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摘要：隨著航天領(lǐng)域電氣系統(tǒng)復(fù)雜程度以幾何級(jí)數(shù)的速度增加，難以在樣機(jī)制造之前發(fā)現(xiàn)諸如系統(tǒng)中設(shè)備之間的干擾、匹配問題，造成樣機(jī)試制一輪一輪展開，研發(fā)周期和研發(fā)成本都急劇上升，急需通過有效的手段縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本。因此，開展了系統(tǒng)級(jí)接口設(shè)計(jì)與驗(yàn)證系統(tǒng)相關(guān)研究，在Por－tunus軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性二次開發(fā)，建立供電線路仿真模板、載荷設(shè)備突變仿真模板和電纜模型庫，用于系統(tǒng)供配電線路設(shè)計(jì)時(shí)的評(píng)估與指導(dǎo)，改進(jìn)之前在線路設(shè)計(jì)中通常需要依靠經(jīng)驗(yàn)，需要通過系統(tǒng)匹配實(shí)驗(yàn)才能對(duì)供電性能進(jìn)行評(píng)估的被動(dòng)設(shè)計(jì)方式。

關(guān)鍵詞：portunus軟件；接口設(shè)計(jì)與驗(yàn)證系統(tǒng)

1概述

基于現(xiàn)有航天地面電氣系統(tǒng)的復(fù)雜程度，系統(tǒng)間的接口設(shè)計(jì)往往依賴于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)及設(shè)備接口匹配驗(yàn)證的結(jié)果，并且在實(shí)物匹配過程中設(shè)備之間的干擾通過現(xiàn)有的技術(shù)手段很難預(yù)見，而設(shè)備之間的干擾必然導(dǎo)致設(shè)備方案的修改和實(shí)物的返工，這就會(huì)對(duì)影響系統(tǒng)的研制進(jìn)度。為此，以Portunus系統(tǒng)仿真軟件為基礎(chǔ)仿真平臺(tái)，通過開發(fā)電力電纜電氣參數(shù)提取算法模塊、電力電纜通用RLC電路模型及部分常用成纜模型，形成線纜模型庫；開發(fā)供配電線路仿真模板；開發(fā)含有不同載荷設(shè)備的供電系統(tǒng)仿真模板，從而實(shí)現(xiàn)分層次、分系統(tǒng)的對(duì)供電電纜、供電線路以及供電系統(tǒng)進(jìn)行性能仿真評(píng)估及分析，輔助系統(tǒng)間接口設(shè)計(jì)及驗(yàn)證工作。

2技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線

系統(tǒng)間的接口設(shè)計(jì)與驗(yàn)證過程中需要綜合考慮供電電源的供電特性、負(fù)載設(shè)備的載荷特性以及供電線路的傳輸特性，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)載荷匹配為最終的目標(biāo)?；赑ortunus商用軟件作為線路仿真基礎(chǔ)工具，通過行為級(jí)建模，模擬電源和負(fù)載載荷設(shè)備的電氣輸入輸出特性；綜合考慮電纜幾何結(jié)構(gòu)和排列方式的多樣性，分析電纜各電氣元件的耦合特性并提取元件參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于電纜線路的建模，并根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)在Por-tunus中建立詳細(xì)的電纜電氣模型才能在仿真時(shí)得到準(zhǔn)確的輸電特性。

