CN102104277A - 冗余电源控制方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供冗余电源控制方法、装置及系统。该冗余电源控制方法包括：用电设备获取主电源和备份电源的供电状态；用电设备根据预定规则、所述主电源的供电状态和所述备份电源的供电状态为所述备份电源设置待机级别信息，以使所述备份电源处于与所述待机级别信息相对应的待机状态，不同的所述待机状态具有不同的启动时间。本发明的冗余电源控制方法、装置及系统能够实现高效、可靠的供电。

Description

冗余电源控制方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及电源控制技术，尤其涉及一种冗余电源控制方法、装置及系统。

背景技术

随着电子技术的发展，集成电路的集成度越来越高，性能越来越强，功耗也越来越大。由此构成的高端通信设备(如机柜式交换机、路由器等)功耗也越来越大，甚至可达到10kW以上，因此对于通信设备的供电设备可靠性也提出了极高的要求。现有技术中，提高供电系统可靠性的方法普遍采用冗余热备份，并主要有以下三种方法：

第一种方法，通过内置均流电路n+1或n+m冗余。图1为内置均流电流冗余热备份的供电系统的结构示意图。如图1所示，冗余热备份构成为n+1冗余(即n个主电源，1个备份电源)，此外，也可采用n+m冗余(即n个主电源，m个备份电源)或n+n冗余(即主电源与备份电源的数量比为1∶1)。对于电源配置为n+m冗余，如果m比较大，即冗余的电源比较多时，每台电源降额比较多、功率利用率低、效率较低。一般情况下m≤n，当m＝n时，就是n+n冗余。这种情况下，每台电源实际功率降额50％以下。电源的功率利用率最低，同时效率也有明显降低。因此这各内置均流电路的冗余热备份电源系统存在电源功率利用率低的缺陷；

第二种方法，通过外置二极管n+1或n+m冗余。图2为外置隔离二极管冗余热备份的供电系统的结构示意图。如图2所示，对应于各电源模块设置有第1二极管D1、......、第n二极管Dn、第n+1二极管Dn+1。采用这种方法时，每个电源实际分担的负荷取决于输出电压的差异程度及输出阻抗，其可能均流也可能不均流。但是在这种方法中，当功率较大时，二极管的损耗也将较大；

第三种方法，1+1冷备份。图3为1+1冷备份的供电系统的结构示意图。如图3所示，正常工作时，1号开关K1和2号开关K2闭合，3号开关K3和4号开关K4断开，由第一电源模块为用电设备供电；当第一电源模块故障时，立即将1号开关K1和2号开关K2断开、将3号开关K3和4号开关K4闭合，启动第二电源模块工作。这种1+1冷备份的供电系统由于在进行电源模块切换时会导致一段时间的供电中断，不能够为可靠性要求高的用电设备提供有效的可靠供电保障。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供冗余电源控制方法、装置及系统，以实现高效、可靠的供电。

本发明提供一种冗余电源控制方法，包括：

用电设备获取主电源和备份电源的供电状态；

用电设备根据预定规则、所述主电源的供电状态和所述备份电源的供电状态为所述备份电源设置待机级别信息，以使所述备份电源处于与所述待机级别信息相对应的待机状态，不同的所述待机状态具有不同的启动时间。

本发明提供一种用电设备，包括：

电源监控模块，用于获取主电源和备份电源的供电状态；

备份电源设置模块，与所述电源监控模块连接，用于根据预定规则、所述主电源的供电状态和所述备份电源的供电状态为所述备份电源设置待机级别信息，以使所述备份电源处于与所述待机级别信息相对应的待机状态，不同的所述待机状态具有不同的启动时间。

