海底观测网络技术的发展,对于海洋探测具有极其重要的价值。随着这项技术的成熟,科研人员可以实现大范围海域的长期、稳定、原位的实时观测。恒流供电的海底观测网因恒流的抗故障与鲁棒性好,将会成为未来海洋观测的重要手段之一,尤其在海底灾害与国防军工方面。本课题研究的电能管理与监控系统作为恒流供电的海底观测网络的关键子系统,结合恒流技术的特征,开发一套低功耗、小体积和可靠性高的EMS/SCADA系统,实现海底网络设备的电能与通讯的分配管理,以及实时监控系统的运行状态,并进行故障保护等功能。本文通过七个部分对研究内容进行全面的介绍。第一章简要介绍了国内外典型的海底观测网络的概况,并对比现有的海底供电技术,明确了电能管理与监控系统在恒流海底观测网的研究范畴,即重点实现单节点系统并且对后期拓展的多节点系统进行初步理论分析。第二章详细分析了系统的总体需求与功能,并进行整体方案规划(单节点详细架构与多节点网络拓扑),设计了上位机与下位机的软、硬件结合的总体EMS/SCADA系统,并介绍了电能传输、网络通讯与时间同步等子方案。第三章介绍了系统的硬件设计与功能实现,通过对硬件功能的需求分析,详细设计所有硬件功能模块,包括控制核心模块、时间同步模块和外围辅助电路。外围辅助电路分为电能接驳模块、数据采集模块和故障保护模块,并根据不同功能的对象,对各个功能模块进行集成设计。第四章介绍了系统的软件设计与功能实现,通过对软件功能的需求分析,基于TwinCAT下位机软件和WinCC上位机软件,设计了与硬件相配合的功能模块。WinCC组态的监控软件通过OPC Server读取TwinCAT中的采集数据,并显示在上位机界面。第五章探索了系统后续拓展的优化研究,整体上通过对拓扑可靠性的分析,确定拓扑结构;可靠性详细优化中,从冗余角度设计硬件冷、热储备与软件冗余服务器方案。针对多节点系统的BU进行状态估计WLS算法分析,为后续研究提供一定基础。第六章基于上述所设计的软、硬件系统功能模块进行实验室测试,包括电能接驳模块、数据采集模块、故障保护模块、时间同步模块和软件功能模块。测试完单独模块后,进行总体联合调试。所有测试的成功都证明本系统的可靠性与实用性。第七章总结了全文的工作内容,并对后续研究工作进行展望。