飞机新型配电系统标准介绍

王宏霞史 伟

（1.中航工业综合技术研究所，北京 100028；2.中国航空工业集团公司，北京 100022）

飞机新型配电系统标准介绍

王宏霞1史 伟2

（1.中航工业综合技术研究所，北京 100028；2.中国航空工业集团公司，北京 100022）

对国内外飞机新型分布式配电系统技术发展以及国内外相关标准进行了分析、研究，确定了近期飞机配电系统标准研究和标准制修订重点，为新一代飞机配电系统的研制、设计提供指导，以促进新一代飞机配电系统技术的发展和标准化工作。

分布式配电；标准；研究

1 飞机配电系统的现状和发展

飞机配电系统是指由发电机主汇流条至用电设备输入端之间电能的分配、传输、控制、保护和管理系统，是飞机供电系统的重要组成部分。配电系统通常由配电装置、电网保护装置和电线电缆等组成。随着飞机性能的不断提高，机载用电设备越来越多，供电容量不断增大，系统的可靠性、安全性要求更高，配电系统的组成及结构形式也越来越复杂，技术水平越来越高。当前飞机配电系统主要有常规配电系统、遥控配电系统和分布式配电系统3种形式。

近20年来，随着飞机性能日益提高，机载系统数字化、综合化、多电化程度越来越高，对飞机配电系统提出了能够容错供电、实现负载自动管理、具有自检测能力等更高更新的要求。常规配电系统和遥控配电系统已经不能适应飞机及机载系统的技术发展，严重影响到飞机整体性能的提高。在多路传输技术、微处理技术、功率电子技术等迅速发展的基础上，一种新型的飞机配电系统应运而生，这就是分布式配电系统。它通过应用多路传输、故障隔离、系统重构、固态配电、负载自动管理等先进技术，使配电系统的数字化、综合化程度大大提高，实现了全机电功率的就近分配、传输、控制、保护和管理，有效减轻了飞机电气布线的长度和重量，节省了飞机驾驶舱空间，提高了系统的可靠性、维修性、测试性、可扩展性和生存能力，保障了飞机任务完成的可靠度和安全飞行，很大程度上改善了飞机的整体性能。分布式配电有着常规配电系统无法比拟的优越性，是下一代先进飞机配电系统的发展趋势。

2 国内外配电系统标准分析

2.1 国外标准情况分析

从收集到的国外相关标准资料来看，配电系统级标准很少，配电管理和控制标准缺乏，配电元器件标准却非常丰富，如电连接器、断路器、继电器和接触器、开关标准数量很大，涉及到的产品品种很多，既有通用规范，也有相应的详细规范或军用图纸，为配电元器件的研制、设计及发展提供了技术指导。

分布式配电技术不仅是配电系统结构的变化，也采用了新型的控制保护部件来代替传统的继电器、断路器和接触器等控制保护器件，实现飞机电气系统的智能化管理。国外的配电标准也主要集中为这些部件的设计、生产提供标准支持。

收集到的飞机配电系统主要国外标准见表1。

2.1.1 SAE ARP 5584《电能管理系统文件》

2.1.1.1 范围

SAE ARP 5584《电能管理系统文件》是配电系统重要的顶层标准，反映了飞机对供电管理的应用信息、设计导则和测试要求等方面的需求，重点在于为电能管理结构和部件的选择提供指导，以保证飞机的安全性、生存力、维修性、可靠性。固态的和混合式的功率控制器以及软件/硬件综合均可用于控制和监控电能的产生、变换和分配，这些器件为设计人员提供了多种选择。

该标准规定了现代航空器电能管理系统的定义、功能和应用指南。随着航空控制系统越来越复杂和自主，供电系统不再仅仅是发电和配电汇流条控制系统，新的供电系统包括独立的负载逻辑控制、保护、发电、配电和负载管理的综合。

表1 飞机配电系统主要国外标准

2.1.1.2 标准内容

该标准的主要内容包括系统结构需考虑因素、电能转换应用考虑因素、功率转换和保护设备、软件和硬件考虑因素和术语等。标准层次清楚，从系统到元器件、从硬件接口到软件进行了较为详细的阐述，基本覆盖了配电系统涉及的范围。

本标准的引用文件中，包括了相关的SAE标准、美国军用标准和国际标准等，详见表2。

供电特性标准是飞机配电系统设计的依据性标准，总线是配电系统管理和控制信号传输的载体，总线标准是配电系统的基础性标准。在该标准的引用文件中，没有给出各类元器件应遵循的规范，分析有以下原因。

