Системы электропитания РЭА: структурные варианты магистрально-модульной архитектуры

Для устранения недостатков способов резервирования «N+1» и «N+К» [1] был создан вариант СПУ (ЦЧ КСЭ) с ММА [2], отличающийся наличием в:

• СПУ К резервных силовых модулей (СМ) в режиме ненагруженного резерва в дополнение к одному традиционному резервному СМ в режиме нагруженного резерва (способ «N+1»);
• СПУ внутрисистемного (ВСИ) и внешнего (ВИ) интерфейсов на базе стандартизованных информационных магистралей;
• СПУ резервированного модуля контроля и управления (МКУ), подключаемого к ВСИ и ВИ;
• СМ узлов сопряжения (УС) для подключения их к ВСИ;
• МКУ программного обеспечения (ПО), реализующего заданный алгоритм функционирования СПУ, в том числе самовосстановления с использованием К резервных СМ.

Вариант СПУ с ММА в упрощенном виде представлен на рис. 1. При этом в его структуре условно не показаны МКУ и его связи с ВСИ и ВИ.

Рис. 1. Способ обеспечения безотказности СПУ при независимых отказах К+1 СМ из числа N путем их резервирования одним резервным СМ в режиме нагруженного (горячего) резерва (гр) и К резервными СМ в режиме ненагруженного (холодного) резерва (хр)

Способ резервирования СПУ с N основными СМ, одним резервным СМ в режиме нагруженного резерва и К резервными СМ в режиме ненагруженного резерва получил условное обозначение «N+1+К».

Наличие в СПУ вышеперечисленных СМ позволяет в автоматическом режиме:

• идентифицировать в каждом цикле работы СПУ состав и местоположение его компонентов с учетом их типов и заводских номеров, что является необходимым условием для гибкого управления СМ на основе специального алгоритма функционирования;
• определять соответствие ряда внешних и внутренних условий и режимов заданным требованиям;
• вести оперативный учет технического состояния и ресурса СПУ, а также его основных компонентов с фиксацией данных в системном электронном журнале;
• выполнить до включения СПУ предварительный отбор всех работоспособных СМ, подлежащих включению, оценивая их техническое состояние по данным о предыдущем цикле работы с блокировкой возможности повторного включения ранее отказавших СМ для предотвращения развития в них аварийных ситуаций;
• формировать совокупность N+1 СМ путем включения всех предварительно отобранных работоспособных СМ, контроля их технического состояния и последующего отключения избыточных К СМ;
• блокировать возможность включения СМ при невыполнении условий предварительной проверки, в том числе наличие в СПУ минимально необходимого количества (N) работоспособных СМ;
• вести текущий контроль технического состояния включенных N+1 СМ и при возникновении отказа одного из них отключить его и включить один из К ненагруженных резервных, поддерживая в цикле работы СПУ количество СМ, равное N+1;
• в каждом из последующих циклов работы СПУ (или через установленный промежуток времени) автоматически изменять состав N+1 последовательным замещением их из общего количества работоспособных СМ (реализовать режим цикловой или временнóй ротации СМ) для равномерной выработки их ресурса;
• реализовать возможность ситуационной ротации СМ, обеспечивающей адаптацию СПУ к ряду возникающих внешних или внутренних нештатных ситуаций;
• оперативно отключать избыточные СМ при длительных уменьшениях значения мощности нагрузки и вновь включать их при его увеличении, с сохранением практически неизменным значения КПД как каждого включенного СМ, так и СПУ в целом;
• обеспечить аварийное отключение отказавших СМ (в том числе их входных и выходных цепей от входной и выходной силовых шин СПУ) с блокировкой возможности их повторного включения с целью предотвращения развития аварийных ситуаций в СПУ;
• вести через ВИ информационный обмен с внешними устройствами контроля и управления РЭА для обеспечения возможности удаленного управления СПУ.

Приведем еще один вариант СПУ с ММА, отличающийся максимально гибкой структурой для управления его резервными ресурсами на уровне как СМ, так и их независимых силовых каналов (СК), представленный на рис. 2.

