一种基于观测中继平台的水下缆系恒流观测系统

摘要

本发明公开了一种基于观测中继平台的水下缆系恒流观测系统，包括：提供高压恒流电源的第一岸基站、第二岸基站、连接所述第一岸基站与所述第二岸基站的供电与通信复合缆，所述复合缆上间隔连接N个的观测中继平台，每个观测中继平台既能够利用复合缆中的高压导体提供的电能实现环境数据的监测，且能将该环境数据经复合缆传输至第一或第二岸基站以实现海下环境数据与外界的通信。该系统采用恒流供电有效避免了远距离输电电压的衰减，减少电能在水下电缆的损耗，可有效降低输电电压，提高用电效率；采用数据中继单元串联中继的方式，在确保平台可靠性的前提下，可实现长距离观测链的铺设。

说明书

技术领域

本发明属于海底监测领域，尤其涉及一种基于观测中继平台的水下缆系恒流观测系统。

背景技术

当前随着陆地资源的日渐枯竭，水体环境恶化，出现了越来越多的水下观测系统，然而，水下观测系统多为树状多节点分布，采用层状结构，对于那些范围广、所需环境参量单一的水体，树状观测系统体积庞大、级联关系复杂导致铺设难度加大，多余功能的闲置也使得运营成本升高。

现有水下观测网的多采用的树形多节点分布方式，其有一个明显的缺点，一旦其中一个树形节点或者相连复合缆发生故障，其后端级联节点均无法正常工作，这进而增加了对产品的可靠性要求以及维护成本。

专利申请号为201410562322.5A的中国专利申请公开了一种基于多节点海底观测网络的单极负高压直流变换系统，该系统包括岸基站供电电源、电能传输海缆、N个将传输海缆上的电能分支输出的海缆分支节点，N≥2、负压自启动电路、辅助电源、串并联电压转换模块电路、驱动电路、PWM控制器、采样电路和反馈回路。岸基站的高压供电设备通过电能传输海缆与海水形成回路，将高压电传输至网络节点。系统采用多模块串并联组合的方式，将高压输出平均分摊至多组电压转换模块上，以降低每个电压转换模块所承受的电压，适用于多节点树形缆系海底观测网络中的高中压转换，为海底观测网络中接驳平台和仪器设备提供所需的电力。

发明内容

鉴于上述，本发明提供一种基于观测中继平台的水下缆系恒流观测系统，该系统布放使用简单、体积小、重量轻、能够同时观测几种环境参数，可应用于广域水体的几种环境参数的实时监控。

本发明的技术方案为：

一种基于观测中继平台的水下缆系恒流观测系统，包括：提供高压恒流电源的第一岸基站、第二岸基站、连接所述第一岸基站与所述第二岸基站的供电与通信复合缆，所述复合缆上间隔连接N个的观测中继平台，每个观测中继平台既能够利用复合缆中的高压导体提供的电能实现环境数据的监测，且能将该环境数据经复合缆传输至第一、第二岸基站以实现海下环境数据与外界的通信，N为正整数。

本发明第一岸基站、第二岸基站和复合缆以及大地形成一个恒流电流通路，连接在复合缆上的各观测中继平台采用链式环状拓扑结构，且采用恒流串联供电模式，结合观测中继平台的小型简单轻量化的优点，构成封闭环状观测系统，适用于海底地质监测，渔业养殖水体监测等大范围水体，所需环境参数相对较少且固定的应用场合。

所述第一岸基站中的第一高压恒流电源与第二岸基站中的第二高压恒流电源可根据系统铺设总长度、观测中继平台功率以及观测中继平台总数确定所需输电电压，如：系统采用恒流1A供电，观测中继平台所需供电电压48V，平台数量100，忽略复合缆上电能损耗，则可得两高压恒流电源输出电压差为4.8KV，每个观测中继平台消耗功率为48W。

