一种电源系统的运行控制方法

技术领域

本发明涉及铁路信号电源系统设备技术领域，特别是涉及一种电源系统的运行控制方法。

背景技术

轨道交通是一种重要的交通运输形式，为保证轨道交通有序进行，为轨道交通信号设备供电的电源设备尤其重要。其中，铁路信号电源系统设备，用于为铁路站场用电设备提供电源。

铁路站场用电设备中有交流用电设备，主要通过隔离变压器和交流电源模块两种方式供电，但是，隔离变压器供电受外电网的电源质量影响，不能始终提供电压稳定的交流电；而交流电源模块，能够在外电网电压变化在±20％的范围内，稳定输出AC220V电源。

为了对交流用电设备提供稳定电源，交流用电设备供电一般是通过多台交流电源模块并机(例如并联)方式进行供电。

总所周知，交流电与直流电不同，直流电主要指标是电压值，多台直流电源模块并联不用特别考虑电压的大小，但是，交流电源模块并联需要考虑电源的电压值和频率、相位角。因为两路交流电源模块在输出不同电压、不同频率和不同相位的交流电时，它们不能并机，如果并机会产生炸机(即烧毁)的风险；

另外，多路(即至少两路)交流电源模块在并机启动过程中，存在输出环流的风险，容易产生环流。需要说明的是，环流是指电源间的电流流动，往往对设备有很大的冲击，影响到交流电源模块工作的稳定性，而且也会烧毁交流电源模块中的用于逆变控制的主电路。

因此，目前迫切需要开发出一种技术，能够解决以上技术问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种电源系统的运行控制方法。

为此，本发明提供了一种电源系统的运行控制方法，包括以下步骤：

步骤S1，给多台交流电源模块同时上电，将第一台完成启动工作并且成功建立直流母线电压的交流电源模块作为初始默认主机；

步骤S2，初始默认主机通过其内原有的输出交流电压采集电路，采集交流输出母线上的交流输出电压，如果该交流输出电压不存在，则确定该初始默认主机为正式主机，以及确定正式主机所并机的、剩下的其他全部交流电源模块为从机；

步骤S3，正式主机通过CAN通信总线，分别向每台从机发出包含主机信息的主机已启动信号，并且向交流输出母线输出交流电压；

步骤S4，每台从机在收到主机已启动信号后，均同时通过其内原有的输出交流电压采集电路，周期性地采集交流输出母线上的交流输出电压并且对从机输出的交流电压进行锁相，使得从机输出的交流电压信号，与交流输出母线上的交流输出电压信号的相位相同，也即与主机的交流输出电压信号的相位相同，在锁相成功后，根据每台从机自带的ID标识，按照预设的ID启动顺序规则，将从机依次启动并锁相输出交流电压至交流输出母线上，即完成并机运行控制操作；

其中，所述电源系统包括并机的多台交流电源模块。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种电源系统的运行控制方法，其设计科学，能够可靠地实现控制多台交流电源模块并机输出稳定的交流电，保障交流用电设备的用电需求，具有重大的实践意义。

经过检验，本发明提供的方法，是一种控制多台交流电源模块顺序启动、并机输出波形稳定的交流电的方法。

附图说明

图1为本发明提供的一种电源系统的运行控制方法的流程图；

图2是CAN总线、交流输出母线与多台交流电源模块之间的连接结构示意图；

图3是多个并机的交流电源模块的顺序启动流程示意图；

图4为当电源系统包括四台交流电源模块时的一种电路原理图；

图5为本发明提供的一种电源系统的运行控制方法，对四台交流电源模块进行运行控制的整体流程图；

图6为没有应用本发明之前，两个交流电源模块所输出的两路交流电的波形示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1至图5，本发明提供了一种电源系统的运行控制方法，所述电源系统包括并机的多台交流电源模块(即多台交流电源模块并联在一起)；

