CN113328637A - 基于工业互联网的群组协同控制的分布式大电流电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于工业互联网的群组协同控制分布式大电流电源系统。电源系统为多个机柜组成的机柜集群；主机柜上相对于从机柜额外设有机柜群组控制模块，机柜群组控制模块能获取来自负载端的用电需求，并根据机柜集群中每个机柜实时反馈的柜内电气参数生成每个机柜的机柜级控制指令，再将其发送给包括主机柜在内的每个没有故障的机柜；每个机柜接收到来自主机柜的机柜级控制指令后，根据机柜内部各模块化电源实时反馈的自身电气参数生成模块级控制指令，并发送给机柜内部每一个没有故障的模块化电源。相较于传统大电流发生系统，本发明具备输出上限动态调整、故障隔离、等诸多优点。

Description

基于工业互联网的群组协同控制的分布式大电流电源系统

技术领域

本发明属于电源设备领域，具体涉及一种基于群组协同控制的分布式物联网大电流电源系统。

背景技术

目前，随着工业生产规模的不断扩大，工业机械生产所需的电流也越来越大，在诸多领域中需要用到大电流电源，如高性能LED材料的测试，超级电容器的充电，超导线圈的充电等场景中。

与此同时，传统的大电流电源的发生方式主要采用并管技术，即使用IGBT管并联来提高晶体管管桥的通过电流上限，但这样的电路设计存在一定缺陷。首先，并管技术需要并联的IGBT管均一性良好，因此，在需要替换损坏的IGBT管时，往往很难找到同一批次的原件，造成修复后能耗高，寿命差；其次，并管技术母线电流较大，通过滤波电感的电流也较大。大电流的电感成本巨大，同时因大电流引发的巨大磁场易使现今的永磁材料磁性变化，导致使用周期中电感值发生变化，增加电路损耗；最后，对于传统的并管大电流电源，一个IGBT管被击穿烧毁后往往会造成整条桥臂烧毁，甚至损坏输入源，不能做到故障隔离，并且修复时间长、可修复性差。

有鉴于此，确有必要提出一种适应于现代工业生产、立足于智能工厂的工业4.0大电流电源来解决上述问题，并拓展功能，使之更加易用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于工业互联网的群组协同控制的分布式大电流电源系统，来解决传统基于并管技术的大电流电源故障率高、转化率低、不易修复、不可热扩容等问题。

为解决传统大电流电源的相关缺点，本发明提供了如下技术方案：

一种基于工业互联网的群组协同控制的分布式大电流电源系统，所述电源系统为多个机柜组成的机柜集群，通过群组调控多个机柜中的模块化电源，使其同时对负载供电；

每个机柜中包含柜内控制模块、柜内并网控制器和若干个支持热插拔且独立工作的模块化电源；所述模块化电源为基于PWM波调制的晶体管开关电源，其通过所在槽位获取交流输入，同时通过检测模块检测自身电气参数并将其反馈至柜内控制模块，模块化电源能够接收来自柜内控制模块的模块级控制指令，在自我保护模块保护下根据收到的模块级控制指令通过PWM发生器驱动晶体管工作，产生可控的直流输出；每个机柜内所有模块化电源的输出通过柜内并网控制器整合，对外输出当前机柜的直流输出并将该直流输出反馈至柜内控制模块；

所述机柜集群以其中一个机柜为主机柜，其余机柜为从机柜，主机柜与从机柜之间通过网络模块构成通信连接并以群组工作模式工作；

所述主机柜上相对于从机柜额外设有机柜群组控制模块，机柜群组控制模块能获取来自负载端的用电需求，并根据机柜集群中每个机柜实时反馈的柜内电气参数生成每个机柜的机柜级控制指令，再将其发送给包括主机柜在内的每个没有故障的机柜；每个机柜接收到来自主机柜的机柜级控制指令后，根据机柜内部各模块化电源实时反馈的自身电气参数生成模块级控制指令，并发送给机柜内部每一个没有故障的模块化电源。

作为优选，所述模块化电源包括MCU控制模块、MOSFET晶体管控制器、辅助电源和电流电压传感器；MCU控制模块通信端口接收来自机柜的模块级控制指令并解析执行，驱动MOSFET晶体管控制器工作将交流输入转换为模块级控制指令对应的直流输出，同时MCU控制模块中运行优先级高于电源外部的模块级控制指令的电源内部自我保护程序；所述辅助电源用于为MCU控制模块和MOSFET晶体管控制器提供电源；所述电流电压传感器用于监测模块化电源内部电气参数，为电源内部自我保护程序提供实时驱动数据，同时这些数据也通过通信端口上传至柜内控制模块以及主机柜中的机柜群组控制模块，为群组工作模式下的机柜间协同控制提供实时驱动数据。

