海底光纜網(wǎng)絡(luò)恒壓與恒流供電拓?fù)溲芯?

段安民 趙錦波 徐 皓

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七二二研究所 武漢 430205）

1 引言

海底光纜系統(tǒng)作為全球互聯(lián)網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡(luò)，承載了全球主要的國際語音和數(shù)據(jù)傳輸［1～3］?？缪蠛５坠饫|網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有配套的高壓直流供電系統(tǒng)，岸基遠(yuǎn)供電源通過海底光纜輸電導(dǎo)體饋電，并通過海水和海洋接地裝置回流。

為了滿足海洋科學(xué)研究、海洋資源開發(fā)和水下監(jiān)測等目的，海底光纜網(wǎng)絡(luò)從簡單的點對點系統(tǒng)發(fā)展到更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了海底觀測網(wǎng)、水下信息網(wǎng)等新型海底光纜網(wǎng)絡(luò)形態(tài)［4～7］。新型海底光纜網(wǎng)絡(luò)不僅需要實現(xiàn)高速大容量信息傳輸，而且還要給海底業(yè)務(wù)設(shè)備提供持續(xù)不間斷大功率電能。深海遠(yuǎn)距離高可靠電能傳輸與供給，已成為新型海底光纜網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸問題。國內(nèi)對于海底光纜供電網(wǎng)絡(luò)特別是系統(tǒng)電路仿真研究工作較少，亟待開展。本文調(diào)研國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，梳理新型海底光纜網(wǎng)絡(luò)的供電拓?fù)湫螒B(tài)，對恒壓型和恒流型水下供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)模型構(gòu)建，通過仿真分析，驗證海底恒流型供電網(wǎng)絡(luò)抵抗海水短路故障的能力和高可靠性。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

基于海光纜的海底觀測網(wǎng)具有大功率遠(yuǎn)距離電能供給和高速大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p重優(yōu)勢，成為海洋科學(xué)觀測領(lǐng)域的重要手段。美國、加拿大、日本、歐盟等國相繼建成或正在規(guī)劃規(guī)模等級不同和功能多樣的海底觀測網(wǎng)［4～7］。目前世界上已初步建成的較大規(guī)模觀測網(wǎng)主要有以下幾個：加拿大西北太平洋時間序列觀測網(wǎng)（NEPTUNE）、美國海洋觀測計劃（OOI）的區(qū)域網(wǎng)部分和日本地震海嘯密集海底網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（DONET、S-net）。其中最具代表性的是NEPTUNE海王星觀測網(wǎng)。NEPTUNE觀測網(wǎng)的海纜長度約為920km。為提高供電和通信的可靠性，NEPTUNE的骨干網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為環(huán)型拓?fù)?，采用最?10kVDC直流電壓供電和10Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。在2000年左右，日本提出ARENA觀測網(wǎng)計劃，提出水下大功率恒流組網(wǎng)供電技術(shù)。在2011年東京大地震后，日本立項建設(shè)S-net觀測網(wǎng)，繼承了ARENA觀測網(wǎng)的恒流供電技術(shù)，具有150個相距30km～50km的地震海嘯觀測節(jié)點，海纜總長達(dá)5700km。

近年來，在國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃的資助下，國內(nèi)多家涉海單位聯(lián)合開展了多年的海底觀測網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)積累和組網(wǎng)裝備研制［8～13］，主要采用電壓型供電網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了10kV/10kW供電的主接駁盒樣機(jī)和375 V供電的次接駁盒樣機(jī)。在近十年的研究基礎(chǔ)上，同濟(jì)大學(xué)與中科學(xué)聲學(xué)所牽頭建設(shè)“國家海底長期科學(xué)觀測系統(tǒng)”大科學(xué)工程，預(yù)計其海纜總長達(dá)1500km以上。這將極大提升我國海底科學(xué)觀測網(wǎng)水平。國內(nèi)在電壓型供電網(wǎng)絡(luò)方面有較深的技術(shù)積累。在水下高可靠應(yīng)用場合，恒流供電網(wǎng)絡(luò)更加適合，國內(nèi)對于恒流型遠(yuǎn)供技術(shù)則研究較少。

