基于恒流供电的缆系水下基础信息网络拓扑结构研究*

张 政 周学军 周媛媛 王希晨

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)



基于恒流供电的缆系水下基础信息网络拓扑结构研究*

张 政 周学军 周媛媛 王希晨

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

通过设计纵向和横向两种不同网状拓扑结构的缆系水下基础信息网络平台，并将整个平台结构从系统和各链路方面来考虑，分析了水下设备单元短路/开路故障对网状拓扑结构的系统供电状态的可靠性影响。根据水下观测网络恒流远程供电的特性，定义了系统、各链路远程供电可靠度，通过相应供电可靠度求解方法，并结合典型实例来进行具体分析计算，根据计算结果分析两种拓扑结构的供电可靠性以及实际中的应用意义。

恒流远程供电; 网状拓扑结构; 可靠性

Class Number TN915.02

1 引言

海底观测是人类从海洋外面深入到海洋内部研究海洋的转折，是人类将“气象站”、“实验室”放到海底，在海底建立观测地球的第三平台，连续、原位、实时地观测深海和海底以下地球深部的一场巨变[1]。所以发展建立缆系水下基础信息网络平台是我国经略海洋的必然一步，水下信息网的各组成部分可靠度要求非常高，其中水下远程供电系统的高可靠度更是确保水下基础信息平台正常工作的重中之重。而目前国际上所有水下信息网采用的供电方式有恒流供电或恒压供电这两种。美国-加拿大的NEPTUNE系统采用恒压供电方式，恒压供电更易实施，并有陆地上充分的理论技术作为支撑，但当有一点短路时，其整个系统全部瘫痪，鲁棒性较低；而日本在建设水下信息网时更多地考虑到缆系水下网络在受到地震或设备故障时的影响，所以其设计的DONET系统采用了具有高鲁棒性的恒流供电方式。

在国内，同济大学于2009年在东海小衢山采用恒压供电的方式建立了首个单节点缆系水下网络实验站，并将三种海洋监测设备放置于海底[2～3]。2013年海军工程大学搭建了国内首个采用横流供电双节点环型拓扑结构缆系水下基础信息网络平台。

国内目前水下信息网的发展还处于初级阶段，涉及水下信息网的拓扑结构还只是在单点、链式环型结构。文章从水下设备单元短路/开路故障对水下信息网网状拓扑结构系统和链路可靠性的影响进行分析，进一步验证横向拓扑供电系统的故障自调整能力。

2 基础模型的建立

本文所设计的缆系水下基础信息网络平台横向网状拓扑结构如图1(a)所示。该系统由岸基供电电源设备(PFE)和水下的海缆、主节点和次节点组成。其中PFE提供恒定电流，多台PFE共同承担远程供电任务，当多台PFE出现问题或故障无法正常工作时，剩余几台甚至单台设备可承担供电总功率。主节点内置恒流/恒流转换设备(I/I模块)，主要功能是对恒流进行多路分支，保证系统的电流恒定，内设保护电路，确保系统和水下设备不会超负荷运转；次节点内置恒流/恒压转换设备(I/V模块)，为外接水下观测设备提供恒定工作电压[4]。

图1 横向/纵向拓扑结构远程供电系统结构示意图

图1(b)所示的是缆系水下基础信息网络平台纵向网状拓扑结构图。其由岸基供应电源(PFE)和水下部分组成。其岸基恒流源只由两台PFE组成，正常工作状态下两台设备各承担一半供电压力，当一台PFE出现问题时，供电任务全由另一台PFE承担。纵向拓扑网络水下部分的组成和功能与横向网络相似。

由图1可知，各水下设备不是单独存在的，海缆、主节点和次节点都是相互关联的。如某一水下单元发生故障，势必影响系统中各链路和观测设备的工作状态和系统的可靠度[5]。而短路/开路故障是常发性故障，因而通过研究水下设备单元的短路/开路故障对分析横向和纵向两种不同网状拓扑结构的缆系水下基础信息网络平台具有十分重要的意义。

3 远供系统可靠性设计与分析

设计一个系统一般从功能性、可靠性及经济性三个角度出发[6]，而水下信息网络的设计更要考虑设备的体积、重量、散热、功耗等因素。可靠性设计就是要在保证可靠性的前提下，使系统费用最小，成本最低[7]。在整个网络平台中，岸上设备电源的可靠性高，对其有充足的冗余备份，且故障维修较为方便简单，相较于水下设备单元，其成本和故障可以忽略，所以只考虑水下部分。

在缆系水下基础信息网络系统中，增加海缆的可靠度的代价比增加主节点和次节点可靠度的代价要小的多；次节点是为用电设备提供恒定电压，增加其可靠度的代价明显大于增加海缆的；而主节点控制并承担电流分支任务，是系统最不可或缺的一部分，所以增加其可靠度的代价最大[8]。在对这两种系统进行比较时，可以假设： 1) 水下海缆段长度相同，水下设备单元配置相同，可靠度一致； 2) 各设备单元寿命符合指数分布。

可以假定水下单元参数如表1所示。

表1 恒流远供系统水下单元参数

缆系水下基础信息网络系统的基本可靠度为

(1)

其中，R系统表示系统的基本可靠度；R1、R2、R3分别是海缆、主节点和次节点的可靠度；a、b、c分别是海缆段、主节点和次节点的数量。

各水下设备单元的费用为[9]

xi=-αiln(1-Ri)+βi

(2)

结合上式可得缆系水下基础信息网络系统的总成本为

X=ax1+bx2+cx3

=(a+5b+2c)-aln(1-R1)

