WO2016206843A1 - System und verfahren zur automatischen kurzschlussbeseitigung in einem energiebus - Google Patents
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- WO2016206843A1 WO2016206843A1 PCT/EP2016/059780 EP2016059780W WO2016206843A1 WO 2016206843 A1 WO2016206843 A1 WO 2016206843A1 EP 2016059780 W EP2016059780 W EP 2016059780W WO 2016206843 A1 WO2016206843 A1 WO 2016206843A1
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B61—RAILWAYS
- B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
- B61L19/00—Arrangements for interlocking between points and signals by means of a single interlocking device, e.g. central control
- B61L19/06—Interlocking devices having electrical operation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B61—RAILWAYS
- B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
- B61L27/00—Central railway traffic control systems; Trackside control; Communication systems specially adapted therefor
- B61L27/70—Details of trackside communication
Definitions
- the present invention relates to a system and method for automatically eliminating a
- Function units are supplied with electrical energy.
- train-influencing units To control vehicle influencing and / or vehicle monitoring units and to monitor the functionality and to record process data and report back to a central control and / or monitoring center, such as a control center or a signal box.
- a central control and / or monitoring center such as a control center or a signal box.
- Process variables of the moving train such as
- Monitoring units can also use balises and
- the present invention relates to all industrial installations in which functional
- the central controller can be perceived by a stationary control center, but also by a non-stationary virtual control center. In railway traffic, it is usually the case that these decentralized functional units are controlled by an interlocking or a remote interlocking computer. For the data transfer between the signal box and the
- Transport network arranged decentralized
- Control system is coupled via at least one network access point on the data transport network
- Network access point are connected, wherein:
- the subnetwork of each of the subgroups at each of its two ends is coupled to the data transport network via a communication unit and via a network access point.
- Such a device is in particular
- Control system is coupled via at least one network access point on the data transport network
- Examples are the energy management for buildings or for large plants in the producing or
- Function units - also called element controllers or EC for short) are thereby connected to the data bus and the power bus by means of network node units - also called bus couplers or SNDs for short - Smart Node Device
- the SND can, for example, the
- the present invention is therefore based on the object of specifying a system and a method for the automatic elimination of a short circuit in an energy bus, which provides decentralized functional units arranged in an industrial plant with electrical energy.
- the short circuit in the power bus should be reliably and quickly detectable and localizable, so that immediate measures to restore the correct function of the power bus can be initiated.
- the object is achieved by a system for automatically eliminating a short circuit in an energy bus via the decentralized system arranged in an industrial plant
- Function units are supplied with electrical energy, wherein:
- Data telegrams exchanges information via a data bus
- Feeding points of a ring-shaped power bus are arranged, the decentralized functional units access to the power bus and optionally also to
- Switching module having a first switch and a second switch, wherein the two switches each having access to the two feed points is switchable, d) an evaluation module is provided which the measured voltage and / or the measured current within a network node unit and / or below neighboring ones
- Energy bus evaluates, wherein upon detection of a short circuit, a time-staggered shutdown of at least a portion of the network node units of the Power bus by opening the first or the second switch is executable;
- Data telegrams exchanges information via a data bus
- Feeding points of a ring-shaped power bus are arranged, the decentralized functional units access to the power bus and optionally also to
- Switching module having a first switch and a second switch, wherein the two switches each having access to the two feed points is switchable, d) an evaluation module is provided, the measured voltage and / or the measured current within a network node unit and / or below neighboring ones
- Energy bus evaluates, wherein upon detection of a short circuit, a time-staggered shutdown of at least a portion of the network node units is executed;
- Each network node unit therefore knows its respective shutdown time as soon as a short circuit has been detected.
- a short circuit can be characterized, for example, a state of the power bus, which exceeds a pre-configured shutdown and / or drops the voltage of the power bus below a pre-configured shutdown voltage.
- Node unit has the earliest AbschaltZeitrios for separation of the power bus to the other feed point and the other AbschaltZeits
- this predeterminable time interval can be in the single-digit millisecond range, preferably for example 1 ms. Ultimately, however, this time interval depends on the dimensioning of the
- a cascaded shutdown of the network node units could also be provided, in which case the staggered shutdown for separating the power bus from network node units may be executable until the evaluation module negates the presence of a short circuit.
- Short circuit a message about the presence of the short circuit along with a timestamp sent.
- this variant requires a sufficiently fast communication between the evaluation module and the
- each network node unit can automatically detect the presence of a short circuit. With the detection of the short circuit therefore starts the time to the respective AbschaltZeit Vietnamese the network node unit, this AbschaltZeit Vietnamese for each network node unit in
- Each network node unit therefore knows its respective turn-off time. The time until this shutdown time begins at the moment of
- Figure 2 is a schematic view of a network node unit for connecting a decentralized network node unit.
- Figure 3 is a schematic view of examples of the
- FIG. 4 is a tabular view of the staggering of the temporal shut-off times for the network node units as a function of the position of the network node units in the power bus and of the current direction.
- Figure 1 shows schematically a interlocking architecture with a system Sys, which i.a. a signal box STW, a redunant degraded data backbone NB1, NB2, one
- the interlocking STW controls a train traffic on a track section G, in which signals S, points W, a level crossing Bue and axle counter AC are arranged.
- These train protection and train control components each couple to a decentralized functional unit - also called element controller unit E - on the data bus CB and the power bus EB.
- the decentralized functional units E are so on connected to the annular data bus CB that either access to the data backbone NB1 or NB2 is given on each side of the annular data bus CB.
- the data bus CB couples with corresponding
- FIG. 2 shows schematically the data
- Controller unit E of a train control component here for example a switch W, to the data bus CB and the
- Such an attachment point comprises a network node unit SND and the actual element
- the network node unit SND comprises a communication unit SCU for data exchange over both branches of the data bus CB. Energy side is the
- Network node unit SND designed so that it couples to both branches of the power bus EB and thus always, if necessary, over other network node units SND away - an access to two feed points PS1 and PS2 consists (as shown in Figure 1).
- the network node unit SND further has a control and evaluation logic SL, which can be integrated, for example, in the switching module S, and thus controls and monitors the power bus EB.
- the control and evaluation logic detects current violations and / or voltage dips
- the network node unit is always supplied in redundant manner from two sides with electrical energy and therefore has in the context of a switching module S. via a left switch Sl and a right switch S2 and via a load switch S3 to
- the network node unit SND also supplies the
- Communication unit SCU with voltage and can use this also via an Ethernet connection data
- the network node unit SND is here via the switch S3, the supply unit SPU
- Network node unit SND and the supply unit SPU e.g. in the form of a serial RS 422, provided.
- Energy-technically typical here is, for example, a three-phase connection with 400 VAC.
- Controller EC controls and supplies the switch W in FIG. 2 in the present case.
- the element controller EC receives data telegrams from a higher-level one
- Communication unit SCU the feedback to the
- the interlocking computer CPU can also represent a corresponding evaluation module that evaluates the received data as intended. In the present case, however, emphasis is placed in this embodiment on the control and evaluation logic integrated in the network node unit.
- FIG. 3 shows, in a schematic view, three examples a) to c) for the short-circuit shutdown of the power bus EB by the respectively affected network node units. Based on three short-circuit cases KS1, KS2 and KS3, the behavior during short-circuit shutdowns is explained in more detail. PS1 and PS2 are the feed points for the power bus EB. In the further course, the
- Feed-in point PS1 also as the left feed-in point PS1 and accordingly the feed-in point PS2 as the right-hand side
- Feed point PS2 called.
