航空技术标准的国际化提升--ISO﹢123842010关键技术要求剖析.pdf

7Apr.2013 工作研究 近年来，随着我国经济和技术的快速发展，航 空技术在很多领域已逐步摆脱仿制模式，走向创新 发展之路。主持编制国际标准，实现国际突破，成 为展示我国航空工业技术实力、增强我国在国际航 空标准化领域话语权的迫切需求。 飞机供电特性标准是飞机供电系统与用电设备 的协调标准，在飞机电气系统研制中发挥着举足轻 重的作用。ISO 1540：2006飞机电气系统特性 是由ISO/TC20/SC1归口管理的标准，由于供电特 性测试要求、方法及设备的差异，使得各国在应用 ISO 1540：2006的过程中一直存在争议。为促进国 际合作和交流，迫切需要编制测试标准，以统一供 电特性测试要求和方法，规范测试设备研制和应 用。 GJB 181A-2003飞机供电特性颁布后， 其测试标准GJB 5189-2003飞机供电特性参数测 试方法和GJB 5558-2006飞机供电特性测试要 求相继颁布实施，对规范飞机供电特性参数的测 试起到了重要的指导作用，符合这两份标准的测试 系统在中航工业一飞院、601所、602所、611所、 182厂、185厂等单位得到广泛的应用，取得很好的 效果，同时也在新支线飞机ARJ21电气系统研制过 程发挥了重大作用。 飞机供电特性测试系统在型号上的成功应用， 以及我国航空电气技术人员对飞机供电特性测试积 累的丰富经验，使得我们完全具备了将我国的航空 技术标准提升为国际标准的技术贮备。基于此， 2007年6月，中航工业综合技术研究所组建专家团 队，着手制定以GJB 5558-2006为基础编制国际标 准的项目提案，并于2007年9月在ISO/TC20/SC1年 会上正式提出。 ISO 12384：2010的编制历经工作组草案 （WD）、委员会草案（CD）、国际标准草案 （DIS）等阶段，历时3年。期间，我们对比分析了 GJB 181A-2003与ISO 1540：2006的技术差异，解 决了GJB 5558-2006向ISO 12384：2010转化中关于 测试允许误差、测试设备硬件要求、各特性参数数 据处理方法的确定等技术关键问题，与各国专家进 行了充分沟通并达成共识。2010年7月ISO 12384以 全票赞成（无修改意见）通过DIS投票，并跨过最 终国际标准草案（FDIS）阶段，于2010年11月正式 发布。 ISO 12384：2010编制是将我国自主研制的航 空技术标准进行国际化提升、达到国际认可的过 程。ISO 12384：2010树立了我国航空标准化工作 新的里程碑，也为我国更多的航空技术标准迈向国 际舞台提供了良好的借鉴。 1 国内外技术和标准现状 一直以来，飞机电气系统供电特性参数测试主 要采用电工仪器仪表进行。随着飞机供电特性要求 的提高，通用的电工仪器仪表已不能满足飞机供电 特性测试准确度的要求。另一方面，随着大量机载 设备的装机使用，系统变得越来越复杂，在飞机电 气系统试验中需要对电能特性监测或检测的点越来 越多，在ARJ21地面电气系统联试中测试点多达到 航空技术标准的国际化提升 ISO 12384：2010关键技术要求剖析 王宏霞1 刘红娟2 ( 1.中航工业综合技术研究所，北京 100028；2.中国航空工业集团公司，北京 100022) 摘要 阐明了由GJB 5189-2003和GJB 5558-2006向ISO 12384：2010转化过程中的技术考虑，运用对比 分析、理论计算等方法分析了飞机供电特性数字式测试要求中允许误差、采样频率、采样时间等测试要求 以及直流分量等重要参数的测试方法，为ISO 12384：2010的应用提供指导。同时对标准编制过程中存在的 技术争议和焦点以及相应的解决过程进行了论述，为我国更多的航空技术标准迈向国际舞台提供借鉴。 