CN108983038A - 缆系海底观测网电力系统实验平台 - Google Patents

缆系海底观测网电力系统实验平台 Download PDF

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周怀阳
朱嘉宇
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Abstract

本发明涉及一种缆系海底观测网电力系统实验平台。实验平台由海岸基站电力模型、主干海缆模型、分支单元模型、分支海缆模型、海底主基站电力模型和负载模型组成，海岸基站电力模型由输入保护电路、输入电压电流检测电路、M个AC/DC变换模块、输出电压电流检测电路和输出保护电路依次连接而成，主干海缆模型和分支海缆模型均由若干个π型等值电路依次连接而成，分支单元模型由取电单元、控制单元和四个继电器组成，海底主基站电力模型由输入保护电路、输入电压电流检测电路、N个DC/DC变换模块、输出电压电流检测电路和输出保护电路依次连接而成，负载模型为电子负载，用于模拟海底用电负荷。本发明用来模拟缆系海底观测网电力系统的运行。

Description

缆系海底观测网电力系统实验平台
技术领域
本发明属于海底观测技术领域，具体涉及一种缆系海底观测网电力系统实验平台。
背景技术
海底观测网是人类建立的继地面/洋面和空间之后的第三个海洋观测的平台，通过它人类可以深入到海洋内部观测和认识海洋。
本发明主要研究缆系海底观测网的电力系统。缆系海底观测网的电力系统主要由海岸基站、主干海缆、分支单元、分支海缆、海底主基站、观测仪器适配器和观测仪器等组成，具有较强的电能供给能力，从海岸基站通过光电复合通信海缆向各个海底节点输送电能使仪器正常工作。
但是，海底观测网位于海底，其地理位置比较特殊，布网难度较大，如果运行出现异常维修的时间较长、费用较高，因此，在陆地建立缆系海底观测网电力系统实验平台至关重要，该实验平台可以用来模拟实际缆系海底观测网电力系统的架构和运行情况，可以研究海岸基站或者大功率负载的投切对其稳定性的影响。但是，目前尚未出现此类缆系海底观测网电力系统实验平台。
发明内容
本发明的目的在于提出一种缆系海底观测网电力系统实验平台，所述实验平台能够模拟实际缆系海底观测网电力系统的结构和功能。
本发明的技术方案是：
缆系海底观测网电力系统实验平台，包括海岸基站电力模型和输出结构，其中：海岸基站电力模型的输出结构由主干海缆模型、分支单元模型、分支海缆模型、海底主基站电力模型和负载模型依次连接而成，海岸基站电力模型和输出结构的连接方式为下述方式中任一种；
第一种方式：输出结构有两条，第一条输出结构的主干海缆模型连接海岸基站电力模型的输出接口，第二条输出结构的主干海缆模型连接第一条输出结构的分支单元模型；
第二种方式：输出结构有两条，两条输出结构并联，两条输出结构的主干海缆模型分别连接海岸基站电力模型，两条输出结构的分支单元模型通过主干海缆模型相连；
第三种方式：海岸基站电力模型有两个，输出结构有两条，每个海岸基站电力模型分别连接相应的输出结构，两条输出结构的分支单元模型通过主干海缆模型相连；
第四种方式：海岸基站电力模型有两个，输出结构有三条，第一个海岸基站电力模型依次连接第一主干海缆模型、第一分支单元模型、第二主干海缆模型、第二分支单元模型和第一条输出结构，第二个海岸基站电力模型依次连接第三主干海缆模型、第三分支单元模型、第四主干海缆模型、第四分支单元模型、第五主干海缆模型和第一条输出结构的分支单元模型；第二条输出结构连接第一分支单元模型，第二条输出结构的分支单元模型通过第六主干海缆模型连接第三分支单元模型，第三条输出结构连接第二分支单元模型，第三条输出结构的分支单元模型通过第七主干海缆连接第四分支单元模型；
