CN114280973A - 一种多负载脉冲功率电源数据采集与控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种多负载脉冲功率电源数据采集与控制系统,涉及脉冲功率技术领域，是为了使脉冲功率电源能够为18个线圈提供稳定可靠且具有多种输出时序、灵活可调的激励电流从而满足近地空间等离子体环境地面模拟装置用于模拟地球磁层磁场环境的需求，本发明所述系统，用于控制18套脉冲功率电源为18个线圈提供稳定可靠且具有多种输出时序、灵活可调的激励电流，从而近地空间等离子体环境地面模拟装置能够模拟地球磁层磁场拓扑结构，实现物理实验所需求的背景磁场。该系统主要功能包括：脉冲功率电源的充、放电控制，投入使用电源选取，延时触发设置，电压监测、关键元器件状态监测和输出电流显示等功能，并且还需要实现保证设备及人员安全的故障报警和故障处理操作。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲功率技术领域，具体涉及一种多负载脉冲功率电源数据采集与控制技术。
背景技术
在离地球表面约100-36000km的球壳状区域被称为近地空间，这里被电离的气体的数量相当可观，而地球磁场会作用于这些电离气体，从而引导控制这些电离气体在近地空间中运动。地球磁场通过与磁化太阳风的相互作用密切地参与了太阳与地球空间环境中能量和动量的耦合和转移，而这其中最核心的部分就是地球磁层，绝大多数航天器的活动区域以及深空探测的窗口都在地球磁层中，所以研究地球磁层中空间等离子体的基本物理过程以及极端空间等离子环境的特点和爆发性物理过程不仅为航天器的设计、安全运行提供理论指导，而且能够深化对空间等离子体环境的认识，加深对磁暴、高能粒子暴等灾害性空间环境的理解，完善辐射带高能粒子模型。
对于地球磁层中空间等离子体环境的研究手段通常分为卫星探测、地面观测、地面模拟实验和数值仿真计算。卫星探测是最直接的研究手段，多年来通过大量的卫星观测，人们已经在研究空间等离子体环境及其物理过程方面取得了巨大成就，但是卫星探测存在观测点单一、轨道受限、观测周期长、观测获取数据具有偶然性等方面的不足，所以单纯地采用卫星探测研究地球磁层中空间等离子体环境存在一定的不足。地面观测会受到地球大气层天气环境的影响导致观测结果偏差，而数值仿真计算因为理论、模型、数值、程序等限制并不能准确地反应真实物理过程。由于空间等离子体环境的地面模拟实验具有过程/参数可控、整体演化过程可重复进行、可多点同时测量等优点，因此在理解等空间等离子体中各类物理过程，提高人类探究空间环境演化规律的能力，提升对空间等离子体环境的认识水平具有重要意义，也日益受到国家的重视。
空间等离子体环境模拟与研究系统是该装置的一个分系统，主要研究空间环境因素中的等离子体的有关内容，以揭示空间等离子体的分布、演化规律及其与航天器相互作用的物理机制，提高对空间极端环境的认识和防控能力。其中近地空间等离子环境模拟系统用来模拟地球磁层环境，其主要研究内容包括两个方面：（1）研究空间等离子体环境的基本物理过程，具体为与磁层顶磁重联相关的三维磁重联物理问题，从而深化对空间等离子体环境的认识，为航天器设计和安全运行提供理论指导；（2）研究极端空间等离子体环境的特点及相关物理过程，加深对磁暴、高能粒子暴等灾害性空间环境的理解，为完善辐射带高能粒子模型、航天器安全评价和设计提供指导。为了实现以上研究内容，近地空间等离子环境模拟系统使用7类共18个线圈来实现地球磁层的磁场环境，7类线圈分别为磁鞘极向场线圈、磁鞘环向场线圈、磁层顶位形控制线圈、偶极场线圈、磁扰动Ⅰ型线圈、磁扰动Ⅱ型线圈、磁镜场线圈，7类线圈为表述方便分别标记为PF、TF、CK、OJC、CRDⅠ、CRDⅡ、CJC线圈，其中PF线圈包括4个子线圈，分别记为PF-A、PF-B、PF-C、PF-D，TF线圈包括4个子线圈，分别记为TF-A、TF-B、TF-C、TF-D，CK线圈包括6个子线圈，分别记为CK-A、CK-B、CK-C、CK-D、CK-E、CK-F，OJC、CRDⅠ、CRDⅡ、CJC线圈分别由一个线圈构成。而用来激励这18个线圈的电流则由脉冲功率电源系统提供，每个线圈由一套脉冲功率电源供电，采用与线圈相同的标记表示，即PF-A电源、PF-B电源、……、CJC电源，18套脉冲电源均采用模块化设计，每套脉冲电源由若干个模块组成，通过改变投入使用模块的数量可以实现输出电流的波形可调，并且能够提高维护效率、分散储能降低风险。