作为优选，所述自我保护模块中的保护功能包括单一模块故障下线、过流输入、过流输出报警和安全锁。

作为优选，所述机柜上还设有显示模块，用于显示机柜内的系统信息与工作状态。

作为优选，所有从机柜均周期性地向主机柜发送心跳包，保证从机柜处于连接保持；每个从机柜在与主机柜进行连接保持的同时，一旦监测到柜内电气参数发生变化时，需要将更新数据实时发送至主机柜，以更新主机柜中机柜集群的状态数据库。

作为优选，在一个机柜内工作的模块化电源发生故障后，机柜内的柜内控制模块能够在短时间内将该模块化电源下线，切断其输入与输出，并发出故障警示，将下线报警以及实时电气参数信息写入系统日志。

作为优选，当负载端的所需电流大于整个机柜集群的输出电流上限时，需对电源系统进行不停机扩容；不停机扩容的方式包括在机柜中采取热插入的方式增加模块化电源数量、提高机柜内的模块化电源模块规格或在机柜集群内加入更多的机柜。

作为优选，所述电源系统存在完备的日志系统；机柜集群中的每个机柜以及机柜中的每个模块化电源的所有状态、操作、指令信息都记载于系统日志中，并通过设置网络日志进行备份。

作为优选，所述柜内控制模块为运行Linux操作系统的控制器，柜内控制程序均运行于Linux操作系统上；且所述主机柜中的柜内控制模块中还运行有相对于从机柜额外增加的机柜群组控制算法，作为主机柜中的机柜群组控制模块。

作为优选，所述电源系统可以在恒流源工作模式与恒压源工作模式之间切换。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的分布式大电流电源系统具有输出上限动态调整、故障隔离、不停机扩容和减容、负载均衡、网络检测与控制等诸多优点，可满足工业4.0时代背景下的智能工厂生产要求。此外，该系统修复时间短、可修复性良好。

附图说明

图1是电源系统的整体系统架构示意图。

图2是电源系统的机柜外观示意图。

图3是电源系统的模块化电源外观示意图。

图4是电源系统的模块化电源内部结构示意图。

图5是电源系统的机柜内部结构示意图。

图6是电源系统在群组工作模式下的结构示意图。

图7是电源系统在群组工作模式下的运行流程示意图。

具体实施方式

通过在智能工业设备上添加本发明提供的大电流电源系统，可以方便地实现电源的扩容和减容，同时易于维护和故障隔离，从而更加便捷地满足智能工厂时代的电源需求。

为使本发明的上述目的、特征和优势能够更加明显易懂，下面结合一种具体实施方式的系统结构组成、群组工作模式下机柜的工作流程，对该基于群组协同控制的分布式物联网大电流电源系统进行进一步说明。显然所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，并不代表本发明的全部保护范围。任何基于本发明所述的权利要求的实施例并且没有附加创造的具体实施均为本发明申请的保护范围。

本发明提供的是一种基于工业互联网的群组协同控制的分布式大电流电源系统，图1显示的是该大电源系统的整体系统架构示意图。硬件层实现了模块化电源和机柜内部电路的控制，以及各模块工作状态的LED显示和交流输入直流输出；通讯层主要实现柜内综合控制器与模块化电源之间的通信，主要基于串口方式以及RS485协议；控制层基于linux操作系统，所运行的程序算法主要实现对模块化电源以及机柜的输出任务分配、功率管理、安全保护等功能；网络层主要实现在群组工作模式下的柜间通信，其中主机柜将作为柜间控制算法的server，其它从机柜将以client的方式向主机柜发送数据并接收返回的控制指令；运行过程中所有层产生的重要信息将以系统日志形式被记录，注意系统的remotecontrol仅指跨机柜的控制，output则是最终的系统直流输出。

在本实施例中，整个分布式大电流电源系统可以分为两个层级，上层层级为机柜级，其对象为单个机柜，下层层级为模块级，其对象为单个机柜中的模块化电源。多个机柜组成了一个机柜集群，通过群组调控多个机柜中的模块化电源，使其同时对负载供电。