所述海岸基站电力模型由输入保护电路、输入电压电流检测电路、M个AC/DC变换模块（M ≥ 2）、输出电压电流检测电路和输出保护电路依次连接而成，所述输入电压电流检测电路用于检测陆地电网提供的输入电压电流；所述输入保护电路通过输入电压电流检测电路来判断是否存在过压或欠压现象；所述输出电压电流检测电路用于检测AC/DC变换模块的输出电压电流；所述输出保护电路通过输出电压电流检测电路来判断是否存在过压或欠压现象；所述M个AC/DC变换模块用于将陆地电网提供的工频交流电能变换为所需的高压直流电能；
所述主干海缆模型由若干个π型等值电路依次连接而成，分别连接海岸基站电力模型和各个分支单元模型；
所述分支单元模型由取电单元、控制单元和四个继电器组成，所述第一继电器S1、第二继电器S2和第四继电器S4的触点A连接在一起，所述第一继电器S1、第三继电器S3和第四继电器S4的触点B连接在一起，所述第二继电器S2的触点B和第三继电器S3的触点A连接在一起，所述第四继电器S4是冗余继电器。所述取电单元用于给控制单元供电，所述控制单元分别控制四个继电器的闭合或断开来连接或断开三条海缆，可以用于扩展海底观测网的规模以及发生故障时切断故障支路；
所述分支海缆模型由若干个π型等值电路依次连接而成，分别连接各个分支单元模型和海底主基站电力模型；
所述海底主基站电力模型由输入保护电路、输入电压电流检测电路、N个DC/DC变换模块（N ≥ 2）、输出电压电流检测电路和输出保护电路依次连接而成，所述输入电压电流检测电路用于检测海岸基站电力模型提供的输入电压电流；所述输入保护电路通过输入电压电流检测电路来判断是否存在过压或欠压现象；所述输出电压电流检测电路用于检测DC/DC变换模块的输出电压电流；所述输出保护电路通过输出电压电流检测电路来判断是否存在过压或欠压现象；所述N个DC/DC变换模块用于将10kV高压直流输电电压变换为400V的中压直流配电电压，然后给各个外部负载模型供电；
所述负载模型为电子负载，用于模拟海底用电负荷。
本发明中，所述输入电压电流检测电路和输出电压电流检测电路中的电压检测采用霍尔电压传感器，电流检测采用霍尔电流传感器。
本发明中，所述π型等值电路的数量由海缆长度和分段长度来共同决定，假设海缆的长度为Y，每Z千米一个π型等值电路（1≤Z≤10），那么所需π型等值电路的数量X=Y/Z。每个π型等值电路都是由一个电阻R0、一个电感L0、第一电容C0、第二电容C1组成，所述电阻R0的触点A和第一电容C0的触点A连接在一起，所述电阻R0的触点B和电感L0的触点A连接在一起，所述电感L0的触点B和第二电容C1的触点A连接在一起，所述第一电容C0的触点B和第二电容C1的触点B连接在一起。其中，所述电阻R0、电感L0、第一电容C0、第二电容C1的大小由分段长度Z来决定。
本发明中，所述取电单元为一组串联的稳压二极管，能够从系统中获得稳定电压。
本发明中，所述控制单元为低功耗型微控制器。
本发明中，所述四个继电器均为常开型的固态继电器，其在所述缆系海底观测网启动前均处于断开状态，所述控制单元上每一个数字端口信号分别连接相应的继电器，以控制第一继电器S1、第二继电器S2、第三继电器S3和第四继电器S4的闭合和断开。
本发明中，所述低功耗型微控制器、电压传感器和电流传感器均为市售产品。
本发明中，所述M个AC/DC变换模块的输入端并联，其输出端串联，每个AC/DC变换模块采用同样的电路和具有相同的参数，假设所述海岸基站电力模型的输出电压为P，每个AC/DC变换模块的输出电压为Q，那么所需AC/DC变换模块的个数M=P/Q。
本发明中，所述N个DC/DC变换模块的输入端串联，其输出端并联，每个DC/DC变换模块采用同样的电路和具有相同的参数，假设所述海底主基站电力模型的输入电压为E，每个DC/DC变换模块的输入电压为F，那么所需DC/DC变换模块的个数N=E/F。
本发明中，所述负载模型是电子负载。
本发明的工作原理是：
