EP3150461A1 - System und verfahren zum automatischen beseitigen einer überhöhten beeinflussungsspannung in einem energiebus - Google Patents

System und verfahren zum automatischen beseitigen einer überhöhten beeinflussungsspannung in einem energiebus Download PDF

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EP3150461A1
EP3150461A1 EP15188071.3A EP15188071A EP3150461A1 EP 3150461 A1 EP3150461 A1 EP 3150461A1 EP 15188071 A EP15188071 A EP 15188071A EP 3150461 A1 EP3150461 A1 EP 3150461A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bus
network node
energy
power bus
functional units
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15188071.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Koller
Anton Reichlin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Schweiz AG
Original Assignee
Siemens Schweiz AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Schweiz AG filed Critical Siemens Schweiz AG
Priority to EP15188071.3A priority Critical patent/EP3150461A1/de
Priority to PCT/EP2016/066920 priority patent/WO2017054951A1/de
Priority to EP16738826.3A priority patent/EP3356199A1/de
Publication of EP3150461A1 publication Critical patent/EP3150461A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L19/00—Arrangements for interlocking between points and signals by means of a single interlocking device, e.g. central control
    • B61L19/06—Interlocking devices having electrical operation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L27/00—Central railway traffic control systems; Trackside control; Communication systems specially adapted therefor
    • B61L27/70—Details of trackside communication
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L19/00—Arrangements for interlocking between points and signals by means of a single interlocking device, e.g. central control
    • B61L19/06—Interlocking devices having electrical operation
    • B61L19/08—Special arrangements for power supply for interlocking devices

Definitions

  • the present invention relates to a system and method for automatically eliminating an excessive bias voltage in an energy bus via which distributed functional units located in an industrial plant are supplied with electrical energy.
  • Such decentralized functional units are used in particular in rail transport networks such as the railroad, where these are used to control vehicle influencing and / or vehicle monitoring units and to monitor functionality and to record process data and back to a central control and / or Monitoring center, such as a control center or a signal box, to report.
  • a central control and / or Monitoring center such as a control center or a signal box
  • As Switzerlandbeeinu units that give instructions to the driver or even make direct intervention in the vehicle control or directly set a safe track for example, signals, points, balises, line conductors, track magnets and the like, as well as sensors for detecting process variables of the moving train, such as power consumption, speed and the like.
  • train and track section monitoring units can also balise and line conductors, but also axle and track circuits and other train detection systems are called.
  • the present invention relates to all industrial plants in which functional units are distributed over long distances and yet must be centrally controlled.
  • the central controller can be perceived by a stationary control center, but also by
  • a digital data transport network be used, which is robust in any way against a simple fault event, yet a very skillful use of very widely used in railway engineering Cu cables, for example, previously available interlocking cables, allowed and finally only a relatively small number of network access points needed.
  • Such a device is used in a particularly advantageous manner for a rail network for rail transport. Consequently, it is then expedient, by means of the decentralized functional units traffic-monitoring and traffic-controlling functional units, in particular signals, switches, axle counter, track circuits, point and line train control elements to couple to the data transport network.
  • traffic-monitoring and traffic-controlling functional units in particular signals, switches, axle counter, track circuits, point and line train control elements to couple to the data transport network.
  • the supply of the connected consumers can take place from both supply sides. This creates a previously unavailable redundancy of the energy supply.
  • the decentralized functional units also known as element controllers or EC for short
  • EC element controllers
  • SNDs bus couplers
  • the SNDs can interrupt or bypass the power bus, as well as measure currents and voltages in the power bus.
  • the wires of the power bus which are arranged in the vicinity of the traction power supply (contact wire), are an influencing voltage due to the cable covering exposed.
  • the influencing ohmic, capacitive and / or inductive nature.
  • the inductive mode of influence is the dominant influence here and acts as a common-mode source which, in the case of potential-free cores, injects an equally large, in-phase interference signal with the frequency of the contact wire feed.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a system and a method for automatically eliminating an excessive influencing voltage in an energy bus, which provides decentralized functional units arranged in an industrial plant with electrical energy.
  • an influencing voltage in the power bus and / or a ground fault should be reliably and quickly detectable, so that immediate measures to restore the correct function of the power bus can be initiated.
  • the two feed points can draw their energy from two independent energy networks and feed them electrically isolated in the power bus.
  • the power bus is potential-free display and has due to the independence of the two energy networks on an extremely high availability.
  • the network node unit which opens a switch has previously been configured for this application. In this way, no communication among the network node units with each other is required, but it is enough alone the detection of excessive interference voltage and / or ground fault.
  • the network node unit thus determined can also carry out the bus disconnection if the power bus is in the state ground fault and, if necessary, additionally the influencing voltage also exceeds the corresponding limit value. This measurement can be left to this predetermined network node unit alone.
  • the network node unit opening a switch can be arranged in the region of the geographical center of the power bus. For example, in the event of a ground fault, it is possible to roughly halve the inductive effect of the contact wire on the power bus, so that twice as much distance can be achieved for the power bus. In addition, in the event of a ground fault, the risk to the maintenance staff can also be halved approximately.
  • a further advantageous embodiment of the invention which practically requires no communication between the network node units in this regard, can be achieved if each network node unit itself has the evaluation module.
  • FIG. 1 schematically shows an interlocking architecture with a system Sys, which has, inter alia, a signal box STW, a redunant degraded data backbone NB1, NB2, a data bus CB and an energy bus EB with two feed points PS1 and PS2.
