（机械电子工程专业论文）深海海底观测网络的电能管理系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 深海海底观测网络是针对深海海底探测与研究而提出的课题，海底观测网的 电能管理系统的目的是为了实现观测网电能供给系统的远程监测和控制，保证电 能系统供给的安全。本论文针对当前海底观测网及其电能管理系统的研究现状， 分析了电能管理系统功能需求，并提出了功能实现的方法。论文共分为六个章节： 第一章o 简要介绍了深海海底观测网络，总结了当前电能管理系统的研究现 状，在此基础上提出本课题的研究内容。 第二章：从海底观测网络的电能供给特点，分析了电能管理系统的功能需求， 提出了分级保护的策略，并给出了总体设计方案。 第三章：主要研究了电能管理系统的硬件结构。比较功率m o s f e t 作为开关 器件的优缺点和设计方法。给出了过压短路保护电路的分析和设计，实现了对目 前系统的三路供电输出的电流电压的测量以及环境温度的监测。 第四章：研究了电能管理系统的软件架构，介绍v c 和t c p i p 网络编程技术。 从接驳盒程序和基站程序两方面说明了功能实现方法，并应用了s q l s e r v e r 数据 库技术，以适应长期数据监测的需要。 第五章：给出了研究结果和试验情况，并对试验结果给出了分析。 第六章：对全文作了总结，并对将来的进一步研究作了设想。 关键字：海底观测网络，电能管理，远程监控，过压过流保护。 a b s t i 乙父c t s e a n o o ro b s e r v a t o r yi sas u b j e c ts e r v i c ef o ru n d e r s e ae x p l o r a t i o na n dr e s e a r c h i n g w o r k t h ep u r p o s eo fp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e mo fs e a f l o o ro b s e r v a t o r yi st oi n s u r e t h ep o w e rs u p p l yw o r kp r o p e r l ya n dr e a l i z er e m o t em o n i t o ra n dc o n t r 0 1 o nb a s eo f a c t u a l i t yo fs e a f l o o ro b s e r v a t o r ya n di t sp o w e r - m a n a g e m e n ts y s t e m ，t h i s t h e s i s a n a l y s e st h ef u n c t i o n so fp o w e r - m a n a g e m e n ts y s t e ma n dp u t sf o r w a r dt h em e t h o d s t o r e a l i z et h e s ef u n c t i o n s t h i st h e s i si n c l u d e ss i xc h a p t e r s ： c h a p t e ro n e ：s e a f l o o ro b s e r v a t o r yw a si n t r o d u c e db r i e f l ya n dt h ea c t u a l i t yo f r e s e a r c ho np o w e rm a n a g e m e n ts y s t e mw a ss u m m e du p o nb a s eo fa b o v e ，t h e o b j e c t sa n dt a s k so f t h i st h e s i sw a sp u tf o r w a r d c h a p t e rt w o ：a f t e ra n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs u p p l yi ns e a f l o o r o b s e r v a t o r y , f u n c t i o n sn e e d e di ns y s t e mw e r ep r o p o s e d t h e o u t l i n eo fs y s t e md e s i g n w a sp u tf o r w a r d ，a n das y s t e m a t i cp r o t e c t i o ni ns y s t e mw a sa l s oi n t r o d u c e d c h a p t e rt h r e e ：m a i n l yr e s e a r c ho nh a r d w a r eo ft h ep o w e rm a n a g e