纜系水下信息網絡電能管理系統研究與設計

摘 要：纜系水下信息網絡，作為水下信息網絡體系的關鍵構成部分，對于水下攻防信息傳輸發揮著至關重要的保障作用。其中，電能作為纜系水下信息網絡的核心要素，其管理系統的穩健性直接關系到整個網絡的正常運行。一個高效且完善的電能管理系統，能夠實時監測和控制水下節點的工作狀態，為相關設備提供穩定可靠的遠程供電支持。基于當前纜系水下信息網絡電能管理系統的發展態勢，深入剖析了纜系水下信息網絡電能管理系統的功能需求。在此基礎上，對系統的總體功能結構、硬件模塊以及軟件模塊設計進行了詳細的闡述。該研究不僅可以為后續的纜系水下信息網絡供電可靠性研究提供寶貴的參考，同時對推動水下網絡信息技術的發展也具有重要意義。

關鍵詞：纜系水下信息網絡；電能管理；遠程供電

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）02-0120-05

Research and Design of Electric Energy Management System for Cable Underwater Information Network

CHEN Jin1， LIU Dezhuo2

（1.Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China; 2.Unit 91729， Lingshui 572400， China）

Abstract： As a key component of the underwater information network system， the cable underwater information network plays a vital role in the transmission of underwater attack and defense information. Among them， electric energy is the core element of the cable underwater information network， and the robustness of its management system is directly related to the normal operation of the entire network. An efficient and perfect electric energy management system can monitor and control the working state of underwater nodes in real time， providing stable and reliable remote power supply support for related equipment. Based on the development trend of the current cable underwater information network electric energy management system， the functional requirements of the cable underwater information network electric energy management system are deeply analyzed. On this basis， the overall functional structure， hardware modules and software module design of the system are described in detail. This research not only provides valuable reference for subsequent research on the power supply reliability of the cable underwater information network， but also has important significance for promoting the development of underwater network information technology.

Keywords： cable underwater information network; electric energy management; remote power supply

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2025.02.022

0 引 言

隨著科技的飛速發展，網絡化、信息化、智能化特征日益明顯的海洋技術革新與產業變革中，水下信息網絡系統已逐步成為其核心領域的焦點[1]。該系統對于海洋研究、探索、開發及資源利用等領域，扮演著不可或缺的支撐角色。其重要性體現在對海底資源的深入勘探、對人類活動可能對海底環境產生的潛在影響的監測、海底科學實驗的實施、海底獨特現象的觀測，以及風暴、洋流、地震、海底噴發和滑坡等自然現象的監控等多個方面，這些功能和價值為相關科學活動提供了高效且便捷的支撐[2]。

纜系水下信息網絡系統，作為水下通信架構的關鍵組成部分，承擔著將陸地岸基站產生的高壓電能通過主干纜安全、高效地輸送至海底水下信息網絡系統的重任。鑒于水下各類儀器設備對電能需求的多樣性和差異性，直接利用電纜傳輸的電能難以滿足所有設備的實際需求，因此必須對電能進行精確的變壓處理，以滿足各設備特定的運行需求[3]。纜系水下信息網絡電能管理系統的設立，旨在實現對電能供給過程的全面遠程監控與精確控制，確保電能供給的可靠性、安全性和高效性。該系統通過智能化、精細化的管理手段，保障電能系統的穩定運行，為水下信息網絡系統的持續、穩定運作提供堅實的電力保障[4]。因此，對水下信息網絡系統在海洋科技未來發展中的潛在應用及其趨勢進行深入研討，顯得尤為必要和重要。

1 系統功能需求分析

為了能夠給水下相關設備提供長期穩定可靠的電源，纜系水下信息網絡電能管理系統需對其電能供給情況以及工作環境進行監測[5]，結合精準可靠、實時高效的設計原則，結合實際任務需求，本文研究并設計了電能監控與管理、環境數據監測與采集、故障報警與處理以及數據傳輸與通信四大基本功能，具體介紹如下：

1）電能監控與管理。電能監控與管理分為岸基站電能監控與管理和水下節點電能監控與管理兩大部分。岸基站軟硬件組成相對單一，本次研究重點為水下各個節點的電能監控與管理。

水下設備中，接駁盒作為核心部件，最基本的功能是將電能進行轉換并分配給支路或負載，其中，負載包括在接駁盒內的交換機、PLC控制器以及外部的多種科學儀器。不同負載對電能的要求不同，需要接駁盒內I/I板（恒流轉恒流）、I/V板（恒流轉恒壓）、DC/DC板的轉換調節。當有任務需求時，位于岸基站的工作人員需通過人機界面進行遠程控制電能分配，結合實際任務，本次設計需靈活實現不少于四塊電能變換模塊（I/I板、I/V板）以及負載供電的通斷。當位于海底的接駁盒發生負載短路、過流和漏水等極端情況時，需及時將電力通路斷開，將其剝離整個主干網絡，最大限度保護其他節點，降低對整個系統的破壞性。