2.1線路仿真

針對(duì)用戶界面、建模工具、求解核、后處理工具、元件模型庫及外部擴(kuò)展接口的要求，通過底層算法的編寫和優(yōu)化，對(duì)各具體工具模塊進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，開發(fā)Por-tunus系統(tǒng)仿真軟件，實(shí)現(xiàn)線路仿真所需的基礎(chǔ)工具模塊。用戶界面采用圖形創(chuàng)建工具，實(shí)現(xiàn)可繪制原理圖的交互界面并集成各種工具模塊滿足對(duì)模型建模的需求。如圖1所示。集成各種基礎(chǔ)元件算法模型，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲苯咏?、傳遞函數(shù)建模和流程圖建模等功能，通過開發(fā)SPICE網(wǎng)表接口和VHDL-AMS編程接口，可調(diào)用元件庫中的接口模塊進(jìn)行模型的SPICE建模和VHDL-AMS語言建模，在仿真執(zhí)行過程中調(diào)用相應(yīng)的SPICE求解核算法或VHDL-AMS求解算法對(duì)相應(yīng)模塊進(jìn)行計(jì)算；通過開發(fā)C/C++接口元件模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部C代碼的調(diào)用，在仿真過程中可以建立用戶模塊并將C代碼編譯生成的dll文件耦合起來，實(shí)現(xiàn)C/C++代碼元件庫。后處理工具的開發(fā)集成不同的數(shù)據(jù)處理算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的函數(shù)計(jì)算、特征值計(jì)算、傅里葉分析等處理，同時(shí)集成各種工具滿足對(duì)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出、顯示等功能需求。通過開發(fā)同其他軟件交互的接口工具，實(shí)現(xiàn)同其他軟件的聯(lián)合仿真功能。

2.2電纜模型庫建模

2.2.1電纜電氣參數(shù)提取電力電纜的基本結(jié)構(gòu)由線芯(導(dǎo)體)、內(nèi)絕緣層、金屬護(hù)套(屏蔽層)和外絕緣層4部分組成。如圖3所示，是一根含有以上4個(gè)部分的電纜截面圖。電纜的電氣參數(shù)有自阻抗和導(dǎo)體間的互阻抗，以及導(dǎo)體的并聯(lián)導(dǎo)納等，以圖3基本結(jié)構(gòu)為例，通過理論分析可得到電纜的電氣參數(shù)，包括：導(dǎo)體自阻抗、金屬護(hù)套自阻抗、導(dǎo)體和護(hù)套間的互阻抗、導(dǎo)體和護(hù)套間電容、護(hù)套和等效地間電容。其中，各阻抗參數(shù)和電容參數(shù)由電纜的導(dǎo)體材料、幾何結(jié)構(gòu)以及多跟導(dǎo)體的不同排列方式?jīng)Q定。因此，在進(jìn)行電纜仿真之前，需要按照電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)和排列方式的不同，調(diào)用電氣參數(shù)提取算法計(jì)算出各條電纜RLC電路模型的元件參數(shù)。以3根單芯等間距排列的電纜為例，通過電纜參數(shù)提取模塊可建立相應(yīng)的RLC矩陣為：電阻矩陣描述了每根單芯電纜中導(dǎo)體和金屬護(hù)套的電阻特性，該電阻值可以直接由阻抗計(jì)算公式得到。電感矩陣描述了每根單芯電纜中導(dǎo)體和金屬護(hù)套的電感特性，同時(shí)也描述了各導(dǎo)體和金屬護(hù)套之間的相互耦合關(guān)系。電容矩陣描述了每根電纜中導(dǎo)體和護(hù)套之間以及護(hù)套和參考地之間的電容特性。隨著電纜結(jié)構(gòu)變化以及電纜排列方式的不同，所建RLC矩陣的階數(shù)以及各矩陣中的參數(shù)也會(huì)不同，針對(duì)特定的電纜結(jié)構(gòu)和排列方式，可以由阻抗計(jì)算公式及電容計(jì)算公式分別計(jì)算需要修正的RLC參數(shù)，完成對(duì)各具體成纜模型參數(shù)的修正。2.2.2電纜建模由于電纜的設(shè)計(jì)種類和排列方式千變?nèi)f化，所以電纜參數(shù)的計(jì)算很難完全涵蓋所有的情況。故在電纜模型庫建模時(shí)，應(yīng)首先考慮電纜基本結(jié)構(gòu)，在Portunus中實(shí)現(xiàn)其電氣參數(shù)提取的通用算法；然后，按照實(shí)際使用電纜的不同結(jié)構(gòu)和不同排列方式建立各自的電路模型，并根據(jù)通用算法計(jì)算和修正各電路模型中的RLC參數(shù)，通過封裝實(shí)現(xiàn)各成纜產(chǎn)品的建模，進(jìn)而形成電纜模型庫。其中，電纜電氣參數(shù)提取模塊可通過VHDL-AMS建模工具，編程計(jì)算各電路參數(shù)并將結(jié)果輸出。對(duì)參數(shù)計(jì)算模塊進(jìn)行編譯、封裝后可在界面元件庫中找到所建的模塊，將該模塊拖入工作界面中可對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算。調(diào)用所建的參數(shù)計(jì)算模塊仿真模型，雙擊電纜參數(shù)模塊可以彈出電纜參數(shù)列表，在Value列中可填入實(shí)際電纜參數(shù)，Default列中參數(shù)為通用電纜的默認(rèn)參數(shù)，通常不用更改。若有些參數(shù)需要實(shí)時(shí)變化，可將參數(shù)端口開放后由外部模塊進(jìn)行控制。參數(shù)列表中給出了電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示，輸入電纜設(shè)備廠家提供的相應(yīng)參數(shù)后，可直接計(jì)算得到電纜的RLC電氣參數(shù)在完成后電纜模型庫建模后，通過外部接口接入，可以通過調(diào)整電纜電氣參數(shù)，模擬電源供電頻率的變化，實(shí)現(xiàn)電路仿真功能。

