CN106597905A - 一种基于电流数字信号的水下分支器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流数字信号的水下分支器控制方法，该方法根据预先设定的通讯协议，岸基电源以一定频率改变海底网络系统主干网的电流等级作为控制信号，与水下分支器建立通讯并传递控制命令，对水下分支器中高压真空开关的不同状态进行主动控制，实现对海底网络系统中的远程故障隔离以及海缆分支的电力通断。本发明相比已有的水下分支器控制方法，具有成本低、可靠性高的特点，为海底网络提供一种鲁棒性强的控制策略。

Description

一种基于电流数字信号的水下分支器控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于电流数字信号的水下分支器控制方法，属于海底网络系统远程输电的通信和控制领域。

背景技术

海底网络系统通过光电复合缆将电力系统和通信系统直接从陆地延伸到海底，从而解决大量原位观测设备在海底长期运行面临的持续电能供给和海量数据传输两大难题，已经逐渐成为海洋学研究的一个重要工具和平台。由于海洋环境比较恶劣，海底网络系统的敷设和维护成本比较高，实际工程中通过水下分支器对网络系统故障进行远程维护和故障隔离。

传统的水下分支器需要独立的供电回路，由岸基电源以恒流供电的方式驱动，岸基站通过光纤与水下分支器建立通讯并发送控制命令实现海底网络系统的故障隔离。此方法一方面对光电复合缆提出较高要求，需要提供单独的供电和通信回路，另外一方面水下分支器需要集成光通信设备，生产成本过高。

发明内容

本发明针对该技术背景存在的技术问题提出一种新的水下分支器控制方法，利用海底网络系统自身输电回路作为供电和通讯介质，无需光纤通信，成本低，且对海缆短路等极端故障情况的鲁棒性强，智能实现对海底网络系统中的远程故障隔离以及海缆分支的电力通断。

一种基于电流数字信号的水下分支器控制方法，适于通过水下分支器对网络系统故障进行远程维护和故障隔离的海底网络，包括：

(1)对所有水下分支器输出电流等级恒定的高电流或者低电流；

(2)岸基电源根据通讯协议，以设定的频率连续输出不完全等同的若干高电流或者低电流组成的数据位，由这些数据位组合形成控制命令，控制命令中的起始位和停止位为与步骤(1)不同等级的电流；

(3)水下分支器中的控制器读取所述控制命令，当所述控制命令满足设定要求时，对其控制的开关发出控制信号，完成海底网络的组态。

其中，步骤(1)为空闲状态，岸基电源为海底网络主干网供电，输出为恒电流模式，输出电流等级有高电流和低电流两种，由于所有水下分支器均串联在海底网络主干网中，即流过所有水下分支器的电流值都相等。空闲状态时，岸基电源输出的电流等级恒定，为高电流或者低电流；

步骤(2)实现了控制命令的传递，当需要对水下分支器进行组态时，岸基电源根据通讯协议，以一个特定的频率连续输出不同等级的电流，海底网络主干网上的电流等级在两个选定的电流等级之间变化，每个周期输出的电流等级代表一个数据位，其中高电流模拟数字信号中的高电位“1”，低电流模拟数字信号中的低电位“0”，不同的电位信号组合组成不同的控制命令。

为确保控制命令的准确传输与识别，步骤2中电流等级变化的最大频率与海底网络系统的主干网的长度有关，随着主干网的长度增长而变小。

步骤(3)中实现了命令的响应，不论海底网络系统主干网上电流等级的高低，水下分支器都能从主干网获取稳定的电能供给，保证自身的正常运行，并对主干网上的电流等级进行监测和采样。

本发明中，所述海底网络步骤(1)的电流与海底网络的正常运行的供电电流均由岸基电源提供；需要进行控制时，岸基电源停止提供供电电流，转为提供步骤(1)的电流。作为优选，所述步骤(1)输出的高电流或者低电流与海底网络的正常运行的供电电流的流向相反。采用该方案，可以避免两种电流工作状态之间的相互影响。比如，海底网络正常运行时，岸基电源对水下分支器支路连接的用电设备进行供电，供电电流为负电流；当需要对海底网络进行组态时，岸基电源转变为提供正向电流(包括高电流或者低电流)，以完成对水下分支器各组成部件的供电以及对水下分支器内开关的控制，进而实现对海底网络的重组。

