CN108398147A - 光纤供电的传感系统 - Google Patents

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赵伟胜
曾英霖
黄德智
施正璇
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Abstract

本发明大致上有涉及一光纤供电技术，其被配置为经由光纤向一个或多个种类的一个或多个传感器提供电力和通信。更具体地说，本发明是涉及一种光纤供电的传感系统，其包括可操作地连接到组一供电传感器模块的一激光数据模块，其中该供电传感器模块接收一光，将该光转换成一电力，并且利用该电力为一传感器供电，并且其中供电传感器模块将来自该传感器的信号传输到该激光数据模块。

Description

光纤供电的传感系统
技术领域
本发明揭示一种光纤供电(power over fiber)技术其具有透过光纤向一个或多个且多种的传感器提供电力和通信的能力。更具体地说，本发明揭示一种能够藉由使用一光伏功率转换器和至少一个传感器来产生电力的传感系统。
背景技术
光纤供电（Power over fiber，PoF）技术透过光（例如激光光，发光二极管(LED)光等）通过光纤电缆向光伏功率转换器（photovoltaic power converter，PPC）供电，该光伏功率转换器将激光光转换为电力为传感器及其他电子组件连续供电。被发射的激光光由光伏功率转换器转换成电力，通过非导电光纤电缆（提供电力）发送到目的地。非导电光纤电缆具有诸如高电压隔离，电噪声抗扰度，雷击风险降低和重量轻等优点。
传感器通常使用在不易获得电源偏远的地方，或者在危险或难以到达的地方，或者在高电压或电噪声的环境中。为这些传感器传统供电的技术包括电池，铜线（当不需要电压隔离或电噪声抗扰度时），隔离变压器以及能量收集（energy harvesting）技术。这些技术各自受到包括操作持续时间（例如电池寿命），噪声敏感度（例如铜线和隔离变压器）和低功率水平（例如低电池功率或能量收集）的限制的影响。
局部放电（Partial discharge，PD）是当导体或绝缘体上的空气被电离时发生的现象，从而导致电晕（即流过电离空气的电流），或者当导体之间发生放电时。局部放电可能会降低开关柜，电气柜，电动机，变压器，发电机或其他高压或中压隔间或电气设备，绝缘子，变电站和其他区域内和其他部件的绝缘，并可能导致灾难性的电弧闪光事件。开关设备或类似设备中的这种故障可能导致停电，设备损坏和伤害。
更具体地说，开关柜通常具有多个高压舱室（high voltage，HV），每个舱室容纳不同的设备，用于不同的功能。通常，局部放电事件最可能发生在绝缘材料劣化的位置，但是它们也可能发生在机械连接点和受到机械磨损的其他位置。在开关柜内，这些机械连接可以是总线连接的地方和/或物理接触点（例如断路器或开关）的地方。温度和湿度都是导致开关柜内发生电气事故的因素。高温表示电流过载或高阻抗，这可能被认为是绝缘击穿的原因，而高湿度将使得绝缘的快速恶化。
对于开关柜，局部放电传统上是透过放置在高压舱室内的天线进行测量的，基本上位于墙上。这些天线“听”声音事件（例如，由火花产生的声音），或者检测由局部放电事件产生的UHF信号。当检测到局部放电事件时，来自检测传感器的相应信号被发送回数据控制器并被用于监视处理。尽管先前描述的局部放电（PD）检测系统能够检测局部放电事件发生的时间，但是它们不能检测事件发生的位置，例如在高电压（HV）舱室内。此外，鉴于上述由局部放电造成的损害，更严密地监测局部放电事件，以便修理或更换损坏的部件是有利的，如果无人看管可能导致电弧闪光，爆炸或起火。然而，在一些地方，例如在开关柜内，传统的局部放电传感器（声波或UV）不能接近局部放电事件的可能位置，或者不容易测量局部放电事件，从而限制了传统的局部放电监测能力。
