（电力电子与电力传动专业论文）基于网络线远程供电系统能量分配管理模块的设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep o et e c h n i q u ei sp u tf o r w a r do f f i c i a l l yb yi e e eb yd e f i n i n gac r i t e r i o n n a m e do f8 0 2 3 a fi nj u n e2 0 0 3 ，w h i c ha l l o wt r a n s m i t t i n gd i r e c tv o l t a g et h r o u g h c o m m u n i e a t i o nc a b l e s t h ei s s u eo fp o ec r i t e r i o nh e l p st or e a l i z et h em e t h o do f t r a n s m i t t i n ge l e c t r o n i cp o w e rv i ac o m m u n i c a t i o nc a b l e s ，w h i c hw i l ld r a m a t i c a l l y s i m p l i f y t h en e t w o r kf a c i l i t yc o n s t r u c t i o n , a n de x p a n dt h es c o p eo fn e t w o r k a p p l i c a t i o n a l t h o u g hs e v e r a lk i n d so fc h i p sb a s e do np o e t e c hc a m eo u tr e c e n ty e a r s ，m o s t o f t h e mc o u l d n tb a l a n c et h e m s e l v e sb e t w e e ni n t e l l i g e n ts u p e r v i s o r yp e r f o r m a n c ea n d w i d ep o w e rr a n g so f t h eo u t p u tp o r t sf o rp o w e r - s u p p l y a i m e da tt h ei n t e l l i g e n tm a n a g e m e n to fo n l i n ep o w e r - s u p p l y , t h et h e s i sb r i n g s f o r w a r dan e wd e s i g nf o ri n t e l l i g e n tp o w e rs u p e r v i s o r , h i g h l i g h t e di np o r t - p o w e r c o m p a t i b i l i t y , s m a r tp o w e rd i s t r i b u t i o na n ds a f e g u a r d t h ew h o l e t h e s i se x p a t i a t e so n t h ew h o l ed e s i g no f t h ep o w e r - d i s t r i b n t i o nm a n a g e r , w h i c hi n v o l v e si t sc o r ec o n t r o l l e r a sa t 8 9 c 51r d 2 ，s a m p l i n gm o d u l ef o rv o l t a g ea n dc u r r e n t ，s w i t c hc o n t r o l l i n g ，r s 4 8 5 r e m o t ec o m m u n i c a t i o na n dm a n m a c h i n el c d i n t e r f a c e t h ep r o g r a mp r o c e s s e s ， w h i c hs p e c i a l l yd e s i g n e df o rt h ep dd e v i c e si nr e m o t ep o w e r - s u p p l ys y s t e m ，a r ea l s o i l l u m i n a t e dv e r yc l e a r l y , i n c l u d i n gt h ea p p l i c a t i o no ff u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g yi n t o p o w e r - d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n t ，a sw e l l a sl c d - i n t e r f a c e ，s i g n a l sh i e r a r c h i c a l d e t e c t i o n ，s i g n a l sf i l t e r i n g ，c o m m u n i c a t i o n ，c o n t r o ls t r a t e g i e s a n d p r o g r a m o p t i m i z a t i o n t h ep r a c t i c a lm o d u l er e a l i z e dp r o v e st h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo f t h i sd e s i g n k e y w o r d sp o w e r o v e re t h e r n e t p o w e rs u p e r v i s o r f u z z yc o n t r o l 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的提出 现代生活中，许多网络电子设备诸如有线电视适配器、路由器、光端机、无 线机站、小灵通机站发射、实时监控设备等实时要求高的设备，需要有优质的不 间断供电电源提供电能，这些设备对电信网的可靠性要求是大于9 9 9 9 的，这 个标准要求每年由于通信网的原因致使用户不可用时间累计不能超过5 3 分钟。 然而即使是我国发达地区商业电网的可靠性也很难达到这个标准。在欧美等发达 国家，商业电网的可靠性也远比电信网差，机房外设备供电系统的可靠性也是这 些国家电信运营商面临的一个头疼问题“1 。可见在目前这种状况下，通信网络设 备尤其是机房外的供电不能只依靠商业电网。 随着信息和网络技术的发展，网络中i p 电话、网络视频监控等应用越来越 广泛，网络通讯设备也更加显著地朝着网络化、集成化、智能化的方向发展，通 过通讯网络线提供电力支持的要求交得愈加追切”。 2 0 0 3 年6 月i e e e 正式通过的8 0 2 3 a f 标准定义了一种允许通过网络线在传 输数据的同时输送直流电源的技术一以太网供电( p o e ，p o w e ro v e re t h e r n e t ) 技术。它允许网络电缆在传输数据的同时，输送直流电源为联网设备供电，只用 一组通讯电缆即可保证统一通畅的数据传送和电源输送，使功率设备不再需要交 流电源或电源适配嚣供电“。该标准将以太网网络连接引肉了一个全新的方肉， 即以l o 1 0 0 1 0 0 0 m b p s 数据速率一并输送d c 功率嘲。 p o e 技术在不改变现有网络架构的前提下，借助常规以太网布线提供电力供 应，从而显著简化了网络部署，减少了用户的布线负担，大大拓展了网络设备部 署与应用范围。特别在当前智能设备逐渐向网络边缘迁移的发展大趋势下，p o e 技术的出现也为联网通讯设备提供了一种获取电力供应的最为简单经济的途 径。 起先p o e 技术一般用于v o l p 电话、无线接入点和安全摄像机等简单网络设 备，随着p o e 技术的进步，创造新兴应用的呼声越来越高。近年来，以太网远程 供电技术在集中抄表、智能大厦、智能小区、计算机联网及i n t e r n e t 接入等领 域中已经被广泛接受“1 。 浙江大学硕士学位论文 1 2 相关技术背景 1 2 1 网络监控管理技术 p o e 技术改变了网络设备的供电方式，使网络管理员可以最大限度的利用现 有网络设施并部署新应用。随着通信领域中通信业务和网络技术的迅速发展，业 务提供者的竞争日益激烈，用户对新业务的需求也与日俱增，为适应这种趋势的 交化，必须建立起集中化、自动化和智能化的网络管理系统进行支撑。 1 2 1 1 网络管理的定义 网络管理是指对网络性能、品质进行实时监测和控制，实时调度和协调资源， 实现设计、计划和管理目标，并为分析、评估、设计和扩充通信网络提供资料、 数据和依据，达到以最合理的成本和最佳能力来满足服务的要求。 网络管理作为这样一个解决方案，目的是保证全网正常运行和充分提高每个 网元的利用率，不发生故障和拥塞，提高服务质量和安全性。网络管理与控制的 基本任务和基本过程可以分为进行网络状态检测、获取网络运行状态、分析网络 运行状态和实施对网络的控制等四个方面： l 、状态监测：通过状态监测，可以获得分析网络各种性能的原始数据。 2 、数据收集：要了解网络的状态，还需要将分散监测到的有用数据收集到 一起分析处理。 3 、状态分析：利用各种模型，根据收集到的监测数据对网络的状态进行分 析判断。 4 、状态控制：状态控制就是根据状态分析的结果对网络采取控制措施。 传统的电能分配、管理、监控装置多以非在线方式运行，监控数据具有海量 性和共享性的特点：供电系统的测控数据中隐含了影响设备或系统不能正常工作 的多种电能分配问题，这些数据都必须被及时检测和记录，整个监控模块所监测 的点也往往不只一个，监测的数据包括实时和历史数据“1 。因此，非在线的监控 方式已经不能满足现代电力系统对电网稳定性的要求，网络型模块化的智能在线 电能分配管理模块成为未来能量分配发展中的强烈需求。 