CN102934377A - 在海水下传输电力并提供光纤通信的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于传输通信和电力的网络。所述网络包括终端站、分支单元以及连接到分支单元的海底节点，其中终端站与第一分支单元之间以及第一分支单元与第一海底节点之间的至少一个连接路径由光纤提供，并且其中所述第一海底节点适于接收多个波长并且在其输出端提供至少一个波长。所述网络包括：连接到主干线缆的第一线缆头的第一电源和连接到所述主干线缆的第二线缆头的至少第二电源。所述第一电源和所述至少第二电源在正常条件或故障条件下，在网络中单独地或组合地供应至少最小电流量。

Description

在海水下传输电力并提供光纤通信的系统和方法

技术领域

本发明涉及海底电力传输和海底通信。

背景技术

在一些海下的活动或应用中，在可变的距离使用水下设备，这样的设备通常需要电力的供应以及去往所述设备和来自所述设备的通信的可用性。

可以在石油&天然气工业、在科学研究中，例如与地震感测有关的深海感测的领域中找到这样的活动或应用的一些示例，其中以很大的距离设置有海下设备的平台或其它装置。

发明内容

海底通信通常是基于包含光纤的光缆的使用。这样的线缆将第一终端站连接到第二终端站和可能的更多终端站，以实现这样的站之间的通信，其中线缆的至少一部分被放置在海水下。终端站可以位于诸如大洲之间的距离的很长的距离处。除了携带用于通信的数据之外，这样的线缆通常还能够运送电力，以便于馈送可位于两个终端站之间的中间距离处的设备。

在典型的海底通信中，使用以大约10千伏量级的DC电压供应电力，以便于减少或最小化由于通过电源与接收它的设备之间的距离的衰减而在线缆中遭受的损失的效应。

与海底通信系统不同的是，在如上面提到的海下活动或应用中，通常使用电缆(electrical cabling)，并且用于电源供应的电压通常比在使用光缆的典型的海底电信网络中用于电源的供应的电压低得多。这样的电压通常使用AC功率传输来提供。

然而，由于线缆的电容效应，所述线缆创建到地的漏电流，其通常随着线缆长度增加，AC电力传输的效率通常随着距离而迅速减小。DC电力传输通常不受到那么多这样的限制，因此更加高效且特别适合于长距离(超过几百公里)。

此外，已知解决方案在将服务给予有限距离的站点的数量方面或所述服务到达有限距离的覆盖方面受到限制。

至于通信的可用性，所述系统具有通常相对有限的能力。这样的系统中的一些能够以相对低的比特率提供数据传输，典型地是几Kb到几十Kb的量级。

然而，最近，上述类型的系统通常是趋于需要比以前的系统更高的容量以更大的带宽进行通信并且同时需要更高级别的可靠性和成本效益。这样的系统的用户(诸如石油&天然气经营者或供应公司)，通常需要更有效地运行、监测和控制其海上设施。

此外，由于这样的系统被安装在海水下，其在很多场合下是在深水中在通常难以定期接近到的地方，因此它们通常需要25年量级的显著的操作“寿命”。因此，这样的系统的可靠性和鲁棒性也非常重要。

一些尝试是已知，其目的是提供如下系统：该系统能够使用常规的海底通信线缆实现通信以及能量传输，与上面提到的已知的系统相比，提高了系统的整体性能。

然而，仍然希望这样的系统在整个网络上供应电力方面强壮，使得在网络的一个单元故障的情况下，其余的单元能够尽可能地维持其操作能力。

本文所提出的解决方案是基于从一个或两个终端站到位于海底的优选地覆盖大面积的多个分布式站点的光纤通信的使用。

因此，一些实施例的特征在于提供了一种用于传输通信和电力的网络，所述网络包括一个或更多个终端站、至少一个分支单元以及至少一个海底节点，所述终端站可以是位于陆地上的站或者是位于海平面以上的固定或浮动站，所述海底节点连接到分支单元，所述网络还包括主干线缆，所述主干线缆用于实现终端站与分支单元之间以及分支单元与海底节点之间的光连接和电连接，所述海底节点适于接收多个光波长并且在输出端提供至少一个光波长，并且所述海底节点适于将从终端站接收到的第一DC电压转换成在输出端提供的第二DC电压，所述第一电压高于所述第二电压，其中，所述网络包括：连接到所述主干线缆的第一线缆头的第一电源和连接到所述主干线缆的第二线缆头的至少第二电源，其中，所述第一电源和所述至少第二电源适于在正常条件或故障条件下，在网络中单独地或组合地供应至少最小电流量。

