EP4104269A1 - Redundante stromversorgung, insbesondere für data center, sowie verfahren und computerprogramm für deren betrieb - Google Patents
Redundante stromversorgung, insbesondere für data center, sowie verfahren und computerprogramm für deren betriebInfo
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- EP4104269A1 EP4104269A1 EP22718993.3A EP22718993A EP4104269A1 EP 4104269 A1 EP4104269 A1 EP 4104269A1 EP 22718993 A EP22718993 A EP 22718993A EP 4104269 A1 EP4104269 A1 EP 4104269A1
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Classifications
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- H02J9/062—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems for AC powered loads
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 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 kinetic intermediate energy storage devices, 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.
- the present invention relates to subsystems each having a load supplied by two power supplies, which can be coupled by means of a busbar in the event of a fault.
- Coupling switches are provided for this hen, with which each load and each power supply can be connected to the busbar. These section switches are open when there is no fault and are selectively closed when a fault is detected. Which section switches are selectively closed depends on the type of fault detected.
- each load is supplied directly (apart from the usual safety precautions such as circuit breakers and switch disconnectors, fuses, etc.) by two power supplies, and that in the event of a fault in one Subsystem the power supplies of the other subsystem can be switched on to supply the load affected by the fault.
- This interconnection which can be activated in the event of a fault or other special operating cases, of the two subsystems that are operated independently of one another in fault-free or normal operation, each consisting of two power supplies and a load, advantageously means that (as, for example, in the case of US 2014/0191579 A1 ) each power supply alone must be able to operate the respective load.
- the redundant second power supply does not have to carry the additional load alone, but one embodiment of the invention provides for the dome1 switch to be switched on selectively in faulty operation and then the first load to be supplied additionally by means of the third and the fourth Stromversor supply.
- 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 if one power supply fails from three other power supplies supplies can be delivered. This is done advantageously For example, by automatically controlling the coupling switch, i.e. with a very short time delay.
- the present invention can advantageously be achieved in preferred exemplary embodiments that the coupling switch or switches to be switched are switched before one or more power supply module(s) are impermissibly loaded due to an error, for example an excessively high current through a is called up for a long time and/or before a load cannot be supplied with the electrical power required 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 for which the respective critical state lasts, can be used as switching criteria for switching the coupling switch can be used.
- 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 compensated if the design of the power supplies remains the same.
- means for detecting a fault can be provided for each power supply path.
- These can be designed as separate components or integrally with other components, for example integrally together with the power supplies and/or the line contactor switches and/or the power or load switches in the current path between a power supply and a load.
- These means can locally generate commands for selectively closing the tie switches and transmit them to the tie switches by means of suitable transmission means in a wired or wireless manner.
- information about the fault can be transmitted to a central controller, which evaluates this information and generates control commands for the coupler switches and, if necessary, the line contactor switches and/or the circuit breakers or load switches in the current path between the power supply and the load and transmits them to them by wire or transmits wirelessly.
- the means for detecting faults have a central controller and current and/or voltage measuring means in the current paths between the power supplies and the loads, i.e. only the central controller makes a decision based on the measured values received or based on them of the signals representing the measured values whether there is a fault or not and then generates and sends the commands for selectively closing one or more section switches.
- the controller can be designed to take into account the time course of the received measured values and only recognize the error or initiate measures when the state to be classified as a fault lasts for a defined and/or configurable period of time.
- 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.
- 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 (open during fault-free operation) 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 fuse device 11 on the source side.
- the source-side security device 11 is a customary security device.
- the second power supply module 20 is connected to a second line system 22 by means of a fuse device 21 on the source side.
- the source-side safety device 21 is also a conventional 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.
- a first device 16 is provided, with the aid of which faults in the first power supply 10 and/or the first current path 12 are detected in particular, for example, a failure of the first power supply 10 or an interruption in the first current path 12.
- the first device 16 can be a current measuring device and/or a voltage measuring device.
- the device 16 can be designed to detect faults automatically, or to transmit measured values continuously or at discrete times or as a result of events to a central controller 110, which then detects a fault from the measured values.
- a corresponding second device 26 is provided in connection with the second power supply 20 and/or in the second current path 22, with the aid of which faults in the second power supply 20 and/or the second current path 22 can be detected, in particular, for example, a failure of the second power supply 20 or an interruption of the second current path 22.
- the second device 26 can likewise be a current measuring device and/or a voltage measuring device.
- the second device 26 can be designed to detect faults independently, or to transmit measured values continuously or at discrete times or as a result of events to a central controller 110, which then detects a fault from the measured values.
- 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 fuse 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 third device 36 and a fourth device 46 are provided in connection with the third or fourth power supply 30, 40 and/or in the third or fourth current path 32, 42, with the aid of which faults in the third or fourth power supply 30 , 40 and/or the third or of the fourth current path 32, 42 can be detected.
- the operation and properties of the third and fourth devices 36, 46 correspond to those of the first and second devices 16, 26, as described above.
- a first section switch 15 connects the first line system 12 to the busbar 100 if required, a second section switch 25 connects the second line system 22 to the busbar 100 if necessary, a third section switch 35 connects the third line system 32 to the busbar 100 and on if necessary fourth section switch 45 connects fourth line system 42 to busbar 100, if required.
- each power supply module is directly coupled to a load, i.e. without a section switch, and can be connected to busbar 100 by means of a section switch.
- the loads can each be connected to the busbar 100 via a coupling switch.
- 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 can be connected to the busbar, also via the line system 12, by means of the first section switch 15.
- Coupling switch 25 and the second line system 22 is an alternative native supply path from the first power supply 10 to the first load LI, for example in the event that the line to the first load LI, which is protected by the safety device 13, is disrupted.
- the section switches 15, 25, 35, 45 are all open during normal operation and, in the event of a fault, are automatically and selectively closed depending on the particular fault.
- the nominal voltages in the two subsystems must be at least approximately the same and that, in the case of AC voltage, phase synchronism must exist or be established in order to avoid undesirable effects.
- Devices and methods in this regard are within the scope of what is customary in the art and are not considered in more detail here.
- the present invention provides considerable advantages in the design of the power supply modules 10, 20, 30, 40.
- 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.
- the description in relation to the subsystems has been chosen here only as an example, since such subsystems are often already found in existing installations and can be converted into a redundant power supply according to the present invention at low cost.
- a first subsystem is already present here, with the usual design of the power supply modules so that each of the power supply modules alone can supply the load of the first subsystem.
- the first sub-system is only expanded by two branches on the line systems and the controllable coupling switches and then connected to the new busbar - no further changes are required and the existing (now actually oversized) power supply modules can continue be used or, if necessary, replaced by more efficient modules.
- the redundant power supply 1 has a controller 110, the function of which is described in detail further below.
