CN109495137A - 一种海底直流输电电缆的信号耦合系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底直流输电电缆的信号耦合系统及方法，该系统包括：直流输电系统电路、信号调制耦合电路和信号解调电路；所述信号调制耦合电路，用于对系统基带信号进行处理调制，产生高频载波信号，并将所述高频载波信号加载到所述直流输电系统电路的直流输电导线，以通过所述直流输电导线传输给所述信号解调电路；所述信号解调电路，用于对所述直流输电导线所传输的高频载波信号进行分频滤波，得到滤波信号，并对所述滤波信号进行还原处理，得到还原后的基带信号，以及输出所述还原后的基带信号。本发明采用直流输电导线直接传输高频载波信号，从而免去了重复建设信号传输通道的成本，降低了通信信道构建成本。

Description

一种海底直流输电电缆的信号耦合系统及方法

技术领域

本发明涉及电能传输技术领域，尤其涉及一种海底直流输电电缆的信号耦合系统及方法。

背景技术

随着大功率高压直流电力电子输电技术的进步，大功率高效率高压直流输电系统极大地促进了电能传输领域的发展。其中，高压直流输电系统应用于海底系统设备的供电，极大的促进了其海底资源探测及研究的发展。

目前，远距离高压直流输电系统中，铜导线电缆长度长达数百千米，特别是需要构建光纤等信道的光纤铜导线，其成本极其昂贵。具体而言，现有远距离高压直流输电系统通常采用光通信设备，通过光纤复合铜电缆进行信号传输，其传输信号数据量大、抗干扰性强以及传输距离远，但需要单独建立通信传输回路，通信信道构建成本高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种海底直流输电电缆的信号耦合系统及方法，以解决现有技术中远距离海底直流输电线路传输成本高昂的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种海底直流输电电缆的信号耦合系统，包括：直流输电系统电路、信号调制耦合电路和信号解调电路；

所述信号调制耦合电路，用于对系统基带信号进行处理调制，产生高频载波信号，并将所述高频载波信号加载到所述直流输电系统电路的直流输电导线，以通过所述直流输电导线传输给所述信号解调电路；

所述信号解调电路，用于对所述直流输电导线所传输的高频载波信号进行分频滤波，得到滤波信号，并对所述滤波信号进行还原处理，得到还原后的基带信号，以及输出所述还原后的基带信号。

可选地，所述直流输电系统电路包括：岸基电源、水下直流电源以及直流输电导线；所述直流输电导线的一端连接所述岸基电源和所述信号调制耦合电路，所述直流输电导线的另一端连接水下直流电源和所述信号调解电路；所述直流输电导线，用于将所述岸基电源提供的高压直流电传输给所述水下直流电源；所述水下直流电源，用于对所述高压直流电进行降压处理，产生低压直流电，其中，所述高压直流电的电压高于所述低压直流电的电压。

可选地，所述信号调制耦合电路包括信号调制驱动电路、载波发生电路以及谐振耦合电路；所述载波发生电路的一端连接所述信号调制驱动电路，所述载波发生电路的另一端连接所述谐振耦合电路；所述信号调制驱动电路，用于对接收到的系统基带信号进行调制，产生脉冲宽度调制信号，并依据脉冲宽度调制信号向所述载波发生电路输出驱动信号；所述载波发生电路，用于依据所述驱动信号产生载波信号，并将所述载波信号传输给所述谐振耦合电路；所述谐振耦合电路，用于对所述载波信号进行功率放大，生成高频载波信号，并将所述高频载波信号加载到所述直流输电导线。

可选地，所述载波发生电路包括晶体管单元，所述晶体管单元的控制端连接所述信号调制驱动电路，且所述晶体管单元的输出端连接所述谐振耦合电路；所述谐振耦合电路包括隔离变压器，所述谐振耦合电路通过所述隔离变压器与所述直流输电导线连接。

可选地，所述信号解调电路包括：信号隔直电路、信号选频滤波电路和信号还原电路；所述信号隔直电路的一端连接所述直流输电导线，所述信号隔直电路的另一端连接所述信号选频滤波电路，用于将所述直流输电导线所传输的高频载波信号传输给所述信号选频滤波电路；所述信号选频滤波电路，用于对所述高频载波信号进行分频滤波，生产滤波信号，并将所述滤波信号输出给所述信号还原电路；所述信号还原电路，用于对所述滤波信号进行还原处理，得到还原后的基带信号，以及输出所述还原后的基带信号。

可选地，所述信号选频滤波电路包括：谐振滤波电路单元和精密整流电路单元；所述谐振滤波电路单元与所述信号隔直电路连接，用于滤除所述高频载波信号中的线路杂波，产生滤波信号，并将所述滤波信号输出给所述精密整流电路单元；所述精密整流电路单元，用于对所述滤波信号进行整流，并将整流后的滤波信号输出给所述信号还原电路。

可选地，所述谐振滤波电路单元包含谐振滤波电容、谐振滤波电感和谐振调节电阻；所述谐振调节电阻的一端连接所述谐振滤波电容，所述谐振调节电阻的另一端连接所述谐振滤波电感；所述信号隔直电路的第一输出端连接谐振滤波电容，且所述信号隔直电路的第二输出端连接所述谐振滤波电感。

可选地，所述信号隔直电路包括隔直电容和隔离变压器；所述隔离变压器的原边通过所述隔直电容与直流输电导线连接，所述隔离变压器的副边与所述谐振滤波电路单元连接。

可选地，所述信号选频滤波电路还包括：调理滤波电路单元；所述调理滤波电路单元的输入端通过所述谐振滤波电路单元与所述信号隔直电路连接，且所述调理滤波电路单元的输出端与精密整流电路单元连接。

