適用于海底觀測網(wǎng)絡(luò)的恒流遠(yuǎn)供系統(tǒng)可靠性分析方法*

王希晨，周學(xué)軍，周媛媛，張曉，蘇彬彬(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢430033)

適用于海底觀測網(wǎng)絡(luò)的恒流遠(yuǎn)供系統(tǒng)可靠性分析方法*

王希晨，周學(xué)軍，周媛媛，張曉，蘇彬彬
(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢430033)

以水下單元的短路/開路故障模式為基礎(chǔ)，提出一種分析纜系海底觀測網(wǎng)絡(luò)恒流遠(yuǎn)供系統(tǒng)可靠性的方法。根據(jù)系統(tǒng)供電和結(jié)構(gòu)特性，將系統(tǒng)分成不同的供電鏈路和鏈路段。詳細(xì)研究處于不同位置的各種水下單元發(fā)生故障時，對鏈路和觀測設(shè)備的供電狀態(tài)的影響。歸納導(dǎo)致系統(tǒng)和各鏈路無法正常導(dǎo)通、觀測設(shè)備無法得到供電的狀態(tài)情況，分析不同故障狀態(tài)發(fā)生的概率，進(jìn)而得出求解系統(tǒng)、供電鏈路與供電設(shè)備的供電可靠度的方法。通過算例分析，進(jìn)一步梳理了3種供電可靠性的共性規(guī)律，說明在設(shè)計(jì)和建設(shè)恒流遠(yuǎn)供系統(tǒng)時，應(yīng)綜合考量這3種供電可靠性。

恒流；遠(yuǎn)程供電；短路故障；開路故障；可靠性

纜系海底觀測網(wǎng)絡(luò)是我國發(fā)展海洋技術(shù)的重要切入點(diǎn)和熱點(diǎn)［1］。該網(wǎng)絡(luò)有源設(shè)備種類繁多，連接關(guān)系復(fù)雜，現(xiàn)有技術(shù)條件和海底自然條件決定了網(wǎng)絡(luò)無法借鑒陸纜供電系統(tǒng)就地對設(shè)備供電，研究和設(shè)計(jì)適應(yīng)水下工作環(huán)境的新型遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)勢在必行［2-4］。文獻(xiàn)［5］設(shè)計(jì)了水下恒壓遠(yuǎn)供系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)與控制技術(shù)，提高了恒壓系統(tǒng)在水下環(huán)境的應(yīng)對故障的能力。文獻(xiàn)［6］研究了并聯(lián)系統(tǒng)在水下環(huán)境的高-中-低壓轉(zhuǎn)換技術(shù)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換模塊及解決了模塊啟動問題。恒壓遠(yuǎn)供系統(tǒng)目前在NEPTUNECanada網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用［7-8］。文獻(xiàn)［9］設(shè)計(jì)了水下恒流遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)，研究了恒流的多路分支技術(shù)，保持全網(wǎng)絡(luò)的恒流特性。文獻(xiàn)［10］研究了恒流系統(tǒng)在發(fā)生短路故障時的自調(diào)整能力。水下恒流遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)目前在DONET網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用［11-12］。文獻(xiàn)［12-15］介紹了國內(nèi)的相關(guān)研究成果。浙江大學(xué)及同濟(jì)大學(xué)等單位建設(shè)了恒壓單節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)系統(tǒng)，解決了高-中-低壓轉(zhuǎn)換技術(shù)，并已進(jìn)行海試。海軍工程大學(xué)建設(shè)了恒流雙節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)系統(tǒng)，解決了恒流系統(tǒng)的組網(wǎng)問題，并驗(yàn)證了試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)對故障的能力。觀測網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)供系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研發(fā)與儲備正趨于成熟和完善，但涉及系統(tǒng)供電可靠性的研究較少，遠(yuǎn)供系統(tǒng)是觀測網(wǎng)絡(luò)的能源基礎(chǔ)，直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的可用性與維護(hù)成本，因此，對遠(yuǎn)供系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行研究具有十分重要的意義。

