more than one power supply can be intercepted if the design of the power supplies remains the same.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous developments of the present invention are specified in the dependent claims.
Insbesondere kann eine Steuerung vorgesehen werden, um andere (seltenere) Fehlerfälle als den Ausfall einer der Stromver sorgungen zu behandeln. Diese Steuerung kann dabei zentral oder verteilt bzw. lokal, beispielsweise in einem oder mehre ren Kuppelschaltern, ausgeführt sein. In particular, a controller can be provided to handle other (rare) faults than the failure of one of the power supplies. This control can be implemented centrally or distributed or locally, for example in one or more coupling switches.
Ein möglicher Fehlerfall ist die Störung der Sammelschiene, beispielsweise ein Kurz- oder Leitungsschluss. Wenn eine solche Störung detektiert wird, werden die Kuppelschalter geöffnet. A possible error is a fault in the busbar, for example a short circuit or short circuit. If such a fault is detected, the tie switches are opened.
Ein weiterer möglicher Fehlerfall ist die Störung, wiederum lediglich beispielsweise ein Kurz- oder Leitungsschluss, einer von einer Stromversorgung abgehenden Leitung, also beispielsweise der Leitung zwischen einer der Stromversorgun gen und dem mit der Stromversorgung verbundenen Kuppelschal ter oder bei einer Störung der Leitung zwischen einer der Stromversorgungen und der mit der Stromversorgung ohne Kup pelschalter verbundenen Last. Dabei kann es sich, jedenfalls teilweise, um die gleiche Leitung handeln oder um einen Ab zweig, an dem diese beiden Leitungen münden. Dieser Fehler fall wird behandelt, indem der mit der betreffenden Stromver sorgung verbundene Kuppelschalter geöffnet wird. Zum besseren Detektieren der vorgenannten Fehlerfälle kann vorgesehen werden, dass die Kuppelschalter Mittel zum Ermit teln des durch den jeweiligen Kuppelschalter fließenden Stroms und/oder des Vorzeichens des durch den jeweiligen Kuppelschalter fließenden Stroms aufweisen sowie Mittel zum Übermitteln eines Stromwertes und/oder eines Vorzeichenwertes an die Steuerung. Die Steuerung kann auch für diesen Zweck, wie bereits erwähnt, zentral angeordnet oder auf die einzel nen Kuppelschalter verteilt sein. Another possible fault is a fault, again just a short circuit or short circuit, for example, in a line coming from a power supply, for example the line between one of the power supplies and the coupling switch connected to the power supply, or in the event of a line fault between one of the Power supplies and the load connected to the power supply without coupling switch. It can, at least in part, be the same line or a branch from which these two lines open. This error case is handled by opening the tie switch connected to the relevant power supply. To improve the detection of the aforementioned faults, it can be provided that the section switches have means for determining the current flowing through the respective section switch and/or the sign of the current flowing through the respective section switch, as well as means for transmitting a current value and/or a sign value to the Steering. As already mentioned, the control can also be arranged centrally for this purpose or distributed to the individual section switches.
Ferner weisen die Stromversorgungen in weiteren Ausgestaltun gen der Erfindung Mittel zum Erzeugen eines Signals auf, welches signalisiert, ob die jeweilige Stromversorgung aktiv oder inaktiv ist, sowie Mittel zum Übertragen dieses Signals an die Steuerung. Furthermore, in further refinements of the invention, the power supplies have means for generating a signal which signals whether the respective power supply is active or inactive, and means for transmitting this signal to the controller.
Die (zentrale oder verteilte) Steuerung empfängt die Strom werte und/oder Vorzeichenwerte von allen Kuppelschaltern sowie optional die Signale von allen Stromversorgungen und erkennt eine Sammelschienenstörung, wenn die Summe aller von den Kuppelschaltern gelieferten Stromwerte einen Schwellwert überschreitet und/oder alle Kuppelschalter Vorzeichenwerte liefern, die einen Stromfluss von der jeweiligen Stromversor gung zur Sammelschiene anzeigen. The (central or distributed) controller receives the current values and/or sign values from all tie switches and optionally the signals from all power supplies and detects a busbar fault if the sum of all current values supplied by the tie switches exceeds a threshold value and/or all tie switches supply sign values, which show a current flow from the respective power supply to the busbar.
Nach Erkennen einer solchen Sammelschienenstörung werden alle Kuppelschalter geöffnet, wie weiter oben erläutert. Selbst verständlich können Schwellwerte für die Stromwerte definiert werden und/oder Schwellwerte, ab denen ein Kuppelschalter ein bestimmtes Vorzeichen ausgibt, so dass tolerierbare (tran siente oder dauerhafte) Effekte nicht zum Abschalten der Kuppelschalter führen. After detecting such a busbar fault, all tie switches are opened, as explained above. It goes without saying that threshold values for the current values can be defined and/or threshold values above which a section switch outputs a certain sign, so that tolerable (transient or permanent) effects do not lead to the section switch being switched off.
Ebenso kann die Steuerung ausgelegt sein, den Zeitverlauf zu berücksichtigen und den Fehlerfall erst zu erkennen bzw. Maßnahmen erst einzuleiten, wenn der beschriebene Zustand für einen definierten und/oder konfigurierbaren Zeitraum andau- ert. Dabei kann der Zeitraum abhängig von der Stärke des in Richtung der Sammelschienenstörung abfließenden Stroms bzw. der dorthin abfließenden elektrischen Leistung gewählt wer den, wobei vorteilhafterweise bei hohen abfließenden Leistun gen kürzere Zeiträume gewählt werden. Likewise, the controller can be designed to take the course of time into account and only recognize the error or initiate measures when the described state lasts for a defined and/or configurable period of time. The time period can be selected as a function of the strength of the current flowing in the direction of the busbar fault or the electrical power flowing there, whereby shorter time periods are advantageously chosen for high power flows.
Mit dem beschriebenen Verfahren sind auch sogenannte Low Level Fehler detektierbar, d.h. Fehler, die Fehlerströme verursachen, die durch herkömmliche lokale Kurzschluss- oder Fehlerstromdetektoren nicht detektiert werden können, weil sie von einem zulässigen Lastfall lokal nicht unterscheidbar sind. The method described can also be used to detect so-called low-level faults, i.e. faults that cause fault currents that cannot be detected by conventional local short-circuit or fault current detectors because they cannot be distinguished locally from a permissible load case.
Auf ähnliche Weise können auch Fehler detektiert werden, die in dem einer einzelnen Stromversorgung zuzuordnenden Lei tungssystem auftreten. Hierzu werden ebenfalls die vorstehend genannten Signale ausgewertet und die Störung des einer Stromversorgung zuordenbaren Leitungssystems wird festge stellt, wenn alle Stromversorgungen signalisieren, dass sie aktiv sind und der Stromwert an einem der Kuppelschalter dem negativen Wert der Summe der Stromwerte aller anderen Kuppel schalter entspricht und/oder wenn der Vorzeichenwert eines Kuppelschalters umgekehrt ist zu den Vorzeichenwerten aller anderen Kuppelschalter. In a similar way, errors can also be detected which occur in the line system to be assigned to an individual power supply. For this purpose, the signals mentioned above are also evaluated and the fault in the line system that can be assigned to a power supply is determined when all power supplies signal that they are active and the current value at one of the section switches corresponds to the negative value of the sum of the current values of all other section switches and/ or if the sign value of a tie switch is inverse to the sign values of all other tie switches.
Nach Erkennen einer solchen Störung wird der betreffende Kuppelschalter geöffnet, wie weiter oben erläutert. Selbst verständlich können auch für diesen Fehlerfall Schwellwerte für die Stromwerte definiert werden und/oder Schwellwerte, ab denen ein Kuppelschalter ein bestimmtes Vorzeichen ausgibt, so dass tolerierbare, insbesondere transiente, Effekte nicht zum Abschalten der Kuppelschalter führen. Diese Schwellwerte können von den Schwellwerten, die für die Sammelschienenstö rung herangezogen werden, abweichen oder diesen entsprechen. After detection of such a fault, the relevant section switch is opened, as explained above. It goes without saying that threshold values for the current values can also be defined for this error case and/or threshold values above which a section switch outputs a specific sign, so that tolerable, in particular transient, effects do not lead to the section switch being switched off. These thresholds may differ from or be the same as the thresholds used for the busbar fault.
