CN107991902A - 一种航天器的供电系统的建模及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航天器的供电系统的建模及仿真方法，包括：S1.根据对航天器供电系统的模拟试验获取系统建模方案，并生成所述供电系统的建模规划；S2.根据所述建模规划，对所述航天器的供电系统建立供电系统模型。基于供配电系统、负载的电路原理模型，结合系统建模方案开展系统建模、数据处理、仿真分析和结果输出显示，实现了对载人航天器的供电系统进行分析与预测，并缩短了验证分析的时间，减少了人工成本，提高了航天器供电系统的设计和验证效率。

Description

一种航天器的供电系统的建模及仿真方法

技术领域

本发明涉及一种供电系统的建模及仿真方法，尤其涉及一种航天器的供电系统的建模及仿真方法。

背景技术

载人航天器的供电系统由于其复杂庞大、可靠性要求高、工作模式复杂、造价昂贵等特点，有别于一般的航天器及地面供电系统。现有技术中，载人航天器的供电系统的测试时机一般在整器综合测试阶段，时间相对较晚，若出现问题，将对单机状态、系统研制进度等造成不利影响。目前所采取的设计研制方法为，在方案阶段总体根据供配电系统设计状态、负载需求、负载初步用电参数，提出母线品质要求，提出对供配电系统、负载的接口特性要求，此阶段没有进行供电品质验证的手段。在供配电系统及单机产品完成研制并交付分系统、总体后，才具备进行供配电系统与负载的匹配测试条件，通过试验验证系统指标是否满足要求，并对不满足要求的产品进行设计更改。这种方法完全依赖于专项试验和整器综合测试。但随着载人航天领域的发展，载人空间站的规模将十分庞大，且大量载荷负载将进行在轨更换，地面现有条件不具备对空间站供电系统在轨状态进行能源品质试验的能力，无法满足日益增长的任务需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种航天器的供电系统的建模及仿真方法，解决复杂航天器供电系统设计和验证效率低的问题。