可选地，所述信号调制驱动电路包括：数字信号调制电路单元和信号驱动电路单元；所述信号驱动电路单元的输入端连接所述数字信号调制电路单元，所述信号驱动电路单元的输出端连接所述载波发生电路。

第二方面，本发明实施例还提供了一种海底直流输电电缆的信号耦合方法，应用于海底直流输电电缆的信号耦合系统，所述系统包括直流输电系统电路、信号调制耦合电路和信号解调电路，所述方法包括：所述信号调制耦合电路对系统基带信号进行处理调制，产生高频载波信号，并将所述高频载波信号加载到所述直流输电系统电路的直流输电导线；所述信号解调电路对所述直流输电导线所传输的高频载波信号进行分频滤波，得到滤波信号，并对所述滤波信号进行还原处理，得到还原后的基带信号，以及输出所述还原后的基带信号。

可选地，所述信号调制耦合电路对系统基带信号进行处理调制，产生高频载波信号，并将所述高频载波信号加载到所述直流输电系统电路的直流输电导线，包括：通过信号调制驱动电路，对接收到的系统基带信号进行调制，产生脉冲宽度调制信号，并依据脉冲宽度调制信号向载波发生电路输出驱动信号；所述载波发生电路依据所述驱动信号产生载波信号，并将所述载波信号传输给谐振耦合电路；通过所述谐振耦合电路，对所述载波信号进行功率放大，生成高频载波信号，并将所述高频载波信号加载到所述直流输电导线。

可选地，所述信号解调电路对所述直流输电导线所传输的高频载波信号进行分频滤波，得到滤波信号，并对所述滤波信号进行还原处理，得到还原后的基带信号，包括：通过信号隔直电路，将所述直流输电导线所传输的高频载波信号传输给所述信号选频滤波电路；所述信号选频滤波电路对所述高频载波信号进行分频滤波，生产滤波信号，并将所述滤波信号输出给所述信号还原电路；通过所述信号还原电路，对所述滤波信号进行还原处理，得到还原后的基带信号。

可选地，所述信号选频滤波电路对所述高频载波信号进行分频滤波，生产滤波信号，并将所述滤波信号输出给所述信号还原电路，包括：通过谐振滤波电路滤除所述高频载波信号中的线路杂波，产生滤波信号，并将所述滤波信号输出给所述精密整流电路单元；通过所述精密整流电路单元，对所述滤波信号进行整流，并将整流后的滤波信号输出给所述信号还原电路。

本发明通过信号调制耦合电路对系统基带信号进行处理调制，并将产生的高频载波信号加载到直流输电系统电路的直流输电导线，以采用该直流输电导线直接传输高频载波信号，无需单独构建通信回路，从而免去了重复建设信号传输通道的成本，降低了通信信道构建成本，即解决了现有远距离海底直流输电线路传输成本高昂的问题。

附图说明

图1是本发明实施例的一种海底直流输电电缆的信号耦合系统的结构框图；

图2是本发明示例中一种适用于远距离海底直流输电的海底直流输电电缆的信号耦合系统的结构框图；

图3是本发明示例中一种直流输电系统电路的结构示意图；

图4是本发明示例中一种信号调制耦合电路的结构示意图；

图5是本发明一个示例中的信号调制耦合电路产生4路PWM信号的示意图；

图6是本发明一个示例的信号调制耦合电路进行调制及耦合时产生的过程波形的示意图；

图7是本发明示例中的一种信号解调电路的单信道解码电路示例图；

图8是本发明一个示例中的海底直流输电电缆的信号耦合系统解码电路波形图；

图9是本发明实施例中的一种海底直流输电电缆的信号耦合方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

随着智能输电的发展，直流输电系统岸基电源及水下电源信号传输的可靠性以及实时性显得十分重要。因此，构建一种适用于远距离海底直流输电的电缆信号耦合系统及方法的研究具较高的学术和工程价值。

目前海底电缆传输系统信号传输主要存在两种方式：一种是采用光通信设备通过光纤复合铜电缆进行信号传输，其传输信号数据量大、抗干扰性强以及传输距离远，但需要单独建立通信传输回路、通信协议复杂、通信实时性差；另一种是采用电力线载波方式进行传输，但是目前载波通信多用于短距离、低电压输电线场合。具体的，随着电力线载波通信的发展，电力线载波通信在低压直流输电网中应用十分广泛。目前电力线载波生成大多采用三极管放大器的形式，其具有载波生成效率低，功耗大以及传输距离近的缺点。此外，高压直流输电线路中信号干扰强、载波通信难度大，也成为制约载波通信成熟应用的难点。

为了解决现有技术中远距离海底直流输电线路传输成本高昂，且实现复杂，实时性差等问题，本发明提供了一种新的海底直流输电电缆的信号耦合系统和方法，结合载波通信技术，通过直流输电导线直接传输信号。

参照图1，示出了本发明实施例的一种海底直流输电电缆的信号耦合系统的结构框图。该海底直流输电电缆的信号耦合系统可适合于直流输电海底电缆信号相互传输场合中，具体可以包括：直流输电系统电路110、信号调制耦合电路120和信号解调电路130。其中，信号调制耦合电路120的输出端连接到直流输电系统电路110的直流输电导线，用于对系统基带信号进行处理调制，产生高频载波信号，并将所述高频载波信号加载到所述直流输电系统电路110的直流输电导线，以通过所述直流输电导线传输给所述信号解调电路。信号解调电路130用于对所述直流输电导线所传输的高频载波信号进行分频滤波，得到滤波信号，并对所述滤波信号进行还原处理，得到还原后的基带信号，以及输出所述还原后的基带信号。

