一种航天器一次母线故障在线检测定位方法

洪　博　王　莉　毛健美　尹　晶　舒徳华

(1.南京航空航天大学电气工程系　南京　210016

2.山东航天电子技术研究所　烟台　264000)



一种航天器一次母线故障在线检测定位方法

洪博1王莉1毛健美1尹晶2舒徳华2

(1.南京航空航天大学电气工程系南京210016

2.山东航天电子技术研究所烟台264000)

摘要针对航天器电源系统中一次母线故障的在线检测定位问题，构建了一种基于扩展频谱时域反射法的高定位准确度在线检测方法。首先对该方法的定位误差进行了理论分析，通过提高检测系统采样频率，使定位误差达到±0.2 m以内，能够满足短距离一次母线的故障定位需求；在此基础上进一步分析了由于电源阻抗不匹配引起检测结果错误的问题，通过加入阻波器阻断了检测信号向电源端的传播路径，消除了电源阻抗不匹配的影响，保证了一次母线故障的正确检测。实验结果表明所采用的方法能够对一次母线断路和短路故障实现精确的在线检测定位。

关键词：航天器一次母线在线检测扩展频谱时域反射法定位误差阻波器

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

航天器一次母线是航天器电源系统的关键部件，对一次母线故障实现可靠的在线检测是保证航天器安全运行的关键之一。在航天器电源系统配电网络中，一次母线的前端与电源控制器(Power Control Unit，PCU)连接，后端与配电器连接，通过配电器中的转换开关向电源变换装置或各负载提供电能。航天器供电系统构成示意图如图1所示，太阳电池阵和蓄电池组作为电能的来源连接到PCU内部的母线上，PCU对太阳电池阵输出功率实行分流调节、对蓄电池组进行充放电控制或功率调节。配电器及其后端连接的用电设备统一看作负载，PCU的输出端口与负载设备之间连接了待测一次母线。

图1　航天器电源系统简化图Fig.1　Simplified diagram of the spacecraft power system

现代航空航天领域电缆故障检测与定位技术主要包括时域反射法(Time Domain Reflectometry，TDR)、频域反射法(Frequency Domain Reflectometry，FDR)、序列时域反射法(Sequence Time Domain Reflectometry，STDR)、扩展频谱时域反射法(Spread Spectrum Time Domain Reflectometry，SSTDR)等。TDR方法最初用来查找电话线的断线故障[1]，文献[2，3]将其应用于导线的绝缘故障检测与分析。但由于TDR方法中所用的测量信号为窄电压脉冲，易受原有电源信号影响，因而仅仅适用于电缆故障的离线检测。FDR方法测量原理是将扫频信号发射到待测电缆中，通过傅里叶变换的方式测量反射信号峰值的频率，从而换算出故障点的距离。文献[4，5]采用FDR方法与希尔伯特-黄变换算法结合的方式实现了飞机电缆故障的检测与定位，但算法的复杂化降低了检测的实时性，因此该方法也仅适用于离线检测。STDR方法将高频伪随机序列发送到被测电缆当中，并将入射信号与故障点处的反射信号进行相关运算，得到最终的检测结果。文献[6，7]研究了STDR方法用于电缆绝缘故障检测定位的可行性。文献[8]研究了一种基于STDR方法的ASIC设计过程。但由于STDR方法中检测信号易受高频噪声的影响，用于电缆在线检测时存在抗干扰能力较差的问题。SSTDR方法是将扩频技术用于电缆故障检测的一种新方法，它采用伪随机序列与正弦波进行扩频调制作为检测信号，扩频检测信号与待测电缆中的原有信号没有频谱重叠，能够进行在线检测。同时，由于检测信号具有尖锐的自相关性，因此SSTDR方法在电缆故障在线检测定位中拥有较好的抗干扰能力和较高的准确性。SSTDR方法的应用包括预应力混凝土锚索局部腐蚀的定位[9]、核电厂电力网的在线监控[10]、光伏系统对地故障检测定位[11]、电源变换器的老化预估[12，13]等。根据以上分析可知，SSTDR方法是作为航天器一次母线故障在线检测较为理想的方法。

目前，将SSTDR方法用于航天器一次母线故障的检测定位仍存在一些问题：在一些小型航天器中，一次母线长度较短，约为5 m，对定位准确度有着极高的要求，如何实现一次母线故障的精确定位是首先需要解决的问题；其次，航天器电源系统中电气设备的阻抗与一次母线自身的阻抗并不匹配，SSTDR方法利用阻抗变化来识别电缆中的故障，无法智能的区分电气设备与实际故障点，从而引起误判，如何排除电气设备阻抗不匹配的影响也是需要解决的关键问题。