● 配电元器件种类很多，在不同机型上有不同的应用；

表2 SAE ARP 5584引用标准清单

● 配电元器件标准类别多，有美军标、SAE、ISO等。

因此，在该标准中仅对各种器件的功能提出要求，不规定其具体执行的标准。

2.1.1.3 主要内容分析

● 系统结构需考虑因素

配电系统结构首先需考虑的因素就是电能类型、电源容量、负载类型，标准中对直流和交流系统类型作出规定，并列出了直流和交流配电系统结构设计时应考虑的因素；其次考虑的因素是系统的余度、可靠性、系统控制和管理、故障检测及隔离处理、电磁兼容性等方面。这些要素是配电系统整体设计时需考虑的内容，也是确定系统结构的重要方面。

● 电能转换时需考虑的事项

在电能转换时，需考虑：电线和设备保护，线路压降和漏电流、反电流，效率和电能损耗，控制、状态、电能接口要求，系统缺省状态、初始状态和转换顺序，系统自检测和电气测试要求以及环境试验方面的要求等。在有不中断供电要求时，供电管理系统应分配和保持配电汇流条的电能中断时间不大于100μs。

上述要求是在配电系统设计中必须考虑考虑和注意的事项，对飞机电气设计人员具有重要的指导作用。

● 功率开关和保护器件

标准中对各类功率开关和保护器件的应用场合提出建议。标准未对各类器件应执行的标准作出规定，但对固态功率控制器（SSPC）、固态继电器、机电式继电器和接触器、混合式功率控制器、遥控断路器、断路器、机电式功率控制器以及功率转换和保护器件可选择的特性从功能、系统应用的角度进行了说明，对飞机电气设计人员选用这些器件具有指导作用。

从列出的器件可以看出，标准的适用范围很宽，不仅仅适用于新型的分布式配电系统，对常规配电和遥控配电方式下应用的器件也作出了规定。我们在应用标准时，应注意这一点。

2.1.2 固态功率控制器标准

固态功率控制器是利用功率型固体器件的导通和截止来控制功率电路的通断，是一种由半导体器件组成、具有控制功率通断能力的无触点开关部件，可用来接通和断开负载电路。固态功率控制器是分布式配电系统的关键部件，尤其对飞机高压直流供电体制来说，固态功率控制器是解决开关断弧问题的关键。因此固态功率控制器的研制必然促进飞机配电系统的发展，为新一代战斗机的研制提供必需的基础电气元件。

美国研究的固态功率控制器早在20世纪70年代就已有了应用，并随飞机电源系统的发展不断涌现出新的结构设计和新的规格品种。

2.1.2.1 MIL–P–81653B

固态功率控制器标准在70年代已编制出版，目前检索到的美国军用固态功率控制器标准有：MIL–P–81653A、MIL–P–81653B和MIL–P–0081653C。

其中MIL–P–81653A是1974年出版，随后被1980年出版的MIL–P–81653B所替代，之后又出版了MIL–P–0081653C，但后来又被作废，目前有效的仍是MIL–P–81653B。

MIL–P–81653B规定了用在飞机电源系统中的DC和AC固态功率控制器的设计、生产和试验的一般要求。本规范规定的功率控制器预定用于控制电气操纵设备的供电电路的接通和断开，并在直流和交流电气系统中提供过载和过流保护，主要应用领域有飞机、导弹、太空船和地面保障设备。

2.1.2.2 ISO 8816

ISO 8816是由国际标准化组织飞机和航天器技术委员会、航天电气技术规范分会制定的。其适用范围是飞机电力系统上使用的固态（远程）功率控制器的通用设计和性能要求。

ISO 8816是于1993年颁布的。ISO 8816规定了固态功率控制器常用的术语定义、一般技术要求、设计特点、工作特性、环境条件和试验方法以及检验要求等。其中术语30条，包括（遥控）功率控制器、固态（遥控）功率控制器、混合式遥控功率控制器、短路电流等基本术语和参数的定义，统一了概念。技术要求中包括了材料、结构、端子、封装等。设计特点包括固态功率控制器的一般设计要求、控制信号、遥控功率控制器的状态信号、自动防故障装置的考虑等。

该标准与美军标结构不大相同，更多地考虑了设计员的需求，规定比较具体，可操作性强，是美军标一个有力的补充。

2.1.2.3 SAE ARP 4805

SAE ARP 4805的适用范围是电力系统上使用的直流、交流固态功率控制器的通用设计、生产和试验要求。SAE ARP 4805经修订后于2007年7月正式发布。

MIL–P–81653B和ISO 8816标准都是针对单个固态功率控制器器件，从技术发展和使用的趋势来看，固态功率控制器的使用正由单个器件向由多个SSPC组成的配电中心方向发展，而SAE ARP 4805是针对SSPC组提出要求，对SSPC的研制具有重要作用。

