JP5670553B2 - 海水下で電力を輸送し、光ファイバ通信を提供するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、海底電力輸送および海底通信に関する。

いくつかの海中の活動または用途では、様々な距離で水中機器が使用され、そこでそのような機器は典型的に電力の供給とともに前記機器への、および前記機器からの通信の利用可能性を必要とする。

そのような活動または用途のいくつかの例は、たとえばプラットフォームまたはその他の設備に長距離で水中機器が与えられる地震検知に関する科学研究、深海検知において、石油およびガス産業の分野で見られる。

海底通信は典型的に、光ファイバを備えた光ケーブルの使用に基づいている。そのようなケーブルは第１の端局を第２の端局へ、また場合によってはより多くの端局へ接続し、ケーブルの少なくとも一部が海水下に置かれるように、そのような局の間での通信を可能にする。端局は、大陸間の距離のような非常に長い距離に配置される場合がある。通信のためにデータを搬送することに加えて、そのようなケーブルは典型的に、２つの端局間の中間距離に配置され得る機器に給電するために電力を搬送することができる。

典型的な海底通信では、電力は、電源とそれを受け取る機器との間の距離を介した減衰によるケーブルの中で被る損失の影響を減らす、または最小化するために、およそ１０ＫＶの直流電圧を使用して供給される。

海底通信システムとは異なり、上述のような海中の活動または用途では、典型的に電気ケーブル配線が使用され、電力の供給のために使用される電圧は典型的に、光ケーブルを使用する典型的な海底通信ネットワークの中で電力の供給のために使用される電圧よりもずっと低い。そのような電圧は典型的に、交流電力輸送を使用して提供される。しかしながら、典型的に交流送電の効率は、典型的にケーブルの長さとともに増加する地面への漏れ電流を作り出すケーブルの容量効果によって、距離とともに急速に低下する。直流送電は典型的にそのような制限からそれほど害を受けることはないので、はるかに効率的であり、長距離（数百キロメートル以上）のために特に適している。

さらに、知られている解決法は、サービスを与える場所の数に関して、または限られた距離への前記サービスの到達範囲に関して、カバレージにおける制限という弱点がある。

通信の利用可能性に関しては、典型的に前記システムの能力は比較的限られている。そのようなシステムのうちの一部は、典型的にはおよそ数キロビットから数十キロビットの比較的低いビットレートでデータ転送を提供することができる。

しかしながら最近では、上述のタイプのシステムは典型的に、以前のシステムと比較してより高いレベルの信頼性および費用対効果と同時に、より多くの帯域幅を用いた通信のためのより高い容量を要求する傾向にある。たとえば石油およびガス事業者または供給企業などのそのようなシステムのユーザは典型的に、自社の沖合設備をより効率的に運営、監視および制御する可能性を必要としている。

さらに、そのようなシステムは、多くの場合、典型的には定期的なアクセスを持つのが困難な場所の深海の中である海水中に設置されるので、およそ２５年間のかなり長い稼働「寿命」を必要とする。したがって、そのようなシステムの信頼性および堅牢性もまた非常に重要である。

上述の知られているシステムと比較して、システムの全体的なパフォーマンスを向上させる従来の海底通信ケーブルを使用した通信およびエネルギー輸送を可能にするシステムを提供することを目指したいくつかの試みが知られている。

米国特許第６９８７９０２号

しかしながら、ネットワーク全体の電力の供給の点から、そのようなシステムを堅牢にして、ネットワークの要素で障害が生じた場合に、残りの要素がそれらの動作上の機能をできるだけ維持することができるようにすることがなお望ましい。

本明細書で提案する解決法は、好ましくは大きなエリアをカバーする、１つまたは２つの端局から海底に位置する複数の分散した場所への光ファイバ通信の使用に基づいている。

したがって、いくつかの実施形態は、陸上に配置された局であるか、または海面に固定されているか、浮かんでいる局であってもよい１つまたは複数の端局と、少なくとも１つの分岐ユニットと、分岐ユニットに接続された少なくとも１つの海底ノードとを備える、通信および電力を輸送するためのネットワークであって、ネットワークが、端局と分岐ユニットとの間、および分岐ユニットと海底ノードとの間の光および電気接続を可能にするための幹線ケーブルをさらに備え、海底ノードが複数の光波長を受け取り、出力で少なくとも１つの光波長を提供するように構成され、また端局から受け取った第１の直流電圧を出力で提供される第２の直流電圧に変換するように構成され、第１の電圧が第２の電圧よりも高く、ネットワークが幹線ケーブルの第１のケーブルヘッドに接続された第１の電源と幹線ケーブルの第２のケーブルヘッドに接続された少なくとも第２の電源とを備え、第１の電源および少なくとも第２の電源が正常または故障状態の下で、個別に、または組み合わせてネットワークの中の電流の少なくとも最小量を供給するように構成されたネットワークを特徴とする。

いくつかの特定の実施形態によれば、ネットワークは、海底ノードの出力でインターネットプロトコルアプリケーションを実装するために構成されたインターネットプロトコル切り替え手段を備える。

いくつかの特定の実施形態によれば、ネットワークはリング型ネットワークである。

いくつかの特定の実施形態によれば、ネットワークは、電流の循環を可能にするように構成された少なくとも１つの疑似負荷をさらに備える。

いくつかの特定の実施形態によれば、第１の電源は、第１の電源と海のアースとの間でループが閉じられるように、第１のケーブルヘッドに直流電力を供給するように構成され、少なくとも第２の電源は、スタンバイモードで疑似負荷と並列に接続される。

