CN113794266A - 一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，属于卫星供配电系统设计领域；包括第一环网开关、第二环网开关、第三环网开关、第四环网开关、BUS1母线、BUS2母线、BUS3母线、BUS4母线、应急母线、第一电源模块、第二电源模块、第三电源模块、第四电源模块、应急电源模块和隔离开关；本发明有效避免单母线带来的单点失效问题，显著提高卫星供配电系统和整星的可靠性，同时分布式环形结构可以有效减少电缆铺设长度以及配电模块的重量，有助于整星减重。

Description

一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构
技术领域
本发明属于卫星供配电系统设计领域，涉及一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构。
背景技术
供配电分系统是卫星的重要组成部分，主要负责在卫星各个飞行阶段为有效载荷及平台提供和分配电能。
目前国内高轨大功率通信卫星中，配电方式普遍采用集中式100V单母线配电，即一台电源控制单元(PCU)通过内部的分流调节模块(SUN模块)和充放电调节模块(BCDR模块)收集从太阳电池阵和蓄电池传输过来的能量，再通过SUN模块输出100V母线将电能送到配电模块，配电模块将电能分配给平台和载荷设备。PCU是整个卫星供配电系统的核心，属于整星的关键产品。PCU采用模块化设计理念，不同功能的模块都有冗余设计，某个模块故障将有其他模块代替它进行工作。为了保证PCU和母线供电安全，在设计上、工艺上、生产过程中都经过了多轮严密的验证和检查。
随着未来全电推的引入以及载荷功能的加强，卫星的功率等级会越来越高，卫星的规模和体积也会越来越大，模块化可扩展卫星、分舱板设计同步测试总装等方法会越来越普及，如果卫星的配电系统仍采用集中式单母线配电方式，卫星舱体变大后，单一PCU的主功率线缆走线距离会进一步增长，整星电缆网增重明显，铺设难度也会变大；此外主功率电缆会从SADA处绑扎在一起汇集到PCU，当整星功率增大，功率电缆电流增大，线束增多，线缆统一绑扎处发热将会更加严重，将增大热控成本。另一方面，PCU作为一台单机，不能随着整星功率等级的提升无限增加自身的模块配置数量，而且如果生产控制过程中出现薄弱环节，导致PCU输出端母线发生短路故障，瞬间产生的大电流会影响到单机内所有模块。因为供电侧没有熔断器保护，故障很可能会迅速扩散蔓延，导致一系列严重后果。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，有效避免单母线带来的单点失效问题，显著提高卫星供配电系统和整星的可靠性，同时分布式环形结构可以有效减少电缆铺设长度以及配电模块的重量，有助于整星减重。
本发明解决技术的方案是：
一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，包括第一环网开关、第二环网开关、第三环网开关、第四环网开关、BUS1母线、BUS2母线、BUS3母线、BUS4母线、应急母线、第一电源模块、第二电源模块、第三电源模块、第四电源模块、应急电源模块和隔离开关；
其中，BUS1母线设置在卫星的通信舱南板；BUS2母线设置在卫星的仪器舱；BUS3母线设置在卫星的通信舱北板；BUS4母线设置在卫星的对地板；且BUS1母线、BUS2母线、BUS3母线、BUS4母线依次首尾连接围成矩形环状框架；第一环网开关设置在BUS1母线和BUS4母线的对接处；第二环网开关设置在BUS1母线和BUS2母线的对接处；第三环网开关设置在BUS2母线和BUS3母线的对接处；第四环网开关设置在BUS3母线和BUS4母线的对接处；第一电源模块设置在BUS1母线上；第二电源模块设置在BUS2母线上；第三电源模块设置在BUS3母线上；第四电源模块设置在BUS4母线上；应急电源模块、应急母线和隔离开关设置在仪器舱；应急电源模块依次通过应急母线、隔离开关分别与BUS1母线、BUS2母线、BUS3母线上的设备连接。
在上述的一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，卫星整星的功率在BUS1母线、BUS2母线、BUS3母线、BUS4母线上平均分布；每条母线的功率为10kW，电压为100V。
