洪　博　王　莉　毛健美　尹　晶　舒徳華

(1.南京航空航天大學(xué)電氣工程系　南京　210016

2.山東航天電子技術(shù)研究所　煙臺　264000)

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一種航天器一次母線故障在線檢測定位方法

洪博1王莉1毛健美1尹晶2舒徳華2

(1.南京航空航天大學(xué)電氣工程系南京210016

2.山東航天電子技術(shù)研究所煙臺264000)

摘要針對航天器電源系統(tǒng)中一次母線故障的在線檢測定位問題，構(gòu)建了一種基于擴展頻譜時域反射法的高定位準(zhǔn)確度在線檢測方法。首先對該方法的定位誤差進行了理論分析，通過提高檢測系統(tǒng)采樣頻率，使定位誤差達到±0.2 m以內(nèi)，能夠滿足短距離一次母線的故障定位需求；在此基礎(chǔ)上進一步分析了由于電源阻抗不匹配引起檢測結(jié)果錯誤的問題，通過加入阻波器阻斷了檢測信號向電源端的傳播路徑，消除了電源阻抗不匹配的影響，保證了一次母線故障的正確檢測。實驗結(jié)果表明所采用的方法能夠?qū)σ淮文妇€斷路和短路故障實現(xiàn)精確的在線檢測定位。

關(guān)鍵詞：航天器一次母線在線檢測擴展頻譜時域反射法定位誤差阻波器

An Online Detection and Locating Method for Spacecraft Bus Faults

HongBo1WangLi1MaoJianmei1YinJing2ShuDehua2

(1.Department of Electrical EngineeringNanjing University of Aeronautics & Astronautics Nanjing210016China 2.Shandong Aerospace Electronic Technology InstituteYantai264000China)

AbstractAiming at the spacecraft bus fault online detection and locating problem，an online detection method with high locating accuracy based on the spread spectrum time domain reflectometry (SSTDR) is built.Firstly，the locating error of the SSTDR is analyzed.By increasing the sample frequency of the detection system，the location error can be reduced to be within ±0.2 m，which can meet the fault locating demand for the short distance bus.Then，the problem of wrong detection results caused by the mismatched source impedance is analyzed furtherly when using the SSTDR method.By adding a trapper to prevent the signal from spreading to the power supply side，the influence of the mismatched source impedance is eliminated and the correctness of the bus fault detection is guaranteed.The experimental results show that the adopted method can realize accurate online detection and locating for bus open-circuit and short-circuit faults.

Keywords：Spacecraft bus，online detection，spread spectrum time domain reflectometry (SSTDR)，location error，trapper

0引言

航天器一次母線是航天器電源系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對一次母線故障實現(xiàn)可靠的在線檢測是保證航天器安全運行的關(guān)鍵之一。在航天器電源系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)中，一次母線的前端與電源控制器(Power Control Unit，PCU)連接，后端與配電器連接，通過配電器中的轉(zhuǎn)換開關(guān)向電源變換裝置或各負載提供電能。航天器供電系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1所示，太陽電池陣和蓄電池組作為電能的來源連接到PCU內(nèi)部的母線上，PCU對太陽電池陣輸出功率實行分流調(diào)節(jié)、對蓄電池組進行充放電控制或功率調(diào)節(jié)。配電器及其后端連接的用電設(shè)備統(tǒng)一看作負載，PCU的輸出端口與負載設(shè)備之間連接了待測一次母線。

