海底光纜網絡恒壓與恒流供電拓撲研究*

段安民 趙錦波 徐 皓

（中國船舶集團有限公司第七二二研究所 武漢 430205）

1 引言

海底光纜系統作為全球互聯網的骨干網絡，承載了全球主要的國際語音和數據傳輸［1～3］?？缪蠛５坠饫|網絡建設有配套的高壓直流供電系統，岸基遠供電源通過海底光纜輸電導體饋電，并通過海水和海洋接地裝置回流。

為了滿足海洋科學研究、海洋資源開發和水下監測等目的，海底光纜網絡從簡單的點對點系統發展到更為復雜的結構，產生了海底觀測網、水下信息網等新型海底光纜網絡形態［4～7］。新型海底光纜網絡不僅需要實現高速大容量信息傳輸，而且還要給海底業務設備提供持續不間斷大功率電能。深海遠距離高可靠電能傳輸與供給，已成為新型海底光纜網絡發展的瓶頸問題。國內對于海底光纜供電網絡特別是系統電路仿真研究工作較少，亟待開展。本文調研國內外發展現狀，梳理新型海底光纜網絡的供電拓撲形態，對恒壓型和恒流型水下供電網絡進行系統模型構建，通過仿真分析，驗證海底恒流型供電網絡抵抗海水短路故障的能力和高可靠性。

2 國內外現狀

基于海光纜的海底觀測網具有大功率遠距離電能供給和高速大容量數據傳輸的雙重優勢，成為海洋科學觀測領域的重要手段。美國、加拿大、日本、歐盟等國相繼建成或正在規劃規模等級不同和功能多樣的海底觀測網［4～7］。目前世界上已初步建成的較大規模觀測網主要有以下幾個：加拿大西北太平洋時間序列觀測網（NEPTUNE）、美國海洋觀測計劃（OOI）的區域網部分和日本地震海嘯密集海底網絡系統（DONET、S-net）。其中最具代表性的是NEPTUNE海王星觀測網。NEPTUNE觀測網的海纜長度約為920km。為提高供電和通信的可靠性，NEPTUNE的骨干網絡設計為環型拓撲，采用最高-10kVDC直流電壓供電和10Gb/s的數據傳輸能力。在2000年左右，日本提出ARENA觀測網計劃，提出水下大功率恒流組網供電技術。在2011年東京大地震后，日本立項建設S-net觀測網，繼承了ARENA觀測網的恒流供電技術，具有150個相距30km～50km的地震海嘯觀測節點，海纜總長達5700km。

近年來，在國家高新技術研究發展計劃的資助下，國內多家涉海單位聯合開展了多年的海底觀測網關鍵技術積累和組網裝備研制［8～13］，主要采用電壓型供電網絡，實現了10kV/10kW供電的主接駁盒樣機和375 V供電的次接駁盒樣機。在近十年的研究基礎上，同濟大學與中科學聲學所牽頭建設“國家海底長期科學觀測系統”大科學工程，預計其海纜總長達1500km以上。這將極大提升我國海底科學觀測網水平。國內在電壓型供電網絡方面有較深的技術積累。在水下高可靠應用場合，恒流供電網絡更加適合，國內對于恒流型遠供技術則研究較少。

3 海底光纜網絡供電拓撲

在供電體制方面，海底光纜供電網絡可分為恒壓供電與恒流供電兩種體制。對于采用恒壓供電體制的供電網絡，岸基遠供電源調控為輸出恒壓電能模式，保持傳輸線路上電壓穩定，水下各節點輸入端以并聯方式掛接在主干海纜和海洋地上。水下節點電源則實現從高壓到中低壓的電能變換，給水下業務設備配給電能。該種供電體制傳輸功率容量大、可擴展性強，但是線路故障定位困難，對海水短路故障抵抗能力不足。當海水短路故障發生時，干線線路電壓崩潰，導致系統停機。

對于采用恒流供電體制的供電網絡，岸基遠供電源調制為輸出恒流電能模式，保持傳輸線路上電流穩定，水下各節點輸入端串聯在主干海纜中。水下節點電源則實現從恒流電能到恒壓電能的變換，給水下業務設備配給電能。該種供電體制已經應用于跨洋海底光纜中繼通信工程中，可實現kW級別傳輸容量，線路故障定位方便，對海水短路故障抵抗能力強。當海水短路故障發生時，線路電流通過海水回流，岸基遠供電源自適應調整輸出電壓，只要電流回路存在，整個系統仍然穩定供電。