2）環境數據采集與監測。通常情況下，水下所布放的接駁盒與岸基站點至少距離數千米以上，一旦海底接駁盒腔體漏水，其內部設備和儀器都將無法工作，且維修困難，成本高，會給整個系統帶來難以修復的損傷[6]，因此一個干燥安全的內部工作環境必不可少，上位機界面必須實時監控腔體內部濕度的變化以防止危險發生；整個系統的供電線路若出現異常，會導致下一級設備不能正常運行甚至不能啟動，還會影響到故障處理及報警響應的及時性和準確性；若線路上產生過大的浪涌電流電量波動并長期未得到解決，甚至會燒毀功率開關。

為延長系統工作壽命，保證系統故障的及時處理，在岸基站點現需要對水下主次接駁盒中的環境數據（溫度、濕度以及液位等參數）進行實時采集與監測，同時還需要對主次接駁盒中的輸入輸出的電流、電壓，各個負載輸入的電流、電壓進行實時采集，利用所搭建的系統對采集到的各種數據最終通過接駁盒、光電復合纜傳輸到岸基的主站，最后在監控器上顯示，供工作人員查詢。

3）故障報警與處理。纜系水下信息網絡電能管理系統具有較強的抗故障性，但水下環境復雜多變，無法實現絕對避免故障發生，因此需針對可能出現的故障設計相應保護方案及報警功能[7]。結合實際情況，整個系統有可能出現以下三個方面故障：一是岸基站出現故障；二是光電復合纜出現故障；三是水下接駁盒出現故障。岸基站故障相對較為容易解決；對于光電復合纜故障，目前的方法為將其打撈上來進行徹底可靠的維修，故障排除成本高；接駁盒是水下核心部件，出了故障需及時采取措施，將損失降到最小[8]。接駁盒內部安裝的控制器可與上位機進行通信，因此可以通過設置閾值來解決過壓或過流帶來的影響，通過上位機發送指令來控制電路的通斷，實現電氣隔離。

4）數據傳輸與通信。整個纜系水下信息網絡電能管理系統的正常運行離不開實時可靠的通信與數據傳輸。岸基系統各節點之間距離近，工作環境單一，易于維護，因此岸基系統各節點采用RJ45以太網方式連接即可[9]；相反，水下距岸基距離遠，工作環境復雜，維護成本高，采用海光纜進行數據傳輸和通信；水下各個節點工作環境復雜，采用海光纜進行數據傳輸和通信[10]；水下接駁盒內的各儀器距離近，工作環境相對單一安全，采用RJ45以太網方式進行數據傳輸和通信。

2 系統總體功能結構設計

結合系統功能需求分析，纜系水下信息網絡電能管理系統總體功能結構設計如圖1所示。從該系統總體功能結構圖可以看出，本系統構建分布式兩層網絡結構，上層為控制管理層，下層為控制執行層，采用光纖通信方式。主要用于實現對岸基高壓直流電能傳輸、水下主次節點接駁盒中的I/I、I/V板的電壓、電流等參數的電能實時在線監控，實現水下各節點的輸入過壓保護，過壓保護復位，電路的切換與接入，以及負載傳感器的接通和斷開。

水下兩個節點分別為一個主接駁盒和一個次接駁盒，岸基主站采用高壓直流電源提供1.5 A DC電流源作為輸入，連接一個主接駁盒以及一個次接駁盒，其中主接駁盒裝有四塊串聯的I/I板和兩塊I/V板，次接駁盒則裝有四塊串聯的I/V板，主/次接駁盒內各裝有一臺交換機。岸基主站輸出穩定高壓直流電，由光電復合纜輸送至水下節點，水下節點中的主接駁盒內通過I/I板將恒流傳輸給各個支路的次接駁盒，通過I/V板輸出電壓再經過DC/DC的變換輸出合適的電壓給各個負載供電；水下節點中的次接駁盒內，電流通過I/V板轉換成電壓后通過DC/DC的變換輸出各個負載所需要的電壓。

3 系統硬件模塊設計

纜系水下信息網絡電能管理系統總體硬件系統分為岸基硬件系統和水下硬件系統，總體硬件系統結構圖的設計如圖2所示。岸基硬件系統的主要組成為主站硬件系統，遵循穩定可靠的設計原則，主站硬件系統設有冗余主站。根據系統功能需求可知，主站硬件系統包括電能監控與管理模塊和數據傳輸與通信模塊，電能監控與管理模塊分為岸基電能采集模塊和岸基電能控制模塊。水下硬件系統主要分為主接駁盒硬件系統和次接駁盒硬件系統，兩者硬件系統的組成大致相同，都由水下電能監控與管理模塊、環境數據采集與監測模塊、數據傳輸與通信模塊組成；水下電能采集與管理模塊又分為水下電能采集模塊和水下電能控制模塊，環境數據采集與監測模塊又分為液位采集模塊和溫濕度采集模塊，唯一不同的是主接駁盒中水下電能控制模塊的電能轉換板采用I/I板、I/V板和DC/DC板，而次接駁盒中水下電能控制模塊的電能轉換板只采用I/V板和DC/DC板。