- the control can be centralized or decentralized, i.e. distributed to other components, for example the power supplies 10, 20, 30, 40 or the line or circuit breakers 11, 21, 31, 41.
- the control can be centralized or decentralized, i.e. distributed to other components, for example the power supplies 10, 20, 30, 40 or the line or circuit breakers 11, 21, 31, 41.
- the security devices 11, 13, 21, 23, 31, 33, 41, 43 and the Control 110 and/or to the coupling switches 15, 25, 35, 45 and/or the components mentioned among themselves have been omitted for the sake of a better overview.
- the first error scenario relates to the failure or maintenance of a power supply module. Without restricting the generality, consider the case in which the first power supply module 10 is not available, for example, or the source-side safety device 11 is defective and, as a result, no energy can be provided by the first power supply module 10 .
- This error scenario is solved in that all four coupling switches are closed and thus the remaining power supply modules 20, 30, 40 supply the first load LI together. From the point of view of the first load LI, the failure of the first power supply module 10 is almost completely transparent, only for the short period of time until the coupling switch is closed is there power supply only on one side, ie only on one of the two power supply connections of the load LI.
- the second power supply 20 only has to supply the load LI for the period until the coupling switches close.
- the design of the components of the power supply 1 is therefore preferably chosen so that the time between the occurrence of the error and the closing of the coupling switch, i.e. the time required for error detection and command generation and execution, is less than the time after which the power supply 20 is switched off due to the temporary overload is switched off and/or the source-side fuse device 21 triggers.
- the second 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 in the line section between the first power supply 10 and the first section switch 15 and/or in the wiring harness between the first power supply 10 and the first load LI a fault occurs or the first section switch 15 causes a short circuit.
- This error scenario is solved by the second, the third and the fourth tie switch 25, 35, 45 being closed, but not the first tie switch 15, so as not to supply additional energy to the error.
- the fault is preferably isolated by opening the source-side safety device 11 and/or the load-side safety device 13 of the first line system 12, unless they have already been tripped due to the fault.
- the second error scenario is not transparent, but uninterrupted operation is ensured by means of a power supply then only on one side via the load-side safety device 23 .
- additional electrical power is transmitted from the third and fourth power supplies via the busbar 100 and the remaining power supply path 22 shown on the right to the first load LI.
- the second power supply only has to supply the load LI alone for the period up to the closing of the section switches.
- the preferred layout of the components of the power supply 1 applies what was said in relation to the first error scenario.
- the third fault scenario relates to a fault in the busbar 100.
- This fault scenario has no effect on the normal operation of the power supply 1, since the busbar is isolated from the rest of the arrangement in normal operation due to the tie switches 15, 25, 35, 45 being open by default is.
- the third error scenario affects the handling of errors according to the first or the second error scenario.
- the third error scenario for example a short circuit in the area of busbar 100, it is no longer possible to eliminate the first or second error scenario. Only in the case of a low-level fault, in which a tolerable amount of electrical energy is lost at the busbar 100 for a certain period of time, i.e. there is a fault that is not a short circuit, for example, can the first or second fault scenario be corrected for this period of time take place if the third error scenario is present at the same time.
- the bus bar 100 is automatically tested on an occasional or continuous basis, e.g., by means of resistance or impedance measurements of the bus conductors to one another and to ground, which are well known to those skilled in the art. If a tolerable error is found, this is signaled to an operator of the system, but the automatic error correction of the first or second error scenario is not deactivated. If an intolerable error is detected, an urgent alarm is issued to the operator and the automatic error recovery of the first or second error scenario is deactivated.
- the bus bar 100 is not tested occasionally or continuously, but rather After activation of the coupling switch for eliminating the first or second error scenario, monitoring of the currents that subsequently flow detects whether an inadmissibly high amount of power is being supplied to one of the remaining power supplies 20, 30,
- the section switch closest to this power supply is deactivated. This is preferably done separately for all power supplies.
- the first error scenario described above can be detected in various ways. On the one hand it is possible, please include self-test means in the power supplies 10, 20, 30,
- the OK signal from this power supply is lost and a switch-on command is immediately generated, sent and executed to all coupling switches.
- the current can be measured by means of current measuring devices in the path between a power supply and the respective load. If this falls below a certain value, a power supply fault is assumed and all section switches are switched on. This can be supplemented by an evaluation of the current flowing in the other path of the respective load. If one of the current values is very low and the other is constant or increasing, then the power supply is assumed to have failed and the current value is low and all tie breakers are turned on.
- the voltage at the output of the power supplies or along the current paths between the power supply and the load can be evaluated. If the voltage at the output and/or on this line falls below a certain value compared to a reference potential, a power supply fault is assumed and all section switches are switched on. In the case of AC voltage, for example, the peak or effective value of the voltage can be evaluated.
- the power supply assumed to be faulty can be isolated from the overall system by the respective source-side safety device 11,
- the measuring means can be independent devices 16, 26, 36, 46 or integrated into the voltage supplies 10, 20, 30, 40 or the source-side safety devices 11, 21, 31, 41 or distributed over both components, for example Voltage measuring means in one component and current measuring means in the other component.
- the security devices 11, 21, 31, 41 particularly when these security devices are electronic security devices. such as Solid State Circuit Breakers.
- the second fault scenario described above can also be detected by current and/or voltage measurements using the measuring means described in connection with the detection of the first fault scenario.
- a fault in the first line system 12 is again considered without loss of generality, the current through the current measuring means rises sharply in the event of a short circuit and possibly triggers the source-side safety device 11 .
- the sharp rise and/or exceeding a maximum permissible value and/or the triggering of the source-side safety device 11 can be used as criteria to close the section switch 25, 35, 45 and to keep the section switch 15 open.
- the voltage at the output of the power supplies or along the current paths between the power supply and the load can also be evaluated here. If this voltage drops rapidly, i.e. with a large negative increase, and/or below a certain value, a fault in the line system is assumed if an OK signal is received from the power supply at the same time.
- the tie switches 25, 35, 45 are turned on as described above and tie switch 15 is held open.
- the error is corrected by closing the tie switches not connected to the current path concerned and leaving the tie switch connected to the current path concerned open.
- the line assumed to be faulty can also be isolated from the overall system in the second fault case, in that the respective source-side safety device 11, 21,
- the third error scenario can only be detected with the means shown in FIG. 1 if the first or the second error scenario also occurs at the same time.
- the corresponding methods have already been described above. It is also possible to test the busbar 100 by closing only one of the section switches and evaluating the current flowing in the corresponding branch, for example closing the first section switch 15 and evaluating the current or the through component 11 or component 16 flowing through com current. If this remains constant, there is no error according to the third scenario. If the current increases solely due to the closing of the section switch, there is probably an error according to the third error scenario, which is signaled to an operator of the system and, as already described above, may lead to a deactivation of the automatic error correction according to the first or second error scenario.