  • the interlocking STW controls a train traffic on a track section G, in which signals S, points W, a level crossing Bue and axle counter AC are arranged.
  • These train protection and train control components each couple to a decentralized functional unit - also called element controller unit E - on the data bus CB and the power bus EB.
  • the decentralized functional units E are connected to the annular data bus CB in such a way that either access to the data backbone NB1 or NB2 is given via each side of the annular data bus CB.
  • the sequential connection of the Element Controller Unit E to the ring-shaped power bus EB ensures that each element Controller Unit E provides redundancy from both sides and therefore with the corresponding routers / switches SW electrical energy can be supplied.
  • FIG. 2 now shows schematically the data and power supply connection of the Element Controller Unit E of a train control component, here for example a switch W, to the data bus CB and the power bus EB.
  • a train control component here for example a switch W
  • Such an attachment point comprises a network node unit SND and the actual element controller EC.
  • the network node unit SND comprises a communication unit SCU for data exchange over both branches of the data bus CB.
  • the network node unit SND is designed so that it couples to both branches of the power bus EB and thus always, if necessary, across other network node units SND away - an access to both feed points PS1 and PS2 consists (as in FIG. 1 shown).
  • the network node unit SND further has a control and evaluation logic SL, which can be integrated, for example, in a switching module S, and thus controls and monitors the power bus EB.
  • the control and evaluation logic SL detects current overshoots and / or voltage dips and / or interference voltages within the power bus EB and / or the connected consumer (SPU with EC) and evaluates this data u.a. to a possible ground fault of a wire of the power bus EB and / or exceeding the threshold value for the influencing voltage.
  • the network node unit SND is always supplied in redundant manner from two sides with electrical energy and therefore has in the context of the switching module S via a left switch S1 and a right switch S2 and a load switch S3 to the supply unit SPU of the element controller EC.
  • the network node unit SND also supplies the communication unit SCU with voltage and can also use this data via an Ethernet connection It is therefore integrated in the data bus CB (eg activation of manual operation of the SND via remote access and actuation of switches S1 to S3, delivery of diagnostic data to the signal box or a higher-level service and diagnostic system, polling of the current voltages, currents, energy and energy Power values, parameterization of the SND, data for charging an energy storage device not shown here, or the registration of a future power requirement).
  • the supply unit SPU is integrated via the switch S3, which converts the voltage of the power bus EB to the input voltage required for the element controller EC.
  • a data connection between the switching module S of the network node unit SND and the supply unit SPU, for example in the form of a serial RS 422, is provided.
  • Energy-technically typical here is, for example, a three-phase connection with 400 VAC.
  • the element controller EC controls and supplies in FIG. 2
  • the switch W receives the element controller EC data telegrams from a higher-level interlocking CPU via an Ethernet connection from the communication unit SCU and are via this communication unit SCU feedback to the interlocking computer CPU.
  • the interlocking computer CPU can also represent a corresponding evaluation module that evaluates the received data as intended. In the present case, however, emphasis is placed in this embodiment on the control and evaluation logic SL integrated in the network node unit.
  • FIG. 3 shows a schematic view of an example of the separation of the power bus EB in the event of detection of a ground fault and / or an excessive value for the influencing voltage.
  • PS1 or PS2 are the feed points for the power bus EB.
  • PS1 is also as left Feed point PS1 and correspondingly the feed point PS2 referred to as the right feed point PS2.
  • seven network node units SND1 to SND7 are sequentially connected in the power bus EB.
  • the entire power consumers of the Element Controller Unit E are hereby referred to as consumers V1 to V7. Power consumers in this sense include the Element Controller EC and the upstream supply unit SPU.
  • Each network node unit SND1 to SND7 measures the influencing voltages and checks for the presence of a non-operational earth fault. If now the limit value for the influencing voltage is exceeded and / or the presence of a ground fault is detected, the energy bus EB is projectionally separated by the network node units SND4.
  • the network node unit SND 4 is configured such that it opens its right switch S2. The consumers V1 to V4 are then supplied only on one side of the left feed point PS1 and the consumers V5 to V7 accordingly only from the right feed point PS2.
  • the energy bus EB is fed by two independent energy networks EN1, EN2.
  • the infeed at the supply points PS1, PS2 is isolated.
  • the influencing voltage usually then becomes systemically important if, due to a fault in a wire of the power bus EB, there is a ground fault, which also represents a considerable source of danger for an electric shock for the maintenance personnel. Due to the separation of the energy bus EB approximately in the geographic center, this danger is also approximately halved.