いくつかの特定の実施形態によれば、第１の電源および少なくとも第２の電源は電力を供給するように構成され、第１の電源は電圧を制御するために設定され、少なくとも第２の電源は幹線上の電流を制御するために設定される。

いくつかの特定の実施形態によれば、第１の電源は幹線ケーブルの第１のケーブルヘッドに電力を供給するように構成され、第２の電源は幹線ケーブルの第２のケーブルヘッドに電力を供給し、疑似負荷は切断され、抵抗負荷は、海底ノードの中の電流の存在が確実になるように、ネットワークの中の故障個所に近いノードで接続される。

いくつかの特定の実施形態によれば、ネットワークは、幹線ケーブルで障害が発生した場合に、幹線上の直流電流を復元するだけでなく、ネットワークの中の通信を可能にするように、電力供給を提供するために構成された第３の電源を備える。

いくつかの特定の実施形態によれば、ネットワークは、ネットワークの中の少なくとも１つのノードで電流を等しく保つように、電流需要と電圧需要を第１の電源と少なくとも第２の電源に設定するように構成された管理システムを備える。

いくつかの特定の実施形態によれば、海底ノードは、分岐ユニットで故障が発生した場合に、幹線電圧を第１の電圧値から第２の電圧値へ変換することを停止するように構成される。

いくつかの特定の実施形態によれば、海底ノードは、幹線電圧が所定の閾値を下回る場合、変換動作を停止するように構成される。

いくつかの実施形態は、陸上に配置された局であるか、または海面に固定されているか、浮かんでいる局であってもよい１つまたは複数の端局と、少なくとも１つの分岐ユニットと、分岐ユニットに接続された少なくとも１つの海底ノードとを備える通信および電力をネットワークの中で輸送するための方法であって、ネットワークが、端局と分岐ユニットとの間、および分岐ユニットと海底ノードとの間の光および電気接続を可能にするための幹線ケーブルをさらに備え、
− 海底ノードで複数の光波長を受け取り、出力で少なくとも１つの光波長を提供するステップと、
− 端局から受け取った第１の直流電圧を、出力で提供される第２の直流電圧に海底ノードで変換するステップであって、第１の電圧が第２の電圧よりも高いステップとを備え、
ネットワークが、幹線ケーブルの第１のケーブルヘッドに接続された第１の電源と幹線ケーブルの第２のケーブルヘッドに接続された少なくとも第２の電源とを備え、第１の電源および少なくとも第２の電源は、正常または故障状態の下で、個別に、または組み合わせてネットワークの中の電流の少なくとも最小量を供給する方法を特徴とする。

いくつかの特定の実施形態によれば、海底ノードは複数の光波長を得て、海底ノードで使用するための波長をフィルタリングするか、または海底ノードは少なくとも１つの波長を幹線ケーブルに追加する。

いくつかの特定の実施形態によれば、ネットワークは疑似負荷をさらに備え、疑似負荷が依然として第１のケーブルヘッドにも切り替えられたまま第２のケーブルヘッドへのスイッチを閉じることと、第２のケーブルヘッドへの切り替えが実行された後、第１のケーブルヘッドへのスイッチを開くこととによって、切り替えが稼働中に公称電圧で行われるように疑似負荷を第１のケーブルヘッドから第２のケーブルヘッドに切り替えるステップを備える。

いくつかの特定の実施形態によれば、ネットワークの中の電流が増加する場合、以下のものが実行される：
− 幹線ケーブルで利用可能な電圧を閾値の中間値まで落とすステップ、
− 海底ノードでの電圧の変換を停止するステップ、
− １つまたは複数の分岐ユニットをオフに安全に切り替えることを可能にする増加した電流よりも低い電流を供給するステップ。

本発明のこれらおよびさらなる特徴および利点は、添付の図面の助けを借りて、以下の説明とともに特許請求の範囲の中で、限定ではなく説明を目的として、より詳細に述べられている。

いくつかの実施形態による通信および電力を輸送するためのネットワークの例示的な図である。 配電のいくつかの原理が示されている図１のネットワークの例示的な図である。 光通信のいくつかの原理が示されている図１のネットワークの例示的な図である。 いくつかの実施形態による第１の配電シナリオの例示的な図である。 いくつかの実施形態による第２の配電シナリオの例示的な図である。 いくつかの実施形態による第３の配電シナリオの例示的な図である。 いくつかの実施形態による第４の配電シナリオの例示的な図である。 いくつかの実施形態による第５の配電シナリオの例示的な図である。 いくつかの実施形態による分岐ユニットでの複数の接続構成の例示的な図である。 いくつかの実施形態による故障状態の下での第１のシナリオの例示的な図である。 図１０の故障状態の下での第２のシナリオの例示的な図である。 いくつかの実施形態による、故障状態がネットワークの中で短絡を引き起こす場合の電源の出力電圧／電流特性の例示的なグラフである。

すでに上で述べたように、たとえば、様々な工業または科学活動における通信および電力に対する最近の需要は、そのような活動によって使用される様々な海中の場所を有するネットワークを提供する可能性を要求しており、この場合そのようなネットワークは、直流の低電圧（約４００Ｖ）および比較的高いビットレートでの光接続の供給を海底のユーザに与えることができる。さらに、そのようなネットワークは、約２５年の範囲の長期の稼働期間中に信頼できるサービスを提供することができる機器を備えることが望ましく、そこではその要素、より具体的にはウェット（水中）機器の維持管理の必要性は最小限に保たれるか、または少なくともできる限り減らされる。

