系留氣球智能配電技術研究

何敬宇 劉征威

摘要：分析了系留氣球傳統(tǒng)配電方式的不足和智能配電技術的優(yōu)點，研究了系留氣球典型負載的控制邏輯和保護特性，并在此基礎上開展了系留氣球智能配電系統(tǒng)的軟、硬件設計。

關鍵詞：智能配電;總線;固態(tài)功率控制（SSPC）;I²T保護

中圖分類號：V273文獻標識碼：A???文章編號：1671-2064（2019）16-0000-00

0引言

系留氣球配電系統(tǒng)通常采用遙控式集中配電模式，采用熔斷器或斷路器對線路進行保護，采用繼電器或接觸器對線路通斷進行控制，這種配電模式技術簡單，在中小型系留氣球中廣泛應用。隨著系留氣球的發(fā)展，電子設備數(shù)量和復雜度增加，所搭載的任務載荷越來越多樣化且用電功率越來越大，遙控式集中配電模式的各種弊端顯現(xiàn)出來：電網(wǎng)重量過大;配電線路及電氣負載控制繁雜、笨重;配電中心至遠端的低壓配電線路損耗大;可靠性低、容錯能力差、可測試性差、自動化程度低。

智能配電技術是一種基于總線和固態(tài)功率控制的新型配電技術，通過總線將計算機的指令傳輸?shù)脚潆妴卧ㄟ^固態(tài)功率控制電路對各負載進行管理并實時檢測各負載通道的工作狀態(tài)和參數(shù)，從而實現(xiàn)對系留氣球電能的自動分配、管理、監(jiān)控及保護。

在系留氣球上采用智能配電技術同集中配電模式比較具有以下優(yōu)點：（1）固態(tài)器件的開關次數(shù)可達數(shù)億次，解決了風機類負載高頻開關的要求，提高了配電系統(tǒng)壽命;（2）省去了繁雜的負載控制線路，簡化配電系統(tǒng)、降低重量和減少體積;（3）對全系統(tǒng)負載進行綜合管理與調(diào)度，提高了配電系統(tǒng)的可靠性;（4）提供更加可靠和更加精確的保護功能;（5）消除了繼電器等器件動作時產(chǎn)生火花和電弧的問題，提高了系統(tǒng)電磁兼容性。

本文依據(jù)系留氣球典型負載控制邏輯和保護特性從軟、硬件兩個方面對系統(tǒng)氣球智能配電系統(tǒng)進行研究和設計。

1系留氣球典型負載控制邏輯及保護特性

系留氣球典型的用電負載主要包括風機類、閥門類、航電類、燈光類及其他類負載。風機類負載主要包括系留氣球上所使用的大、小風機，均為電機類負載;閥門類負載主要包括空氣閥、氦氣閥和電磁閥等，均為電機類或感性負載;電子類負載主要包括計算機、各類型傳感器、光端機、導航設備、空管設備等，均為小功率電子類負載;燈光類負載主要是防撞燈和閃光燈，為脈沖負載。

（1）風機類負載。風機類負載控制邏輯相對簡單，直接采用SSPC控制負載通、斷電。考慮到風機啟動特性，負載通道必須能夠承受風機啟動沖擊，其保護特性根據(jù)風機的工作特性曲線進行保護特性設計。