综上，本发明实施例中的海底直流输电电缆的信号耦合系统，通过信号调制耦合电路120对系统基带信号进行处理调制，并将产生的高频载波信号加载到直流输电系统电路110的直流输电导线，以采用该直流输电导线直接传输高频载波信号，无需单独构建通信回路，从而降低通信信道构建成本，解决了现有远距离海底直流输电线路传输成本高昂的问题。

作为本发明的一个示例，如图2所示，适用于远距离海底直流输电的海底直流输电电缆的信号耦合系统可以包括：作为直流输电系统电路110的远距离直流输电电路，信号调制耦合电路120以及信号解调电路130。远距离直流输电电路可以通过岸基电源将三相交流电转化为高压直流电能，并可通过直流输电导线传输至海底设备使用。其中，远距离直流输电电路可以采用铜导线作为直流输电导线，即直流输电系统电路110中的直流输电导线可以是直流输电铜导线。

具体而言，远距离直流输电电路可以与直流输电铜导线相连，用于产生高压直流电至直流输电铜导线，并可在终端所连接的水下电源端对电压进行调整给负载供电。信号调制耦合电路120可以与远距离直流输电电路中的岸基电源端相连，用于对系统基带信号进行处理调制，产生复合频率的高频信号，并可将该高频信号作为高频载波信号，加载至直流输电铜导线中，从而可以通过该直流输电铜导线将高频载波信号传输给信号解调电路130进行还原处理。

信号解调电路130通过对直流输电铜导线高频载波信号进行分频段滤波，并经信号处理电路还原成基带信号，即得到还原后的基带信号并输出。例如，信号解调电路130可以通过信号隔直及隔离电路、多信号选频及多通道带通有源滤波电路和电平比较电路对信号进行还原，得到还原后的基带信号，并将还原后的基带信号输出给信号接收终端，实现载波通信。

可见，本示例中的海底直流输电电缆的信号耦合系统适用于远距离海底直流输电场合，并可利用耦合载波方式，在远距离直流输电电路的高压线路中构建耦合信道，免去了重复建设信号传输通道的成本，从而降低远距离海底直流输电线路传输成本。

进一步而言，本发明实施例中的直流输电系统电路110可以包括：岸基电源111、水下直流电源112以及直流输电导线113。所述直流输电导线113的一端连接所述岸基电源111和所述信号调制耦合电路120，所述直流输电导线113的另一端连接水下直流电源112和所述信号调解电路130。在具体实现中，所述直流输电导线113，用于将所述岸基电源111提供的高压直流电传输给所述水下直流电源112。所述水下直流电源112，用于对所述高压直流电进行降压处理，产生低压直流电，其中，所述高压直流电的电压高于所述低压直流电的电压。

在具体实现中，直流输电系统电路110可以通过岸基电源将三相交流电转化为高压直流电能至海底设备使用。具体的，岸基电源端111可以采用AC-DC模块方式，将三相市电升至高压母线电压，即提供高压直流电给远距离直流输电铜导线；水下电源端112可以通过远距离直流输电铜导线及海水回路构建的电流回路给海底设备供能，具体的，可以采用DC-DC模块方式，将高压母线所传输的高压直流电进行降压，如降牙至六百伏特(600V)，供设备使用。

例如，如图3所示，岸基电源端111可以作为岸基电源电路，可通过一个或多个AC-DC电源模块，将接入的三相交流电(Alternating Curren，AC)转换为直流电(DirectCurrent，DC)，并可将直流电的电压升压至升至高压母线电压，以产生高压直流电，并通过其所连接的电缆供电电路传输到水下电源电路。其中，岸基电源端所连接的远距离直流输电铜导线可以作为电缆供电电路中的一条高压母线，而岸基电源端与水下电源端之间的海水可以作为电缆供电电路中的另一条高压母线，从而形成海水回路。此外，作为水下电源电路的水下电源端112可通过一个或多个DC-DC电源模块，对高压直流电的电压进行调整，以基于调整后的电压为负载供电。该负载可以包括水下设备，如海底设备等，本发明实施例对此不作限制。

可见，本发明实施例中的海底直流输电电缆的信号耦合系统适合于该直流系统使用，并且可适用于任何高压远距离线路的信号载波方式传输。例如，本发明实施例中的海底直流输电电缆的信号耦合系统可以采用数字式频移键控方式传输信号。具体的，海底直流输电电缆的信号耦合系统中的信号调制耦合电路可以采用电感-电感-电容(LLC)串联谐振方式进行载波调制，并可结合LLC谐振拓扑高效率、传输能量大、高可靠性以及耦合正弦度好的特点以耦合正弦度好等特点，将产生的高频载波信号直接加载到直流输电导线113进行传输，满足远距离、高电压和可靠性高的传输需求，克服了现有载波通信仅能用于短距离、低电压输电线场合的缺点，扩大了电力线载波通信方式的应用范围。