1 2 1 2 网络管理基本功能 网络管理功能可以分为八大项，其中o s 管理框架将管理极其标准划分为5 个功能域：故障管理、配置管理、计费管理、性能管理和安全管理。1 。这里主要 2 浙江大学硕士学位论文 介绍一下故障管理、性能管理和安全管理。 故障管理保证网络资源的无障碍、无错误的运营状态，包括障碍管理、故障 恢复和预防保障。障碍管理的内容有告警、测试、诊断、业务恢复、故障设备更 换等。预防保障为网络提供自愈能力，在系统可靠性下降、业务经常受到影响的 准故障条件下实施。在网络的监测和测试中，故障管理参考配置管理的资源清单 来识别网络元素。如果维护状态发生变化，或者故障设备被替换，以及通过网络 重组迂回故障时，要与资源管理信息库( m i b ) 互通”3 。 性能管理是优化服务质量的需要。它定义了网络的动态评估方法，以便于检 验网络所保持的服务水平，确定实际的和潜在的网络性能瓶颈。根据网络的各项 运行指标的趋势，为制定和规划管理决策产生报告。性能管理还包括了为操作控 制建立和维护性能数据库和自动操作程序，随机或定时收集由统计数据产生的性 能日志。 性能管理保证有效地运营网络和提供约定的服务质量。在评价和报告网络资 源运用状态的同时，保证各种业务的峰值性能。与故障管理一样，性能管理在提 取它的监视结果和指挥网络控制信息时，依赖配置管理的资源清单。当发现网络 性能严重恶化时，性能管理要与故障管理互通”3 。 安全管理采用信息安全措施保护网络中的系统、数据以及业务。安全管理与 其他管理功能有着密切的关系。安全管理要调用配置管理中的系统服务对网络中 的安全设施进行控制和维护。网络发现安全方面的故障时，要向故障管理通报安 全故障事件，以便进行故障诊断和恢复。安全管理通过分析网络安全漏洞将网络 危险最小化，保证网络及其网络管理系统的可靠运行”1 。 1 2 1 3 在线管理的优点 首先，传统的单片机远程控制和网络实现一般都是采用串行口r s 2 3 2 ， r s 4 8 5 ，c a n 总线等，受通信距离和硬件连线很大的限制旧，而网络远程供电技术 通过标准以太局域网连接监控远端设备，监控方法变得简捷有效。 其次，将电源的管理任务交给系统管理员后，通过制定网络电源的相关政策 和优先级，远程监控电源的各类负荷运行情况，实现各路联网设备的越限报警， 消除系统故障运行的可能性”1 。既节省了管理和维护人员去终端p d 进行开关机 操作的时间和费用，提高了电源管理效率，又保证了设备正常的运转。 浙江大学硕士学位论文 再次，对联网设备配备系统监控模块能够智能地管理交换机中所有端口的供 电，达到对每个终端的细化供电控制、允许预留电量、更精确地分配电量、管理 电量过使用和划分电源优先级等”3 实际操作中的具体要求。 第四，监控系统的人机界面保证供配电系统出现异常时，系统管理员可以及 时了解到有关故障信息来指导维修，在最短的时间内诊断故障并解决问题，缩短 故障的处理时间。同时管理员还能通过查看设备的历史故障记录和运行数据，制 定临时或定期的设备维修计划，消除潜在的故障情况。 第五，相对于传统控制方法中普遍采用的一阶变量控制来说，采用将检测变 量的误差及误差变化作为输入量，将监控模块检测值及计算得到的误差量作为二 维控制器输入，根据负载工作情况的变化趋势修正并得出控制参数，以模拟人工 思维的方式实现电能的智能分配。1 。这种模糊控制方法的引进不失为一种更有效 的控制手段。 1 2 2 智能控制技术 2 0 世纪7 0 年代一来，人工智能的研究以其新颖丰富的思想以及强有力的问 题求解能力迅速渗透到各种领域中。自动控制与人工智能的结合产生了智能控 制，模糊控制是智能控制较早的形式，它吸取了人的思维具有模糊性的特点”1 。 传统控制理论通常是基于控制系统的线性数学模型来设计控制器，而大多数工业 被控对象使具有时变、非线性等特性的复杂系统，对这样的系统进行控制，不能 仅仅基于在平衡点附近的局部线性模型，而需要加入一些与工业状况有关的人类 控制经验，模糊推理控制正是这种控制经验的表示方法。 从广义上说，模糊逻辑控制指的是应用模糊集合理论，统筹考虑系统的一种 控制方式。模糊控制不需要精确的数字模型，是解决不确定性系统控制的一种有 效途径。这种控制方法的优点是不需要被控过程的数学模型，从而省去了传统控 制方法的建模过程，但同时过多的依赖控制经验“”。所以基于模型的现代控制与 基于控制经验的模糊控制很难形成统一的模式，发挥各自的优势。随着研究的深 入，越来越多的研究者在模糊控制模式中引入了模糊模型的概念，出现了模糊模 型，控制器就可以根据这个模型采用现代控制理论方法进行设计，将定量知识和 定性知识较好的融合在起”。 近年来，人们发现模式识别、聚类分析、信息融合等现代信息处理技术，也 浙江大学硕士学位论文 从不同角度模仿了人类处理信息的思维和行为，并将它们引入到智能监测控制系 统中，并取j 了很好的效果。随着研究的深入，把传统控制理论和模糊逻辑、神 经网络遗传算法等人工智能技术相结合，充分利用人类的控制知识对复杂系统 进行控制，逐渐形成了智能控制理论的雏形。 计算机在处理大量数据、图像信息、符号逻辑、模糊信息、知识和经验等方 面的应用中体现出强大的功能。计算机科学在工业控制中的应用问题已引起学术 界越来越广泛的重视与深入研究。