本发明所述海岸基站电力模型将陆地电网提供的工频交流电能变换为10kV高压直流电能，然后通过所述主干海缆模型、分支单元模型和分支海缆模型输送给海底主基站电力模型，所述海底主基站电力模型将10kV高压直流输电电压变换为400V中压直流配电电压，然后给各个外部负载模型供电。
本发明的有益效果是：
本发明可以模拟实际缆系海底观测网电力系统在正常和异常情况下的运行状态，可以用于研究缆系海底观测网电力系统在各种工况下的运行稳定性，如投切海底大功率负载。
附图说明
图1a为缆系海底观测网电力系统实验平台的一种链式结构。
图1b为缆系海底观测网电力系统实验平台的一种环式结构。
图1c为缆系海底观测网电力系统实验平台的一种双端环式结构。
图1d为缆系海底观测网电力系统实验平台的一种网状结构。
图2为本发明涉及的海岸基站电力模型内部示意图。
图3为本发明涉及的主干海缆模型和分支海缆模型π型等值电路原理图。
图4为本发明涉及的分支单元模型内部示意图。
图5为本发明涉及的海底主基站电力模型内部示意图。
图中标号：10为海岸基站电力模型、20为主干海缆模型、30为分支单元模型、40为分支海缆模型、50为海底主基站电力模型、60为负载模型、11为输入保护电路、12为输入电压电流检测电路、13为M个AC/DC变换模块、14为输出电压电流检测电路、15为输出电压保护电路、R0为海缆单位长度的电阻、L0为海缆单位长度的电感、C0为海缆单位长度的电容、C1为海缆单位长度的电容、31为取电单元、32为控制单元、33为四个继电器、S1为第一继电器、S2为第二继电器、S3为第三继电器、S4为第四继电器、51为输入保护电路、52为输入电压电流检测电路、53为N个DC/DC变换模块、54为输出电压电流检测电路、55为输出电压保护电路。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
图1a至图1d分别为所述缆系海底观测网电力系统实验平台的四种拓扑结构。其中，图1a为链式拓扑结构，图1b为环式拓扑结构，图1c为双端环式拓扑结构，图1d为网状拓扑结构。这四种拓扑结构都由海岸基站电力模型10、主干海缆模型20、分支单元模型30、分支海缆模型40、海底主基站电力模型50和负载模型60组成。
下面以图1a链式拓扑结构为实施例进行介绍。该实施例中包含海岸基站电力模型10、主干海缆模型20、分支单元模型30、分支海缆模型40、海底主基站电力模型50和负载模型60。其中，海岸基站电力模型10的输入接口连接至陆地电网，其输出接口依次连接主干海缆模型20、分支单元模型30、分支海缆模型40、海底主基站电力模型50和负载模型60，所述负载模型60的输出接口再连接至用电负荷；所述分支单元模型30的输入端连接另一个主干海缆模型20，所述主干海缆模型20依次连接分支单元模型30、分支海缆模型40、海底主基站电力模型50和负载模型60，所述负载模型60的输出接口再连接至用电负荷。
如图1b所示，该实施例中包含海岸基站电力模型10、主干海缆模型20、分支单元模型30、分支海缆模型40、海底主基站电力模型50和负载模型60。其中，海岸基站电力模型10的输入接口连接至陆地电网，其输出接口分别连接两条输出结构，第一条输出结构依次是主干海缆模型20、分支单元模型30、分支海缆模型40、海底主基站电力模型50和负载模型60，所述负载模型60的输出接口再连接至用电负荷；第二条输出结构依次是主干海缆模型20、分支单元模型30、分支海缆模型40、海底主基站电力模型50和负载模型60，所述负载模型60的输出接口再连接至用电负荷；两条输出结构的分支单元模型30通过主干海缆模型20相连。
