海底光缆网络恒压与恒流供电拓扑研究*

段安民 赵锦波 徐 皓

（中国船舶集团有限公司第七二二研究所 武汉 430205）

1 引言

海底光缆系统作为全球互联网的骨干网络，承载了全球主要的国际语音和数据传输［1～3］。跨洋海底光缆网络建设有配套的高压直流供电系统，岸基远供电源通过海底光缆输电导体馈电，并通过海水和海洋接地装置回流。

为了满足海洋科学研究、海洋资源开发和水下监测等目的，海底光缆网络从简单的点对点系统发展到更为复杂的结构，产生了海底观测网、水下信息网等新型海底光缆网络形态［4～7］。新型海底光缆网络不仅需要实现高速大容量信息传输，而且还要给海底业务设备提供持续不间断大功率电能。深海远距离高可靠电能传输与供给，已成为新型海底光缆网络发展的瓶颈问题。国内对于海底光缆供电网络特别是系统电路仿真研究工作较少，亟待开展。本文调研国内外发展现状，梳理新型海底光缆网络的供电拓扑形态，对恒压型和恒流型水下供电网络进行系统模型构建，通过仿真分析，验证海底恒流型供电网络抵抗海水短路故障的能力和高可靠性。

2 国内外现状

基于海光缆的海底观测网具有大功率远距离电能供给和高速大容量数据传输的双重优势，成为海洋科学观测领域的重要手段。美国、加拿大、日本、欧盟等国相继建成或正在规划规模等级不同和功能多样的海底观测网［4～7］。目前世界上已初步建成的较大规模观测网主要有以下几个：加拿大西北太平洋时间序列观测网（NEPTUNE）、美国海洋观测计划（OOI）的区域网部分和日本地震海啸密集海底网络系统（DONET、S-net）。其中最具代表性的是NEPTUNE海王星观测网。NEPTUNE观测网的海缆长度约为920km。为提高供电和通信的可靠性，NEPTUNE的骨干网络设计为环型拓扑，采用最高-10kVDC直流电压供电和10Gb/s的数据传输能力。在2000年左右，日本提出ARENA观测网计划，提出水下大功率恒流组网供电技术。在2011年东京大地震后，日本立项建设S-net观测网，继承了ARENA观测网的恒流供电技术，具有150个相距30km～50km的地震海啸观测节点，海缆总长达5700km。

近年来，在国家高新技术研究发展计划的资助下，国内多家涉海单位联合开展了多年的海底观测网关键技术积累和组网装备研制［8～13］，主要采用电压型供电网络，实现了10kV/10kW供电的主接驳盒样机和375 V供电的次接驳盒样机。在近十年的研究基础上，同济大学与中科学声学所牵头建设“国家海底长期科学观测系统”大科学工程，预计其海缆总长达1500km以上。这将极大提升我国海底科学观测网水平。国内在电压型供电网络方面有较深的技术积累。在水下高可靠应用场合，恒流供电网络更加适合，国内对于恒流型远供技术则研究较少。

3 海底光缆网络供电拓扑

在供电体制方面，海底光缆供电网络可分为恒压供电与恒流供电两种体制。对于采用恒压供电体制的供电网络，岸基远供电源调控为输出恒压电能模式，保持传输线路上电压稳定，水下各节点输入端以并联方式挂接在主干海缆和海洋地上。水下节点电源则实现从高压到中低压的电能变换，给水下业务设备配给电能。该种供电体制传输功率容量大、可扩展性强，但是线路故障定位困难，对海水短路故障抵抗能力不足。当海水短路故障发生时，干线线路电压崩溃，导致系统停机。

对于采用恒流供电体制的供电网络，岸基远供电源调制为输出恒流电能模式，保持传输线路上电流稳定，水下各节点输入端串联在主干海缆中。水下节点电源则实现从恒流电能到恒压电能的变换，给水下业务设备配给电能。该种供电体制已经应用于跨洋海底光缆中继通信工程中，可实现kW级别传输容量，线路故障定位方便，对海水短路故障抵抗能力强。当海水短路故障发生时，线路电流通过海水回流，岸基远供电源自适应调整输出电压，只要电流回路存在，整个系统仍然稳定供电。

