CN105122736B - 用于主仲裁的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种功率系统(10)。所述功率系统(10)包含通信总线(20)和以通信方式耦合到通信总线(20)的多个模块(12)。多个模块(12)的每一个配置成持续地监视通信总线(20)，在模块(12)在通信总线(20)上检测到不相关信号时传送以预定频率的调制信号，在模块在通信总线(20)上检测到以所述预定频率的相关信号时成为主模块(12)，以及当在一段时间之后未检测到相关信号时停止传送调制信号。

Description

用于主仲裁的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请是非临时申请，并且要求在2013年3月7日提交的“POWER SYSTEM MASTERARBITRATION”的U.S.临时专利申请序号61/774,560的优先权，其因此通过引用被全部结合。
背景技术
本发明的领域一般涉及功率系统，并且更具体地是，涉及功率系统中的主仲裁(master arbitration)。
至少一些已知的功率系统包含多个相同的模块，其以协调的方式独立地操作以提供系统输出。响应于外部刺激，某些系统行为可需要被协调。这通常通过建立主模块并且将剩余模块同步到主模块来完成。
为了建立主模块，至少一些已知的功率系统任意地指定主模块和备用模块。然而，如果将主模块和备用模块从这类系统中移除，则建立新的主模块可能是困难的。
在至少一些已知的功率系统中，诸如外部控制器的外部装置指定主模块。然而，在这类系统中，外部控制器是单个失效点，并且如果外部控制器损坏，则这类系统的操作可被影响。而且，在至少一些已知的功率系统中，定时方案被实现，在该定时方案中，模块在预定间隔之后尝试取得控制。然而，使用定时方案可导致相对长的时间段在最终识别主模块之前流逝。
发明内容
在一个方面中，提供一种功率系统。所述功率系统包含通信总线和以通信方式耦合到所述通信总线的多个模块。所述多个模块中的每一个配置成持续地监视所述通信总线，当所述模块在所述通信总线上检测到不相关信号时传送以预定频率的调制信号，当所述模块在所述通信总线上检测到以所述预定频率的相关信号时成为主模块，以及当在一段时间之后未检测到所述相关信号时停止传送所述调制信号。
在另一个方面中，提供一种供在功率系统中使用的模块。所述模块包含输入端口、输出端口、配置成以通信方式将所述模块耦合到通信总线的同步端口、以及控制器。所述控制器配置成持续地监视所述通信总线，当所述模块在通信总线上检测到不相关信号时传送以预定频率的调制信号，当所述模块在通信总线上检测到以所述预定频率的相关信号时成为主模块，以及当在一段时间之后未检测到所述相关信号时停止传送所述调制信号。
在又一个方面中，提供一种用于为多个模块确定主模块的方法，所述多个模块各自以通信方式耦合到通信总线。所述方法包含使用所述多个模块中的模块检测到所述通信总线上的不相关信号，响应于所述不相关信号的所述检测，从所述模块传送以预定频率的调制信号，使用所述模块确定在一段时间内是否检测到在通信总线上的以所述预定频率的相关信号，当在所述一段时间内检测到所述相关信号时指定所述模块作为主模块，以及当在所述一段时间内未检测到所述相关信号时停止传送所述调制信号。
附图说明
图1是示范性功率系统的示意图。
图2是可随图1所示系统使用的示范性方法的流程图。
图3是示范性电源系统的示意图。
具体实施例
本文描述了用于确定功率系统中的主模块的系统和方法的示范性实施例。本文所描述的系统和方法使用耦合到所有模块的信令总线的处理(manipulation)，使得清楚地传达成为主模块的意图。如果多个模块同时发出信号通知它们成为主模块的意图，则模块检测到这种情况并且采取合适的行动来解决冲突并且建立主模块。
图1是示范性功率系统10的示意图，该功率系统10包含并联连接的多个模块12。模块12可以是配置成彼此同步地操作的任何电子装置。例如，在一些实施例中，模块12是将直流(DC)转换为交流(AC)的变换器。
