CN110752743A - 一种用于海底观测网的高压直流电源模块系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于海底观测网的高压直流电源模块系统，属于海底观测网高压直流电源技术领域。其技术方案为：一种用于海底观测网的高压直流电源模块系统，包括输入滤波器、高压电源模块总控制板、各级联电压转换模块、高压转24V模块和中压转24V模块。本发明的有益效果为：本发明采用的输入滤波器，使得高压电源工作在稳定状态；各级联电压转换模块的输入前级均采用高耐压参数IGBT，在单模块出现故障时，直接切断，不影响整体系统的运行，也可以提高系统的冗余性能；高压电源模块总控制板实时监控各模块的输入、输出、环境等参数，智能识别各模块当前状态，调整控制参数，使得各模块的并联输出达到均衡，各模块工作在安全工作状态。
Description
技术领域
本发明涉及海底观测网高压直流电源技术领域，尤其涉及一种用于海底观测网的高压直流电源模块系统。
背景技术
目前国内对于海底观测网的高压直流电源模块系统做了很多研究工作，如同济大学《海底高压直流变电装置》；浙江大学《基于多节点海底观测网络的单极负高压直流变换系统》。但这些研究只是停留在理论设计阶段并没有结合海底电源的特殊性而进行可靠性设计。如海底电源接入超长线缆对输入端的影响排除，故障在线诊断，自恢复措施等。
现有的设计的海底电源模块，也没有配置智能控制模块，没有对应的通讯接口描述，如果在海底电源不能正常工作时，上位机没办法获取到当前的故障信息，以能进行一些自恢复措施。
如何解决上述技术问题为本发明面临的课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于海底观测网的高压直流电源模块系统，可以保证海底观测网稳定运行电源结构拓扑，兼容多种通讯协议的智能电源控制模块，可以动态监控直流电源内所有模块当前的状态。
本发明是通过如下措施实现的：一种用于海底观测网的高压直流电源模块系统，其特征在于，包括输入滤波器、高压电源模块总控制板、各级联电压转换模块、高压转24VDC模块和中压转24VDC模块；
所述输入滤波器两电压端并联所述高压转24VDC模块输入端，所述高压转24VDC模块输出端连接与所述中压转24VDC模块输出端并联，所述中压转24VDC模块输出端通过连接于所述各级联电压转换模块的独立控制电路，用于各单模块控制板的供电，同时所述中压转24VDC模块输出端连接于所述高压电源模块总控制板电源输入端。；连接于上位机的通讯接口；
所述输入滤波器输出端依次串联若干个绝缘栅双极型晶体管各级联电压源转换模块的输入端，所述绝缘栅双极型晶体管跨接在若干个所述各级联电压转换模块的输入端分别连接有绝缘栅双极型晶体管，通过所述高压电源模块各级联电压转换模块独立控制电路总控制板闭合所述绝缘栅双极型晶体管输入端短路，用于检测模块故障故障模块切除。其中，所述高压电源模块总控制板实时收集各模块的传感参数，包括电流电压，温度等，根据这些参数智能判断各模块当前的工作状态，如正常输出，输出过流，输出短路等，然后实时作出控制判断，使得各模块工作在安全状态，并能够使得各模块并联输出达到均衡状态，所述高压电源模块总控制板通过CAN总线与各级联电压转换模块实现通讯，由于各直流电压转换模块存在着高压和高频率开关信号，为了增加通讯线之间的绝缘及抗干扰特性，通过CAN转光纤模块，使得板子之间的通讯通过光纤作为载体来实现，所述高压电源模块总控制板在与各模块通讯控制处理中，用到的是高速数字信号处理芯片(DSP)，在对上位机通讯方面，提供了高性能ARM芯片，设计了双路CAN，百兆以太网口，RS485口，可以兼容各类上位机通讯方式。
作为本发明提供的一种用于海底观测网的高压直流电源模块系统进一步优化方案，所述输入滤波器输入端连接于海底电缆-10KV电压端，输出端一路连接所述各级联电压转换模块转换成中压，另一路连接所述高压转24VDC模块输入端；
其中，考虑到海底观测网从岸站到海底主节点，会有长距离海缆，一般为100KM-300KM之间，海缆内部只有-10KV的线，对于海水形成的参考0V，长距离海缆和海水之间必然存在一个很大的等效耦合电容，结合海缆自身的阻抗参数，在电源导通或者关闭的时候，必然会引入极大的浪涌电压，因此需要根据缆长，缆阻抗参数，设计专用的输入滤波器，保证直流电源能够安全工作。