ネットワークの配電は、海水リターンの原理、およびネットワークの幹線に存在する約１０ＫＶ直流の高電圧を、典型的にはユーザウェットメイトインターフェース（ｕｓｅｒ ｗｅｔ−ｍａｔｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）で使用できる約４００Ｖ直流のより低い電圧に変換するように構成された海底ノードの局所媒体電圧コンバータを使用する。

海水リターンの原理は、電流が単一の導体ケーブルを流れ、リターン導体（海水と接触する電極は各ノードで与えられる）として海を介して戻るという構成に関する。

この構成は、単相システムで少なくとも２つの導体を必要とする、または３相システムで３つの導体を必要とする、知られている交流配電に比べて特に経済的であり得る。

高電圧を上述のような電圧に変換するためのコンバータは、関連技術分野で知られている。

そのようなネットワークは、光信号が岸から遠く離れたところに配置されたユーザの場所に到達できるように、適切な距離で光信号を再増幅する目的でリピータが使用され得る光学的に増幅された幹線を使用してもよい。そのようなネットワークでは、専用の波長がユーザゲートウェイ（本明細書ではノードとも呼ばれる）に分配されるので、エンドユーザは保護された仕方で信頼できる通信を確実にするための割り当てられた、またはさらには確保された容量を有することができる分散ＤＷＤＭ光方式が任意選択で使用され得る。好ましくは、そのようなネットワークはリング型ネットワークの形態であり、それによって、そのような、割り当てられた、または確保された容量は、リング型ネットワークの両側を使用するユーザが利用できるようになされてもよい。好ましくは、このネットワークはネットワークの残りの部分からノードを電気的に分離する能力を提供し、ネットワークの他のユーザへのそのような分離の影響を最小限にしながら、たとえば維持管理作業などの所与のノード上の特定の局所動作を可能にする目的で、特定の電力切り替えデバイスをさらに備える。そのような切り替えデバイスは、分岐ユニットに組み込まれてもよい。

さらに、ネットワークは、特にはＰＴＰプロトコルを使用して正確なタイミングをエンドユーザに分配することなどのＩＰプロトコルに関連した機能を実装できるようにするために、ネットワークおよびノードの中の特定のＩＰ切り替えギアの使用を提供してもよい。そのような正確なタイミングによって、ネットワーク内のイベントの同期は、たとえばおよそ５から１０マイクロ秒の高い精度で生じることが可能となるが、ＮＴＰなどの他のプロトコルでは約１ミリ秒の精度が可能になるだけである。ＩＰスイッチは、ユーザインターフェース（典型的には各々１ＧｉｇＥでの６つの科学ポート）のところへやって来る、またはそこから１つの波長によって運ばれる複合２．５ＧＢｉｔ／ｓアップストリーム信号に向かうデータを照合／分配する目的で海底ノードの中で使用され得る。２つの１ＧｉｇＥ信号は、各波長を構築するためにＳＴＭ−１６信号にマッピングされてもよい。

図１は、いくつかの実施形態による通信および電力を輸送するためのネットワーク１の例示的な図である。ネットワーク１は、典型的には岸に配置されているか、または海面に固定されているか、浮かんでいる構造であってもよい端局２を備える。図１の例では、端局２は陸（岸）にあるように示されている。本明細書では幹線とも呼ばれる光リンクケーブル３は、端局２を海底機器に接続する。１つのそのような海底機器は、リピータ４であってもよい。知られているように、リピータは光ケーブルを通過する光信号を再増幅するために使用される。リピータ４は、そのような再増幅を確実にするために所定の間隔（距離）で配置され得る。

幹線ケーブル３は、たとえば約１ＫＶから約５０ＫＶの高電圧の直流電源を搬送するように構成され、好ましい電源電圧の値は約１５ＫＶ、１２ＫＶおよび１０ＫＶであり（本明細書で示す実施形態の例の中では後者が使用される）、また１つまたは複数の波長を使用する光信号を搬送するように構成される。いくつかの実施形態では、光信号は波長分割多重（ＷＤＭ）、粗密度ＷＤＭ（ＣＷＤＭ）または高密度ＷＤＭ（ＤＷＤＭ）の信号であってもよい。光信号は、端局と海底の場所との間の通信を可能にすることができる。

ネットワーク１は、少なくとも１つの分岐ユニット５をさらに備える。分岐ユニット５は、分岐線５１によって幹線３を分岐機器に結合する。いくつかの実施形態によれば、分岐機器は、電圧の供給、および端局２との通信の利用可能性を必要とする海底ノード６であり得る。海底ノードは、実質的に幹線３に存在する電圧よりも低い電圧を使用してもよく、または出力で提供してもよい。たとえば、海底ノードによって使用または供給される直流電圧は、用途、および海底ノードによって供給される低電圧デバイスに必要な電圧によって、５００Ｖから５Ｖ直流まで異なり得る。海底ノードによって使用または供給される好ましい電圧の値は約４００Ｖであってもよい（本明細書で示す実施形態の例の中ではこの値が使用される）。