为了准确实现地球磁层磁场的拓扑结构，18个线圈在产生磁场时需要密切配合并按照一定的时序产生物理实验所需的背景磁场，同时可以通过改变激励电流波形来实现多种物理实验背景磁场的需求，这就要求脉冲功率电源能够为18个线圈提供稳定可靠且具有多种输出时序、灵活可调的激励电流，所以数据采集与控制系统是保障脉冲功率电源实现上述的目标功能的重要系统，同时数据采集与控制系统还具有脉冲功率电源的充、放电控制，投入使用电源选取，延时触发设置，电压监测、关键元器件状态监测和输出电流显示等功能，并且还需要实现保证设备及人员安全的故障报警和故障处理操作。
发明内容
本发明的目的是为了使脉冲功率电源能够为18个线圈提供稳定可靠且具有多种输出时序、灵活可调的激励电流从而满足近地空间等离子体环境地面模拟装置用于模拟地球磁层磁场环境的需求，从而提出了一种多负载脉冲功率电源数据采集与控制系统。
本发明是面向近地空间等离子体环境地面模拟装置的脉冲功率电源数据采集与控制系统，所述近地空间等离子体环境地面模拟装置包括配电系统（7）和18套电源，所述配电系统（7）用于同时给18套电源供电；
所述多负载脉冲功率电源数据采集与控制系统包括远程控制系统（1）、两台光纤交换机（2）、同步触发设备（3）、急停按钮/门禁开关（5）、急停按钮/门禁开关（5）和安全连锁设备（6）；
所述远程控制系统（1）包括工程师站（11）和操作员站（12）；
所述工程师站（11）用于设置投入使用的脉冲功率电源和该电源的模块数量，并且还用于设置每个电源模块输出电流的时序，还用于设置每套电源放电模块内部泄放电阻和续流电阻的温度上限以及数据采集的采样时间间隔，当电源每次放电后泄放电阻和续流电阻的温度不超过设置上限时，电源方可继续进行下一次放电操作；
所述操作员站（12）用于选择投入使用的脉冲功率电源，还用于控制电源的充电、放电、泄放，以及设置投入运行的电源的充电电压和触发时序、显示电源实时电压、续流电阻实时温度、泄放电阻实时温度、本地控制器状态、同步触发设备状态、安全连锁设备状态、电源运行状态以及其他关键元件的状态参数。在出现故障情况下，远程控制系统接收安全连锁设备发送的保护信号，向本地控制器发送停止充电和泄放指令，各个模块断开充电开关并闭合泄放开关，安全并快速释放电源的能量；
两台光纤交换机用光纤连接，防止电磁干扰，且连接后的两台光纤交换机用于作为远程控制系统（1）、数据存储系统（4）、同步触发设备（3）、安全连锁设备（6）的数据交换设备；
同步触发设备（3）用于接收远程控制系统（1）发送的各种时序参数和指令，并根据具体时序，向投入使用的脉冲功率电源的本地控制器发送触发信号；还用于在出现故障的情况下，接收安全连锁设备（6）发送的保护信号，锁定同步触发设备（3），禁止触发信号的发送；
急停按钮/门禁开关（5）中的急停按钮，用于当脉冲功率电源系统充电过程中出现故障或者其他紧急情况下，按下急停按钮后，急停信号发送给远程控制系统（1）、配电系统（）和安全连锁设备（6）。远程控制系统（1）显示异常状态，配电系统（7）自动断开与各套电源的连接，安全连锁设备（6）锁定同步触发设备（3）触发动作，此时电源将无法进行放电操作，同时远程控制系统（1）向各个电源的本地控制发送动作指令，各套电源的各个模块自动断开充电开关停止充电机对放电模块的充电，同时自动闭合泄放开关释放各个模块的能量；
急停按钮/门禁开关（5）中的门禁开关用于正常情况下，脉冲功率电源系统工作过程中电源室房门应关闭并禁止任何人员进入电源室，但是出现意外情况当电源室房门开启时，门禁开启信号发送给远程控制系统（1）、配电系统（7）、安全连锁设备（6），远程控制系统（1）显示异常状态，配电系统（7）自动断开与各套电源的连接，安全连锁设备（6）锁定同步触发设备触发动作，此时电源将无法进行放电操作，同时远程控制系统（1）向各个电源的本地控制发送动作指令，各套电源的各个模块自动断开充电开关停止充电机对放电模块的充电，同时自动闭合泄放开关释放各个模块的能量。
安全连锁设备（6）用于在脉冲功率电源系统工作过程中接收各套脉冲功率电源本地控制器在电源故障情况下上报的故障信号、控制室急停按钮的按下信号和电源室门禁开关的开启信号，以及当安全连锁设备接收到以上任意信号时，将向同步触发设备和远程控制系统输出保护信号，锁定同步触发设备触发放电功能，还用于远程控制系统（1）向本地控制器发送停止充电和泄放指令，各个模块断开充电开关并闭合泄放开关，安全并快速释放电源的能量。
本发明所述系统，用于控制18套脉冲功率电源为18个线圈提供稳定可靠且具有多种输出时序、灵活可调的激励电流，从而近地空间等离子体环境地面模拟装置能够模拟地球磁层磁场拓扑结构，实现物理实验所需求的背景磁场。该系统主要功能包括：脉冲功率电源的充、放电控制，投入使用电源选取，延时触发设置，电压监测、关键元器件状态监测和输出电流显示等功能，并且还需要实现保证设备及人员安全的故障报警和故障处理操作。