其中最具代表性的是由i e e e 控制系统学会和 国际自动控制联合会( i f a c ) 理论委员会合作的“计算机科学面临工业控制应用 的挑战”的研究计划，其指出：开发大型的实时控制与信号处理系统是工程界面 临的最具挑战的任务之一，这涉及硬件、软件和智能( 尤其是算法) 的结合。3 。 同时自动控制理论也伴随着现代科学技术和计算机的飞速发展，伴随着控制 对象的复杂性和不确定性等因素，由经典控制理论和现代控制理论发展到第三代 控制理论一一智能控制理论。因此，智能检测控制系统可以认为是自动控制、人 工智能( 专家系统、模糊逻辑、神经网络) 、现代信息处理( 模式识别、聚类分 析、信息融合) 以及计算机、控制论等多门学科的集合和交叉“。 综合来说，智能控制系统具有以下基本特点： 1 ) 智能控制系统应能对复杂系统，如非线性、快时变、复杂多交量、环境 扰动等进行有效的全局控制，并具有较好的容错能力“； 2 ) 定性决策和定量控制相结合的多模态组合控制“； 3 ) 智能控制的基本目的是从系统的功能和整体优化的角度来分析和综合系 统，以实现预定的目标： 4 ) 同时具有以知识表示的非数字广义模型和以数学模型表示的混合控制过 程，人的知识在控制中起着重要的协调作用，系统在信息处理上，既有数字运算， 又有逻辑和知识推理能力一 ， 1 3p o e 技术介绍 要对设备进行远程鉴测和管理，通常采用专线网和公共网两种方式：专线网 通信时在监控中心与各现场设备之问铺设专用线缆，采用现场总线和局域网技术 实现，也就是说通讯线和供电线各自独立；公共网通信是借助程控交换网、以太 网等已存在的公共线路阀或局域网，采用调制解调技术实现在已有通讯网络上迸 浙江大学硕士学位论文 行电能传输。专线网具有传输速度快、信号质量好等优点，但网络的建设和维护 需要另行解决。而现有的公共网络资源，像局域网等，分布广泛、灵活，其可靠 性和通讯质量也在不断得到提高。因此，通过局域网远程监控技术能节约网络建 设和管理经费，具有很强的实用性。 1 3 1p o e 供电技术原理 基于近年来网络信息技术的飞速发展，通讯网络线传载低压电能逐渐应用于 住宅智能控制，家用电器远程遥控，布线困难的工业自动化控制系统等中，从而 实现了简化设备，集成化模块的目标。若能安全、可靠地将基于网络线的远程供 电技术引入现有的网络基础设施中，并且和原有的网络设备相兼容，n 4 , 型网络 设备可通过以太网连接供电而无需使用外部a c 电源插座，从而大大简化了网络 设备布线，降低了网络基础设旌的建设成本”1 。 在基于网络线传输电能的远程供电系统中，提供电源的设备被称为供电设备 p s e ( p o w e rs o u r c i n ge q u i p m e n t ) ，而使用电源的设备称为受电设备p d ( p o w e r e d d e v i c e ) 。p d 的功耗限制在1 2 9 5 w ，p s e 输出限制为每个r j 一4 5 端口1 5 4 w 。p s e 和p d 之间基于i e e e8 0 2 3 a f 标准建立有关p d 连接情况、设备类型、功耗级别 等方面的信息联系，并以此为根据控制p s e 通过以太网向p d 供电”1 。在通讯电 缆和物理层设备( p h y ) 变压器保持良好平衡的情况下每个p d 最多可以获取 3 5 0 m a 的连续电流。 p o e 链路或端口受控于p s e 后，后者对端口迸行供电和监视之前，还要经过 检测、分级来识别p d 嘲。由于p o e 大部分任务是由p s e 来承担的，它必须执彳亍检 测并准确无误地完成断接，以避免p d 设备受到损坏。如果p s e 在执行分级、功 率输送以及能量分配过程中执行不当，则有可能导致设备间歇式故障。所以应用 p o e 技术来实现同线供电时，对p d 的检测、电能的分级输出控制这个环节非常 重要。 p s e 负责将电源注入以太网线，并实施功率的规划和管理，分端点式 ( e n d - s p a n ) 和中跨式( m i d s p a n ) 两种方式，分别见图1 ，1 、图1 2 。 6 浙江大学硕士学位论文 电源提供设备电源应用设备 图1 14 8 v 电源加在备用线对上。 电源提供设备电源应用设备 ：5 ：x ) 0 0 ( 5 l 备用线对 l 刁恒： 蚓：黜也 + ，一 3 信号线对一 d c d c 、 ) p c 二 i ：厂 帮搽 孤石 一 o 一。，一 r 】【扪b 。j i ；uu ”l i l 正) o ( 二互 备用线对 图1 24 8 v 电源加在信号线对上。1 e n d s p a n 在传输数据的电缆上同时传送d c 电源，其信号频率与通讯网络数 据信号频率不同。专用于电源管理，通常和交换机放起，和交换机一样也有多 路输入输出的r j 一4 5 端口。p s e 可以在信号线对之间或备用线对之间( 但不是两 者同时) 提供标称4 8 v 的直流电源。在信号线对之间传输电能时，4 8 v d c 通过耦 合变压器的中间抽头以共模方式加在双绞线上，对于差分数据信号没有影响。并 且由于耦合变压器的隔离，也不会对数据收发器产生影响，所以常用于升级已建 浙江大学硕士学位论文 成的网络。端点式主要支持以太网交换机、电源模块插座、路由器、集线器或其 他网络交换设备，更换这些设备的费用相对较高。 