CN105549424A - 一种宽体客机汇流条功率控制器模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽体客机汇流条功率控制器模拟系统及方法，所述模拟系统包括左汇流条功率控制器、右汇流条功率控制器；左汇流条功率控制器分别对左交流电网、左直流电网进行控制；右汇流条功率控制器分别对右交流电网、右直流电网进行控制；左、右汇流条功率控制器共同对应急电网进行双余度控制；左、右汇流条功率控制器之间通过非相似余度的冗余通信方式进行信息交互。本发明设计的宽体客机汇流条功率控制器模拟器可以实现宽体客机电网正常及故障情况下的电网状态的检测、重构控制和故障保护功能，实现负载的可靠供电。双功率控制器的设计以及冗余通讯技术的应用，提高了电网运行的可靠性和安全性。

Description

一种宽体客机汇流条功率控制器模拟系统及方法

技术领域

本发明属于电气工程领域，尤其是涉及宽体客机飞机自动配电控制系统。

背景技术

宽体客机是在第一代喷气客机的基础上发展起来的，是航空技术的巨大跨越。采用新型的变频交流电源系统，是宽体飞机供电系统发展的方向，该电源系统已应用在世界上最先进的宽体客机B787上。目前我国也在开展对变频交流供电系统的研制工作，但与国外相比仍差距较大，仍处于仿真阶段。这属于国家级的重要项目。

飞机自动配电系统主要由各汇流条、终端构成的飞机配电网络以及由相应处理器、控制器构成的配电控制单元组成。一次配电为从发电机到供电汇流条的部分，其控制单元是汇流条功率控制器BPCU（BusPowerControlUnit），是飞机自动配电系统的核心。

宽体客机电网规模庞大、结构复杂度高，控制各组成部件协调工作难度大，因此对飞机自动配电系统要求很高：要实现对宽体飞机电网的状态检测和控制，防止局部设备故障时影响到整个电网，智能地对电网进行保护和重构，保证余度、容错和不中断供电等等。

针对宽体客机电网，采用宽体客机汇流条功率控制器（BPCU）模拟技术，可以实现对该电网的状态检测和控制，可以在没有控制器实物的情况下进行控制试验，大大降低供电系统的设计成本，同时缩短其开发周期，为未来大型客机电网结构的应用提供依据，对研究飞机配电系统的控制方法具有重要作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在没有宽体飞机供电系统实物的情况下，针对其一次配电网络通道多，结构复杂等特点，提出了一种宽体客机的汇流条功率控制器模拟技术。采用该技术能够真实模拟BPCU的工作逻辑，实现对宽体飞机电网的状态检测和控制，保证飞机一次配电网络的正常、可靠、安全工作，填补我国宽体客机电网一次配电技术领域的空白。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种宽体客机汇流条功率控制器模拟系统，其特征在于包括左汇流条功率控制器、右汇流条功率控制器；所述左汇流条功率控制器通过调理接口电路分别检测左交流电网、左直流电网、应急交流电网、应急直流电网的运行状态，并对检测结果进行逻辑运算，分别对左交流电网、左直流电网、应急交流电网、应急直流电网进行控制；所述右汇流条功率控制器通过调理接口电路分别检测右交流电网、右直流电网、应急交流电网、应急直流电网的运行状态，并对检测结果进行逻辑运算，分别对右交流电网、右直流电网、应急交流电网、应急直流电网进行控制；左、右汇流条功率控制器共同对应急电网进行双余度控制；左、右汇流条功率控制器之间通过非相似余度的冗余通信方式进行信息交互。

一种宽体客机汇流条功率控制器模拟方法，其特征在于设置左汇流条功率控制器对左交流电网、左直流电网进行控制，设置右汇流条功率控制器对右交流电网、右直流电网进行控制，左、右汇流条功率控制器共同对应急电网进行双余度控制；左、右汇流条功率控制器之间通过非相似余度的冗余通信方式进行信息交互；左、右汇流条功率控制器软件均采用基于LabVIEW环境下、状态机结构为主、多线程并发的编程方式实现。

