CN105610238A - 一种基于冗余架构的智能网络配电系统及配电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于冗余架构的智能网络配电系统及配电方法，包括上位机、主控制单元、从控制单元、N个主配电链路、N个从配电链路，N≥2；所述主控制单元和从控制单元均包括通讯链路、控制器MCU、控制单元供电控制器和2N个配电链路控制开关；本发明实现了第i路输出的主副机之间可独立自主或遥控进行无缝切换，克服单独一路故障，需要全部切换至副机输出的缺陷；仅切换故障支路，不影响其他正常主路的输出，减少对系统输出的影响，解决了主网络故障可能带来的无法正常切断的问题，增加了断开的可靠性。

Description

一种基于冗余架构的智能网络配电系统及配电方法
技术领域
本发明涉及一种基于冗余架构的智能网络配电系统及配电方法，属于供配电技术领域。
背景技术
由于运载火箭地面测发控系统中使用的电源设备多放置在前置设备间，需要具备可靠的远控功能。采用本方法设计的变频电源应用于低温动力循环泵测控系统，采用主副变频器热备冗余结构，将三相380V，频率50Hz的市电转成两路三相300～380V(线电压)，频率0～400Hz的中频交流电后，驱动两个动力循环泵电机使其输出额定转矩。液氢循环预冷是射前重要环节，因此必须确保变频电源输出接通、断开、频率调节的高可靠性。
附图1是目前已有的变频电源遥控配电实现方案，假定电源的四台变频器均工作正常，此时变频器的状态指示触点闭合，先后接通主启、副启开关后，继电器K31和K33先得电，并分别对继电器K32和K34形成电气互锁。接通I路输出和II路输出开关后，继电器K51和K53得电，输出接触器J1-1和J2-1吸合，I路主机(变频器1)和II路主机(变频器3)输出供电。
当I路主机(变频器1)出现截止式故障时(如过流保护)，其状态指示触点断开，继电器K31掉电，互锁继电器K32得电，继电器K51断电、继电器K52得电，I路主机(变频器1)输出切断，I路副机(变频器2)输出接通，实现故障自切换功能，同时维持无故障的II路电源工作状态不变。
目前可遥控电源的网络配电技术存在以下几点缺陷：
(1)在变频器未报故障，状态触点仍然闭合，但未特殊情况下可能出现单路无法独立切换的问题；
(2)双冗余网络多采用主副并联控制的设计方法，在接通状态下若主机网络故障，则会导致电源输出无法正常断开；
(3)对于电压、电流、频率等数字量指令信号，通常仅能通过单网络(主网络)实现调节功能。在这种情况下，主网络回路中任意环节出现故障时，即丧失调节功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可靠且高灵活度的的冗余智能网络配电切换技术。对于两路输出的应用模式，该控制技术允许各路独立配电，能够对电源的异常情况进行检测并进行快速的无缝切换，且确保在各种异常下均能够确保电源的正常输出。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种基于冗余架构的智能网络配电系统，包括：上位机、主控制单元、从控制单元、N个主配电链路、N个从配电链路，N≥2；
所述主控制单元包括主通讯链路、主控制器MCU、从控制单元供电控制器和2N个第一配电链路控制开关；所述主通讯链路用于实现主控制器MCU和上位机的通讯；主控制器MCU控制2N个第一配电链路控制开关的通断；从控制单元供电控制器基于主控制器MCU发送的控制信号控制从控制单元的供电；
所述从控制单元包括从通讯链路、从控制器MCU、主控制单元供电控制器和2N个第二配电链路控制开关；所述从通讯链路用于实现从控制器MCU和上位机的通讯；从控制器MCU控制2N个第二配电链路控制开关的通断；主控制单元供电控制器基于从控制器MCU发送的控制信号控制主控制单元的供电；
