基于恒流供電的纜系水下基礎信息網絡拓撲結構研究*

張 政 周學軍 周媛媛 王希晨

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

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基于恒流供電的纜系水下基礎信息網絡拓撲結構研究*

張 政 周學軍 周媛媛 王希晨

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

通過設計縱向和橫向兩種不同網狀拓撲結構的纜系水下基礎信息網絡平臺，并將整個平臺結構從系統(tǒng)和各鏈路方面來考慮，分析了水下設備單元短路/開路故障對網狀拓撲結構的系統(tǒng)供電狀態(tài)的可靠性影響。根據水下觀測網絡恒流遠程供電的特性，定義了系統(tǒng)、各鏈路遠程供電可靠度，通過相應供電可靠度求解方法，并結合典型實例來進行具體分析計算，根據計算結果分析兩種拓撲結構的供電可靠性以及實際中的應用意義。

恒流遠程供電; 網狀拓撲結構; 可靠性

Class Number TN915.02

1 引言

海底觀測是人類從海洋外面深入到海洋內部研究海洋的轉折，是人類將“氣象站”、“實驗室”放到海底，在海底建立觀測地球的第三平臺，連續(xù)、原位、實時地觀測深海和海底以下地球深部的一場巨變[1]。所以發(fā)展建立纜系水下基礎信息網絡平臺是我國經略海洋的必然一步，水下信息網的各組成部分可靠度要求非常高，其中水下遠程供電系統(tǒng)的高可靠度更是確保水下基礎信息平臺正常工作的重中之重。而目前國際上所有水下信息網采用的供電方式有恒流供電或恒壓供電這兩種。美國-加拿大的NEPTUNE系統(tǒng)采用恒壓供電方式，恒壓供電更易實施，并有陸地上充分的理論技術作為支撐，但當有一點短路時，其整個系統(tǒng)全部癱瘓，魯棒性較低；而日本在建設水下信息網時更多地考慮到纜系水下網絡在受到地震或設備故障時的影響，所以其設計的DONET系統(tǒng)采用了具有高魯棒性的恒流供電方式。

在國內，同濟大學于2009年在東海小衢山采用恒壓供電的方式建立了首個單節(jié)點纜系水下網絡實驗站，并將三種海洋監(jiān)測設備放置于海底[2～3]。2013年海軍工程大學搭建了國內首個采用橫流供電雙節(jié)點環(huán)型拓撲結構纜系水下基礎信息網絡平臺。

國內目前水下信息網的發(fā)展還處于初級階段，涉及水下信息網的拓撲結構還只是在單點、鏈式環(huán)型結構。文章從水下設備單元短路/開路故障對水下信息網網狀拓撲結構系統(tǒng)和鏈路可靠性的影響進行分析，進一步驗證橫向拓撲供電系統(tǒng)的故障自調整能力。

2 基礎模型的建立

本文所設計的纜系水下基礎信息網絡平臺橫向網狀拓撲結構如圖1(a)所示。該系統(tǒng)由岸基供電電源設備(PFE)和水下的海纜、主節(jié)點和次節(jié)點組成。其中PFE提供恒定電流，多臺PFE共同承擔遠程供電任務，當多臺PFE出現(xiàn)問題或故障無法正常工作時，剩余幾臺甚至單臺設備可承擔供電總功率。主節(jié)點內置恒流/恒流轉換設備(I/I模塊)，主要功能是對恒流進行多路分支，保證系統(tǒng)的電流恒定，內設保護電路，確保系統(tǒng)和水下設備不會超負荷運轉；次節(jié)點內置恒流/恒壓轉換設備(I/V模塊)，為外接水下觀測設備提供恒定工作電壓[4]。

圖1 橫向/縱向拓撲結構遠程供電系統(tǒng)結構示意圖

圖1(b)所示的是纜系水下基礎信息網絡平臺縱向網狀拓撲結構圖。其由岸基供應電源(PFE)和水下部分組成。其岸基恒流源只由兩臺PFE組成，正常工作狀態(tài)下兩臺設備各承擔一半供電壓力，當一臺PFE出現(xiàn)問題時，供電任務全由另一臺PFE承擔?？v向拓撲網絡水下部分的組成和功能與橫向網絡相似。