根据步骤2中的通讯协议，岸基电源控制命令由多个数据位组成，所述控制命令依次包括起始位、地址位、命令位、校验位和停止位五部分。当水下分支器监测到控制命令的起始位时，由于起始位的电流等级与空闲状态的电流等级相反，表现为一个上升沿(即空闲状态的电流为低电流，起始位为高电流)或者下降沿(即空闲状态的电流为高电流，起始位为低电流)，水下分支器开始以同样的频率对主干网上的电流等级进行采样并存储，直至监测到控制命令的停止位，控制命令采集完毕，水下分支器根据控制命令中命令信息控制高压真空开关闭合或打开，完成海底网络的组态。

起始位是一个标志数据位，标志着控制命令的开始，起始位的电流等级与空闲状态下的电流等级相反，便于控制器的识别和数据的读取。

本发明中，地址位由若干个数据位组成，数据位的数量与可控制的水下分支器的数量有关，所述地址位中数据位数量n满足：

2ⁿ≥N；

其中N为水下分支器的数量。

例如，假设数据位的数量为n，则可以控制2ⁿ个水下分支器，每个水下分支器的地址信息是独一无二的，地址位中包含着所要控制的目标水下分支器的地址信息。

本发明中，命令位同样有多个数据位组成，所包含的数据位数量与每个水下分支器控制的高压真空开关的数量有关，作为优选，所述命令位中数据位数量与每个水下分支器中需要控制的开关数量相等。每个数据位对应一个高压真空开关，高电位“1”代表闭合高压真空开关，低电位“0”代表打开高压真空开关；

本发明中，校验位用于对接收到的控制命令进行校验，保证控制命令的正确，校验位的计算，可以但不限于是数据位奇偶校验等方法。停止位也是一个标志数据位，标志着控制命令的结束。

步骤(3)中，水下分支器响应控制命令的条件有两个：

一是根据控制命令中校验位之前的数据位计算得到的校验值与控制命令中的校验位一致；

二是水下分支器本身固有的地址信息与控制命令中的地址位所包含的地址信息相一致。

当这两个条件同时满足时，水下分支器响应控制命令，否则水下分支器不做任何动作。

作为优选，所述水下分支器包括：

串联设置在海底网络主干路上的第一二极管和第一开关；

与所述第一二极管和第一开关并联设置的控制器和第二二极管，控制器和第二二极管串联设置在控制支路上；

串联设置在海底网络支路上的第三二极管和第二开关；

所述第二二极管与所述第一二极管、第三二极管导流方向相反；

所述第一开关、第二开关受控于所述控制器。

采用上述结构的水下分支器，可以将控制回路中的高电流或者低电流与海底网络的正常运行的供电电流独立开来，彻底避免两者之间的干涉。

本发明中，在没有特殊说明的情况下，所述“第一”、“第二”、“第三”等均是为了区别各部件，对各部件的结构、功能以及各部件之间的连接关系没有任何限定作用。

本发明选择两种不同的电流等级来模拟数字信号的高电平和低电平，即“1”和“0”，根据预先设定的通讯协议，岸基电源以一定频率改变海底网络系统主干网的电流等级作为控制信号，与水下分支器建立通讯并传递控制命令，对水下分支器中高压真空开关的不同状态进行主动控制，实现对海底网络系统中的远程故障隔离以及海缆分支的电力通断。本发明相比已有的水下分支器控制方法，具有成本低、可靠性高的特点，为海底网络提供一种鲁棒性强的控制策略。

