CN113937875A - 一种高压直流双总线冗余供电系统及其切换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压直流双总线冗余供电系统及其切换装置，其中，切换装置包括：依次连接的采样电路、信号处理单元、交流继电器及直流继电器；采样电路用于采集主、辅路输入电源的实时电流和/或电压，并传输至信号处理单元；交流继电器用于在主路输入电源和辅路输入电源之间进行切换；直流继电器用于断开和接入负载；信号处理单元依据实时电流和/或电压控制，在主路电压异常时控制直流继电器断开并控制交流继电器切换辅路输入电源接入；在辅路电压异常或主路恢复正常时，控制直流继电器断开并控制交流继电器切换主路输入电源接入。本发明能够完全隔离两路输入电源，通过交流继电器和直流继电器组合实现小型低成本双路直流屏冗余模块切换。
Description
技术领域
本发明涉及冗余供电技术领域，尤其涉及一种高压直流双总线冗余供电系统及其切换装置。
背景技术
目前，在电力、仪控等系统中会采用两套直流屏冗余给系统供电，控制柜中的隔离电源通常也是冗余配置，因此两套直流屏分别接入即可完成冗余供电。但是传统TI设备(电脑、显示器)并不支持两路冗余输入，需要外部实现冗余，且切换时间通常要小于20ms才能保证切换时不会引起TI设备掉电重启。
针对高压直流屏供电冗余如下一般有三种方法：
(1)二极管冗余：设置冗余二极管会导致两路直流电源没有完全独立，给机组安全运行带来隐患，无论在任何位置发生直流接地故障，都会造成两路直流电源接地，给故障分析，处理工作带来极大的困难；
(2)逆变加切换组合方式：逆变加切换方式能保证隔离和不间断输出，但是系统复杂成本高，往往用在大功率电路切换上：
(3)接触器自锁方式：采用接触器自锁方式对电压阈值不敏感，导致响应慢以及切换时间长引起设备掉电重启。
上述方法都需要2个甚至更多的接触器，体积大，安装困难，均不适合用于终端小功率的冗余。因此，市面上并没有针对终端小负载提供冗余一个较为完善的方案。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种高压直流双总线冗余供电系统及其切换装置，其解决了现有技术中针对终端小负载无法提供一个兼顾性能与成本的冗余供电方案的技术问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一方面，本发明实施例提供一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置，所述切换装置设置于主、辅路输入电源以及负载之间，包括：依次连接的采样电路、信号处理单元、交流继电器以及直流继电器；
所述采样电路用于采集主路输入电源和辅路输入电源的实时电流和/或电压，并传输至所述信号处理单元；
所述交流继电器还连接所述主、辅路输入电源，用于在主路输入电源和辅路输入电源之间进行切换；所述交流继电器包括第一继电器开关和第二继电器开关；所述第一继电器开关的常闭触点连接主路输入电源的一极，常开触点连接所述辅路输入电源的一极；所述第二继电器开关的常闭触点连接主路输入电源的另一极，常开触点连接所述辅路输入电源的另一极；
所述直流继电器还连接所述负载，用于断开和接入负载；所述直流继电器包括第三继电器开关，且所述第三继电器开关的常开触点连接所述第一继电器开关的输出端；
所述信号处理单元依据所述实时电流和/或电压控制，在主路电压异常时控制所述直流继电器断开并控制交流继电器切换辅路输入电源接入；在辅路电压异常或主路恢复正常时，控制所述直流继电器断开并控制交流继电器切换主路输入电源接入。
可选地，所述采样电路包括：主路采样子电路和辅路采样子电路；
所述主路采样子电路包括：设置于所述主路输入电源和所述信号处理单元之间的主路隔离采样模块；所述主路隔离采样模块用于将采集的实时电压经分压后再通过隔离电路传输至所述信号处理单元；
所述辅路采样子电路包括：设置于所述辅路输入电源和所述信号处理单元之间的电源转换单元和辅路电压采样模块；所述辅路电压采样模块用于将采集的实时电压经分压后传输至所述信号处理单元。
可选地，所述主路隔离采样模块与所述主路输入电源的接入端设有第一功率整流桥；所述辅路电压采样模块与所述辅路输入电源的接入端设有第二功率整流桥。
可选地，所述主路隔离采样模块和所述辅路采样子电路均设有分压电阻，分压电阻用于将主、辅路电源的实时电压按比例降压后传输至信号处理单元。