根据一些特定的实施例，所述网络包括互联网协议切换装置，所述互联网协议切换装置适于在海底节点的输出端实施互联网协议应用。

根据一些特定的实施例，所述网络是环形网络。

根据一些特定的实施例，所述网络还包括至少一个虚负载，所述虚负载适于实现电流流通。

根据一些特定的实施例，所述第一电源被配置为在所述第一线缆头上供应DC电力，使得所述第一电源与海底接地之间的回路闭合，并且其中，所述至少第二电源在待机模式下与虚负载并联连接。

根据一些特定的实施例，所述第一电源和所述至少第二电源被配置为供应电力，其中，所述第一电源被设置为控制电压并且所述至少第二电源被配置为控制所述主干线上的电流。

根据一些特定的实施例，所述第一电源被配置为向所述主干线缆的所述第一线缆头供应电力，所述第二电源被配置为向所述主干线缆的第二线缆头供应电力，并且所述虚负载被断开，其中电阻性负载连接在接近于所述网络中的故障点的节点处，从而确保在所述海底节点中存在电流。

根据一些特定的实施例，所述网络包括第三电源，所述第三电源适于在所述主干线缆中出现故障的情况下提供电源馈送，从而恢复所述主干线缆上的DC电流以及实现所述网络中的通信。

根据一些特定的实施例，所述网络包括管理系统，所述管理系统被配置成设置所述第一和所述至少第二电源的电流和电压需求，从而在所述网络中至少一个节点中相等地平衡所述电流。

根据一些特定的实施例，所述海底节点被配置为在所述分支单元中出现故障的情况下，停止所述主干电压从所述第一电压值到所述第二电压值的转换。

根据一些特定的实施例，所述海底节点被配置为在所述主干电压降落到预定阈值以下的情况下停止所述转换操作。

一些实施例的特征在于提供了一种用于在网络中传输通信和电力的方法，所述网络包括一个或更多个终端站、至少一个分支单元以及至少一个海底节点，所述终端站可以是位于陆地上的站或者是位于海平面以上的固定或浮动站，所述海底节点连接到分支单元，所述网络还包括主干线缆，所述主干线缆用于实现终端站与分支单元之间以及分支单元与海底节点之间的光连接和电连接，所述方法包括：

-在所述海底节点处接收多个光波长并且在输出端提供至少一个光波长；

-在所述海底节点处将从终端站接收到的第一DC电压转换成在输出端提供的第二DC电压，所述第一电压高于所述第二电压；

其中，所述网络包括：连接到所述主干线缆的第一线缆头的第一电源和连接到所述主干线缆的第二线缆头的至少第二电源，其中，所述第一电源和所述至少第二电源在正常条件或故障条件下，在网络中单独地或组合地供应至少最小电流量。

根据一些特定的实施例，所述海底节点获得所述多个光波长并且过滤出旨在供所述海底节点使用的波长，或者所述海底节点将至少一个波长添加到所述主干线缆。

根据一些特定的实施例，所述网络还包括虚负载，包括将所述虚负载从第一线缆头切换至第二线缆头的步骤，使得所述切换步骤通过在所述虚负载还仍然被切换至所述第一线缆头的同时闭合到所述第二线缆头的开关并且在执行到所述第二线缆头的所述切换步骤之后打开到所述第一线缆头的开关，而在服务中在额定电压下执行。

