观测网的关键技术

9.2.1 海底负高压单极直流输配电

观测网的核心电力设备主要有海底高压直流变换器、海缆、电切换型分支器和岸基PFE，其采用在跨洋通信系统中广泛应用的标准单极光电复合通信海缆，因此其适合采用的电力系统总体方案为：负高压单极直流输电，以海水作为电流回路；PFE为电压源，与海底负荷并联供电（Lu，2015）。从系统角度上看，海底电力系统的稳定性对于观测网的可靠运行至关重要，并直接影响其科学功能的实现，必须在设计和运行的整个过程中引起足够的重视。因此，为尽量降低观测网出现稳定性问题的风险，在设计阶段必须对核心电力装备进行合理的建模，分析观测网电力系统的静态和暂态稳定性，以及各种系统参数对海底电力系统稳定性的影响，并在运行阶段实时监控其关键环节的状态。

通信海缆的结构决定其对地电容远大于陆地架空线和大多数陆地电缆，若观测网采用AC输电将造成较大的无功损耗，大大降低电能传输效率，而安装补偿电感又极不经济，因此观测网不适合采用AC输电（Howe，2002）。即使是大陆和岛屿间供电时采用的海底电力电缆，虽然其对地电容小于海底通信电缆，但和陆地架空线相比，仍然具有较高的对地电容，因此超过30km的AC输电也是不实际的，必须在中途安装若干补偿器（Kundur，1994）。当前陆地DC电力系统的主要应用为通过架空线远距离输送大量电能，两端连接两个陆地AC电力系统，因此为点到点结构。此外，陆地智能电网中的多端HVDC系统和直流微网也在起步，目前尚处于研究阶段，实际应用还非常少。

由于观测网覆盖范围广、主干海缆长，因此需通过提高输电电压来降低电能传输损耗。而输电电压受海缆长期绝缘性能的限制，目前典型的光电复合通信海缆，在其25年的设计使用寿命内，最大耐压不大于10k VDC（负高压），该安全电压范围也被国际跨洋通信海缆的运行经验所证明。随着现代电力电子技术的不断发展，在观测网所需的电压等级和功率范围内，已可实现变换高压DC电压和切断故障DC电流（Vorperian，2007）。因此，观测网电力系统适合采用高压DC输电技术，以降低远距离输电产生的线路损耗，输送更多的电能给科学仪器，并可降低建设总成本（Howe，2002）。

观测网电力系统有并联和串联两种供电方式，两种结构如图9-6所示（实际运行中PFE的输出电压）通常对地为负压。并联模式中，PFE为电压源，各海底变换器与PFE并联，所有设备都具有公共的接地端；串联模式中，PFE为电流源，各海底直流变换器与PFE串联，一般只在海缆终端有接地端。在PFE输出电压相同的情况下，并联模式总体上能够比串联模式提供更多的功率给海底负荷，且并联模式比串联模式具有更高的输电效率。由于观测网的目标是提供尽可能多的电能给海底负荷，因此采用并联模式更为适合，如OOIRSN和NEPTUNECanada均采用并联模式。此外，并联模式更易于通过BU扩展连接海底主基站，而串联模式则需在每个BU处安装电流变换器，因此并联模式的可扩展性优于串联模式，而良好的可扩展性也是观测网的主要特点。

图9-6 海底电网输电方式

（a）串联供电，PFE为电流源；（b）并联供电，PFE为电压源

对于地震观测网等专用网，同时对功率要求不高的情况下，也可考虑采用有备用结线的串联供电方式，如DONET观测网（kawaguchi，2008）。串联模式存在如下优点：在地震引起海缆单点接地故障的情况下，由于海水可提供电流回路，观测网通常仍能正常运行，只是PFE的电压随之改变。并联模式在海缆发生严重接地故障时，会因电网电压崩溃而停止运行，此时需在故障模式下通过电切换型分支器隔离故障海缆段，使得观测网其余部分恢复运行，只是整体带载能力可能降低。通过这种海缆分段的继电保护方式，可大大降低并联模式的运行风险。

由于典型光电复合通信海缆只有一路铜导体，因此观测网采用单极输电，以海水作为电流回路。在跨洋海缆通信系统中，中继器为串联供电，PFE为电流源，通常由两套PFE分别在海缆两端同时供电。在观测网中，海底主基站为并联供电，因此每个海底主基站和海岸基站都需设置接地（海）电极，以使PFE和海底变换器之间通过海水形成供电电流回路。根据阳极腐蚀、阴极保护的电化学原理，在单极DC输电系统中，高压DC电能将造成阳极的快速电解腐蚀。为降低观测网的维护成本，必须避免海底主基站接海电极的腐蚀，因此海底主基站的接海电极必须为阴极，且相对海缆输电导体为高电位。而海岸基站的接地电极易于更换和维护，可设置冗余的阳极，使得维护操作不影响观测网运行，可见PFE的输出应为负压。图9-7表明了观测网采用负高压DC输电的原理。

