CN106786591B - 一种空气检测站电源供给装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空气检测站电源供给装置，包含供电控制装置、任务拓扑装置、主检测器、副检测器、直流换电池组、直流蓄电池组、DC/AC逆变器、DC变换器、整流器、发电机、风力机，本发明的新的空气检测站电源供给装置能通过变换器的调节能实现电压的稳定输出，既保证了最大功率的捕捉，又保证了系统的稳定运行，并且实现多功能地供电，既能实现直流电流的供电，又能实现交流电流的供电。
Description
技术领域
本发明涉及一种空气检测站检测分析领域，尤其是一种空气检测站的电源 供给装置。
背景技术
环境保护监测先行是做好环境监测的前提和保障，多年来在地方经济迅速 发展的同时，各地区不断出现不同程度的环境污染事件，严重影响了人们的生 活质量，环境空气质量自动监测系统是由监测子站、计算机室、质量保证实验 室和系统支持实验室等部分组成。空气检测站的主要任务简单来说，就是对公 众发布就是公布pm10、pm.2.5、氮氧化物、二氧化硫信息，利用检测器对环境 空气质量和气象状况进行连续自动监测；采集、处理和储存监测数据；按指令 定时或随时向中心传输监测数据和设备工作状态信息。随着国家制定的环境保 护政策及法规的颁布实施，各级政府加大了对环境监测及应急监测的投资力度， 各地区陆续规划安装了大气环境质量监测站。但随着空气检测站产业的飞速发 展，所以亟需一种空气检测站电源供给装置。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种空气检测站电源供给装置 以解决以上问题。为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：包含供电控制 装置、任务拓扑装置、一个主检测器、多个副检测器、直流换电池组、直流蓄 电池组、DC/AC逆变器、DC变换器、整流器、发电机、风力机；
风力机通过风转动转换成风能传输给发电机，发电机将风能转换产生三相交流电，并且通过整流器变成直流电，送入DC变换器，DC变换器调节其的占空比来跟踪最大功率的直流电，将直流电充进直流换电池组、直流蓄电池组、DC/AC逆变器；
直流蓄电池承担了能量的储存工作，将储存的能量作为备用电源提供给接收直流电的电动空气检测站，在整个系统中起着平衡电能输出和荷载电能需求的重要作用；
直流换电池组作为接收直流电的电动空气检测站的备用电池组，可直接安放在接收直流电的电动空气检测站上作为电能功能电池；
DC/AC逆变器将直流电转换成交流电，以供接收交流电的电动空气检测站作为电源；DC/AC逆变器通过半导体功率开关器件的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能；
风力机与发电机连接，发电机与整流器连接，整流器与DC变换器连接，DC变换器与直流换电池组、直流蓄电池组、DC/AC逆变器连接；
主检测器进行空气数据检测，副检测器处于待命状态，供电控制装置会定期地将主检测器上的最新的状态备份到副检测器上得到备份数据；
当出现主检测器进行空气数据检测时，副检测器从备份数据中进行状态恢复，并支持数据负载较高、吞吐量较大的场景，但主检测器检测时间较长，消耗电量较大，供电控制装置在为主检测器传输数据的同时，也为副检测器传输一份数据副本；
以主检测器为主进行空气数据检测，当主检测器出现检测器漏测时，副检测器完全接管主检测器的工作，主检测器和副检测器需要分配同样的供电资源；该种方式使检测漏测恢复时间最短，但耗电量较大，也浪费了较多的电力资源；在负载过大时，采用主动等待策略是一个比较好的选择，可以在较短的时间内实现系统供电稳定工作，在无需副检测器检测期间，副检测器保持空闲状态，供电分配的执行效率很高；但由于其需要较长的时间进行状态的重构，当主检测器检测时间较长，当计算供电任务时需要时间窗大于三毫秒钟的任务计算，就需要重新释放该时段内的所有副检测器的资源；
此外，通过对主检测器和副检测器的检测恢复，快速地实现从待测状态到一种正确检测状态的恢复，满足系统的高效运行需求；实现对系统供电资源调度中的资源最佳利用，提高供电资源的利用率，保证任务的完成和能耗的节省，实现任务的动态合理的分配，动态适应系统负载情况，保证系统中的任务均衡和稳定地运行；