在上述的一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，所述第一电源模块通过BUS1母线实现对BUS1母线上的各设备供电；第二电源模块通过BUS2母线实现对BUS2母线上的各设备供电；第三电源模块通过BUS3母线实现对BUS3母线上的各设备供电；第四电源模块通过BUS4母线实现对BUS4母线上的各设备供电。
在上述的一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，所述第一环网开关、第二环网开关、第三环网开关、第四环网开关为相同的环网开关，均包括1个限流继电器和5个功率继电器；限流继电器和5个功率继电器并联后，分别与两侧的母线连通；限流继电器包括功率继电器和限流电阻，功率继电器和限流电阻串联组成限流继电器。
在上述的一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，所述限流继电器的参数为110V/2A；所述功率继电器的参数为110V/25A；限流电阻的参数为470Ω/25W。
在上述的一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，所述环网开关实现当对应的2条母线出现供电不足或无法供电的故障状态时，实现对2条母线进行重构，具体为：
当环网开关对应2条母线均不发生故障时，环网开关中限流继电器和5个功率继电器均处于常断开状态；当其中1条母线出现供电不足或无法供电的故障状态，且该故障母线上无短路点时，环网开关中的限流继电器和5个功率继电器闭合，实现重构。
在上述的一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，当其中1条母线出现供电不足或无法供电的故障状态时，限流继电器首先闭合，形成小电流通路，为故障母线充电，充电过程中，未闭合功率继电器功率触点间的压降逐渐减小，直至当故障母线电压随充电不断上升至正常母线电压时，未闭合功率继电器功率触点间的压降趋于0，依次闭合5个功率继电器；，完成两条母线的互联以及功率回路的重构。
在上述的一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，5个功率继电器及限流继电器中的功率继电器的耐压能力为110V，大于接入母线与故障母线的最大压差ΔU。
在上述的一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，为供电母线充电时，充电电流被限流电阻限制为213mA；充电的瞬时最大功耗Pmax为：
Pmax＝ΔU2/R
式中，ΔU为接入母线与故障母线的最大压差，等于接入母线电压100V减去故障母线电压0V；
R为限流电阻阻值。
在上述的一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，当任意一条母线发生短路故障时，启动应急母线，闭合隔离开关，通过应急电源模块为故障母线上的设备供电。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明的配电系统可靠性显著提高，星上不再存在母线或PCU的单点故障模式，通过重构方式可以不间断地向星上其他设备供电；
(2)本发明可以合理地利用电缆和线束的走向，解决了采用单一PCU的功率电缆走向出现往复的问题，节省电缆铺设长度和重量，降低成本；
(3)本发明可以在各种故障工况下灵活排除故障，保证业务连续和整星安全运行。
附图说明
图1为本发明配电系统架构示意图；
图2为本发明环网开关示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供一种星上基于多母线的分布式环形配电系统架构，克服了目前单母线集中式配电的单点故障问题，更适用于未来30kW～100kW大功率等级的卫星。一旦一条母线出现故障，可以通过环网开关进行重构，将其他母线的电能供给该母线上的设备，实现星上业务的连续。对于关键设备，设置应急母线进行重构，保证整星安全。供配电系统和整星的可靠性由于该架构带来了显著提升。
基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，如图1所示，包括第一环网开关、第二环网开关、第三环网开关、第四环网开关、BUS1母线、BUS2母线、BUS3母线、BUS4母线、应急母线、第一电源模块、第二电源模块、第三电源模块、第四电源模块、应急电源模块和隔离开关；