图9-7 海底负高压DC输电原理图

海底主干网允许通过的最大电流主要取决于海缆的压降。高温可导致海缆绝缘材料加速老化甚至损坏，而典型通信海缆在允许温升范围内可承受的电流较大。此外，海岸基站PFE有自动过流保护机制，因此设计中海缆温升限制通常无需考虑。在陆地电力系统中，电力电缆的电阻远小于通信海缆的电阻，其最大压降仅允许为输电电压的±5%左右，以确保用电终端能够获得足够的电压。而在海底电力系统中，即便主干网电压降落最高允许近50%，由于受输电电压等级和海缆较高电阻的限制，输电电流在海缆上引起的压降仍是其主要限制因素。除了海缆电阻，电压降落还与海底电力系统的拓扑结构和功率分布相关。在输电电压和输送功率一定的情况下，输电电流主要决定于海缆阻抗和电网拓扑。

观测网海底电力系统的主要特点为：负高压单极DC输电，以海水作为电流回路；PFE为电压源，与海底负荷并联供电。在满足折中设计的前提下，需设计合理的拓扑结构，来提高海底电力系统的可靠性。各海底主基站的布放位置是影响海底电网拓扑结构设计的关键因素。每个海底主基站通常可覆盖方圆数十千米的观测区域，其布放范围以相应的科学需求为前提，由相应的观测区域决定其布放范围，其具体布放位置通常建议在沉积缓慢和平坦稳定的地质结构上。海缆路由规划是一项复杂的系统工程，除需考虑海底电网拓扑结构外，还需考虑海底地貌环境和海域内已敷埋的通信海缆和油气管道等设施，尽量减少与现存设施的交叉点，降低因故障维修时设施间相互影响的风险（表9-1）。

表9-1 观测网电力系统的技术折中

相对于较为成熟的陆地电力系统，观测网电力系统具有独特的系统架构、较低的可观测性和可达性，其采用输电电压为负高压的直流分布式电力系统（Direct Current Distributed Power System，DCDPS），并由海底主基站和SIIM将高压直流电逐级降压变换为科学仪器运行所需的低压直流电。DCDPS的主要特点是系统相对独立、直流变换器密集和负载对电网影响较大（Lee，2001；Luo，2005）。目前DCDPS主要应用于小规模的中低压系统，早期应用以国际空间站为代表（Emadi，2000）。高级运载工具采用电力驱动可提高系统性能和可靠性，并提高燃油使用率和减少废气排放，因此近年来各类多电或全电运载工具受到越来越多的关注（Ehsani，2001；Rahimi，2009），如空天领域的空间站和多电飞机（Emadi， 2000；Griffo，2012）、海洋领域的全电航母舰船和水下运载器（Rivetta，2006）、地面领域的电力机车和电动汽车等（Emadi，2006；Khaligh，2008）。此外，还有针对工业系统和商业设备采用DCDPS的初步研究（Baran，2003；Salomonsson，2007）。上述DCDPS的主要特点是电压相对较低，电网结构相对简单，但其思路和方法对于观测网DCDPS的设计和分析具有借鉴意义。

根据科学需求，观测网的海缆总长可达数千千米（通信海缆的线阻相对较大），海底主基站可达数十个以上，仪器平台可达数百个，输电电压可高达数千伏，电网拓扑可为复杂的网形结线，因此观测网电力系统应为当前世界上实际应用中最高电压和最大规模的一类DCDPS。根据可靠性和经济性的原则，Howe（2002）初步分析了观测网最大传输功率的限制因素，提出合理设计海底变换器的输入滤波器可提高电力系统运行稳定性。Harris（2002）初步分析了观测网电力系统稳定性的影响因素，提出在海底变换器的输入侧并联调节器可提高系统运行稳定性。Kirkham（2003）和EI-Sharkawi（2005）介绍了NEPTUNE观测网电力系统的初步设计思路和继电保护方案。吕枫（2014a）在组网设备的研制过程中分析了东海观测试验网的静态和暂态稳定性。总体上，针对规模较大和电网结构较为复杂的海底负高压DCDPS，尚需深入研究其直流输配电中的电网结构可靠性和电力运行稳定性，尽量降低组网设备大规模互联运行时的系统失效风险。