Wiederum kann die Steuerung ausgelegt sein, den Zeitverlauf zu berücksichtigen und den Fehlerfall erst zu erkennen bzw. Maßnahmen erst einzuleiten, wenn der beschriebene Zustand für einen definierten und/oder konfigurierbaren Zeitraum andau ert. Dabei kann der Zeitraum abhängig von der Stärke des in Richtung des betroffenen Leitungssystems abfließenden Stroms bzw. der dorthin abfließenden elektrischen Leistung gewählt werden, wobei vorteilhafterweise bei hohen abfließenden Leis tungen kürzere Zeiträume gewählt werden. Auch die Zeiträume können dabei von den Zeiträumen, die für die Sammelschienen störung herangezogen werden, abweichen oder diesen entspre chen. Again, the controller can be designed to take into account the passage of time and only recognize the error or initiate measures when the described state for a defined and/or configurable period of time. The period of time can be selected as a function of the strength of the current flowing in the direction of the affected line system or the electrical power flowing there, with shorter periods of time advantageously being selected in the case of high power flows. The time periods can also deviate from or correspond to the time periods used for the busbar fault.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen redundanten Stromversorgung sowie ein Computerprogramm, welches einen Prozessor veran lasst, dieses Verfahren auszuführen. The present invention also relates to a method for operating a redundant power supply according to the invention and a computer program which causes a processor to execute this method.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand einer Figur näher erläutert. In the following, exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail with reference to a figure.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer redundanten Stromversorgung 1, an die zwei Lasten LI und L2 anschließbar sind, gemäß eines bevorzugten Ausführungsbei spiels der vorliegenden Erfindung. Die redundante Stromver sorgung 1 kann betrachtet werden als die Zusammenschaltung zweier im Grunde bekannter Teilsysteme mittels einer Sammel schiene 100 und Kuppelschaltern 15, 25, 35, 45. The single FIGURE shows a schematic representation of a redundant power supply 1 to which two loads LI and L2 can be connected, according to a preferred exemplary embodiment of the present invention. The redundant power supply 1 can be viewed as the interconnection of two fundamentally known subsystems by means of a busbar 100 and coupling switches 15, 25, 35, 45.
Das erste Teilsystem, in der Darstellung links, weist ein erstes Stromversorgungsmodul 10 und ein zweites Stromversor gungsmodul 20 auf. Das erste Stromversorgungsmodul 10 ist mittels einer quellenseitigen Sicherungsvorrichtung 11 mit einem ersten Leitungssystem 12 verbunden. Bei der quellensei tigen Sicherungsvorrichtung 11 handelt es sich um eine fach übliche Sicherungsvorrichtung. The first subsystem, on the left in the illustration, has a first power supply module 10 and a second power supply module 20 . The first power supply module 10 is connected to a first line system 12 by means of a source-side safety device 11 . The safety device 11 on the source side is a safety device that is customary in the art.
Das zweite Stromversorgungsmodul 20 ist mittels einer quel lenseitigen Sicherungsvorrichtung 21 mit einem zweiten Lei tungssystem 22 verbunden. Bei der quellenseitigen Sicherungs- Vorrichtung 21 handelt es sich um eine fachübliche Siche rungsvorrichtung . The second power supply module 20 is connected to a second line system 22 by means of a source-side safety device 21 . In the case of the source-side backup Device 21 is a standard safety device.
Am ersten Leitungssystem 12 ist eine erste Last LI ange schlossen, und zwar mittels einer lastseitigen Sicherungsvor richtung 13. Auch bei der lastseitigen Sicherungsvorrichtung 13 handelt es sich um eine fachübliche Sicherungsvorrichtung. A first load LI is connected to the first line system 12, specifically by means of a load-side safety device 13. The load-side safety device 13 is also a customary safety device.
Am zweiten Leitungssystem 22 ist ebenfalls die erste Last LI angeschlossen, und zwar mittels einer lastseitigen Siche rungsvorrichtung 23. Auch bei der lastseitigen Sicherungsvor richtung 23 handelt es sich um eine fachübliche Sicherungs vorrichtung . The first load LI is also connected to the second line system 22, specifically by means of a load-side safety device 23. The load-side safety device 23 is also a conventional safety device.
Das zweite Teilsystem, in der Darstellung rechts, weist ein drittes Stromversorgungsmodul 30 und ein viertes Stromversor gungsmodul 40 auf, die über jeweilige quellenseitige Siche rungsvorrichtungen 31, 41 mit einem korrespondierenden drit ten und vierten Leitungssystem 32, 42 verbunden sind. Eine zweite Last L2 ist mit entsprechenden lastseitigen Siche rungsvorrichtungen 33, 43 sowohl mit dem dritten als auch mit dem vierten Leitungssystem 32, 42 verbunden. The second subsystem, on the right in the illustration, has a third power supply module 30 and a fourth power supply module 40, which are connected via respective source-side safety devices 31, 41 to a corresponding third and fourth line system 32, 42. A second load L2 is connected to corresponding load-side safety devices 33, 43 both with the third and with the fourth line system 32, 42.
Erfindungsgemäß sind, wie bereits erläutert, Kuppelschalter 15, 25, 35, 45 vorgesehen, um die beiden Teilsystem an eine Sammelschiene 100 anzubinden. Unter Sammelschiene wird hier allgemein eine ggf. mehrpolige starre oder flexible Leitung verstanden, die insbesondere nicht notwendigerweise die Form einer Schiene haben muss. As already explained, coupling switches 15, 25, 35, 45 are provided according to the invention in order to connect the two subsystems to a busbar 100. A busbar is generally understood here to mean a possibly multi-pole rigid or flexible line which, in particular, does not necessarily have to have the shape of a rail.
Ein erster Kuppelschalter 15 verbindet das erste Leitungssys tem 12 mit der Sammelschiene 100, ein zweiter Kuppelschalter 25 verbindet das zweite Leitungssystem 22 mit der Sammel schiene 100, ein dritter Kuppelschalter 35 verbindet das dritte Leitungssystem 32 mit der Sammelschiene 100 und ein vierter Kuppelschalter 45 verbindet das vierte Leitungssystem 42 mit der Sammelschiene 100. Damit ergibt sich, dass jedes Stromversorgungsmodul jeweils direkt, also ohne Kuppelschal- ter, mit einer Last gekoppelt ist und mittels eines Kuppel schalters mit der Sammelschiene 100. Die Lasten sind ihrer seits jeweils über einen Kuppelschalter mit der Sammelschiene 100 verbunden. Es versteht sich, dabei, dass sowohl die Lei tungssysteme 12, 22, 32, 42 als auch die Sammelschiene 100 ein- oder mehrpolig ausgeführt sein können. A first section switch 15 connects the first line system 12 to the busbar 100, a second section switch 25 connects the second line system 22 to the busbar 100, a third section switch 35 connects the third line system 32 to the busbar 100 and a fourth section switch 45 connects this fourth line system 42 with the busbar 100. This means that each power supply module is connected directly, i.e. without a coupling switch ter, is coupled to a load and by means of a coupling switch to the busbar 100. The loads are in turn connected to the busbar 100 via a coupling switch. It goes without saying that both the line systems 12, 22, 32, 42 and the busbar 100 can have one or more poles.