圖1　航天器電源系統(tǒng)簡化圖Fig.1　Simplified diagram of the spacecraft power system

現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域電纜故障檢測與定位技術(shù)主要包括時域反射法(Time Domain Reflectometry，TDR)、頻域反射法(Frequency Domain Reflectometry，F(xiàn)DR)、序列時域反射法(Sequence Time Domain Reflectometry，STDR)、擴展頻譜時域反射法(Spread Spectrum Time Domain Reflectometry，SSTDR)等。TDR方法最初用來查找電話線的斷線故障[1]，文獻[2，3]將其應(yīng)用于導(dǎo)線的絕緣故障檢測與分析。但由于TDR方法中所用的測量信號為窄電壓脈沖，易受原有電源信號影響，因而僅僅適用于電纜故障的離線檢測。FDR方法測量原理是將掃頻信號發(fā)射到待測電纜中，通過傅里葉變換的方式測量反射信號峰值的頻率，從而換算出故障點的距離。文獻[4，5]采用FDR方法與希爾伯特-黃變換算法結(jié)合的方式實現(xiàn)了飛機電纜故障的檢測與定位，但算法的復(fù)雜化降低了檢測的實時性，因此該方法也僅適用于離線檢測。STDR方法將高頻偽隨機序列發(fā)送到被測電纜當(dāng)中，并將入射信號與故障點處的反射信號進行相關(guān)運算，得到最終的檢測結(jié)果。文獻[6，7]研究了STDR方法用于電纜絕緣故障檢測定位的可行性。文獻[8]研究了一種基于STDR方法的ASIC設(shè)計過程。但由于STDR方法中檢測信號易受高頻噪聲的影響，用于電纜在線檢測時存在抗干擾能力較差的問題。SSTDR方法是將擴頻技術(shù)用于電纜故障檢測的一種新方法，它采用偽隨機序列與正弦波進行擴頻調(diào)制作為檢測信號，擴頻檢測信號與待測電纜中的原有信號沒有頻譜重疊，能夠進行在線檢測。同時，由于檢測信號具有尖銳的自相關(guān)性，因此SSTDR方法在電纜故障在線檢測定位中擁有較好的抗干擾能力和較高的準(zhǔn)確性。SSTDR方法的應(yīng)用包括預(yù)應(yīng)力混凝土錨索局部腐蝕的定位[9]、核電廠電力網(wǎng)的在線監(jiān)控[10]、光伏系統(tǒng)對地故障檢測定位[11]、電源變換器的老化預(yù)估[12，13]等。根據(jù)以上分析可知，SSTDR方法是作為航天器一次母線故障在線檢測較為理想的方法。

目前，將SSTDR方法用于航天器一次母線故障的檢測定位仍存在一些問題：在一些小型航天器中，一次母線長度較短，約為5 m，對定位準(zhǔn)確度有著極高的要求，如何實現(xiàn)一次母線故障的精確定位是首先需要解決的問題；其次，航天器電源系統(tǒng)中電氣設(shè)備的阻抗與一次母線自身的阻抗并不匹配，SSTDR方法利用阻抗變化來識別電纜中的故障，無法智能的區(qū)分電氣設(shè)備與實際故障點，從而引起誤判，如何排除電氣設(shè)備阻抗不匹配的影響也是需要解決的關(guān)鍵問題。

本文以SSTDR方法為基礎(chǔ)開展了高定位準(zhǔn)確度的航天器一次母線故障在線檢測定位方法研究，仿真分析了SSTDR方法在一次母線在線檢測定位時存在的問題，針對存在的問題開展了有效的解決方法研究，并對其可行性進行了仿真和實驗驗證。

1傳輸線基本理論和SSTDR方法分析

1.1傳輸線基本理論

均勻傳輸線的電氣性質(zhì)可以用單位長度的電阻R0、電感L0、電容C0和電導(dǎo)G0來描述，整個傳輸線可以看成是由許多微小的線元Δx級聯(lián)而成，電阻、電感、電容、電導(dǎo)連續(xù)且均勻地分布在整個傳輸線上。

圖2　單位長度傳輸線等效電路Fig.2　The per-unit-length equivalent circuit of transmission line

圖2中，沿線各點電壓u和電流i既是時間t的函數(shù)，又是空間x的函數(shù)。設(shè)電纜上某一點到始端的距離為x，根據(jù)基爾霍夫定律，并取Δx→0，可得電報方程為

(1)

根據(jù)邊界條件可以求出該方程的解，得出入射信號在電纜x點處的反射系數(shù)ρ為

(2)