m e n ts y s t e m a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f c o n t r o ls w i t c hu s e dp o w e rm o s f e tw e r e i n t r o d u c e d o v e rv o l t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i ta n dm e a s u r e m e n tc i r c u i tw a sd e s i g n e d c h a p t e rf o u r ：t h er e s e a r c hw a so ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo fs y s t e m ，a n dv i s u a lc + + a n dt c p i pn e t w o r kp r o g r a m m i n gw e r ei n t r o d u c e d a l s o ，t h ep r o c e s so fa p p l i c a t i o n s o f t w a r ew a si n t r o d u c e db o t hf r o mj u n c t i o nb o xa n db a s es t a t i o n c h a p t e r f i v e ：t h er e s u l to fe x p e r i m e n to fp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e mw a sa n a l y s e d c h a p t e rs i x ：as u m m a r yo ft h er e s e a r c hh a sb e e ng i v e n ，t h ec o n c e i to f t h ef u r t h e r d e v e l o p i n gw o r kw a sp o i n t e do u t k e yw o r d s ：s e a f l o o ro b s e r v a t o r y , p o w e r o v e rv o l t a g ea n do v e rc u r r e n tp r o t e c t i o n m a n a g e m e n t ，r e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o l ， i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：舞文融 签字日期：扣o 年3 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者鲐裔枷 签字日期：扣口年) 月1 日 孙签氢，似 签字日期：为l 。年多月f 日 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 本文是在我导师金波副教授的悉心指导，细心关怀和鼓励下完成的。金老师 在论文的选题，研究方法以及论文的撰写过程中都给予了精心的指导。导师渊博 的理论知识，严谨的科研作风，无私的敬业精神都让我受益匪浅，并将在未来的 工作和生活中仍然给我以鼓励。在硕士论文即将完成之际，谨向我的导师金老师 致以最诚挚的感谢。 感谢海洋组的老师杨灿军教授，李德骏副教授在课题研究的过程中给予的悉 心指导和关怀，在海洋组的学习和科研中，让我学习到了很多。杨老师和李老师 在生活上的关怀，使得在海洋课题组的两年多时间给我留下了许多难以忘怀的美 好回忆。 感谢实验室和课题组所有的同学和朋友，感谢机电0 7 硕全体同学，你们的 关心和帮助让我的学习和生活丰富多彩。 衷心感谢我的父母和女友，在我求学的道路上，你们是我的精神支柱，让我 勇敢的面对生活和科研学习中的困难和挫折。 最后，谨祝所有帮助过我的人身体健康，工作顺利。 薛志刚 2 0 10 年3 月于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 海底观测网简介 第一章绪论 深海海底观测网络是近些年来提出的新课题。人类对于海洋的了解已经远远 落后于对太空的了解，由于海洋环境的特殊性，海底探测的工作已经严重落后于 人类的需求。随着科技的进步和发展，海洋探测的技术越来越能够支持他向广度 和深度发展。 发展海洋探测技术具有非常重要的意义。地球的三分之二是海洋，海洋资源 极其丰富，当地球的资源慢慢耗尽，人类对于开采海洋资源的欲望越来越为迫切。 海底世界的地质活动频繁，甚至保存着非常古老的标本，研究海底世界的地质活 动和存在的物质对于地球科学研究非常重要的意义，而这些研究都需要对海底的 深海热液，地质结构，沉积物组成进行数据分析，以期能够得到地球可续研究的 事实依据。 