为实现上述发明目的，本发明提供一种航天器的供电系统的建模方法，包括：

S1.根据对航天器供电系统的模拟试验获取系统建模方案，并生成所述供电系统的建模规划；

S2.根据所述建模规划，对所述航天器的供电系统建立供电系统模型。

根据本发明的一个方面，所述系统建模方案包括：在轨飞行子方案、地面试验子方案、供电系统子方案和负载特征；

在轨飞行子方案包括：供电系统组建流程和飞行程序；

地面试验子方案包括：地面试验设备、地面试验工况和地面验证项目；

供电系统子方案包括：供电体制、发电能力、系统架构、负载配电能力、过流保护设计和能源管理策略；

负载特征包括：负载启动特性、负载功率变化曲线、负载峰值功率、负载工作模式和负载工作时间。

根据本发明的一个方面，根据对航天器供电系统的模拟试验生成系统建模方案，并生成所述供电系统的建模规划的步骤中包括：

S11.根据所述在轨飞行子方案、所述地面试验子方案、所述供电系统子方案和所述负载特征制定所述供电系统的工作状态的仿真工况；

S12.根据所述仿真工况生成所述供电系统的建模规划。

根据本发明的一个方面，所述建模规划包括：模型输入条件、仿真系统架构、模型形式和结果输出形式；

所述模型输入条件包括：供电系统拓扑结构、母线控制策略及算法、负载供电连接关系和负载用电技术指标；

所述仿真系统架构包括：发电模型架构、配电模型架构和负载模型架构；

所述模型形式包括：行为模型、架构模型和功能模型；

所述结果输出形式包括：波形输出形式和数据输出形式。

根据本发明的一个方面，根据所述建模规划，对所述航天器的供电系统建立供电系统模型的步骤中包括：

S21.根据所述建模规划中的仿真系统架构、模型形式建立单机模型，并对所述单机模型进行测试；

S22.将所述单机模型进行连接构成系统模型，并对所述系统模型进行测试。

根据本发明的一个方面，所述单机模型包括：发电单机模型、配电单机模型和负载单机模型；

所述发电单机模型包括：帆板模型、分流调节器模型、蓄电池模型和充放电控制器模型；

所述配电单机模型包括：配电设备模型和电缆模型。

根据本发明的一个方面，将所述单机模型进行连接构成系统模型的步骤中，根据由底层向顶层构建的方式将所述单机模型连接，构成所述系统模型。

根据本发明的一个方面，对所述单机模型进行测试的步骤中，根据所述模型输入条件对所述系统模型进行测试；

对所述系统模型进行测试的步骤中，根据所述模型输入条件对所述系统模型进行测试。

为实现上述发明目的，本发明提供一种采用所述的建模方法获得供电系统模型进行仿真的方法，包括：

S100.根据仿真工况，生成仿真项目；

S101.根据所述仿真项目，对所述供电系统模型进行仿真。

根据本发明的一个方面，根据所述仿真项目，对所述供电系统模型进行仿真的步骤中包括：

根据在轨飞行子方案、供电系统子方案和负载特征对所述供电系统模型分别进行母线稳态电压分析、进出影过程母线电压波动分析和负载启动、工作及停止过程母线电压波动分析。

根据本发明的一个方案，基于供配电系统、负载的电路原理模型，结合系统建模方案开展系统建模、数据处理、仿真分析和结果输出显示，实现了对载人航天器的供电系统进行分析与预测，并缩短了验证分析的时间，减少了人工成本，提高了航天器供电系统的设计效率。同时，实现了载人航天器的供电系统的优化和提前验证，使得各分系统、大系统间能够在轨稳定工作、确保母线平稳，保证负载用电安全。根据系统建模方案中在轨飞行子方案、供电系统子方案和负载特征，可以有效模拟出航天器供电系统的各中运行条件下的供电性能，并且通过地面试验子方案保证了本发明的建模仿真方法能够准确有效的获取供电系统的实际供电性能，降低供电系统随航天器在轨飞行过程中发生故障的可能，提高了整个供电系统的可靠性。

根据本发明的一个方案，通过对载人航天器进行系统级的供电系统建模，综合考虑了发电、配电、负载、电缆的设计状态、各项指标约束，利用计算机和saber软件进行仿真分析。在保证系统级供电系统建模仿真结果的精度同时，大幅缩减工作耗时，提高了对航天器供电系统的设计和验证效率。

附图说明

图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的建模方法的步骤框图；

图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的建模及仿真方法的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的供电系统的建模方法，包括：

S1.根据对航天器供电系统的模拟试验获取系统建模方案，并生成供电系统的建模规划；

S2.根据建模规划，对航天器的供电系统建立供电系统模型。

为详细的对本发明进行详细阐述，结合附图对本发明的方法进行详细说明。

根据本发明的一种实施方式，本发明的供电系统的建模过程通过saber软件实现。

步骤S1中，如图2所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的系统建模方案包括：在轨飞行子方案、地面试验子方案、供电系统子方案和负载特征。在本实施方式中，在轨飞行子方案包括：供电系统组建流程和飞行模式。地面试验子方案包括：地面试验设备、地面试验工况和地面验证项目。供电系统子方案包括：供电体制、发电能力、系统架构、负载配电能力、过流保护设计和能源管理策略。在本实施方式中，供电体质包括母线数量、母线电压。发电能力包括发电功率，输出电压，储能形式，发电形式。系统架构包括连接关系、发电拓扑、配电拓扑。负载配电能力包括总配电能力，单个配电能力。过流保护设计包括过流跳闸器件，算法。能源管理策略包括安全模式，调配方式。负载特征包括：负载启动特性、负载功率变化曲线、负载峰值功率、负载工作模式和负载工作时间。