Рис. 2. Двухуровневый способ обеспечения безотказности СПУ при независимых отказах К+1 СМ из числа N путем их резервирования одним резервным СМ в режиме нагруженного (горячего) резерва (гр), К резервными СМ в режиме ненагруженного (холодного) резерва (хр), а также при подобном алгоритме резервирования на уровне СК

Он является следствием дальнейшего уменьшения масштаба резервирования СМ путем организации в них ряда независимых СК [2]. В рассматриваемом варианте в СМ предусмотрено наличие трех независимых однотипных СК (электронных модулей нулевого уровня разукрупнения), каждый из которых обеспечивает 33% от номинального значения выходной мощности СМ.

В СМ для каждого из его СК обеспечена отдельная информационная связь с ВСИ СПУ, по которой на СК от МКУ передаются команды на включение и отключение его выходного напряжения, а от СК на МКУ передаются сообщения о его техническом состоянии (на схеме условно не показаны). Входы и выходы СК соединены соответственно с входной и выходной шинами СПУ (с последней — через разделительные диоды).

Некоторое усложнение информационно-управляющей части СМ по сравнению с одноуровневым способом резервирования СМ «N+1+К» в итоге создает гораздо больший положительный эффект в виде повышения безотказной работы СПУ, так как в нем обеспечивается два последовательно реализуемых уровня резервирования: первый — на уровне СМ, а второй — на уровне СК.

На первом уровне резервирования при отказе в СМ хотя бы одного из СК этот СМ считается отказавшим и автоматически заменяется на резервный из числа К резервных СМ (К_см) в режиме ненагруженного резерва, то есть поддерживается способ резервирования «N_см+1_см+К_см».

При числе работоспособных СМ в СПУ, меньшем N, автоматически вводится второй уровень резервирования с использованием всех работоспособных СК, в том числе и в СМ, ранее считавшихся отказавшими. Таким образом, на втором уровне в СПУ поддерживается способ резервирования «N_ск+1_ск+К_ск» на уровне СК, где N_ск — количество CК, совокупно обеспечивающих на общей выходной шине СПУ номинальное значение его мощности, один резервный СК в режиме нагруженного резерва и К_ск — количество резервных СК в режиме ненагруженного резерва, что создает повышенное значение безотказности СПУ.

Резервирование на первом уровне позволяет при наличии запасных СМ в ЗИП-О провести замену отказавших основных СМ при проведении каких-либо регламентных работ с СПУ. Исходная (без замены частично отказавших СМ из состава ЗИП-О) повышенная эффективность на втором уровне обеспечивается троекратным превышением количества СК над количеством СМ.

Таким образом, в рассмотренных выше СПУ с ММА любой вариант постоянно поддерживает традиционный способ резервирования «N+1» без участия обслуживающего персонала за счет автоматического подключения к работоспособным СМ (СК) аналогичного узла из ненагруженного резерва взамен отказавшего.

В качестве примеров возможности реализации СПУ с ММА рассмотрим два варианта структур из одинаковых компонентов.

На рис. 3 приведена упрощенная структурная схема СПУ на основе «линейчатой» архитектуры с выходным напряжением 27 В и мощностью 2 кВт. Термин «линейчатая» обусловлен наличием в СПУ нескольких идентичных силовых «линеек», образованных последовательным соединением необходимых функциональных узлов [2].

Рис. 3. Структурная схема СПУ с «линейчатой» архитектурой

Функция «линейки» в СПУ в данном варианте заключается в преобразовании напряжения переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока (АС/DC) со значением выходной мощности, равным Р_вых/N, где Р_вых — номинальное значение мощности нагрузки СПУ, а N — количество основных «линеек», создающих эту мощность.

Для обеспечения заданного значения безотказности СПУ к числу N основных «линеек» добавлены две резервные аналогичные «линейки», из которых одна является нагруженным резервом, а вторая — ненагруженным (Кл = 1).

В СПУ имеются две силовые шины: СШ1 — входная переменного тока и СШ2 — выходная постоянного тока, между которыми включены все «линейки», входящие в структуру СПУ.

В СПУ также имеются магистрали для информационной связи между его компонентами — основной (ВСИ1) и резервный (ВСИ2) интерфейсы, а также для информационной связи СПУ с внешним устройством контроля и управления — основной (ВИ1) и резервный (ВИ2) интерфейсы.