在本发明的一个可选实施例中，上述信号调制耦合电路120可以包括信号调制驱动电路121、载波发生电路122以及谐振耦合电路123。如图2所示，所述载波发生电路122的一端连接所述信号调制驱动电路121，所述载波发生电路122的另一端连接所述谐振耦合电路123。所述信号调制驱动电路121，用于对接收到的系统基带信号进行调制，产生脉冲宽度调制信号，并依据脉冲宽度调制信号向所述载波发生电路122输出驱动信号。所述载波发生电路122，用于依据所述驱动信号产生载波信号，并将所述载波信号传输给所述谐振耦合电路123。谐振耦合电路113，可以用于对所述载波信号进行功率放大，生成高频载波信号，并将所述高频载波信号加载到所述直流输电导线。可见，本发明实施例可以通过载波发生电路122产生复合频率的载波信号，并可以通过谐振耦合电路123将具有高频率的载波信号(即高频载波信号)耦合到直流输电导线进行传输，容易实现，解决了现有电力线载波生成采用三极管放大器形式所导致的载波通信难度大的问题，且抗噪声与抗衰减的性能好，克服了现有技术中高压直流输电线路中信号干扰强和载波通信难度所导致的载波通信应用难点，扩大载波通信应用范围。

可选的，本发明实施例中的信号调制驱动电路可以包括：数字信号调制电路单元和信号驱动电路单元；所述信号驱动电路单元的输入端连接所述数字信号调制电路单元，所述信号驱动电路单元的输出端连接所述载波发生电路。其中，数字信号调制电路单元具体可以用于对接收到的系统基带信号进行调制，产生脉冲宽度调制信号，并可将所述脉冲宽度调制信号输出给信号驱动电路单元，使得信号驱动电路单元可以依据该脉冲宽度调制信号输出驱动信号。信号驱动电路单元用于依据数字信号调制电路单元输出的脉冲宽度调制信号，向所述载波发生电路输出驱动信号。

例如，结合上述示例，信号调制耦合电路120可以作为适用于远距离海底直流输电电缆的信号耦合系统的信号调制及耦合部分，该信号调制耦合电路120中的信号调制驱动电路121可以包括数字信号调制电路单元410和信号驱动电路单元420，且该信号调制耦合电路120中的载波发生电路122和谐振耦合电路123可以集成在同一个电路单元中，如图4所示，载波发生电路122和谐振耦合电路123可以集成在信号调制耦合电路120的载波发生及隔离电路单元430中。

在本示例中，信号调制耦合电路120可以采用LLC全桥拓扑产生不同频率的载波信号耦合至直流输电铜导线，并可通过频移键控调制模式将基带信号调制进高频载波中。具体的，可以通过数字信号调制电路单元410中的微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)，将系统基带信号调制成四路上下管互补的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号，如图4中所示的PWM1、PWM2、PWM3和PWM4，随后可以通过信号驱动电路单元420中的芯片传输至载波发生及隔离电路单元430中的晶体管单元的控制端，以使载波发生及隔离电路单元430产生高频载波信号，并将产生的高频载波信号加载到直流输电导线中进行传输。其中，载波发生及隔离电路单元430中的晶体管单元可以包括一个或多个晶体管，如可该晶体管是金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)，也可以是其他类型的晶体管，本示例对此不作限制。

进一步而言，本发明实施例中的载波发生电路122包括晶体管单元，所述晶体管单元的控制端连接所述信号调制驱动电路121，且所述晶体管单元的输出端连接所述谐振耦合电路123。所述谐振耦合电路123可以包括隔离变压器Tp，所述谐振耦合电路123通过所述隔离变压器Tp与所述直流输电导线113连接。具体而言，本发明实施例可以采用载波发生电路122中的晶体管单元构成LLC全桥拓扑，进而可以利用LLC全桥拓扑产生不同频率的载波信号耦合至直流输电导线113中，并可频移键控调制模式将基带信号调制进高频载波中，以利用电力线载波方式实现信号传输。

例如，结合上述示例，信号驱动电路单元420可以采用芯片R2113构成的低成本驱动电路，从而可通过芯片IR2113对数字信号调制电路单元410输出的脉冲宽度调制信号进行处理，生成传输给载波发生及隔离电路单元430的驱动信号。该驱动信号可以用于驱动载波发生及隔离电路单元430的中一个或多个晶体管，具体可以包括传输给一个或多个晶体管的驱动信号，如可以包括：传输至载波发生及隔离电路单元430中第一场效应管Q1的控制端的驱动信号G1、传输至载波发生及隔离电路单元430中第二场效应管Q2的控制端的驱动信号G2、传输至载波发生及隔离电路单元430中第三场效应管Q3的控制端的驱动信号G3、传输至载波发生及隔离电路单元430中第四场效应管Q4的控制端的驱动信号G4。

其中，载波发生及隔离电路单元430中的电感Lp，电容Cp及隔离变压器Tp可以构成一个经典的LLC谐振回路。载波发生及隔离电路单元430加载到直流输电导线的高频载波信号的频率可以由电感Lp，电容Cp及隔离变压器Tp决定，如可以按照如下系统公式决定：

需要说明的是，系统公式中的Lm可以为隔离变压器Tp的励磁电感，Lr可以为变压器原边等效漏感，f1可以为高电平信号载波频率，f2可以为低电平信号载波频率，fm可以为应急信号载波频率。例如，在f1频率可以为250kHz，f2频率可以为1MHz，fm频率可以为500kHz等。

在具体实现中，系统基带信号可以通过数字信号调制电路单元410中的数字逻辑电路选择需要发出的载波信号频率，即可以数字信号调制电路单元410中的MCU控制器可以基于上述系统公式，对接收到的系统基带信号进行调制，产生4路PWM信号，并通过信号驱动电路单元将这4路PWM信号对应的驱动信号传输给至载波发生及隔离电路单元430中各晶体管的控制端，即传输至第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q2以及第四场效应管Q4的控制端，以触发载波发生及隔离电路单元430生成对应的高频载波信号，并加载到直流输电导线进行传输。

