本发明属于海洋观测技术领域，具体涉及一种海底观测网恒压恒流混合供电系统。
背景技术：
海底观测网主要由岸基站、海底主次接驳盒、海底仪器平台、光电复合海缆、分支器和中继器等组成。其中，中继器用于放大光信号，补偿长距离光纤传输过程中的信号衰减；分支器是连接主干海缆和分支海缆的枢纽节点，在系统扩展方面发挥着不可替代的作用。同时，当主干缆或分支缆出现故障时，分支器能够隔离故障区域，从而保证系统其余部分仍能正常运行。海底观测网的设计寿命通常为20年以上，因此要求极高的可靠性和可扩展性。
分支器和中继器体积较小且串联在海缆中，通常采用在主干缆上串联稳压二极管取电的方式供电给分支器和中继器。这种方式广泛使用在采用恒流供电的跨洋海缆通信系统，特点是输电电流通常较小且恒定不变，使得串联稳压二极管的发热维持在较低水平。然而在恒压输电的大规模、综合性海底观测网中，除了要满足中继器和分支器的供电需求外，还要同时满足主次接驳盒和仪器平台的供电，因此主干缆中的电流会随着海底有效负载的增加而增大。当输电电流较大时，给中继器和分支器供电的稳压二极管会产生大量热能，导致其在体积紧凑的中继器和分支器中容易因过热而损坏，大大降低中继器和分支器的可靠性。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种海底观测网恒压恒流混合供电系统，主要功能是为海底观测网的主干组网设备供电；所述供电系统的核心部分是电流-电压型直流变换模块，所述模块将主干海缆中的电流作为电能输入源，整个供电系统体积紧凑且可靠性高，同时适用于恒流和恒压多种输电模式的海底观测网。
本发明的技术方案是：
海底观测网恒压恒流混合供电系统，包括监测与控制单元和供电单元，其中：
所述监测与控制单元由电流传感器、继电器组和控制模块a组成，所述电流传感器的被测电流端口连接至海底主干缆中，用于监测海底主干缆的输入电流il，电流传感器的输出端口连接至控制模块a输入端口；所述继电器组由继电器sa和继电器sb组成，且彼此并联；所述控制模块a分别连接至继电器sa和继电器sb，并根据所述电流传感器的输出模拟量控制继电器组的状态，控制继电器sa和继电器sb的闭合和断开；
所述供电单元由稳压二极管和电流-电压型直流变换模块组成，所述稳压二极管与所述电流-电压型直流变换模块彼此并联，所述继电器sa连接至稳压二极管，所述继电器sb连接至电流-电压型直流变换模块，通过闭合或断开继电器sa和继电器sb，改变供电单元的供电模式，以实现对恒流输电模式海底观测网的供电或对恒压输电模式海底观测网的供电；
所述电流-电压型直流变换模块由高频开关及驱动电路、取电电容c1、变压器t、控制模块b、电压传感器以及整流滤波电路组成，所述控制模块b连接至所述高频开关及驱动电路，用于控制高频开关及驱动电路中高频开关的导通时间，所述取电电容c1并联连接至所述变压器t的输入端，变压器t的输出端连接至所述整流滤波电路的输入端，整流滤波电路对变压器t的输出电压进行整流与滤波处理，所述电压传感器的被测电压端口连接至整流滤波电路的输出端，用于监测电流-电压型直流变换模块的输出电压uout，电压传感器的输出端口连接至控制模块b的输入端口；控制模块b根据电压传感器的输出模拟量调整高频开关的导通时间，用于将输出电压uout维持在设定值uout_set；
所述稳压二极管和电流-电压型直流变换模块的输出接口并联后连接至用电负荷。
本发明中，所述继电器sa为常闭型固态继电器，其在海底观测网恒压恒流混合供电系统启动前处于闭合状态，所述继电器sb为常开型固态继电器，其在海底观测网恒压恒流混合供电系统启动前处于断开状态。
本发明中，所述海底观测网恒压恒流混合供电系统串联在海底主干海缆中，能够根据输入电流等级自动切换至适当的供电模式：在输入电流il小于设定值iset的情况下，继电器sa闭合，且继电器sb断开，海底观测网恒压恒流混合供电系统通过所述稳压二极管为用电负荷供电；在输入电流il大于设定值iset的情况下，继电器sa断开且继电器sb闭合，海底观测网恒压恒流混合供电系统通过所述电流-电压型直流变换模块为用电负荷供电。
本发明中，所述电流-电压型直流变换模块主电路采用全桥拓扑结构，变压器t输入端并联连接取电电容c1，用于将主干缆中输入电流il转变为交变电压uac传递给变压器；所述电流-电压型直流变换模块输入端口a和b连接至海底主干缆中，工作电流范围为[iset，imax]，输出电压为设定值uout_set。
