CN108829949B - 飞机二次配电系统phm系统架构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种飞机二次配电系统PHM系统架构，所述PHM架构采用分层结构，自底向上分别从物理层、感知层、分析层，到局部故障诊断层、系统故障诊断层、系统故障预测层，最后到系统健康管理层描述了PHM系统的整体架构，从而在原有飞机二次配电系统的基础上融入PHM技术，实现二次配电系统PHM系统的目标，进而促进国内民机供配电系统PHM技术的发展和应用，提高整个飞机供电系统的安全性、可靠性、维修性、保障性和经济性。
Description
技术领域
本发明涉及一种飞机二次配电系统PHM系统架构及方法，属于电力电子与电工技术领域。
背景技术
为提高飞机安全性和可靠性，促进视情维修的发展，飞机PHM（故障预测与健康管理）技术得到了发展和应用。例如波音B777、B787健康管理系统(AHM)和空客公司所有A3xx飞机的维护分析系统 (AIRMAN)，能够实时监控飞机关键参数、运行数据记录、飞机级故障诊断和故障预测、维修计划生成和管理等。但目前已经获得较多实际应用的各类飞机级PHM架构体系重点关注发动机、机体和材料结构性能、飞控和航电系统等，尚未建立专门针对供电系统的健康管理架构。英国Cranfield大学飞行器综合健康管理(IVHM)研究中心在飞机供电系统健康管理方面处于领先地位，其针对飞机供电系统健康管理开展的主要研究工作包括：供电系统关键部件（如发电机和蓄电池）的故障诊断和预测技术，提出了基于PHM的供电系统电能管理概念。英国Cranfield大学提出了一种供电系统的PHM架构概念设计，但具体的设计工作尚未开始，因此其PHM架构对整个供电系统，尤其是二次配电系统PHM具体实现的指导意义尚且不够。
国外飞机供电系统PHM技术的发展促进了国内民机供配电系统PHM系统的研究，民机C919以及ARJ21均已着手开展供电系统PHM技术研究，而二次配电系统作为飞机供配电系统中的一个子系统，其PHM技术的研究与应用是整个供配电系统PHM技术研究的基础和必经阶段。虽然目前国内外针对飞机供电系统PHM的研究成果较少，但针对飞机供电系统中各分系统内关键部件已经开展了大量的故障诊断和预测方法研究。其中，针对先进飞机中分布式智能二次配电系统的健康管理问题，开展了前期的诊断和预测工作，具体包括SSPC自检测、二次配电系统的故障诊断、配电电缆绝缘老化预测以及SSPC内部功率器件的状态监测和寿命预测等。因此，尽管目前尚未形成二次配电系统的PHM概念，更无相应的体系标准诞生，但现有的飞机级或电源系统级PHM技术以及二次配电系统目前开展的诊断和预测研究，使得二次配电系统PHM系统的发展成为了必然的趋势。
发明内容
根据前述背景技术中的描述，本发明针对国内外目前在飞机二次配电系统PHM系统研究上的空白，结合飞机二次配电系统PHM系统的发展必然性、综合化SSPC取代常规SSPC的发展趋势、国内外现有PHM系统架构的通用性，提出一种飞机二次配电系统PHM系统架构，为后续飞机二次配电系统PHM技术的实现提供整体架构和解决方案。在本发明所提PHM系统架构下可开展后续二次配电系统故障诊断及预测相关的关键技术研究，为当前飞机供配电系统PHM系统的研究提供必要的理论基础和参考价值，这对国内民机供配电系统PHM技术的发展和应用具有重大意义。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种飞机二次配电系统PHM系统架构，其特征在于所述架构包括
物理层：由主电源、智能固态配电装置、配电电缆和负载构成的二次配电系统，作为待融入PHM系统的被测对象；
感知层：完成分布式传感器布局和系统状态信号检测；
分析层：对感知层检测到的系统原始信息进行数据处理和特征提取；
局部故障诊断层：基于分析层处理得到的系统数据，完成系统故障的初步诊断；
系统故障诊断层：基于局部故障诊断层上传的局部故障诊断结论以及分析层上传的原始故障特征信息，基于多源信息融合技术，实现系统级故障决策诊断；
系统故障预测层：在系统故障诊断的基础上，对二次配电系统的关键部件开展预测研究；
系统健康管理层：基于系统故障诊断层和系统故障预测层输出的系统故障诊断和预测结果，并结合可用资源和使用要求，实现系统健康管理。