上で言及した典型的な低電圧デバイスは、通信機器、計器、センサ、電気エンジンなどであり得る。

海底ノード６はさらに、たとえば約１００Ｍｂｉｔ／ｓ以上の比較的高いビットレートで光信号を使用する光通信を使用してもよい。いくつかの好ましいビットレートは、１Ｇｂｉｔ／ｓおよび１０Ｇｂｉｔ／ｓである。

図に示すように、ネットワーク１は、好ましくはリング型ネットワークであり得る。この構成は、リングに沿った２方向での輸送が可能なことから、最適化されたサービスの利用可能性を提供する。しかしながら、これは必須ではなく、たとえば単一のスパーネットワーク（ｓｐｕｒ ｎｅｔｗｏｒｋ）などの他のネットワーク構成もまた特許請求される発明の範囲内で使用され得る。

図２は、配電のいくつかの原理が示されている図１のネットワークの例示的な図である。この図では、図１のものと同様の要素には同様の参照番号が付されている。図２に示す例では、端局２は、たとえば異なる極性で約１０ＫＶの比較的高い直流電圧を供給することができる電力供給機器を備えてもよい。

動作中、たとえば約１０ＫＶの供給電圧は幹線３に与えられてもよい。

分岐ユニット５で、幹線３に供給される電力は、分岐線５１によって海底ノード６に分岐されてもよい。海底ノード６は、この例の中では約１０ＫＶの高い電圧を、対応する場所で機器によって使用され得るより低い電圧に変換するように構成される。この例の中では、より低い電圧は約４００Ｖであってもよい。電力供給のいくつかのシナリオは、図４から８に関連してさらに詳細に説明される。

図３は、光通信のいくつかの原理が示されている図１のネットワークの例示的な図である。この図では、図中で別途提示されない限り、図１および図２のものと同様の要素には同様の参照番号が付されている。図３に示す例では、端局２は、幹線の上で／幹線から光波長を送信／受信することができる有線機器を備えてもよい。好ましくは、端局２の有線機器は、たとえばＷＤＭ、ＣＷＤＭ、ＤＷＤＭまたはタイプ信号などの多波長光信号を送信／受信することができてもよい。

図３に示す例では、端局２は、ＷＤＭタイプ信号を送信／受信することができるものと仮定されている。図に示すように、第１の端局２ａは波長λｘの第１の光信号を第１の海底ノード６ａと、また第２の光信号λｚを第２の海底ノード６ｂと交換（送信または受信）することができてもよい。同様に、第２の端局２ｂは波長λｙの第３の光信号を第１の海底ノード６ａと、また第４の光信号λｗを第２の海底ノード６ｂと交換（送信または受信）することができてもよい。海底ノード６、６ａおよび６ｂは、波長の受信および送信を可能にする目的でトランスポンダを装備してもよい。

動作中、多波長光信号（可能な他の波長のうちλｗ、λｘ、λｙおよびλｚを備える）は、たとえば各端局２ａおよび２ｂとともにノード６ａ、６ｂまたは他の海底ノードに異なる光波長を与えるそれぞれのソースによって幹線３上に与えられてもよい。

必要に応じて、リピータは光信号を再増幅するために使用されてもよい。

分岐ユニット５ａで、波長λｘを備えた多波長光信号は、たとえば分岐線５１ａを介した第１の海底ノード６ａへの光結合によって幹線３から得られる。次いで、海底ノード６ａは、使用するための波長λｘをフィルタリングする。この波長は、第１の海底ノード６ａと第１の端局２ａとの間の通信を可能にする目的で使用されてもよい。同様に、波長λｙを備えた光信号は、分岐線５１ａを介して第１の海底ノード６ａから幹線３に分岐（追加）される。この波長は、海底ノード６ａと第２の端局２ｂとの間の通信を可能にする目的で使用されてもよい。

同様に、分岐ユニット５ｂを使用して、波長λｙを備えた多波長光信号は、たとえば分岐線５１ｂを介した第２の海底ノード６ｂへの光結合によって幹線３から得られる。次いで、海底ノード６ｂは、使用するための波長λｙをフィルタリングする。この波長は、第２の海底ノード６ｂと第１の端局２ａとの間の通信を可能にする目的で使用されてもよい。同様に、波長λｗを備えた光信号は、分岐線５１ｂを介して第２の海底ノード６ｂから幹線３に分岐（追加）される。この波長は、第２の海底ノード６ｂと第２の端局２ｂとの間の通信を可能にする目的で使用されてもよい。したがって、端局と海底ノードとの間の通信のために専用の波長が割り当てられ得るということが確認される。

図には示していないが、２つの端局の間で通信を確立することもまた可能であってよい。２つの端局間で通信が望まれる場合、２つの端局間で特定の波長を専用にすることで十分であり、その場合そのような専用の波長は、任意の中間海底ノードで削除されることなく、１つの端局から他のものへ光ケーブル上で搬送される。光ケーブルへ波長を追加する技法、または光ケーブルから波長を削除する技法は、関連技術の当業者に知られている任意の技法であってもよい。

上記の構成により、必要に応じて、ネットワークの中の任意の２つの通信ポイントの間で、高ビットレートでの簡単かつ信頼性の高い通信機能が可能となる。

電力供給は、様々な方法で与えられてもよい。限定ではなく、例示として、いくつかのシナリオ例が以下で述べられる。特許請求される発明の範囲内で、他のシナリオもまた可能であってよい。

