一种集中监控的多子系统组成的N+M冗余UPS系统的制作方法

本发明属于应急供电电源技术领域，具体涉及一种集中监控的多子系统组成的n+m冗余ups系统。

背景技术：

众所周知作为应急供电电源的ups被广泛应用于各行业部门，为关键负载提供了电源保障，其工作稳定性、安全性极其重要。而由于用户在使用过程中存在对ups供电系统的管理不当、维护不到位或蓄电池老化、容量配置不合适等问题，容易造成ups供电系统线路短路、蓄电池击穿等故障，甚至导致火灾的发生，造成安全事故和重大损失。

国家专利局公布了申请号201510149311.9《不间断电源的远程维护装置》其在背景技术中记载了“[0003]ups工作状态需要靠厂站值班员定期巡视变电站设备获得。然而随着电网发展，变电站数量增加，导致人工巡视周期延长。一旦ups蓄电池发生故障，仅靠人工巡视很难及时发现，这会影响变电站内rtu的安全运行。而且在ups的使用过程中，每年至少需要对蓄电池进行一次充放电维护工作，人工进行充放电维护工作耗费人力物力。”为了解决上述问题，提出了《不间断电源的远程维护装置》，该技术方案只监测蓄电池组串端电压，不能监测每一个蓄电池的健康与工作状况，而且蓄电池维护的充放电也只是调节电力路径，无法利用ups本身的充放电控制电路，不能实现合理的充放电过程，因此不能有效解决所需解决的问题。

国家专利局公布了申请号：201510115561.0《不间断电源蓄电池充电电压的监控装置》其在说明书的背景技术及

技术实现要素：
中记载了“[0003]然而，当前的ups充电器在向蓄电池充电时可能存在充电电压过高或过低的情况，造成 ups蓄电池的电池容电功能衰退，使用寿命缩短，蓄电池极板损坏的问题。[0004]本发明的实施例提供一种不间断电源蓄电池充电电压的监控装置，以解决当前的ups充电器在向蓄电池充电时可能存在充电电压过高或过低的情况，造成ups蓄电池的电池容电功能衰退，使用寿命缩短，蓄电池极板损坏的问题。”其技术方案只监测蓄电池组串端电压，不能监测每一个蓄电池的健康与工作状况，如果每一个蓄电池都要监测那就需要采用其技术方案对每一个蓄电池都安装监控装置，这显然是不可行的；另外此方案即便是对每一个蓄电池都安装一个监控装置，由于其只比较端电压的电压值忽视了温度和使用环境对蓄电池的影响，使其监测效果大打折扣。

国家专利局还公布了申请号：200710100691.2《嵌套式冗余不间断电源装置及方法》其在说明书的背景技术及发明内容中记载了“[0004]多种不同的技术已被用于改善不间断电源系统的可靠性。这些技术包括备用冗余、串联冗余以及并联冗余方法。典型的备用冗余ups结构包括运行在备用基础上的、不带负载或只带部分负载的、一个或一个以上的ups单元，其能够通过负载的转接来立即代替故障ups单元工作。典型的串联冗余布置包含以串联方式连接的第一和第二ups，其中，在第一运行模式下，第一ups被旁路而第二ups用于带负载，在第二运行模式下，第二ups被旁路而第一ups用于带负载，这样，第一和第二ups可相互作为对方的备用后备(standbybackup)。[0005]在典型的并联冗余布置中，多个不间断电源(ups)被并联耦合到负载，以便提供冗余以及通常提供增加的负载容量。ac电源(例如ups)的并联冗余布置已在例如tassitino，jr.等人的美国专利no.5,745,357，tassitino，jr.等人的美国专利no.6,549,440，luo等人的美国专利no.6,803,679，wallace等人的美国专利no.6,118,680，hase的美国专利no.4,104,539，wang等人的美国专利公开 no.2005/0162792，以及luo等人的美国专利公开no.2005/0073783中进行了描述。”其发明内容是根据负荷大小有选择地启用和停用冗余组中的ups，控制多个ups单元之间的互为备用的数量；作为备用ups单元也仅是备用而已，运行与备用均没有考虑蓄电池的状况、也没有对蓄电池考虑进行必要的维护性充放电。