根据本发明的一种实施方式，步骤S1还包括：

S11.根据在轨飞行子方案、地面试验子方案、供电系统子方案和负载特征制定供电系统的供电性能的仿真工况。如图2所示，在本实施方式中，根据在轨飞行子方案、地面试验子方案、供电系统子方案和负载特征对航天器在轨运行过程中供电系统的运行进行模拟生成供电系统的仿真工况。例如，根据上述子方案当航天器在空间运行过程中，航天器在进出影过程中供电系统为负载运行供电的电压、电流的变化情况；多个负载接入供电系统过程中供电系统的电压、电流变化等。在本实施方式，为对仿真工况进行详细说明，因此对仿真工况进行详细举例。

例1：三舱阶段一次电源母线选通功能验证

根据本发明的一种实施方式，通过系统模型完成上述验证。在本实施方式中，验证供电系统中一次母线选通过程中供电调配策略的正确性，母线电压的稳态及动态特性满足航天器建造规范要求。在验证过程中，主要通过以下几个方面进行验证，1.母线配电器中的开关执行指令后是否完成了母线的断电和重新选通功能，2.核心舱母线电压的稳态数值是否为100V；3.由1kW阶跃负载变换引起的母线电压上冲应不大于母线电压的5％，应在20ms内回到初始电压的1％范围内；4.实验舱母线电流增加与核心舱负载功率是否匹配。

例2：MEA参数变化影响仿真

根据本发明的一种实施方式，通过系统模型完成上仿真。在本实施方式中，供电系统的MEA信号是控制母线电压的反馈控制信号，对母线电压由直接影响，关系到系统安全。因此需要对MEA信号调理参数变化情况下的母线电压稳定情况进行仿真。在验证过程中，主要通过以下几个方面进行仿真，1.调理参数变化时MEA信号和母线电压、电流变化数值；2.调理参数变化时母线控制的动态特性指标变化数值。

S12.根据仿真工况生成供电系统的建模规划。

步骤S1中，如图2所示，根据本发明的一种实施方式，建模规划包括：模型输入条件、仿真系统架构、模型形式和结果输出形式。在本实施方式中，模型输入条件包括：供电系统拓扑结构、母线控制策略及算法、负载供电连接关系和负载用电技术指标。在本实施方式中，负载用电技术指标包括电压和功率曲线。仿真系统架构包括：发电模型架构、配电模型架构和负载模型架构。模型形式包括：行为模型、架构模型和功能模型。在本实施方式中，供电系统中不同的部分可以为一种模型形式，也可以为多种模型形式的组合。例如：发电子系统属于行为模型和功能模型。配电系统属于行为模型或者功能模型。电缆属于架构模型。负载属于架构模型和功能模型。结果输出形式包括：波形输出形式和数据输出形式。在本实施方式中，结果输出形式中还需要对是否保存输出的结果进行设置。

根据本发明的一种实施方式，步骤S2中包括：

S21.根据建模规划中的仿真系统架构、模型形式建立单机模型，并对单机模型进行测试。如图2所示，在本实施方式中，单机模型包括：发电单机模型、配电单机模型和负载单机模型。在本实施方式中，发电单机模型包括：帆板模型、分流调节器模型和蓄电池模型。在本实施方式中，帆板模型通过帆板输入信息、帆板输出信息和帆板关键信息生成；其中，帆板输入信息包括设备设计参数、太阳光照参数、参考地信号。帆板输出信息包括各路供电阵输出母线。帆板关键信息包括各路输出电压、电流。分流调节器模型通过调节器输入信息、调节器输出信息、调节器关键信息生成；其中，调节器输入信息包括设备设计参数、各路供电阵输出母线、MEA信号、参考地信号；调节器输出信息包括母线输出；调节器关键信息包括输出电压、电流。蓄电池模型通过蓄电池输入信息、蓄电池输出信息、蓄电池关键信息生成；其中，蓄电池输入信息包括设备设计参数、蓄电池容量、放电深度；蓄电池输出信息包括端口电压、端口电流；蓄电池关键信息包括初始容量、放电深度、端口电压、端口电流。配电单机模型包括：配电设备模型和电缆模型。在本实施方式中，配电设备模型通过配电设备输入信息、配电设备输出信息和配电设备关键信息生成；其中，配电设备输入信息包括设备设计参数、功率通道输入端口电压及电流、指令母线供电接口电压及电流、开关控制指令；配电设备输出信息包括功率输出端口电压、电流；配电设备关键信息包括功率通道输入端口电压及电流、开关控制指令、功率输出端口电压及电流。电缆模型通过电缆输入信息、电缆输出信息和电缆关键信息生成；其中，电缆输入信息包括端口电压、电流；电缆输出信息包括端口电压、电流；电缆关键信息包括压降。

