一種實用型海底光纜傳輸網絡供電系統

馮偉明，胡肖松，范 濤（中國電子科技集團公司 第三十四研究所，廣西 桂林541004）

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一種實用型海底光纜傳輸網絡供電系統

馮偉明，胡肖松，范 濤
（中國電子科技集團公司 第三十四研究所，廣西 桂林541004）

摘要：針對長距離有中繼海底光纜傳輸網絡供電難度大和要求高的嚴峻形勢，提出了一種實用型的供電方案。該方案利用岸基電源設備為海底光纜系統提供高壓恒流電，在海底光纜不同的距離段設有取電模塊，取電模塊將高壓恒流電轉換成穩定的低壓直流電，供水下用電設備使用。

關鍵詞：有中繼海底光纜傳輸網絡；供電方案；高壓恒流

0　引言

長距離的洲際、島嶼和大陸之間的通信往往會使用有中繼的海底光纜通信系統，而其中的水下用電設備需要從岸基對其進行遠程供電［1］。海底光纜遠程供電系統是對海底光纜傳輸網絡的中繼設備和監控設備輸送穩定可靠電能的系統［2］，它是保證海底光纜傳輸網絡正常工作的基礎。由于海底供電環境的限制，傳統的交流輸電方式在這里無法使用，必須選擇直流供電方式［3］。本文設計了一種高壓恒流遠供電系統。該系統由設置在岸上的岸基電源設備為光纜提供高壓恒流電，在海底光纜不同距離處設置的取電模塊將高壓恒流電轉換成穩定的低壓直流電供水下用電設備使用。

1　高壓恒流遠供電系統整體設計

海底光纜傳輸網絡高壓恒流供電方案的整體結構框圖如圖1所示。本設計方案中的電能傳輸通過光電混合線纜中的金屬導電層完成。

該系統設計的特點是：在海底光纜系統兩岸的兩個登陸點處，分別設置有一套高壓交流岸基電源設備，每套設備都可以單獨滿足整個光纜系統的電能需求［4］，水下供電系統采用單回路的連接方式，且通過海水回流形成電流回路；岸基電源設備可提供高壓交流電，并將其輸送給水下的轉換設備，水下轉換設備將高壓交流電轉換為高壓恒流電輸出，位于海底的遠端取電模塊就可以通過光電混合線纜獲取電能，并將其轉化為各種不同電壓等級和電流大小的直流電供海底用電設備使用。海底用電設備主要是指光中繼設備和監控探測設備等。

圖1　高壓恒流遠供電系統結構框圖

2　轉換設備設計

轉換設備位于海底，主要作用是將岸基電源設備輸入的高壓交流電轉換為高壓恒流直流電，通過線纜中的金屬導電層傳輸至遠端，供水下取電模塊使用。

2.1轉換設備整體結構

轉換設備的結構框圖如圖2所示。轉換設備包括以下4個部分：電壓調整單元、電能轉換單元、高壓轉換單元以及監控單元。電壓調整單元將岸基電源設備輸送的高壓交流電調整到所要求電壓大小的交流電后供電能轉換單元使用；電能轉換單元通過PFC技術和DC-DC穩壓技術將該交流電轉換為300V恒流電后供高壓轉換單元使用；高壓轉換單元將電能轉換單元輸出的300V恒流電轉化為1A/1000V恒流輸出。

圖2　轉換設備結構框圖

2.2電壓調整單元和電能轉換單元

圖3　電壓調整單元和電能轉換單元結構框圖

電壓調整單元和電能轉換單元結構框圖如圖3所示。電壓調整單元主要是以變壓器為核心的電路結構，它能將輸入的高壓交流電進行降壓后輸送給電能轉換單元。電能轉換單元主要包括以下3個部分：PFC單元和交-直轉換單元、兩組靜態開關及一組DC-DC穩壓單元。

靜態開關由兩個可控硅反向并聯組成，其關斷和開通均用監控系統邏輯器件進行控制，其開關速度＜10ms，主要用于旁路與主路之間的轉換。PFC單元即功率因素矯正單元，其主要目的是改善電能質量，減弱電源設備對外輻射和傳導干擾；PFC單元和交-直轉換單元一起將變壓器輸出的交流電轉化為直流電。DC-DC穩壓單元的主要功能是將前端的直流電轉換為穩定的300V恒流電供后端高壓模塊使用。

2.3高壓轉換單元

高壓轉換單元的結構框圖如圖4所示。高壓轉換單元的主要作用是將前端輸入的300V恒流電轉換為1000V的高壓恒流電后輸出。高壓轉換單元采用模塊化設計，每個標準化模塊內設計有N個可插拔式供電模塊，模塊之間采用串聯結構形式，其中有M個正常工作模塊、N-M個冗余模塊。每個模塊可提供穩定的IA/1000V（I可調范圍在0.5～1.5之間）的恒流電。