- Example a) and applies to examples b) and c) accordingly.
- Each network node unit SND1 to SND7 measures the bus current i and the direction in which the bus current flows. If now the limit for the short-circuit current
- Network node unit in a short circuit mode.
- Power bus is not immediately disconnected by the network node units SNDL to SND7, but the response of the bus shutdown is staggered, e.g. in ms steps as shown in the table in FIG.
- the waiting time of the network node unit SND1 to SND7 depends on the position in the energy bus EB and on the number of times in the
- Network node unit SND7 is thus the first one
- Network node unit which separates the right branch of the power bus EB from the remaining network node units. This is for the rest of the left branch of the
- Delay scheme switches the network node unit SND closest to the short circuit
- short-circuit KS1 For completeness, it should be mentioned for short-circuit KS1 that even the left PS2 stops here after 8ms the feed in case the short-circuit should still be present and thus not automatically isolated from both branches of the power bus EB by the staggered shutdown of the affected network node units could.
- the short circuit occurs between the network node units SND4 and SND5 (case b).
- the current i flows here for the network node units SND1 to SND4 from the left and for the network node units SND5 to SND7 from the right.
- the network node unit SND4 is the first one
- Network node units SND5 to SND7 fixed after 5ms. If now the two network node units SND4 and SND5 have their switches S2 and Sl open, the short circuit is disconnected from the power bus EB and the currents and
- the short circuit occurs between the network node units SND1 and SND2.
- the short-circuit current flows only for the
- Network node unit SND1 from the left (ie supply of left feed point PS1) and for the network node units SND2 to SND7 right (ie supply from the right feed point SP2).
- the network node unit SND2 is the first network node unit in the energy bus EB, which opens its left switch S1 at the time TO + 2 ms after the detection of the short circuit at the instant TO for the case "current from the right"
- the node unit SND1 opens its right switch S2 at time TO + 7ms, as shown in the table for the network node unit
- the short-circuit case KS3 for the network node unit SND1 is remedied after 7 ms If the two network node units SND2 and SND1 have their switches S1 or S2 open, the short circuit is disconnected from the energy bus EB after 7 ms and the currents and voltages normalize immediately, so that the other network node units,
- Network node units SND Signal Node Device
- Infeed of the power bus EB is redundant, so that all remain connected to the power bus EB
- the element controllers e.g., trackside annunciators, signal control, level crossing control and signaling devices
- PSU Power Supply Unit
- the existence of a short-circuit case is affirmative if the bus current i exceeds a pre-configured switch-off current and optionally the bus voltage drops below a specific limit of, for example, nominal 750 VDC to below 500 VDC. These values can also be lower or higher. Likewise it was assumed here that the
- Network node units and their consumers VI to V7 with their upstream PSU voltage converters are robust for a voltage interruption of up to approx. 20 ms. These values may also be differently dimensioned for other embodiments, such as e.g. 30ms or 50ms.
- Network node units i. in particular knows the
- the special inventive whistle lies in the fact that the energy bus EB sequentially involved
- Network node units SND depending on the position of the network node unit in the power bus EB and the current direction in the network node unit have staggered bus off times. These switch-off times depend on the current direction of the power bus EB in the considered network node unit SND.
- the use of the position of the network node unit SND in the power bus EB in combination with the current direction on the power bus EB is the key for determining the individual switch-off delay of the network node units SND participating in the power bus EB and for locating the network nodes
- Energy bus EB (number in the bus order) and the number SND on the same power bus.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Remote Monitoring And Control Of Power-Distribution Networks (AREA)
Abstract
Erfindungsgemäss sind ein System (Sys) und ein Verfahren zum automatischen Beseitigen eines Kurzschlusses in einem Energiebus (EB) vorgesehen, über den in einer industriellen Anlage angeordnete dezentrale Funktionseinheiten (E) mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei: a) ein übergeordnetes Steuerungssystem (STW) vorgesehen ist, das mit den dezentralen Funktionseinheiten (E) mittels Datentelegrammen Informationen über einen Datenbus (CB, NB1, NB2) austauscht, b) Netzknoteneinheiten (SND, SND1 bis SND7) sequentiell zwischen zwei Speisepunkten (PS1, PS2, Sp_L, Sp_R) eines ringartig aufgebauten Energiebusses (EB) angeordnet sind, die den dezentralen Funktionseinheiten (E) den Zugang zu dem Energiebus (EB) und optional auch zum Datenbus (CB) bereitstellen, c) die Netzknoteneinheiten (SND) über ein steuerbares Schaltmodul (S) verfügen, das einen ersten Schalter (S1) und einen zweiten Schalter (S2) umfasst, wobei mit den beiden Schaltern (S1, S2) je ein Zugang zu den beiden Speisepunkten (PS1, PS2, Sp_L, Sp_R) schaltbar ist, d) ein Auswertemodul (CPU) vorgesehen ist, das die gemessene Spannung und/oder den gemessenen Strom innerhalb einer Netzknoteneinheit (SND) und/oder unter benachbarten Netzknoteneinheiten (SND) und/oder in mindestens einem der beiden Speisepunkte auf einen Kurzschluss des Energiebusses (EB) auswertet, wobei bei einer Detektion eines Kurzschlusses eine zeitlich gestaffelte Abschaltung mindestens eines Teils der Netzknoteneinheiten (SND) von dem Energiebus (EB) durch Öffnen des ersten oder des zweiten Schalters ausführbar ist; und e) ein Abschaltzeitpunkt für jede Netzknoteneinheit (SND) in Abhängigkeit von einer in der Netzknoteneinheit (SND) vorherrschenden Stromrichtung und von der Position der Netzknoteneinheit (SND) im Energiebus (EB) vorgesehen ist.
Description
System und Verfahren zur automatischen
Kurzschlussbeseitigung in einem Energiebus
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zum automatischen Beseitigen eines
Kurzschlusses in einem Energiebus, über den in einer industriellen Anlage angeordnete dezentrale
Funktionseinheiten mit elektrischer Energie versorgt werden .
Derartige dezentrale Funktionseinheiten werden im
Besonderen in Schienenverkehrsnetzwerken z.B wie die Eisenbahn eingesetzt, wo diese genutzt werden, um
Fahrzeug beeinflussende und/oder Fahrzeug überwachende Einheiten zu steuern und bezüglich der Funktionalität zu überwachen und um Prozessdaten aufzunehmen und zurück an eine zentrale Steuerungs- und/oder Überwachungszentrale, wie zum Beispiel eine Leitstelle oder ein Stellwerk, zu melden. Als zugbeeinflussende Einheiten, die also
Anweisungen an den Fahrzeugführer geben oder sogar direkt Eingriffe in der Fahrzeugsteuerung vornehmen oder direkt einen sicheren Fahrweg einstellen, können beispielsweise Signale, Weichen, Balisen, Linienleiter, Gleismagnete und dergleichen sowie auch Sensoren zum Erfassen von
Prozessgrössen des fahrenden Zuges, wie
Leistungsaufnahme, Geschwindigkeit und dergleichen, betrachtet werden. Als Zug- und Gleisabschnitt
überwachende Einheiten können ebenfalls Balisen und
Linienleiter, aber auch Achszähler und Gleisstromkreise und andere Gleisfreimeldesysteme genannt werden.