  • the correspondingly configured network node unit SND4 sends a corresponding message to a diagnosis and maintenance unit, which can then take care of the elimination of the ground fault and / or the excessive influencing voltage.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Remote Monitoring And Control Of Power-Distribution Networks (AREA)

Abstract

Erfindungsgemäss sind ein System (Sys) und ein Verfahren zum automatischen Beseitigen einer überhöhten Beeinflussungsspannung in einem Energiebus (EB) offenbart, über den in einer industriellen Anlage angeordnete dezentrale Funktionseinheiten (E) mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei: a) ein übergeordnetes Steuerungssystem (STW) vorgesehen ist, das mit den dezentralen Funktionseinheiten (E) mittels Datentelegrammen Informationen über einen Datenbus (CB, NB1, NB2) austauscht, b) Netzknoteneinheiten (SND) sequentiell zwischen zwei Speisepunkten (PS1, PS2) eines ringartig aufgebauten Energiebusses (EB) angeordnet sind, die den dezentralen Funktionseinheiten (E) den Zugang zu dem Energiebus (EB) und optional auch zum Datenbus (CB, NB1, NB2) bereitstellen, c) die Netzknoteneinheiten (SND) über ein steuerbares Schaltmodul (S) verfügen, das einen ersten Schalter (S1) und einen zweiten Schalter (S2) umfasst, wobei mit den beiden Schaltern (S1, S2) je ein Zugang zu den beiden Speisepunkten (PS1, PS2) schaltbar ist, d) ein Auswertemodul (CPU, SL) vorgesehen ist, das die Beeinflussungsspannung misst und mit einem Grenzwert vergleicht und/oder den Energiebus (EB) auf das Vorliegen eines Erdschlusses einer der Adern des Energiebusses untersucht, wobei bei einer Überschreitung des Grenzwerts für die Beeinflussungsspannung und/oder bei dem Vorliegen eines Erdschlusses einer der beiden Schalter (S2) einer Netzknoteneinheit (SND4) öffenbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zum automatischen Beseitigen einer überhöhten Beeinflussungsspannung in einem Energiebus, über den in einer industriellen Anlage angeordnete dezentrale Funktionseinheiten mit elektrischer Energie versorgt werden.
  • Derartige dezentrale Funktionseinheiten werden im Besonderen in Schienenverkehrsnetzwerken z.B wie die Eisenbahn eingesetzt, wo diese genutzt werden, um Fahrzeug beeinflussende und/oder Fahrzeug überwachende Einheiten zu steuern und bezüglich der Funktionalität zu überwachen und um Prozessdaten aufzunehmen und zurück an eine zentrale Steuerungs- und/oder Überwachungszentrale, wie zum Beispiel eine Leitstelle oder ein Stellwerk, zu melden. Als zugbeeinflussende Einheiten, die also Anweisungen an den Fahrzeugführer geben oder sogar direkt Eingriffe in der Fahrzeugsteuerung vornehmen oder direkt einen sicheren Fahrweg einstellen, können beispielsweise Signale, Weichen, Balisen, Linienleiter, Gleismagnete und dergleichen sowie auch Sensoren zum Erfassen von Prozessgrössen des fahrenden Zuges, wie Leistungsaufnahme, Geschwindigkeit und dergleichen, betrachtet werden. Als Zug- und Gleisabschnitt überwachende Einheiten können ebenfalls Balisen und Linienleiter, aber auch Achszähler und Gleisstromkreise und andere Gleisfreimeldesysteme genannt werden. Grundsätzlich betrifft die vorliegende Erfindung aber alle industriellen Anlagen, in denen funktionale Einheiten über grössere Strecken verteilt sind und dennoch zentral gesteuert werden müssen. Die zentrale Steuerung kann dabei von einer ortsfesten Leitstelle, aber auch durch eine nicht-ortsfeste virtuelle Leitstelle wahrgenommen werden.
  • Im Eisenbahnverkehr ist es üblicherweise so, dass diese dezentralen Funktionseinheiten von einem Stellwerk oder einem abgesetzten Stellwerkrechner gesteuert werden. Für den Datentransfer zwischen dem Stellwerk und den Funktionseinheiten im Gleisbereich sind heute in der Regel standardisierte Kupferkabel vorgesehen, für deren klassische Stelldistanzlängen wegen der physikalischen Übertragungsparameter, den Kabelbelägen (RLC), bei 10 km in der Praxis die obere Grenze liegt. Bei gewissen Typen von Funktionseinheiten kann diese obere Limite jedoch auch nur bei maximal 6,5 km liegen.
  • Aus dem Projekt Sinet® der Siemens Schweiz AG und der dazu korrespondierenden europäischen Patentanmeldung EP 2 301 202 A1 sind eine Einrichtung und ein Verfahren zur Steuerung und/oder Überwachung von entlang eines Verkehrsnetzwerks angeordneten dezentralen Funktionseinheiten bekannt, welche folgenden Kernpunkte umfassen:
    1. a) ein übergeordnetes Steuerungssystem, das mit den dezentralen Funktionseinheiten mittels Datentelegrammen Informationen austauscht,
    2. b) ein Datentransportnetzwerk mit einer Anzahl von Netzzugangspunkten, wobei das übergeordnete Steuerungssystem über mindestens einen Netzzugangspunkt an dem Datentransportnetzwerk angekoppelt ist;
    3. c) Kommunikationseinheiten, die jeweils an einem Netzzugangspunkt angeschlossen sind, wobei:
    4. d) die dezentralen Funktionseinheiten zu Untergruppen mit jeweils eigenem Subnetzwerk zusammengefasst sind; und wobei
    5. e) das Subnetzwerk jeder der Untergruppen an jedem seiner beiden Ende jeweils über eine Kommunikationseinheit und über einem Netzzugangspunkt an dem Datentransportnetzwerk angekoppelt ist.
  • Auf diese Weise kann für die Ankopplung der dezentralen Funktionseinheiten ein digitales Datentransportnetzwerk genutzt werden, welches in jeder Weise robust gegen ein einfaches Fehlerereignis ist, dennoch eine sehr geschickte Verwendung von sehr breit in der Bahntechnik eingesetzten Cu-Kabeln, zum Beispiel bisher vorhandenen Stellwerkskabeln, erlaubt und schliesslich auch nur eine vergleichsweise geringe Zahl von Netzzugangspunkten benötigt.
