一种飞机顶层能量综合管理方法

技术领域

本发明属于飞机能量管理技术领域，特别涉及一种飞机顶层能量综合管理方法。

背景技术

为了更好的在全飞行任务周期中高效利用能量，迫切需要从全机顶层角度进行能量管理，建立能量综合管理决策机制。传统的能量管理方法，仅从能量生成端进行能量平均分配控制，保证系统在典型苛刻工况下满足系统最严苛的能量供给需求，且在不同飞行故障情景下依赖飞行员的判断进行干预管理。目前的能量管理方法较为简单，无法根据飞机执行的飞行任务及负载设备的工作特性，在保证安全飞行的前提下，进行基于能量利用效率最优的能量管理，也无法从全机级层面按照实际能量需求统筹资源进行能量管理，仅局限于能量生成端进行分配调度，形成的能量管理方系统存在效率低下、人力成本较高、资源浪费等问题，也无法实现全自动化自主决策，飞行任务执行能力降低。

发明内容

本发明提供一种飞机顶层能量综合管理方法，根据典型飞行剖面和机上各负载设备的工作特性，基于重要度和使用模式设计先级阶段对照功率需求表，并依据供电网络架构建立全机级能量管理预测模型，在实际飞行过程中实时采集飞行状态数据并进行识别解算，决策选取基于飞行安全、基于系统状态、基于飞行任务和基于能效最优的四种管理策略模式其中之一进行从能源生成端经能量传输网络至负载设备端的全链条综合调度管理。

在正常飞行过程中，全机能源供给能力足够，决策系统以能量利用效率最优为目标，采取基于能效最优的管理策略，针对能源生成设备及储能系统各设备进行基于飞行剖面的动态协同分配控制，针对负载设备开展基于能耗预测的自适应能量优化控制，从而实现能源从生成到使用的全系统能量使用效率最大化。

在识别到系统可能出现故障时，根据故障出现部位和严峻程度进行决策。若故障为影响飞行安全的严重故障时，系统进入应急状态，以保证飞行安全为首要目标，采取基于飞行安全的管理策略，通过更改配电路径切换应急供能来源，并卸载所有非关键的负载设备，飞行任务自动设定为应急返航任务。

针对能源生成系统存在非影响飞行安全的故障时，若需继续执行飞行任务，可根据能源短缺情况，采用基于飞行任务的管理策略，以完成飞行任务为首要目标，优先保证飞行任务所需负载设备的能源需求，短时内对其他可降级负载以及非关键负载进行大规模降级和有序卸载控制，最大程度保留任务能力。

当能源生成系统存在非影响飞行安全的故障且无需继续执行飞行任务时，采用基于系统状态的管理策略，以保证全机最多负载设备可继续工作运行为目标，针对高功率可降级管理负载开展基于优先级的模态降级控制和错峰使用管理，并在能源持续短缺时，针对可关断的非关键负载进行基于优先级的有序卸载管理，尽可能保留机上多数负载设备的工作能力。

通过综合管理决策调度上述四种管理模式，实现各飞行任务或状态下的全自动化自主管理，解决传统管理方法能量利用效率较低、无法在全机级层面根据飞行任务需求进行能量生成、存储、传输、使用的全链条能量综合调度管理的问题。

本发明的技术方案：

S1：获取飞机典型飞行任务场景，按照飞行任务类型，确认各负载设备的使用时段；

S2：确定能源生成系统各能源设备模式，计算各能源设备的源端产生能源的能力；

S3：按照各负载设备能力的失效对飞行安全影响的程度，以及针对急需进行飞行任务的紧急情况下，分别对可完全切断使用组负载及不间断可降级使用组负载这两种情况下的使用优先级进行由小到大的排序，数值越小代表优先级越高；

S4：按照各负载使用优先级个数，参照典型飞行任务场景计算各飞行阶段四种能量管理策略下，全机负载的总功率需求分别是多少；按照全机负载的总功率需求量排序，数值越大代表功率需求量越高，设计四套优先级阶段对照功率需求表；

S5：确认能源生成系统正常飞行状态下各任务阶段各能源生成设备出力模式，储能系统使用模式；

S6：根据能源系统网络拓扑和负载设备能源需求实际情况，建立能源系统预测模型；

S7：载入典型飞行任务场景，对能源系统预测模型进行初始化设置，典型剖面中，各飞行阶段下各负载设备的功率需求作为初始参考功率，作为正常飞行模式下的功率需求指令传递给负载端；