Grundsätzlich betrifft die vorliegende Erfindung aber alle industriellen Anlagen, in denen funktionale
Einheiten über grössere Strecken verteilt sind und dennoch zentral gesteuert werden müssen. Die zentrale Steuerung kann dabei von einer ortsfesten Leitstelle, aber auch durch eine nicht-ortsfeste virtuelle Leitstelle wahrgenommen werden.
Im Eisenbahnverkehr ist es üblicherweise so, dass diese dezentralen Funktionseinheiten von einem Stellwerk oder einem abgesetzten Stellwerkrechner gesteuert werden. Für den Datentransfer zwischen dem Stellwerk und den
Funktionseinheiten im Gleisbereich sind heute in der
Regel standardisierte Kupferkabel vorgesehen, für deren klassische Stelldistanzlängen wegen der physikalischen Übertragungsparameter, den Kabelbelägen (RLC) , bei 10 km in der Praxis die obere Grenze liegt. Bei gewissen Typen von Funktionseinheiten kann diese obere Limite jedoch auch nur bei maximal 6,5 km liegen.
Aus dem Projekt Sinet® der Siemens Schweiz AG und der dazu korrespondierenden europäischen Patentanmeldung EP 2 301 202 AI sind eine Einrichtung und ein Verfahren zur Steuerung und/oder Überwachung von entlang eines
Verkehrsnetzwerks angeordneten dezentralen
Funktionseinheiten bekannt, welche folgenden Kernpunkte umfassen :
a) ein übergeordnetes Steuerungssystem, das mit den dezentralen Funktionseinheiten mittels Datentelegrammen Informationen austauscht,
b) ein Datentransportnetzwerk mit einer Anzahl von
Netzzugangspunkten, wobei das übergeordnete
Steuerungssystem über mindestens einen Netzzugangspunkt an dem Datentransportnetzwerk angekoppelt ist;
c) Kommunikationseinheiten, die jeweils an einem
Netzzugangspunkt angeschlossen sind, wobei:
d) die dezentralen Funktionseinheiten zu Untergruppen mit jeweils eigenem Subnetzwerk zusammengefasst sind; und wobei
e) das Subnetzwerk jeder der Untergruppen an jedem seiner beiden Ende jeweils über eine Kommunikationseinheit und über einem Netzzugangspunkt an dem Datentransportnetzwerk angekoppelt ist.
Auf diese Weise kann für die Ankopplung der dezentralen Funktionseinheiten ein digitales Datentransportnetzwerk
genutzt werden, welches in jeder Weise robust gegen ein einfaches Fehlerereignis ist, dennoch eine sehr
geschickte Verwendung von sehr breit in der Bahntechnik eingesetzten Cu-Kabeln, zum Beispiel bisher vorhandenen Stellwerkskabeln, erlaubt und schliesslich auch nur eine vergleichsweise geringe Zahl von Netzzugangspunkten benötigt .
Eine derartige Einrichtung ist dabei in besonders
vorteilhafter Weise für ein Schienennetz für den
Eisenbahnverkehr einsetzbar. Folglich ist dann
zweckmässig, mittels den dezentralen Funktionseinheiten verkehrsüberwachende und verkehrssteuernde
Funktionseinheiten, wie insbesondere Signale, Weichen, Achszähler, Gleisstromkreise, punkt- und linienförmige
Zugbeeinflussungselemente, an das Datentransportnetzwerk anzukoppeln .
Der Aufbau von technischen Anlagen, besonders auch in der Bahninfrastruktur, ist aufgrund der über 100 jährigen Geschichte des Industrieanlagenbaus und des
Eisenbahnwesens auf Robustheit und Zuverlässigkeit ausgelegt. In der damaligen Konzeption wurden besonders die Aussenelemente der Bahnsicherungsanlagen über relativ kräftige Kabeladern angeschlossen, um die Schaltzustände über die definierten Distanzen sicher detektieren zu können, d.h. die Auslegung erfolgt entsprechend der
Spitzenbelastungen mit ausreichender Reserve. Mit dem Schaltvorgang der Aussenelemente wird über die
Energiezuführung auch die Information übermittelt. Daraus folgt aber in naheliegender Weise auch, dass die
möglichen Distanzen durch den detektierbaren Energiefluss begrenzt sind. Unter heutigen Flexibilitäts- , Kosten- und Ressourcenpolitischen -Aspekten sind diese etablierten Konzepte neben der durch die EP 2 301 202 AI offenbarten Kommunikationsstruktur dringend auch im Bereich der
Energiezuführung zu innovieren und so die bisherige
Kopplung von Information und Energie aufzulösen.
Hierzu offenbart die internationalen Patentanmeldung WO 2013/013908 AI eine Lösung. Diese Lösung sieht eine
Einrichtung und ein Verfahren zum Betreiben von in einer industriellen Anlage angeordneten dezentralen
Funktionseinheiten vor, umfassend:
a) ein übergeordnetes Steuerungssystem, das mit den dezentralen Funktionseinheiten mittels Datentelegrammen Informationen austauscht,
b) ein Datentransportnetzwerk mit einer Anzahl von
Netzzugangspunkten, wobei das übergeordnete
Steuerungssystem über mindestens einen Netzzugangspunkt an dem Datentransportnetzwerk angekoppelt ist;
c) Kommunikationseinheiten, die an einem Netzzugangspunkt angeschlossen sind und den dezentralen Funktionseinheiten den Zugang zu dem Datentransportnetzwerk bereitstellen, und
d) ein Energietransportnetz, an das die dezentralen
Funktionseinheiten angeschlossen sind und das die
dezentralen Funktionseinheiten mit elektrischer Energie versorgt. Auf diese Weise ist nun auch das
Energietransportnetz vollkommen von einem Stellwerk entkoppelt . Ausgehend von der heutigen Stellwerkarchitektur mit dezentralen Stationen, aber Punkt-zu-Punkt- Energiezuführung, wird hiermit ein neuer, innovativer Ansatz beschritten, der von der Siemens Schweiz AG unter dem Namen Sigrid® vertrieben. Die heutigen kabel- und arbeitsintensiven Punkt- zu Punkt-Verbindungen für die
Stromversorgung bzw. die Energieversorgung der peripheren Elemente entlang dem Gleis (Element Controller oder auch dezentrale Funktionseinheit genannt) werden ersetzt durch adernsparende und einfach zu montierende Bus- oder
Ringleitungen.
Die in der WO 2013/013908 AI offenbarte Lösung beschränkt sich aber längst nicht nur auf den beschriebenen
Anwendungsfall der Stellwerksarchitektur von Bahnanlagen, sondern geht weit darüber hinaus. Als zukünftige
Beispiele werden das Energiemanagement für Gebäude oder für Grossanlagen in der produzierenden oder
verarbeitenden Industrie auf der Basis dezentraler
Energieversorgung gesehen.
Wenn der Energiebus zwischen zwei Stellwerken oder sonstigen Einrichtungen mit Anschluss zu den
Energieversorgungsnetzen verlegt wird, so kann die
Versorgung der angeschlossenen Verbraucher (dezentrale Funktionseinheiten) von beiden Speiseseiten erfolgen. Dadurch wird eine bisher noch nicht verfügbare Redundanz der Energieversorgung geschaffen. Die dezentralen
Funktionseinheiten - auch Element Controller oder kurz EC genannt) werden dabei durch Netzknoteneinheiten - auch Buskoppler oder kurz SND - Smart Node Device genannt - an den Datenbus und den Energiebus angeschlossen, die
Steuerungs-, Überwachungs- und Diagnosefunktionen
übernehmen können. Die SND können beispielsweise den
Energiebus unterbrechen bzw. durchschalten, sowie Ströme und Spannungen im Energiebus messen.