3 海底光纜網(wǎng)絡(luò)供電拓?fù)?/h2>

在供電體制方面，海底光纜供電網(wǎng)絡(luò)可分為恒壓供電與恒流供電兩種體制。對于采用恒壓供電體制的供電網(wǎng)絡(luò)，岸基遠(yuǎn)供電源調(diào)控為輸出恒壓電能模式，保持傳輸線路上電壓穩(wěn)定，水下各節(jié)點輸入端以并聯(lián)方式掛接在主干海纜和海洋地上。水下節(jié)點電源則實現(xiàn)從高壓到中低壓的電能變換，給水下業(yè)務(wù)設(shè)備配給電能。該種供電體制傳輸功率容量大、可擴(kuò)展性強，但是線路故障定位困難，對海水短路故障抵抗能力不足。當(dāng)海水短路故障發(fā)生時，干線線路電壓崩潰，導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。

對于采用恒流供電體制的供電網(wǎng)絡(luò)，岸基遠(yuǎn)供電源調(diào)制為輸出恒流電能模式，保持傳輸線路上電流穩(wěn)定，水下各節(jié)點輸入端串聯(lián)在主干海纜中。水下節(jié)點電源則實現(xiàn)從恒流電能到恒壓電能的變換，給水下業(yè)務(wù)設(shè)備配給電能。該種供電體制已經(jīng)應(yīng)用于跨洋海底光纜中繼通信工程中，可實現(xiàn)kW級別傳輸容量，線路故障定位方便，對海水短路故障抵抗能力強。當(dāng)海水短路故障發(fā)生時，線路電流通過海水回流，岸基遠(yuǎn)供電源自適應(yīng)調(diào)整輸出電壓，只要電流回路存在，整個系統(tǒng)仍然穩(wěn)定供電。

根據(jù)海底光纜主干網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)，主要分為三種供電拓?fù)湫螒B(tài)：單端樹型拓?fù)洹㈦p端環(huán)形拓?fù)湟约熬W(wǎng)格狀拓?fù)洹?/p>

第一種拓?fù)錇闃湫徒Y(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為樹狀分叉形態(tài)，單端岸基遠(yuǎn)供電源給一條主干海纜供電，多個接駁盒間隔掛載在主干海纜上。該拓?fù)錇橐粚Χ喾绞?，供電線路清晰，擴(kuò)展容易，故障定位和隔離均容易實現(xiàn)。但是該拓?fù)鋰?yán)重依賴單岸基站，一旦單岸基站出現(xiàn)故障，則整個網(wǎng)絡(luò)停電。該供電拓?fù)湟呀?jīng)成功應(yīng)用于海底網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)。

圖1 新型海底光纜網(wǎng)絡(luò)供電拓?fù)?/p>

針對樹型拓?fù)涞牟蛔悖l(fā)展出第二種拓?fù)?，為環(huán)形結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示。該拓?fù)涞膬啥朔謩e聯(lián)接各岸端遠(yuǎn)供電源。當(dāng)海纜單點故障后，供電網(wǎng)絡(luò)從故障點分為兩個獨立樹型結(jié)構(gòu)供電網(wǎng)絡(luò)。單端岸基故障后，則可有另一端岸基給整個網(wǎng)絡(luò)供電。因此該拓?fù)淇傻挚箚吸c海纜故障和單端岸基故障，輸電更加可靠。

第三種則是網(wǎng)格狀拓?fù)?，如圖1（c）所示。主干網(wǎng)絡(luò)通過水下節(jié)點構(gòu)成網(wǎng)格狀，多個岸端可聯(lián)合供電，水下節(jié)點從多條供電路徑獲取電能。該拓?fù)浼夹g(shù)難度和建設(shè)成本最大，但是由于具備多路由冗余輸電能力，如果解決節(jié)點設(shè)備，理論上系統(tǒng)輸電可靠性最高。

4 供電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?/h2>

由于海底光纜供電網(wǎng)絡(luò)采用雙端環(huán)形拓?fù)漭^多，本文選取該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建，在此基礎(chǔ)上，開展恒壓和恒流兩種供電制式的對比研究。

典型供電網(wǎng)絡(luò)配置為：岸上相距較遠(yuǎn)距離配置兩臺岸基遠(yuǎn)供電源，聯(lián)合給水下網(wǎng)絡(luò)供電，通過海光纜將電能傳輸至各個主節(jié)點。主干線路距離為1000km，每段海纜長度100km，依次間隔分布9個水下節(jié)點。主干海纜采用海底光電復(fù)合纜，考慮其寄生參數(shù)影響，等效為π型電路，如圖2所示。100km海纜典型的寄生參數(shù)：寄生電感L0=53mH，對地電容C0=25uF，損耗電阻R0=82.5Ω。