本发明中所述系统的有益效果是：1）、可以使用该系统对18套脉冲功率电源进行控制，使其能够为18个线圈提供稳定可靠且具有多种输出时序、灵活可调的激励电流，从而通过18个线圈产生满足物理实验需求的磁场拓扑结构；2）、该系统可以选择投入使用的脉冲功率电源数量，为对应线圈提供激励电流，从而产生不同类型的磁场拓扑结构；3）、该系统可以在选定投入使用的脉冲功率电源后，进一步地选择投入使用的模块，使得脉冲功率电源对应的线圈获得更为丰富的激励电流，产生更为多样的磁场拓扑结构；4）、该系统可以设置已经选择投入使用的脉冲功率电源的触发放电时序，为对应的线圈提供不同时序的激励电源，从而模拟多种物理实验条件下的背景磁场；5）、该系统除了可以控制脉冲功率电源的充、放电操作，选取投入使用电源，设置延时触发，还具有显示电源各个模块的电压、关键元器件状态、输出电流波形等功能，并且还可以实现保证设备及人员安全的故障报警和故障处理操作。
附图说明
图1为一种多负载脉冲功率电源数据采集与控制系统的拓扑结构示意图；
图2是多负载脉冲功率电源数据采集与控制系统中各套脉冲功率电源的结构示意图，图中各套脉冲功率电源的标号与图1中相同，中间做了部分省略，此外每套脉冲功率电源的模块数量分别为：PF电源为9，TF电源为4，CK电源为10，OJC电源为10，CRDⅠ电源为2，CRDⅡ电源为5，CJC电源为5；
图3是远程控制系统中工程师站界面图；
图4是远程控制系统中操作员站界面图；
图5是远程控制系统中操作员站的状态显示界面图；
图6是数据存储系统数的操作及显示界面；
其中，（a）为数据存储系统的数据查询及数据概览界面；（b）为数据存储系统的数据详细内容显示界面；
图7是远程控制系统工程师站操作流程图；
图8是远程控制系统操作员站操作流程图。
具体实施方式
具体实施方式一、本具体实施方式采用的技术方案是：
一种用于近地空间等离子体环境地面模拟装置的多负载脉冲功率电源数据采集与控制系统，它包括远程控制系统1（包括工程师站11和操作员站12）、数据存储系统4、光纤交换机2、同步触发设备3、安全连锁设备6、急停按钮/门禁开关6、每套脉冲功率电源的本地控制器、每个控制器组成。
放置于控制室的远程控制系统（包括工程师站和操作员站）以及数据存储系统4通过光纤与控制室的光纤交换机2连接，放置于电源室的同步触发设备3、安全连锁设备6、各个套脉冲功率电源的本地控制器通过光纤与放置于电源的光纤交换机连接，放电模块与充电机通过光纤与所在脉冲功率电源的本地控制器连接，控制室的光纤交换机2与电源室的光纤交换机2通过光纤连接。
远程控制系统1用来完成脉冲功率电源的充、放电控制，投入使用电源选取，延时触发设置，电压监测、关键元器件状态监测和输出电流显示等功能，并且还需要实现保证设备及人员安全的故障报警和故障处理操作。远程控制系统由工程师站和操作员站组成，工程师员站用来设置投入使用的脉冲功率电源和该电源的模块数量，并且还可以设置每个模块输出电流的时序，另外每套电源放电模块内部泄放电阻和续流电阻的温度上限以及数据采集的采样时间间隔也可以在工程师站中设置，当电源每次放电后泄放电阻和续流电阻的温度不超过设置上限时，电源方可继续进行下一次放电操作。操作员站用来进一步选择投入使用的脉冲功率电源，控制电源的充电、放电、泄放，设置投入运行的电源的充电电压和触发时序，显示电源实时电压、续流电阻实时温度、泄放电阻实时温度、本地控制器状态、同步触发设备状态、安全连锁设备状态、电源运行状态以及其他关键元件的状态参数。在出现故障情况下，远程控制系统接收安全连锁设备发送的保护信号，向本地控制器发送停止充电和泄放指令，各个模块断开充电开关并闭合泄放开关，安全并快速释放电源的能量。
数据存储系统用来存储脉冲功率电源每次放电的数据，并提供查询任意一次放电数据的功能。
光纤交换机2用来连接远程控制系统、数据存储系统、同步触发设备、安全连锁设备、各套脉冲功率电源的本地控制器。控制室和电源室各一台光纤交换机，两台光纤交换机用光纤连接，防止电磁干扰。
同步触发设备3用于接收远程控制系统发送的各种时序参数和指令，根据具体时序，向投入使用的脉冲功率电源的本地控制器发送触发信号。另外在出现故障的情况下，接收安全连锁设备发送的保护信号，锁定同步触发设备，禁止触发信号的发送。
安全连锁设备6在脉冲功率电源系统工作过程中用来接收各套脉冲功率电源本地控制器在故障情况下上报的故障信号、控制室急停按钮的按下信号和电源室门禁开关的开启信号，当安全连锁设备接收到以上任意信号时，将向同步触发设备和远程控制系统输出保护信号，锁定同步触发设备触发放电功能，远程控制系统向本地控制器发送停止充电和泄放指令，各个模块断开充电开关并闭合泄放开关，安全并快速释放电源的能量。
