长距离海底光缆网络岸基供电方案研究

长距离海底光缆网络岸基供电方案研究

0海底信息网络的实时监测海底光缆通信网络一直是长距离通信的主要手段。目前发达国家已经将海底光缆传输网络应用于海底大洋板块运动等海底地质信息或海洋生态环境的观测中,研究板块运动情况以减轻地震等带来的灾害或研究海洋生态环境的变化,如日本的ARENA水下实时监测网络、加拿大与美国之间的NEPTUNE水下探测网络。我国作为海洋大国,建立海底信息网络对国家建设具有举足轻重的意义。海底光缆不仅肩负着信息传递的任务,而且也是远程供电的传输介质。岸基供电系统作为海底光缆网络单元提供能量,其性能直接关系到整个网络的运转,有必要对其进行深入的研究分析。1主要组成设备海底光缆网络供电系统主要由岸基供电设备(PFE)、传输介质、分支单元、中继器和水下用电设备等组成。常用的岸基供电方式有单端供电和双端供电两种。1.1备用供电设备配置采用单端方式进行供电时,仅仅通过一个端站的岸基供电设备对整个海底光缆系统进行供电,端站的岸基供电设备与另一端的海洋地形成供电回路。为了提高供电可靠性,单端供电时配置全套备用供电设备。当主供电设备出现故障时直接切换至备用供电设备,确保海底光缆网络正常运行。图1是单端远程供电的示意图,所有负载均由端站A负责供电。1.2双端供电设备采用双端供电方式供电时,两个端站的岸基供电设备同时对串联在海底光缆网络中的水下用电设备进行供电,两个端站共同承担远程供电所需要的负荷。当一个端站的岸基供电设备出现故障时,另一个端站可以单独承受整个网络的供电需求。图2是典型的双端供电示意图,双端供电设备的电压分别为+U和-U,通过大地连接使整个海底光缆供电形成一个回路。当端站A或者B的岸基供电设备出现故障时,另一端的电压值升至2U。双端供电方式对于各个端站的岸基供电设备要求有所降低,正常工作时双端负荷相对不是很重,是比较常用的海底光缆远程供电方式。本文仅讨论恒流远程供电方式。2海底光纤网络的特性海底光缆岸基供电设备通过海底光缆内导电线路稳定地向水下用电设备提供恒定直流。直流-直流变换器负责输出恒定电流并提供反馈来控制电流。为了满足海底光缆网络的特殊需求,岸基供电设备必须达到以下供电要求:提供恒定的电流输出并且输出功率足够大,能够负担起整个海底光缆网络的水下用电设备的电能;电流波动小,其波动不影响网络中各个用电设备的工作性能;开机软启动,防止尖峰电压损坏用电设备;恒定电压模式与恒定电流模式自动转换以控制系统的电压;具有自动调节电流和电压的控制模块使得岸基供电设备在测试负载的电阻特性、海底光缆敷设时的负载电感特性和正常运行时电容特性条件下均能正常工作;具有多种多样的电流、电压报警系统和保护性关闭系统的控制器;具有低频调制信号的输入端口,以便于海底光缆故障点的定位;具有备用系统使得整个海底光缆网络不会因为单一模块故障就停止运转;市电、电池及柴油发电机的接入分别作为主备供电设备,防止故障时停机。以上是恒流供电情况下海底光缆岸基供电设备的主要技术要求,针对不同的系统会有不同的特别要求,这里不做具体阐述。3测试负载的工作原理海底光缆岸基供电设备主要包括:主电源、备用电源、自动切换设备、测试负载、监测显示、报警系统、蓄电池组、柴油发电机组等,其中主电源是岸基供电系统的核心部分。海底光缆岸基供电设备的主要工作原理是:通过整流器将接入的三相380V市电整流变换为48V直流电,再将整流器输出与蓄电池组进行并联,对蓄电池组进行并联浮充,将两者输出接到直流-直流变换器,通过串联多组直流-直流变换器输出稳定的高压小电流,对整个海底光缆网络进行供电。岸基供电设备工作原理如图3所示。在岸基供电设备中,蓄电池组是一种稳定的直流备用电源,目前均采用蓄电池全浮充方式进行供电。交流电正常时,整流器供给全部负载电流,并对蓄电池组进行充电,使蓄电池组保持电量充足,此时蓄电池组仅起平滑滤波作用;当交流电源中断、整流器停止工作时,蓄电池组放电供给负载电流;当交流电恢复、整流器投入工作时,又由整流器供给全部负载电流,同时它以稳压的方式对蓄电池组进行低压充电。直流-直流变换器是整个岸基供电设备的核心,负责提供高压直流,其基本工作原理是:先通过功率开关管的通断把输入的直流电压逆变为占空比可调的高频交变方波电压加在变压器初级绕组上,然后经过变压器变压、高频整流和滤波,输出所需直流电压。