2.3供電線路建模及仿真

按照電路子模塊功能建立各部件的行為級(jí)模型。使用電纜模型庫的通用算法模塊和電纜電路模型，同供電線路其他子模塊進(jìn)行耦合連接，生成仿真模板。設(shè)置各模塊參數(shù)及工況，分析系統(tǒng)供電線路正常工作、故障模式兩種不同工況的供電品質(zhì)、線纜壓降、浪涌電流等性能。仿真模板可重復(fù)運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果收斂并一致。仿真運(yùn)行如果出現(xiàn)不能正確往下進(jìn)行，或運(yùn)行結(jié)果發(fā)散時(shí)，通過調(diào)整算法參數(shù)或其他技術(shù)方法，使仿真能夠完整、重復(fù)執(zhí)行，結(jié)果收斂。使用開發(fā)的仿真工具，動(dòng)態(tài)直觀地觀察仿真運(yùn)行的過程、結(jié)果。模板具有開放性，支持用戶編輯修改模板拓?fù)洹⒐r、模型參數(shù)和輸出參數(shù)，快速生成相似產(chǎn)品的仿真模板。供電線路模板可以對(duì)不同的配電方式下的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行模擬，其中，電源可以采用理想AC和DC電壓源，負(fù)載可以采用阻性、容性和感性負(fù)載模塊進(jìn)行模擬?？梢苑抡婢€路正常工作時(shí)各條線路的輸電特性，同時(shí)可以仿真線間短路及線路絕緣失效等工況。如圖5所示線路仿真模板拓?fù)渲?，兩條不同的輸電電纜分別帶有阻性負(fù)載和容性負(fù)載，在線路中可以設(shè)置短路故障模塊，可以設(shè)定故障發(fā)生的時(shí)刻，仿真分析故障發(fā)生后的線路輸電特性。供電線路建模仿真實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流供電和交流供電的仿真，可以模擬多根電纜平行排列、多根電纜交錯(cuò)排列、電纜短路故障、電纜絕緣失效等多種情況，并支持阻性負(fù)載、感性負(fù)載和容性負(fù)載。