2.1.3 270V直流继电器标准

MIL–PRF–32085《270VDC具有可靠性指标的电磁继电器总规范》是2001年颁布的。该规范规定了主触点额定电压为270VDC、电流5A和5A以上的电磁继电器通用要求。规定了继电器的材料、设计结构、性能要求、环境要求等及鉴定要求和检验方法，特别是提出了可靠性指标的要求和鉴定方法，是制定我国相应标准的重要参考和依据。SAE ARD 50031《270VDC，有可靠性指标的电磁继电器通用规范》是1991年10月颁布实施的。该标准制定了在航空、航天、船舶等各方面应用的270V直流继电器的通用要求。

随着270V高压直流供电系统的发展，有必要对MIL–PRF–32085和SAE ARD 50031标准进行认真的分析、研究，编制270V高压直流接触器通用规范。

2.1.4 配电系统总线

传统的飞机系统通信总线包括MIL–STD–1553B、ARINC 429及ARINC 629等，这些总线在飞机上得到广泛应用。新型飞机上很多采用RS485/RS422总线实现机电系统底层控制设备的通信，达到了较好的效果。根据国外最新的总线技术的进展，很多新型飞机上采用了CAN总线作为底层控制设备的互联通信总线。

CAN（Controller Area Network）属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信总线。 与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。事实上，CAN 总线只规范了ISO/ OSI 7 层标准模型中的数据链路层（包括逻辑链路子层LLC 和媒体访问控制子层MAC）和物理层。美国和欧洲都在CAN 总线基本规范的基础上，发展出了基于CAN的较高层协议：如CAL/ CANopen、Devicenet、SDS、CANaerospace 等。它们的差异在于信息标识符分配系统、过程数据交换的方法、点对点通讯信道、建立过程数据信息链接的方法、网络管理、设备建模和设备子协议。其中CANaerospace 协议是一种专门应用于航空航天领域的基于CAN 的高层协议。

CANaerospace 是由德国Stock 航空系统公司于1997 年制定的一种基于CAN 总线的新型航空机载设备通信总线协议。它得到了欧洲一些著名的航空器制造公司的支持，并成功地应用于一些飞行器中，在苛刻的应用环境下表现出优异的可靠性。考虑到航空航天工程的高可靠性要求，CANaerospace协议不再采用基本CAN的单根总线，而是设计成双冗余总线。2001年，CANaerospace 被美国航空航天局（NASA）标准化为“先进的通用航空运输实验数据总线（AGATE databus）”。

ARINC 825《机载用CAN总线通用标准》于2007年11月颁布实施。标准中对机载用CAN总线的结构、物理层、数据链层、通信等进行了详细规定。通过研究和验证，以及对ARINC 825标准的分析，可为编制我国机载CAN总线标准提供可行性。

2.2 国内标准情况分析

我国飞机基本沿用的是常规配电系统，目前在组合化上有所突破，将主接触器、转换接触器、地面电源接触器等元器件组合形成交流、直流配电控制盒，已经在飞机上得到应用。新研的电源功率控制盒可控制汇流条功率转换、输出故障告警信号、与机上NAMP进行通讯，为配电系统智能化迈出了重要的一步。

但近几年，元器件更新很快，一些新型元器件，如固态配电器件、270V继电器以及光纤连接器等已开展预研、研制，使目前的配电系统标准体系相对滞后，对新型配电设备标准应加强研究并尽快制定。

配电系统标准目前大部分为元器件标准，但配电系统现有系统级和顶层标准很少。对配电系统的管理标准，由于各机型设置不同，很难统一为一份标准，多年来，也是配电系统标准化的一个弱点，借助新机研制的契机，应大力推进配电系统管理标准的研究和制定。

配电元器件标准相对比较齐全，但很多标准编制年代较早，技术指标相对新型号研制需求已显落后，因此大部分标准需要修订，对新型号完全适用的标准较少，加之很多新型的配电器件标准尚待编制中，因此，现有配电系统标准不能形成对新型号的技术支撑。

3 结束语

飞机配电系统标准整体来看已不能满足新机研制的需求，尤其是配电控制和管理方面的标准，由于相关技术资料较少、国外资料也很难拿到、国内的研制经验不足等问题，很难在短期内形成一定数量的标准，以支持型号研制。SAE ARP 5584《供电管理系统文件》为编制我国飞机配电系统顶层管理标准提供了很好的借鉴，应尽快启动该项标准的制定，为飞机配电系统的总体设计提供指导。

另外对分布式配电系统中一次配电和二次配电系统的标准研究仍属薄弱环节，体系如何划分，需补充的标准项目尚待进一步确定。近些年对配电关键元器件的产品预研和标准预研比较重视，应加大标准研究力度，适时转化为我国标准。同时，建议相关各方能充分重视，广开收集渠道，多方位广泛收集国外相关标准资料，以便及时进行分析、转化，为型号研制提供支撑。■

（编辑：雨晴）

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1003–6660（2010）03–0049–04

[收修订稿日期] 2009-12-20