S8：实时采集飞行状态数据，将采集到的系统状态信息上传至综合信息解算单元；

S9：综合信息解算单元解算实时飞行状态信息，并将解算后的信息传递给顶层能量综合管理的决策状态机；

S10：决策状态机根据综合信息解算单元实时解算的飞机运行状态信息，决策采取四种能量管理策略中的哪种策略；

S11：首先决策状态机判断是否存在应急故障；

S12：若判定为应急故障，则直接选用基于飞行安全的管理策略模式，决策状态机输出4；

S13：当决策状态机输出为4时，切断发电机接触器GCB，切换汇流条布局，由应急能源供电；

S14：读取基于飞行安全策略下的先级阶段对照功率需求表，切换应急负载的管理优先级；

S15：可完全切断使用组负载自动全部卸载；

S16：应急能源功率供给能量按照负载功率需求进行跟随控制，完成控制后返航；

S17：若判定不是应急故障，则从网端开始排查故障是否出自配电网络；

S18：若故障出自配电网络，切换汇流条布局；

S19：若故障不是出自配电网络，进一步排查是否为负载设备故障；

S20：若为负载设备故障，即卸载对应负载；

S21：若不是负载设备故障，再排查是否为能源生成端故障；

S22：若故障出自源端，首先根据所处飞行阶段判定是否还需执行飞行任务；

S23：若需要执行飞行任务，则选用基于飞行任务的管理策略模式，决策状态机输出2；

S24：当决策状态机输出为2时，读取S4中基于飞行任务的先级阶段对照功率需求表；

S25：完成读取后针对不间断可降级使用组负载，按照S3中对该组负载的优先级顺序设置，进行基于优先级的负载模态切换控制；

S26：完成控制后判断发电机是否过载，若无过载情况即按照最新的负载功率总需求对发电机功率输出进行功率跟随控制，完成控制后继续执行飞行任务；

S27：若判定发电机依旧过载，则选择新的负载管理优先级；

S28：根据新的负载管理优先级，首先对不间断可降级使用组进行模态切换控制，之后若发电机依旧过载，再进行可完全切断使用组负载的有序卸载控制；

S29：完成有序卸载控制后，按照最新的负载功率总需求对发电机功率输出进行功率跟随控制，完成控制后继续执行飞行任务；

S30：若无需执行飞行任务，则选用基于系统状态的管理策略模式，决策状态机输出3；

S31：当决策状态机输出为3时，读取基于系统状态的先级阶段对照功率需求表；

S32：重复执行S25-S31步骤，完成控制后返航；

S33：若判定源端无故障，则直接选用基于能效最优的管理策略模式，决策状态机输出1；

S34：当决策状态机输出为1时，能源生成端各发电机及储能系统采取并网协同工作模式，以发电机效率最优为目标，实时进行功率优化分配。储能系统SOC在并网协同工作模式下需维持在一定范围内，储能系统充放电速率随需求量进行调节，但调节范围也在一定范围内；能源消耗端采取自适应能量优化控制策略，根据飞行任务需求预测负载最优工作模态并进行匹配控制；

S35：多源并网协同控制策略，具体执行逻辑为先判断总能源需求是否大于发电机组额定功率；

S36：若总能源需求大于发电机组额定功率，判断储能系统SOC是否大于低电量阈值；

S37：若低于低电量阈值，发电机组短时过载模式运行，并按照运行效率最优计算预测结果确认双发电机功率分配比例；

S38：若储能系统SOC高于低电量阈值，则进一步判断储能系统放电功率需求是否大于最高放电功率阈值，若低于则发电机组额定运行，储能系统按照实际需求功率放电，若高于则储能系统以最高放电功率阈值放电，发电机组短时过载模式运行，并按照运行效率最优计算预测结果确认双发电机功率分配比例；

S39：若总能源需求小于发电机组额定功率，判断储能系统SOC是否为1，若不为1，储能系统由发电机组充电，若等于1，发电机组则独自运行，并按照运行效率最优计算预测结果确认双发电机功率分配比例。

所述步骤S1中，所述的典型飞行任务场景包括起飞、爬升、巡航、作战、返航、下滑、着陆。

所述步骤S1中，所述的飞行任务类型包括探测、打击、巡逻。

所述步骤S2中，各能源设备模式具体为：能源设备包含发电机、蓄电池。其中发电机工作模式包含额定工作、长时过载工作、短时过载工作模式；蓄电池包含额定放电模式、额定充电模式、最大放电模式、快速充电模式。