关键词 航空；标准；国际化 中图分类号 T65 文献标识码 C 文章编号 10036660（2013）02000705 收修订稿日期 2012-12-27 工作研究 8Apr.2013 航空标准化与质量 2013年第2期 200多个，而在波音B787电气系统试验中则达到500多 个。面对越来越复杂的电气系统，分立式电工仪表势 必无法满足系统测试的需要，这也使得飞机供电特性 测试逐步向集成化的数字式测试系统方向发展。 飞机电气系统试验的目的主要是确保飞机供电 系统和机载用电设备的兼容性。波音B787电气系统 试验系统具有模拟机上电源、用电负载、特性测试 的综合能力，也是目前国际上最先进的飞机电气试 验系统，其中的测试系统由美国福禄克公司研制， 能够按波音公司供电特性标准ABD0100的要求检 测开关瞬态、正常电压和频率的变化、非正常电压 和频率的变化、应急电压和频率的变化、畸变、脉 动、单个谐波含量、电压不平衡、电压尖峰、交流 电压的直流分量、功率因数、电流等特性参数。 我国自上世纪80年代GJB 181-1986颁布后开始 了飞机供电特性数字式测试设备的研制。随着技术 的发展，数字式测试设备的功能越来越完善，在飞 机电气系统试验中发挥了越来越重要的作用。典型 飞机供电特性测试系统采用虚拟仪器技术和高级信 号处理技术，通过数据采集硬件平台，结合数据处 理软件，实现对GJB181A-2003规定的供电特性参 数的测试。此外，系统还具有自动控制加、卸负载 的功能。 没有统一的测试方法标准，飞机供电特性的各 项指标难以正确衡量，供电系统与机载用电设备的 各研制方难以协调一致，设计、研制、生产、使用 和维护各方的要求也难以统一。但在对国外飞机电 气系统试验技术的跟踪研究中，没有收集到有关供 电特性测试的标准。我国结合数字式测试设备的研 制和在型号上的应用效果，在无国外参考标准和相 关资料的情况下自主编制了GJB 5189-2003和GJB 5558-2006，规定了针对GJB 181A-2003特性参数的 数字式测试设备的要求和参数测试方法，推动了飞 机电气系统测试技术的发展，对飞机电气系统的试 验研究和电气产品的鉴定起到了指导作用。 2 测试要求分析 ISO 12384：2010的编制基于GJB 5558-2006的 编制经验和应用效果，技术要求按照ISO 1540： 2006的规定进行了适应性调整。编制过程中充分考 虑了国外各航空公司和航空电源公司的供电特性测 试水平、现状以及对数字式测试的接纳程度，与各 国专家深入探讨了飞机供电特性要求对测试设备提 出的新需求。 为保证数据准确度，数字式测试标准应对影 响测试准确度的要素进行规定，主要包括测试设备 的采样频率、A/D变换器数位、采样方式等硬件要 求，同时也应规定数据计算和数据分析的方法。 2.1 测试允许误差 允许误差是测试结果准确度的重要指标，在 ISO 12384：2010允许误差的确定过程中，一方面 要保证ISO 1540：2006各参数测试结果准确、有 效，另一方面要考虑目前测试技术和器件发展水 平，确定切实可行的指标要求，避免因提出不必要 的过高要求致使测试设备研制难度加大和成本过 高。 参考GJB 5558-2006的准确度要求，从ISO 1540：2006所规定各参数的数值范围、测试技术 水平和测试设备研制等各方面进行综合分析，ISO 12384：2010给出各参数测试允许的绝对误差要求 见表1，与GJB 5558-2006基本一致。 参数 稳态瞬态 交流直流交流直流 电压0.5%0.5%1.0%1.0% 直流分量10%10% 电流1%0.8%2%2% 频率0.1%0.2% 相位0.2 频谱电压幅值5%5% 2.2 采样频率 采样频率越高测试结果越接近真值，但仅靠提 高采样频率来提高测试结果的准确度，其意义是有 限的。