[04-2023] Применение системного анализа при оптимизации схемы электропитания объектов связи

[Admin]

Применение системного анализа при оптимизации схемы электропитания объектов связи

БУДИЦКИЙ Евгений Григорьевич, Российский университет транспорта, заведующий кафедрой «Автоматизированные системы и информационные технологии», доцент, канд. техн, наук, Москва, Россия
ГЛЕБОВ Александр Васильевич, ОАО «РЖД», Центральная станция связи, Оренбургский региональный центр связи, инженер по эксплуатации технических средств, г. Орск, Россия
РЯБИЧЕНКО Роман Борисович, Российский университет транспорта, кафедра «Автоматизированные системы и информационные технологии», доцент, канд. техн, наук, Москва, Россия

Ключевые слова: системный анализ, узел связи, система электропитания
Аннотация. В статье рассмотрено применение системного анализа на примере модернизации системы электропитания одного из линейных узлов цифровой связи ОАО «РЖД». Проведен целевой и структурно-функциональный анализ системы электропитания. Предложены два альтернативных варианта возможного совершенствования электропитания систем связи, а также обоснован выбор наиболее рационального решения. Приведены пути выполнения задачи импортозамещения оборудования. Сформулированы выводы и предложения по повышению эффективности электропитания узла связи.

В основе методологии системного анализа лежат процессы обнаружения и устранения неопределенностей на основе поиска наилучшего решения из существующих альтернатив. Подобный подход позволяет исследовать свойства, структуру и функции различных объектов со сложными межэлементными взаимосвязями и взаимовлиянием [1], в том числе различных подсистем объектов связи.
Система электропитания любого объекта связи ОАО «РЖД» включает в себя систему электроснабжения, устройства преобразования, распределения, регулирования и резервирования электрической энергии, обеспечивающие функционирование объектов в нормальных и аварийных режимах работы.
Оборудование электропитания линейного узла цифровой связи
относится к электроприемникам I категории, перерыв энергоснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный материальный ущерб, а также расстройство сложного технологического процесса и нарушение функционирования особо важных элементов [2].
В соответствии с нормативными документами электроприемники данной категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующихся источников электропитания, а перерыв их энергоснабжения может быть допущен лишь на время автоматического восстановления. В частности, исследуемый линейный узел связи получает электропитание от сети 0,4 кВ по двум четырехпроводным (три фазы и нуль) кабельным линиям - фидерам, подключенным к различным трансформаторным подстанциям.
Нормативно определено, что в схемах энергоснабжения устройств связи устанавливаются основные и дублирующие фидеры. Кроме того, на вводных панелях электропитающих установок обеспечивается автоматический переход с основного фидера на резервный в случае отключения или снижения напряжения ниже установленного нормами значения (АВР) [3].
Для группы I категории электроприемников в качестве резервного источника электропитания (третьего независимого источника) могут быть использованы также электростанции с автоматизированным дизельным генератором. При этом запас топлива должен обеспечивать его работу в течение двух суток. Другим резервным источником могут быть аккумуляторные батареи.
Первая сеть магистральной цифровой связи ОАО «РЖД» появилась в самом начале 2000-х гг.

За двадцатилетний период узлы цифровой связи претерпели несколько модернизаций с постоянным наращиванием возможностей по передаче данных.
На текущий момент актуальной проблемой является импортозаме-щение оборудования связи, в том числе системы электропитания, при сохранении эффективности, надежности и безопасности связи.
Ретроспективный структурно-функциональный анализ развития системы электропитания линейного узла связи свидетельствует, что она претерпела несколько поэтапных модификаций.
Поставки нового цифрового оборудования связи в начале 2000-х гг. потребовали внедрения соответствующих устройств электропитания с необходимыми параметрами, как по номинальному напряжению, так и по условиям резервирования и бесперебойности.

Первоначальная схема электропитания узла цифровой связи показана на рис. 1. На узле был осуществлен монтаж мультиплексора первичной сети передачи данных (с собственным источником электропитания, на схеме не показан) и мультиплексоров вторичных сетей связи на базе универсальной платформы СМК-30. Для электропитания этих устройств использовались два фидера 220 В с аккумуляторным резервированием с помощью источника бесперебойного электропитания. В систему также был включен стабилизатор переменного тока.
Позднее с установкой мультиплексора первичной сети передачи данных типа SMS-150 для исключения перерывов связи (выход из строя основных блоков электропитания мультиплексора) принято решение установить дополнительный резервный источник электропитания на 60 В с собственным комплектом аккумуляторных батарей.
Кроме того, для стабильной работы мультиплексора потребовалось наличие ИБП постоянного тока 48 В, новой линии электропитания переменным током 220 В и дополнительного стабилизатора переменного тока. Такие решения были вызваны тем, что первоначально при построении цифровой системы связи не были заложены резервы в электропитающих линиях и устройствах.
Современная однолинейная схема электропитания узла связи окончательно сформировалась при внедрении высокоскоростной технологии сети передачи данных на базе маршрутизаторов Cisco с более высоким уровнем потребления электрической энергии. Так, потребовалась установка дополнительного источника постоянного тока на 48 В. Кроме того, для обеспечения надежности было произведено подключение резервного источника 48 В. Схема электропитания узла цифровой связи на базе маршрутизаторов Cisco изображена на рис. 2.
Целевой анализ приведенной схемы показывает, что для электропитания узла связи применяется комбинированная система. Принцип ее работы заключается в том, что электропитающие установки (ЭПУ) на различные номинальные напряжения (кроме основной ЭПУ) нормально функционируют по безаккумуля-торной системе электропитания. Основная установка работает по буферной системе. В случае аварии внешних источников переменного тока электропитание будет производиться с помощью аккумуляторной батареи основной ЭПУ.

