一種實(shí)用型海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)供電系統(tǒng)

馮偉明，胡肖松，范 濤（中國電子科技集團(tuán)公司 第三十四研究所，廣西 桂林541004）

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一種實(shí)用型海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)供電系統(tǒng)

馮偉明，胡肖松，范 濤
（中國電子科技集團(tuán)公司 第三十四研究所，廣西 桂林541004）

摘要：針對(duì)長距離有中繼海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)供電難度大和要求高的嚴(yán)峻形勢，提出了一種實(shí)用型的供電方案。該方案利用岸基電源設(shè)備為海底光纜系統(tǒng)提供高壓恒流電，在海底光纜不同的距離段設(shè)有取電模塊，取電模塊將高壓恒流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的低壓直流電，供水下用電設(shè)備使用。

關(guān)鍵詞：有中繼海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)；供電方案；高壓恒流

0　引言

長距離的洲際、島嶼和大陸之間的通信往往會(huì)使用有中繼的海底光纜通信系統(tǒng)，而其中的水下用電設(shè)備需要從岸基對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程供電［1］。海底光纜遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)是對(duì)海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)的中繼設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備輸送穩(wěn)定可靠電能的系統(tǒng)［2］，它是保證海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)正常工作的基礎(chǔ)。由于海底供電環(huán)境的限制，傳統(tǒng)的交流輸電方式在這里無法使用，必須選擇直流供電方式［3］。本文設(shè)計(jì)了一種高壓恒流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由設(shè)置在岸上的岸基電源設(shè)備為光纜提供高壓恒流電，在海底光纜不同距離處設(shè)置的取電模塊將高壓恒流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的低壓直流電供水下用電設(shè)備使用。

1　高壓恒流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)高壓恒流供電方案的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本設(shè)計(jì)方案中的電能傳輸通過光電混合線纜中的金屬導(dǎo)電層完成。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是：在海底光纜系統(tǒng)兩岸的兩個(gè)登陸點(diǎn)處，分別設(shè)置有一套高壓交流岸基電源設(shè)備，每套設(shè)備都可以單獨(dú)滿足整個(gè)光纜系統(tǒng)的電能需求［4］，水下供電系統(tǒng)采用單回路的連接方式，且通過海水回流形成電流回路；岸基電源設(shè)備可提供高壓交流電，并將其輸送給水下的轉(zhuǎn)換設(shè)備，水下轉(zhuǎn)換設(shè)備將高壓交流電轉(zhuǎn)換為高壓恒流電輸出，位于海底的遠(yuǎn)端取電模塊就可以通過光電混合線纜獲取電能，并將其轉(zhuǎn)化為各種不同電壓等級(jí)和電流大小的直流電供海底用電設(shè)備使用。海底用電設(shè)備主要是指光中繼設(shè)備和監(jiān)控探測設(shè)備等。

圖1　高壓恒流遠(yuǎn)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　轉(zhuǎn)換設(shè)備設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換設(shè)備位于海底，主要作用是將岸基電源設(shè)備輸入的高壓交流電轉(zhuǎn)換為高壓恒流直流電，通過線纜中的金屬導(dǎo)電層傳輸至遠(yuǎn)端，供水下取電模塊使用。

2.1轉(zhuǎn)換設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)換設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。轉(zhuǎn)換設(shè)備包括以下4個(gè)部分：電壓調(diào)整單元、電能轉(zhuǎn)換單元、高壓轉(zhuǎn)換單元以及監(jiān)控單元。電壓調(diào)整單元將岸基電源設(shè)備輸送的高壓交流電調(diào)整到所要求電壓大小的交流電后供電能轉(zhuǎn)換單元使用；電能轉(zhuǎn)換單元通過PFC技術(shù)和DC-DC穩(wěn)壓技術(shù)將該交流電轉(zhuǎn)換為300V恒流電后供高壓轉(zhuǎn)換單元使用；高壓轉(zhuǎn)換單元將電能轉(zhuǎn)換單元輸出的300V恒流電轉(zhuǎn)化為1A/1000V恒流輸出。

圖2　轉(zhuǎn)換設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖

2.2電壓調(diào)整單元和電能轉(zhuǎn)換單元

圖3　電壓調(diào)整單元和電能轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)框圖

電壓調(diào)整單元和電能轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。電壓調(diào)整單元主要是以變壓器為核心的電路結(jié)構(gòu)，它能將輸入的高壓交流電進(jìn)行降壓后輸送給電能轉(zhuǎn)換單元。電能轉(zhuǎn)換單元主要包括以下3個(gè)部分：PFC單元和交-直轉(zhuǎn)換單元、兩組靜態(tài)開關(guān)及一組DC-DC穩(wěn)壓單元。

靜態(tài)開關(guān)由兩個(gè)可控硅反向并聯(lián)組成，其關(guān)斷和開通均用監(jiān)控系統(tǒng)邏輯器件進(jìn)行控制，其開關(guān)速度＜10ms，主要用于旁路與主路之間的轉(zhuǎn)換。PFC單元即功率因素矯正單元，其主要目的是改善電能質(zhì)量，減弱電源設(shè)備對(duì)外輻射和傳導(dǎo)干擾；PFC單元和交-直轉(zhuǎn)換單元一起將變壓器輸出的交流電轉(zhuǎn)化為直流電。DC-DC穩(wěn)壓單元的主要功能是將前端的直流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的300V恒流電供后端高壓模塊使用。

