一种实用型海底光缆传输网络供电系统

冯伟明，胡肖松，范 涛（中国电子科技集团公司 第三十四研究所，广西 桂林541004）



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一种实用型海底光缆传输网络供电系统

冯伟明，胡肖松，范 涛
（中国电子科技集团公司 第三十四研究所，广西 桂林541004）

摘要：针对长距离有中继海底光缆传输网络供电难度大和要求高的严峻形势，提出了一种实用型的供电方案。该方案利用岸基电源设备为海底光缆系统提供高压恒流电，在海底光缆不同的距离段设有取电模块，取电模块将高压恒流电转换成稳定的低压直流电，供水下用电设备使用。

关键词：有中继海底光缆传输网络；供电方案；高压恒流

0　引言

长距离的洲际、岛屿和大陆之间的通信往往会使用有中继的海底光缆通信系统，而其中的水下用电设备需要从岸基对其进行远程供电［1］。海底光缆远程供电系统是对海底光缆传输网络的中继设备和监控设备输送稳定可靠电能的系统［2］，它是保证海底光缆传输网络正常工作的基础。由于海底供电环境的限制，传统的交流输电方式在这里无法使用，必须选择直流供电方式［3］。本文设计了一种高压恒流远供电系统。该系统由设置在岸上的岸基电源设备为光缆提供高压恒流电，在海底光缆不同距离处设置的取电模块将高压恒流电转换成稳定的低压直流电供水下用电设备使用。

1　高压恒流远供电系统整体设计

海底光缆传输网络高压恒流供电方案的整体结构框图如图1所示。本设计方案中的电能传输通过光电混合线缆中的金属导电层完成。

该系统设计的特点是：在海底光缆系统两岸的两个登陆点处，分别设置有一套高压交流岸基电源设备，每套设备都可以单独满足整个光缆系统的电能需求［4］，水下供电系统采用单回路的连接方式，且通过海水回流形成电流回路；岸基电源设备可提供高压交流电，并将其输送给水下的转换设备，水下转换设备将高压交流电转换为高压恒流电输出，位于海底的远端取电模块就可以通过光电混合线缆获取电能，并将其转化为各种不同电压等级和电流大小的直流电供海底用电设备使用。海底用电设备主要是指光中继设备和监控探测设备等。

图1　高压恒流远供电系统结构框图

2　转换设备设计

转换设备位于海底，主要作用是将岸基电源设备输入的高压交流电转换为高压恒流直流电，通过线缆中的金属导电层传输至远端，供水下取电模块使用。

2.1转换设备整体结构

转换设备的结构框图如图2所示。转换设备包括以下4个部分：电压调整单元、电能转换单元、高压转换单元以及监控单元。电压调整单元将岸基电源设备输送的高压交流电调整到所要求电压大小的交流电后供电能转换单元使用；电能转换单元通过PFC技术和DC-DC稳压技术将该交流电转换为300V恒流电后供高压转换单元使用；高压转换单元将电能转换单元输出的300V恒流电转化为1A/1000V恒流输出。

图2　转换设备结构框图

2.2电压调整单元和电能转换单元

图3　电压调整单元和电能转换单元结构框图

电压调整单元和电能转换单元结构框图如图3所示。电压调整单元主要是以变压器为核心的电路结构，它能将输入的高压交流电进行降压后输送给电能转换单元。电能转换单元主要包括以下3个部分：PFC单元和交-直转换单元、两组静态开关及一组DC-DC稳压单元。

静态开关由两个可控硅反向并联组成，其关断和开通均用监控系统逻辑器件进行控制，其开关速度＜10ms，主要用于旁路与主路之间的转换。PFC单元即功率因素矫正单元，其主要目的是改善电能质量，减弱电源设备对外辐射和传导干扰；PFC单元和交-直转换单元一起将变压器输出的交流电转化为直流电。DC-DC稳压单元的主要功能是将前端的直流电转换为稳定的300V恒流电供后端高压模块使用。

2.3高压转换单元

高压转换单元的结构框图如图4所示。高压转换单元的主要作用是将前端输入的300V恒流电转换为1000V的高压恒流电后输出。高压转换单元采用模块化设计，每个标准化模块内设计有N个可插拔式供电模块，模块之间采用串联结构形式，其中有M个正常工作模块、N-M个冗余模块。每个模块可提供稳定的IA/1000V（I可调范围在0.5～1.5之间）的恒流电。

图4　高压转换单元结构框图

2.4监控单元

供电系统的监控单元是整个海底光缆传输网络监控系统的一部分，其主要功能是负责采集供电系统不同位置处设备的电压和电流，并将各类信息上传给远程计算机，以实时监视和控制整个供电系统。

图5　监控探测设备取电模块结构框图

3　取电模块

取电模块串接在海底光缆线路的不同位置，其主要功能是把供电线路中的高压恒流电转换成稳定的低压直流电，并输出给水下用电设备使用。

3.1监控探测设备取电模块

监控探测设备取电模块结构框图如图5所示。该取电模块是直流转直流模块，以串联的方式连接在系统中，可将线缆上提供的高压恒流直流电转换成为水下设备正常工作所需的低压直流电，并具有完善的检测和保护功能，内部通过多模块冗余备份方式提高其可靠性［5］。模块运行的状态数据由水下信息传输系统传输到远端的监控系统，监控系统可对其进行远程监控和操作。

3.2光中继设备取电模块

图6　光中继设备取电模块框图

光中继设备取电模块的框图如图6所示。光中继设备取电模块是一个密闭的小型高性能设备，它不采用DC-DC开关电源技术，可与整个光中继设备的电路融为一体，效率和可靠性都很高。光中继设备取电模块串联在线缆中，利用激光器工作时电流恒定的特性，提取部分工作电流，剩余电流输出给其它中继设备使用。设备具有完善的检测和保护功能，内部通过多模块冗余备份方式提高取电模块的可靠性。

4　典型应用

该供电方案为海底光缆系统提供远程供电，在高压恒流输出为1A/1000V时，供电距离可达一百多千米，并且能够长期稳定工作。供电距离和供电电压等级可以根据要求进行调整，在海底用电设备电压要求等级较低时，供电系统的供电距离可达几百千米，能满足长距离海底光缆通信系统的供电要求。在满足功率和电压要求条件下还可以通过增加海底取电模块数以扩展节点数量，迅速提高水下设备组网面积和传输距离。

5　结束语

本文设计了用于给海底光缆传输网络提供电能的高压恒流供电系统。该供电系统通过岸基电源设备、水下转换设备和海底取电模块为海底光缆系统提供电能，取电模块节点可拓展所有设备的热备份，使得系统供电距离远、可靠性高。该方案实现了长距离中继海底光缆系统的供电，可广泛应用于解决各种海底用电设备的供电问题。

参考文献：

［1］于伟经.海底观测网接驳盒供电监控系统研究与设计［C］.沈阳：中国科学院沈阳自动化研究所，2013.

［2］苏彬彬，王红霞，王希晨，等.恒流远程供电系统组网可行性研究［J］.光通信技术，2014，38（12）：51-53.

［3］忽冉，周学军，程岚，等.海底光缆网络远程供电技术研究［D］.光钎与电缆及其应用技术，2011.

［4］苗辉，周学军，樊城，等.海底光缆网络岸基恒流供电系统的研究［J］.光钎与电缆及其应用技术，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.

中图分类号：TN929.11

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）06-0056-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.017

收稿日期：2015-11-25。

作者简介：冯伟明（1988-），男，硕士，工程师，主要从事电源产品、系统研究和设计工作。

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