所述步骤S3中，所述的可完全切断使用组负载指飞行过程中，可以中断供电的设备，不影响飞行安全。

所述步骤S3中，所述的不间断可降级使用组负载指飞行过程中，不可以中断供电，只能对输出功率进行调节的设备。

所述步骤S4中，所述的各飞行阶段四种能量管理策略是指基于飞行安全、基于系统状态、基于飞行任务、基于能效最优的管理策略模式。

所述步骤S6中，建立能源系统预测模型具体过程如下：根据能源系统网络拓扑的网络连接关系，构建从能源生成设备到负载的全链条各节点的功率流平衡关系式，并根据S5中的模式进行系统电量剩余情况计算，形成系统预测模型，进行系统状态及功率预测。

本发明的有益效果：本发明中的一种飞机顶层能量综合管理方法，是从全机的角度，面向飞行任务实际需求，按照重要度和飞机状态形成以基于飞行安全、基于系统状态、基于飞行任务和基于能效最优的四种管理策略模式，从飞机顶层建立能量生成、存储、传输、使用的全链条能量综合调度管理机制，实现全机能量的实时自主动态管理。该方法填补了飞机顶层能量综合管理方法缺失的空白，通过该方法能够在全飞行任务周期中，在保证安全飞行的前提下，根据执行的飞行任务及负载设备的工作特性，进行基于能量利用效率最优的能量管理，无需依赖飞行员干预，从全机级层面按照实际能量需求统筹资源自主完成能量调度决策。解决传统管理方法存在的资源浪费、效率低下、人力成本高等问题，实现全自动化自主决策，增强飞行任务的执行能力。

附图说明

图1顶层能量综合管理方法流程示意图-分支1。

图2顶层能量综合管理方法流程示意图-分支2。

图3顶层能量综合管理方法流程示意图-分支3。

图4顶层能量综合管理方法流程示意图-分支4。

图5能源系统典型网络拓扑。

图6为本发明顶层能量综合管理方法流程示意图。

具体实施方式

S1：获取飞机典型飞行任务场景，按照飞行任务类型，确认各负载设备的使用时段；

所述的典型飞行任务场景包括起飞、爬升、巡航、作战、返航、下滑、着陆等；

所述的飞行任务类型包括探测、打击、巡逻等；

S2：确定能源生成系统各能源设备模式，计算各能源设备的源端产生能源的能力；

各能源设备模式具体为：

能源设备包含发电机、蓄电池等。其中发电机工作模式包含额定工作、长时过载工作、短时过载工作模式；蓄电池包含额定放电模式、额定充电模式、最大放电模式、快速充电模式等。

S3：按照各负载设备能力的失效对飞行安全影响的程度，以及针对急需进行飞行任务的紧急情况下，分别对可完全切断使用组负载及不间断可降级使用组负载这两种情况下的使用优先级进行由小到大的排序，数值越小代表优先级越高；

所述的可完全切断使用组负载指飞行过程中，可以中断供电的设备，不影响飞行安全，如航电类设备。该组负载优先级设置举例如下：如负载1优先级设置为1，负载2优先级设置为2，因此在判断卸载顺序时，先切断负载2供电，后切断负载1。

所述的不间断可降级使用组负载指飞行过程中，不可以中断供电，只能对输出功率进行调节的设备，如舵面作动器。该组优先级设置原则为针对单个负载的多个工作模式，以功率需求大小为顺序进行设置，如负载1有三种工作模式，则功率需求最大的优先级为3，以此类推。

S4：按照各负载使用优先级个数，参照典型飞行任务场景计算各飞行阶段四种能量管理策略下，全机负载的总功率需求分别是多少；按照全机负载的总功率需求量排序，数值越大代表功率需求量越高，设计四套优先级阶段对照功率需求表；

所述的各飞行阶段四种能量管理策略是指基于飞行安全、基于系统状态、基于飞行任务、基于能效最优的管理策略模式；

优先级阶段对照功率需求表形式举例如下：

S5：确认能源生成系统正常飞行状态下各任务阶段各能源生成设备出力模式，储能系统使用模式；

S6：根据能源系统网络拓扑和负载设备能源需求实际情况，建立能源系统预测模型；

所述的能源系统网络拓扑举例如图5所示：

建立能源系统预测模型具体过程如下：

根据图5能源系统网络拓扑的网络连接关系，构建从能源生成设备到负载的全链条各节点的功率流平衡关系式，并根据S5中的模式进行系统电量剩余情况计算，形成系统预测模型，进行系统状态及功率预测。