所述主机柜上相对于从机柜额外设有机柜群组控制模块，机柜群组控制模块能获取来自负载端的用电需求，并根据机柜集群中每个机柜实时反馈的柜内电气参数生成每个机柜的机柜级控制指令，再将其发送给包括主机柜在内的每个没有故障的机柜；每个机柜接收到来自主机柜的机柜级控制指令后，根据机柜内部各模块化电源实时反馈的自身电气参数生成模块级控制指令，并发送给机柜内部每一个没有故障的模块化电源。

本实施方式所使用的机柜和模块化电源的外形结构参数如图2和图3所示。图2为所述电源系统单个机柜的外观结构示意图，采用了仿服务器机柜的结构形式，其中，部件1为模块化电源，部件2为机柜控制显示屏，部件3是机柜的中央控制机构，内部运行了一个基于linux的完整系统，部件4是机柜接口，如交流输入、直流输出、柜间通信等端口，部件5为对应模块化电源的工作状态指示灯，部件6为机柜防尘盖。

图3为模块化电源外观示意图，部件1-1和1-2为交流输入口和通信端口，由于其转换功率有限，故将以机柜内部多电源联合的形式对所述电源系统进行扩容或减容，群组工作模式下，将以多机柜联合的形式工作。模块化电源是一种基于PWM波调制的MOSFET管开关电源，内含MCU控制模块，并具有通信端口，可以接受外部指令，进行功率、参数变换。每个机柜中内部结构如图4所示，包含柜内控制模块、柜内并网控制器和若干个支持热插拔且独立工作的模块化电源。图4中的片上控制器，即MCU控制模块，需要提前烧录预先编制的电源功率等电气参数控制程序，其能从通信端口接收来自机柜的控制指令并解析执行，驱动晶体管控制器工作，同时运行电源内部的自我保护程序，注意，当电源内部的自我保护程序和来自电源外部的控制指令之间产生冲突时，自我保护程序优先级别高于来自电源外部的指令。晶体管控制器主要由MOSFET晶体管和PWM发生器等部件组成，MOSFET是一种单极型电压控制器件，具有自关断能力，且驱动功率小，关断速度快，而PWM发生器将在MCU的驱动控制下产生占空比可变的脉冲波形，最后不同宽度的PWM波形将驱动MOSFET晶体管，通过交流直流转换模块对交流输入进行转换，以产生可控的直流输出。MCU内置算法用于调节环路，因此模块化电源模块能够通过通信端口接受外部指令，进行相应的参数、输出变换以达到改变输出电流、电压和功率的目的。辅助电源用于为MCU控制模块和晶体管控制模块提供电源。电流电压传感器将监测模块化电源内部电气参数，为电源内部自我保护程序提供实时驱动数据，同时，这些数据也将通过通信端口上传至柜内综合控制器乃至群组工作模式下的主机柜以成为协同控制的驱动数据。本实施例中，电流电压传感器由高速A/D转换芯片、隔离采样模块构成，能够返回电路的电气参数，包括输入端的交流电压、交流电流，输出直流的直流电压、直流电流。机柜控制显示屏由LCD屏幕和多色LED发光二极管组成，用于显示系统的工作信息与工作状态指示。

电源机柜能够调控多个模块化电源同时对负载供电，实现较大的电流输出，一个机柜的输出电流上限近似等于该机柜内模块化电源输出电流的上限之和，机柜内部结构如图5所示。图中，模块化电源独立工作，机柜支持对模块化电源进行热插拔，模块化电源将通过对应槽位的通信接口向柜内综合控制器发送数据、接收控制指令，槽位也将为每个模块化电源提供交流输入。模块化电源向柜内综合控制器发送的数据是电流电压传感器监测到的模块化电源内部电气参数，可用于识别模块化电源的工作状态判断是否存在故障。模块化电源接收的控制指令是来自柜内综合控制器的模块级控制指令。所有模块化电源的直流输出将经过柜内并网控制器进行整合，一方面柜内并网控制器需要向柜内综合控制器反馈机柜输出总和数据，另一方面柜内并网控制器的直流输出将作为机柜最终输出。柜内综合控制器作为单个机柜的柜内控制模块，为一个运行在Linux操作系统上的完整系统，实现图1中控制层和网络层的所有功能、系统日志、机柜自我保护、模块化电源负载均衡等功能。