2.3高壓轉(zhuǎn)換單元

高壓轉(zhuǎn)換單元的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。高壓轉(zhuǎn)換單元的主要作用是將前端輸入的300V恒流電轉(zhuǎn)換為1000V的高壓恒流電后輸出。高壓轉(zhuǎn)換單元采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化模塊內(nèi)設(shè)計(jì)有N個(gè)可插拔式供電模塊，模塊之間采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，其中有M個(gè)正常工作模塊、N-M個(gè)冗余模塊。每個(gè)模塊可提供穩(wěn)定的IA/1000V（I可調(diào)范圍在0.5～1.5之間）的恒流電。

圖4　高壓轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)框圖

2.4監(jiān)控單元

供電系統(tǒng)的監(jiān)控單元是整個(gè)海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，其主要功能是負(fù)責(zé)采集供電系統(tǒng)不同位置處設(shè)備的電壓和電流，并將各類信息上傳給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，以實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制整個(gè)供電系統(tǒng)。

圖5　監(jiān)控探測設(shè)備取電模塊結(jié)構(gòu)框圖

3　取電模塊

取電模塊串接在海底光纜線路的不同位置，其主要功能是把供電線路中的高壓恒流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的低壓直流電，并輸出給水下用電設(shè)備使用。

3.1監(jiān)控探測設(shè)備取電模塊

監(jiān)控探測設(shè)備取電模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。該取電模塊是直流轉(zhuǎn)直流模塊，以串聯(lián)的方式連接在系統(tǒng)中，可將線纜上提供的高壓恒流直流電轉(zhuǎn)換成為水下設(shè)備正常工作所需的低壓直流電，并具有完善的檢測和保護(hù)功能，內(nèi)部通過多模塊冗余備份方式提高其可靠性［5］。模塊運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)由水下信息傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作。

3.2光中繼設(shè)備取電模塊

圖6　光中繼設(shè)備取電模塊框圖

光中繼設(shè)備取電模塊的框圖如圖6所示。光中繼設(shè)備取電模塊是一個(gè)密閉的小型高性能設(shè)備，它不采用DC-DC開關(guān)電源技術(shù)，可與整個(gè)光中繼設(shè)備的電路融為一體，效率和可靠性都很高。光中繼設(shè)備取電模塊串聯(lián)在線纜中，利用激光器工作時(shí)電流恒定的特性，提取部分工作電流，剩余電流輸出給其它中繼設(shè)備使用。設(shè)備具有完善的檢測和保護(hù)功能，內(nèi)部通過多模塊冗余備份方式提高取電模塊的可靠性。

4　典型應(yīng)用

該供電方案為海底光纜系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程供電，在高壓恒流輸出為1A/1000V時(shí)，供電距離可達(dá)一百多千米，并且能夠長期穩(wěn)定工作。供電距離和供電電壓等級(jí)可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)整，在海底用電設(shè)備電壓要求等級(jí)較低時(shí)，供電系統(tǒng)的供電距離可達(dá)幾百千米，能滿足長距離海底光纜通信系統(tǒng)的供電要求。在滿足功率和電壓要求條件下還可以通過增加海底取電模塊數(shù)以擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)數(shù)量，迅速提高水下設(shè)備組網(wǎng)面積和傳輸距離。

5　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了用于給海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)提供電能的高壓恒流供電系統(tǒng)。該供電系統(tǒng)通過岸基電源設(shè)備、水下轉(zhuǎn)換設(shè)備和海底取電模塊為海底光纜系統(tǒng)提供電能，取電模塊節(jié)點(diǎn)可拓展所有設(shè)備的熱備份，使得系統(tǒng)供電距離遠(yuǎn)、可靠性高。該方案實(shí)現(xiàn)了長距離中繼海底光纜系統(tǒng)的供電，可廣泛應(yīng)用于解決各種海底用電設(shè)備的供電問題。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號(hào)：TN929.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5561（2016）06-0056-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.017

收稿日期：2015-11-25。

作者簡介：馮偉明（1988-），男，碩士，工程師，主要從事電源產(chǎn)品、系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)工作。

Practical power supply system for submarine optical cable transmission network

FENG Wei-ming，HU Xiao-song，F(xiàn)AN Tao
（The 34 Research Institute of CETC，Guilin Guangxi 541004，China）

Abstract：According to the difficulty and high demand of supplying power for submarine optical cable transmission network，the paper put forward a practical power supply scheme.The scheme use shore power supply equipment to supply high voltage constant current for OFSCS.Electric power modules that placed at different positions of submarine optical cablecan convert high voltage constant current to low voltage constant current，and then transport it to underwater electric equipment.

Key words：relay submarine optical cable transmission network，power supply scheme，high voltage constant current