第i路主配电链路包括串联连接的控制开关、电源状态触点、主延时继电器线包、主延时电路、第i路从延时继电器常闭触点；主延时电路实现接通延时，延时时间为T1，N≥i≥1，所述控制开关为并联设置的第i个第一配电链路控制开关常开触点和第i个第二配电链路控制开关常开触点；还包括主输出控制继电器和主输出接触器，主延时继电器的常开触点控制主输出控制继电器供电，主输出控制继电器控制主输出接触器的吸合，主输出接触器控制第i路主母线的供电输出；
第i路从配电链路包括串联的控制开关、电源状态触点、从延时继电器线包、从延时电路、第i路主延时继电器常闭触点；从延时电路实现接通延时，延时时间为T2；T2>T1，所述控制开关为并联设置的第N+i个第一配电链路控制开关常开触点和第N+i个第二配电链路控制开关常开触点；还包括从输出控制继电器和主输出接触器，从延时继电器的常开触点控制从输出控制继电器供电，从输出控制继电器控制从输出接触器的吸合，从输出接触器控制第i路从母线的供电输出。
优选的，还包括主从通讯链路，用于实现主控制器MCU和从控制器MCU之间的通讯。
优选的，主通讯链路包括主网口和主通讯总线；从通讯链路包括从网口和从通讯总线。
优选的，第i路主配电链路包括的控制开关为将第i个第一配电链路控制开关的两组常开触点形成的串联单元与第i个第二配电链路控制开关常开触点形成的串联单元进行并联，形成的并联组合；
第i路从配电链路包括的控制开关为将第N+i个第一配电链路控制开关的两组常开触点形成的串联单元与第N+i个第二配电链路控制开关常开触点形成的串联单元进行并联，形成的并联组合。
同时提供一种基于所述基于冗余架构的智能网络配电系统的配电方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)上位机经主通讯链路和从通讯链路分别发送主机接通指令、从机接通指令至主控制器MCU和从控制器MCU；
(2)主控制器MCU接收到主机接通指令后接通第1至N个第一配电链路控制开关；从控制器MCU接收到主机接通指令后，接通第1至N个第二配电链路控制开关；主控制器MCU接收到从机接通指令后，接通第N+1至2N个第一配电链路控制开关；从控制器MCU接收到从机接通指令后，接通第N+1至2N个第二配电链路控制开关；
(3)经延时T1后N路主配电链路的主延时继电器线包供电，主输出控制继电器控制主输出接触器的吸合，主输出接触器控制第i路主母线的供电输出。
优选的，电源控制器判断第i路电源出现故障，则控制断开第i路主配电链路电源状态触点，则第i路主配电链路的主延时继电器线包断电，从输出控制继电器控制从输出接触器的吸合，从输出接触器控制第i路从母线的供电输出。
优选的，上位机发送第i路主机断开指令，则主控制器MCU控制第i个第一配电链路控制开关常开触点断开，从控制器MCU控制第i个第二配电链路控制开关常开触点断开；则第i路主配电链路的主延时继电器线包断电，经延时T2后，则第i路从配电链路的主延时继电器线包上电，控制从输出控制继电器吸合，控制从输出接触器的吸合，从输出接触器控制第i路从母线的供电输出。
优选的，上位机发送断开主机电源指令时，从控制器MCU控制主控制单元供电控制器接通，主控制单元断电。
优选的，上位机发送断开从机电源指令时，主控制器MCU控制从控制单元供电控制器接通，从控制单元断电。
优选的，上位机发送断电指令，主控制器MCU接收到断电指令后，主控制器MCU控制断开第1至2N个第一配电链路控制开关；从控制器MCU接收到断电指令后，控制断开第1至2N个第二配电链路控制开关。
优选的，上位机发送调频或调压指令，主控制器MCU接收到调频或调压指令后通过总线发送给电源控制器，实现调频或调压。
