一种能信共传光电系统

本技术属于电力，具体涉及能信共传光电系统。

背景技术：

1、为了便于理解，先介绍本实用新型涉及的专业术语：

2、信能共传技术:指通信或者控制信号和能量同步传输的技术。

3、电流互感器(current transformer)：基于电磁感应原理，将电流进行相互变换的器件，用来进行测量或者保护。

4、激光：通过受激辐射而产生、放大的光称为激光。其频率、振动方向、相位高度一致，具有良好的相干性，激光具有定向发光、亮度高的特点。

5、电力系统是国家的能源命脉，电力系统的安全运行关系国计民生。电力电网具有高电压大电流，属于强电磁环境，而强电磁环境对各种电子器件的工作产生强烈的干扰，其可靠性受到严重影响。数字电网成为电力领域的技术发展趋势，如何将电力系统的高压侧和低压侧的控制系统进行隔离，实现数字化控制是电力行业长期以来的研究课题，而有源电子式电流互感器是电力高压侧电流采样计量与控制的数字化新方法。该电流互感器需要供应电能，一般有两种方法：一种是采用母线功能，即利用电磁感应原理，通过铁磁式互感器从高压母线上感应交流电压,然后经过整流、滤波、稳压后为高压侧信号采集系统供电；另一种方法是采用低压侧的激光供能。第一种方法的电源与信号采集系统同在高压侧，不存在绝缘问题，但是母线电流变化大，或者母线故障时，电源供应不稳定，导致系统无法工作；第二种方法可以避免第一种的弊端，但是需要具有较好的激光能量供应，不仅要求激光器的工作状态稳定，而且要求送能光纤可靠地传输激光能量，并能够同步将控制信号进行传输。

6、然而，当前的激光送能光纤存在激光功率工作下光纤容易损坏的问题，并且只能将能量和信号分为两根不同的光纤分别进行传输，不能解决现有的数字电网信能共传的技术难题。

7、中国专利cn200710118059公开了一种高压/超高压输电系统供电装置，包括一个激光送能电源、一个与该激光送能电源并联的电流互感器(ct)取能电源，以及一个对该激光送能电源和ct取能电源并联电路工作情况进行监测和控制的单元。该方案采用两路光纤线路分开的方式进行，需要单独铺设光纤，信号控制与能源供应同步性需要进一步提升。

8、中国专利cn202210930177公开了一种用于电子传感器的光纤传能能量管理系统，包括：光电转化单元，其输入端用于与传能光纤连接，光电转化单元用于将接收到的光信号转换为电信号；能量管理单元，其输入端与光电转化单元的输出端连接，能量管理单元用于对光电转化单元进行最大功率点跟踪；储能单元，其输入端与能量管理单元的输出端连接，所述储能单元用于储存所述光电转化单元输出的电能；电子传感单元，包括电源管理电路、微控制器、升压电路以及传感器，电源管理电路与所述能量管理单元连接，电源管理电路用于将所述能量管理单元输出的电压调制为稳定电压，微控制器与电源管理电路、升压电路以及传感器均连接，微控制器用于控制所述升压电路以及传感器的工作状态。该专利侧重在能量管理系统，在能量激光和信号传送的光纤方面还有进一步完善的空间。

9、中国专利cn202210815244提供一种内置型能信共传光缆，包括一体化光缆以及按照指定位置内嵌在一体化光缆内的多源异构传感器集成模块，一体化光缆内包括多条传能光纤和多条通信光纤；利用光电池将传能光纤传输的光能转化为电能为其他设备供电，通过传感器单元采集环境参数，经微控制单元和通信模组处理后由通信光纤回传。采用立体封装三维堆叠的形式对多源异构传感器集成模块进行集成化，能够减小元器件体积，提升运行稳定度。该专利将多源异构传感器集成模块内嵌设置在一体化光缆内部，不是通过同一根光纤进行能信共传，在光缆内部嵌入模块，降低了传输链路的可靠性。

10、中国专利cn202210807265提供一种外嵌型能信共传光缆，包括：多芯光缆，多芯光缆内包括多条传能光纤和多条通信光纤，传能光纤用于传输波长为第一设定值的光信号，以进行能量传输；通信光纤用于传输波长为第二设定值的光信号以建立通信；在多芯光缆外侧的多个指定位置上设置外嵌板级子系统，每个外嵌板级子系统包括光电池、能量存储管理单元、通信模组、微控制单元和传感器单元；光电池连接传能光纤以将光能转化为电能并存储在能量存储管理单元中，能量存储单元用于供电；通信模组连接通信光纤，通信模组连接微控制单元，微控制单元处理连接传感器单元。该专利需要多芯光缆和外嵌板级子系统，提高了系统的复杂度，降低了系统的可靠性。