  • Eine derartige Einrichtung ist dabei in besonders vorteilhafter Weise für ein Schienennetz für den Eisenbahnverkehr einsetzbar. Folglich ist dann zweckmässig, mittels den dezentralen Funktionseinheiten verkehrsüberwachende und verkehrssteuernde Funktionseinheiten, wie insbesondere Signale, Weichen, Achszähler, Gleisstromkreise, punkt- und linienförmige Zugbeeinflussungselemente, an das Datentransportnetzwerk anzukoppeln.
  • Der Aufbau von technischen Anlagen, besonders auch in der Bahninfrastruktur, ist aufgrund der über 100 jährigen Geschichte des Industrieanlagenbaus und des Eisenbahnwesens auf Robustheit und Zuverlässigkeit ausgelegt. In der damaligen Konzeption wurden besonders die Aussenelemente der Bahnsicherungsanlagen über relativ kräftige Kabeladern angeschlossen, um die Schaltzustände über die definierten Distanzen sicher detektieren zu können, d.h. die Auslegung erfolgt entsprechend der Spitzenbelastungen mit ausreichender Reserve. Mit dem Schaltvorgang der Aussenelemente wird über die Energiezuführung auch die Information übermittelt. Daraus folgt aber in naheliegender Weise auch, dass die möglichen Distanzen durch den detektierbaren Energiefluss begrenzt sind. Unter heutigen Flexibilitäts-, Kosten- und Ressourcenpolitischen -Aspekten sind diese etablierten Konzepte neben der durch die EP 2 301 202 A1 offenbarten Kommunikationsstruktur dringend auch im Bereich der Energiezuführung zu innovieren und so die bisherige Kopplung von Information und Energie aufzulösen.
  • Hierzu offenbart die internationalen Patentanmeldung WO 2013/013908 A1 eine Lösung. Diese Lösung sieht eine Einrichtung und ein Verfahren zum Betreiben von in einer industriellen Anlage angeordneten dezentralen Funktionseinheiten vor, umfassend:
    1. a) ein übergeordnetes Steuerungssystem, das mit den dezentralen Funktionseinheiten mittels Datentelegrammen Informationen austauscht,
    2. b) ein Datentransportnetzwerk mit einer Anzahl von Netzzugangspunkten, wobei das übergeordnete Steuerungssystem über mindestens einen Netzzugangspunkt an dem Datentransportnetzwerk angekoppelt ist;
    3. c) Kommunikationseinheiten, die an einem Netzzugangspunkt angeschlossen sind und den dezentralen Funktionseinheiten den Zugang zu dem Datentransportnetzwerk bereitstellen, und
    4. d) ein Energietransportnetz, an das die dezentralen Funktionseinheiten angeschlossen sind und das die dezentralen Funktionseinheiten mit elektrischer Energie versorgt. Auf diese Weise ist nun auch das Energietransportnetz vollkommen von einem Stellwerk entkoppelt.
  • Ausgehend von der heutigen Stellwerkarchitektur mit dezentralen Stationen, aber Punkt-zu-Punkt-Energiezuführung, wird hiermit ein neuer, innovativer Ansatz beschritten, der von der Siemens Schweiz AG unter dem Namen Sigrid® vertrieben. Die heutigen kabel- und arbeitsintensiven Punkt- zu Punkt-Verbindungen für die Stromversorgung bzw. die Energieversorgung der peripheren Elemente entlang dem Gleis (Element Controller oder auch dezentrale Funktionseinheit genannt) werden ersetzt durch adernsparende und einfach zu montierende Bus- oder Ringleitungen.
  • Die in der WO 2013/013908 A1 offenbarte Lösung beschränkt sich aber längst nicht nur auf den beschriebenen Anwendungsfall der Stellwerksarchitektur von Bahnanlagen, sondern geht weit darüber hinaus. Als zukünftige Beispiele werden das Energiemanagement für Gebäude oder für Grossanlagen in der produzierenden oder verarbeitenden Industrie auf der Basis dezentraler Energieversorgung gesehen.
  • Wenn der Energiebus zwischen zwei Stellwerken oder sonstigen Einrichtungen mit Anschluss zu den Energieversorgungsnetzen verlegt wird, so kann die Versorgung der angeschlossenen Verbraucher (dezentrale Funktionseinheiten) von beiden Speiseseiten erfolgen. Dadurch wird eine bisher noch nicht verfügbare Redundanz der Energieversorgung geschaffen. Die dezentralen Funktionseinheiten - auch Element Controller oder kurz EC genannt) werden dabei durch Netzknoteneinheiten - auch Buskoppler oder kurz SND - Smart Node Device genannt - an den Datenbus und den Energiebus angeschlossen, die Steuerungs-, Überwachungs- und Diagnosefunktionen übernehmen können. Die SND können beispielsweise den Energiebus unterbrechen bzw. durchschalten, sowie Ströme und Spannungen im Energiebus messen.
  • Einfache Defekte, also beispielsweise Kurzschlüsse, Erdschlüsse oder Unterbrüche, im Energiebus führen bei korrekter Behandlung aufgrund der Redundanz nicht unmittelbar zu einem Ausfall von Elementen. Im Fall einer ausfallenden Speiseseite würde die Versorgung aller dezentralen Funktionselemente von der zweiten Speiseseite übernommen.
