航天器電源系統(tǒng)大功率智能配電技術(shù)

李廷中，王蓓蓓，周新順

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190）

0 引言

航天器電源系統(tǒng)承擔(dān)著整器的電能配置和管理功能，為整器正常工作和健康管理提供基礎(chǔ)和保障[1]。隨著未來航天器的功能要求越來越強(qiáng)大、任務(wù)要求越來越復(fù)雜、壽命要求越來越長，其內(nèi)部電源系統(tǒng)的功率等級和用電設(shè)備數(shù)量不斷增大[2]。系統(tǒng)容量的增加必將給航天器能源分配、管理、控制以及系統(tǒng)可靠性、故障保護(hù)、數(shù)據(jù)采集提出更高的要求。顯然，傳統(tǒng)的機(jī)電式配電系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足上述需求[3-4]。

“天宮一號”目標(biāo)飛行器電源系統(tǒng)采用智能配電技術(shù)，實現(xiàn)了整器一次電能和二次電能的變換、控制與管理，以及電源系統(tǒng)工作參數(shù)和狀態(tài)的實時采集，整器在軌飛行工作狀態(tài)良好。本文在總結(jié)“天宮一號”大功率智能配電單元的基礎(chǔ)上，擬進(jìn)一步采用智能數(shù)據(jù)處理、固態(tài)功率控制、故障自診斷等技術(shù)方案，為電源系統(tǒng)提供全方面的保障[5-7]。這些改進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用將大大推動航天器能源系統(tǒng)的智能化進(jìn)程。

1 大功率智能配電單元的組成及功能

“天宮一號”目標(biāo)飛行器作為我國自主研發(fā)的空間試驗平臺，具有功能多、容量大和系統(tǒng)復(fù)雜等特點(diǎn)?！疤鞂m一號”電源系統(tǒng)承擔(dān)整器電能變換、控制和管理任務(wù)，由多臺智能供配電單機(jī)和二次電源組成。大功率智能配電單元（以下簡稱“配電單元”）作為“天宮一號”平臺類供配電關(guān)鍵單機(jī)，負(fù)責(zé)接收母線控制單元提供的 100 V一次電源母線和28 V指令母線，實現(xiàn)100 V輸入、28 V供電母線輸出的DC/DC電壓變換。配電單元通過接收指令，實現(xiàn)100 V負(fù)載和28 V負(fù)載的供電控制；通過內(nèi)置數(shù)據(jù)采集單元，實現(xiàn)單機(jī)工作狀態(tài)信息的采集，并送至數(shù)管分系統(tǒng)遙測下行。

配電單元從功能上劃分為 4個部分：DC/DC變換單元，配電控制單元，數(shù)據(jù)采集單元和輸入輸出接口單元。其中，配電控制單元、數(shù)據(jù)采集單元是配電單元的設(shè)計重點(diǎn)，也是其智能化的集中體現(xiàn)。DC/DC變換單元用于完成一次母線至二次母線的電壓變換，采用北京衛(wèi)星制造廠具有飛行經(jīng)歷的大功率模塊電源實現(xiàn)。配電單元通過采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化及單元化設(shè)計，合理劃分各單元模塊，大大提高了產(chǎn)品的通用性和可測性，可以滿足單機(jī)設(shè)備在軌維修的要求。

綜上，“天宮一號”目標(biāo)飛行器的大功率智能配電單元初步實現(xiàn)了整器的電源管理、配電控制和參數(shù)檢測等功能。盡管仍存在反映系統(tǒng)工作狀態(tài)的信息量較少、缺少故障診斷和故障保護(hù)功能等問題，但是該配電單元所采用的關(guān)鍵技術(shù)及其飛行經(jīng)歷，為載人航天工程后續(xù)型號任務(wù)的能源管理方案提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

2 大功率智能配電的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大功率配電技術(shù)

大功率智能配電單元額定功率為2 200 W，可以為18路不同電壓、不同功率的負(fù)載提供電能，并接收程控和遙控指令，對各路負(fù)載進(jìn)行配電控制。為了提高繼電器控制開關(guān)的可靠性，每個開關(guān)采用2個相同繼電器并聯(lián)。為實時檢測繼電器的通斷狀態(tài)，采用狀態(tài)繼電器與功率繼電器并聯(lián)，以狀態(tài)繼電器的檢測電壓反映功率繼電器的狀態(tài)。通過合理的參數(shù)設(shè)計，使?fàn)顟B(tài)繼電器的檢測電壓滿足數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計的閾值電壓，并具有1 V的噪聲容限，以保證檢測結(jié)果的有效性。