在示范性的实施例中，每个模块12包含输入端口14、输出端口16和同步端口18。端口14、16和18便于经由有线和/或无线连接将模块12连接到一个或多个装置和/或总线以便于模块12的操作。例如，在模块12是DC到AC变换器的实施例中，输入端口14配置成接收DC功率，并且输出端口14配置成输出AC功率。在示范性的实施例中，模块被并联耦合，使得输出端口16各自以电气方式耦合到系统输出总线19。
模块12的同步端口18便于模块12的同步操作。在示范性的实施例中，如本文详细地描述的，每个同步端口18以电气方式以及以通信方式连接到通信总线20，通信总线20便于模块12之间的通信。通信总线20通过上拉电阻器24以电气方式耦合到功率源22。
在示范性的实施例中，通信总线20是作为DC总线运行的导线。特别地是，在给定的时间，通信总线20可以处于高状态(例如5伏特DC(VDC))或者低状态(例如0VDC或地)。此外，通过在高低状态之间交替，在通信总线20上产生调制信号。
每个模块12包含控制器30。在示范性的实施例中，控制器30由以通信方式耦合到存储器装置34以运行指令的处理器32来实现。在一些实施例中，可运行的指令存储在存储器装置34中。备选地，控制器30可使用任何电路来实现，该电路使控制器30能够控制如本文所描述的相关联模块12的操作。
在示范性的实施例中，控制器30通过编程处理器32来执行本文所描述的一个或多个操作。例如，处理器32可以通过将操作编码为一个或多个可运行指令并且通过在存储器装置34中提供可运行指令来进行编程。处理器32可包含一个或多个处理单元(例如，以多核配置)。此外，处理器32可使用一个或多个异构处理器系统来实现，在该系统中，主处理器与辅助处理器一起存在于单一芯片上。作为另一个说明性的示例，处理器32可以是包含多个相同类型的处理器的对称多处理器系统。此外，处理器32可使用任何合适的包含以下的可编程电路来实现：一个或多个系统以及微控制器、微处理器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(PFGA)和能够运行本文所描述的功能的任何其他电路。在示范性的实施例中，如本文所描述的，处理器32引起控制器30操作UPS模块12。
在示范性的实施例中，存储器装置34是使诸如可运行指令的信息和/或其他数据能够被存储和取回的一个或多个装置。存储器装置34可包含一个或多个计算机可读媒体，例如不限于，动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、固态盘和/或硬盘。存储器装置34可配置成存储不限于应用源代码、应用对象代码、感兴趣的源代码部分、感兴趣的对象代码部分、配置数据、运行事件和/或任何其它类型的数据。
控制器30引起模块12经由同步端口18处理通信总线20，如本文所描述的。特别地是，每个模块12能够任意下拉通信总线20(即，将通信总线20从高状态拉到低状态)。通过交替地下拉和释放通信总线20，在通信总线20上放置调制信号。调制信号将具有频率，其取决于拉低和释放通信总线20的速率。因此，通信总线20可以以高状态、低状态或调制状态(即，在高状态和低状态之间交替)操作。
模块12处理通信总线20以确定模块12中哪个将成为主模块。一旦确定了主模块，如本文所描述的，剩余模块12同步(例如，在相位、频率和/或电压方面)到主模块，使得功率系统10中每个模块12的操作被协调。
在示范性的实施例中，以低状态操作通信总线20延长的时间段(即，没有返回到高状态)指示紧急情况。因此，当通信总线20操作在低状态预定时间时，控制器30引起模块12参与同步的紧急行动(例如，关闭，切换到操作的备用模式等)。
以高状态操作通信总线20延长的时间段(即，没有返回到低状态)指示当前没有模块12用作主模块。相比之下，如本文所描述的，以相关信号操作在调制状态(即，在高低状态之间交替)指示主模块是存在的。在这些情形下，系统10正常操作，并且在通信总线20切换到低状态的情况下可使其本身为紧急情况做好准备。
在示范性的实施例中，如本文所描述的，通信总线20上的通信以及因此模块12的行为基于通信总线20上的信号是否是相关的。如本文所使用的，如果通信总线20上的多个活动样本指示具有不改变的频率以及50％占空比的信号，则信号是“相关的”。所有其它状况视为非相关信号。
