飛機(jī)新型配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)介紹

王宏霞史 偉

（1.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司，北京 100022）

飛機(jī)新型配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)介紹

王宏霞1史 偉2

（1.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司，北京 100022）

對(duì)國內(nèi)外飛機(jī)新型分布式配電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展以及國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析、研究，確定了近期飛機(jī)配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)研究和標(biāo)準(zhǔn)制修訂重點(diǎn)，為新一代飛機(jī)配電系統(tǒng)的研制、設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，以促進(jìn)新一代飛機(jī)配電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化工作。

分布式配電；標(biāo)準(zhǔn)；研究

1 飛機(jī)配電系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展

飛機(jī)配電系統(tǒng)是指由發(fā)電機(jī)主匯流條至用電設(shè)備輸入端之間電能的分配、傳輸、控制、保護(hù)和管理系統(tǒng)，是飛機(jī)供電系統(tǒng)的重要組成部分。配電系統(tǒng)通常由配電裝置、電網(wǎng)保護(hù)裝置和電線電纜等組成。隨著飛機(jī)性能的不斷提高，機(jī)載用電設(shè)備越來越多，供電容量不斷增大，系統(tǒng)的可靠性、安全性要求更高，配電系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)形式也越來越復(fù)雜，技術(shù)水平越來越高。當(dāng)前飛機(jī)配電系統(tǒng)主要有常規(guī)配電系統(tǒng)、遙控配電系統(tǒng)和分布式配電系統(tǒng)3種形式。

近20年來，隨著飛機(jī)性能日益提高，機(jī)載系統(tǒng)數(shù)字化、綜合化、多電化程度越來越高，對(duì)飛機(jī)配電系統(tǒng)提出了能夠容錯(cuò)供電、實(shí)現(xiàn)負(fù)載自動(dòng)管理、具有自檢測能力等更高更新的要求。常規(guī)配電系統(tǒng)和遙控配電系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)飛機(jī)及機(jī)載系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，嚴(yán)重影響到飛機(jī)整體性能的提高。在多路傳輸技術(shù)、微處理技術(shù)、功率電子技術(shù)等迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上，一種新型的飛機(jī)配電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，這就是分布式配電系統(tǒng)。它通過應(yīng)用多路傳輸、故障隔離、系統(tǒng)重構(gòu)、固態(tài)配電、負(fù)載自動(dòng)管理等先進(jìn)技術(shù)，使配電系統(tǒng)的數(shù)字化、綜合化程度大大提高，實(shí)現(xiàn)了全機(jī)電功率的就近分配、傳輸、控制、保護(hù)和管理，有效減輕了飛機(jī)電氣布線的長度和重量，節(jié)省了飛機(jī)駕駛艙空間，提高了系統(tǒng)的可靠性、維修性、測試性、可擴(kuò)展性和生存能力，保障了飛機(jī)任務(wù)完成的可靠度和安全飛行，很大程度上改善了飛機(jī)的整體性能。分布式配電有著常規(guī)配電系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)越性，是下一代先進(jìn)飛機(jī)配電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

2 國內(nèi)外配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)分析

2.1 國外標(biāo)準(zhǔn)情況分析

從收集到的國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)資料來看，配電系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)很少，配電管理和控制標(biāo)準(zhǔn)缺乏，配電元器件標(biāo)準(zhǔn)卻非常豐富，如電連接器、斷路器、繼電器和接觸器、開關(guān)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量很大，涉及到的產(chǎn)品品種很多，既有通用規(guī)范，也有相應(yīng)的詳細(xì)規(guī)范或軍用圖紙，為配電元器件的研制、設(shè)計(jì)及發(fā)展提供了技術(shù)指導(dǎo)。

分布式配電技術(shù)不僅是配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化，也采用了新型的控制保護(hù)部件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器、斷路器和接觸器等控制保護(hù)器件，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)電氣系統(tǒng)的智能化管理。國外的配電標(biāo)準(zhǔn)也主要集中為這些部件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)提供標(biāo)準(zhǔn)支持。

收集到的飛機(jī)配電系統(tǒng)主要國外標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2.1.1 SAE ARP 5584《電能管理系統(tǒng)文件》