海底电力系统的基本拓扑结构主要有放射式、链式、环式和两端供电式4种，如图9-8所示。其中，放射式和链式为无备用结线方式，如OOIRSN观测网，当前暂时为放射式和链式结合的无备用结线方式；两端供电式和环式为有备用结线方式，如NEPTUNECanada和DONET观测网，分别采用两端供电式和环式拓扑。海底电力系统的潮流取决于各段海缆长度和各海底主基站的负荷情况，其中两端供电式拓扑的潮流较其他方式更为可控。在满足电力系统稳定性限制的前提下，潮流调整的幅度主要取决于PFE的容量和输出电压范围。双电源环式拓扑也是观测网适合采用的较为简单的有备用结线方式（吕枫，2014c）。

图9-8 海底电网的基本结线方式

（a）放射式；（b）链式；（c）环式；（d）两端供电式

若观测网规模较大、节点较多，可采用陆地AC电力系统类似的网型拓扑。网型拓扑从各PFE到各海底主基站均有多条冗余通道，因此能提供更大的功率和具有更高的电压稳定性。相对简单拓扑，网型拓扑的电能监控和通信路由更为复杂。由于各基本拓扑可认为是网型拓扑的特殊情况，因此针对网型拓扑开发的监控系统具有良好的适应性。OOIRSN和NEPTUNECanada的前身为NEPTUNE计划，原设计中具有46个海底主基站，即采用网型拓扑（Delaney，2000）。现阶段观测网的节点数还较少，因此通常呈相对简单的环式或链式等拓扑，今后随着经费的不断投入，其结构将会越来越复杂，因此须研究较为复杂的海底电力系统，以降低未来大规模观测网的运行风险。

直观上看，有备用结线方式从PFE到各海底主基站均具有冗余的供电回路，因此通常比无备用结线方式具有更高的供电可靠性和电压稳定性，也具有更高的网络生存性和可用度。无备用结线方式通常更适用于两种情况：一种是海底主基站大致分布在离岸由近至远的一条线上，如现阶段的OOIRSN；另一种是海底主基站较为集中于一点。由于海缆制造和敷埋成本较高，这两种情况若采用冗余的海缆线路，将导致较低的海缆利用率，因此采用有备用结线方式可能不经济。有备用结线方式更适用于海底主基站覆盖较大观测范围且离岸分布较为平均的情况，如NEPTUNECanada和DONET。当两种结线方式的全寿命成本预计相差不大时，建议选择有备用结线方式。而对可靠性和可用性均有极高要求的特殊观测网，如处于不稳定海底地质环境中的地震网或军事网，为了灾害造成海缆故障时，仍能最大程度地保障系统运行，这类观测网建议尽量采用有备用结线方式。

电力系统是时刻受到小扰动的非线性动力系统，因此静态稳定的实质是电力系统能够保持某个运行稳态，是局部稳定性。暂态稳定是指系统在某个运行稳态下突然受到大扰动后，经过暂态过程能够恢复到原运行稳态或过渡到新运行稳态。实际系统中大扰动和小扰动都很常见，而大干扰能使系统状态变量大大偏离平衡点。相对小扰动而言，观测网电力系统中的大扰动一般是切除或投入主要元件（如某个海岸基站PFE或海底主基站）、某个海底主基站的负荷发生突变以及某条海缆段发生短路故障等。受到大扰动后，若海底电力系统仍能稳定运行，则是暂态稳定的，若其电压和电流不断振荡，导致观测网无法继续运行，则不是暂态稳定的。暂态稳定性和系统原运行状态和干扰方式有关，因此分析系统暂态稳定性须结合实际运行情况和初始运行方式。

由于变换器的非线性特性，实际海底电网为非线性系统，因此系统偏离平衡状态过远时可能失稳。电网静态和暂态稳定性分析的前提是，电力系统中所有变换器能够独立稳定运行，且相互连接后不会影响各变换器的稳定性能。实际上，由众多变换器组成的DCDPS是动态特性复杂的互连系统，即使所有变换器能够在其允许范围内独立稳定运行，互连之后也可能导致系统不稳定或性能退化（Wildrick，1995；Byungcho，1999；Thandi，1999；Ema-di，2000；Feng，2002；Hankaniemi，2006）。因此，在确保各变换器能够独立稳定运行的前提下，需分析变换器互连运行的稳定性，从而优化系统设计，提高运行可靠性。

9.2.2 海底高压高频直流电能变换

海岸基站PFE将陆地电网提供的工频交流电变换为负高压直流电，通过主干海缆、电切换型分支器和分支海缆给各个海底主基站内的高压直流变换器供电，并由高压直流变换器将数千伏以上的高压直流电降压变换为SIIM所需的数百伏的中压直流电，再由SIIM将中压直流电降压变换为各类观测设备所需的48V以内的低压直流电，因此观测网采用的是如图9-9所示的级联式直流变换方案。