S22.将单机模型进行连接构成系统模型，并对所述系统模型进行测试。如图2所示，在本实施方式中，将所述单机模型进行连接构成系统模型的步骤中，根据由底层向顶层构建的方式将所述单机模型连接，构成所述系统模型。在本实施方式中，由底层向顶层构建的方式是指通过将单机模型进行连接构成供电系统中的供电子系统，进一步将供电子系统进行连接构成供电系统。在本实施方式中，通过将单机模型进行连接构成供电子系统的过程中，可分别按照发电、配电和负载等不同类型进行构建，生成发电子系统、配电子系统和负载子系统等。

如图2所示，在本实施方式中，根据模型输入条件对系统模型进行测试。例如，对单机模型进行测试时，根据模型输入条件对单机模型建立用于测试的接口环境，根据接口环境对单机模型依次进行接口、功能的单独测试。对系统模型进行测试时，依然根据系统模型建立相应的接口环境，根据接口环境对系统模型依次进行接口、功能、性能指标的单独测试。当然，在进行系统模型测试之前需要先对单机模型进行测试。若通过单机模型构建系统模型的过程中，通过单机模型构建为供电子系统，通过供电子系统构建为供电系统。则在步骤S23中需要对供电子系统进行测试后，再对供电系统进行测试。

根据本发明的上述建模方法生成本发明的航天器的供电系统模型，并对供电系统模型进行仿真，则仿真方法包括：

S100.根据仿真工况，生成仿真项目；

S101.根据仿真项目，对供电系统模型进行仿真。如图2所示，在本实施方式中，根据在轨飞行子方案、供电系统子方案和负载特征对所述供电系统模型分别进行母线稳态电压分析、进出影过程母线电压波动分析和负载启动、工作及停止过程母线电压波动分析。在本实施方式中，母线稳态电压分析主要验证供能源管理策略、控制裕度与负载用电的匹配，分析航天器在飞行过程中阳照区供电系统的母线电压、阴影区供电系统母线电压是否在要求的区间范围内，分析供电系统是否能够提供足够的电能、配电系统是否能够按照指标要求完成供电传输和分配、负载用电是否满足设计指标，确保系统能量平衡及母线稳定。

在本实施方式中，进出影过程母线电压波动分析主要验证在复杂特性负载供电的过程中，航天器在进影、出影过程的供电系统的母线调节与负载用电是否存在不匹配的状态，母线在进出影过程中是否会出现母线跃变速率、母线扰动范围超出指标要求的情况，确保过渡过程母线电压控制有效。

在本实施方式中，负载启停及工作过程母线电压波动分析主要验证，母线调节控制与负载波动或阶跃动作过程是否匹配，是否会出现母线瞬态特性不满足指标要求的情况，确保母线瞬态调节有效。

根据本发明的方法，基于供配电系统、负载的电路原理模型，结合系统建模方案开展系统建模、数据处理、仿真分析和结果输出显示，实现了对载人航天器的供电系统进行分析与预测，并缩短了验证分析的时间，减少了人工成本。同时，实现了载人航天器的供电系统的优化和提前验证，使得各分系统、大系统间能够在轨稳定工作、确保母线平稳，保证负载用电安全。根据系统建模方案中在轨飞行子方案、供电系统子方案和负载特征，可以有效模拟出航天器供电系统的各中运行条件下的供电性能，并且通过地面试验子方案保证了本发明的建模仿真方法能够准确有效的获取供电系统的实际供电性能，降低供电系统随航天器在轨飞行过程中发生故障的可能，提高了整个供电系统的可靠性。