众所周知，ups的安全性、可靠性决定于ups系统的健康状态，而ups系统的健康状态取决于蓄电池的健康状态，(在ups备用运行时，电路出现故障问题，会立即检测出来并报警维护)，而蓄电池的状况则很少有效得以检测，其安全性令人堪忧。目前ups广泛应用的铅酸蓄电池，影响其安全性的因素很多，情况也比较复杂，归纳一下至少有如下几个方面的重要因素：

1)ups采用的蓄电池大多为储能型蓄电池，其充放电功率受到产品设计和采用材料及工艺的限制，产品性能和出厂时建议使用均为温度25℃时充放电电流为0.1c；一般还建议0.3c时连续工作＜5分钟；目前大部分用户ups系统配置的蓄电池≤2小时，满负荷运行时达到0.5c，50％负荷运行时也≥0.25c；这严重影响蓄电池的健康及存在安全隐患；特别是蓄电池内阻不一致或部分老化时，极易发生事故严重时会发生火灾；

2)通常ups的蓄电池长期处于浮充备用状态，极板结晶导致容量下降，需要在一定的时间内对蓄电池进行大电流充放电以达到融化晶体激活其中的化学物质。

3)诸多的蓄电池中，由于出厂时就存在一定的差异，在逐渐的老化过程中差异也逐渐加大，而目前的ups系统对蓄电池的监控主要依据就是端电压，在蓄电池组串的端电压正常时可能已经造成个别蓄电池过充或欠充，极易造成个别蓄电池提前失效而引起事故的发生。

4)蓄电池需要周期性维护，每年至少进行一两次维护性充放电和蓄电池逐个检测，目前基本上是人工进行，费时费力、易于疏漏并且此过程需要一定的时间影响ups系统的设计与运行能力。

5)为了改善不间断电源系统ups的可靠性，现有技术通常采用n+m冗余ups系统，即增加一个以上的冗余ups单元，使其相互作为对方的备用后备单元系统，再一个ups故障时备用后备的ups单元进行替换；但是均缺少对蓄电池进行在线维护，不能克服上述蓄电池使用过程中的相关问题。

发明内容

为了解决上述问题，克服现有技术的不足，本发明提出一种集中监控的多子系统组成的n+m冗余ups系统，包括：集中式系统控制器、蓄电池集中监控器、单元a子系统充放电控制模块、集中式系统显示及操控面板、单元a子系统整流电路模块、单元a子系统逆变电路模块、单元a子系统蓄电池组串、单元a子系统旁路a开关模块、单元b子系统充放电控制模块、单元b子系统整流电路模块、单元b子系统逆变电路模块、单元b子系统蓄电池组串、单元b子系统旁路b开关模块、多电源输入控制开关模块、用户负载、主输入电源、副输入电源、集中式系统远程通信接口、a多单元子系统源极并接端子、a多单元子系统末极并接端子、b多单元子系统源极并接端子、b多单元子系统末极并接端子、a单元控制器、b单元控制器、a单元监控总线、b单元监控总线、蓄电池监控总线、多系统集中监控总线；

由单元a子系统充放电控制模块、a单元控制器、单元a子系统整流电路模块、单元a子系统逆变电路模块、单元a子系统蓄电池组串、单元a子系统旁路a开关模块、a多单元子系统源极并接端子、a多单元子系统末极并接端子、a单元监控总线组成独立运行的不间断电源单元a子系统；

由单元b子系统充放电控制模块、b单元控制器、单元b子系统整流电路模块、单元b子系统逆变电路模块、单元b子系统蓄电池组串、单元b子系统旁路b开关模块、b多单元子系统源极并接端子、b多单元子系统末极并接端子、b单元监控总线组成独立运行的不间断电源单元b子系统；