  • Bei der Versorgung der dezentralen Funktionseinheiten sollen nun für den Energiebus Distanzen von 20 km und mehr erreicht werden können. Alle Kabel und hier besonders im vorliegenden Fall des Energiebusses für den Bahnbetrieb die Adern des Energiebusses, die in der Nähe der Bahnstromversorgung (Fahrdraht) angeordnet sind, sind einer Beeinflussungsspannung aufgrund des Kabelbelags ausgesetzt. Dabei kann die Beeinflussung ohmscher, kapazitiver und/oder induktiver Natur sein. Die induktive Beeinflussungsart ist mit dem Vorliegen der Bahnstromversorgung hierbei die dominante Beeinflussung und wirkt als Gleichtaktquelle, die bei potentialfreien Adern ein gleich grosses, phasengleiches Störsignal mit der Frequenz der Fahrdrahtspeisung einkoppelt.
  • Gemäss den gültigen Vorschriften im Bahnbereich sind anlagenseitig Vorkehrungen zu treffen, damit die Beeinflussungsspannung bei den Kabeln entlang der Bahnstrecke nie grösser als ein vorgegebener Grenzwert für die Beeinflussungsspannung, z.B. 250 VAC, wird. Mit der Kenntnis des maximal möglichen Fahrstroms und weiterer die Beeinflussungsspannung beeinflussenden Grössen, wie z.B. die Eigenschaften des Energiekabels, die Erdungsverhältnisse usw.) und des vorgegebenen Grenzwerts ist es möglich, die maximal zulässige Länge des Energiebusses rechnerisch zu ermitteln. Aktuelle Berechnungen zeigen hier derzeit, dass bei konventionellen Anlagen, bei TSI-Bahnstrecken (TSI = Technische Spezifikationen für Interoperabilität) oder bei Hochgeschwindigkeitsstrecken bei Energiebuslängen im Bereich von 10 km die zulässigen Grenzwerte erreicht werden, was hinsichtlich der eigentlich gewünschten Länge von 20 km und mehr unbefriedigend ist. Daher sind die Auswirkungen der Beeinflussungsspannungen genau zu betrachten.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren zum automatischen Beseitigen einer überhöhten Beeinflussungsspannung in einem Energiebus anzugeben, der in einer industriellen Anlage angeordnete dezentrale Funktionseinheiten mit elektrischer Energie vorsorgt. Dabei soll eine zu hohe Beeinflussungsspannung im Energiebus und/oder ein Erdschluss zuverlässig und schnell detektierbar sein, sodass umgehend Massnahmen zur Wiederherstellung der korrekten Funktion des Energiebusses eingeleitet werden können.
  • Die Aufgabe wird bezüglich des Systems erfindungsgemäss durch ein System zum automatischen Beseitigen einer überhöhten Beeinflussungsspannung in einem Energiebus gelöst, über den in einer industriellen Anlage angeordnete dezentrale Funktionseinheiten mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei:
    1. a) ein übergeordnetes Steuerungssystem vorgesehen ist, das mit den dezentralen Funktionseinheiten mittels Datentelegrammen Informationen über einen Datenbus austauscht,
    2. b) Netzknoteneinheiten sequentiell zwischen zwei Speisepunkten eines ringartig aufgebauten Energiebusses angeordnet sind, die den dezentralen Funktionseinheiten den Zugang zu dem Energiebus und optional auch zum Datenbus bereitstellen,
    3. c) die Netzknoteneinheiten über ein steuerbares Schaltmodul verfügen, das einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter umfasst, wobei mit den beiden Schaltern je ein Zugang zu den beiden Speisepunkten schaltbar ist,
    4. d) ein Auswertemodul vorgesehen ist, das die Beeinflussungsspannung misst und mit einem Grenzwert vergleicht und/oder den Energiebus auf das Vorliegen eines Erdschlusses einer der Adern des Energiebusses untersucht, wobei bei einer Überschreitung des Grenzwerts für die Beeinflussungsspannung und/oder bei dem Vorliegen eines Erdschlusses einer der beiden Schalter einer Netzknoteneinheit öffenbar ist.
  • Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäss durch ein Verfahren zum automatischen Beseitigen einer überhöhten Beeinflussungsspannung in einem Energiebus gelöst, über den in einer industriellen Anlage angeordnete dezentrale Funktionseinheiten mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei:
    1. a) ein übergeordnetes Steuerungssystem vorgesehen ist, das mit den dezentralen Funktionseinheiten mittels Datentelegrammen Informationen über einen Datenbus austauscht,
    2. b) Netzknoteneinheiten sequentiell zwischen zwei Speisepunkten eines ringartig aufgebauten Energiebusses angeordnet sind, die den dezentralen Funktionseinheiten den Zugang zu dem Energiebus und optional auch zum Datenbus bereitstellen,
    3. c) die Netzknoteneinheiten über ein steuerbares Schaltmodul verfügen, das einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter umfasst, wobei mit den beiden Schaltern je ein Zugang zu den beiden Speisepunkten schaltbar ist,
    4. d) ein Auswertemodul vorgesehen ist, das die Beeinflussungsspannung misst und mit einem Grenzwert vergleicht und/oder den Energiebus auf das Vorliegen eines Erdschlusses einer der Adern des Energiebusses untersucht, wobei bei einer Überschreitung des Grenzwerts für die Beeinflussungsspannung und/oder bei dem Vorliegen eines Erdschlusses einer der beiden Schalter einer Netzknoteneinheit geöffnet wird.