优选的，上位机发现主通讯链路在故障，则发送允许从控制器MCU调频调压指令；从控制器MCU通过和主控制器MCU之间的主从通讯链路进行通讯，请求调频和调压权限；上位机发送调频或调压指令，从控制器MCU接收到调频或调压指令后通过总线发送给电源控制器，实现调频或调压。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明实现了第i路输出的主副机之间可独立自主或遥控进行无缝切换，克服单独一路故障，需要全部切换至副机输出的缺陷；仅切换故障支路，不影响其他正常主路的输出，减少对系统输出的影响。
(2)本发明增加了副网络对主MCU的供电控制和主网络对副MCU的供电控制，解决了主网络故障可能带来的无法正常切断的问题，增加了断开的可靠性；
(3)本发明增加了副网络-副MCU链路的调频调压功能，在主网络失效时仍能进行调频操作。
(4)本发明通过主、从配电链路设置不同的延时时间，保证了正常状态下主配电链路的接通；
(5)本发明采用主控制单元和从控制单元相互冗余，增加了系统的可靠性，对于交流变频电源及直流电源均适用。
附图说明
图1为现有的双路双冗余输出控制示意图；
图2为本发明的以太网控制下电源的工作流程示意图；
图3为本发明主副机独立控制方案示意图；
图4为本发明配电链路输出示意图；
图5为本发明主从控制单元MCU供电交叉配电示意图；
图6为本发明主从控制单元对配电链路的控制示意图。
具体实施方式
基于冗余架构的智能网络配电系统，包括：上位机、主控制单元、从控制单元、N个主配电链路、N个从配电链路，N≥2；
参见图5，所述主控制单元包括主通讯链路主网口和主Modbus、主控制器MCU、从控制单元供电控制器K1和2N个第一配电链路控制开关K11-K14；所述主通讯链路用于实现主控制器MCU和上位机的通讯；主控制器MCU控制2N个第一配电链路控制开关K11-K14的通断；从控制单元供电控制器K1的常闭触点K1A，K1B控制从控制单元的供电。
从控制单元包括从通讯链路副网口和副Modbus、从控制器MCU(副MCU)、主控制单元供电控制器K2和2N个第二配电链路控制开关K21-K24；所述从通讯链路用于实现从控制器MCU和上位机的通讯；从控制器MCU控制2N个第二配电链路控制开关K21-K24的通断；主控制单元供电控制器K2的常闭触点K2A，K2B控制主控制单元的供电；
参见图3，第1路主配电链路包括串联连接的控制开关I路主机、电源状态触点、主延时继电器线包K31、主延时电路、第1路从延时继电器常闭触点K32B；主延时电路实现接通延时，延时时间为T1；所述控制开关具体参见图6，为第一配电链路控制开关两组常开触点K11A和K11B串联，第二配电链路控制开关两组常开触点K21A和K21B串联，两组串联后的开关并联作为控制开关；参见图3-4，还包括主输出控制继电器K51和主输出接触器J1-1，主延时继电器的常开触点控制主输出控制继电器K51供电，主输出控制继电器K51控制主输出接触器J1-1的吸合，主输出接触器J1-1控制第1路主母线的供电输出；第i路主配电链路与第1路主配电链路结构相同。
第1路从配电链路包括串联的控制开关I路从机、电源状态触点、从延时继电器线包K32、从延时电路、第1路主延时继电器常闭触点K31B；从延时电路实现接通延时，延时时间为T2；T2>T1，所述控制开关具体参见图6，第一配电链路控制开关常开触点K13A和K13B串联，第二配电链路控制开关常开触点K23A和K23B串联，两组串联后的开关并联作为控制开关；还包括从输出控制继电器K52和主输出接触器J1-2，从延时继电器的常开触点控制从输出控制继电器K52供电，从输出控制继电器K52控制从输出接触器J1-2的吸合，从输出接触器J1-2控制第i路从母线的供电输出。第i路从配电链路与第1路从配电链路结构相同。
参见图3，假定电源的四台变频器均工作正常，此时变频器的状态指示触点闭合，先后接通主启、副启开关后，继电器K31和K33经ΔT1的延时(为防止竞争，设置ΔT1<ΔT2，延时电路只对接通有效，断开为瞬时)后先得电，并分别对继电器K32和K34形成电气互锁。接通I路输出和II路输出开关后，继电器K51和K53得电，输出接触器J1-1和J2-1吸合，I路主机(变频器1)和II路主机(变频器3)输出供电。