如图1c所示，该实施例中包含海岸基站电力模型10、主干海缆模型20、分支单元模型30、分支海缆模型40、海底主基站电力模型50和负载模型60。其中，海岸基站电力模型10有两个，两个海岸基站电力模型10的输入接口分别连接至陆地电网，其输出接口分别连接两条输出结构，第一条输出结构依次是主干海缆模型20、分支单元模型30、分支海缆模型40、海底主基站电力模型50和负载模型60，所述负载模型60的输出接口再连接至用电负荷；第二条输出结构依次是主干海缆模型20、分支单元模型30、分支海缆模型40、海底主基站电力模型50和负载模型60，所述负载模型60的输出接口再连接至用电负荷；两条输出结构的分支单元模型30通过主干海缆模型20相连。
如图1d所示，该实施例中包含海岸基站电力模型10、主干海缆模型20、分支单元模型30、分支海缆模型40、海底主基站电力模型50和负载模型60。其中，海岸基站电力模型10有两个，输出结构有三条，两个海岸基站电力模型10的输入接口分别连接至陆地电网，第一个海岸基站电力模型10的输出接口依次连接第一主干海缆模型、第一分支单元模型、第二主干海缆模型、第二分支单元模型和第一条输出结构，第二个海岸基站电力模型10的输出接口依次连接第三主干海缆模型、第三分支单元模型、第四主干海缆模型、第四分支单元模型、第五主干海缆模型和第一条输出结构的分支单元模型；第二条输出结构连接第一分支单元模型，第二条输出结构的分支单元模型通过第六主干海缆模型连接第三分支单元模型，第三条输出结构连接第二分支单元模型，第三条输出结构的分支单元模型通过第七主干海缆连接第四分支单元模型；第一条输出结构依次是主干海缆模型20、分支单元模型30、分支海缆模型40、海底主基站电力模型50和负载模型60，所述负载模型60的输出接口再连接至用电负荷；第二条输出结构依次是主干海缆模型20、分支单元模型30、分支海缆模型40、海底主基站电力模型50和负载模型60，所述负载模型60的输出接口再连接至用电负荷；第三条输出结构依次是主干海缆模型20、分支单元模型30、分支海缆模型40、海底主基站电力模型50和负载模型60，所述负载模型60的输出接口再连接至用电负荷；
如图2所示，所述海岸基站电力模型10由输入保护电路11、输入电压电流检测电路12、M个AC/DC变换模块13（M ≥ 2）、输出电压电流检测电路14和输出保护电路15依次连接而成。所述输入电压电流检测电路12用于检测陆地电网提供的输入电压电流；所述输入保护电路11通过输入电压电流检测电路12来判断是否存在过压或欠压现象；所述输出电压电流检测电路12用于检测AC/DC变换模块13的输出电压电流；所述输出保护电路15通过输出电压电流检测电路14来判断是否存在过压或欠压现象；所述M个AC/DC变换模块13用于将陆地电网提供的220V的工频交流电能变换为所需的高压直流电能。所述M个AC/DC变换模块13采用输入并联输出串联的结构，每个AC/DC变换模块13采用同样的电路和具有相同的参数，假设所述海岸基站电力模型10的输出电压为P，每个AC/DC变换模块13的输出电压为Q，那么所需AC/DC变换模块13的个数M=P/Q。所述输入电压、电流检测电路和输出电压、电流检测电路采用霍尔电压传感器或霍尔电流传感器。
如图3所示，所述主干海缆模型20和分支海缆模型40分别由若干个π型等值电路依次连接而成。其中，所述π型等值电路的数量由海缆长度和分段长度来共同决定，假设海缆的长度为Y，每Z千米一个π型等值电路（1≤Z≤10），那么所需π型等值电路的数量X=Y/Z。每个π型等值电路都是由一个电阻R0、一个电感L0、第一电容C0、第二电容C1组成，所述电阻R0的触点A和第一电容C0的触点A连接在一起，所述电阻R0的触点B和电感L0的触点A连接在一起，所述电感L0的触点B和第二电容C1的触点A连接在一起，所述第一电容C0的触点B和第二电容C1的触点B连接在一起。其中，所述电阻R0、电感L0、第一电容C0、第二电容C1的大小由分段长度Z来决定。