- the fault detection can take place centrally by means of a controller 110 or decentrally by a distributed controller or by controllers implemented locally for each power supply, which send corresponding commands to all coupling switches. In the latter case is preferable to ensure that an "open" command for a cap switch has priority over a simultaneous or timely "close” command in order to prevent the third fault scenario together with the first or the second fault scenario leading to the dated Error unaffected subsystem becomes inoperable.
- the central controller 110 can be set up to receive pre-processed information, for example signals from the means 11, 16, 21, 26, 31,
- the central controller can be set up to receive measured values from measuring devices arranged in each power supply branch, in particular current and/or voltage measuring devices, and to evaluate these measured values and/or their time history as described in connection with the detection of the various fault scenarios and correspondingly To generate commands for selectively closing or keeping the dome switches 15, 25, 35, 45 open and to send them to the dome switches.
- the controller can generate disconnect commands suitable for isolating a detected error and send them to the respective safety devices 11, 13, 21, 23, 31, 33, 41, 43.
- an alarm can preferably be output to an operator in addition to eliminating and possibly isolating the error. It has to be considered from application to application whether a central controller, which must monitor at least four channels, or a decentralized solution, for example with correspondingly more complex source-side safety devices and/or tie switches, should be preferred.
- 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 in isolated subsystems not equipped according to the invention) and at the same time all relevant error scenarios can be detected in good time and the errors can be automatically isolated that there is no impairment in the operation of the loads LI, L2 coming. In addition, thanks to the present invention, the respective error can be corrected without the loads LI, L2 having to be switched off for this purpose.
- controller includes processors and processing units in the broadest sense, ie 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.
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- Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine redundante Stromversorgung (1) mit einer ersten Stromversorgung (10), die mittels eines ersten Kuppelschalters (15) mit einer Sammelschiene (100) verbindbar ist und mittels eines ersten Leitungssystems (12) mit einer ersten Last (L1) trennbar verbunden ist sowie mit einer zweiten Stromversorgung (20), die mittels eines zweiten Kuppelschalters (25) mit der Sammelschiene (100) verbindbar ist und mittels eines zweiten Leitungssystems (22) mit der ersten Last (L1) trennbar verbunden ist sowie mit einer dritten Stromversorgung (30), die mittels eines dritten Kuppelschalters (35) mit der Sammelschiene (100) verbindbar ist und mittels eines dritten Leitungssystems (32) mit einer zweiten Last (L2) trennbar verbinden ist und mit einer vierten Stromversorgung (40), die mittels eines vierten Kuppelschalters (45) mit der Sammelschiene (100) verbindbar ist und mittels eines vierten Leitungssystems (42) mit der zweiten Last (L2) trennbar verbunden ist. Dabei sind im störungsfreien Betrieb alle Kuppelschalter (15, 25, 35, 45) geöffnet.
Description
Beschreibung
Redundante Stromversorgung, insbesondere für Data Center, sowie Verfahren und Computerprogramm für deren Betrieb
Die Erfindung betrifft eine redundante Stromversorgung, die sich insbesondere für Data Center eignet.
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.
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.
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.
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 Zwischenenergiespeieher 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 .
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte redundante Stromversorgung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine redundante Stromversorgung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung betrifft mit anderen Worten Teil systeme jeweils aufweisend eine durch zwei Stromversorgungen versorgte Last, die im Störungsfall mittels einer Sarnmel- schiene koppelbar sind. Hierfür sind Kuppelschalter vorgese-
hen, mit welcher jede Last und jede Stromversorgung mit der Sammelschiene verbindbar sind. Diese Kuppelschalter sind im störungsfreien Fall geöffnet und werden selektiv geschlossen, wenn eine Störung detektiert wurde. Welche Kuppelschalter selektiv geschlossen werden hängt von der Art der detektier- ten Störung ab.
Gemäß der Erfindung wird gewährleistet, dass im ungestörten Betriebszustand der Stromversorgung jede Last unmittelbar (abgesehen von den üblichen SicherungsVorkehrungen wie Lei- tungs- und Lasttrennschaltern, Sicherungen, etc.) von jeweils zwei Stromversorgungen versorgt wird, und dass für den Fall einer Störung in einem Teilsystem die Stromversorgungen des anderen Teilsystems mit zur Versorgung der von der Störung betroffenen Last zuschaltbar sind.
Aus dieser für den Störungsfall oder andere besondere Be triebsfälle aktivierbaren Zusammenschaltung der beiden im störungsfreien bzw. normalen Betrieb unabhängig voneinander betriebenen Teilsysteme jeweils bestehend aus zwei Stromver sorgungen 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 jewei- lige Last zu betreiben. Bei Ausfall (oder Wartungsarbeiten an) beispielsweise der ersten Stromversorgung muss nämlich nicht die redundante zweite Stromversorgung allein die zu sätzliche Last tragen, sondern es ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, im gestörten Betrieb die Kuppe1- schalter selektiv einzuschalten und so die erste Last dann zusätzlich mittels der dritten und der vierten Stromversor gung zu versorgen.
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 anderen Strom versorgungen geliefert werden kann. Dies erfolgt vorteilhaf-
terweise durch eine automatische Ansteuerung der Kuppelschal ter, also mit sehr geringer Zeitverzögerung.
Durch die vorliegende Erfindung kann in bevorzugten Ausfüh- rungsbeispielen vorteilhaft erreicht werden, dass der oder die zu schaltende(n) Kuppelschalter geschaltet werden, bevor ein oder mehrere Stromversorgungsmodul(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 Fehlers nicht die erforderli che elektrische Leistung geliefert bekommt, beispielsweise die VersorgungsSpannung unter den minimal zulässigen Wert sinkt. Dabei können die vorstehend genannten Kriterien, also Belastung eines Stromversorgungsmoduls mit einem zu hohen Strom und/oder Versorgung einer Last mit einer zu geringen Spannung, ggf. zusätzlich unter Berücksichtigung einer Zeit, über die der jeweilige kritische Zustand anhält, als Schalt kriterien für das Schalten der Kuppelschalter genutzt werden.
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 tragenden Last weiter verringert bzw. bei gleichbleibender Auslegung der Stromversorgungen auch Ausfäl le von mehr als einer Stromversorgung ausgeglichen werden können.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Insbesondere können je Stromversorgungspfad Mittel zum Detek- tieren einer Störung vorgesehen sein. Diese können als geson derte Komponenten oder integral mit anderen Komponenten aus geführt sein, beispielsweise integral gemeinsam mit den Stromversorgungen und/oder den LeitungsschützSchaltern
und/oder den Leistungs- oder Lastschaltern im Strompfad zwi schen einer Stromversorgung und einer Last.