図４は、いくつかの実施形態による第１の配電シナリオの例示的な図である。具体的には、図４に示すシナリオは、（たとえば図１の端局２など、ネットワークの中で２つの電源が利用可能であるが）正常な動作状態とみなし得るシングルエンド動作モードに関する。

第１の電源ＰＳ１は幹線ケーブルＴの第１のケーブルヘッドＣ１に接続されて示され、第２の電源ＰＳ２は幹線ケーブルＴの第２のケーブルヘッドＣ２に接続されて示されている。疑似負荷ＤＬもまた、回路の中に設けられてもよい。分岐ユニットＢＵ１、ＢＵ２、ＢＵ３およびＢＵ４は幹線ケーブルＴに沿ったいくつかの場所に設けられる。各分岐ユニットは、それぞれの海底ノードＮ１、Ｎ２、Ｎ３およびＮ４に結合されてもよい。幹線ケーブルＴは、電力および光信号を輸送することができる光ケーブルである。

この状態（典型的には通常の状態）では、ＰＳ１とＰＳ２との両方の電源は、たとえば負極性にあってもよく、ＰＳ１はケーブルヘッドＣ１上に直流電力（電圧−電流）を与える。図（また、ケーブルヘッドＣ１およびＣ２上の矢印）で示すように、ループはＰＳ１と海のアースとの間で閉じられる。一方、疑似負荷ＤＬは、同じ方向での電流の循環を確実にするために、回路上に存在するのが望ましい。システム上の電源の利用可能性を高める（または確実にする）ために、ＰＳ２は疑似負荷ＤＬと並列に接続されてもよいが、（ＰＳ１に障害が発生した場合に回路に組み込まれるために）スタンバイモードであってもよい。好ましくは、ＰＳ２の電圧は、疑似負荷ＤＬの電圧より低く調整される。逆電流を防止するために、ＰＳ２の出力でダイオードが使用されてもよい。したがって、この状況では、ＰＳ２は全く電流を供給することはない。

図４の正常動作のシナリオでは、海底ノードＮ１、Ｎ２、Ｎ３およびＮ４には、必要な場合、通常通信のために電流および光信号が与えられてもよい。電流の流れの方向は、図中の矢印によって示される。

第１の電源ＰＳ１に障害が発生した場合、第２の電源ＰＳ２は、システムの電力供給の作業を自動的に引き継ぐことができる。

図５は、（何らかの理由で）第１の電源ＰＳ１に障害がある配電シナリオの例示的な図である。図５では、図４のものと同様の要素には同様の参照番号が付されている。そのような場合、ＰＳ１は回路から切断され、ＰＳ２は電流の流れを確実にするために回路に自動的に組み込まれる。また、ノードまたは幹線ケーブルで障害が発生した場合、第２の電源ＰＳ２は電流の流れを確実にし、１つまたは複数の分岐ユニットの素早い再構成を可能にする。したがって、この第２のシナリオでは、サービス（電力および通信）もまた、海底ノードＮ１、Ｎ２、Ｎ３およびＮ４のために確実になる。

図５のシナリオにおいて図中で見られるように、疑似負荷ＤＬは他のケーブルヘッド、すなわちＣ１に切り替えられる。好ましくは、疑似負荷の切り替えは公称電圧で稼働中に実行され、ケーブルヘッドＣ２へのスイッチ（同様に閉じている）と並列のケーブルヘッドＣ１へのスイッチを閉じ、次いでＣ２のスイッチを開く（いわゆるメイクビフォアブレーク切り替え（ｍａｋｅ−ｂｅｆｏｒｅ−ｂｒｅａｋ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）動作）。電流の流れの方向は、図中の矢印によって示される。

要求される全体の電力が単一の電源の容量を超える場合、幹線ケーブルはＰＳ１とＰＳ２の両方の電源によって電力供給されてもよく、その間疑似負荷はオフにされても（切断されても）よい。図６は、そのような状況下での配電シナリオの例示的な図である。図６では、図４および図５と同様の要素には同様の参照番号が付されている。

２つの電源が回路に組み込まれるべきか否かの判定は、電流および電圧の監視に基づいて、端局に配置されてもよい管理システムから取得されてもよい。次いで、管理システムは、ノードの１つ、たとえば図中ではＮ２の中で電流を等しく保つように、電流需要および電圧需要を電源ＰＳ１およびＰＳ２に設定してもよいので、どのリピータも低すぎる（ゼロに近い）電流を受け取らなくてもよい。この懸念の理由は、リピータが典型的に直列に電力供給され、レーザポンプに電力供給し、光増幅を確実にするために最小電流（数百ミリアンペア）を必要とするためである。電力が同じ極性の電圧の両端（ＰＳ１およびＰＳ２）から受け取られる場合、電流は（図６の矢印によって示すように）逆方向に流れ、電流が逆流しなければならないシステム中のポイントが必ず存在する。したがって、２つの分岐ユニットの間に電流がゼロ近くに落ちる部分が存在しないことを確実にするために、強制的に電力消費（および、したがってノード電流）が十分に高い所定の分岐ユニットの場所で電流反転を生じさせ、このノードの中の電流が実質的に１つの方向からの半分と他の方向からの半分で（たとえば、ノード電流が１Ａである場合、電源は１つの方向から０．５Ａ、他の方向から０．５Ａに設定され得る）受け取られるように電源の設定を調整するのが望ましい場合があり、この電流はまた、すべての他のノードが電流を陸上局までのバックボーンに付加することから、システム全体の中の最小電流であり得る。