例如，在断路器隔室中，断路器臂与具有机械手指（mechanical fingers）的“接触器”物理接触，该机械手指在断路器臂周围压缩，从而允许电流流过连接。这样的机械连接点遭遇局部放电事件的原因是由于磨损和零件重复使用而松动或者不精确的制造导致电流和电压不平衡。这里的局部放电事件可能导致可能的灾难性的电弧闪光故障。检测这些局部放电事件的位置存在重大挑战，因为连接点被断路器臂围绕，该断路器外壳吸收或衰减典型的局部放电指示器（声波和UHF信号），该信号由局部放电天线所检测。如此，传统的局部放电解决方案不太可能检测断路器隔室内的低强度局部放电事件。此外，传统解决方案不能够检测局部放电事件产生的精确位置（例如断路器连接）。
传统检测方法的限制部分是由于法规限制在某些类别的设备中或在电噪声环境中使用低压（low voltage，LV）接线进入高压舱室。即使在法规允许局部放电天线/传感器位于高压舱室内的情况下，通过低压接线接收电力的系统也不能直接放置在高压总线或连接点上，而没有显着的预防措施和费用，以降低接地故障。因此，如上该，局部放电天线和传感器（以及其他传感器类型）传统上位于断路器臂外壳外部的隔间壁上。此外，上述传感系统历来不能够测量在这些环境中导致电弧闪光的所有参数。因此，发展失效模式的能力以及在失效发展之前建议预防性维护的能力受到限制。
发明内容
本发明之第一目的是提供一传感系统。该传感系统包括：一个激光数据模块；一供电传感器模块，其包括光伏功率转换器；和一第一传感器，其安装在供电传感器模块的内部或外部。该供电传感器模块接收一光，将该光转换为一电力，并且利用该电力供电给该第一传感器。该供电传感器模块将来自该第一传感器的信号传输到该激光数据模块。
根据本发明之一特征，该供电传感器模块经由一光缆可操作地连接到该激光数据模块。
根据本发明之一特征，该激光数据模块包括一光源，其中该光源是一连续激光，一脉冲激光或一发光二极管(LED)。
根据本发明之一特征，，其中该第一传感器系选自由以下组成的组群：一环境温度传感器，一表面温度传感器，一电磁辐射传感器，一光传感器，一湿度传感器，一声学传感器，一超声波声音传感器，一压力传感器，一振动传感器，一磁场传感器，一电信号传感器，一流量传感器和一光纤传感器。
根据本发明之一特征，该第一传感器是一光传感器，该光传感器包括检测紫外光的一第一光电检测器和检测可见光的一第二光电检测器。
根据本发明之一特征，该声学传感器是一接触式声学传感器或一机载声学传感器。
根据本发明之一特征，该第一传感器使用配置成降低一数据传输速率的一数字信号处理器集成电路来传输数据。
根据本发明之一特征，该供电传感器模块进一步包括一内存和一系统处理器，该系统处理器被配置为传送选择数据样本或特定时间带的数据并组合来自多个传感器输入的数据。
根据本发明之一特征，该光伏功率转换器包括一光伏电池，其中该光伏电池是垂直多接面光伏电池。
根据本发明之一特征，该激光数据模块位于一低电压舱室中，并且该电力传感器模块位于一中压或高压舱室中，其中该低，中或高电压室是开关柜的舱室。该供电传感器模块直接安装在总线上或接近一断路器臂的机械指状物。
根据本发明之一特征，该传感系统包括多个传感器。
根据本发明之一特征，该供电传感器模块检测一传感状况。该第一传感器能够检测该传感状况的一方向性。
根据本发明之一特征，该传感系统确定该传感状况的一位置，时间，强度和/或持续时间。
根据本发明之一特征，该供电传感器模块还包括额外的能量储存。
根据本发明之一特征，该第一传感器安装在该供电传感器模块内部以定向地指向一检测位置。在一些例子中，该第一传感器延伸穿过该供电传感器模块的一外壳以定向地指向该检测位置。
根据本发明之一特征，该供电传感器模块进一步包括一个或多个位于外部的传感器，该传感器被定位或定向成比该供电传感器模块更靠近的一检测位置。
根据本发明之一特征，该供电传感器模块还包括一外壳，该外壳包括在该外壳的内侧上的一金属屏蔽。该金属屏蔽被配置成允许外部信号到达该传感器。
根据本发明之一特征，该激光数据模块同时对该供电传感器模块的输出进行供电和监测。在一些例子中，该传感系统还包括一第二供电传感器模块，其中该供电传感器模块被配置为操作在不同的功率水平和数据通信速率。
根据本发明之一特征，该供电传感器模块在每个传感器读数之间以低功率模式操作。
根据本发明之一特征，该激光数据模块还包括一信号处理器，该信号处理器被配置成解释传感数据并在超过指定的阈值限制时发出警报。