例如，本发明实施例中的信号调制耦合电路可以利用开关型电感-电感-电容(LLC)串联谐振变换器，将基带信号调制成不同频段的高频正弦波；并可通过高频高压隔离变压器将该载波信号加载至远距离海底电缆中。具体的，如图5所示，在系统基带信号包括低电平“0”、高电平“1”、应急信号“EM”中对应三种不同状态的频率信号的情况下，基带信号可以通过MCU控制器中的数字逻辑电路选择需要发出的载波信号频率，然后再经过PWM产生电路分成4路PWM信号传至Q1-Q4的控制端，以通过Q1-Q4所组成的逆变桥形成对应的逆变载波，亦即，在低电平“0”、高电平“1”、应急信号“EM”中对应三种不同状态的频率信号时，通过高频载波调制后可以分别形成各自特性的载波经逆变桥Q1-Q4形成各自方波输出，如图6所示，低电平“0”的载波频率可以是f2，高电平“1”的载波频率可以是f1，应急信号“EM”的载波频率可以是fm。逆变桥Q1-Q4输出的逆变载波经载波发生及隔离电路单元430中的LLC谐振变换后，转化为正弦波，该正弦波的波形如图6中的变压器原边波形所示，并可通过隔离变压器Tp将该正弦波波耦合至高压直流母线上，以通过该高压直流母线进行信号传输。需要说明的是，该高压直流母线所传输的信号作为高频载波信号，其信号波形如图6中所示的高电压直流母线波形。

可见，本实施例中的海底直流输电电缆的信号耦合系统可采用LLC方式进行载波调制，并结合了LLC谐振拓扑高效率、传输能量大、高可靠性以及耦合正弦度好的特点，能够满足远距离海底直流输电场合中距离远、电压高及可靠性高的应用需求。

此外，本发明实施例中的海底直流输电电缆的信号耦合系统可以采用多载波频率单独回路滤波及处理的方法进行解码，免除了滤波的设计难度，提高了系统解码的可靠性。

在具体实现中，信号调解电路130可以依次包括信号隔直及变压器隔离电路、多串联LC选频网络、多频段二阶有源带通选频滤波器以及电压比较器以及数字信号处理电路，并可以采用多谐振及选频方式检出载波信号，以及可通过电平比较电路对信号进行还原。

一个可选实施方式中，上述信号解调电路130可以包括：信号隔直电路131、信号选频滤波电路132和信号还原电路133。所述信号隔直电路131的一端连接所述直流输电导线，所述信号隔直电路131的另一端连接所述信号选频滤波电路132，用于将所述直流输电导线所传输的高频载波信号传输给所述信号选频滤波电路132。所述信号选频滤波电路132，用于对所述高频载波信号进行分频滤波，生产滤波信号，并将所述滤波信号输出给所述信号还原电路133。所述信号还原电路133，用于对所述滤波信号进行还原处理，得到还原后的基带信号，以及输出所述还原后的基带信号。

具体而言，载有载波信号的高电压直流母线电压可以通过信号隔直电路131中的隔直电容Cdc及隔离变压器Ts还原成高频载波信号，如图2所示，随后可经信号选频滤波电路132中的串联谐振电路滤波滤除该高频载波信号中的线路杂波，以向信号还原电路133输出滤波后得到的滤波信号，然后可通过信号还原电路133对该信号选频滤波电路132输出的滤波信号进行还原处理，以输出还原后的基带信号，实现电缆信号耦合系统的解码功能。

在本实施例中，可选地，上述信号选频滤波电路132可以包括：谐振滤波电路单元和精密整流电路单元。其中，谐振滤波电路单元可以与所述信号隔直电路连接，用于滤除所述高频载波信号中的线路杂波，产生滤波信号，并可将所述滤波信号输出给所述精密整流电路单元。所述精密整流电路单元，用于对所述滤波信号进行整流，并可将整流后的滤波信号输出给所述信号还原电路。

在具体实现中，谐振滤波电路单元可以包含谐振滤波电容Cs1、谐振滤波电感Ls1和谐振调节电阻R1。所述谐振调节电阻R1的一端连接所述谐振滤波电容Cs1，所述谐振调节电阻R1的另一端连接所述谐振滤波电感Ls1；所述信号隔直电路131的第一输出端连接谐振滤波电容Cs1，且所述信号隔直电路131的第二输出端连接所述谐振滤波电感Ls1。其中，谐振调节电阻R1可以用于谐振回路品质因素值Q，即在调试过程中，可以通过调整谐振调节电阻R1调节谐振滤波电路单元中的谐振回路Q值，从而调整系统滤波灵敏度。

进一步的，信号隔直电路131可以包括有隔直电容Cdc和隔离变压器Ts。所述隔离变压器Ts的原边通过所述隔直电容Cdc与直流输电导线连接，所述隔离变压器Ts的副边与谐振滤波电路单元连接。在具体实现中，隔离变压器Ts的原边可以通过该隔直电容Cdc与直流输电导线连接，隔离变压器Ts的副边可以通过谐振滤波电路单元与信号选频滤波电路132连接。例如，如图2所示，隔直电容Cdc的一端可以连接隔离变压器Ts的原边，隔直电容Cdc的另一端可以连接到的水下直流电源的b端；又如，如图7所示，隔直电容Cdc的一端可以连接隔离变压器Ts的原边，隔直电容Cdc的另一端可以连接到的水下直流电源的a端以及直流输电导线的另一端等。

