長距離海底光纜網(wǎng)絡(luò)岸基供電方案研究

長距離海底光纜網(wǎng)絡(luò)岸基供電方案研究

0海底信息網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)測海底光纜通信網(wǎng)絡(luò)一直是長距離通信的主要手段。目前發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于海底大洋板塊運(yùn)動等海底地質(zhì)信息或海洋生態(tài)環(huán)境的觀測中,研究板塊運(yùn)動情況以減輕地震等帶來的災(zāi)害或研究海洋生態(tài)環(huán)境的變化,如日本的ARENA水下實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、加拿大與美國之間的NEPTUNE水下探測網(wǎng)絡(luò)。我國作為海洋大國,建立海底信息網(wǎng)絡(luò)對國家建設(shè)具有舉足輕重的意義。海底光纜不僅肩負(fù)著信息傳遞的任務(wù),而且也是遠(yuǎn)程供電的傳輸介質(zhì)。岸基供電系統(tǒng)作為海底光纜網(wǎng)絡(luò)單元提供能量,其性能直接關(guān)系到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)轉(zhuǎn),有必要對其進(jìn)行深入的研究分析。1主要組成設(shè)備海底光纜網(wǎng)絡(luò)供電系統(tǒng)主要由岸基供電設(shè)備(PFE)、傳輸介質(zhì)、分支單元、中繼器和水下用電設(shè)備等組成。常用的岸基供電方式有單端供電和雙端供電兩種。1.1備用供電設(shè)備配置采用單端方式進(jìn)行供電時(shí),僅僅通過一個(gè)端站的岸基供電設(shè)備對整個(gè)海底光纜系統(tǒng)進(jìn)行供電,端站的岸基供電設(shè)備與另一端的海洋地形成供電回路。為了提高供電可靠性,單端供電時(shí)配置全套備用供電設(shè)備。當(dāng)主供電設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)直接切換至備用供電設(shè)備,確保海底光纜網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。圖1是單端遠(yuǎn)程供電的示意圖,所有負(fù)載均由端站A負(fù)責(zé)供電。1.2雙端供電設(shè)備采用雙端供電方式供電時(shí),兩個(gè)端站的岸基供電設(shè)備同時(shí)對串聯(lián)在海底光纜網(wǎng)絡(luò)中的水下用電設(shè)備進(jìn)行供電,兩個(gè)端站共同承擔(dān)遠(yuǎn)程供電所需要的負(fù)荷。當(dāng)一個(gè)端站的岸基供電設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),另一個(gè)端站可以單獨(dú)承受整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的供電需求。圖2是典型的雙端供電示意圖,雙端供電設(shè)備的電壓分別為+U和-U,通過大地連接使整個(gè)海底光纜供電形成一個(gè)回路。當(dāng)端站A或者B的岸基供電設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),另一端的電壓值升至2U。雙端供電方式對于各個(gè)端站的岸基供電設(shè)備要求有所降低,正常工作時(shí)雙端負(fù)荷相對不是很重,是比較常用的海底光纜遠(yuǎn)程供電方式。本文僅討論恒流遠(yuǎn)程供電方式。2海底光纖網(wǎng)絡(luò)的特性海底光纜岸基供電設(shè)備通過海底光纜內(nèi)導(dǎo)電線路穩(wěn)定地向水下用電設(shè)備提供恒定直流。直流-直流變換器負(fù)責(zé)輸出恒定電流并提供反饋來控制電流。