本文以恒流遠(yuǎn)供系統(tǒng)水下單元的短路及開路故障模式為基礎(chǔ)，提出了一種分析恒流遠(yuǎn)供系統(tǒng)可靠性的可行性方法。

1 基礎(chǔ)模型

所涉及的恒流遠(yuǎn)供系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)由遠(yuǎn)供設(shè)備(Power Feeding Equipment，PFE)、海纜、主節(jié)點(diǎn)及次節(jié)點(diǎn)組成。其中PFE提供恒定電流，兩臺PFE共同承擔(dān)系統(tǒng)功率，通過功率冗余設(shè)計(jì)，單臺設(shè)備可承擔(dān)系統(tǒng)總功率；海纜的鎧裝銅管提供導(dǎo)電路徑；主節(jié)點(diǎn)內(nèi)置恒流/恒流轉(zhuǎn)換設(shè)備，主要完成恒流的多路分支，保持整個系統(tǒng)電流恒定。該設(shè)備采用變壓器耦合轉(zhuǎn)換方式，以主節(jié)點(diǎn)1為例，共有4路，a和b路分別為初級輸入和輸出，c和d路為副級輸入和輸出，其中d路接地或者進(jìn)一步延伸［15］。通過耦合，副級保持同初級電流相等。主節(jié)點(diǎn)1和2分別通過副級輸出，共同承擔(dān)下級鏈路的功率需求，可理解為兩個恒流源串聯(lián)。同理，主節(jié)點(diǎn)3和4可理解為兩個恒流源串聯(lián)。通過功率冗余設(shè)置，單個主節(jié)點(diǎn)可以承擔(dān)下級鏈路的輸出功率；次節(jié)點(diǎn)內(nèi)置恒流/恒壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，通過脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)，將恒定電流轉(zhuǎn)換為一定值的恒定電壓，再經(jīng)DC模塊轉(zhuǎn)換，為掛接在次節(jié)點(diǎn)上的觀測設(shè)備(包括內(nèi)部傳輸設(shè)備和光放大設(shè)備)提供工作電壓；次節(jié)點(diǎn)的具體數(shù)量由觀測需求和部署范圍確定。

由于PFE位于陸上，采用冗余備份，即使發(fā)生故障，修復(fù)時間較短，同系統(tǒng)水下部分相比，失效的概率相當(dāng)小，基本可以忽略?；诖?，本文重點(diǎn)對系統(tǒng)水下部分的可靠性進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，系統(tǒng)水下部分共包含海纜、主節(jié)點(diǎn)及次節(jié)點(diǎn)3類子單元。

根據(jù)電流流通的不同路徑，系統(tǒng)水下部分共包含3條完整的供電鏈路，具體如圖2所示。以主節(jié)點(diǎn)的位置為界，可將系統(tǒng)進(jìn)一步細(xì)分為不同的鏈路段。其中鏈路Ⅰ由鏈路段D11，D12及D13組成。鏈路Ⅱ由鏈路段D11，D21，D22，D23及D13組成；鏈路Ⅲ由鏈路段D11，D21，D3，D23及D13組成，其中D3由D31，D32及D33組成。

圖1 恒流遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Constant current remote power feeding system

圖2 系統(tǒng)供電鏈路示意圖Fig.2 Power link of system

遠(yuǎn)供系統(tǒng)工作環(huán)境特殊，海纜易因錨掛、自然災(zāi)害而發(fā)生斷路故障，易發(fā)生接地短路或空接開路，其中接地短路發(fā)生的概率較高。主、次節(jié)點(diǎn)供電設(shè)備內(nèi)置于接駁盒，當(dāng)腔體水密性喪失時，易發(fā)生接地短路；當(dāng)水密性能良好時，存在密封短路和密封開路的可能性。單個單元接地短路對系統(tǒng)的影響同密封短路相似，但多個單元接地短路對系統(tǒng)具有較大的影響。因此，可有如下定義和假設(shè):

1)短路故障:無論是接地短路還是密封短路，均視為同海水接地短路，下文稱為短路故障；

2)開路故障:無論是空接開路還是密封開路，下文稱為開路故障；

3)系統(tǒng)以及各單元的故障模式是指要么短路、要么開路；

4)無論正常工作還是故障，不同單元之間相互獨(dú)立；

5)各單元短路和開路故障相互獨(dú)立。

系統(tǒng)工作于水下環(huán)境時，由于其恒流特性，當(dāng)鏈路某個單元發(fā)生短路故障時，系統(tǒng)具備一定的自調(diào)整能力，該鏈路其他單元仍可處于正常取電狀態(tài)，其他鏈路或鏈路段也可能處于正常導(dǎo)通狀態(tài)［15］；當(dāng)鏈路某個單元發(fā)生開路故障時，該鏈路段無法取電，但其他鏈路或鏈路段仍可能處于正常導(dǎo)通狀態(tài)?？傊煌墓收夏Ｊ綄ο到y(tǒng)、各鏈路和各單元工作狀態(tài)的影響不同，對它們的可靠性影響也不同。因此，基于短路和開路故障模式分析系統(tǒng)可靠性是一種可行的方法。