可选地，所述切换装置还包括继电器驱动电路；
所述继电器驱动电路用于依据信号处理单元发出的控制指令控制所述直流继电器开闭和/或控制所述交流继电器在主路输入电源和辅路输入电源之间进行切换。
可选地，所述信号处理单元还设有频繁切换监测模块，用于在预设时间段内所述交流继电器达到切换次数阈值，控制所述交流继电器切换接入辅路输入电源。
可选地，所述信号处理单元为单片机或FPGA或DSP。
可选地，在所述交流继电器与所述主、辅路输入电源之间均设有输入二极管，用于防止电流反灌。
另一方面，本发明实施例还提供一种高压直流双总线冗余供电系统，包括：多套直流屏以及如上所述的切换装置；
在同一直流屏中，设有依次连接的交配电单元、充电组件以及蓄电池组；
所述交配电单元连接高压交流输入，用于给所述充电单元供能；
所述充电组件用于给所述蓄电池组进行充电；
所述蓄电池组用于给所述切换装置提供主、辅路输入电源。
可选地，所述充电组件包括多组并联的充电组，所述蓄电池组包括多组并联的蓄电池，各所述充电组和所述蓄电池一一对应；
所述充电组件的充电形式包括：均充、浮充、恒流充以及恒压充中的一种。
(三)有益效果
本发明提供的一种新的高压直流电源冗余方案，能够完全隔离两个输入电源，通过交流继电器和直流继电器组合实现小型低成本双路直流屏冗余模块切换。同时，本发明设置的信号处理单元对电源过欠压响应及时，阈值调整方便响应快，抗干扰能力强。该切换装置体积小巧，成本低，适合用电终端分散部署，具备较大的实用推广意义。
附图说明
图1为本发明提供的一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置的电路组成示意图；
图2为本发明提供的一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置的继电器驱动电路的电路结构示意图；
图3为本发明提供的一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置的一改良型电路结构示意图；
图4为本发明提供的一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置的另一改良型电路结构示意图；
图5为本发明提供的一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置的四个直流继电器组合示意图；
图6为本发明提供的一种高压直流双总线冗余供电系统的具体组成示意图。
【附图标记说明】
11：交配电单元；
12：充电组件；
13：蓄电池组；
14：切换装置。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
图1为本发明提供的一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置的电路组成示意图，如图1所示，本发明实施例提出的一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置14，切换装置14设置于主、辅路输入电源以及负载之间，包括：依次连接的采样电路、信号处理单元、交流继电器及直流继电器。
该切换装置14中的各组成部分进一步描述如下：
采样电路用于采集主路输入电源和辅路输入电源的实时电流和/或电压，并传输至信号处理单元。
交流继电器还连接主、辅路输入电源，用于在主路输入电源和辅路输入电源之间进行切换；交流继电器包括第一继电器开关和第二继电器开关；第一继电器开关的常闭触点连接主路输入电源的一极，常开触点连接辅路输入电源的一极；第二继电器开关的常闭触点连接主路输入电源的另一极，常开触点连接辅路输入电源的另一极。
直流继电器还连接负载，用于断开和接入负载；直流继电器包括第三继电器开关，且第三继电器开关的常开触点连接第一继电器开关的输出端。直流电不同于交流电，没有过零现象，电流比较连续，切换时容易拉弧，因此直流继电器需要有灭弧装置导致直流继电器价格高且通常只有常开或者常闭一个触头。采用直流继电器断开负载后由于没有电流因此可以用交流继电器轻松完成切换。
信号处理单元依据实时电流和/或电压控制，在主路电压异常时控制直流继电器断开并控制交流继电器切换辅路输入电源接入；在辅路电压异常或主路恢复正常时，控制直流继电器断开并控制交流继电器切换主路输入电源接入。完成主、辅路输入电源的切换时间为：软件检测时间+继电器切换时间，通常20ms内完成，辅路掉电时电源转换模块内部5V电源可以轻松支撑整个切换完成。