本文以SSTDR方法为基础开展了高定位准确度的航天器一次母线故障在线检测定位方法研究，仿真分析了SSTDR方法在一次母线在线检测定位时存在的问题，针对存在的问题开展了有效的解决方法研究，并对其可行性进行了仿真和实验验证。

1传输线基本理论和SSTDR方法分析

1.1传输线基本理论

均匀传输线的电气性质可以用单位长度的电阻R0、电感L0、电容C0和电导G0来描述，整个传输线可以看成是由许多微小的线元Δx级联而成，电阻、电感、电容、电导连续且均匀地分布在整个传输线上。

图2　单位长度传输线等效电路Fig.2　The per-unit-length equivalent circuit of transmission line

图2中，沿线各点电压u和电流i既是时间t的函数，又是空间x的函数。设电缆上某一点到始端的距离为x，根据基尔霍夫定律，并取Δx→0，可得电报方程为

(1)

根据边界条件可以求出该方程的解，得出入射信号在电缆x点处的反射系数ρ为

(2)

根据式(2)，当电缆上某点发生断路故障(Zx=∞)时，可求得在故障点的反射系数为+1；当电缆上某点发生短路故障(Zx=0)时，可求得在故障点的反射系数为-1。

1.2SSTDR方法原理及其定位误差

SSTDR方法实现框图如图3所示。

图3　SSTDR方法实现框图Fig.3　Implementation block diagram of SSTDR

SSTDR电缆故障检测定位系统中，注入到被测电缆的入射信号为高频m序列与正弦波按照周期1∶1进行二进制移相键控(BPSK)调制的信号，入射信号在电缆故障点处会由于阻抗不匹配而发生反射，将入射信号与反射信号按式(3)进行相关运算。

(3)

式中，R(τ)为相关运算结果；ats(t)为入射信号；at+τs(t+τ)为反射信号；τ为入射信号和反射信号之间的时间延迟；T为入射信号的周期。相关运算结果反应了故障点反射信号的极性和相位延迟，当反射波与入射波的相关值为正时，即为断路故障；当反射波与入射波的相关值为负时，即为短路故障。而实际故障点的距离可表示为

(4)

式中，vs为检测信号在电缆中的传输速度，一般为光速的0.5～0.7倍。本文以AF-250电缆作为研究对象，检测信号在该电缆中的传播速度约为2×108m/s。之所以乘上一个1/2系数因子，是因为检测信号在传输线中经历了一个往返路程。当检测系统采样率为fs时，对应的采样周期为TS，则延迟时间τ为

τ=kTS+τφ0≤τφ

(5)

此时，检测系统得到的故障点处的相关运算值为

(6)

式中

(7)

式中，θ(k)为反射信号延迟时间为kTS～kTS+τφ所对应的电缆区段的反射系数；θ(k+1)为反射信号延迟时间为kTS+τφ～(k+1)TS所对应的电缆区段的反射系数。

根据上述分析，当τ为非整数倍的TS时，SSTDR检测系统测试得到的故障点距离与实际故障点距离存在一定的误差，该误差的范围为

(8)

定义SSTDR检测系统的定位误差为

(9)

式中，fm为载波正弦信号的频率，即检测信号的中心频率。为了保证对检测信号的精确采样，设定检测系统采样频率为检测信号中心频率的8倍，即n=8。从式(9)可以看出，随着采样频率的升高，检测系统所能定位到的故障点位置越来越精确。如果选择SSTDR检测系统采样频率为500 MHz，可求得SSTDR检测系统定位误差和检测信号的中心频率分别为

(10)

(11)

对于长度为5 m的一次母线，定位误差为0.2 m的检测系统，其定位准确度为4%，能够实现一次母线故障的精确检测定位。

2SSTDR用于一次母线故障在线检测定位的方法研究

2.1一次母线建模

根据传输线基本理论，要对实际一次母线进行准确的建模研究，需要求得其分布参数。一次母线型号为AF-250系列聚四氟乙烯绝缘电缆，该电缆采用镀银铜线导体、聚四氟乙烯推挤形式绝缘，电缆导体部分直径0.8 mm，绝缘部分外直径1.6 mm。在Ansoft二维场中建立一次母线的模型，同时加入一根地线作为参考地，模型如图4所示。

针对上图建立的一次母线模型，Ansoft有限元仿真软件求解得到的分布参数如表1所示。

表1　AF-250型号电缆分布参数

在Matlab仿真环境中利用求解得到的分布参数对基于行波法的贝杰龙数学模型进行设置[14]，建立等效的一次母线模型。

2.2SSTDR方法用于一次母线故障在线检测定位的问题分析

采用SSTDR方法对待测一次母线进行故障检测定位，检测系统示意图如图5所示。

图5　一次母线故障在线检测定位示意图Fig.5　Schematic diagram of bus fault online detection and location