主输入电源和副输入电源分别通过多电源输入控制开关模块顺次连接a多单元子系统源极并接端子、单元a子系统整流电路模块、单元a子系统逆变电路模块、a多单元子系统末极并接端子及用户负载，构成主输入电源或副输入电源为用户负载供电的a电力路径；

主输入电源和副输入电源分别通过多电源输入控制开关模块顺次连接a多单元子系统源极并接端子、单元a子系统整流电路模块、单元a子系统充放电控制模块及单元a子系统蓄电池组串，构成主输入电源或副输入电源为单元a子系统蓄电池组串供电的a充电电力路径；

单元a子系统蓄电池组串顺次连接单元a子系统充放电控制模块、单元a子系统逆变电路模块、a多单元子系统末极并接端子及用户负载，构成单元a子系统蓄电池组串为用户负载应急供电的蓄电池电力a供电路径；

主输入电源和副输入电源分别通过多电源输入控制开关模块顺次连接a多单元子系统源极并接端子、单元a子系统旁路a开关模块、a多单元子系统末极并接端子及用户负载，构成主输入电源或副输入电源为用户负载旁路a供电的电力路径；

主输入电源和副输入电源分别通过多电源输入控制开关模块顺次连接b多单元子系统源极并接端子、单元b子系统整流电路模块、单元b子系统逆变电路模块、b多单元子系统末极并接端子及用户负载，构成主输入电源或副输入电源为用户负载供电的b电力路径；

主输入电源和副输入电源分别通过多电源输入控制开关模块顺次连接b多单元子系统源极并接端子、单元b子系统整流电路模块、单元b子系统充放电控制模块及单元b子系统蓄电池组串，构成主输入电源或副输入电源为单元b子系统蓄电池组串供电的b充电电力路径；

单元b子系统蓄电池组串顺次连接单元b子系统充放电控制模块、单元b子系统逆变电路模块、b多单元子系统末极并接端子及用户负载，构成单元b子系统蓄电池组串为用户负载应急供电的蓄电池电力b供电路径；

主输入电源和副输入电源分别通过多电源输入控制开关模块顺次连接b多单元子系统源极并接端子、单元b子系统旁路b开关模块、b多单元子系统末极并接端子及用户负载，构成主输入电源或副输入电源为用户负载旁路b供电的电力路径；

a单元控制器通过a单元监控总线分别连接单元a子系统充放电控制模块、单元a子系统整流电路模块、单元a子系统逆变电路模块、单元a子系统旁路a开关模块、a多单元子系统源极并接端子、a多单元子系统末极并接端子，构成单元a子系统监控链路；

b单元控制器通过b单元监控总线分别连接单元b子系统充放电控制模块、单元b子系统整流电路模块、单元b子系统逆变电路模块、单元b子系统旁路b开关模块、b多单元子系统源极并接端子、b多单元子系统末极并接端子，构成单元b子系统监控链路；

集中式系统控制器分别连接蓄电池集中监控器、集中式显示及操控面板及集中式系统远程通信接口，构成多单元子系统的n+m冗余ups系统集中能量管理就地监控和远程监控电路；

集中式系统控制器通过多系统集中监控总线分别连接a单元控制器和b 单元控制器，多单元系统集中监控链路；

蓄电池集中监控器的信号采集传感器分别连接单元a子系统蓄电池组串和单元b子系统蓄电池组串中的每一个蓄电池，构成单体蓄电池状态信号采集链路；

其系统控制的特征是：由a子系统和b子系统构成的多单元子系统组成的n+m冗余ups系统，其中n为整数，整数m为1至n中的一个整数：多个单元子系统各自独立受控运行，各自独立运行的单元子系统均受控于一个集中式系统控制器；集中式系统控制器根据程序预置参数或通过集中式显示及操控面板及集中式系统远程通信接口设定的参数和策略，监测分析多个单元子系统的能量与负载运行功率参数以及监测分析蓄电池集中监控器采集的蓄电池状态信号并据此判断生成调控指令，即：