2.2 數(shù)據(jù)采集串行通信技術(shù)

數(shù)據(jù)采集單元用于實時采集反映配電單元工作狀態(tài)的電壓、電流、溫度和繼電器狀態(tài)等48路參數(shù)；并將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過串行通信接口與數(shù)管分系統(tǒng)（RTU）進(jìn)行串行通信[8]。

數(shù)據(jù)采集單元由模擬開關(guān)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、微處理器及其外圍電路以及串行數(shù)字通信接口電路組成，如圖1所示。工作時選通模擬開關(guān)的某一路，將待測信號引入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；微處理器對所得數(shù)字量進(jìn)行處理，并儲存到其數(shù)據(jù)區(qū)中，再通過串行數(shù)字通道傳到數(shù)管分系統(tǒng)。每臺配電單元中含有2個互為冷備份的數(shù)據(jù)采集單元，主/備份分別對應(yīng)一個串行數(shù)字通道。當(dāng)RTU接收不到數(shù)據(jù)或接收的數(shù)據(jù)連續(xù)超出正常范圍時，則認(rèn)為主份硬件故障，此時由地面發(fā)出指令，完成主/備份的切換。

圖1 數(shù)據(jù)采集單元原理圖Fig.1 Block diagram of the data acquisition unit

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和微處理器是數(shù)據(jù)采集單元的核心器件。微處理器選用80C32單片機(jī)，具有4個8位I/O口、256字節(jié)內(nèi)部RAM和6個中斷源。通過外部程序和數(shù)字存儲器進(jìn)行擴(kuò)展，通過P0和P2口進(jìn)行數(shù)據(jù)和地址的時分復(fù)用。模/數(shù)轉(zhuǎn)換選用12位逐次逼近型快速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574實現(xiàn)，其最長轉(zhuǎn)換時間為35 μs，轉(zhuǎn)換精度≤1 LSB。通過計算分析可知，如不考慮外部參數(shù)誤差，數(shù)據(jù)采集單元對100 V母線電壓的測量精度可以達(dá)到±0.024 V，能夠滿足“天宮一號”目標(biāo)飛行器 0.5%的高精度采集要求。

2.3 數(shù)據(jù)采集抗干擾技術(shù)

配電單元為平臺類單機(jī)，具有多路負(fù)載，每路負(fù)載的輸入阻抗、工作狀態(tài)各不相同。為了避免各路負(fù)載在加斷電瞬間產(chǎn)生的噪聲影響數(shù)據(jù)采集的結(jié)果，需要對數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行抗干擾設(shè)計。本文根據(jù)數(shù)據(jù)采集單元的原理，提出了針對通信接口電路和模擬轉(zhuǎn)換電路的抗干擾策略。

2.3.1 通信接口電路抗干擾設(shè)計

在配電單元的研制過程中測試發(fā)現(xiàn)，單機(jī)的感性負(fù)載在加斷電瞬間會產(chǎn)生干擾電壓，通過地線串?dāng)_至數(shù)據(jù)采集通信接口電路。干擾電壓作為虛假門控信號會導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集軟件誤入中斷，在通信數(shù)據(jù)包中會出現(xiàn)一幀全FF數(shù)據(jù)。針對該問題，在接口驅(qū)動芯片54AC125的輸入端對地增加濾波電容，與輸入電阻形成RC低通濾波，以抑制干擾電壓引起硬件中斷響應(yīng)對軟件正常運(yùn)行的影響。通過試驗，驗證了該抗干擾設(shè)計的有效性。

2.3.2 模擬量采集硬件濾波設(shè)計

為了提高數(shù)據(jù)采集單元的測量精度，防止干擾信號影響數(shù)據(jù)的正確采集，結(jié)合軟件運(yùn)行需要的時間，在電壓跟隨器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器之間加入 RC濾波，以保證完全抑制設(shè)定頻率以上的干擾信號，同時不影響正常的數(shù)據(jù)采集。

2.3.3 數(shù)字量采集軟件濾波設(shè)計

在硬件濾波的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)采集單元的軟件也進(jìn)行了濾波設(shè)計。軟件對某一通道的模擬量進(jìn)行6次采集和轉(zhuǎn)換，在這6次轉(zhuǎn)換數(shù)值中，去掉1個最高值和1個最低值，將剩余4個數(shù)字量求平均值，作為模擬量的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果。軟硬件的雙重抗干擾設(shè)計可以保證數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、可靠。