根據海底光纜主干網絡物理結構，主要分為三種供電拓撲形態：單端樹型拓撲、雙端環形拓撲以及網格狀拓撲。

第一種拓撲為樹型結構，如圖1（a）所示。網絡結構為樹狀分叉形態，單端岸基遠供電源給一條主干海纜供電，多個接駁盒間隔掛載在主干海纜上。該拓撲為一對多方式，供電線路清晰，擴展容易，故障定位和隔離均容易實現。但是該拓撲嚴重依賴單岸基站，一旦單岸基站出現故障，則整個網絡停電。該供電拓撲已經成功應用于海底網絡網絡。

圖1 新型海底光纜網絡供電拓撲

針對樹型拓撲的不足，發展出第二種拓撲，為環形結構，如圖1（b）所示。該拓撲的兩端分別聯接各岸端遠供電源。當海纜單點故障后，供電網絡從故障點分為兩個獨立樹型結構供電網絡。單端岸基故障后，則可有另一端岸基給整個網絡供電。因此該拓撲可抵抗單點海纜故障和單端岸基故障，輸電更加可靠。

第三種則是網格狀拓撲，如圖1（c）所示。主干網絡通過水下節點構成網格狀，多個岸端可聯合供電，水下節點從多條供電路徑獲取電能。該拓撲技術難度和建設成本最大，但是由于具備多路由冗余輸電能力，如果解決節點設備，理論上系統輸電可靠性最高。

4 供電網絡拓撲建模

由于海底光纜供電網絡采用雙端環形拓撲較多，本文選取該網絡拓撲進行系統仿真模型構建，在此基礎上，開展恒壓和恒流兩種供電制式的對比研究。

典型供電網絡配置為：岸上相距較遠距離配置兩臺岸基遠供電源，聯合給水下網絡供電，通過海光纜將電能傳輸至各個主節點。主干線路距離為1000km，每段海纜長度100km，依次間隔分布9個水下節點。主干海纜采用海底光電復合纜，考慮其寄生參數影響，等效為π型電路，如圖2所示。100km海纜典型的寄生參數：寄生電感L0=53mH，對地電容C0=25uF，損耗電阻R0=82.5Ω。

圖2 海纜等效電路

4.1 恒壓型供電網絡拓撲建模

岸基高壓電源輸出直流電能，設置為恒壓輸出模式，輸出電壓恒定-9kV。每個水下節點最大負荷為3kW。對于恒壓型供電網絡，包含分支器和水下電源的水下節點配置如圖3所示，高壓轉中壓（HV/MV）電能變換器實現從主干高壓到375V中壓電能變換，為負載提供3kW電能。高壓轉中壓（HV/MV）電能變換器輸入端口通過開關S3并聯在主干回路中。開關S1和S2作為保護開關，當海纜故障時，對應端口開關斷開，隔離故障。開關S3作為變換器保護開關，當電能變換器故障或輸入電壓欠壓時，則斷開電能變換器。

圖3 電壓型水下節點（分支器+節點電源）模型框圖

由岸基遠供電源、主干海纜和水下節點構成的恒壓型供電網絡模型如圖4所示。岸基遠供電源1和2均輸出電壓為-9kV。水下節點輸入端口均并聯在主干鏈路上，通過海水回流到岸基遠供電源接地極。2個岸基電源與9個水下節點依次并聯，構成恒壓型雙端環形供電網路。

圖4 恒壓型供電網絡模型框圖

4.2 恒流型供電網絡拓撲建模

岸基高壓電源輸出直流電能，設置為恒流輸出模式，輸出電流恒定2A。每個水下節點最大負荷為3kW。包含分支器和水下電源的水下節點配置如圖5所示，恒流轉恒壓（CC/CV）電能變換器實現從主干恒流2A到375V恒壓電能變換，為負載提供3kW電能。恒流轉恒壓（CC/CV）電能變換器輸入端口串聯在主干回路中。開關S3作為變換器保護開關，當電能變換器故障或輸入電流不足時，則閉合旁路電能變換器。S1和S2作為接地保護開關，當海纜故障時則對應端口開關打到海洋地。

圖5 電流型水下節點（分支器+節點電源）模型框圖

由岸基遠供電源、主干海纜和水下節點構成的恒流型供電網絡模型如圖6所示。岸基遠供電源1輸出電流為-2A，岸基遠供電源2輸出電流為2A。兩個岸基遠供電源與9個水下節點依次串聯構成恒流型雙端環形供電網路。所有水下節點輸入端口均串聯在主干鏈路中。

