應用DSM的航天器供配電分系統架構設計方法

劉治鋼 杜青 李海津 夏寧 彭兢 楊孟飛

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 中國空間技術研究院，北京 100094)

航天器供配電分系統是航天器上產生、貯存、變換、調節和分配電能的分系統。由于其系統性和全局性的特點，供配電技術一直是航天器總體設計的關鍵技術之一。目前，國內外航天器供配電分系統設計主要以文檔為載體，設計師依據個人習慣選用設計仿真軟件或自研小工具開展設計和仿真分析，得到與任務需求匹配度最高的系統和單機方案。這種設計模式存在以下不足：不同工具建立的模型無法復用，工具間的接口也未完全打通，需要依靠人工調整輸入輸出數據格式實現上下游工具間的數據傳遞，難以開展及時的系統綜合仿真驗證，增加了后續設計復核、校驗、故障定位及排查等方面的工作難度。以母線降額和壓降分析為例，電纜網連接關系、長度、線型線規、降額準則分散在電纜網接點表、電纜分支圖、電纜線型線規手冊和降額標準中，需要人工完成數據源的提取和復核，效率低，易出錯。航天飛行任務難度和復雜度的上升，同時研制周期大幅縮短，對供配電分系統的設計能力和研制效率都提出了更高的要求，迫切需要采用新方法、新手段應對上述挑戰。

基于模型的系統工程是數字化技術的最新發展，被普遍認為是應對復雜性挑戰、支撐創新設計的有效解決方案[1-3]。現有的系統工程方法通常采用通用系統建模語言，如SysML和UML來形式化系統架構。系統工程師使用這些語言中的一系列可視化符號和關系來構建模型，以描述系統架構并捕獲相關信息。與基于通用建模語言構建的系統模型相比，特定域建模(DSM)[4]直接面向問題領域，通過提取領域中的主要概念并使用符號化的特定建模語言(DSML)來表現，建模效率高、表達性強，對專業系統而言更具針對性。例如：美國先進研究計劃局(DARPA)在元工具META項目中面向信息物理系統(CPS)特點定義了一套ADML語言，以實現CPS系統架構建模[5]。NASA噴氣推進實驗室(JPL)基于領域概念擴展了SysML，形成了面向電驅飛行器的DSM語言，形式化規范和設計電驅飛行器的電氣架構[6]。另外，基于模型的系統工程強調早期的設計驗證，以減少設計變更。目前，在系統設計模型與系統仿真模型的集成上已有不少研究成果。文獻[7]中通過SysML建模工具MagicDraw與Modelica建模工具MapleSim的模型轉換，實現了汽車架構的多領域集成分析。文獻[8]中提出了擴展SysML，允許通過SysML4Modelica配置文件直接在SysML中使用Modelica領域概念。上述集成研究多在通用建模語言上實現，難以直接應用到面向供配電領域建模與仿真中。

本文在上述研究的基礎上，針對我國航天器供配電分系統專業特點，提出一種應用DSM的航天器供配電分系統架構設計方法，通過抽象供配電領域概念形成供配電領域元模型，基于元模型構建層次化供配電DSM架構模型。通過組件映射和模型轉化方法，將DSM架構模型自動生成Modelica仿真模型，開展供配電分系統綜合仿真分析，并開發了相應的軟件工具，在航天器研制中對方法與工具的可行性進行了驗證。

1 應用DSM的供配電分系統架構設計方法

1.1 總體思路

航天器研制方案階段開展供配電分系統架構設計主要包含2個部分內容：①根據任務需求開展系統架構設計；②利用仿真工具對系統架構進行驗證，確認是否能滿足任務需求。應用DSM開展架構設計，可實現航天器供配電分系統的系統層、設備層和電路層統一、嚴謹、無二義的表達；利用Modelica開展建模仿真分析，可實現多領域連續/離散系統的混合建模。此外，通過組件映射和模型轉化方法，利用DSM架構模型還可以自動生成Modelica仿真模型，大大減少傳統設計方法依靠人工實現兩者間信息傳遞和迭代的工作量，降低引入人為錯誤的幾率，從而提升方案階段供配電分系統架構設計與驗證的效率。