多台交流电源模块的通信端口，通过CAN总线相连接；

多台交流电源模块，分别自带不同的ID(身份标识)号，由每台交流电源模块上自带的拨码开关通过拨码来确定；

多台交流电源模块的额定输出电压相同；

在本发明中，需要说明的是，交流电源模块并机：是指多台交流电源模块的L、N两个输出线分别接在一起，共同作用在交流输出总线上，从而对交流用电设备供电的方式，参见图2、图3所示。

需要说明的是，交流电源模块在铁路信号电源系统设备中主要应用形式是：多台模块并机使用。

具体实现上，每台交流电源模块M的输出火线(相线)L，与交流输出母线中的火线(相线)L相连接；

每台交流电源模块M的输出零线N，与交流输出母线中的零线N相连接。

对于本发明，所述电源模块的运行控制方法，具体包括以下步骤：

步骤S1，给多台交流电源模块同时上电，将第一台完成启动工作并且成功建立直流母线电压(即完成这两个条件)的交流电源模块作为初始默认主机；

在本发明中，需要说明的是，在初始状态下，交流输出总线上没有电流。

需要说明的是，在多台并机均流模块(即交流电源模块)同时上电时，由于不同交流电源模块之间存在的性能差异(例如由于模块内使用的电子元器件之间存在差异)，肯定会有一个模块第一个率先启机(即启动)并且首先建立起直流母线电压，该模块被确定为初始默认主机，初始默认主机率先完成了模块启动工作并且成功建立直流母线电压。

还需要说明的是，每台交流电源模块内，均自身设置有直流母线电压采集电路、输出交流电压采集电路、输出电流采集电路，分别用于采集交流电源模块内的直流母线电压、采集交流输出母线上的交流输出电压，以及采集交流输出母线上的交流输出电流。

在步骤S1中，初始默认主机的获取，具体包括以下操作：

对于每台交流电源模块，在启动时，分别实时判断其是否成功建立直流母线电压，并将其中率先成功建立直流母线电压的交流电压模块，作为初始默认主机(即作为第一台完成启动工作并且成功建立直流母线电压，即完成这两个条件的交流电源模块)；

具体实现上，在步骤S1中，对于每台完成启动的交流电源模块，在判断其是否成功建立直流母线电压，具体包括以下操作：

步骤S11，通过该交流电源模块内原有的直流母线电压采集电路，采集该交流电源模块内的直流母线电压；

步骤S12，将直流母线电压的电压值，与该交流电源模块内部设定的母线最小电压值(模块原始设置的参数，例如DC340V的电压值)进行比较；

如果大于母线最小电压值，则说明该交流电源模块的母线电压已成功建立。

在步骤S12之后，还包括以下操作：

步骤S13：如果小于母线最小电压值，则跳出比较(即暂停比较操作)，等待该交流电源模块内的直流母线电压建立，在等待预设时长(例如15s的时长)后，继续采集该交流电源模块内的直流母线电压，如果采集到的直流母线电压的电压值已大于母线最小电压值，则说明该交流电源模块的直流母线电压已成功建立；

而如果采集到的直流母线电压的电压值仍然小于母线最小电压值，则说明该交流电源模块的直流母线电压仍未建立，并且判定这台完成启动的交流电源模块已出现故障。

需要说明的是，如果交流电源模块出现模块故障问题，则模块可通过内部控制开关，关闭输出，退出并机，不参与供电且不影响其他模块并机工作，后续人工取出维修。

在步骤S1中，具体实现上，还包括以下操作：

步骤S14，在给多台交流电源模块同时上电后，将每台已完成启动并且没有建立直流母线电压的交流电源模块，判定为故障模块，不再参与交流供电，停止模块的运行。

在本发明中，在步骤S1中，需要说明的是，如果第一个启动的交流电源模块采样的直流母线电压值大于模块内部设定的母线最小电压值，则说明母线电压建立，然后需要根据后续的步骤S2，判断输出交流母线上的交流输出电压值，最终确定是否为主机。

