水下栅格化信息网多点恒流供电系统及供电功率均衡方法

技术领域

本发明涉及栅格化信息网技术领域，具体涉及一种水下栅格化信息网多点恒流供电系统及供电功率均衡方法。

背景技术

栅格化信息网具有较好的业务路由自组网能力，在信息系统出现多点故障的情况下能快速实现业务的自愈，因而在水下信息系统中具有较好的应用前景。水下栅格化信息网具有覆盖范围广、距离远、可靠性要求高等特点。为克服海底光缆的故障造成水下栅格化信息网运行异常，通常在多个海光缆的登陆点设置岸基恒流电源，同时为水下栅格化信息网供电，实现网络化供电，确保水下栅格化信息网的能源供应。然而由于现有水下栅格化信息网的多个恒流电源之间是独立工作的，每个恒流电源的供电功率差异较大，因此存在单个恒流电源满负荷或者零负荷运行的情况。而长期满负载运行的恒流电源的使用寿命将比预计值低，不仅会影响整个供电系统的使用寿命，而且某一个恒流供电设备出现故障停止运行，还会导致整个供电系统的输出功率降低，无法满足水下栅格化信息网的用电需求。此外，当水下栅格化信息网用电需求急剧增加时，独立工作的恒流电源也无法在线进行供电系统扩容升级改造，供电系统的适用范围较窄。上述问题的存在为现有水下栅格化信息网的供电系统的应用带来了一定的局限性。

发明内容

本发明所要解决的是现有水下栅格化信息网的多个恒流电源在同时供电时单个恒流电源供电功率差异较大的问题，提供一种水下栅格化信息网多点恒流供电系统及供电功率均衡方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

水下栅格化信息网多点恒流供电系统，包括N个恒流供电设备，其中N为大于等于2的正整数；每个恒流供电设备由供电模块、恒流转换模块、测量模块、控制模块和通信模块组成；供电模块的输入端形成该恒流供电设备的输入端，并与外部电源连接；供电模块的输出端与恒流转换模块、测量模块、控制模块和通信模块的电源端连接；恒流转换模块的输出端形成该恒流供电设备的输出端，并与水下栅格化信息网连接；测量模块的输入端与恒流转换模块的采样端连接，测量模块的输出端与控制模块的输入端连接；控制模块的输出端与恒流转换模块的控制端连接；控制模块的通信端与通信模块的第一通信端相连；通信模块的第二通信端形成该恒流供电设备的通信端；所有恒流供电设备的通信端通过TCP/IP网络实现相互连接。

上述方案中，恒流转换模块由逆变转换单元、整流滤波单元、电压采样单元、电流采样单元、电压控制单元和电流控制单元组成；逆变转换单元输入端形成该恒流转换模块的电源端；逆变转换单元的输出端连接整流滤波单元的输入端，整流滤波单元的输出端形成该恒流转换模块的输出端；电压采样单元和电流采样单元的输入端分别连接整流滤波单元的电压采样端和电流采样端，电压采样单元和电流采样单元的输出端共同形成该恒流转换模块的采样端；电压控制单元和电流控制单元的输入端共同形成该恒流转换模块的控制端，电压控制单元和电流控制单元的输出端分别连接逆变转换单元的电压控制端和电流控制端。

上述方案中，供电模块由升压单元和电压转换单元组成；升压单元和电压转换单元的输入端相连后，形成该供电模块的输入端；升压单元的输入端形成该供电模块的第一路输出端，电压转换单元的输出端形成该供电模块的第二路输出端。

上述方案中，测量模块由电压测量单元和电流测量单元组成；电压测量单元和电流测量单元的输入端共同形成该测量模块的输入端；电压测量单元和电流测量单元的输出端共同形成该测量模块的输出端；电压测量单元和电流测量单元的电源端共同形成该测量模块的电源端。

上述水下栅格化信息网多点恒流供电系统所实现的水下栅格化信息网多点恒流供电功率均衡方法，包括步骤如下：

步骤1、当水下栅格化信息网多点恒流供电系统刚初始化运行时，根据供电系统的初始化供电要求，将各个恒流供电设备的输出电流设定为初始值I

步骤2，当水下栅格化信息网多点恒流供电系统运行平稳时，各个恒流供电设备通过网络实现控制信息的互通，自动建立恒流供电设备的网络拓扑结构，并确定恒流供电设备的序数；同时选择一个恒流供电设备作为主恒流供电设备；