急停按钮位于控制室，当脉冲功率电源系统充电过程中出现故障或者其他紧急情况下，按下急停按钮后，急停信号发送给远程控制系统、配电系统、安全连锁设备。远程控制系统显示异常状态，配电系统自动断开与各套电源的连接，安全连锁设备锁定同步触发设备触发动作，此时电源将无法进行放电操作，同时远程控制系统向各个电源的本地控制发送动作指令，各套电源的各个模块自动断开充电开关停止充电机对放电模块的充电，同时自动闭合泄放开关释放各个模块的能量。
门禁开关位于电源室入口，正常情况下，脉冲功率电源系统工作过程中电源室房门应关闭并禁止任何人员进入电源室，但是出现意外情况当电源室房门开启时，门禁开启信号发送给远程控制系统、配电系统、安全连锁设备，远程控制系统显示异常状态，配电系统自动断开与各套电源的连接，安全连锁设备锁定同步触发设备触发动作，此时电源将无法进行放电操作，同时远程控制系统向各个电源的本地控制发送动作指令，各套电源的各个模块自动断开充电开关停止充电机对放电模块的充电，同时自动闭合泄放开关释放各个模块的能量。
各套脉冲功率电源的本地控制器功能相同，用于接收远程控制系统发送的各种参数和指令，向各个模块下发参数和指令，接收各个模块上传的电压、续流电流和温度采集数据以及工作状态信息，采集线圈电压和电源输出电流数据，融合处理各种数据和状态并存储，按照相应要求发送至远程控制系统，上报故障信号至安全连锁设备、上报故障信息至远程控制系统。
每个模块的模块控制器的功能相同，用于与本地控制器通信，接收本地控制器的下发的参数和指令，判断放电模块内部关键元件故障并经本地控制器上传给远程控制系统，通过温度传感器监测续流电阻和泄放电阻温度并上传参数数据，测量放电模块的续流电流和电压并上传。
本发明中，所述的各套脉冲功率电源由若干模块组成，PF线圈的4套电源每套均由9个模块组成，TF线圈的4套电源每套均由4个模块组成，CK线圈的6套电源每套均由10个模块组成，OJC线圈电源由10个模块组成，CRDⅠ型线圈电源由2个模块组成，CRDⅡ型线圈电源由5个模块组成，CJC线圈电源由5个模块组成。每个模块由充电机和放电模块组成，每个放电模块都有一个模块控制器用来接收本地控制器发送的指令以及上传该放电模块的状态参数。
本发明所述系统，用于控制18套脉冲功率电源为18个线圈提供稳定可靠且具有多种输出时序、灵活可调的激励电流，从而近地空间等离子体环境地面模拟装置能够模拟地球磁层磁场拓扑结构，实现物理实验所需求的背景磁场。该系统主要功能包括：脉冲功率电源的充、放电控制，投入使用电源选取，延时触发设置，电压监测、关键元器件状态监测和输出电流显示等功能，并且还需要实现保证设备及人员安全的故障报警和故障处理操作。
本发明中所述系统的有益效果是：1）可以使用该系统对18套脉冲功率电源进行控制，使其能够为18个线圈提供稳定可靠且具有多种输出时序、灵活可调的激励电流，从而通过18个线圈产生满足物理实验需求的磁场拓扑结构；2）该系统可以选择投入使用的脉冲功率电源数量，为对应线圈提供激励电流，从而产生不同类型的磁场拓扑结构；3）该系统可以在选定投入使用的脉冲功率电源后，进一步地选择投入使用的模块，使得脉冲功率电源对应的线圈获得更为丰富的激励电流，产生更为多样的磁场拓扑结构；4）该系统可以设置已经选择投入使用的脉冲功率电源的触发放电时序，为对应的线圈提供不同时序的激励电源，从而模拟多种物理实验条件下的背景磁场；5）该系统除了可以控制脉冲功率电源的充、放电操作，选取投入使用电源，设置延时触发，还具有显示电源各个模块的电压、关键元器件状态、输出电流波形等功能，并且还可以实现保证设备及人员安全的故障报警和故障处理操作。
参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于近地空间等离子体环境地面模拟装置的多负载脉冲功率电源数据采集与控制系统，该系统包括远程控制系统（包括工程师站和操作员站）、数据存储系统、光纤交换机、同步触发设备、安全连锁设备、急停按钮、门禁开关、每套脉冲功率电源的本地控制器、每个放电模块的模块控制器。
远程控制系统用来完成脉冲功率电源的充、放电控制，投入使用电源选取，延时触发设置，电压监测、关键元器件状态监测和输出电流显示等功能，并且还需要实现保证设备及人员安全的故障报警和故障处理操作。
远程控制系统由工程师站和操作员站组成，工程师员站用来设置投入使用的脉冲功率电源和该电源的模块数量，并且还可以设置每个模块输出电流的时序，另外每套电源放电模块内部泄放电阻和续流电阻的温度上限以及数据采集的采样时间间隔也可以在工程师站中设置，当电源每次放电后泄放电阻和续流电阻的温度不超过设置上限时，电源方可继续进行下一次放电操作。