このように、このシステムは、ノード電力が、システムがシングルエンド供給で動作するにはあまりにも高く（遠端ノードには、すべての他の中間ノードの累積降下に対応する電圧降下がある）、システムが崩壊する電力制限が存在する（ノード電圧がＰＳ１の電圧の半分であるとき）場合、ダブルエンド供給に設定されてもよい（疑似負荷が機能しない場合を除く）。

この目的で、（ダブルエンド供給での）回路の両端の直流電圧および電流を調整し、ループ中のすべてのリピータへの最小電流を保証するために、アルゴリズムが使用されてもよい。そのようなアルゴリズムは、（たとえばテレメトリを使用して）電流バランスが作り出されるノードＮ２における電流測定値を用いた算術演算、および電流需要を判定するための電力供給機器に基づいていてもよい。したがって、１つの電源は電圧制御モードに設定されてもよく、もう１つの電源は電流全体を維持するための電流制御を担当してもよい。第１の電源ＰＳ１が電流モードであると仮定すると、ＰＳ１は：Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２／２に設定された電流を有してもよい。したがって、電圧モードであるもう１つの電源は、残りの電流つまりＩ＝Ｉ２／２＋Ｉ３＋Ｉ４を伝える。

図７は、幹線ケーブルに故障が発生した場合にダブルエンド供給が利用可能な第４の配電シナリオの例示的な図である。図７では、図４から６と同様の要素には同様の参照番号が付されている。

幹線ケーブルが図７の参照番号Ｆによって示されるように故障状態の下にあると仮定すると（たとえば、幹線ケーブルの切断によってシステムが２つの別々の回路に分裂する場合がある）、各電源ＰＳ１およびＰＳ２は対応するケーブルヘッドＣ１およびＣ２に接続されてもよく、疑似負荷は切断されてもよい。

この特定のシナリオで、抵抗負荷はケーブルの故障個所に近いノードの入力に自動的に接続されてもよい。そのような場合、抵抗負荷は幹線から直接高電圧をサポートする。代替的に、抵抗負荷は海底ノードの出力に接続されてもよく、その場合分岐上の定電圧を支援する。図７で、海底ノードＮ２およびＮ４は、それぞれの抵抗負荷ＲＬ２およびＲＬ４に接続されて示されている。抵抗負荷は、光システムを操作するために必要な最小電流の存在を確実にすることができ、光通信が失われた場合に自動的にオンに切り替えられてもよい。そのような海底ノードＮ２またはＮ４のうちの１つが高電力を必要とする場合、抵抗負荷は典型的には非優先負荷であるために切断されてもよい。電流の流れの方向は、図中の矢印によって示される。

幹線ケーブルが切断の被害を受ける図７のシナリオでは、システム全体を再構成することが必要になる場合がある。そうするために、分岐ユニットは特定のコマンドを受信しなければならない場合がある。そのような再構成動作のための例示的な解決法が図８に示される。このシナリオで、電源ＰＳ１およびＰＳ２はシステムから切断される。幹線上の直流電流を復元するとともに、システムの中の通信を可能にするために、逆極性の電力供給モードで動作することができる第３の電源ＰＳ３が組み込まれる。これは、海底ノードＮ２およびＮ４（図７の切断点の隣にあったノード）の内部のＤＣ／ＤＣコンバータの入力でリバースバイアスダイオード（ｒｅｖｅｒｓｅ−ｂｉａｓｅｄ ｄｉｏｄｅｓ）Ｄ２およびＤ４によって行われる。この電流対策によって、システムマネージャは再構成が必要な分岐ユニット（この例の場合はＢＵ２およびＢＵ４）にコマンドを送り、必要に応じてシステムのトポロジーを変更することができる。

分岐ユニットの再構成は、好ましくは、分岐ユニットの接続構成を変更するために、それらを起動することができる光監視信号によって実行される。図９は、いくつかの実施形態による分岐ユニットでの複数の接続構成を表す例示的な図である。図には、４つの可能な安定した接続構成が示される。第１の構成ＡＢは、ポートＡとＢとの間に接続を与え、ポートＣを開いておくことに関し、第２の構成ＡＣは、ポートＡとＣとの間に接続を与え、ポートＢを開いておくことに関し、第３の構成ＢＣは、ポートＢとＣとの間に接続を与え、ポートＡを開いておくことに関し、最後に第４の構成ＡＢＣは、３つのポートＡ、ＢおよびＣを一緒に接続することに関する。ポートＡ、ＢおよびＣのうちの２つは幹線に接続されてよく、３つ目のものは分岐線に接続されてもよいことに留意されたい。

分岐ユニットの分岐ケーブルで故障が発生した場合、システムは故障のあるケーブルを絶縁し、システム全体を依然としてサービスを提供するために利用可能に保つように構成されてもよい。

本発明のネットワークで使用可能なタイプの分岐ユニットの例は、引用によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第６９８７９０２号の中で説明されている。