根據(jù)式(2)，當(dāng)電纜上某點發(fā)生斷路故障(Zx=∞)時，可求得在故障點的反射系數(shù)為+1；當(dāng)電纜上某點發(fā)生短路故障(Zx=0)時，可求得在故障點的反射系數(shù)為-1。

1.2SSTDR方法原理及其定位誤差

SSTDR方法實現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3　SSTDR方法實現(xiàn)框圖Fig.3　Implementation block diagram of SSTDR

SSTDR電纜故障檢測定位系統(tǒng)中，注入到被測電纜的入射信號為高頻m序列與正弦波按照周期1∶1進行二進制移相鍵控(BPSK)調(diào)制的信號，入射信號在電纜故障點處會由于阻抗不匹配而發(fā)生反射，將入射信號與反射信號按式(3)進行相關(guān)運算。

(3)

式中，R(τ)為相關(guān)運算結(jié)果；ats(t)為入射信號；at+τs(t+τ)為反射信號；τ為入射信號和反射信號之間的時間延遲；T為入射信號的周期。相關(guān)運算結(jié)果反應(yīng)了故障點反射信號的極性和相位延遲，當(dāng)反射波與入射波的相關(guān)值為正時，即為斷路故障；當(dāng)反射波與入射波的相關(guān)值為負時，即為短路故障。而實際故障點的距離可表示為

(4)

式中，vs為檢測信號在電纜中的傳輸速度，一般為光速的0.5～0.7倍。本文以AF-250電纜作為研究對象，檢測信號在該電纜中的傳播速度約為2×108m/s。之所以乘上一個1/2系數(shù)因子，是因為檢測信號在傳輸線中經(jīng)歷了一個往返路程。當(dāng)檢測系統(tǒng)采樣率為fs時，對應(yīng)的采樣周期為TS，則延遲時間τ為

τ=kTS+τφ0≤τφ

(5)

此時，檢測系統(tǒng)得到的故障點處的相關(guān)運算值為

(6)

式中

(7)

式中，θ(k)為反射信號延遲時間為kTS～kTS+τφ所對應(yīng)的電纜區(qū)段的反射系數(shù)；θ(k+1)為反射信號延遲時間為kTS+τφ～(k+1)TS所對應(yīng)的電纜區(qū)段的反射系數(shù)。

根據(jù)上述分析，當(dāng)τ為非整數(shù)倍的TS時，SSTDR檢測系統(tǒng)測試得到的故障點距離與實際故障點距離存在一定的誤差，該誤差的范圍為

(8)

定義SSTDR檢測系統(tǒng)的定位誤差為

(9)

式中，fm為載波正弦信號的頻率，即檢測信號的中心頻率。為了保證對檢測信號的精確采樣，設(shè)定檢測系統(tǒng)采樣頻率為檢測信號中心頻率的8倍，即n=8。從式(9)可以看出，隨著采樣頻率的升高，檢測系統(tǒng)所能定位到的故障點位置越來越精確。如果選擇SSTDR檢測系統(tǒng)采樣頻率為500 MHz，可求得SSTDR檢測系統(tǒng)定位誤差和檢測信號的中心頻率分別為

(10)

(11)

對于長度為5 m的一次母線，定位誤差為0.2 m的檢測系統(tǒng)，其定位準(zhǔn)確度為4%，能夠?qū)崿F(xiàn)一次母線故障的精確檢測定位。

2SSTDR用于一次母線故障在線檢測定位的方法研究

2.1一次母線建模

根據(jù)傳輸線基本理論，要對實際一次母線進行準(zhǔn)確的建模研究，需要求得其分布參數(shù)。一次母線型號為AF-250系列聚四氟乙烯絕緣電纜，該電纜采用鍍銀銅線導(dǎo)體、聚四氟乙烯推擠形式絕緣，電纜導(dǎo)體部分直徑0.8 mm，絕緣部分外直徑1.6 mm。在Ansoft二維場中建立一次母線的模型，同時加入一根地線作為參考地，模型如圖4所示。