步骤3、预定的主恒流供电设备根据各个恒流供电设备的当前的输出电压计算各恒流供电设备的平均输出电压，并将该平均输出电压告知其他恒流供电设备；

步骤4、根据步骤2所确定恒流供电设备的序数，将每个恒流供电设备依次作为当前恒流供电设备执行如下输出电压调整过程：

当前恒流供电设备将其输出电压与平均输出电压进行比较；若当前恒流供电设备的输出电压处于平均输出电压的上下允许浮动范围内时，则当前恒流供电设备直接固定其输出电压；否则，当前恒流供电设备先调整其输出电压使其处于平均输出电压的上下允许浮动范围内后，再固定其调整后的输出电压。

上述步骤2中，所有恒流供电设备根据恒流供电设备的IP地址，以IP地址从小到大的规则确定恒流供电设备的序数。

上述步骤4中，在当前恒流供电设备进行输出电压调整的过程中，序数在当前恒流供电设备之后的恒流供电设备将动态输出其输出电压。

上述水下栅格化信息网多点恒流供电功率均衡方法还进一步包括步骤5：当前恒流供电设备在完成输出电压调整后，将调整完成的信息告知主恒流供电设备，主恒流供电设备通知下一个恒流供电设备执行输出电压调整过程。

上述水下栅格化信息网多点恒流供电功率均衡方法还进一步包括步骤6：所有恒流供电设备实时向主恒流供电设备报告其输出电压和输出电流，当所有恒流供电设备的输出功率均在预定的输出功率的上下允许浮动范围之内时，主恒流供电设备通知所有恒流供电设备解除输出电压固定。

上述水下栅格化信息网多点恒流供电功率均衡方法还进一步包括步骤7：所有恒流供电设备实时向主恒流供电设备报告其输出电压，一旦某一恒流供电设备的输出电压超出平均输出电压的上下允许浮动范围之外时，则主恒流供电设备通知所有恒流供电设备进入下一轮调整过程，即重复执行步骤3和4。

与现有技术相比，本发明的多个恒流供电设备能自动定为某一设备为主设备并对每一个设备的输出电压进行调整达到功率均衡的目的，使各设备的输出功率一致，避免某一供电设备长时间满负荷运行而缩短使用寿命。当水下栅格化信息网的用电功率发生变化时，多点恒流供电设备能独立自动调整输出功率。当某一个恒流供电设备出现故障停止运行时，其余正常运行的恒流供电设备能独立自动增加自身的对外输出功率，不会因为某一个恒流供电设备出现故障而导致供电系统停止运行，提高了供电系统的可靠性。通过在线增加恒流供电设备的数量实现供电系统的扩容改造，提高了多点恒流供电系统的适用范围。

附图说明

图1为水下栅格化信息网多点恒流供电系统的结构框图。

图2为图1中恒流供电设备的结构框图。

图3为图2中供电模块的结构框图。

图4为图2中恒流转换模块的结构框图。

图5为图2中测量模块结构框图。

图6为图2中控制模块结构框图。

图7为图2中通信模块结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。

参见图1，一种水下栅格化信息网多点恒流供电系统，包括N个恒流供电设备，其中N为大于等于2的正整数。每个恒流供电设备由供电模块、恒流转换模块、测量模块、控制模块和通信模块组成。如图2所示。供电模块的输入端形成该恒流供电设备的输入端，并与外部电源连接。供电模块的输出端与恒流转换模块、测量模块、控制模块和通信模块的电源端连接。恒流转换模块的输出端形成该恒流供电设备的输出端，并与水下栅格化信息网连接。测量模块的输入端与恒流转换模块的采样端连接，测量模块的输出端与控制模块的输入端连接。控制模块的输出端与恒流转换模块的控制端连接。控制模块的通信端与通信模块的第一通信端相连。通信模块的第二通信端形成该恒流供电设备的通信端。所有恒流供电设备的通信端通过TCP/IP网络实现相互连接。

恒流供电设备通过通信模块实现相互连接，多个恒流供电设备能自动定为某一设备为主设备，并对每一个设备的输出电压进行调整达到功率均衡的目的。当水下栅格化信息网的用电功率发生变化时，多点恒流供电设备能独立自动调整输出功率。当某一个恒流供电设备出现故障停止运行时，其余正常运行的恒流供电设备能独立自动增加自身的对外输出功率。此外，还能够通过在线增加恒流供电设备的数量实现供电系统的扩容改造。