本发明的有益效果是：提出了一种宽体客机汇流条功率控制器模拟系统及方法，基于冗余通信技术和双功率控制器分布控制，可以真实模拟汇流条功率控制器的工作逻辑。采用该技术设计的模拟器可以实现宽体客机电网正常及故障情况下的电网状态的检测、重构控制和故障保护功能，实现负载的可靠供电，提高电网运行的可靠性和安全性。

附图说明

图1是本发明所针对的宽体客机电网示意图。

图2是本发明汇流条功率控制器（BPCU）模拟器结构示意图。

图3是本发明汇流条功率控制器（BPCU）模拟器非相似余度冗余通信示意图。

图4是本发明汇流条功率控制器（BPCU）模拟器调理电路模块化设计示意图。

图5是本发明汇流条功率控制器（BPCU）模拟器LabVIEW环境下基于状态机结构的多线程编程方法示意图。

图6（a）是汇流条功率控制器（BPCU）模拟器LabVIEW环境下状态机多线程并发示意图。

图6（b）所示，为逻辑运算和电网控制模块状态机结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的宽体客机汇流条功率控制器（BPCU）模拟器进行详细说明：

如图1所示，是本发明所针对的宽体客机电网结构示意图，该电网包括四台主起动/发电机，两台APU起动/发电机，一台应急发电机（RAT），四台地面电源以及蓄电池和若干变换器（图中未画出）。电网主要分为左交流电网、右交流电网、左直流电网、右直流电网以及应急交流电网、应急直流电网。虽然宽体客机电网规模庞大、结构复杂度高，但就拓扑角度而言，电网左、右两部分基本对称，控制方式类似，设定整个自动配电系统中含有2个汇流条功率控制器BPCU，并且按左右区分，分别命名为左汇流条功率控制器LBPCU及右汇流条功率控制器RBPCU，左交流通道与左直流通道由左功率控制器控制，右交流通道与右直流通道由右功率控制器控制。对于应急配电部分，左右两个功率控制器均可控制，提高了应急配电部分控制上的可靠性。

如图2所示，是本发明的BPCU模拟器的整体结构框图，主要包括两台PCI工控机、输入/输出板卡、通信板卡、接口电路箱（调理箱）、模拟电网组成。PCI工控机模拟的是电气综合管理系统，左、右两台工控机分别模拟左、右汇流条功率控制器（LBPCU和RBPCU），内插有数字量输入输出板卡和模拟量输入板卡，作为工控机与外部信号的接口；插有RS422通信板卡用于两台工控机的通信。模拟电网中电压、电流信号经过调理电路，通过模拟量输入板卡输入到BPCU中。同时，通过数字量输入板卡，检测到模拟电网中各个接触器辅助触点的状态，这些检测到的信号通过工控机软件的处理及其逻辑运算，通过数字量输出板卡输出数字信号来控制电网中接触器的通断，从而实现对电网的控制，在发生故障时达到电网重构的目的，实现余度供电。

如图3所示，是本发明汇流条功率控制器（BPCU）模拟器非相似余度冗余通信示意图。BPCU模拟器是将RS422通信作为首要通讯方式，CAN通信做为热备份。当RS422通讯发生故障时，软件自动识别故障并且切换为CAN通信，使得两个控制器之间的信号传输不中断，提高了通信的稳定性和可靠性。此外，RS232通信作为第三种通讯方式，用于传输对方BPCU是否开机运行的信号。在编程时，将这三种通信状态组合为一个二进制数，再将该二进制数转化为十进制数值，该数值定义为通讯状态，不同的通讯状态对应执行不同的电网控制策略，这样即使通讯状态发生变化，控制器也能根据此刻的通讯状态及时对电网执行相应的操作。RS422和CAN两种通讯方式的互为备份以及RS232通讯的辅助，保证了电网运行的稳定性。

