本文是一篇电力论文，本研究基于闭锁式方向纵联保护算法原理，利用软件建模并模拟故障仿真，仿真结果显示，在模拟故障条件下，该算法能够迅速启动保护装置进行隔离，确保配电系统的安全，实现环网的重构，显著提高了飞机配电系统的可靠性。
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 多电飞机直流电源系统发展 飞机电源系统是飞机运行不可或缺的关键部分，随着现代航空技术的飞速发展，飞机的主要电源系统已发展为四大类型：28V低压直流电、400Hz 115/200V恒频交流电、360-800Hz 115/200V变频交流电和270V高压直流电。这些电源系统各具优势，共同协作，确保满足飞机在不同飞行环境下的电源需求[1]。
飞机的直流电源系统经过近一个世纪的持续演变和优化，其额定电压已从原先的6V、12V逐步提升至现今的28V。这一系统的持续采用主要得益于其简单性和可靠性，以及蓄电池在应急和备用供电方面的便利性，然而，28V低压直流电源系统也存在一些明显的缺点[2-4]：
首先，直流发电机的转速受到电刷与换向器特性的制约，通常限制在4000-9000r/min或7000-13000r/min的范围内，这种转速限制进一步影响了直流发电机的最大功率输出，从而在一定程度上制约了飞机的性能；其次，由于电压相对较低，当需要增加电源功率时，飞机直流电网的输配电线重量会显著增加，这不仅增加了飞机的总体重量，还可能对飞机的飞行性能和效率产生不利影响；最后，二次电源在转换过程中存在较大的损耗，导致效率低下，同时增加了额外的重量，这些因素都对飞机的运行成本和性能产生了负面影响。
因此，尽管28V低压直流电源系统在过去几十年中一直是飞机电源系统的主流选择，但随着航空技术的不断进步和飞机性能要求的提高，未来的飞机电源系统可能会寻求更加高效、轻便和可靠的解决方案。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 固态功率控制器的研究现状
目前，全球固态功率控制器（SSPC）领域的领军企业为外国的DDC公司和Leach公司，它们的产品系列丰富、功能完备。其中，DDC公司以其引领潮流的可编程固态功率控制器，成功取代了配电系统中的传统机电继电器和热断路器。这种新型控制器不仅具备更为精准的跳闸保护和更高的可靠性，还有助于降低车辆的整体重量。自1988年以来，DDC的智能节点（SSPC）已广泛应用于多个领域，累计使用数量超过500,000个。其产品支持实时数字状态报告和计算机控制，并融入了短路保护和I2t保护功能，同时还具备生产定制化的能力，可生产额定电流高达300A的SSPC，以及每通道额定电流最高为25A的多通道电路板[24-25]。
近年来，SiC SSPC已成为学术研究的热点，TELEDYNE公司则专注于密封式的单路输出产品，包括输出电压为28V、电流范围为2A至25A的PC028XX-47XX系列，以及输出电压为270V、电流范围为1A至10A的PC270XX-47XX系列。DDC公司和Leach公司均推出了新一代SSPC产品，主要服务于高压和低压大电流应用领域。随着技术的不断发展，多组数和大功率已成为SSPC行业的重要趋势[26-27]。总体而言，国外在固态功率控制器（SSPC）领域取得了显著的突破，为航空领域量身定制了SSPC的规范准则，这些规范准则涵盖了不同电压等级的SSPC产品，显示出国外在这一技术上的成熟度和领先地位，这些企业的发展和产品的创新，为推动全球固态功率控制器技术的进步和应用拓展做出了重要贡献。
第2章 全固态数字化大功率双向直流开关原理及关键技术
2.1 全固态数字化大功率双向直流开关原理
在飞机配电系统中，固态功率控制器取代了传统式机械开关，但是由于结构、功率等因素限制，在供电主回路尚需要直流接触器以完成基本的继电保护动作、故障电路重构等工作[37-38]。要实现直流电网的全固态运行，需要研发全固态数字化大功率双向直流开关，其主要功能有：
1）继电。全固态数字化大功率双向直流开关以大功率半导体器件为基础，无机械触点，利用电压型功率器件，实现对大电流负载的接通、关断，而且能实现双向电流的通断。
2）电流监测及短路保护。当负荷电流异常超出预设范围时，将启动防护措施，以防过流和短路情况损坏设备和其自身。
3）电压监测及欠压、过压、超压保护。对负荷电压异常超过设定值时，启动保护，避免过压、欠压损坏设备和其本身。
4）故障保护。控制器内置智能逻辑单元，负责对负载的工作状态以及自身运行情况进行持续、精确的监测，基于实时监测的数据，它能够迅速做出判断，并在检测到故障状态时及时执行关断操作或禁止接通，从而确保整个系统的安全稳定运行。
5）工作状态监控与响应。控制器持续监控负载及其自身状态，实时评估并进行决策，将获取的实时信息即时汇报给上级管理系统，以便上级系统进行集中管理与调控，实现完整的闭环控制流程。
