空间站供配电系统潜通路分析_梁晓锋.pdf

第 卷第期 年月航天器工程 空间站供配电系统潜通路分析梁晓锋任亮（北京空间飞行器总体设计部，北京 ）（北京卫星制造厂有限公司，北京 ）摘要空间站供配电系统的设计复杂，同时体系架构又需要变换以适应不同的构型，这些特点都导致供配电系统供电母线之间可能存在潜通路。文章介绍了潜通路分析的概念、特点和分析步骤，同时结合空间站供配电系统的设计，对重要单机设备按照步骤进行了潜在路径、潜在时序、潜在标志等分析，对于出现的指令控制电路潜通路进行了分析，说明了潜通路人工分析方法在供配电系统研制过程中的应用。同时，对于后续航天器类似的设计及分析提出了建议。关键词空间站；潜通路；供配电系统；线索表中图分类号：文献标志码：（，）（，）：，：；收稿日期：；修回日期：作者简介：梁晓锋，男，硕士，高级工程师，从事航天器总体设计工作。：。潜通路的概念最早是由美国波音公司在完成阿波罗登月计划期间针对电子电气系统提出来的，潜通路的存在是源于现代工程系统的复杂性与设计人员有限控制能力之间的矛盾。潜通路的出现具有突发性，常规检查手段不易查出，且随着系统的复杂性，节点的增多，潜通路成级数增长。潜通路分析技术是旨在预先发现潜在通路的一项工程技术。国外的公司从事潜通路分析技术比较早，建立了潜在电路分析的方法。美军标 要求航空、航天、水中交通工具和导弹进行潜通路分析。我国从 世纪 年代末、年代初开始逐步开展潜通路技术的研究，完成了分析方法及分析工具的建立，同步的潜通路分系统在航天、舰船等领域开始应用。空间站系统由三个舱段在轨组建完成，每个舱段配置完整的供配电系统，在舱段单舱工作时为整舱的设备提供供电。随后随着舱段的发射和交会对接依次形成“一字”构型组合体、“”构型组合体及“”构型组合体，在航天员的参与下，供配电系统经过不断的系统重构，形成最终的供配电系统。系统复杂度高，需要经历航天器的组建过程，适应航天器各种任务模式，且与其他系统的接口复杂。这些都可能引起在供配电系统中存在潜通路，潜通路的存在将对供配电系统的可靠性和安全性产生影响，继而影响航天器的可靠性或者任务的完成。因此对于供配电系统尤其是供电母线的潜通路分析就尤为重要。本文在空间站供配电系统设计基础上，采用潜通路分析方法，按照数据收集、电路简化、拓扑建立步骤对供配电系统进行了潜通路分析，对发现的潜在电路进行了影响分析，同时对于后续航天器类似的设计及分析提出建议。潜通路分析简介潜通路分析可分为：针对电路的潜在电路分析（，）、针对软件的潜在分析和针对液、气管路的潜在通路分析。本文对空间站供配电系统进行电路的潜在电路分析，主要目的为：在假定所有元件、器件均正常工作的情况下，分析确认能引起非期望的功能与抑制所期望的功能的潜在状态。）潜通路分析的特点（）在进行 时，要考虑人为差错，一般不考虑硬件故障、制造因素和环境的影响，因此，技术可与其他的可靠性设计分析方法相互补充。（）只注重元部件之间的相互连接和相互影响，不关心元部件本身的可靠性。（）大多数潜通路并非在系统每次运行时都会出现，而是在某种特定的条件下才会起作用，因此，通常难以通过常规试验的方式来发现。（）进行 时，必须保证用于分析的电路能代表系统的实际情况。在识别系统的潜通路时，使用实际的生产图和安装图，要比使用系统级或功能级的图纸更有效。）潜通路的分析的过程（）数据的收集、理解与核对针对要开展潜通路分析的系统，首先要收集相关的数据，对于电气系统而言，主要收集电路的设计原理图，然后对收集的数据进行分析和校对，确保对于电路图的理解与设计师是一致且正确的。（）电路的简化为了进行潜通路分析，需要对收集到的电气原理图进行电路的简化，要明确电路的一起通路，保留供电线路，略去其余无关的路径。（）拓扑建立分析针对简化的供电线路，按照一定的规则构建网络树。对于简单的电路，可采用人工干预分析进行构成；对于复杂的电路，应采用计算机自动处理形成。当网络树形成后，即开始确定、分类每个树出现的基本拓扑图形。任何电路的网络树都由直线型、电源拱型、接地拱型、组合拱型和 型共中基本构型组成。然后按照各种基本拓扑图形所提供的分析线索逐一进行分析，发现潜在通路的所有可能性。供配电系统体系设计空间站由三个舱段组建形成。三个舱段每个舱段配置两条完全电气隔离的供电母线，试验舱的两条供电母线定义为、，实验舱 的两条供电母线定义 、，核心舱的两条供电母线定义为、。单舱飞行情况由各舱段供电母线为自身舱段负载供电。