作为本发明的一个示例，信号解调电路130中的一个信道解码电路可以包括依次连接的信号隔直电路131、信号选频滤波电路132和信号还原电路133。如图7所示，信号隔直电路131中的隔直电容Cdc、隔离变压器Ts可以与谐振滤波电路单元中的谐振滤波电容Cs1、谐振滤波电感Ls1和谐振调节电阻R1集成在同一电路单元中，如图7所示，可以由谐振滤波电容Cs1、谐振滤波电感Ls1、谐振滤波电容Cs1、谐振滤波电感Ls1以及谐振调节电阻R1构成隔直及谐振滤波电路单元710。

可选的，本发明实施例中的信号选频滤波电路132还可以包括调理滤波电路单元。该调理滤波电路单元的输入端可以通过谐振滤波电路单元与信号隔直电路131连接，且该调理滤波电路单元的输出端可以与精密整流电路单元连接。

在具体实现中，如图7所示，调理滤波电路单元720可以作为海底直流输电电缆的信号耦合系统中的电路调理及有源滤波电路，可以通过运放器A1及其外围电路组成差分放大器，调节系统的滤波幅值大小，滤除系统带来的差分干扰，以将去除查分干扰后的信号输出给精密整流电路单元730进行精密整流，形成带有高频纹波的载波信号，随后可以将该带有高频纹波的载波信号作为滤波后得到滤波信号传输给信号还原电路133，以通过该信号还原电路133中的信号处理电路进行还原处理。

以信号频率f1为例，载有载波信号的高电压直流母线电压，可以通过隔直电容Cdc及隔离变压器Ts还原成载波信号，经串联谐振电路滤波滤除线路杂波。电路参数Cs1与Ls1之间的关系如公式所示，亦即，电路参数Cs1与Ls1的大小可以按照确定。

在本示例中，隔直及谐振滤波电路单元710中R1的值可以用于调节该谐振回路Q值，以在调试过程中调整系统滤波灵敏度。运放器A1及其外围电路可以组成差分放大器，具体可以用于调节系统的滤波幅值大小，以滤除系统带来的差分干扰。该差分放大器具体放大倍数A及电路参数可以如下公式1所示。

公式1：

其中，公式1中的A表示差分回路的放大倍数；R2可以用于表示运放器A1输入端所连接的电阻R2的值；R3可以用于表示运放器A1输入端所连接的电阻R3的值；R4可以用于表示运放器A1所连接的电阻R4的值；R5可以用于表示运放器A1所连接的电阻R5的值。

运放器A2及其外围电路可以组成二阶有源滤波器，其低通部分滤波器截止频率fL和高通部分滤波器截止频率fH可以如下公式2所示。

公式2：

其中，公式1中的C1可以表示运放器A2输入端所连接的第一电容C1的值；C2可以表示运放器A2输入端所连接的第二电容C2的值；R7可以用于表示第二电容C2所连接的电阻R7的值；R9可以用于表示运放器A2所连接的电阻R9的值。

电路调理及有源滤波电路的滤波器比例放大系数Auf和通带放大倍数Aup可以如公式3所示。

公式3：

根据公式2及公式3分析可知：如将fH定于载波频率-3dB增益时，载波信号经运放后不会大幅度改变，当设计高通部分截止频率在1.5dB衰减时，可有效提高该增益，同时按此设计的通信信号衰减不变。

在具体实现中，本示例中的密整流电路单元730可以作为海底直流输电电缆的信号耦合系统中的精密整流电路。如图7所示，可以将精密整流电路中的前级运放器A3作为半波精密整流电路，当二极管D1截止时，后级运放器A4可以为反相求和电路。精密整流电路可以实现结果的绝对值输出，其输入输出关系可以如公式4所示。

公式4：

其中，公式4中的Vrout可以表示精密整流电路的输出电压值；Vrin可以表示精密整流电路的输出电压值；R11可以用于表示运放器A4所连接的电阻R11的值；R12可以用于表示运放器A3所连接的电阻R12的值；R15可以用于表示运放器A4所连接的电阻R15的值；R17可以用于表示运放器A4所连接的电阻R17的值。

经过精密整流后，海底直流输电电缆的信号耦合系统可以通过信号还原电路133进行还原处理，并可以通过该信号还原电路133中的过电压比较器A5，将还原后的基带信号送入信号处理电路进行信号之间的相互通信。

例如，如图8所示，在低电平“0”，高电平“1”，应急信号“EM”中对应三种不同状态的频率信号的情况下，高压直流母线中作为载有载波信号的高电压直流母线波形，可以通过高频变压器Ts、隔直电容Cdc以及信号选频滤波电路132中的带通滤波后，还原出高频载波信号对应的谐振滤波波形。该谐振滤波波形经过精密整流电路后，可以形成了带有高频纹波的载波信号，如图8中所示的精密整流波形对应的信号。相较于传统幅值检波方式而言，本示例中的信号解调方式获得的信号能量更大，信号时延更短，经过电压比较器之后基本还原为基带信号送入了信号处理电路。

进一步的，本示例中的海底直流输电电缆的信号耦合系统可以自建应急信道，以在遇到紧急情况下通过应急信道直接进行开关量级的应急停机。具体而言，在遇到紧急情况下，海底直流输电电缆的信号耦合系统可直接进行开关量级的应急停机，增加了系统的安全性和稳定性。