為了滿足海底光纜網(wǎng)絡(luò)的特殊需求,岸基供電設(shè)備必須達(dá)到以下供電要求:提供恒定的電流輸出并且輸出功率足夠大,能夠負(fù)擔(dān)起整個(gè)海底光纜網(wǎng)絡(luò)的水下用電設(shè)備的電能;電流波動小,其波動不影響網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)用電設(shè)備的工作性能;開機(jī)軟啟動,防止尖峰電壓損壞用電設(shè)備;恒定電壓模式與恒定電流模式自動轉(zhuǎn)換以控制系統(tǒng)的電壓;具有自動調(diào)節(jié)電流和電壓的控制模塊使得岸基供電設(shè)備在測試負(fù)載的電阻特性、海底光纜敷設(shè)時(shí)的負(fù)載電感特性和正常運(yùn)行時(shí)電容特性條件下均能正常工作;具有多種多樣的電流、電壓報(bào)警系統(tǒng)和保護(hù)性關(guān)閉系統(tǒng)的控制器;具有低頻調(diào)制信號的輸入端口,以便于海底光纜故障點(diǎn)的定位;具有備用系統(tǒng)使得整個(gè)海底光纜網(wǎng)絡(luò)不會因?yàn)閱我荒K故障就停止運(yùn)轉(zhuǎn);市電、電池及柴油發(fā)電機(jī)的接入分別作為主備供電設(shè)備,防止故障時(shí)停機(jī)。以上是恒流供電情況下海底光纜岸基供電設(shè)備的主要技術(shù)要求,針對不同的系統(tǒng)會有不同的特別要求,這里不做具體闡述。3測試負(fù)載的工作原理海底光纜岸基供電設(shè)備主要包括:主電源、備用電源、自動切換設(shè)備、測試負(fù)載、監(jiān)測顯示、報(bào)警系統(tǒng)、蓄電池組、柴油發(fā)電機(jī)組等,其中主電源是岸基供電系統(tǒng)的核心部分。海底光纜岸基供電設(shè)備的主要工作原理是:通過整流器將接入的三相380V市電整流變換為48V直流電,再將整流器輸出與蓄電池組進(jìn)行并聯(lián),對蓄電池組進(jìn)行并聯(lián)浮充,將兩者輸出接到直流-直流變換器,通過串聯(lián)多組直流-直流變換器輸出穩(wěn)定的高壓小電流,對整個(gè)海底光纜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電。岸基供電設(shè)備工作原理如圖3所示。在岸基供電設(shè)備中,蓄電池組是一種穩(wěn)定的直流備用電源,目前均采用蓄電池全浮充方式進(jìn)行供電。交流電正常時(shí),整流器供給全部負(fù)載電流,并對蓄電池組進(jìn)行充電,使蓄電池組保持電量充足,此時(shí)蓄電池組僅起平滑濾波作用;當(dāng)交流電源中斷、整流器停止工作時(shí),蓄電池組放電供給負(fù)載電流;當(dāng)交流電恢復(fù)、整流器投入工作時(shí),又由整流器供給全部負(fù)載電流,同時(shí)它以穩(wěn)壓的方式對蓄電池組進(jìn)行低壓充電。直流-直流變換器是整個(gè)岸基供電設(shè)備的核心,負(fù)責(zé)提供高壓直流,其基本工作原理是:先通過功率開關(guān)管的通斷把輸入的直流電壓逆變?yōu)檎伎毡瓤烧{(diào)的高頻交變方波電壓加在變壓器初級繞組上,然后經(jīng)過變壓器變壓、高頻整流和濾波,輸出所需直流電壓。通常岸基供電系統(tǒng)將若干個(gè)直流-直流變換器串聯(lián)起來,將48V的輸入電壓升高輸出數(shù)千伏甚至上萬伏的高壓,輸出電壓由外部電壓和電流反饋調(diào)節(jié)回路通過調(diào)節(jié)高頻交流方波的占空比來控制,當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí),輸出電壓自動調(diào)節(jié),電流保持恒定。一般通信電源系統(tǒng)中采用推挽式直流-直流變換器和橋式直流-直流變換器。監(jiān)測及控制模塊是岸基供電設(shè)備必不可少的部分,負(fù)責(zé)控制和監(jiān)測輸出、管理設(shè)備和收集警報(bào)信息。岸基供電設(shè)備中,自動切換設(shè)備負(fù)責(zé)將供電模式在海底光纜網(wǎng)絡(luò)和測試負(fù)載之間切換,它同樣負(fù)責(zé)海底光纜接地和岸站接地之間自動切換。在海底光纜出現(xiàn)故障時(shí),它可以將加載在海底光纜網(wǎng)絡(luò)上的高壓進(jìn)行放電。測試負(fù)載是測試與海底光纜網(wǎng)絡(luò)負(fù)載特性類似的負(fù)載,它讓我們可以在完全隔離海底光纜網(wǎng)絡(luò)的情況下對岸基供電設(shè)備進(jìn)行檢測。為了提高海底光纜岸基供電的可靠性,我們在實(shí)際使用時(shí)設(shè)計(jì)備用電源,通常情況下,整流模塊及直流-直流變換器模塊均有一定的冗余度。4多個(gè)整流器串聯(lián)運(yùn)行海底光纜網(wǎng)絡(luò)供電以其大功率要求一直是電力供應(yīng)的難點(diǎn),一般使用輸入的三相380V交流電不可能只通過單一整流器整流就能得到海底光纜網(wǎng)絡(luò)所需要的大功率需求,這就要求我們采用多個(gè)整流器并聯(lián)運(yùn)行。