適用于海底觀測網絡的恒流遠供系統可靠性分析方法*

王希晨，周學軍，周媛媛，張曉，蘇彬彬(海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢430033)

適用于海底觀測網絡的恒流遠供系統可靠性分析方法*

王希晨，周學軍，周媛媛，張曉，蘇彬彬
(海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢430033)

以水下單元的短路/開路故障模式為基礎，提出一種分析纜系海底觀測網絡恒流遠供系統可靠性的方法。根據系統供電和結構特性，將系統分成不同的供電鏈路和鏈路段。詳細研究處于不同位置的各種水下單元發生故障時，對鏈路和觀測設備的供電狀態的影響。歸納導致系統和各鏈路無法正常導通、觀測設備無法得到供電的狀態情況，分析不同故障狀態發生的概率，進而得出求解系統、供電鏈路與供電設備的供電可靠度的方法。通過算例分析，進一步梳理了3種供電可靠性的共性規律，說明在設計和建設恒流遠供系統時，應綜合考量這3種供電可靠性。

恒流；遠程供電；短路故障；開路故障；可靠性

纜系海底觀測網絡是我國發展海洋技術的重要切入點和熱點［1］。該網絡有源設備種類繁多，連接關系復雜，現有技術條件和海底自然條件決定了網絡無法借鑒陸纜供電系統就地對設備供電，研究和設計適應水下工作環境的新型遠程供電系統勢在必行［2-4］。文獻［5］設計了水下恒壓遠供系統，研究了系統狀態估計與控制技術，提高了恒壓系統在水下環境的應對故障的能力。文獻［6］研究了并聯系統在水下環境的高-中-低壓轉換技術，設計了相應的轉換模塊及解決了模塊啟動問題。恒壓遠供系統目前在NEPTUNECanada網絡中得到應用［7-8］。文獻［9］設計了水下恒流遠程供電系統，研究了恒流的多路分支技術，保持全網絡的恒流特性。文獻［10］研究了恒流系統在發生短路故障時的自調整能力。水下恒流遠程供電系統目前在DONET網絡中得到應用［11-12］。文獻［12-15］介紹了國內的相關研究成果。浙江大學及同濟大學等單位建設了恒壓單節點試驗系統，解決了高-中-低壓轉換技術，并已進行海試。海軍工程大學建設了恒流雙節點試驗系統，解決了恒流系統的組網問題，并驗證了試驗系統應對故障的能力。觀測網絡遠供系統相關技術研發與儲備正趨于成熟和完善，但涉及系統供電可靠性的研究較少，遠供系統是觀測網絡的能源基礎，直接關系到網絡的可用性與維護成本，因此，對遠供系統的可靠性進行研究具有十分重要的意義。

本文以恒流遠供系統水下單元的短路及開路故障模式為基礎，提出了一種分析恒流遠供系統可靠性的可行性方法。

1 基礎模型

所涉及的恒流遠供系統如圖1所示。該系統由遠供設備(Power Feeding Equipment，PFE)、海纜、主節點及次節點組成。其中PFE提供恒定電流，兩臺PFE共同承擔系統功率，通過功率冗余設計，單臺設備可承擔系統總功率；海纜的鎧裝銅管提供導電路徑；主節點內置恒流/恒流轉換設備，主要完成恒流的多路分支，保持整個系統電流恒定。該設備采用變壓器耦合轉換方式，以主節點1為例，共有4路，a和b路分別為初級輸入和輸出，c和d路為副級輸入和輸出，其中d路接地或者進一步延伸［15］。通過耦合，副級保持同初級電流相等。主節點1和2分別通過副級輸出，共同承擔下級鏈路的功率需求，可理解為兩個恒流源串聯。同理，主節點3和4可理解為兩個恒流源串聯。通過功率冗余設置，單個主節點可以承擔下級鏈路的輸出功率；次節點內置恒流/恒壓轉換設備，通過脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，PWM)，將恒定電流轉換為一定值的恒定電壓，再經DC模塊轉換，為掛接在次節點上的觀測設備(包括內部傳輸設備和光放大設備)提供工作電壓；次節點的具體數量由觀測需求和部署范圍確定。