图9-9 海底级联式直流变换系统

海底主基站内的高压高频直流变换器是研制难度较大和技术风险较高的核心电力装备之一，其功能类似于陆地电网中主变电站的角色。由于海底设备须具有紧凑的体积和极高的可靠性，该变换器适合采用电能变换效率较高的高频开关直流变换技术，以提高功率密度和降低发热损耗，且有利于延长工作寿命。在远距离输电时，海缆实际电压随着海底负荷大小变化而变化，因此要求该变换器具有较宽的输入电压范围，通常其最低输入电压约为观测网最高运行电压的一半（Howe，2002）。由于各个海底高压变换器的输入侧并联，为了降低故障传播的概率，其输入侧和输出侧应采用变压器隔离，以提高整个观测网的运行可靠性。可见，该变换器的基本特点是：输入电压高且输入电压范围宽；输出电压较高且输出功率大；输入侧和输出侧隔离；高功率密度和高可靠性。

对于开关直流变换器而言，观测网提供的输入电压等级已很高，当前国际上该类变换器只在观测网上有应用。国外主要由美国宇航局下属的喷气推进实验室作了前期研究，采用双管正激变换器作为基本模块（Power Electronics Building Block，PEBB），通过多模块组合式结构实现高压直流变换（Vorperian，2007）。近年来，同济大学和浙江大学等单位也对此作了相关研究。浙江大学将多个采用双管正激拓扑的PEBB通过输入串联输出并联（Input-Series Output-Parallel，ISOP），实现高压直流变换（Chen，2013）。同济大学则研究了单模块直流变换和组合式直流变换两类方案并分别研制了样机：前者选择高压绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）作为功率器件，采用移相控制全桥拓扑实现高压直流变换；后者选择低压金属 氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconduc-tor Field-Effect Transistor，MOSFET）作为功率器件，将多个采用同移相角控制的全桥拓扑PEBB通过输入串联输出串联（Input-Series Output-Series，ISOS），实现高压直流变换。总体上，前者结构相对简单，主要优点是可靠性高和功率大，主要难点是高效紧凑的高压高频电路和可靠的高压启动与辅助电路，通常采用整机冗余备份方案；后者结构相对复杂，主要优点是变换效率略高，主要难点是输入输出动态均压均流控制和故障模块在线快速隔离，通常采用模块冗余备份方案。这两种主要的海底高压高频直流变换器方案以及直流变换器的闭环控制框图分别如图9-10和图9-11所示。

图9-10 两种主要的海底高压高频直流变换器设计（吕枫，2016）

（a）基于IGBT的单模块方案；（b）基于MOSFET的组合式方案

图9-11 直流变换器的闭环控制框图

观测网采用的海底变换器规格与其输电电压等级相关，如VENUS，ALOHA和MA-CHO观测网采用-1k VDC左右到0.4k VDC的变换器，而MARS，NEPTUNECanada和OOIRSN观测网采用-10k VDC到0.4k VDC的变换器，实际运行在-6k VDC到-8k VDC左右。可根据观测网的实际规模，采用合适规格的输电和变电系统。

隔离式变换器主要有全桥、半桥、正激、反激、推挽和谐振等基本拓扑，每种基本拓扑又有多种衍生结构，各自具有一定的特性，适用于不同的场合。因此，选择合适的变换器拓扑结构非常重要，主要选择依据是输入输出电压等级、输入输出电压范围和功率大小等（顾亦磊，2004）。

串并联组合式变换器的基本思想是采用相对独立的PEBB通过输入串并联和输出串并联来实现多种输入输出规格。可见，输入侧有输入并联（Input Parallel，IP）和输入串联（Input Series，IS）两种连接方式，输出侧有并联（Output Parallel，OP）和输出串联（Output Series，OS）两种方式，因此串并联组合式变换器有四种基本组合结构：输入并联输出并联（IPOP）、输入并联输出串联（IPOS）、输入串联输出并联（ISOP）和输入串联输出串联（ISOS）（Vorperian，2007）。根据实际需求，组合式变换器本身可作为中间模块构建更复杂的组合式变换器。

