CN105739393A - 一种高速实时电源并联系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高速实时电源并联系统，包含并联的多个电源模块，其特征在于：所述多个电源模块通过其具有的高速收发模块顺次连接，形成通信环路，各电源模块利用高速收发模块接收上一个电源模块传来的信息，并将本电源模块的本机信息整合到其中后利用高速收发模块传给下一个电源模块，实现各电源模块本机信息的采集和各电源模块的控制。本发明能够实时完成电源并联系统的各类控制和瞬时量的测量，系统硬件结构简单，链路中传输的是数字信号，传输速度快，实时性高，抗干扰性强，灵活性好，误差小，易于实现各类功能。

Description

一种高速实时电源并联系统

技术领域

本发明涉及测量电子设备领域，具体涉及电源系统。

背景技术

电源并联运行可以实现电源产品模块化,大容量化,是电源技术的发展方向之一,也是实现组合大功率电源系统的关键。电源并联扩容后，一方面需要采取均流措施，实现电源并联运行时的均流控制，另一方面需要测量并联后的总电流。

目前实现均流控制和电流加总的测量，主要是基于硬件电路实现的，如图1所示，从机通过取样电路将本机电流信息送至总机上，总机接收各个从机的电流信息，送至加法器输入端，进而得到这一时刻的总电流。这种方案中，链路中传输的是模拟信号，硬件电路较为复杂，抗干扰性差，且测量值误差大。

具体如本发明申请人以前申请过一个关于多机并联系统及电流加总方法的专利,公开号为CN104932340A，一种多机并联系统，由多个电子设备并联组成，其中一个电子设备设置为主机，其余电子设备设置为从机，所述电子设备包括一个电流加总电路，主、从机的采样电流输给主机的电流加总电路，电流加总电路由加法器组成，加法器的反馈电阻采用数字电位器。在背景技术中，从机的采样电流通过连接器同步地并行传给主机。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种电源并联系统，采用数字信号进行传输，提高抗干扰能力，减小测量误差。

一种高速实时电源并联系统，包含并联的多个电源模块，其特征在于：所述多个电源模块通过其具有的高速收发模块顺次连接，形成通信环路，各电源模块利用高速收发模块接收上一个电源模块传来的信息，并将本电源模块的本机信息整合到其中后利用高速收发模块传给下一个电源模块，实现各电源模块本机信息的采集和各电源模块的控制。

进一步地，所述通信环路完成一次完整的环路通信时间t<T,其中T为模数转换采样周期。所述高速收发模块采用光纤通信口、以太网口、CAN总线接口或电平信号通信口。本发明并联的电源系统通过环路通信结构，实现数据的实时传输。

进一步地，上一个电源模块传来的信息包括系统的全局控制信息及前面数个电源模块上传的本机信息。

所述本机信息包含电流信息，所述电源模块包含一电流加总模块，用于加总上一个电源模块传来的电流信息与本电源模块的电流信息。

本发明的电源并联系统利用有高速收发模块的电源模块构成高速环形通信结构，可以实时完成电源并联系统的各类控制和瞬时量的测量。其主要优点为硬件结构简单，链路中传输的是数字信号，传输速度快，实时性高，抗干扰性强，灵活性好，误差小，易于实现各类功能。

为解决并联电源系统的电流加总和/或电流均流等技术问题，区别于传统的通过各个从机采样电流并行加总的传统构思，本发明提供了一种完全不同的构思方案，即通过环路串行的方式实现电流加总，只要该环路的通信速度足够快，例如，通信环路完成一次完整的环路通信在两次电流采样时间间隔内，即所述通信环路完成一次完整的环路通信时间t<T,其中T为模数转换采样周期，这样保证采样的数据不存在堆积等待的现象，被实时地读取及环路通信，实现实时数据传输。

附图说明

图1为现有技术实现电流加总的结构示意图；

图2为本发明高速环路实现电流加总和均流控制结构示意图；

图3为电流加总模块结构示意图；

图4为均流控制模块结构示意图；

图5为基于光纤通信实现电流加总的三相多机电源并联系统环路通信实施例；

图6为环路通信数据帧格式示例性视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。

本发明的高速实时电源并联系统结构如图2所示，该系统包含并联的多个电源模块，每一个电源模块内包含了一高速接收模块、一高速发送模块、一电流加总模块和一均流控制模块。前一个电源模块的发送模块连接至后一个电源模块的接收模块，形成环形通信结构，实现电流加总以及均流控制。高速接收模块和高速发送模块在实际应用中可以整合成一个高速收发模块。