Am Beispiel der ersten Stromversorgung 10 betrachtet ist also die erste Last LI ohne Kuppelschalter mit der ersten Strom versorgung 10 verbunden, via Leitungssystem 12, und die erste Stromversorgung ist, ebenfalls via Leitungssystem 12, mittels des ersten Kuppelschalters 15 mit der Sammelschiene verbun den. Damit wird ermöglicht, dass die erste Stromversorgung 10 über das erste Leitungssystem 12, den ersten Kuppelschalter 15 und die Sammelschiene 100 im Bedarfsfall Strom an die zweite Last L2 liefert, nämlich mittels des dritten und/oder des vierten Kuppelschalters 35, 45 und des dritten und/oder des vierten Leitungssystems 32, 42. Zudem besteht über den zweiten Kuppelschalter 25 und das zweite Leitungssystem 22 ein alternativer Versorgungsweg zur ersten Last LI, bei spielsweise für den Fall, dass die durch die lastseitige Sicherungsvorrichtung 13 geschützte Zuleitung zur ersten Last LI gestört ist. Considering the example of the first power supply 10, the first load LI is connected to the first power supply 10 without a section switch, via the line system 12, and the first power supply is also connected via the line system 12 to the busbar by means of the first section switch 15. This enables the first power supply 10 to supply power to the second load L2 via the first line system 12, the first tie switch 15 and the busbar 100 if required, namely by means of the third and/or the fourth tie switch 35, 45 and the third and /or the fourth line system 32, 42. There is also an alternative supply path to the first load LI via the second coupling switch 25 and the second line system 22, for example in the event that the supply line to the first load LI, which is protected by the load-side safety device 13, is disrupted .
Um dies zu erreichen, sind die Kuppelschalter 15, 25, 35, 45 im normalen Betrieb allesamt geschlossen. Dabei ist es für die vorliegende Erfindung nicht wichtig, ob die Stromversor- gungsmodule 10, 20, 30, 40 Gleich- oder Wechselspannung lie fern. Es versteht sich allerdings, dass die Nennspannungen der Stromversorgungsmodule in den beiden Teilsystemen zumin dest annähernd gleich sein müssen und dass im Fall von Wech selspannung eine Phasensynchronität vorliegen muss, um uner wünschte Effekte zu vermeiden. Alternativ ist es natürlich auch möglich, zwei asynchrone Wechselstromsysteme mittels einer Gleichspannungssammelschiene und den entsprechenden Gleich- und Wechselrichtern zu koppeln, wobei dann auch Sys teme mit unterschiedlichen Betriebsspannungen koppelbar sind. Wie weiter oben bereits erläutert liefert die vorliegende Erfindung erhebliche Vorteile bei der Auslegung der Stromver- sorgungsmodule 10, 20, 30, 40. Zudem ist eine Erweiterung um weitere Teilsysteme unproblematisch möglich und es ist auch denkbar, eine ungerade Anzahl von Stromversorgungsmodulen vorzusehen. In der vorliegenden Beschreibung wurde nur des halb Bezug auf sogenannte Teilsysteme genommen, da solche Teilsysteme in bestehenden Installationen häufig bereits anzutreffen sind und mit geringen Kosten in eine redundante Stromversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung umgestaltet werden können. Eine Einschränkung der Erfindung auf die Kopp lung zweier Teilsysteme geht damit ausdrücklich nicht einher. In order to achieve this, the section switches 15, 25, 35, 45 are all closed during normal operation. It is not important for the present invention whether the power supply modules 10, 20, 30, 40 supply DC or AC voltage. It goes without saying, however, that the nominal voltages of the power supply modules in the two subsystems must be at least approximately the same and that, in the case of alternating voltage, there must be phase synchronicity in order to avoid undesirable effects. Alternatively, it is of course also possible to couple two asynchronous AC systems by means of a DC voltage busbar and the corresponding rectifiers and inverters, in which case systems with different operating voltages can then also be coupled. As already explained above, the present invention provides considerable advantages in the design of the power supply modules 10, 20, 30, 40. In addition, an expansion to include further subsystems is possible without any problems and it is also conceivable to provide an odd number of power supply modules. In the present description, reference has only been made to so-called subsystems because such subsystems are often already found in existing installations and can be converted at low cost into a redundant power supply according to the present invention. A limitation of the invention to the coupling of two subsystems is expressly not associated with this.
Die Betrachtung der Teilsysteme erleichtert allerdings das Verständnis eines wichtigen Vorteils der vorliegenden Erfin dung. Betrachtet wird dabei die Erweiterung eines bestehenden redundanten Systems, beispielsweise eines Data Centers. Hier wird in der Regel ein erstes Teilsystem bereits vorhanden sein, mit der üblichen Auslegung der Stromversorgungsmodule so, dass jedes der Stromversorgungsmodule allein die Last des ersten Teilsystems versorgen kann. Soll nun ein zweites Teil system installiert werden, wird das erste Teilsystem ledig lich um zwei Abzweige an den Leitungssystemen und die Kuppel schalter erweitert und anschließend an die neue Sammelschiene angeschlossen - weitere Änderungen sind nicht erforderlich und die (nunmehr eigentlich überdimensionierten) Stromversor gungsmodule können weiter verwendet werden oder bei Bedarf durch effizientere Module ersetzt werden. However, consideration of the subsystems facilitates an understanding of an important advantage of the present invention. The expansion of an existing redundant system, for example a data center, is considered. A first subsystem is usually already present here, with the usual design of the power supply modules such that each of the power supply modules can supply the load of the first subsystem alone. If a second subsystem is to be installed, the first subsystem is simply expanded by adding two branches to the line systems and the tie switch and then connected to the new busbar - no further changes are required and the (now actually oversized) power supply modules can continue be used or, if necessary, replaced by more efficient modules.
Die redundante Stromversorgung 1 weist im dargestellten Aus führungsbeispiel außerdem eine Steuerung 110 auf, deren Funk tion weiter unten detailliert beschrieben wird. Die Steuerung kann dabei, wie bereits erörtert, zentral ausgebildet sein oder dezentral, d.h. auf andere Komponenten, beispielsweise die Kuppelschalter 15, 25, 35, 45, verteilt realisiert sein. Auf die Darstellung der fallweise erforderlichen Signal und/oder Befehlsleitungen zwischen den Stromversorgungsmodu len und der Steuerung und/oder zwischen den Kuppelschaltern und der Steuerung oder den Kuppelschaltern untereinander wurde der besseren Übersicht wegen verzichtet. In the exemplary embodiment shown, the redundant power supply 1 also has a controller 110, the function of which is described in detail further below. As already discussed, the control can be implemented centrally or decentrally, ie distributed to other components, for example the section switches 15, 25, 35, 45. The presentation of the signal and/or command lines that may be required between the power supply modules and the controller and/or between the section switches and the control or the section switches among themselves were omitted for the sake of a better overview.
Für das in der Figur dargestellte Stromversorgungssystem sind zwei Betriebsszenarien (gemeint ist dabei der fehlerfreie Betrieb) und drei Fehlerszenarien besonders relevant, die im folgenden betrachtet werden sollen. For the power supply system shown in the figure, two operating scenarios (meaning error-free operation) and three error scenarios are particularly relevant, which are to be considered below.
Das erste Betriebsszenario kann wie folgt beschrieben werden: alle vier Stromversorgungsmodule 10, 20, 30, 40 haben annä hernd gleiche elektrische Leistungsparameter und funktionie ren störungsfrei und beide Lasten LI, L2 haben annähernd gleiche elektrische Leistungsparameter und funktionieren störungsfrei bei annähernd gleicher Leistungsaufnahme. Dann fließen durch die Kuppelschalter 15, 25, 35, 45 annähernd keine Ströme il, i2, i3, i4 (angedeutet durch entsprechende Pfeile in der Figur), d.h. il = i2 = i3 = i4 = 0. Betrachtet werden hier die Momentanwerte der Ströme. Die Richtung der Ströme il, i2, i3, i4 wird für die vorliegende Betrachtung ohne Beschränkung der Allgemeinheit so definiert, dass ein positiver Wert vorliegt, wenn der Strom vom Leitungssystem 12, 22, 32, 43 zur Sammelschiene 100 hin fließt und umgekehrt ein negativer Wert vorliegt, wenn der Strom von der Sammel schiene 100 zum jeweiligen Leitungssystem 12, 22, 32, 42 hin fließt. The first operating scenario can be described as follows: all four power supply modules 10, 20, 30, 40 have approximately the same electrical performance parameters and function without problems, and both loads LI, L2 have approximately the same electrical performance parameters and function without problems with approximately the same power consumption. Then almost no currents i1, i2, i3, i4 (indicated by corresponding arrows in the figure) flow through the section switches 15, 25, 35, 45, i.e. i1 = i2 = i3 = i4 = 0. The instantaneous values of the currents are considered here . The direction of the currents i1, i2, i3, i4 is defined for the present consideration without loss of generality such that there is a positive value when the current flows from the line system 12, 22, 32, 43 to the busbar 100 and vice versa a negative value Value is present when the current from the bus bar 100 to the respective line system 12, 22, 32, 42 flows out.