步骤S2，初始默认主机通过其内原有的输出交流电压采集电路，采集交流输出母线上的交流输出电压，如果该交流输出电压不存在(即交流输出母线无输出，与即没有建立交流母线上的电压)，则确定该初始默认主机为正式主机，以及确定正式主机所并机的、剩下的其他全部交流电源模块为从机；

需要说明的是，在第一个模块的直流母线电压建立后，通过模块内的输出交流电压采集电路，采集输出交流母线上的电压是否存在，如果不存在，则确定该模块为主机。

在主机确定后，会立即通过CAN总线发送主机的模块信息(例如包括ID信息)到总线上，其他交流模块全部会接收该信息，并解析判断并认为总线上已存在主机后，其他交流模块会自动确立为从机。

在本发明中，主机是第一个建立直流母线电压，并能正常输出交流电的交流电源模块；

从机：是在主机建立后，用于锁相主机输出的交流电源(即交流电压信号)的相位和采集交流输出母线的电压值，然后跟随主机供电的交流电源模块；

锁相：用来实现与外来信号相位同步，或跟踪外来信号的频率或相位。锁相即相位锁定。

在步骤S2中，当初始默认主机采集的交流输出母线上的交流输出电压，小于预设第一比例(例如25％)的交流电源模块默认输出电压(例如AC220V)时，并且初始默认主机通过CAN总线建立通信的其他交流电源模块的总数为0(即，向初始默认主机发送过模块ID信息的交流电源模块的数量为0)时，则说明交流输出母线上的交流输出电压不存在，并且判定该初始默认主机是正式主机；

例如，当交流电源模块默认输出电压为AC220V时，则小于55V。

在步骤S2中，当初始默认主机采集的交流输出母线上的交流输出电压，大于预设第一比例(例如25％)的交流电源模块默认输出电压(例如AC220V)时，并且初始默认主机通过CAN总线建立通信的其他交流电源模块的总数大于1(即，向初始默认主机发送过模块ID信息的交流电源模块的数量为大于1)时，则说明交流输出母线上的交流输出电压存在，并且判定该初始默认主机不是正式主机，而是从机，返回执行步骤S1；

在步骤S2中，当初始默认主机采集的交流输出母线上的交流输出电压，大于预设第二比例(例如99％)的交流电源模块默认输出电压(例如AC220V，99％的AC220V，等于AC217.8V)时，则说明交流输出母线上的交流输出电压存在，并且判定该初始默认主机不是正式主机，而是从机，返回执行步骤S1；

其中，预设第二比例，大于预设第一比例。

需要说明的是，交流电源模块默认输出电压，是模块的额定输出电压，在本发明中，这个电压值是AC220V。多台交流电源模块的额定输出电压相同。

在步骤S2中，正式主机所并机的从机(即剩下的其他全部交流电源模块)，需要满足条件：是完成启动工作的交流电源模块，并且已成功建立直流母线电压。

需要说明的是，具体可以通过上述步骤S11和S12，来判断一个完成启动工作的交流电源模块，是否已成功建立直流母线电压。

步骤S3，正式主机通过CAN通信总线，分别向每台从机发出包含主机信息的主机已启动信号，并且向交流输出母线输出交流电压(即此时，交流输出母线上的交流输出电压)；

需要说明的是，在确认主机地位后，第一个模块通过CAN通信总线向作为从机的其他模块发出主机已启动信号；CAN总线是一种公知的通信总线方式，在此不再赘述。

其中，主机信息，包括模块ID、模块工作状态、电流有效值、限流环输出信息。

步骤S4，每台从机在收到主机已启动信号后，均同时通过其内原有的输出交流电压采集电路，周期性(例如每隔44微秒)地采集交流输出母线上的交流输出电压并且对从机输出的交流电压进行锁相(即使得从机输出的交流电压信号，与交流输出母线上的交流输出电压信号的相位相同，也即与主机的交流输出电压信号的相位相同)，在锁相成功后，根据每台从机自带的ID(身份)标识，按照预设的ID启动顺序规则，将从机依次启动并锁相输出交流电压至交流输出母线上，即完成并机运行控制操作；

