CN104868436A - 一种海底观测网接驳保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的海底观测网接驳保护系统，主要包括接驳保护电路、接地检测电路以及控制器，针对过压、欠压、短路、过流、接地故障五种故障提供诊断与保护。接驳保护电路对直流供电电源的供电电压和供电电流进行采样，实现对过压、欠压、短路和过流四种故障的实时检测诊断，并采用半导体开关管实现对下级海底观测仪器设备的接驳控制。接地检测电路采取主动控制检测形式，控制器控制检测海底观测仪器设备正、负极输电线缆对海水地的接地电阻阻值，当接地电阻阻值低于预先设定的阈值时，控制器发出断开接驳指令控制切断该路海底观测仪器设备的供电。本发明采用双层保护机制，可靠性高，可以为海底观测网系统提供有效接驳保护。

Description

一种海底观测网接驳保护系统

技术领域

本发明属于深海海底观测网观测技术领域，具体涉及到一种海底观测网接驳保护系统。

背景技术

海底观测网络是一种把陆地基站中的电能通过海底光电复合缆以高压直流形式输送到海底观测节点的观测系统，可以实现对海底环境的长期、实时以及多学科综合观测，是人类探索海洋的一个重要平台。由于海底观测仪器设备的多样性，所需供电电压、功率都各有不同，因此输送到海底的电能不能直接给海底观测仪器设备供电，需要进行相应的电能转换，转换后的电能同时给多个海底观测仪器设备供电。

发明内容

本发明的目的是提供一种海底观测网接驳保护系统，以实现在出现故障的情况下，，及时有效地切断出现故障的输出端口，实现与故障海底观测仪器设备的电气隔离，阻止故障的扩大，不影响到其他水下仪器设备的正常工作。

本发明的海底观测网接驳保护系统，包括控制器C、驱动器Q、采样电阻R1、采样电阻R2、采样电阻R3、采样电阻R4、半导体开关管S、固态继电器S1、固态继电器S2、中频比较器C1、中频比较器C2、中频比较器C3、高频比较器C4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4；

采样电阻R1的一端和半导体开关管S的漏极均与电源的正端连接，采样电阻R1的另一端与采样电阻R2的一端共接作为电压采样端与中频比较器C1的采样输入端和中频比较器C2的采样输入端连接，采样电阻R2的另一端、采样电阻R3的一端和采样信号地AGND均与电源的负端连接，采样电阻R3的另一端作为电流采样端与中频比较器C3的采样输入端、高频比较器C4的采样输入端连接并同时连接海底仪器设备的供电负端和固态继电器S2的输出端，中频比较器C1的输出端与二极管D1的正极和控制器C的一个I/O端口连接，中频比较器C2的输出端与二极管D2的正极和控制器C的第二个I/O端口连接，中频比较器C3的输出端与二极管D3的正极和控制器C的第三个I/O端口连接，高频比较器C4的输出端与二极管D4的正极和控制器C的第四个I/O端口连接，二极管D1的负极、二极管D2的负极、二极管D3的负极、二极管D4的负极均与驱动器Q的保护中断端口连接，控制器C的第五个I/O端口与驱动器Q的使能端口连接，控制器C的第六个I/O端口与固态继电器S1的使能端连接，控制器C的第七个I/O端口与固态继电器S2的使能端连接，驱动器Q的驱动端口与半导体开关管S的栅极连接，半导体开关管S的源极、固态继电器S1的输入端均与海底仪器设备的供电正端连接，固态继电器S1的输出端、固态继电器S2的输入端、采样电阻R4的一端均与控制器C的第八个I/O端口连接，采样电阻R4的另一端与海水地SGND和采样信号地AGND连接；所述的电源为375V或者48V直流电源。