采样频率过高，会大大增加测试设备的复杂 性与造价，而且采样频率达到一定值后再进一步提 高对减小误差的效果不显著。 2.2.1 稳态电压参数的采样频率 ISO 12384：2010规定稳态交流电压、稳态直 流电压的采样频率不低于72kHz。我们以对正弦交 流电压的测试为例进行误差分析，予以说明采样频 率的确定过程。 在ISO 1540：2006中，交流电压定义为相线与 中线之间电压的方均根值，对电压波形进行数字采 样并按式（1）计算单个周波的交流电压为： = = = m i i m i i u m tu tm U 1 2 1 2 11 （1） 表1 测试允许误差 9Apr.2013 工作研究 式中： U 周波电压方均根值，单位为伏（V）； m 每一周波总采样次数(mtt)； t 采样周期； i 采样序列（i=1，2，3，m）； ui 采样点的电压瞬时值，单位为伏 （V）。 通过电工理论和误差分析，可以得出： 2 22 2 2 3 2 23 2)( )( m a m a U UE UREL= （2） 利用式（2）可以计算出由式（1）算出的交流 电压半波均方根值的近似相对误差。式（2）是幂 为-2的幂函数，随着m的增大REL（U）逐渐趋近于 0，但随着m的增大衰减变缓慢。 对于正弦交流电压周波的测试，每周波采样点数 m不同时，由式（2）计算出的相对误差如表2所示。 变。由于瞬变波形畸变可能较大，为准确测出其 瞬变电压，需规定更高的采样频率。权衡各方面 意见和对电压尖峰的测试要求后将瞬态采样频率 降低至100 kHz。 2.3 采样时间 在测试方法中对不同的测试参数具体规定不同 的采样时间是必要的。因为采样时间往往对测量结 果有较大影响。下列示例证明了当电压波形存在电 压调制时，采样时间对稳态电压测试结果的影响。 给定 U=(115 2+5sin(2p1t)sin(2p400t)， 即在400 Hz的电压信号叠加了一个1 Hz的幅度调制 信号，测量前100个周波，得到稳态电压方均根值 为117.28 V，测量1s的数据得到电压方均根值则为 115.027 V。由此可看出，调制对电压的方均根值有 较大影响，采用不同的采样时间会得到不同的结果。 GJB 181A-2003中将稳态交流电压明确规定 为：不超过1s时间间隔内均方根值电压的时间平均 值，也明确了测试采样时间“不超过1s”，由此与 稳态交流电压相关的参数：电压不平衡、电压调制 幅度等的测试时间均应以“不超过1s”为参照。 ISO 1540：2006定义中未规定稳态交流电压 的测试时间。在ISO 12384：2010中我们参考GJB 5558-2006的规定，采样时间“不超过1s”，即取 小于并最接近1s期间整数个电压周波所对应的时间 （TW）。 根据ISO 1540：2006的定义和要求，以及GJB 5558-2006的编制经验，ISO 12384：2010确定各参 数的采样时间要求如下： 交直流正常瞬变：大于0.25 s； 稳态交流电压、电压调制幅度、交流畸变频 谱、直流分量、稳态频率、功率因数采样时间：小 于1 s（TW）； 稳态直流电压、总谐波含量、波峰系数、直流 电压脉动：大于1 s； 交直流非正常瞬变、直流分量瞬态、频率瞬 变：大于10 s； 频率调制：1 min内。 3 参数测试方法的确定 ISO 12384：2010除对各参数测试的允许误 差、采样频率、采样时间等进行规定外，还按照 ISO 1540：2006的定义，规定了每一参数的数据处 表2 计算结果 由此可见，取m=180（即采样频率为72 kHz） 时，单个周波交流电压的相对误差为0.02%，已较 小。稳态交流电压是通过测试1s内整数个周波交流 电压的方均根值得出，72 kHz采样频率引起的相对 误差仅占稳态交流电压允许误差0.5%的4%，所占 比例很小，可满足测试准确度的要求。