应用DSM的航天器供配电分系统架构设计方法

刘治钢 杜青 李海津 夏宁 彭兢 杨孟飞

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(2 中国空间技术研究院，北京 100094)

航天器供配电分系统是航天器上产生、贮存、变换、调节和分配电能的分系统。由于其系统性和全局性的特点，供配电技术一直是航天器总体设计的关键技术之一。目前，国内外航天器供配电分系统设计主要以文档为载体，设计师依据个人习惯选用设计仿真软件或自研小工具开展设计和仿真分析，得到与任务需求匹配度最高的系统和单机方案。这种设计模式存在以下不足：不同工具建立的模型无法复用，工具间的接口也未完全打通，需要依靠人工调整输入输出数据格式实现上下游工具间的数据传递，难以开展及时的系统综合仿真验证，增加了后续设计复核、校验、故障定位及排查等方面的工作难度。以母线降额和压降分析为例，电缆网连接关系、长度、线型线规、降额准则分散在电缆网接点表、电缆分支图、电缆线型线规手册和降额标准中，需要人工完成数据源的提取和复核，效率低，易出错。航天飞行任务难度和复杂度的上升，同时研制周期大幅缩短，对供配电分系统的设计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、新手段应对上述挑战。

基于模型的系统工程是数字化技术的最新发展，被普遍认为是应对复杂性挑战、支撑创新设计的有效解决方案[1-3]。现有的系统工程方法通常采用通用系统建模语言，如SysML和UML来形式化系统架构。系统工程师使用这些语言中的一系列可视化符号和关系来构建模型，以描述系统架构并捕获相关信息。与基于通用建模语言构建的系统模型相比，特定域建模(DSM)[4]直接面向问题领域，通过提取领域中的主要概念并使用符号化的特定建模语言(DSML)来表现，建模效率高、表达性强，对专业系统而言更具针对性。例如：美国先进研究计划局(DARPA)在元工具META项目中面向信息物理系统(CPS)特点定义了一套ADML语言，以实现CPS系统架构建模[5]。NASA喷气推进实验室(JPL)基于领域概念扩展了SysML，形成了面向电驱飞行器的DSM语言，形式化规范和设计电驱飞行器的电气架构[6]。另外，基于模型的系统工程强调早期的设计验证，以减少设计变更。目前，在系统设计模型与系统仿真模型的集成上已有不少研究成果。文献[7]中通过SysML建模工具MagicDraw与Modelica建模工具MapleSim的模型转换，实现了汽车架构的多领域集成分析。文献[8]中提出了扩展SysML，允许通过SysML4Modelica配置文件直接在SysML中使用Modelica领域概念。上述集成研究多在通用建模语言上实现，难以直接应用到面向供配电领域建模与仿真中。

本文在上述研究的基础上，针对我国航天器供配电分系统专业特点，提出一种应用DSM的航天器供配电分系统架构设计方法，通过抽象供配电领域概念形成供配电领域元模型，基于元模型构建层次化供配电DSM架构模型。通过组件映射和模型转化方法，将DSM架构模型自动生成Modelica仿真模型，开展供配电分系统综合仿真分析，并开发了相应的软件工具，在航天器研制中对方法与工具的可行性进行了验证。

1 应用DSM的供配电分系统架构设计方法

1.1 总体思路

航天器研制方案阶段开展供配电分系统架构设计主要包含2个部分内容：①根据任务需求开展系统架构设计；②利用仿真工具对系统架构进行验证，确认是否能满足任务需求。应用DSM开展架构设计，可实现航天器供配电分系统的系统层、设备层和电路层统一、严谨、无二义的表达；利用Modelica开展建模仿真分析，可实现多领域连续/离散系统的混合建模。此外，通过组件映射和模型转化方法，利用DSM架构模型还可以自动生成Modelica仿真模型，大大减少传统设计方法依靠人工实现两者间信息传递和迭代的工作量，降低引入人为错误的几率，从而提升方案阶段供配电分系统架构设计与验证的效率。

