航天器电源系统大功率智能配电技术

李廷中，王蓓蓓，周新顺

（北京卫星制造厂，北京 100190）

0 引言

航天器电源系统承担着整器的电能配置和管理功能，为整器正常工作和健康管理提供基础和保障[1]。随着未来航天器的功能要求越来越强大、任务要求越来越复杂、寿命要求越来越长，其内部电源系统的功率等级和用电设备数量不断增大[2]。系统容量的增加必将给航天器能源分配、管理、控制以及系统可靠性、故障保护、数据采集提出更高的要求。显然，传统的机电式配电系统已经无法满足上述需求[3-4]。

“天宫一号”目标飞行器电源系统采用智能配电技术，实现了整器一次电能和二次电能的变换、控制与管理，以及电源系统工作参数和状态的实时采集，整器在轨飞行工作状态良好。本文在总结“天宫一号”大功率智能配电单元的基础上，拟进一步采用智能数据处理、固态功率控制、故障自诊断等技术方案，为电源系统提供全方面的保障[5-7]。这些改进技术的应用将大大推动航天器能源系统的智能化进程。

1 大功率智能配电单元的组成及功能

“天宫一号”目标飞行器作为我国自主研发的空间试验平台，具有功能多、容量大和系统复杂等特点。“天宫一号”电源系统承担整器电能变换、控制和管理任务，由多台智能供配电单机和二次电源组成。大功率智能配电单元（以下简称“配电单元”）作为“天宫一号”平台类供配电关键单机，负责接收母线控制单元提供的 100 V一次电源母线和28 V指令母线，实现100 V输入、28 V供电母线输出的DC/DC电压变换。配电单元通过接收指令，实现100 V负载和28 V负载的供电控制；通过内置数据采集单元，实现单机工作状态信息的采集，并送至数管分系统遥测下行。

配电单元从功能上划分为 4个部分：DC/DC变换单元，配电控制单元，数据采集单元和输入输出接口单元。其中，配电控制单元、数据采集单元是配电单元的设计重点，也是其智能化的集中体现。DC/DC变换单元用于完成一次母线至二次母线的电压变换，采用北京卫星制造厂具有飞行经历的大功率模块电源实现。配电单元通过采用标准化、通用化及单元化设计，合理划分各单元模块，大大提高了产品的通用性和可测性，可以满足单机设备在轨维修的要求。

综上，“天宫一号”目标飞行器的大功率智能配电单元初步实现了整器的电源管理、配电控制和参数检测等功能。尽管仍存在反映系统工作状态的信息量较少、缺少故障诊断和故障保护功能等问题，但是该配电单元所采用的关键技术及其飞行经历，为载人航天工程后续型号任务的能源管理方案提供了重要的技术基础。

2 大功率智能配电的关键技术

2.1 大功率配电技术

大功率智能配电单元额定功率为2 200 W，可以为18路不同电压、不同功率的负载提供电能，并接收程控和遥控指令，对各路负载进行配电控制。为了提高继电器控制开关的可靠性，每个开关采用2个相同继电器并联。为实时检测继电器的通断状态，采用状态继电器与功率继电器并联，以状态继电器的检测电压反映功率继电器的状态。通过合理的参数设计，使状态继电器的检测电压满足数据采集软件设计的阈值电压，并具有1 V的噪声容限，以保证检测结果的有效性。

2.2 数据采集串行通信技术

数据采集单元用于实时采集反映配电单元工作状态的电压、电流、温度和继电器状态等48路参数；并将模拟量转换为数字量，通过串行通信接口与数管分系统（RTU）进行串行通信[8]。

数据采集单元由模拟开关、模/数转换器、微处理器及其外围电路以及串行数字通信接口电路组成，如图1所示。工作时选通模拟开关的某一路，将待测信号引入模/数转换器转换为数字量；微处理器对所得数字量进行处理，并储存到其数据区中，再通过串行数字通道传到数管分系统。每台配电单元中含有2个互为冷备份的数据采集单元，主/备份分别对应一个串行数字通道。当RTU接收不到数据或接收的数据连续超出正常范围时，则认为主份硬件故障，此时由地面发出指令，完成主/备份的切换。