参见图3，供电模块由升压单元和电压转换单元组成。升压单元和电压转换单元的输入端相连后，形成该供电模块的输入端。升压单元的输入端形成该供电模块的第一路输出端，电压转换单元的输出端形成该供电模块的第二路输出端。升压单元将外部电源(-48VDC或220VAC)转换成312V恒压直流电源，提供给恒流转换模块使用。电压转换单元将外部电源(-48VDC或220VAC)转换成3.3V直流电，提供给测量模块、控制模块和通信模块使用。

参见图4，恒流转换模块由逆变转换单元、整流滤波单元、电压采样单元、电流采样单元、电压控制单元和电流控制单元组成。逆变转换单元输入端形成该恒流转换模块的电源端。逆变转换单元的输出端连接整流滤波单元的输入端，整流滤波单元的输出端形成该恒流转换模块的输出端。电压采样单元和电流采样单元的输入端分别连接整流滤波单元的电压采样端和电流采样端，电压采样单元和电流采样单元的输出端共同形成该恒流转换模块的采样端。电压控制单元和电流控制单元的输入端共同形成该恒流转换模块的控制端，电压控制单元和电流控制单元的输出端分别连接逆变转换单元的电压控制端和电流控制端。

逆变转换单元在电压控制单元和电流控制单元的控制下，将供电模块送来的312V恒压直流电源，转换成一定电流值的恒流电源，输出给整流滤波单元。整流滤波单元将逆变单元输出的恒流电源进行滤波稳流，降低电流纹波噪声，然后输出给水下栅格化信息网。电压控制单元将控制模块送来的电压控制信息进行识别处理，转换成控制电平，对逆变转换单元的输出电压进行控制。电流控制单元将控制模块送来的电流控制信息进行识别处理，转换成控制电平，对逆变转换单元的输出电流进行控制。电压采样单元对整流滤波单元的输出电压进行采样，将获得的电压信号输出给测量模块。电流采样单元对整流滤波单元的输出电流进行采样，将获得的电压信号输出给测量模块。

参见图5，测量模块由电压测量单元和电流测量单元组成。电压测量单元和电流测量单元的输入端共同形成该测量模块的输入端。电压测量单元和电流测量单元的输出端共同形成该测量模块的输出端。电压测量单元和电流测量单元的电源端共同形成该测量模块的电源端。供电模块与电压测量单元与电流测量单元连接并提供所需的电源。电压测量单元对恒流转换模块的实时电压值进行测量，并将测量结果输出给控制模块。电流测量单元对恒流转换模块的实时电流值进行测量，并将测量结果输出给控制模块。

参见图6，控制模块由运算控制单元和存储单元组成。存储单元与运算控制单元相连。运算控制单元的电源端形成该控制模块的电源端。运算控制单元的输入端形成该控制模块的输入端。运算控制单元的输出端形成该控制模块的输出端。控制模块的通信端形成该控制模块的通信端。存储单元为运算控制单元存储数据，运算控制单元与测量模块连接，实时接收测量模块的测量数据，与通信模块送来的数据一起通过运算后，获得控制信息，并将控制信息送给恒流转换模块，从而控制恒流转换模块的运行状态。

参见图7，通信模块由接口适配单元和协议解析单元组成。接口适配单元和协议解析单元相连。接口适配单元的通信端形成该通信模块的第二通信端。协议解析单元的通信端形成该通信模块的第一通信端。协议解析单元的电源端形成该通信模块的电源端。接口适配单元负责与其他恒流供电设备互联，获取其他恒流供电设备的信息，并将信息转发给协议解析单元，同时将协议解析单元送来的本设备运行信息进行接口适配后转发给其他恒流供电设备。协议解析单元将接口适配单元送来的其他恒流供电设备的运行信息进行协议解析，转发给控制模块，同时将控制模块送来的本设备运行信息进行协议封装，交给接口适配单元进行接口适配。