1)按监测分析数据和设定时段选择并对单元a子系统蓄电池组串和单元b子系统蓄电池组串中的一组需要进行维护的蓄电池组主动进行维护性充放电控制，另外一组为在线不间供电断值班运行；

2)对单元a子系统蓄电池组串和单元b子系统蓄电池组串中的每一个蓄电池的状态信号进行分析处理，对性能落后的蓄电池提示位置信息和报警信息；

3)监测分析发现存在运行风险的异常单元子系统的电路模块时发出隔离断开异常单元子系统的指令，通过a单元控制器控制a多单元子系统源极并接端子、a多单元子系统末极并接端子或通过b单元控制器控制b多单元子系统源极并接端子、b多单元子系统末极并接端子隔离断开异常单元子系统以及报警提示人工处理；

4)监测分析发现存在运行风险的异常蓄电池组串时发出隔离断开异常 蓄电池组串的指令，并通过蓄电池集中监控器的i/o驱动电路控制直流电力保护电路隔离断开异常蓄电池组串以及报警提示人工处理。

根据上述一种集中控制的多子系统组成的n+m冗余ups系统，所述蓄电池集中监控器由嵌入式单片计算机、固化软件系统、数据存储器、时钟电路、电源电路、直流电力保护电路、i/o驱动电路、模数转换电路、通信接口电路、总线、信号采集传感器、报警电路组成，并且嵌入式单片计算机通过总线分别连接固化软件系统、数据存储器、时钟电路、电源电路、直流电力保护电路、i/o驱动电路、模数转换电路、通信接口电路，构成蓄电池集中监控器主控电路模块；由i/o驱动电路分别连接直流电力保护电路、模数转换电路以及信号采集传感器和报警电路，构成蓄电池状态信号采集与直流电力保护监控链路。

本发明一种集中控制的多子系统组成的n+m冗余ups系统，针对至少两组ups子系统构成的多单元模块ups系统或n+n或n+b(b为1至n的整数)冗余应急供电系统，对单元子系统的蓄电池组串轮流进行维护性充放电，同时由蓄电池监控器监测蓄电池组串中每一个蓄电池的状态信息，通过系统控制器根据程序预置参数或通过显示及操控面板及系统远程通信接口设定的参数和策略，监测分析蓄电池监控器采集的蓄电池状态信号判断生成调控指令，实现了自动监测分析、自动进行维护、自动调整充放电功率、自动提示落后蓄电池的位置，确保了蓄电池组串的健康运行，大大提高蓄电池组串的可用性和安全性，有利于延长蓄电池的寿命；从而极大地提高了ups系统的安全性、可靠性以及时效性。

附图说明

图1为一种集中监控的多子系统组成的n+m冗余ups系统的原理框图。

图2为蓄电池监控器的原理框图。

具体实施方式

作为实施例子，结合附图对一种集中监控的多子系统组成的n+m冗余ups系统给予说明，但是，本发明的技术与方案不限于本实施例子给出的说明内容。

附图1给出了一种集中监控的多子系统组成的n+m冗余ups系统，包括：集中式系统控制器(1)、蓄电池集中监控器(2)、单元a子系统充放电控制模块(3a)、集中式系统显示及操控面板(4)、单元a子系统整流电路模块(5a)、单元a子系统逆变电路模块(6a)、单元a子系统蓄电池组串(7a)、单元a子系统旁路a开关模块(8a)、单元b子系统充放电控制模块(3b)、单元b子系统整流电路模块(5b)、单元b子系统逆变电路模块(6b)、单元b子系统蓄电池组串(7b)、单元b子系统旁路b开关模块(8b)、多电源输入控制开关模块(9)、用户负载(10)、主输入电源(11)、副输入电源(12)、集中式系统远程通信接口(13)、a多单元子系统源极并接端子(14a1)、a多单元子系统末极并接端子(14a2)、b多单元子系统源极并接端子(14b1)、b多单元子系统末极并接端子(14b2)、a单元控制器(15a)、b单元控制器(15b)、a单元监控总线(16a)、b单元监控总线(16b)、蓄电池监控总线(17)、多系统集中监控总线(18)；