这四类串并联组合式变换器适用于不同的应用场合。IPOP变换器通常用于低压输入、低压输出和功率较大的场合，广泛应用于通信和计算机电源，各模块输入输出自然均压，需实现输入输出均流（Mazumder，2006；Huang，2007）。IPOS变换器通常用于低压输入、高压输出的场合，如X射线电源、光伏发电设备和燃料电池，各模块输入自然均压和输出自然均流，需实现输入均流和输出均压。ISOP变换器通常用于输入高电压、输出低电压的场合，如高速机车电力系统和工业驱动等，各模块输入自然均流和输出自然均压，需实现输入均压和输出均流（Kim，2001；Ayyanar，2004；Siri，2007；Choudhary，2008；Ruan，2009；石健将，2012）。ISOS变换器通常用于输入高电压、输出高电压的场合，如陆地直流微电网，各模块输入自然均流和输出自然均流，需实现输入均压和输出均压（Inoue，2007；Huang，2009；陆治国，2010；Sha，2012）。在各模块能够独立稳定运行的前提下，串并联组合式变换器须确保各模块电气应力平衡，即满足输入均流（Input Current Sharing，ICS）、输入均压（Input Voltage Sharing，IVS）、输出均流（Output Current Sharing，OVS）和输出均压（Output Voltage Sharing，OVS）四个平衡条件。

9.2.3 海底远程电力监控技术

观测网电力系统的基本要求是保证持续可靠地供电，但由渔业拖网、船舶抛锚、鱼类撕咬和地质灾害等导致的意外供电中断不可避免。为了确保观测网的运行可靠性，除了必须在设计阶段开展仔细的理论分析、计算机仿真和模型模拟外，还需在运行阶段实时监控并在线分析其关键节点的工作状态，针对观测网的特点设计海底远程电力监控系统（Power Monitoring And Control System，PMACS），采用合适的控制策略完成陆地电网中能量管理系统（Energy Management System，EMS）和监控与数据采集系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）的相关功能（Chan，2007），而通过EMS/SCADA提高电力系统运行可靠性的关键是引入合适的电网分析算法（Maghsoodlou，2004）。除了陆地电网，针对实际应用而开发的EMS/SCADA还被应用于服务器集群、建筑物内部环境、混合动力汽车、燃料电池系统和微电网等领域，以提高电能利用率和运行可靠性。

由于体积受限，标准海缆、海底中继器和海底分支器内通常无法安装遥测和遥信单元，只有海岸基站和海底主基站具有电压和电流测量功能，因此无法直接测量主干网关键节点（如分支器）处的潮流状态和开关状态。相对陆地电力系统，海底电力系统具有较低的可观测性，特殊地理位置又使其具有较低的可达性，必须在这种低可观测性和可达性的情况下确保海底电力系统的可靠运行（图9-12）。此外，观测网中的海底通信系统不但传输科学数据，还承担电力通信功能，也可能间接导致海底电力系统的崩溃。目前世界上观测网的节点数还较少，结构也较为简单，由于观测网具有良好的扩展性，这些观测网的节点数将会逐渐增加，其电力系统的复杂度也会随之提高，如原NEPTUNE观测网设计中具有46个海底主基站组成网型拓扑。因此，PMACS需能够适用于复杂结构的观测网。目前国内外的相关研究还较少，国外主要由美国华盛顿大学等单位研究了观测网的监控算法（Schneider， 2002；EI-Sharkawi，2005；Chan，2007），国内主要是浙江大学和同济大学等单位研究了组网设备的电能监控软硬件（吕枫，2011；卢汉良，2011）。

图9-12 观测网电能监控系统结构框图

观测网PMACS的核心功能是海底电力系统的远程监测、分析与控制，主要包括数据采集、负载管理和电网分析三个子系统，每个子系统由若干功能模块组成（图9-13）。PMACS以数据采集、报警处理、命令发送和人机界面等基本模块为基础，实现负载管理、状态估计和故障处理等高级功能，以准确掌握系统实际运行状态，预测系统运行趋势，提供系统运行对策，保障观测网电力系统运行和控制的稳定性和可靠性。此外，观测网需采用电切换型分支器实现海缆分段继电保护，这是从系统层面提高观测网整体可靠性和可用性的重要方案。海岸基站的通信监控设备通过光脉冲编码来切换分支器内多个继电器的状态，闭合相应的继电器可连接主干海缆和分支海缆，断开相应的继电器则可隔离发生故障的海缆或海底主基站。可见，分支器的运行不能依赖海底主基站的供电，其内部电路需直接从主干海缆取电，且其继电器状态只受海岸基站光信号指令的控制。在维修情况下，须控制继电器将故障海缆段连接到分支器的海地端，以确保维修船上的人员安全。