如图4所示，是本发明汇流条功率控制器（BPCU）模拟器信号调理电路模块化设计示意图。宽体客机电网结构极其复杂，需要采集处理分析的信号种类、数量庞大，所需要的方法不尽相同。若每个信号都单独设计，工作量极大，也不利于后期维护。本发明中包括两个调理箱，左调理箱和右调理箱，分别对应左右汇流条功率控制器（L/RBPCU）。每个调理箱中根据LBPCU和RBPCU所检测和控制的信号量的种类和数量，放置信号调理电路和继电器驱动电路，如图2所示。本发明采用模块化的设计思路，将每块信号调理电路板根据不同信号的采集需求，划分为有效值检测电路，峰值检测电路，电流检测电路和相序检测电路，图4所显示了信号调理电路板的功能模块分布。以有效值检测电路为例，采用芯片LM358P，每块芯片集成两个运算放大器，可设计两路有效值检测电路，左侧1-1和右侧1-2各一路。设计统一的对外接口（包括电网接口和工控机板卡接口）以及统一的电路板编号。相同规格的电路板和对外接口方便统一安装和统一维护。

如图5所示，是本发明汇流条功率控制器（BPCU）模拟器对应急电网接触器控制示意图，应急电网的接触器是由左右BPCU共同控制，硬件电路中是将LBPCU和RBPCU的控制线一起直接连在三态拨动开关的自动控制端。继电器驱动板输出的控制信号为悬空/接地，当一方的控制信号为接地时，接触器线圈就会接通，使接触器主触点闭合，此时不论另一方控制信号为悬空还是接地，接触器均会闭合，这会使得应急通道的控制产生混乱，以至于影响飞机电网的正常运行。

因此，本发明应急电网采用双余度控制的控制方式，通过确定LBPCU和RBPCU的优先级实现；设定LBPCU的优先级高于RBPCU，则由LBPCU对应急电网进行控制，以避免RBPCU控制信号的影响，此时RBPCU的输出控制信号均为悬空，当且仅当LBPCU停止运行，RBPCU才会接管应急电网的控制功能。

如图6（a）、图6（b）所示，左汇流条功率控制器和右汇流条功率控制器软件均采用基于LabVIEW与C语言相结合，状态机结构为主多线程并发的编程方式。

如图6（a）是汇流条功率控制器（BPCU）模拟器LabVIEW环境下状态机多线程并发示意图。BPCU软件程序划分为多个模块：模拟量信号采集和分析模块、数字量信号采集和分析模块、逻辑运算和电网控制模块、以及通信模块。各模块相互影响但是互为独立。编写程序时，将每一个功能的模块放进一个独立的While循环结构中，每个独立的循环结构即为一个独立线程，运行时四个线程同时并发执行，充分利用CPU资源，提高了资源利用率。通过设置循环时间，来保证多个循环的同步性，循环之间的同步即线程之间的同步。各线程彼此之间的信息交换通过局部变量、全局变量、共享变量等方式来实现。各变量中数据信息流动的方向即为各个线程数据信息的优先级。例如，当模拟信号采集模块在执行时，逻辑运算模块也在同步执行，运算时需要用到采集模块以及通信模块得到的数据，将这些数据创建局部变量，传递不同循环框中的信息，这样既能保证逻辑运算得到连续的数据，同时保证采集的不中断。

如图6（b）所示，为逻辑运算和电网控制模块状态机结构示意图。逻辑运算与电网控制的程序分为三种状态：初始化电网状态、等待（即稳定电网状态）、电网重构状态。这三种状态相互转换，但是没有固定的转换方向，且受触发条件的影响,，状态切换准确迅速。使用状态机结构能够灵活地在这三种状态中切换，既可以实现自动切换，也可以手动切换。当手动按下“RESTART”按钮时，可从任意状态强制转换为“初始化电网状态”，此时所有的控制信号都为预先设定值；基于多线程方式的使用，所有的检测信号在实时刷新，根据检测到的信号自动判断电网是否发生故障，如果故障则跳转到重构状态，电网进行重构直到稳定；稳定后跳转到“等待状态”，输出控制保持上一刻的指令。

LabVIEW的图形化编程G语言和C语言混合编程，利用G语言实现模拟量、数字量的采集、处理和分析，以及BPCU通信信息的组合、编码、解码、拆分功能；而C语言则用来实现电网重构逻辑的运算功能。解决了单一编程语言不灵活，效率低的问题，使得CPU可以根据不同的功能模块合理分配时间和资源，优化了程序结构，提高了运行速度和效率。