所述各级联电压转换模块的输出电压和电流均由所述高压电源模块总控制板监控，所述高压电源模块总控制板通过监控数据，动态调整各模块输出参数，以达到输出均衡。
其中，由于各类开关元器件的耐压特性很少能够满足10KV输入电压的需要，因此设计各级联电压转换模块，通过输入串联，分摊高输入电压，在每个模块输入前段都设计了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，用于在检测到模块故障的时候，通过高压电源模块总控制板闭合IGBT短路掉输入，使得当前故障模块从系统中切除，在单模块均摊输入电压不超过输入限额的时候，其余的模块均能安全工作，为了进一步增加其可靠性，我们在空间满足的情况下，可以增加多个冗余模块，当单模块确认故障无法再次启动时候，可以增补其他模块进入到系统中，另一方面，在各模块输出端设计的并联结构，要求每个模块的输出要绝对均衡，所有模块的输出电压和电流均由高压电源模块总控制板监控，高压电源模块总控制板通过监控数据，动态调整好各模块输出参数，以达到输出均衡。
作为本发明提供的一种用于海底观测网的高压直流电源模块系统进一步优化方案，所述海底观测网的高压直流电源模块系统还包括单电压转换模块，所述单电压转换模块输入端与所述各级联电压模块串联，输入端有IGBT电路做异常切断。电压输入到模块内部隔离电压转换模块，将高压转换成400V中压输出，该输出和其他模块的输出并联，提高输出功率。模块内部的隔离电压模块由独立控制板驱动，独立控制板采集隔离电压模块的各项实时参数，并且进行动态控制，保证电压模块的稳定工作和输出均衡，并且在紧急状态下，能够控制IGBT闭合。
作为本发明提供的一种用于海底观测网的高压直流电源模块系统进一步优化方案，所述独立控制板由24VDC供电，通过板上的CAN端口接入到电源内部CAN总线，与所述高压电源模块总控制板进行通讯。
作为本发明提供的一种用于海底观测网的高压直流电源模块系统进一步优化方案，所述高压电源总控板由ARM控制电路和DSP控制电路组成；其中DSP控制电路通过电源内部CAN总线与各级联电压控制板通讯；
所述ARM控制电路控制端连接CAN两接口，一路RS485，一路以太网与上位机通讯，所述ARM控制电路和所述DSP控制电路通过SPI总线进行交互，所述高压电源总控制板由24VDC供电；
作为本发明提供的一种用于海底观测网的高压直流电源模块系统进一步优化方案，所述高压电源模块总控制板实时收集所述各级联电压转换模块的传感参数，根据相应传感参数实时控制判断各模块当前的工作状态，使得各模块工作在安全状态，使得各模块并联输出达到均衡状态。
作为本发明提供的一种用于海底观测网的高压直流电源模块系统进一步优化方案，所述高压转24VDC模块将所述输入滤波器的输出电压转换成24VDC电压，在启动阶段给为所述高压电源模块总控制板和各级联电压转换模块的控制板供电；所述中压转24VDC模块输入端连接所述各级联电压转换模块的输出400V电压，所述高压电源模块总控制板通过CAN总线与所述各级联电压转换模块进行通讯；所述高压电源模块总控制板通过高速数字信号处理芯片对上位机通讯控制各模块。
其中，所述高压电源模块总控制板，各级联电压转换模块中的控制检测电路是独立供电的，所需的24V电压为各模块控制电路提供了两路24V供电，一路是高压转24V模块，该路电源能够保证各模块的控制检测电路在高压电源在开启前或者故障状态下能够正常工作，能够提供故障在线诊断功能，在监测到数据正常后，能够重新开启恢复；另一路是中压转24VDC，中压源自于高压电源的转换输出，当输出正常状态下，该路24V为各模块控制检测电路长期供电，这两路独立控制电源，上位机能够监控到高压直流电源的工作状态，其可靠性比传统高压电源有了极大的提高。
本发明的有益效果为：
1、本发明充分考虑到海底长海缆对海底高压直流电源输入端带来的影响，设计专用的输入滤波器，使得高压电源工作在稳定状态；
2、各级联电压转换模块的输入前级都有一个高耐压参数IGBT，在单模块出现故障的时候，可以直接切断，不影响整体系统的运行，同时也可以提高系统的冗余性能；
3、高压电源模块总控制板实时监控各模块的输入、输出、环境等参数，智能识别各模块当前状态，调整控制参数，使得各模块的并联输出达到均衡，各模块工作在安全工作状态。
4、高压电源模块总控制板和各级联电压转换模块通过光纤进行通讯媒介，提高了通讯线路的绝缘性和抗干扰性。