根据一些特定的实施例，在所述网络中增加电流的情况下，执行下述步骤：

-使在所述主干线缆上可用的电压下降到阈值中间值；

-在海底节点处停止所述转换；

-供应低于所增加电流的电流，实现一个或更多个分支单元的安全切断。

在借助于附图的以下描述中以及权利要求中，出于说明而不是限制的目的，更详细地描述本发明的这些和进一步的特征和优点。

附图说明

图1是根据一些实施例的用于传输通信和电力的网络的示例性表示。

图2是图1的网络的示例性表示，其中示出了电力分布的一些原理。

图3是图1的网络的示例性表示，其中示出了光通信的一些原理。

图4是根据一些实施例的第一电力分布情况的示例性表示。

图5是根据一些实施例的第二电力分布情况的示例性表示。

图6是根据一些实施例的第三电力分布情况的示例性表示。

图7是根据一些实施例的第四电力分布情况的示例性表示。

图8是根据一些实施例的第五电力分布情况的示例性表示。

图9是根据一些实施例的在分支单元(branching unit)处的多种连接配置的示例性表示。

图10是根据一些实施例的在故障状态下的第一种情况的示例性表示。

图11是在图10的故障状态下的第二种情况的示例性表示。

图12是根据一些实施例在故障状态造成网络短路的情况下的电源的输出电压/电流特性的示例性曲线图表示。

具体实施方式

如上面已经提到的，最近对通信和电力的需求(例如在各种工业或科学活动中)需要提供具有供这样的活动所使用的各种海底站点的网络的可能性，其中这样的网络能够为海底用户提供DC低压电力(大约400V)和以相对较高的比特率的光学连接的供应。此外，期望这样的网络包括能够在大约25年的范围内的长操作时段期间，提供可靠服务的设备，其中对它的单元并且更特别地对湿(水下)设备的维护的需要保持在最低限度或至少尽可能地减少。

网络中的电力分布在海底节点中使用海水返回和局部中压转换器的原理，所述海底节点被配置为将存在于网络的主干线上的大约10KV DC的高电压转换成通常能够在用户的湿匹配(wet-mate)接口处使用的大约400V DC的低电压。

海水返回的原理涉及这样一种配置：在所述配置中，电流流经单个导体线缆并且经由作为返回导体的海水返回(在每个节点处设置与海水接触的电极)。与已知的AC电力分布相比，该置可能是特别经济的，所述已知的AC电力分布在单相系统中需要至少2个导体，或者在三相系统中需要3个导体。

用于将高电压转换为如上所述的电压的转换器在现有技术中是已知的。

这样的网络可以使用光学放大的主干线(trunk line)，在所述主干线上可以使用中继器(repeater)，以便于在适当的距离处重新放大光信号，从而允许光信号到达位于远离海岸的位置的用户站点。在这样的网络中，可选地，可以使用分布式DWDM光方案，其中专用波长被分发给用户网关(在此中也称为节点)，使得端用户可以有一个分配的、或者甚至保留的容量，用于以受保护的方式保证可靠的通信。优选地，这些网络是环形网络的形式，由此这样的分配的或保留的容量对于使用所述环形网络的两侧的用户是可用的。优选地，所述网络还包括特定的电力切换装置，以便于提供将节点与网络的其余节点电隔离的能力，从而允许给定节点上的特定的局部操作(诸如例如维护工作)，同时最小化这样的隔离对网络的其它用户的影响。这样的切换装置可并入到在一个分支单元。

此外，所述网络可以在该网络或节点中提供特定的IP切换机构的使用，从而允许实现与IP协议有关的特征，特别是，使用PTP协议向最终用户分发精确定时。这样的精确定时允许以高精度发生网络内的事件的同步，例如5微秒到10微秒的量级，而其它协议(诸如NTP)只允许大约1毫秒的精度。IP交换机可以在海底节点中使用，以便于将来自或去往用户接口的数据(通常为每个均为1千兆以太网的6个科学端口)收集/分发到复合2.5千兆比特/秒的上游信号，所述上游信号由一个波长承载。两个一千兆以太网信号可以被映射到STM-16信号中以构建每个波长。

图1是根据一些实施例的用于传输通信和电力的网络1的示例性表示。网络1包括终端站2，所述终端站2可以通常位于海岸上或海平面以上的固定或浮动结构上。在图1的示例中，终端站2示出为在陆地(海岸)上。光链路线缆3(在此也可以称为主干)将终端站2连接到海底设备。一个这样的海底设备可以是中继器4。众所周知，中继器用于重新放大通过光缆行进的光信号。中继器4可以以预定的间隔(距离)来定位，以确保这样的重新放大。

主干线缆3被配置为运送使用一个或多个波长的光信号和运送例如从大约1KV至大约50KV的高电压的DC电源(优选地电源电压值可以是大约15KV、12KV和10KV(后者用于在此所提供的实施例的示例中))。在一些实施例中，光信号可以是波分复用(WDM)信号、粗WDM(CWDM)信号或密集波分复用(DWDM)信号。光信号能够实现终端站与海底站点之间的通信。