根据海底光缆主干网络物理结构，主要分为三种供电拓扑形态：单端树型拓扑、双端环形拓扑以及网格状拓扑。

第一种拓扑为树型结构，如图1（a）所示。网络结构为树状分叉形态，单端岸基远供电源给一条主干海缆供电，多个接驳盒间隔挂载在主干海缆上。该拓扑为一对多方式，供电线路清晰，扩展容易，故障定位和隔离均容易实现。但是该拓扑严重依赖单岸基站，一旦单岸基站出现故障，则整个网络停电。该供电拓扑已经成功应用于海底网络网络。

图1 新型海底光缆网络供电拓扑

针对树型拓扑的不足，发展出第二种拓扑，为环形结构，如图1（b）所示。该拓扑的两端分别联接各岸端远供电源。当海缆单点故障后，供电网络从故障点分为两个独立树型结构供电网络。单端岸基故障后，则可有另一端岸基给整个网络供电。因此该拓扑可抵抗单点海缆故障和单端岸基故障，输电更加可靠。

第三种则是网格状拓扑，如图1（c）所示。主干网络通过水下节点构成网格状，多个岸端可联合供电，水下节点从多条供电路径获取电能。该拓扑技术难度和建设成本最大，但是由于具备多路由冗余输电能力，如果解决节点设备，理论上系统输电可靠性最高。

4 供电网络拓扑建模

由于海底光缆供电网络采用双端环形拓扑较多，本文选取该网络拓扑进行系统仿真模型构建，在此基础上，开展恒压和恒流两种供电制式的对比研究。

典型供电网络配置为：岸上相距较远距离配置两台岸基远供电源，联合给水下网络供电，通过海光缆将电能传输至各个主节点。主干线路距离为1000km，每段海缆长度100km，依次间隔分布9个水下节点。主干海缆采用海底光电复合缆，考虑其寄生参数影响，等效为π型电路，如图2所示。100km海缆典型的寄生参数：寄生电感L0=53mH，对地电容C0=25uF，损耗电阻R0=82.5Ω。

图2 海缆等效电路

4.1 恒压型供电网络拓扑建模

岸基高压电源输出直流电能，设置为恒压输出模式，输出电压恒定-9kV。每个水下节点最大负荷为3kW。对于恒压型供电网络，包含分支器和水下电源的水下节点配置如图3所示，高压转中压（HV/MV）电能变换器实现从主干高压到375V中压电能变换，为负载提供3kW电能。高压转中压（HV/MV）电能变换器输入端口通过开关S3并联在主干回路中。开关S1和S2作为保护开关，当海缆故障时，对应端口开关断开，隔离故障。开关S3作为变换器保护开关，当电能变换器故障或输入电压欠压时，则断开电能变换器。

图3 电压型水下节点（分支器+节点电源）模型框图

由岸基远供电源、主干海缆和水下节点构成的恒压型供电网络模型如图4所示。岸基远供电源1和2均输出电压为-9kV。水下节点输入端口均并联在主干链路上，通过海水回流到岸基远供电源接地极。2个岸基电源与9个水下节点依次并联，构成恒压型双端环形供电网路。

图4 恒压型供电网络模型框图

4.2 恒流型供电网络拓扑建模

岸基高压电源输出直流电能，设置为恒流输出模式，输出电流恒定2A。每个水下节点最大负荷为3kW。包含分支器和水下电源的水下节点配置如图5所示，恒流转恒压（CC/CV）电能变换器实现从主干恒流2A到375V恒压电能变换，为负载提供3kW电能。恒流转恒压（CC/CV）电能变换器输入端口串联在主干回路中。开关S3作为变换器保护开关，当电能变换器故障或输入电流不足时，则闭合旁路电能变换器。S1和S2作为接地保护开关，当海缆故障时则对应端口开关打到海洋地。

图5 电流型水下节点（分支器+节点电源）模型框图

由岸基远供电源、主干海缆和水下节点构成的恒流型供电网络模型如图6所示。岸基远供电源1输出电流为-2A，岸基远供电源2输出电流为2A。两个岸基远供电源与9个水下节点依次串联构成恒流型双端环形供电网路。所有水下节点输入端口均串联在主干链路中。