Einfache Defekte, also beispielsweise Kurzschlüsse oder Unterbrüche, im Energiebus führen bei korrekter
Behandlung aufgrund der Redundanz nicht unmittelbar zu einem Ausfall von Elementen. Im Fall einer ausfallenden Speiseseite würde die Versorgung aller dezentralen
Funktionselemente von der zweiten Speiseseite übernommen.
Dennoch ist es an dieser Stelle bisher nur mit einer unzulässig langen Reaktionszeit möglich einen Kurzschluss zwischen zwei Netzknoteneinheiten und/oder zwischen einer Netzknoteneinheit und einer Einspeisestelle zu
lokalisieren und in einer Weise zu beheben, dass alle dezentralen Funktionseinheiten aufgrund der Redundanz weiter mit Elektrizität versorgt werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren zur automatischen Beseitigung eines Kurzschlusses in einem Energiebus anzugeben, der in einer industriellen Anlage angeordnete dezentrale Funktionseinheiten mit elektrischer Energie vorsorgt. Dabei soll der Kurzschluss im Energiebus zuverlässig und schnell detektierbar und lokalisierbar sein, sodass umgehend Massnahmen zur Wiederherstellung der korrekten Funktion des Energiebusses eingeleitet werden können.
Die Aufgabe wird bezüglich des Systems erfindungsgemäss durch ein System zum automatischen Beseitigen eines Kurzschlusses in einem Energiebus, über den in einer industriellen Anlage angeordnete dezentrale
Funktionseinheiten mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei:
a) ein übergeordnetes Steuerungssystem vorgesehen ist, das mit den dezentralen Funktionseinheiten mittels
Datentelegrammen Informationen über einen Datenbus austauscht,
b) Netzknoteneinheiten sequentiell zwischen zwei
Speisepunkten eines ringartig aufgebauten Energiebusses angeordnet sind, die den dezentralen Funktionseinheiten den Zugang zu dem Energiebus und optional auch zum
Datenbus bereitstellen,
c) die Netzknoteneinheiten über ein steuerbares
Schaltmodul verfügen, das einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter umfasst, wobei mit den beiden Schaltern je ein Zugang zu den beiden Speisepunkten schaltbar ist, d) ein Auswertemodul vorgesehen ist, das die gemessene Spannung und/oder den gemessenen Strom innerhalb einer Netzknoteneinheit und/oder unter benachbarten
Netzknoteneinheiten und/oder in mindestens einem der beiden Speisepunkte auf einen Kurzschluss des
Energiebusses auswertet, wobei bei einer Detektion eines Kurzschlusses eine zeitlich gestaffelte Abschaltung mindestens eines Teils der Netzknoteneinheiten von dem
Energiebus durch Öffnen des ersten oder des zweiten Schalters ausführbar ist; und
e) ein AbschaltZeitpunkt für jede Netzknoteneinheit in Abhängigkeit von einer in der Netzknoteneinheit
vorherrschenden Stromrichtung und von der Position der Netzknoteneinheit im Energiebus vorgesehen ist.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe
erfindungsgemäss durch ein Verfahren zum automatischen Beseitigen eines Kurzschlusses in einem Energiebus gelöst, über den in einer industriellen Anlage
angeordnete dezentrale Funktionseinheiten mit
elektrischer Energie versorgt werden, wobei:
a) ein übergeordnetes Steuerungssystem vorgesehen ist, das mit den dezentralen Funktionseinheiten mittels
Datentelegrammen Informationen über einen Datenbus austauscht,
b) Netzknoteneinheiten sequentiell zwischen zwei
Speisepunkten eines ringartig aufgebauten Energiebusses angeordnet sind, die den dezentralen Funktionseinheiten den Zugang zu dem Energiebus und optional auch zum
Datenbus bereitstellen,
c) die Netzknoteneinheiten über ein steuerbares
Schaltmodul verfügen, das einen ersten Schalter und einem zweiten Schalter umfasst, wobei mit den beiden Schaltern je ein Zugang zu den beiden Speisepunkten schaltbar ist, d) ein Auswertemodul vorgesehen ist, das die gemessene Spannung und/oder den gemessenen Strom innerhalb einer Netzknoteneinheit und/oder unter benachbarten
Netzknoteneinheiten und/oder in mindestens einer der beiden Speisepunkte auf einen Kurzschluss des
Energiebusses auswertet, wobei bei einer Detektion eines Kurzschlusses eine zeitlich gestaffelte Abschaltung zumindest eines Teils der Netzknoteneinheiten ausgeführt wird; und
e) ein AbschaltZeitpunkt für jede Netzknoteneinheit in Abhängigkeit von einer in der Netzknoteneinheit
vorherrschenden Stromrichtung und von der Position der Netzknoteneinheit im Energiebus vorgesehen ist.
Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die dem
Kurzschluss am nächsten liegenden Netzknoteneinheiten zuerst den Energiebus unterbrechen, wobei dieser
Unterbruch durch das Öffnen des jeweils zur Seite des Kurzschlusses gerichteten Schalters der Netzknoteneinheit erfolgt. Mit der Detektion des Kurzschlusses startet daher die Zeit bis zum jeweiligen AbschaltZeitpunkt der Netzknoteneinheit, wobei dieser AbschaltZeitpunkt für jede Netzknoteneinheit in Abhängigkeit von der
Stromrichtung und der Position im Energiebus projektiert ist. Jede Netzknoteneinheit kennt daher ihren jeweiligen Abschaltzeitpunkt, sobald ein Kurzschluss detektiert wurde. Als Kurzschluss kann dabei beispielsweise ein Zustand des Energiebusses charakterisiert werden, der einen vorprojektierten Abschaltstrom überschreitet und/oder der die Spannung des Energiebusses unterhalb eine vorprojektierte Abschaltspannung fallen lässt.
Als besonders sinnvoll hat es dabei erwiesen, wenn bei einen Stromfluss durch einen der beiden Speisepunkte die diesem Speisepunkt am entferntesten liegende
Netzknoteneinheit den frühesten AbschaltZeitpunkt zur Auftrennung des Energiebusses zum anderen Speisepunkt aufweist und sich die weiteren AbschaltZeitpunkte
sequentiell von Netzknoteneinheit zu Netzknoteneinheit mit einem vorgebbaren Zeitintervall gestaffelt in
Richtung zum versorgenden Speisepunkt erhöhen.
Typischerweise kann dieses vorgebbare Zeitintervall im einstelligen Millisekundenbereich liegen, vorzugsweise zum Beispiel 1 ms betragen. Letztendlich hängt dieses Zeitintervall aber von der Dimensionierung des
Energiebusses und der dezentralen Funktioneinheit ab. Beträgt beispielsweise die maximale Zahl von in dem
Energiebus sequentiell angeordneten Netzknoteneinheiten
16 Netzknoteneinheiten, ergibt sich unter der Randbedingung, dass eine dezentrale Funktionseinheit E einen Versorgungsunterbruch für 20 ms puffern kann, der Wert von rund einer Millisekunde für dieses Zeitintervall (bei Bevorratung einer kleinen Reserve) .