电流加总模块如图3所示，包括取样电路、模数转换电路和电流累加模块。取样电路采样本电源模块的电流信息。模数转换电路对采样得到的本电源模块的电流信息进行模数转换得到本机数字电流信号。本电源模块利用高速接收模块接收上一个电源模块传来的数字电流信息，该数字电流信息是本电源模块前面各电源模块的电流累加和，利用电流累加模块对接收到的数字电流信息和本电源模块的数字电流信息进行加总，并将加总后的电流信息传给本电源模块的高速发送模块，高速发送模块将电流加总信息发送到下一个模块。

系统运行时，指定环路中的其中一个电源模块为主机，其余为从机，主机发送本机电流信息，假设主机序号为1，则序号为N的从机的高速接收模块接收的是前N-1台电源并机的电流信息,其高速发送模块发送的是N台电源并机的电流信息。这样环路经过一次完整传输，收集了环路中所有设备的电流累加信息，即并联的总电流，并传输回到主机设备。

均流控制模块如图4所示，均流控制模块同样基于高速通信接口和环路通信结构。高速接收模块接收上一设备发出的数据包，该数据包中含有主机发出的全局控制信息和前面数台从机上传的本机信息。通过解析模块（利用电源模块中的CPU实现）解析该数据包，获得本机有效的控制指令，实现本机均流调整等控制，同时通过数据整合模块（利用电源模块中的CPU实现）将本机信息整合到该数据包中，送往高速发送模块，传递给下一设备，依次类推，经过一次环路的完整传输后，各个从机接收并执行主机发出的主控指令，进行均流调整，同时主机也接收得到各个从机反馈回来的相关信息，为下一轮的均流控制提供参考。

本发明中定义的高速串行通信为上百兆至G比特速率，设计中考虑采用600M至1.25G的传输速率。目前，高速串行接口通信的工业标准协议有XAUI，PCI-EXpress，FiberChannel，SerialRapidIO等等，而采用的硬件端口有光纤通信口，以太网口以及CAN总线，电平信号通信口等等。

本发明通信环路基于高速环路通信接口，要实现高速实时测量，还需要确保在两次电流采样时间间隔内完成一次完整的环路通信，即需保证t<T采样，其中t表示一次环路通信时间，T表示两次电流采样时间，这样得到的电流累加值即为实时的总电流值。这种方案，硬件结构简单，灵活性大，引入误差小。

对于本发明的环路通信结构，采样时间T是固定的，由系统的ADC采样速率决定的，而t受环路的通信速率，设备的数量和处理能力影响的。本发明可以通过一系列的设计来减小环路时间。本发明采用了高速串口通信，提高通信速率，设备采用流水线的指令方式，大大的减小了处理时间，同时简化通信协议，加快通信指令的解析和执行。

本发明的实时通信不存在采样数据堆积和等待，其原理如下：

为确保环路通信的实时性，要求环路系统内部必须在限定的时间内将数据处理完成，这个时间就是内部ADC的采样时间T。

例如，假设系统内设备的采样时间T=1us，每一台设备完成这样一个过程：首先采样得到第i个采样数据，而后等待环路通信的到来，当接收到携带电流加总信息段通信帧后，将采样的电流值加总到该信息段后，再转发给下一个子机。假设环路内所有子机同步采样，均在t0时刻采样得到第i个采样数据，主机在t0时刻采样后立即发送一帧携带电流信息的控制字给第一子机A，第一子机A在t0+r时刻收到该信息段，经过累加处理后，在t0+r+p时刻发送给第二子机B。第二子机B在t0+2r+p时刻收到该信息段，经过累加处理后，在t0+2r+2p时刻发送给第三子机C。以此类推，第N台子机，在t0+N*r+(N-1)*p时刻接受到环路电流加总信息段通信帧，将本机电流加总到该信息段后，在t0+N*r+N*p时刻发送回主机，主机接收到电流加总值的即为系统的瞬时总电流值。

为确保这是一次实时的数据采集和传输过程，每台子设备往环路通信中加总的电流值都应该是t0时刻采样得到第i个采样数据，例如在t0+N*r+N*p时刻，环路最末一台子机进行电流加总时，此时，它的电流采样值是第i个采样数据，ADC还未采到第i+1个数据，即此时未到下一个采样时间点t0+1us;由此，可得到

t0+N*r+N*p<t0+1us

进而可得

N*s<1us；

其中s=(r+p)为每台子机完成一帧数据的接收、处理和传输所需的时间。它是受环路的通信速率，处理器的处理能力，数据帧的长度等因素影响。设计中一方面提高处理器主频，采用流水线的指令方式，大大的减小了处理时间，同时简化通信协议，加快通信指令的解析和执行等来减小s。