海底观测网络系统的想法最早是出现在冷战时期的美国海军的水声监视系 统( s o s u s ) 中获得，这个系统由安置在大西洋以及太平洋中的许多水下听音器 组成，以此监听苏联潜水艇的动向。后来，此系统的思想经过改进和增加了许多 新的海底观测功能，慢慢形成了深海观测网络系统的构成思想，就是将观测平台 放置到海底，将放在海底、埋在钻井中和海水中浮着的监测仪器联网，从而在海 底组成了一个原始数据采集网络，然后将这些采集数据送到岸上的基站进行分析 和处理。海底数据采集网络与基站间的通信可以分为无线通讯方式和有线通讯方 式，无线通讯方式包括卫星通讯、数传电台以及c d m a 等，有线通讯方式通常指 传统的光纤通讯。 国外从9 0 年代开始进行真正意义上的海底观测网的研究，典型的代表有夏 威夷2 ( h a w a i i - 2o b s e r v a t o r y ，h 2 0 ) 海底观测网络，n e p t u n e ( 海王星) 海底 观测网络，m a r s ( 火星) 海底观测网络。国内研究的代表有上海“海洋环境立体监 测系统”技术及示范实验，珠江口“海洋环境立体监测”示范系统( p e i o s ) ，台 新缸太学顾学位论文 湾海峡及毗邻海域“海洋珈力环境立体实时监测”系统以及从2 0 0 7 年开始的浙 江大学“z e r o ”海底观测网络试验节点。 海底观测网络的建立主要有以下意义： 1 它是一个大范围海底覆盖的基础，有了观测厨，观测设备或者观测点特 不在是一个孤立的点，不同位置的同一研究内容可以容易的得到比较和分析新 的观测点将客易的加入进观测网，真正的具备如同岸基一样网的概念 2 海底观测网实现了能源供应和信息传送的网络化，使得观测网可毗长期 的，持续的工作。电能将不在受自带电琢能量的限制，信息将更方便的发送至岸 基。 3 可以方便的观测实时的信息，及时得到第一手资料。特别是对于原位观 测系统有特别的价值和意义。 一个典型的海底观剥网络的结构图如图l 一1 。 圈卜l 一个典型妁海底观测网络结构囤 由圈可见，一个完整海底观测网络从功能上分可以分为观测仪器( 科学仪 器) ，电能供给系统，信息系统三个主要部分而从结构上分，可以分为基站部 分，海底接驳盒，海底电压转换设备以及科学仪器。田卜2 示意了“863 ”海底 长期观测网络试验节点关键技术项目的结构图。 翥奢 浙江人学硕士学位论文绪论 岸纂a c d c 电压源 基站服务器 数獬服务器 图1 - 2 海底观测网络结构示意图 其中的接驳盒是观测网水下的电能和信息的控制中心，是电能供给的控制中 心，也是信息传递的中转中心，在整个海底观测网中具有非常大的重要性。 1 1 2 海底观测网中的电能管理系统 在海底观网中，为了提供整个系统运行的可靠性，电能的可靠性是一个非常 关键的因素，接驳盒作为电能供给控制中心，须要一个电源管理的系统来确保电 能供给的可靠和稳定。 首先，在岸基的科研人员需要能够随时监控到电源的运行状况从而间接的监 测到科学仪器的运行状况，这就需要电源管理系统有一个监测的功能。 其次，尽管海底d c d c 降压型转换设备的在努力之下性能已经有突破性的体 升，但和陆地的变电设备相比还有一定的距离，这就需要当应急情况出现时候， 电能管理系统能够为科学仪器起到保护或者隔离，这是电源管理系统保护的功 能。 另外，科学仪器也不是百分百可靠和安全，它工作于接驳盒外的深海海底环 浙江大学硕上学位论文绪论 境中，可能由于复杂环境和线路问题等可能引起供电短路等现象，为了防止它对 整个供电网络的影响，当发生故障状态时，电能管理系统应该尽快将其隔离，以 免对整个网络造成影响。 1 1 3 课题研究意义 随着科技的进步，系统的复杂性越来越大，而作为系统的动力一电能被越来 越重视。用的好它能为人类服务，稍有不当就能变成人类的灾害之源泉。正因为 这个原因，电源管理系统在陆地的常规系统中已经研究的非常多。 尽管在建和筹划的观测网络还有不少，但是有资料的支持的研究工作发表的 还不是很多，一方面观测网络的课题还刚刚兴起，投入正式使用的又少之又少， 对于属于完善系统功能的作用的电能管理系统还不够重视。另一方面，一般的电 能管理系统方案也能选择性的使用。但是一个适用于海底观测并且与之硬件环境 配合很好的电能管理系统是非常必要的，在将来的发展中必将衍生出更多的课题 【4 ，l 一1 5 1 1 2 研究现状 1 2 1 常规电源管理系统的研究 一笔记本电源管理系统h 0 1 1 4 2 1 笔记本电源管理系统分为充电控制器，选择器b q 2 4 7 0 0 b q 2 4 7 0 1 芯片以及锂 电池几个部分，充电控制器，选择器b q 2 4 7 0 0 b q 2 4 7 0 1 完成电池充电、适配器以 及电池选择供电等功能。 图1 - 1b q 2 4 7 0 0 芯片 4 一一一一眦一一一一淤汕滞洲黼一 旌挖纠伯侣仃惦牾似仍 ，2 3 4 5 6 7 8 9 m 住 e e e e e e e l e 引c一一一一一一一一删脚 浙江大学硕士学位论文 绪论 图卜3 是动态电源管理芯片b q 2 4 7 0 0 b q 2 4 7 0 1 ，它是t i 公司为笔记本p c 专 门设计的具有动态电源管理( d p m ) 功能的电池充电控制器和选择器。