本发明提供的一种新的高压直流电源冗余方案，能够完全隔离两个输入电源，通过采用交流继电器和直流继电器组合实现小型低成本双路直流屏冗余模块切换。同时，本发明设置的信号处理单元对电源过欠压响应及时，阈值调整方便响应快，抗干扰能力强。该切换装置14体积小巧，成本低，适合用电终端分散部署，具备较大的实用推广意义。
为了更好地理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
进一步地，采样电路包括：主路采样子电路和辅路采样子电路。
主路采样子电路包括：连接信号处理单元的主路隔离采样模块。
辅路采样子电路包括：分别连接信号处理单元的电源转换单元模块和辅路电压采样模块。电源转换单元模块用于控制电路的取电，从辅路取电，可以隔离也可以不隔离。
更进一步地，主路隔离采样模块与主路输入电源的接入端(即采样端)设有第一功率整流桥，主路隔离采样模块采用纳芯微NSI1311隔离电压放大器。辅路电压采样模块与辅路输入电源的接入端(即采样端)设有第二功率整流桥，主路隔离采样模块和辅路采样子电路均设有分压电阻，分压电阻用于将主、辅路电源的实时电压按比例降压后传输至信号处理单元。主路隔离采样模块是分压后通过隔离电路再传输到信号处理单元，辅路采样子电路是直接分压后给信号处理单元。
接着，切换装置14还包括继电器驱动电路，继电器驱动电路用于依据信号处理单元发出的控制指令控制直流继电器开闭和/或控制交流继电器在主路输入电源和辅路输入电源之间进行切换。
图2为本发明提供的一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置的继电器驱动电路的电路结构示意图，如图2所示，继电器驱动电路具体电路结构为：SWITCH1连接控制信号，通过R1限流驱动Q1三极管导通，此时K1继电器吸合，D1导通，SW_CK1被拉低，当SWITCH1变成低电平时，Q1截止，继电器释放，此时D1截止，SW_CK1被拉高；R2用于下拉确保SWITCH1处于高阻状态时将电平拉低，SW_CK1用于回检继电器状态，一旦状态异常则提示故障，不再切换；D6是76V的TVS管，采用高压TVS管能够加速继电器释放时线圈能量的消耗，加快释放速度。
继而，直流继电器采用HF158F-V，交流继电器采用HF115FK，这样的直接好处是：体积很小，直流继电器和交流继电器的体积比一般的接触器小很多。
再者，信号处理单元还设有频繁切换监测模块，用于在预设时间段内交流继电器达到切换次数阈值，控制交流继电器切换接入辅路输入电源。信号处理单元依据采集的两路电压，通过滤波处理，快速识别电压异常，输出控制继电器动作，且可以对频繁晃动等异常做处理，比如主路误接交流，导致电压在正常和异常之间来回变化，此时信号处理单元识别异常后切换到辅路输入电源，减少继电器切换次数，增加使用寿命。
较佳地，上述的信号处理单元可以依据实际所需选择单片机或FPGA或DSP。
切换装置还设置有与信号处理单元连接的LED指示单元，该LED指示单元包括两个通道输入指示灯和总状态指示灯。两个通道输入指示灯用于指示两路输入电源电压是否在标称范围内，若电压异常则熄灭，正常则常亮；一个总状态指示灯指示冗余状态和切换装置异常状态，LED灯常亮表示切换装置及冗余供电均正常，LED闪烁表示模块内部异常，LED熄灭表示冗余供电异常。
值得一提的是，本发明提供的切换装置还设有与信号处理单元连接的报警器，在主路输入电源发生异常时，以灯光和/或声音的形式提醒工作人员。
在一具体实施例中，图3为本发明提供的一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置的一改良型电路结构示意图，如图3所示，本发明为了防止电流反灌和隔绝负载对电源的影响，提出如下改良型电路结构：在主路输入电源和辅路输入电源处均设有输入二极管。应用该电路结构切换装置输入反接也不会出现问题但是会存在采样不到电压情况。