2 故障狀態(tài)分析

由于系統(tǒng)各組成單元的功用不同，各單元出現(xiàn)故障時，對系統(tǒng)各鏈路及觀測設(shè)備的影響也不同。定義“1”表示當(dāng)系統(tǒng)某單元故障時，鏈路或觀測設(shè)備仍能正常得到供電的事件；“0”表示當(dāng)系統(tǒng)某單元故障時，鏈路或觀測設(shè)備無法正常得到供電的事件。

表1 單個主節(jié)點(diǎn)故障對系統(tǒng)供電的影響Tab.1 Influence of primary node failure on system power supply

表2 單個次節(jié)點(diǎn)故障對系統(tǒng)供電的影響Tab.2 Influence of secondary node failure on the system power supply

主節(jié)點(diǎn)1和2共同承擔(dān)下級鏈路段D21，D22，D23和D3的功率需求；主節(jié)點(diǎn)3和4共同承擔(dān)下級鏈路段D3的功率需求。只要主節(jié)點(diǎn)初級保持電流流通，通過耦合，副級輸出恒流；若初級無電流流通，副級無輸出恒流。通過設(shè)置保護(hù)措施，副級開路時，初級啟動短路保護(hù)。恒流系統(tǒng)對短路故障具有調(diào)整能力。因此，上級鏈路開路會影響下級鏈路；下級鏈路開路或短路故障對上級鏈路影響較小。

當(dāng)主節(jié)點(diǎn)1發(fā)生短路故障時，主節(jié)點(diǎn)2自動調(diào)整承擔(dān)下級鏈路的用電功率，次節(jié)點(diǎn)可正常得到供電。同理，主節(jié)點(diǎn)2發(fā)生短路時，主節(jié)點(diǎn)1承擔(dān)下級鏈路輸出功率；主節(jié)點(diǎn)1或2中任一單元發(fā)生開路故障時，系統(tǒng)開路；當(dāng)主節(jié)點(diǎn)3發(fā)生短路故障時，主節(jié)點(diǎn)4自動調(diào)整承擔(dān)下級鏈路的用電功率，次節(jié)點(diǎn)可正常得到供電。同理，主節(jié)點(diǎn)4發(fā)生短路時，主節(jié)點(diǎn)3承擔(dān)下級鏈路輸出功率；當(dāng)主節(jié)點(diǎn)3或4中任一單元發(fā)生開路故障時，主節(jié)點(diǎn)1和2的保護(hù)電路啟動，鏈路段D21，D22，D23和D3無法得到供電，上級鏈路Ⅰ的供電不會受到影響。具體如表1所示。

次節(jié)點(diǎn)掛接觀測設(shè)備，若某個次節(jié)點(diǎn)發(fā)生短路故障，只會影響該節(jié)點(diǎn)觀測設(shè)備的供電；若某個次節(jié)點(diǎn)發(fā)生開路故障，上級鏈路主節(jié)點(diǎn)的保護(hù)電路啟動，確保上級鏈路次節(jié)點(diǎn)正常供電，但該次節(jié)點(diǎn)所在鏈路和下級鏈路將無法得到供電，具體如表2所示。

若某條海纜段發(fā)生短路故障，不會影響次節(jié)點(diǎn)供電。若發(fā)生開路故障，上級鏈路主節(jié)點(diǎn)保護(hù)電路啟動，確保上級鏈路次節(jié)點(diǎn)正常供電，其所在鏈路及下級鏈路將無法得到供電，具體如表3所示。

表3 單條海纜故障對系統(tǒng)供電的影響Tab.3 Influence of submarine cable failure on the system power supply

3 恒流遠(yuǎn)供系統(tǒng)可靠性分析

系統(tǒng)的供電可靠性可分為3類:①是系統(tǒng)的供電可靠性，其供電可靠性以系統(tǒng)是否完全正常導(dǎo)通為主要依據(jù)，全系統(tǒng)或某單元故障均視為故障；②是鏈路的供電可靠性，其供電可靠性以鏈路是否完全正常導(dǎo)通為主要依據(jù)，整鏈路或某單元故障均視為故障；③是觀測設(shè)備的供電可靠性，其供電可靠性以是否獲取正常工作電壓為主要依據(jù)。

3.1 系統(tǒng)供電可靠性分析

系統(tǒng)水下部分共包含海纜、主節(jié)點(diǎn)、次節(jié)點(diǎn)3種單元，其數(shù)目分別為a，b，c。定義第l段海纜發(fā)生短路、開路故障的事件分別為x1l1，x1l2；對應(yīng)事件的概率分別為F1l1，F(xiàn)1l2，其中l(wèi)=1，2，…，a。第i個主節(jié)點(diǎn)發(fā)生短路、開路故障的事件分別為x2i1，x2i2；對應(yīng)事件的概率分別為F2i1，F(xiàn)2i2，其中i=1，2，…，b。在圖1所示系統(tǒng)中，b=4，第j個次節(jié)點(diǎn)發(fā)生短路、開路故障的事件分別為x3j1，x3j2；對應(yīng)事件的概率為F3j1，F(xiàn)3j2，其中j=1，2，…，c。