m i d s p a n 是用来将网络线的供电功能添加到现有网络的一种方法。它只使用 了以太网四对电缆线中的4 5 和7 8 两对来承载供电，剩下部分预留给数据传输， 电源在机箱内被注入网线，而通讯信号未作任何调整。采用该方案只需在现有网 络设备的基础上添加相应中继设备和跳线即可，但是由于需要额外的线缆，占用 了更多的空间，并增加了系统成本。 图1 3 通过双绞线对传递电能的系统电路示意图1 以凌特公司的l t c 4 2 5 9 为例，图1 3 就是应用该芯片搭建的一个调制解调电 路，能够为符合i e e e8 0 2 3 a f 标准的系统中的p d 设备提供一套比较全面的检测 和供电方案。网络线所要传送的电能通过在两个线对之间施加直流电压实现，一 般是通过向隔离变压器( 被用来将差分数据耦合至导线) 的中心抽头供电来实现。 由于以太网通信数据通过变压器在通讯线对两端上进行耦合并采用差分方式发 送，因此发送线对和接收线对之间施加一个直流电压不会对通讯网数据信息产生 影响。 嗽 臂q 蚪_ i s , m h n ：i 忆 ls 删：8 a 8 。1d 厂 c c u 貉；i 酗 h 嘞 llp v 融如l l c 图i 4 采用l t c 4 2 5 7 及符合i e e e8 0 2 3 a f 标准的p d 电路“ p d 即p o e 系统的客户端设备，有多种形式，如i p 电话机、网络安全摄影机、 浙江大学硕士学位论文 无线网桥、掌上电脑( p d a ) 、移动电话充电器、收银机、安全存取与监测系统 等等。实际上，任何需要数据连接并能在1 3 w 或更低功率下工作的设备都可以不 用a c 电源或电池供电，应用p o e 技术从r j - 4 5 插座就能够得到相应的电力。图 1 4 是采用凌特公司产品l t c 4 2 5 7 芯片搭建的一个标准p d 电路，但其不具备a c 断接功能。 i e e e8 0 2 3 a f 规范最多允许在每台用电设备处消耗大约1 3 w 的功率。但考 虑到沿c a t 一5 以太网传输线( 可达1 0 0 米长) 的电压压降( 在较长的链路上压降 会更明显) ，i e e e 标准为p d 和p s e 规定了不同的功率额定值，以太网交换机提 供的最大1 5 4 w 的功率就是为了弥补在长通讯电缆上的损耗。 1 3 2p o e 技术的优势 以太网的传输速度从最早的1 0 m b p s ，到现在的1 0 0 0m b p s ，传输媒体趋向多 样化，如：同轴电缆、双绞线、光纤和无线等，网络机理从早起的共享式发展到 目前盛行的交换式，网络接口的工作方式也从单工发展到全双工。随着网络线传 输电能技术实施规模的逐渐扩大，今后大量的其它应用可望涌现出来。值得关注 的是，它有望推动芯片供应商为笔记本电脑和便携式设备设计耗电量低于 1 2 9 5 w 的芯片组，届时r j 一4 5 插口将成为一种通用的电源插口，只要能连上网 络，网线就可以为联网设备供电。 相比较传统意义上的电力、通讯分离供应模式的控制网络，采用p o e 技术后， 可以“： 1 ) 简化安装，降低成本。通过双绞线电缆向以太网设备输送功率，不须为 每个联网的设备另外配置电力缆线； 2 ) 灵活性。网络装置可被安装在任何位置，如天花板、走廊而不须靠近一 个已存在的电源输出口，可实现广泛的覆盖范围，并能像固定电话那样，在停电 的时候仍然可以运转； 3 ) 以太网可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络与控制网络 得以统一；与现场总线的对比测试中，以太网在i n t e r n e t 集成方面显出明显的 优势，能够完全胜任控制工程中对实时性、抗干扰性的高要求。集中式电源管 理增强了系统可靠性；消费电子设备、娱乐音视频设备以及传统的家庭网络设备 ( 例如p c 和打印机) 也正在走向这样一个网络融合( 见图1 5 ) ； 9 浙江大学硕士学位论文 4 ) 可靠性。由于不需要市电，办公环境更加安全。例如通过u p s 备份的局 域网供电，可以使网络设备免受电网掉电的影响，并可防止电源过载、掉电、尖 峰和浪涌。一旦p s e 开始提供电源，它会持续监测输入p d 的功率。一旦p d 电流 消耗下降到最低值以下，如在拔下设备时，p s e 会自动断开该路供电电源。同时 还可以实旋远程故障检测、控制和复位网络设备，能有效地管理装置的耗电量， 及时发现故障并采取相关措施，精细的检测和功率监控技术可使设备免遭损坏。 图1 5 典型的以太网供电系统图 1 3 3p o e 技术发展现状 在国外，如美国、加拿大、以色列、日本、韩国等国家，很早就投入力量进 行这方面的研究和试验，很多公司推出了自己的芯片。国外多家半导体厂商陆续 推出的具有网络线供电功能的以太网交换器、路由器、集线器等产品，在降低系 统成本、提供更高可靠性的同时，也加速了网络线供电技术的广泛普及。纵观几 种芯片都有自己的优势，但也存在各自的局限性。 例如凌特公司( l i n e a r ) 的l t c 4 2 5 8 5 9 产品可以对四路供电端口进行管理， 主要特点是具有自主运行( 即无需处理器干涉) 的情况下按序处理任务的功能，对 每路都可以单独设置其工作模式( 自动、半自动、手动、关闭四种) 。 