当以群组工作模式工作时，本发明的大电流电源系统将分为主机柜和数个从机柜联合工作，集群电源的电流输出上限近似为机柜集群内每台机柜的输出电流的上限之和，此时机柜集群的结构如图6所示。主机柜可以由人工设定，由多个机柜中的任意一台机柜充当，主机柜与从机柜之间通过线缆通信，相较于从机柜，主机柜将成为整个系统的server，机柜间的控制算法将在主机柜的linux系统上运行，其接收来自从机柜的数据，传回对应机柜控制指令。机柜之间的通信是通过网络模块实现的，其基于加密的TCP协议进行网络通信，用于远程控制的指令传递、诊断、辅助参数调整、系统日志查询和备份等。从机柜相较于主机柜，除缺少顶层柜间控制算法外，其余部分一致。注意，当运行于机柜内部linux系统上的机柜自我保护程序和来自主机柜的控制指令相冲突时，机柜自我保护程序的优先级别高于来自主机柜的指令；所有机柜的直流输出将经过柜间并网控制器进行整合，一方面柜间并网控制器需要向主机柜反馈所有机柜的输出总和数据，另一方面柜间并网控制器的直流输出将作为整个大电流电源系统的最终输出。

本发明的大电流电源系统在群组工作模式下，其主从机柜的运行流程如图7所示。

在群组工作模式下，需要提前人工设定一台电源机柜为主机柜，承担机柜集群的中央控制机构，并且主要通过运行在linux上的server系统实现中央控制功能。其它从机柜在用通信线缆与主机柜连接、直流输出与柜间控制器连接后，需要以client身份主动向主机柜发起接入请求，连接建立之后，主机柜与从机柜之间需要周期性地发送“心跳”数据，简称连接保持，以此向对方证明自己尚处在工作状态，此举可预防一些可能严重损坏系统的情况，如，当某个从机柜需要向主机柜发送最新数据时，主机柜和该从机柜的连接却已经断开，但是，主机柜却无法意识到这点，以为从机柜没有更新数据，于是主机柜以旧数据生成了柜间控制指令，最终误导其他正常运作的系统，使系统产生错误的直流输出，以至设备损坏。

所有机柜的电源系统结构相近，不同点在于，主机柜的linux系统上会运行额外的机柜群组控制算法，这是本实施方式电源系统群组工作模式的核心。所有的从机柜在与主机柜进行连接保持的同时，一旦监测到内部参数变化，需要将更新数据发送至主机柜，主机柜接收来自从机柜的数据后，维护一个最新的机柜集群数据表或数据库，机柜群组控制算法将基于这些数据生成针对不同机柜的最新指令，并将指令发送给对应的机柜，包括主机柜本身。在这之后，主机柜和从机柜的运行流程接近。

所有机柜在接收到来自主机柜的指令后先进行解析，随后，机柜本地控制算法将参考这些指令、本地数据以及机柜的自我保护机制，为在运行模块化电源生成对应指令，并通过串口传达至模块化电源，模块化电源内部的片上控制器在收到指令后进行解析并执行，每个模块化电源的参数发生改变后将由监测模块感知，以此更新本地数。当然，模块化电源热插拔，或者模块化电源内部自我保护机制被触发后，监测模块也可对此进行感知。

本发明中模块化电源内部自我保护程序，均用于对系统安全性的保护，包括实现单一模块故障下线、对过流输入和过流输出进行报警、安全锁等功能，其实现是基于预设计的规则、检测模块和继电器开关的协同，这种保护程序可在MCU中运行。另外，机柜的自我保护程序则可以在柜内核心控制器上实现，同时柜内核心控制器运行的程序算法还用于实现对输出任务的分配、环流的抑止、输出控制指令、功率管理、日志记录和加密的控制算法等功能，因此该模块是整个系统的核心，是各种软件运行的载体。

当用电终端的需求发生改变，运行在主机柜上的群组控制算法模块将第一时间生成新指令，以此进行输出调整。机柜内模块化电源的增减以及机柜数目的增减将影响整个大电流电源系统的输出上限，在上限可满足用电终端需求的情况下，整个大电流电源系统依然能够在主机柜群组调控下进行动态调整。当模块化电源或者机柜发生故障，柜内控制或者柜间的群组控制将对故障模块进行阻断，因此主机柜上生成的机柜级控制指令实际上发送给了包括主机柜在内的每个没有故障的机柜，而每个机柜生成的模块级控制指令也发送给了机柜内部每一个没有故障的模块化电源，最终产生的效果近似于拔出部分模块化电源。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于工业互联网的群组协同控制的分布式大电流电源系统，其特征在于，所述电源系统为多个机柜组成的机柜集群，通过群组调控多个机柜中的模块化电源，使其同时对负载供电；