6）总线通信。负责进行高速的数据传输，实现了系统的分布式控制，电气系统中起到了桥梁和纽带的作用。
2.2 关键技术研究
2.2.1 电流检测技术
电流检测在固态功率控制器中扮演着至关重要的角色，它不仅是固态功率控制器实现其核心功能的关键环节，还是保障整个电气系统安全稳定运行的重要基石。通过精确、快速地检测负载电流的大小和变化，固态功率控制器能够实时掌握电气系统的运行状态，从而做出准确的控制决策，确保电气系统在各种工作场景下都能稳定、高效地运行，因此，电流检测在固态功率控制器中的地位不可忽视，它是实现电气系统智能化、高效化、安全化运行的重要保障。为了实现这一功能，直流固态功率控制器采用了多种电流检测方法。
其中，电阻采样是一种常见的检测方式。利用欧姆定律，在负载回路中串联电阻，形成电压。此外，电阻采样方法具有高可靠性。但是电阻采样方式也存在一定的局限性，当将这种方法应用于固态功率控制器中进行电流检测时，需要额外添加隔离电路。
另一种电流检测方法是基于霍尔效应[39-41]。当导体中有电流流过时，由于洛伦兹力的作用，会在材料中产生一种电场，这种现象被称为霍尔效应。霍尔电流检测利用霍尔元件进行电流的检测和测量。具体来说，当电流通过霍尔元件时，半导体中的电荷分布发生改变，从而产生了霍尔电压。这个霍尔电压与电流的大小成正比，因此可以通过测量霍尔电压来推导出电流的大小。霍尔效应电流检测具有隔离功能，无需额外添加隔离电路。
综上所述，电阻采样和霍尔效应两种电流检测方法各有其优缺点。为了确保固态功率控制器能够准确、可靠地实现电流检测功能，需按照实际需求选择相应的方法。两者的特点比较如表1所示。
第3章 全固态双向直流开关电仿真建模与分析 ................. 21
3.1 SiC MOSFET 建模 ............................ 21
3.1.1 特性曲线拟合 ............................. 21
3.1.2 体二极管建模 ................................ 21
第4章 全固态双向直流开关设计 ........................ 35
4.1 电路设计 ................................. 35
4.1.1 电流检测电路 ............................. 35
4.1.2 电压检测电路 ................... 36
第5章 环网保护算法研究 ...................... 45
5.1 环网配电系统 ......................... 45
5.2 保护方案 ........................ 46
第5章 环网保护算法研究
5.1 环网配电系统
图30展示了某型飞机的环形配电系统，其中主电源由8台发电机（F1-F8）构成，辅助电源则来自辅助发电机APU。socker1、2可直接连接地面电源。环形配电系统的主电源通过分组并联的方式接入环网，环网进一步被环网开关1、2、3、4划分为四个子配电系统：前舱、右舱、左舱和后舱配电系统[14 43 44]。这种连接方式有助于增强配电系统的环网重构能力，对于提升飞机的整体可靠性具有重大意义。
环形配电系统实现环网重构的关键在于采用多种继电保护装置。这些保护装置主要分为两类：一类是负责环网重构和隔离的保护装置1，另一类是专门保护发电机输出线路的保护装置2。环网汇流条可能遭遇的故障包括开路和短路。一旦发生短路故障，保护装置1能够迅速感知电压电流这些参数的动态变化，动作隔离故障，从而保护整个环网系统的稳定。例如，当汇流条13发生短路故障时，两端的保护装置t和s会立即启动跳闸，将故障区域隔离。相比之下，开路故障对环网中的用电设备影响较小，但会直接影响处于开路状态的负载。
结论
随着时代的发展，现代飞机的电气系统越来越复杂，在如今的电气系统里集成了大量的电气控制元件、大功率发电机以及复杂的输配电线网，当输配电线网出现故障时，例如短路故障，产生的大电流会损坏设备，导致事故发生，所以必须采取快速有效的措施，提升飞机配电系统的安全可靠性。主要对全固态大功率双向直流开关原理和关键技术展开了研究，然后搭建了行为模型进行仿真，在此基础上设计了样机，最后建立直流配电环网的保护算法，主要工作如下：
第一，基于Saber软件实现了全固态双向直流开关的关键参数及工作特性的仿真分析。采用Saber Power MOSFET tool曲线拟合工具，搭建SiC MOSFET元件模型，并在此基础上搭建双向直流开关的行为模型，然后对于模型进行了优化改进，并基于改进的模型基础上进行了开关带载特性分析，提出了在开关负载端反向并联
