CN110752580B - 一种用于海底观测网的接驳盒供电***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于海底观测网的接驳盒供电***及方法，为海底观测网接驳盒内部的控制设备以及挂接在接驳盒外部的测量仪器提供并分配所需电能。包括控制器、电源转换电路、储能电池组、电源分配电路、检测及保护电路。控制器负责整个供电***的运行控制以及状态监视；电源转换电路能将高压电转换为低压电，供用电设备直接使用；储能电池组可以在没有外部电能输入的情况下自动为接驳盒的用电设备提供电能，维持***运行；电源分配、检测以及保护电路能够对接驳盒上的用电设备进行控制，实时检测各回路的用电状态，并提供硬件和软件方面的保护措施，在出现过流、短路等故障时能够准确的判断故障原因并及时做出响应，确保接驳盒上设备的用电安全。

Description

一种用于海底观测网的接驳盒供电***及方法
技术领域
本发明涉及海底观测设备的供电，具体的说是一种用于海底观测网的接驳盒供电***及方法。
背景技术
随着对海洋探索和利用需求的不断增加，海洋观测的方式也日益增加，观测范围也由海面延伸至海底。海底观测网就是一种用于深海，可以长时间、实时、连续进行原位观测的海洋装备。如果把地面与海面看作地球科学的第一个观测平台，把空中的遥测遥感看作第二个观测平台，那么在海底建立的观测***，则是第三个观测平台。
海底观测网的本质就是一个海底实验室，其主要由陆地上的岸基站，海底的接驳盒组成并通过光电复合缆相连接。接驳盒可以根据工作地点以及作用的不同来搭载不同的测量仪器设备。一个典型的海底观测网结构如图1所示。岸基站主要负责为整个网络提供电能，同时岸基站控制计算机与水下网络设备及控制器保持通信联系，能够进行控制指令的发布以及数据的实时采集和存储。接驳盒是***中的重要观测节点，按照在网络中所处位置和功能的不同分为主接驳盒和次接驳盒。主接驳盒与主干光电复合缆相连接，是水下部分网络的控制中枢。主接驳盒可以输出的功率较大，输出电压较高，能够级联其他接驳盒。次接驳盒通常位于观测网的支干上，其上可以搭载多种测量器设备，用于特定地点的水文参数测量。次接驳盒能够为设备提供不同的供电以及通信的接口，将设备采集的信息回传至岸基站。
由于接驳盒工作在海底并且负责控制着大量的用电设备，因此其内部的供电***首先要具备很强的可靠性，保证仪器设备可以长时间连续的进行工作，其次要能够实时的检测所有关键部位的电压、电流状态，再次具备完善的硬件及软件的保护措施，针对不同故障准确响应，确保供电***以及整个接驳盒***的用电安全。
发明内容
针对海底观测网接驳盒控制、通信以及外部探测设备的供配电需求，本发明提供一种用于海底观测网的接驳盒供电***，提供多种电压输出，保障在供电线路发生故障时快速启动硬件及软件保护程序，切断故障环节，确保供电***的安全性。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于海底观测网的接驳盒供电***，包括控制器、电源转换电路、储能电池组电路、电源分配电路、电源检测及保护电路；
所述储能电池组电路，连接外部高压电源、电源转换电路、高压电源分配电路，将内部存储的高压电源提供给电源转换电路或高压电源分配电路；
所述电源转换电路，连接外部高压电源、多个低压电源分配电路，将外部高压电转换为不同的低压电输出给多个低压电源分配电路；
所述电源分配电路，包括多个高压、低压电源分配电路，连接水下用电设备，通过内部继电器控制该高压或低压电源分配电路的通断；所述高压电源分配电路还直接连接外部高压电源，将外部高压电源提供给用电设备。
所述电源检测及保护电路，设置在各电源分配电路上且连接控制器，检测各电源分配电路的电流信号和接收控制器的控制信号并经过内部比较器比较，输出开断驱动信号给各电源分配电路的继电器；
控制器，连接电源检测及保护电路、用电设备、岸基站的上位机，接收上位机指令、控制各个电源分配电路的通断，以及与用电设备进行通信。
所述储能电池组电路为多个铅酸电池组串联得到。
所述储能电池组电路的充、放电接口处设置二极管。
所述电源转换电路内部为AC/DC电源模块，将外部375V高压电源降压至12V、24V、48V。
所述各个电源分配电路输入端均设置用于阻断反向电压的二极管。