续 表

图1描述了航天器供配电分系统架构设计采用的DSM与仿真方法，左侧为设计域，描述了架构设计模型的构建路径，右侧验证域是与设计域中模型层次相对应的仿真模型。该方法用4层模型结构表达供配电分系统架构设计与验证过程。

图1 DSM与仿真方法

(1)M3层(元元模型和Modelica规范)。元元模型用于支持供配电分系统架构模型的元模型定义，采用GOPPR[5]元建模语言定义，包括图表、对象、关系、角色、属性。与之对应的是Modelica规范，包括类、连接器、方程、参数等语义元素。

(2)M2层(元模型和Modelica库)。M2层用于定义和实现元模型。元模型是元元模型的实例，用于构建不同层次架构的DSM模型。Modelica模型库是基于Modelica规范构建的。

(3)M1层(DSM和Modelica模型)。DSM模型是不同层次供配电分系统架构模型的表达；而Modelica模型是用于对应架构设计模型的验证和确认的多领域仿真模型。

(4)M0层(建模实例)。M0层是DSM模型的实例化，用于描述真实供配电分系统架构，Modelica模型则用于实现该真实供配电分系统架构的仿真验证。

1.2 航天器供配电分系统层次化架构模型

航天器供配电分系统通常包括电源子系统和总体电路子系统。采用DSM库中的元模型来构建不同层次的供配电架构——顶层、系统层、设备层和电路层。在这些层中，上层为下层约束了接口和连接。DSM库中定义了不同层次的符号元素，为每层架构建模提供支持，如图2所示。下面分别介绍每一层。

图2 供配电分系统架构的层次定义

(1)顶层(Level 0)。作为供配电分系统的最顶层，该层以总体技术要求为输入，定义了供配电分系统与外部环境及其他系统的大粒度的接口。外部环境接口如轨道、光照等，与其他系统接口如供电形式等。

(2)系统层(Level 1)。在系统层中，根据顶层中的接口约束，定义了供配电分系统架构中的设备组成、设备接口及设备间的能量流。例如，在图2中，为了满足供配电分系统的功能要求，定义了包括太阳电池阵、蓄电池、功率调节与配电单元(PCDU)在内的设备组成，同时定义了设备间的接口与连接。

(3)设备层(Level 2)。设备层定义了系统层中设备包含的组件与对应的连接。例如：采用蓄电池充电调节单元(BCR)、蓄电池放电调节单元和分流调节单元等组件构建PCDU。这些组件及其连接定义了设备层的架构模型。

(4)电路层(Level 3)。电路层基于DSM库中的电路单元，如电阻、电容、开关等元器件完成对上层组件的详细定义。对于负载类设备，主要定义其接口电路的组成。

1.2.1 航天器供配电领域元模型构建

为了设计和实现供配电分系统的DSM，需要对供配电领域概念进行抽象，形成供配电领域元模型。结合供配电设计要素，定义不同系统层次的特定域概念，即元模型，如表1所示，每个元模型都有与之对应的图形符号(见图3)。

表1 供配电分系统架构中的领域特定概念示例

注：EPS为能源系统。

基于DSM元模型构建的系统模型和设备模型示意，如图4所示。顶层主要表征分系统间的电气接口，包括电源分系统的母线电压和供电能力，以及其他分系统的功率需求；系统层模型主要包含EPS的关键参数特性，例如太阳电池电路的输出功率、母线电压等级、负载功率等；设备层模型在此基础上增加了设备内部模块组成，例如太阳电池电路由多少分阵构成，电源控制器内部包含哪些模块和电路，以及负载接口电路组成等；再向底层延伸的电路层包含具体电路的元器件及其型号、参数。按照上述原则，通过层层细化或抽象实现系统各级次参数和信息的有序表征。

注：S4R为顺序开关分流串联调节器。

1.2.2 供配电分系统的Modelica模型库

根据基于领域特定概念定义的元模型，建立支持自动化仿真验证的Modelica模型。这些Modelica模型按不同层级构建，涉及特定的系统、设备、组件和电路，如图5所示。