操作员站用来进一步选择投入使用的脉冲功率电源，控制电源的充电、放电、泄放，设置投入运行的电源的充电电压和触发时序，显示电源实时电压、续流电阻实时温度、泄放电阻实时温度、本地控制器状态、同步触发设备状态、安全连锁设备状态、电源运行状态以及其他关键元件的状态参数。在出现故障情况下，远程控制系统接收安全连锁设备发送的保护信号，向本地控制器发送停止充电和泄放指令，各个模块断开充电开关并闭合泄放开关，安全并快速释放电源的能量。
数据存储系统用来存储脉冲功率电源每次放电的数据，并提供查询任意一次放电数据的功能。
光纤交换机用来连接远程控制系统、数据存储系统、同步触发设备、安全连锁设备、各套脉冲功率电源的本地控制器。控制室和电源室各一台光纤交换机，两台光纤交换机用光纤连接，防止电磁干扰。
同步触发设备用于接收远程控制系统发送的各种时序参数和指令，根据具体时序，向投入使用的脉冲功率电源的本地控制器发送触发信号。另外在出现故障的情况下，接收安全连锁设备发送的保护信号，锁定同步触发设备，禁止触发信号的发送。
安全连锁设备在脉冲功率电源系统工作过程中用来接收各套脉冲功率电源本地控制器在故障情况下上报的故障信号、控制室急停按钮的按下信号和电源室门禁开关的开启信号，当安全连锁设备接收到以上任意信号时，将向同步触发设备和远程控制系统输出保护信号，锁定同步触发设备触发放电功能，远程控制系统向本地控制器发送停止充电和泄放指令，各个模块断开充电开关并闭合泄放开关，安全并快速释放电源的能量。
急停按钮位于控制室，当脉冲功率电源系统充电过程中出现故障或者其他紧急情况下，按下急停按钮后，急停信号发送给远程控制系统、配电系统、安全连锁设备。远程控制系统显示异常状态，配电系统自动断开与各套电源的连接，安全连锁设备锁定同步触发设备触发动作，此时电源将无法进行放电操作，同时远程控制系统向各个电源的本地控制发送动作指令，各套电源的各个模块自动断开充电开关停止充电机对放电模块的充电，同时自动闭合泄放开关释放各个模块的能量。
门禁开关位于电源室入口，正常情况下，脉冲功率电源系统工作过程中电源室房门应关闭并禁止任何人员进入电源室，但是出现意外情况当电源室房门开启时，门禁开启信号发送给远程控制系统、配电系统、安全连锁设备，远程控制系统显示异常状态，配电系统自动断开与各套电源的连接，安全连锁设备锁定同步触发设备触发动作，此时电源将无法进行放电操作，同时远程控制系统向各个电源的本地控制发送动作指令，各套电源的各个模块自动断开充电开关停止充电机对放电模块的充电，同时自动闭合泄放开关释放各个模块的能量。
各套脉冲功率电源的本地控制器功能相同，用于接收远程控制系统发送的各种参数和指令，向各个模块下发参数和指令，接收各个模块上传的电压、续流电流和温度采集数据以及工作状态信息，采集线圈电压和电源输出电流数据，融合处理各种数据和状态并存储，按照相应要求发送至远程控制系统，上报故障信号至安全连锁设备、上报故障信息至远程控制系统。
每个模块的模块控制器的功能相同，用于与本地控制器通信，接收本地控制器的下发的参数和指令，判断放电模块内部关键元件故障并经本地控制器上传给远程控制系统，通过温度传感器监测续流电阻和泄放电阻温度并上传参数数据，测量放电模块的续流电流和电压并上传。
本实施方式中，所述的脉冲功率电源一共有18套，分别为4套PF电源、4套TF电源、6套CK电源、1套CRDⅠ电源、1套CRDⅡ电源、1套OJC电源、1套CJC电源。每套脉冲功率电源均采用模块化设计，但是每套脉冲功率电源所包含的模块数量不同，每套PF电源为9个模块，每套TF电源为4个模块，每套CK电源为10个模块，每套OJC电源为10个模块，CRDⅠ电源为2个模块，CRDⅡ电源为5个模块，CJC电源为5个模块。每个模块由放电模块和充电机组成，每个放电模块的控制和数据采集功能均由位于放电模块内部的模块控制器来实现。
本发明中，放置于控制室的远程控制系统（包括工程师站和操作员站）以及数据存储系统通过光纤与控制室的光纤交换机连接。放置于电源室的同步触发设备、安全连锁设备、各套脉冲功率电源的本地控制器通过光纤与放置于电源的光纤交换机连接，放电模块与充电机通过光纤与所在脉冲功率电源的本地控制器连接，控制室的光纤交换机与电源室的光纤交换机通过光纤连接。
具体实施方式二、本实施方式是对实施方式一的进一步说明，本实施方式中，18套电源所包含的充电机和放电模块均由配电系统进行供电，当脉冲功率电源运行时，若出现故障，按下急停按钮可以切断配电系统的供电，保障系统及人员安全，此外脉冲功率电源运行时，门禁开关的开启也会切断配电系统的供电。以上两种情况均会触发安全连锁设备的锁定功能，以及脉冲功率电源的自动停止充电和泄放的保护功能。