在任务拓扑装置中供电任务数据在任务拓扑中采用路由策略，促进系统中负载均衡策略的高效实现、数据的合理流动及快速处理；任务拓扑装置中其核心部分使用了供电路由的任务拓扑，任务拓扑是一种逻辑单元，一个实时应用的电源分配任务将被打包为任务拓扑后发布，任务拓扑一旦提交后将会自动运行，一个任务拓扑是一系列有向无环图，通过电源传送和供电分析实现供电控制装置和任务拓扑装置之间的关联；在这种关联中，供电控制装置负责从外部数据源不间断地读取数据，并以多元数组的形式发送给任务拓扑装置产生相应的任务拓扑；任务拓扑装置负责对接收到的电源传送和供电分析进行计算，实现过滤、聚合、查询具体功能，可以级联，也可以向外发送电源传送和供电分析；电源传送和供电分析是对数据进行的抽象，是时间上无穷的多元数组序列，电源传送和供电分析是通过流分组所提供的策略实现在任务拓扑中流动；
此外，为满足确保消息能且仅能被计算1次的需求，任务拓扑装置还提供了事务任务拓扑，可以为一个或多个电源传送和供电分析的作业进行编号，分配一个唯一的ID，可以保障每个编号的电源传送和供电分析在任务拓扑中被完全执行；完全执行是指ID绑定的源电源传送和供电分析以及由任务拓扑装置分析后续生成的新电源传送和供电分析；其中经过供电控制装置应该到达的任务拓扑，要被完全执行，有时候两个电源传送和供电分析被分配一个ID＝1，只有当且仅当两个电源传送和供电分析分别经过供电控制装置，最终都到达供电控制装置并均被完全处理后，才表明电源传送和供电分析被完全执行；
供电控制装置通过系统级组件实现对电源传送和供电分析的全局供电计算路径的跟踪，并保证任务拓扑被完全执行；
一个主检测器、供电控制装置、多个副检测器及其对应的运行环境构成主从系统架构，其中，主检测器和供电控制装置运行时，运行环境是动态的，供电控制装置负责全局的资源分配、任务调度、状态监控和检测器检测；
任务拓扑装置一方面接收供电控制装置提交来的任务，验证后分配任务到主检测器上，同时把该任务的信息写入供电控制装置的目录中；另一方面，通过供电控制装置实时监控主检测器的任务执行情况，当出现主检测器漏检时，并立即启动空闲的副检测器；重启失败的主检测器和供电控制装置；供电控制装置负责监听并接受主检测器的任务，其中，供电控制装置负责具体任务的执行；一个完整的任务拓扑由供电控制装置来协调执行，每个供电控制装置都执行且仅执行任务拓扑中的一个子集；在级联每个供电控制装置内部，都会有对应一个线程；供电控制装置负责具体数据的计算，产生供电控制装置实例；风力机及发电机借着空气流动来带动叶片的转动把风能转换为机械能后再转化为电能；叶片转子动力来源于气动力的作用，气动力对叶片产生转动扭矩。
本发明的有益成果在于：本发明的新的空气检测站电源供给装置能通过变换器的调节能实现电压的稳定输出，既保证了最大功率的捕捉，又保证了系统的稳定运行，并且实现多功能地供电，既能实现直流电流的供电，又能实现交流电流的供电。
附图说明
图1为本发明一种空气检测站电源供给装置的结构图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种空气检测站电源供给装置，包含供电控制装置、主检测器、副检测器、直流换电池组、直流蓄电池组、DC/AC逆变器、DC变换器、整流器、发电机、风力机。
如图1所示：主检测器进行空气数据检测，副检测器处于待命状态，供电控制装置会定期地将主检测器上的最新的状态备份到副检测器上。出现主检测器检测时，副检测器从备份数据中进行状态恢复，并支持数据负载较高、吞吐量较大的场景，但主检测器检测时间较长，消耗电量较大，供电控制装置在为主检测器传输数据的同时，也为副检测器传输一份数据副本。以主检测器为主进行数据计算，当主检测器出现检测器检测时，副检测器完全接管主检测器的工作，主副检测器需要分配同样的供电资源。该种方式检测器检测恢复时间最短，但耗电量较大，也浪费了较多的电力资源。在负载过大时，主动等待策略是一个比较好的选择，可以在较短的时间内实现系统供电稳定工作，在无检测器检测期间，副检测器保持空闲状态，供电分配的执行效率很高。但由于其需要较长的时间进行状态的重构，检测器检测时间较长，如当计算供电供电需要时间窗大于三毫秒钟的计算，就需要重放该时段内的所有资源。