針對上圖建立的一次母線模型，Ansoft有限元仿真軟件求解得到的分布參數(shù)如表1所示。

表1　AF-250型號電纜分布參數(shù)

在Matlab仿真環(huán)境中利用求解得到的分布參數(shù)對基于行波法的貝杰龍數(shù)學(xué)模型進行設(shè)置[14]，建立等效的一次母線模型。

2.2SSTDR方法用于一次母線故障在線檢測定位的問題分析

采用SSTDR方法對待測一次母線進行故障檢測定位，檢測系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5　一次母線故障在線檢測定位示意圖Fig.5　Schematic diagram of bus fault online detection and location

高頻檢測信號由SSTDR檢測裝置產(chǎn)生并由PCU出線端A點注入，PCU內(nèi)部母線長為3 m，待測一次母線長為5 m。

結(jié)合SSTDR方法在Matlab仿真環(huán)境中搭建如圖5所示的航天器一次母線在線檢測定位仿真模型，電源設(shè)置為28 V理想直流源。待測一次母線正常無故障的情況下，通過仿真得到的檢測定位曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，在距離自相關(guān)波頭3 m處，反射波頭幅值達到最大，并且為負極性，此時檢測系統(tǒng)將會判斷在待測電纜距離檢測點3 m處發(fā)生了短路故障，這與實際情況并不相符，檢測結(jié)果錯誤。為了分析待測電纜正常情況下負向波頭出現(xiàn)的原因，將圖5等效為圖7所示的電路。

圖6　一次母線正常情況下檢測定位曲線Fig.6　The detection and location curve of the bus under normal circumstances

圖7　一次母線故障在線檢測定位系統(tǒng)等效電路Fig.7　The equivalent circuit of bus fault online detection and location system

由式(1)所述的電報方程，再根據(jù)邊界條件可求得電纜中任意一點電壓電流的表達式。

(12)

式中，A1、A2為待定系數(shù)；Z0為特征阻抗；γ為傳播常數(shù)，與單位長度衰減常數(shù)α及單位長度相位常數(shù)β有關(guān)，可表示為

(13)

如果將電源方向的傳輸路徑視為外電路，則該支路以外的電路可以看作是含有獨立源的一端口網(wǎng)絡(luò)，因此可以將SSTDR檢測系統(tǒng)與一次母線電纜的總體看做是一端口電源網(wǎng)絡(luò)，如圖7中虛線框所包圍的區(qū)域所示。由外電路看向一端口網(wǎng)絡(luò)時，一端口網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)阻即為匹配電阻與一次母線電纜特征阻抗的并聯(lián)。由式(12)可得到源端條件為

(14)

由于被測電纜長度較短，可以近似認(rèn)為是無損傳輸線，即γ=jβ，則電源處對應(yīng)的終端條件為

(15)

根據(jù)源端條件和終端條件可求得PCU內(nèi)部電纜上任意一點的電壓為

(16)

式中，ρs為源端反射系數(shù)；ρL為終端反射系數(shù)，由式(2)可計算得到

(17)

則信號注入點處電壓為

(18)

信號注入點同時也是SSTDR檢測系統(tǒng)對反射信號的采樣點，因此u(0)即為采樣得到的電壓。當(dāng)電纜的源端和終端出現(xiàn)阻抗不匹配的情況，即反射系數(shù)不等于0時，電纜中的檢測信號會發(fā)生重復(fù)性反射，因此可將u(0)拆分為入射信號s(t)、一次反射信號s(t-τ1)、二次反射信號s(t-τ2)之和的形式

u(0)≈α0s(t)+α1s(t-τ1)+α2s(t-τ2)

(19)

將u(0)與原始入射信號s(t)進行相關(guān)計算

(20)

式中，α0為自相關(guān)波頭幅值；α1為一次反射波頭幅值；α2為二次反射波頭幅值。α0、α1、α2的比值為

=1∶-0.66∶-0.22

(21)