实施例一：如图1所示，本实施例所涉及的一种用于近地空间等离子体环境地面模拟装置的多负载脉冲功率电源数据采集与控制系统，包括远程控制系统（包括工程师站和操作员站）、数据存储系统、光纤交换机、同步触发设备、安全连锁设备、急停按钮、门禁开关、每套脉冲功率电源的本地控制器、每个放电模块的模块控制器。
每套脉冲功率电源的本地控制器功能相同，共有18个本地控制。每个放电模块的模块控制器功能相同，共有134个模块控制器。
18套脉冲功率电源分别为4套PF电源、4套TF电源、6套CK电源、1套CRDⅠ电源、1套CRDⅡ电源、1套OJC电源、1套CJC电源。
每套脉冲功率电源具有相同的结构，都是由1个本地控制器、一个充电机组和放电模块组组成。
每套PF电源的充电机组包括9个充电机，每套TF电源的充电机组包括4个充电机，每套CK电源的充电机组包括10个充电机，CRDⅠ电源的充电机组包括2个充电机，CRDⅡ电源的充电机组包括5个充电机，OJC电源的充电机组包括10个充电机，CJC电源的充电机组包括5个充电机。所有充电机均使用光纤与所在脉冲功率电源的本地控制器连接，来接收控制指令和上传状态参数。
每套PF电源的放电模块组包括9个放电模块，每套TF电源的放电模块组包括4个放电模块，每套CK电源的放电模块组包括10个放电模块，CRDⅠ电源的放电模块组包括2个放电模块，CRDⅡ电源的放电模块组包括5个放电模块，OJC电源的放电模块组包括10个放电模块，CJC电源的放电模块组包括5个放电模块。每个放电模块的控制和数据采集功能均由位于放电模块内部的模块控制器来实现，模块控制器通过光纤与所在脉冲功率电源的本地控制器连接，来接收控制指令和上传状态参数。
为了满足各套脉冲功率电源的时序触发功能，采用同步触发设备接收远程控制系统设置的时序参数，然后再下发给各套脉冲功率电源的本地控制器。各套脉冲功率电源其他控制指令，如：电压设置、充电、泄放等功能，以及状态参数的显示直接经光纤交换机与远程控制系统进行通信。当脉冲功率运行过程中出现故障时，故障信息经安全连锁设备上传给远程控制系统，同时安全连锁设备锁定同步触发设备，使其不能执行触发命令，防止故障情况下的触发放电给人员和设备带来的损害，并且给本地控制器发送执行停止充电和泄放动作命令，完成电源能量的安全泄放。每次脉冲功率电源运行的数据都会在数据存储系统中进行存储，可以进行调阅查看。
如图2所示，为远程控制系统中工程师站的设置界面，由于界面限制，所有电源分为两个页面进行表示，上部为电源选择标签页，PF和CK电源为一页，剩下的电源为另一页。以PF和CK页面为例，界面的主要部分为电源模块的选择和延时设置，下方是所勾选投入使用的电源中所有模块泄放电阻和续流电阻的温度上限设置和参数的采样间隔时间设置，在脉冲功率电源开始使用前，需要在工程师站界面选择投入使用的电源和模块并勾选，然后设置泄放电阻和续流电阻的温度上限和参数的采样间隔时间，所有参数设置完成后，通过下部的保存参数设置按钮完成参数配置并发送给操作员站，读取上次参数设置可以读取最近一次的各项参数配置，并发送给操作员站。TF/CRDⅠ/CRDⅡ/OJC/CJC电源工程师站的界面与PF和CK电源工程师站的界面相同。
如图3所示，图3为远程控制系统中操作员站的设置界面，上部是18套脉冲功率电源、安全连锁设备、同步触发设备的总状态参数显示标签，所有标签均会通过颜色表示当前状态信息，包括：红色—故障、绿色—正常、灰色—断网、蓝色—命令反馈。界面的主体部分是18套脉冲功率电源的设置界面，包括对投入运行的电源的选择，触发延时设置，充电电压设置及电源当前电压的实时显示（显示当前电源中最低电压的放电模块的电源电压），泄放电阻和续流电阻温度的显示。所有参数设置完成后，通过下部的下载参数按钮将配置的参数通过各个电源的本地控制器下发给充电机和放电模块。下部是整个脉冲功率电源的控制功能，包括检测各套投入使用电源的状态是否正常的自检功能，闭合充电继电器的准备充电功能，使充电机开始充电的充电功能，必要时刻断开充电继电器的停止充电功能（正常情况充电到设置电压后自动断开充电继电器），使放电开关执行短路命令进而实现电源放电的触发功能，释放电源残余电压即闭合泄放开关的泄放功能，完成一次放电操作后使电源恢复自检前初始状态的复位功能，以及每次放电操作过程倒计时功能。在每次进行触发放电这一流程前，系统会在右上角默认生成此次数据编号，方便数据查找读取。