續 表

圖1描述了航天器供配電分系統架構設計采用的DSM與仿真方法，左側為設計域，描述了架構設計模型的構建路徑，右側驗證域是與設計域中模型層次相對應的仿真模型。該方法用4層模型結構表達供配電分系統架構設計與驗證過程。

圖1 DSM與仿真方法

(1)M3層(元元模型和Modelica規范)。元元模型用于支持供配電分系統架構模型的元模型定義，采用GOPPR[5]元建模語言定義，包括圖表、對象、關系、角色、屬性。與之對應的是Modelica規范，包括類、連接器、方程、參數等語義元素。

(2)M2層(元模型和Modelica庫)。M2層用于定義和實現元模型。元模型是元元模型的實例，用于構建不同層次架構的DSM模型。Modelica模型庫是基于Modelica規范構建的。

(3)M1層(DSM和Modelica模型)。DSM模型是不同層次供配電分系統架構模型的表達；而Modelica模型是用于對應架構設計模型的驗證和確認的多領域仿真模型。

(4)M0層(建模實例)。M0層是DSM模型的實例化，用于描述真實供配電分系統架構，Modelica模型則用于實現該真實供配電分系統架構的仿真驗證。

1.2 航天器供配電分系統層次化架構模型

航天器供配電分系統通常包括電源子系統和總體電路子系統。采用DSM庫中的元模型來構建不同層次的供配電架構——頂層、系統層、設備層和電路層。在這些層中，上層為下層約束了接口和連接。DSM庫中定義了不同層次的符號元素，為每層架構建模提供支持，如圖2所示。下面分別介紹每一層。

圖2 供配電分系統架構的層次定義

(1)頂層(Level 0)。作為供配電分系統的最頂層，該層以總體技術要求為輸入，定義了供配電分系統與外部環境及其他系統的大粒度的接口。外部環境接口如軌道、光照等，與其他系統接口如供電形式等。

(2)系統層(Level 1)。在系統層中，根據頂層中的接口約束，定義了供配電分系統架構中的設備組成、設備接口及設備間的能量流。例如，在圖2中，為了滿足供配電分系統的功能要求，定義了包括太陽電池陣、蓄電池、功率調節與配電單元(PCDU)在內的設備組成，同時定義了設備間的接口與連接。

(3)設備層(Level 2)。設備層定義了系統層中設備包含的組件與對應的連接。例如：采用蓄電池充電調節單元(BCR)、蓄電池放電調節單元和分流調節單元等組件構建PCDU。這些組件及其連接定義了設備層的架構模型。

(4)電路層(Level 3)。電路層基于DSM庫中的電路單元，如電阻、電容、開關等元器件完成對上層組件的詳細定義。對于負載類設備，主要定義其接口電路的組成。

1.2.1 航天器供配電領域元模型構建

為了設計和實現供配電分系統的DSM，需要對供配電領域概念進行抽象，形成供配電領域元模型。結合供配電設計要素，定義不同系統層次的特定域概念，即元模型，如表1所示，每個元模型都有與之對應的圖形符號(見圖3)。

表1 供配電分系統架構中的領域特定概念示例

注：EPS為能源系統。

基于DSM元模型構建的系統模型和設備模型示意，如圖4所示。頂層主要表征分系統間的電氣接口，包括電源分系統的母線電壓和供電能力，以及其他分系統的功率需求；系統層模型主要包含EPS的關鍵參數特性，例如太陽電池電路的輸出功率、母線電壓等級、負載功率等；設備層模型在此基礎上增加了設備內部模塊組成，例如太陽電池電路由多少分陣構成，電源控制器內部包含哪些模塊和電路，以及負載接口電路組成等；再向底層延伸的電路層包含具體電路的元器件及其型號、參數。按照上述原則，通過層層細化或抽象實現系統各級次參數和信息的有序表征。

注：S4R為順序開關分流串聯調節器。

1.2.2 供配電分系統的Modelica模型庫

根據基于領域特定概念定義的元模型，建立支持自動化仿真驗證的Modelica模型。這些Modelica模型按不同層級構建，涉及特定的系統、設備、組件和電路，如圖5所示。