德州仪器公司推出的t p s 2 3 7 6 - h 是一款2 6 瓦的以太网供电( p o e ) 控制器，除 实现热关断、自动重试以及故障防护功能的可编程6 0 0 m a 电流限制功能外，还能 帮助设计人员实现对 乍标准p d 的供电。 1 0 浙江大学硕士学位论文 美国国家半导体公司( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ) 最近推出的p o e 电源管理芯 片l m 5 0 7 0 ，设有8 0 v 4 0 0 m a 的线路连接开关、可以将4 8 伏直流输入电压降低到 适合不同负载采用的d c d c 控制器。 国际整流器公司( i n t e r n a t i o n a lr e c t i f i e r ，简称i r ) 于2 0 0 6 年初推出 了i o o v 集成m o s f e t 方案，采用的i r f 4 0 0 0 型l o o v 器件是将四个h e x f e tm o s f e t 集成在一个功率m l p 封装内，每端口提供1 5 w 的功率，取代四个独立s o t 一2 2 3 封装的m o s f e t ，减少的电路占位面积相当于原设计的8 0 空间。 总体比较目前市场的产品性能，许多国外著名半导体公司推出的产品功能性 不是非常全面，或是像t i 公司的产品突出在对p d 的识别方面的功能，或是以 n s 公司为代表的提供低于4 8 v 的可调直流电压为主要特色，或者像凌特公司凭 对监控对象设定简单的工作模式取胜，各种远程供电设备的通用性和兼容性方面 性能都有待迸一步提高。 i e e e8 0 2 3 a f 标准对路由器、交换机和集线器通过通信电缆向i p 电话、安 全系统以及无线l a n 接入点等设备供电的方式进行了规定。要说明一点的是，馈 电电压越高，电能传送的效率就越高。但从安全的角度来考虑却要限制电压和功 率值。事实上，除了i e e e 标准外，接入网设备的馈电接口标准化问题已经在i t u t ( 国际通信联盟t 1 2 0 协议) 中引起了不少相关人士的关注。在i t u t 的1 9 9 7 年9 月的会议上，就提出了规范接入设备馈电接口的问题，主要指馈电源和馈电 宿的互操作性、对接入网馈电端口进行网络管理的信息转移两个问题。由于它的 经济性、实用性和巨大的市场前景，该技术成了国内外众多单位的研究、开发热 点。 1 4 本文研究内容 本课题研究的出发点就是既要考虑扩展以太网供电系统电能传送的功率接 口，扩展p o e 系统能够提供的功率级别：又要兼顾供电系统及联网设备的安全运 行，对系统输送的电压和电流进行实时监控，安全可靠的实现联网设备的集中化 管理。在通用型远程供电产品和远程供电系统的整体开发中，如何兼顾i e e e 8 0 2 3 a f 标准，在系统优化、电源高效率变换、远端监控故障排除、能量合理分 配等多方面需要进一步的研究，以促进网络线远程供电技术的推广。 本文第一章主要介绍以太网远程供电技术的原理及技术发展现状，介绍和采 浙江大学硕士学位论文 用p o e 技术的供电系统相关控制、管理方面的技术发展。 第二章根据当前的技术发展，确定课题研究方案，明确系统功能，提出了以 a t 8 9 c 5 1 r d 2 单片机为控制核心的能量分配管理模块的模块框架和监控模块的性 能指标。 第三章从硬件设计和调试的角度详细阐述电能分配管理模块中设计的液晶 显示、电流电压检测采样、开关控制、隔离保护等方面的措施。 第四章主要说明监控模块中的软件设计。给出了监控模块中的人机界面设 计、控制策略、信号的分级检测、信号滤波、r s 4 8 5 通讯以及c 语言编译程序的 优化设计。 浙江大学硕士学位论文 第2 章远程供电技术监控方案 2 1 监控系统的组网方案探讨 在现代化的电力系统中，电网设备向上位监控中心发送的电压、电流、功率 等测量值是应用通信技术远程传送的，称为远程测量，简称遥测。应用通信技术 完成对设备状态信息的监视，成为远程信号，简称遥信。上位监控中心发送给下 位控制方的远程命令包含控制和调节命令，应用通信技术，完成改变远行设备状 态的命令称为远程命令，又称遥控。当对具有两个以上状态的运行设备发出远程 命令时，就成为远程调节，即遥调。借助当今计算机的快速综合处理能力，实旌 对大电网运行管理的计算机监控，实现对投入系统运行的设备进行遥测、遥控、 遥信、遥调，并形成统一的调度管理，监视局域网电能分配管理，实现电力系统 安全经济的运行。 电源监控系统的组网目前可以考虑的几种方案如下： 第一种是目前仍广泛采用的主从式总线网络。这种以上位机为中心，通过 r s 4 8 5 或r s 4 2 2 接口将各种具有通信功能的下位机连接起来，通过查询的方法实 现遥测、遥信和遥控功能。下位机与智能设备之间则可以采用点对点的串行通信 ( r s 2 3 2 ) 。这种结构的优点式可以十分方便地实现小规模监控，成本不高，而缺 点是组网受到通信距离的限制。 第二种是现场总线网络。它放弃了传统的主从式网络结构，实现了真正意义 上的全分布式结构，使得每一个下位机都可以视为网络中对等的一个节点。同时 还提供了到上一层网络的接口，实现远程通信及远程下载功能。