航天器電源系統大功率智能配電技術

李廷中，王蓓蓓，周新順

（北京衛星制造廠，北京 100190）

0 引言

航天器電源系統承擔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和保障[1]。隨著未來航天器的功能要求越來越強大、任務要求越來越復雜、壽命要求越來越長，其內部電源系統的功率等級和用電設備數量不斷增大[2]。系統容量的增加必將給航天器能源分配、管理、控制以及系統可靠性、故障保護、數據采集提出更高的要求。顯然，傳統的機電式配電系統已經無法滿足上述需求[3-4]。

“天宮一號”目標飛行器電源系統采用智能配電技術，實現了整器一次電能和二次電能的變換、控制與管理，以及電源系統工作參數和狀態的實時采集，整器在軌飛行工作狀態良好。本文在總結“天宮一號”大功率智能配電單元的基礎上，擬進一步采用智能數據處理、固態功率控制、故障自診斷等技術方案，為電源系統提供全方面的保障[5-7]。這些改進技術的應用將大大推動航天器能源系統的智能化進程。

1 大功率智能配電單元的組成及功能

“天宮一號”目標飛行器作為我國自主研發的空間試驗平臺，具有功能多、容量大和系統復雜等特點。“天宮一號”電源系統承擔整器電能變換、控制和管理任務，由多臺智能供配電單機和二次電源組成。大功率智能配電單元（以下簡稱“配電單元”）作為“天宮一號”平臺類供配電關鍵單機，負責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100 V負載和28 V負載的供電控制；通過內置數據采集單元，實現單機工作狀態信息的采集，并送至數管分系統遙測下行。

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，數據采集單元和輸入輸出接口單元。其中，配電控制單元、數據采集單元是配電單元的設計重點，也是其智能化的集中體現。DC/DC變換單元用于完成一次母線至二次母線的電壓變換，采用北京衛星制造廠具有飛行經歷的大功率模塊電源實現。配電單元通過采用標準化、通用化及單元化設計，合理劃分各單元模塊，大大提高了產品的通用性和可測性，可以滿足單機設備在軌維修的要求。

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

2 大功率智能配電的關鍵技術

2.1 大功率配電技術

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、不同功率的負載提供電能，并接收程控和遙控指令，對各路負載進行配電控制。為了提高繼電器控制開關的可靠性，每個開關采用2個相同繼電器并聯。為實時檢測繼電器的通斷狀態，采用狀態繼電器與功率繼電器并聯，以狀態繼電器的檢測電壓反映功率繼電器的狀態。通過合理的參數設計，使狀態繼電器的檢測電壓滿足數據采集軟件設計的閾值電壓，并具有1 V的噪聲容限，以保證檢測結果的有效性。

2.2 數據采集串行通信技術

數據采集單元用于實時采集反映配電單元工作狀態的電壓、電流、溫度和繼電器狀態等48路參數；并將模擬量轉換為數字量，通過串行通信接口與數管分系統（RTU）進行串行通信[8]。

數據采集單元由模擬開關、模/數轉換器、微處理器及其外圍電路以及串行數字通信接口電路組成，如圖1所示。工作時選通模擬開關的某一路，將待測信號引入模/數轉換器轉換為數字量；微處理器對所得數字量進行處理，并儲存到其數據區中，再通過串行數字通道傳到數管分系統。每臺配電單元中含有2個互為冷備份的數據采集單元，主/備份分別對應一個串行數字通道。當RTU接收不到數據或接收的數據連續超出正常范圍時，則認為主份硬件故障，此時由地面發出指令，完成主/備份的切換。