-5bln(1-R2)-2cln(1-R3)

(3)

其中，Ri为第i个设备单元的可靠度；xi为设备子单元费用；x1、x2、x3为海缆段、主节点和次节点的成本。

4 缆系恒流水下基础信息网络平台的系统基本可靠性分析

系统水下供电可靠性以系统所有设备是否正常工作为标准。若系统中任意一个设备出现短路/开路故障时，则该供电系统视为故障，记作Fs，即系统的供电可靠度为Rs[10]。

以图2(a)与图3(a)为例，纵向和横向两个系统网络平台水下部分都包含海缆段，主节点和次节点，且数量相同，其数量可分别记为a、b、c。定义海缆段发生短路/开路的事件分别为xi1、xi2，对应的事件发生概率为Fi1、Fi2；主节点发生短路/开路的事件分别为xj1、xj2，对应的事件发生概率为Fj1、Fj2；次节点发生短路/开路的事件分别为xk1、xk2，对应的事件发生概率为Fk1、Fk2。

图2 横向远供系统结构和各链路示例图

系统中任意一个设备单元故障，即视为整个系统供电的故障，纵向和横向两个平台的系统供电故障分别为Fs纵、Fs横。则系统发生供电故障的概率为

(4)

因而系统的供电可靠度为

(5)

5 缆系恒流水下基础信息网络平台 的各链路供电可靠性分析

5.1 横向拓扑供电系统各链路供电可靠性分析

由图3(b)可知横向拓扑供电系统链路Ⅰ由链路段D11、D12和D13构成。其分别包含了a11、a12、a13个海缆段，b11、b12、b13个主节点和c13、c12、c13个次节点。设a1=a11+a12+a13，b1=b11+b12+b13，c1=c11+c12+c13。同理，链路Ⅱ由链路段D21、D22和D23构成，链路Ⅲ由链路段D13、D31和D21构成。链路Ⅰ与链路Ⅱ对称，其可靠度相同。

图3 纵向远供系统结构和各链路示例图

横向拓扑供电链路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中各链路段上的任意一个设备单元出现故障，则该链路故障，而各链路上的设备单元相互无影响，则计算出链路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ故障发生的概率和各链路的供电可靠度为

(6)

5.2 纵向拓扑供电系统各链路供电可靠性分析

纵向拓扑供电系统各链路与横向拓扑供电系统各链路的构成相似，但链路段D12的任意一个设备单元发生开路故障时，造成PFE输出开路，链路Ⅱ、Ⅲ无法供应上电力。而当链路段D22大声来路故障时，主节点1、2输出开路，链路段D12、D31、D32、D33和D23开路，链路Ⅲ无法供应上电力。则链路段D12和D22开路故障的概率为

(7)

因而，供电链路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的供电可靠度为

R纵L3= 1-(F纵L3+FD122+FD222)

(8)

6 实例计算

以图3、图4所示的两种系统为例。两个系统所包含的海缆段、主节点和次节点的数量相同，a=25、b=4、c=18。假定缆系恒流水下基础信息网络系统的基本可靠度为0.9，可得横向和纵向两种不同拓扑结构的系统所需总成本都为562，各设备单元分配的可靠度也相同。

假设海缆段长度相同，设备配置一样，各自具有相同的短路和开路故障概率。具体参数如表3所示。

表3 设备短路/开路故障概率

参照式(5)～(9)的方法，可计算出系统及各链路的供电可靠度。

表4 系统及各链路可靠度

由上述设备观测设备可靠性计算可得出以下结论： 1) 系统供电可靠度<链路供电可靠度； 2) 当某一链路受其他链路影响时，其供电受制约的因素较多，供电可靠性相对较低； 3) 在所需水下总成本相同和设备单元要求的可靠度相等的条件下，横向拓扑的远程供电网络的链路供电可靠性明显高于纵向拓扑的远程供电网络，说明在水下观测网络平台的运用中，相较于纵向拓扑结构，横向拓扑结构的观测设备能获得更有效、可靠的电能供应。

7 结语

本文研究了水下设备单元的短路/开路对采用横向和纵向两种拓扑结构的缆系水下基础信息网络平台的系统、链路的供电可靠性影响，并通过结合实例的计算，得出采用横向拓扑结构的远程供电系统具有较高的可靠性和应用价值。但在实际运用中，应根据实际情况，不同的供电和观测要求，设计相应的供电系统路线。本文所采用的横向拓扑虽然可以提高链路的可靠性，但其测量的纵深较小，只适用于浅海区域，无法对更深层的深海区域进行有效监测，所以在今后的设计中可以结合横-纵结合的拓扑结构进行设计更好地满足监测的要求。

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Mesh Topology of Underwater Cable Information Network Based on the Constant-Current Remote Power Supply

ZHANG Zheng ZHOU Xuejun ZHOU Yuanyuan WANG Xichen

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

This paper designs underwater cable based information platform with two different kinds of mesh vertical and horizontal topology, and considers the whole platform structure from the aspects of both the system and each path. Based on the above result, the impact which short-circuit/open-circuit problems of underwater equipment unit have on system power state of mesh topology is analyzed. According to the characteristics of constant-current remote power supply of underwater observation network, this paper defines the reliability if remote power supply reliability for both system, and each path. By using the appropriate solution for solving the reliability of power supply, this paper analyzes real problems with typical examples. The power supply reliability of two topological structures and practical applications are analyzed based on above results.

constant-current remote power supply, mesh topology, reliability

2016年5月11日,

2016年6月18日

张政，男，硕士研究生，研究方向：光通信与水下信息网。

TN915.02

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.034