上述技术方案中，所述的半导体开关管S为MOSFET开关管或者IGBT开关管，相应的驱动器Q为MOSFET开关管驱动芯片或者IGBT开关管驱动芯片。

对于接驳保护系统，最重要的是实现开关器件的驱动与保护电路部分。因为后端海底观测仪器设备引起的短路故障、过流故障会对前端供电电源和开关器件带来很大损害，短路故障造成的瞬时大电流会在极短时间（1ms）内烧毁开关元件，而过流故障会使导通的开关元件温度急剧升高，严重威胁开关元件，同时威胁系统其他模块的安全。前端供电电源引起的过压故障和欠压故障则会对后端海底观测仪器设备造成损害，过压故障产生的瞬时高压会瞬间烧毁后端海底观测仪器设备，欠压故障产生的低压会使海底观测仪器设备工作在一个非正常工作状态，影响设备的工作效率甚至对一些高精度的水下传感器的采样精度产生不可修复的损伤。接地故障是正、负端输电线缆对海水地（SGND）的接地电阻逐渐下降或与海水地（SGND）直接接触，产生接地电流，接地电流的存在会加速输电线缆的电化学腐蚀，加速输电线缆对海水地（SGND）的接地阻抗减小，最终导致短路故障的发生。接地故障是一个缓慢发生的过程，可以通过电量采样后在控制器软件层实现保护，然而上述前四种故障都需要很高的响应速度，通过电量采样后在控制器软件层实现保护的办法受制于控制器的扫描周期（一般为10ms以上），无法达到高速响应的需求。因此，必须在硬件电路中实现实时、高响应速度的保护功能。

本发明的保护系统中由采样电阻R1、R2、R3，中频比较器C1、C2、C3，高频比较器C4、二极管D1、D2、D3、D4，驱动器Q及半导体开关管S构成接驳保护电路，由固态继电器S1、S2和采样电阻R4构成接地检测电路。接驳保护电路作为该系统的核心电路部分，接驳保护电路入端连接375V或48V直流供电电源，出端连接海底仪器设备。本发明中接驳保护电路采用半导体开关管实现电路的接驳供电控制以及电气隔离。接驳保护电路通过对375V或48V电源的供电电压和供电电流进行采样，并根据需求基于不同频率的比较器实现过压、欠压、短路、过流四个故障的诊断，当存在故障时，输出相应的故障信号给控制器，同时利用四个二极管组成一个“或”门，任意一个故障信号，都将触发驱动器的故障保护动作。接地检测电路入端连接375V或48V直流供电单元，出端与海水地（SGND，即海水或设备外壳）连接，采用电阻分压采样的原理，控制器主动控制检测正、负极输电线缆对海水的接地电阻，并将采样结果传递给控制器作为接地故障判定依据。

本发明的有益效果在于：在供电电源和海底观测仪器设备之间设计一个接驳保护系统，一方面当前端供电电源的供电电压发生剧烈震荡变化时，该接驳保护系统可在供电电源与海底观测仪器设备间实现电气隔离，防止该故障电压对后端海底观测仪器设备的损害；另一方面，当后端连接海缆的绝缘性下降或者某个海底观测仪器设备出现故障，该接驳保护系统可以及时有效地切断并隔离该路供电输出端口，防止故障的扩大，同时不影响前端供电电源和其他观测仪器设备的正常工作。本发明采用双层保护机制，可靠性高，可以为海底观测网系统提供有效接驳保护。

附图说明

图1为海底观测网接驳保护系统的系统结构框图。

图中：C为控制器；D1、D2、D3、D4为四个二极管；C1、C2、C3为三个中频比较器、C4为高频比较器；Q为驱动器；S为半导体开关管；S1、S2为两个固态继电器；R1、R2、R3、R4为四个采样电阻。

具体实施方式

以下结合说明书附图进一步说明本发明。

参照图1，本发明的海底观测网接驳保护系统，包括控制器C、驱动器Q、采样电阻R1、采样电阻R2、采样电阻R3、采样电阻R4、半导体开关管S、固态继电器S1、固态继电器S2、中频比较器C1、中频比较器C2、中频比较器C3、高频比较器C4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4；