  • Auf diese Weise ist sichergestellt, dass durch die gezielte Auftrennung eines der beiden Schalter einer Netzknoteneinheit der Energiebus zwar unterbrochen wird, wobei aber aufgrund der redundanten Einspeisung in den Energiebus von den beiden Seiten her kein Verbraucher vom Energiebus abgetrennt wird und damit sämtliche dezentrale Funktionseinheiten für den Industrie-/Bahnbetrieb verfügbar bleiben.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können die beiden Speisepunkte ihre Energie von zwei voneinander unabhängigen Energienetzen beziehen und diese potentialgetrennt in den Energiebus einspeisen. Somit ist der Energiebus potentialfrei darstellbar und weist wegen der Unabhängigkeit der beiden Energienetze eine extrem hohe Verfügbarkeit auf.
  • Besonders vorteilhaft kann es weiter sein, wenn die einen Schalter öffnende Netzknoteneinheit zuvor für diesen Anwendungsfall projektiert worden ist. Auf diese Weise ist keinerlei Kommunikation unter den Netzknoteneinheiten untereinander erforderlich, sondern es genügt allein die Detektion einer überhöhten Beeinflussungsspannung und/oder eines Erdschlusses. Die derart vorbestimmte Netzknoteneinheit kann die Busauftrennung auch dann ausführen, wenn sich der Energiebus in dem Zustand Erdschluss befindet und ggfs. zusätzlich auch noch die Beeinflussungsspannung den entsprechenden Grenzwert übersteigt. Diese Messung kann dabei dieser vorbestimmten Netzknoteneinheit allein überlassen bleiben.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die einen Schalter öffnende Netzknoteneinheit im Bereich des geographischen Mitte des Energiebusses angeordnet sein. So ist es zum Beispiel im Falle eines Erdschlusses möglich die induktive Wirkung des Fahrdrahtes auf den Energiebus in etwa zu halbieren, sodass doppelt so hohe Distanzen für den Energiebus realisierbar sind. Zudem kann im Falles eines Erdschlusses die Gefahr für das Unterhaltspersonal ebenso etwa halbiert werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, die diesbezüglich praktisch keine Kommunikation zwischen den Netzknoteneinheiten benötigt, kann erreicht werden, wenn jede Netzknoteneinheit selbst über das Auswertemodul verfügt.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Figur 1
    in schematischer Ansicht eine Stellwerkarchitektur mit einem Datenbus und einem Energiebus;
    Figur 2
    in schematischer Ansicht eine Netzknoteneinheit zur Verbindung einer dezentralen Funktionseinheit mit dem Datenbus und Energiebus; und
    Figur 3
    in schematischer Ansicht ein Beispiel für die Unterbrechung des Energiebusses durch eine Netzknoteneinheit.
  • Figur 1 zeigt schematisch eine Stellwerkarchitektur mit einem System Sys, das u.a. ein Stellwerk STW, einen redunant abgebauten Datenbackbone NB1, NB2, einen Datenbus CB und einen Energiebus EB mit zwei Speisestellen PS1 und PS2 aufweist. Das Stellwerk STW steuert einen Zugverkehr auf einem Gleisabschnitt G, in welchem Signale S, Weichen W, ein Bahnübergang Bue und Achszähler AC angeordnet sind. Diese Zugsicherungs- und Zugbeeinflussungskomponenten koppeln jeweils mit einer dezentralen Funktionseinheit - auch Element Controller Unit E genannt - an dem Datenbus CB und dem Energiebus EB an. Die dezentralen Funktionseinheiten E sind dabei so an den ringförmigen Datenbus CB angeschlossen, dass über jede Seite des ringförmigen Datenbusses CB entweder der Zugriff auf den Datenbackbone NB1 bzw. NB2 gegeben ist. Der Datenbus CB koppelt dabei mit entsprechenden Routern/Switches SW an dem jeweiligen Datenbackbone NB1, NB2 an.Zudem gewährleistet der sequentielle Anschluss der Element Controller Unit E an den ringförmigen Energiebus EB, dass jede Element Controller Unit E von beiden Seiten her und damit redundant mit elektrischer Energie versorgt werden kann.
  • Figur 2 zeigt nun schematisch die daten- und energieversorungstechnische Anschaltung der Element Controller Unit E einer Zugbeeinflussungskomponente, hier zum Beispiel eine Weiche W, an den Datenbus CB und den Energiebus EB. Ein derartiger Anschaltpunkt umfasst eine Netzknoteneinheit SND und den eigentlichen Element Controller EC. Die Netzknoteneinheit SND umfasst eine Kommunikationseinheit SCU zum Datenaustausch über beide Äste des Datenbusses CB. Energieseitig ist die Netzknoteneinheit SND so ausgestaltet, dass sie an beiden Ästen des Energiebusses EB ankoppelt und damit immer, ggfs. über andere Netzknoteneinheiten SND hinweg - ein Zugang zu beiden Einspeisepunkten PS1 und PS2 besteht (wie in Figur 1 gezeigt).