3 智能能源管理單元的組成及功能

載人航天工程后續(xù)項目任務(wù)的電源系統(tǒng)，將在“天宮一號”目標(biāo)飛行器配電單元的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升配電系統(tǒng)的智能化水平，采用智能能源管理單元（以下簡稱“管理單元”）作為平臺類能源管理單機(jī)。作為主要功能模塊，管理單元負(fù)責(zé)將一次電源輸出的電能穩(wěn)定、可靠地向用電負(fù)載傳送，實現(xiàn)用電負(fù)載的統(tǒng)一管理和控制。管理單元在實現(xiàn)電壓變換、供電控制及數(shù)據(jù)采集的同時，增加故障定位（實現(xiàn)短路、開路及過溫等故障的檢測）、配電隔離及重構(gòu)功能，并通過1553B總線實現(xiàn)能源管理信息及控制信號的傳輸，支持在軌維修[9-10]。管理單元既能作為一個通用配電設(shè)備安裝在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜中，也能作為專用的配電設(shè)備安裝在其他部位。

管理單元由DC/DC變換單元、功率控制單元、數(shù)據(jù)處理與通信單元組成。其中，DC/DC 變換單元繼承“天宮一號”智能配電單元采用的變換器，實現(xiàn)數(shù)字電路供電及功率電路供電，通過功率控制單元將能量傳至負(fù)載輸入端。功率控制單元功能更加完備，可以完成短路保護(hù)、I2t反限時保護(hù)、狀態(tài)檢測及固態(tài)配電等功能。數(shù)據(jù)處理與通信單元負(fù)責(zé)完成自檢、數(shù)據(jù)采集和處理、功率統(tǒng)計、狀態(tài)判斷、故障檢測及定位以及總線通信等功能。

當(dāng)管理單元的負(fù)載端出現(xiàn)短路、過流或響應(yīng)超時等故障時，功率控制單元、數(shù)據(jù)處理與通信單元在第一時間切斷負(fù)載供電。當(dāng)管理單元出現(xiàn)通信接口故障或處理器故障時，用戶能夠通過單機(jī)設(shè)置的應(yīng)急遙測遙控接口對各配電通道進(jìn)行控制和監(jiān)測[11-12]。

4 智能能源管理的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 智能數(shù)據(jù)處理與通信技術(shù)

數(shù)據(jù)處理與通信單元是管理單元的核心控制模塊。該單元以處理器為核心，接收能源中心計算機(jī)的命令，向驅(qū)動電路發(fā)出開關(guān)信號來控制功率管的開關(guān)，如圖2所示。其中，處理器主要完成故障二級檢測、單機(jī)故障診斷、數(shù)據(jù)采集及總線通信等功能；1553B總線接口實現(xiàn)單元與數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)的連接，接收總線指令，再經(jīng)解析、譯碼和數(shù)/模轉(zhuǎn)換實現(xiàn)管理單元的控制；單元內(nèi)部遙測遙控接口對供配電開關(guān)進(jìn)行控制；模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)單機(jī)遙測數(shù)據(jù)的采集；當(dāng)處理器或通信接口出現(xiàn)故障時，即用應(yīng)急接口電路來控制負(fù)載的配電和監(jiān)視負(fù)載狀態(tài)。

圖2 數(shù)據(jù)處理與通信單元原理框圖Fig.2 Schematic diagram of data processing and communication unit

數(shù)據(jù)處理與通信單元在實時采集負(fù)載電流、電壓信號和負(fù)載狀態(tài)的基礎(chǔ)上，能夠根據(jù)采集結(jié)果判斷該狀態(tài)是否為故障模式，并根據(jù)狀態(tài)信息決定是否關(guān)斷功率管及何時發(fā)出關(guān)斷信號，同時將此信息通過總線反饋給能源中心計算機(jī)。為了提高單機(jī)的可靠性，數(shù)據(jù)處理與通信單元及其通信接口電路均進(jìn)行主/備冗余設(shè)計，并增加應(yīng)急遙測遙控接口，確保中心計算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對配電通道的監(jiān)測及控制。

4.2 固態(tài)功率控制技術(shù)

管理單元采用固態(tài)功率控制器（solid-state power controller，SSPC）代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器和過載保護(hù)器。固態(tài)功率控制技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)配電技術(shù)粗放的缺點(diǎn)，根據(jù)任務(wù)需求實現(xiàn)對負(fù)載的通斷控制，并且在負(fù)載出現(xiàn)故障時，為整器電源系統(tǒng)提供全面保護(hù)。固態(tài)功率控制技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)的綜合應(yīng)用，可以實現(xiàn)航天器電源系統(tǒng)的自主運(yùn)行，在系統(tǒng)局部出現(xiàn)故障時自動完成系統(tǒng)重構(gòu)，為系統(tǒng)的健康管理提供信息。其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下3個方面：