Das zweite Betriebsszenario zeichnet sich gegenüber dem ers ten Betriebsszenario dadurch aus, dass die Leistungsaufnahme der ersten Last LI (deutlich) geringer als die Leistungsauf nahme der zweiten Last L2 ist, beispielsweise die erste Last LI nur 70% ihrer Nennleistung aufnimmt, während die zweite Last L2100% ihrer Nennleistung aufnimmt. The second operating scenario differs from the first operating scenario in that the power consumption of the first load LI is (significantly) lower than the power consumption of the second load L2, for example the first load LI consumes only 70% of its nominal power, while the second load L2 consumes 100% of its rated power.
In diesem Fall fließen Ausgleichströme vom ersten Teilsystem in das zweite Teilsystem über die Sammelschiene 100, genauer gesagt von der ersten Stromversorgung 10 und der zweiten Stromversorgung 20 zur zweiten Last L2, wobei gilt: il = i2 = -i3 = -i4. Das erste Fehlerszenario wurde weiter oben bereits erörtert und betrifft den Aus- oder Wartungsfall eines Stromversor gungsmoduls. Es sei ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Fall betrachtet, dass das erste Stromversorgungsmodul 10 nicht zur Verfügung steht oder die quellenseitige Sicherungs vorrichtung 11 defekt ist oder aufgrund eines Fehlers ausge löst hat und im Ergebnis vom ersten Stromversorgungsmodul 10 keine Energie in das erste Leitungssystem 12 eingespeist werden kann. In this case, equalizing currents flow from the first subsystem into the second subsystem via the busbar 100, more precisely from the first power supply 10 and the second power supply 20 to the second load L2, where: i1=i2=-i3=-i4. The first error scenario has already been discussed above and relates to the failure or maintenance of a power supply module. Without restricting the generality, the case should be considered that the first power supply module 10 is not available or the source-side safety device 11 is defective or has been triggered due to an error and as a result no energy is fed into the first line system 12 from the first power supply module 10 can.
Dieses Fehlerszenario wird, wie ebenfalls bereits erörtert, ohne Zutun gelöst, indem entsprechende Ausgleichströme von den verbliebenen Stromversorgungsmodulen 20, 30, 40 zur ers ten Last LI fließen, wobei gilt: il = —(12 + i3 + i4). Aus Sicht der ersten Last LI ist der Ausfall des ersten Stromver sorgungsmoduls 10 vollkommen transparent, die elektrische Leistung wird weiterhin über die redundanten Stromversor gungswege der ersten Last LI geleitet und kann von der Last LI, wie im störungsfrei Fall, von beiden Stromversorgungswe gen gleichmäßig abgerufen werden. Dabei entsteht keinerlei Schaltverzögerung, da die Kuppelschalter geschlossen sind und die Ausgleichströme unmittelbar nach Wegfall des ersten Stromversorgungsmoduls über die Sammelschiene 100 und die Kuppelschalter 15, 25 zur ersten Last LI fließen. As also already discussed, this fault scenario is resolved without any action being taken by corresponding compensating currents flowing from the remaining power supply modules 20, 30, 40 to the first load LI, where: il=−(12+i3+i4). From the point of view of the first load LI, the failure of the first power supply module 10 is completely transparent, the electrical power continues to be routed via the redundant power supply paths of the first load LI and can be called up equally by the load LI from both power supply paths, as in the fault-free case will. There is no switching delay, since the section switches are closed and the equalizing currents flow to the first load LI immediately after the first power supply module has been removed via the busbar 100 and the section switches 15, 25.
Das zweite Fehlerszenario betrifft eine Störung der Sammel schiene. In diesem Störungsfall fließt mehr Strom bzw. Leis tung in die Sammelschiene als an anderer Stelle entnommen wird, es gilt also il + i2 + i3 + i4 > 0 bzw. für viele prak tische Anwendungen il + i2 + i3 + i4 > iS, wobei iS ein defi nierbarer Schwellwert ist, so dass ein noch normaler Betrieb erkannt wird, solange dieser Schwellwert nicht überschritten wird. The second fault scenario relates to a fault in the busbar. In this fault situation, more current or power flows into the busbar than is drawn from elsewhere, i.e. il + i2 + i3 + i4 > 0 or, for many practical applications, il + i2 + i3 + i4 > iS, where iS is a defi nable threshold value, so that normal operation is recognized as long as this threshold value is not exceeded.
Um dieses Fehlerszenario auch detektieren zu können, wenn die Störung keine so hohen Stromwerte nach sich zieht, dass jeder Kuppelschalter für sich, d.h. lokal, die Entscheidung treffen kann, dass eine Störung wie beispielsweise ein Kurz- oder Leitungsschluss der Sammelschiene 100 vorliegt, wird in Aus führungsbeispielen der vorliegenden Erfindung von jedem Stromversorgungsmodul ein Selbsttestsignal erzeugt und an die Steuerung 110 ausgegeben. Ein positives Selbsttestsignal signalisiert dabei, dass die jeweilige Steuerung aktiv ist und ordnungsgemäß funktioniert. Zudem wird von jedem Kuppel schalter der Momentanwert des Stromes gemessen, also il..i4, und ein diesen Wert repräsentierendes Signal wird an die Steuerung 110 übermittelt. In order to be able to detect this fault scenario even if the fault does not result in such high current values that each section switch can make the decision for itself, ie locally If it is possible that there is a fault, such as a short circuit or a short circuit in busbar 100 , in exemplary embodiments of the present invention, a self-test signal is generated by each power supply module and output to controller 110 . A positive self-test signal indicates that the respective controller is active and working properly. In addition, the instantaneous value of the current is measured by each coupling switch, ie il..i4, and a signal representing this value is transmitted to the controller 110.
Die Steuerung 110 wertet die empfangenen Signale aus und erkennt eine Störung, wenn die weiter oben bereits kurz er wähnten Kriterien erfüllt sind, d.h. wenn von allen Stromver sorgungsmodulen positive Selbsttestsignale empfangen werden und die Summe der Stromwerte einen Schwellwert überschreiten. Insbesondere das Kriterium, dass die Summe der Stromwerte einen Schwellwert überschreiten, dient der Abgrenzung dieses zweiten Fehlerszenarios von den beiden Betriebsszenarien und dem ersten Fehlerszenario, denn sowohl in den beiden Be triebsszenarien und im ersten Fehlerszenario gilt, dass die Summe der Momentanwerte der Ströme zumindest annähernd Null ergibt, also unter dem Schwellwert iS liegt. The controller 110 evaluates the received signals and detects a fault if the criteria already briefly mentioned above are met, i.e. if positive self-test signals are received from all power supply modules and the sum of the current values exceeds a threshold value. In particular, the criterion that the sum of the current values exceeds a threshold value is used to differentiate this second error scenario from the two operating scenarios and the first error scenario, because both in the two operating scenarios and in the first error scenario it applies that the sum of the instantaneous values of the currents is at least approximately Resulting in zero, i.e. below the threshold value iS.
