纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

摘 要：纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)，作為水下信息網(wǎng)絡(luò)體系的關(guān)鍵構(gòu)成部分，對于水下攻防信息傳輸發(fā)揮著至關(guān)重要的保障作用。其中，電能作為纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)的核心要素，其管理系統(tǒng)的穩(wěn)健性直接關(guān)系到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。一個(gè)高效且完善的電能管理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和控制水下節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，為相關(guān)設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的遠(yuǎn)程供電支持?；诋?dāng)前纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢，深入剖析了纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)的功能需求。在此基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu)、硬件模塊以及軟件模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。該研究不僅可以為后續(xù)的纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)供電可靠性研究提供寶貴的參考，同時(shí)對推動(dòng)水下網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展也具有重要意義。

關(guān)鍵詞：纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)；電能管理；遠(yuǎn)程供電

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）02-0120-05

Research and Design of Electric Energy Management System for Cable Underwater Information Network

CHEN Jin1， LIU Dezhuo2

（1.Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China; 2.Unit 91729， Lingshui 572400， China）

Abstract： As a key component of the underwater information network system， the cable underwater information network plays a vital role in the transmission of underwater attack and defense information. Among them， electric energy is the core element of the cable underwater information network， and the robustness of its management system is directly related to the normal operation of the entire network. An efficient and perfect electric energy management system can monitor and control the working state of underwater nodes in real time， providing stable and reliable remote power supply support for related equipment. Based on the development trend of the current cable underwater information network electric energy management system， the functional requirements of the cable underwater information network electric energy management system are deeply analyzed. On this basis， the overall functional structure， hardware modules and software module design of the system are described in detail. This research not only provides valuable reference for subsequent research on the power supply reliability of the cable underwater information network， but also has important significance for promoting the development of underwater network information technology.

Keywords： cable underwater information network; electric energy management; remote power supply

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2025.02.022

0 引 言

隨著科技的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化特征日益明顯的海洋技術(shù)革新與產(chǎn)業(yè)變革中，水下信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已逐步成為其核心領(lǐng)域的焦點(diǎn)[1]。該系統(tǒng)對于海洋研究、探索、開發(fā)及資源利用等領(lǐng)域，扮演著不可或缺的支撐角色。其重要性體現(xiàn)在對海底資源的深入勘探、對人類活動(dòng)可能對海底環(huán)境產(chǎn)生的潛在影響的監(jiān)測、海底科學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施、海底獨(dú)特現(xiàn)象的觀測，以及風(fēng)暴、洋流、地震、海底噴發(fā)和滑坡等自然現(xiàn)象的監(jiān)控等多個(gè)方面，這些功能和價(jià)值為相關(guān)科學(xué)活動(dòng)提供了高效且便捷的支撐[2]。

纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，作為水下通信架構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，承擔(dān)著將陸地岸基站產(chǎn)生的高壓電能通過主干纜安全、高效地輸送至海底水下信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重任。鑒于水下各類儀器設(shè)備對電能需求的多樣性和差異性，直接利用電纜傳輸?shù)碾娔茈y以滿足所有設(shè)備的實(shí)際需求，因此必須對電能進(jìn)行精確的變壓處理，以滿足各設(shè)備特定的運(yùn)行需求[3]。纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)的設(shè)立，旨在實(shí)現(xiàn)對電能供給過程的全面遠(yuǎn)程監(jiān)控與精確控制，確保電能供給的可靠性、安全性和高效性。該系統(tǒng)通過智能化、精細(xì)化的管理手段，保障電能系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，為水下信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)作提供堅(jiān)實(shí)的電力保障[4]。因此，對水下信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在海洋科技未來發(fā)展中的潛在應(yīng)用及其趨勢進(jìn)行深入研討，顯得尤為必要和重要。

1 系統(tǒng)功能需求分析

為了能夠給水下相關(guān)設(shè)備提供長期穩(wěn)定可靠的電源，纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)需對其電能供給情況以及工作環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測[5]，結(jié)合精準(zhǔn)可靠、實(shí)時(shí)高效的設(shè)計(jì)原則，結(jié)合實(shí)際任務(wù)需求，本文研究并設(shè)計(jì)了電能監(jiān)控與管理、環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集、故障報(bào)警與處理以及數(shù)據(jù)傳輸與通信四大基本功能，具體介紹如下：

1）電能監(jiān)控與管理。電能監(jiān)控與管理分為岸基站電能監(jiān)控與管理和水下節(jié)點(diǎn)電能監(jiān)控與管理兩大部分。岸基站軟硬件組成相對單一，本次研究重點(diǎn)為水下各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電能監(jiān)控與管理。