高频检测信号由SSTDR检测装置产生并由PCU出线端A点注入，PCU内部母线长为3 m，待测一次母线长为5 m。

结合SSTDR方法在Matlab仿真环境中搭建如图5所示的航天器一次母线在线检测定位仿真模型，电源设置为28 V理想直流源。待测一次母线正常无故障的情况下，通过仿真得到的检测定位曲线如图6所示。

从图6可以看出，在距离自相关波头3 m处，反射波头幅值达到最大，并且为负极性，此时检测系统将会判断在待测电缆距离检测点3 m处发生了短路故障，这与实际情况并不相符，检测结果错误。为了分析待测电缆正常情况下负向波头出现的原因，将图5等效为图7所示的电路。

图6　一次母线正常情况下检测定位曲线Fig.6　The detection and location curve of the bus under normal circumstances

图7　一次母线故障在线检测定位系统等效电路Fig.7　The equivalent circuit of bus fault online detection and location system

由式(1)所述的电报方程，再根据边界条件可求得电缆中任意一点电压电流的表达式。

(12)

式中，A1、A2为待定系数；Z0为特征阻抗；γ为传播常数，与单位长度衰减常数α及单位长度相位常数β有关，可表示为

(13)

如果将电源方向的传输路径视为外电路，则该支路以外的电路可以看作是含有独立源的一端口网络，因此可以将SSTDR检测系统与一次母线电缆的总体看做是一端口电源网络，如图7中虚线框所包围的区域所示。由外电路看向一端口网络时，一端口网络的内阻即为匹配电阻与一次母线电缆特征阻抗的并联。由式(12)可得到源端条件为

(14)

由于被测电缆长度较短，可以近似认为是无损传输线，即γ=jβ，则电源处对应的终端条件为

(15)

根据源端条件和终端条件可求得PCU内部电缆上任意一点的电压为

(16)

式中，ρs为源端反射系数；ρL为终端反射系数，由式(2)可计算得到

(17)

则信号注入点处电压为

(18)

信号注入点同时也是SSTDR检测系统对反射信号的采样点，因此u(0)即为采样得到的电压。当电缆的源端和终端出现阻抗不匹配的情况，即反射系数不等于0时，电缆中的检测信号会发生重复性反射，因此可将u(0)拆分为入射信号s(t)、一次反射信号s(t-τ1)、二次反射信号s(t-τ2)之和的形式

u(0)≈α0s(t)+α1s(t-τ1)+α2s(t-τ2)

(19)

将u(0)与原始入射信号s(t)进行相关计算

(20)

式中，α0为自相关波头幅值；α1为一次反射波头幅值；α2为二次反射波头幅值。α0、α1、α2的比值为

=1∶-0.66∶-0.22

(21)

由式(21)可知，自相关波头、一次反射波头和二次反射波头的幅值分别为1、0.66、0.22，并且一次反射波头和二次反射波头为负极性波头，这与图6的仿真结果一致。由此可以说明图6中的负极性波头是由电源阻抗不匹配所引起的。为了保证对航天器一次母线故障的正确检测，需要阻断检测信号电源方向的传播路径，使其向待测一次母线方向传播。

2.3定向耦合方法研究

为了实现检测信号向待测一次母线方向的定向耦合，本文引入阻波器的概念。阻波器的实质是一种具有高导磁率的铁氧体磁环，将电缆穿过铁氧体磁环构成一个共模扼流圈。共模扼流圈的阻抗越大，对高频信号抑制效果越明显。将阻波器安置在PCU的出线端口，用于限制检测信号电源方向的传输路径，使检测信号只能向待测一次母线方向传播。加入阻波器后的一次母线故障检测定位示意图如图8所示。

图8　加入阻波器后一次母线故障在线检测定位示意图Fig.8　Schematic diagram of bus fault online detection and location with a trapper

不同阻波器的电感值对检测信号的阻断效果也不同，针对本文所采用的中心频率为62.5 MHz的检测信号，在一次母线故障在线检测定位仿真模型中加入电感模型以模拟阻波器，仿真分析阻波器电感值变化对阻断效果的影响。当待测电缆终端4.5 m处发生断路故障时。分别设置无阻波器、阻波器感值为0.1 μH、0.5 μH、1.0 μH、2.0 μH及无电源传输支路的仿真条件，对比检测定位结果。不同条件下的检测定位曲线对比图如图9所示。

从图9中可以看出，检测系统中未加入阻波器时，检测定位曲线杂乱无章，无法从中提取出正确的故障信息。随着阻波器电感值的增大，距离自相关波头4.5 m处的故障点反射波头越来越明显，当电感值达到1.0 μH时，检测定位曲线已基本接近无电源支路情况下的曲线，这表明阻波效果十分优异。因此，当阻波器的电感值达到为1.0 μH时，能够对本文中所用的中心频率为62.5 MHz的检测信号产生良好的阻断效果。