需要说明的是，并机的其他模块，在收到主机ID后，同时周期性的检测输出母线电压，根据自身模块ID，按照ID启动顺序算法依次启动并锁相输出；其中，ID标识是模块的身份编号。

还需要说明的是，锁相是相位锁定的简称，其含义是表示两个信号的之间的相位同步。也就是说，在步骤S4中，从机输出的电压信号，与交流输出母线上的交流输出电压的相位相同。

具体实现上，在步骤S4中，通过现有的锁相算法，来对从机输出的交流电压进行锁相。

需要说明的是，锁相算法：是一种对接收到的信号进行处理，并从其中提取某个时钟的相位信息的算法，或者通俗的说，对于接收的信号，仿制一个时钟信号，使得这两个信号从某种角度来看是同步的。

在本发明中，用到SOGI(二阶广义积分器)技术将交流母线电压值带入其特征传递函数，产生正交信号；然后将生成的正交信号通过Park变换输出一个d轴分量和一个q轴分量信号；然后对q轴分量作为锁相环路中的误差信号传递给PI调节器，输出一个与频率相关的调整量result_new；d轴分量信号是作为电源电压正序分量的幅值；通过这种方式，可以负序分量对频率检测和相位检测的影响，使锁相更加精准。最后，需要实时更新锁相环的系数，保证计算过程更加准确。

其中，SOGI：二阶广义积分器(Second-Order General Integrator(SOGI))可以理解为是一种新型的滤波器，主要用于锁相技术；Park变换：是一个坐标系的坐标变换为另一个坐标系坐标的变换方法。举例说明：由abc坐标变换到dq坐标。PI调节器：是一种基于比例-积分控制算法的自动控制器，它通过不断地调整控制量,使被控对象的输出值逐渐趋近目标值,从而实现自动控制。

在本发明中，关于步骤S2至S4，需要说明的是，对于多台交流电源模块，当正式主机确定后，正式主机会通过CAN总线发送主机信息(该信息包括模块ID、模块工作状态、电流有效值、限流环输出)，在该阶段，正式主机所并机的、剩下的其他全部交流电源模块只从CAN总线发来的信息中提取出正式主机正在运行的工作状态信息，然后通过每个交流电源模块自身的交流输出电压采集电路采集交流输出母线上的交流输出电压，如果交流输出电压值大于交流电源模块默认输出电压(例如AC220V)的25％(AC55V)且该交流电源模块通过CAN总线建立通信的交流电源模块的数量大于等于1，或者交流输出母线上的交流输出电压大于等于交流电源模块默认输出电压的99％(AC217.8V)时，则正式主机所并机的、剩下的其他全部交流电源模块确定是从机，并且从机进入锁相控制操作：即，从机采集交流输出母线上的交流输出电压(即交流母线电压)，然后通过锁相算法锁相，在锁相成功后通过ID启动顺序算法(即预设的ID启动顺序规则)，多台从机按照逐个延时100ms的启动顺序启动。

其中，顺序启动不是人工手动逐个通电启动，是多台交流电源模块在同时供电时，按照ID启动顺序算法要求的顺序来启动。

在本发明中，具体实现上，参见图2所示的CAN总线、交流输出母线与多台交流电源模块之间的连接结构示意图。图2中，n为大于2的自然数。

参见图2，每台交流电源模块，均通过CAN总线发送本模块的ID信息给其他模块。交流电源模块通过CAN总线建立通信的交流电源模块的数量判断，来自于模块之间的CAN通信传递。

在本发明中，在步骤S4中，多台交流电源模块并机，交流电源模块自身设置的ID号是连续的，按照ID启动顺序算法(即预设的ID启动顺序规则)，可以实现逐个延时100ms并机输出到交流输出母线上。