图5 供配电Modelica模型库

在顶层中，构建了高层次的航天器系统。该级别有4种类型的模型：环境模型、供电系统模型、配电系统模型和负载系统模型。这些模型的参数包括电压、电流、功率等。

在系统层中，根据功能需求，构建设备组成、设备控制算法，指定设备的功率流和关键属性。例如，设备级的Modelica模型库包括太阳电池阵列、电池等模型。

在设备层中，构建了设备的内部组件，如太阳电池阵单元和蓄电池单元。

在电路层中，包含了接口电路相关元器件，如电阻、电容、二极管等。

以蓄电池组为例，介绍层次化模型建立方法。

在系统层级，每个蓄电池组(Group)对系统的贡献为电压、电流2个变量，对外部其他模型主要以功能接口传递电流i、电压v信息。蓄电池组主要配置参数为蓄电池总容量Q、额定电压V和初始容量Qini。对于系统，主要监测的蓄电池组整体模型的变量为荷电状态(SOC)、实时输入功率PIn和实时输出功率POut。基于此分析，该层次的蓄电池组模型(见图6)应为经过一定等效后的简化模型，不涉及蓄电池单体原理及模型，只保留其外部电流i、电压v特性及可配置的参数Q和V。

图6 系统级蓄电池组整体模型

对于设备层模型，每个蓄电池组会由多个机组组成，每个机组对系统的贡献为电压、电流2个变量，经过汇集后，由蓄电池组对外部输出。此时，蓄电池组主要可配置参数为蓄电池机组数NUnit，每个机组的可配置的参数为机组的额定容量Q、额定电压V、初始容量Qini。这些参数均可由系统层蓄电池组整体模型的参数Q，V，Qini等分解得到。对于系统，主要监测蓄电池组中各个机组的SOC，并经过计算得到整个蓄电池组的SOC；监测每个机组的实时输入和输出功率PIn_Unit和POut_Unit，并经过计算得到整个蓄电池组的输入和输出功率PIn和POut。图7为设备级蓄电池组整体模型。

图7 设备级蓄电池组整体模型

电路层模型中的每个蓄电池组机组，由多个蓄电池单体组成，一般，每个单体的电池对系统的贡献为电压、电流2个变量，经过汇集、接口电路转换后，由蓄电池组对外部输出，并结合接口数据单(IDS)的线缆分支信息，分为多路进行功率传输。此时，蓄电池组主要可配置参数为蓄电池机组数NUnit、单体的串联数Ns、并联数Np；每个单体可配置的参数为单体的额定容量Q、额定电压V、初始容量Qini。这些参数均可由设备层蓄电池组整体模型的参数Q，V，Qini，NUnit及蓄电池的选型情况等分解得到。

电路层等效电路模型如图8所示。其中：电阻R1和电容C1并联的组合可以反映电池的动态特性；电阻R2可以反映电池的阻性；电动势E反映电池的平缓的放电平台；U为蓄电池输出端口电压，输出端并联电阻R3反映电池自放电特性；温度对电池性能的影响，通过电阻和电容值与温度的关系来反映。

图8 电路级蓄电池组整体模型

SOC采用电流积分法计算，其值SOC如式(1)所示；电池充满电时为1。

(1)

式中：QM为电池容量。

充放电循环次数(NCycle)根据电流积分来计算，见式(2)。

(2)

式中：NCycle,ini为初始循环次数；「⎤表示向下取整。

SOC与输出电压关系根据蓄电池组地面充放电试验矩阵进行描述。

1.2.3 支持自动仿真验证的模型转换

面向不同层次的系统架构模型，通过模型转换方法，自动化生成Modelica模型，实现对DSM架构模型的仿真验证。模型转换的步骤如下。

(1)在系统层中生成Modelica模型。基于系统层中的设备模型和开发的Modelica模型库，生成系统层中的相关Modelica模型。Modelica模型包括块、参数、接口和方程定义。①块定义：根据DSM中的设备块生成对应的Modelica封装类，两者命名保持一致。②参数定义：根据DSM模型中的属性，声明Modelica模型中的参数。例如，Modelica模型中的参数Modelica.SIunits.Voltage对应于DSM模型中的电压属性。③接口定义：提取DSM模型中的接口信息，按照Modelica语义依次声明外部连接接口，如设备中存在电连接器X01，且具有16个接点连接关系，则声明为Interfaces.Special.connector X01[16]。④方程定义：按照Modelica语义声明名方程框架，供用户填写设备方程原理及对外部接口的连接方程。