本发明的有益效果是：
1. 本发明填补了国内外目前在飞机二次配电系统PHM技术上的空白，为后续飞机二次配电系统PHM技术的实现提供整体架构和解决方案，促进了国内民机供配电系统PHM技术的发展。
2. 在所提PHM架构基础上开展的系统级故障诊断方法研究，实现了飞机二次配电系统的系统级故障检测与隔离，提高了系统故障覆盖率、隔离率，减少了虚警和误判问题。
3. 在所提PHM架构基础上开展的部件级故障预测方法研究，实现了飞机二次配电系统中关键部件即固态配电装置和电缆的寿命预测，促进了视情维修的发展。
4. 在所提PHM架构基础上开展的系统健康管理方法研究，能够基于上述诊断或预测结果，执行系统健康管理，从而提高二次配电系统安全性、可靠性和维修性。
本发明的技术方案可广泛应用于飞机、船舶、电动汽车的低压和高压电力系统。
附图说明
图 1是综合化SSPC软硬件架构框图；
图 2是飞机二次配电系统PHM系统架构框图。
具体实施方式
下面结合附图详细介绍本发明所涉及的一些关键技术，以支持权利要求部分。
图1是集成系统电弧故障检测及电缆故障检测定位功能的综合化SSPC软硬件架构框图，以实现二次配电系统常见故障模式的诊断和保护。主功率回路为一个从输入进线到SiC功率管到电缆再到负载的简单二次配电支路，为实现该配电系统的系统级故障诊断，所设计综合化SSPC硬件上包括3块板卡：1）功率板；2）电缆故障定位板；3）FPGA数字板。其中功率板上集成有驱动电路、带限流的短路保护电路、负载电压、电流调理电路以及光耦隔离电路等，用于实现①主功率回路的信号检测、调理、上传；②针对容感性负载的慢开通慢关断策略；③针对危害性极高的短路故障的限流关断保护控制策略。功率板接收FPGA数字板发出的开关指令并将短路故障状态、负载电压、负载电流等上传至FPGA数字控制部分用于故障诊断与保护。为便于叙述，将功率板上的硬件电路和数字控制部分执行的过欠压、过载等故障保护软件部分统称为常规SSPC模块（本文中的常规SSPC即现有技术中的SSPC）。FPGA数字控制板卡上集成有电弧检测模块，包括硬件上的电流检测调理和软件上的电弧故障诊断。电缆故障定位板采用扩频时域反射法（SSTDR）实现电缆故障检测与定位，通过将PN码与正弦波的调制信号作为入射信号注入待测电缆中，同时接收由故障点处阻抗不匹配引起的反射信号，从入射信号和反射信号的相关运算结果中提取故障信息，最终实现电缆故障的检测与定位。电缆故障定位板将电缆故障及定位信息通过SPI通信上传至FPGA数字板。所设计综合化SSPC软件上包括：1）3个模块的局部故障诊断和2）信息融合模块的系统级故障诊断，即FPGA数字板上集成的电弧检测模块、常规SSPC模块以及电缆定位模块分别执行系统故障的局部诊断功能，并将各自的初步诊断结果包括电弧故障信息、常规SSPC上传信息和电缆故障及定位信息分别上传至FPGA内部的信息融合模块，基于多源信息融合技术实现系统级故障的决策诊断和保护。
综合化SSPC的发展为飞机二次配电系统PHM系统的发展奠定了良好的基础。一方面综合化SSPC所实现的增强的系统故障诊断能力正是PHM系统的核心内容之一，另一方面综合化SSPC可以作为系统PHM算法实现的载体。基于综合化SSPC的飞机二次配电系统的PHM系统架构设计如图2所示。
图2采用分层结构自底向上分别从物理层、感知层、分析层，到局部故障诊断层、系统故障诊断层、系统故障预测层，最后到系统健康管理层描述了PHM系统的整体架构，从而在原有飞机二次配电系统的基础上融入PHM技术，实现二次配电系统PHM系统的目标。
物理层是主要由主电源、智能固态配电装置（由多个综合化SSPC组成的配电单元/配电中心）、配电电缆和负载构成的二次配电系统，作为待融入PHM系统的被测对象。
感知层完成分布式传感器布局和系统状态感知，系统状态信号包括电源侧的输出电压u和电流i；配电装置侧的输出电压u、输出电流i、开关指令状态CMD、配电装置跳闸信号Trip，功率管两端的电压电流等；配电电缆上的电压电流及阻抗信号；负载侧的电压电流状态等。以上仅为部分系统状态信号示意，需根据实际系统需要，完成分布式传感器布局和状态感知。
分析层对感知层检测到的系统原始信息进行数据处理和特征提取，其中数据处理方法包括均值滤波、傅里叶变换和相关运算等，特征提取则包括所检测信号如电压、电流、阻抗的时域、频域或时频域特征。以上仅为部分数据处理或特征提取方法，需根据实际数据状况或特征参数的选择，选择相应的数据处理或特征提取方法。