Claims (9)

1.一种宽体客机汇流条功率控制器模拟系统，其特征在于包括左汇流条功率控制器、右汇流条功率控制器；所述左汇流条功率控制器通过调理接口电路分别检测左交流电网、左直流电网、应急交流电网、应急直流电网的运行状态，并对检测结果进行逻辑运算，分别对左交流电网、左直流电网、应急交流电网、应急直流电网进行控制；所述右汇流条功率控制器通过调理接口电路分别检测右交流电网、右直流电网、应急交流电网、应急直流电网的运行状态，并对检测结果进行逻辑运算，分别对右交流电网、右直流电网、应急交流电网、应急直流电网进行控制；左、右汇流条功率控制器共同对应急电网进行双余度控制；左、右汇流条功率控制器之间通过非相似余度的冗余通信方式进行信息交互。

2.根据权利要求1所述的一种宽体客机汇流条功率控制器模拟系统，其特征在于左汇流条功率控制器和右汇流条功率控制器共同对应急电网进行双余度控制，首先确定左、右汇流条功率控制器的优先级，由优先级高的汇流条功率控制器对应急电网进行控制，若优先级高的汇流条功率控制器出现故障，则由优先级低的汇流条功率控制器接替对应急电网的控制权。

3.根据权利要求1所述的一种宽体客机汇流条功率控制器模拟系统，其特征在于非相似余度冗余通信包括RS422通信、CAN通信以及RS232通信；左汇流条功率控制器和右汇流条功率控制器之间通过RS422通信、CAN通信交互各自所控电网的运行状态以及检测的结果，以RS422通信为主，CAN通信作为热备份；RS232通信作为辅助用于传递两个汇流条功率控制器是否开机运行的信号。

4.根据权利要求1所述的一种宽体客机汇流条功率控制器模拟系统，其特征在于，所述左汇流条功率控制器和右汇流条功率控制器功能配置相同，所述功能配置包括：基于PCI总线的工控机和模块化设计的调理箱，工控机包括数字量输入板卡、数字量输出板卡、模拟量输入板卡和实现工控机相互通信的通信板卡，调理箱包括信号调理电路和继电器驱动电路，数字量输出板卡和继电器驱动电路连接，数字量输入板卡和模拟量输入板卡分别和信号调理电路连接，继电器驱动电路和信号调理电路分别和宽体客机飞机模拟电网连接。

5.根据权利要求4所述的一种宽体客机汇流条功率控制器模拟系统，调理电路采用模块化设计方法，根据不同信号的采集需求划分为有效值采集电路，峰值采集电路，电流采集电路和相序检测电路，具有统一的对外接口以及统一的电路板编号。

6.根据权利要求4所述的一种宽体客机汇流条功率控制器模拟系统，其特征在于所述继电器驱动电路实现汇流条功率控制器对宽体客机飞机模拟电网接触器的驱动。

7.一种宽体客机汇流条功率控制器模拟方法，其特征在于设置左汇流条功率控制器对左交流电网、左直流电网进行控制，设置右汇流条功率控制器对右交流电网、右直流电网进行控制，左、右汇流条功率控制器共同对应急电网进行双余度控制；左、右汇流条功率控制器之间通过非相似余度的冗余通信方式进行信息交互；左、右汇流条功率控制器软件均采用基于LabVIEW环境下、状态机结构为主、多线程并发的编程方式实现。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于多线程并发的编程方式将汇流条功率控制器软件划分为数字信号采集和分析模块、模拟信号采集和分析模块、通信模块以及逻辑运算和电网控制模块，各模块相互影响但互为独立，各模块分别放进一个独立的While循环结构中，每个独立的循环结构即为一个独立线程，运行时各线程同时并发执行，通过设置循环时间，来保证各循环的同步性，循环之间的同步即线程之间的同步，各线程彼此之间的信息交换通过局部变量、全局变量、共享变量等方式来实现，各变量中数据信息流动的方向即为各个线程数据信息的优先级。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于逻辑运算和电网控制模块状态机结构包含三种状态：初始化电网状态、稳定电网状态、电网重构状态，三种状态受触发条件影响相互转换，没有固定的转换方向。