圖5 供配電Modelica模型庫

在頂層中，構建了高層次的航天器系統。該級別有4種類型的模型：環境模型、供電系統模型、配電系統模型和負載系統模型。這些模型的參數包括電壓、電流、功率等。

在系統層中，根據功能需求，構建設備組成、設備控制算法，指定設備的功率流和關鍵屬性。例如，設備級的Modelica模型庫包括太陽電池陣列、電池等模型。

在設備層中，構建了設備的內部組件，如太陽電池陣單元和蓄電池單元。

在電路層中，包含了接口電路相關元器件，如電阻、電容、二極管等。

以蓄電池組為例，介紹層次化模型建立方法。

在系統層級，每個蓄電池組(Group)對系統的貢獻為電壓、電流2個變量，對外部其他模型主要以功能接口傳遞電流i、電壓v信息。蓄電池組主要配置參數為蓄電池總容量Q、額定電壓V和初始容量Qini。對于系統，主要監測的蓄電池組整體模型的變量為荷電狀態(SOC)、實時輸入功率PIn和實時輸出功率POut。基于此分析，該層次的蓄電池組模型(見圖6)應為經過一定等效后的簡化模型，不涉及蓄電池單體原理及模型，只保留其外部電流i、電壓v特性及可配置的參數Q和V。

圖6 系統級蓄電池組整體模型

對于設備層模型，每個蓄電池組會由多個機組組成，每個機組對系統的貢獻為電壓、電流2個變量，經過匯集后，由蓄電池組對外部輸出。此時，蓄電池組主要可配置參數為蓄電池機組數NUnit，每個機組的可配置的參數為機組的額定容量Q、額定電壓V、初始容量Qini。這些參數均可由系統層蓄電池組整體模型的參數Q，V，Qini等分解得到。對于系統，主要監測蓄電池組中各個機組的SOC，并經過計算得到整個蓄電池組的SOC；監測每個機組的實時輸入和輸出功率PIn_Unit和POut_Unit，并經過計算得到整個蓄電池組的輸入和輸出功率PIn和POut。圖7為設備級蓄電池組整體模型。

圖7 設備級蓄電池組整體模型

電路層模型中的每個蓄電池組機組，由多個蓄電池單體組成，一般，每個單體的電池對系統的貢獻為電壓、電流2個變量，經過匯集、接口電路轉換后，由蓄電池組對外部輸出，并結合接口數據單(IDS)的線纜分支信息，分為多路進行功率傳輸。此時，蓄電池組主要可配置參數為蓄電池機組數NUnit、單體的串聯數Ns、并聯數Np；每個單體可配置的參數為單體的額定容量Q、額定電壓V、初始容量Qini。這些參數均可由設備層蓄電池組整體模型的參數Q，V，Qini，NUnit及蓄電池的選型情況等分解得到。

電路層等效電路模型如圖8所示。其中：電阻R1和電容C1并聯的組合可以反映電池的動態特性；電阻R2可以反映電池的阻性；電動勢E反映電池的平緩的放電平臺；U為蓄電池輸出端口電壓，輸出端并聯電阻R3反映電池自放電特性；溫度對電池性能的影響，通過電阻和電容值與溫度的關系來反映。

圖8 電路級蓄電池組整體模型

SOC采用電流積分法計算，其值SOC如式(1)所示；電池充滿電時為1。

(1)

式中：QM為電池容量。

充放電循環次數(NCycle)根據電流積分來計算，見式(2)。

(2)

式中：NCycle,ini為初始循環次數；「?表示向下取整。

SOC與輸出電壓關系根據蓄電池組地面充放電試驗矩陣進行描述。

1.2.3 支持自動仿真驗證的模型轉換

面向不同層次的系統架構模型，通過模型轉換方法，自動化生成Modelica模型，實現對DSM架構模型的仿真驗證。模型轉換的步驟如下。

(1)在系統層中生成Modelica模型。基于系統層中的設備模型和開發的Modelica模型庫，生成系統層中的相關Modelica模型。Modelica模型包括塊、參數、接口和方程定義。①塊定義：根據DSM中的設備塊生成對應的Modelica封裝類，兩者命名保持一致。②參數定義：根據DSM模型中的屬性，聲明Modelica模型中的參數。例如，Modelica模型中的參數Modelica.SIunits.Voltage對應于DSM模型中的電壓屬性。③接口定義：提取DSM模型中的接口信息，按照Modelica語義依次聲明外部連接接口，如設備中存在電連接器X01，且具有16個接點連接關系，則聲明為Interfaces.Special.connector X01[16]。④方程定義：按照Modelica語義聲明名方程框架，供用戶填寫設備方程原理及對外部接口的連接方程。