圖1 數據采集單元原理圖Fig.1 Block diagram of the data acquisition unit

模/數轉換器和微處理器是數據采集單元的核心器件。微處理器選用80C32單片機，具有4個8位I/O口、256字節內部RAM和6個中斷源。通過外部程序和數字存儲器進行擴展，通過P0和P2口進行數據和地址的時分復用。模/數轉換選用12位逐次逼近型快速模/數轉換器AD574實現，其最長轉換時間為35 μs，轉換精度≤1 LSB。通過計算分析可知，如不考慮外部參數誤差，數據采集單元對100 V母線電壓的測量精度可以達到±0.024 V，能夠滿足“天宮一號”目標飛行器 0.5%的高精度采集要求。

2.3 數據采集抗干擾技術

配電單元為平臺類單機，具有多路負載，每路負載的輸入阻抗、工作狀態各不相同。為了避免各路負載在加斷電瞬間產生的噪聲影響數據采集的結果，需要對數據采集單元進行抗干擾設計。本文根據數據采集單元的原理，提出了針對通信接口電路和模擬轉換電路的抗干擾策略。

2.3.1 通信接口電路抗干擾設計

在配電單元的研制過程中測試發現，單機的感性負載在加斷電瞬間會產生干擾電壓，通過地線串擾至數據采集通信接口電路。干擾電壓作為虛假門控信號會導致數據采集軟件誤入中斷，在通信數據包中會出現一幀全FF數據。針對該問題，在接口驅動芯片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對軟件正常運行的影響。通過試驗，驗證了該抗干擾設計的有效性。

2.3.2 模擬量采集硬件濾波設計

為了提高數據采集單元的測量精度，防止干擾信號影響數據的正確采集，結合軟件運行需要的時間，在電壓跟隨器和模/數轉換器之間加入 RC濾波，以保證完全抑制設定頻率以上的干擾信號，同時不影響正常的數據采集。

2.3.3 數字量采集軟件濾波設計

在硬件濾波的基礎上，數據采集單元的軟件也進行了濾波設計。軟件對某一通道的模擬量進行6次采集和轉換，在這6次轉換數值中，去掉1個最高值和1個最低值，將剩余4個數字量求平均值，作為模擬量的最終轉換結果。軟硬件的雙重抗干擾設計可以保證數據采集準確、可靠。

3 智能能源管理單元的組成及功能

載人航天工程后續項目任務的電源系統，將在“天宮一號”目標飛行器配電單元的基礎上，進一步提升配電系統的智能化水平，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。作為主要功能模塊，管理單元負責將一次電源輸出的電能穩定、可靠地向用電負載傳送，實現用電負載的統一管理和控制。管理單元在實現電壓變換、供電控制及數據采集的同時，增加故障定位（實現短路、開路及過溫等故障的檢測）、配電隔離及重構功能，并通過1553B總線實現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備安裝在標準機柜中，也能作為專用的配電設備安裝在其他部位。

管理單元由DC/DC變換單元、功率控制單元、數據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，實現數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載輸入端。功率控制單元功能更加完備，可以完成短路保護、I2t反限時保護、狀態檢測及固態配電等功能。數據處理與通信單元負責完成自檢、數據采集和處理、功率統計、狀態判斷、故障檢測及定位以及總線通信等功能。

當管理單元的負載端出現短路、過流或響應超時等故障時，功率控制單元、數據處理與通信單元在第一時間切斷負載供電。當管理單元出現通信接口故障或處理器故障時，用戶能夠通過單機設置的應急遙測遙控接口對各配電通道進行控制和監測[11-12]。

4 智能能源管理的關鍵技術

4.1 智能數據處理與通信技術

數據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的命令，向驅動電路發出開關信號來控制功率管的開關，如圖2所示。其中，處理器主要完成故障二級檢測、單機故障診斷、數據采集及總線通信等功能；1553B總線接口實現單元與數據總線網絡的連接，接收總線指令，再經解析、譯碼和數/模轉換實現管理單元的控制；單元內部遙測遙控接口對供配電開關進行控制；模/數轉換模塊實現單機遙測數據的采集；當處理器或通信接口出現故障時，即用應急接口電路來控制負載的配電和監視負載狀態。

圖2 數據處理與通信單元原理框圖Fig.2 Schematic diagram of data processing and communication unit