Электропитание стационарной аппаратуры связи осуществляется от источников постоянного тока 48 и 60 В и источников переменного тока 220 В. Суммарная потребляемая мощность составляет по переменному току 220 В около 3,0 кВт, по постоянному току 48 В - 2,7 кВт, по постоянному току 60 В - около 1,3 кВт.
На основе проведенного ретроспективного анализа системы электропитания узла связи можно сделать следующие выводы:

• окончательный вариант системы формировался постепенно, его трансформация происходила по мере накопления опыта эксплуатации, наращивания новых функций и повышения уровня надежности;
• многократная модификация системы без пересмотра ее общей структуры, как правило, приводит к существенному дублированию и усложнению схемы;
• повышение уровня надежности электропитания узла связи связано с установкой дополнительного оборудования, увеличением затрат на его приобретение и обслуживание;
• рассматриваемый период характеризовался массовым использованием импортного оборудования, которое имело определенные функциональные и технические преимущества перед отечественными аналогами.

Основными недостатками действующей схемы электропитания являются ее громоздкость и сложность, затрудняющие эксплуатацию, чрезмерная степень дублирования источников электропитания; наличие оборудования одного назначения разных производителей и моделей; значительное количество импортных устройств.
Результаты исследования позволили четко сформулировать цель модернизации системы электропитания узла связи - повышение эффективности ее работы при заданном уровне затрат. При этом основные задачи состоят в сокращении количества используемых источников электропитания постоянного тока и стабилизаторов переменного тока, упрощении схемы путем объединения нескольких аккумуляторных батарей и переориентации на отечественного производителя. В связи с этим предложены два альтернативных варианта электропитания.
Первый вариант заключается в использовании устройства электропитания связи постоянного тока как первичного источника с собственной аккумуляторной батареей. Потребители переменного тока 220 В подключаются к нему через инвертор. В цепи входного питания предусматривается стабилизатор напряжения переменного тока. Блок-схема подобной схемы электропитания представлена на рис. 3.
Основными достоинствами этого варианта служат сокращение номенклатуры и количества используемого оборудования (исключены стабилизатор переменного тока, источник бесперебойного питания, выпрямитель постоянного тока на 48 В и две аккумуляторные батареи), независимое резервирование по питанию постоянного тока 48 и 60 В, уменьшение количества аккумуляторных батарей.
Недостаток предложенной схемы является возможность потери электропитания потребителей переменного тока на 220 В при выходе из строя выпрямителя на 48 В или инвертора.
Второй вариант предполагает более глубокую модернизацию существующей схемы электропитания: сокращены два стабилизатора переменного тока, одна система выпрямителей на 48 В и три батареи аккумуляторов. Схема второго варианта показана на рис. 4.
Среди плюсов данной схемы -сохранение в эксплуатации только одной батареи аккумуляторов, что значительно облегчает их обслуживание, а также удобная система организации и распределения электропитания по номиналу, что позволит сократить количество щитков распределения нагрузки.

Кроме того, обеспечивается лучшая защищенность потребителей от пропадания электроэнергии из-за возможного выхода из строя оборудования. При выходе из строя выпрямителя на 48 В остается резервный источник питания (48 В от АТС или 220 В), а при выходе из строя выпрямителя на 60 В - резервный источник питания 220 В.
Слабым местом второго варианта является надежность ИБП. При его выходе из строя (либо аккумуляторной батареи) вся система через автоматический байпас перейдет на электропитание напрямую от фидеров. Теоретически можно предусмотреть дублирование и в данном звене, но это существенно утяжелит схему. С учетом того, что постоянно функционирует два фидера, маловероятен их одновременный выход из строя.
Сравнение двух вариантов модернизации показало преимущество и рациональность второго
предложения, который был выбран для практической реализации. Для данного варианта предложено к использованию следующее отечественное оборудование:

• онлайн-источник бесперебойного питания «Штиль» SR1110L, обеспечивающий бесперебойное электропитание при пропадании сетевого напряжения однофазной нагрузки суммарной мощностью 10 кВА/8 кВт;
• внешнее зарядное устройство BCR-192-15 для увеличения емкости внешних батарей для ИБП «Штиль» SR1110L;
• модуль внешнего байпаса ЕВМ-10-RT, осуществляющий аварийное переключение электропитания и повышение удобства обслуживания ИБП «Штиль» SR1110L;
• модуль распределения PDM-10-4TL-2APT, выполняющий функции щитка распределения питания;
• батарейный модуль BMR-192-12 для увеличения емкости внешних батарей с одновременным контролем работы;
• установка электропитания «Штиль» PS48-0100-2U, преобразующая 220 В в 48 В;
• установка электропитания «Штиль» PS60-0120, преобразующая 220 В в 60 В.

В заключение отметим, что методологию системного анализа возможно применять при решении задач любой сложности, в том числе без формирования громоздких математических и логических моделей. Однако системный анализ не гарантирует конечных результатов без углубления в сущность проблемы и учета множества факторов и нюансов ее разрешения. Предложенные технические решения совершенствования системы электропитания могут быть использованы для других объектов связи ОАО «РЖД».

СПИСОК источников

1. Антонов А.В. Системный анализ : учебник. М.: Высшая школа, 2004. 253 с.
2. Об утверждении Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей : приказ Министерства энергетики РФ от 13.01.2003 № 6 (в ред. от 13.09.2018). Доступ через СПС «КонсультантПлюс» (дата обращения 10.01.2023).
3. Сапожников В.В. Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи : учебник. М.: Маршрут, 2005. 453 с.