该器件利用 了期限动态电源管理以及a c 墙上适配器可以自动调节电池的充电电流，从而可 以使得电池的充电时间达到最短。b q 2 4 7 0 0 利用了选择器可以选择电池或a c 墙 上的适配器作为主系统的电源，同时它还可利用3 0 0 k t t z 的固定频率和p w m 来精 确控制电池充电的电流和电压。在对镍镉或者镍氢电池和锂离子或者锂聚合物电 池组( 或者包) 充电时，充电电流精度为4 。当对锂电池充电的时候，充电的电 压精度可达到0 4 。器件中的p w m 控制器适合于在墙上适配器电压高于电池电 压情况下的降压变换器中使用。在电池过放电情况下，为了保护电池，b q 2 4 7 0 0 可执行耗尽电池的检测与指示的功能。 图1 - 2b q 2 4 7 0 0 组成的笔记本p c 电池充电器电路 电池的充电电流i b a t 是适配器电流i a d p t 和系统电流i s y s 的差值，即i b a f i a d 盯i s y s 。如果i a a t 与i s y s 和超过适配器的电流的限制，通过o p m 功能可以减小 电池的充电电流，从而使整个输入电流的消耗维持在墙上适配器的限定容量范围 之内。随着系统电流的变小，充电电流会增大，从而使得电池充电的时间缩短到 最低的限度。 d p m 可通过电池充电的方式来调节电压、充电电流以及适配器，从而使充电 浙江大学硕上学位论文绪论 电流的三个控制环路进到p w m 控制器。假设三个用户的编程门限有任意一个来 到，相应的控制环路将给p g m 控制器发送命令减小占空比，以减小电池充电电流。 a c 适配器的检测 i c 的a c d e t 脚( 1 脚) 通过外部电阻分压器来检测a c 适配器的存在及其功率 损耗。在应用电路中，由于r 1 连接于阻塞二极管d 1 的负极，故要求适配器电压 v a d p t 1 8 v ( 当v a d p t 1 8 v 时，r 1 连接到d 1 正极) 。当a c d e t 脚上电压低于内部 比较器的1 2 v 参考电平时，i c 将进入睡眠状态，p w m 控制截止，q 2 关断，q 3 导通，从而选择电池作为系统电源。系统( 负载) 电压可通过v s 脚上的电阻分压 器进行监控，以便在q 2 出现短路而适配器电源仍存在时，对系统电源提供保护。 电池充电操作 b q 2 4 7 0 0 中的固定频率p w m 控制器可用于为电池充电提供闭环控制。电池电 压v b a t 、电池充电电流i b a t 和适配器充电电流i a d p t 三个控制参数，既可由键 盘d a c 或i c5 v 参考电压外部的电阻分压器来进行编程，也可利用内部参考电压 ( 1 2 5 v ) 来编程。适配器电流和电池充电电流可分别利用低值电阻r 5 和r 6 来检 测，并被反馈到i c 内部相应的跨导( g i n ) 放大器上。电池电压则通过r 7 和r 9 组 成的分压器检测，并将检测信号反馈到i c 内部的第三个g m 放大器。 二通讯电源管理系统吲们 随着通信事业的发展，通信系统中的电源系统容量越来越大，结构也越来越 复杂，为了保证通信系统的稳定运行，电源系统的可靠性是非常重要的。为了提 高电源系统运行的可靠性，除了对电源本身做出改进，降低故障率以外，对电源 系统运行状况进行监控也十分重要。 图1 - 5 为广东有线广播电视台的电源集中管理监控系统架构图，监控系统采 用模块化分布结构，是一个主从分布式控制系统，主要完成以下功能：由各设备 监控单元完成原始数据的采集、设备操作的执行、应答支局监控器的访问；支局 监控器通过r s 2 3 2 或r s 4 8 5 总线不断循环访问各设备监控单元，获取最新数据； 支局监控器随时应答远程监控中心各种访问命令。 6 浙江大学硕士学位论文 绪论 ( 远程监控怖) y 8 0 0 l |广州中心机房 i l 一a ： i 一一 l r s 4 8 5 厂哪t - ll t x v l l l7 x v l l | lf x y l l t1 1：v 1 1y 1 lv 1 l f s d h 孵v l 】勤务通道 l l y - n v 。1 1 l v 。i l i v 1 1 掰1 1f i x v i i f | ，? t - l t j c v l l l ii l l r s 4 8 5 fl 辐4 8 5 | lr 5 4 8 s ii ! 竺 ；| i 獬l 凯。 卜颓锤站i卜墩站il 囤 1 l v 1 i i i s d h 网y 1l 勤务通道 【 il 1 i f 】lv 11 l v 。1 1v 。l l ? b q i i t x y l l制i l il i x v l l ji j r s 4 8 5 i i r 5 4 8 5 i l i 1 , $ 4 8 5 i l r s 4 8 5 | | _ 删站l i 中山站j 怦庆站l 孵网 图1 - 5 广东有线广播电视台电源集中监控系统 综合归纳起来目前电源管理系统的有以下特点k 乱： 1 都有软硬件的支持。 