图2是确定或仲裁主模块的方法50的流程图。在示范性的实施例中，为了确定主模块，由系统10中的每个模块12执行方法50。除非另有指示，控制器30执行方法50。在示范性的实施例中，当通信总线20是高时启动方法50。
在块52处，控制器30监视通信总线20以确定相关信号是否在通信总线20上。在示范性的实施例中，模块12以及因此控制器30总是监听(listening to)通信总线20。如果检测到相关信号，则流程进行到块54，并且模块12开始正常操作并且认可另一个模块12正充当主模块。
如果没有相关信号被检测到，则流程进行到块56，并且模块12在任意时间开始传送调制信号。因此，如果通信总线20上的信号是不相关的，则意味着多个模块12正在同时传送。为了确定主模块，模块12随机停止到通信总线20的传送。当只有一个模块12保持传送时，该信号成为相关的，并且该模块12成为主模块。
因此，方法50中，一旦在块56处模块12开始传送，在块60处停止传送之前在块58处模块12继续监视通信总线20。如果在块58处模块12在停止传送之前检测到以其自身频率的相关信号，则模块12一定是仍然进行传送的唯一模块12，并且在块62处该模块12成为主模块。否则，如果模块12继续检测到不相关信号，则在块60处模块12停止传送。
为了帮助在方法50中相关信号的检测，每个模块12选择唯一的和/或随机的频率来传送其相应的调制信号。在示范性的实施例中，随机频率限于预定的频率范围(例如，20-30kHz)。如上所述，当模块12在通信总线20上检测到以其自身频率的相关信号时，该模块12成为主模块。
如上面所解释的，在块56处传送信号之后，在块60处模块12最后停止传送。在一个实施例中，每个模块12使用随机数来确定是否停止传送。因此，模块12在随机时间停止传送。备选地，模块12停止传送的时间可基于其它参数。
例如，在一个实施例中，特定模块12的地址(例如，架/槽地址)确定模块12何时停止传送。也就是说，模块12在停止传送之前等待预定的时间量，并且预定的时间量是地址的函数。地址(即，8比特值)越高，模块12在停止传送之前等待越长。因此，由于降低的编号的模块12从通信总线20掉落，最后最高的编号的模块12将被留下进行传送并且将成为总线主。
在备选的实施例中，在块58处当模块12检测到不相关信号时，该模块12立刻停止传送，并且然后在预定时间以后恢复主仲裁过程。预定时间可基于例如该模块12的地址。
如上所示，在一些实施例中，模块12是变换器系统中的DC/AC变换器。在这类实施例中，存在主模块可需要与剩余模块12同步的两个同步任务。第一个同步任务是每个DC/AC变换器内静态转换开关的行动的协调。为了使变换器系统适当地操作，每个模块12中的静态转换开关必须以同步方式来操作。变换器系统的第二个同步任务是同步每个模块12的输出的电压、频率和相位。
为了便于同步任务，主模块使用两个信号，AC_SYNC信号和STS_SYNC信号经由通信总线20与剩余模块12通信。在这种实施例中，通信总线20可包含多个通信线路(例如，一条用于主仲裁的线路，一条用于AC_SYNC信号的线路，以及一条用于STS_SYNC信号的线路)。STS_SYNC信号上的低指示所有模块12必须触发其静态转换开关。AC_SYNC信号设置变换器参数(即，电压、频率和相位)，并且只有一个模块12(即主)能够产生AC_SYNC信号。如上所描述的，STS_SYNC信号可用于主仲裁。
本文所描述的系统和方法也可在其它功率系统中实现。例如，图3是可利用本文所描述的主仲裁技术的示范性的冗余的并行隔离的(IP)不间断电源(UPS)系统100的示意图。
系统100包含以环形结构或并行结构布置的多个UPS 102。特别地是，在示范性的实施例中，系统100包含第一UPS 104、第二UPS 106、第三UPS 108和第四UPS 110。备选地，系统100可包含使系统100能够如本文所描述那样运行的任意数量的UPS 102。系统100便于向一个或多个负载120提供功率。在正常操作下，一个或多个公用事业122作为功率源运行并且向负载120提供功率。公用事业122可向系统100提供交流(AC)或直流(DC)功率。在来自公用事业122的功率没有到达负载120(例如，由于公用事业122和/或公用事业122和负载120之间的装置的失效)的情况下，系统100利用UPS 102来保持功率流到负载120。在示范性的实施例中，系统100包含第一负载124、第二负载126、第三负载128和第四负载130。备选地，系统100可包含使系统100能够如本文所描述那样运行的任意数量的负载120。