  • Die Netzknoteneinheit SND verfügt weiter über eine Steuer- und Auswertelogik SL, die zum Beispiel in ein Schaltmodul S integriert sein kann, und steuert und überwacht damit den Energiebus EB. Im Besonderen detektiert die Steuer-und Auswertelogik SL Stromüberschreitungen und/oder Spannungseinbrüche und/oder Beeinflussungsspannungen innerhalb des Energiebusses EB und/oder beim angeschlossenen Verbraucher (SPU mit EC) und wertet diese Daten u.a. auf einen möglicherweise vorliegenden Erdschluss einer Ader des Energiebusses EB und/oder ein Überschreiten des Grenzwerts für die Beeinflussungsspannung aus.
  • Somit wird die Netzknoteneinheit SND immer in redundanter Weise von zwei Seiten her mit elektrischer Energie versorgt und verfügt daher im Rahmen des Schaltmoduls S über einen linken Schalter S1 und einen rechten Schalter S2 sowie über einen Lastschalter S3 zur Versorgungseinheit SPU des Element Controllers EC.
  • Die Netzknoteneinheit SND versorgt auch die Kommunikationseinheit SCU mit Spannung und kann mit dieser auch über eine Ethernet-Verbindung Daten austauschen und ist damit in den Datenbus CB eingebunden (z.B. Aktivieren des Handbetriebs des SND über Fernzugriff und Betätigen der Schalter S1 bis S3, Abgabe von Diagnosedaten an das Stellwerk oder ein übergeordnetes Service- und Diagnosesytem, Abfrage der aktuellen Spannungen, Ströme, Energie- und Leistungswerte, Parametrierung des SND, Daten für Aufladung eines hier nicht weiter dargestellten Energiespeichers oder die Anmeldung eines zukünftigen Leistungsbedarfs). In die Netzknoteneinheit SND ist hier über den Schalter S3 die Versorgungseinheit SPU integriert, die die Spannung des Energiebusses EB auf die für den Element Controller EC erforderliche Eingangsspannung konvertiert. Zudem ist eine Datenverbindung zwischen dem Schaltmodul S der Netzknoteneinheit SND und der Versorgungseinheit SPU, z.B. in Form einer serielle RS 422, vorgesehen. Energietechnisch typisch ist hier zum Beispiel eine dreiphasige Verbindung mit 400 VAC. Der Element Controller EC steuert und versorgt in Figur 2 vorliegend die Weiche W. Dabei empfängt der Element Controller EC Datentelegramme von einem übergeordneten Stellwerksrechner CPU via einer Ethernet-Verbindung von der Kommunikationseinheit SCU und gibt über diese Kommunikationseinheit SCU die Rückmeldungen an den Stellwerksrechner CPU. Der Stellwerksrechner CPU kann auch ein entsprechendes Auswertemodul repräsentieren, dass die empfangenen Daten bestimmungsgemäss auswertet. Vorliegend wird aber in diesem Ausführungsbeispiel der Schwerpunkt auf die in die Netzknoteneinheit integrierte Steuer- und Auswertelogik SL gelegt.
  • Figur 3 zeigt in schematischer Ansicht ein Beispiel für die Auftrennung des Energiebusses EB im Fall der Detektion eines Erdschlusses und/oder eines überhöhten Wertes für die Beeinflussungsspannung. PS1 bzw. PS2 sind die Einspeisestellen für den Energiebus EB. Im weiteren Verlauf wird die Einspeisestelle PS1 auch als linke Einspeisestelle PS1 und entsprechend die Einspeisestelle PS2 als rechte Einspeisestelle PS2 bezeichnet. In der vorliegenden Darstellung sind sieben Netzknoteneinheiten SND1 bis SND7 sequentiell in den Energiebus EB geschaltet. Die gesamten Stromverbraucher der Element Controller Unit E werden hier vereinfacht entsprechend als Verbraucher V1 bis V7 bezeichnet. Stromverbraucher in diesem Sinne sind dabei u.a. die Element Controller EC und die vorgeschaltete Versorgungseinheit SPU.
  • Jede Netzknoteneinheit SND1 bis SND7 misst die Beeinflussungsspannungen und prüft auf das Vorliegen eines nicht betriebskonformen Erdschlusses. Wenn nun der Grenzwert für die Beeinflussungsspannung überschritten wird und/oder das Vorliegen eines Erdschlusses detektiert wird, wird der Energiebus EB projektierungsgemäss durch die Netzknoteneinheiten SND4 aufgetrennt. Hierzu ist die Netzknoteneinheit SND 4 so projektiert, dass sie ihren rechten Schalter S2 öffnet. Die Verbraucher V1 bis V4 werden dann nur noch einseitig von der linken Einspeisestelle PS1 versorgt und die Verbraucher V5 bis V7 entsprechend nur noch von der rechten Einspeisestelle PS2. Durch die Auftrennung des Energiebusses im Fehlerfall "Erdschluss" und/oder im Fehlerfall "Überhöhte Beeinflussungsspannung", die etwa an der am nächsten zur geographische Mitte des Energiebusses gelegenen Netzknoteneinheit SND4 vorgenommen wird, wird die Wirkung der induktiven Beeinflussung der Adern des Energiebusses EB durch einen hier nicht weiter dargestellten Fahrdraht etwa halbiert. Auf diese Weise kann der Energiebus, wie in Figur 3 gezeigt, eine Länge von etwa 20 km haben.