实现方案中的电源在以太网遥控下的工作流程见附图2。图中共有三种信号，分别是：
(1)下行实线信号为开关控制指令，上位机指令通过主副以太网发送至电源的主副网口，经内部的主副Modbus解析后，分别送至主副单片机(MCU)，单片机控制继电器去实现电源两路主机或副机的输出接通及故障后复位；
(2)上行虚线信号为电源的状态信号(遥控状态指示、输出接通指示、脱拔指示)和变频器的工作状态参数信息(如电压、电流、转速等)，主副MCU发送状态信息至主副Modbus解析后，经主副网络至上位机；
(3)下行虚线信号为变频器频率设置指令，系统设置频率值经主网络到达主MCU后，由主MCU以485通信的方式发送至相应的变频器实现频率(转速)调节。由于485总线的特性，目前仅能通过单网络(主网络)实现调频功能。
三种信息均实现了主、从冗余。
实施例1
1)2X2取2的配电模式
本发明中的配电输出电路如图3所示，四个变频器的状态触电表征变频器的工作状态，正常工作时为接通状态。当Ⅰ路和Ⅱ路的主机与副机同时接通时，继电器K31和K33经ΔT1的延时(为防止竞争，设置ΔT1<ΔT2，延时电路只对接通有效，断开为瞬时)后先得电，并分别对继电器K32和K34形成电气互锁。进而继电器K51和K53得电，输出接触器J1-1和J2-1吸合，Ⅰ路主机(变频器1)和Ⅱ路主机(变频器3)输出供电。
当I路主机(变频器1)出现截止式故障时(如过流保护)，其状态指示触点断开，继电器K31掉电，互锁继电器K32得电，继电器K51断电、继电器K52得电，I路主机(变频器1)输出切断，I路副机(变频器2)输出接通，实现故障自切换功能，同时维持无故障的Ⅱ路电源工作状态不变。若Ⅱ路主机出现问题，切换过程与此类似。
当I路主机(变频器1)出现非截止式故障时，状态指示触点仍为接通状态，可通过遥控指令断开I路主机开关解除继电器K31对K32的电气互锁。当Ⅱ路主机(变频器3)出现非截止式故障时，可通过遥控指令断开Ⅱ路主机开关完成互切。
2)主备网络交叉配电设计
在遥控状态下，上位机指令通过主副以太网发送下行开关控制指令至电源的主副网口，经内部的主副Modbus解析后，分别送至主副MCU，单片机控制继电器去实现电源两路主机或副机的输出接通、断开及故障后复位。
本方法采取主副网络MCU供电交叉配电的方案，如图4所示。在主副MCU的5V供电回路中串入受对置网络控制的常闭触点，即主MCU供电回路中串入受副MCU控制的常闭触点K2A和K2B，副MCU供电回路中串入受主MCU控制的常闭触点K1A和K1B。
正常状态时，系统上位机不给继电器K1和K2发送断开指令。当主网络控制回路发生故障、K11A和K11B无法断开，可以通过副网络给继电器K2发送断开指令，切断主MCU的供电，那么继电器K11将恢复至初始断开状态，从而断开继电器K31，切断I路主机输出。解决了主机接通后由于主网络故障导致输出无法断开的异常现象，提高了系统可靠性。
3)副网络调频、调压设计
本发明在主副MCU之间增设了通讯接口，对于交流电由上位机经副网络发送请求调频指令至副MCU，向主MCU请求频率设置，控制电源控制器输出电压频率；对于直流电，向主MCU请求电压幅值设置，控制电源控制器输出电压幅值。主MCU收到请求指令后，即放弃占用485总线的发送功能，由副MCU接管。
基于冗余架构的智能网络配电系统的配电方法，步骤如下：
(1)上位机经主通讯链路和从通讯链路分别发送主机接通指令、从机接通指令至主控制器MCU和从控制器MCU；
(2)主控制器MCU接收到主机接通指令后接通第1至N个第一配电链路控制开关K11-K12；从控制器MCU接收到主机接通指令后，接通第1至N个第二配电链路控制开关K21-K22；主控制器MCU接收到从机接通指令后，接通第N+1至2N个第一配电链路控制开关K13-K14；从控制器MCU接收到从机接通指令后，接通第N+1至2N个第二配电链路控制开关K23-K24；