图9　不同条件下的检测定位曲线Fig.9　The detection and location curve under different conditions

为了达到阻波器电感值1.0 μH的要求，本文选用FR16.5/8/28型号磁环，对其电感值的分析，求解对象主要是阻波器及其所包裹的一段电缆。套有阻波器段的电缆有限元分析云图如图10所示。

图10　阻波器磁场分布Fig.10　The magnetic field distribution of the trapper

从该阻波器的磁场云图可以看出，当电缆中通入电流激励信号的时候，磁场主要分布在阻波器即导磁材料磁环中，而其余部分磁感应强度相对磁环中的磁

感应强度是很弱的。图11为电缆中通入不同激励电流时，对应的阻波器电感值仿真结果曲线。可以看出，所选用的阻波器在激励电流小于8 A的条件下，电感值均能达到1 μH以上，能够对检测信号产生良好的阻断效果。

图11　电缆中通入不同激励电流时，阻波器电感值仿真结果Fig.11　The simulation result of trapper inductance when the cable with different exciting current

3一次母线故障在线检测定位实验

一次母线故障在线检测系统中，当硬件采样频率达到500 MHz时，可保证定位误差能够达到±0.2 m范围以内。根据对SSTDR检测装置所需逻辑资源以及速度等级的估算，选用Altera公司的高速FPGA作为主体算法控制芯片，综合考虑信号完整性、抗干扰能力等各方面因素，设计制作了高速SSTDR板卡，开展了实验研究。一次母线故障在线检测定位实验平台如图12所示。航天器电源采用直流稳压源模拟，设置电源电压为28 V。待测一次母线长为5 m，SSTDR板卡产生的检测信号由一次母线起始端注入。在电源与信号注入点间加入一段长3 m的电缆模拟PCU内部电缆，并在PCU内部电缆末端套上阻波器磁环。为了防止短路故障时短路电流过大，在电源处连接限流电阻，限流电阻为10 Ω功率电阻，负载为20 Ω功率电阻。

图12　一次母线故障在线检测与定位实验平台Fig.12　Experimental platform of bus fault online detection and location

图13为SSTDR板卡产生并注入到被测电缆中的扩频调制信号波形，该信号的中心频率为62.5 MHz。从图14中两条波形的幅值对比可看出阻波器对高频检测信号起到了良好的阻断效果。在待测一次母线的4.55 m处设置断路和短路故障，得到故障情况下的检测定位实验波形如图15所示。从图15中可看出检测系统能够对一次母线故障的类型做出准确判断，当故障点距离为4.55 m时，由式(4)和式(5)反推可计算得到对应的k和τφ分别为22、0.75TS。

图13　入射信号波形Fig.13　The incoming signal waveform

图14　待测一次母线与PCU内部电缆中检测信号波形Fig.14　The detection signal waveform in the bus and the detection signal waveform in the PCU internal cable

图15　一次母线故障在线检测定位实验波形Fig.15　Experimental waveform of bus fault online detection and location

(22)

该结果与实际测试波形是一致的，故障点定位误差在±0.2 m范围以内，检测结果正确。在一次母线的不同位置处设置故障，对不同故障距离条件下的在线检测定位结果进行统计，统计结果如表2所示。

从表2可以看出，检测系统对不同距离处的故障定位结果满足2.2节中对应不等式成立时的定位距离表达式，并且检测正确率均能够达到95%以上，验证了理论推导的正确性，并证明了所采用的方法能够对航天器一次母线故障实现精确地在线检测定位。

表2　不同故障距离条件下的检测结果统计表

4结论

对SSTDR方法的定位误差进行了理论推导，分析了SSTDR方法用于电缆故障在线检测定位时所存在的问题，构建了一种航天器一次母线故障在线检测定位方法，通过仿真和实验验证了该方法的可行性。

1)通过提高SSTDR检测系统采样频率，减小定位误差，提高定位准确度，当采样率达到500 MHz时，定位误差达到±0.2 m以内。

2)在PCU出线端与检测信号注入点之间加入合适的磁环作为阻波器，阻断检测信号向电源端的传播路径，消除了电源阻抗不匹配的影响，使其向待测一次母线方向传播，达到了检测信号定向耦合的目的，保证了一次母线故障的高准确度检测定位。

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洪博男，1989年生，硕士研究生，研究方向为航空航天配电系统。

E-mail：137642863@qq.com

王莉女，1969年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为发电系统及自动化配电系统。

E-mail：wareel2@163.com(通信作者)

作者简介

中图分类号：TM93

收稿日期2015-02-12改稿日期2015-04-27

国家自然科学基金资助项目(51277093)。