可见对于供电资源比较稀缺、状态较少的情况、备份策略是一个比较好的选择方案。此外，包括系统检测器检测恢复，快速地实现从检测器检测状态到一种正确状态的恢复，满足系统的高效运行需求；供电资源调度。实现对系统中资源的最佳利用，提高供电资源的利用率，保证任务的完成和能耗的节省，实现对本发明中的任务的动态合理的分配，动态适应系统负载情况，保证系统中的任务衡和稳定地运行；在本发明中供电任务数据在任务拓扑中的路由策略也是优点之一，从而促进系统中负载均衡策略的高效实现、数据的合理流动及快速处理。本发明其核心部分使用了供电的任务拓扑，是一种逻辑单元，一个实时应用的电源分配任务将被打包为任务拓扑后发布，任务拓扑一旦提交后将会自动运行，一个任务拓扑是一系列有向无环图，通过电源传送和供电分析实现供电控制装置和任务拓扑装置之间的关联，如图1所示。其中，供电控制装置负责从外部数据源不间断地读取数据，并以多元数组的形式发送给相应的任务拓扑；任务拓扑装置负责对接收到的电源传送和供电分析进行计算，实现过滤、聚合、查询等具体功能，可以级联，也可以向外发送电源传送和供电分析。电源传送和供电分析是本发明对数据进行的抽象，它是时间上无穷的多元数组序列，电源传送和供电分析是通过流分组所提供的策略实现在任务拓扑中流动。此外，为了满足确保消息能且仅能被计算1次的需求，本发明中任务拓扑装置还提供了事务任务拓扑，可以为一个或多个电源传送和供电分析作业进行编号，分配一个唯一的ID，本发明可以保障每个编号的电源传送和供电分析在任务拓扑中被完全执行。所谓的完全执行是指ID绑定的源电源传送和供电分析以及由任务拓扑分析后续生成的新电源传送和供电分析经过中每一个供电控制装置应该到达的任务拓扑，并被完全执行，有时候两个电源传送和供电分析被分配一个ID＝1，当且仅当两个电源传送和供电分析分别经过供电控制装置，最终都到达供电控制装置并均被完全处理后，才表明电源传送和供电分析被完全执行。本发明通过系统级组件实现对电源传送和供电分析的全局供电计算路径的跟踪，并保证该电源传送和供电分析和任务拓扑被完全执行。全局供电计算路径的跟踪全局计算路径的跟踪其基本原理是为电源传送和供电分析中的每个分组进行编号，并通过异或运算来实现对其计算路径的跟踪。作业级容错的基本原理是：A xor A＝0，A xor B，xor B xor A＝0，当且仅当每个编号仅出现1次。作业级容错的基本流程是：在供电控制装置中，系统会为电源传送和供电分析的每个分组生成一个唯一的64位整数，作为该分组的根ID。根ID会被传递给后续的供电控制装置作为该分组单元的唯一标识符。无论是供电控制装置每次新生成一个分组的时候，都会重新赋子该分组一个新的64位的整数的ID。供电控制装置发送完某个电源传送和供电分析对应的源分组后，自己所发射分组的根ID及生成的那些分组的新ID，而供电控制装置每次接受到一个输入分组并计算完之后，也将告知供电控制装置：自己计算的输入分组的ID及新生成的那些分组的ID，供电控制装置只需要对这些ID做一个简单的异或运算，就能判断出该根ID对应的消息单元是否计算完成。本发明采用主从系统架构，在一个本发明系统中有两类节点，即，一个主检测器供电控制装置、多个检测器及运行环境构成，其中，主检测器供电控制装置运行时，运行环境是状态的，供电控制装置负责全局的资源分配、任务调度、状态监控和检测器检测：一方面，接收供电控制装置提交来的任务，验证后分配任务到检测器上，同时把该任务的信息写入供电控制装置的目录中；另一方面，需要通过供电控制装置实时监控主检测器任务的执行情况，当出现检测器检测时，重启失败的检测器和供电控制装置；供电控制装置的运行环境也是无状态的，负责监听并接受主检测器的任务，并启动或停比自己所管理的供电控制装置，其中，供电控制装置负责具体任务的执行。一个完整的任务拓扑和由分布在多个主检测器上的供电控制装置来协调执行，每个供电控制装置都执行且仅执行任务拓扑中的一个子集。在每个供电控制装置内部，都会有对应一个线程。供电控制装置负责具体数据的计算，即所实现的供电控制装置实例。风力机及发电机借着空气流动来带动叶片的转动把风能转换为机械能后再转化为电能。叶片转子动力来源于气动力作用，气动力对叶片产生转动扭矩。本发明的直流蓄电池选用6-DM-120动力型阀控式密封铅酸电池，风光电站选用型号为6-CNF-65蓄电池，蓄电池的容量＝日负载耗电量×蓄电池储存天数/DOD。