図１０は、故障が分岐ユニットＢＵ１で生じるように示されている第１のシナリオの例示的な図である。そのような故障が開回路の形態である場合、海底ノードＮ１の１つだけがシステムから絶縁され、他の海底ノードは動作可能なままであるので、システムは損害を被らなくてもよい。しかしながら、そのような故障の状態が短絡の形態（図１０のノードＮ１で示すようなものであり、分岐ユニットＢＵ１のポートＡ、ＢおよびＣはすべて一緒に接続されている）である場合、システムは、海底ノードＮ２、Ｎ３およびＮ４での高い値（たとえば正常状態での約１０ＫＶ）からより低い値（たとえば正常状態での約５００Ｖ）への幹線電圧の変換を自動的に停止するように構成されてもよい。実際に、各海底ノードのコンバータは、幹線電圧が、たとえば約５ＫＶなどの所定の閾値を下回る場合、変換動作を停止するように構成されてもよい。そのような状況では、システムは、電源ＰＳ１およびＰＳ２によって供給される（この例の中では５ＫＶの）幹線の所定の閾値よりも実質的に低い新たな電圧を用いた第１の電源ＰＳ１から第２の電源ＰＳ２へのエンドトゥエンドの直列接続回路となる。回路の中の電流の方向は、図１０の矢印によって示される。

図１１は、システムが分岐ユニット１の分岐線で故障を解消した後に再開するようになされた図１０の故障状態の下の第２のシナリオの例示的な図である。図中、図１０と同様の要素には同様の参照番号が付されている。図１１に示すように、分岐ユニットＢＵ１は、ポートＡとＢとが一緒に接続された新たな状態で再構成されるので、幹線Ｔ上での接続性が可能となる。短絡は今や回路から絶縁されているので、システムは再開されてもよく、海底ノードＮ２、Ｎ３およびＮ４にはサービスが与えられてもよい。電流の方向は、図中の矢印によって示される。

図１２は、図１０および図１１による、ネットワークの中の短絡によって生じる故障状態におけるシステム中の電源の出力電圧／電流特性の例示的なグラフである。図中、Ｘ軸すなわち横軸は、幹線中の電流限界を示し、Ｙ軸すなわち縦軸は、電源ＰＳ１およびＰＳ２によって供給される電圧を示す。目的は、図１０に関して述べたような短絡が分岐線の中で生じる場合に、幹線Ｔの電流を安全な低い値に維持することである。図に示すように、正常状態では、幹線で使用可能な電圧は最初の高値Ｖ１（たとえば約１０ＫＶ）にある。これは図中参照番号Ｍによって示される。システムで（Ｘ軸に沿って）電流が増加する場合、電圧は中間値Ｖ２に低下する。これは図中参照番号Ｎによって示される。第２の電圧Ｖ２は、図１０に関して述べた所定の閾値として確立され得る。電圧が所定の電圧値Ｖ２を下回ってさらに低下すると、海底ノードは変換動作を停止するので、システムは安全な低電流を供給する電源ＰＳ１およびＰＳ２を用いる直列接続として機能する。これは図中参照番号Ｏによって示される。最後に、図中参照番号Ｐによって示されるように、所定のより低い電圧Ｖ３でシステムはシステムの動作にとって安全な低い電流を確立し、それによって、故障箇所を解消し、直流電力を自動的に復元するための分岐ユニットをオフにソフトに切り替えることが可能になる。

本明細書で示す実施形態では、２つの電源ＰＳ１およびＰＳ２が例示的な方法で説明されているが、本発明のネットワークは必ずしも２つの電源のみに限定されないということに留意されたい。実際に、特許請求される発明の範囲内で、さらなる電源がネットワークの中に存在してもよい。たとえば、ネットワークは第１のリング（または並列）ネットワーク内で構成されたさらなるループを備えてもよく、またはネットワークは単に、シンプルなＴタイプ接続によって提供される３分岐ネットワークとともに第３の供給を備えてもよい。

たとえばＮ個などの３つ以上の電源がシステムに組み込まれる場合、２つの電源を使用する実施形態に関して上述したものと同様に、少なくとも１つの電源が電圧を制御するように構成され、残りのＮ−１の電源が電流を制御するように動作するという原理に基づいて、電源を管理するためにアルゴリズムが使用されてもよい。

上述のように、本発明は、市場で入手可能な海底ケーブルを使用して、比較的広い範囲に電力および光通信をもたらすための幅広い解決法を提供する。

本明細書で提案するシステムは、限定されないが、石油およびガスの科学的作業および深海検知作業などの様々な用途にサービスを提供することができる。

典型的には２５年の設計寿命に適したケーブル、分岐ユニットおよびリピータなどの海底通信デバイスを使用することができるために、このシステムは、約８Ａまでのかなり高い線電流にもかかわらず、（そのような海底通信デバイスを使用しない、知られているシステムと比べて）比較的長期の稼働寿命を提供する。

電源、分岐ユニット、海底要素およびリピータ等の要素は、ハードウェアデバイス、ソフトウェアモジュール、またはハードウェアデバイスとソフトウェアモジュールとの組み合わせであり得るブロックを含んでもよい。

本発明の様々な実施形態は、そのような組み合わせが互換的および／または補足的である限り、組み合わせられてもよい。

さらに、特許請求される方法に対応する構造のリストは網羅的ではないことに留意すべきであり、当業者であれば、特許請求される発明の範囲から逸脱することなく、均等の構造が列挙された構造に置き換えられ得るということが理解されよう。

当業者には、本明細書の任意のブロック図が、本発明の原理を具体化する例示的な回路の概念図を表すということを理解されたい。

Claims (15)