Grundsätzlich könnte auch eine kaskadierte Abschaltung der Netzknoteneinheiten vorgesehen sein, wobei dann die gestaffelte Abschaltung zur Auftrennung des Energiebusses von Netzknoteneinheiten solange ausführbar sein kann, bis das Auswertemodul das Vorliegen eines Kurzschlusses verneint .
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann realisiert werden, wenn das Auswertemodul allen Netzknoteneinheiten nach der Detektion eines
Kurzschlusses eine Mitteilung über das Vorliegen des Kurzschlusses zusammen mit einem Zeitstempel zusendet. Diese Variante erfordert jedoch eine hinreichend schnelle Kommunikation zwischen dem Auswertemodul und den
Netzknoteneinheiten .
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, die diesbezüglich praktisch keine Kommunikation zwischen den Netzknoteneinheiten zur selekten Abschaltung des
Energiebusses benötigt, kann erreicht werden, wenn jede Netzknoteneinheit selbst über das Auswertemodul verfügt. So kann jede Netzknoteneinheit selbsttätig das Vorliegen eines Kurzschlusses detektieren. Mit der Detektion des Kurzschlusses startet daher die Zeit bis zum jeweiligen AbschaltZeitpunkt der Netzknoteneinheit, wobei dieser AbschaltZeitpunkt für jede Netzknoteneinheit in
Abhängigkeit von der Stromrichtung und der Position im Energiebus projektiert ist. Jede Netzknoteneinheit kennt daher ihren jeweiligen AbschaltZeitpunkt . Die Zeit bis zu diesem AbschaltZeitpunkt beginnt in dem Moment der
Detektion des Kurzschlusses zu laufen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 in schematischer Ansicht eine
Stellwerkarchitektur mit einem Datenbus und einem Energiebus;
Figur 2 in schematischer Ansicht eine Netzknoteneinheit zur Verbindung einer dezentralen
Funktionseinheit mit dem Datenbus und Energiebus;
Figur 3 in schematischer Ansicht Beispiele für die
Kurzschlussabschaltung des Energiebusses durch die Netzknoteneinheiten; und
Figur 4 in tabellarischer Ansicht die Staffelung der zeitlichen AbschaltZeitpunkte für die Netzknoteneinheiten in Abhängigkeit von der Position der Netzknoteneinheiten im Energiebus und von der Stromrichtung.
Figur 1 zeigt schematisch eine Stellwerkarchitektur mit einem System Sys, das u.a. ein Stellwerk STW, einen redunant abgebauten Datenbackbone NB1, NB2, einen
Datenbus CB und einen Energiebus EB mit zwei
Speisestellen PS1 und PS2 aufweist. Das Stellwerk STW steuert einen Zugverkehr auf einem Gleisabschnitt G, in welchem Signale S, Weichen W, ein Bahnübergang Bue und Achszähler AC angeordnet sind. Diese Zugsicherungs- und Zugbeeinflussungskomponenten koppeln jeweils mit einer dezentralen Funktionseinheit - auch Element Controller Unit E genannt - an dem Datenbus CB und dem Energiebus EB an. Die dezentralen Funktionseinheiten E sind dabei so an
den ringförmigen Datenbus CB angeschlossen, dass über jede Seite des ringförmigen Datenbusses CB entweder der Zugriff auf den Datenbackbone NB1 bzw. NB2 gegeben ist. Der Datenbus CB koppelt dabei mit entsprechenden
Routern/Switches SW an dem jeweiligen Datenbackbone NB1, NB2 an. Zudem gewährleistet der sequentielle Anschluss der Element Controller Unit E an den ringförmigen Energiebus, dass jede Element Controller Unit E von beiden Seiten her und damit redundant mit elektrischer Energie versorgt werden kann.
Figur 2 zeigt nun schematisch die daten- und
energieversorungstechnische Anschaltung der Element
Controller Unit E einer Zugbeeinflussungskomponente, hier zum Beispiel eine Weiche W, an den Datenbus CB und den
Energiebus EB . Ein derartiger Anschaltpunkt umfasst eine Netzknoteneinheit SND und den eigentlichen Element
Controller EC. Die Netzknoteneinheit SND umfasst eine Kommunikationseinheit SCU zum Datenaustausch über beide Äste des Datenbusses CB . Energieseitig ist die
Netzknoteneinheit SND so ausgestaltet, dass sie an beiden Ästen des Energiebusses EB ankoppelt und damit immer, ggfs. über andere Netzknoteneinheiten SND hinweg - ein Zugang zu beiden Einspeisepunkten PS1 und PS2 besteht (wie in Figur 1 gezeigt) . Die Netzknoteneinheit SND verfügt weiter über eine Steuer- und Auswertelogik SL, die zum Beispiel in das Schaltmodul S integriert sein kann, und steuert und überwacht damit den Energiebus EB . Im Besonderen detektiert die Steuer-und Auswertelogik Stromüberschreitungen und/oder Spannungseinbrüche
innerhalb des Energiebusses EB und/oder beim
angeschlossenen Verbraucher (SPU mit EC) und wertet diese Daten auf einen möglicherweise vorliegenden Kurzschluss aus .
Somit wird die Netzknoteneinheit immer in redundanter Weise von zwei Seiten her mit elektrischer Energie versorgt und verfügt daher im Rahmen eines Schaltmoduls S
über einen linken Schalter Sl und einen rechten Schalter S2 sowie über einen Lastschalter S3 zur
Versorgungseinheit SPU des Element Controllers EC. Die Netzknoteneinheit SND versorgt auch die
Kommunikationseinheit SCU mit Spannung und kann mit dieser auch über eine Ethernet-Verbindung Daten
austauschen und ist damit in den Datenbus CB eingebunden (z.B. Aktivieren des Handbetriebs des SND über
Fernzugriff und Betätigen der Schalter Sl bis S3, Abgabe von Diagnosedaten an das Stellwerk oder ein
übergeordnetes Service- und Diagnosesytem, Abfrage der aktuellen Spannungen, Ströme, Energie- und
Leistungswerte, Parametrierung des SND, Daten für
Aufladung eines hier nicht weiter dargestellten
Energiespeichers oder die Anmeldung eines zukünftigen Leistungsbedarfs) . In die Netzknoteneinheit SND ist hier über den Schalter S3 die Versorgungseinheit SPU
integriert, die die Spannung des Energiebusses EB auf die für den Element Controller EC erforderliche
Eingangsspannung konvertiert. Zudem ist eine
Datenverbindung zwischen dem Schaltmodul S der
Netzknoteneinheit SND und der Versorgungseinheit SPU, z.B. in Form einer serielle RS 422, vorgesehen.
Energietechnisch typisch ist hier zum Beispiel eine dreiphasige Verbindung mit 400 VAC . Der Element
Controller EC steuert und versorgt in Figur 2 vorliegend die Weiche W. Dabei empfängt der Element Controller EC Datentelegramme von einem übergeordneten
Stellwerksrechner CPU via einer Ethernet-Verbindung von der Kommunikationseinheit SCU und gibt über diese
Kommunikationseinheit SCU die Rückmeldungen an den
Stellwerksrechner CPU. Der Stellwerksrechner CPU kann auch ein entsprechendes Auswertemodul repräsentieren, dass die empfangenen Daten bestimmungsgemäss auswertet. Vorliegend wird aber in diesem Ausführungsbeispiel der Schwerpunkt auf die in die Netzknoteneinheit integrierte Steuer- und Auswertelogik gelegt.