网络1还包括至少一个分支单元5。分支单元5通过分支线51将主干线3耦合到分支设备。根据一些实施例，分支设备可以是需要电压的供应和与终端站2的通信的可用性的海底节点6。海底节点可以使用或在其输出端提供基本上低于存在于主干线3上的电压的电压。例如，根据应用和将要通过海底节点供应的低电压设备所需的电压，由海底节点使用或供应的DC电压可以从500V变化到5VDC变化。将要通过海底节点使用或供应的优选电压值可以是大约400V(其在本文提供的实施例的示例中使用)。

上文提到的典型的低电压设备可以是通信设备、仪器、传感器、电引擎等。

海底节点6可以进一步使用光通信，所述光通信以例如大约100Mbit/s以上的相对较高的比特率使用光信号。一些优选的比特率是1Gbit/s和10Gbit/s。

如图所示，网络1优选地可为环形网络。此配置因为沿着环形在两个方向上的传输的可能性而提供了最优的服务可用性。然而，这不是强制性的，并且在要求保护的本发明的范围内也可以使用其它的网络配置(诸如例如单激励网络)。

图2是图1的网络的示例性表示，其中示出了电力分布的一些原理。在该图中，相同的单元已被给予与图1相同的附图标记。在图2中所示的示例中，终端站2可以包括能够供应相对高的DC电压(例如不同极性的大约10KV)的电力馈送设备。

在操作中，可以在主干线3上提供例如大约10KV的供应电压。

在一个分支单元5处，通过分支线51将在主干线3上供应的电力分支到海底节点6。海底节点6被配置为将高电压(在这个示例中大约10KV)转换为能够供对应的站点处的设备使用的较低电压。在该示例中，较低电压可为大约400V。在图4至图8中进一步详细讨论电力馈送的一些情况。

图3是图1的网络的示例性表示，其中示出了光通信的一些原理。在该图中，除图中另有规定外，相同的单元已被给予与图1和图2相同的附图标记。在图3中所示的示例中，终端站2可以包括能够在主干线上发送光波长/从主干线接收光波长的线设备。优选地，终端站2中的线设备可以能够发送/接收多波长光信号，诸如例如WDM、CWDM或DWDM类型信号。

在图3中所示的示例中，假设终端站2能够发送/接收WDM型信号。如图所示，第一终端站2a可以与第一海底节点6a交换(发送或接收)波长λx的第一光信号，并且与第二海底节点6b交换第二光信号λz。同样地，第二个终端站2b可与第一海底节点6a交换(发送或接收)波长λy的第三光信号，并且与第二海底节点6b交换第四光信号λw。海底节点6、6a和6b可以配备有转发器，以便于能够接收和发送波长。

在操作中，也可以在主干线3上提供多波长光信号(包括λw、λx、λy和λz，或其它的波长)——例如通过在每个终端站2a和2b上以及在节点6a、6b或其它海底节点上提供不同的光波长的相应源。

如果需要的话，可以使用中继器来重新放大光信号。

在分支单元5a处，通过例如光耦合从主干线3获得包括波长λx的多波长光信号，并且通过分支线51a传输到第一海底节点6a。然后，海底节点6a过滤出旨在供其使用的波长λx。该波长可用于实现第一海底节点6a与第一终端站2a之间的通信的目的。同样地，具有波长λy的光信号通过分支线51a从第一海底节点6a分支到(添加到)主干线3中。该波长可用于实现海底节点6a与第二终端站2b之间的通信的目的。

以类似的方式，使用分支单元5b，通过例如光耦合从主干线3获得包括波长λy的多波长光信号，并且通过分支线51b传输到第二海底节点6b。然后，海底节点6b过滤出旨在供其使用的波长λy。该波长可用于实现第二海底节点6b与第一终端站2a之间的通信的目的。同样地，具有波长λw的光信号通过分支线51b从第二海底节点6b分支到(添加到)主干线3中。该波长可用于实现第二海底节点6b与第二终端站2b之间的通信的目的。因此，可以观察到可针对终端站与海底节点之间的通信而分配专用波长。

虽然在图中未示出，但是也可以在两个终端站之间建立通信。在期望两个终端站之间进行通信的情况下，专用两个终端站之间的特定波长是足够的，其中将这样的专用波长在光缆上从一个终端站被运送到另一个终端站而不在任何中间海底节点被下路。向光缆上路波长或从光缆下路波长的技术可以是本领域技术人员知道的任何技术。