本发明还提供了另一种冗余电源控制方法，包括：

备份电源从用电设备获取待机级别信息，所述待机级别信息由所述用电设备根据预定规则、主电源的供电状态和备份电源的供电状态进行设置；

所述备份电源响应于所述待机级别信息切换到或保持在与所述待机级别信息相对应的待机状态，不同的所述待机状态具有不同的启动时间。

本发明提供一种备份电源，其特征在于，包括：

用于实现备份电源的电流处理的多个控制电路单元；

用于为所述控制电路单元供电的多个子供电电源；

用于控制所述子供电电源工作或断开的多个开关；

监控模块，用于从用电设备获取待机级别信息，并响应于所述待机级别信息控制所述多个开关，以使所述备份电源切换到或保持在与所述待机级别信息相对应的待机状态。

本发明还提供一种冗余电源控制系统，包括主电源、本发明提供的用电设备及本发明提供的备份电源。

根据本发明提供的冗余电源控制方法、用电设备、备份电源及冗余电源控制系统，由于监测主电源和备份电源的供电状态，并根据所监测到的供电状态及预先设置的规则动态设置备份电源的待机状态，以使备份电源具有与主电源的供电状态相适应的启动时间，从而既能够使电源的功率得到充分利用，又能够避免主备电源切换时导致供电中断，为用电设备提供了高效、可靠的供电。

附图说明

图1为内置均流电流冗余热备份的供电系统的结构示意图。

图2为外置隔离二极管冗余热备份的供电系统的结构示意图。

图3为1+1冷备份的供电系统的结构示意图。

图4为本发明冗余电源控制方法的流程图。

图5为应用本发明冗余电源控制方法的供电系统的结构示意图。

图6为用电设备与1+1冗余配置供电系统的通信示意图。

图7为本发明另一冗余电源控制方法的流程图。

图8为本发明备份电源的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

图4为本发明冗余电源控制方法的流程图。如图4所示，该冗余电源控制方法包括以下步骤：

步骤S100，用电设备获取主电源和备份电源的供电状态；

步骤S200，用电设备根据预定规则、所述主电源的供电状态和所述备份电源的供电状态为所述备份电源设置待机级别信息，以使所述备份电源处于与所述待机级别信息相对应的待机状态，不同的所述待机状态具有不同的启动时间。

具体地，图5为应用本发明冗余电源控制方法的供电系统的结构示意图。如图5所示，该供电系统为n+n冗余配置电源，其中第1电源模块至第2n电源模块例如为交流转直流智能开关电源，n可以为任意自然数，当n＝1时，该供电系统为1+1冗余配置，其中一半电源为主电源，另一半电源为备份电源。

图6为用电设备与1+1冗余配置供电系统的通信示意图。下面以1+1冗余配置供电系统为例，对本发明冗余电源控制方法进行详细说明。

正常工作时，用电设备读取各个电源模块(即包括主电源模块和备份电源模块)的状态信息，从而确定备份电源的待机级别。待机级别例如划分为三级，更为具体地，当用电设备的耗电功率非常低时，例如主电源模块和备份电源模块的供电电流均处于额定电流的10％以下时，将待机级别设定为1级待机；当用电设备耗电功率稍高，例如主电源模块和备份电源模块的供电电流处于额定电流的10％以上、25％以下时，将待机级别设定为2级待机；当用电设备的耗电功率较高时，例如主电源模块和备份电源模块的供电电流处于额定电流的25％以上时，将待机级别设定为3级待机。

用电设备根据所获取的主电源和备份电源的供电状态及预先设备的待机级别划分规则为备份电源设置待机级别，则备份电源进入相应的待机状态。待机状态与待机级别相对应，并且各待机状态具有与之唯一对应的启动时间，例如为：1级待机级别对应于1级待机状态，由于用电设备耗电功率较低，所以当用电设备及时获知主电源故障时，主电源内部或用电设备内部储能电容放电较慢，即主电源在故障后维持输出电压的时间(即保持时间)较长，所以允许备份电源具有较长的启动时间，因而使备份电源处于全面的关机状态；2级待机级别对应于2级待机状态，由于用电设备耗电功率稍高，所以当用电设备及时获知主电源故障时，主电源内部或用电设备内部储能电容放电稍快，即主电源在故障后维持输出电压的时间(即保持时间)稍短，所以不允许备份电源具有过长的启动时间，因而使备份电源处于半关机状态；3级待机级别对应于3级待机状态，由于用电设备耗电功率较高，所以当用电设备及时获知主电源故障时，主电源内部或用电设备内部储能电容放电很快，即主电源在故障后维持输出电压的时间(即保持时间)很短，所以只允许备份电源具有极短的启动时间，因而使备份电源处于少部分关机状态。