Diese Mittel können lokal Befehle zum selektiven Schließen der Kuppelschalter erzeugen und mittels geeigneter Übertra gungsmittel drahtgebunden oder drahtlos an die Kuppelschalter übertragen. Alternativ können Informationen über die Störung an eine zentrale Steuerung übertragen werden, welche diese Informationen auswertet und Steuerbefehle für die Kuppe1- schalter und ggf. die Leitungsschützschalter und/oder die Leistungs- oder Lastschalter im Strompfad zwischen Stromver sorgung und Last erzeugt und an diese drahtgebunden oder drahtlos überträgt.
In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Mittel zum Detektieren von Störungen eine zentrale Steuerung und Strom- und/oder Spannungsmessmittel in den Strompfaden zwi schen den Stromversorgungen und den Lasten aufweisen, d.h. erst die zentrale Steuerung entscheidet anhand der empfange nen Messwerte bzw. anhand der die Messwerte repräsentierenden Signale, ob eine Störung vorliegt oder nicht und erzeugt und sendet anschließend die Befehle zum selektiven Schließen eines oder mehrerer Kuppelschalter.
Die Steuerung kann dabei ausgelegt sein, den Zeitverlauf der empfangenen Messwerte zu berücksichtigen und den Fehlerfall erst zu erkennen bzw. Maßnahmen erst einzuleiten, wenn der als Störung einzustufende Zustand für einen definierten und/oder konfigurierbaren Zeitraum andauert.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen redundanten Stromversorgung sowie ein Computerprogramm, welches einen Prozessor veran lasst, dieses Verfahren auszuführen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand einer Figur näher erläutert.
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 (im störungsfreien Betrieb geöffneten) Kup pelschaltern 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.
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 ebenfalls um eine fachübliche SicherungsVorrichtung .
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.
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 .
Ferner ist im Zusammenhang mit der ersten Stromversorgung 10 und/oder im ersten Strompfad 12 eine erste Vorrichtung 16 vorgesehen, mit deren Hilfe Störungen der ersten Stromversor gung 10 und/oder des ersten Strompfades 12 detektiert werden
können, insbesondere beispielsweise ein Ausfall der ersten Stromversorgung 10 oder eine Unterbrechung des ersten Strom pfades 12. Bei der ersten Vorrichtung 16 kann es sich um ein Strommessmittel und/oder ein Spannungsmessmittel handeln. Die Vorrichtung 16 kann dabei ausgebildet sein, Störungen selb ständig zu detektieren, oder kontinuierlich oder zeitdiskret oder anlassbezogen Messwerte an eine zentrale Steuerung 110 zu übermitteln, welche dann aus den Messwerten eine Störung detektiert .
Eine entsprechende zweite Vorrichtung 26 ist im Zusammenhang mit der zweiten Stromversorgung 20 und/oder im zweiten Strom pfad 22 vorgesehen, mit deren Hilfe Störungen der zweiten Stromversorgung 20 und/oder des zweiten Strompfades 22 detek tiert werden können, insbesondere beispielsweise ein Ausfall der zweiten Stromversorgung 20 oder eine Unterbrechung des zweiten Strompfades 22. Bei der zweiten Vorrichtung 26 kann es sich ebenfalls um ein Strommessmittel und/oder ein Span- nungsmessmittel handeln. Die zweite Vorrichtung 26 kann dabei ausgebildet sein, Störungen selbständig zu detektieren, oder kontinuierlich oder zeitdiskret oder anlassbezogen Messwerte an eine zentrale Steuerung 110 zu übermitteln, welche dann aus den Messwerten eine Störung detektiert.
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.
Eine dritte Vorrichtung 36 und eine vierte Vorrichtung 46 sind im Zusammenhang mit der dritten bzw. der vierten Strom versorgung 30, 40 und/oder im dritten bzw. vierten Strompfad 32, 42 vorgesehen, mit deren Hilfe Störungen der dritten bzw. der vierten Stromversorgung 30, 40 und/oder des dritten bzw.
des vierten Strompfades 32, 42 detektiert werden können. Funktionsweise und Eigenschaften der dritten und der vierten Vorrichtung 36, 46 entsprechen denen der ersten und der zwei ten Vorrichtung 16, 26, wie vorstehend beschrieben.
Erfindungsgemäß sind, wie bereits erläutert, mehrere Kuppe1- schalter 15, 25, 35, 45 vorgesehen, um die beiden Teilsysteme im Bedarfsfall, insbesondere bei einer Störung, mit einer Sammelschiene 100 und mittels der Sammelschiene 100 miteinan der zu verbinden.
Ein erster Kuppelschalter 15 verbindet das erste Leitungssys tem 12 bei Bedarf mit der Sammelschiene 100, ein zweiter Kuppelschalter 25 verbindet das zweite Leitungssystem 22 bei Bedarf mit der Sammelschiene 100, ein dritter Kuppelschalter 35 verbindet das dritte Leitungssystem 32 bei Bedarf mit der Sammelschiene 100 und ein vierter Kuppelschalter 45 verbindet das vierte Leitungssystem 42 bei Bedarf mit der Sammelschiene 100. Damit ergibt sich, dass jedes Stromversorgungsmodul jeweils direkt, also ohne KuppelSchalter, mit einer Last gekoppelt ist und mittels eines KuppelSchalters mit der Sam melschiene 100 verbindbar ist. Die Lasten sind ihrerseits jeweils über einen Kuppelschalter mit der Sammelschiene 100 verbindbar .
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 verbind bar. Damit wird ermöglicht, dass die erste Stromversorgung nach einem selektiven Schließen des ersten KuppelSchalters 15 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 dann ebenfalls zu schließenden dritten und/oder vierten KuppelSchalters 35, 45 und des dritten und/oder des vierten Leitungssystems 32, 42. Zudem besteht über den im Bedarfsfall zu schließenden zweiten
Kuppelschalter 25 und das zweite Leitungssystem 22 ein alter nativer Versorgungsweg von der ersten Stromversorgung 10 zur ersten Last LI, beispielsweise für den Fall, dass die durch SicherungsVorrichtung 13 geschützte Zuleitung zur ersten Last LI gestört ist.
Um dies zu erreichen, sind die Kuppelschalter 15, 25, 35, 45 im normalen Betrieb allesamt geöffnet und werden im Störungs fall automatisch und abhängig vom jeweiligen Störungsfall selektiv geschlossen. Es versteht sich, dass die Nennspannun gen in den beiden Teilsystemen zumindest annähernd gleich sein müssen und dass im Fall von WechselSpannung eine Phasen synchronität vorliegen oder hergestellt werden muss, um uner wünschte Effekte zu vermeiden. Diesbezügliche Vorrichtungen und Verfahren liegen im Rahmen des Fachüblichen und werden hier nicht näher betrachtet. Ferner ist es vorteilhaft, die Kuppelschalter im Bedarfsfall so einzuschalten, dass Ein- schaltströme beachtet und minimiert werden. Im Fall von Wech selspannung ist es beispielsweise vorteilhaft, die Kuppe1- schalter so anzusteuern, dass sie im oder nahe des Nulldurch gangs des Stromes oder der Spannung geschlossen werden.