以上配置考虑了所需的网络中通信的任何两点之间以高比特率的容易且可靠的通信能力。

电力馈送也可以以各种不同的方式提供。下面通过说明而不是限制的方式描述情况中的一些示例。在要求保护的本发明的范围之内其它情况也是可以的。

图4是根据一些实施例的第一电力分布情况的示例性表示。特别地，在图4中所示的情况涉及可以被认为是正常的操作状态的单端操作模式(虽然在网络中可用两个电源，例如在图1中的终端站2处)。

第一电源PS 1示出为连接到主干线缆T的第一线缆头C 1，第二电源PS2示出为连接到主干线缆T的第二线缆头C2。也可以在电路中设置虚负载(dummy load)DL。沿着主干线缆T在某些位置处设置分支单元BU1、BU2、BU3和BU4。每一个分支单元可被耦合到相应的海底节点N1、N2、N3和N4。主干线缆T是能够传输电力以及光信号的光缆。

在这种状态下(通常为正常条件下)，电源PS1和PS2二者可以是例如在负极性处，PS1在线缆头C1上提供DC电源(电压-电流)。如在该图(和线缆头C1和C2上的箭头)所示，PS 1和海底接地(seaearth)之间的回路是闭合的。另一方面，虚负载DL优选地存在于电路上，以便于确保同一方向上的电流流通。为了增加(或确保)系统上的电源的可用性，PS2可以与虚负载DL并联连接但处于待机模式中(为了在PS1故障的情况下被并入到电路中)。优选地，将PS2的电压调整到虚负载DL的电压以下。可以在PS2的输出处使用二极管，从而防止反向电流。因此，在这种情况下，PS2没有提供电流。

在图4的正常操作情况下，海底节点N1、N2、N3和N4可能供应有电流和光信号，用于在需要的情况下正常地通信。电流的流动方向通过图中的箭头示出。

在第1电源PS1故障的情况下，第二电源PS2可以自动地接管系统的电力馈送的任务。

图5是第1电源PS1具有故障(无论何种原因)的电力分布情况的示例性表示。在图5中，相同的单元已被给予与在图4中相同的附图标记。在这样的情况下，从电路中断开PS1并且PS2被自动并入电路中，从而确保电流的流动。此外，在节点或主干线缆处故障的情况下，所述第二电源PS2确保电流流动，并允许一个或更多个分支单元的快速的重新配置。因此，在该第二方案中，也可以确保针对海底节点N1、N2、N3和N4的服务(电力和通信)。

如在图中(在图5的情况下)看到的，虚负载DL被切换到其它线缆头，即C1。优选地，虚负载的切换在服务中在额定电压下执行，与到线缆头C2的开关并行地(也闭合)闭合到线缆头C1的开关，并且然后打开到线缆头C2的开关(所谓的先接后断(make-before-break)切换操作)。电流流动的方向通过图中的箭头示出。

在请求的整体电力超过单个电源的容量的情况下，主干线缆可以由两个电源PS1和PS2馈送，而虚负载可以关闭(断开)。图6是在这样的情况下的电力分布情况的示例性表示。在图6中，相同的单元已被给予与图4和图5中相同的附图标记。

根据电流和电压监测，可以由可位于终端上的管理系统来采取关于是否将两个电源并入电路中的决定。然后，管理系统可以设置电源PS1和PS2的电流和电压要求，以在多个节点中的一个(例如图中的N2)中相等地平衡电流，使得没有中继器可能接收太低的电流(接近于零)。这种关注的原因是因为中继器通常串联馈送并且需要最小的电流(几百毫安)以馈送激光泵和确保光放大。如果从两端(PS1和PS2)以相同的极性的电压接收电力，则电流以相反方向流动(如图6中的箭头所示)，并且系统中必然存在一点，在该点中电流必须反转。因此，为了确保在两个分支单元之间将不会有电流降至接近零的部分，可以期望在电力消耗(并且因此节点电流)足够高的预先定义的分支单元位置处强制发生电流反转，并且调整所述电源中的设置，使得该节点中的电流是从一个方向基本上接收到一半而从另一个方向基本上接收到另一半(例如，如果节点电流为1A，则电源可设置为0.5A来自一个方向和0.5A来自其它方向)并且这也可以是整个系统中的最小电流，因为所有其它节点都添加它们的电流到骨干直到陆地站。