图1 数据采集单元原理图Fig.1 Block diagram of the data acquisition unit

模/数转换器和微处理器是数据采集单元的核心器件。微处理器选用80C32单片机，具有4个8位I/O口、256字节内部RAM和6个中断源。通过外部程序和数字存储器进行扩展，通过P0和P2口进行数据和地址的时分复用。模/数转换选用12位逐次逼近型快速模/数转换器AD574实现，其最长转换时间为35 μs，转换精度≤1 LSB。通过计算分析可知，如不考虑外部参数误差，数据采集单元对100 V母线电压的测量精度可以达到±0.024 V，能够满足“天宫一号”目标飞行器 0.5%的高精度采集要求。

2.3 数据采集抗干扰技术

配电单元为平台类单机，具有多路负载，每路负载的输入阻抗、工作状态各不相同。为了避免各路负载在加断电瞬间产生的噪声影响数据采集的结果，需要对数据采集单元进行抗干扰设计。本文根据数据采集单元的原理，提出了针对通信接口电路和模拟转换电路的抗干扰策略。

2.3.1 通信接口电路抗干扰设计

在配电单元的研制过程中测试发现，单机的感性负载在加断电瞬间会产生干扰电压，通过地线串扰至数据采集通信接口电路。干扰电压作为虚假门控信号会导致数据采集软件误入中断，在通信数据包中会出现一帧全FF数据。针对该问题，在接口驱动芯片54AC125的输入端对地增加滤波电容，与输入电阻形成RC低通滤波，以抑制干扰电压引起硬件中断响应对软件正常运行的影响。通过试验，验证了该抗干扰设计的有效性。

2.3.2 模拟量采集硬件滤波设计

为了提高数据采集单元的测量精度，防止干扰信号影响数据的正确采集，结合软件运行需要的时间，在电压跟随器和模/数转换器之间加入 RC滤波，以保证完全抑制设定频率以上的干扰信号，同时不影响正常的数据采集。

2.3.3 数字量采集软件滤波设计

在硬件滤波的基础上，数据采集单元的软件也进行了滤波设计。软件对某一通道的模拟量进行6次采集和转换，在这6次转换数值中，去掉1个最高值和1个最低值，将剩余4个数字量求平均值，作为模拟量的最终转换结果。软硬件的双重抗干扰设计可以保证数据采集准确、可靠。

3 智能能源管理单元的组成及功能

载人航天工程后续项目任务的电源系统，将在“天宫一号”目标飞行器配电单元的基础上，进一步提升配电系统的智能化水平，采用智能能源管理单元（以下简称“管理单元”）作为平台类能源管理单机。作为主要功能模块，管理单元负责将一次电源输出的电能稳定、可靠地向用电负载传送，实现用电负载的统一管理和控制。管理单元在实现电压变换、供电控制及数据采集的同时，增加故障定位（实现短路、开路及过温等故障的检测）、配电隔离及重构功能，并通过1553B总线实现能源管理信息及控制信号的传输，支持在轨维修[9-10]。管理单元既能作为一个通用配电设备安装在标准机柜中，也能作为专用的配电设备安装在其他部位。

管理单元由DC/DC变换单元、功率控制单元、数据处理与通信单元组成。其中，DC/DC 变换单元继承“天宫一号”智能配电单元采用的变换器，实现数字电路供电及功率电路供电，通过功率控制单元将能量传至负载输入端。功率控制单元功能更加完备，可以完成短路保护、I2t反限时保护、状态检测及固态配电等功能。数据处理与通信单元负责完成自检、数据采集和处理、功率统计、状态判断、故障检测及定位以及总线通信等功能。

当管理单元的负载端出现短路、过流或响应超时等故障时，功率控制单元、数据处理与通信单元在第一时间切断负载供电。当管理单元出现通信接口故障或处理器故障时，用户能够通过单机设置的应急遥测遥控接口对各配电通道进行控制和监测[11-12]。

4 智能能源管理的关键技术

4.1 智能数据处理与通信技术

数据处理与通信单元是管理单元的核心控制模块。该单元以处理器为核心，接收能源中心计算机的命令，向驱动电路发出开关信号来控制功率管的开关，如图2所示。其中，处理器主要完成故障二级检测、单机故障诊断、数据采集及总线通信等功能；1553B总线接口实现单元与数据总线网络的连接，接收总线指令，再经解析、译码和数/模转换实现管理单元的控制；单元内部遥测遥控接口对供配电开关进行控制；模/数转换模块实现单机遥测数据的采集；当处理器或通信接口出现故障时，即用应急接口电路来控制负载的配电和监视负载状态。