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. Die Beschreibung in Bezug auf die Teilsysteme ist hier nur exemplarisch gewählt worden, 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.
Dies spielt beispielsweise bei der Erweiterung eines beste henden Systems, beispielsweise eines Data Centers, eine Rol le. Hier wird in der Regel ein erstes Teilsystem bereits vorhanden sein, mit der üblichen Auslegung der Stromversor- gungsmodule so, dass jedes der Stromversorgungsmodule allein
die Last des ersten Teilsystems versorgen kann. Soll nun ein zweites Teilsystem installiert werden, wird das erste Teil system lediglich um zwei Abzweige an den Leitungssystemen und die steuerbaren Kuppelschalter erweitert und anschließend an die neue Sarnmelschiene angeschlossen - weitere Änderungen sind nicht erforderlich und die bereits vorhandenen (nunmehr eigentlich überdimensionierten) Stromversorgungsmodule können weiter verwendet werden oder bei Bedarf durch effizientere Module ersetzt werden.
Die redundante Stromversorgung 1 weist in Ausführungsbeispie len eine Steuerung 110 auf, deren Funktion weiter unten de tailliert beschrieben wird. Die Steuerung kann dabei, wie bereits erörtert, zentral ausgebildet sein oder dezentral, d.h. verteilt auf andere Komponenten, beispielsweise die Stromversorgungen 10, 20, 30, 40 oder die Leitungs- oder Leistungsschalter 11, 21, 31, 41, realisiert sein. Auf die Darstellung der fallweise erforderlichen Signal- und/oder Befehlsleitungen zwischen den Stromversorgungsmodulen 10, 20, 30, 40 und der Steuerung 110 und/oder zwischen den Siche rungsVorrichtungen 11, 13, 21, 23, 31, 33, 41, 43 und der Steuerung 110 und/oder zu den KuppelSchaltern 15, 25, 35, 45 und/oder den genannten Komponenten untereinander wurde der besseren Übersicht wegen verzichtet.
Für das in der Figur dargestellte StromversorgungsSystem sind drei Fehlerszenarien besonders relevant, die im folgenden betrachtet werden sollen.
Das erste Fehlerszenario betrifft den Aus- oder Wartungsfall eines Stromversorgungsmoduls. Es sei ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Fall betrachtet, dass das erste Stromver sorgungsmodul 10 beispielsweise nicht zur Verfügung steht oder die quellenseitige SicherungsVorrichtung 11 defekt ist und im Ergebnis vom ersten Stromversorgungsmodul 10 keine Energie bereitgestellt werden kann.
Dieses Fehlerszenario wird gelöst, indem alle vier Kuppel schalter geschlossen werden und somit die verbliebenen Strom- versorgungsmodule 20, 30, 40 die erste Last LI gemeinsam versorgen . Aus Sicht der ersten Last LI ist der Ausfall des ersten Stromversorgungsmoduls 10 nahezu vollkommen transpa rent, lediglich für den kurzen Zeitraum bis zum Schließen der Kuppelschalter liegt nur einseitig, d.h. nur an einem der beiden Stromversorgungsanschlüsse der Last LI, eine Stromver sorgung vor. Nach dem Schließen der Kuppelschalter wird elektrische Leistung über die Sammelschiene 100 von der drit ten und der vierten Stromversorgung zu den redundanten Strom- versorgungswegen 12, 22 der ersten Last LI geleitet und somit kann von der Last LI, wie im störungsfrei Fall, von beiden Stromversorgungswegen gleichmäßig elektrische Leistung abge rufen werden.
Die zweite Stromversorgung 20 muss lediglich für den Zeitraum bis zum Schließen der KuppelSchalter die Last LI allein ver sorgen. Die Auslegung der Komponenten der Stromversorgung 1 wird daher vorzugsweise so gewählt, dass die Zeit zwischen Auftreten des Fehlers und Schließen der KuppelSchalter, d.h. die für Fehlerdetektion und Befehlserzeugung und -ausführung benötigte Zeit, geringer ist als die Zeit, nach welcher die Stromversorgung 20 aufgrund der temporären Überlast abge schaltet wird und/oder die quellenseitige SicherungsVorrich tung 21 auslöst.
Dies kann in vorteilhaften Ausgestaltungen für alle hier beschriebenen Fehlerszenarien erreicht werden, indem elektro nische Schalter als Kuppelschalter verwendet werden. Beson ders bevorzugt sind dabei sogenannte Solid State Circuit Breaker (Abkürzung SSCB, mitunter auch SCCB). Die Verwendung elektronischer Schalter hat den Vorteil, dass das Schließen der Kuppelschalter so schnell erfolgen kann, dass ein Auslö sen der üblichen Schutzmittel 11, 13, 21, 23, 31, 33, 41, 43 aufgrund des Fehlers (was zu Funktionseinsehränkungen führen würde) vermieden wird. Allgemeiner ausgedrückt wird in bevor zugten Ausführungsbeispielen die Schaltgeschwindigkeit der
Kuppelschalter schneller gewählt als die Auslösecharakteris- tik der quellenseitigen Schutzvorrichtungen 11, 21, 31, 41 und/oder als die Auslösecharakteristik der lastseitigen Schutz orrichtungen 12, 23, 33, 43.
Das zweite 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 oder der erste Kuppelschalter 15 einen Kurzschluss verursacht.
Dieses Fehlerszenario wird gelöst, indem der zweite, der dritte und der vierte KuppelSchalter 25, 35, 45 geschlossen werden, nicht jedoch der erste Kuppelschalter 15, um dem Fehler nicht zusätzlich Energie zuzuführen. Zudem wird vor zugsweise der Fehler isoliert, indem die quellenseitige Si cherungsVorrichtung 11 und/oder die lastseitige Sicherungs vorrichtung 13 des ersten Leitungssystems 12 geöffnet werden, sofern sie nicht aufgrund des Fehlers ohnehin bereits ausge löst wurden.
Aus Sicht der ersten Last LI ist das zweite Fehlerszenario nicht transparent, jedoch wird ein unterbrechungsfreier Be trieb mittels dann nur einseitiger Stromversorgung via last seitiger SicherungsVorrichtung 23 gewährleistet. Nach dem Schließen der Kuppelschalter 25, 35, 45 wird zusätzliche elektrische Leistung von der dritten und vierten Stromversor gung über die Sarnmelschiene 100 und den rechts dargestellten verbliebenen Stromversorgungsweg 22 zur ersten Last LI gelei tet.