其中，BUS1母线设置在卫星的通信舱南板；BUS2母线设置在卫星的仪器舱；BUS3母线设置在卫星的通信舱北板；BUS4母线设置在卫星的对地板；且BUS1母线、BUS2母线、BUS3母线、BUS4母线依次首尾连接围成矩形环状框架；第一环网开关设置在BUS1母线和BUS4母线的对接处；第二环网开关设置在BUS1母线和BUS2母线的对接处；第三环网开关设置在BUS2母线和BUS3母线的对接处；第四环网开关设置在BUS3母线和BUS4母线的对接处；第一电源模块设置在BUS1母线上；第二电源模块设置在BUS2母线上；第三电源模块设置在BUS3母线上；第四电源模块设置在BUS4母线上；应急电源模块、应急母线和隔离开关设置在仪器舱；应急电源模块依次通过应急母线、隔离开关分别与BUS1母线、BUS2母线、BUS3母线上的设备连接。
卫星整星的功率在BUS1母线、BUS2母线、BUS3母线、BUS4母线上平均分布；每条母线的功率为10kW，电压为100V。第一电源模块通过BUS1母线实现对BUS1母线上的各设备供电；第二电源模块通过BUS2母线实现对BUS2母线上的各设备供电；第三电源模块通过BUS3母线实现对BUS3母线上的各设备供电；第四电源模块通过BUS4母线实现对BUS4母线上的各设备供电。
如图2所示，第一环网开关、第二环网开关、第三环网开关、第四环网开关为相同的环网开关，均包括1个限流继电器和5个功率继电器；限流继电器和5个功率继电器并联后，分别与两侧的母线连通；限流继电器包括功率继电器和限流电阻，功率继电器和限流电阻串联组成限流继电器。限流继电器的参数为110V/2A；所述功率继电器的参数为110V/25A；限流电阻的参数为470Ω/25W。
环网开关实现当对应的2条母线出现供电不足或无法供电的故障状态时，实现对2条母线进行重构，具体为：
当环网开关对应2条母线均不发生故障时，环网开关中限流继电器和5个功率继电器均处于常断开状态；当其中1条母线出现供电不足或无法供电的故障状态，且该故障母线上无短路点时，环网开关中的限流继电器和5个功率继电器闭合，实现重构。
当其中1条母线出现供电不足或无法供电的故障状态时，限流继电器首先闭合，形成小电流通路，为故障母线充电，充电过程中，未闭合功率继电器功率触点间的压降逐渐减小，直至当故障母线电压随充电不断上升至正常母线电压时，未闭合功率继电器功率触点间的压降趋于0，依次闭合5个功率继电器；，完成两条母线的互联以及功率回路的重构。
5个功率继电器及限流继电器中的功率继电器的耐压能力为110V，大于接入母线与故障母线的最大压差ΔU。
为供电母线充电时，充电电流被限流电阻限制为213mA；充电的瞬时最大功耗Pmax为：
Pmax＝ΔU2/R
式中，ΔU为接入母线与故障母线的最大压差，等于接入母线电压100V减去故障母线电压0V；
R为限流电阻阻值。
当任意一条母线发生短路故障时，启动应急母线，闭合隔离开关，通过应急电源模块为故障母线上的设备供电。
实施例
以DFH-4E平台卫星为例，分为服务舱、推进舱和通信舱三部分，三舱对接后整个卫星为长方体结构，功率等级在10～18kW。假设未来大功率通信卫星基本结构仍与此类似，根据分布式布局的合理性，配电系统采用分组方式独立运行，可以在服务-推进舱(背地板)、通信舱南板、通信舱北板和对地板各设置一条母线和一套电源装置。电源装置的位置即有源单机数量相对集中的区域，可以根据卫星构型不同做出数量和位置的调整；
b)相邻两条母线之间设置环网开关，以实现配电网络的重构，所有母线首尾相连构成一个环形网络。正常情况下，环网开关处于断开状态，各母线为独立的子配电系统，给各自区域的负载设备供电，在配电线路负载连接点设置熔断器或电子保险丝，用以实现故障隔离；
c)将子配电系统通过环网开关首尾相连，组成整星的配电系统，任意两条相邻母线分别由两套独立的电源装置供电，形成冗余备份，在其中一条母线出现故障时，整星配电系统可以通过环网开关进行重构。
d)设立一条应急母线，。对于星上用电设备，按照其功能性质及重要性进行分类，以确定其获得电能的质量要求和优先等级。其中关键用电设备，是保证卫星安全所必需的用电设备，一般包括卫星的推进设备、姿轨控设备和中心计算机设备等。这类设备需要在配电网络上进行二次冗余设计。应急母线连接星上所有关键设备，通过安全开关与主回路隔离。一旦关键设备所在的供电母线出现短路，且无法判断故障点是否消除时，应启动应急母线，将关键设备转移到应急母线上使用，保证卫星的关键设备正常工作，从而保证整星安全。