由于PFE位于陸上，采用冗余備份，即使發生故障，修復時間較短，同系統水下部分相比，失效的概率相當小，基本可以忽略。基于此，本文重點對系統水下部分的可靠性進行設計與研究，系統水下部分共包含海纜、主節點及次節點3類子單元。

根據電流流通的不同路徑，系統水下部分共包含3條完整的供電鏈路，具體如圖2所示。以主節點的位置為界，可將系統進一步細分為不同的鏈路段。其中鏈路Ⅰ由鏈路段D11，D12及D13組成。鏈路Ⅱ由鏈路段D11，D21，D22，D23及D13組成；鏈路Ⅲ由鏈路段D11，D21，D3，D23及D13組成，其中D3由D31，D32及D33組成。

圖1 恒流遠程供電系統示意圖Fig.1 Constant current remote power feeding system

圖2 系統供電鏈路示意圖Fig.2 Power link of system

遠供系統工作環境特殊，海纜易因錨掛、自然災害而發生斷路故障，易發生接地短路或空接開路，其中接地短路發生的概率較高。主、次節點供電設備內置于接駁盒，當腔體水密性喪失時，易發生接地短路；當水密性能良好時，存在密封短路和密封開路的可能性。單個單元接地短路對系統的影響同密封短路相似，但多個單元接地短路對系統具有較大的影響。因此，可有如下定義和假設:

1)短路故障:無論是接地短路還是密封短路，均視為同海水接地短路，下文稱為短路故障；

2)開路故障:無論是空接開路還是密封開路，下文稱為開路故障；

3)系統以及各單元的故障模式是指要么短路、要么開路；

4)無論正常工作還是故障，不同單元之間相互獨立；

5)各單元短路和開路故障相互獨立。

系統工作于水下環境時，由于其恒流特性，當鏈路某個單元發生短路故障時，系統具備一定的自調整能力，該鏈路其他單元仍可處于正常取電狀態，其他鏈路或鏈路段也可能處于正常導通狀態［15］；當鏈路某個單元發生開路故障時，該鏈路段無法取電，但其他鏈路或鏈路段仍可能處于正常導通狀態。總之，不同的故障模式對系統、各鏈路和各單元工作狀態的影響不同，對它們的可靠性影響也不同。因此，基于短路和開路故障模式分析系統可靠性是一種可行的方法。

2 故障狀態分析

由于系統各組成單元的功用不同，各單元出現故障時，對系統各鏈路及觀測設備的影響也不同。定義“1”表示當系統某單元故障時，鏈路或觀測設備仍能正常得到供電的事件；“0”表示當系統某單元故障時，鏈路或觀測設備無法正常得到供電的事件。

表1 單個主節點故障對系統供電的影響Tab.1 Influence of primary node failure on system power supply

表2 單個次節點故障對系統供電的影響Tab.2 Influence of secondary node failure on the system power supply

主節點1和2共同承擔下級鏈路段D21，D22，D23和D3的功率需求；主節點3和4共同承擔下級鏈路段D3的功率需求。只要主節點初級保持電流流通，通過耦合，副級輸出恒流；若初級無電流流通，副級無輸出恒流。通過設置保護措施，副級開路時，初級啟動短路保護。恒流系統對短路故障具有調整能力。因此，上級鏈路開路會影響下級鏈路；下級鏈路開路或短路故障對上級鏈路影響較小。

當主節點1發生短路故障時，主節點2自動調整承擔下級鏈路的用電功率，次節點可正常得到供電。同理，主節點2發生短路時，主節點1承擔下級鏈路輸出功率；主節點1或2中任一單元發生開路故障時，系統開路；當主節點3發生短路故障時，主節點4自動調整承擔下級鏈路的用電功率，次節點可正常得到供電。同理，主節點4發生短路時，主節點3承擔下級鏈路輸出功率；當主節點3或4中任一單元發生開路故障時，主節點1和2的保護電路啟動，鏈路段D21，D22，D23和D3無法得到供電，上級鏈路Ⅰ的供電不會受到影響。具體如表1所示。

次節點掛接觀測設備，若某個次節點發生短路故障，只會影響該節點觀測設備的供電；若某個次節點發生開路故障，上級鏈路主節點的保護電路啟動，確保上級鏈路次節點正常供電，但該次節點所在鏈路和下級鏈路將無法得到供電，具體如表2所示。