这种结构的缺点 在于与计算机互联时，还需要专门的网关，且标准众多，难以普及。 第三种是以太网网络。随着计算机技术的发展，以太网技术正受到越来越多 设计师的青睐。在这种由下位机和上位机直接通过以太网互连而生成的对等网络 中，不仅下位机之间是对等的，而且计算机作为“上位杌”的概念也变得非常模 糊。与前两种结构相比，它具有较高的速度，但造价不菲。 本设计中采用主从式网络和以太网网络相结合的方案，即下位机( 联网的设 备) 与上位机( 监控管理模块) 之间的通信及电能的传送通过以太网或者局域网 实现，利用了网络线的高速、便捷、布局广泛使系统能普遍适用于各类小功率网 浙江大学硕士学位论文 络设备：上位机与智能控制设备( 系统上位总监控) 之间的通信则通过r s 4 8 5 连接，由智能控制设备集中发送指令监控整个以太网供电系统的运行。 2 2 基于网络线的远程供电系统方案 2 2 1 研究目标和内容 现行i e e e8 0 2 3 a fp o e 标准最突出的问题是支持的p d 电源最大功率仅为 1 2 9 5 瓦，可满足i p 电话与w i - f i 接入点等功耗较小的设备电力供应需求，但 对收银机、远距离w i m a x 转发器等功率稍大的设备明显捉襟见肘，与p o e 技术期 望满足便携机电源供应的长期目标相去甚远。 针对目前p o e 技术的应用现状，本课题提出构建具有智能化电能分配管理的 监控功能设计方案，在设计中应用了数控技术、模糊控制技术，采用模块化设计 和总线式的接口方式，完成基于网络线传输电能的系统的智能远程监控、操作的 技术实现，拓展以太网在通讯、控制领域的应用，并从实际产品开发应用的角度 验证本课题设计的可行性及实用性。 2 2 2p o e 系统性能概述 在馈电源和馈电宿的互操作性这一部分中，规定在接入网中可以兼容两种馈 电接口：4 8 v d c 接口和1 3 0 v d c 接口，接口要求见表2 1 。 表2 1 监控模块接口要求 接口参数4 8 v d c 接口 1 3 0 v d c 接口 最高连续电压 5 6 5 v1 3 0 v 最高峰值电压 6 0 v1 4 0 v 最低电压( 无负荷) 4 4 v1 2 5 v 最低电压( 全负荷) 2 4 v7 0 v 1 0 0 m v r m s2 5 0 m v r m s 到宿的噪声电压 ( 1 0 k h z 一3 0 m h z 间的任一( 1 0 k h z 一3 0 m h z 间的任一 3 k z 带宽)3 k h z 带宽) 来自宿的噪声电压 1 0 0 i “r m s2 5 0 m v r m s 方案设计中将p o e 技术中普遍采用的4 8 v 直流电压输送扩展到】3 0 v 。网络 浙江大学硕士学位论文 线输送电压的适当提高也影响到整个供电系统的设计。除了采用短电缆、减小监 控采样电阻降低电能损耗外，还要着重考虑系统中负载控制电路的部分因电压提 高而需要更替的控制器件以及电路中的隔离保护、散热处理等环节“1 。当然还有 另外一种方法，就是在c a t 一5 电缆中为所有四对线供电。但由于这种方案成本昂 贵且复杂性高，更合适应用在中等功率级别的场合中。下一章节将会介绍供电系 统中m o s 管的应用和具体的电路隔离保护。 备注：在调制、解调中， 以太网信号是双向的， 能量是单向流动的。 渤 图2 ，】系统全局能量流动示意图 图2 1 表示一个具备完整功能的供电设备在系统中的位置，图中每一路直流 通讯电源都作为监控对象中的一路输出看待，这些p d 或p s e 在能量分配管理器 的监控和指令下运行，能量分配管理器则按照上位总监控机通过网络发送的有关 命令工作，在必要时也能随时向上位机传达各通路运行情况，也就是说在调制、 解调中，网络信号是双向流动的，而能量是单向流动的。 浙江大学硕士学位论文 2 2 3 远程供电系统的监控模块功能简介 图2 2 表明了供电系统中一个监控模块的横向管理图。从监控管理模块的角 度出发，在设计最初考虑兼容性和扩展性的需求、提高模块的监控效率以及降低 系统成本，一个监控单元可监控9 路输出，并对电网总输出电压、总输出功率和 每路输出电流大小、都分别设计详细的控制方案，实现硬件、软件双重保护。 电源 输入 | 矿_ 1 1 n 申丰r 、一厂、tl 、 f ；一 1 r 弋击一 tnvi c k 电压检测 器 图2 2 监控模块总体示意图 一般系统支持的供电端口在4 9 路，供电端口过多造成应用中的浪费， 丽且控制端口数量的增加也会给布局布线带来很大的挑战；供电端口过少 则无法满足供电需要。根据本课题中 系统设计，给出如图2 3 所示的一个能 量分配管理、监控模块的功能框图。由图2 3 可见，一个模块要同时承担执行的 任务都通过有向箭头指示出来。系统最重要也是实时性要求最高的任务就是图中 粗箭头标出的路线：实时对外部p d 进行电气性能( 主要是输出电流大小) 的检 测，根据具体负载情况实施相应监控措施，再通过检测输出电流大小控制继电开 关动作，合理分配网络系统的电能。输出总功率也在受监控的范围内，根据给定 外部负载条件确定输出限流值，一旦发现超过预设电流阈值即通过 外部中断 断开所有负载，硬件、软件双重保护，实现电能管理的实时分配、监控。 6 一一。