Двухканальный (основной и резервный) МКУ, подключенный к основным и резервным ВСИ и ВИ, выполняет в СПУ функции, соответствующие своему наименованию.

В состав каждой «линейки» входят СК модулей выпрямителя (МВ) с корректором коэффициента мощности (ККМ) и преобразователя напряжения (МПН) класса DC/DC, соединенные последовательно для реализации функции «линейки» и эквивалентные в совокупности СМ, показанным на рис. 1, 2.

В состав МВ входят три идентичных, независимых и гальванически не связанных с ВСИ СК и УС.

Каждый из СК обеспечивает:

• включение и отключение входного переменного напряжения;
• ограничение броска входного тока при включении входного напряжения;
• выпрямление входного переменного напряжения;
• обеспечение заданного коэффициента мощности;
• контроль значения выходного постоянного напряжения с выдачей сигнала технического состояния;
• связь с УС.

УС преобразует сигналы технического состояния СК в сообщения, поступающие по ВСИ на МКУ, а также команды управления, поступающие по ВСИ от МКУ в сигналы для управления СК.

Структура МПН и функции, выполняемые УС МПН, аналогичны описанным выше для модуля МВ. СК МПН реализуют функцию преобразования напряжения (DC/DC) и подключаются к СШ2 через развязывающие диоды.

Общее количество «линеек», приведенное на схеме, минимально необходимо для реализации способа резервирования «N+1+K_л» для СК МПН с номинальным значением выходной мощности 500 Вт (максимальное значение — 600 Вт) при необходимости получить в нагрузке максимальное значение мощности 2 кВт и обеспечить заданное значение показателя безотказности. При снижении требования к последнему возможно получить в нагрузке значение мощности до 3 кВт, а при его повышении (относительно значения мощности 2 кВт) необходимо либо уменьшить значение мощности нагрузки, либо установить в СПУ дополнительные компоненты для увеличения К_л резервных «линеек». При отказе СК в МВ или МПН вся «линейка» отключается и заменяется резервной из числа К_л. Это является главным недостатком данной архитектуры, поскольку он не позволяет использовать работоспособный СК в МВ или МПН этой «линейки».

Устранение этого недостатка возможно в СПЭ с «шинной» архитектурой, чья упрощенная структурная схема приведена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема СП с «шинной» архитектурой

В структуру такого СПУ введена промежуточная силовая шина постоянного тока СШ2, к которой через развязывающие диоды подключаются выходы СК МВ. Это обеспечивает однородную структуру как в сечении выпрямителей, так и в сечении преобразователей напряжения и приближает ее к матричному виду, наиболее полно отвечающему принятому курсу в направлении уменьшения масштаба резервирования СПУ — как эффективного способа повышения его безотказности.

На СШ2 суммируются значения выходных мощностей N+1 СК МВ и обеспечивается возможность замещения отказавших СК резервными из числа К_ск-мв, независимо от ситуации с резервированием в сечении преобразователей, где есть свой ненагруженный резервный ресурс в виде К_ск-пн.

Несмотря на наличие вышеупомянутого принципиального преимущества по сравнению с вариантом СПУ на основе «линейчатой» архитектуры, практическая реализация данного варианта затруднена. Она возможна лишь при решении задачи создания ККМ, способного функционировать в составе СК1–СК3 МВ при параллельном подключении их выходов к СШ2 (аналогично преобразователю напряжения в составе СК1–СК3 МПН при параллельном подключении их выходов к СШ3).

Перечень примененных в статье аббревиатур и их расшифровка:

ВИ — внутренний интерфейс;

ВСИ — внутрисистемный интерфейс;

ККМ — корректор коэффициента мощности;

МВ — модуль выпрямителя;

МКУ — модуль контроля и управления;

ММА — магистрально-модульная архитектура;

МПН — модуль преобразователя напряжения;

ПО — программное обеспечение;

СК — силовой канал СМ;

СМ — силовой модуль;

СПУ — силовое преобразовательное устройство;

УС — узел сопряжения.