由单元a子系统充放电控制模块(3a)、a单元控制器(15a)、单元a子系统整流电路模块(5a)、单元a子系统逆变电路模块(6a)、单元a子系统蓄电池组串(7a)、单元a子系统旁路a开关模块(8a)、a多单元子系统源极并接端子(14a1)、a多单元子系统末极并接端子(14a2)、a单元监控总线(16a)组成独立运行的不间断电源单元a子系统；

由单元b子系统充放电控制模块(3b)、b单元控制器(15b)、单元b子系统整流电路模块(5b)、单元b子系统逆变电路模块(6b)、单元b子系统蓄电池组串(7b)、单元b子系统旁路b开关模块(8b)、b多单元子系统源极并接 端子(14b1)、b多单元子系统末极并接端子(14b2)、b单元监控总线(16b)组成独立运行的不间断电源单元b子系统；

主输入电源(11)和副输入电源(12)分别通过多电源输入控制开关模块(9)顺次连接a多单元子系统源极并接端子(14a1)、单元a子系统整流电路模块(5a)、单元a子系统逆变电路模块(6a)、a多单元子系统末极并接端子(14a2)及用户负载(10)，构成主输入电源(11)或副输入电源(12)为用户负载(10)供电的a电力路径；

主输入电源(11)和副输入电源(12)分别通过多电源输入控制开关模块(9)顺次连接a多单元子系统源极并接端子(14a1)、单元a子系统整流电路模块(5a)、单元a子系统充放电控制模块(3a)及单元a子系统蓄电池组串(7a)，构成主输入电源(11)或副输入电源(12)为单元a子系统蓄电池组串(7a)供电的a充电电力路径；

单元a子系统蓄电池组串(7a)顺次连接单元a子系统充放电控制模块(3a)、单元a子系统逆变电路模块(6a)、a多单元子系统末极并接端子(14a2)及用户负载(10)，构成单元a子系统蓄电池组串(7a)为用户负载(10)应急供电的蓄电池电力a供电路径；

主输入电源(11)和副输入电源(12)分别通过多电源输入控制开关模块(9)顺次连接a多单元子系统源极并接端子(14a1)、单元a子系统旁路a开关模块(8a)、a多单元子系统末极并接端子(14a2)及用户负载(10)，构成主输入电源(11)或副输入电源(12)为用户负载(10)旁路a供电的电力路径；

主输入电源(11)和副输入电源(12)分别通过多电源输入控制开关模块(9)顺次连接b多单元子系统源极并接端子(14b1)、单元b子系统整流电 路模块(5b)、单元b子系统逆变电路模块(6b)、b多单元子系统末极并接端子(14b2)及用户负载(10)，构成主输入电源(11)或副输入电源(12)为用户负载(10)供电的b电力路径；

主输入电源(11)和副输入电源(12)分别通过多电源输入控制开关模块(9)顺次连接b多单元子系统源极并接端子(14b1)、单元b子系统整流电路模块(5b)、单元b子系统充放电控制模块(3b)及单元b子系统蓄电池组串(7b)，构成主输入电源(11)或副输入电源(12)为单元b子系统蓄电池组串(7b)供电的b充电电力路径；

单元b子系统蓄电池组串(7b)顺次连接单元b子系统充放电控制模块(3b)、单元b子系统逆变电路模块(6b)、b多单元子系统末极并接端子(14b2)及用户负载(10)，构成单元b子系统蓄电池组串(7b)为用户负载(10)应急供电的蓄电池电力b供电路径；