Figur 3 zeigt in schematischer Ansicht drei Beispiele a) bis c) für die Kurzschlussabschaltung des Energiebusses EB durch die jeweils betroffenen Netzknoteneinheiten. Ausgehend von drei Kurzschlussfällen KS1, KS2 und KS3 wird das Verhalten bei Kurzschlussabschaltungen näher erklärt. PS1 bzw. PS2 sind die Einspeisestellen für den für den Energiebus EB . Im weiteren Verlauf wird die
Einspeisestelle PS1 auch als linke Einspeisestelle PS1 und entsprechend die Einspeisestelle PS2 als rechte
Einspeisestelle PS2 bezeichnet. In der vorliegenden
Darstellung sind sieben Netzknoteneinheiten SNDl bis SND7 sequentiell in den Energiebus EB geschaltet. Die gesamten Stromverbraucher der Element Controller Unit E werden hier vereinfacht entsprechend als Verbraucher VI bis V7 bezeichnet. Stromverbraucher in diesem Sinne sind dabei u.a. die Element Controller EC und die vorgeschaltete Versorgungseinheit SPU. Diese Notation wurde in der Figur 3 der besseren Übersichtichkeit halber nur für das
Bespiel a) eingefügt und gilt für die Beispiele b) und c) entsprechend .
Jede Netzknoteneinheit SNDl bis SND7 misst den Bussstrom i und die Richtung, in welcher der Bussstrom fliesst. Wenn nun der Grenzwert für den Kurzschlussstrom
überschritten wird und/oder die Busspannung unter einen definierten Wert fällt, so geht die jeweilige
Netzknoteneinheit in einen Kurzschlussmodus. Der
Energiebus wird durch die Netzknoteneinheiten SNDl bis SND7 nicht sofort aufgetrennt, sondern die Reaktion der Busabschaltung erfolgt gestaffelt z.B. im ms Schritten wie in der Tabelle in Figur 4 gezeigt. Die Wartezeit der Netzknoteneinheit SNDl bis SND7 ist abhängig von der Position im Energiebus EB und von der Anzahl der im
Energiebus EB vorhandenen Netzknoteneinheiten SNDl bis SND7.
Im Kurzschlussfall KS1 in Figur 3a) befindet sicher der Kurzschluss zwischen der Netzknoteneinheit SND7 und der rechten Speisestelle PS2. Hier fliesst der Strom von links nach rechts, und jede Netzknoteneinheit SND1 bis SND7 stellt mit ihrer jeweiligen Auswertelogik zu einem allen Netzknoteneinheiten gemeinsamen Zeitpunkt TO das Vorliegen des Kurzschlusses fest. Da der Strom i in jeder der Netzknoteneinheiten SND1 bis SND7 von links nach rechts fliesst, öffnet die Netzknoteneinheit SND7 ihren rechten Schalter S2 zum Zeitpunkt T0+lms. Diese
Netzknoteneinheit SND7 ist somit die erste
Netzknoteneinheit, die den rechten Ast des Energiebusses EB von den übrigen Netzknoteneinheiten separiert. Damit besteht für den ganzen übrigen linken Ast des
Energiebusses der Kurzschlussfall KS1 nicht mehr fort. Es kommt daher zu keiner weiteren Abschaltung des rechten Astes des Energiebusses. Wäre der Strom i komplett in die andere Richtung geflossen, wäre die Netzknoteneinheit SND1 ganz links die erste Netzknoteneinheit gewesen, die durch Öffnen ihres linken Schalters Sl die Verbindung zum linken Ast des Energiebusses unterbrochen hätte. Durch das in Figur 4 tabellarisch angegebenen
Verzögerungsschema schaltet die Netzknoteneinheit SND, die jeweils am nächsten beim Kurzschluss liegt,
automatisch als erstes ab. Die auf dem jeweiligen Ast weiter entfernten Netzknoteneinheiten messen zu dem
Zeitpunkt, an dem sie abschalten dürften, bereits keinen Kurzschluss mehr. In einem Bus mit dem Maximalausbau von 16 Netzknoteneinheiten wäre also ein Kurzschluss
spätestens nach 16ms vom Energiebus abgetrennt. Der
Vollständigkeit halber sei zum Kurzschlussfall KS1 noch erwähnt, dass auch die linke Speisestelle PS2 hier nach spätestens 8ms die Einspeisung unterbricht, falls der Kurzschlussfall dann immer noch vorliegen sollte und somit durch die gestaffelte Abschaltung der betroffenen Netzknoteneinheiten nicht automatisch von beiden Ästen des Energiebusses EB isoliert werden konnte.
Bei dem zweiten Kurzschlussfall KS2 tritt der Kurzschluss zwischen den Netzknoteneinheiten SND4 und SND5 (Fall b) auf. Der Strom i fliesst hier für die Netzknoteneinheiten SND1 bis SND4 von links und für die Netzknoteneinheiten SND5 bis SND7 von rechts. Gemäss der Tabelle in Figur 4 ist die Netzknoteneinheit SND4 ist die erste
Netzknoteneinheit im Energiebus EB, die nach der
Detektion des Kurzschlusses zum Zeitpunkt TO für den Fall „Strom von links" ihren rechten Schalter S2 zum Zeitpunkt TO + 4ms öffnet. Damit ist der Kurzschlussfall KS2 für die Netzknoteneinheiten SND1 bis SND4 nach 4ms behoben. Die Netzknoteneinheit SND5 öffnet zum Zeitpunkt TO + 5ms ihren linken Schalter Sl, wie dies in der Tabelle für die Netzknoteneinheit SND5 bei „Strom von rechts" vorgesehen ist. Damit ist der Kurzschlussfall KS2 für die
Netzknoteneinheiten SND5 bis SND7 nach 5ms behoben. Wenn nun die beiden Netzknoteneinheiten SND4 und SND5 ihre Schalter S2 bzw. Sl geöffnet haben, ist der Kurzschluss vom Energiebus EB abgetrennt und die Ströme und
Spannungen normalisieren sich augenblicklich wieder, sodass die übrigen Netzknoteneinheiten, hier SND1 bis SND3, SND6 und SND7 gar nicht mehr schalten.