综上，本发明实施例通过提供一种新的海底直流输电电缆的信号耦合系统，实现了通信信号在高压海底电缆中大功率远距离双向传输，且该信号耦合系统的信号传输功率大、抗干扰性强、载波生成效率高，信号延迟时间短；以及，通过单独建立海底直流输电电缆的信号耦合系统的应急控制信道，提高了系统反应的实时性。

在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供一种海底直流输电电缆的信号耦合方法，以应用于海底直流输电电缆的信号耦合系统中。该海底直流输电电缆的信号耦合系统可以是上述任一实施例中所提及的信号耦合系统，具体可以包括直流输电系统电路、信号调制耦合电路和信号解调电路等。

参照图9，示出了本发明实施例中的一种海底直流输电电缆的信号耦合方法的步骤流程图。该海底直流输电电缆的信号耦合方法可以应用于海底直流输电电缆的信号耦合系统中，具体可以包括如下步骤：

步骤910，信号调制耦合电路对系统基带信号进行处理调制，产生高频载波信号，并将所述高频载波信号加载到所述直流输电系统电路的直流输电导线。

在本发明实施例中，信号调制耦合电路可以作为海底直流输电电缆的信号耦合系统的信号调制及耦合电路，具体可以包括信号调制及驱动电路，载波发生电路、LLC谐振及高压隔离电路。岸基电源信息处理系统可以通过该海底直流输电电缆的信号耦合系统中的信号调制耦合电路，对信息进行编码成基带信号传输至调制及驱动电路，并可通过LLC谐振变换器信号频率的改变实现基带信号的加载。需要说明的是，LLC谐振变换器的两个谐振点可以依次为f1和f2；其中，f1可以为变压器励磁电感、漏感及谐振电感的和同谐振电容的谐振频率；f2可以为变压器漏感及谐振电感的和同谐振电容的谐振频率。

在具体实现中，可以依次选择f1，f2,以及其中间频率fm，作为高电平、低电平以及应急信号频率，并可通过控制LLC谐振变换器的驱动信号实现基带信号的调制。具体的，可以利用LLC谐振电路两个谐振点实现高频载波的高效率生成，并可通过高频变压器构建谐振点及高压隔离回路。

在本发明的一个可选实施例中，所述信号调制耦合电路包括信号调制驱动电路、载波发生电路以及谐振耦合电路，且所述载波发生电路的一端连接所述信号调制驱动电路，以及所述载波发生电路的另一端连接所述谐振耦合电路。所述信号调制耦合电路对系统基带信号进行处理调制，产生高频载波信号，并将所述高频载波信号加载到所述直流输电系统电路的直流输电导线，具体可以包括：通过信号调制驱动电路，对接收到的系统基带信号进行调制，产生脉冲宽度调制信号，并依据脉冲宽度调制信号向载波发生电路输出驱动信号；所述载波发生电路依据所述驱动信号产生载波信号，并将所述载波信号传输给谐振耦合电路；通过所述谐振耦合电路，对所述载波信号进行功率放大，生成高频载波信号，并将所述高频载波信号加载到所述直流输电导线。

步骤920，信号解调电路对所述直流输电导线所传输的高频载波信号进行分频滤波，得到滤波信号，并对所述滤波信号进行还原处理，得到还原后的基带信号，以及输出所述还原后的基带信号。

本发明实施例中，信号解调电路可以通过构建多选频信号网络及滤波网络，以有效降低信号的信噪比，并可通过比较器及数字保持及处理电路实现数据的快速实时处理，同时可以构建的应急信道可快速封锁岸基电源，保护输电系统。

在具体实现中，信号解调电路可以作为信号解码电路，具体可以包括信号隔直及隔离电路、多信号选频和滤波电路、电平比较电路。高频载波信号经过多信号选频和滤波电路进行滤波，随后可经过电平比较电路，并通过数字信号处理电路将其还原成基带信号。

在本发明的一个可选实施例中，所述信号解调电路包括：信号隔直电路、信号选频滤波电路和信号还原电路；所述信号隔直电路的一端连接所述直流输电导线，所述信号隔直电路的另一端连接所述信号选频滤波电路，用于将所述直流输电导线所传输的高频载波信号传输给所述信号选频滤波电路。可选地，所述信号解调电路对所述直流输电导线所传输的高频载波信号进行分频滤波，得到滤波信号，并对所述滤波信号进行还原处理，得到还原后的基带信号，具体可以包括：通过信号隔直电路，将所述直流输电导线所传输的高频载波信号传输给所述信号选频滤波电路；所述信号选频滤波电路对所述高频载波信号进行分频滤波，生产滤波信号，并将所述滤波信号输出给所述信号还原电路；通过所述信号还原电路，对所述滤波信号进行还原处理，得到还原后的基带信号。

进一步而言，本发明实施例中的信号选频滤波电路可以包括：谐振滤波电路单元和精密整流电路单元；所述谐振滤波电路单元与所述信号隔直电路连接，用于滤除所述高频载波信号中的线路杂波，产生滤波信号，并将所述滤波信号输出给所述精密整流电路单元。可选地，所述信号选频滤波电路对所述高频载波信号进行分频滤波，生产滤波信号，并将所述滤波信号输出给所述信号还原电路，具体可以包括：通过谐振滤波电路滤除所述高频载波信号中的线路杂波，产生滤波信号，并将所述滤波信号输出给所述精密整流电路单元；通过所述精密整流电路单元，对所述滤波信号进行整流，并将整流后的滤波信号输出给所述信号还原电路。