在完成三舱构建后，将实验舱、实验舱 的条供电母线在三个舱段间贯通，母线为实验舱供电，母线为实验舱供电外同时为核心舱供电；母线为实验舱 供电，母线为实验舱 供电外同时为核心舱供电。供电的连接通过母线切换单元中的开关闭合实现，如图所示，图中箭头表示三舱组合体状态下正常工作时闭合的开关。图供电母线示意图 航天器工程 卷从系统框架可见，空间站配电采用双母线设计。母线切换设备对供电母线选通后，形成了每各舱段的两条母线。配电分为两个层次，首先是母线控制单元，将从母线切换单元接收到的电能进行分配及控制，为下游的功率控制单元提供供电。配电设备接收母线控制设备提供的供电并进行分配控制，为每个用电负载进行供电。潜通路分析 数据的收集、理解与核对按照潜通路分析方法，供配电系统潜通路分析首先进行数据的收集，结合供配电系统体系设计，输入数据包括：母线切换单元、母线控制单元、功率控制单元的单机技术要求；母线切换单元、母线控制单元、功率控制单元的电原理图。在收集到潜在电路分析数据之后，对照设计要求和设计原理说明对受分析对象进行设计理解，同时与设计师进行交流，准确理解受分析系统的任务要求、设计意图和设计原理。在此基础上，对单机技术要求与单机原理图设计的一致性；电路图间连接的匹配正确性进行了核对。在完成上述工作后，开始进行网络树的建立及潜通路的分析。电路的简化 最初采用人工分析方法，分析过程包括 全部基本的环节，对于复杂系统的 工作量巨大。技术经过几十年的发展已日臻完善，形成了一套自动分析软件，但是软件分析的成本很高，分析周期长，而且建立完善的分析程序和应用线索表比较困难。从空间站供配电系统体系设计可见，供配电采用树形配电方式，电流流向单一且与网络树的分析方法匹配性好，综合考虑供配电系统采用人工分析的方法，同时对电路进行简化处理。电路简化为经典的网络树，识别和分析其具有的典型拓扑结构，再结合拓扑模式分析线索表分析每棵网络树是否存在潜在状态。网络树存在直线形、电源拱形、接地拱形、组合拱形、形共种基本拓扑结构，对在网络树中识别出的每个电路拓扑结构模式进行潜通路分析。拓扑建立分析从供配电体系设计可见，系统主要包括三个舱段的母线切换单元、母线控制单元及功率控制单元。其中母线切换单元实验舱及实验舱 为通用产品，与核心舱的母线切换单元设计类似，均是由大功率开关组成。母线控制单元及功率控制单元为三舱通用产品。因此主要对实验舱母线切换单元、母线控制单元及功率控制单元的潜通路进行分析。）母线切换单元潜通路分析以实验舱的母线切换单元 为例。设备主要接收实验舱的供电母线 及实验舱 的供电母线 ，经过 、开关在两条母线中选通条供电母线后，为本舱段下游的母线控制单元提供供电，同时通过开关 将 母线提供至核心舱为其供电。开关均采用大电流的接触器实现。对收集到的母线切换单元电路图按照树形拓扑结构简化后的接口图所示。图母线切换单元原理图 从母线切换单元的功能可见，母线切换单元需要进行条母线之间的切换及重构，同时切换过程中涉及到时序，易产生潜通路，因此对潜在路径、潜在时序、潜在标志及潜在指示几个方面进行分析。（）潜在路径分析对图进行转化形成单机的网络树如图所示，其中标注实线箭头的为母线供电关系，正常工作时 闭合，同时霍尔传感器及接触器状态遥测电路工作。开关 为闭合状态时，其它开关应处于断开状态，此时网络树为直线形拓扑结构，电流流向单一，不存在潜通路。当需要进行供电母线切换时，通过指令进行开关的通断控制，确保供电通路单一。例如当 母线故障时，通过指令断开开关 、，接通 、开关，供电母线 通过 开关将供电传输至母线切换单元 ，为下游的负载进行供电，电流流向如图中的虚线箭头所示，电流流向单一，不存在潜通路。第期梁晓锋 等：空间站供配电系统潜通路分析图母线切换单元网络树 （）潜在时序分析从潜在路径分析可见，正常供电状态时 的正负开关均接通，的正负开关均打开，当 供电故障时，重构供电状态时 的正负开关均接通，的正负开关均断开，确保了供电通路单一。若 及 开关同时接通，则 与 两条母线直接连接会产生不期望的供电通路，因此 开关与 开 关之间存在着潜在的时序。开关闭合前必须先断开 开关，开关闭合前必须先断开 开关，这个时序在型号的后续测试及实际在轨飞行中必须严格遵守。（）潜在标志及指示分析针对母线切换单元，体现设备工作状态主要为开关的通断状态，具体为“母切 正状态”、“母切 负状态”、“母切 正状态”、“母切 负状态”、“母切 正状态”、“母切 负状态”，遥测为采集的开关真实通断状态。