图2 数据处理与通信单元原理框图Fig.2 Schematic diagram of data processing and communication unit

数据处理与通信单元在实时采集负载电流、电压信号和负载状态的基础上，能够根据采集结果判断该状态是否为故障模式，并根据状态信息决定是否关断功率管及何时发出关断信号，同时将此信息通过总线反馈给能源中心计算机。为了提高单机的可靠性，数据处理与通信单元及其通信接口电路均进行主/备冗余设计，并增加应急遥测遥控接口，确保中心计算机能够实现对配电通道的监测及控制。

4.2 固态功率控制技术

管理单元采用固态功率控制器（solid-state power controller，SSPC）代替传统继电器和过载保护器。固态功率控制技术能够克服传统配电技术粗放的缺点，根据任务需求实现对负载的通断控制，并且在负载出现故障时，为整器电源系统提供全面保护。固态功率控制技术和计算机控制技术的综合应用，可以实现航天器电源系统的自主运行，在系统局部出现故障时自动完成系统重构，为系统的健康管理提供信息。其优点体现在以下3个方面：

1）管理功能更智能。SSPC能够根据航天器运行轨道和任务状态的不同，按照用电设备的重要性对一次电源和二次电源的功率进行合理的自动调度分配。

2）保护功能更全面。SSPC能够实时检测系统各路负载电压、电流，并根据需要设定过流保护值和保护延时，从而实现I2t保护、短路保护及电弧放电保护等功能，为整器电源系统提供全面保护。

3）结合软件更灵活。SSPC能够通过软件编程对各线路额定电流值及其他保护指标值进行设定。

4.3 反时限过流保护技术

SSPC最大的特点是其过载后跳闸所需时间由电流的大小决定，具有轻度过载跳闸时间长，严重过载跳闸时间短的反时限保护特性。反时限保护需要按照SSPC的跳闸特性曲线进行I2t设计，保证延时时间点落在保护曲线给定的保护区域内，如图3所示。SSPC的I2t反时限保护功能可以通过积分器实现。电流检测信号经过抬压滤波、积分电路和比较电路，实现反时限跳闸保护。

图3 I2t跳闸延时保护曲线Fig.3 Protecting curves of I2t tripping delay protection

4.4 保护参数在轨修改技术

为了满足能源管理通道保护参数可通过总线接口进行在轨修改的要求，管理单元采用软件延时保护算法实现对保护参数的在轨修改。

软件根据数据采集通道采集的负载电流值，判断此时是否过载：如果负载电流值已超过了设定值，则软件启动故障保护程序。软件会依照I2t延时保护曲线确定保护延时时间，并开始计时；时间到达后，管理单元发出SSPC关断指令，完成延时保护。软件可根据数据总线信息中的保护参数设定，重新确定过载参数，进而实现保护参数的在轨修改。

4.5 故障自诊断技术

对于管理单元而言，有效的故障诊断能够及早发现故障并及时处理，对保障航天器电源系统乃至整器的功能有重要意义[13]。

管理单元采用了状态检测、监控和故障隔离综合技术（built-in-test，BIT），在发生故障时，能够检测到故障，确定故障模式，界定故障范围，并执行故障预测和隔离等相关措施，具有一定的报警能力[14]。其工作机理如下：硬件实时采集电压、电流和温度等数据，与内嵌在管理单元中的标准数据进行比较，当偏差在容许范围之外时，表示出现故障。对于管理单元内部某部分突然发生损坏或停止工作的“硬故障”，管理单元根据采集的状态信息，对照内嵌的状态分析表进行故障模式判断和定位。对于参数漂移或变化缓慢的“软故障”，管理单元通过总线通信接口将监测点信号数据上传给能源中心计算机，由能源中心计算机通过对历史和现行数据进行对比判断，得出该电路或器件是否将要发生故障的结论。

5 结束语

大功率智能配电技术是当代航天器智能电源在轨管理系统的核心技术之一。本文以在轨成功运行的“天宫一号”目标飞行器的大功率智能配电单元和未来空间站的智能能源管理单元为背景，介绍了目前我国航天器智能配电系统所采用的设计方案和核心技术。这些关键技术的应用将为我国载人航天及深空探测任务的顺利实施提供坚实的技术基础，也为航天器的在轨维护和系统拓展提供支撑平台。

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