供电系统刚上电时，主电源和备份电源全部工作，用电设备从主电源和备份电源获取电源模块正常/故障识别信号(PG信号)并从与各电源(主电源和备份电源)连接的通信接口获取各电源的状态信息，该状态信息例如包括输出电压、输出电流和机内温度等，而且通过主电源和备份电源的出厂配置信息可获知主电源和备份电源的额定电流，并可将该额定电流预先提供给用电设备。

当PG信号指示主电源和备份电源正常时，根据电源模块状态信息确定备份电源的待机级别信息，并将该待机级别信息写入备份电源，使得备份电源根据设定的待机级别信息及时进入相应级别的待机状态。

当用电设备根据从主电源获取的PG信号获知主电源故障时，迅速将正常供电状态信息写入备份电源，以使备份电源取消待机状态，及时进入供电状态。

根据上述实施例的冗余电源控制方法，由于监测主电源和备份电源的供电状态，并根据所监测到的供电状态及预先设置的规则动态设置备份电源的待机状态，以使备份电源具有与主电源的供电状态相适应的启动时间，从而既能够使电源的功率得到充分利用，又能够避免主备电源切换时导致供电中断，为用电设备提供了高效、可靠的供电。

进一步地，在上述实施例的冗余电源控制方法中，步骤S100包括：

步骤S101，获取所述用电设备的耗电功率、所述主电源的额定电流和所述备份电源的额定电流；

步骤S102，根据所述用电设备的耗电功率、所述主电源的额定电流和所述备份电源的额定电流，计算所述主电源的供电电流与其额定电流的比值以及所述备份电源的供电电流与其额定电流的比值。

当用电设备中用于设置待机级别信息的预定规则为根据电源的供电电流与额定电流的比值来设定待机级别信息时，可采用上述实施例的步骤S101和步骤S102来获取主电源和备份电源的供电状态。根据上述实施例的冗余电源控制方法，由于电源的供电电流与额定电流的比值能够直观地反映电源出现故障时可持续供电的时间，所以能够较准确地设置备份电源的待机状态，以提高供电系统对于用电设备不间断供电的保障。

本领域的技术人员应该理解，除根据主电源的供电电流与其额定电流的比值以及备份电源的供电电流与其额定电流的比值来设置待机级别信息外，采用任何其他主电源和备份电源的供电状态来设置待机级别信息(例如主、备份电源的当前输出功率与其额定功率之比)也能够实现本发明的冗余电源控制方法。

进一步地，在上述实施例的冗余电源控制方法中，步骤S200包括：

步骤S201，所述用电设备在预置的待机级别信息表中查询与所述主电源的供电状态和所述备份电源的供电状态相对应的待机级别信息；

步骤S202，所述用电设备将所述待机级别信息发送至所述备份电源。

具体地，用电设备中可预置一待机级别信息表，该待机级别信息表中存储有与各待机级别信息对应的电源的供电状态。用电设备通过在该待机级别信息表中查询所获取的当前电源的供电状态，则可获知与该电源的供电状态对应的待机级别信息。