Für den in Figur 3c) gezeigten Kurzschlussfall KS3 tritt der Kurzschluss zwischen den Netzknoteneinheiten SND1 und SND2. Hier fliesst der Kurzschlusstrom nur für die
Netzknoteneinheit SND1 von links (also Versorgung von linken Speisestelle PS1) und für die Netzknoteneinheiten SND2 bis SND7 rechts (also Versorgung von der rechten Speisestelle SP2) . Gemäss der Tabelle in Figur 4 ist die Netzknoteneinheit SND2 ist die erste Netzknoteneinheit im Energiebus EB, die nach der Detektion des Kurzschlusses zum Zeitpunkt TO für den Fall „Strom von rechts" ihren linken Schalter Sl zum Zeitpunkt TO + 2ms öffnet. Damit ist der Kurzschlussfall KS3 für die Netzknoteneinheiten SND2 bis SND7 nach 2ms behoben. Die Netzknoteneinheit SND1 öffnet zum Zeitpunkt TO + 7ms ihren rechten Schalter S2, wie dies in der Tabelle für die Netzknoteneinheit
SND1 bei „Strom von links" vorgesehen ist. Damit ist der Kurzschlussfall KS3 für die Netzknoteneinheit SND1 nach 7ms behoben. Wenn nun die beiden Netzknoteneinheiten SND2 und SND1 ihre Schalter Sl bzw. S2 geöffnet haben, ist der Kurzschluss nach 7ms vom Energiebus EB abgetrennt und die Ströme und Spannungen normalisieren sich augenblicklich wieder, sodass die übrigen Netzknoteneinheiten, hier SND3 bis SND7, gar nicht mehr schalten. Die im vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele erläutern so ein System und ein Verfahren, welche im Falle eines Kurzschlusses am Energiebus EB den Energiebus selektiv an jenem Streckenteil derart auftrennt, dass nur derjenige Streckenteil, an welchem der Kurzschluss tatsächlich stattfindet, abgetrennt wird. Die selektive Auftrennung des Busses erfolgt dabei über die
Netzknoteneinheiten SND (Sigrid Node Device) , welche entlang dem Energiebus EB eingesetzt werden. Da die
Einspeisung des Energiebusses EB redundant erfolgt, bleiben damit alle am Energiebus EB angeschlossenen
Verbraucher VI bis V7 verfügbar und es ergeben sich keine Einschränkungen für die industrielle Anlage, hier für den Bahnverkehr. Mit der Detektion des Kurzschlussfalles KS1 bis KS3 wird eine Diagnosemeldung abgegeben, sodass der defekte Streckenteil repariert werden kann und das System wieder instand gestellt werden kann. Als Verbraucher VI bis V7 am Energiebus EB werden die Element Controller (z.B. Steuer- und Meldegeräte für Gleisfreimeldung, Signalsteuerung, Bahnübergangssteuerung und
Weichensteuerung) mit ihren vorgeschalteten Speisegeräten PSU (Power Supply Unit) bezeichnet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Vorliegen eines Kurzschlussfalles bejaht, wenn wenn der Busstrom i einen vorprojektierten Abschaltstrom überschreitet und optional die Busspannung unterhalb eine bestimmte Limite von z.B. nominal 750 VDC auf unter 500 VDC fällt. Diese Werte können aber auch noch tiefer oder höher liegen.
Ebenso wurde hier angenommen, dass die
Netzknoteneinheiten und ihre Verbraucher VI bis V7 mit ihren vorgeschalteten Spannungskonvertern PSU robust für einen Spannungsunterbruch von bis zu ca. 20 ms sind. Auch dieser Werte kann für andere Ausführungsbeispiele auch anders dimensioniert sein, wie z.B. 30ms oder 50 ms.
Die Vorteile, die sich mit der vorliegenden Erfindung und ihren vorteilhaften Ausgestaltungen ergeben, können nachfolgend wie folgt zusammengefasst werden: a) es erfolgt eine gezielte Abschaltung des Energiebusses EB im Falle eines Kurzschlusses so, dass durch die redundante Buseinspeisung kein Verbraucher VI bis V7 vom Energiebus EB weggetrennt wird und damit die dezentralen Verbraucher für den (Bahn- ) Betrieb verfügbar bleiben; b) das Verfahren und das System kommen ohne Kommunikation zwischen den Netzknoteneinheiten SND1 bis SND7 aus, die selektive Busabschaltung vorzunehmen; es genügt an dieser Stelle eine vorgängige Projektierung in den
Netzknoteneinheiten, d.h. im Besonderen kennt die
Netzknoteneinheit ihren AbschaltZeitpunkt für den Fall, dass im Zeitpunkt TO ein Kurzschluss detektiert wird; c) die Abschaltung des Teiles des Energiebusses EB mit dem Kurzschluss erfolgt elektronisch, d.h. es müssen keine Sicherungen gewechselt werden; d) die Lokalisation des Kurzschlusses bzw. des
Teilsegmentes im Energiebus, innerhalb welchem der
Kurzschluss stattfindet, ist sehr einfach möglich; e) die Möglichkeit der automatischen Wiederanschaltung des durch den Kurzschluss gestörten Abschnitts des
Energiebusses besteht; die Anzahl erlaubter Versuche kann in den Netzknoteneinheiten SND entsprechend projektierbar werden;
f) es besteht zudem die Möglichkeit mit einem Remote- Eingriff auf die Netzknoteneinheiten einzuwirken und den Kurzschluss-gestörten Abschnitt manuell wieder
anzuschalten, z.B. nach Beseitigung der
Kurzschlussursache .
Der besondere erfinderische Pfiff liegt damit darin, dass die im Energiebus EB sequentiell eingebundenen
Netzknoteneinheiten SND ein abhängig von der Position der Netzknoteneinheit im Energiebus EB und der Stromrichtung in der Netzknoteneinheit zeitlich gestaffelte Bus- Abschaltzeiten aufweisen. Diese Abschaltzeiten sind abhängig von der Stromrichtung des Energiebusses EB im betrachteten Netzknoteneinheit SND. Die Benutzung der Position der Netzknoteneinheit SND im Energiebus EB in Kombination mit der Stromrichtung auf dem Energiebus EB, ist der Schlüssel für die Bestimmung der individuellen Abschaltverzögerung der am Energiebus EB beteiligten Netzknoteneinheiten SND sowie für die Ortung der
Teilstrecke, auf der zwischen zwei Netzknoteneinheiten SND liegend der Kurzschluss aufgetreten ist. Das
Verfahren und das System Sys brauchen so keine
Kommunikation zwischen den Netzknoteneinheiten SND, um die selektive Busabschaltung vorzunehmen, es genügt eine vorgängige Projektierung in der Netzknoteneinheit SND bzgl. der Position der Netzknoteneinheit SND am
Energiebus EB (Nummer in der Busreihenfolge) und der Anzahl SND am gleichen Energiebus.
Anstelle der Anzahl SND im Energiebus EB kann alternativ auch die max . Anzahl SND für die Berechnung der
Abschaltzeiten berücksichtigt werden. Die Reaktion auf einen Kurzschluss erfolgt dann etwas verzögerter; sie kann aber unter 20 ms (Millisekunden) gehalten werden, falls für die Schrittfolge pro SND 1 ms angenommen wird (wenn die max. Anzahl der SND in einem Energiebus EB - wie in diesem Ausführungsbeispiel - auf 16 begrenzt ist) .
Bei der Projektierung der Netzknoteneinheit muss der Netzknoteneinheit SND also mitgeteilt werden, wie viele SND im Bus vorhanden sind und an welcher Position es liegt. Aus diesen Informationen kann das SND sich dann auch die notwendigen Reaktionszeiten für das Abschalten beim Kurzschlussfall berechnen, womit durch die
Bereitstellung der entsprechenden Formel der
AbschaltZeitpunkt ebenfalls vorbestimmt ist. Ein
Kurzschluss eines an der Netzknoteneinheit SND
angeschlossenen Verbrauchers VI bis V7 hat für die restlichen Netzknoteneinheiten SND am Energiebus EB die gleiche Wirkung wie ein Kurzschluss im Energiebus EB . Hier schaltet aber die betroffene Netzknoteneinheit SND ohne Verzögerung den Verbraucher VI bis V7ab, sodass es zu keinen Busabschaltungen kommt. Sollte in diesem Fall einen Netzknoteneinheit nicht unverzüglich den
Verbraucher abschalten, würden die unmittelbar
benachbarten Netzknoteneinheit die fehlerhafte
Netzknoteneinheit mit ihrem den Kurzschluss auslösenden Verbraucher vom Energiebus beidseitig abtrennen.