每套脉冲功率电源的详细状态显示通过点击总状态参数显示标签来显示，以PF-A电源为例，如图4所示，界面左侧显示当前电源本地控制的与远程控制系统的通信状态故障、连接光纤状态故障、触发故障、充电超时故障、高压超时故障、温度过高故障，以连接光纤状态故障为例，当此故障发生时，状态指示灯亮起。界面上部显示当前电源中每个充电机的与远程控制系统的通信状态故障、连接光纤状态故障、充电机开路故障、过压故障、过流故障、温度过高故障、电位不平衡故障，以充电机的与远程控制系统的通信状态故障为例，当此故障发生时，状态指示灯亮起。界面下部显示当前电源中每个放电模块的与远程控制系统的通信状态故障、连接光纤状态故障、触发故障、晶闸管组件均压故障、与晶闸管组件中各个晶闸管连接的触发线故障、二极管组件均压故障、泄放电阻温度、续流电阻温度，以晶闸管均压故障为例，当次故障发生时，状态指示灯亮起。在其他电源的详细状态显示界面中，充电机和放电模块的状态显示列数与实际充电机和放电模块的数量相对应。
如图6所示，为数据存储系统的操作界面，分为数据概览和电源数据两个标签界面。
如图6（a）所示为数据概览界面，可以根据年月日时间操作序号查询所需的数据，显示当前查询的脉冲功率电源运行状态的主要参数，包括投入使用的电源、延时设置、电压设置。界面右侧是显示投入使用的电源输出电流波形、负载电压波形、模块续流电流波形，电流波形及电压波形可以导出为其他数据格式，以便使用其他工具查看。除了查询操作外，还可以直接通过打开按键打开目标文件，并通过保存按键更改保存位置，若查询或打开的文件无用，可以通过删除按键删除该文件数据。
如图6（b）所示为电源数据界面，可以查看当前查询的脉冲功率电源中具体一套电源的详细数据，通过电源选择查看具体的一套电源，电源名称显示当前查询的电源的标号，右侧显示参数设置信息，下方显示电源状态、本地控制器状态、充电机状态、放电模块状态信息，右侧为当前查询电源输出电流波形、负载电压波形、模块续流电流波形显示界面。电源状态包括模块投入使用信息、模块触发延时信息、泄放和续流电阻温度信息。本地控制器状态、充电机状态、放电模块状态信息包括如图4所示中的所有信息。
如图7所示，为远程控制系统工程师站的操作流程，首先选择需要投入运行的电源模块并设置触发延时，然后设置泄放电阻和续流电阻的温度上限和数据采样的时间间隔，最后保存参数设置，此时保存的设置参数会发送给操作员站，操作员站根据工程师站的设置完成电源其他参数的详细设置。若点击读取上次设置，则将上次工程师站设置的参数发送给操作员站进行电源其他参数的详细设置。
如图8所示，为远程控制系统操作员站完整的触发放电实施操作流程，首先选择需要投入运行的电源并设置触发延时和充电电压，所有设置参数下载到本地控制器正常后可以进行下一步操作，此时可以通过点击总状态参数显示标签查看详细的状态信息。一切无问题后，点击自检检测投入运行电源的触发功能、安全连锁功能、同步触发功能等是否正常，总状态参数显示标签显示蓝色表示电源对自检命令反馈正常，红色为故障，需要解决方可执行下一步操作。自检正常后，点击复位使得电源恢复初始化状态，反馈正常后可以进行正式出发放电操作，首先点击待充，闭合充电继电器，完成准备充电动作，然后点击开始充电，充电机开始执行对电源充电命令，并且计时功能开始进行150s倒计时，电源上的电压达到设置值后可以自行完成停止充电命令，此时充电继电器断开，或者充电过程进行了120s后自动执行停止充电命令，必要情况可以手动点击停充执行停止充电命令，若充电过程中出现故障情况，根据不同故障情况执行停止充电命令或闭合泄放开关的泄放命令。充电完成后，可以点击触发执行放电开关的短路操作，即脉冲功率电源放电，触发完成后需要点击泄放来执行对电源上剩余能量的释放动作，必要情况，可以跳过触发动作，直接点击泄放完成对电源上存储能量的释放，此外，150s倒计时完成后，自动执行泄放动作。以上远程控制系统操作员站控制脉冲功率电源的一次完整的触发放电实施操作流程，若要继续运行，可以从复位开始重复操作其后的操作流程。
本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情况或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。
Claims (4)
1.一种多负载脉冲功率电源数据采集与控制系统，其特征是：它是面向近地空间等离子体环境地面模拟装置的脉冲功率电源数据采集与控制系统，所述近地空间等离子体环境地面模拟装置的脉冲功率电源包括配电系统(7)和18套电源，所述配电系统(7)用于同时给18套电源供电；
所述多负载脉冲功率电源数据采集与控制系统包括远程控制系统(1)、两台光纤交换机(2)、同步触发设备(3)、急停按钮/门禁开关(5)、急停按钮/门禁开关(5)和安全连锁设备(6)；