在本发明中，在步骤S4中，通过ID启动顺序算法(即预设的ID启动顺序规则)，获取每台从机的延时启动时间(即在主机启动后的延时启动时间)，然后相应启动每台从机；多个并机的交流电源模块的顺序启动流程，如图3所示。图3中，横坐标是时间(ms)，纵坐标是输出电压幅值(V)。

ID启动顺序算法(即预设的ID启动顺序规则)，具体包括以下计算公式：

每台从机的延时时间＝T*(从机ID％N)；

其中，从机ID，即从机自带的ID(身份标识)号；

“％”这个符号，表示：除法后取余数，是除法取余符号。

T是预先自定义的、延时的基准时长，例如T为100ms；

N是电源系统设计的需要并机的交流电源模块的最大数量(总数)，也即总线上交流并机的数量的最大值。具体实现上，本标准中，N设置为8。具体并机可根据情况设置该值。

举例说明：交流模块最大可以8个并机使用，则N设置为8；小于8个的交流模块并机，这个N值为8不变，大于8个的时候，这个N值需要做相应调整。

以上该算法，需要根据不同模块运行周期，增加判断倍数调整。

举例说明：当一个从机的ID为17时，17％8＝1，则100ms*1＝100ms，故该模块(该从机)在主机正常启动后，延时100ms后保持锁相输出；

需要说明的是，多台交流电源模块在并机完成后，就不再区分主从机，多台模块在并机运行过程中是均等的。

参见上述步骤S1和S2可知，如果首先启动运行的交流电源模块在确定主机的过程中故障，则该交流电源模块会因故障关闭输出，其他模块通过运行步骤S1和S2，会根据采集的输出交流母线电压值再次进行判断，确立新的主机，以便后续从机锁相，并机。