由式(21)可知，自相關(guān)波頭、一次反射波頭和二次反射波頭的幅值分別為1、0.66、0.22，并且一次反射波頭和二次反射波頭為負極性波頭，這與圖6的仿真結(jié)果一致。由此可以說明圖6中的負極性波頭是由電源阻抗不匹配所引起的。為了保證對航天器一次母線故障的正確檢測，需要阻斷檢測信號電源方向的傳播路徑，使其向待測一次母線方向傳播。

2.3定向耦合方法研究

為了實現(xiàn)檢測信號向待測一次母線方向的定向耦合，本文引入阻波器的概念。阻波器的實質(zhì)是一種具有高導(dǎo)磁率的鐵氧體磁環(huán)，將電纜穿過鐵氧體磁環(huán)構(gòu)成一個共模扼流圈。共模扼流圈的阻抗越大，對高頻信號抑制效果越明顯。將阻波器安置在PCU的出線端口，用于限制檢測信號電源方向的傳輸路徑，使檢測信號只能向待測一次母線方向傳播。加入阻波器后的一次母線故障檢測定位示意圖如圖8所示。

圖8　加入阻波器后一次母線故障在線檢測定位示意圖Fig.8　Schematic diagram of bus fault online detection and location with a trapper

不同阻波器的電感值對檢測信號的阻斷效果也不同，針對本文所采用的中心頻率為62.5 MHz的檢測信號，在一次母線故障在線檢測定位仿真模型中加入電感模型以模擬阻波器，仿真分析阻波器電感值變化對阻斷效果的影響。當(dāng)待測電纜終端4.5 m處發(fā)生斷路故障時。分別設(shè)置無阻波器、阻波器感值為0.1 μH、0.5 μH、1.0 μH、2.0 μH及無電源傳輸支路的仿真條件，對比檢測定位結(jié)果。不同條件下的檢測定位曲線對比圖如圖9所示。

從圖9中可以看出，檢測系統(tǒng)中未加入阻波器時，檢測定位曲線雜亂無章，無法從中提取出正確的故障信息。隨著阻波器電感值的增大，距離自相關(guān)波頭4.5 m處的故障點反射波頭越來越明顯，當(dāng)電感值達到1.0 μH時，檢測定位曲線已基本接近無電源支路情況下的曲線，這表明阻波效果十分優(yōu)異。因此，當(dāng)阻波器的電感值達到為1.0 μH時，能夠?qū)Ρ疚闹兴玫闹行念l率為62.5 MHz的檢測信號產(chǎn)生良好的阻斷效果。

圖9　不同條件下的檢測定位曲線Fig.9　The detection and location curve under different conditions

為了達到阻波器電感值1.0 μH的要求，本文選用FR16.5/8/28型號磁環(huán)，對其電感值的分析，求解對象主要是阻波器及其所包裹的一段電纜。套有阻波器段的電纜有限元分析云圖如圖10所示。

圖10　阻波器磁場分布Fig.10　The magnetic field distribution of the trapper

從該阻波器的磁場云圖可以看出，當(dāng)電纜中通入電流激勵信號的時候，磁場主要分布在阻波器即導(dǎo)磁材料磁環(huán)中，而其余部分磁感應(yīng)強度相對磁環(huán)中的磁

感應(yīng)強度是很弱的。圖11為電纜中通入不同激勵電流時，對應(yīng)的阻波器電感值仿真結(jié)果曲線。可以看出，所選用的阻波器在激勵電流小于8 A的條件下，電感值均能達到1 μH以上，能夠?qū)z測信號產(chǎn)生良好的阻斷效果。

圖11　電纜中通入不同激勵電流時，阻波器電感值仿真結(jié)果Fig.11　The simulation result of trapper inductance when the cable with different exciting current

