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配電方式的不足和智能配電技術的優點，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的軟、硬件設計。

關鍵詞：智能配電;總線;固態功率控制（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。隨著系留氣球的發展，電子設備數量和復雜度增加，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出來：電網重量過大;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功率控制的新型配電技術，通過總線將計算機的指令傳輸到配電單元，通過固態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和參數，從而實現對系留氣球電能的自動分配、管理、監控及保護。

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點：（1）固態器件的開關次數可達數億次，解決了風機類負載高頻開關的要求，提高了配電系統壽命;（2）省去了繁雜的負載控制線路，簡化配電系統、降低重量和減少體積;（3）對全系統負載進行綜合管理與調度，提高了配電系統的可靠性;（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生火花和電弧的問題，提高了系統電磁兼容性。

本文依據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氣球智能配電系統進行研究和設計。

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設計

根據前文分析，針對系留氣球典型負載開展系留氣球智能配電系統設計。

2.1系統硬件設計

智能配電系統主要由母板、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構支撐和電氣連接;CPU板為核心控制部件，通過總線接收上位機的控制指令，下發給各SSPC通道并將SSPC通道的狀態信息反饋給上位機，實現產品的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通道的狀態信息并反饋至CPU板部件，實現過流保護和短路保護等;電源板部件經過濾波穩壓等為正常工作提供電源。智能配電系統原理框圖如圖3所示。

根據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轉換電路、微控制器電路、AD采集電路、總線通訊電路、驅動電路、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構，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理到微控制器能夠采集的0～3.3V電壓范圍內。

MOSFET驅動電路將微控制器發出的0/3.3V控制信號通過專用驅動芯片轉換為0/9V的MOSFET驅動電平。驅動芯片瞬態輸出電流可達2A，能夠可靠驅動多個并聯的MOSFET。

配電系統內部采用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數字信號隔離。配電系統與外部上位機通過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實現其控制邏輯，以Ⅰ型閥門為例，如圖6所示，采用4路SSPC實現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聯動開通、關斷，2組SSPC互補開、關并設置相應的死區，防止開通關斷信號同時存在損壞設備。

2.2軟件設計

智能配電系統軟件主要包括主控軟件和SSPC控制軟件。

主控軟件實現的功能主要有：系統BIT檢測、接收上位機指令并下發至各SSPC模塊，查詢各SSPC通道的實時狀態并上報、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CPU板下發的通斷指令控制SSPC通道的開通與關斷，監測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規定曲線的I²T保護和短路保護，并記錄跳閘時刻的SSPC通道狀態信息。根據電流采樣值、電壓采樣值進行閾值比較，將比較的SSPC狀態信息上報至主控軟件。其軟件流程圖如圖8所示。

3結語

本文首先分析了系留氣球傳統配電方式的不足和智能配電技術在系留氣球上應用的優點，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：航空電氣系統設計。