(2)在頂層中生成Modelica模型。基于頂層中的DSM模型，已開發的Modelica模型庫及步驟(1)中生成的相關設備Modelica模型，生成供配電分系統仿真模型框架。系統模型框架主要包括：外部連接定義、設備對象定義、環境模型定義、連接方程定義。①外部連接定義：例如，供配電分系統的外部接口SI.Voltage V_Bus和SI.Current I_Bus表示頂層中的系統母線電壓和電流。②設備對象定義：在供配電分系統中定義設備。根據Modelica模型庫中的現有塊，生成相關設備的Modelica模型。如果未在Modelica模型庫中定義相關的Modelica模型，則執行步驟1以為相關設備定義Modelica模塊。③環境模型定義：基于Modelica模型庫定義環境塊。例如，Light.Environment指的是所處的光照條件。④連接方程定義：定義設備之間連接的連接方程。例如，Device A中的連接X01中的端口4與Device B中的連接X03中的端口2連接。基于Modelica規范，Modelica代碼“connect(A.X01 [4]，b.x03 [2])”。

2 應用實踐

為驗證上述應用DSM的航天器供配電分系統架構設計方法，開發了相應的供配電架構建模與仿真工具PDS，并在嫦娥五號飛行試驗器的供配電分系統設計中進行了應用驗證。飛行試驗器由服務艙和返回器2個艙段組成，采用自頂向下的方式，構建的系統級、設備級和電路級DSM，如圖9所示。該架構包含了近150個電氣設備和超過1.3萬根連接導線，與基于文檔的架構設計方法相比，應用DSM進行架構設計的設計周期縮短1/2，信息量實現數量級提升。

圖9 飛行試驗器的可視化架構

構建不同層次的元模型和對應Modelica模型庫，通過組件映射和模型轉化方法，利用DSM架構模型自動生成Modelica仿真模型，如圖10所示。自動轉化前后模型覆蓋率達到100%，與手工創建仿真模型相比時間縮短80%以上。利用Modelica仿真模型開展了系統能量平衡分析，驗證設計是否符合技術指標要求。

圖10 生成設備仿真模型的Modelica代碼

圖11為嫦娥五號飛行試驗器供配電分系統架構的4個視圖。DSM模型為供配電架構設計視圖，Modelica模型為供配電架構仿真視圖，空間環境為供配電分系統的外部環境接口視圖，同時實時顯示仿真結果，可實現太陽電池陣輸出功率、負載功率、母線電壓、母線電流和蓄電池組容量、電壓的動態仿真分析，從而驗證供配電架構設計的可行性。

圖11 應用DSM的供配電分系統架構建模與仿真工具

3 技術特點分析

本文提出的應用DSM的航天器供配電分系統架構設計方法具有以下特點和優勢。

(1)DSM直接面向問題領域，與基于通用建模語言構建的系統模型相比，建模效率高、表達性強，對航天器EPS更具針對性。

(2)通過組件映射和模型轉化方法，將DSM架構模型自動生成Modelica仿真模型，在減少人工建模工作量的同時最大程度地保證了模型傳遞一致性，提升供配電分系統架構設計與驗證的效率。

(3)應用DSM可實現從頂層到電路級的層次化架構設計和展示，生成的層次化Modelica仿真模型可支持系統級能量平衡仿真到電路級母線動態仿真。

4 結束語

本文針對航天器供配電專業特點，開展了應用DSM的航天器供配電分系統架構設計方法研究。使用DSM構建航天器供配電分系統架構的層次化模型。通過DSM與Modelica的映射轉換技術，實現了設計信息到仿真模型的自動化、一致性傳遞，提升了仿真驗證效率。開發了相應的軟件工具，在航天器中對方法與工具的可行性進行了驗證。該方法可為實現基于模型的航天器系統設計奠定基礎。