2 都是为了系统的安全性和稳定性。 3 电压越高，监控范围越广，远程化趋势越越明确。 1 2 2m a r s 海底观测网络的电源管理系统n 町 观测网本身是一个比较新的课题，近些年来国际上的研究慢慢延伸到了多个 国家，其中m a r s 观测网在美国已经取得了比较大的成功，对我们的借鉴意义也 非常大。关于m a r s 的电源管理系统的资料并不是很全面，但是我们还是能够从 图1 - 6 的接驳盒供电系统中可以了解到它的结构。 7 浙江大学硕士学位论文 绪论 珂啪 一 k 匣l i - h 1 磊 i 一 捌刎 瑾；d c l k 裂 i t 诬n 幛 1 撩一 _ _ 门掣， 一 房i f 蛔=二 一悃、州“7 l = 羔 l tt p 口 s r t e m a 嘲 棚纳硎 d 琅h 啊 秭 舌 蚪 蛆，百 图1 - 6m a r s 海底观测网电源系统结构图 美国m a r s 的电源管理系统中，采用了p c 1 0 4 的控制主板作为主控单元，通 过将i o 口的信号进行隔离放大对开关进行操作达到了电能分配的作用。通过以 太网的通讯方式，在基站监测和控制接驳盒的电能运行状况。图1 - 7 为m a r s 基 站的电能管理系统远程监测界面。 新江大学颅学位论文 囤卜7 心海底观测网络基站监控界面 从m a r s 的海底观测网的资料来看，它是以p c m 工业级主板作为主控处理器 有p c m 控制主板的r o 作为控制信号，经过隔离放大后控制电能管理系统的开关 器件，按照控制策略进行控制m a r s 的结构代表7 当前海底观测网电能管理系 统的主流结构和思路，对我们项目的研究情况具有启发意义 12 3n e p t i j n e 海底观渊网络的电源管理系统。川 加拿大n e p t u n e 的电源管理系统的公开资料着重介绍了硬件上的设计，它的 电路硬件结构图如图1 8 ：它采用了先输入滤波后过压保护控制的结构方式。 围卜8 4 e p t u t 4 e 海底观利网络电能管理系统硬件结构 浙江大学硕上学位论文绪论 在n e p t u n e 中使用了半导体的开关器件作为控制开关，对我们课题的研究有 启迪意义。 1 3 技术难点分析 海底观测网中的电源管理系统由于工作在的电能网络的特殊性，以其海底观 测网本身对它的要求，它的设计和实现需要有一定的适应性，它主要表现在以下 几个方面： 首先，它应当是非常可靠的。课题服务的对象是多个学科的研究人员共同开 发的，其凝聚了像地球科学，化学学科，材料学，机电仪表等等的相关研究人员 的心血，每个所设计出来的探测设备，侧料仪表，为了达到深海密封，深海未知 环境运行等，都是经过大量的研究才设计完成，代价相当昂贵，而且正是由于这 些设备仪表的技术还处于探索试验阶段，可靠性还没有设计到足够的程度，显得 容易被破坏和发生异常，这就需要电源供给有相当的稳定性和可靠性，才能保证 这些设备运行的正常和数据测量的精确性。 其次，系统具有自适应性。尽管观测网的设计实现了岸基与海底接驳盒的通 讯以及岸基对海底接驳盒的各种设备进行控制和监测，但是由于监测设备和通讯 设备只有在得到电源的供给后才能正常工作，那么在这个整个系统开始启动到监 测设备和通讯设备工作后的这段时间里成为监测和控制的盲区，如何避免在这个 盲区里面的故障发生也成为了设计需要考虑的问题。 再次，体积应该当尽可能的小如果不考虑体积和成本等原因，只要作为密 封的腔体足够大，陆地上的配电网络甚至可以直接运用到海底环境当中，然后这 些显然是不现实的。密封的空间越大，成本，设计成本，加工难度都成级数增长。 在未来的成熟的海底仪器中，所密封的空间是应该满足需要的情况下尽可能的 小，所以我们在设计每一个深海设备和仪器都应该考虑到体积的影响。 最后，散热情况应该得到充分保障。由于设计空间的狭小，电路器件堆积的 环境难免出现热量集中的情况。如果热量集中的地方没有良好的散热条件，在长 时间运行后，有可能发生运行故障甚至危险情况的发生。 所有的这些都要求在设计和实现的时候都要严密的计算和分析它的有效性 和可行性，才能使得它不仅能够实现预定的功能，并且能够长期的可靠稳定工作。 l o 浙江大学硕上学位论文绪论 1 4 本文研究内容和意义 本文的研究内容为建立在海底观测网络电能传输方案的基础上，提出了海底 观测网电能管理系统的功能和与之对应的实现方法，并且经过理论分析来确定了 方案的实施和参数的确定，最后，通过实验验证了方案的可靠性和有效性。 具体来说主要有以下几个方面： 1 由于海底观测网络包括其中的电能管理系统属于特殊的研究项目，没有 现成的产品能够满足现有的需求，所以本文首先分析了现在国际上的海底观测网 络输能方案( 也是本项目中使用的方案) 中对电能管理系统提出的要求，用仿真或 者计算的方法明确了整个观测网启动，停止，故障情况等对观测仪器的损害或者 潜在危险，明确了电源管理系统的任务需求。 2 分析了可能出现的故障情况，需要进行隔离的出现时间点，对于隔离方 式进行了分析。