控制设备工作主要为开关的通断控制指令，具体为“母切 正接通断开”、“母切 负接通断开”、“母切 正接通断开”、“母切 负接通断开”、“母切 正接通断开”、“母切 负接通断开”，指令采用 门形式电路直接对开关进行控制。开关控制指令及状态遥测体现了开关代号，同时体现了供电母线，指令及状态遥测真实、清晰，不存在不正确或不精确的情况，不会导致不希望的操作，不存在潜在标志及指示。）母线控制单元潜通路分析母线控制单元接受母线切换单元的供电，将供电通过开关通断控制后分为 路进行输出，为下游的功率控制单元提供供电，开关均采用大电流直流接触器，对电路图进行转化形成单机的网络树如图所示，其中箭头表示负载的供电电流关系。图母线控制单元网络树 图中负载 为下游的功率控制单元，用电负载对应的开关为闭合状态时，此时网络树为直线形拓扑结构，电流流向单一，不存在潜通路。）功率控制单元潜通路分析功率控制单元接受母线控制单元提供的供电，通过 （固态功率控制单元）进行通断控制后，航天器工程 卷分为 路供电为下游的航天器用电设备提供供电，配置在配电组件 的板卡上。同时设置主、备份的智能组件，与数管进行 通信接受相关指令并传输设备遥测，智能组件由主、备份供电组件提供供电。对收集到的功率控制单元电路图进行转化，对配电组件部分中 电路部分进行细化，形成单机的网络树如图所示，箭头表示电流的流动方向。图功率控制单元网络树 图中用电负载对应的开关为闭合状态时，此时网络树为地拱型（倒型）网络扑结构，所有配电通路相互独立，电流路径独立，不存在潜通路。）指令控制电路潜通路分析母线切换单元及母线控制单元中的开关采用直流接触器，通断控制通过设置的驱动电路实施，为了确保开关的可靠动作，对驱动电路进行潜通路分析。以母线控制单元指令控制电路为例进行介绍。开关的控制电路采用 门形式，具体电路如图所示，当三极管导通时，直流接触器的线包供电通过 门形成电流回路，直流接触器闭合断开，如图中箭头所示（其中实线表示设计路径，虚线表示非预期路径）。设备内采用冷备份工作（图中 表示主份、表示备份），主、备份 门均可驱动接触器动作。当主份正常工作时，主份上的驱动电流会经由主备份交点流向备份指令驱动电路，由于采用三极管集电极输出，三极管存在基极集电极、射级集电极结寄生电容，在备份不工作时从主份通路倒灌进入的电流同样会流过备份多个三极管，产生短暂的非预期路径，如图中的虚线部分所示。针对此潜在的通路，进行具体的影响分析如下：当主份驱动电流进入备份驱动电路内部后，由于三极管结间寄生电容通常为数十至数百，分析由于寄生电容导致的潜在路径持续时间不高于量级，瞬时最大峰值能量有限，对备份电路基本无影响。图指令接口电路图 第期梁晓锋 等：空间站供配电系统潜通路分析结束语潜通路在复杂系统中普遍存在，对系统存在一定的危害。潜通路分析技术是一种行之有效的分析方法，是系统可靠性工作的有效补充。本文对潜通路分析方法进行了介绍，针对供配电系统的体系设计，利用潜通路分析技术，采用人工分析方法，按照收集设备原理图、建立网络树、潜在电路分析的步骤来进行潜通路分析，完成了供配电系统典型设备及指令控制电路的分析，对于分析存在的潜在通路，进行了影响分析。通过给出潜通路分析应用实例，为后续航天器的供配电系统潜通路分析提供了一定的借鉴意义。结合空间站供配电系统设计及潜通路分析，对于后续航天器类似的设计及分析有如下建议：（）针对多母线的供配电系统，建议多母线之间电气隔离，消除母线之间可能出现的潜在通路；（）每条母线的配电系统应尽量采用树形结构，确保供配电系统工作时供电通路唯一；（）多母线之间切换、重构时应进行潜在时序分析，严格控制母线切换的先后顺序，避免潜在通路；（）潜通路分析应包括供电母线上的所有配电设备，覆盖全部供电链路，同时针对指令控制电路进行潜通路分析。参考文献（）李国华，胡昌华，叶雪梅，等潜在通路分析技术的发展安全与环境学报，（）：，（）：（）任立明，严殿启，王汝龙潜在电路分析技术及在航天控制系统中的应用 航天控制，（）：，（）：（）于敏芳，张明哲，裴楠 潜通路分析技术在星载综合电子系统中的应用航天器工程，（），（）：（）欧连军，姜爽，赵岩，等复杂航天器电气系统潜通路分析技术研 究 计 算 机 测 量 与 控 制，（）：，（）：（）张翔，赵岩，杨友超，等潜通路分析在飞行器电气系统设计中的应用 宇航计测技术，（）：，（）：（）毛军刚潜在通路分析技术及其在通信设备中的应用研究中国电子科学研究院学报，（）：，（）：（）朱良平，藤晓婷，首俊明，等潜通路分析技术在航天测试发射中的应用装备指挥技术学院学报，（）：，（）：（）（编辑：张小琳）航天器工程 卷