观测网可分为3种运行模式：正常运行模式、故障处理模式和启动/复位模式。正常运行模式下，电力系统所有状态变量在正常范围内，没有过载的海缆或过压的海底主基站。海底电力系统最重要的是电压稳定性，所有电压状态必须维持在允许限制内。系统在接近其最大负荷时会逐渐不稳定，而重载变化是电压稳定性问题的主要原因，其主要控制策略是调整PFE输出电压和切负荷。若正常运行模式下发生严重故障，如海缆低阻接地故障，导致海底主基站因欠压停止运行，海岸基站PMACS控制器将降低PFE输出电压，并限制主干电流至阈值（如10A）以下，然后进入故障处理模式。故障处理模式下， PFE通常降低电压至绝对值500VDC以内，PMACS结合观测网远程通信监控系统（Com-munications Monitoring And Control System，CMACS）进行故障诊断、定位和隔离，然后重新提高PFE电压，以恢复到正常运行模式。陆地电力系统采用高压断路器在线隔离故障，而海底电力系统采用低压继电器离线隔离故障，这是由于分支器内的继电器必须在低电压下（通常为±500V以内）才允许切换状态。因此，PMACS在隔离海缆故障前必须将海岸基站PFE降至足够低，此时所有海底主基站都停止运行。观测网电力系统的运行模式如图9-14所示。

图9-13 远程电能监控各子系统关系图 （吕枫，2014b）

图9-14 观测网电力系统运行模式

可见，观测网需采用OADM型电切换式分支器。海岸基站通过CMACS发送相应的光脉冲编码来切换分支器内继电器的状态，通过闭合继电器连接主干海缆和分支海缆，通过断开继电器隔离故障海缆。分支器继电器均有闭合、开启和接地三种状态，其设计思路是通过分支器控制海缆分段，实现故障海缆段或海底主基站的隔离，从而提高观测网的可靠性。因此，分支器的运行不能依赖海底主基站。分支器的运行状态如图9-15所示。在维修情况下，故障海缆段连接到相关分支器的海底端，确保维修船上的人员安全。

图9-15 分支器的正常运行状态（吕枫， 2014b）

由于体积受限和可靠性考虑，海缆和分支器内无法安装遥测和遥信模块，因此无法直接获取分支器内部继电器的开关状态。只有海岸基站和海底主基站具有电压和电流测量功能，这些模拟量在海底主基站内经过电压传感器、电流传感器和A/D转换器量化成数字量后，通过海底通信系统传送到海岸基站。这些数据普遍存在一定的误差和噪音干扰。由于PMACS获取的测量信息相对系统运行状态具有冗余度，因此可利用这些冗余的测量信息分析带有噪音甚至错误的数据，获得系统真实的运行状态。由于观测网布设位置的特殊性，无法依照陆地电力系统的方法方便地测量各关键点的运行状态，因此PMACS需完成状态估计和故障定位等功能，以保证海底电力系统的可靠运行。

海缆故障可分为电学故障和光学故障。其中，电学故障包括低阻故障、高阻故障和开路故障，光学故障主要是光纤断路及光放大器和光中继器故障。由于海缆结构和使用环境，根据实际经验，电学故障发生的概率高于光学故障。光学故障可通过CMCS进行检测和定位，技术较为成熟。可能出现的电学故障如图9-16所示。

图9-16 海缆运行状态（吕枫，2014b）

（a）正常状态；（b）低阻/高阻故障；（c）开路故障

观测网海缆故障与陆地电缆故障的情况不同，将海缆电学故障定义如下。低阻故障指海缆绝缘破损严重，即故障处铜导体与海水之间的接触电阻较低，导致至少一个海底主基站因输入欠压而停止运行。其中，短路故障是低阻故障的极端情况，通常可导致整个观测网电压崩溃，必须立即进入故障处理状态，待故障隔离后海岸基站PFE方可正常供电。高阻故障指海缆绝缘破损不太严重，即破损处铜导体与海水之间的接触电阻较高，此时所有海底主基站仍能正常运行，但观测网电力系统的带载能力可能降低，且其安全运行裕量可能减小。

开路故障指铜导体因外力作用在海缆内部断开，此时无法通过该海缆段传输电能，而导体对海绝缘电阻仍处于正常范围。在海底环境中，海缆发生开路故障的同时必定伴随着严重的接地故障，因此若检测到观测网存在单纯的海缆开路故障，实际上意味着海缆两端的分支器继电器存在误开故障。

目前陆地电网中，电力电缆的故障定位按照检测原理主要分为阻抗法和行波法。其中，阻抗法通过测量故障时测量端到故障点的阻抗，然后根据线路参数计算故障点的位置；行波法通过测量行波往返测量端和故障点的反射时间或故障点行波到达线路两端的传播时间差，根据行波速率计算故障点的位置。阻抗法和行波法都可分为单端法和双端法。