根据本发明之一特征，该供电传感器模块进一步包括一信号处理器，该信号处理器被配置成解释传感数据并在超过指定的阈值限制时发出警报。在一些例子中，该供电传感器模块包括多个信号处理器，其中至少一个信号处理器被配置为同时解译来自多个传感器的数据，并在超过规定的阈值限制时发出警报，并且其中至少一个信号处理器被用于外部通信。在一些例子中，该些信号处理器中之一者经配置以解译来自一个或一个以上传感器的传感信号且进一步处理该信号以确定何时发生一光纤的断裂或断开。
根据本发明之一特征，其中一连续的数据流从该供电传感器模块向该激光数据模块提供。在一些例子中，该激光数据模块经配置以检测一数据丢失，其中该数据丢失指示一光缆的中断或断开。且在一些例子中，该激光数据模块被配置为在数据丢失上终止或不能初始化功率。
根据本发明之一特征，该激光数据模块包括一4类激光器，该4类激光器分散到多个较低功率，例如1类激光器通道中。在一些例子中，该多个较低功率的1类激光器信道的一输出被配置成基于在操作期间对该供电传感器模块的需求向多个供电传感器模块提供不同的功率水平。且在一些例子中，该多个较低功率的1类激光器通道的一输出可以被配置成基于在操作期间对该供电传感器模块的需求来向多个供电传感器模块提供变化的功率水平。
本发明之第二目的是提供一传感系统。该传感系统，包括：一激光数据模块，其包括一光源，该激光数据模块经由光缆可操作地连接到包括一光伏功率转换器的一供电传感器模块，其中该供电传感器模块接收来自该光源的一光并将该光转换成一电力；和其中该电力被用于为可操作地连接到传感器模块的传感器或电子器件供电。
根据本发明之一特征，该供电传感器模块被配置成经由一光缆向一第一传感器提供该电力。
根据本发明之一特征，该第一传感器被一用户分离地配置且加在该传感系统外部。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的方面或示例的以上和其它特征，示例和优点，其中：
图1是一传感系统的示例性激光数据模块的示意图。
图2是连接到在此描述的该传感系统的示例性传感器的示例性激光数据模块的透视图。
图3是本文描述的该传感系统的示例性传感器模块的示意图。
图4是本文描述的传感系统的示例性传感器模块的透视图。
图5是一传感器模块的一光伏功率转换器的透视图和内部视图。
图6是具有外部传感器并安装到一总线的一传感器模块的透视图。
图7是一传感系统中的一激光数据模块与多个传感器模块之间的示例连接的示意图。
图8是一传感系统中的一激光数据模块与多个传感器模块之间的示例连接的另一个示意图。
图9是用于检测光的传感器模块中的窗口的示例。
图10是用于检测光的传感器模块中的窗口的另一示例。
附图中的符号说明：
100 激光数据模块；102 外部电源；104 处理器；106 光源；108 光纤电缆；110 数据光纤电缆；112 收发器；114 中央监测系统；200 传感器模块；202,212 连接器；204,206,208,210 传感器；212 光学收发器；214 信号处理器；215 外壳；216 基座；218 切口；220 槽；500 光伏电池；700 低压柜；702 高压柜；800 组合器盒；900 光电检测器；902 窗口；904光检测特征；906 光检测特征。
具体实施方式
考虑到上述常规局部放电事件检测能力的局限性，本发明描述了一种利用光纤供电（PoF）的传感器模块系统，其可以同时经由光纤将功率和通信提供给一个或多个在不同地点与种类的传感器，包括危险，难以到达的高电压或电噪声环境。在一示例，这里描述了用于检测开关设备内的温度，湿度和局部放电（PD）的光纤供电传感器模块系统。当然，应该注意的是，虽然这里的描述主要是针对局部放电监测系统的，但是将该系统用于其他应用和其他传感器类型也在本发明的范围内。
更具体地说，这里描述的光纤供电传感器模块系统包括向一个或多个连接的传感器模块提供光纤供电的激光数据模块（laser data module，LDM）。作为示例，每个传感器模块可以位于分离的总线上，靠近断路器臂的机械手指，或者位于局部放电事件附近的单独的断路器臂外壳中（或者在其它中和高电压位置中），以及更多通常在通过常规技术接收电力可能困难或不理想的任何地方。本发明的传感器模块包括电力传感器，其检测包括局部放电事件，表面或环境温度和湿度，UV和可见光，声学，振动和压力的变化的各种传感状况，并将检测到的信息传输回数据光纤上的激光数据模块。激光数据模块可以处理来自传感器的数据，并将分析结果传递给数据监测系统。监控系统可以位于模块本身或其附近，也可以位于远处。