采样电阻R1的一端和半导体开关管S的漏极均与电源的正端连接，采样电阻R1的另一端与采样电阻R2的一端共接作为电压采样端与中频比较器C1的采样输入端和中频比较器C2的采样输入端连接，采样电阻R2的另一端、采样电阻R3的一端和采样信号地AGND均与电源的负端连接，采样电阻R3的另一端作为电流采样端与中频比较器C3的采样输入端、高频比较器C4的采样输入端连接并同时连接海底仪器设备的供电负端和固态继电器S2的输出端，中频比较器C1的输出端与二极管D1的正极和控制器C的一个I/O端口连接，中频比较器C2的输出端与二极管D2的正极和控制器C的第二个I/O端口连接，中频比较器C3的输出端与二极管D3的正极和控制器C的第三个I/O端口连接，高频比较器C4的输出端与二极管D4的正极和控制器C的第四个I/O端口连接，二极管D1的负极、二极管D2的负极、二极管D3的负极、二极管D4的负极均与驱动器Q的保护中断端口连接，控制器C的第五个I/O端口与驱动器Q的使能端口连接，控制器C的第六个I/O端口与固态继电器S1的使能端连接，控制器C的第七个I/O端口与固态继电器S2的使能端连接，驱动器Q的驱动端口与半导体开关管S的栅极连接，半导体开关管S的源极、固态继电器S1的输入端均与海底仪器设备的供电正端连接，固态继电器S1的输出端、固态继电器S2的输入端、采样电阻R4的一端均与控制器C的第八个I/O端口连接，采样电阻R4的另一端与海水地SGND和采样信号地AGND连接；所述的电源为375V或者48V直流电源。

上述技术方案中，所述的半导体开关管S为MOSFET开关管或者IGBT开关管，相应的驱动器Q为MOSFET开关管驱动芯片或者IGBT开关管驱动芯片。

本发明的接驳保护系统正常工作时，控制器C向接驳保护电路的驱动器Q发送接驳供电指令，接驳保护电路的驱动器Q发出闭合驱动信号，控制半导体开关管S闭合。当半导体开关管S完成闭合动作后，375V或48V电源开始为海底观测仪器设备供电。

接驳保护电路在硬件层完成过压、欠压、短路、过流四种故障的诊断与保护功能。接驳保护电路利用采样电阻R1、R2的电阻分压原理，对375V/48V电源的供电电压不断进行采样，采样电压分别输入到中频比较器C1和中频比较器C2的采样输入端，并与两个中频比较器预先设定的电压阈值相比较，当采样电压高于中频比较器C1预设的电压阈值且低于中频比较器C2预设的电压阈值时，两个中频比较器输出端输出低电平，此时表明无故障，无故障信号输出；采样电压低于中频比较器C1预设的电压阈值或者高于中频比较器C2预设的电压阈值时，相应的中频比较器输出端输出高电平，给出欠压信号或者过压信号。

同时接驳保护电路通过对采样电阻R3两端的电压进行采样得到375V/48V电源的采样电流，采样电流分别输入到中频比较器C3和高频比较器C4的采样输入端，并与两个比较器预先所设定的电流阈值相比较，当采样电流小于高频比较器C4预设的电流阈值和中频比较器C3预设的电流阈值时，两个比较器输出端输出高电平，此时表示无故障信号，无故障信号输出；当采样电流大于高频比较器C4预设的电流阈值或者中频比较器C3预设的电流阈值时，相应的比较器输出端输出高电平，给出短路信号或者过流信号。

根据要求不同，四种故障的保护对于故障电压和故障电流的响应速度要求不同，短路保护响应速度要求高，采用高频比较器C4，比较周期为微秒级别；欠压保护、过压保护和过流保护的响应速度要求低一些，采用中频比较器C1-C3，比较周期为毫秒级别，四种故障信号一方面分别传送给控制器C的I/O端口，控制器C接收到故障信号后对相应的故障信号进行锁存，并在软件层对接驳指令进行复位和锁死。另一方面，二极管D1、D2、D3、D4组成一个“或”门，任意一个故障的高电平故障信号都会触发一个保护信号输送到给驱动器Q的保护中断端口，驱动器Q中断向半导体开关管S发出驱动信号，控制半导体开关管S断开。此时375V/48V电源停止为海底仪器设备供电，二者之间实现电气隔离。