图6 恒流型供电网络模型框图

5 供电网络仿真分析

5.1 正常工作

对于电压型供电方式，在正常工作情况下，网络通过岸基电源、电缆以及节点电源、海水构成回路。由于拓扑是对称结构，两岸基电源输出电流从两端向中间流动。由于负载并联在主干海缆上，中间海缆的电流越小，靠近岸基端的海缆电流最大。各节点分布电压如图7（a）所示，从岸基到主干海缆中间呈降低趋势，但电压基本保持不变。各段线路电流分布如图7（b）所示，从岸基到主干海缆中间同样呈降低趋势，在海缆中间点电流接近零，说明各节点并联在主干线路上。岸基电源供电总功率30kW，水下节点获取总功率28.5kW，线路总损耗1.5kW，线路损耗占比5%。由于只有近岸段海缆电流较大，整个线路损耗偏低。

图7 恒压供电稳态下电压电流波形

对于电流型供电方式，在正常工作情况下，网络通过岸基电源、电缆以及节点电源、海水构成回路。水下节点串联在主干线路上，从主干线路获取恒流电能，转换为恒压电能。各节点分布电压如图8（a）所示，从岸基到主干海缆中间呈降低趋势，中间点电压值最低，一端岸基输出正电压7.5kV，另一端岸基输出负电压-7.5kV。线路电流分布如图8（b）所示，各干线海缆电流稳定在2A。岸基电源供电总功率30kW，水下节点获取总功率26.5kW，线路总损耗3.5kW，线路损耗占比11.68%。由于只有所有海缆电流均为2A，整个线路损耗较高，但是占整个系统供电功率占比仍然在可接受范围内。相比陆地系统，海底光缆网络总用电功率小，传输效率不是系统首要追求目标，而重点应该关注水下节点获取到的可用功率。

图8 恒流供电稳态下电压电流波形

5.2 海缆故障

在系统稳态工作后，假设第四段海缆中间发生海水短路故障。对于电压型供电方式，设定海缆故障时刻t=1s。岸基远供电源的电流波形以及各节点电压波形如图9所示。海缆故障点会产生极大冲击电流，导致岸基电源输出过流保护，输出电压降为0，各节点电压也随之降为0。目前由于没有成熟的可用于水下高压直流断路器，无法实现故障点的快速隔离切断，整个供电网络会因此停机。系统需要逐步启动，排查故障海缆，并将故障点隔离后，重新升压至稳态恢复工作。这个故障恢复时间较长，业务因此中断。

图9 恒压供电海缆短路故障时电压电流波形

对于恒流型供电网络，设定海缆故障时刻t=3s。岸基远供电源输出电压波形如图10（a）所示。当单段海水短路故障时，系统中的电流在故障点处分为上、下两路，分别在故障点上下连接的水下节点负载处“海洋地”与岸基远供电源“海洋地”重新构成回路，岸基远供电源输出电压自动调整。由于线路电流恒定，无需采取故障隔离保护，没有短路电流存在，其他海缆上仍然保持恒流。

分析海缆上的电流波形，分别选取观测处位于第1、3、5、6、8、10段线缆，如图10（b）所示。在故障时刻，越靠近故障点处的海缆电流冲击越大，冲击电流大部分来自故障海缆处的接地电容。这是由于在发生故障时，海缆上的对地电容与故障点处构成一个接地回路，寄生电容放电，导致电流流过离故障点最近的海缆。相比恒压供电方式，恒流供电方式下的海缆故障情况的冲击电流峰值小很多。在经过短暂时间每段海缆重新达到稳态，稳态时海缆电流为2A。由此看出系统在极短时间内重新恢复正常供电。这表明恒流供电系统对海缆海水短路故障具有良好抵抗能力，整个网络供电可靠性高，业务不会因此而中断。

图10 恒流供电海缆短路故障时电压电流波形

6 结语

本文对海底光缆网络的供电拓扑进行系统建模，通过仿真对比分析恒压型和恒流型两种供电制式。恒压系统传输效率高，输电容量大，可扩展型强，但是对海水短路故障极其敏感，容易引起供电系统崩溃，需要解决系统的故障诊断和隔离能力尤其是短路故障快速隔离难题。恒流供电系统虽然线路损耗增大，但是在海水短路故障后不需要故障隔离操作，不会造成系统崩溃，岸基电源则自动调整工作电压，系统仍然能正常工作。恒流供电系统适合于干线相对固定、输电容量适中，而对可靠性要求高的海底光缆网络。