综上，本发明实施例通过采用在多载波频率单独回路滤波及处理的方法进行解码，免除了滤波的设计难度，提高了系统解码的可靠性；并可通过单独建立应急控制信道，提高了系统反应的实时性；以及可以同时在岸基构建接收系统、水下构建发射系统进行信号传输，实现了信号双向传输。

需要说明的是，对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以预测方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种海底直流输电电缆的信号耦合系统及方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种海底直流输电电缆的信号耦合系统，其特征在于，包括：直流输电系统电路、信号调制耦合电路和信号解调电路；

所述信号调制耦合电路，用于对系统基带信号进行处理调制，产生高频载波信号，并将所述高频载波信号加载到所述直流输电系统电路的直流输电导线，以通过所述直流输电导线传输给所述信号解调电路；

所述信号解调电路，用于对所述直流输电导线所传输的高频载波信号进行分频滤波，得到滤波信号，并对所述滤波信号进行还原处理，得到还原后的基带信号，以及输出所述还原后的基带信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述直流输电系统电路包括：岸基电源、水下直流电源以及直流输电导线；

所述直流输电导线的一端连接所述岸基电源和所述信号调制耦合电路，所述直流输电导线的另一端连接水下直流电源和所述信号调解电路；

所述直流输电导线，用于将所述岸基电源提供的高压直流电传输给所述水下直流电源；

所述水下直流电源，用于对所述高压直流电进行降压处理，产生低压直流电，其中，所述高压直流电的电压高于所述低压直流电的电压。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号调制耦合电路包括信号调制驱动电路、载波发生电路以及谐振耦合电路；

所述载波发生电路的一端连接所述信号调制驱动电路，所述载波发生电路的另一端连接所述谐振耦合电路；

所述信号调制驱动电路，用于对接收到的系统基带信号进行调制，产生脉冲宽度调制信号，并依据脉冲宽度调制信号向所述载波发生电路输出驱动信号；

所述载波发生电路，用于依据所述驱动信号产生载波信号，并将所述载波信号传输给所述谐振耦合电路；

所述谐振耦合电路，用于对所述载波信号进行功率放大，生成高频载波信号，并将所述高频载波信号加载到所述直流输电导线。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，

所述载波发生电路包括晶体管单元，所述晶体管单元的控制端连接所述信号调制驱动电路，且所述晶体管单元的输出端连接所述谐振耦合电路；

所述谐振耦合电路包括隔离变压器，所述谐振耦合电路通过所述隔离变压器与所述直流输电导线连接。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号解调电路包括：信号隔直电路、信号选频滤波电路和信号还原电路；

所述信号隔直电路的一端连接所述直流输电导线，所述信号隔直电路的另一端连接所述信号选频滤波电路，用于将所述直流输电导线所传输的高频载波信号传输给所述信号选频滤波电路；

所述信号选频滤波电路，用于对所述高频载波信号进行分频滤波，生产滤波信号，并将所述滤波信号输出给所述信号还原电路；

所述信号还原电路，用于对所述滤波信号进行还原处理，得到还原后的基带信号，以及输出所述还原后的基带信号。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述信号选频滤波电路包括：谐振滤波电路单元和精密整流电路单元；

所述谐振滤波电路单元与所述信号隔直电路连接，用于滤除所述高频载波信号中的线路杂波，产生滤波信号，并将所述滤波信号输出给所述精密整流电路单元；

所述精密整流电路单元，用于对所述滤波信号进行整流，并将整流后的滤波信号输出给所述信号还原电路。

7.一种海底直流输电电缆的信号耦合方法，其特征在于，应用于海底直流输电电缆的信号耦合系统，所述系统包括直流输电系统电路、信号调制耦合电路和信号解调电路，所述方法包括：

所述信号调制耦合电路对系统基带信号进行处理调制，产生高频载波信号，并将所述高频载波信号加载到所述直流输电系统电路的直流输电导线；

所述信号解调电路对所述直流输电导线所传输的高频载波信号进行分频滤波，得到滤波信号，并对所述滤波信号进行还原处理，得到还原后的基带信号，以及输出所述还原后的基带信号。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述信号调制耦合电路对系统基带信号进行处理调制，产生高频载波信号，并将所述高频载波信号加载到所述直流输电系统电路的直流输电导线，包括：

通过信号调制驱动电路，对接收到的系统基带信号进行调制，产生脉冲宽度调制信号，并依据脉冲宽度调制信号向载波发生电路输出驱动信号；

所述载波发生电路依据所述驱动信号产生载波信号，并将所述载波信号传输给谐振耦合电路；

通过所述谐振耦合电路，对所述载波信号进行功率放大，生成高频载波信号，并将所述高频载波信号加载到所述直流输电导线。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述信号解调电路对所述直流输电导线所传输的高频载波信号进行分频滤波，得到滤波信号，并对所述滤波信号进行还原处理，得到还原后的基带信号，包括：

通过信号隔直电路，将所述直流输电导线所传输的高频载波信号传输给所述信号选频滤波电路；

所述信号选频滤波电路对所述高频载波信号进行分频滤波，生产滤波信号，并将所述滤波信号输出给所述信号还原电路；

通过所述信号还原电路，对所述滤波信号进行还原处理，得到还原后的基带信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述信号选频滤波电路对所述高频载波信号进行分频滤波，生产滤波信号，并将所述滤波信号输出给所述信号还原电路，包括：

通过谐振滤波电路滤除所述高频载波信号中的线路杂波，产生滤波信号，并将所述滤波信号输出给所述精密整流电路单元；

通过所述精密整流电路单元，对所述滤波信号进行整流，并将整流后的滤波信号输出给所述信号还原电路。