每个负载120以电气方式耦合在相关联UPS 102和环形总线132之间。特别地是，在示范性的实施例中，每个负载120经由相关联的负载电路断路器134耦合到环形总线132。此外，环形总线132包含多个环形总线电路断路器136。在环形总线132的任何段失效或关闭的情况下，系统100的结构确保功率仍然能够到达负载120。
每个UPS 102以电气方式耦合在输入开关装置140和输出开关装置142之间。输入开关装置140以电气方式耦合到并行开关装置144，并行开关装置144又通过相关联变压器146以电气方式耦合到公用事业122。在示范性的实施例中，每个并行开关装置144也以电气方式耦合到一个或多个地148。开关装置140、142和144包含可包含本地电路、远程同步电路和/或软件以便便于衰减环形总线103上的扰动、干扰和/或串扰，从而向负载120提供干净功率。在示范性的实施例中，每个输出开关装置142以电气方式直接耦合到相关联负载120，以及通过相关联扼流圈150(例如电感器)耦合到环形总线132。
系统100中，没有适当的同步的情况下，UPS 102可相互干扰和/或开始相互超越(override)，从而引起振荡或其它不期望的影响。因此，为了避免潜在的干扰和/或碰撞，控制装置(未示出)可位于每个扼流圈150或输出开关装置142处。控制装置作为模块12(图1示出)运行，并且可执行本文所描述的仲裁过程以确定将指示剩余控制器的操作的主控制器。在这种实施例中，仲裁过程可考虑到相对长的功率电缆上的时间延迟，其中这种时间延迟在系统100启动时计算。
本文所描述的系统和方法也可用于包含向网络供给功率的DC和AC功率源的能量网格系统。DC功率源能包含，例如太阳能系统或生物燃料系统。DC功率源可通过整流器向网络供给功率，而AC功率源可通过开关装置向网络供给功率。为了避免潜在的干扰和/或碰撞，多个控制器可控制能量网格系统中一个或多个组件的操作，其中使用本文所描述的仲裁过程确定主控制器。这能跨局部化的功率系统和/或跨全局功率系统来实现。
与至少一些已知的功率系统相比，本文所描述的系统和方法利用单一通信线路来识别主模块是否可用，仲裁新的主模块的选择，以及指示需要协调行动的紧急情况。在先前的主模块从系统中移除之后，所有剩余模块能够为成为新的主模块而竞争。此外，由模块对通信总线持续的监视便于快速的协调行动、主模块确定过程的快速发起、以及基于相关和不相关总线信号对主模块的快速确定。而且，因为任何和每个模块能够成为主模块并且协调系统的活动，从而相对于至少一些已知的功率系统改善了可靠性。
上面详细地描述了用于主仲裁的系统和方法的示范性的实施例。所述系统和方法不限于本文所描述的特定实施例，而是，系统的组件和/或方法的操作可与本文所描述的其他组件和/或操作无关地和分离地被利用。此外，所描述的组件和/或操作也可限定在其他系统、方法和/或装置中或结合其他系统、方法和/或装置使用，并且不限制于仅随本文所描述的系统来实施。
本文所描述的和所图示的本发明实施例中操作的性能或运行顺序不是必需的，除非另有规定。也就是说，操作可以以任何顺序执行，除非另有规定，并且本发明的实施例与本文所公开的那些相比可包含附加或更少的操作。例如，预期在另一个操作之前、之后或与其同时运行或执行特定操作处于本发明各方面的范围之内。
虽然本发明各种实施例的具体特征可在一些附图中示出而在其它附图中未示出，但是这仅是为了便利。根据本发明的原则，一个附图的任何特征可结合任何其它附图中的任何特征被提及和/或被主张。
这个书面描述使用示例来公开本发明，包含最佳模式，并且也使本领域任何技术人员能够实施本发明，包含制造和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可包含本领域技术人员想到的其它示例。这类其它的示例旨在处于权利要求书的范围之内，如果它们具有没有与权利要求书的文字语言不同的结构元件的话，或者如果它们包含与权利要求书的文字语言并无本质不同的等同结构元件的话。