Wiederum muss die zweite Stromversorgung lediglich für den Zeitraum bis zum Schließen der Kuppelschalter die Last LI allein versorgen. Zur Vorzugsweisen Auslegung der Komponenten
der Stromversorgung 1 gilt das im Bezug auf das erste Feh lerszenario Gesagte.
Das dritte Fehlerszenario betrifft eine Störung der Sammel- schiene 100. Dieses Fehlerszenario hat keine Auswirkungen auf den normalen Betrieb der Stromversorgung 1, da die Sammel- schiene aufgrund der standardmäßig geöffneten Kuppelschalter 15, 25, 35, 45 im normalen Betrieb vom Rest der Anordnung isoliert ist.
Allerdings beeinträchtigt das dritte Fehlerszenario die Be handlung von Fehlern gemäß des ersten oder des zweiten Feh lerszenarios . In vielen Ausprägungen des dritten Fehlerszena rios, beispielsweise ein Kurzschluss im Bereich der Sammel- schiene 100, ist die Behebung des ersten oder zweiten Feh lerszenarios nicht mehr möglich. Lediglich bei einem Low Level Fehler, bei dem eine für einen gewissen Zeitraum tole rierbare Menge elektrischer Energie an der Sammelschiene 100 verlorengeht, d.h. es liegt beispielsweise ein Fehler vor, der kein Kurzschluss ist, kann für diesen Zeitraum eine Behe bung des ersten oder zweiten Fehlerszenarios erfolgen, wenn gleichzeitig das dritte Fehlerszenario vorliegt.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfin dung wird die Sammelschiene 100 daher gelegentlich oder kon tinuierlich automatisch geprüft, z.B. mittels dem Fachmann wohlbekannter Widerstands- oder Impedanzmessungen der Sammel- schienenleiter untereinander und gegenüber Masse. Wird dabei ein tolerierbarer Fehler festgestellt, wird dieser einem Bediener der Anlage signalisiert, aber die automatische Fehlerbehebung des ersten oder zweiten Fehlerszenarios nicht deaktiviert . Wird ein nicht tolerierbarer Fehler festge stellt, wird dem Bediener ein dringender Alarm ausgegeben und die automatische Fehlerbehebung des ersten oder zweiten Feh lerszenarios wird deaktiviert.
In alternativen Ausführungsbeispielen wird die Sammelschiene 100 nicht gelegentlich oder kontinuierlich geprüft, sondern
es wird nach Aktivierung der Kuppelschalter zum Beheben des ersten oder zweiten Fehlerszenarios durch Überwachung der anschließend fließenden Ströme detektiert, ob unzulässig viel Leistung an einer der verbliebenen Stromversorgungen 20, 30,
40 abfließt, und falls ja als erste Behebungsmaßnahme der dieser Stromversorgung nächstliegende Kuppelschalter deakti viert. Dies erfolgt vorzugsweise für alle Stromversorgungen separat.
Liegt ein nicht tolerierbarer Fall des dritten Fehlerszena rios gemeinsam mit dem ersten oder dem zweiten Fehlerszenario vor, werden auf diese Weise alle Kuppelschalter wieder geöff net und die beiden Teilsysteme erneut voneinander isoliert. Das rechts dargestellte Teilsystem funktioniert dann wie im ungestörten Betriebszustand, beim links dargestellten Teil system hingegen erfolgt die Versorgung der Last LI nur noch durch die zweite Stromversorgung 20. Dies ist für bestimmte Betriebsfälle ein immer noch funktionierender Betriebszu stand, nämlich wenn die Energieaufnahme der Last LI aktuell deutlich unter dem maximalen Wert liegt und somit die zweite Stromversorgung die erste Last LI versorgen kann, ohne in einen Überlastzustand zu geraten. Verbraucht die erste Last LI aber ihre maximal zulässige elektrische Leistung, wird die zweite Stromversorgung 20 überlastet und wird von der ersten Last LI getrennt oder abgeschaltet, beispielsweise durch die quellenseitige SicherungsVorrichtung 21 oder durch interne Schutzvorrichtungen .
Das vorstehend beschriebene erste Fehlerszenario kann auf verschiedene Weise detektiert werden. Zum einen ist es mög lich, Selbsttestmittel in den Stromversorgungen 10, 20, 30,
40 zu implementieren, die ein OK-Signal dann und nur dann ausgeben, wenn die entsprechende Stromversorgung aktiviert ist und störungsfrei arbeitet. Fällt also beispielsweise die erste Stromversorgung aus oder wird zu Wartungszwecken abge schaltet, entfällt das OK-Signal dieser Stromversorgung und es wird unmittelbar ein Einschaltbefehl an alle Kuppelschal ter erzeugt, gesendet und ausgeführt.
Alternativ oder zusätzlich kann durch Strommessmittel im Pfad zwischen einer Stromversorgung und der jeweiligen Last der Strom gemessen werden. Fällt dieser unter einen bestimmten Wert, wird ein Fehler der Stromversorgung angenommen und alle Kuppelschalter werden eingeschaltet. Dies kann ergänzt werden um eine Auswertung des im jeweils anderen Pfad der jeweiligen Last fließenden Stroms. Liegen einer der Stromwerte sehr niedrig und der andere ist konstant oder steigt, dann wird ein Fehler der Stromversorgung angenommen, deren Wert niedrig ist, und alle Kuppelschalter werden eingeschaltet.
Alternativ oder zusätzlich kann die Spannung am Ausgang der Stromversorgungen oder entlang der Strompfade zwischen Strom versorgung und Last ausgewertet werden. Sinkt die Spannung am Ausgang und/oder auf dieser Leitung gegenüber einem Bezugspo tential unter einen bestimmten Wert, wird ein Fehler der Stromversorgung angenommen und alle Kuppelschalter werden eingeschaltet . Im Fall von WechselSpannung kann dabei bei spielsweise der Scheitel- oder der Effektivwert der Spannung ausgewertet werden.
Zusätzlich kann im ersten Fehlerfall die als fehlerhaft ange nommene Stromversorgung vom Gesamtsystem isoliert werden, indem die jeweilige quellenseitige SicherungsVorrichtung 11,
21, 31, 41 geöffnet wird.
Wie bereits erläutert können die Messmittel eigenständige Vorrichtungen 16, 26, 36, 46 sein oder in die SpannungsVer sorgungen 10, 20, 30, 40 oder die quellenseitigen Sicherungs vorrichtungen 11, 21, 31, 41 integriert sein oder auf beide Komponenten verteilt werden, beispielsweise Spannungsmessmit tel in einer Komponente und Strommessmittel in der anderen Komponente . Natürlich kann auch auf bereits vorhandene Mess mittel in den SicherungsVorrichtungen 11, 21, 31, 41 zurück gegriffen werden, insbesondere dann, wenn es sich bei diesen SicherungsVorrichtungen um elektronische Sicherungsvorrieh-
tungen handelt wie beispielsweise Solid State Circuit Brea ker.