由圖1可知，各水下設備不是單獨存在的，海纜、主節(jié)點和次節(jié)點都是相互關聯(lián)的。如某一水下單元發(fā)生故障，勢必影響系統(tǒng)中各鏈路和觀測設備的工作狀態(tài)和系統(tǒng)的可靠度[5]。而短路/開路故障是常發(fā)性故障，因而通過研究水下設備單元的短路/開路故障對分析橫向和縱向兩種不同網狀拓撲結構的纜系水下基礎信息網絡平臺具有十分重要的意義。

3 遠供系統(tǒng)可靠性設計與分析

設計一個系統(tǒng)一般從功能性、可靠性及經濟性三個角度出發(fā)[6]，而水下信息網絡的設計更要考慮設備的體積、重量、散熱、功耗等因素?？煽啃栽O計就是要在保證可靠性的前提下，使系統(tǒng)費用最小，成本最低[7]。在整個網絡平臺中，岸上設備電源的可靠性高，對其有充足的冗余備份，且故障維修較為方便簡單，相較于水下設備單元，其成本和故障可以忽略，所以只考慮水下部分。

在纜系水下基礎信息網絡系統(tǒng)中，增加海纜的可靠度的代價比增加主節(jié)點和次節(jié)點可靠度的代價要小的多；次節(jié)點是為用電設備提供恒定電壓，增加其可靠度的代價明顯大于增加海纜的；而主節(jié)點控制并承擔電流分支任務，是系統(tǒng)最不可或缺的一部分，所以增加其可靠度的代價最大[8]。在對這兩種系統(tǒng)進行比較時，可以假設： 1) 水下海纜段長度相同，水下設備單元配置相同，可靠度一致； 2) 各設備單元壽命符合指數(shù)分布。

可以假定水下單元參數(shù)如表1所示。

表1 恒流遠供系統(tǒng)水下單元參數(shù)

纜系水下基礎信息網絡系統(tǒng)的基本可靠度為

(1)

其中，R系統(tǒng)表示系統(tǒng)的基本可靠度；R1、R2、R3分別是海纜、主節(jié)點和次節(jié)點的可靠度；a、b、c分別是海纜段、主節(jié)點和次節(jié)點的數(shù)量。

各水下設備單元的費用為[9]

xi=-αiln(1-Ri)+βi

(2)

結合上式可得纜系水下基礎信息網絡系統(tǒng)的總成本為

X=ax1+bx2+cx3

=(a+5b+2c)-aln(1-R1)

-5bln(1-R2)-2cln(1-R3)

(3)

其中，Ri為第i個設備單元的可靠度；xi為設備子單元費用；x1、x2、x3為海纜段、主節(jié)點和次節(jié)點的成本。

4 纜系恒流水下基礎信息網絡平臺的系統(tǒng)基本可靠性分析

系統(tǒng)水下供電可靠性以系統(tǒng)所有設備是否正常工作為標準。若系統(tǒng)中任意一個設備出現(xiàn)短路/開路故障時，則該供電系統(tǒng)視為故障，記作Fs，即系統(tǒng)的供電可靠度為Rs[10]。

以圖2(a)與圖3(a)為例，縱向和橫向兩個系統(tǒng)網絡平臺水下部分都包含海纜段，主節(jié)點和次節(jié)點，且數(shù)量相同，其數(shù)量可分別記為a、b、c。定義海纜段發(fā)生短路/開路的事件分別為xi1、xi2，對應的事件發(fā)生概率為Fi1、Fi2；主節(jié)點發(fā)生短路/開路的事件分別為xj1、xj2，對應的事件發(fā)生概率為Fj1、Fj2；次節(jié)點發(fā)生短路/開路的事件分別為xk1、xk2，對應的事件發(fā)生概率為Fk1、Fk2。

圖2 橫向遠供系統(tǒng)結構和各鏈路示例圖

系統(tǒng)中任意一個設備單元故障，即視為整個系統(tǒng)供電的故障，縱向和橫向兩個平臺的系統(tǒng)供電故障分別為Fs縱、Fs橫。則系統(tǒng)發(fā)生供電故障的概率為

(4)

因而系統(tǒng)的供電可靠度為

(5)

5 纜系恒流水下基礎信息網絡平臺 的各鏈路供電可靠性分析

5.1 橫向拓撲供電系統(tǒng)各鏈路供電可靠性分析

由圖3(b)可知橫向拓撲供電系統(tǒng)鏈路Ⅰ由鏈路段D11、D12和D13構成。其分別包含了a11、a12、a13個海纜段，b11、b12、b13個主節(jié)點和c13、c12、c13個次節(jié)點。設a1=a11+a12+a13，b1=b11+b12+b13，c1=c11+c12+c13。同理，鏈路Ⅱ由鏈路段D21、D22和D23構成，鏈路Ⅲ由鏈路段D13、D31和D21構成。鏈路Ⅰ與鏈路Ⅱ對稱，其可靠度相同。