对于电路中容易的过压( 包括电源过压和瞬时冲击) 的情况进行 了处理方式的研究，并根据实际应用经验，仿真和理论计算得出了设计方案。 3 设计了电源管理系统的硬件电路和上下位机软件，实现了保护功能以及 岸基对海底设备运行状况的在线实时监测。在电路设计的过程充分考虑到了可靠 性和稳定性，软件的设计按照长期性监测的目的进行了改进，将采集的数据存储 进数据库，并将近期数据显示于曲线，以方便直观的观测。 4 最后对软硬件进行了调试，验证了设计方案中的要求。 1 5 本章小结 本章首先介绍了海底观测网以及处于海底观测网中的电源管理系统。接下来 分析了国外现有的几个观测网中的电源管理系统的研究情况，根据他们各自的侧 重点提取出有参考意义的内容。最后，论文提出了本课题所做的工作和难点。 浙江人学硕士学位论文 电源管理系统的系统功能分析 第二章电源管理系统的系统功能分析 2 1 海底观测网的直流输电系统 在目前的海底观测网络输电系统中，都采用的是直流输电系统。原因是相比 交流输电系统，直流输电系统有以下方面的优点： 1 线路造价低。交流线路一般需要3 根导线，而直流输电需要2 根导线甚 至只需要1 根导线( 以大地为回路) ，也正是这个原因，一般直流输电的线路损 耗比交流输电要小。 2 在导芯和绝缘条件相同的情况下，直流输电能够允许的电压是交流有效 电压的3 倍。而且绝缘材料在交流传导中，老化的速度大大快于直流传导。 3 调节速度快，系统更稳定。 基于以上原因，直流输电系统特别适用于远距离大功率，特别是海底电缆送 电。岸基基站得到1 0 k v 高压后通过光电复合缆送入海底，由于水底设备的科学 仪器需要低压电源。因此在海底备有2 级降压设备，第一级10 k v - 3 7 5 v ，第二级 3 7 5 v - 4 8 v 。 相 交 流 系 统 基a c d c 转换设备 ( 1 0 k v ) 图2 - 1 海底观测网络直流输电系统示意图 海 底 观 测 网 供 电 网 络 以上介绍了海底观测网中使用的直流输电系统。 由于现实条件以及未来的布网要求，海底观测网络中的直流系统有以下几个 特点： 1 课题的前沿性和特殊的运行环境和高难度的技术指标。海底直流高中转 换设备的研制处于不断的提高和进步中，它和陆地的转换设备相比，成熟度还不 够高，它所输出的直流电供应的质量相对较低。 浙江大学硕上学位论文电源管理系统的系统功能分析 2 直流传输的长距离性。按照观测网的概念，一个高中压转换设备和一个 接驳盒承担起了一个节点的输能和通讯。围绕着这一中心节点的支节点有可能远 离它l o k m 以上，这样的长线传输将会在系统开启时候产生较大的冲击。这也是 造成电能供给稳定性不太高的一个因素。 2 2 电源管理系统的技术要求 2 2 1 远程监测 电源管理系统如同观测网建立的初衷之一一样，需要能够实时的监测原位分 析系统的运行情况【2 0 h 2 2 1 ，实际上在这样一个环境下，系统本身也成了一个原位 数据分析系统。对于电源管理系统，我们需要监测的数据有电压信号，电流信号， 温度信号，以及故障标志等以确定实时运行工况，当发生故障时也能判断除故障 的原因。在这些数据的基础上，岸基人员能够做出相应的反应，无论是进行电能 的分配操作还是进行手动的故障隔离，或者是对故障情况进行测试和分析，都将 通过基站来实现。远程监测是海底观测网电能管理系统的基本功能之一，它也是 整个海底观测网运行的重要的了解窗口。它的总体功能结构如图2 - 2 。 2 2 2 电能分配 图2 - 2 电能管理系统的远程监测 电能的分配是通过电源管理系统对电源线路的开启和关闭实现的。当海底观 浙江大学硕士学位论文 电源管理系统的系统功能分析 测网布放完成后，其对应的线路或者端口已经完全确定，然而所挂载的科学仪器 却可以随着r o v 的水下操作可能发生改变。无论科学仪器的位置如何改变，它所 在的电源线路是可控的，我们通过远程监测程序进行操作能够将电能分配到既定 的端口，同时当监测到节点的故障情况时候通过电能分配的方式进行强制的故障 隔离，以免影响其他节点的运行。电能的分配也是电源管理系统的基本功能之一。 在本项目的试验系统中，我们的电源管理系统采用了3 个电源输出口，分别对应 了物理原位分析系统，化学原位分析系统和摄像系统。 2 2 3 过压过流保护 由2 i 中的介绍可知，海底观测网络的直流输电系统的局限性和科学仪器的 贵重程度决定了电源管理系统需对不正确的电源供给做出相应措施，同故障隔离 不同的是，它隔离的是输入电源。当电源管理系统监测到不正确的输入电源特性 时候应该快速的从负载处断开，以免对科学仪器造成永久性的损害。过压和过流 是电源性损害的主要表现形式，可能同时发生。 过压情况主要是由高中压转换设备和中低压转换设备的输出特性决定的，由 于技术的局限性，高中压转换设备在开启，关闭时候产生的波峰电压特性将可能 对科学仪器造成损害。这些输出特性具有不确定性，同时中低压转换设备在这些 极端环境下的输出特性就目前而言尚未完全在控制范围之内。我们所要做到的就 是尽可能防范可能出现的故障情况b 如引。 