圖2 海纜等效電路

4.1 恒壓型供電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?/h3>

岸基高壓電源輸出直流電能，設(shè)置為恒壓輸出模式，輸出電壓恒定-9kV。每個水下節(jié)點最大負(fù)荷為3kW。對于恒壓型供電網(wǎng)絡(luò)，包含分支器和水下電源的水下節(jié)點配置如圖3所示，高壓轉(zhuǎn)中壓（HV/MV）電能變換器實現(xiàn)從主干高壓到375V中壓電能變換，為負(fù)載提供3kW電能。高壓轉(zhuǎn)中壓（HV/MV）電能變換器輸入端口通過開關(guān)S3并聯(lián)在主干回路中。開關(guān)S1和S2作為保護(hù)開關(guān)，當(dāng)海纜故障時，對應(yīng)端口開關(guān)斷開，隔離故障。開關(guān)S3作為變換器保護(hù)開關(guān)，當(dāng)電能變換器故障或輸入電壓欠壓時，則斷開電能變換器。

圖3 電壓型水下節(jié)點（分支器+節(jié)點電源）模型框圖

由岸基遠(yuǎn)供電源、主干海纜和水下節(jié)點構(gòu)成的恒壓型供電網(wǎng)絡(luò)模型如圖4所示。岸基遠(yuǎn)供電源1和2均輸出電壓為-9kV。水下節(jié)點輸入端口均并聯(lián)在主干鏈路上，通過海水回流到岸基遠(yuǎn)供電源接地極。2個岸基電源與9個水下節(jié)點依次并聯(lián)，構(gòu)成恒壓型雙端環(huán)形供電網(wǎng)路。

圖4 恒壓型供電網(wǎng)絡(luò)模型框圖

4.2 恒流型供電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?/h3>

岸基高壓電源輸出直流電能，設(shè)置為恒流輸出模式，輸出電流恒定2A。每個水下節(jié)點最大負(fù)荷為3kW。包含分支器和水下電源的水下節(jié)點配置如圖5所示，恒流轉(zhuǎn)恒壓（CC/CV）電能變換器實現(xiàn)從主干恒流2A到375V恒壓電能變換，為負(fù)載提供3kW電能。恒流轉(zhuǎn)恒壓（CC/CV）電能變換器輸入端口串聯(lián)在主干回路中。開關(guān)S3作為變換器保護(hù)開關(guān)，當(dāng)電能變換器故障或輸入電流不足時，則閉合旁路電能變換器。S1和S2作為接地保護(hù)開關(guān)，當(dāng)海纜故障時則對應(yīng)端口開關(guān)打到海洋地。

圖5 電流型水下節(jié)點（分支器+節(jié)點電源）模型框圖

由岸基遠(yuǎn)供電源、主干海纜和水下節(jié)點構(gòu)成的恒流型供電網(wǎng)絡(luò)模型如圖6所示。岸基遠(yuǎn)供電源1輸出電流為-2A，岸基遠(yuǎn)供電源2輸出電流為2A。兩個岸基遠(yuǎn)供電源與9個水下節(jié)點依次串聯(lián)構(gòu)成恒流型雙端環(huán)形供電網(wǎng)路。所有水下節(jié)點輸入端口均串聯(lián)在主干鏈路中。

圖6 恒流型供電網(wǎng)絡(luò)模型框圖

5 供電網(wǎng)絡(luò)仿真分析

5.1 正常工作

對于電壓型供電方式，在正常工作情況下，網(wǎng)絡(luò)通過岸基電源、電纜以及節(jié)點電源、海水構(gòu)成回路。由于拓?fù)涫菍ΨQ結(jié)構(gòu)，兩岸基電源輸出電流從兩端向中間流動。由于負(fù)載并聯(lián)在主干海纜上，中間海纜的電流越小，靠近岸基端的海纜電流最大。各節(jié)點分布電壓如圖7（a）所示，從岸基到主干海纜中間呈降低趨勢，但電壓基本保持不變。各段線路電流分布如圖7（b）所示，從岸基到主干海纜中間同樣呈降低趨勢，在海纜中間點電流接近零，說明各節(jié)點并聯(lián)在主干線路上。岸基電源供電總功率30kW，水下節(jié)點獲取總功率28.5kW，線路總損耗1.5kW，線路損耗占比5%。由于只有近岸段海纜電流較大，整個線路損耗偏低。