水下設(shè)備中，接駁盒作為核心部件，最基本的功能是將電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換并分配給支路或負(fù)載，其中，負(fù)載包括在接駁盒內(nèi)的交換機(jī)、PLC控制器以及外部的多種科學(xué)儀器。不同負(fù)載對電能的要求不同，需要接駁盒內(nèi)I/I板（恒流轉(zhuǎn)恒流）、I/V板（恒流轉(zhuǎn)恒壓）、DC/DC板的轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)。當(dāng)有任務(wù)需求時(shí)，位于岸基站的工作人員需通過人機(jī)界面進(jìn)行遠(yuǎn)程控制電能分配，結(jié)合實(shí)際任務(wù)，本次設(shè)計(jì)需靈活實(shí)現(xiàn)不少于四塊電能變換模塊（I/I板、I/V板）以及負(fù)載供電的通斷。當(dāng)位于海底的接駁盒發(fā)生負(fù)載短路、過流和漏水等極端情況時(shí)，需及時(shí)將電力通路斷開，將其剝離整個(gè)主干網(wǎng)絡(luò)，最大限度保護(hù)其他節(jié)點(diǎn)，降低對整個(gè)系統(tǒng)的破壞性。

2）環(huán)境數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測。通常情況下，水下所布放的接駁盒與岸基站點(diǎn)至少距離數(shù)千米以上，一旦海底接駁盒腔體漏水，其內(nèi)部設(shè)備和儀器都將無法工作，且維修困難，成本高，會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來難以修復(fù)的損傷[6]，因此一個(gè)干燥安全的內(nèi)部工作環(huán)境必不可少，上位機(jī)界面必須實(shí)時(shí)監(jiān)控腔體內(nèi)部濕度的變化以防止危險(xiǎn)發(fā)生；整個(gè)系統(tǒng)的供電線路若出現(xiàn)異常，會(huì)導(dǎo)致下一級設(shè)備不能正常運(yùn)行甚至不能啟動(dòng)，還會(huì)影響到故障處理及報(bào)警響應(yīng)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性；若線路上產(chǎn)生過大的浪涌電流電量波動(dòng)并長期未得到解決，甚至?xí)龤Чβ书_關(guān)。

為延長系統(tǒng)工作壽命，保證系統(tǒng)故障的及時(shí)處理，在岸基站點(diǎn)現(xiàn)需要對水下主次接駁盒中的環(huán)境數(shù)據(jù)（溫度、濕度以及液位等參數(shù)）進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測，同時(shí)還需要對主次接駁盒中的輸入輸出的電流、電壓，各個(gè)負(fù)載輸入的電流、電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，利用所搭建的系統(tǒng)對采集到的各種數(shù)據(jù)最終通過接駁盒、光電復(fù)合纜傳輸?shù)桨痘闹髡荆詈笤诒O(jiān)控器上顯示，供工作人員查詢。

3）故障報(bào)警與處理。纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗故障性，但水下環(huán)境復(fù)雜多變，無法實(shí)現(xiàn)絕對避免故障發(fā)生，因此需針對可能出現(xiàn)的故障設(shè)計(jì)相應(yīng)保護(hù)方案及報(bào)警功能[7]。結(jié)合實(shí)際情況，整個(gè)系統(tǒng)有可能出現(xiàn)以下三個(gè)方面故障：一是岸基站出現(xiàn)故障；二是光電復(fù)合纜出現(xiàn)故障；三是水下接駁盒出現(xiàn)故障。岸基站故障相對較為容易解決；對于光電復(fù)合纜故障，目前的方法為將其打撈上來進(jìn)行徹底可靠的維修，故障排除成本高；接駁盒是水下核心部件，出了故障需及時(shí)采取措施，將損失降到最小[8]。接駁盒內(nèi)部安裝的控制器可與上位機(jī)進(jìn)行通信，因此可以通過設(shè)置閾值來解決過壓或過流帶來的影響，通過上位機(jī)發(fā)送指令來控制電路的通斷，實(shí)現(xiàn)電氣隔離。

4）數(shù)據(jù)傳輸與通信。整個(gè)纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)的正常運(yùn)行離不開實(shí)時(shí)可靠的通信與數(shù)據(jù)傳輸。岸基系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)之間距離近，工作環(huán)境單一，易于維護(hù)，因此岸基系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)采用RJ45以太網(wǎng)方式連接即可[9]；相反，水下距岸基距離遠(yuǎn)，工作環(huán)境復(fù)雜，維護(hù)成本高，采用海光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信；水下各個(gè)節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境復(fù)雜，采用海光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信[10]；水下接駁盒內(nèi)的各儀器距離近，工作環(huán)境相對單一安全，采用RJ45以太網(wǎng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信。