实际工程应用中，阻抗法和行波法在AC系统的故障定位中均有应用，而DC系统普遍采用行波法定位故障（宋国兵，2012）。由于分支器内的继电器及其串联稳压管会对行波信号产生大量反射噪音，因此行波法无法有效应用于观测网海缆故障定位。此外，行波法测量距离有限，如采用行波检测原理的时域反射计（Time Domain Rflectometry，TDR；Nav-aneethan，2001）可检测的电缆长度仅为百余千米，限制了其在观测网上的应用。其他陆地电缆故障定位装置主要还有相位测量单元（Phase Measurement Unit，PMU；Joe，2000）、事件序列记录器（Sequenceof Event Recorder，SER；Jung，2001）和针对智能电网的智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）等（Kezunovic，2011）。由于体积限制和可靠性考虑，这些故障定位装置无法安装在观测网中。可见，当前在陆地电网中实际应用的故障定位方法均不适用于观测网电力系统。海底电力系统具有较低的可观测性，因此实现故障定位比陆地电网更为困难。

针对低阻故障，Chan（2007）提出了一种仅利用海岸基站PFE电压和电网模型的离线低阻故障定位方法，该方法的缺点是计算较为复杂。当低阻故障发生时，会产生较大的故障电流。在PMACS的监控下，海岸基站PFE会因输出限流而降低输出电压，实现自动保护。低阻故障发生时，为了观测网运行安全，通常PMACS调节PFE至低电压，此时所有的海底主基站均停止运行，所有PFE的输出电流总和等于故障电流值。

与低阻故障处理不同的是，高阻故障定位需在观测网运行状态下完成，以尽量减小观测网的停运时间。绝缘恶化导致的高阻故障是最为常见的海缆故障，表现为某段海缆接海电阻降低至允许值内，但观测网仍可正常运行。除了拖网和抛锚等外力作用，导致高阻故障的主要原因还有：海缆在海水作用下在海底硬岩上长期摩擦而损坏绝缘层；海缆制造缺陷在高电势差和海水作用下加速恶化。在陆地电网中，高阻故障定位最难，行波法和阻抗法效果均不佳，因为行波法在高阻故障点处的反射不明显，而阻抗法测量到的高阻故障电流又太微弱。

9.2.4 海底远距离信息传输技术

目前远距离大容量的数据传输基本采用光纤作为数字信号传输媒介，观测网采用的海缆光纤通信系统可分为有中继和无中继两类。由于光信号在光纤中具有传输损耗，超过400km的远距离数据传输通常需采用有中继的海缆通信系统。在有中继系统中，两套海岸基站PFE分别在海缆两端通过海缆内的铜导体给光中继器以恒流模式供电，每隔100km左右重建光纤数字信号的幅度和波形。小规模观测网可采用无中继系统，而中大规模观测网由于需覆盖较大范围的海底区域，须采用有中继系统。

由于海底光中继器的体积和可靠性限制，有中继系统中通常只容纳数对光纤，每对光纤均可承载上波和下波。目前海缆通信系统一般采用密集波分复用（Dense Wavelength-Divi-sion Multiplexing，DWDM）技术，使得单个商业海缆通信系统的通信容量可高达数十Tb/s，其采用的光分插复用（Optical Add-Drop Multiplexer，OADM）分支器可使所有海底主基站能共享同一光纤对的容量，从而克服了光纤对数对海底主基站个数的限制。由于体积限制，目前单个海底主基站的最大通信带宽通常为2～10Gb/s。海底光中继器中应用比较成熟的是掺饵光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA），其正常工作需泵浦激光器、波分复用器和掺饵光纤。泵浦激光器给增益介质提供激励能源，在EDFA中常用980nm和1480nm波段。波分复用器为三端口器件，把泵浦激光和信号光耦合到同一根光纤中传输。掺饵光纤是EDFA的增益介质，实现光信号的放大。

目前商用海缆通信系统的各个海缆终端均在陆地上，海底中继器和海底分支器均采用两端恒流供电模式从海缆中直接串联取电，单个海底中继器或海底分支器的供电电压通常仅为数十伏，供电电流通常约为0.65A。而观测网采用恒压模式供电，海底负荷多且功耗大，如单个海底主基站的最大功率可达近10k W，即超过一个中美跨洋通信海缆系统的负荷总功率，且海缆的输电电压高、电流变化范围宽，可从0.1A直至10A。因此，必须改进传统恒流模式供电的海底中继器和海底分支器内部的电路和结构，使两者能满足观测网宽电流范围运行的需求，导致两者内部电路的电气应力大大提高，这是目前观测网远距离信息传输技术中的难点之一。此外，海底中继器和海底分支器在恒压模式下的启动机制和电切换方式与传统恒流模式不同。在两端供电的恒流模式下，全网海底中继器和海底分支器均同时启动和关闭；而在恒压模式下，所有海底分支器处于初始断开状态，需在供电电压逐级传递下实现工作状态切换。