本发明与现有水下分支器的控制方法相比具有以下优点：

(1)本发明利用海底网络系统自身的输电回路作为供电和通信介质，无需额外的光纤作为通信介质，降低海缆的生产成本。

(2)本发明提出的水下分支器控制方法的供电极性与海底观测网络系统正常工作时的供电极性相反，电流的流向相反，因此，两者工作在不同的供电模式下，不会互相干扰。

(3)本发明仅需要两个不同的电流等级，且电流等级可以极小，控制在毫安级别，减小海缆的输电负担，增加海缆的可靠性。

(4)本发明运用两个不同电流等级传递控制命令，可控制的水下分支器数量不受限制，随着水下分支器数量的增加，只需要增加地址位的数据位的数量。

(5)本发明中，岸基电源输电模式为恒流输电，因此即使海缆主干网出现断裂并与海水发生短路，岸基电源仍然可以控制主干网上的电流等级，对海底网络进行组态，因此本发明方法对于海缆短路故障的鲁棒性强。

附图说明

图1为水下分支器应用示意图；

图2为基于电流数字信号的水下分支器控制方法的通讯协议示意图；

图3为水下分支器的响应流程图；

图4为图1中其中一个水下分支器的结构放大图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1，海底观测网络为多节点树形拓扑结构，采用以海水作为回路的单极负高压输电方式。水下分支器工作时，岸基电源为海底网络主干网供给正向电，由于所有水下分支器均串联在海底网络主干网中，即流过所有水下分支器的电流值都相等。水下分支器中的控制器包含水下分支器的固有地址信息，并负责对主缆上的电流进行采样，必要时响应控制命令，控制相应的高压真空开关动作。由于水下分支器中三个高压导流二极管的存在，水下分支器的供电极性与海底观测网络系统正常工作时的供电极性相反，二者工作在不同的供电模式下，不会互相干扰。

如图1所示，本实施例中，水下分支器主要包括控制器、三个二极管、两个开关以及将这些部件连接的线路部分。以其中的一个水下分支器为例，参见图4，三个二极管分别为二极管I1、二极管I2、二极管I3，二极管I1设置在为海底网络主干路M1上，仅允许负电流通过；二极管I2设置在控制支路C1上，仅允许正电流通过；二极管I3设置在海底网络支路B1上，仅允许负电流通过。两个开关本别为：开关K1和开关K2，开关K1串联设置在M1上，控制主干路的电源通断；开关K2串联设置在支路B1，控制支路的电源通断。控制器用于检测支路C1的电流信号，同时控制开关K1和开关K2的开闭。

当整个海底观测网络系统正常工作时，岸基电源为海底网络主干网供电，供电电流为负电流，此时图1中控制器所在的控制支路C1无电流通过，控制器不工作；当需要对海底观测网络系统进行控制时，停止岸基电源的负电流供电，与水下分支器支缆连接的检测设备处于断电状态；岸基电源开始供正电流，进入控制状态；选取的两个电流等级，分别为高电流等级IH和低电流等级IL，较高的电流等级IH模拟数字信号中的高电位“1”，也是岸基电源发出的默认电流等级，较低的电流等级IL模拟数字信号中的低电位“0”。

(1)空闲状态：空闲状态为控制状态的起始阶段，此时为正电流供电，岸基电源设置为恒电流输出模式，输出电流等级恒定，参照图2，在空闲状态下，岸基电源电流输出等级为IH，该电流等级足够驱使所有的水下分支器运行。

(2)传递命令：当需要对水下分支器进行组态时，岸基电源根据通讯协议，以一个特定的频率连续输出不同等级的电流，海底网络主干网上的电流等级在两个选定的电流等级之间变化，每个周期输出的电流等级代表一个数据位。

参照图2，岸基电源控制命令由多个数据位组成，分为起始位、地址位、命令位、校验位和停止位五部分。起始位标志着控制命令的开始，电流等级为IL，与空闲状态下的电流等级IH相反，实际监测中表现为一个下降沿；地址位由5个数据位组成，可控制的水下分支器的数量为32个，地址位的设置与需要控制的水下分支器的数量有关，地址位中数据位的个数，可通过需要控制的水下分支器的数量确定，例如，当需要控制的水下分支器的数量为N，则2ⁿ≥N，其中n为地址位；参照图1，命令位中数据位的数量由需要控制的开关的数量确定，每个水下分支器包含两个高压真空开关(图4中的K1和K2)，因此命令位由2个数据位组成，每个数据位对应一个高压真空开关，高电位“1”代表闭合高压真空开关，低电位“0”代表打开高压真空开关；校验位的计算，采取奇偶校验中的奇校验，因此只需要一个数据位；在该通讯协议中，停止位选择低电位。