所述远程控制系统(1)包括工程师站(11)和操作员站(12)；
所述工程师站(11)用于设置投入使用的脉冲功率电源和该电源的模块数量，并且还用于设置每个电源模块输出电流的时序，还用于设置每套电源放电模块内部泄放电阻和续流电阻的温度上限以及数据采集的采样时间间隔，当电源每次放电后泄放电阻和续流电阻的温度不超过设置上限时，电源方可继续进行下一次放电操作；
所述操作员站(12)用于选择投入使用的脉冲功率电源，还用于控制电源的充电、放电、泄放，以及设置投入运行的电源的充电电压和触发时序、显示电源实时电压、续流电阻实时温度、泄放电阻实时温度、本地控制器状态、同步触发设备状态、安全连锁设备状态、电源运行状态以及其他关键元件的状态参数。在出现故障情况下，远程控制系统接收安全连锁设备发送的保护信号，向本地控制器发送停止充电和泄放指令，各个模块断开充电开关并闭合泄放开关，安全并快速释放电源的能量；
两台光纤交换机用光纤连接，防止电磁干扰，且连接后的两台光纤交换机用于作为远程控制系统(1)、数据存储系统(4)、同步触发设备(3)、安全连锁设备(6)的数据交换设备；
同步触发设备(3)用于接收远程控制系统(1)发送的各种时序参数和指令，并根据具体时序，向投入使用的脉冲功率电源的本地控制器发送触发信号；还用于在出现故障的情况下，接收安全连锁设备(6)发送的保护信号，锁定同步触发设备(3)，禁止触发信号的发送；
急停按钮/门禁开关(5)中的急停按钮，用于当脉冲功率电源系统充电过程中出现故障或者其他紧急情况下，按下急停按钮后，急停信号发送给远程控制系统(1)、配电系统(7)和安全连锁设备(6)，远程控制系统(1)显示异常状态，配电系统(7)自动断开与各套电源的连接，安全连锁设备(6)锁定同步触发设备(3)触发动作，此时电源将无法进行放电操作，同时远程控制系统(1)向各个电源的本地控制发送动作指令，各套电源的各个模块自动断开充电开关停止充电机对放电模块的充电，同时自动闭合泄放开关释放各个模块的能量；
急停按钮/门禁开关(5)中的门禁开关用于正常情况下，脉冲功率电源系统工作过程中电源室房门应关闭并禁止任何人员进入电源室，但是出现意外情况当电源室房门开启时，门禁开启信号发送给远程控制系统(1)、配电系统(7)、安全连锁设备(6)，远程控制系统(1)显示异常状态，配电系统(7)自动断开与各套电源的连接，安全连锁设备(6)锁定同步触发设备触发动作，此时电源将无法进行放电操作，同时远程控制系统(1)向各个电源的本地控制发送动作指令，各套电源的各个模块自动断开充电开关停止充电机对放电模块的充电，同时自动闭合泄放开关释放各个模块的能量，
安全连锁设备(6)用于在脉冲功率电源系统工作过程中接收各套脉冲功率电源本地控制器在电源故障情况下上报的故障信号、控制室急停按钮的按下信号和电源室门禁开关的开启信号，以及当安全连锁设备接收到以上任意信号时，将向同步触发设备和远程控制系统输出保护信号，锁定同步触发设备触发放电功能，还用于远程控制系统(1)向本地控制器发送停止充电和泄放指令，各个模块断开充电开关并闭合泄放开关，以完成电源能量的安全和快速释放。
2.根据权利要求1所述的一种多负载脉冲功率电源数据采集与控制系统，其特征在于所述多负载脉冲功率电源数据采集与控制系统还包括数据存储系统(4)、
所述数据存储系统(4)用于存储脉冲功率电源每次放电的数据，并提供查询其中一次放电数据的功能。
3.根据权利要求1所述的一种多负载脉冲功率电源数据采集与控制系统，其特征在于每套脉冲功率电源的本地控制器功能均相同：用于接收远程控制系统发送的各种参数和指令，向各个模块下发参数和指令，接收各个模块上传的电压、续流电流和温度采集数据以及工作状态信息，采集线圈电压和电源输出电流数据，融合处理各种数据和状态并存储，还用于按照相应要求发送至远程控制系统(1)，上报故障信号至安全连锁设备(6)和上报故障信息至远程控制系统(1)。
4.根据权利要求1所述的一种多负载脉冲功率电源数据采集与控制系统，其特征在于18套电源所包含的充电机和放电模块均由配电系统(7)进行供电，当脉冲功率电源运行时，若出现故障，按下急停按钮能够切断配电系统的供电，保障系统及人员安全，此外脉冲功率电源运行时，门禁开关的开启也会切断配电系统的供电，以上两种情况均会触发安全连锁设备的锁定功能，以及脉冲功率电源的自动停止充电和泄放的保护功能。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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