作为优选，所述第一岸基站还包括计算机、第一交换机、NTP时钟；所述第二岸基站包括计算机、第二交换机。采用双岸基站实现了多点实时监控。

作为优选，每个观测中继平台均设有电能管理单元、数据中继单元、环境监控单元以及数据转换单元；所述电能管理单元的正负输入端分别通过高压输电线连接于位于两端的两段复合缆的高压导体上，且为数据中继单元、环境监控单元以及数据转换单元供电；所述数据中继单元输入输出端口分别连接于位于两端的两段复合缆通信介质上，以实现岸基站与观测中继平台内的观测数据的通信和对下一级观测中继平台的数据中继；所述数据转换单元将所述环境监测单元监测的环境数据经转换后输送至所述数据中继单元以实现与岸基站的通信。

各观测中继平台供电采用恒流串联模式，各观测中继平台的电能管理单元输入端连接至平台输入端复合缆内高压导体上，其输出端连接至平台输出端复合缆内高压导体上。各观测中继平台通信链路采用串联中继结构，利用每个观测中继平台内部的数据中继单元的中继能力，实现观测系统的长距离观测。

作为优选，所述观测中继平台，包括：

正极连接复合缆输入端高压导体、负极连接复合缆输出端的高压导体的电能管理单元，该电能管理单元包括稳压模块和多个并联的电源转换模块的电能管理单元，用于对高压导体提供的恒流电能变换成对应需求电压，然后利用该需求电压对数据中继单元、环境监控单元、数据转换单元提供供电电压，其中稳压模块用于将复合缆上的恒流电能转换为各电压转换模块需求的输入电压，各电压转换模块进而产生对应输出电压；

输入端与输出端均连接两端复合缆通信介质的数据中继单元，通过以太网与所述环境监控单元、数据转换单元相连。用于对本观测中继平台的数据的联网发送以及下一级观测中继平台的数据中继。

环境监控单元，用于采集密封腔体内的环境参数数据、海下环境参数数据。

包括多条并联的负载控制通路的数据转换单元，用于通过每个负载控制通路单独对接入传感器的供电和通信进行控制。

进一步优选，所述负载控制通路包括并联的负载供电电路和负载通信电路，其中，所述负载供电电路包括控制接入负载供电通断的继电器，过流、短路保护电路；所述负载通信电路包括依次连接的负载电压电流采集电路、第二串口联网模块，所述负载电压电流采集电路连接至单片机数据采集板；所述第二串口联网模块通过以太网线与交换机连接，且通过串口连接环境监测单元。

进一步优选，所述过流、短路保护电路采用限流可编程的集成MOSFET实现。负载控制通路采用上述MOSFET和小型功率继电器串联共同控制，一方面利用MOSFET的us级响应弥补继电器ms级响应的缺点，另一方面利用继电器的机械通断实现完全电气隔离。

短路保护利用上述MOSFET对采样电流处理实现故障发生后的us级快速切断供电；过流保护利用上述MOSFET的采样电流转换为电压与基准电压进行比较，通过软件实现过流切断供电。过流故障发生后，经比较器比较输出高电平至第二嵌入式联网模块，经软件内部判断，拉低驱动电平；短路故障发生后，经上述MOSFET内部逻辑电路对采样电流处理，迅速拉低驱动电平，并锁定电平直至下次驱动电平到来。

进一步优选，通过设置恰当的阈值，过流保护先于短路保护动作，实现MOSFET即时关断，软件锁定。

进一步优选，所述负载电压电流采集电路采用线性光耦隔离方式，这样可以实现采样电路与被采集电路的电气隔离。

与现有技术相比，本发明具有的优势为：

(1)本发明系统采用恒流供电有效避免了远距离输电电压的衰减。同时减少电能在水下电缆的损耗，可有效降低输电电压，提高用电效率。水下通信采用串联的方式，有效利用了位于各观测中继平台内的数据中继单元的中继能力，可实现远距离通信。

(2)本发明系统采用双岸基恒流供电方式，在水下观测中继平台或者复合缆出现短路或者断路故障后，位于两岸基的高压直流恒流电源可确保系统正常工作。短路故障发生时，位于两岸基的高压直流恒流电源可根据变化后的负载调节输出电压差，确保故障后的新系统稳定运行；断路故障发生时，位于两岸基站的高压直流恒流电源可将原系统一分为二，分别作为两个子供电系统运行。