Diese Fehlererkennung funktioniert auch dann, wenn sich die redundante Stromversorgung 1 im zweiten Betriebsszenario befindet, d.h. die beiden Lasten LI und L2 verschiedene Leis tungsaufnahmen aufweisen, und sie funktioniert auch dann, wenn das zweite Fehlerszenario zusätzlich zum ersten Feh lerszenario auftritt. This error detection also works when the redundant power supply 1 is in the second operating scenario, i.e. the two loads LI and L2 have different power consumptions, and it also works when the second error scenario occurs in addition to the first error scenario.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden einfachere Kuppelschalter verwendet, die anstelle des momentanen Stromwertes lediglich eine Stromrich tung ermitteln, oder anders ausgedrückt das Vorzeichen des durch den jeweiligen Kuppelschalter fließenden Stromes ermit teln. Dann kann das zweite Fehlerszenario durch Auswertung der Vorzeichen erkannt werden. Der Fehlerfall liegt vor, wenn alle von den Kuppelschaltern gelieferten Vorzeichen gleich sind. Allerdings ist die Erkennung des zweiten Fehlerszena rios mit diesen einfacheren Kuppelschaltern nur möglich, wenn die beiden Lasten LI und L2 zumindest annähernd die gleiche Leistungsaufnahme aufweisen, was aber immer noch vorteilhaft gegenüber dem Fall ist, in dem der Fehler überhaupt nicht erkannt wird. Alternativ kann, wie bereits angedeutet, vorge sehen werden, dass die Kuppelschalter einen Vorzeichenwert nur dann ausgeben, wenn der Betrag des fließenden Stroms einen bestimmten, im Kuppelschalter per Hard- oder Software implementierten Schwellwert übersteigt. In an alternative exemplary embodiment of the present invention, simpler section switches are used which, instead of determining the instantaneous current value, only determine a direction of the current, or, to put it another way, the sign of the current flowing through the respective section switch. Then the second error scenario can be recognized by evaluating the sign. An error occurs when all signs supplied by the section switches are the same. However, the detection of the second error scenario with these simpler coupling switches is only possible if the two loads LI and L2 have at least approximately the same power consumption, which is still advantageous compared to the case in which the error is not detected at all. Alternatively, as already indicated, it can be provided that the section switches only output a sign value if the magnitude of the current flowing exceeds a specific threshold value implemented in the section switch using hardware or software.
Wird das zweite Fehlerszenario detektiert, wird durch die Steuerung 110 vorzugsweise das Öffnen aller Kuppelschalter veranlasst, wodurch die fehlerhafte Sammelschiene 100 iso liert wird. Zusätzlich kann ein Alarm an einen Bediener aus gegeben werden. If the second fault scenario is detected, the controller 110 preferably causes all coupling switches to open, as a result of which the faulty busbar 100 is isolated. In addition, an alarm can be given to an operator.
Das dritte Fehlerszenario besteht darin, dass eine Störung in einem der den einzelnen Stromversorgungsmodulen zuordenbaren Leitungssysteme 12, 22, 32, 42 auftritt, während alle vier Stromversorgungsmodule 10, 20, 30, 40 störungsfrei arbeiten, wenn also beispielsweise im Leitungsstrang zwischen der ers ten Stromversorgung 10 und dem ersten Kuppelschalter 15 und/oder im Leitungsstrang zwischen der ersten Stromversor gung 10 und der ersten Last LI eine Störung auftritt. Durch diese Störung fließt am ersten Leitungssystem 12 ein Strom bzw. eine elektrische Leistung ab, was durch die geschlosse nen Kuppelschalter zu Ausgleichsströmen führt, wobei gilt: il = -(12 + i3 + i4). The third error scenario is that a fault occurs in one of the line systems 12, 22, 32, 42 that can be assigned to the individual power supply modules, while all four power supply modules 10, 20, 30, 40 are working without faults, for example if in the line section between the first power supply 10 and the first coupling switch 15 and/or a fault occurs in the wiring harness between the first power supply 10 and the first load LI. As a result of this disruption, a current or electrical power flows off in the first line system 12, which leads to compensating currents through the closed section switches, where the following applies: i1=-(12+i3+i4).
Dies entspricht dem ersten Fehlerszenario, mit dem Unter schied, dass im ersten Fehlerszenario das erste Stromversor gungsmodul 10 nicht störungsfrei arbeitet und dies an die Steuerung 110 signalisiert wird bzw. das den störungsfreien Betrieb repräsentierende Signal des ersten Stromversorgungs- moduls 10 im ersten Szenario von der Steuerung 110 nicht empfangen wird. Im dritten Fehlerszenario liegt dieses Nega tivsignal vor bzw. das Positivsignal liegt nicht vor, so dass die Steuerung 110 das erste vom dritten Fehlerszenario unter scheiden kann und die weiter oben bereits grundsätzlich be schriebene Maßnahme veranlassen kann, nämlich das Isolieren des ersten Leitungssystems 12 durch Öffnen des ersten Kuppel schalters 15. Zusätzlich kann ein entsprechender Alarm an einen Bediener ausgegeben werden. Ferner kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die Steuerung 110 einen Trennbefehl an die quellenseitige Sicherungsvorrichtung 11 und die lastsei tige Sicherungsvorrichtung 13 des ersten Leitungssystems 12 sendet, um die Fehlerstelle vollständig zu isolieren. This corresponds to the first error scenario, with the difference that in the first error scenario the first power supply module 10 is not working correctly and this is signaled to the controller 110 or the signal of the first power supply unit that represents the error-free operation module 10 is not received by the controller 110 in the first scenario. In the third fault scenario, this negative signal is present or the positive signal is not present, so that controller 110 can distinguish between the first and third fault scenarios and can initiate the measure already described in principle above, namely isolating first line system 12 by opening it of the first dome switch 15. In addition, a corresponding alarm can be issued to an operator. Furthermore, it can additionally be provided that the controller 110 sends a disconnect command to the source-side safety device 11 and the load-side safety device 13 of the first line system 12 in order to completely isolate the fault location.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfin dung werden die vorstehend beschriebenen Methoden genutzt, um sogenannte Low Level Fehler zu detektieren, d.h. Fehler, die von herkömmlichen, lokal implementierbaren Auslösekriterien nicht oder jedenfalls nicht zuverlässig detektiert werden können. Mit herkömmlichen, lokal erkennbaren Auslösekriterien sind insbesondere gemeint: der momentane Stromwert über schreitet einen maximalen Stromwert (diese Situation wird im folgenden als High Level Fehler bezeichnet) oder der Strom- Zeit-Verlauf weist eine Charakteristik auf, die über einem Auslösekriterium liegt, beispielsweise die hinlänglich be kannte Auswertung von I2t (diese Situation wird im folgenden als Moderate Level Fehler bezeichnet). In preferred exemplary embodiments of the present invention, the methods described above are used to detect so-called low-level errors, ie errors that cannot be detected, or at least cannot be reliably detected, by conventional trigger criteria that can be implemented locally. Conventional, locally recognizable triggering criteria mean in particular: the instantaneous current value exceeds a maximum current value (this situation is referred to below as a high-level error) or the current-time curve has a characteristic that is above a triggering criterion, for example the well-known evaluation of I 2 t (this situation is hereinafter referred to as moderate level error).
Durch die Auswertung der momentanen Stromwerte und/oder der Vorzeichen des Stroms in allen vier Kuppelschaltern 15, 25,By evaluating the instantaneous current values and/or the sign of the current in all four section switches 15, 25,
35, 45 wird es hingegen möglich, Low Level Fehler zu detek tieren, die einen Stromfluss unterhalb der Auslöseschwellen der High Level Detektoren und der Moderate Level Detektoren bewirken und von normalen Betriebszustandsänderungen, die zum Beispiel durch eine betriebsbedingte Verringerung oder Erhö hung der Leistungsaufnahme einer Last LI, L2 hervorgerufen werden, lokal, also beispielsweise von einem der Kuppelschal ter allein, nicht unterschieden werden können. Dies gilt insbesondere für Low Level Fehler mit vergleichsweise hoher Impedanz zwischen zwei Phasen in einem Wechselstromsystem. 35, 45, on the other hand, it is possible to detect low-level faults that cause a current flow below the triggering thresholds of the high-level detectors and the moderate-level detectors and from normal changes in the operating state, which are caused, for example, by an operational reduction or increase in the power consumption of a load LI, L2 are caused locally, so for example by one of the dome switch alone, cannot be distinguished. this applies especially for low level faults with comparatively high impedance between two phases in an AC system.