Das oben beschriebene zweite Fehlerszenario kann ebenfalls durch Strom- und/oder Spannungsmessungen durch die im Zusam menhang mit der Erkennung des ersten Fehlerszenarios be schriebenen Messmittel detektiert werden. Beim zweiten Feh lerszenario, ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei dabei wieder ein Fehler im ersten Leitungssystem 12 betrachtet, steigt der Strom durch die Strommessmittel im KurzSchlussfall stark an und löst ggf. die quellenseitige SicherungsVorrich tung 11 aus. Der starke Anstieg und/oder das Überschreiten eines maximal zulässigen Wertes und/oder das Auslösen der quellenseitigen Sicherungs orrichtung 11 können als Kriterien genutzt werden, um die Kuppelschalter 25, 35, 45 zu schließen und den Kuppelschalter 15 geöffnet zu halten.
Alternativ oder zusätzlich kann auch hier die Spannung am Ausgang der Stromversorgungen oder entlang der Strompfade zwischen Stromversorgung und Last ausgewertet werden. Sinkt diese Spannung rapide, d.h. mit großem negativen Anstieg, und/oder unter einen bestimmten Wert, wird ein Fehler des Leitungssystems angenommen, wenn gleichzeitig ein OK-Signal von der Stromversorgung empfangen wird. Die Kuppelschalter 25, 35,45 werden wie vorstehend beschrieben eingeschaltet und Kuppelschalter 15 wird geöffnet gehalten.
Tritt im zweiten Fehlerszenario hingegen ein unzulässig hoher Leitungswiderstand/-impedanz bis hin zum Leitungsbruch auf, wird dies detektiert durch einen ggf. bis auf Null absinken den Stromfluss in diesem Strompfad bei gleichzeitig steigen dem Stromfluss im jeweils anderen Strompfad zur entsprechen den Last, oder alternativ durch einen ggf. bis auf Null ab sinkenden Stromfluss in diesem Strompfad bei gleichzeitiger OK-Signalisierung von der jeweiligen Stromversorgung, oder alternativ durch einen ggf. bis auf Null absinkenden Strom fluss in diesem Strompfad bei gleichzeitig steigender oder
konstanter Spannung am Ausgang der jeweiligen Stromversor gung.
Auch in diesem Fall wird der Fehler behoben, indem die nicht mit dem betroffenen Strompfad verbundenen Kuppelschalter geschlossen werden und der mit dem betroffenen Strompfad verbundene Kuppelschalter geöffnet bleibt.
Zusätzlich kann auch im zweiten Fehlerfall die als fehlerhaft angenommene Leitung vom Gesamtsystem isoliert werden, indem die jeweilige quellenseitige SicherungsVorrichtung 11, 21,
31, 41 und/oder die jeweilige lastseitige SicherungsVorrich tung 13, 23, 33, 43 geöffnet wird.
Das dritte Fehlerszenario kann mit den in Fig. 1 dargestell ten Mitteln nur detektiert werden, wenn gleichzeitig auch das erste oder das zweite Fehlerszenario eintritt. Die entspre chenden Methoden wurden weiter oben bereits beschrieben. Es ist zusätzlich möglich, die Sammelschiene 100 zu testen, indem nur einer der Kuppelschalter geschlossen wird und dabei der in dem entsprechenden Zweig fließende Strom ausgewertet wird, beispielsweise Schließen des ersten KuppelSchalters 15 und Auswerten des von der ersten Stromversorgung 10 abgegebe nen Stroms bzw. des durch Komponenten 11 bzw. des durch Kom ponente 16 fließenden Stroms. Bleibt dieser konstant, liegt kein Fehler gemäß des dritten Szenarios vor. Steigt der Strom allein aufgrund des Schließens des KuppelSchalters an, liegt wahrscheinlich ein Fehler gemäß des dritten Fehlerszenarios vor, der an einen Bediener der Anlage signalisiert wird und ggf. wie oben bereits beschrieben zu einer Deaktivierung der automatischen Fehlerbehebung gemäß des ersten oder zweiten Fehlerszenarios führt.
Wie bereits erwähnt kann die Fehlererkennung zentral mittels einer Steuerung 110 erfolgen oder dezentral durch eine ver teilte Steuerung oder auch durch je Stromversorgung lokal implementierte Steuerungen, die entsprechende Befehle an alle Kuppelschalter senden. Im letzteren Fall ist vorzugsweise
sicherzustellen, dass ein "Öffnen" Befehl für einen Kuppe1- schalter gegenüber einem zeitgleichen oder zeitnahen "Schlie ßen" Befehl Priorität hat, um zu verhindern, dass das dritte Fehlerszenario gemeinsam mit dem ersten oder dem zweiten Fehlerszenario zu dazu führt, dass auch das vom Fehler nicht betroffene Teilsystem inoperabel wird.
Die zentrale Steuerung 110, soweit vorhanden, kann eingerich tet sein, vorverarbeitete Informationen zu empfangen, also beispielsweise Signale von den Mitteln 11, 16, 21, 26, 31,
36, 41, 46 zur Störungserkennung, welche für die entsprechen de Stromversorgung 10, 20, 30, 40 und/oder für den entspre chenden Strompfad 12, 22, 32, 42 eine Störung feststellen und diese an die zentrale Steuerung 110 weiterleiten, woraufhin die zentrale Steuerung je nach Art der signalisierten Störung entsprechende Befehle zum selektiven Schließen bzw. Geöffnet halten der Kuppelschalter 15, 25, 35, 45 erzeugt und an die Kuppelschalter sendet.
Alternativ kann die zentrale Steuerung eingerichtet sein, Messwerte von in jedem Stromversorgungszweig angeordneten Messmitteln, insbesondere Strom- und/oder Spannungsmessmit teln, zu empfangen und diese Messwerte und/oder deren Zeit verlauf wie im Zusammenhang mit der Erkennung der verschiede nen Fehlerszenarien beschrieben auszuwerten und entsprechende Befehle zum selektiven Schließen bzw. Geöffnethalten der Kuppelschalter 15, 25, 35, 45 zu erzeugen und an die Kuppe1- schalter zu senden.
Zusätzlich kann die Steuerung die zur Isolation eines erkann ten Fehlers geeigneten Trennbefehle erzeugen und an die je weiligen SicherungsVorrichtungen 11, 13, 21, 23, 31, 33, 41, 43 senden.