若某條海纜段發生短路故障，不會影響次節點供電。若發生開路故障，上級鏈路主節點保護電路啟動，確保上級鏈路次節點正常供電，其所在鏈路及下級鏈路將無法得到供電，具體如表3所示。

表3 單條海纜故障對系統供電的影響Tab.3 Influence of submarine cable failure on the system power supply

3 恒流遠供系統可靠性分析

系統的供電可靠性可分為3類:①是系統的供電可靠性，其供電可靠性以系統是否完全正常導通為主要依據，全系統或某單元故障均視為故障；②是鏈路的供電可靠性，其供電可靠性以鏈路是否完全正常導通為主要依據，整鏈路或某單元故障均視為故障；③是觀測設備的供電可靠性，其供電可靠性以是否獲取正常工作電壓為主要依據。

3.1 系統供電可靠性分析

系統水下部分共包含海纜、主節點、次節點3種單元，其數目分別為a，b，c。定義第l段海纜發生短路、開路故障的事件分別為x1l1，x1l2；對應事件的概率分別為F1l1，F1l2，其中l=1，2，…，a。第i個主節點發生短路、開路故障的事件分別為x2i1，x2i2；對應事件的概率分別為F2i1，F2i2，其中i=1，2，…，b。在圖1所示系統中，b=4，第j個次節點發生短路、開路故障的事件分別為x3j1，x3j2；對應事件的概率為F3j1，F3j2，其中j=1，2，…，c。

系統供電可靠度表達式為

3.2 鏈路供電可靠性分析

鏈路Ⅰ由鏈路段D11，D12及D13組成。它們分別包含a11，a12，a13段海纜；b11，b12，b13個主節點和c11，c12，c13個次節點；b11=b13=1，b12=0。令a1= a11+a12+a13，b1=b11+b12+b13=2，c1=c11+c12+c13；鏈路Ⅱ由鏈路段D11，D21，D22，D23及D13組成。其中D21，D22及D23分別包含a21，a22，a23段海纜，b21，b22，b23個主節點及c21，c22，c23個次節點；b21=b23=1，b22=0。令a2=a21+a22+a23，b2=b21+b22+b23=2，c2=c21+c22+c23；鏈路Ⅲ由鏈路段D11，D21，D3，D23及D13組成，其中D3包含a3段海纜、b3個主節點及c3個次節點，b3=0。

鏈路Ⅰ，Ⅱ及Ⅲ的任一單元發生故障，該鏈路均屬于非正常狀態，則它們發生故障的概率為

當鏈路段D12發生開路故障時，鏈路Ⅱ和Ⅲ均無法得到供電。當鏈路段D22發生開路故障時，鏈路III無法得到供電。則D12，D22開路的概率分別為3.3觀測設備供電可靠性分析

系統的主要任務是為海底觀測網絡的用電設備提供可靠電能，使觀測設備正常工作。觀測設備掛接在不同的次節點上，位置不同，供電可靠度不同。每條鏈路段包含多個次節點，具體數目取決于觀測需求，逐一分析較為累贅。位于相同鏈路段的次節點，雖然具體位置不同，但分析方法類似，因此重在分析方法的研究。部分鏈路段的次節點具有相同的供電特性，可以以示例進行分析。

鏈路段D11，D12及D13上的次節點S1m(其中m =1，2，…，c1)，具有相同的供電特性；鏈路段D21，D22及D23上的次節點S2m(其中m=1，2，…，c2)，具有相同的供電特性；鏈路段D3上的次節點S3m(其中m=1，2，…，c3)，具有相同的供電特性。

若次節點S1m發生開路或短路故障，觀測設備均無法得到供電；以S1m為分割點，將鏈路Ⅰ分割為左右2條鏈路，若其中1條鏈路發生短路故障，則不影響系統供電。若2條鏈路均發生短路故障，則S1m的觀測設備無法得到供電，可將這2條鏈路理解為并聯關系，這2條鏈路同節點S1m屬于串聯關系；若鏈路Ⅰ發生開路故障，系統開路，S1m上觀測設備無法得到供電；其他鏈路單元的故障不會對S1m的供電造成影響。