  • Im vorliegenden Fall wird der Energiebus EB von zwei voneinander unabhängigen Energienetzen EN1, EN2 gespeist. Die Einspeisung an den Einspeisestellen PS1, PS2 erfolgt potentialgetrennt. Bei der Lösung durch die Auftrennung des Energiebusses EB wird besonders berücksichtigt, dass die Beeinflussungsspannung in der Regel dann systemrelevant wird, wenn bedingt durch einen Fehler bei einer Ader des Energiebusses EB ein Erdschluss vorliegt, der zudem für das Unterhaltspersonal eine erhebliche Gefahrquelle für einen Stromschlag darstellt. Durch die Auftrennung des Energiebusses EB etwa in der geographischen Mitte wird auch diese Gefahr in etwa halbiert. Nach der Auftrennung setzt die entsprechend projektierte Netzknoteneinheit SND4 eine entsprechende Meldung an eine Diagnose- und Wartungseinheit ab, die sich dann um die Behebung des Erdschlusses und/oder der überhöhten Beeinflussungsspannung kümmern kann.

Claims (10)

  1. System (Sys) zum automatischen Beseitigen einer überhöhten Beeinflussungsspannung in einem Energiebus (EB), über den in einer industriellen Anlage angeordnete dezentrale Funktionseinheiten (E) mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei:
    a) ein übergeordnetes Steuerungssystem (STW) vorgesehen ist, das mit den dezentralen Funktionseinheiten (E) mittels Datentelegrammen Informationen über einen Datenbus (CB, NB1, NB2) austauscht,
    b) Netzknoteneinheiten (SND, SND1 bis SND7) sequentiell zwischen zwei Speisepunkten (PS1, PS2) eines ringartig aufgebauten Energiebusses (EB) angeordnet sind, die den dezentralen Funktionseinheiten (E) den Zugang zu dem Energiebus (EB) und optional auch zum Datenbus (CB) bereitstellen,
    c) die Netzknoteneinheiten (SND) über ein steuerbares Schaltmodul (S) verfügen, das einen ersten Schalter (S1) und einen zweiten Schalter (S2) umfasst, wobei mit den beiden Schaltern (S1, S2) je ein Zugang zu den beiden Speisepunkten (PS1, PS2) schaltbar ist,
    d) ein Auswertemodul (CPU, SL) vorgesehen ist, das die Beeinflussungsspannung misst und mit einem Grenzwert vergleicht und/oder den Energiebus (EB) auf das Vorliegen eines Erdschlusses einer der Adern des Energiebusses untersucht, wobei bei einer Überschreitung des Grenzwerts für die Beeinflussungsspannung und/oder bei dem Vorliegen eines Erdschlusses einer der beiden Schalter (S2) einer Netzknoteneinheit (SND4) geöffnet wird.
  2. System nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die beiden Speisepunkte ihre Energie von zwei voneinander unabhängigen Energienetzen beziehen und diese potentialgetrennt in den Energiebus einspeisen.
  3. System nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die einen Schalter öffnende Netzknoteneinheit zuvor für diesen Anwendungsfall projektiert worden ist.
  4. System nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die einen Schalter öffnende Netzknoteneinheit im Bereich des geographischen Mitte des Energiebusses angeordnet ist.
  5. System nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jede Netzknoteneinheit (SND, SND1 bis SND7) über ein Auswertemodul (SL) verfügt.
  6. Verfahren zum automatischen Beseitigen einer überhöhten Beeinflussungsspannung in einem Energiebus (EB), über den in einer industriellen Anlage angeordnete dezentrale Funktionseinheiten (E) mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei:
    a) ein übergeordnetes Steuerungssystem (STW) vorgesehen ist, das mit den dezentralen Funktionseinheiten (E) mittels Datentelegrammen Informationen über einen Datenbus (CB, NB1, NB2) austauscht,
    b) Netzknoteneinheiten (SND) sequentiell zwischen zwei Speisepunkten (PS1, PS2) eines ringartig aufgebauten Energiebusses (EB) angeordnet sind, die den dezentralen Funktionseinheiten (E) den Zugang zu dem Energiebus (EB) und optional auch zum Datenbus (CB, NB1, NB2) bereitstellen,
    c) die Netzknoteneinheiten (SND) über ein steuerbares Schaltmodul (S) verfügen, das einen ersten Schalter (S1) und einen zweiten Schalter (S2) umfasst, wobei mit den beiden Schaltern (S1, S2) je ein Zugang zu den beiden Speisepunkten (PS1, PS2) schaltbar ist,
    d) ein Auswertemodul (CPU, SL) vorgesehen ist, das die Beeinflussungsspannung misst und mit einem Grenzwert vergleicht und/oder den Energiebus (EB) auf das Vorliegen eines Erdschlusses einer der Adern des Energiebusses untersucht, wobei bei einer Überschreitung des Grenzwerts für die Beeinflussungsspannung und/oder bei dem Vorliegen eines Erdschlusses einer der beiden Schalter (S2) einer Netzknoteneinheit (SND4) öffenbar ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die beiden Speisepunkte ihre Energie von zwei voneinander unabhängigen Energienetzen beziehen und diese potentialgetrennt in den Energiebus einspeisen.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die einen Schalter öffnende Netzknoteneinheit zuvor für diesen Anwendungsfall projektiert worden ist.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
    die einen Schalter öffnende Netzknoteneinheit in der Nähe der geographischen Mitte des Energiebusses angeordnet ist.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
    jede Netzknoteneinheit (SND, SND1 bis SND7) über ein Auswertemodul (SL) verfügt.
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