进而，图4为本发明提供的一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置的另一改良型电路结构示意图，如图4，本发明考虑到图3示出的电路结构的缺陷，提出另一种改良型结构：在交流继电器与主、辅路输入电源之间均设有输入二极管，用于防止电流反灌，且主路隔离采样模块与主路输入电源的接入端设有第一功率整流桥；辅路电压采样模块与辅路输入电源的接入端设有第二功率整流桥。该电路结构为主、辅输入电源提供了全桥整流输出和两级反灌保护，输入电压不管正反都能检测，解决了图3示出的电路结构输入反接时模块采不到电压的问题，该电路结构可以对反接做出相应报警提示。这两种改良型电路结构的输入二极管均存在发热较大的情况，因此需要增加散热装置。
基于上述两种改良结构，若是以安全为前提，则选择图3、图4中的结构；若是以模块体积及散热为前提，考虑到继电器黏连导致两路电源并接是一个小概率事件，因此采用图1中的结构，即去掉输入二极管且在主路隔离采样模块和辅路电压采样模块的采样端均设置整流桥，图1示出的电路结构支持正反输入且使得发热在可控阈值中。
在另一具体实施中，图5为本发明提供的一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置的四个直流继电器组合示意图，如图5所示，本发明还可以通过将“交流继电器+直流继电器”的组合替换为四个直流继电器组合，具体地，四个直流继电器组合为：采用两个常开直流继电器连接辅路输入电源，两个常闭直流继电器连接主路输入电源；切换时两个常闭直流继电器同时动作断开主路电源，然后两个常开直流继电器同时动作接入辅路电源；直流继电器涉及到直流灭弧，因此成本是交流继电器的3倍左右，且直流继电器通常只有一路常开或常闭，不像交流继电器有两组转换这种结构，市面上小型的小功率直流继电器可选择的很少很少，因此该四个直流继电器组合成本稍高，但同样能达到本发明“交流继电器+直流继电器”的实际效果。
此外，本发明还提供一种高压直流双总线冗余供电系统，如图6所示，包括：多套直流屏以及如上所述的切换装置14。
在同一直流屏中，设有依次连接的交配电单元11、充电组件12、蓄电池组13以及如上的切换装置14。
交配电单元11连接高压交流输入，用于给充电单元供能。
充电组件12用于给蓄电池组13进行充电。
蓄电池组13用于给切换装置14提供提供主、辅路输入电源。
其中，充电组件12包括多组并联的充电组，蓄电池组13包括多组并联的蓄电池，各充电组和蓄电池一一对应，其充电形式包括：均充、浮充、恒流充以及恒压充中的一种。
由于本发明上述实施例所描述的系统/装置，为实施本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置，故而基于本发明上述实施例所描述的方法，本领域所属技术人员能够了解该系统/装置的具体结构及变形，因而在此不再赘述。凡是本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置都属于本发明所欲保护的范围。
综上所述，本发明提供一种高压直流双总线冗余供电系统及其切换装置，该切换装置14的具体实现过程为：两路高压直流输入先经过二极管，利用二极管的单向导通特性，即便负载产生高压也不会对输入电压产生影响。交流继电器和直流继电器的常闭触头连接主路输入电源，也就是默认主路输入电源接入。电源转换单元从辅路输入电源取电，通过主路采样子电路和辅路采样子电路监测两路电源实时电压。当主路电压异常时，先控制直流继电器断开负载后，再控制交流继电器切换到辅路最后直流继电器恢复输出。当辅路电压异常或主路恢复正常时，信号处理单元控制直流继电器断开负载后，再控制交流继电器切换回主路以使直流继电器恢复输出。
因此，基于上述描述，本发明较现有技术有如下优势：
低成本：主要成本电源20元、两个继电器10元、其他控制电路30元，整体硬件成本比一个稍微好点的接触器还低；
体积小：直流继电器采用HF158F-V，交流继电器采用HF115FK，体积很小，整体模块体积和单个接触器差不多；
控制快速准确：采用MCU实时采样，阈值调整方便响应快，针对间歇性过欠压异常可以软件屏蔽，更智能。
本发明得益于低成本小体积适合分散末端冗余，还可以不断电排查接地故障点，即可以在每个负载上做一次切换，若故障报警随着切换变到另一个直流屏则可以确定是这个负载接地故障，这样排除过程中不会影响负载的正常工作。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。
此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。
Claims (10)