(3)本发明利用观测中继平台组成串联结构具有拓扑结构简单，体积小重量轻，覆盖水体范围大和布放铺设简单灵活的优点。因海底地质监测如地震监测和渔业养殖水体环境参数监测所要求的主要是覆盖面积大，所需环境参数相对较少且为特定几种的特点，本发明所具有的特点很适合应用于大范围水体监测，可有效节省设计成本和布放工作量，既可作为一些现有大型观测网络的子系统，也可单独铺设为独立系统。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于观测中继平台的水下缆系恒流观测系统示意图；

图2是本发明实施例提供的基于观测中继平台的水下缆系恒流观测系统供电与通信链路图。

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。

实施例1

图1是本发明实施例提供的基于观测中继平台的水下缆系恒流观测系统示意图。参见图1，本系统包括：第一岸基站、第二岸基站、连接第一岸基站与第二岸基站的复合缆以及间隔连接在复合缆上的N个的观测中继平台。

本实施例中，第一岸基站还包括第一高压直流恒流电源、计算机、第一交换机、NTP时钟；第一岸基站还包括第一高压直流恒流电源、计算机、第二交换机。

本实施例中，每个观测中继平台均设有电能管理单元、数据中继单元、环境监控单元以及数据转换单元；电能管理单元的输入端与输出端分别通过高压输电线连接位于两端复合缆的高压导体，并为数据中继单元、环境传感器组以及数据转换单元供电；数据中继单元的输入端与输出端分别连接于位于两端的复合缆的通信介质上，以实现对本观测中继平台内的观测数据的联网发送和对下一级观测中继平台的观测数据的中继。数据转换单元将传感器组监测的环境数据经转换后输送至所述数据中继单元以实现与外界的通信。环境监测单元为传感器组，用于监测所需海下环境参数。

图2是本发明实施例提供的基于观测中继平台的水下缆系恒流观测系统供电与通信链路图。参见图2，两岸基站之间陆地网络通过无线或者有线网络方式互相连接，第一岸基站、复合缆、N个观测中继平台、第二岸基站以及大地构成供电回路，恒流电能从第一岸基站经复合缆和每一个观测中继平台流向第二岸基站，然后经由大地流回第一岸基站；该实施例采用双岸基站方式实现多点实时监控。

实施例2

本实施例提供的基于观测中继平台的水下缆系恒流观测系统与实施例1中的系统大体相同，只是观测中继平台的内部结构不同。

本实施例的观测中继平台包括：

正极连接复合缆输入端高压导体、负极连接复合缆第一输出端的高压导体的电能管理单元，该电能管理单元包括稳压模块和多个并联的电源转换模块的电能管理单元，用于对高压导体提供的恒流电能变换成对应需求电压，然后利用该需求电压对数据中继单元、环境监控单元、数据转换单元提供供电电压，其中稳压模块用于将复合缆上的恒流电能转换为各电压转换模块需求的输入电压，各电压转换模块进而产生对应输出电压；

输入端与输出端均连接复合缆的数据中继单元，通过以太网与所述环境监控单元、数据转换单元相连。用于对本观测中继平台的数据的联网发送以及下一级观测中继平台的数据中继。

环境监控单元，通过多个传感器采集密封腔体内的环境参数数据、各部分电压电流数据，

包括多条并联的负载控制通路的数据转换单元，用于通过每个负载控制通路单独对接入传感器的供电和通信进行控制。

负载控制通路包括并联的负载供电电路和负载通信电路，其中，负载供电电路包括控制接入负载供电通断的继电器，过流、短路保护电路；所述负载通信电路包括依次连接的负载电压电流采集电路、第二串口联网模块，所述负载电压电流采集电路连接至环境监控单元；所述第二串口联网模块通过以太网线与数据中继单元连接，且通过串口连接传感器。

过流、短路保护电路采用限流可编程的集成MOSFET实现。负载控制通路采用上述MOSFET和小型功率继电器串联共同控制，一方面利用MOSFET的us级响应弥补继电器ms级响应的缺点，另一方面利用继电器的机械通断实现完全电气隔离。

以上所述的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，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。