1）管理功能更智能。SSPC能夠根據(jù)航天器運(yùn)行軌道和任務(wù)狀態(tài)的不同，按照用電設(shè)備的重要性對一次電源和二次電源的功率進(jìn)行合理的自動調(diào)度分配。

2）保護(hù)功能更全面。SSPC能夠?qū)崟r檢測系統(tǒng)各路負(fù)載電壓、電流，并根據(jù)需要設(shè)定過流保護(hù)值和保護(hù)延時，從而實現(xiàn)I2t保護(hù)、短路保護(hù)及電弧放電保護(hù)等功能，為整器電源系統(tǒng)提供全面保護(hù)。

3）結(jié)合軟件更靈活。SSPC能夠通過軟件編程對各線路額定電流值及其他保護(hù)指標(biāo)值進(jìn)行設(shè)定。

4.3 反時限過流保護(hù)技術(shù)

SSPC最大的特點(diǎn)是其過載后跳閘所需時間由電流的大小決定，具有輕度過載跳閘時間長，嚴(yán)重過載跳閘時間短的反時限保護(hù)特性。反時限保護(hù)需要按照SSPC的跳閘特性曲線進(jìn)行I2t設(shè)計，保證延時時間點(diǎn)落在保護(hù)曲線給定的保護(hù)區(qū)域內(nèi)，如圖3所示。SSPC的I2t反時限保護(hù)功能可以通過積分器實現(xiàn)。電流檢測信號經(jīng)過抬壓濾波、積分電路和比較電路，實現(xiàn)反時限跳閘保護(hù)。

圖3 I2t跳閘延時保護(hù)曲線Fig.3 Protecting curves of I2t tripping delay protection

4.4 保護(hù)參數(shù)在軌修改技術(shù)

為了滿足能源管理通道保護(hù)參數(shù)可通過總線接口進(jìn)行在軌修改的要求，管理單元采用軟件延時保護(hù)算法實現(xiàn)對保護(hù)參數(shù)的在軌修改。

軟件根據(jù)數(shù)據(jù)采集通道采集的負(fù)載電流值，判斷此時是否過載：如果負(fù)載電流值已超過了設(shè)定值，則軟件啟動故障保護(hù)程序。軟件會依照I2t延時保護(hù)曲線確定保護(hù)延時時間，并開始計時；時間到達(dá)后，管理單元發(fā)出SSPC關(guān)斷指令，完成延時保護(hù)。軟件可根據(jù)數(shù)據(jù)總線信息中的保護(hù)參數(shù)設(shè)定，重新確定過載參數(shù)，進(jìn)而實現(xiàn)保護(hù)參數(shù)的在軌修改。

4.5 故障自診斷技術(shù)

對于管理單元而言，有效的故障診斷能夠及早發(fā)現(xiàn)故障并及時處理，對保障航天器電源系統(tǒng)乃至整器的功能有重要意義[13]。

管理單元采用了狀態(tài)檢測、監(jiān)控和故障隔離綜合技術(shù)（built-in-test，BIT），在發(fā)生故障時，能夠檢測到故障，確定故障模式，界定故障范圍，并執(zhí)行故障預(yù)測和隔離等相關(guān)措施，具有一定的報警能力[14]。其工作機(jī)理如下：硬件實時采集電壓、電流和溫度等數(shù)據(jù)，與內(nèi)嵌在管理單元中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)偏差在容許范圍之外時，表示出現(xiàn)故障。對于管理單元內(nèi)部某部分突然發(fā)生損壞或停止工作的“硬故障”，管理單元根據(jù)采集的狀態(tài)信息，對照內(nèi)嵌的狀態(tài)分析表進(jìn)行故障模式判斷和定位。對于參數(shù)漂移或變化緩慢的“軟故障”，管理單元通過總線通信接口將監(jiān)測點(diǎn)信號數(shù)據(jù)上傳給能源中心計算機(jī)，由能源中心計算機(jī)通過對歷史和現(xiàn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比判斷，得出該電路或器件是否將要發(fā)生故障的結(jié)論。

5 結(jié)束語

大功率智能配電技術(shù)是當(dāng)代航天器智能電源在軌管理系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。本文以在軌成功運(yùn)行的“天宮一號”目標(biāo)飛行器的大功率智能配電單元和未來空間站的智能能源管理單元為背景，介紹了目前我國航天器智能配電系統(tǒng)所采用的設(shè)計方案和核心技術(shù)。這些關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用將為我國載人航天及深空探測任務(wù)的順利實施提供堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，也為航天器的在軌維護(hù)和系統(tǒng)拓展提供支撐平臺。

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