基于電源輸入模型庫(kù)的虛擬環(huán)境鑒定方法

賀 怡 楊溢煒 王幫亭 王 怡 徐嬌嬌

（1.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210；2.陜西航空電氣有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著多電飛機(jī)和全電飛機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用的機(jī)載用電設(shè)備大幅增加，導(dǎo)致新一代飛機(jī)電源容量顯著增大，通過(guò)提高電壓來(lái)減小電網(wǎng)導(dǎo)線截面積、減輕線纜重量成為新的發(fā)展趨勢(shì)。

目前，波音公司的B787和空客公司的A350均采用了230/400VAC變頻交流作為飛機(jī)主發(fā)電系統(tǒng)，其中，B787飛機(jī)采用了基于無(wú)引氣的多電技術(shù)，使用傳統(tǒng)引氣作為能源的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、環(huán)控系統(tǒng)、防冰系統(tǒng)和輔助動(dòng)力裝置等均采用了電能，帶來(lái)了一場(chǎng)新的技術(shù)進(jìn)步，成為第一代多電民用飛機(jī)技術(shù)標(biāo)志。

一方面，飛機(jī)多電供電體系復(fù)雜，各用電設(shè)備的突然投切、交直流系統(tǒng)間轉(zhuǎn)換都會(huì)影響電源系統(tǒng)的供電品質(zhì)；另一方面，電源系統(tǒng)不同的供電品質(zhì)也會(huì)影響供電設(shè)備和用電設(shè)備的工作性能。因此，為保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，研究并實(shí)現(xiàn)飛機(jī)供電系統(tǒng)與機(jī)載用電設(shè)備之間的兼容性具有重要意義。

機(jī)載設(shè)備依據(jù)RTCA/DO-160進(jìn)行設(shè)備的設(shè)計(jì)與測(cè)試，RTCA/DO-160《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)程序》是美國(guó)航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)(RTCA)制定的機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件與測(cè)試規(guī)程，為機(jī)載設(shè)備規(guī)定了一系列的最低性能環(huán)境試驗(yàn)條件和相應(yīng)的試驗(yàn)方法，其目的是確定機(jī)載設(shè)備在典型環(huán)境條件下的性能特性，通過(guò)測(cè)試的設(shè)備才能獲得民航局的認(rèn)可。

本文提出了基于電源輸入模型庫(kù)的虛擬環(huán)境鑒定方法，通過(guò)建立虛擬電源輸入模型庫(kù)，對(duì)RTCA/DO-160《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)程序》（下文簡(jiǎn)稱“DO-160”）試驗(yàn)條件模型化，為機(jī)載用電設(shè)備電源品質(zhì)的驗(yàn)證提供測(cè)試場(chǎng)景支持。

1 飛機(jī)電網(wǎng)架構(gòu)

典型飛機(jī)電網(wǎng)架構(gòu)包括主發(fā)電、輔助發(fā)電、應(yīng)急發(fā)電、一次配電、二次配電、蓄電池和變換器等。電源系統(tǒng)具有多種工作模式，為多余度系統(tǒng)，可最大限度滿足用電設(shè)備在各供電模式下的用電需求。在各供電模式下，工作的電源類型和數(shù)目不同，電源系統(tǒng)可通過(guò)配置匯流條和斷路器，為各用電設(shè)備提供電能。當(dāng)電源系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)將故障隔離，并通過(guò)互連機(jī)制，保證對(duì)盡可能多的設(shè)備供電。電源系統(tǒng)也可為機(jī)組人員提供必要的控制和顯示信息。

飛機(jī)用電設(shè)備包含交流設(shè)備和直流設(shè)備，其中交流設(shè)備除了230 V交流設(shè)備外，還有115 V交流設(shè)備，而直流設(shè)備為28 V直流供電。電源系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，主發(fā)電機(jī)提供230/400 V、360～800 Hz三相交流電，并通過(guò)自耦變壓器提供115/200 V、360～800 Hz三相交流電，由變壓整流器提供28 V直流電。

飛機(jī)電網(wǎng)架構(gòu)的復(fù)雜度決定了用電設(shè)備與電網(wǎng)兼容性的復(fù)雜度，對(duì)評(píng)估用電設(shè)備對(duì)電源系統(tǒng)的影響提出了更高要求。

2 基于電源輸入模型庫(kù)的虛擬環(huán)境鑒定方法

DO-160規(guī)定的測(cè)試包含溫度、高度、濕熱、振動(dòng)、流體敏感性、電源輸入、電壓尖峰、射頻敏感性、結(jié)冰、可燃性等多項(xiàng)試驗(yàn)，是為滿足美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）或者其他國(guó)際規(guī)定對(duì)安裝在商業(yè)航空器上設(shè)備的要求而進(jìn)行的典型測(cè)試（適航認(rèn)證），其試驗(yàn)種類繁多，程序復(fù)雜，條件嚴(yán)苛，因此，對(duì)DO-160精確的理解與遵循是研制機(jī)載設(shè)備的重中之重。

本文提出基于電源輸入模型庫(kù)的虛擬環(huán)境鑒定方法，如圖1所示，建立電源輸入的虛擬環(huán)境鑒定模型，通過(guò)虛擬仿真進(jìn)行電設(shè)備模型的集成與驗(yàn)證。

圖1 基于電源輸入模型庫(kù)的虛擬環(huán)境鑒定方法

基于Matlab Simulink，將DO-160第十六章電源輸入測(cè)試場(chǎng)景模型化，測(cè)試場(chǎng)景模型庫(kù)中包含26大類交流電源輸入以及12大類直流電源輸入，將設(shè)備模型放入模型庫(kù)，通過(guò)虛擬環(huán)境鑒定試驗(yàn)，進(jìn)行模型的測(cè)試。與此同時(shí)建立模型校驗(yàn)機(jī)制，建立測(cè)量設(shè)備模型庫(kù)，用來(lái)檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果是否滿足設(shè)備性能規(guī)范的要求，從而進(jìn)一步對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行迭代優(yōu)化。