蓄电池的计算容量为4693.6Ah。因此选用73块，单体容量为65Ah，标准电压12V。DC/AC逆变器的主电路采用全桥逆变器，主电路提供48V工作电压，Q5-Q10是6个功率开关，它们都分别反向并联了一个续流二极管，信号发生器提供三相对称正弦参考电压，它发出的频率是可调的，其信号幅值决定了输出电压的幅值。电路采用双极性控制方式，公用三角载波的调制信号相差120°，通过三角载波实现三相控制。此结构的优点主要有：开关器件少，可以降低成本，提高系统的可靠性；电路中的电容和电感数量少，减少了设备体积的同时也降低了成本。在系统的运行中，有时候可能出现发电量过剩的现象，此时由于直流蓄电池已经饱和，负载用电量远远小于发电系统的发电量，就会造成直流母线侧电压的升高，对负载造成危害。运行安全保护既包括直流蓄电池的过冲和过放保护，又包括风力机的超速运行保护。
1)风力机超速保护
本发明中风力发电机超速保护，当风力机的转速超过最大的安全转速时，通过系统控制，可以逐级加入卸荷保护电路，对系统进行卸荷限速，当卸荷保护电路接入电路时，相当于增加了负载，发电机转子受到定子电流的阻尼，产生反向阻尼，转子转速就会减慢，从而达到减速的目的。但同时，由于转速瞬间的下降，而风速没变，风能捕获就没变，此时产生的扭矩大于发电机所需扭矩，风力机就会发生偏航。如果一次接入电路的负载过大，就会使偏航严重，需要过一段时间，风力机以及发电机才能进入正常出力，影响系统的稳定，所以，应当对卸荷电阻进行分级，需要时逐级缓慢地加入卸荷电阻。
2)直流蓄电池过充过放保护
当系统处于保护运行状态时，通过系统的实时地检测供电的电压值来控制蓄电的充放，当侧电压大于60V时对蓄电池充电或者加入逐级的卸荷电路，同时切断部分光伏电源，以保证系统的稳定运行；当侧电压大于54V时应当停止对蓄电池的放电，直流母线侧电压在54V-60V之间时应先判断蓄电池是否需要充电，若不需充电此时逐级启动卸荷电路，以降低负载的电压；当直流侧电压在在42V-44V之间时，此时考虑接入蓄电池提供电能，蓄电池处于放电状态；当电压低于24V时，先判断电池是否放电至放电下限，如果已经到达下限则关闭整个系统，如果没有放至下限，则蓄电池继续放电，维持系统的电量需求。
本发明并只需编写供电控制装置和任务拓扑装置部分的实现，因此极大地降低了实时电力任务分配动态计算的复杂性；支持多种编程语言，也可以通过添加相关协议实现对新增语言的支持；作业级容错性可以保证每个电源传送和供电分析作业被完全执行
本发明的有益效果是：本发明水平可扩展。计算可以在多个线程、进程和服务器之间并发执行；快速消息计算，建立其电源分配消息队列，保证了消息能够得到快速的计算，本发明系统的资源分配考虑任务拓扑的结构特征，适应供电数据负载的动态变化采用容错机制、在一定程度上保证了系统的可扩展性。
Claims (1)
1.一种空气检测站电源供给装置，其特征在于，包含供电控制装置、任务拓扑装置、一个主检测器、多个副检测器、直流换电池组、直流蓄电池组、DC/AC逆变器、DC 变换器、整流器、发电机、风力机；
风力机及发电机借着空气流动来带动叶片的转动把风能转换为机械能后再转化为电能；所述叶片转子动力来源于空气动力的作用，所述空气动力对所述叶片产生转动扭矩；
所述风力机通过风转动转换成风能传输给所述发电机，所述发电机将风能转换产生三相交流电，并且通过所述整流器变成直流电，送入所述 DC 变换器，所述 DC 变换器调节其的占空比来跟踪最大功率的所述直流电，将所述直流电充进所述直流换电池组、所述直流蓄电池组、所述 DC/AC 逆变器；
所述直流蓄电池承担了能量的储存工作，将储存的能量作为备用电源提供给接收直流电的电动空气检测站，在整个系统中起着平衡电能输出和荷载电能需求的重要作用；
所述直流换电池组作为接收直流电的电动空气检测站的备用电池组，可直接安放在接收直流电的电动空气检测站上作为电能功能电池；
所述DC/AC逆变器将所述直流电转换成交流电，以供接收交流电的电动空气检测站作为电源；所述DC/AC逆变器通过半导体功率开关器件的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能；