多個(gè)整流器并聯(lián)運(yùn)行時(shí),由于各個(gè)整流器的輸出電流和等效內(nèi)阻實(shí)際上不可能完全一致,不同的輸出電流會導(dǎo)致其中一些整流器負(fù)載過重,從而影響系統(tǒng)的可靠性,甚至造成并聯(lián)失敗,系統(tǒng)無法正常供電,因此我們需要對多個(gè)整流器進(jìn)行并聯(lián)均流。目前通信電源中解決均流問題主要采用的是最大電流法均流和平均電流法均流,采用這類方法時(shí),各個(gè)整流模塊通過自身性能來完成均流,模塊之間只需連接一根均流母線,不需要外部控制,減小了均流失敗的因素。4.1從模塊和主模塊電壓比較最大電流法自動均流控制電路的工作原理如圖4所示,uf為輸出取樣電壓,ur為基準(zhǔn)電壓。各個(gè)整流模塊的電流放大器輸出端通過二極管接到均流母線上,均流控制器的同相輸入端也與均流母線相連。這是一種自動設(shè)定主模塊和從模塊的方法,輸出電流最大的模塊為主模塊。由于二極管的單向?qū)щ娦?n個(gè)模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí)只有電流放大器輸出最大的那個(gè)二極管才導(dǎo)通,因此均流母線上的電壓ub近似等于主模塊電流放大器輸出電壓。對于從模塊,ua<ub,均流控制器同相輸入端的電壓高于反向輸入端而輸出正電壓+uc,使電壓放大器輸入電壓ur1升高,于是模塊的輸出電壓升高,使輸出電流增大,向主模塊靠攏;從模塊的電流與主模塊差值越大,則+uc越大,該從模塊的輸出電壓、電流的增加也越大。這樣就實(shí)現(xiàn)了自動均流。4.2均流控制器輸出電壓過流平均電流法自動均流的控制電路工作原理與最大電流法類似,將二極管換為電阻并在接入均流母線前加入繼電器。平均電流法均流母線上的電壓為各個(gè)整流模塊電流放大器輸出電壓的平均值。均流調(diào)節(jié)過程是:當(dāng)ua<ub時(shí),均流控制器輸出正電壓,使電壓放大的實(shí)際基準(zhǔn)電壓升高,于是模塊輸出電壓升高使輸出電流增大;當(dāng)ub<ua時(shí),均流控制器輸出負(fù)電壓,使電壓放大器的基準(zhǔn)電壓降低,減小其輸出電流;當(dāng)兩者相等時(shí),表明已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了均流。這種均流方法精度比較高,但是當(dāng)單一模塊出現(xiàn)故障時(shí),整個(gè)系統(tǒng)癱瘓,繼電器的作用就是在某個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)將該模塊斷開,保證系統(tǒng)正常工作。根據(jù)最大電流法的工作原理,UNITRODE公司開發(fā)了UC3907集成控制電路,其誤差在±2.5%以內(nèi)。需要指出的是,均流電路只能對整流模塊的輸出電壓進(jìn)行微調(diào),要使得并聯(lián)運(yùn)行的整流模塊運(yùn)行良好,應(yīng)在并聯(lián)前先把每個(gè)模塊的單機(jī)輸出電壓調(diào)成一致(調(diào)內(nèi)基準(zhǔn))。5岸基供電安全管理由于海底光纜岸基供電設(shè)備是高壓輸出,安全問題顯得尤為突出。為了保證安全,在岸基供電設(shè)備中必須設(shè)計(jì)以下的一些安全保護(hù)措施:高電壓模塊必須隔離開,設(shè)置安全鑰匙,在解鎖時(shí)岸基供電設(shè)備立即停止工作;設(shè)置緊急開關(guān)按鈕,使得在發(fā)生特殊情況時(shí)能夠直接停止所有供電設(shè)備;切斷供電時(shí),岸基供電設(shè)備與海底光纜系統(tǒng)直接隔離;自動控制區(qū)與電源區(qū)完全隔離,使得正常使用時(shí)不會存在危險(xiǎn);電源冷卻裝置易于替換,保障系統(tǒng)長期有效正常地運(yùn)行;制定岸基供電安全管理使用規(guī)定。為了保證岸基供電設(shè)備能夠持續(xù)穩(wěn)定正常工作,對岸基供電系統(tǒng)的維護(hù)是必不可少的。制定正常運(yùn)行條件下的每日監(jiān)察制度,記錄岸基供電設(shè)備的電壓、電流值,檢查冷卻設(shè)備。在超出安全閾值時(shí)應(yīng)及時(shí)診斷,對故障定位。定期對備用模塊進(jìn)行性能和供電單元報(bào)警系統(tǒng)檢測,記錄情況。在岸基供電設(shè)備長期運(yùn)行后進(jìn)行離線測試,保證性能。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),及時(shí)切斷供電,按照岸基供電設(shè)備生產(chǎn)方提供的技術(shù)手冊進(jìn)行規(guī)