通过应用本发明，当多台交流电源模块并机后，进入稳定运行状态，如果在并机的过程中，其中一台交流电源模块发生故障，模块关闭输出，不影响其他并机模块运行。

为了更加清楚地理解本发明，下面结合一个具体实施例来说明本发明的技术方案。

具体实现上，多台交流电源模块，包括交流电源模块M11～M14等四台模块；

交流电源模块M11，通过单相断路器QF11与B系交流电源的L线(相线、即火线)相连接；

交流电源模块M12，通过单相断路器QF12与B系交流电源的L线(相线、即火线)相连接；

交流电源模块M13，通过单相断路器QF13与A系交流电源的L线(相线、即火线)相连接；

交流电源模块M14，通过单相断路器QF13与A系交流电源的L线(相线、即火线)相连接；

需要说明的是，图4中的A系、B系电源是表示不同的两路三相交流电源。

具体实现上，A系交流电源的L线(相线、即火线)和N线(即零线)，分别与两相断路器QF2的触点1和触点3相连接；

B系交流电源的L线(相线、即火线)和N线(即零线)的输出端，分别与两相断路器QF3的触点1和触点3相连接；

具体实现上，交流电源模块M11的第1引脚，作为电源输入端，与单相断路器QF11的第2引脚相连接；

单相断路器QF11的第1引脚，与两相断路器QF3的触点2相连接；

交流电源模块M11的第7引脚，作为电源输入端，与两相断路器QF3的触点4相连接；

交流电源模块M11的第9引脚，接机壳地；

具体实现上，交流电源模块M12的第1引脚，作为电源输入端，与单相断路器QF12的第2引脚相连接；

单相断路器QF12的第1引脚，与两相断路器QF3的触点2相连接；

交流电源模块M12的第7引脚，作为电源输入端，与两相断路器QF3的触点4相连接；

交流电源模块M12的第9引脚，接机壳地；

具体实现上，交流电源模块M13的第1引脚，作为电源输入端，与单相断路器QF13的第2引脚相连接；

单相断路器QF13的第1引脚，与两相断路器QF2的触点2相连接；

交流电源模块M13的第7引脚，作为电源输入端，与两相断路器QF2的触点4相连接；

交流电源模块M13的第9引脚，接机壳地；

具体实现上，交流电源模块M14的第1引脚，作为电源输入端，与单相断路器QF14的第2引脚相连接；

单相断路器QF14的第1引脚，与两相断路器QF2的触点2相连接；

交流电源模块M14的第7引脚，作为电源输入端，与两相断路器QF2的触点4相连接；

交流电源模块M14的第9引脚，接机壳地；

在本发明中，具体实现上，交流电源模块M11～M14的第22引脚、第23引脚、第24引脚和第26引脚分别互连。

具体实现上，交流电源模块M11～M14的第22引脚在汇流相交后，与RS485-B端口相连接；

交流电源模块M11～M14的第23引脚在汇流相交后，与RS485-A端口相连接；

需要说明的是，RS485-A和RS485-B端口是RS485通信总线上的端口，主要用于让图4所示四个交流电源模块M11～M14，将每个模块的信息(模块的工作状态，例如：电压、电流、故障信息等)传递至上位机使用。

在本发明中，具体实现上，交流电源模块M11～M14的第36引脚在汇流相交后，与输出断路器11QF的触点1相连接；

交流电源模块M11～M14的第37引脚在汇流相交后，与输出断路器11QF的触点3相连接；

输出断路器11QF的触点2和触点4，分别连接交流用电设备(例如铁路站场用电设备，可以是作为道岔缺口设备的转辙机)的火线端L和零线端N。

需要说明的是，交流电源模块M11～M14，可以是现有的铁路信号电源系统包括的多个交流电源模块中的任意四个。交流电源模块M11～M14，是输入AC220V、输出AC220V的交流电源模块，其主要作用是：在外电网电压在±20％变化的范围内，模块仍然能够提供稳定的AC220V电源，保证用电设备正常工作。在本发明中，主要是为主电路提供稳定的交流电源使用。

在本发明中，对于交流电源模块M11～M14，其上的第1引脚(端子)和第7引脚(端子)，用于输入外部的交流电源AC；其上的第36引脚(端子)和第37引脚(端子)，用于向外稳压输出交流电源AC；其上的第24引脚(端子)和第26引脚(端子)是均流端子，在本发明中，用于四个模块并机均流使用；其上的第22和23引脚(端子)，是RS485通信总线的连接端子，用于连接RS485通信总线使用。

在本发明中，基于图4所示的电路结构设计，以及图5所示的对四台交流电源模块进行运行控制的整体流程，可以实现四台交流电源模块M11～M14在启动、并机过程中，通过模块ID启动顺序算法(即预设的ID启动顺序规则)启动四台交流电源模块启动并机，减少并机过程产生环流、输出稳定的交流电。

综上所述，通过应用本发明的技术方案，多台交流电源模块在启动、并机过程中，通过模块ID启动顺序算法(即预设的ID启动顺序规则)启动多台交流电源模块启动并机，减少并机过程产生环流、输出稳定的交流电。

在本发明中，需要说明的是，交流并机与直流并机不同，直流并机时，直流电压值稍有不同时，不会对输出产生影响和危害。但是，交流并机不同，需要考虑交流电源的电压幅值、相位、频率这些信息，当两个交流电源模块同时输出到总线上时，如果不同相位、频率、幅值的情况下，如图6所示，图6中，横坐标是时间(ms)，纵坐标是输出电压幅值(V)；查看垂直箭头的时间轴，两路交流电的电压幅值、频率，相位，均不相同，则两路电在并机过程中，会产生一个大的压差，瞬间会产生一个大的电流，从而烧毁交流电源模块上自带的(原有的)的逆变主电路和检测电路；如果，这两路电的频率相同，但是幅值、相位稍有一点差异(差异不大的情况)会产生稍许环流，而造成输出电流紊乱，电压波形受电流波形的影响。可能会有畸变。

需要说明的是，对于本发明，可以解决多台交流电源模块在并机后产生的环流问题和在并机过程中，当其中某个交流电源模块故障而影响其他交流电源模块供电的问题。其中需要说明的是，鉴于交流电源模块是由电子电路组成，受环境和使用年限的影响，存在失效或者出现故障的风险。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。