根据上述实施例的冗余电源控制方法，能够使用户设备高效地根据电源的供电状态为备份电源设备待机级别信息。

根据本发明的另一方面，还提供一种用电设备，该用电设备包括：

电源监控模块，用于获取主电源和备份电源的供电状态；

备份电源设置模块，与所述电源监控模块连接，用于根据预定规则、所述主电源的供电状态和所述备份电源的供电状态为所述备份电源设置待机级别信息，以使所述备份电源处于与所述待机级别信息相对应的待机状态，不同的所述待机状态具有不同的启动时间。

上述实施例的用电设备进行冗余电源控制的流程与前述实施例的冗余电源控制方法相同，故此处不再赘述。

根据上述实施例的用电设备由于设置有用于获取主电源和备份电源的供电状态和电源监控模块，还设置有用于根据预定规则及电源监控模块获取的信息动态设置备份电源的待机级别信息以使备份电源具有适当的启动时间，所以既能够使电源的功率得到充分利用，又能够避免主备电源切换时导致供电中断。

进一步地，在上述实施例的用电设备中，电源监控模块包括：

信息获取单元，用于获取所述用电设备的耗电功率、所述主电源的额定电流和所述备份电源的额定电流；

供电状态计算单元，用于根据所述用电设备的耗电功率、所述主电源的额定电流和所述备份电源的额定电流，计算所述主电源的供电电流与其额定电流的比值以及所述备份电源的供电电流与其额定电流的比值。

进一步地，在上述实施例的用电设备中，备份电源设置模块包括：

存储单元，用于存储待机级别信息表；

查询单元，用于根据所述主电源的供电状态和所述备份电源的供电状态查询所述待机级别信息表，以获取与所述主电源的供电状态和所述备份电源的供电状态相对应的待机级别信息；

发送单元，用于将所述待机级别信息发送至所述备份单元。

本发明还提供另一种冗余电源控制方法。图7为本发明另一冗余电源控制方法的流程图。如图7所示，该冗余电源控制方法包括：

步骤S100’，备份电源从用电设备获取待机级别信息，所述待机级别信息由所述用电设备根据预定规则、主电源的供电状态和备份电源的供电状态进行设置；

具体地，备份电源内可设置一监控模块，该监控模块通过与用电设备之间的通讯接口获取用电设备为备份电源提供的待机级别信息，该待机级别信息与前述实施例的冗余电源控制方法中的待机级别信息相同，故此处不再赘述。

步骤S200’，所述备份电源响应于所述待机级别信息切换到或保持在与所述待机级别信息相对应的待机状态，不同的所述待机状态具有不同的启动时间。

具体地，备份电源内预置有与各待机级别信息对应的待机状态，例如为包括与1级待机级别信息对应的1级待机状态，与2级待机级别信息对应的2级待机状态以及与3级待机级别信息对应的3级待机状态。其中，待机级别信息与待机状态的设置可与前述实施例的冗余电源控制方法相同，故此处不再赘述。

根据上述实施例的冗余电源控制方法，由于备份电源能够根据用电设备设置的待机级别信息动态调整待机状态，以具有与主电源的当前供电状态和备份电源的当前供电状态相适应的启动时间，所以既能够使电源的功率得到充分利用，又能够避免主备电源切换时导致供电中断，为用电设备提供高效、可靠的供电。