S7：载入典型飞行任务场景，对能源系统预测模型进行初始化设置，典型剖面中，各飞行阶段下各负载设备的功率需求作为初始参考功率，作为正常飞行模式下的功率需求指令传递给负载端；

S8：实时采集飞行状态数据，将采集到的系统状态信息上传至综合信息解算单元；

S9：综合信息解算单元解算实时飞行状态信息，并将解算后的信息传递给顶层能量综合管理的决策状态机；

S10：决策状态机根据综合信息解算单元实时解算的飞机运行状态信息，决策采取四种能量管理策略中的哪种策略；

S11：首先决策状态机判断是否存在应急故障；

S12：若判定为应急故障，则直接选用基于飞行安全的管理策略模式，决策状态机输出4；

S13：当决策状态机输出为4时，切断发电机接触器GCB，切换汇流条布局，由应急能源供电；

S14：读取基于飞行安全策略下的先级阶段对照功率需求表，切换应急负载的管理优先级；

S15：可完全切断使用组负载自动全部卸载；

S16：应急能源功率供给能量按照负载功率需求进行跟随控制，完成控制后返航；

S17：若判定不是应急故障，则从网端开始排查故障是否出自配电网络；

S18：若故障出自配电网络，切换汇流条布局；

S19：若故障不是出自配电网络，进一步排查是否为负载设备故障；

S20：若为负载设备故障，即卸载对应负载；

S21：若不是负载设备故障，再排查是否为能源生成端故障；

S22：若故障出自源端，首先根据所处飞行阶段判定是否还需执行飞行任务；

S23：若需要执行飞行任务，则选用基于飞行任务的管理策略模式，决策状态机输出2；

S24：当决策状态机输出为2时，读取S4中基于飞行任务的先级阶段对照功率需求表；

S25：完成读取后针对不间断可降级使用组负载，按照S3中对该组负载的优先级顺序设置，进行基于优先级的负载模态切换控制；

S26：完成控制后判断发电机是否过载，若无过载情况即按照最新的负载功率总需求对发电机功率输出进行功率跟随控制，完成控制后继续执行飞行任务；

S27：若判定发电机依旧过载，则选择新的负载管理优先级，以S4中举例的表格为例，若先前判定执行优先级阶段33，现在发现发电机依旧过载，则选择执行优先级阶段32；

S28：根据新的负载管理优先级，首先对不间断可降级使用组进行模态切换控制，之后若发电机依旧过载，再进行可完全切断使用组负载的有序卸载控制；

S29：完成有序卸载控制后，按照最新的负载功率总需求对发电机功率输出进行功率跟随控制，完成控制后继续执行飞行任务；

S30：若无需执行飞行任务，则选用基于系统状态的管理策略模式，决策状态机输出3；

S31：当决策状态机输出为3时，读取基于系统状态的先级阶段对照功率需求表；

S32：重复执行S25-S31步骤，完成控制后返航；

S33：若判定源端无故障，则直接选用基于能效最优的管理策略模式，决策状态机输出1；

S34：当决策状态机输出为1时，能源生成端各发电机及储能系统采取并网协同工作模式，以发电机效率最优为目标，实时进行功率优化分配。储能系统SOC在并网协同工作模式下需维持在一定范围内，储能系统充放电速率随需求量进行调节，但调节范围也在一定范围内；能源消耗端采取自适应能量优化控制策略，根据飞行任务需求预测负载最优工作模态并进行匹配控制；

S35：多源并网协同控制策略，具体执行逻辑为先判断总能源需求是否大于发电机组额定功率；

S36：若总能源需求大于发电机组额定功率，判断储能系统SOC是否大于低电量阈值；

S37：若低于低电量阈值，发电机组短时过载模式运行，并按照运行效率最优计算预测结果确认双发电机功率分配比例；

S38：若储能系统SOC高于低电量阈值，则进一步判断储能系统放电功率需求是否大于最高放电功率阈值，若低于则发电机组额定运行，储能系统按照实际需求功率放电，若高于则储能系统以最高放电功率阈值放电，发电机组短时过载模式运行，并按照运行效率最优计算预测结果确认双发电机功率分配比例；

S39：若总能源需求小于发电机组额定功率，判断储能系统SOC是否为1，若不为1，储能系统由发电机组充电，若等于1，发电机组则独自运行，并按照运行效率最优计算预测结果确认双发电机功率分配比例。