接地故障的诊断与保护在软件层完成。控制器C定时向接地检测电路发送正、负两极接地电阻检测的指令，接地检测电路利用电阻分压采样原理检测输电线缆正、负两极对海水（SGND）的接地电阻。当控制器C向接地检测电路发送正极接地电阻检测指令时，控制固态继电器S2的闭合，在采样电阻R4两端检测到的接地采样信号传递回控制器C的I/O端口，控制器C将接收到的接地采样信号进行计算得到正极输电线缆对海水SGND的接地电阻阻值，将计算得到的正极接地电阻阻值与设定的接地电阻阈值进行比较，当测得的正极接地电阻阻值小于设定的接地电阻阈值时，触发控制器C的接地故障信号告警，该故障信号被锁存，对接驳指令进行复位和锁死。负极输电线缆对海水地SGND的接地电阻检测原理与上述类似。

在存在故障锁存信号的情况下，控制器C接驳供电指令权限被锁死，无法向接驳保护电路发送接驳指令。当故障处理完毕后，控制器C接收到人工上位机复位指令，解除故障锁存信号，重新获得向接驳保护电路发送接驳指令的权限。

Claims (4)

1.一种海底观测网接驳保护系统，其特征在于，包括控制器C、驱动器Q、采样电阻R1、采样电阻R2、采样电阻R3、采样电阻R4、半导体开关管S、固态继电器S1、固态继电器S2、中频比较器C1、中频比较器C2、中频比较器C3、高频比较器C4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4；

采样电阻R1的一端和半导体开关管S的漏极均与电源的正端连接，采样电阻R1的另一端与采样电阻R2的一端共接作为电压采样端与中频比较器C1的采样输入端和中频比较器C2的采样输入端连接，采样电阻R2的另一端、采样电阻R3的一端和采样信号地AGND均与电源的负端连接，采样电阻R3的另一端作为电流采样端与中频比较器C3的采样输入端、高频比较器C4的采样输入端连接并同时连接海底仪器设备的供电负端和固态继电器S2的输出端，中频比较器C1的输出端与二极管D1的正极和控制器C的一个I/O端口连接，中频比较器C2的输出端与二极管D2的正极和控制器C的第二个I/O端口连接，中频比较器C3的输出端与二极管D3的正极和控制器C的第三个I/O端口连接，高频比较器C4的输出端与二极管D4的正极和控制器C的第四个I/O端口连接，二极管D1的负极、二极管D2的负极、二极管D3的负极、二极管D4的负极均与驱动器Q的保护中断端口连接，控制器C的第五个I/O端口与驱动器Q的使能端口连接，控制器C的第六个I/O端口与固态继电器S1的使能端连接，控制器C的第七个I/O端口与固态继电器S2的使能端连接，驱动器Q的驱动端口与半导体开关管S的栅极连接，半导体开关管S的源极、固态继电器S1的输入端均与海底仪器设备的供电正端连接，固态继电器S1的输出端、固态继电器S2的输入端、采样电阻R4的一端均与控制器C的第八个I/O端口连接，采样电阻R4的另一端与海水地SGND和采样信号地AGND连接；所述的电源为375V或者48V直流电源。

2.根据权利要求1所述的海底观测网接驳保护系统，其特征在于，所述的半导体开关管S为MOSFET开关管，所述的驱动器Q为MOSFET开关管驱动芯片。

3.根据权利要求1所述的海底观测网接驳保护系统，其特征在于，所述的半导体开关管S为IGBT开关管，所述的驱动器Q为IGBT开关管驱动芯片。

4.根据权利要求1所述的海底观测网接驳保护系统，其特征在于，所述的控制器C为具有至少8个I/O驱动端口的控制芯片。