因此，在节点电力对于系统而言太高以至于无法以单端馈送操作(远端节点具有与所有其它中间节点的累计下降相对应的压降)并且有一个系统崩溃的电力限制(节点电压是PS1电压的一半时)的情况下，该系统可以以双端馈送设置(除了虚负载故障的情况)。

因此，可以使用算法，以便于调节位于电路的两端的DC电压和电流(在双端馈送中)并向回路中的所有中继器保证最小电流。这样的算法可以基于节点N2中(在其中产生电流平衡(例如使用遥测技术))和用于确定电流需求的电力馈送设备中的电流测量值的算术运算。因此，一个电源可以设置在电压控制模式下，而另一个电源负责电流控制以维持整体的电流。假设第1电源PS1是在电流模式下，PS1可以使其电流设置为：I＝I1+I2/2。因此，在电压模式下的另一个电源提供其余的电流，因而I＝I2/2+I3+I4。

图7是第四电力分布情况的示例性表示，其中，双端馈送在主干线缆上故障的情况下可用。在图7中，相同的单元被给予与图4至图6中相同的附图标记。

假设主干线缆如图7中的附图标记F所示处于故障条件下(例如主干线缆的断裂可能会导致系统分裂成两个单独的电路)，每个电源PS1和PS2可被连接到对应的线缆头C1和C2，并且虚负载可被断开。

在这种特定情况下，可以在接近线缆中的故障点的节点的输入端自动连接电阻性负载。在这种情况下，电阻性负载会支持直接来主干的高电压。可替换地，电阻性负载可连接在海底节点的输出端，在这种情况下，它会支持分支上的低电压。在图7中，海底节点N2和N4示出为被连接到相应的电阻性负载RL2和RL4。电阻性负载可以确保操作光学系统所需的最小电流的存在，并且可以在光通信丢失的情况下自动接通。在这样的海底节点N2或N4中的一个需要高功率的情况下，电阻性负载可以断开，因为它通常是非优先负载。电流流动的方向通过在图中的箭头示出。

在图7的情况下(主干线缆经受断裂)，重新配置整个系统可能变得非常必要。为了这样做，分支单元可能需要接收特定的命令。在图8中示出了针对重新配置操作的示例性解决方案。在这种情况下，电源PS 1和PS2从系统中断开。并入能够以反向极性电力馈送模式工作的第三电源PS3，从而恢复主干线上的DC电流以及实现系统中的通信。这是通过位于海底节点N2和N4(图7中的断裂点旁边的节点)内部的DC/DC转换器的输入端的反向偏置二极管D2和D4完成的。该电流的提供使得系统管理员将命令发送到将需要重新配置的分支单元(在该示例的情况下，BU2和BU4)，并且如所需要的改变系统的拓扑结构。

优选地，分支单元的重新配置通过光监测信号执行，所述光监测信号能够激活分支单元从而改变它们的连接配置。图9是根据一些实施例的在分支单元处的多种连接配置的示例性表示。在该图中，示出了四种可能的稳定的连接配置。第一配置AB，涉及在端口A与B之间提供连接而留下端口C打开；第二配置AC，涉及在端口A与C之间提供连接而留下端口B打开；第三配置BC，涉及在端口B与C之间提供连接而留下端口A打开，并且最后的第四配置ABC涉及将三个端口A、B和C连接在一起。要注意的是，端口A、B和C中的两个可以连接到主干线并且第三个可以连接到分支线。

在分支单元的分支线缆中发生故障的情况下，所述系统可以被配置为隔离有故障的线缆并且保持整体系统仍然可用于提供服务。

在序号为US 6987902的美国专利中描述了能够在本发明的网络中使用的所述类型的分支单元的示例，在此通过引用并入其全部内容。

图10是故障被示出为在分支单元BU1中发生的第一种情况的示例性表示。在这样的故障处于开路的形式中的情况下，该系统可能不会受到损害，因为只有一个海底节点N1被从系统中隔离，而其它海底节点保持运行。然而，在这样的故障状态处于短路的形式中的情况下(如图10中节点N1处所示并且分支单元BU1中的端口A、B和C都连接在一起)，则该系统可以被配置为自动停止在海底节点N2、N3和N4处主干电压从高的值(例如正常条件下的大约10KV)到较低的值(例如正常条件下的大约500V)转换。事实上，每个海底节点中的转换器可以被配置为在主干电压降落到预定阈值(例如大约5KV)以下的情况下停止转换操作。在这样的情况下，该系统变成了从第一电源PS1到第二电源PS2的端到端的串联连接电路，由电源PS1和PS2供应的新电压基本上低于主干预定阈值(该示例中的5KV)。电路中的电流的方向通过图10中的箭头示出。