（2）閥門類負載。閥門類負載主要包含空氣閥、氦氣閥、電磁閥等，空氣閥和氦氣閥根據(jù)控制邏輯主要可分為Ⅰ型閥門、Ⅱ型閥門，其控制邏輯如圖1、圖2所示。

（3）電子類負載。電子類設備額定電流均較小，控制邏輯也很簡單，只需進行通斷電控制。

（4）燈光類負載。燈光類設備主要是防撞燈和閃光燈，控制邏輯也相對簡單，但負載通道額定電流應考慮其脈沖工作情況下最大電流。

2系留氣球智能配電系統(tǒng)設計

根據(jù)前文分析，針對系留氣球典型負載開展系留氣球智能配電系統(tǒng)設計。

2.1系統(tǒng)硬件設計

智能配電系統(tǒng)主要由母板、CPU板、SSPC板和電源板部件組成。其中母板為其他各個板卡提供結(jié)構(gòu)支撐和電氣連接;CPU板為核心控制部件，通過總線接收上位機的控制指令，下發(fā)給各SSPC通道并將SSPC通道的狀態(tài)信息反饋給上位機，實現(xiàn)產(chǎn)品的BIT功能等;SSPC板部件接收CPU板部件指令，控制相應SSPC功率回路的通斷，檢測SSPC通道的狀態(tài)信息并反饋至CPU板部件，實現(xiàn)過流保護和短路保護等;電源板部件經(jīng)過濾波穩(wěn)壓等為正常工作提供電源。智能配電系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

根據(jù)系留氣球各典型負載的用電需求，SSPC板為多路不同額定電流規(guī)格的SSPC模塊的集合，SSPC模塊的硬件主要分為6部分，包括：DC-DC轉(zhuǎn)換電路、微控制器電路、AD采集電路、總線通訊電路、驅(qū)動電路、功率回路電路等。其原理框圖見圖4。

如圖5所示，采用高精度電阻實現(xiàn)電流采樣并通過軟件進行校準，電流采樣精度常溫下不低于5%。電流和電壓信號采樣電路采用反向比例放大電路結(jié)構(gòu)，分別將電流采樣電阻上的電壓和MOSFET到功率地之間的電壓調(diào)理到微控制器能夠采集的0～3.3V電壓范圍內(nèi)。

MOSFET驅(qū)動電路將微控制器發(fā)出的0/3.3V控制信號通過專用驅(qū)動芯片轉(zhuǎn)換為0/9V的MOSFET驅(qū)動電平。驅(qū)動芯片瞬態(tài)輸出電流可達2A，能夠可靠驅(qū)動多個并聯(lián)的MOSFET。

配電系統(tǒng)內(nèi)部采用CAN總線通訊，主要功能是SSPC板卡與CPU板進行信息交換并通過光偶實現(xiàn)數(shù)字信號隔離。配電系統(tǒng)與外部上位機通過Rs-422接口完成通訊。

對于Ⅰ、Ⅱ型閥門類復雜控制邏輯負載，采用多路SSPC實現(xiàn)其控制邏輯，以Ⅰ型閥門為例，如圖6所示，采用4路SSPC實現(xiàn)Ⅰ型閥門的控制邏輯，其中SSPC1和SSPC2、SSPC3和SSPC4分為2組，通過軟件設置控制邏輯，每組SSPC聯(lián)動開通、關斷，2組SSPC互補開、關并設置相應的死區(qū)，防止開通關斷信號同時存在損壞設備。

2.2軟件設計

智能配電系統(tǒng)軟件主要包括主控軟件和SSPC控制軟件。

主控軟件實現(xiàn)的功能主要有：系統(tǒng)BIT檢測、接收上位機指令并下發(fā)至各SSPC模塊，查詢各SSPC通道的實時狀態(tài)并上報、離散量信號采集和控制，以及日志和故障信息存儲等功能。其軟件流程如圖7所示。

SSPC控制軟件根據(jù)CPU板下發(fā)的通斷指令控制SSPC通道的開通與關斷，監(jiān)測SSPC通道輸出電壓和負載電流，獲取采樣電壓和采樣電流值，對采樣電流進行計算以實現(xiàn)規(guī)定曲線的I²T保護和短路保護，并記錄跳閘時刻的SSPC通道狀態(tài)信息。根據(jù)電流采樣值、電壓采樣值進行閾值比較，將比較的SSPC狀態(tài)信息上報至主控軟件。其軟件流程圖如圖8所示。

3結(jié)語

本文首先分析了系留氣球傳統(tǒng)配電方式的不足和智能配電技術在系留氣球上應用的優(yōu)點，選取了系留氣球不同類型典型負載，對其控制邏輯和保護特性研究，并在此基礎上開展了系留氣球智能配電系統(tǒng)的軟、硬件設計。

參考文獻

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收稿日期：2019-06-26

作者簡介：何敬宇（1970—），男，漢族，北京人，碩士，高級工程師，研究方向：航空電氣系統(tǒng)設計。