如图4所示，所述分支单元模型30由取电单元31、控制单元32和四个第三继电器3组成，所述第一继电器S1、第二继电器S2和第四继电器S4的触点A连接在一起，所述第一继电器S1、第三继电器S3和第四继电器S4的触点B连接在一起，所述第二继电器S2的触点B和第三继电器S3的触点A连接在一起，所述第四继电器S4是冗余继电器。所述取电单元31用于给控制单元32供电，所述控制单元32通过程序控制四个继电器33的闭合或断开来连接或断开三条海缆，可以用于扩展海底观测网的规模以及发生故障时切断故障支路。所述取电单元31为一组串联的稳压二极管，能够从系统中获得稳定的电压。所述控制单元32为低功耗型微控制器。所述四个继电器33均为常开型的固态继电器，其在所述缆系海底观测网启动前均处于断开状态，所述控制单元32上每一个数字端口信号分别连接相应的继电器，以控制第一继电器S1、第二继电器S2、第三继电器S3和第四继电器S4的闭合和断开。
如图5所示，所述海底主基站电力模型50由输入保护电路51、输入电压电流检测电路52、N个DC/DC变换模块53（N ≥ 2）、输出电压电流检测电路54和输出保护电路55依次连接而成。所述输入电压电流检测电路52用于检测海岸基站电力模型10提供的输入电压电流；所述输入保护电路51通过输入电压电流检测电路52来判断是否存在过压或欠压现象；所述输出电压电流检测电路54用于检测DC/DC变换模块53的输出电压电流；所述输出保护电路55通过输出电压电流检测电路54来判断是否存在过压或欠压现象；所述N个DC/DC变换模块53用于将10kV高压直流输电电压变换为400V中压直流配电电压，然后给各个外部负载模型60供电；所述N个DC/DC变换模块53采用输入串联输出并联的结构，每个DC/DC变换模块53采用同样的电路和具有相同的参数，假设所述海底主基站电力模型50的输入电压为E，每个DC/DC变换模块53的输入电压为F，那么所需DC/DC变换模块53的个数N=E/F。
所述负载模型60为电子负载，用于模拟海底用电负荷。
以上所述具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.缆系海底观测网电力系统实验平台，其特征在于包括海岸基站电力模型和输出结构，其中：海岸基站电力模型的输入接口，输出结构由主干海缆模型、分支单元模型、分支海缆模型、海底主基站电力模型和负载模型依次连接而成，海岸基站电力模型和输出结构的连接方式为下述方式中任一种；
第一种方式：输出结构有两条，第一条输出结构的主干海缆模型连接海岸基站电力模型的输出接口，第二条输出结构的主干海缆模型连接第一条输出结构的分支单元模型；
第二种方式：输出结构有两条，两条输出结构并联，两条输出结构的主干海缆模型分别连接海岸基站电力模型，两条输出结构的分支单元模型通过主干海缆模型相连；
第三种方式：海岸基站电力模型有两个，输出结构有两条，每个海岸基站电力模型分别连接相应的输出结构，两条输出结构的分支单元模型通过主干海缆模型相连；
第四种方式：海岸基站电力模型有两个，输出结构有三条，第一个海岸基站电力模型依次连接第一主干海缆模型、第一分支单元模型、第二主干海缆模型、第二分支单元模型和第一条输出结构，第二个海岸基站电力模型依次连接第三主干海缆模型、第三分支单元模型、第四主干海缆模型、第四分支单元模型、第五主干海缆模型和第一条输出结构的分支单元模型；第二条输出结构连接第一分支单元模型，第二条输出结构的分支单元模型通过第六主干海缆模型连接第三分支单元模型，第三条输出结构连接第二分支单元模型，第三条输出结构的分支单元模型通过第七主干海缆连接第四分支单元模型；
所述海岸基站电力模型由输入保护电路、输入电压电流检测电路、M个AC/DC变换模块（M ≥ 2）、输出电压电流检测电路和输出保护电路依次连接而成，所述输入电压电流检测电路用于检测陆地电网提供的输入电压电流；所述输入保护电路通过输入电压电流检测电路来判断是否存在过压或欠压现象；所述输出电压电流检测电路用于检测AC/DC变换模块的输出电压电流；所述输出保护电路通过输出电压电流检测电路来判断是否存在过压或欠压现象；所述M个AC/DC变换模块用于将陆地电网提供的工频交流电能变换为所需的高压直流电能；