一 浙江大学硕士学位论文 图2 3 一个能量分配管理、监控模块的功能框图 另外上、下位机相互通讯依靠r s 4 8 5 通讯转接口实现的，通讯前由上位机发 出发送或接收的信号，该信号也是经外部中断口进入单片机。比较电路总输出过 流情况和通讯情况的紧急程度，在实际中断资源分配中，分配外部中断0 接收总 电流过流关断信号，分配外部中断i 给r s 4 8 5 通讯信号，原理阐述见本文3 2 3 章节的介绍。 简单的说，作为网络线远程供电电源系统的监控单元，一个功率分配管理器 管理一种电压形式的电能，需要达到以下五项要求： 1 、状态监测：通过状态监测，随时了解负载运行状态，获得局域网供电系统 下各路设备运行或故障的实时数据，并能随时通过显示屏查看，人机界面 友好； 2 、数据收集：将分散监测到的有用数据收集到一起分析处理，实时性好，数 据精度高； 3 、状态分析：利用设定的控制模型，根据收集到的监测数据对局域网的状态 进行分析判断； 4 、状态控制：状态控制就是根据状态分析的结果针对网络供电系统下的电能 分配作出相应的控制措施，能够灵活的根据实际情况调整管理策略，无须 浙江大学硕士学位论文 等待上位机指示： 5 、系统保护：设置安全保护机制，只有系统管理员才能获得控制权限，更改 模块监控参数，保证能量分配管理模块的安全运行，以防他人恶意破坏供 电系统及网络设备； 6 、网络通信：远程通讯不仅能将本模块管理下的网络工作情况上传汇报， 还可以根据能上位总监控的命令改进模块当前控制参数，实现网络系统 的无人化管理。 本课题设计的智能能量分配管理模块功能的优点在于，采用分级供电智能电 源管理技术，精确地控制每一个端口的电力预留、分配和过载管理，以及电力不 足时的电力优先分配。通过该模块，网络管理人员可以对网络上的电力进行集中 管理和控制，如果网络上的某个加电设备出现故障，立即生成告警，提醒管理人 员检查该路故障情况：通过使用这些电源控制功能为某些重要设备提供电力保 障；还可以通过启用、禁用或限制电力分配来开放或者封锁网络，防止网络被滥 用。 浙江大学硕士学位论文 第3 章监控模块的硬件设计 3 1 主控芯片 3 1 ，1a t 8 9 c 5 1 r d 2 单片机控制器 m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 中文名称为多点控制单元，又称单片微型计算 机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) ，是指随着大规模集成电路的出现及其发展， 将计算机的c p u 、r a m 、r o m 、定时数器和多种i 0 接口集成在一片芯片上，形成 的芯片级计算机，为不同的应用场合做不同组合控制“”。 自1 9 7 1 年首个4 位微处理器问世以来，随着大规模集成电路技术的不断进 步，单片机制造技术迅猛发展，各种用途，各种类型的单片机不断出现，至今已 达5 0 0 多个机种。目前单片机正向大容量、高性能化，小容量、低价格化，外围 电路内装化等几个方向快速发展，应用领域也不断扩大。直到今天，m c s 一5 1 系 列单片机以及指令系统与其兼容的单片机凭着优秀的性价比，仍然是8 位单片机 的主流品种之一，可构成真正的单片机最小应用系统，因数据大部分在单片机内 运算，可靠性高；参数设定简便，简化了系统的调试工作；同时缩小系统体积， 增加系统的可靠性，降低系统成本，所以非常适合于应用型控制领域。 本监控模块考虑采用5 1 系列单片机a t 8 9 c 5 1 r d 2 作为主控芯片。图3 1 是 a t 8 9 c 5 1 r d 2 的功能简图，此型号单片机的特点是： 1 ) 工作频率高，可以有效提高系统速度。可选两种时钟模式；6 时钟模式 时工作频率范围是0 到2 0 m h z ，1 2 时钟模式时0 到3 3 m h z ，提供了很宽的操作频 率范围。由于a t 8 9 c 5 1 r i ) 2 单片机采用了全静态( 时钟频率可以降至o m h z ) 操作， 当振荡器停振时，r a m 和s f r 的值保持不变，这种模式允许时钟频率降至任意值 以实现系统功耗的降低。 2 ) 片内含4 k 字节在线可重复编程快擦写程序存储器( f l a s h ) ；1 2 8 8 位 内部r a m ，可以满足对能量分配模块在监控过程中对采样结果进行的模糊控制运 算。 3 ) 工作电压范围宽( 2 7 v 6 v ) ；可用5 v 电压编程，擦写时间仅需l o m s ， 为8 7 5 1 8 7 c 5 1 擦除时间的百分之一。 4 ) 3 2 位双向输入输出口线，三个1 6 位定时器计数器，6 输入4 优先级嵌 浙江大学硕士学位论文 套中断结构，一个全双工的异步串行口，满足p o e 供电系统定时计数、上位机通 讯、过流硬件中断保护等功能的需要。 l i h n d n n d 舯o f h 帆1 f 2 1a j 铆n a f u n c # a l 耐p e r 3 图3 1a t 8 9 c 5 1 r d 2 功能模块图“” 此外，电源控制模式有三种可选：一个是时钟可停止和恢复，另两个是由软 件选择的节点模式一一空闲模式和掉电模式。空闲模式冻结c p u ，但r a m 、定时 器、串口和中断系统仍保持工作状态。掉电模式保存r a m 的内容，但冻结振