本发明中，所述电流-电压型直流变换模块启动时，所述控制模块b输出两路频率不变、占空比50%、相位180°互补的pwm控制信号，用于控制所述高频开关的导通与断开；当所述电压传感器的输出模拟量大于设定值时，所述pwm控制信号的占空比将逐渐增加，此时两路信号会出现同时为高电平的叠加区间d，用于将所述电流-电压型直流变换模块的输出电压维持在设定值uout_set。
本发明中，所述电流传感器为霍尔型电流传感器，所述电压传感器为霍尔型电压传感器，所述电流传感器和所述电压传感器均为市售产品。
本发明中，所述海底观测网恒压恒流混合供电系统不存在额外的辅助电源，在系统启动时，稳压二极管立即开始工作为用电负荷供电，同时，也作为辅助电源为电流传感器、控制模块a、控制模块b以及电流-电压型直流变换模块内高频开关驱动电路供电；在海底主干缆中的输入电流il超过设定值iset时，供电模式改变，电流-电压型直流变换模块开始为用电负荷供电，同时替代稳压二极管作为辅助电源。
本发明的原理是：
本发明所述的海底观测网恒压恒流混合供电系统，在供电系统启动时稳压二极管立即为控制模块等内部电路和其他用电负荷供电，然后控制模块实时监测海底主干设备的输入电流。若输入电流小于设定值，继续采用稳压二极管为用电负荷供电。若输入电流大于设定值，控制模块迅速响应，断开稳压二极管支路并导通另一支路，采用电流-电压型直流变换模块为用电负荷以及控制模块等内部电路供电。其中，电流-电压型直流变换模块供电原理如下：基于传统全桥直流变换器，在变压器输入端增加了取电电容，通过高频开关在电容两端形成交变电压，并通过变压器输出至副边，结合整流滤波电路与反馈控制环路，使输出电压稳定在设定值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述海底观测网恒压恒流混合供电系统能够实时监测海底主干设备的输入电流，并根据输入电流等级自动改变供电模式，因此输入电流范围大、使用灵活性高，能够适用于恒压和恒流两种输电模式的海底观测网，并且可靠性高，大大增加了海底主干设备的使用寿命。
附图说明
图1为恒流和恒压输电的海底观测网的供电系统框图；其中：(a)为恒流型，（b）为恒压型；
图2为本发明海底观测网恒压恒流混合供电系统的总体示意图；
图3为电流-电压型直流变换模块的结构框图；
图4为电流-电压型直流变换模块中控制模块b的工作框图；
图5为电流-电压型直流变换模块中控制模块b初始输出信号波形；
图6为电流-电压型直流变换模块中控制模块b经反馈后的输出信号波形；
图中标号：1为岸基站，2为海底接驳盒，3为海底仪器平台，4为混合供电系统，5为分支器，6为电流传感器，7为继电器sa，8为继电器sb，9为控制模块a，10为稳压二极管，11为电流-电压型直流变换模块，12为用电负荷，13为高频开关及驱动电路，14为取电电容c1，15为变压器t，16为控制模块b，17为电压传感器，18为整流滤波电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
图1是恒流和恒压两种输电模式的海底观测网的供电系统框图，恒流型观测网中岸基站1与各海底接驳盒2呈串联连接，而恒压型观测网中岸基站1与各海底接驳盒2呈并联连接，尽管不同的海底观测网拓扑结构与接线方式存在差异，本发明所述的海底观测网恒压恒流混合供电系统4直接串联在海底主干海缆上，并为海底接驳盒2和分支器5等主干组网设备供电，适应于不同供电模式的海底观测网系统。
图2是所述海底观测网恒压恒流混合供电系统的总体示意图。如图2所示，海底观测网恒压恒流混合供电系统包括监测与控制单元和供电单元两大部分：监测与控制单元由电流传感器6、继电器组和控制模块a9组成，电流传感器6的被测电流端口连接至海底主干缆中，用于监测主干设备的输入电流il，电流传感器6的输出端口连接至控制模块a9输入端口，继电器组包括继电器sa7和继电器sb8，且彼此并联，控制模块a9连接至继电器sa7和继电器sb8，并根据电流传感器6的输出模拟量控制继电器组的状态；供电单元由稳压二极管10和电流-电压型直流变换模块11组成，两者彼此并联，分别作为海底观测网轻载和重载模式时的供电模式，继电器sa7连接至稳压二极管10，继电器sb8连接至电流-电压型直流变换模块11；电流-电压型直流变换模块11的输出端口a和输出端口b连接在用电负荷12两端，用电负荷12包含海底接驳盒2和分支器5等主干组网设备。