In allen Fehlerszenarien kann zusätzlich zur Behebung und ggf. Isolation des Fehlers vorzugsweise ein Alarm an einen Bediener ausgegeben werden.
Es ist von Anwendungsfall zu Anwendungsfall abzuwägen, ob einer zentralen Steuerung, die immerhin mindestens vier Kanä le überwachen muss, oder einer dezentralen Lösung, beispiels weise mit entsprechend aufwendigeren quellenseitigen Siche rungsVorrichtungen und/oder KuppelSchaltern der Vorzug zu geben ist.
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, isoliert betriebenen Teilsystemen) und gleichzeitig alle relevanten Fehlerszenarien so rechtzeitig detektiert und die Fehler automatisch isoliert werden können, dass es zu keiner Beeinträchtigung beim Betrieb der Lasten LI, L2 kommt. Zudem kann dank der vorliegenden Erfindung der jeweilige Fehler behoben werden, ohne dass die Lasten LI, L2 dazu abgeschaltet werden müssten.
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).
Und schließlich sei darauf hingewiesen, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig miteinander kom biniert werden können. Ferner sei darauf hingewiesen, dass der Begriff "Steuerung", wie hier verwendet, Prozessoren und Verarbeitungseinheiten im weitesten Sinne umfasst, also bei spielsweise Universalprozessoren, Grafikprozessoren, digitale
Signalprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schal tungen (ASICs), programmierbare Logikschaltungen wie FPGAs, diskrete analoge oder digitale Schaltungen und beliebige Kombinationen davon, einschließlich aller anderen dem Fach- mann bekannten oder in Zukunft entwickelten Verarbeitungsein- heiten. Prozessoren 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.
Claims
1. Redundante Stromversorgung (1), die folgendes aufweist:
- eine erste Stromversorgung (10), die mittels eines ersten KuppelSchalters (15) mit einer Sammelschiene (100) verbindbar ist und mittels eines ersten Leitungssystems (12) mit einer ersten Last (LI) trennbar verbunden ist;
- eine zweite Stromversorgung (20), die mittels eines zweiten KuppelSchalters (25) mit der Sammelschiene (100) verbindbar ist und mittels eines zweiten Leitungssystems (22) mit der ersten Last (LI) trennbar verbunden ist;
- eine dritte Stromversorgung (30), die mittels eines dritten KuppelSchalters (35) mit der Sammelschiene (100) verbindbar ist und mittels eines dritten Leitungssystems (32) mit einer zweiten Last (L2) trennbar verbunden ist;
- eine vierte Stromversorgung (40), die mittels eines vierten KuppelSchalters (45) mit der Sammelschiene (100) verbindbar ist und mittels eines vierten Leitungssystems (42) mit der zweiten Last (L2) trennbar verbunden ist;
- wobei alle Kuppelschalter (15, 25, 35, 45) im störungsfrei en Betrieb geöffnet sind.
2. Redundante Stromversorgung (1) nach Anspruch 1, die Mittel (16, 26, 36, 46) zum Detektieren von Störungen sowie Mittel zum selektiven Schließen eines oder mehrerer Kuppelschalter (15, 25, 35, 45) aufweist.
3. Redundante Stromversorgung (1) nach Anspruch 2, deren Mittel zum selektiven Schließen eines oder mehrerer Kuppe1- schalter (15, 25, 35, 45) so ausgebildet sind, dass nach dem Detektieren einer Störung einer der Stromversorgungen (10,
20, 30, 40) oder eines der Leitungssysteme (12, 22, 32, 42) der oder die Kuppelschalter (15, 25, 35, 45) so geschlossen werden, dass anschließend jede der Lasten (LI, L2) mit drei Stromversorgungen (10, 20, 30, 40) verbunden ist.
4. Redundante Stromversorgung (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei welcher die Mittel zum Detektieren von Störungen
integral mit den Stromversorgungen (10, 20, 30, 40) und/oder integral mit LeitungsschützSchaltern (11, 21, 31, 41, 13, 23, 33, 43) und/oder LeistungsSchaltern der Leitungssysteme (12, 22, 32, 43) ausgebildet sind.
5. Redundante Stromversorgung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei welcher die Mittel zum Detektieren von Störungen Strom- und/oder Spannungsmessmittel aufweisen.
6. Redundante Stromversorgung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei welcher die die Mittel zum selektiven Schließen des oder der Kuppelschalter integral mit den Stromversorgun gen (10, 20, 30, 40) und/oder integral mit den Leitungs schutzSchaltern (11, 21, 31, 41, 13, 23, 33, 43) und/oder den
LeistungsSchaltern der Leitungssysteme (12, 22, 32, 43) aus gebildet sind.
7. Redundante Stromversorgung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, deren Mittel zum selektiven Schließen des oder der Kuppelschalter eine zentrale Steuerung (110) aufweisen.
8. Redundante Stromversorgung (1) nach Anspruch 7 soweit rückbezogen auf Anspruch 5, bei welcher
- die Strom- und/oder Spannungsmessmittel zusätzlich Mittel zum Übermitteln von Messwerten an die zentrale Steuerung (110) aufweisen;
- die Steuerung (110) Mittel aufweist zum Empfangen der Mess werte von allen Strom- und/oder Spannungsmessmitteln; und
- die Steuerung (110) Mittel aufweist zum Feststellen einer Störung, wenn zumindest einer der Messwerte von einem Soll wert abweicht sowie Mittel zum Selektieren des oder der zu schließenden KuppelSchalters und Mittel zum Senden eines Schließbefehls an den oder die zu schließenden Kuppelschal ter.
9. Verfahren zum Betreiben einer redundanten Stromversorgung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend die folgenden Schritte:
- für jede Stromversorgung (10, 20, 30, 40) und/oder für jede Leitung (12, 22, 32, 42) zwischen einer Stromversorgung und der im störungsfreien Fall von dieser Stromversorgung ver sorgten Last, Ermitteln eines von der Stromversorgung zur Last fließenden Stromes und/oder Ermitteln eines Fehlerstro mes;
- Feststellen einer Störung einer Stromversorgung oder einer Leitung, wenn der ermittelte Strom von einem Sollwert ab weicht und/oder wenn der Fehlerstrom einen Schwellwert über schreitet; und
- Schließen eines oder mehrerer Kuppelschalter (15, 25, 35, 45) so, dass anschließend jede der Lasten (LI, L2) mit drei Stromversorgungen (10, 20, 30, 40) verbunden ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, zusätzlich aufweisend einen Schritt zur Isolierung einer Stromversorgung und/oder einer Leitung, für die eine Störung festgestellt wurde, durch An steuern von zwischen Stromversorgung und Last angeordneten LeitungsSchaltern und/oder LeistungsSchaltern.
11. Computerprogramm aufweisend maschinenlesbare Anweisungen zur Umsetzung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 oder 10.
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