每个机柜中包含柜内控制模块、柜内并网控制器和若干个支持热插拔且独立工作的模块化电源；所述模块化电源为基于PWM波调制的晶体管开关电源，其通过所在槽位获取交流输入，同时通过检测模块检测自身电气参数并将其反馈至柜内控制模块，模块化电源能够接收来自柜内控制模块的模块级控制指令，在自我保护模块保护下根据收到的模块级控制指令通过PWM发生器驱动晶体管工作，产生可控的直流输出；每个机柜内所有模块化电源的输出通过柜内并网控制器整合，对外输出当前机柜的直流输出并将该直流输出反馈至柜内控制模块；

所述机柜集群以其中一个机柜为主机柜，其余机柜为从机柜，主机柜与从机柜之间通过网络模块构成通信连接并以群组工作模式工作；

所述主机柜上相对于从机柜额外设有机柜群组控制模块，机柜群组控制模块能获取来自负载端的用电需求，并根据机柜集群中每个机柜实时反馈的柜内电气参数生成每个机柜的机柜级控制指令，再将其发送给包括主机柜在内的每个没有故障的机柜；每个机柜接收到来自主机柜的机柜级控制指令后，根据机柜内部各模块化电源实时反馈的自身电气参数生成模块级控制指令，并发送给机柜内部每一个没有故障的模块化电源。

2.如权利要求1所述的基于工业互联网的群组协同控制的分布式大电流电源系统，其特征在于，所述模块化电源包括MCU控制模块、MOSFET晶体管控制器、辅助电源和电流电压传感器；MCU控制模块通信端口接收来自机柜的模块级控制指令并解析执行，驱动MOSFET晶体管控制器工作将交流输入转换为模块级控制指令对应的直流输出，同时MCU控制模块中运行优先级高于电源外部的模块级控制指令的电源内部自我保护程序；所述辅助电源用于为MCU控制模块和MOSFET晶体管控制器提供电源；所述电流电压传感器用于监测模块化电源内部电气参数，为电源内部自我保护程序提供实时驱动数据，同时这些数据也通过通信端口上传至柜内控制模块以及主机柜中的机柜群组控制模块，为群组工作模式下的机柜间协同控制提供实时驱动数据。

3.如权利要求1所述的基于工业互联网的群组协同控制的分布式大电流电源系统，其特征在于，所述自我保护模块中的保护功能包括单一模块故障下线、过流输入、过流输出报警和安全锁。

4.如权利要求1所述的基于工业互联网的群组协同控制的分布式大电流电源系统，其特征在于，所述机柜上还设有显示模块，用于显示机柜内的系统信息与工作状态。

5.根据权利要求1所述的基于工业互联网的群组协同控制的分布式大电流电源系统，其特征在于，所有从机柜均周期性地向主机柜发送心跳包，保证从机柜处于连接保持；每个从机柜在与主机柜进行连接保持的同时，一旦监测到柜内电气参数发生变化时，需要将更新数据实时发送至主机柜，以更新主机柜中机柜集群的状态数据库。

6.根据权利要求1所述的基于工业互联网的群组协同控制的分布式大电流电源系统，其特征在于，在一个机柜内工作的模块化电源发生故障后，机柜内的柜内控制模块能够在短时间内将该模块化电源下线，切断其输入与输出，并发出故障警示，将下线报警以及实时电气参数信息写入系统日志。

7.根据权利要求1所述的基于工业互联网的群组协同控制的分布式大电流电源系统，其特征在于，当负载端的所需电流大于整个机柜集群的输出电流上限时，需对电源系统进行不停机扩容；不停机扩容的方式包括在机柜中采取热插入的方式增加模块化电源数量、提高机柜内的模块化电源模块规格或在机柜集群内加入更多的机柜。

8.根据权利要求1所述的基于工业互联网的群组协同控制的分布式大电流电源系统，其特征在于，所述电源系统存在完备的日志系统；机柜集群中的每个机柜以及机柜中的每个模块化电源的所有状态、操作、指令信息都记载于系统日志中，并通过设置网络日志进行备份。

9.根据权利要求1所述的基于工业互联网的群组协同控制的分布式大电流电源系统，其特征在于，所述柜内控制模块为运行Linux操作系统的控制器，柜内控制程序均运行于Linux操作系统上；且所述主机柜中的柜内控制模块中还运行有相对于从机柜额外增加的机柜群组控制算法，作为主机柜中的机柜群组控制模块。

10.根据权利要求1所述的基于工业互联网的群组协同控制的分布式大电流电源系统，其特征在于，所述电源系统可以在恒流源工作模式与恒压源工作模式之间切换。

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