通过以上描述，本文描述的系统能够检测到比安装在腔室壁上的传统声学或UHF局部放电传感器更低的强度局部放电事件，而不是直接在诸如总线的高电压区域。本文描述的系统还能够确定局部放电事件发生在何处（例如，在哪个总线上或在哪个断路器连接处）。这也允许更早地检测局部放电事件，以便设备可以被预定用于预防性维护，从而避免由于电弧闪光或类似的灾难性故障而导致的意外设备停机或工厂停机。早期检测和更敏感的传感器检测的优势可以推广到其他在噪声环境中工作的传感器类型，或者在光纤供电之前，在事件附近进行传感困难，甚至不可能获得的环境中。例如，光纤供电的温度传感器可以放置在高压总线上，提供连续的总线温度监测。
光纤供电技术通过光纤电缆（fiber optic cables，在本文中也被称为电力光纤电缆，或简称光缆）经由激光或其他光源向光伏功率转换器供应电力，所述光伏功率转换器将激光转换成连续的电力供应。通过非导电光纤电缆提供光（以提供电力）到发射的激光被转换成电的目的。非导电光纤电缆提供非常高的电压隔离和电气噪声免疫力，确保传感器读数据的完整性和准确性。
图1和图2中示出了示例激光数据模块。如应用于本文的系统，激光数据模块（LDM）100被电力供电（例如，来自外部电源102），并且包括一个或多个处理器104和光源106。光源106可以是，例如连续或脉冲源激光，发光二极管(LED)或耦合到功率光纤电缆108中的任何其他光源。较佳地，激光输出功率为大约1.25W，并且具有大约 976nm的中心波长，然而这些参数可以针对特定应用进行调整。
激光数据模块100可以位于低压（LV）腔室（当需要符合ANSI标准时），或者位于开关柜或其他区域的中压或高压区域（当规定允许时）被监测。在其他实施例中，激光数据模块100也可以位于被监测的腔室或区域的外部。如上所述，上游的激光数据模块100经由电力光纤电缆108向传感器模块200供电。因此，该传感器模块200是一个供电(powered)传感器模块，激光数据模块100可以通过数据光纤电缆（或光缆）110从传感器模块200接收传感器读数，并且在一些实施例中还可以通过数据光纤电缆110向传感器模块200发送命令。激光数据模块100与传感器模块200之间的通信可以是经由收发器112的双向的，或者激光数据模块100可以被配置为仅接收来自传感器模块200的传感器数据。一个或多个收发器112可以产生用于经由数据光纤电缆110经由激光数据模块或其他光源传输的光学数据。在使用发光二极管(LED)的实施例中，其优选地在850nm中心波长处输出具有45μW的光，以通过RS-485接口以115,200bps传输。电力和数据也可能通过相同的光缆传输。或者，电力可以经由光纤电缆108传输，而数据可以经由无线收发器（未显示）传输到传感器模块200或从传感器模块200传输数据。
激光数据模块100的处理器104可以用于控制光源106的电源和操作，且还可以包括或相关于内存的传感器数据的数据储存或控制来自激光数据模块100的信号。处理器104还可以被配置为将通过数据光纤电缆110从传感器模块200接收的传感器数据组合（例如，多任务）到激光数据模块 100，分析接收到的数据并将分析传输到中央监测系统114，和/或经过传感器数据到监视系统114。作为分析的一部分，处理器104可以确定可能由复杂的信号处理导致的局部放电事件（或其他传感的条件）的发生位置，时间和其他性质，以检测并描述事件的特征。这可以是对传感到的状况的强度，持续时间，位置，事件数量等的分析。此外，处理器104和/或监视系统114可以被配置为监视一段时间内的局部放电事件（或其他事件类型）和状况的改变，以确定例如事件和状况的进展。处理器104还可以关联来自多个传感器和/或多个传感器模块200的信息。分析可以实时进行。激光数据模块 100可以同时给传感器模块200供电并监视其输出。在其监视输出的能力中，激光数据模块100的信号处理器104可以被配置为解释来自传感器模块200的数据，并且在指定的阈值(threshold)限制（例如强度，强度持续时间，位置，事件的数量或事件的频率）超过时警报。由于这些阈值限制是特定于应用程序的，因此可以由最终用户根据具体情况确定。该系统可以配置为识别特定应用程序的期望阈值并且也适当地作出响应。由于局部放电可以指示绝缘劣化的开始，所以操作员可以选择关闭以维修设备，或者可以选择随着时间的推移监视活动进展，提供在两者之间提供长期监视和信息的能力监测的环境条件和设备健康。