3.1 岸基硬件系統研究與設計

岸基硬件模塊主要由工控PC機和主站構成。岸基主站主要作用是控制和數據的處理，工作人員通過PC機讀取采集到的參數數據，結合穩定可靠的原則，本次設計采用冗余備份的方式設計了冗余主站，主站接收水下節點傳來的數據并對其進行處理，最終通過在岸基的工控PC機上呈現。主站由PLC控制器、直流電流變送器、直流電壓隔離變送器組成。通過對單片機、DSP以及PLC等控制部件進行比較，從穩定可靠以及經濟高效、節省空間的原則出發，此次選用PLC控制器作為岸基硬件系統的控制部件，具體選型為SIMATIC S7-200 SMART。它能提供不同類型、I/O點數豐富的CPU模塊。CPU模塊配備標準型和經濟型供用戶選擇，最大限度的控制成本。模塊介紹如下：

1）電能監控與管理模塊。電能監控與管理模塊主要包括岸基電能采集模塊和岸基電能控制模塊兩大部分，為實現對岸基系統電能的采集，需采用電流電壓變送器。一體化集成電流電壓采集器方便高效，但占用空間大、端子多，岸基電能采集需求小，為減少資源浪費，經分析選用單個模擬電流電壓變送器。

2）數據傳輸與通信模塊。岸基通信可分為PLC控制器與傳感器之間的通信和PLC控制器與PC工控機之間的通信[5]。岸基主站之間采用以太網方式連接進行通信和數據傳輸，岸基主站與水下從站采用光電復合纜連接進行通信和數據傳輸。岸基主站中電壓電流傳感器需先將數據傳送至模擬拓展塊，再由模擬拓展塊傳送至PLC控制器，兩者之間有卡扣，能直接進行通信和數據傳輸。PLC控制器與PC工控機之間直接通過網線連接進行通信和數據傳輸，以光交換機作為中繼節點，實現信息的遠距離傳輸與交互。

3.2 水下硬件系統研究與設計

水下硬件系統研究與設計主要包括主接駁盒硬件系統以及次接駁盒硬件系統研究與設計。水下環境復雜，采集監測的數據多，被控制電能通斷的節點多，不同科學儀器的工作電壓不同，需要接駁盒對電能進行合理分配[6]。為實現系統可靠運行，主接駁盒硬件電路系統由PLC控制器、一體式電壓電流采集器、高低壓繼電器、溫濕度傳感器、液位傳感器、I/I板、I/V板以及DC/DC板組成。次接駁盒硬件由PLC控制器、一體式電壓電流采集器、高低壓繼電器、溫濕度傳感器、液位傳感器、I/V板以及DC/DC板組成。

4 系統軟件模塊設計

纜系水下信息網絡電能管理系統軟件系統分為上位機軟件和下位機軟件。上位機軟件主要用于提供一個友好的人機互動頁面，并實現與下位機之間的通信；下位機軟件主要負責收集并處理由各個傳感器傳入的數據，將處理后的數據傳給岸基，并實現水下接觸器通斷的遠程控制[7]。

結合纜系水下信息網絡電能管理系統功能需求分析與總體方案設計，整個下位機軟件系統的總體工作流程如圖3所示。從該工作流程圖看出，用戶在啟動系統后，在系統主頁中遠程啟動PLC，然后通過岸基主站發送相應的控制命令，水下從站在接收到相應命令后，按照命令周期性的監測溫度、濕度、電流、電壓以及水位等相關參數信息，待采集數據完成后存入存儲器中，如果有異常數據故障現象的發生，系統會自動報警并根據相關設置，遠程進行關斷等故障的處理，同時，系統會對其報警信息進行存儲并上傳至岸基服務器。

整個系統軟件模塊主要包括電能監控與管理模塊、數據采集與查詢模塊、故障報警與處理模塊以及數據傳輸與通信模塊四大主要功能。主站與從站之間主要通過get/put指令實現數據傳輸，并讀取從站里對應存儲區的數據，也可以向對應存儲區寫入數據，溫、濕度數據的采集則通過模擬量轉換模塊實現，模擬量轉換模塊通過get/put指令得到相應的實際數據，電壓、電流數據的采集與監控采用RS485協議通信，通過設置設備地址、波特率等，建立起PLC和傳感器之間的聯系，具體主站與從站的PLC梯形圖編程如圖4所示。

5 結 論

纜系水下信息網絡中電能是其命脈，一個良好的電能管理系統是整個纜系水下信息網絡正常運行的基本保證，本文結合項目實際需求，研究并設計了一套纜系水下信息網絡電能管理系統，其功能主要包括系統的電能監控與管理、水下接駁盒工作環境的數據采集與監測、故障報警與處理以及數據傳輸與通信等，從系統總體功能結構、硬件以及軟件幾大方面對系統的研究與設計情況進行了全面闡述，所設計的系統為后續纜系水下信息網絡供電可靠性研究提供了有力支撐。

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作者簡介：陳津（1986—），男，漢族，湖北枝江人，副教授，碩士，研究方向：視訊及通信網絡。

收稿日期：2024-07-05