图11是在图10的故障状态下的第二种情况的示例性表示，其中，在清除分支单元1的分支线中的故障之后使得所述系统重新启动。在该图中，相同的单元已被给予与图10相同的附图标记。如图11所示，在端口A和B连接在一起的新的状态中重新配置分支单元BU1，由此实现在主干线T上的连续性。由于现在从电路中隔离了短路电路，因此可以重新启动系统并且海底节点N2、N3和N4可以提供服务。电流的方向通过图中的箭头示出。

图12是根据图10和图11网络中的短路导致的故障状态下系统中的电源的输出电压/电流特性的示例性曲线图表示。在该图中，X轴(即横轴)示出了主干中的电流极限，而Y轴(即纵轴)，示出了由电源PS1和PS2供应的电压。目的是在分支线中发生诸如针对图10所讨论的短路的情况下，将主干线T中的电流保持在安全的低值。如图所示，在正常条件下，可在主干线上应用的电压在第一高值V1(例如大约10KV)处。这在图中由附图标记M示出。如果系统经历电流增加(沿着X轴)，则电压下降到中间值V2。这在图中由附图标记N示出。可以建立第二电压V2，作为如针对图10描述的预定阈值。随着电压进一步下降到预定电压值V2以下，海底节点停止转换操作，因此该系统用作串联连接，电源PS1和PS2供应安全的低电流。这在图中由附图标记O示出。最后，在预定的较低电压V3处，系统建立对于系统的操作而言安全的低电流，如在图中由附图标记P所示，其允许分支单元的软切断以清除故障并且自动恢复DC电源。

要注意的是，虽然在本文中所提供的实施例中，以示例性方式描述了两个电源PS1和PS2，但是本发明的网络不一定限于只有两个电源。事实上，在要求保护的本发明的范围内，进一步的电源可以在网络中存在。例如，该网络可以包括在该第一环形(或并联)网络内配置的附加回路，或者该网络可以简单地包括第三电源，具有通过简单的T-型连接提供的三分支网络。

在大于三个，例如N个，电源被并入系统中的情况下，可以使用算法，以便于基于如下原理来管理电源：至少一个电源被配置为控制电压而其余N-1个电源操作为控制电流，以如上面针对使用两个电源的实施例所描述的类似的方式。

如上所述，本发明提供了宽广的解决方案，以使用市场上可用的海底线缆在相对大的区域上带来电力和光通信。

本文所提出的系统可以提供对于各种应用的服务，所述应用例如但不限于石油&天然气科学工作以及深海感测工作。

由于可能使用诸如线缆，分支单元和中继器等通常具有25年设计寿命的海底通信设备，系统提供一个相对延长的操作寿命(与不使用这样的海底通信设备的已知系统相比)，尽管具有高达大约8A的显著高的线路电流。

诸如电源、分支单元、海底单元和中继器的多个单元可以包括块，所述块可以是硬件设备、软件模块或硬件设备和软件模块的组合。

可以组合本发明的各种实施例，只要这样的组合是兼容的和/或互补的。

此外，要注意的是，与要求保护的装置相对应的结构的列表并不是穷举的，本领域技术人员应该理解，在不脱离要求保护的本发明的范围的情况下，等效结构能够替代所记载的结构。

本技术领域的技术人员应该理解，本文中的任何方框图代表了具体体现本发明的原理的说明性电路的概念图。

Claims (15)