如图5所示，基于光纤通信实现电流加总的三相多机电源并联系统环路通信实施例。该多机电源并联系统采用光纤实现高速的发送和接收数据通路，在设备间构成一个完整的高速串行通信传输系统。光纤通信具有传输损耗低，速率高，体积小以及抗电磁干扰等特点，采用FPGA高性能数据采集和处理系统作为主控制芯片。综合应用这两种技术，完成电流加总及均流控制等高速串行光纤传输。该系统是一个多相系统，同相之间由主设备发出通信指令，从设备接收并执行通信指令，同时将系统指令和本机的数据信息传递给下一个从设备，依次级联。本机的数据信息包括电流信息，经过一次完整环路通信，收集了环路中所有设备的电流累加信息，即并联的总电流，并传输回到主机设备。最终从设备的数据信息将全部反馈到主设备中。

相与相之间是各相的主设备进行信息的交互和反馈，由A相主机为总调度，发出控制指令，其他相的主设备接收指令，同时给出应答。

结合图6，详细阐述通信中信息整合的示例，如电流加总。

为了更好的理解和实施环路通信，下面举例一种通信传输的数据格式，例如一帧数据可包含：开始位，全局控制命令段，子机状态信息段，电流加总信息段，CAN总线，校验位。

其中，开始位和校验位是保证数据正确的传输和接收；

全局控制命令是主机对所有从机下发的指令，如开关命令，均流信息等等，子机接收全局控制指令，并执行。且对于每一个子机而言。该字段可以直接转发，不需要处理。

子机状态信息是各子机将自身的状态信息挂到总线上，如故障信号，工作状态，同步信号。环路通信通过该字段可携带全部子机的信息，反馈给主机。对每一个子机而言，该字段除了本机字段部分，其他的都是可以透传。

电流加总信息段是主机用于计算系统总电流，主机首先将自身电流值放入该字段，开始沿着通信环路依次传递。第一子机接收到此段信息后，将该信息段电流值和第一子机自身电流值做加法，而后得到加总电流值继续转发给第二子机；第二子机收到该信息段后，也将自身的电流值加到该信心段上后继续转发给第三子机，依次类推，直至所有子机的电流值都加总到该信息段上，并通过通信环路再次传到了主机。此时，主机收到的电流加总值即为并机系统的总电流。该信息段对于子机而言，不可以直接转发，需要将数据先进行处理之后更新信息段再转发。

另外，在通信带宽允许下，保留一定的字段，可用于后期功能的扩展。如CAN总线的压缩等等。

Claims (10)

1.一种高速实时电源并联系统，包含并联的多个电源模块，其特征在于：所述多个电源模块通过其具有的高速收发模块顺次连接，形成通信环路，各电源模块利用高速收发模块接收上一个电源模块传来的信息，并将本电源模块的本机信息整合到其中后利用高速收发模块传给下一个电源模块，实现各电源模块本机信息的采集和各电源模块的控制。

2.如权利要求1所述的高速实时电源并联系统，其特征在于：所述通信环路完成一次完整的环路通信时间t<T,其中T为模数转换采样周期。

3.如权利要求1所述的高速实时电源并联系统，其特征在于：所述上一个电源模块传来的信息包括系统的全局控制信息及前面数个电源模块上传的本机信息。

4.如权利要求1所述的高速实时电源并联系统，其特征在于：所述高速收发模块采用光纤通信口、以太网口、CAN总线接口或电平信号通信口。

5.如权利要求1至4中任一项所述的高速实时电源并联系统，其特征在于：所述本机信息包含电流信息，所述电源模块包含一电流加总模块，用于加总上一个电源模块传来的电流信息与本电源模块的电流信息。

6.如权利要求5所述的所述的高速实时电源并联系统，其特征在于所述电流加总模块包括：

取样电路，用于采样本电源模块的电流信息；

模数转换电路，用于对采样得到的本电源模块的电流信息进行模数转换；

电流累加模块，用于加总模数转换后的本电源模块的电流信息和上一个电源模块传来的电流信息。

7.如权利要求1或3所述的高速实时电源并联系统，其特征在于：所述通信环路中，其中一个电源模块为主机，其余为从机，主机利用通信环路汇总各从机的本机信息，产生全局控制信息。

8.如权利要求7所述的高速实时电源并联系统，其特征在于所述电源模块包含一均流控制模块，用于根据全局控制信息实现本电源模块的均流调整。

9.如权利要求8所述的高速实时电源并联系统，其特征在于所述均流控制模块包含一解析模块，用于解析所述全局控制信息得到本电源模块的控制指令。

10.如权利要求1所述的高速实时电源并联系统，其特征在于所述电源模块包含一数据整合模块，用于整合本电源模块的本机信息与上一个电源模块传来的信息。