图9-17为海缆通信系统OADM型分支器的结构示意图，其中EDFA为分支器的可选器件。

图9-17 海缆通信系统OADM型分支器的结构

海光缆终端设备（Submarine Line Terminal Equipment，SLTE），负责再生段端到端通信信号的处理、发送和接收，一般包含波分复用器、光放大器或拉曼分布放大器和色散补偿等单元。网络管理系统（Network Management System，NMS），用相关协议来监控和管理被管理设备或系统的设备。NMS收集设备和线路信息，响应网管设备请求，发送事件和报警，规划、监督、控制网络资源的使用和网络的各种活动，以使网络的性能达到最优。海底线路监视器（Submarine Line Monitor，SLM），自动监测海底光缆和中继器的工作状态和性能，在出现故障时自动告警并对故障定位。馈电设备（Power Feeding Equipment，PFE），通过海底光缆中的导体向海底中继器供电并经馈电接地（Ocean Ground Bed，OGB）装置返回的直流高压、恒定小电流设备，可调制一个用于缆定位和设备探测的交流低频信号。

图9-18 观测网的通信系统结构

9.2.5 海底原位科学实验技术

观测仪器是观测海洋现象和测量海洋要素的基本工具，而海底长期原位观测是未来海洋科技领域的发展方向。在观测网出现之前，传统海洋仪器通常为低功耗和自容式设计，功能极为有限，但在离线式海洋探测中发挥了重要作用。随着观测网的发展，近几年针对复杂科学仪器的研究逐渐起步，总体趋势是将实验室直接布设在海底，建立满足特定科学需求的海底原位实验室。原位实验室的特点是科学功能强大，智能化程度高，可灵活地远程操作和配置，将大大促进对海洋复杂运行机理的探索。原位实验室通常对供电功率和通信带宽有较高的要求，可充分发挥观测网持续充裕供电和高速数据传输的优势（Paul，2007）。

管理美国蒙特雷湾加速研究系统（Monterey Accelerated Research System，MARS）试验网的美国蒙特雷湾海洋研究所在复杂科学仪器的研究上具有代表性：蒙特雷海底宽带地震观测站（Monterey Ocean-floor Broadband Seismic Station，MOBB；Romanowicz，2006）是深海地震探测的先驱；水下低感光摄像机（Eye In The Sea，EITS）采用远红外光源观测深海发光生物，开辟了观测深海动物的新途径；海洋酸化试验系统（Free Ocean Carbon Dioxide Enrichment System，FOCE；Brewer，2005）通过控制CO2浓度调节海底培养器中的p H值，原位观测海洋生物在水体酸化下的变化；深海激光拉曼光谱仪（Deep-Ocean Raman In Situ Spectrometer，DORISS；Brewer，2004）可同时测量多种海水元素，并首次在海底实现了水合物的原位测量；环境样品处理器（Environmental Sample Processor，ESP；Scholin，2009）将分子生物学技术应用于海水的原位实时监测，通过采集非连续水样并富集微生物后，自动应用分子探针技术，通过三明治杂交分析直接检测r RNA，鉴别是属于细菌、古菌、藻类还是无脊椎动物，能够用于海洋生物灾害预警。近年来，国内科研单位也研制了一些原位科学仪器，但总体上比国外起步晚，尚待重大创新的出现。

深海探测和太空探测具有相似性，都是离人类生活的环境过于遥远和不同，因此不少任务适合利用水下机器人去执行（Bellingham，2007）。水下机器人主要有自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）、水下滑翔机（Glider）、远程遥控运载器（Remote Operated Vehicle，ROV）和海底爬行车（Seafloor Rover）等。观测网还将推动各类水下机器人的发展，水下机器人可通过连接至观测网上的接驳坞（Docking Station）实现水下充电、上传数据和下载指令，可构成活动式的海底实验室，从而将固定式观测网持续充裕电能和高速数据传输的优势和活动观测平台的机动性和灵活性结合起来（Howe，2010；Teo，2012）。

利用持续提供的充裕电能和高速带宽，智能化在线式海底原位实验平台可用于海底多参数长期原位观测、原位配置、原位校准，实现海底长期实时原位实验。利用网络化数据平台进行高分辨率数据分析、信息融合处理和科学观测规划，从而控制固定观测子系统的电能与通信资源流向以及机动灵活的活动观测子系统，实现海洋环境突发事件的自适应探测。

采用非接触式电磁耦合技术，活动观测平台可与其接驳坞之间实现双向通信和电能传输，而接驳坞可连接到固定观测网上获得充裕电能和通信带宽，实现固定观测网和活动观测网的资源整合。