1.一种用于传输通信和电力的网络，所述网络包括一个或多个终端站、至少一个分支单元以及至少一个海底节点，所述终端站可以是位于陆地上的站或者是位于海平面以上的固定或浮动站，所述海底节点连接到所述分支单元，所述网络还包括主干线缆，所述主干线缆用于实现终端站与分支单元之间以及分支单元与海底节点之间的光和电连接，所述海底节点适于接收多个光波长并且在输出端提供至少一个光波长，并且所述海底节点适于将从终端站接收到的第一DC电压转换成在输出端提供的第二DC电压，所述第一电压高于所述第二电压，其中，所述网络包括：连接到所述主干线缆的第一线缆头的第一电源和连接到所述主干线缆的第二线缆头的至少第二电源，其中，所述第一电源和所述至少第二电源适于在正常条件或故障条件下，在网络中单独地或组合地供应至少最小电流量。

2.根据前述任一权利要求所述的网络，其中，所述网络包括互联网协议切换装置，所述互联网协议切换装置适于在海底节点的输出端执行互联网协议应用。

3.根据前述任一权利要求所述的网络，其中，所述网络是环形网络。

4.根据前述任一权利要求所述的网络，所述网络还包括至少一个虚负载，所述虚负载适于实现电流流通。

5.根据权利要求4所述的网络，其中，所述第一电源被配置为在所述第一线缆头上供应DC电力，使得所述第一电源与海底接地之间的回路闭合，并且其中，所述至少第二电源在待机模式下与虚负载并联连接。

6.根据前述任一权利要求所述的网络，其中，所述第一电源和所述至少第二电源被配置为供应电力，其中，所述第一电源被设置为控制电压并且所述至少第二电源被设置为控制所述主干线上的电流。

7.根据权利要求4所述的网络，其中，所述第一电源被配置为向所述主干线的所述第一线缆头供应电力，所述第二电源向所述主干线的第二线缆头供应电力，并且虚负载被断开，其中电阻性负载连接在接近于所述网络中的故障点的节点处，从而确保在所述海底节点中存在电流

8.根据权利要求7所述的网络，其中，所述网络包括第三电源，所述第三电源适于在所述主干线缆中出现故障的情况下提供电源馈送，从而恢复所述主干线上的DC电流以及实现所述网络中的通信。

9.根据前述任一权利要求所述的网络，其中，所述网络包括管理系统，所述管理系统被配置为向所述第一和所述至少第二电源设置电流和电压需求，从而在所述网络中的至少一个节点中相等地平衡所述电流。

10.根据权利要求1所述的网络，其中，所述海底节点被配置为在分支单元中出现故障的情况下，停止所述主干电压从所述第一电压值到所述第二电压值的转换。

11.根据权利要求8所述的网络，其中，所述海底节点被配置为在所述主干电压降落到预定阈值以下的情况下停止所述转换操作。

12.一种用于在网络中传输通信和电力的方法，所述网络包括一个或多个终端站、至少一个分支单元以及至少一个海底节点，所述终端站可以是位于陆地上的站或者是位于海平面以上的固定或浮动站，所述海底节点连接到分支单元，所述网络还包括主干线缆，所述主干线缆用于实现终端站与分支单元之间以及分支单元与海底节点之间的光和电连接，所述方法包括：

-在所述海底节点处接收多个光波长并且在输出端提供至少一个光波长；

-在所述海底节点处将从终端站接收到的第一DC电压转换成在输出端提供的第二DC电压，所述第一电压高于所述第二电压；

其中，所述网络包括：连接到所述主干线缆的第一线缆头的第一电源和连接到所述主干线缆的第二线缆头的至少第二电源，其中，所述第一电源和所述至少第二电源在正常条件或故障条件下，在网络中单独地或组合地供应至少最小电流量。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述海底节点获得所述多个光波长并且过滤出旨在供所述海底节点使用的波长，或者所述海底节点将至少一个波长添加到所述主干线缆。

14.根据前述权利要求12或13中任一权利要求所述的方法，其中所述网络还包括虚负载，所述方法包括通过以下方式将所述虚负载从第一线缆头切换至第二线缆头以使得所述切换在服务中以额定电压执行的步骤，所述方式是：在所述虚负载还仍然被切换至所述第一线缆头的同时闭合到所述第二线缆头的开关并且在执行到所述第二线缆头的所述切换步骤之后打开到所述第一线缆头的开关。

15.根据前述权利要求12至14中任一权利要求所述的方法，其中，在所述网络中增加电流的情况下，执行下述步骤：

-使在所述主干线缆上可用的电压下降到阈值中间值；

-在海底节点处停止所述转换；

-供应低于所增加电流的电流，实现一个或多个分支单元的安全切断。

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