来自传感器模块200的这个数据流(data stream)可以如上所述在激光数据模块100或中央监测系统114处被分析，以确定局部放电或其他事件的发生或可能性。还可以分析数据流以检测和监测光纤电缆108,110正确连接，没有损坏，正确安装和其他故障。如果检测到故障，则传感系统可以终止或不初始化光（激光）源106的电力。通过以已知的速度向激光数据模块100提供连续的数据流，激光数据模块100能够检测到数据，从而确定何时发生光纤断开或断开。如果在预先配置的时间量内检测到数据丢失，则激光数据模块100可以在数据丢失时终止或不初始化到光源的功率。对这个确定的响应时间可能是几毫秒或更少。以这种方式，传感系统是一个容错系统，允许更高功率的4类(Class 4)激光被用作较低功率系统，例如1类(Class 1)激光系统。在一个实施例中，该反馈回路也可以具有改变激光的功率，而不是完全关闭的能力，从而根据需要调整激光输出功率。
虽然可以理解，根据一个实施例，激光数据模块100的外部尺寸可以由特定应用的物理限制/参数确定，但是激光数据模块100通常采用矩形棱柱的形状，其总外部尺寸为约57毫米(mm)高，107毫米(mm)宽和166毫米(mm)长。
示例性传感器模块及其特征在图1和图2中示出。如上所述，图2是连接到传感器模块200的激光数据模块100的透视图。关于图3，显示了根据第一实施例的传感器模块200的示意图。位于激光数据模块100下游的传感器模块200包括光伏功率转换器（photovoltaicpower converter，PPC）202，其将从光纤电缆108接收到的光转换为电力。
传感器模块200的组件被包含在外壳(housing)215中。取决于实施例，外壳215可以由塑料制成，并且可以是透明的或半透明的，不透明的或其组合（例如具有透明的外壳，或其中的不透明半透明窗口）。外壳215还可以具有用于束带安装的槽220。在一些实施例中，外壳215可以搁置或附接（例如，用螺钉或胶水）到基座216。如图4所示，基座216可以在至少一个维度上延伸超过外壳215。基座216可以是金属的以提供接地平面。基座216还可以具有弓形形状的切口218等，以便于将传感器模块200安装到被监测装置（例如，总线）。
尽管可以理解，根据一个实施例，传感器模块200的外部尺寸可以由特定应用的物理限制/参数确定，但是基部216和外壳215的总高度是大约22或23毫米（mm），传感器模块200的宽度约为37毫米，传感器模块200的总长度（包括延伸超过外壳215的基座216的部分）约为71毫米（mm），基座216延伸超过外壳215大约23毫米（mm），外壳215的长度大约为48毫米（mm），切口的宽度大约为14毫米（mm）。连接器202,212可以从外壳215延伸大约10.5毫米（mm）并且彼此间隔大约8毫米（mm），其中该连接器202是一光伏功率转换器202。
根据另一个实施例，基座216和外壳215的总高度约为19毫米（mm），基座216约为2毫米（mm），传感器模块200的宽度约为33.5毫米（mm），传感器模块200的总长度为大约74毫米（mm），基座216延伸超过外壳215约23毫米（mm），外壳215大约50毫米（mm）长，切口的宽度约为14毫米（mm），切口的长度约为17毫米（mm）。
如图5所示，连接器202可以光伏功率转换器202，可以包括用于将光转换成电的光伏电池500。光伏电池500可以是例如垂直多接面（vertical multi-junction，VMJ）光伏电池（VMJ PV电池）或其他光伏电池材料类型和/或装置构造。光伏功率转换器202向传感器模块200提供功率，使得可操作地连接到传感器模块200的传感器204,206,208,210可以连续地监测条件和事件（例如，环境温度，湿度，振动，压力，总线温度（表面安装的温度），局部放电，电弧闪光等等）。传感器模块200可以可操作地连接到一个传感器或多个传感器，其中传感器可以独立地或组合地检测一个或多个变量。光伏功率转换器202较佳地与用于光纤电缆108的母型(female)FC连接器集成并且被包括在其中。以这种方式，光纤电缆108可以被插入到传感器模块200外部的连接器中，向传感器模块的内部输出电力（+ V，-V）以进行配电。如图5所示，光伏功率转换器202的光伏电池500可以被包括在连接器的背面以接收来自光纤电缆108的光。光伏电池500的输出连接到作为光伏功率转换器的连接器202的+V和-V端子。