(3)经延时T1后N路主配电链路的主延时继电器线包供电，主输出控制继电器K51，K53控制主输出接触器J1-1，J2-1的吸合，主输出接触器J1-1，J2-1控制第i路主母线的供电输出。
电源控制器判断第i路电源出现故障，则控制断开第i路主配电链路电源状态触点，则第i路主配电链路的主延时继电器线包(K31，K33)断电，从输出控制继电器(K52，K54)控制从输出接触器(J1-2，J2-2)的吸合，从输出接触器(J1-2，J2-2)控制第i路从母线的供电输出。
上位机发送第i路主机断开指令，则主控制器MCU控制第i个第一配电链路控制开关常开触点断开，从控制器MCU控制第i个第二配电链路控制开关常开触点断开；则第i路主配电链路的主延时继电器线包K31，K33断电，经延时T2后，则第i路从配电链路的主延时继电器线包K32，K34上电，控制从输出控制继电器K52，K54吸合，控制从输出接触器J1-2，J2-2的吸合，从输出接触器J1-2，J2-2控制第i路从母线的供电输出。
上位机发送断开主机电源指令时，从控制器MCU控制主控制单元供电控制器K2接通，主控制单元断电。
上位机发送断开从机电源指令时，主控制器MCU控制从控制单元供电控制器K1接通，从控制单元断电。
上位机发送断电指令，主控制器MCU接收到断电指令后，主控制器MCU控制断开第1至2N个第一配电链路控制开关K11-K14；从控制器MCU接收到断电指令后，控制断开第1至2N个第二配电链路控制开关K21-K24。
上位机发送调频或调压指令，主控制器MCU接收到调频或调压指令后通过总线发送给电源控制器，实现调频或调压。
当上位机发现主通讯链路在故障，则发送允许从控制器MCU调频调压指令；从控制器MCU通过和主控制器MCU之间的主从通讯链路进行通讯，请求调频和调压权限；上位机发送调频或调压指令，从控制器MCU接收到调频或调压指令后通过总线发送给电源控制器，实现调频或调压。
本发明成功应用于运载火箭液氢循环预冷系统，保证了在变频器或网络发生故障时，仍能稳定供电输出。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (12)

1.一种基于冗余架构的智能网络配电系统，其特征在于包括：上位机、主控制单元、从控制单元、N个主配电链路、N个从配电链路，N≥2；
所述主控制单元包括主通讯链路、主控制器MCU、从控制单元供电控制器(K1)和2N个第一配电链路控制开关；所述主通讯链路用于实现主控制器MCU和上位机的通讯；主控制器MCU控制2N个第一配电链路控制开关的通断；从控制单元供电控制器(K1)基于主控制器MCU发送的控制信号控制从控制单元的供电；
所述从控制单元包括从通讯链路、从控制器MCU、主控制单元供电控制器(K2)和2N个第二配电链路控制开关；所述从通讯链路用于实现从控制器MCU和上位机的通讯；从控制器MCU控制2N个第二配电链路控制开关的通断；主控制单元供电控制器基于从控制器MCU发送的控制信号控制主控制单元的供电；
第i路主配电链路包括串联连接的控制开关、电源状态触点、主继电器线包、主延时电路、第i路从继电器常闭触点，还包括主输出控制继电器和主输出接触器；主延时电路实现接通延时，延时时间为T1，N≥i≥1，所述控制开关为并联设置的第i个第一配电链路控制开关常开触点和第i个第二配电链路控制开关常开触点；主继电器的常开触点控制主输出控制继电器供电，主输出控制继电器控制主输出接触器的吸合，主输出接触器控制第i路主母线的供电输出；
第i路从配电链路包括串联的控制开关、电源状态触点、从继电器线包、从延时电路、第i路主继电器常闭触点，还包括从输出控制继电器和主输出接触器；从延时电路实现接通延时，延时时间为T2；T2>T1，所述控制开关为并联设置的第N+i个第一配电链路控制开关常开触点和第N+i个第二配电链路控制开关常开触点；从延时继电器的常开触点控制从输出控制继电器供电，从输出控制继电器控制从输出接触器的吸合，从输出接触器控制第i路从母线的供电输出。