关于过流保护的情况，本文后面将就过流提出分级处理的控制策略时候将详 细说明，过流通常我们将它分为以下三种情况： i 电压超过了额定电压，使得流过负载的电流超过了额定电流而损坏科学 仪器。这种情况实际上已经被过压保护所包含了，所以在过流保护中我们不在考 虑此现象。 2 科学仪器内部故障使得负载异常但不过流时，使得在正常电压下的电流 超过了额定电压。由于这种情况并不会对供电网络造成进一步的损害，而且具体 情况还需要由仪器的使用者作进一步的判断和分析，以明确科学仪器是否处于故 障状态。所以这种保护采用岸基基站报警，监控人员手动隔离的方式进行保护。 由于以目前的数据来看，大部分观测设备的功率区间范围5 0 瓦到15 0 瓦之间， 1 4 浙江大学硕士学位论文电源管理系统的系统功能分析 4 8 v 供电电流时在1 - 3 a 之间。 3 由于科学仪器内部故障发生短路或者外部线路原因发生短路，电流急剧 增大，造成对供电网络的影响。这种情况需要马上处理，在本项目中统一按短路 保护处理。 我们以电流为1 0 a 作为临界点进行处理。所以我们的过流控制策略如下： 1 如果输出电路短路，应该马上处理。 2 如果输出电流在1 0 a 以上，但是不短路的情况下，由于这种情况比较少 见，且电流的变化需要一定的时间，处理紧急度低于第一种情况，这种情况 的处理方式由软件设定处理。 3 如果科学仪器功率发生改变，但是电流在1 0 a 以下，这种变化暂时不影 响科学仪器和整个供电网络的运行，是否需要故障处理，则由岸基基站科研人员 分析确认后再进行人工处理。 2 2 4 浪涌电压的冲击抑制和保护 浪涌电压在长距离传输中是经常会出现的。它的特点是持续的时间短，电压 幅值的不确定。 浪涌电压一般发生在供电网络供电的启动阶段，由于输电系统存在的等效电 容，当电源接通的瞬时将产生大于稳态运行的时的电流。另外一种情况是网络中 接入或者断开感性负载时候产生的电平干扰。 这种情况一般危害性不大，常见的供电网络中都有这种现象。且在本系统的 结构中，d c d c 高压转中压的设备已经考虑了此问题，在电能管理系统中作为次 要考虑。 限制浪涌电压和冲击的最简单方法是在负载终端前串入n t c 热敏电阻，冷启 动时，热敏电阻处于高阻状态，因而可以限制涌入的电流。电流的热效应将使热 敏电阻的温度升高，n t c 的阻值将急速下降，从而减少对系统的限流作用。但是 同时n t c 热敏电阻在热态下的阻值并非等于0 ，所以产生一定的功率损耗，从而 影响到系统的效率，本文也将这一问题进行一定的分析。 浙江大学硕上学位论文电源管理系统的系统功能分析 2 2 5 分级控制的策略方案 在以上的分析中可以看出，电源管理系统既有硬件的参与，又有软件的处理， 同时还有人的干预。无论是供电异常而设备保护作用，还是设备故障而进行隔离， 或者是系统运行的需要进行的电能分配管理工作，都可以由人的参与或者是软件 的参与，甚至直接由硬件电路完成。那么到底是哪些工作需要硬件电路完成，哪 些需要软件的分析和控制，而哪些又是人的干预陋4 1 1 5 卯。因此我们在系统中进行 了分级别的控制策略方案，我们将系统中的危险等级如下： i 级：系统启动，系统关闭，科学仪器功能异常的强制隔离。 i i 级：功能发生异常，功率异常。 i i i 级：过压，短路。 i 级的危险性是最低的，他们的干预时间是分钟级别的，甚至长时间没有干 预也不会对系统的安全性造成危害，且它发生的故障原因可能难以确定，所以这 一级别的操作是由基站人工的干预完成。 i i 级是系统稳定运行时候的发生了变化，但是这些变化不是很快的，对系统 的影响是秒级别的，在本项目中，我们设定如果监测电流超过了额定电流即为功 能和功率异常。这一级别的控制采用软件采集加判断来完成。 i i i 级是最危险的，危害的发生是毫秒级的，最主要的是指过压和短路，这 两种危险对系统的损害是极其严重的，我们应当反应最快的。这一级别的操作由 硬件电路直接完成，无需人工和控制的干预。 2 3 总体设计方案 根据上面的分析和总结和实际项目中的研究情况，海底观测网络的电源管理 系统的总体结构如图2 - 3 。 浙江大学硕士学位论文 电源管理系统的系统功能分析 l 数据服务器基站蕊测书机 l 一 i 二二二士二二七二二二二 d c d c i 数据卡 一接警 高 i 网阿 巾 i h l 低 一一了墨。熹。一彳l 卜叫钧瑗鳜皱轰娩 蕊 l 。一一一一l 纷锯丹戈h 一ji 浓溺缈 i i 一控锄嚣篾二ii 一叫化譬叛证蒹镜 级 艇路镶护卜_ _ - _ i - - 4 拧锯黪篾兰t | 1 转 l 放援缀爹 i 一兰兰兰釜j 叫摄激生穆留 l k 一j l 换l i 设 l r 1一，一一一一0 一一。i ：i 愈他哦鲥ii 嘲墟哦捌ll 瓣 岛融榭ltl 鍪 !i 睁蚴；! j 兰兰竺l 兰兰塾i 图2 - 3 海底观测网络的总体结构示意图 在图中，两个大虚线框的内容都属于电源管理系统的范畴，可以看出，电源 管理系统主要包含两个部分，基站部分和接驳盒部分。接驳盒部分都是处于海底 的，它是现场前端计算机，将远端的信息和数据采集，并发回基站，它同时也需 要执行基站给它发送的命令。 