通常岸基供电系统将若干个直流-直流变换器串联起来,将48V的输入电压升高输出数千伏甚至上万伏的高压,输出电压由外部电压和电流反馈调节回路通过调节高频交流方波的占空比来控制,当负载发生变化时,输出电压自动调节,电流保持恒定。一般通信电源系统中采用推挽式直流-直流变换器和桥式直流-直流变换器。监测及控制模块是岸基供电设备必不可少的部分,负责控制和监测输出、管理设备和收集警报信息。岸基供电设备中,自动切换设备负责将供电模式在海底光缆网络和测试负载之间切换,它同样负责海底光缆接地和岸站接地之间自动切换。在海底光缆出现故障时,它可以将加载在海底光缆网络上的高压进行放电。测试负载是测试与海底光缆网络负载特性类似的负载,它让我们可以在完全隔离海底光缆网络的情况下对岸基供电设备进行检测。为了提高海底光缆岸基供电的可靠性,我们在实际使用时设计备用电源,通常情况下,整流模块及直流-直流变换器模块均有一定的冗余度。4多个整流器串联运行海底光缆网络供电以其大功率要求一直是电力供应的难点,一般使用输入的三相380V交流电不可能只通过单一整流器整流就能得到海底光缆网络所需要的大功率需求,这就要求我们采用多个整流器并联运行。多个整流器并联运行时,由于各个整流器的输出电流和等效内阻实际上不可能完全一致,不同的输出电流会导致其中一些整流器负载过重,从而影响系统的可靠性,甚至造成并联失败,系统无法正常供电,因此我们需要对多个整流器进行并联均流。目前通信电源中解决均流问题主要采用的是最大电流法均流和平均电流法均流,采用这类方法时,各个整流模块通过自身性能来完成均流,模块之间只需连接一根均流母线,不需要外部控制,减小了均流失败的因素。4.1从模块和主模块电压比较最大电流法自动均流控制电路的工作原理如图4所示,uf为输出取样电压,ur为基准电压。各个整流模块的电流放大器输出端通过二极管接到均流母线上,均流控制器的同相输入端也与均流母线相连。这是一种自动设定主模块和从模块的方法,输出电流最大的模块为主模块。由于二极管的单向导电性,n个模块并联运行时只有电流放大器输出最大的那个二极管才导通,因此均流母线上的电压ub近似等于主模块电流放大器输出电压。对于从模块,ua<ub,均流控制器同相输入端的电压高于反向输入端而输出正电压+uc,使电压放大器输入电压ur1升高,于是模块的输出电压升高,使输出电流增大,向主模块靠拢;从模块的电流与主模块差值越大,则+uc越大,该从模块的输出电压、电流的增加也越大。这样就实现了自动均流。4.2均流控制器输出电压过流平均电流法自动均流的控制电路工作原理与最大电流法类似,将二极管换为电阻并在接入均流母线前加入继电器。平均电流法均流母线上的电压为各个整流模块电流放大器输出电压的平均值。均流调节过程是:当ua<ub时,均流控制器输出正电压,使电压放大的实际基准电压升高,于是模块输出电压升高使输出电流增大;当ub<ua时,均流控制器输出负电压,使电压放大器的基准电压降低,减小其输出电流;当两者相等时,表明已经实现了均流。这种均流方法精度比较高,但是当单一模块出现故障时,整个系统瘫痪,继电器的作用就是在某个模块出现故障时将该模块断开,保证系统正常工作。根据最大电流法的工作原理,UNITRODE公司开发了UC3907集成控制电路,其误差在±2.5%以内。需要指出的是,均流电路只能对整流模块的输出电压进行微调,要使得并联运行的整流模块运行良好,应在并联前先把每个模块的单机输出电压调成一致(调内基准)。5岸基供电安全管理由于海底光缆岸基供电设备是高压输出,安全问题显得尤为突出。为了保证安全,在岸基供电设备中必须设计以下的一些安全保护措施:高电压模块必须隔离开,设置安全钥匙,在解锁时岸基供电设备立即停止工作;设置紧急开关按钮,使得在发生特殊情况时能够直接停止所有供电设备;切断供电时,岸基供电设备与海底光缆系统直接隔离;自动控制区与电源区完全隔离,使得正常使用时不会存在危险;电源冷却装置易于替换,保障系统长期有效正常地运行;制定岸基供电安全管理使用规定。为了保证岸基供电设备能够持续稳定正常工作,对岸基供电系统的维护是必不可少的。制定正常运行条件下的每日监察制度,记录岸基供电设备的电压、电流值,检查冷却设备。在超出安全阈值时应及时诊断,对故障定位。定期对备用模块进行性能和供电单元报警系统检测,记录情况。在岸基供电设备长期运行后进行离线测试,保证性能。在系统出现故障时,及时切断供电,按照岸基供电设备生产方提供的技术手册进行规