Claims
1. System (Sys) zum automatischen Beseitigen eines
Kurzschlusses in einem Energiebus (EB) , über den in einer industriellen Anlage angeordnete dezentrale
Funktionseinheiten (E) mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei:
a) ein übergeordnetes Steuerungssystem (STW) vorgesehen ist, das mit den dezentralen Funktionseinheiten (E) mittels Datentelegrammen Informationen über einen
Datenbus (CB, NB1, NB2) austauscht,
b) Netzknoteneinheiten (SND, SND1 bis SND7) sequentiell zwischen zwei Speisepunkten (PS1, PS2) eines ringartig aufgebauten Energiebusses (EB) angeordnet sind, die den dezentralen Funktionseinheiten (E) den Zugang zu dem Energiebus (EB) und optional auch zum Datenbus (CB) bereitstellen,
c) die Netzknoteneinheiten (SND) über ein steuerbares Schaltmodul (S) verfügen, das einen ersten Schalter (Sl) und einen zweiten Schalter (S2) umfasst, wobei mit den beiden Schaltern (Sl, S2) je ein Zugang zu den beiden Speisepunkten (PS1, PS2) schaltbar ist,
d) ein Auswertemodul (CPU, SL) vorgesehen ist, das die gemessene Spannung und/oder den gemessenen Strom
innerhalb einer Netzknoteneinheit (SND) und/oder unter benachbarten Netzknoteneinheiten (SND) und/oder in mindestens einem der beiden Speisepunkte (PS1, PS2) auf einen Kurzschluss des Energiebusses (EB) auswertet, wobei bei einer Detektion eines Kurzschlusses eine zeitlich gestaffelte Abschaltung mindestens eines Teils der
Netzknoteneinheiten (SND) von dem Energiebus (EB) durch Öffnen des ersten oder des zweiten Schalters (Sl, S2) ausführbar ist; und
e) ein AbschaltZeitpunkt für jede Netzknoteneinheit (SND) in Abhängigkeit von einer in der Netzknoteneinheit (SND) vorherrschenden Stromrichtung und von der Position der Netzknoteneinheit (SND) im Energiebus (EB) vorgesehen ist .
2. System nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einen Stromfluss durch einen der beiden Speisepunkte (PS1, PS2) die diesem Speisepunkt (PS1, PS2) am
entferntesten liegende Netzknoteneinheit (SND, SND1 bis SND7) den frühesten AbschaltZeitpunkt zur Auftrennung des Energiebusses (EB) zum anderen Speisepunkt (PS1, PS2) aufweist und sich die weiteren AbschaltZeitpunkte
sequentiell von Netzknoteneinheit (SND, SND1 bis SND7) zu Netzknoteneinheit (SND, SND1 bis SND7) mit einem
vorgebbaren Zeitintervall gestaffelt in Richtung zum versorgenden Speisepunkt (PS1, PS2) erhöhen.
3. System nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das vorgebbare Zeitintervall im einstelligen
Millisekundenbereich liegt, vorzugsweise 1 ms beträgt.
4. System nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die gestaffelte Abschaltung zur Auftrennung des
Energiebusses (EB) von Netzknoteneinheiten (SND, SND1 bis SND7) solange ausführbar ist, bis das Auswertemodul (CPU, SL) das Vorliegen eines Kurzschlusses verneint.
5. System nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Auswertemodul (CPU, SL) allen Netzknoteneinheiten (SND, SND1 bis SND7) nach der Detektion eines
Kurzschlusses eine Mitteilung über das Vorliegen des
Kurzschlusses zusammen mit einem Zeitstempel zusendet.
6. System nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
jede Netzknoteneinheit (SND, SND1 bis SND7) für beide Richtungen des Stromflusses den jeweiligen
AbschaltZeitpunkt kennt.
7. System nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
jede Netzknoteneinheit (SND, SND1 bis SND7) über ein Auswertemodul (SL) verfügt.
8. Verfahren zum automatischen Beseitigen eines
Kurzschlusses in einem Energiebus (EB) , über den in einer industriellen Anlage angeordnete dezentrale
Funktionseinheiten (E) mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei:
a) ein übergeordnetes Steuerungssystem (STW) vorgesehen ist, das mit den dezentralen Funktionseinheiten (E) mittels Datentelegrammen Informationen über einen
Datenbus (CB, NB1, NB2) austauscht,
b) Netzknoteneinheiten (SND) sequentiell zwischen zwei Speisepunkten (PS1, PS2) eines ringartig aufgebauten Energiebusses (EB) angeordnet sind, die den dezentralen Funktionseinheiten (E) den Zugang zu dem Energiebus (EB) und optional auch zum Datenbus (CB, NB1, NB2)
bereitstellen,
c) die Netzknoteneinheiten (SND) über ein steuerbares Schaltmodul (S) verfügen, das einen ersten Schalter (Sl) und einem zweiten Schalter (S2) umfasst, wobei mit den beiden Schaltern (Sl, S2) je ein Zugang zu den beiden Speisepunkten (PS1, PS2) schaltbar ist,
d) ein Auswertemodul (CPU, SL) vorgesehen ist, das die gemessene Spannung und/oder den gemessenen Strom
innerhalb einer Netzknoteneinheit (SND) und/oder unter benachbarten Netzknoteneinheiten (SND) und/oder in mindestens einer der beiden Speisepunkte (PS1, PS2) auf einen Kurzschluss des Energiebusses (EB) auswertet, wobei bei einer Detektion eines Kurzschlusses eine zeitlich gestaffelte Abschaltung zumindest eines Teils der
Netzknoteneinheiten (SND, SND1 bis SND7) ausgeführt wird; und
e) ein AbschaltZeitpunkt für jede Netzknoteneinheit (SND, SND1 bis SND7) in Abhängigkeit von einer in der
Netzknoteneinheit (SND, SND1 bis SND7) vorherrschenden
Stromrichtung und von der Position der Netzknoteneinheit (SND, SND1 bis SND7) im Energiebus (EB) vorgesehen ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einen Stromfluss durch einen der beiden Speisepunkte (PS1, PS2) die diesem Speisepunkt (PS1, PS2) am
entferntesten liegende Netzknoteneinheit (SND, SND1 bis SND7) den frühesten AbschaltZeitpunkt zur Auftrennung des Energiebusses zum anderen Speisepunkt (PS1, PS2) aufweist und sich die weiteren AbschaltZeitpunkte sequentiell von Netzknoteneinheit (SND, SND1 bis SND7) zu
Netzknoteneinheit (SND, SND1 bis SND7) mit einem
vorgebbaren Zeitintervall gestaffelt in Richtung zum versorgenden Speisepunkt (PS1, PS2) erhöhen.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das vorgebbare Zeitintervall im einstelligen
Millisekundenbereich liegt, vorzugsweise 1 ms beträgt.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
die gestaffelte Abschaltung zur Auftrennung des
Energiebusses (EB) von Netzknoteneinheiten (SND, SND1 bis SND7) solange ausgeführt wird, bis das Auswertemodul (CPU, SL) das Vorliegen eines Kurzschlusses verneint.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
das Auswertemodul (CPU, SL) allen Netzknoteneinheiten (SND, SND1 bis SND7) nach der Detektion eines
Kurzschlusses eine Mitteilung über das Vorliegen des Kurzschlusses zusammen mit einem Zeitstempel zusendet.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
jede Netzknoteneinheit (SND, SND1 bis SND7) für beide Richtungen des Stromflusses den jeweiligen
AbschaltZeitpunkt kennt.
14. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass
jede Netzknoteneinheit (SND, SND1 bis SND7) über eine Auswertemodul (SL) verfügt.
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