次節點S2m，S3m的觀測設備因所在鏈路短路而無法得到供電的分析方法同次節點S1m類似，文中不再累述。鏈路段D12發生開路故障，系統開路，S2m和S3m上觀測設備無法得到供電；當鏈路段D22發生開路故障，S3m上觀測設備無法得到供電。

分別以鏈路段D12，D22，D3上第1個次節點的觀測設備為例，它們的觀測設備供電可靠度分別為

4 算例分析

恒流遠供系統(算例)如圖3所示，假設它為規則對稱系統，共包含25段海纜、4個主節點和18個次節點。假設海纜段長度相等，相同類型的水下單元配置相同，可視它們各自具有相同的短路和開路故障概率。具體假設參數如表4所示。

圖3 恒流遠程供電系統(算例)Fig.3 Remote power feeding system(example)

表4 水下單元短路與開路故障概率Tab.4 Failure probabilities of shortcut and open circuit

參照式(1)～(9)，可計算系統及各供電鏈路的可靠度，具體如表5所示。

參照式(10)～(12)的方法，可計算各次節點上觀測設備的供電可靠度。由于該系統具有對稱性，因此，只需計算次節點S11～S13，S21～S23，S31～S33上觀測設備的供電可靠度，具體如表6所示。

表5 系統及鏈路供電可靠度Tab.5 Power supply reliabilities of system and links

表6 觀測設備供電可靠度Tab.6 Power supply reliabilities of electrical equipments

由表5和表6可知:①由于系統上級鏈路的供電可靠性與下級鏈路無關，下級鏈路可靠性受上級鏈路的影響，系統中第Ⅰ級鏈路的供電可靠度最高，下級鏈路的供電可靠度低于上級鏈路；②在同一鏈路中，隨鏈路的延伸，觀測設備的可靠度逐漸降低，其中位于鏈路中部的供電設備可靠性最低；③上級鏈路的供電設備的可靠度要大于下級鏈路的供電可靠度；④在文中假設故障概率的條件下，由于系統包含數十個單元，每個單元故障均視為系統故障，且海纜的非人為損壞概率遠低于示例概率，因此所求得的系統的基本可靠度較低。系統的主要任務是為觀測設備提供供電電壓，可視觀測設備的供電可靠度為系統的任務可靠度。由于恒流遠供系統在水下供電方面的優勢，觀測設備均具有相對較高的供電可靠度。這說明系統的部分故障不會影響水下設備獲取電能。在考察恒流遠供系統的可靠性時，不僅要參考系統的基本可靠度，也要參考系統的任務可靠度，即觀測設備的供電可靠度。

5 結論

本文研究了處于不同位置的水下各單元的供電狀態對系統的影響，以水下單元的故障模式為基礎，結合系統的具體狀態，分析了系統、鏈路及供電設備的供電可靠性。通過算例分析，梳理了系統、鏈路和供電設備的供電可靠度的共性規律。下階段將進一步融合3種供電可靠性信息，為恒流遠供系統及其各單元的工程化應用提供一定的理論指導和借鑒。

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A reliability analysismethod on constant current remote power feeding system of cabled seafloor observatory network

WANG Xichen，ZHOU Xuejun，ZHOU Yuanyuan，ZHANG Xiao，SU Binbin
(Electronic Engineering College，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

Based on underwater unit short/open circuit failuremodes，amethod for analyzing the reliability of constant current remote power feeding system of cabled seafloor observatory network was proposed.According to system power supply and structural properties，the system was divided into different links and segments.Influence on power supply state of the links and observation equipments by unit failures in different position was studied in detail.The causes of leading system and link cannot be conducted and observation equipment cannot be operated were summarized，and the probability of different faultoccurrence was analyzed，then power supply reliabilitiesmethod of system，links and observation equipments were obtained.Through example analysis，the general law of the three kinds of power supply reliability needs comprehensive considerations in system construction and design phase.

constant current；remote power feeding；short failure；open failure；reliability

TN915.02

A

1001-2486(2015)05-186-06

10.11887/j.cn.201505029

http://journal.nudt.edu.cn

2014-09-17

國家863計劃重點資助項目(2009AAJ128)；國家自然科學基金資助項目(71201172)

王希晨(1987—)，男，河南駐馬店人，博士研究生，Email:hjgcwxc@163.com；周學軍(通信作者)，男，教授，博士，博士生導師，Email:Xuejun-Zhou@163.com