基于雙余度的一種智能配電裝置設(shè)計(jì)

張玲杰

（上海交通大學(xué) 上海市 200030）

基于雙余度的一種智能配電裝置設(shè)計(jì)

張玲杰

（上海交通大學(xué) 上海市 200030）

該智能配電裝置的特點(diǎn)是體積小、功率密度高。它獨(dú)特地采用了雙余度平臺(tái)控制系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)任務(wù)的可靠性。制作了原理樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明雙余度設(shè)計(jì)切實(shí)可行，達(dá)到預(yù)期目的，具有高可靠性。

智能配電裝置；雙余度；可靠性

引言

智能配電裝置是由較早的固態(tài)二次配電裝置改進(jìn)而來(lái)，其相對(duì)于固態(tài)二次配電裝置結(jié)構(gòu)更緊湊、重量更輕、重心更低、功率密度大幅提高、配電分布更合理。智能配電裝置的電源部分和控制部分均采用了DSP[2]雙余度設(shè)計(jì)，大大提高了系統(tǒng)任務(wù)的可靠性。當(dāng)然，它也能夠?qū)崟r(shí)獲取負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)，具備健康診斷和主動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，并可以根據(jù)針對(duì)不同的負(fù)載特性進(jìn)行精確的保護(hù)控制，達(dá)到安全可靠運(yùn)行的目的。

1 總體框圖

如圖1所示，智能配電裝置包括由相互獨(dú)立的A平臺(tái)模塊和B平臺(tái)模塊組成，其中，A平臺(tái)的控制部分為主控制平臺(tái)，B平臺(tái)的控制部分為備份控制平臺(tái)。A、B平臺(tái)之間采用相似雙余度熱備份的工作機(jī)制，當(dāng)A平臺(tái)控制失效時(shí)，能夠切換到B平臺(tái)，確保所有固態(tài)功率控制器保護(hù)功能和性能不損失。當(dāng)B平臺(tái)控制失效時(shí)，能夠切換到A平臺(tái)，確保所有固態(tài)功率控制器保護(hù)功能和性能不損失。智能配電裝置的供電電源由A平臺(tái)電源模塊和B平臺(tái)電源模塊經(jīng)過二極管或之后輸出，確保供電電源正常。

圖1 智能配電裝置總體框圖

A平臺(tái)模塊和B平臺(tái)模塊分別有電源模塊、控制模塊和多路固態(tài)功率控制器組成。

2 系統(tǒng)整體功能實(shí)現(xiàn)

如圖1所示，智能配電裝置由相互獨(dú)立的A平臺(tái)模塊和B平臺(tái)模塊組成。其中，A平臺(tái)模塊包括電源模塊（21）、控制模塊（41）和n路固態(tài)功率控制器（81）。B平臺(tái)模塊包括電源模塊（31）、控制模塊（61）和n路固態(tài)功率控制器（81）。A平臺(tái)的控制模塊為主控制平臺(tái)，B平臺(tái)的控制模塊為備份控制平臺(tái)。A、B平臺(tái)之間采用相似雙余度熱備份的工作機(jī)制，當(dāng)A平臺(tái)控制失效時(shí)，能夠切換到B平臺(tái)，確保所有固態(tài)功率控制器保護(hù)功能和性能不損失。當(dāng)B平臺(tái)控制失效時(shí)，能夠切換到A平臺(tái)，確保所有固態(tài)功率控制器保護(hù)功能和性能不損失。

外部控制電源1（1）經(jīng)過電源模塊（21）輸出工作電源V3（22）給主控模塊和2n路固態(tài)功率控制器（81）供電，外部控制電源2（3）經(jīng)過電源模塊（31）輸出工作電源V4（32）給主控模塊和2n路固態(tài)功率控制器供電，實(shí)現(xiàn)供電電源的雙余度，確保系統(tǒng)供電的可靠性。