2.4設(shè)備載荷建模及系統(tǒng)載荷突變仿真

在Portunus中按照負(fù)載設(shè)備模塊功能建立其行為級(jí)模型。使用電纜庫電路模型同負(fù)載設(shè)備模塊進(jìn)行耦合連接，形成供電系統(tǒng)仿真模板，通過設(shè)置各子模塊和模板電路的參數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)性能仿真。對(duì)于系統(tǒng)中多個(gè)載荷設(shè)備共用一個(gè)母線的情況，設(shè)置某個(gè)負(fù)載功率突變條件，仿真其對(duì)母線以及其他用電設(shè)備的影響?？砂凑辗抡嬉髮?duì)載荷設(shè)備模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，對(duì)于對(duì)母線電壓、電流等特性影響不大的載荷設(shè)備，進(jìn)行原理建模，模擬載荷設(shè)備的基本端口特性，仿真邏輯功能轉(zhuǎn)換時(shí)的輸出特性，切實(shí)暴露系統(tǒng)真實(shí)存在和設(shè)備切換的邏輯、時(shí)序問題。其中，電源、電纜、負(fù)載模塊均可按照需要搭建所需的行為級(jí)模型。圖5負(fù)載（load）為帶SVPWM控制的三相交流電機(jī)，其行為級(jí)子模塊如圖6所示。設(shè)備載荷系統(tǒng)仿真可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電源、直流電源供電線路的仿真；對(duì)單路電纜和多路電纜的仿真；對(duì)AC-DC適配電源、繼電器負(fù)載、直流電機(jī)及其控制器、三相交流電機(jī)及其控制器以及FUSE的設(shè)備載荷仿真，最終實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載端諧波、模擬負(fù)載切換時(shí)序、模擬直流電機(jī)特性、模擬變頻控制下的電機(jī)特性以及模擬負(fù)載熔斷特性。

3測(cè)試驗(yàn)證

3.1供電線路性能仿真

以交流傳輸電路上的電纜特性為仿真模型，其模板原理圖如圖7所示。征由軟件時(shí)間函數(shù)模塊模擬，并將時(shí)間函數(shù)模塊的輸出與電源參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。單相電纜模型采用模型庫中的Singlephasecable，其中，電纜電氣參數(shù)RLC值由電纜參數(shù)計(jì)算模型Cableparam計(jì)算輸出，并關(guān)聯(lián)到電纜模塊參數(shù)中，Cableparam模塊通過設(shè)置電纜的結(jié)構(gòu)和材料特性參數(shù)對(duì)單位長(zhǎng)度的電纜參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)調(diào)用Cableparam模塊時(shí)，各參數(shù)默認(rèn)值自動(dòng)賦值給各參數(shù)，當(dāng)需要調(diào)整某參數(shù)時(shí)只對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置即可。Cableparam模塊中，輸入接口為傳輸頻率，可以在外部設(shè)置線路工作頻率參數(shù)，在將source模塊的輸出關(guān)聯(lián)到該接口參數(shù)中。用戶界面中添加On-SheetDisplay模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與顯示將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行表格展示，如圖8所示。

3.2載荷設(shè)備突變仿真

以Boost變換器為模板進(jìn)行載荷設(shè)備突變仿真測(cè)試。如圖9所示，模板由交流電源、cable線路，boost變換器及負(fù)載電阻組成。其中，交流電源E1設(shè)置頻率為50Hz，振幅設(shè)置為311。Cable傳輸線使用cable0模塊，Boost電路前級(jí)采用不控整流電路，整流橋輸出端直流電容設(shè)置為5mF，Boost電路采用設(shè)備庫中的Boost模塊，該模塊輸出設(shè)計(jì)為400V，可模擬實(shí)際電源適配器中Boost變換器的負(fù)載特性。負(fù)載電阻設(shè)定為50ohm，由切入開關(guān)控制，負(fù)載切入時(shí)刻設(shè)置步進(jìn)時(shí)長(zhǎng)0.02s。點(diǎn)擊運(yùn)行后，模型開始運(yùn)行，在界面中加入On-SheetDisplay模塊并添加負(fù)載電阻電壓、電源輸入電壓和電流波形，如圖10所示。

4結(jié)語

基于Portunus的系統(tǒng)級(jí)接口設(shè)計(jì)與驗(yàn)證系統(tǒng)通過線路仿真平臺(tái)和電纜模型庫等工具，通過對(duì)電源、線路、載荷設(shè)備的建模、仿真和性能分析，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)接口中的供電品質(zhì)、線纜壓降的模擬。此系統(tǒng)可應(yīng)用于涉及大量設(shè)備的火箭電氣系統(tǒng)中，在樣機(jī)制造之前通過模擬發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)接口間的干擾、匹配問題，縮短了設(shè)備和系統(tǒng)的研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。

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作者：馬宗瑞，韓雨桐，岳瑋 單位：北京宇航系統(tǒng)工程研究所