1. 陸上に配置された局であるか、または海面に固定されているか、浮かんでいる局であってもよい１つまたは複数の端局と、少なくとも１つの分岐ユニットと、分岐ユニットに接続された少なくとも１つの海底ノードとを備える通信および電力を輸送するためのネットワークであって、ネットワークが、端局と分岐ユニットとの間、および分岐ユニットと海底ノードとの間の光および電気接続を可能にするための幹線ケーブルをさらに備え、海底ノードが複数の光波長を受け取り、出力で少なくとも１つの光波長を提供するように構成され、また端局から受け取った第１の直流電圧を出力で提供される第２の直流電圧に変換するように構成され、第１の電圧が第２の電圧よりも高く、ネットワークが幹線ケーブルの第１のケーブルヘッドに接続された第１の電源と幹線ケーブルの第２のケーブルヘッドに接続された少なくとも第２の電源とを備え、第１の電源および少なくとも第２の電源が正常または故障状態の下で、個別に、または組み合わせてネットワークの中の電流の少なくとも最小量を供給するように構成された、ネットワーク。
2. ネットワークが、海底ノードの出力でインターネットプロトコルアプリケーションを実装するために構成されたインターネットプロトコル切り替え手段を備える、請求項１に記載のネットワーク。
3. ネットワークがリング型ネットワークである、請求項１および２のいずれか一項に記載のネットワーク。
4. 電流の循環を可能にするように構成された少なくとも１つの疑似負荷をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のネットワーク。
5. 第１の電源が、第１の電源と海のアースとの間でループが閉じられるように、第１のケーブルヘッドに直流電力を供給するように構成され、少なくとも第２の電源が、スタンバイモードで疑似負荷と並列に接続される、請求項４に記載のネットワーク。
6. 第１の電源および少なくとも第２の電源が電力を供給するように構成され、第１の電源が電圧を制御するために設定され、少なくとも第２の電源が幹線上の電流を制御するために設定される、請求項１から５のいずれか一項に記載のネットワーク。
7. 第１の電源が幹線ケーブルの第１のケーブルヘッドに電力を供給するように構成され、第２の電源が幹線ケーブルの第２のケーブルヘッドに電力を供給し、疑似負荷が切断され、抵抗負荷が、海底ノードの中の電流の存在が確実になるように、ネットワークの中の故障個所に近いノードで接続される、請求項４に記載のネットワーク。
8. ネットワークが、幹線ケーブルで障害が発生した場合に、幹線上の直流電流を復元するだけでなく、ネットワークの中の通信を可能にするように、電力供給を提供するために構成された第３の電源を備える、請求項７に記載のネットワーク。
9. ネットワークが、ネットワークの中の少なくとも１つのノードで電流を等しく保つように、電流需要と電圧需要を第１の電源と少なくとも第２の電源に設定するように構成された管理システムを備える、請求項１から８のいずれか一項に記載のネットワーク。
10. 海底ノードが、分岐ユニットで故障が発生した場合に、幹線電圧を第１の電圧値から第２の電圧値へ変換することを停止するように構成される、請求項１に記載のネットワーク。
11. 海底ノードが、幹線電圧が所定の閾値を下回る場合、変換動作を停止するように構成される、請求項８に記載のネットワーク。
12. 陸上に配置された局であるか、または海面に固定されているか、浮かんでいる局であってもよい１つまたは複数の端局と、少なくとも１つの分岐ユニットと、分岐ユニットに接続された少なくとも１つの海底ノードとを備えるネットワークの中で通信および電力を輸送するための方法であって、ネットワークが、端局と分岐ユニットとの間、および分岐ユニットと海底ノードとの間の光および電気接続を可能にするための幹線ケーブルをさらに備え、
    − 海底ノードで複数の光波長を受け取り、出力で少なくとも１つの光波長を提供するステップと、
    − 端局から受け取った第１の直流電圧を、出力で提供される第２の直流電圧に海底ノードで変換するステップであって、第１の電圧が第２の電圧よりも高いステップとを備え、
    ネットワークが、幹線ケーブルの第１のケーブルヘッドに接続された第１の電源と幹線ケーブルの第２のケーブルヘッドに接続された少なくとも第２の電源とを備え、第１の電源および少なくとも第２の電源が、正常または故障状態の下で、個別に、または組み合わせてネットワークの中の電流の少なくとも最小量を供給する、方法。
13. 海底ノードが複数の光波長を得て、海底ノードで使用するための波長をフィルタリングするか、または海底ノードが少なくとも１つの波長を幹線ケーブルに追加する、請求項１２に記載の方法。
14. ネットワークが疑似負荷をさらに備え、疑似負荷が依然として第１のケーブルヘッドにも切り替えられたまま第２のケーブルヘッドへのスイッチを閉じることと、第２のケーブルヘッドへの切り替えが実行された後、第１のケーブルヘッドへのスイッチを開くこととによって、切り替えが稼働中に公称電圧で行われるように疑似負荷を第１のケーブルヘッドから第２のケーブルヘッドに切り替えるステップを備える、請求項１２および１３のいずれか一項に記載の方法。
15. ネットワークの中の電流が増加する場合、
    − 幹線ケーブルで利用可能な電圧を閾値の中間値まで落とすステップと、
    − 海底ノードでの電圧の変換を停止するステップと、
    − １つまたは複数の分岐ユニットをオフに安全に切り替えることを可能にする増加した電流よりも低い電流を供給するステップとが実行される、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の方法。

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