3一次母線故障在線檢測定位實驗

一次母線故障在線檢測系統(tǒng)中，當(dāng)硬件采樣頻率達到500 MHz時，可保證定位誤差能夠達到±0.2 m范圍以內(nèi)。根據(jù)對SSTDR檢測裝置所需邏輯資源以及速度等級的估算，選用Altera公司的高速FPGA作為主體算法控制芯片，綜合考慮信號完整性、抗干擾能力等各方面因素，設(shè)計制作了高速SSTDR板卡，開展了實驗研究。一次母線故障在線檢測定位實驗平臺如圖12所示。航天器電源采用直流穩(wěn)壓源模擬，設(shè)置電源電壓為28 V。待測一次母線長為5 m，SSTDR板卡產(chǎn)生的檢測信號由一次母線起始端注入。在電源與信號注入點間加入一段長3 m的電纜模擬PCU內(nèi)部電纜，并在PCU內(nèi)部電纜末端套上阻波器磁環(huán)。為了防止短路故障時短路電流過大，在電源處連接限流電阻，限流電阻為10 Ω功率電阻，負載為20 Ω功率電阻。

圖12　一次母線故障在線檢測與定位實驗平臺Fig.12　Experimental platform of bus fault online detection and location

圖13為SSTDR板卡產(chǎn)生并注入到被測電纜中的擴頻調(diào)制信號波形，該信號的中心頻率為62.5 MHz。從圖14中兩條波形的幅值對比可看出阻波器對高頻檢測信號起到了良好的阻斷效果。在待測一次母線的4.55 m處設(shè)置斷路和短路故障，得到故障情況下的檢測定位實驗波形如圖15所示。從圖15中可看出檢測系統(tǒng)能夠?qū)σ淮文妇€故障的類型做出準(zhǔn)確判斷，當(dāng)故障點距離為4.55 m時，由式(4)和式(5)反推可計算得到對應(yīng)的k和τφ分別為22、0.75TS。

圖13　入射信號波形Fig.13　The incoming signal waveform

圖14　待測一次母線與PCU內(nèi)部電纜中檢測信號波形Fig.14　The detection signal waveform in the bus and the detection signal waveform in the PCU internal cable

圖15　一次母線故障在線檢測定位實驗波形Fig.15　Experimental waveform of bus fault online detection and location

(22)

該結(jié)果與實際測試波形是一致的，故障點定位誤差在±0.2 m范圍以內(nèi)，檢測結(jié)果正確。在一次母線的不同位置處設(shè)置故障，對不同故障距離條件下的在線檢測定位結(jié)果進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，檢測系統(tǒng)對不同距離處的故障定位結(jié)果滿足2.2節(jié)中對應(yīng)不等式成立時的定位距離表達式，并且檢測正確率均能夠達到95%以上，驗證了理論推導(dǎo)的正確性，并證明了所采用的方法能夠?qū)教炱饕淮文妇€故障實現(xiàn)精確地在線檢測定位。

表2　不同故障距離條件下的檢測結(jié)果統(tǒng)計表

4結(jié)論

對SSTDR方法的定位誤差進行了理論推導(dǎo)，分析了SSTDR方法用于電纜故障在線檢測定位時所存在的問題，構(gòu)建了一種航天器一次母線故障在線檢測定位方法，通過仿真和實驗驗證了該方法的可行性。

1)通過提高SSTDR檢測系統(tǒng)采樣頻率，減小定位誤差，提高定位準(zhǔn)確度，當(dāng)采樣率達到500 MHz時，定位誤差達到±0.2 m以內(nèi)。

2)在PCU出線端與檢測信號注入點之間加入合適的磁環(huán)作為阻波器，阻斷檢測信號向電源端的傳播路徑，消除了電源阻抗不匹配的影響，使其向待測一次母線方向傳播，達到了檢測信號定向耦合的目的，保證了一次母線故障的高準(zhǔn)確度檢測定位。

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洪博男，1989年生，碩士研究生，研究方向為航空航天配電系統(tǒng)。

E-mail：137642863@qq.com

王莉女，1969年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為發(fā)電系統(tǒng)及自動化配電系統(tǒng)。

E-mail：wareel2@163.com(通信作者)

作者簡介

中圖分類號：TM93

收稿日期2015-02-12改稿日期2015-04-27

國家自然科學(xué)基金資助項目(51277093)。