在使用一个或多个垂直多接面(VMJ)电池的光伏电池500的光伏功率转换器202的情况下，光伏功率转换器202的电压输出基于垂直多接面(VMJ)电池的光伏电池500500的电压输出，其取决于垂直多接面(VMJ)电池的光伏电池500内的接面数量。垂直多接面(VMJ)电池的宽度取决于垂直多接面(VMJ)电池的接面的数量。举例，垂直多接面(VMJ)电池的电压输出可以是名义上6V，或者18V，或者不同的电压，取决于接面的数量。此外，光伏功率转换器202的电压输出也可以根据包括输入光强度和电池温度的操作条件而变化。
光伏功率转换器或其他光伏电池类型可以安装到散热器或其他可以帮助散热的封装上，并且提供到电池的电连接以用于功率输出。 垂直多接面(VMJ)电池接面可以垂直于散热器（例如，铜热管）或包装。在一示例性配置中，垂直多接面(VMJ)电池单元厚约0.3毫米(mm)（0.012英寸），并且经由约0.4毫米(mm)厚（0.0015英寸）厚的热环氧树脂安装到约0.74毫米(mm)至7.6毫米(mm)（0.0290至0.300英寸）厚的陶瓷基板（例如氮化铝）上（例如氮化硼）。然后用另一个约0.4毫米（0.015英寸）厚的热环氧树脂将基板安装到散热器上。
该传感器模块200还可以包含或接近光学收发器212，光学收发器212从激光数据模块100接收命令并且经由数据光纤电缆110将收集的传感器数据发送回激光数据模块100。当然，传感器模块200可替代地包含发射器，以在其不需要从激光数据模块100接收命令时将其传感器数据发送回激光数据模块100。对于有线(wired)的实施例，传感器模块200较佳地包括母型ST连接器，收发器可以被集成以与数据光纤电缆110接口。传感器模块200还可以与激光数据模块100或者位于激光数据模块100外部的无线收发器无线通信。
传感器模块200还可以包括额外的能量储存，从而具有储存功率供以后使用（例如，使用电池或电容器，未示出）的能力或者改变数据通信速率以便降低通信速率，也因此降低了能源消耗。对于一些传感器来说，以温度为例，低取样率就足以提供必要的监测信息。低取样和低传输速率需要较低的功耗，因此有助于减少所需的激光功率输入量。传感器取样率也可以降低，以便更轻松地达到1类激光安全标准。当然，更高的取样率可能是需要的，如果较佳的话也可以使用。
在一些实施例中，根据本发明的传感系统包括多个传感器模块200。在一个实施例中，传感器模块200可以被独立地或共同地配置，并且以不同的功率水平运行并且向激光数据模块100以不同的通信速率提供数据。根据为每个信号（包括输入信号和输出信号）选择的通信速率，传感器模块200可以在每个传输之间以低功率模式操作。最后，传感器模块200可以将来自多个传感器信号的数据组合到发送的数据流中。
在一些实施例中，到传感器模块200的电力输入可以直接连接/分配到与传感器模块200相关联的各种传感器204,206,208,210。类似地，收发器212可以直接连接到传感器204,206,208,210。然而，其它实施例可以利用传感器模块200中的处理器214来进一步处理来自激光数据模块100的命令和来自传感器模块200的组件的信号。在该实施例中，系统处理器214可以是配置为传输全部数据或选择数据样本。或者，它可以配置为选择，处理和传输特定时间段的数据。来自多个传感器输入的数据可以在传送之前被组合，或者数据可以被离散地传送。监视输出的传感器，传感器模块200的信号处理器214可以被配置为解释来自一个或多个附接的传感器204,206,208,210的数据，并且当超过规定的阈值限制（例如上述那些限制）时和/或当光纤已经发生断线或断线警报。