所述电源检测及保护电路，包括：
电流信号的反馈电压值经过电阻R1连接第一运算放大器U1A的正向输入端，正向输入端与地之间并联有电阻R2和电容C1，反向输入端连接输出端，第一运算放大器U1A的输出信号经电阻R3连接第一比较器U2A反向输入端，与第一比较器U2A正向输入端的参考信号1进行比较后输出第一比较信号；第一比较器U2A反向输入端经二极管D1连接15V电源，经二极管D2和电容C4并联后接地；
控制器的控制信号的反馈电压值经过电阻R4连接第二运算放大器U1B的正向输入端，正向输入端与地之间并联有电阻R5和电容C5，反向输入端连接输出端，第二运算放大器U1B的输出信号经电阻R6连接第二比较器U2B正向输入端，与第二比较器U2B反向输入端的参考信号2进行比较后输出第二比较信号；第二比较器U2B正向输入端经二极管D7连接15V电源，经二极管D8和电容C6并联后接地；
第一比较器U2A、第二比较器U2B输出端均经过电阻R7连接15V电源；当第一比较信号、第二比较信号均为高电压时，输出开断驱动信号给各电源分配电路的继电器。
所述控制器采用单片机芯片或数字信号处理器；控制器内部包括处理器和与其分别连接的模数转换模块、数字量输出模块、输入捕捉模块、定时计数模块、串行外设接口、CAN总线；所述模数转换模块通过电源检测及保护电路采集各电源分配电路的电流信号给处理器，用于实时检测各个电源分配电路的工作状态；所述数字量输出模块输出控制信号给电源检测及保护电路，从而控制各电源分配电路的继电器的通断；所述输入捕捉模块用于采集短路故障的电平信号给处理器；所述定时计数模块用于电源分配电路的过流故障计时；所述串行外设接口连接岸基站上位机和用电设备，所述CAN总线连接用电设备，实现处理器与岸基站上位机和用电设备之间的通信。
一种用于海底观测网的接驳盒供电方法，包括以下步骤：
控制器通过电源检测及保护电路实时采集各个电源分配电路的电流信号，判断是否出现短路故障；
若是，则输出关断控制信号给相应的电源分配电路的继电器关断当前供电回路；否则，根据采集的电流信号判断是否出现过流故障；
若判断为短时过流，计数清零；否则，通过定时计数模块器累加计数达到阈值时，输出关断控制信号给相应的电源分配电路的继电器关断当前供电回路，实现短路和过流故障保护。
所述控制器通过电源检测及保护电路实时采集各个电源分配电路的电流信号，判断是否出现短路故障为：电源检测及保护电路实时采集各个电源分配电路的电流信号，控制器的输入捕捉模块将电流信号转变为电平信号给处理器，处理器判断是否出现短路故障。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明可提供12V，24V，48V的电压输出，可以为不同工作电压的设备提供电能接口。
2.本发明可以在供电线路发生故障时快速启动硬件及软件保护程序，切断故障环节，确保供电***的安全性。
3.本发明包含储能电池组，在接驳盒无法从岸基获取能源的情况下，供电***仍可以维持用电设备正常工作。
4.本发明所包含的元件及电路体积较小，适合在空间上有特殊要求的情况下使用，连接使用方便，可靠。
附图说明
图1为典型的海底观测网结构图；
图2为本发明***构成原理图；
图3为本发明储能电池组电路连接示意图；
图4为本发明的电源转换电路图；
图5为本发明所采用的检测及保护电路原理图；
图6为本发明所采用的软件保护流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，接驳盒供电***可以为海底观测网接驳盒内部的通信及控制设备和挂接在接驳盒外部的测量仪器提供所需电能。
如图2所示，接驳盒供电***包括控制器、电源转换电路、储能电池组、电源分配电路、电源检测电路和保护电路。控制器负责整个供电***的运行控制以及状态监视；电源转换电路能将高压电转换为低压电，供用电设备直接使用；储能电池组可以在没有外部电能输入的情况下自动为接驳盒的用电设备提供电能，维持***运行；分配、检测以及保护电路能够对接驳盒上的用电设备进行控制，实时检测各回路的用电状态，并提供硬件和软件方面的保护措施，在出现过流、短路、过欠压等故障时能够准确的判断故障原因并及时做出响应，确保接驳盒上设备的用电安全。