2 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合系統(tǒng)功能需求分析，纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。從該系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)圖可以看出，本系統(tǒng)構(gòu)建分布式兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，上層為控制管理層，下層為控制執(zhí)行層，采用光纖通信方式。主要用于實(shí)現(xiàn)對岸基高壓直流電能傳輸、水下主次節(jié)點(diǎn)接駁盒中的I/I、I/V板的電壓、電流等參數(shù)的電能實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)水下各節(jié)點(diǎn)的輸入過壓保護(hù)，過壓保護(hù)復(fù)位，電路的切換與接入，以及負(fù)載傳感器的接通和斷開。

水下兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別為一個(gè)主接駁盒和一個(gè)次接駁盒，岸基主站采用高壓直流電源提供1.5 A DC電流源作為輸入，連接一個(gè)主接駁盒以及一個(gè)次接駁盒，其中主接駁盒裝有四塊串聯(lián)的I/I板和兩塊I/V板，次接駁盒則裝有四塊串聯(lián)的I/V板，主/次接駁盒內(nèi)各裝有一臺交換機(jī)。岸基主站輸出穩(wěn)定高壓直流電，由光電復(fù)合纜輸送至水下節(jié)點(diǎn)，水下節(jié)點(diǎn)中的主接駁盒內(nèi)通過I/I板將恒流傳輸給各個(gè)支路的次接駁盒，通過I/V板輸出電壓再經(jīng)過DC/DC的變換輸出合適的電壓給各個(gè)負(fù)載供電；水下節(jié)點(diǎn)中的次接駁盒內(nèi)，電流通過I/V板轉(zhuǎn)換成電壓后通過DC/DC的變換輸出各個(gè)負(fù)載所需要的電壓。

3 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)總體硬件系統(tǒng)分為岸基硬件系統(tǒng)和水下硬件系統(tǒng)，總體硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)如圖2所示。岸基硬件系統(tǒng)的主要組成為主站硬件系統(tǒng)，遵循穩(wěn)定可靠的設(shè)計(jì)原則，主站硬件系統(tǒng)設(shè)有冗余主站。根據(jù)系統(tǒng)功能需求可知，主站硬件系統(tǒng)包括電能監(jiān)控與管理模塊和數(shù)據(jù)傳輸與通信模塊，電能監(jiān)控與管理模塊分為岸基電能采集模塊和岸基電能控制模塊。水下硬件系統(tǒng)主要分為主接駁盒硬件系統(tǒng)和次接駁盒硬件系統(tǒng)，兩者硬件系統(tǒng)的組成大致相同，都由水下電能監(jiān)控與管理模塊、環(huán)境數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)傳輸與通信模塊組成；水下電能采集與管理模塊又分為水下電能采集模塊和水下電能控制模塊，環(huán)境數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測模塊又分為液位采集模塊和溫濕度采集模塊，唯一不同的是主接駁盒中水下電能控制模塊的電能轉(zhuǎn)換板采用I/I板、I/V板和DC/DC板，而次接駁盒中水下電能控制模塊的電能轉(zhuǎn)換板只采用I/V板和DC/DC板。

3.1 岸基硬件系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

岸基硬件模塊主要由工控PC機(jī)和主站構(gòu)成。岸基主站主要作用是控制和數(shù)據(jù)的處理，工作人員通過PC機(jī)讀取采集到的參數(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)合穩(wěn)定可靠的原則，本次設(shè)計(jì)采用冗余備份的方式設(shè)計(jì)了冗余主站，主站接收水下節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行處理，最終通過在岸基的工控PC機(jī)上呈現(xiàn)。主站由PLC控制器、直流電流變送器、直流電壓隔離變送器組成。通過對單片機(jī)、DSP以及PLC等控制部件進(jìn)行比較，從穩(wěn)定可靠以及經(jīng)濟(jì)高效、節(jié)省空間的原則出發(fā)，此次選用PLC控制器作為岸基硬件系統(tǒng)的控制部件，具體選型為SIMATIC S7-200 SMART。它能提供不同類型、I/O點(diǎn)數(shù)豐富的CPU模塊。CPU模塊配備標(biāo)準(zhǔn)型和經(jīng)濟(jì)型供用戶選擇，最大限度的控制成本。模塊介紹如下：

1）電能監(jiān)控與管理模塊。電能監(jiān)控與管理模塊主要包括岸基電能采集模塊和岸基電能控制模塊兩大部分，為實(shí)現(xiàn)對岸基系統(tǒng)電能的采集，需采用電流電壓變送器。一體化集成電流電壓采集器方便高效，但占用空間大、端子多，岸基電能采集需求小，為減少資源浪費(fèi)，經(jīng)分析選用單個(gè)模擬電流電壓變送器。