Claims (20)

1.一种功率系统，所述功率系统包括：
通信总线；以及
以通信方式耦合到所述通信总线的多个模块，其中所述多个模块的每一个配置成：
持续地监视所述通信总线是否存在相关信号，其中当多个信号活动样本指示不变的频率以及50％的占空比时，信号是相关的；
在所述模块在所述通信总线上检测到不相关信号时传送以预定频率的调制信号；
在所述模块在所述通信总线上检测到以所述预定频率的相关信号时成为主模块，其中，所述相关信号的检测指示所述模块为所述多个模块中传送所述调制信号的唯一模块；以及
当在一段时间之后未检测到所述相关信号时停止传送所述调制信号。
2.如权利要求1所述的功率系统，其中，所述一段时间是随机时间段。
3.如权利要求1所述的功率系统，其中，所述一段时间基于所述模块的地址。
4.如权利要求1所述的功率系统，其中，所述多个模块的每一个包括DC到AC变换器。
5.如权利要求1所述的功率系统，其中，所述多个模块的每一个进一步配置成在所述模块检测到所述通信总线以低状态操作预定时间段时参与同步行动。
6.如权利要求1所述的功率系统，其中，为了传送以预定频率的调制信号，所述多个模块的每一个配置成传送以对所述模块唯一的预定频率的调制信号。
7.如权利要求1所述的功率系统，其中，为了停止传送所述调制信号，所述多个模块的每一个配置成在检测所述相关信号的失效之后立刻停止传送所述调制信号。
8.如权利要求1所述的功率系统，其中，所述通信总线包括DC总线。
9.一种供在功率系统中使用的模块，所述模块包括：
输入端口；
输出端口；
同步端口，配置成以通信方式将所述模块耦合到通信总线；以及
控制器，配置成：
持续地监视所述通信总线是否存在相关信号，其中当多个信号活动样本指示不变的频率以及50％的占空比时，信号是相关的；
在所述模块在所述通信总线上检测到不相关信号时传送以预定频率的调制信号；
在所述模块在所述通信总线上检测到以所述预定频率的相关信号时成为主模块，其中，所述相关信号的检测指示所述模块为耦合到所述通信总线的多个模块中传送所述调制信号的唯一模块；以及
当在一段时间之后未检测到所述相关信号时停止传送所述调制信号。
10.如权利要求9所述的模块，其中，所述一段时间是随机时间段。
11.如权利要求9所述的模块，其中，所述一段时间基于所述模块的地址。
12.如权利要求9所述的模块，其中，所述模块包括DC到AC变换器。
13.如权利要求9所述的模块，其中，所述模块进一步配置成在所述模块检测到所述通信总线以低状态操作预定时间段时参与同步行动。
14.如权利要求9所述的模块，其中，为了传送以预定频率的调制信号，所述模块配置成传送以20kHz和30kHz之间的随机频率的调制信号。
15.如权利要求9所述的模块，其中，为了停止传送所述调制信号，所述模块配置成在检测所述相关信号的失效之后立刻停止传送所述调制信号。
16.一种用于为多个模块确定主模块的方法，所述多个模块各自以通信方式耦合到通信总线，所述方法包括：
持续地监视所述通信总线是否存在相关信号，其中当多个信号活动样本指示不变的频率以及50％的占空比时，信号是相关的；
使用所述多个模块中的模块检测到通信总线上的不相关信号；
响应于所述不相关信号的所述检测，从所述模块传送以预定频率的调制信号；
使用所述模块确定在一段时间内是否检测到所述通信总线上以所述预定频率的相关信号；
当在所述一段时间内检测到所述相关信号时指定所述模块为主模块，其中，所述相关信号的检测指示所述模块为所述多个模块中传送所述调制信号的唯一模块；以及
当在所述一段时间内未检测到所述相关信号时停止传送所述调制信号。
17.如权利要求16所述的方法，其中，确定在一段时间内是否检测到相关信号包括确定在随机时间段内是否检测到相关信号。
18.如权利要求16所述的方法，其中，确定在一段时间内是否检测到相关信号包括确定在基于所述模块的地址的时间段内是否检测到相关信号。
19.如权利要求16所述的方法，进一步包括在所述模块检测到所述通信总线以低状态操作预定时间段时参与同步行动。
20.如权利要求16所述的方法，其中，传送调制信号包括传送以对所述模块唯一的预定频率的调制信号。
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