5、高压电源模块总控制板对上位机提供了双路CAN口，一路以太网口，一路RS485口，有效地提高了该通讯系统兼容性。
6、为各模块的控制检测电路提供两路24V供电，使得控制板在输出故障的时候，仍然能正常工作，提供检测数据，与上位机正常通讯，尝试故障恢复，大大提高系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明的整体电路原理图；
图2为本发明实施例中输入滤波器的图；
图3为本发明实施例中单电压转换模块的电路图；
图4为本发明实施例中高压电源总控制板的电路图；
图5为本发明实施例中高压转24VDC模块图。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
参见图1至图5，本发明是：一种用于海底观测网的高压直流电源模块系统，其特征在于，包括输入滤波器、高压电源模块总控制板、各级联电压转换模块、高压转24VDC模块和中压转24VDC模块；
所述输入滤波器两电压端并联所述高压转24VDC模块输入端，所述高压转24VDC模块输出端与所述中压转24VDC模块输出端并联，所述中压转24VDC模块输出端连接于所述各级联电压转换模块的独立控制电路，用于各单模块控制板的供电，所述中压转24VDC模块输出端连接于所述高压电源模块总控制板电源输入端；所述输入滤波器输出端依次串联若干个各级联电压转换模块的输入端，若干个所述各级联电压转换模块的输入端分别连接有绝缘栅双极型晶体管，通过所述各级联电压转换模块独立控制电路闭合所述绝缘栅双极型晶体管输入端短路，用于故障模块切除。其中，所述高压电源模块总控制板实时收集各模块的传感参数，包括电流电压，温度等，根据这些参数智能判断各模块当前的工作状态，如正常输出，输出过流，输出短路等，然后实时作出控制判断，使得各模块工作在安全状态，并能够使得各模块并联输出达到均衡状态，所述高压电源模块总控制板通过CAN总线与各级联电压转换模块实现通讯，由于各直流电压转换模块存在着高压和高频率开关信号，为了增加通讯线之间的绝缘及抗干扰特性，通过CAN转光纤模块，使得板子之间的通讯通过光纤作为载体来实现，所述高压电源模块总控制板在与各模块通讯控制处理中，用到的是高速数字信号处理芯片(DSP)，在对上位机通讯方面，提供了高性能ARM芯片，设计了双路CAN，百兆以太网口，RS485口，可以兼容各类上位机通讯方式。
具体地，所述输入滤波器输入端连接于海底电缆-10KV电压端，输出端一路连接所述各级联电压转换模块转换成中压，另一路连接所述高压转24VDC模块输入端；
其中，考虑到海底观测网从岸站到海底主节点，会有长距离海缆，一般为100KM-300KM之间，海缆内部只有-10KV的线，对于海水形成的参考0V，长距离海缆和海水之间必然存在一个很大的等效耦合电容，结合海缆自身的阻抗参数，在电源导通或者关闭的时候，必然会引入极大的浪涌电压，因此需要根据缆长，缆阻抗参数，设计专用的输入滤波器，保证直流电源能够安全工作。
所述各级联电压转换模块的输出电压和电流均由所述高压电源模块总控制板监控，所述高压电源模块总控制板通过监控数据，动态调整各模块输出参数，以达到输出均衡。
其中，由于各类开关元器件的耐压特性很少能够满足10KV输入电压的需要，因此设计各级联电压转换模块，通过输入串联，分摊高输入电压，在每个模块输入前段都设计了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，用于在检测到模块故障的时候，通过高压电源模块总控制板闭合IGBT短路掉输入，使得当前故障模块从系统中切除，在单模块均摊输入电压不超过输入限额的时候，其余的模块均能安全工作，为了进一步增加其可靠性，我们在空间满足的情况下，可以增加多个冗余模块，当单模块确认故障无法再次启动时候，可以增补其他模块进入到系统中，另一方面，在各模块输出端设计的并联结构，要求每个模块的输出要绝对均衡，所有模块的输出电压和电流均由高压电源模块总控制板监控，高压电源模块总控制板通过监控数据，动态调整好各模块输出参数，以达到输出均衡。
具体地，所述海底观测网的高压直流电源模块系统还包括单电压转换模块，所述单电压转换模块输入端与所述各级联电压模块串联，输入端有IGBT电路做异常切断。电压输入到模块内部隔离电压转换模块，将高压转换成400V中压输出，该输出和其他模块的输出并联，提高输出功率。模块内部的隔离电压模块由独立控制板驱动，独立控制板采集隔离电压模块的各项实时参数，并且进行动态控制，保证电压模块的稳定工作和输出均衡，并且在紧急状态下，能够控制IGBT闭合。