以40kW的DFH-4E平台卫星为例，其主体结构为承力筒的长方体结构，仪器舱和通信舱在B阶段测试进行对接。DFH-4E平台卫星布局：仪器舱为大部分平台设备，包括控制推进设备、中心计算机、姿轨控计算机、遥测遥控设备等；通信舱东西板一般布置点波束天线以及其他无源设备；通信舱南北板布置跟踪子系统(固放、应答机、测控天线)和电推进系统、以及大部分载荷有源设备。对地板布置相控阵天线和载荷控制器等载荷设备。
根据布局以及功耗分析，采用多母线结构进行环形配置。有源设备主要集中在仪器舱，通信舱南北板以及对地板，所以需要配置4条独立母线：仪器舱配置一条母线BUS1，通信舱南北板各配置一条母线BUS2和BUS3，对地板配置一条母线BUS4。
整星功率在每条母线上平均分布，每条母线功率等级10kW，电压100V。考虑到环形配置重构需求，每个电源模块中的PCU的功率设计裕量采用1.5倍进行选型，保证两条母线上的PCU功率等级可以同时为三条母线的所有设备供电。电源模块中的太阳电池接口以及蓄电池规格按照15kW进行布片和选型。
对于星上用电设备，按照其功能性质及重要性进行分类，以确定其获得电能的质量要求和优先等级。其中关键用电设备，是保证卫星安全所必需的用电设备，重要设备是保证卫星业务连续所必需的设备，其余为一般设备。设备分类如表1所示。
表1
Figure BDA0003214299920000081
BUS1上的关键设备为中心计算机、姿轨控计算机、太敏、星敏、反作用轮；BUS2和BUS3上的关键设备为固放、应答机和电推进单元。这些设备是保证卫星安全的关键设备。BUS4上没有关键设备，重要设备为相控阵和载荷控制器，为决定载荷主要功能的设备，主要保证卫星载荷业务连续。
为了保证卫星安全，应对星上重要部位发生短路故障，需要设立一条应急母线，连接星上所有关键设备，通过安全开关与主回路隔离。一旦关键设备所在的供电母线出现短路，且无法判断故障点是否消除时，应启动应急母线，将关键设备转移到应急母线上使用，保证卫星的关键设备正常工作，从而保证整星安全。根据分析，关键设备主要分布在仪器舱和通信舱南北板，且固放、应答机和电推进单元布局应相对靠近仪器舱。所以应急母线的位置设在仪器舱，使电缆的走向最短，同时保证了关键设备的多重冗余设计以及可靠性。
环网开关负责两条母线在开路或者供电不足的故障情况下进行互联和重构。该开关功率回路采用5只110V/25A磁保持继电器(或大功率固态电子开关)并联组成，同时还有1路110V/2A磁保持继电器和限流电阻(470Ω/25W)串联组成限流开关通路。控制电路主要功能使完成环网开关的指令接收、状态输出和继电器的通断驱动。
环网开关的工作模式：不发生故障时所有继电器处于常断状态，只有当相邻母线上出现供电不足或无法供电的故障，且该故障母线上无短路点时，环网开关才可以闭合。当需要重构两条母线时，首先接通限流继电器，形成一条小电流通路，为母线电容充电，电容电压随充电不断上升至母线电压等级时，依次接通功率继电器1～5，功率回路完全接通。接通限流继电器时，继电器功率触点(主触点)最大压差为100V(接入母线电压100V，故障母线0V，最恶劣情况)，未超过继电器110V的动作耐压指标。对母线电容充电时，充电电流被功率电阻限制，约为213mA(100V/470Ω)，瞬时最大功耗为
Pmax＝△U2/R＝(100-0)2/470＝21.3W
限流电阻规格为470Ω/25W，未超过电阻的额定功耗。随着母线电容电荷的增加，电容电压升高，功率电阻上的压降不断降低，功率也就不断降低。经过一段时间后，继电器功率触点间的压降趋于零，此时可以发送指令接通其他功率继电器，完成两条母线的互联以及功率回路的重构。
母线配置、环网开关配置随着整星功率增加和布局变化可以做适应性调整。
本发明提出一种星上基于多母线的分布式环形配电系统架构，采用多母线和多源的环形网络配置方式，有效避免单母线集中配电架构下的单点失效问题，大大提高卫星供配电系统的可靠性。同时环形配电的方式可以减少功率电缆的铺设长度和重量，为整星的减重做出贡献。该架构可以应用在未来30kW-100kW高轨大功率通信卫星的配电系统上。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，其特征在于：包括第一环网开关、第二环网开关、第三环网开关、第四环网开关、BUS1母线、BUS2母线、BUS3母线、BUS4母线、应急母线、第一电源模块、第二电源模块、第三电源模块、第四电源模块、应急电源模块和隔离开关；