控制器采用的是以dsPIC33FJ128MC706芯片为核心的最小控制***，将单片机的控制特点和数字信号处理器的运算能力高度的进行了结合，为高精度控制提供了保证。控制器具有16位数据的运算精度，最快可以以40MHz的速度执行指令，集成了128kb闪存程序存储器，16kb的RAM，其中包含2kb的DMA RAM。除此之外，控制器具有数字信号处理器DSP的引擎，含有两个40位的累加器，支持除法运算，含有多种数据寻址方式。具有灵活迅速的中断处理能力。允许数据在外设和专用的DMA RAM之间进行无CPU参与的传输。控制器包含了多个外设模块，为***硬件电路的简化提供了保证。其中包括定时计数、输入捕捉、数字量输出、串行外设接口、CAN总线、模数转换等功能，能够很好的满足控制资源的需求。控制器的数字量输出连接电源检测及保护电路，输出控制信号经电源检测及保护电路至各个继电器的线圈端，从而控制各路的开关状态；控制器的模数转换接口连接检测保护电路，采集相应电路的电流反馈信号，用于实时检测线路的工作状态。所述输入捕捉用于采集短路故障的电平信号给处理器；所述定时计数用于电源分配电路的过流故障计时；所述串行外设接口连接岸基站上位机和用电设备，所述CAN总线连接用电设备，实现处理器与岸基站上位机和用电设备之间的通信。
电源转换电路的前端输入与外部电源和储能电池组相连，后端输出与用电设备相连，它可以将输入的375V直流电转换为不同的低压进行输出，供设备使用。输出的电压包括12V直流，24V直流和48V直流。12V电源回路可以提供300W功率，最大输出电流为25A；24V电源回路可以提供300W功率，最大输出电流为12.5A；48V电源回路可以提供300W功率，最大输出电流为6.25A。如图4所示，输入端分别经过第一电感L1(3mH)、第二电感L2(3mH)连接AC/DC电源模块的输入端，第一电感L1、第二电感L2的两端分别连接有第一电容C1(0.01uF)和第二电容C2(330uF/450V)，AC/DC电源模块输出端正负极之间并联有第三电容C3(1uF)和第四电容C4(470uF/50V)。
储能电池组可以在没有外部供电的情况下为接驳盒内的设备提供电能。其内部组成如图3所示。电池组由铅酸电池组成，单节铅酸电池的输出电压为12V，容量为21Ah。电池串联个数为32个，总额定输出电压为384V。电池组对外提供充电和放电接口，并在T1处通过双二极管模块隔离充放电过程。在电池组输出的负端接有熔断器，防止短路故障对***造成的损坏。
电源分配电路由继电器和相应的二极管元件组成，如图2中所示，S1继电器负责储能电池组的充电状态控制；S2继电器负责储能电池与电源转换电路之间的供电关系；S3继电器用于存在外部供电时375V的对外输出控制；S4继电器用于使用储能电池组对外提供375V电源时的通断控制；S5继电器用于12V设备的通断电控制；S6继电器用于24V设备的通断电控制；S7继电器用于48V设备的通断电控制。线路中的二级管(D1～D4)用于阻断各处可能出现的反向电压。
电源检测及保护电路位于各个供电接口的前端，用于测量回路中的电压电流状态，并且在出现异常时，停止回路的供电，检测及保护电路的构成原理如图5所示，电路会同时采集控制信号和线路中的电流反馈信号。采用运算放大器调整信号的电压范围，再通过比较器，将调整后的信号与基准电压进行比较，只有当两路信号同时满足要求时，驱动信号才会输出，闭合继电器。具体为：电流信号的反馈电压值经过电阻R1和R2分压后输入到第一运算放大器U1A的正向输入端，通过连接第一运算放大器U1A的反向输入端和输出端使输出端与输入端保持电压相同，但此时信号具有更强的驱动能力。第一运算放大器U1A输出信号通过电阻R3后传输到第一比较器U2A的反向输入端与正向输入端的参考信号1进行比较，当第一运算放大器U1A输出信号电压小于参考信号1时，则认为被测量电流值在正常工作范围内，第一比较器U2A则输出高电压。同理，控制信号也经过类似的调制，区别在于第二运算放大器U1B输出的信号传输到第二比较器U2B的正向输入端，然后与反向输入端的参考信号2进行比较，当第二运算放大器U1B的输出信号高于参考信号2时，第二比较器U2B才输出高电压。因此只有当两个比较器同时输出高电压时，驱动信号才能变为高电压，进而驱动后端的继电器工作。所述第一运算放大器U1A、二运算放大器U1B采用的型号为TL084，所述第一比较器U2A、二比较器U2B采用的型号为LM239。二极管D1、D2、D3、D4的作为为将信号的电压范围控制在0至15V之间。元器件取值为电阻R1、R2、R4、R5为10k欧姆，R3、R6为150欧姆。电容C1、C5为68皮法，C2、C3为0.1微法，C4、C6为1000皮法。