基于稳态交 流电压测试采样频率的确定，与交流电压相关的 稳态特性参数，如电压调制、波峰系数、直流分量 等，测试的采样频率均采用了72 kHz。 2.2.2 稳态电流的采样频率 稳态交、直流电流在ISO 1540：2006中是参考 量，不是考核指标，因此，在ISO 12384：2010中 规定的测试准确度较低一些，采用的采样频率为 20 kHz，与GJB 5558-2006一致。但对瞬变电流的测 试及分析电流畸变的测试，采样频率相应提高。 2.2.3 瞬态特性参数的采样频率 ISO 1540：2006规定的瞬态特性包括电压瞬变 包络线、电压尖峰和非正常工作时的直流分量瞬 工作研究 每周波 采样点数 80100120140160 计算出的 相对误差 0.1003% 0.0685% 0.0457% 0.0336% 0.0257% 每周波 采样点数 180200220240260 计算出的 相对误差 0.0203% 0.0164% 0.0136% 0.0114% 0.0097% 10Apr.2013 航空标准化与质量 2013年第2期 理公式和方法，包括： 一是恒频交流系统： 稳态特性参数：相电压、电压不平衡、电压调 制、电压相位差、畸变系数、总谐波含量、畸变频 谱、波峰系数、直流分量、稳态频率、频率调制； 瞬态特性参数：电压瞬变、直流分量瞬变、频 率瞬变。 二是变频交流系统： 三是直流系统： 稳态特性参数：稳态电压、畸变系数、畸变频 谱、脉动幅度； 瞬态特性参数：直流电压瞬变。 四是电流参数： 五是转换工作特性： 六是电压尖峰： 七是功率因数： 下面对主要参数的测试方法进行说明。 3.1 电压调制幅度 电压调制是由发动机转速变化、调压器工作特 性和负载工作特性而引起的。其对电压的影响已由 稳态电压范围所限定，具体要求由畸变频谱给出。 为了限制电压调制可能给稳态电压范围带来意外的 影响，ISO 1540：2006规定“电压调制幅度是系统 稳态工作期间发生在一秒钟时间内最大的电压峰值 与最小的电压峰值之差”，这与GJB 181A-2003中 规定的“在稳态工作期间任1 s内出现的交流电压 最大值与最小值之差”不同，ISO 1540：2006中的 电压峰值指的是瞬时值，而GJB 181A-2003中的交 流电压则是方均根值。因此，在ISO 12384：2010 中提出与GJB 5558-2006不同的测试方法：计算每 相每个周波正向电压峰值，找出其中的最大和最小 值。 3.2 电压相位差 对于相位差，按照GJB 181A-2003的定义：电 压相位差是指任意两相电压基波从负到正方向过零 点相邻交点之间的电角度之差。ISO 1540：2006的 定义为：在稳态条件下，三相交流系统中三相电压 波形的任意两相波形过零点之间的最大相角差。 虽然ISO 1540：2006中没有明确是基波，但在 ISO 12384：2010中明确测试是的基波电压的相位 差。这是因为决定波形相位的主要是基波，当交流 电压波形由变速恒频的电子设备产生或受到大功率 非线性负载影响时，过零点处普遍存在反复振荡与 毛刺，如果直接用交流电压来计算电压相位差，会 产生较大的误差，而采用基波来求取会减小误差。 3.3 直流分量 I S O 1 5 4 0：2 0 0 6 对 直 流 分 量 的 规 定 与 GJB181A-2003一致，最大值为0.1 V，在测试时应 对被测信号进行合适的调理并选取合适的采样时 间，消除由于信号调理等引起的测试误差，保证直 流分量的测试误差小于0.01 V。 在GJB 181A-2003中对直流分量瞬态没有要 求，在ISO 1540：2006中则提出直流分量瞬态极限 （最大极限为10 ms、20V）。为精确测试出直流分 量瞬态的变化，在测试中提高了测试采样频率并延 长了测试时间到10 s。 