局部故障诊断层基于分析层处理得到的系统数据，完成系统故障的初步诊断。综合化SSPC的常规SSPC模块、电弧检测模块和电缆定位模块首先分别执行局部的系统故障诊断功能，其中常规SSPC模块能够实现电源侧过欠压故障的诊断、SSPC的BIT自检以及系统开路和短路故障的检测，但其不具备区分电缆和负载开路或短路故障的能力；电弧检测模块能够实现整系统电弧故障的检测，但不具备定位电弧故障的能力；电缆定位模块则只针对电缆硬故障或软故障的检测和定位。
系统故障诊断层基于局部故障诊断层上传的局部故障诊断结论以及分析层上传的原始故障特征信息如电流交流分量的时频域特征量等，基于多源信息融合技术，分别采用基于故障字典、多值逻辑等的决策级融合方法、基于神经网络、D-S证据理论等的特征级融合方法，实现系统级故障决策诊断。以上仅为部分信息融合方法，需根据实际系统故障诊断需要，选择相应的信息融合方法。
系统故障预测层在系统故障诊断的基础上，顺应PHM和视情维修的发展趋势，对二次配电系统的关键部件开展预测研究。因此，系统核心部件即智能固态配电装置的可靠性预计以及配电电缆的绝缘层老化失效预测成为系统故障预测层的主要研究内容。具体预测方法包括了基于模型的预测、基于数据驱动的预测，需根据实际情况，选择适用于各关键部件失效预测的有效方法。
系统健康管理层基于系统故障诊断层和系统故障预测层输出的系统故障诊断和预测结果，并结合可用资源和使用要求，实现系统健康管理，包括故障隔离、系统重构、任务规划、维护维修等。以上仅为部分健康管理内容，需根据实际系统需要，制定相应的健康管理策略。
综上所述，尽管本发明的基本结构、原理、方法通过上述实施例予以具体阐述，在不脱离本发明要旨的前提下，根据以上所述的启发，本领域普通技术人员可以不需要付出创造性劳动即可实施变换/替代形式或组合均落入本发明保护范围。
Claims (6)
1.一种飞机二次配电系统PHM系统架构，其特征在于所述架构包括
物理层：主要由主电源、智能固态配电装置、配电电缆和负载构成的二次配电系统，作为待融入PHM系统的被测对象；
感知层：完成分布式传感器布局和系统状态信号检测；
分析层：对感知层检测到的系统原始信息进行数据处理和特征提取；
局部故障诊断层：基于分析层处理得到的系统数据，完成系统故障的初步诊断；所述局部故障诊断层包括常规SSPC模块、电弧检测模块和电缆定位模块，三个模块分别执行局部的系统故障诊断功能，其中常规SSPC模块实现电源侧过/欠压故障的诊断、SSPC的BIT自检以及系统开路和短路故障的检测；电弧检测模块实现整系统电弧故障的检测；电缆定位模块针对电缆硬故障或软故障进行检测和定位；
系统故障诊断层：基于局部故障诊断层上传的局部故障诊断结论以及分析层上传的原始故障特征信息，基于多源信息融合技术，实现系统级故障决策诊断；
系统故障预测层：在系统故障诊断的基础上，对二次配电系统的关键部件开展预测研究；
系统健康管理层：基于系统故障诊断层和系统故障预测层输出的系统故障诊断和预测结果，并结合可用资源和使用要求，实现系统健康管理。
2.如权利要求1所述的飞机二次配电系统PHM系统架构，其特征在于系统状态信号包括：电源侧的输出电压和电流；配电装置侧的输出电压和电流、开关指令状态、配电装置跳闸信号；功率管两端的电压和电流；配电电缆上的电压、电流及阻抗信号；负载侧的电压和电流状态。
3.如权利要求1所述的飞机二次配电系统PHM系统架构，其特征在于分析层的数据处理方法包括均值滤波、傅里叶变换和相关运算，特征提取包括对检测信号的时域、频域或时频域特征的提取。
4.如权利要求1所述的飞机二次配电系统PHM系统架构，其特征在于系统故障诊断层的信息融合方法包括决策级融合方法、特征级融合方法。
5.如权利要求1所述的飞机二次配电系统PHM系统架构，其特征在于系统故障预测层的研究内容主要包括智能固态配电装置的可靠性预测以及配电电缆的绝缘层老化失效预测，预测方法包括基于模型的预测、基于数据驱动的预测。
6.如权利要求1所述的飞机二次配电系统PHM系统架构，其特征在于系统健康包括故障隔离、系统重构、任务规划、维护维修。
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