如图6所示，控制器中运行的程序对供电***在出现短路和过流故障时可以提供软件保护。控制器会实时的采集电流传感器反馈的当前线路中的电流情况，当检测到短路故障时，***立即切断供电回路；当检测到过流故障时，***会进行故障计数，如果在规定时间内恢复正常，则判定为短时过流，计数清零，否则认为出现较长时间过流现象，***工作异常，切断供电回路，准备进行排查。

Claims (6)

1.一种用于海底观测网的接驳盒供电***，其特征在于，包括控制器、电源转换电路、储能电池组电路、电源分配电路、电源检测及保护电路；
所述储能电池组电路，连接外部高压电源、电源转换电路、高压电源分配电路，将内部存储的高压电源提供给电源转换电路或高压电源分配电路；
所述电源转换电路，连接外部高压电源、多个低压电源分配电路，将外部高压电转换为不同的低压电输出给多个低压电源分配电路；
所述电源分配电路，包括高压、低压电源分配电路，连接水下用电设备，通过内部继电器控制该高压或低压电源分配电路的通断；所述高压电源分配电路还直接连接外部高压电源，将外部高压电源提供给用电设备；
所述电源检测及保护电路，设置在各电源分配电路上且连接控制器，检测各电源分配电路的电流信号和接收控制器的控制信号并经过内部比较器比较，输出开断驱动信号给各电源分配电路的继电器；所述电源检测及保护电路，包括：
电流信号的反馈电压值经过电阻R1连接第一运算放大器U1A的正向输入端，正向输入端与地之间并联有电阻R2和电容C1，反向输入端连接输出端，第一运算放大器U1A的输出信号经电阻R3连接第一比较器U2A反向输入端，与第一比较器U2A正向输入端的参考信号1进行比较后输出第一比较信号；第一比较器U2A反向输入端经二极管D1连接15V电源，经二极管D2和电容C4并联后接地；
控制器的控制信号的反馈电压值经过电阻R4连接第二运算放大器U1B的正向输入端，正向输入端与地之间并联有电阻R5和电容C5，反向输入端连接输出端，第二运算放大器U1B的输出信号经电阻R6连接第二比较器U2B正向输入端，与第二比较器U2B反向输入端的参考信号2进行比较后输出第二比较信号；第二比较器U2B正向输入端经二极管D7连接15V电源，经二极管D8和电容C6并联后接地；
第一比较器U2A、第二比较器U2B输出端均经过电阻R7连接15V电源；当第一比较信号、第二比较信号均为高电压时，输出开断驱动信号给各电源分配电路的继电器；
控制器，连接电源检测及保护电路、用电设备、岸基站的上位机，接收上位机指令、控制各个电源分配电路的通断，以及与用电设备进行通信。
2.按照权利要求1所述一种用于海底观测网的接驳盒供电***，其特征在于，所述储能电池组电路为多个铅酸电池组串联得到。
3.按照权利要求2所述一种用于海底观测网的接驳盒供电***，其特征在于，所述储能电池组电路的充、放电接口处设置二极管。
4.按照权利要求1所述一种用于海底观测网的接驳盒供电***，其特征在于，所述电源转换电路内部为DC/DC电源模块，将外部375V高压电源降压至12V、24V、48V。
5.按照权利要求1所述一种用于海底观测网的接驳盒供电***，其特征在于，所述各个电源分配电路输入端均设置用于阻断反向电压的二极管。
6.按照权利要求1所述一种用于海底观测网的接驳盒供电***，其特征在于，所述控制器采用单片机芯片或数字信号处理器；控制器内部包括处理器和与其分别连接的模数转换模块、数字量输出模块、输入捕捉模块、定时计数模块、串行外设接口、CAN总线；所述模数转换模块通过电源检测及保护电路采集各电源分配电路的电流信号给处理器，用于实时检测各个电源分配电路的工作状态；所述数字量输出模块输出控制信号给电源检测及保护电路，从而控制各电源分配电路的继电器的通断；所述输入捕捉模块用于采集短路故障的电平信号给处理器；所述定时计数模块用于电源分配电路的过流故障计时；所述串行外设接口连接岸基站上位机和用电设备，所述CAN总线连接用电设备，实现处理器与岸基站上位机和用电设备之间的通信。
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