11、综上所述，传统激光送能装置与能信共传光缆，以及报道的发明专利未能提出能信共传特种光纤与器件，系统复杂度高，强电磁环境下的可靠性受到影响，不能够很好地解决高压电力激光送能系统能信共传的技术难题。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是为了克服上述背景技术的不足，提出一种电力领域的能信共传光电系统，以实现高压侧的信号采集控制系统的可靠供电与信号控制，满足电力系统对激光送能的重大需求。

2、本实用新型提出的能信共传光电系统，其结构参见图1；由低电压侧、传输链路和高电压侧组成；其中，所述低电压侧由信号控制器a、能量激光器b和能信合并器c组成；所述传输链路由激光送能光纤d、能信分离器e组成；所述高电压侧由光电池f、直流转换器g、高压侧信号采集系统h组成；其中：

3、所述能信合并器c，由信号臂1、能量臂2和输出臂3组成；能信合并器c采用石英光纤制备而成，其中，信号臂1用于传输控制的光信号，能量臂2用于耦合能量激光，输出臂3是将控制信号光和能量光合并传输的输出臂；信号臂1的一端与信号控制器a相连，能量臂2的一端与能量激光器b相连，信号臂1的另一端、能量臂2的另一端分别与输出臂3的一端相连，输出臂3的另一端与激光送能光纤d相连；

4、激光送能光纤d，由三部分同心圆柱体组成：中心为传输控制信号光的石英纤芯7，包覆在石英纤芯7外的传输能量激光的内包层8，包覆在内包层8外面的同心外包层9，外包层9一般由低折射率涂覆树脂构成；

5、所述能信分离器e，由输入光纤臂4、信号分支输出臂5和能量分支输出臂6组成；能信分离器e采用石英光纤制备而成；其中输入光纤臂4，用于将信号控制光和能量激光合并并传输；信号分支输出臂5用于传输控制的信号控制光；能量分支输出臂6用于传输输出能量激光；输入光纤臂4的一端与激光送能光纤d相连，输入光纤臂4的另一端分别与信号分支输出臂5的一端、能量分支输出臂6的一端相连；信号分支输出臂5另一端与高压侧信号采集系统接口相连，能量分支输出臂6的另一端与光电池f相连。

6、所述光电池f，是一种能够将激光能量转换为电能的装置，具体可以采用硅光电二极管、apd雪崩光电二极管、ingaas光电二极管，一般采用ppc-6e型光电池；光电池f与能信分离器e的能量分支输出臂6相连，接收到能量激光后转换为直流电，供电给直流电转换模块g。

7、所述直流转换器g，将光电池f输出的电压(v1)转换成高压侧信号采集系统电子元器件需要的额定电压v2；直流转换模块g一侧与光电池输出端相连，另一侧与高压侧信号采集系统h相连。一般v1电压在6伏特左右，电压v2在3.3伏特左右。

8、所述高压侧信号采集系统h，将采集平台上采集到的线路的电压或电流数据信号，经过光纤(如5-4-d-3-1)的线路到达低电压侧的信号控制器a，信号控制器a根据返回的信号进行分析反馈给到电力部门的中央管理器i。这里，高压侧信号采集系统属于常规设备。

9、所述信号控制器a，用于接收和发出控制信号光；其中：

10、控制发出的信号光：发出的信号光经能信合并器c的信号臂1输入到输出臂3，连接到传输链路中的激光送能光纤d中的纤芯7中，经过能信分离器e中的输入光纤臂4输入到信号分支输出臂5，并输出，传输到高压侧的信号采集系统h中，该信号为光信号，用于控制高压侧信号采集的光传感装置。

11、控制接收信号：高压侧信号采集平台(为系统所设置)采集到线路的电压或电流数据信号，经过光纤(5-4-d-3-1)的线路到达低电压侧的信号控制器a，信号控制器a将接收到的信号进行分析反馈给到电力部门的中央管理器i。

12、所述能量激光器b，是指给高压侧的光电池供应激光能量的激光器，光电池接收到光能量后将光转化为电。能量激光器b的能量从能信合并器c的能量臂2输入，耦合到传输链路中的激光送能光纤d的内包层8中，然后经过能信分离器e中的能量分支输出臂6输出到高压侧的光电池f，光电池f将接收到的光能量转化为电能量。