圖3 縱向遠供系統(tǒng)結構和各鏈路示例圖

橫向拓撲供電鏈路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中各鏈路段上的任意一個設備單元出現(xiàn)故障，則該鏈路故障，而各鏈路上的設備單元相互無影響，則計算出鏈路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ故障發(fā)生的概率和各鏈路的供電可靠度為

(6)

5.2 縱向拓撲供電系統(tǒng)各鏈路供電可靠性分析

縱向拓撲供電系統(tǒng)各鏈路與橫向拓撲供電系統(tǒng)各鏈路的構成相似，但鏈路段D12的任意一個設備單元發(fā)生開路故障時，造成PFE輸出開路，鏈路Ⅱ、Ⅲ無法供應上電力。而當鏈路段D22大聲來路故障時，主節(jié)點1、2輸出開路，鏈路段D12、D31、D32、D33和D23開路，鏈路Ⅲ無法供應上電力。則鏈路段D12和D22開路故障的概率為

(7)

因而，供電鏈路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的供電可靠度為

R縱L3= 1-(F縱L3+FD122+FD222)

(8)

6 實例計算

以圖3、圖4所示的兩種系統(tǒng)為例。兩個系統(tǒng)所包含的海纜段、主節(jié)點和次節(jié)點的數(shù)量相同，a=25、b=4、c=18。假定纜系恒流水下基礎信息網絡系統(tǒng)的基本可靠度為0.9，可得橫向和縱向兩種不同拓撲結構的系統(tǒng)所需總成本都為562，各設備單元分配的可靠度也相同。

假設海纜段長度相同，設備配置一樣，各自具有相同的短路和開路故障概率。具體參數(shù)如表3所示。

表3 設備短路/開路故障概率

參照式(5)～(9)的方法，可計算出系統(tǒng)及各鏈路的供電可靠度。

表4 系統(tǒng)及各鏈路可靠度

由上述設備觀測設備可靠性計算可得出以下結論： 1) 系統(tǒng)供電可靠度<鏈路供電可靠度； 2) 當某一鏈路受其他鏈路影響時，其供電受制約的因素較多，供電可靠性相對較低； 3) 在所需水下總成本相同和設備單元要求的可靠度相等的條件下，橫向拓撲的遠程供電網絡的鏈路供電可靠性明顯高于縱向拓撲的遠程供電網絡，說明在水下觀測網絡平臺的運用中，相較于縱向拓撲結構，橫向拓撲結構的觀測設備能獲得更有效、可靠的電能供應。

7 結語

本文研究了水下設備單元的短路/開路對采用橫向和縱向兩種拓撲結構的纜系水下基礎信息網絡平臺的系統(tǒng)、鏈路的供電可靠性影響，并通過結合實例的計算，得出采用橫向拓撲結構的遠程供電系統(tǒng)具有較高的可靠性和應用價值。但在實際運用中，應根據實際情況，不同的供電和觀測要求，設計相應的供電系統(tǒng)路線。本文所采用的橫向拓撲雖然可以提高鏈路的可靠性，但其測量的縱深較小，只適用于淺海區(qū)域，無法對更深層的深海區(qū)域進行有效監(jiān)測，所以在今后的設計中可以結合橫-縱結合的拓撲結構進行設計更好地滿足監(jiān)測的要求。

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Mesh Topology of Underwater Cable Information Network Based on the Constant-Current Remote Power Supply

ZHANG Zheng ZHOU Xuejun ZHOU Yuanyuan WANG Xichen

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

This paper designs underwater cable based information platform with two different kinds of mesh vertical and horizontal topology, and considers the whole platform structure from the aspects of both the system and each path. Based on the above result, the impact which short-circuit/open-circuit problems of underwater equipment unit have on system power state of mesh topology is analyzed. According to the characteristics of constant-current remote power supply of underwater observation network, this paper defines the reliability if remote power supply reliability for both system, and each path. By using the appropriate solution for solving the reliability of power supply, this paper analyzes real problems with typical examples. The power supply reliability of two topological structures and practical applications are analyzed based on above results.

constant-current remote power supply, mesh topology, reliability

2016年5月11日,

2016年6月18日

張政，男，碩士研究生，研究方向：光通信與水下信息網。

TN915.02

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.034