(2)在顶层中生成Modelica模型。基于顶层中的DSM模型，已开发的Modelica模型库及步骤(1)中生成的相关设备Modelica模型，生成供配电分系统仿真模型框架。系统模型框架主要包括：外部连接定义、设备对象定义、环境模型定义、连接方程定义。①外部连接定义：例如，供配电分系统的外部接口SI.Voltage V_Bus和SI.Current I_Bus表示顶层中的系统母线电压和电流。②设备对象定义：在供配电分系统中定义设备。根据Modelica模型库中的现有块，生成相关设备的Modelica模型。如果未在Modelica模型库中定义相关的Modelica模型，则执行步骤1以为相关设备定义Modelica模块。③环境模型定义：基于Modelica模型库定义环境块。例如，Light.Environment指的是所处的光照条件。④连接方程定义：定义设备之间连接的连接方程。例如，Device A中的连接X01中的端口4与Device B中的连接X03中的端口2连接。基于Modelica规范，Modelica代码“connect(A.X01 [4]，b.x03 [2])”。

2 应用实践

为验证上述应用DSM的航天器供配电分系统架构设计方法，开发了相应的供配电架构建模与仿真工具PDS，并在嫦娥五号飞行试验器的供配电分系统设计中进行了应用验证。飞行试验器由服务舱和返回器2个舱段组成，采用自顶向下的方式，构建的系统级、设备级和电路级DSM，如图9所示。该架构包含了近150个电气设备和超过1.3万根连接导线，与基于文档的架构设计方法相比，应用DSM进行架构设计的设计周期缩短1/2，信息量实现数量级提升。

图9 飞行试验器的可视化架构

构建不同层次的元模型和对应Modelica模型库，通过组件映射和模型转化方法，利用DSM架构模型自动生成Modelica仿真模型，如图10所示。自动转化前后模型覆盖率达到100%，与手工创建仿真模型相比时间缩短80%以上。利用Modelica仿真模型开展了系统能量平衡分析，验证设计是否符合技术指标要求。

图10 生成设备仿真模型的Modelica代码

图11为嫦娥五号飞行试验器供配电分系统架构的4个视图。DSM模型为供配电架构设计视图，Modelica模型为供配电架构仿真视图，空间环境为供配电分系统的外部环境接口视图，同时实时显示仿真结果，可实现太阳电池阵输出功率、负载功率、母线电压、母线电流和蓄电池组容量、电压的动态仿真分析，从而验证供配电架构设计的可行性。

图11 应用DSM的供配电分系统架构建模与仿真工具

3 技术特点分析

本文提出的应用DSM的航天器供配电分系统架构设计方法具有以下特点和优势。

(1)DSM直接面向问题领域，与基于通用建模语言构建的系统模型相比，建模效率高、表达性强，对航天器EPS更具针对性。

(2)通过组件映射和模型转化方法，将DSM架构模型自动生成Modelica仿真模型，在减少人工建模工作量的同时最大程度地保证了模型传递一致性，提升供配电分系统架构设计与验证的效率。

(3)应用DSM可实现从顶层到电路级的层次化架构设计和展示，生成的层次化Modelica仿真模型可支持系统级能量平衡仿真到电路级母线动态仿真。

4 结束语

本文针对航天器供配电专业特点，开展了应用DSM的航天器供配电分系统架构设计方法研究。使用DSM构建航天器供配电分系统架构的层次化模型。通过DSM与Modelica的映射转换技术，实现了设计信息到仿真模型的自动化、一致性传递，提升了仿真验证效率。开发了相应的软件工具，在航天器中对方法与工具的可行性进行了验证。该方法可为实现基于模型的航天器系统设计奠定基础。