2.1.1.1 范圍

SAE ARP 5584《電能管理系統(tǒng)文件》是配電系統(tǒng)重要的頂層標(biāo)準(zhǔn)，反映了飛機(jī)對(duì)供電管理的應(yīng)用信息、設(shè)計(jì)導(dǎo)則和測試要求等方面的需求，重點(diǎn)在于為電能管理結(jié)構(gòu)和部件的選擇提供指導(dǎo)，以保證飛機(jī)的安全性、生存力、維修性、可靠性。固態(tài)的和混合式的功率控制器以及軟件/硬件綜合均可用于控制和監(jiān)控電能的產(chǎn)生、變換和分配，這些器件為設(shè)計(jì)人員提供了多種選擇。

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了現(xiàn)代航空器電能管理系統(tǒng)的定義、功能和應(yīng)用指南。隨著航空控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜和自主，供電系統(tǒng)不再僅僅是發(fā)電和配電匯流條控制系統(tǒng)，新的供電系統(tǒng)包括獨(dú)立的負(fù)載邏輯控制、保護(hù)、發(fā)電、配電和負(fù)載管理的綜合。

表1 飛機(jī)配電系統(tǒng)主要國外標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1.2 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

該標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需考慮因素、電能轉(zhuǎn)換應(yīng)用考慮因素、功率轉(zhuǎn)換和保護(hù)設(shè)備、軟件和硬件考慮因素和術(shù)語等。標(biāo)準(zhǔn)層次清楚，從系統(tǒng)到元器件、從硬件接口到軟件進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述，基本覆蓋了配電系統(tǒng)涉及的范圍。

本標(biāo)準(zhǔn)的引用文件中，包括了相關(guān)的SAE標(biāo)準(zhǔn)、美國軍用標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)等，詳見表2。

供電特性標(biāo)準(zhǔn)是飛機(jī)配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)性標(biāo)準(zhǔn)，總線是配電系統(tǒng)管理和控制信號(hào)傳輸?shù)妮d體，總線標(biāo)準(zhǔn)是配電系統(tǒng)的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)。在該標(biāo)準(zhǔn)的引用文件中，沒有給出各類元器件應(yīng)遵循的規(guī)范，分析有以下原因。

● 配電元器件種類很多，在不同機(jī)型上有不同的應(yīng)用；

表2 SAE ARP 5584引用標(biāo)準(zhǔn)清單

● 配電元器件標(biāo)準(zhǔn)類別多，有美軍標(biāo)、SAE、ISO等。

因此，在該標(biāo)準(zhǔn)中僅對(duì)各種器件的功能提出要求，不規(guī)定其具體執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.1.3 主要內(nèi)容分析

● 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需考慮因素

配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)首先需考慮的因素就是電能類型、電源容量、負(fù)載類型，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)直流和交流系統(tǒng)類型作出規(guī)定，并列出了直流和交流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素；其次考慮的因素是系統(tǒng)的余度、可靠性、系統(tǒng)控制和管理、故障檢測及隔離處理、電磁兼容性等方面。這些要素是配電系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的內(nèi)容，也是確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要方面。

● 電能轉(zhuǎn)換時(shí)需考慮的事項(xiàng)

在電能轉(zhuǎn)換時(shí)，需考慮：電線和設(shè)備保護(hù)，線路壓降和漏電流、反電流，效率和電能損耗，控制、狀態(tài)、電能接口要求，系統(tǒng)缺省狀態(tài)、初始狀態(tài)和轉(zhuǎn)換順序，系統(tǒng)自檢測和電氣測試要求以及環(huán)境試驗(yàn)方面的要求等。在有不中斷供電要求時(shí)，供電管理系統(tǒng)應(yīng)分配和保持配電匯流條的電能中斷時(shí)間不大于100μs。

上述要求是在配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮考慮和注意的事項(xiàng)，對(duì)飛機(jī)電氣設(shè)計(jì)人員具有重要的指導(dǎo)作用。