基站部分处于岸基计算机或者服务器，它的主要是和接驳盒工业c p u 主板通 讯，进行处理和数据的记录。基站部分和接驳盒部分的依赖在于网络的通讯，它 是符合海底观测网路的建立思想的： 1 基站部分也是整个海底观测网络的一部分，它是主干网的一员，可以方 便的同海底设备进行通讯和数据交换。 2 尽管项目作为实验性课题，但是设计的时候考虑到了建网的特点，接驳 盒部分和基站部分完全可以通过网络节点的加入达到扩充观测节点的范围，使之 成为真正意义上的观测网。 浙江大学硕士学位论文 电源管理系统的系统功能分析 2 4 本章小结 本章分析了海底观测网的直流输电系统，从技术上和结构上提出了观测网对 电源管理系统的技术性要求。根据国内外研究情况和现有技术条件确立了电源管 理系统的总体结构，给出了研究的方案。并提出了风险分级处理方式，以提高系 统的可靠性和稳定性。 最后，从本项目中的研究情况延伸到整个观测网的扩充能力，为将来的观测 网的真正实现做出预想和铺垫。 浙江大学硕士学位论文电源管理系统硬件设计 第三章电源管理系统硬件设计 3 1 开关方式的比较和选择 3 1 1 开关器件的要求和在系统中的作用 在硬件设计这一节开始之前，不得首先对开关器件的选择和分析做一个充分 的研究和理解。开关器件的分析和选择在本论文研究过程中有比较重要的地位， 在本项目初期，选择和使用了机械式继电器作为开关器件从事分析和试验，在实 际应用的过程中出现了与期望相背离的结果，甚至有较为贵重的海底监测设备损 坏的现象，最终在理论分析和试验验证的方法下进行了最终方案的设计和验证。 现对其进行详细的描述。 由于在海底观测网络这样一个特殊环境下，开关器件所扮演的角色非常重要， 具体表现为以下几个方面： 一它是电能分配的执行者，应当非常可靠。它起到了同一般应用中的开关 通和断的作用。具体到本课题中，岸基的科研人员应该能够远程的进行各受能系 统的得电和失电，它的稳定性要求就如同对给予观测网所供给的电源的要求一 样，否则它在系统中不能增加稳定性保证。 二它是本系统中科学仪器的保护者，理论上讲，当出现应应急情况或者故 障状态时，为了保护后端的设备和仪器，开关应当处于关断状态，但是当应急情 况或者故障状态消除时，开关器件应该能够恢复到正常通电状态，所以实际上当 这些状况发生时，开关器件应当仍然处于供电网络中，只是将科学仪器隔离出了 供电网络。但是，这些异常状态发生时，网络中往往伴随着电压不稳，过压，过 流，冲击等等各种情况，它的生存和适应能力需要经受住这些恶劣情况的考验， 这样它才算能够发挥到它的作用。开关器件在电源管理系统中的作用示意图如图 3 - 1 。 三它的响应应当非常迅速。海底探测设备一般都是复杂且也处于试验阶段 的，其稳定性保证尚没有经过长期和恶劣的工况验证，有些化学传感器在过压情 况下损坏的时间相当短暂，以毫秒级计算，在发生应急情况时特别是过压过流冲 浙江大学硕上学位论文电源管理系统硬件设计 击的时候，开关器件除非能够非常迅速的做出响应，否则难以保证破坏性的状况 是否发生。 ：。缀的扰动 开关器件 舰测网仪 电能供绘列t 盘 器翱设籍 3 1 2 电磁继电器和直流继电器 图3 - i 开关器件的角色 工业中常用的直流集成开关器件主要是电磁式机械继电器和半导体集成的 直流固态继电器。 一电磁式机械继电器u ” 电磁式继电器是家电，汽车电子等最常用的控制开关。它作为一种电子控制 器件，分为输入回路和输出回路，相对应为控制回路和被控制回路。可以用较小 的电压电流来控制大电流大电压，起到自动调节和安全保护等作用。它的结构如 图3 - 2 所示。 衔铁电磁缝电器魁点 镁篷 图3 - 2 电磁继电器原理图 电磁式继电器一般使用较低电压的控制信号作为输入级回路，当控制信号导 通时，由于电磁感应，电磁铁吸合衔铁，使得原本处于断开状态的触点触合，达 2 0 浙江大学硕上学位论文 电源管理系统硬件设计 到控制大电压，大功率负载的目的。 机械式电磁铁优点很多，它结构简单，价格便宜，开关控制效果理想，相比 半导体开关耐压值非常高，由于关断后的介质是气体，一般无击穿现象 它的不足之处也很明显，所需要的驱动功率大，开关速度慢，长期使用触电 电阻增大，容易发生擦火现象。另外在继电器闭合和开启的瞬间对所在供电网络 冲击较大。图3 3 为在供电电压2 4 v ，负载为1o o w 纯阻型负载中监测到的电磁 式继电器开启后输出端的电压波形。 ： ：鼍； ! ： 譬、 ： r 。：一：一。：。：一： ! ；麓 6 7 一：? ! 二：! j 二 ：一 ! ：一41 一一! 一一毒一i 一! ! + ；。一 。 + 。 。 。4。“ 。十。 十 。 t 。 ” t 。 ” t + - t - 一- - 一 上 j 。 “ 一+ 。- 。 - - ” 。 。 。r “ m 女o _ t z：。ttl ：i 一：- ； ，ttt-o 图3 - 3 电磁继电器开启过程中的输出电压波形 图3 - 4 为电磁式机械继电器在和上图相同条件下，某次试验继电器关闭时监 测到的输出电压波形，电压在在被关闭之后的短暂时间内有一次跳动的过程。我 们分析的原因是衔铁的抖动带动了触电的抖动，使得触点间有二次吸合现象。在 一