系統(tǒng)供電可靠度表達(dá)式為

3.2 鏈路供電可靠性分析

鏈路Ⅰ由鏈路段D11，D12及D13組成。它們分別包含a11，a12，a13段海纜；b11，b12，b13個主節(jié)點(diǎn)和c11，c12，c13個次節(jié)點(diǎn)；b11=b13=1，b12=0。令a1= a11+a12+a13，b1=b11+b12+b13=2，c1=c11+c12+c13；鏈路Ⅱ由鏈路段D11，D21，D22，D23及D13組成。其中D21，D22及D23分別包含a21，a22，a23段海纜，b21，b22，b23個主節(jié)點(diǎn)及c21，c22，c23個次節(jié)點(diǎn)；b21=b23=1，b22=0。令a2=a21+a22+a23，b2=b21+b22+b23=2，c2=c21+c22+c23；鏈路Ⅲ由鏈路段D11，D21，D3，D23及D13組成，其中D3包含a3段海纜、b3個主節(jié)點(diǎn)及c3個次節(jié)點(diǎn)，b3=0。

鏈路Ⅰ，Ⅱ及Ⅲ的任一單元發(fā)生故障，該鏈路均屬于非正常狀態(tài)，則它們發(fā)生故障的概率為

當(dāng)鏈路段D12發(fā)生開路故障時，鏈路Ⅱ和Ⅲ均無法得到供電。當(dāng)鏈路段D22發(fā)生開路故障時，鏈路III無法得到供電。則D12，D22開路的概率分別為3.3觀測設(shè)備供電可靠性分析

系統(tǒng)的主要任務(wù)是為海底觀測網(wǎng)絡(luò)的用電設(shè)備提供可靠電能，使觀測設(shè)備正常工作。觀測設(shè)備掛接在不同的次節(jié)點(diǎn)上，位置不同，供電可靠度不同。每條鏈路段包含多個次節(jié)點(diǎn)，具體數(shù)目取決于觀測需求，逐一分析較為累贅。位于相同鏈路段的次節(jié)點(diǎn)，雖然具體位置不同，但分析方法類似，因此重在分析方法的研究。部分鏈路段的次節(jié)點(diǎn)具有相同的供電特性，可以以示例進(jìn)行分析。

鏈路段D11，D12及D13上的次節(jié)點(diǎn)S1m(其中m =1，2，…，c1)，具有相同的供電特性；鏈路段D21，D22及D23上的次節(jié)點(diǎn)S2m(其中m=1，2，…，c2)，具有相同的供電特性；鏈路段D3上的次節(jié)點(diǎn)S3m(其中m=1，2，…，c3)，具有相同的供電特性。

若次節(jié)點(diǎn)S1m發(fā)生開路或短路故障，觀測設(shè)備均無法得到供電；以S1m為分割點(diǎn)，將鏈路Ⅰ分割為左右2條鏈路，若其中1條鏈路發(fā)生短路故障，則不影響系統(tǒng)供電。若2條鏈路均發(fā)生短路故障，則S1m的觀測設(shè)備無法得到供電，可將這2條鏈路理解為并聯(lián)關(guān)系，這2條鏈路同節(jié)點(diǎn)S1m屬于串聯(lián)關(guān)系；若鏈路Ⅰ發(fā)生開路故障，系統(tǒng)開路，S1m上觀測設(shè)備無法得到供電；其他鏈路單元的故障不會對S1m的供電造成影響。

次節(jié)點(diǎn)S2m，S3m的觀測設(shè)備因所在鏈路短路而無法得到供電的分析方法同次節(jié)點(diǎn)S1m類似，文中不再累述。鏈路段D12發(fā)生開路故障，系統(tǒng)開路，S2m和S3m上觀測設(shè)備無法得到供電；當(dāng)鏈路段D22發(fā)生開路故障，S3m上觀測設(shè)備無法得到供電。