进一步地，在上述实施例的冗余电源控制方法中，备份电源响应于所述待机级别信息切换到或保持于与所述待机级别信息相对应的待机状态的步骤包括：

所述备份电源在预置的待机状态表中查询与所述待机级别信息对应的所述备份电源内部的多个子供电电源的供电状态；

所述备份电源根据所述多个子供电电源的供电状态控制所述备份电源内部的多个子供电电源的开闭。

根据上述实施例的冗余电源控制方法，备份电源能够方便、快捷地在多个待机状态之间进行切换，为实现高效、可靠的供电提供了进一步的保障。

图8为本发明备份电源的结构示意图。如图8所示，该备份电源包括：

用于实现备份电源的电流处理的多个控制电路单元；

用于为所述控制电路单元供电的多个子供电电源；

用于控制所述子供电电源工作或断开的多个开关；

监控模块，用于从用电设备获取待机级别信息，并响应于所述待机级别信息控制所述多个开关，以使所述备份电源切换到或保持在与所述待机级别信息相对应的待机状态。

具体地，备份电源中还包括多个功率模块，例如包括防护/电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)模块，主要用于抗外部干扰及防止开关电源对外部的干扰；整流模块，用于将工频交流电压转换为直流半波100Hz电压；有源功率因数校正(Active Power Factor Correction，APFC)电路模块，用于将低压直流升压到高压直流(High Voltage Direct Current，HVDC)，同时使输入电流的峰值跟随半波直流电压的波形，减小开关电源输入电流谐波；高压直流转低压直流变换器(Direct Current to Direct Current，DC-DC)模块；隔离模块，用于热插拨与故障隔离等。

备份电源的多个控制电路单元例如包括用于控制APFC电路模块的功率因数校正电路(Power Factor Correction，PFC)控制单元、高压直流转低压直流变换器(Direct Current to Direct Current，DC-DC)控制单元和调速控制单元(用于控制风扇)(还可包括隔离控制单元)，各控制单元包括控制芯片、反馈环及外围驱动电路等。

备份电源的多个子供电电源例如设置在辅助电源模块中，该辅助电源模块用于产生控制电路单元及监控模块的电源。该辅助电源模块中例如包括第一子供电电源Vcc1、第二子供电电源Vcc2、第三子供电电源Vcc3和第四子供电电源Vcc4，其中：第一子供电电源Vcc1为PFC控制单元的供电电源，其通过第一开关S1连接到PFC控制芯片的电源引脚；第二子供电电源Vcc2为DC-DC控制单元的供电电源，其通过第二开关S2连接到DC-DC控制芯片的引脚；第三子供电电源Vcc3为调速控制单元的供电电源，其通过第三开关S3连接到调速控制单元的输入；Vcc4是监控模块的供电电源，并且第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3均受监控模块控制。

监控模块包括：状态检测单元，用于实时测量电源的温度(T)、输入电压(Vi)、输出电压(Vo)和输出电流(Io)等；通信单元，用于与用电设备进行通信，获取待机级别信息；存储单元，用于存储待机级别信息与对应的待机状态；故障检测单元，用于检测电源故障，输出PG信号，在输出电压跌落前预警；微控制器单元(Microcontroller Unit，MCU)，用于读取待机状态，并根据待机状态控制第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3的闭合或断开，更为具体地，如果是供电状态，则控制第一开关S1至第三开关S3全部闭合，使备份电源正常供电；如果是1级待机状态，则控制第一开关S1至第三开关S3全部断开，使备份电源的主要耗电部分APFC、DC-DC和风扇全部停止工作；如果是2级待机状态，则控制第二开关S2和第三开关S3断开、第一开关S1闭合，使备份电源的APFC工作，DC-DC和风扇停止工作；如果是3级待机状态，可以控制隔离电路断开供电回路，开关电源处于空载运行状态，断开第三开关S3，在此状态可以改变电源的频率降低空载功耗。

第一开关S1至第三开关S3可以为继电器、绝缘栅型金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)或中功率三极管等。

上述实施例的备份电源执行冗余电源控制的流程与上述实施例的冗余电源控制方法相同，故此处不再赘述。

根据上述实施例的备份电源，由于备份电源能够根据用电设备设置的待机级别信息动态调整待机状态，以具有与主电源的当前供电状态和备份电源的当前供电状态相适应的启动时间，所以既能够使电源的功率得到充分利用，又能够避免主备电源切换时导致供电中断，为用电设备提供高效、可靠的供电。

本发明还提供一种冗余电源控制系统，该控制系统包括主电源、上述任一实施例的用电设备以及上述实施例的备份电源。

根据上述实施例的冗余电源控制系统能够执行有效、可靠的冗余电源控制，从而为用电设备提供高效、可靠的供电。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种冗余电源控制方法，其特征在于，包括：