其中，BUS1母线设置在卫星的通信舱南板；BUS2母线设置在卫星的仪器舱；BUS3母线设置在卫星的通信舱北板；BUS4母线设置在卫星的对地板；且BUS1母线、BUS2母线、BUS3母线、BUS4母线依次首尾连接围成矩形环状框架；第一环网开关设置在BUS1母线和BUS4母线的对接处；第二环网开关设置在BUS1母线和BUS2母线的对接处；第三环网开关设置在BUS2母线和BUS3母线的对接处；第四环网开关设置在BUS3母线和BUS4母线的对接处；第一电源模块设置在BUS1母线上；第二电源模块设置在BUS2母线上；第三电源模块设置在BUS3母线上；第四电源模块设置在BUS4母线上；应急电源模块、应急母线和隔离开关设置在仪器舱；应急电源模块依次通过应急母线、隔离开关分别与BUS1母线、BUS2母线、BUS3母线上的设备连接。
2.根据权利要求1所述的一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，其特征在于：卫星整星的功率在BUS1母线、BUS2母线、BUS3母线、BUS4母线上平均分布；每条母线的功率为10kW，电压为100V。
3.根据权利要求2所述的一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，其特征在于：所述第一电源模块通过BUS1母线实现对BUS1母线上的各设备供电；第二电源模块通过BUS2母线实现对BUS2母线上的各设备供电；第三电源模块通过BUS3母线实现对BUS3母线上的各设备供电；第四电源模块通过BUS4母线实现对BUS4母线上的各设备供电。
4.根据权利要求1所述的一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，其特征在于：所述第一环网开关、第二环网开关、第三环网开关、第四环网开关为相同的环网开关，均包括1个限流继电器和5个功率继电器；限流继电器和5个功率继电器并联后，分别与两侧的母线连通；限流继电器包括功率继电器和限流电阻，功率继电器和限流电阻串联组成限流继电器。
5.根据权利要求4所述的一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，其特征在于：所述限流继电器的参数为110V/2A；所述功率继电器的参数为110V/25A；限流电阻的参数为470Ω/25W。
6.根据权利要求5所述的一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，其特征在于：所述环网开关实现当对应的2条母线出现供电不足或无法供电的故障状态时，实现对2条母线进行重构，具体为：
当环网开关对应2条母线均不发生故障时，环网开关中限流继电器和5个功率继电器均处于常断开状态；当其中1条母线出现供电不足或无法供电的故障状态，且该故障母线上无短路点时，环网开关中的限流继电器和5个功率继电器闭合，实现重构。
7.根据权利要求6所述的一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，其特征在于：当其中1条母线出现供电不足或无法供电的故障状态时，限流继电器首先闭合，形成小电流通路，为故障母线充电，充电过程中，未闭合功率继电器功率触点间的压降逐渐减小，直至当故障母线电压随充电不断上升至正常母线电压时，未闭合功率继电器功率触点间的压降趋于0，依次闭合5个功率继电器；，完成两条母线的互联以及功率回路的重构。
8.根据权利要求7所述的一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，其特征在于：5个功率继电器及限流继电器中的功率继电器的耐压能力为110V，大于接入母线与故障母线的最大压差ΔU。
9.根据权利要求8所述的一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，其特征在于：为供电母线充电时，充电电流被限流电阻限制为213mA；充电的瞬时最大功耗Pmax为：
Pmax＝ΔU2/R
式中，ΔU为接入母线与故障母线的最大压差，等于接入母线电压100V减去故障母线电压0V；
R为限流电阻阻值。
10.根据权利要求1所述的一种星上基于多母线配置的分布式环形配电系统架构，其特征在于：当任意一条母线发生短路故障时，启动应急母线，闭合隔离开关，通过应急电源模块为故障母线上的设备供电。
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