該方法不僅為后續(xù)系統(tǒng)模型集成與仿真提供電源輸入，同時(shí)也提供模型的測(cè)試校驗(yàn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備虛擬環(huán)境鑒定試驗(yàn)流程閉環(huán)。

針對(duì)RTCA/DO-160《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)程序》第十六章電源輸入，交流設(shè)備正常工作場(chǎng)景見(jiàn)表1，交流設(shè)備非正常工作場(chǎng)景見(jiàn)表2。

表1 交流設(shè)備正常工作場(chǎng)景

表2 交流設(shè)備非正常工作場(chǎng)景

以交流設(shè)備瞬時(shí)電源中斷和三相電壓不平衡為例，針對(duì)具體的DO-160規(guī)定建立測(cè)試場(chǎng)景電源輸入模型，包含電源產(chǎn)生模塊和電源調(diào)節(jié)測(cè)量模塊。

2.1 瞬時(shí)電源中斷

針對(duì)DO-160第十六章16.5.1.4節(jié)，建立測(cè)試場(chǎng)景模型如圖2所示，左邊是電源產(chǎn)生模塊，采用三相可控電壓源，右邊是電源調(diào)節(jié)測(cè)量模塊，采用Fcn模塊封裝時(shí)間判斷邏輯。

圖2 CF類設(shè)備瞬時(shí)電源中斷模型

CF類設(shè)備指的是預(yù)期使用在飛機(jī)恒頻（400Hz）交流主電源系統(tǒng)中的交流用電設(shè)備，在此模型中，三相可控電壓源參數(shù)設(shè)置為有效值115 V，頻率400 Hz。模型中三個(gè)增益分別設(shè)置為1、160/115、70/115。函數(shù)fcn_zhongduan封裝時(shí)間判斷邏輯，控制調(diào)節(jié)電壓中斷。

CF類設(shè)備在115 V有效值下工作30 s，以10秒的間隔中斷電源五次，每次中斷時(shí)間50 ms，確定是否符合有關(guān)設(shè)備性能標(biāo)準(zhǔn)。如圖3所示，在T=30 s、40 s、50 s、60 s、70 s分別設(shè)置五次電源中斷，每次持續(xù)50 ms，之后返回115 V。在T=80 s、90 s、100 s、110 s、120 s分別設(shè)置五次電源中斷，每次持續(xù)200 ms，之后返回正常工作電壓115 V。

圖3 CF類設(shè)備瞬時(shí)電源中斷波形（T=60s）

如圖4所示，為CF類設(shè)備浪中斷波形T=80 s左右電源中斷，在T=80～80.2 s電源中斷，持續(xù)200 ms，然后電壓回到115 V有效值。

圖4 CF類設(shè)備瞬時(shí)電源中斷波形（T=80s）

2.2 三相電壓不平衡

針對(duì)DO-160第十六章16.5.1.1節(jié)三相電壓不平衡試驗(yàn)，每次試驗(yàn)先調(diào)節(jié)到主電源三相平衡，再調(diào)節(jié)到三相不平衡，三相設(shè)備（CF類）在最大工作周期下至少工作5分鐘。

如圖6所示，為交流電源輸入波形，其中A、B、C三相有效值分別為122V、122V、116V，分別由藍(lán)、綠、紅、色三條曲線表示，工作頻率為410Hz。

針對(duì)WF類設(shè)備，即預(yù)期使用在飛機(jī)寬變頻（360Hz～800Hz）交流主電源系統(tǒng)中的交流用電設(shè)備，每次試驗(yàn)先調(diào)節(jié)到主電源三相平衡，再調(diào)節(jié)到三相不平衡。設(shè)備在最大工作周期下至少工作5分鐘。

圖5 CF類設(shè)備三相不平衡波形

如圖6所示，為交流電源輸入波形，此時(shí)三相有效值分別為100 V、100 V、106 V，分別由藍(lán)、紅、黃色三條曲線表示，工作頻率為800 Hz。

圖6 WF類設(shè)備三相不平衡波形

通過(guò)對(duì)瞬時(shí)電源中斷和三相電壓不平衡電源輸入測(cè)試場(chǎng)景的仿真，證明了基于電源輸入模型庫(kù)的虛擬環(huán)境鑒定方法輸出電源的正確性，遵循DO-160中規(guī)定，滿足測(cè)試判據(jù)要求，為后續(xù)設(shè)備模型的測(cè)試打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)變頻交流供電體制進(jìn)行了背景介紹，提出了基于電源輸入模型庫(kù)的虛擬環(huán)境鑒定方法，該方法具有以下三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）測(cè)試場(chǎng)景模型化：基于電源輸入模型庫(kù)的虛擬環(huán)境鑒定方法針對(duì)DO-160第十六章中25大類測(cè)試場(chǎng)景模型進(jìn)行建模，對(duì)于交直流不同設(shè)備類型，共包含38種測(cè)試場(chǎng)景模型；（2）測(cè)試場(chǎng)景程序化：本方法采用Simulink搭建電源輸入仿真模型，對(duì)DO-160章節(jié)實(shí)現(xiàn)程序化轉(zhuǎn)換；（3）提高效率，節(jié)約成本：本方法通過(guò)虛擬仿真進(jìn)行電設(shè)備模型的集成與驗(yàn)證，可為電氣設(shè)備鑒定試驗(yàn)程序的評(píng)閱工作提供極大支持。