本发明提出的方法，通过对载人航天器进行系统级的供电系统建模，综合考虑了发电、配电、负载、电缆的设计状态、各项指标约束，利用计算机和saber软件进行仿真分析。在保证系统级供电系统建模仿真结果的精度同时，大幅缩减工作耗时，提高了对航天器供电系统的设计效率。

上述内容仅为本发明的具体方案的例举，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。

以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种航天器的供电系统的建模方法，包括：

S1.根据对航天器供电系统的模拟试验生成系统建模方案，并生成所述供电系统的建模规划；

S2.根据所述建模规划，对所述航天器的供电系统建立供电系统模型。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述系统建模方案包括：在轨飞行子方案、地面试验子方案、供电系统子方案和负载特征；

在轨飞行子方案包括：供电系统组建流程和飞行程序；

地面试验子方案包括：地面试验设备、地面试验工况和地面验证项目；

供电系统子方案包括：供电体制、发电能力、系统架构、负载配电能力、过流保护设计和能源管理策略；

负载特征包括：负载启动特性、负载功率变化曲线、负载峰值功率、负载工作模式和负载工作时间。

3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，根据对航天器供电系统的模拟试验生成系统建模方案，并生成所述供电系统的建模规划的步骤中包括：

S11.根据所述在轨飞行子方案、所述地面试验子方案、所述供电系统子方案和所述负载特征制定所述供电系统的工作状态的仿真工况；

S12.根据所述仿真工况生成所述供电系统的建模规划。

4.根据权利要求3所述的建模方法，其特征在于，所述建模规划包括：模型输入条件、仿真系统架构、模型形式和结果输出形式；

所述模型输入条件包括：供电系统拓扑结构、母线控制策略及算法、负载供电连接关系和负载用电技术指标；

所述仿真系统架构包括：发电模型架构、配电模型架构和负载模型架构；

所述模型形式包括：行为模型、架构模型和功能模型；

所述结果输出形式包括：波形输出形式和数据输出形式。

5.根据权利要求4所述的建模方法，其特征在于，根据所述建模规划，对所述航天器的供电系统建立供电系统模型的步骤中包括：

S21.根据所述建模规划中的仿真系统架构、模型形式建立单机模型，并对所述单机模型进行测试；

S22.将所述单机模型进行连接构成系统模型，并对所述系统模型进行测试。

6.根据权利要求5所述的建模方法，其特征在于，所述单机模型包括：发电单机模型、配电单机模型和负载单机模型；

所述发电单机模型包括：帆板模型、分流调节器模型、蓄电池模型和充放电控制器模型；

所述配电单机模型包括：配电设备模型和电缆模型。

7.根据权利要求6所述的建模方法，其特征在于，将所述单机模型进行连接构成系统模型的步骤中，根据由底层向顶层构建的方式将所述单机模型连接，构成所述系统模型。

8.根据权利要求6所述的建模方法，其特征在于，对所述单机模型进行测试的步骤中，根据所述模型输入条件对所述系统模型进行测试；

对所述系统模型进行测试的步骤中，根据所述模型输入条件对所述系统模型进行测试。

9.一种采用权利要求1-8之一所述的建模方法获得供电系统模型进行仿真的方法，包括：

S100.根据仿真工况，生成仿真项目；

S101.根据所述仿真项目，对所述供电系统模型进行仿真。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据所述仿真项目，对所述供电系统模型进行仿真的步骤中包括：

根据在轨飞行子方案、供电系统子方案和负载特征对所述供电系统模型分别进行母线稳态电压分析、进出影过程母线电压波动分析和负载启动、工作及停止过程母线电压波动分析。