Besonders vorteilhaft ist es, High Level Fehlererkennung, Moderate Level Fehlererkennung und Low Level Fehlererkennung zu kombinieren, beispielsweise vermittels entsprechend ausge bildeter Kuppelschalter. Derartige Kuppelschalter weisen eine lokal implementierte High Level Fehlererkennung auf, bei spielsweise Mittel zum Vergleichen des momentanen Stromwertes mit einem konfigurierbaren oder fest eingestellten Maximal wert. Solche High Level Fehlererkennungen sind dem Fachmann bekannt und bieten den Vorteil, dass sehr schnell und insbe sondere ohne Verzug durch Rechenoperationen ausgeschaltet werden kann und so Folgeschäden vermieden werden können. Ein typischer High Level Fehler ist ein Kurzschluss. It is particularly advantageous to combine high-level error detection, moderate-level error detection and low-level error detection, for example by means of appropriately designed section switches. Such tie switches have a locally implemented high-level error detection, for example means for comparing the instantaneous current value with a configurable or fixed maximum value. Such high-level error detections are known to those skilled in the art and offer the advantage that arithmetic operations can be switched off very quickly and in particular without delay, and consequential damage can thus be avoided. A typical high level error is a short circuit.
Ferner weisen derartige Kuppelschalter eine Moderate Level Fehlererkennung auf, beispielsweise in Form einer Auslösekur- ve. Diese kann komplett lokal im Kuppelschalter implementiert werden und es sind viele elektromechanische bzw. elektrother- mische Realisierungen hierfür bekannt. Alternativ kann, wenn im Kuppelschalter ohnehin Strommesswerte für die Low Level Fehlererkennung ermittelt und an die Steuerung 110 übermit telt werden, die Auslösekurve auch elektronisch durch Kuppel schalter und die zentrale oder dezentrale Steuerung reali siert werden, indem die Auswertung der Strommesswerte über die Zeit durch die Steuerung vorgenommen wird, was insbeson dere dann vorteilhaft ist, wenn wie im dargestellten Ausfüh rungsbeispiel eine zentrale Steuerung mehrere Kuppelschalter steuert. Mit anderen Worten kann die Moderate Level Fehlerer kennung mit der Low Level Fehlererkennung kombiniert werden. Furthermore, such tie switches have a moderate level error detection, for example in the form of a tripping curve. This can be implemented completely locally in the section switch, and many electromechanical or electrothermal implementations are known for this. Alternatively, if the measured current values for the low-level error detection are determined in the section switch anyway and transmitted to the controller 110, the tripping curve can also be implemented electronically by the section switch and the central or decentralized control by evaluating the measured current values over time by the Control is made, which is particularly advantageous if, as in the illustrated embodiment, a central controller controls a number of coupling switches. In other words, the moderate level error detection can be combined with the low level error detection.
Es ist von Anwendungsfall zu Anwendungsfall abzuwägen, ob einer entsprechend aufwendigeren Steuerung, die immerhin mindestens vier Kanäle überwachen muss, oder entsprechend aufwendigeren Kuppelschaltern der Vorzug zu geben ist. Ein typischer Moderate Level Fehler ist beispielsweise ein unzu lässig lang anhaltender überhöhter Stromfluss zwischen den beiden Teilsystemen, beispielsweise hervorgerufen durch einen detektierten und behandelten Fehler gemäß des dritten Feh lerszenarios kombiniert mit einer überhöhten Leistungsaufnah me in dem betroffenen Teilsystem bei gleichzeitig sehr gerin ger Leistungsaufnahme im anderen Teilsystem. It has to be considered from application to application whether a correspondingly more complex controller, which must monitor at least four channels, or correspondingly more complex section switches should be given preference. A typical moderate level error is, for example, an inadmissibly long-lasting excessive current flow between the both subsystems, for example caused by a detected and treated error according to the third error scenario combined with excessive power consumption in the affected subsystem with very low power consumption in the other subsystem at the same time.
Neben der High Level Fehlererkennung und der Moderate Level Fehlererkennung wird vorzugsweise eine Low Level Fehlererken nung wie weiter oben ausführlich beschrieben implementiert, bei der eine zentrale Steuerung 110 oder eine beispielsweise auf die einzelnen Kuppelschalter verteilte Steuerung vorzugs weise die Strommesswerte aller Kuppelschalter, ersatzweise die Vorzeichen der Stromflüsse durch alle Kuppelschalter, erfasst und nach den beschriebenen Verfahren auswertet. Dies kann mit der Moderate Level Fehlererkennung kombiniert wer den. In addition to the high-level error detection and the moderate-level error detection, a low-level error detection is preferably implemented as described in detail above, in which a central controller 110 or a controller distributed, for example, to the individual section switches preferably the measured current values of all section switches, alternatively the sign of the Current flows through all section switches, recorded and evaluated according to the procedures described. This can be combined with the moderate level error detection.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfin dung werden elektronische Schalter als Kuppelschalter verwen det, besonders bevorzugt sind dabei sogenannte Solid State Circuit Breakers (Abkürzung SSCB, mitunter auch SCCB). Die Verwendung elektronischer Schalter hat den Vorteil, dass die Öffnung der Kuppelschalter und damit die Isolierung von Feh lern so schnell erfolgen kann, dass ein Auslösen der üblichen Schutzmittel 11, 13, 21, 23, 31, 33, 41, 43 aufgrund des Fehlers (was zu Funktionseinschränkungen führen würde) ver mieden wird. Allgemeiner ausgedrückt wird in bevorzugten Ausführungsbeispielen die Auslösecharakteristik der Kuppel schalter schneller gewählt als die Auslösecharakteristik der quellenseitigen Schutzvorrichtungen 11, 21, 31, 41 und/oder als die Auslösecharakteristik der lastseitigen Schutzvorrich tungen 12, 23, 33, 43. In preferred exemplary embodiments of the present invention, electronic switches are used as coupling switches, so-called Solid State Circuit Breakers (abbreviation SSCB, sometimes also SCCB) being particularly preferred. The use of electronic switches has the advantage that the section switches can be opened and faults isolated so quickly that the usual protective devices 11, 13, 21, 23, 31, 33, 41, 43 cannot be triggered due to the fault ( which would lead to functional restrictions) is avoided. In more general terms, in preferred exemplary embodiments, the tripping characteristic of the tie switches is selected to be faster than the tripping characteristic of the source-side protective devices 11, 21, 31, 41 and/or than the tripping characteristic of the load-side protective devices 12, 23, 33, 43.
Dabei kann in bevorzugten Ausführungsbeispielen erreicht werden, dass der oder die zu schaltende(n) Kuppelschalter entsprechend der vorstehenden detaillierten Beschreibung geschaltet werden, bevor ein oder mehrere Stromversorgungsmo dul (e) aufgrund eines Fehlers unzulässig belastet werden, beispielsweise ein zu hoher Strom über eine zu lange Zeit abgerufen wird, und/oder bevor eine Last aufgrund eines Feh lers nicht die erforderliche elektrische Leistung geliefert bekommt, beispielsweise die Versorgungsspannung unter den minimal zulässigen Wert sinkt. Dabei können die vorstehend genannten Kriterien, also Belastung eines Stromversorgungsmo duls mit einem zu hohen Strom und/oder Versorgung einer Last mit einer zu geringen Spannung, ggf. zusätzlich unter Berück sichtigung einer Zeit, über die der jeweilige kritische Zu stand anhält, als alternative oder zusätzliche Schaltkrite rien für das Schalten der Kuppelschalter genutzt werden. In preferred exemplary embodiments, it can be achieved that the coupling switch(es) to be switched are switched in accordance with the above detailed description before one or more power supply module(s) are impermissibly loaded due to a fault, For example, too high a current is called up for too long and/or before a load is not supplied with the required electrical power due to a fault, for example the supply voltage drops below the minimum permissible value. The criteria mentioned above, i.e. loading a power supply module with too high a current and/or supplying a load with too low a voltage, possibly also taking into account a time over which the respective critical state lasts, as an alternative or additional switching criteria can be used for switching the section switches.
Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung einen gewissen Implementierungsaufwand mit sich bringt, der sich aber in den meisten Fällen lohnen dürfte, weil erst durch die vorliegende Erfindung der Einsatz von deutlich geringer dimensionierten Stromversorgungsmodulen ermöglicht wird (wie bereits erläutert müssen die Stromversorgungsmodule nur für 133% der Normallast ausgelegt werden, gegenüber 200% der Normallast bei nicht gemäß der Erfindung ausgestatteten, isolierten Teilsystemen). Gleichzeitig können alle relevanten Fehlerszenarien so rechtzeitig detektiert und die Fehler automatisch isoliert werden, dass es zu keiner Beeinträchti gung beim Betrieb der Lasten LI, L2 kommt. Zudem kann der jeweilige Fehler durch ein Wartungsteam behoben werden kann, ohne dass die Lasten LI, L2 dazu abgeschaltet werden müssten. Zudem können zahlreiche Wartungsarbeiten ohne Abschalten der Lasten LI, L2 erledigt werden, beispielsweise Wartungsarbei ten an den Stromversorgungsmodulen 10, 20, 30, 40, Wartungs arbeiten an den Leitungssystemen 12, 22, 32, 42, Wartungsar beiten an den Sicherungsvorrichtungen 11, 13, 21, 23, 31, 33, 41, 43 und Wartungsarbeiten an der Sammelschiene 100, da diese Elemente allesamt durch selektives Öffnen der Kuppel schalter 15, 25, 35, 45 und ggf. selektives Abschalten eines der Stromversorgungsmodule spannungsfrei geschaltet werden können, ohne dass es zu Versorgungsunterbrechungen der Lasten LI, L2 kommt. Es sei auch nochmals darauf hingewiesen, dass hier nur die minimale Konfiguration ausführlich beschrieben wurde und eine Erweiterung um weitere Teilsysteme problemlos möglich ist. Auch unvollständige Teilsysteme sind dabei denkbar, also beispielsweise der Anschluss einer weiteren Last mit nur einem zusätzlichen Stromversorgungsmodul, so dass beispiels weise fünf Stromversorgungsmodule drei Lasten versorgen (nicht dargestellt). Es sei darauf hingewiesen, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig miteinander kombiniert werden können. Ferner sei darauf hingewiesen, dass der Begriff "Steuerung", wie hier verwendet, Prozessoren und Verarbei tungseinheiten im weitesten Sinne umfasst, also beispielswei- se Universalprozessoren, Grafikprozessoren, digitale Signal prozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), programmierbare Logikschaltungen wie FPGAs, diskrete analoge oder digitale Schaltungen und beliebige Kombinationen davon, einschließlich aller anderen dem Fachmann bekannten oder in Zukunft entwickelten Verarbeitungseinheiten. Prozes soren können dabei aus einer oder mehreren Vorrichtungen bestehen. Besteht ein Prozessor aus mehreren Vorrichtungen, können diese zur parallelen oder sequentiellen Verarbeitung von Instruktionen konfiguriert sein. It should be pointed out that the present invention entails a certain amount of implementation effort, but this should be worthwhile in most cases, because only the present invention enables the use of significantly smaller power supply modules (as already explained, the power supply modules only have to be used for 133% of the normal load can be designed, compared to 200% of the normal load for isolated subsystems not equipped according to the invention). At the same time, all relevant error scenarios can be detected in good time and the errors can be automatically isolated in such a way that the operation of the loads LI, L2 is not impaired. In addition, the respective error can be remedied by a maintenance team without the loads L1, L2 having to be switched off for this purpose. In addition, numerous maintenance work can be done without switching off the loads LI, L2, for example maintenance work on the power supply modules 10, 20, 30, 40, maintenance work on the line systems 12, 22, 32, 42, maintenance work on the safety devices 11, 13, 21, 23, 31, 33, 41, 43 and maintenance work on the busbar 100, since all of these elements can be de-energized by selectively opening the tie switches 15, 25, 35, 45 and, if necessary, selectively switching off one of the power supply modules without there are interruptions in the supply of the loads LI, L2. It should also be pointed out again that only the minimum configuration has been described in detail here and that it can be expanded to include further subsystems without any problems. Incomplete subsystems are also conceivable, for example the connection of a further load with only one additional power supply module, so that five power supply modules, for example, supply three loads (not shown). It should be noted that the exemplary embodiments described above can be combined with one another as desired. It should also be pointed out that the term "controller", as used here, includes processors and processing units in the broadest sense, for example general purpose processors, graphics processors, digital signal processors, application-specific integrated circuits (ASICs), programmable logic circuits such as FPGAs, discrete analog or digital circuits and any combination thereof, including any other processing units known to those skilled in the art or hereafter developed. Processors can consist of one or more devices. When a processor consists of multiple devices, they may be configured to process instructions in parallel or sequentially.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Redundante Stromversorgung (1), die folgendes aufweist:1. Redundant power supply (1) that includes:
- eine erste Stromversorgung (10), die mittels eines ersten Kuppelschalters (15) mit einer Sammelschiene (100) trennbar verbunden ist und ohne Kuppelschalter mit einer ersten Last (LI) verbindbar ist; - A first power supply (10) which is detachably connected to a busbar (100) by means of a first coupling switch (15) and can be connected to a first load (LI) without a coupling switch;
- eine zweite Stromversorgung (20), die mittels eines zweiten Kuppelschalters (25) mit der Sammelschiene (100) trennbar verbunden ist und ohne Kuppelschalter mit der ersten Last (LI) verbindbar ist; - A second power supply (20) which is detachably connected to the busbar (100) by means of a second coupling switch (25) and can be connected to the first load (LI) without a coupling switch;
- eine dritte Stromversorgung (30), die mittels eines dritten Kuppelschalters (35) mit der Sammelschiene (100) trennbar verbunden ist und ohne Kuppelschalter mit einer zweiten Last (L2) verbindbar ist; - A third power supply (30) which is detachably connected to the busbar (100) by means of a third section switch (35) and can be connected to a second load (L2) without a section switch;
- eine vierte Stromversorgung (40) , die mittels eines vier ten Kuppelschalters (45) mit der Sammelschiene (100) trennbar verbunden ist und ohne Kuppelschalter mit der zweiten Last (L2) verbindbar ist; - A fourth power supply (40), which is detachably connected to the busbar (100) by means of a fourth coupling switch (45) and can be connected to the second load (L2) without a coupling switch;
- wobei alle Kuppelschalter (15, 25, 35, 45) im störungsfrei en Betrieb geschlossen sind. - with all section switches (15, 25, 35, 45) being closed during trouble-free operation.
2. Redundante Stromversorgung (1) nach Anspruch 1, die eine Steuerung (110) aufweist, welche die Kuppelschalter (15, 25, 35, 45) so steuert, dass alle Kuppelschalter geöffnet werden, wenn eine Sammelschienenstörung detektiert wird. 2. Redundant power supply (1) according to claim 1, which has a controller (110) which controls the tie switches (15, 25, 35, 45) so that all tie switches are opened when a busbar fault is detected.
3. Redundante Stromversorgung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, die eine Steuerung (110) aufweist, welche bei einer Störung der Leitung zwischen einer der Stromversorgungen (10, 20, 30, 40) und dem mit dieser Stromversorgung verbundenen Kuppelschalter (15, 25, 35, 34) oder bei einer Störung der Leitung zwischen einer der Stromversorgungen und der mit dieser Stromversorgung ohne Kuppelschalter verbundenen Last (LI, L2) den mit dieser Stromversorgung verbundenen Kuppel schalter öffnet. 3. Redundant power supply (1) according to one of claims 1 or 2, which has a controller (110) which, in the event of a fault in the line between one of the power supplies (10, 20, 30, 40) and the section switch (1) connected to this power supply 15, 25, 35, 34) or in the event of a fault in the line between one of the power supplies and the load (LI, L2) connected to this power supply without a tie switch, the tie switch connected to this power supply opens.