4 争议焦点及其解决 ISO 12384：2010是我国航空工业主持编制国 际标准的首次尝试，项目一经提出，即引起美国、 俄罗斯、德国等专家的兴趣，在标准编制过程中就 标准的定位、定义、技术要求等与国外专家进行了 广泛的探讨，并最终得到了认可和接受。争议的焦 点主要集中在以下问题。 4.1 标准定位 最早我们提出标准的草案的名称为：Testing requirement for characteristics of aircraft electric power system，这引起了一些专家的误解。一方面，test容 易被理解为飞机电气系统试验。另一方面，由于数 字式测试在国外飞机电气系统试验中的应用还比较 有限，很多专家认为参数测试按ISO 1540：2006去 测就可以，不需要制定标准。 在2007年项目提出后，我们就标准的定位进 行了研讨。一方面，详细说明了我国标准的技术内 涵，明确不是针对整个飞机电气系统试验要求的 标准，而是对飞机供电特性参数进行数字式测试的 设备要求，以替代传统的电工仪器仪表实施对电 压、电流、频率、畸变的特性参数的检测，保证 测试结果的准确度和可信度。在标准范围界定清 楚后，将标准名称更改为：Requirements for digital equipment for measurements of aircraft electrical power characteristics。另一方面，也对ISO 12384： 2010与ISO 1540：2006的关系进行了清晰的界定， 说明了ISO 12384：2010规定的测试方法和要求符 11Apr.2013 工作研究 合ISO 1540：2006的定义，是ISO 1540：2006的配 套标准，同时也说明了数字式测试方法和要求必须 统一的必要性，以及数字式测试系统在我国航空电 气领域尤其是在ARJ21上的应用情况，引发了各国 专家的广泛关注和兴趣。各国专家就标准的定位达 成了共识，为标准编制的顺利开展奠定了基础。 4.2 测试允许误差 测试允许误差是ISO 12384：2010确定的关键 性要求，按照我国航空行业标准编写惯例，在测试 要求和测试标准中应规定测试结果的允许误差，以 便为测试设备的研制、使用和校验提供指导。 对测试允许误差，个别专家提出没必要规定， 测试设备研制方会提供仪表精度。作为专用的测试 设备，若不规定误差范围，则无法判定测试设备能 否满足ISO 1540：2006特性测试的要求，无法对测 试设备的精度进行校验。我们通过解释取得了国外 专家的理解，在标准中提出了允许误差的要求，但 从另一角度也说明了我们在测试设备的设计理念、 设计惯例上与国外同行存在差异，很多时候这种差 异限制了我们迈向国际舞台的步伐。 4.3 直流分量允许误差 ISO 1540：2006规定交流波形中的直流分量不 大于0.1 V，与GJB 181A-2003的规定一致。因此， 我们按照GJB 5558-2006的规定，在ISO 12384： 2010中规定直流分量允许误差为10%，即0.01V。 国外专家认为直流分量对于用电设备的影响很大， 该项误差要求太低，应提高测试准确度。 直流分量一直是供电特性测试的难点，要在 115V系统中检测出0.1V的直流分量，还要保证高的 准确度是非常困难的。我国研制的测试设备是通过 采取对被测信号进行合适的调理等措施来保证10% 的准确度。若再提高准确度，必然带来成本和研制 难度的增加。 在ISO/TC20/SC1中没有测试专业的专家，对 其本国的直流分量的测试准确度和实现方法并不十 分清楚，在进行详细的技术说明和研讨后，同时他 们也征求各自国家相关专家的意见，达成了一致意 见，保留了直流分量10%的允许误差要求。从而避 免了提高直流分量测试精度，给我国测试系统研 制、使用带来困扰，尤其在民机领域，ARJ21飞机 和大型客机电气系统试验中均采用这一数字