● 功率開關(guān)和保護(hù)器件

標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)各類功率開關(guān)和保護(hù)器件的應(yīng)用場合提出建議。標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)各類器件應(yīng)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)作出規(guī)定，但對(duì)固態(tài)功率控制器（SSPC）、固態(tài)繼電器、機(jī)電式繼電器和接觸器、混合式功率控制器、遙控?cái)嗦菲?、斷路器、機(jī)電式功率控制器以及功率轉(zhuǎn)換和保護(hù)器件可選擇的特性從功能、系統(tǒng)應(yīng)用的角度進(jìn)行了說明，對(duì)飛機(jī)電氣設(shè)計(jì)人員選用這些器件具有指導(dǎo)作用。

從列出的器件可以看出，標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍很寬，不僅僅適用于新型的分布式配電系統(tǒng)，對(duì)常規(guī)配電和遙控配電方式下應(yīng)用的器件也作出了規(guī)定。我們?cè)趹?yīng)用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)注意這一點(diǎn)。

2.1.2 固態(tài)功率控制器標(biāo)準(zhǔn)

固態(tài)功率控制器是利用功率型固體器件的導(dǎo)通和截止來控制功率電路的通斷，是一種由半導(dǎo)體器件組成、具有控制功率通斷能力的無觸點(diǎn)開關(guān)部件，可用來接通和斷開負(fù)載電路。固態(tài)功率控制器是分布式配電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，尤其對(duì)飛機(jī)高壓直流供電體制來說，固態(tài)功率控制器是解決開關(guān)斷弧問題的關(guān)鍵。因此固態(tài)功率控制器的研制必然促進(jìn)飛機(jī)配電系統(tǒng)的發(fā)展，為新一代戰(zhàn)斗機(jī)的研制提供必需的基礎(chǔ)電氣元件。

美國研究的固態(tài)功率控制器早在20世紀(jì)70年代就已有了應(yīng)用，并隨飛機(jī)電源系統(tǒng)的發(fā)展不斷涌現(xiàn)出新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新的規(guī)格品種。

2.1.2.1 MIL–P–81653B

固態(tài)功率控制器標(biāo)準(zhǔn)在70年代已編制出版，目前檢索到的美國軍用固態(tài)功率控制器標(biāo)準(zhǔn)有：MIL–P–81653A、MIL–P–81653B和MIL–P–0081653C。

其中MIL–P–81653A是1974年出版，隨后被1980年出版的MIL–P–81653B所替代，之后又出版了MIL–P–0081653C，但后來又被作廢，目前有效的仍是MIL–P–81653B。

MIL–P–81653B規(guī)定了用在飛機(jī)電源系統(tǒng)中的DC和AC固態(tài)功率控制器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和試驗(yàn)的一般要求。本規(guī)范規(guī)定的功率控制器預(yù)定用于控制電氣操縱設(shè)備的供電電路的接通和斷開，并在直流和交流電氣系統(tǒng)中提供過載和過流保護(hù)，主要應(yīng)用領(lǐng)域有飛機(jī)、導(dǎo)彈、太空船和地面保障設(shè)備。

2.1.2.2 ISO 8816

ISO 8816是由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織飛機(jī)和航天器技術(shù)委員會(huì)、航天電氣技術(shù)規(guī)范分會(huì)制定的。其適用范圍是飛機(jī)電力系統(tǒng)上使用的固態(tài)（遠(yuǎn)程）功率控制器的通用設(shè)計(jì)和性能要求。

ISO 8816是于1993年頒布的。ISO 8816規(guī)定了固態(tài)功率控制器常用的術(shù)語定義、一般技術(shù)要求、設(shè)計(jì)特點(diǎn)、工作特性、環(huán)境條件和試驗(yàn)方法以及檢驗(yàn)要求等。其中術(shù)語30條，包括（遙控）功率控制器、固態(tài)（遙控）功率控制器、混合式遙控功率控制器、短路電流等基本術(shù)語和參數(shù)的定義，統(tǒng)一了概念。技術(shù)要求中包括了材料、結(jié)構(gòu)、端子、封裝等。設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括固態(tài)功率控制器的一般設(shè)計(jì)要求、控制信號(hào)、遙控功率控制器的狀態(tài)信號(hào)、自動(dòng)防故障裝置的考慮等。