2）數(shù)據(jù)傳輸與通信模塊。岸基通信可分為PLC控制器與傳感器之間的通信和PLC控制器與PC工控機(jī)之間的通信[5]。岸基主站之間采用以太網(wǎng)方式連接進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，岸基主站與水下從站采用光電復(fù)合纜連接進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。岸基主站中電壓電流傳感器需先將數(shù)據(jù)傳送至模擬拓展塊，再由模擬拓展塊傳送至PLC控制器，兩者之間有卡扣，能直接進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。PLC控制器與PC工控機(jī)之間直接通過網(wǎng)線連接進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，以光交換機(jī)作為中繼節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸與交互。

3.2 水下硬件系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

水下硬件系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)主要包括主接駁盒硬件系統(tǒng)以及次接駁盒硬件系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)。水下環(huán)境復(fù)雜，采集監(jiān)測的數(shù)據(jù)多，被控制電能通斷的節(jié)點(diǎn)多，不同科學(xué)儀器的工作電壓不同，需要接駁盒對電能進(jìn)行合理分配[6]。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠運(yùn)行，主接駁盒硬件電路系統(tǒng)由PLC控制器、一體式電壓電流采集器、高低壓繼電器、溫濕度傳感器、液位傳感器、I/I板、I/V板以及DC/DC板組成。次接駁盒硬件由PLC控制器、一體式電壓電流采集器、高低壓繼電器、溫濕度傳感器、液位傳感器、I/V板以及DC/DC板組成。

4 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)軟件系統(tǒng)分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件主要用于提供一個(gè)友好的人機(jī)互動(dòng)頁面，并實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)之間的通信；下位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)收集并處理由各個(gè)傳感器傳入的數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)傳給岸基，并實(shí)現(xiàn)水下接觸器通斷的遠(yuǎn)程控制[7]。

結(jié)合纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)功能需求分析與總體方案設(shè)計(jì)，整個(gè)下位機(jī)軟件系統(tǒng)的總體工作流程如圖3所示。從該工作流程圖看出，用戶在啟動(dòng)系統(tǒng)后，在系統(tǒng)主頁中遠(yuǎn)程啟動(dòng)PLC，然后通過岸基主站發(fā)送相應(yīng)的控制命令，水下從站在接收到相應(yīng)命令后，按照命令周期性的監(jiān)測溫度、濕度、電流、電壓以及水位等相關(guān)參數(shù)信息，待采集數(shù)據(jù)完成后存入存儲(chǔ)器中，如果有異常數(shù)據(jù)故障現(xiàn)象的發(fā)生，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警并根據(jù)相關(guān)設(shè)置，遠(yuǎn)程進(jìn)行關(guān)斷等故障的處理，同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對其報(bào)警信息進(jìn)行存儲(chǔ)并上傳至岸基服務(wù)器。

整個(gè)系統(tǒng)軟件模塊主要包括電能監(jiān)控與管理模塊、數(shù)據(jù)采集與查詢模塊、故障報(bào)警與處理模塊以及數(shù)據(jù)傳輸與通信模塊四大主要功能。主站與從站之間主要通過get/put指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并讀取從站里對應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)，也可以向?qū)?yīng)存儲(chǔ)區(qū)寫入數(shù)據(jù)，溫、濕度數(shù)據(jù)的采集則通過模擬量轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)，模擬量轉(zhuǎn)換模塊通過get/put指令得到相應(yīng)的實(shí)際數(shù)據(jù)，電壓、電流數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控采用RS485協(xié)議通信，通過設(shè)置設(shè)備地址、波特率等，建立起PLC和傳感器之間的聯(lián)系，具體主站與從站的PLC梯形圖編程如圖4所示。

5 結(jié) 論

纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)中電能是其命脈，一個(gè)良好的電能管理系統(tǒng)是整個(gè)纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的基本保證，本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際需求，研究并設(shè)計(jì)了一套纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)，其功能主要包括系統(tǒng)的電能監(jiān)控與管理、水下接駁盒工作環(huán)境的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測、故障報(bào)警與處理以及數(shù)據(jù)傳輸與通信等，從系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)、硬件以及軟件幾大方面對系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)情況進(jìn)行了全面闡述，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為后續(xù)纜系水下信息網(wǎng)絡(luò)供電可靠性研究提供了有力支撐。

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作者簡介：陳津（1986—），男，漢族，湖北枝江人，副教授，碩士，研究方向：視訊及通信網(wǎng)絡(luò)。

收稿日期：2024-07-05