主输入电源(11)和副输入电源(12)分别通过多电源输入控制开关模块(9)顺次连接b多单元子系统源极并接端子(14b1)、单元b子系统旁路b开关模块(8b)、b多单元子系统末极并接端子(14b2)及用户负载(10)，构成主输入电源(11)或副输入电源(12)为用户负载(10)旁路b供电的电力路径；

a单元控制器(15a)通过a单元监控总线(16a)分别连接单元a子系统充放电控制模块(3a)、单元a子系统整流电路模块(5a)、单元a子系统逆变电路模块(6a)、单元a子系统旁路a开关模块(8a)、a多单元子系统源极并接端子(14a1)、a多单元子系统末极并接端子(14a2)，构成单元a子系统监控链路；

b单元控制器(15b)通过b单元监控总线(16b)分别连接单元b子系 统充放电控制模块(3b)、单元b子系统整流电路模块(5b)、单元b子系统逆变电路模块(6b)、单元b子系统旁路b开关模块(8b)、b多单元子系统源极并接端子(14b1)、b多单元子系统末极并接端子(14b2)，构成单元b子系统监控链路；

集中式系统控制器(1)分别连接蓄电池集中监控器(2)、集中式显示及操控面板(4)及集中式系统远程通信接口(13)，构成多单元子系统的n+m冗余ups系统集中能量管理就地监控和远程监控电路；

集中式系统控制器(1)通过多系统集中监控总线(18)分别连接a单元控制器(15a)和b单元控制器(15b)，多单元系统集中监控链路；

蓄电池集中监控器(2)的信号采集传感器(211)分别连接单元a子系统蓄电池组串(7a)和单元b子系统蓄电池组串(7b)中的每一个蓄电池，构成单体蓄电池状态信号采集链路；

其系统控制的特征是：由a子系统和b子系统构成的多单元子系统组成的n+m冗余ups系统，其中n为整数，整数m为1至n中的一个整数；多个单元子系统各自独立受控运行，各自独立运行的单元子系统均受控于一个集中式系统控制器(1)；集中式系统控制器(1)根据程序预置参数或通过集中式显示及操控面板(4)及集中式系统远程通信接口(13)设定的参数和策略，监测分析多个单元子系统的能量与负载运行功率参数以及监测分析蓄电池集中监控器(2)采集的蓄电池状态信号并据此判断生成调控指令，即：

1)按监测分析数据和设定时段选择并对单元a子系统蓄电池组串(7a)和单元b子系统蓄电池组串(7b)中的一组需要进行维护的蓄电池组主动进行维护性充放电控制，另外一组为在线不间断供电值班运行；

2)对单元a子系统蓄电池组串(7a)和单元b子系统蓄电池组串(7b) 中的每一个蓄电池的状态信号进行分析处理，对性能落后的蓄电池提示位置信息和报警信息；

3)监测分析发现存在运行风险的异常单元子系统的电路模块时发出隔离断开异常单元子系统的指令，通过a单元控制器(15a)控制a多单元子系统源极并接端子(14a1)、a多单元子系统末极并接端子(14a2)或通过b单元控制器(15b)控制b多单元子系统源极并接端子(14b1)、b多单元子系统末极并接端子(14b2)隔离断开异常单元子系统以及报警提示人工处理；

4)监测分析发现存在运行风险的异常蓄电池组串时发出隔离断开异常蓄电池组串的指令，并通过蓄电池集中监控器(2)的i/o驱动电路(27)控制直流电力保护电路(26)隔离断开异常蓄电池组串以及报警提示人工处理。

附图2所示，一种集中控制的多子系统组成的n+m冗余ups系统，所述蓄电池集中监控器(2)由嵌入式单片计算机(21)、固化软件系统(22)、数据存储器(23)、时钟电路(24)、电源电路(25)、直流电力保护电路(26)、i/o驱动电路(27)、模数转换电路(28)、通信接口电路(29)、总线(210)、信号采集传感器(211)、报警电路(212)组成，并且嵌入式单片计算机(21)通过总线(210)分别连接固化软件系统(22)、数据存储器(23)、时钟电路(24)、电源电路(25)、直流电力保护电路(26)、i/o驱动电路(27)、模数转换电路(28)、通信接口电路(29)，构成蓄电池集中监控器(2)主控电路模块；由i/o驱动电路(27)分别连接直流电力保护电路(26)、模数转换电路(28)以及信号采集传感器(211)和报警电路(212)，构成蓄电池状态信号采集与直流电力保护监控链路。