數據處理與通信單元在實時采集負載電流、電壓信號和負載狀態的基礎上，能夠根據采集結果判斷該狀態是否為故障模式，并根據狀態信息決定是否關斷功率管及何時發出關斷信號，同時將此信息通過總線反饋給能源中心計算機。為了提高單機的可靠性，數據處理與通信單元及其通信接口電路均進行主/備冗余設計，并增加應急遙測遙控接口，確保中心計算機能夠實現對配電通道的監測及控制。

4.2 固態功率控制技術

管理單元采用固態功率控制器（solid-state power controller，SSPC）代替傳統繼電器和過載保護器。固態功率控制技術能夠克服傳統配電技術粗放的缺點，根據任務需求實現對負載的通斷控制，并且在負載出現故障時，為整器電源系統提供全面保護。固態功率控制技術和計算機控制技術的綜合應用，可以實現航天器電源系統的自主運行，在系統局部出現故障時自動完成系統重構，為系統的健康管理提供信息。其優點體現在以下3個方面：

1）管理功能更智能。SSPC能夠根據航天器運行軌道和任務狀態的不同，按照用電設備的重要性對一次電源和二次電源的功率進行合理的自動調度分配。

2）保護功能更全面。SSPC能夠實時檢測系統各路負載電壓、電流，并根據需要設定過流保護值和保護延時，從而實現I2t保護、短路保護及電弧放電保護等功能，為整器電源系統提供全面保護。

3）結合軟件更靈活。SSPC能夠通過軟件編程對各線路額定電流值及其他保護指標值進行設定。

4.3 反時限過流保護技術

SSPC最大的特點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，嚴重過載跳閘時間短的反時限保護特性。反時限保護需要按照SSPC的跳閘特性曲線進行I2t設計，保證延時時間點落在保護曲線給定的保護區域內，如圖3所示。SSPC的I2t反時限保護功能可以通過積分器實現。電流檢測信號經過抬壓濾波、積分電路和比較電路，實現反時限跳閘保護。

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

4.4 保護參數在軌修改技術

為了滿足能源管理通道保護參數可通過總線接口進行在軌修改的要求，管理單元采用軟件延時保護算法實現對保護參數的在軌修改。

軟件根據數據采集通道采集的負載電流值，判斷此時是否過載：如果負載電流值已超過了設定值，則軟件啟動故障保護程序。軟件會依照I2t延時保護曲線確定保護延時時間，并開始計時；時間到達后，管理單元發出SSPC關斷指令，完成延時保護。軟件可根據數據總線信息中的保護參數設定，重新確定過載參數，進而實現保護參數的在軌修改。

4.5 故障自診斷技術

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

管理單元采用了狀態檢測、監控和故障隔離綜合技術（built-in-test，BIT），在發生故障時，能夠檢測到故障，確定故障模式，界定故障范圍，并執行故障預測和隔離等相關措施，具有一定的報警能力[14]。其工作機理如下：硬件實時采集電壓、電流和溫度等數據，與內嵌在管理單元中的標準數據進行比較，當偏差在容許范圍之外時，表示出現故障。對于管理單元內部某部分突然發生損壞或停止工作的“硬故障”，管理單元根據采集的狀態信息，對照內嵌的狀態分析表進行故障模式判斷和定位。對于參數漂移或變化緩慢的“軟故障”，管理單元通過總線通信接口將監測點信號數據上傳給能源中心計算機，由能源中心計算機通過對歷史和現行數據進行對比判斷，得出該電路或器件是否將要發生故障的結論。

5 結束語

大功率智能配電技術是當代航天器智能電源在軌管理系統的核心技術之一。本文以在軌成功運行的“天宮一號”目標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所采用的設計方案和核心技術。這些關鍵技術的應用將為我國載人航天及深空探測任務的順利實施提供堅實的技術基礎，也為航天器的在軌維護和系統拓展提供支撐平臺。

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