4. Redundante Stromversorgung (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei welcher 4. Redundant power supply (1) according to any one of claims 2 or 3, wherein
- die Kuppelschalter (15, 25, 35, 45) Mittel zum Ermitteln des durch den jeweiligen Kuppelschalter fließenden Stroms und/oder des Vorzeichens des durch den jeweiligen Kuppel schalter fließenden Stroms aufweisen sowie Mittel zum Über mitteln eines Stromwertes und/oder eines Vorzeichenwertes an die Steuerung (110); - the section switches (15, 25, 35, 45) have means for determining the current flowing through the respective section switch and/or the sign of the current flowing through the respective section switch and means for transmitting a current value and/or a sign value to the controller (110);
- die Steuerung (110) Mittel aufweist zum Empfangen der Stromwerte und/oder Vorzeichenwerte von allen Kuppelschal tern; und - the controller (110) has means for receiving the current values and/or sign values from all coupling switches; and
- die Steuerung (110) Mittel aufweist zum Feststellen einer Sammelschienenstörung, wenn die Summe der von allen Kuppel schaltern empfangenen Stromwerte größer als ein definierbarer Schwellwert ist und/oder von allen Kuppelschaltern Vorzei chenwerte empfangen werden, die einen Stromfluss von der jeweiligen Stromversorgung zur Sammelschiene (100) anzeigen. - the controller (110) has means for detecting a busbar fault if the sum of the current values received from all section switches is greater than a definable threshold value and/or signed values are received from all section switches which indicate a current flow from the respective power supply to the busbar ( 100) show.
5. Redundante Stromversorgung (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei welcher 5. Redundant power supply (1) according to any one of claims 3 or 4, wherein
- die Kuppelschalter (15, 25, 35, 45) Mittel zum Ermitteln des durch den jeweiligen Kuppelschalter fließenden Stroms und/oder des Vorzeichens des durch den jeweiligen Kuppel schalter fließenden Stroms aufweisen sowie Mittel zum Über mitteln eines Stromwertes und/oder eines Vorzeichenwertes an die Steuerung; - the section switches (15, 25, 35, 45) have means for determining the current flowing through the respective section switch and/or the sign of the current flowing through the respective section switch and means for transmitting a current value and/or a sign value to the Steering;
- die Stromversorgungen (10, 20, 30, 40) Mittel aufweisen zum Erzeugen eines Signals, welches signalisiert, ob die jeweili ge Stromversorgung aktiv ist, sowie Mittel zum Übertragen dieses Signals an die Steuerung; - The power supplies (10, 20, 30, 40) have means for generating a signal which signals whether the respec GE power supply is active, and means for transmitting this signal to the controller;
- die Steuerung (110) Mittel aufweist zum Empfangen der Stromwerte und/oder Vorzeichenwerte von allen Kuppelschaltern sowie Mittel zum Empfangen der Signale von allen Stromversor gungen; und - the controller (110) has means for receiving the current values and/or sign values from all coupling switches and means for receiving the signals from all power supplies; and
- die Steuerung (110) Mittel aufweist zum Feststellen einer Störung der Leitung zwischen einer der Stromversorgungen und dem mit der Stromversorgung verbundenen Kuppelschalter oder einer Störung der Leitung zwischen einer der Stromversorgun- gen und der mit der Stromversorgung ohne Kuppelschalter ver bundenen Last ansprechend darauf, dass von allen Stromversor gungen Signale empfangen werden, die signalisieren, dass die jeweilige Stromversorgung aktiv ist und dass der Stromwert an einem der Kuppelschalter dem negativen Wert der Summe der Stromwerte aller anderen Kuppelschalter entspricht und/oder der Vorzeichenwert an einem der Kuppelschalter dem negativen Wert der Vorzeichenwerte aller anderen Kuppelschalter ent spricht. - The controller (110) has means for detecting a fault in the line between one of the power supplies and the coupling switch connected to the power supply or a fault in the line between one of the power supplies and the load connected to the power supply without a tie switch in response to signals being received from all power supplies indicating that the respective power supply is active and that the current value at one of the tie switches is the negative value of the sum of the current values of all other tie switches corresponds and/or the sign value at one of the tie switches corresponds to the negative value of the sign values of all other tie switches.
6. Verfahren zum Betreiben einer redundanten Stromversorgung (1) nach Anspruch 1, aufweisend die folgenden Schritte: 6. Method for operating a redundant power supply (1) according to claim 1, comprising the following steps:
- für jeden Kuppelschalter (15, 25, 35, 45), Ermitteln des durch den jeweiligen Kuppelschalter fließenden Stroms und/oder des Vorzeichens des durch den jeweiligen Kuppel schalter fließenden Stroms; und - For each coupling switch (15, 25, 35, 45), determining the current flowing through the respective coupling switch and/or the sign of the current flowing through the respective coupling switch; and
- Feststellen einer Sammelschienenstörung, wenn die Summe der von allen Kuppelschaltern empfangenen Stromwerte größer als ein definierbarer Schwellwert ist und/oder von allen Kuppel schaltern Vorzeichenwerte empfangen werden, die einen Strom fluss von der jeweiligen Stromversorgung zur Sammelschiene (100) anzeigen. - Detection of a busbar fault if the sum of the current values received from all section switches is greater than a definable threshold value and/or sign values are received from all section switches which indicate a current flow from the respective power supply to the busbar (100).
7. Verfahren nach Anspruch 6, zusätzlich aufweisend die fol genden Schritte: 7. The method of claim 6, additionally comprising the following steps:
- für jede Stromversorgung (10, 20, 30, 40), Erzeugen eines Signals, welches signalisiert, ob die jeweilige Stromversor gung aktiv ist; - For each power supply (10, 20, 30, 40), generating a signal which signals whether the respective Stromversor supply is active;
- Feststellen einer Störung der Leitung (12, 22, 32, 42) zwischen einer der Stromversorgungen und dem mit der Strom versorgung verbundenen Kuppelschalter oder einer Störung der Leitung zwischen einer der Stromversorgungen und der mit der Stromversorgung ohne Kuppelschalter verbundenen Last anspre chend darauf, dass von allen Stromversorgungen Signale emp fangen werden, die signalisieren, dass die jeweilige Strom versorgung aktiv ist und dass der Stromwert an einem der Kuppelschalter dem negativen Wert der Summe der Stromwerte aller anderen Kuppelschalter entspricht und/oder dass der Vorzeichenwert an einem der Kuppelschalter dem negativen Wert der Vorzeichenwerte aller anderen Kuppelschalter entspricht. - detecting a line fault (12, 22, 32, 42) between one of the power supplies and the tie switch connected to the power supply, or a line fault between one of the power supplies and the load connected to the power supply without a tie switch, in response to the fact that signals are received from all power supplies that indicate that the respective power supply is active and that the current value at one of the section switches corresponds to the negative value of the sum of the current values of all other section switches and/or that the Sign value on one of the tie switches corresponds to the negative value of the sign values of all other tie switches.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, zusätzlich aufweisend die folgenden Schritte: 8. The method according to any one of claims 6 or 7, additionally comprising the following steps:
- Öffnen aller Kuppelschalter (15, 25, 34, 45) ansprechend auf das Feststellen einer Sammelschienenstörung; und/oder- opening all tie switches (15, 25, 34, 45) in response to detecting a busbar fault; and or
- Öffnen des Kuppelschalters (15, 25, 35, 45), dessen Strom wert dem negativen Wert der Summe der Stromwerte und/oder bei dem der Vorzeichenwert dem negativen Wert der Vorzeichenwerte aller anderen Kuppelschalter entspricht ansprechend auf das Feststellen einer Störung der Leitung zwischen einer der Stromversorgungen und dem mit der Stromversorgung verbundenen Kuppelschalter oder einer Störung der Leitung zwischen einer der Stromversorgungen und der mit der Stromversorgung ohne Kuppelschalter verbundenen Last. - Opening of the tie switch (15, 25, 35, 45) whose current value corresponds to the negative value of the sum of the current values and/or the sign value of which corresponds to the negative value of the sign values of all other tie switches in response to the detection of a fault on the line between a of the power supplies and the tie breaker connected to the power supply, or a failure of the line between one of the power supplies and the load connected to the power supply without a tie breaker.
9. Computerprogramm aufweisend maschinenlesbare Anweisungen zur Umsetzung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 8. 9. Computer program having machine-readable instructions for implementing the method according to one of claims 6 to 8.
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