圖6 恒流型供電網絡模型框圖

5 供電網絡仿真分析

5.1 正常工作

對于電壓型供電方式，在正常工作情況下，網絡通過岸基電源、電纜以及節點電源、海水構成回路。由于拓撲是對稱結構，兩岸基電源輸出電流從兩端向中間流動。由于負載并聯在主干海纜上，中間海纜的電流越小，靠近岸基端的海纜電流最大。各節點分布電壓如圖7（a）所示，從岸基到主干海纜中間呈降低趨勢，但電壓基本保持不變。各段線路電流分布如圖7（b）所示，從岸基到主干海纜中間同樣呈降低趨勢，在海纜中間點電流接近零，說明各節點并聯在主干線路上。岸基電源供電總功率30kW，水下節點獲取總功率28.5kW，線路總損耗1.5kW，線路損耗占比5%。由于只有近岸段海纜電流較大，整個線路損耗偏低。

圖7 恒壓供電穩態下電壓電流波形

對于電流型供電方式，在正常工作情況下，網絡通過岸基電源、電纜以及節點電源、海水構成回路。水下節點串聯在主干線路上，從主干線路獲取恒流電能，轉換為恒壓電能。各節點分布電壓如圖8（a）所示，從岸基到主干海纜中間呈降低趨勢，中間點電壓值最低，一端岸基輸出正電壓7.5kV，另一端岸基輸出負電壓-7.5kV。線路電流分布如圖8（b）所示，各干線海纜電流穩定在2A。岸基電源供電總功率30kW，水下節點獲取總功率26.5kW，線路總損耗3.5kW，線路損耗占比11.68%。由于只有所有海纜電流均為2A，整個線路損耗較高，但是占整個系統供電功率占比仍然在可接受范圍內。相比陸地系統，海底光纜網絡總用電功率小，傳輸效率不是系統首要追求目標，而重點應該關注水下節點獲取到的可用功率。

圖8 恒流供電穩態下電壓電流波形

5.2 海纜故障

在系統穩態工作后，假設第四段海纜中間發生海水短路故障。對于電壓型供電方式，設定海纜故障時刻t=1s。岸基遠供電源的電流波形以及各節點電壓波形如圖9所示。海纜故障點會產生極大沖擊電流，導致岸基電源輸出過流保護，輸出電壓降為0，各節點電壓也隨之降為0。目前由于沒有成熟的可用于水下高壓直流斷路器，無法實現故障點的快速隔離切斷，整個供電網絡會因此停機。系統需要逐步啟動，排查故障海纜，并將故障點隔離后，重新升壓至穩態恢復工作。這個故障恢復時間較長，業務因此中斷。

圖9 恒壓供電海纜短路故障時電壓電流波形

對于恒流型供電網絡，設定海纜故障時刻t=3s。岸基遠供電源輸出電壓波形如圖10（a）所示。當單段海水短路故障時，系統中的電流在故障點處分為上、下兩路，分別在故障點上下連接的水下節點負載處“海洋地”與岸基遠供電源“海洋地”重新構成回路，岸基遠供電源輸出電壓自動調整。由于線路電流恒定，無需采取故障隔離保護，沒有短路電流存在，其他海纜上仍然保持恒流。

分析海纜上的電流波形，分別選取觀測處位于第1、3、5、6、8、10段線纜，如圖10（b）所示。在故障時刻，越靠近故障點處的海纜電流沖擊越大，沖擊電流大部分來自故障海纜處的接地電容。這是由于在發生故障時，海纜上的對地電容與故障點處構成一個接地回路，寄生電容放電，導致電流流過離故障點最近的海纜。相比恒壓供電方式，恒流供電方式下的海纜故障情況的沖擊電流峰值小很多。在經過短暫時間每段海纜重新達到穩態，穩態時海纜電流為2A。由此看出系統在極短時間內重新恢復正常供電。這表明恒流供電系統對海纜海水短路故障具有良好抵抗能力，整個網絡供電可靠性高，業務不會因此而中斷。

圖10 恒流供電海纜短路故障時電壓電流波形

6 結語

本文對海底光纜網絡的供電拓撲進行系統建模，通過仿真對比分析恒壓型和恒流型兩種供電制式。恒壓系統傳輸效率高，輸電容量大，可擴展型強，但是對海水短路故障極其敏感，容易引起供電系統崩潰，需要解決系統的故障診斷和隔離能力尤其是短路故障快速隔離難題。恒流供電系統雖然線路損耗增大，但是在海水短路故障后不需要故障隔離操作，不會造成系統崩潰，岸基電源則自動調整工作電壓，系統仍然能正常工作。恒流供電系統適合于干線相對固定、輸電容量適中，而對可靠性要求高的海底光纜網絡。