1.一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置，所述切换装置设置于主、辅路输入电源以及负载之间，其特征在于，包括：依次连接的采样电路、信号处理单元、交流继电器以及直流继电器；
所述采样电路用于采集主路输入电源和辅路输入电源的实时电流和/或电压，并传输至所述信号处理单元；
所述交流继电器还连接所述主、辅路输入电源，用于在主路输入电源和辅路输入电源之间进行切换；所述交流继电器包括第一继电器开关和第二继电器开关；所述第一继电器开关的常闭触点连接主路输入电源的一极，常开触点连接所述辅路输入电源的一极；所述第二继电器开关的常闭触点连接主路输入电源的另一极，常开触点连接所述辅路输入电源的另一极；
所述直流继电器还连接所述负载，用于断开和接入负载；所述直流继电器包括第三继电器开关，且所述第三继电器开关的常开触点连接所述第一继电器开关的输出端；
所述信号处理单元依据所述实时电流和/或电压控制，在主路电压异常时控制所述直流继电器断开并控制交流继电器切换辅路输入电源接入；在辅路电压异常或主路恢复正常时，控制所述直流继电器断开并控制交流继电器切换主路输入电源接入。
2.如权利要求1所述的一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置，其特征在于，所述采样电路包括：主路采样子电路和辅路采样子电路；
所述主路采样子电路包括：设置于所述主路输入电源和所述信号处理单元之间的主路隔离采样模块；所述主路隔离采样模块用于将采集的实时电压经分压后再通过隔离模块传输至所述信号处理单元；
所述辅路采样子电路包括：设置于所述辅路输入电源和所述信号处理单元之间的电源转换单元和辅路电压采样模块；所述辅路电压采样模块用于将采集的实时电压经分压后传输至所述信号处理单元。
3.如权利要求2所述的一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置，其特征在于，所述主路隔离采样模块与所述主路输入电源的接入端设有第一功率整流桥；所述辅路电压采样模块与所述辅路输入电源的接入端设有第二功率整流桥。
4.如权利要求2所述的一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置，其特征在于，所述主路隔离采样模块和所述辅路采样子电路均设有分压电阻，分压电阻用于将主、辅路电源的实时电压按比例降压后传输至信号处理单元。
5.如权利要求1所述的一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置，其特征在于，所述切换装置还包括继电器驱动电路；
所述继电器驱动电路用于依据信号处理单元发出的控制指令控制所述直流继电器开闭和/或控制所述交流继电器在主路输入电源和辅路输入电源之间进行切换。
6.如权利要求1所述的一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置，其特征在于，所述信号处理单元还设有频繁切换监测模块，用于在预设时间段内所述交流继电器达到切换次数阈值，控制所述交流继电器切换接入辅路输入电源。
7.如权利要求1所述的一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置，其特征在于，所述信号处理单元为单片机或FPGA或DSP。
8.如权利要求1所述的一种高压直流双总线冗余供电系统的切换装置，其特征在于，在所述交流继电器与所述主、辅路输入电源之间均设有输入二极管，用于防止电流反灌。
9.一种高压直流双总线冗余供电系统，其特征在于，包括：多套直流屏以及如权利要求1-8任一项所述的切换装置；
在同一直流屏中，设有依次连接的交配电单元、充电组件以及蓄电池组；
所述交配电单元连接高压交流输入，用于给所述充电单元供能；
所述充电组件用于给所述蓄电池组进行充电；
所述蓄电池组用于给所述切换装置提供主、辅路输入电源。
10.如权利要求9所述的一种高压直流双总线冗余供电系统，其特征在于，所述充电组件包括多组并联的充电组，所述蓄电池组包括多组并联的蓄电池，各所述充电组和所述蓄电池一一对应；
所述充电组件的充电形式包括：均充、浮充、恒流充以及恒压充中的一种。
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