具体地，所述独立控制板由24VDC供电，通过板上的CAN端口接入到电源内部CAN总线，与所述高压电源模块总控制板进行通讯。
作为本发明提供的一种用于海底观测网的高压直流电源模块系统进一步优化方案，所述高压电源总控板由ARM控制电路和DSP控制电路组成；其中DSP控制电路通过电源内部CAN总线与各级联电压控制板通讯；
所述ARM控制电路控制端连接CAN两接口，一路RS485，一路以太网与上位机通讯，所述ARM控制电路和所述DSP控制电路通过SPI总线进行交互，所述高压电源总控制板由24VDC供电；
具体地，所述高压电源模块总控制板实时收集所述各级联电压转换模块的传感参数，根据相应传感参数实时控制判断各模块当前的工作状态，使得各模块工作在安全状态，使得各模块并联输出达到均衡状态。
具体地，所述高压转24VDC模块将所述输入滤波器的输出电压转换成24VDC电压，在启动阶段给为所述高压电源模块总控制板和各级联电压转换模块的控制板供电；所述中压转24VDC模块输入端连接所述各级联电压转换模块的输出400V电压，所述高压电源模块总控制板通过CAN总线与所述各级联电压转换模块进行通讯；所述高压电源模块总控制板通过高速数字信号处理芯片对上位机通讯控制各模块。
其中，所述高压电源模块总控制板，各级联电压转换模块中的控制检测电路是独立供电的，所需的24V电压为各模块控制电路提供了两路24V供电，一路是高压转24V模块，该路电源能够保证各模块的控制检测电路在高压电源在开启前或者故障状态下能够正常工作，能够提供故障在线诊断功能，在监测到数据正常后，能够重新开启恢复；另一路是中压转24VDC，中压源自于高压电源的转换输出，当输出正常状态下，该路24V为各模块控制检测电路长期供电，这两路独立控制电源，上位机能够监控到高压直流电源的工作状态，其可靠性比传统高压电源有了极大的提高。
本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于海底观测网的高压直流电源模块系统，其特征在于，包括输入滤波器、高压电源模块总控制板、各级联电压转换模块、高压转24VDC模块和中压转24VDC模块；
所述输入滤波器两电压端并联所述高压转24VDC模块输入端，所述高压转24VDC模块输出端与所述中压转24VDC模块输出端并联，所述中压转24VDC模块输出端连接于所述各级联电压转换模块的独立控制电路，用于各单模块控制板的供电，所述中压转24VDC模块输出端连接于所述高压电源模块总控制板电源输入端；所述输入滤波器输出端依次串联若干个各级联电压转换模块的输入端，若干个所述各级联电压转换模块的输入端分别连接有绝缘栅双极型晶体管，通过所述各级联电压转换模块独立控制电路闭合所述绝缘栅双极型晶体管输入端短路，用于故障模块切除。
2.根据权利要求1所述的海底观测网的高压直流电源模块系统，其特征在于，所述输入滤波器输入端连接于海底电缆-10KV电压端，输出端一路连接所述各级联电压转换模块转换成中压，另一路连接所述高压转24VDC模块输入端；
所述各级联电压转换模块的输出电压和电流均由所述高压电源模块总控制板监控，所述高压电源模块总控制板通过监控数据，动态调整各模块输出参数。
3.根据权利要求1或2所述的海底观测网的高压直流电源模块系统，其特征在于，所述海底观测网的高压直流电源模块系统还包括单电压转换模块，所述单电压转换模块输入端与所述各级联电压模块串联，电压输入到模块内部隔离电压转换模块，将高压转换成400V中压输出，该输出和其他模块的输出并联，模块内部的隔离电压模块由独立控制板驱动，独立控制板采集隔离电压模块的各项实时参数，并且进行动态控制IGBT闭合。
4.根据权利要求3所述的海底观测网的高压直流电源模块系统，其特征在于，所述独立控制板由24VDC供电，通过板上的CAN端口接入到电源内部CAN总线，与所述高压电源模块总控制板进行通讯。
5.根据权利要求1所述的海底观测网的高压直流电源模块系统，其特征在于，所述高压电源总控板由ARM控制电路和DSP控制电路组成；其中DSP控制电路通过电源内部CAN总线与各级联电压控制板通讯；