圖7 恒壓供電穩(wěn)態(tài)下電壓電流波形

對于電流型供電方式，在正常工作情況下，網(wǎng)絡(luò)通過岸基電源、電纜以及節(jié)點電源、海水構(gòu)成回路。水下節(jié)點串聯(lián)在主干線路上，從主干線路獲取恒流電能，轉(zhuǎn)換為恒壓電能。各節(jié)點分布電壓如圖8（a）所示，從岸基到主干海纜中間呈降低趨勢，中間點電壓值最低，一端岸基輸出正電壓7.5kV，另一端岸基輸出負(fù)電壓-7.5kV。線路電流分布如圖8（b）所示，各干線海纜電流穩(wěn)定在2A。岸基電源供電總功率30kW，水下節(jié)點獲取總功率26.5kW，線路總損耗3.5kW，線路損耗占比11.68%。由于只有所有海纜電流均為2A，整個線路損耗較高，但是占整個系統(tǒng)供電功率占比仍然在可接受范圍內(nèi)。相比陸地系統(tǒng)，海底光纜網(wǎng)絡(luò)總用電功率小，傳輸效率不是系統(tǒng)首要追求目標(biāo)，而重點應(yīng)該關(guān)注水下節(jié)點獲取到的可用功率。

圖8 恒流供電穩(wěn)態(tài)下電壓電流波形

5.2 海纜故障

在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作后，假設(shè)第四段海纜中間發(fā)生海水短路故障。對于電壓型供電方式，設(shè)定海纜故障時刻t=1s。岸基遠(yuǎn)供電源的電流波形以及各節(jié)點電壓波形如圖9所示。海纜故障點會產(chǎn)生極大沖擊電流，導(dǎo)致岸基電源輸出過流保護(hù)，輸出電壓降為0，各節(jié)點電壓也隨之降為0。目前由于沒有成熟的可用于水下高壓直流斷路器，無法實現(xiàn)故障點的快速隔離切斷，整個供電網(wǎng)絡(luò)會因此停機(jī)。系統(tǒng)需要逐步啟動，排查故障海纜，并將故障點隔離后，重新升壓至穩(wěn)態(tài)恢復(fù)工作。這個故障恢復(fù)時間較長，業(yè)務(wù)因此中斷。

圖9 恒壓供電海纜短路故障時電壓電流波形

對于恒流型供電網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定海纜故障時刻t=3s。岸基遠(yuǎn)供電源輸出電壓波形如圖10（a）所示。當(dāng)單段海水短路故障時，系統(tǒng)中的電流在故障點處分為上、下兩路，分別在故障點上下連接的水下節(jié)點負(fù)載處“海洋地”與岸基遠(yuǎn)供電源“海洋地”重新構(gòu)成回路，岸基遠(yuǎn)供電源輸出電壓自動調(diào)整。由于線路電流恒定，無需采取故障隔離保護(hù)，沒有短路電流存在，其他海纜上仍然保持恒流。

分析海纜上的電流波形，分別選取觀測處位于第1、3、5、6、8、10段線纜，如圖10（b）所示。在故障時刻，越靠近故障點處的海纜電流沖擊越大，沖擊電流大部分來自故障海纜處的接地電容。這是由于在發(fā)生故障時，海纜上的對地電容與故障點處構(gòu)成一個接地回路，寄生電容放電，導(dǎo)致電流流過離故障點最近的海纜。相比恒壓供電方式，恒流供電方式下的海纜故障情況的沖擊電流峰值小很多。在經(jīng)過短暫時間每段海纜重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)時海纜電流為2A。由此看出系統(tǒng)在極短時間內(nèi)重新恢復(fù)正常供電。這表明恒流供電系統(tǒng)對海纜海水短路故障具有良好抵抗能力，整個網(wǎng)絡(luò)供電可靠性高，業(yè)務(wù)不會因此而中斷。

圖10 恒流供電海纜短路故障時電壓電流波形

6 結(jié)語

本文對海底光纜網(wǎng)絡(luò)的供電拓?fù)溥M(jìn)行系統(tǒng)建模，通過仿真對比分析恒壓型和恒流型兩種供電制式。恒壓系統(tǒng)傳輸效率高，輸電容量大，可擴(kuò)展型強，但是對海水短路故障極其敏感，容易引起供電系統(tǒng)崩潰，需要解決系統(tǒng)的故障診斷和隔離能力尤其是短路故障快速隔離難題。恒流供電系統(tǒng)雖然線路損耗增大，但是在海水短路故障后不需要故障隔離操作，不會造成系統(tǒng)崩潰，岸基電源則自動調(diào)整工作電壓，系統(tǒng)仍然能正常工作。恒流供電系統(tǒng)適合于干線相對固定、輸電容量適中，而對可靠性要求高的海底光纜網(wǎng)絡(luò)。