本发明的水下栅格化信息网多点恒流供电系统，在海光缆多个登陆点均设置恒流供电设备，多个恒流供电设备通过TCP/IP网络实现控制信息的互通，多个恒流供电设备共同为水下栅格化信息网提供所需电源。单个恒流供电设备的对外输出电流值恒定，对外输出的功率随负载的变化而变化。多个恒流供电设备共同对外供电时，多个恒流供电设备对外输出的总功率随负载的变化而变化。多点恒流供电系统的多个恒流供电设备运行平稳时，各个恒流供电设备的输出功率基本一致，实现功率均衡，避免某一供电设备长时间满负荷运行而缩短使用寿命的问题。多个恒流供电设备能实现相互冗余备份，且每个恒流供电设备的对外输出功率基本一致。

上述水下栅格化信息网多点恒流供电系统所实现的水下栅格化信息网多点恒流供电功率均衡方法，其具体包括步骤如下：

步骤1、水下栅格化信息网多点恒流供电系统刚初始化运行时，根据供电系统的初始化供电要求，将各个恒流供电设备的输出电流设定为初始值I

步骤2、当水下栅格化信息网多点恒流供电系统运行平稳时(运行10分钟后)，多个恒流供电设备通过TCP/IP网络实现相互连接，自动建立恒流供电设备的网络拓扑结构，并根据恒流供电设备的IP地址，以IP地址从小到大的规则确定设备的序数，分别将恒流供电设备命名为1、2、3、……、N号恒流供电设备。在本实施例中，将1号恒流供电设备设定为主设备。

步骤3、各个恒流供电设备的控制模块根据设备本身的测量模块测量的输出电压值和输出电流值。此外，还可以根据输出电压值和输出电流值。计算出本设备的输出功率。

步骤4、1号恒流供电设备统计所有恒流供电设备当前的输出电压，将所有输出电压之和设定为V

步骤5、1号恒流供电设备将本设备的输出电压V

若其输出电压处于平均输出电压的上下允许浮动范围内，如[V

若其输出电压超期其平均输出电压的上下允许浮动范围之外，如低于V

步骤6、1号恒流供电设备设置完成后，则将平均输出电压V

步骤7、2号恒流供电设备将本设备的输出电压V

若其输出电压处于平均输出电压的上下允许浮动范围内，如[V

若其输出电压超期其平均输出电压的上下允许浮动范围之外，如低于V

步骤8、2号恒流供电设备将调整完成后的信息告知1号恒流供电设备。

步骤9、1号恒流供电设备将平均输出电压V

步骤10、依次类推，直至第N个恒流供电设备完成输出电压调整。

在当前恒流供电设备进行输出电压固定的过程中，未固定输出电压和输出电流的恒流供电设备也即序数在当前恒流供电设备之后的恒流供电设备将动态进行输出电压的调整，以保持整个供电系统的输出总功率满足水下栅格化信息网的用电需求。

单个恒流供电设备的输出电流值在0.3A-5.0A之间任意设定值，单个恒流供电设备的输出电压值为-18KV-+18KV之间，根据水下栅格化信息网络的用电需要自动调整输出电压值，且能根据功率均衡的需要调整输出电压值。

步骤11、当所有的恒流供电设备完成输出电压调整后，由于各设备的输出电流是恒定初始电流I

步骤12、所有恒流供电设备实时向1号恒流供电设备报告其输出电压和输出电流，一旦某一恒流供电设备的输出电压V

本发明具有如下特点：

当水下栅格化信息网的用电功率发生变化时(增大或减小)，多个恒流供电设备能独立自动调整自身的对外输出功率，满足水下栅格化信息网的用电需求，然后恒流供电设备进行输出电压调整，使每个恒流供电设备的对外输出功率基本一致，避免某一供电设备长时间满负荷运行而缩短系统使用寿命。

当某一个恒流供电设备出现故障停止运行时，其余正常运行的恒流供电设备能独立自动增加自身的对外输出功率，满足水下栅格化信息网的用电需求，然后恒流供电设备进行输出电压调整，使每个恒流供电设备的对外输出功率基本一致。不会因为某一个恒流供电设备出现故障而导致供电系统停止运行，提高了供电系统的可靠性。

当恒流供电系统中增加一个恒流供电设备时，原有的恒流供电设备能独立自动减少自身的对外输出功率，满足水下栅格化信息网的用电需求，然后恒流供电设备进行输出电压调整，使每个恒流供电设备的对外输出功率基本一致。通过增加恒流供电设备的数量实现供电系统的在线扩容，提高了供电系统的适用范围。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。