(3)响应命令：不论海底网络系统主干网上电流等级的高低，水下分支器都能从主干网获取稳定的电能供给，保证自身的正常运行，并对主干网上的电流等级进行监测和采样。

参照图3，当水下分支器监测到控制命令的起始位时，实际操作中表现为捕捉到一个下降沿，水下分支器中设置的控制器开始以同样的频率对主干网上的电流等级进行采样并存储，当检测到控制命令的终止位，控制命令采集完毕。

控制命令采样结束后，水下分支器对校验位之前的所有数据位进行奇校验计算，计算得到的校验位与采集到的控制命令中的校验位进行对比，如果对比结果相同，则控制命令的接收完全正确。否则，水下分支器返回初始化状态。

每个水下分支器都有独一无二的地址信息，完成校验位的比对后，水下分支器对控制命令中的地址信息进行比对，只有与控制命令中的地址信息相一致的水下分支器，才响应控制命令中的命令信息，对两个高压真空开关进行重新组态，其余的水下分支器不进行任何动作，返回初始化状态。完成命令响应的水下分支器随后返回初始化状态，等待下一个控制命令。

Claims (9)

1.一种基于电流数字信号的水下分支器控制方法，其特征在于，适于通过水下分支器对网络系统故障进行远程维护和故障隔离的海底网络，包括：

(1)对所有水下分支器输出电流等级恒定的高电流或者低电流；

(2)岸基电源根据通讯协议，以设定的频率连续输出不完全等同的若干高电流或者低电流组成的数据位，由这些数据位组合形成控制命令，控制命令中的起始位和停止位为与步骤(1)不同等级的电流；

(3)水下分支器中的控制器读取所述控制命令，当所述控制命令满足设定要求时，对其控制的开关发出控制信号，完成海底网络的组态。

2.根据权利要求1所述的基于电流数字信号的水下分支器控制方法，其特征在于，所述步骤(1)输出的高电流或者低电流与海底网络的正常运行的供电电流的流向相反。

3.根据权利要求1所述的基于电流数字信号的水下分支器控制方法，其特征在于，所述控制命令依次包括起始位、地址位、命令位、校验位和停止位五部分。

4.根据权利要求3所述的基于电流数字信号的水下分支器控制方法，其特征在于，所述地址位中数据位数量n满足：

2ⁿ≥N；

其中N为水下分支器的数量。

5.根据权利要求3所述的基于电流数字信号的水下分支器控制方法，其特征在于，所述命令位中数据位数量与每个水下分支器中需要控制的开关数量相等。

6.根据权利要求3所述的基于电流数字信号的水下分支器控制方法，其特征在于，所述校验位采用奇偶校验法校验。

7.根据权利要求3所述的基于电流数字信号的水下分支器控制方法，其特征在于，所述设定要求有两个：

一是根据控制命令中校验位之前的数据位计算得到的校验值与控制命令中的校验位一致；

二是水下分支器本身固有的地址信息与控制命令中的地址位所包含的地址信息相一致。

8.根据权利要求2所述的基于电流数字信号的水下分支器控制方法，其特征在于，所述步骤(1)的电流与海底网络的正常运行的供电电流均由岸基电源提供；需要进行控制时，岸基电源停止提供供电电流，转为提供步骤(1)的电流。

9.根据权利要求2所述的基于电流数字信号的水下分支器控制方法，其特征在于，所述水下分支器包括：

串联设置在海底网络主干路上的第一二极管和第一开关；

与所述第一二极管和第一开关并联设置的控制器和第二二极管，控制器和第二二极管串联设置在控制支路上；

串联设置在海底网络支路上的第三二极管和第二开关；

所述第二二极管与所述第一二极管、第三二极管导流方向相反；

所述第一开关、第二开关受控于所述控制器。