海底观测网电能管理控制系统研究

海洋占地球表面积的71%，海底蕴藏着丰富的石油、天然气、锰结核、热液硫化物等矿产资源，勘测和开发海底资源对人类的生存和可持续发展至关重要l1。海底观测网是近年开始研究的新课题 ，对于海洋科学研究、资源探测、环境保护和灾害预防等方面具有非常重要的作用。到目前为止，海底观测网在国际上有很多的实际应用案例。然而我国真正的海底观测网的建设才刚刚起步。

海底观测网实质上是海底实验室，把各种观测设备放在海底，通过光电复合缆给各个观测点提供电能、收集信息，不受海洋风浪、能源等限制，能长期连续实时原位地观测海底地震、地壳内流体和生物等的活动。岸基站通过电缆源源不断地将电能输送到海底观测网中，为水下观测设备提供电能，维持各个观测设备的正常运行。电能是海底观测网络的命脉，没有了电能整个海底观测网络就不能运作，海底供电系统的可靠性是海底观测网络长期连续运行的关键。为此设计了-套海底观测网电能管理控制系统。

2系统结构高压交流输电和高压直流输电是现在两种较为成熟的远距离输电方式。高压交流传输方式对电缆要求比较高，并且线路与海水、大地构成较大的电容，长距离传输功率损失严重。相对而言，高压直流输电对电缆要求比较低 ，传输过程中不受电容的影响，损耗较校海底电缆超过40km时，高压直流输电无论是经济上还是技术上都较为合理删。海底观测网采用单极高压直流输电方式[7-91，用海水作为输电回路的正极 ，利用-根导线作为输电回路的负极传输高压直流电。在海底观测网的供电系统中，首先海岸基站的交直流转换器将陆地电网输送的 380V交流电转换为10kV负高压直流电。其次，通过海底光电复合缆把10kV负高压直流电输送到海底主接驳盒。然后，通过主接驳盒中的中压-低压DC/DC转换器把 10kV高压直流电转换成 375V直流电，再把375V直流电送到主接驳盒的控制舱和次级接驳盒中；最后，通过主接驳盒控制舱和次级接驳盒 中的 DC-DC转换器转换 成来稿日期：2012-07-14作者简介：于伟经，(1987-)，女，山东东营人，在读研究生，主要研究方向：海底观测网电能管理；李智刚，(1970-)，男，辽宁沈阳人，研究员，硕士生导师，主要研究方向：水下机器人控制系统机械 设 计 与制造No.5Mav.2013现绝缘故障时，通过海水形成电流回路，电阻中有电流流过，通过检测电阻两端的电压判断绝缘故障。当发现某支路出现绝缘故障时，通过继电器将该支路隔离，防止影响整个供电系统。

图 5绝缘监测拈Fig.5 Insulation Monitor Module3.3开关拈开关拈处于电源系统和负载系统之间，用于电能分配和异常隋况的保护和隔离，是海底电能系统进行控制与管理的基矗如图6所示，开关拈采用功率 MOSFET和电磁继电器串联的方案MOSFET开关速度快、可靠性高，但是不能实现完全理想的电气隔离，关断后的漏电流会造成金属的电化学腐蚀。电磁继电器能够实现完全电隔离，但是容易发生电弧放电，损坏触 。功率MOSFET和电磁继电器串联使用实现两者性能互补，提高开关拈的可靠性和稳定性。功率MOSFET有导通电阻，容易发热损耗而损坏，通过功率MOSFET并联解决这-问题。机械继电器在功率 MOSFET切断电流后再动作，避免触点损坏，并且实现了完全电气隔离。

--， 困图6开关拈Fig.6 Switch Module4软件设计海底观测网电能管理控制系统的软件主要包括接驳盒监控节点程序和岸基站控制台程序两大部分，二者如何协调职能，最大限度的保障系统稳定性是海底观测网电能管理系统需要优先考虑的问题。因为海底观测网长期运行于海底，需要极高的稳定性和故障保护能力，如果将设备从海底打捞进行修复需消耗很高的成本。经过考虑，系统采用PLC检测、控制接驳盒内电子电路，上位机发送操作人员控制命令和显示接驳盒状态的职能分工方式。这样-来，当通讯网络出现故障时可以由PLC接管接驳盒控制系统，检测系统状态并执行相关操作或必要时将电路电源关闭。

4.1接驳盒监控节点程序接驳盒监控节点程序主要分为三个部分：通信部分、命令处理部分和状态监测部分。通信部分主要负责岸基站命令数据的接受和水下接驳盒系统采集数据的上传；命令处理部分按照规定的协议对接收到的命令进行解析并执行相应的控制指令，通过对开关拈的控制，实现对海底观测设备的电能分配；状态监测部分主要测量各负载的工作电流电压、接驳盒腔体内部温度和漏水情况以及电缆的绝缘故障，对采集到各路数据进行异常检测和处理。

图7监控程序流程图Fig.7 Flow Chart of Monitor Program4.2岸基站控制台程序控制台程序采用基于面向TCP/IP协议的Socket通信机制[ 01的 C/S结构，采用c#编写。岸基站控制台的程序主要实现与水下接驳盒的网络通信，对接驳盒上传的数据按照规定的协议解析并进行实时动态显示，通过人机监控界面能够直观地了解到海底各个负载的运行状态。另外，还要通过人机界面开启、关断水下接驳盒内任何负载的供电和设置过压过流等保护阈值，实现对海底接驳盒的电能分配和控制。程序的数据接受采用异步监听方式，无需接收数据时挂起主线程，提高了执行效率和稳定性。岸基站控制台管理界面，如图8所示。

图8岸基站控制台管理界面Fig.8 Management Interface of Console on Basestation5系统测试与试验海底观测网络的直流输电系统的局限性和观测设备的贵重程度决定了电源管理控制系统需要对异常隋况做出相应措施，而异常响应时间的快慢则是能够实现有效防护的关键。对于响应时间要求高的异静晴况是过压和过流，当电源管理控制系统监测到过压过流时应该快速的从负载处断开，以免对观测设备造成永久性的损害。系统对各路子系统的过压、过流的响应时间分别进行