13、进一步地，所述信号控制器a发出控制信号光的波长为850n长，1310nm，1550nm中的一个或多个。

14、进一步地，所述能量激光器b发出激光的波长为808nm、915nm、976nm、1064nm、1550nm中的一个或多个。

15、进一步地，所述能量激光器b一般传输的激光功率达到1毫瓦级到100瓦级，随着激光技术的发展，能量激光器的功率可望能够配置到千瓦级。

16、进一步地，所述激光送能光纤d的内包层与芯层的直径比例在8.9-19.5之间，激光送能光纤的外包层与内包层的直径比例在1.05-1.95之间。

17、进一步地，所述激光送能光纤d的芯层与内包层的折射率差在0.0040-0.0366之间；激光送能光纤的内包层与外包层的折射率差在0.012-0.089之间。

18、本发能信共传光电系统的工作流程为：

19、启动能量激光器b的激光器(如1064nm波长的光纤激光器或者850nm波长的半导体激光器)，调整到需要的输出激光功率p1。激光功率经能信合并器c的输入分支臂2将激光能量耦合进入输出分支臂3中。然后，能量激光经过与分支臂3相连的激光送能光纤d经传输链路传输到能信分离器e的分支臂4中；然后，经过能信分离器e的分支臂6输出并连接到高压侧的光电池f；光电池f接收到来自传输链路的激光能量，由光电效应输出电能,光电池输出低压为v1。光电池f输出的电压v1经直流转换g模块，将其转换成能够驱动高压侧信号采集系统h的电子元器件需求的额定电压v2。系统h中的电子元器件在来自直流转换器g提供的电源进行工作，采集到高压侧的电压或电流量数据信号，然后将采集到的信号数据通过光纤5-4-d-3-1的线路到达低电压侧的信号控制器a，信号控制器a根据返回的信号进行分析反馈给到电力部门的中央管理器i，从而完成整个回路的激光送能与采集信号的回传及反馈。

20、本实用新型能信共传光电系统结构简单可靠，信号与能量实现同一根光纤进行共传，不仅实现信号和能量传输的同步性，而且提高了高压侧信号集采与控制的可靠性，解决高压电力激光送能系统能信共传的技术难题，实现高压侧的信号采集控制系统的可靠供电。

21、与现有技术相比，本实用新型的优点主要如下：

22、(1)本实用新型中，能信共传的激光送能光纤，纤芯传输控制信号，内包层传输能量激光，具有传输同步性；

23、(2)本实用新型中，能信合并器和能信分离器件，能够很好地解决控制信号和能量激光的分离难题；

24、(3)本实用新型中，激光送能系统，结构简单，避免了大量的光电子器件，从而大幅度提升高电压电力系统强磁环境下的可靠性，适合高压输电系统与智能电网的应用；

25、(4)本实用新型中，激光送能光纤及其系统，易于实现，能够提高生产效率，适合大规模化生产。

技术特征：

1.一种能信共传光电系统，其特征在于，由低电压侧、传输链路和高电压侧组成；所述低电压侧由信号控制器(a)、能量激光器(b)和能信合并器(c)组成；所述传输链路由激光送能光纤(d)、能信分离器(e)组成；所述高电压侧由光电池(f)、直流转换器(g)、高压侧信号采集系统(h)组成；其中：

2.根据权利要求1所述的能信共传光电系统，其特征在于，所述信号控制器(a)发出控制信号光的波长为850n长，1310nm，1550nm中的一个或多个。

3.根据权利要求1所述的能信共传光电系统，其特征在于，所述能量激光器(b)发出激光的波长为808nm、915nm、976nm、1064nm、1550nm中的一个或多个。

4.根据权利要求1所述的能信共传光电系统，其特征在于，所述能量激光器(b)传输的激光功率为1毫瓦级到100瓦级。

5.根据权利要求1所述的能信共传光电系统，其特征在于，所述激光送能光纤(d)中，内包层与纤芯的直径比例在8.9-19.5之间，外包层与内包层的直径比例在1.05-1.95之间。

6.根据权利要求1所述的能信共传光电系统，其特征在于，所述激光送能光纤(d中，纤芯与内包层的折射率差在0.0040-0.0366之间；内包层与外包层的折射率差在0.012-0.089之间。

技术总结
本技术属于电力技术领域，具体为一种能信共传光电系统。本技术能信共传光电系统由低电压侧、传输链路和高电压侧组成；低电压侧由信号控制器、能量激光器和能信合并器组成；传输链路由激光送能光纤、能信分离器组成；高电压侧由光电池、直流转换器、高压侧信号采集系统组成；激光送能光纤是由芯层、内包层和低折射率外包层，芯层传输控制信号，内包层传输能量激光；该能信共传光电系统在低电压侧将能量光和信号光合并传输，在高压侧将激光能量转换成电能，实现高压电力系统中的光电隔离，解决高压侧的信号采集控制系统的供电难题，在高压电力系统与智能电网中具有广阔的应用前景。

技术研发人员：陈欣瑞,迟楠,李子薇
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：20231230
技术公布日：2024/9/23