2.根据权利要求1所述的基于冗余架构的智能网络配电系统，其特征在于：还包括主从通讯链路，用于实现主控制器MCU和从控制器MCU之间的通讯。
3.根据权利要求1或2所述的基于冗余架构的智能网络配电系统，其特征在于：主通讯链路包括主网口和主通讯总线；从通讯链路包括从网口和从通讯总线。
4.根据权利要求1或2所述的基于冗余架构的智能网络配电系统，其特征在于：第i路主配电链路包括的控制开关为将第i个第一配电链路控制开关的两组常开触点形成的串联单元与第i个第二配电链路控制开关常开触点形成的串联单元进行并联，形成的并联组合；
第i路从配电链路包括的控制开关为将第N+i个第一配电链路控制开关的两组常开触点形成的串联单元与第N+i个第二配电链路控制开关常开触点形成的串联单元进行并联，形成的并联组合。
5.一种基于权利要求1所述基于冗余架构的智能网络配电系统的配电方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)上位机经主通讯链路和从通讯链路分别发送主机接通指令、从机接通指令至主控制器MCU和从控制器MCU；
(2)主控制器MCU接收到主机接通指令后接通第1至N个第一配电链路控制开关；从控制器MCU接收到主机接通指令后，接通第1至N个第二配电链路控制开关；主控制器MCU接收到从机接通指令后，接通第N+1至2N个第一配电链路控制开关；从控制器MCU接收到从机接通指令后，接通第N+1至2N个第二配电链路控制开关；
(3)经延时T1后N路主配电链路的主延时继电器线包供电，主输出控制继电器控制主输出接触器的吸合，主输出接触器控制第i路主母线的供电输出。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于电源控制器判断第i路电源出现故障，则控制断开第i路主配电链路电源状态触点，则第i路主配电链路的主延时继电器线包断电，从输出控制继电器控制从输出接触器的吸合，从输出接触器控制第i路从母线的供电输出。
7.根据权利要求5所述方法，其特征在于：上位机发送第i路主机断开指令，则主控制器MCU控制第i个第一配电链路控制开关常开触点断开，从控制器MCU控制第i个第二配电链路控制开关常开触点断开；则第i路主配电链路的主延时继电器线包断电，经延时T2后，则第i路从配电链路的主延时继电器线包上电，控制从输出控制继电器吸合，控制从输出接触器的吸合，从输出接触器控制第i路从母线的供电输出。
8.根据权利要求5所述方法，其特征在于：上位机发送断开主机电源指令时，从控制器MCU控制主控制单元供电控制器(K2)接通，主控制单元断电。
9.根据权利要求5所述方法，其特征在于：上位机发送断开从机电源指令时，主控制器MCU控制从控制单元供电控制器(K1)接通，从控制单元断电。
10.根据权利要求5所述方法，其特征在于：上位机发送断电指令，主控制器MCU接收到断电指令后，主控制器MCU控制断开第1至2N个第一配电链路控制开关；从控制器MCU接收到断电指令后，控制断开第1至2N个第二配电链路控制开关。
11.根据权利要求5所述方法，其特征在于：上位机发送调频或调压指令，主控制器MCU接收到调频或调压指令后通过总线发送给电源控制器，实现调频或调压。
12.根据权利要求5所述方法，其特征在于：上位机发现主通讯链路在故障，则发送允许从控制器MCU调频调压指令；从控制器MCU通过和主控制器MCU之间的主从通讯链路进行通讯，请求调频和调压权限；上位机发送调频或调压指令，从控制器MCU接收到调频或调压指令后通过总线发送给电源控制器，实现调频或调压。
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