用电设备获取主电源和备份电源的供电状态；

用电设备根据预定规则、所述主电源的供电状态和所述备份电源的供电状态为所述备份电源设置待机级别信息，以使所述备份电源处于与所述待机级别信息相对应的待机状态，不同的所述待机状态具有不同的启动时间。

2.根据权利要求1所述的冗余电源控制方法，其特征在于，所述用电设备获取主电源和备份电源的供电状态的步骤包括：

获取所述用电设备的耗电功率、所述主电源的额定电流和所述备份电源的额定电流；

根据所述用电设备的耗电功率、所述主电源的额定电流和所述备份电源的额定电流，计算所述主电源的供电电流与其额定电流的比值以及所述备份电源的供电电流与其额定电流的比值。

3.根据权利要求1所述的冗余电源控制方法，其特征在于，所述用电设备根据预定规则、所述主电源的供电状态和所述备份电源的供电状态为备份电源设置待机级别信息的步骤包括：

所述用电设备在预置的待机级别信息表中查询与所述主电源的供电状态和所述备份电源的供电状态相对应的待机级别信息；

所述用电设备将所述待机级别信息发送至所述备份电源。

4.一种用电设备，其特征在于，包括：

电源监控模块，用于获取主电源和备份电源的供电状态；

备份电源设置模块，与所述电源监控模块连接，用于根据预定规则、所述主电源的供电状态和所述备份电源的供电状态为所述备份电源设置待机级别信息，以使所述备份电源处于与所述待机级别信息相对应的待机状态，不同的所述待机状态具有不同的启动时间。

5.根据权利要求4所述的用电设备，其特征在于，所述电源监控模块包括：

信息获取单元，用于获取所述用电设备的耗电功率、所述主电源的额定电流和所述备份电源的额定电流；

供电状态计算单元，用于根据所述用电设备的耗电功率、所述主电源的额定电流和所述备份电源的额定电流，计算所述主电源的供电电流与其额定电流的比值以及所述备份电源的供电电流与其额定电流的比值。

6.根据权利要求4所述的用电设备，其特征在于，所述备份电源设置模块包括：

存储单元，用于存储待机级别信息表；

查询单元，用于根据所述主电源的供电状态和所述备份电源的供电状态查询所述待机级别信息表，以获取与所述主电源的供电状态和所述备份电源的供电状态相对应的待机级别信息；

发送单元，用于将所述待机级别信息发送至所述备份单元。

7.一种冗余电源控制方法，其特征在于，包括：

备份电源从用电设备获取待机级别信息，所述待机级别信息由所述用电设备根据预定规则、主电源的供电状态和备份电源的供电状态进行设置；

所述备份电源响应于所述待机级别信息切换到或保持在与所述待机级别信息相对应的待机状态，不同的所述待机状态具有不同的启动时间。

8.根据权利要求7所述的冗余电源控制方法，其特征在于，所述备份电源响应于所述待机级别信息切换到或保持于与所述待机级别信息相对应的待机状态的步骤包括：

所述备份电源在预置的待机状态表中查询与所述待机级别信息对应的所述备份电源内部的多个子供电电源的供电状态；

所述备份电源根据所述多个子供电电源的供电状态控制所述备份电源内部的多个子供电电源的开闭。

9.一种备份电源，其特征在于，包括：

用于实现备份电源的电流处理的多个控制电路单元；

用于为所述控制电路单元供电的多个子供电电源；

用于控制所述子供电电源工作或断开的多个开关；

监控模块，用于从用电设备获取待机级别信息，并响应于所述待机级别信息控制所述多个开关，以使所述备份电源切换到或保持在与所述待机级别信息相对应的待机状态。

10.一种冗余电源控制系统，其特征在于，包括主电源、如权利要求4至6任一所述的用电设备以及如权利要求9所述的备份电源。

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