圖4　高壓轉換單元結構框圖

2.4監控單元

供電系統的監控單元是整個海底光纜傳輸網絡監控系統的一部分，其主要功能是負責采集供電系統不同位置處設備的電壓和電流，并將各類信息上傳給遠程計算機，以實時監視和控制整個供電系統。

圖5　監控探測設備取電模塊結構框圖

3　取電模塊

取電模塊串接在海底光纜線路的不同位置，其主要功能是把供電線路中的高壓恒流電轉換成穩定的低壓直流電，并輸出給水下用電設備使用。

3.1監控探測設備取電模塊

監控探測設備取電模塊結構框圖如圖5所示。該取電模塊是直流轉直流模塊，以串聯的方式連接在系統中，可將線纜上提供的高壓恒流直流電轉換成為水下設備正常工作所需的低壓直流電，并具有完善的檢測和保護功能，內部通過多模塊冗余備份方式提高其可靠性［5］。模塊運行的狀態數據由水下信息傳輸系統傳輸到遠端的監控系統，監控系統可對其進行遠程監控和操作。

3.2光中繼設備取電模塊

圖6　光中繼設備取電模塊框圖

光中繼設備取電模塊的框圖如圖6所示。光中繼設備取電模塊是一個密閉的小型高性能設備，它不采用DC-DC開關電源技術，可與整個光中繼設備的電路融為一體，效率和可靠性都很高。光中繼設備取電模塊串聯在線纜中，利用激光器工作時電流恒定的特性，提取部分工作電流，剩余電流輸出給其它中繼設備使用。設備具有完善的檢測和保護功能，內部通過多模塊冗余備份方式提高取電模塊的可靠性。

4　典型應用

該供電方案為海底光纜系統提供遠程供電，在高壓恒流輸出為1A/1000V時，供電距離可達一百多千米，并且能夠長期穩定工作。供電距離和供電電壓等級可以根據要求進行調整，在海底用電設備電壓要求等級較低時，供電系統的供電距離可達幾百千米，能滿足長距離海底光纜通信系統的供電要求。在滿足功率和電壓要求條件下還可以通過增加海底取電模塊數以擴展節點數量，迅速提高水下設備組網面積和傳輸距離。

5　結束語

本文設計了用于給海底光纜傳輸網絡提供電能的高壓恒流供電系統。該供電系統通過岸基電源設備、水下轉換設備和海底取電模塊為海底光纜系統提供電能，取電模塊節點可拓展所有設備的熱備份，使得系統供電距離遠、可靠性高。該方案實現了長距離中繼海底光纜系統的供電，可廣泛應用于解決各種海底用電設備的供電問題。

參考文獻：

［1］于偉經.海底觀測網接駁盒供電監控系統研究與設計［C］.沈陽：中國科學院沈陽自動化研究所，2013.

［2］蘇彬彬，王紅霞，王希晨，等.恒流遠程供電系統組網可行性研究［J］.光通信技術，2014，38（12）：51-53.

［3］忽冉，周學軍，程嵐，等.海底光纜網絡遠程供電技術研究［D］.光釬與電纜及其應用技術，2011.

［4］苗輝，周學軍，樊城，等.海底光纜網絡岸基恒流供電系統的研究［J］.光釬與電纜及其應用技術，2012（4）：32-34.

［5］ASAKAWA K，MURAMATSU J，KOJIMA J，et al.Feasibility study on power feeding system for scientific cable network ARENA［C］//The 3rd international Workshop on Scientific Use of Submarine Cables and Related Technologies，Tokyo，25-27 June 2003，Tokyo：IEL Press，2003：307-312.

中圖分類號：TN929.11

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）06-0056-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.017

收稿日期：2015-11-25。

作者簡介：馮偉明（1988-），男，碩士，工程師，主要從事電源產品、系統研究和設計工作。

Practical power supply system for submarine optical cable transmission network

FENG Wei-ming，HU Xiao-song，FAN Tao
（The 34 Research Institute of CETC，Guilin Guangxi 541004，China）

Abstract：According to the difficulty and high demand of supplying power for submarine optical cable transmission network，the paper put forward a practical power supply scheme.The scheme use shore power supply equipment to supply high voltage constant current for OFSCS.Electric power modules that placed at different positions of submarine optical cablecan convert high voltage constant current to low voltage constant current，and then transport it to underwater electric equipment.

Key words：relay submarine optical cable transmission network，power supply scheme，high voltage constant current