分別以鏈路段D12，D22，D3上第1個次節(jié)點(diǎn)的觀測設(shè)備為例，它們的觀測設(shè)備供電可靠度分別為

4 算例分析

恒流遠(yuǎn)供系統(tǒng)(算例)如圖3所示，假設(shè)它為規(guī)則對稱系統(tǒng)，共包含25段海纜、4個主節(jié)點(diǎn)和18個次節(jié)點(diǎn)。假設(shè)海纜段長度相等，相同類型的水下單元配置相同，可視它們各自具有相同的短路和開路故障概率。具體假設(shè)參數(shù)如表4所示。

圖3 恒流遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)(算例)Fig.3 Remote power feeding system(example)

表4 水下單元短路與開路故障概率Tab.4 Failure probabilities of shortcut and open circuit

參照式(1)～(9)，可計(jì)算系統(tǒng)及各供電鏈路的可靠度，具體如表5所示。

參照式(10)～(12)的方法，可計(jì)算各次節(jié)點(diǎn)上觀測設(shè)備的供電可靠度。由于該系統(tǒng)具有對稱性，因此，只需計(jì)算次節(jié)點(diǎn)S11～S13，S21～S23，S31～S33上觀測設(shè)備的供電可靠度，具體如表6所示。

表5 系統(tǒng)及鏈路供電可靠度Tab.5 Power supply reliabilities of system and links

表6 觀測設(shè)備供電可靠度Tab.6 Power supply reliabilities of electrical equipments

由表5和表6可知:①由于系統(tǒng)上級鏈路的供電可靠性與下級鏈路無關(guān)，下級鏈路可靠性受上級鏈路的影響，系統(tǒng)中第Ⅰ級鏈路的供電可靠度最高，下級鏈路的供電可靠度低于上級鏈路；②在同一鏈路中，隨鏈路的延伸，觀測設(shè)備的可靠度逐漸降低，其中位于鏈路中部的供電設(shè)備可靠性最低；③上級鏈路的供電設(shè)備的可靠度要大于下級鏈路的供電可靠度；④在文中假設(shè)故障概率的條件下，由于系統(tǒng)包含數(shù)十個單元，每個單元故障均視為系統(tǒng)故障，且海纜的非人為損壞概率遠(yuǎn)低于示例概率，因此所求得的系統(tǒng)的基本可靠度較低。系統(tǒng)的主要任務(wù)是為觀測設(shè)備提供供電電壓，可視觀測設(shè)備的供電可靠度為系統(tǒng)的任務(wù)可靠度。由于恒流遠(yuǎn)供系統(tǒng)在水下供電方面的優(yōu)勢，觀測設(shè)備均具有相對較高的供電可靠度。這說明系統(tǒng)的部分故障不會影響水下設(shè)備獲取電能。在考察恒流遠(yuǎn)供系統(tǒng)的可靠性時，不僅要參考系統(tǒng)的基本可靠度，也要參考系統(tǒng)的任務(wù)可靠度，即觀測設(shè)備的供電可靠度。

5 結(jié)論

本文研究了處于不同位置的水下各單元的供電狀態(tài)對系統(tǒng)的影響，以水下單元的故障模式為基礎(chǔ)，結(jié)合系統(tǒng)的具體狀態(tài)，分析了系統(tǒng)、鏈路及供電設(shè)備的供電可靠性。通過算例分析，梳理了系統(tǒng)、鏈路和供電設(shè)備的供電可靠度的共性規(guī)律。下階段將進(jìn)一步融合3種供電可靠性信息，為恒流遠(yuǎn)供系統(tǒng)及其各單元的工程化應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)和借鑒。

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A reliability analysismethod on constant current remote power feeding system of cabled seafloor observatory network

WANG Xichen，ZHOU Xuejun，ZHOU Yuanyuan，ZHANG Xiao，SU Binbin
(Electronic Engineering College，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

Based on underwater unit short/open circuit failuremodes，amethod for analyzing the reliability of constant current remote power feeding system of cabled seafloor observatory network was proposed.According to system power supply and structural properties，the system was divided into different links and segments.Influence on power supply state of the links and observation equipments by unit failures in different position was studied in detail.The causes of leading system and link cannot be conducted and observation equipment cannot be operated were summarized，and the probability of different faultoccurrence was analyzed，then power supply reliabilitiesmethod of system，links and observation equipments were obtained.Through example analysis，the general law of the three kinds of power supply reliability needs comprehensive considerations in system construction and design phase.

constant current；remote power feeding；short failure；open failure；reliability

TN915.02

A

1001-2486(2015)05-186-06

10.11887/j.cn.201505029

http://journal.nudt.edu.cn

2014-09-17

國家863計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2009AAJ128)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71201172)

王希晨(1987—)，男，河南駐馬店人，博士研究生，Email:hjgcwxc@163.com；周學(xué)軍(通信作者)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，Email:Xuejun-Zhou@163.com