該標(biāo)準(zhǔn)與美軍標(biāo)結(jié)構(gòu)不大相同，更多地考慮了設(shè)計(jì)員的需求，規(guī)定比較具體，可操作性強(qiáng)，是美軍標(biāo)一個(gè)有力的補(bǔ)充。

2.1.2.3 SAE ARP 4805

SAE ARP 4805的適用范圍是電力系統(tǒng)上使用的直流、交流固態(tài)功率控制器的通用設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和試驗(yàn)要求。SAE ARP 4805經(jīng)修訂后于2007年7月正式發(fā)布。

MIL–P–81653B和ISO 8816標(biāo)準(zhǔn)都是針對(duì)單個(gè)固態(tài)功率控制器器件，從技術(shù)發(fā)展和使用的趨勢來看，固態(tài)功率控制器的使用正由單個(gè)器件向由多個(gè)SSPC組成的配電中心方向發(fā)展，而SAE ARP 4805是針對(duì)SSPC組提出要求，對(duì)SSPC的研制具有重要作用。

2.1.3 270V直流繼電器標(biāo)準(zhǔn)

MIL–PRF–32085《270VDC具有可靠性指標(biāo)的電磁繼電器總規(guī)范》是2001年頒布的。該規(guī)范規(guī)定了主觸點(diǎn)額定電壓為270VDC、電流5A和5A以上的電磁繼電器通用要求。規(guī)定了繼電器的材料、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、性能要求、環(huán)境要求等及鑒定要求和檢驗(yàn)方法，特別是提出了可靠性指標(biāo)的要求和鑒定方法，是制定我國相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的重要參考和依據(jù)。SAE ARD 50031《270VDC，有可靠性指標(biāo)的電磁繼電器通用規(guī)范》是1991年10月頒布實(shí)施的。該標(biāo)準(zhǔn)制定了在航空、航天、船舶等各方面應(yīng)用的270V直流繼電器的通用要求。

隨著270V高壓直流供電系統(tǒng)的發(fā)展，有必要對(duì)MIL–PRF–32085和SAE ARD 50031標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行認(rèn)真的分析、研究，編制270V高壓直流接觸器通用規(guī)范。

2.1.4 配電系統(tǒng)總線

傳統(tǒng)的飛機(jī)系統(tǒng)通信總線包括MIL–STD–1553B、ARINC 429及ARINC 629等，這些總線在飛機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。新型飛機(jī)上很多采用RS485/RS422總線實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)底層控制設(shè)備的通信，達(dá)到了較好的效果。根據(jù)國外最新的總線技術(shù)的進(jìn)展，很多新型飛機(jī)上采用了CAN總線作為底層控制設(shè)備的互聯(lián)通信總線。

CAN（Controller Area Network）屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信總線。 與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。事實(shí)上，CAN 總線只規(guī)范了ISO/ OSI 7 層標(biāo)準(zhǔn)模型中的數(shù)據(jù)鏈路層（包括邏輯鏈路子層LLC 和媒體訪問控制子層MAC）和物理層。美國和歐洲都在CAN 總線基本規(guī)范的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了基于CAN的較高層協(xié)議：如CAL/ CANopen、Devicenet、SDS、CANaerospace 等。它們的差異在于信息標(biāo)識(shí)符分配系統(tǒng)、過程數(shù)據(jù)交換的方法、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊信道、建立過程數(shù)據(jù)信息鏈接的方法、網(wǎng)絡(luò)管理、設(shè)備建模和設(shè)備子協(xié)議。其中CANaerospace 協(xié)議是一種專門應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的基于CAN 的高層協(xié)議。

CANaerospace 是由德國Stock 航空系統(tǒng)公司于1997 年制定的一種基于CAN 總線的新型航空機(jī)載設(shè)備通信總線協(xié)議。它得到了歐洲一些著名的航空器制造公司的支持，并成功地應(yīng)用于一些飛行器中，在苛刻的應(yīng)用環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的可靠性?？紤]到航空航天工程的高可靠性要求，CANaerospace協(xié)議不再采用基本CAN的單根總線，而是設(shè)計(jì)成雙冗余總線。2001年，CANaerospace 被美國航空航天局（NASA）標(biāo)準(zhǔn)化為“先進(jìn)的通用航空運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總線（AGATE databus）”。