所述主干海缆模型由若干个π型等值电路依次连接而成，分别连接海岸基站电力模型和各个分支单元模型；
所述分支单元模型由取电单元、控制单元和四个继电器组成，所述第一继电器S1、第二继电器S2和第四继电器S4的触点A连接在一起，所述第一继电器S1、第三继电器S3和第四继电器S4的触点B连接在一起，所述第二继电器S2的触点B和第三继电器S3的触点A连接在一起，所述第四继电器S4是冗余继电器。
2.所述取电单元用于给控制单元供电，所述控制单元分别控制四个继电器的闭合或断开来连接或断开三条海缆，可以用于扩展海底观测网的规模以及发生故障时切断故障支路；
所述分支海缆模型由若干个π型等值电路依次连接而成，分别连接各个分支单元模型和海底主基站电力模型；
所述海底主基站电力模型由输入保护电路、输入电压电流检测电路、N个DC/DC变换模块（N ≥ 2）、输出电压电流检测电路和输出保护电路依次连接而成，所述输入电压电流检测电路用于检测海岸基站电力模型提供的输入电压电流；所述输入保护电路通过输入电压电流检测电路来判断是否存在过压或欠压现象；所述输出电压电流检测电路用于检测DC/DC变换模块的输出电压电流；所述输出保护电路通过输出电压电流检测电路来判断是否存在过压或欠压现象；所述N个DC/DC变换模块用于将10kV高压直流输电电压变换为400V的中压直流配电电压，然后给各个外部负载模型供电；
所述负载模型为电子负载，用于模拟海底用电负荷。
3.根据权利要求1所述的缆系海底观测网电力系统实验平台，其特征在于所述输入电压电流检测电路和输出电压、电流检测电路中的电压检测采用霍尔电压传感器，电流检测采用霍尔电流传感器。
4.根据权利要求1所述的缆系海底观测网电力系统实验平台，其特征在于所述π型等值电路的数量由海缆长度和分段长度来共同决定，假设海缆的长度为Y，每Z千米一个π型等值电路（1≤Z≤10），那么所需π型等值电路的数量X=Y/Z；每个π型等值电路都是由一个电阻R0、一个电感L0、第一电容C0、第二电容C1组成，所述电阻R0的触点A和第一电容C0的触点A连接在一起，所述电阻R0的触点B和电感L0的触点A连接在一起，所述电感L0的触点B和第二电容C1的触点A连接在一起，所述第一电容C0的触点B和第二电容C1的触点B连接在一起。
5.其中，所述电阻R0、电感L0、第一电容C0、第二电容C1的大小由分段长度Z来决定。
6.根据权利要求1所述的缆系海底观测网电力系统实验平台，其特征在于所述取电单元为一组串联的稳压二极管，能够从系统中获得稳定电压。
7.根据权利要求1所述的缆系海底观测网电力系统实验平台，其特征在于所述控制单元为低功耗型微控制器。
8.根据权利要求1所述的缆系海底观测网电力系统实验平台，其特征在于所述四个继电器均为常开型的固态继电器，其在所述缆系海底观测网启动前均处于断开状态，所述控制单元上每一个数字端口信号分别连接相应的继电器，以控制第一继电器S1、第二继电器S2、第三继电器S3和第四继电器S4的闭合和断开。
9.根据权利要求1所述的缆系海底观测网电力系统实验平台，其特征在于所述M个AC/DC变换模块的输入端并联，其输出端串联，每个AC/DC变换模块采用同样的电路和具有相同的参数，假设所述海岸基站电力模型的输出电压为P，每个AC/DC变换模块的输出电压为Q，那么所需AC/DC变换模块的个数M=P/Q。
10.根据权利要求1所述的缆系海底观测网电力系统实验平台，其特征在于所述N个DC/DC变换模块的输入端串联，其输出端并联，每个DC/DC变换模块采用同样的电路和具有相同的参数，假设所述海底主基站电力模型的输入电压为E，每个DC/DC变换模块的输入电压为F，那么所需DC/DC变换模块的个数N=E/F。
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