本发明中，继电器sa7为常闭型固态继电器，其在海底观测网恒压恒流混合供电系统启动前处于闭合状态，所述继电器sb8为常开型固态继电器，其在海底观测网恒压恒流混合供电系统启动前处于断开状态；所述控制模块a9分别连接继电器sa7和继电器sb8，并控制其闭合与断开改变供电单元的供电模式。
本发明中，海底观测网恒压恒流混合供电系统串联在海底主干海缆中，能够根据输入电流等级自动切换至适当的供电模式：在输入电流il小于设定值iset的情况下，继电器sa7闭合且继电器sb8断开，海底观测网恒压恒流混合供电系统通过所述稳压二极管10为用电负荷12供电；在输入电流il大于设定值iset的情况下，继电器sa7断开且继电器sb8闭合，海底观测网恒压恒流混合供电系统通过所述电流-电压型直流变换模块11为用电负荷12供电。
本发明中，所述电流-电压型直流变换模块11输入端口a和输入端口b连接至海底主干缆中，输入电流范围为[iset，imax]，输出电压为设定值uset。如图3所示，电流-电压型直流变换模块11由高频开关及驱动电路13、取电电容c114、变压器t15、控制模块b16、电压传感器17以及整流滤波电路18组成，主电路采用全桥拓扑结构。高频开关及驱动电路13中的高频开关由第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3和第四开关s4共四个开关器件组成，控制模块b连接至高频开关的驱动电路，输出两路高频pwm控制信号分别控制第一开关s1、第四开关s4和第二开关s2、第三开关s3，即第一开关s1与第四开关s4（第二开关s2与第三开关s3）的开关状态一致。取电电容c114并联连接至变压器t15输入端，任意开关周期内通过正向与反向充电过程在变压器t15输入端形成一种交变电压，变压器t15再将该电压传递到副边，变压器t15的输出端连接至所述整流滤波电路的输入端，整流滤波电路对变压器t15输出电压进行整流与滤波处理，电压传感器17的被测电压端口连接至整流滤波电路的输出端，用于监测电流-电压型直流变换模块11的输出电压uout，并将输出电压uout反馈至控制模块b16，形成负反馈控制环路；控制模块b16根据电压传感器的输出模拟量调整高频开关的导通时间，用于维持输出电压uout处于设定值uout_set。最后，电流-电压型直流变换模块11的输出接口与稳压二极管10并联后连接至用电负荷12。
图4是本发明实施例提供的电流-电压型直流变换模块中控制模块b16的工作框图。在电流-电压型直流变换模块启动时，控制模块b16立即输出两路频率不变、占空比50%、相位180°互补的pwm控制信号，如图5所示。随着高频开关的导通，输入电流il在一个开关周期内将正向和反向对取电电容c114充电，期间取电电容c114两端会产生交变电压uac，并通过变压器t15传递到副边输出，电压传感器17实时监测输出电压uout；当输出电压uout大于设定值uout_set时，控制模块b16输出的pwm控制信号在频率、相位不变的基础上逐渐增加占空比，这样两路控制信号将会出现同时为高电平的叠加区间d，如图6所示，该区间内4个开关都处于导通状态，此时输入电流il不再给电容充电，输出电压uout也随之降低，且趋于设定电压值uout_set。
本发明中，电流传感器6为霍尔型电流传感器，电压传感器17为霍尔型电压传感器，电流传感器6和电压传感器17均为市售产品。
本发明中，所述海底观测网恒压恒流混合供电系统不存在额外的辅助电源，在系统启动时，稳压二极管10立即开始工作为用电负荷12供电，同时，也作为辅助电源为电流传感器6、控制模块a9、控制模块b16以及电流-电压型直流变换模块内的高频开关及驱动电路13供电；在海底主干缆中的输入电流il超过设定值iset时，供电模式改变，电流-电压型直流变换模块11开始为用电负荷12供电，同时替代稳压二极管10作为辅助电源。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。