ARINC 825《機(jī)載用CAN總線通用標(biāo)準(zhǔn)》于2007年11月頒布實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)機(jī)載用CAN總線的結(jié)構(gòu)、物理層、數(shù)據(jù)鏈層、通信等進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。通過研究和驗(yàn)證，以及對(duì)ARINC 825標(biāo)準(zhǔn)的分析，可為編制我國機(jī)載CAN總線標(biāo)準(zhǔn)提供可行性。

2.2 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)情況分析

我國飛機(jī)基本沿用的是常規(guī)配電系統(tǒng)，目前在組合化上有所突破，將主接觸器、轉(zhuǎn)換接觸器、地面電源接觸器等元器件組合形成交流、直流配電控制盒，已經(jīng)在飛機(jī)上得到應(yīng)用。新研的電源功率控制盒可控制匯流條功率轉(zhuǎn)換、輸出故障告警信號(hào)、與機(jī)上NAMP進(jìn)行通訊，為配電系統(tǒng)智能化邁出了重要的一步。

但近幾年，元器件更新很快，一些新型元器件，如固態(tài)配電器件、270V繼電器以及光纖連接器等已開展預(yù)研、研制，使目前的配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系相對(duì)滯后，對(duì)新型配電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)加強(qiáng)研究并盡快制定。

配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)目前大部分為元器件標(biāo)準(zhǔn)，但配電系統(tǒng)現(xiàn)有系統(tǒng)級(jí)和頂層標(biāo)準(zhǔn)很少。對(duì)配電系統(tǒng)的管理標(biāo)準(zhǔn)，由于各機(jī)型設(shè)置不同，很難統(tǒng)一為一份標(biāo)準(zhǔn)，多年來，也是配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的一個(gè)弱點(diǎn)，借助新機(jī)研制的契機(jī)，應(yīng)大力推進(jìn)配電系統(tǒng)管理標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定。

配電元器件標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)比較齊全，但很多標(biāo)準(zhǔn)編制年代較早，技術(shù)指標(biāo)相對(duì)新型號(hào)研制需求已顯落后，因此大部分標(biāo)準(zhǔn)需要修訂，對(duì)新型號(hào)完全適用的標(biāo)準(zhǔn)較少，加之很多新型的配電器件標(biāo)準(zhǔn)尚待編制中，因此，現(xiàn)有配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)不能形成對(duì)新型號(hào)的技術(shù)支撐。

3 結(jié)束語

飛機(jī)配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)整體來看已不能滿足新機(jī)研制的需求，尤其是配電控制和管理方面的標(biāo)準(zhǔn)，由于相關(guān)技術(shù)資料較少、國外資料也很難拿到、國內(nèi)的研制經(jīng)驗(yàn)不足等問題，很難在短期內(nèi)形成一定數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)，以支持型號(hào)研制。SAE ARP 5584《供電管理系統(tǒng)文件》為編制我國飛機(jī)配電系統(tǒng)頂層管理標(biāo)準(zhǔn)提供了很好的借鑒，應(yīng)盡快啟動(dòng)該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的制定，為飛機(jī)配電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

另外對(duì)分布式配電系統(tǒng)中一次配電和二次配電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)研究仍屬薄弱環(huán)節(jié)，體系如何劃分，需補(bǔ)充的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目尚待進(jìn)一步確定。近些年對(duì)配電關(guān)鍵元器件的產(chǎn)品預(yù)研和標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研比較重視，應(yīng)加大標(biāo)準(zhǔn)研究力度，適時(shí)轉(zhuǎn)化為我國標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，建議相關(guān)各方能充分重視，廣開收集渠道，多方位廣泛收集國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)資料，以便及時(shí)進(jìn)行分析、轉(zhuǎn)化，為型號(hào)研制提供支撐?！?/p>

（編輯：雨晴）

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1003–6660（2010）03–0049–04

[收修訂稿日期] 2009-12-20