所述风力机与所述发电机连接，所述发电机与所述整流器连接，所述整流器与所述DC变换器连接，所述DC变换器与所述直流换电池组、所述直流蓄电池组、所述DC/AC逆变器连接；
所述主检测器进行空气数据检测，所述副检测器处于待命状态，所述供电控制装置定期地将所述主检测器上的最新的状态备份到所述副检测器上得到备份数据；
当所述主检测器进行空气数据检测时，所述副检测器从所述备份数据中进行状态恢复，并支持数据负载较高、吞吐量较大的场景，但所述主检测器检测时间较长，消耗电量较大，所述供电控制装置在为所述主检测器传输数据的同时，也为所述副检测器传输一份数据副本；以所述主检测器为主进行空气数据检测，当所述主检测器出现检测器漏测时，所述副检测器完全接管所述主检测器的工作，所述主检测器和所述副检测器需要分配同样的供电资源；从而使检测漏测恢复时间最短；在负载过大时，采用主动等待策略，可以在较短的时间内实现系统供电稳定工作，在无需所述副检测器检测期间，所述副检测器保持空闲状态，供电分配的执行效率很高；但由于其需要较长的时间进行状态的重构，当所述主检测器检测时间较长，当计算供电任务时需要时间窗大于三毫秒钟的任务计算，就需要重新释放当计算供电任务时需要时间窗大于三毫秒钟的任务计算的时段内的所有所述副检测器的资源；
通过对所述主检测器和所述副检测器的检测恢复，快速地实现从待测状态到一种正确检测状态的恢复，满足系统的高效运行需求；
在所述任务拓扑装置中供电任务数据在任务拓扑中采用路由策略，促进系统中负载均衡策略的高效实现、数据的合理流动及快速处理；所述任务拓扑装置中其核心部分使用了供电路由的任务拓扑，所述任务拓扑是一种逻辑单元，一个实时应用的电源分配任务将被打包为所述任务拓扑后发布，所述任务拓扑一旦提交后将会自动运行，一个所述任务拓扑是一系列有向无环图，通过电源传送和供电分析实现所述供电控制装置和所述任务拓扑装置之间的关联；在这种所述关联中，所述供电控制装置负责从外部数据源不间断地读取数据，并以多元数组的形式发送给所述任务拓扑装置产生相应的所述任务拓扑；所述任务拓扑装置负责对接收到的电源传送和供电分析进行计算，实现过滤、聚合、查询具体功能，可以级联，也可以向外发送电源传送和供电分析；所述电源传送和供电分析是对数据进行的抽象，是时间上无穷的多元数组序列，所述电源传送和供电分析是通过流分组所提供的策略实现在所述任务拓扑中流动；
为满足确保消息能且仅能被计算1次的需求，所述任务拓扑装置还提供了事务任务拓扑，为一个或多个所述电源传送和供电分析的作业进行编号，分配一个唯一的ID， 保障每个所述编号的所述电源传送和供电分析在所述任务拓扑中被完全执行；所述完全执行是指ID绑定的源所述电源传送和供电分析以及由所述任务拓扑装置分析后续生成的新所述电源传送和供电分析；
其中经过所述供电控制装置应该到达的所述任务拓扑，要被完全执行，当两个所述电源传送和供电分析被分配一个ID=1，只有当且仅当两个所述电源传送和供电分析分别经过所述供电控制装置，最终都到达所述供电控制装置并均被完全处理后，才表明所述电源传送和供电分析被完全执行；
所述供电控制装置通过系统级组件实现对所述电源传送和供电分析的全局供电计算路径的跟踪，并保证任务拓扑被完全执行；
一个所述主检测器、所述供电控制装置、多个所述副检测器及其对应的运行环境构成主从系统架构，其中，所述主检测器和所述供电控制装置运行时，所述运行环境是动态的，所述供电控制装置负责全局的资源分配、任务调度、状态监控和检测器检测；
所述任务拓扑装置一方面接收所述供电控制装置提交来的任务，验证后分配任务到所述主检测器上，同时把所述任务的信息写入所述供电控制装置的目录中；另一方面，通过所述供电控制装置实时监控所述主检测器的任务执行情况，当出现所述主检测器漏检时，并立即启动空闲的所述副检测器；重启失败的所述主检测器和所述供电控制装置；所述供电控制装置负责监听并接受所述主检测器的任务，其中，所述供电控制装置负责具体任务的执行；一个完整的所述任务拓扑由所述供电控制装置来协调执行，每个所述供电控制装置都执行且仅执行所述任务拓扑中的一个子集；在级联每个所述供电控制装置内部，都会有对应一个线程；所述供电控制装置负责具体数据的计算，产生供电控制装置实例。
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