A平臺(tái)的控制模塊（41）和B平臺(tái)的控制模塊（61）通過外部通訊總線1（10）或外部通訊總線2（11）接收綜合管理計(jì)算機(jī)（9）的指令執(zhí)行各個(gè)直流負(fù)載（14）的開通和關(guān)斷，完成多路固態(tài)功率控制器（81）的控制和數(shù)據(jù)傳輸功能。外部通訊總線1（10）和外部通訊總線2（11）兩路總線之間互為熱備份。A平臺(tái)的控制模塊（41）接收外設(shè)硬線超控信號(hào)（5）的超控信號(hào)開通關(guān)斷各路直流負(fù)載（14），且A平臺(tái)的控制模塊（41）對(duì)外部離散量信號(hào)（7）經(jīng)過隔離、處理后進(jìn)行外部狀態(tài)信號(hào)的采集。B平臺(tái)的控制模塊（61）接收外設(shè)硬線超控信號(hào)（6）的超控信號(hào)開通關(guān)斷各路直流負(fù)載（14），且B平臺(tái)的控制模塊（61）對(duì)外部離散量信號(hào)（8）經(jīng)過隔離、處理后進(jìn)行外部狀態(tài)信號(hào)的采集。A平臺(tái)的控制模塊（41）通過內(nèi)部通訊總線（42）與固態(tài)功率控制器（81）通訊，同時(shí)采集固態(tài)功率控制器（81）的上傳數(shù)據(jù)來(lái)完成直流負(fù)載（14）供電狀態(tài)監(jiān)控和供電保護(hù)。

固態(tài)功率控制器（81）之間相互獨(dú)立，相互隔離，具有過載、短路、超溫等保護(hù)功能。固態(tài)功率控制器（81）的通斷命令可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)，一是綜合管理計(jì)算機(jī)（9）通過軟件指令方式實(shí)現(xiàn)；一是通過外設(shè)硬線超控信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，超控功能主要用于應(yīng)急狀態(tài)（智能配電裝置的控制模塊與固態(tài)功率控制器通訊失效）下對(duì)負(fù)載開關(guān)的直接控制。將超控信號(hào)接地，關(guān)斷SSPC通道；將超控信號(hào)接28V，開通SSPC通道。超控的形式包括：開通超控、關(guān)斷超控、開通關(guān)斷超控，可以根據(jù)不同負(fù)載的需要采用不同的超控形式。

3 總結(jié)

智能配電裝置是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、功率電子技術(shù)[3]和通訊技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)多路機(jī)載電氣負(fù)載提供開關(guān)控制、安全用電保護(hù)和智能監(jiān)控功能的新一代智能配電管理系統(tǒng)。其主要實(shí)現(xiàn)了：

（1）結(jié)構(gòu)與熱設(shè)計(jì)技術(shù)：通過降低功率器件的功耗、控制系統(tǒng)的電源功耗，散熱需求、屏蔽需求和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式減少智能配電裝置的體積和重量，從而提高系統(tǒng)的功率密度；

（2）冗余技術(shù)：外部總線、DSP處理器、輔助電源采用雙余度設(shè)計(jì)；

（3）容錯(cuò)技術(shù)：具有自檢測(cè)、故障隔離和故障信息反饋功能，還具有狀態(tài)鎖定、歷史時(shí)間記錄功能；

（4）固態(tài)功率控制器（SSPC）[4]健康診斷和故障辨識(shí)技術(shù)：采用靜態(tài)與動(dòng)態(tài)相結(jié)合的狀態(tài)和故障在線檢測(cè)技術(shù)；

（5）固態(tài)功率控制器的保護(hù)功能技術(shù)：SSPC具有I2T過流保護(hù)功能、熱記憶保護(hù)功能、短路立即保護(hù)功能、重合閘保護(hù)功能、感性負(fù)載續(xù)流保護(hù)功能、容性負(fù)載與短路判別功能、上電輸出保護(hù)功能、狀態(tài)鎖定功能、CPU失效時(shí)總線保護(hù)功能；

（6）負(fù)載適應(yīng)性技術(shù)：固態(tài)功率控制器模塊根據(jù)不同負(fù)載（阻性、容性、感性、白熾燈、電動(dòng)機(jī)）的特性設(shè)計(jì)了各種保護(hù)電路。

[1]周梅.飛機(jī)現(xiàn)代配電技術(shù)的研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，1998，3.

[2]顧衛(wèi)鋼.手把手教你學(xué)DSP：基于TMS320X281x.北京航空航天大學(xué)出版社，2011，4.

[3]丁道宏.電力電子技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1992.

[4]袁旺.一種遠(yuǎn)程直流負(fù)載控制器，專利號(hào)：200710712765.3.

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1004-7344（2016）25-0050-01

2016-8-21