所述ARM控制电路控制端连接CAN两接口，一路RS485，一路以太网与上位机通讯，所述ARM控制电路和所述DSP控制电路通过SPI总线进行交互，所述高压电源总控制板由24VDC供电。
6.根据权利要求1所述的海底观测网的高压直流电源模块系统，其特征在于，所述高压电源模块总控制板实时收集所述各级联电压转换模块的传感参数，根据相应传感参数实时控制判断各模块当前的工作状态。
7.根据权利要求1所述的海底观测网的高压直流电源模块系统，其特征在于，所述高压转24VDC模块将所述输入滤波器的输出电压转换成24VDC电压，为所述高压电源模块总控制板和各级联电压转换模块的控制板供电；所述中压转24VDC模块输入端连接所述各级联电压转换模块的输出400V电压，所述高压电源模块总控制板通过CAN总线与所述各级联电压转换模块进行通讯；所述高压电源模块总控制板通过高速数字信号处理芯片对上位机通讯，用于控制各模块。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN114070093A (zh) * | 2021-12-03 | 2022-02-18 | 湖南北顺源智能科技有限公司 | 基于高压直流变换技术的海底观测网多模块电源系统 |
| CN114844215A (zh) * | 2022-05-17 | 2022-08-02 | 中国人民解放军63660部队 | 一种可远距离实时监测控制的多路直流电源装置 |
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| CN114070093B (zh) * | 2021-12-03 | 2022-07-15 | 湖南北顺源智能科技有限公司 | 基于高压直流变换技术的海底观测网多模块电源系统 |
| CN114844215A (zh) * | 2022-05-17 | 2022-08-02 | 中国人民解放军63660部队 | 一种可远距离实时监测控制的多路直流电源装置 |
| CN114844215B (zh) * | 2022-05-17 | 2024-04-09 | 中国人民解放军63660部队 | 一种可远距离实时监测控制的多路直流电源装置 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: 518054 1412k3, East Building, Coast Building, No.15 Haide Third Road, Haizhu community, Yuehai street, Nanshan District, Shenzhen City, Guangdong Province Applicant after: Shenzhen ote Ocean Technology Co.,Ltd. Address before: 214000 18 / F, No. 10, Guolian financial building, Wuxi City, Jiangsu Province Applicant before: Wuxi ote Ocean Technology Co.,Ltd. |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20200528 Address after: 410000 2 East units of 189 Industrial Park in the middle part of two section of Renmin East Road, Changsha Economic Development Zone, Hunan Applicant after: CHANGSHA GUANGYI CONVERTING TECHNIQUE Co.,Ltd. Address before: 518054 1412k3, East Building, Coast Building, No.15 Haide Third Road, Haizhu community, Yuehai street, Nanshan District, Shenzhen City, Guangdong Province Applicant before: Shenzhen ote Ocean Technology Co.,Ltd. |