在一些实施例中，传感器模块200包括多个信号处理器214。在该配置中，至少一个信号处理器214同时检测并解释来自多个传感器的数据，并且可以在超过指定的阈值限制时和/或发生光纤断裂或断线时警报。当存在多个信号处理器214时，一个信号处理器可以用于外部通信，例如与激光数据模块100的通信。
利用上述基于光纤供电的传感器模块系统，传感器模块200可以用于高电压区域，例如用于监测总线温度，湿度或其他参数的中高压开关设备，以防止发生电弧闪光在设备中。尽管这里描述的传感系统通常是关于开关柜来描述的，但是其也可以用在需要传感的其它设备上，例如在需要高电压隔离的高电磁干扰（electromagnetic interference，EMI）条件的区域中需要传感，其中高电压电力管理或分配，和/或位置是在外壳或难以进入的区域，以及危险环境中的设备，开关，变压器，电动机或旋转机器，电气或机电系统，雷电保护系统等。有鉴于此，激光数据模块100可以较佳地在危险条件下以及在约-20℃与70℃之间操作，并且传感器模块200较佳地也可以在危险条件下以及在约-40℃与120℃之间操作；并且都可以较佳地在湿度在约10％和95％之间的条件下运行。
此外，在这样的设备中，由于变化的条件可能由于高电压而导致电弧闪光（例如，在具有5kV和38kV之间的电压的系统中，如5kV，10kV，27kV，或38kV系统以及其他更高或更低电压水平的系统），希望能消除金属线并隔离设备的电源。在此，当给出例如5kV和38kV之间的范围时，这表示至少5kV，并且分别且独立地不超过38kV，并且包括在其间的所有值。具有这样范围的值，例如10kV，15kV或20kV，也以相同的方式分开和独立地包括所公开的范围的上限和下限。
考虑到用于光纤供电系统的上述配置，传感器模块200可以是完全电隔离的，并且对电磁干扰是免疫的，并且因此可以安装在中等或高电压区域中，并且直接与总线接触，这在传统的监控系统是不可能的。例如，在一个实施例中，传感器模块200在外壳215的内侧上包括金属屏蔽（例如铝屏），以提供电子器件的电磁干扰屏蔽。在金属屏蔽物中包括一开口(opening)允许外部信号到达屏蔽传感器模块200内的传感器。此外，传感器模块200可以装配在断路器臂外壳（或类似的小的，狭窄的，难以到达的，狭窄的或例如在中压或高压电气设备内），同时仍然通过数据光纤电缆110与监控系统通信。另外，如果封闭空间或难以到达的区域需要比传感器模块200更小的传感器，传感器208,210可以从传感器模块200延伸到更小的空间。例如，如上所述，传感器208,210可以位于传感器模块的外部。这种配置在图6中示出。在图6中，传感器模块200被安装到例如断路器排(bar)600。外部传感器可以，例如，是本文所述的任何传感器。这些外部传感器还可以包括应用情况所需的光纤，光导管，定向透镜或光纤传感器。该系统同时符合标准（例如，ANSI）和实现上述规定。
从传感器模块延伸的传感器模块200和/或传感器208,210可以被附接到绝缘体，金属，环氧树脂或其他材料内，或者被包围在绝缘体，金属，环氧树脂或其他材料中以获得对于表面，装置或通常被保护材料包裹的位置，因此传统传感器配置不可限定。例如，固体绝缘总线系统将带有绝缘层的总线包裹起来。传感器模块200可以在总线被绝缘材料包围之前安装到总线。光纤电缆可以在绝缘材料下面运行，或者可以穿透传感器模块附近的绝缘材料，并继续到达绝缘体外部的激光数据模块100。
图7示出了在此描述的传感器模块系统的配置，其中激光数据模块100位于低压柜700中并且传感器模块位于高压柜702中。根据该实施例，激光数据模块100可以将其中单个高功率激光源（光源106）分散进入较低功率激光的多个光纤信道中，以从同一光源106向多个传感器模块200供电，由此增加系统可靠性并减少组件。在离开激光数据模块100之前将光源106输出分成多个较低功率通道，藉此降低由于激光数据模块100外壳之间的光纤断裂而可能发生的曝光水平，简化了系统的实现。或者，激光数据模块100可以包括激光数据模块100内的多个光源，并且每个激光源本身可以将其输出分成多个较低功率光纤激光信道（在内部或在激光数据模块 100外壳的外部）。
根据光纤电缆108,110的长度，传感器模块200可以在距激光数据模块100的各种距离处连接。由于这样的配置使用多个传感器和传感器模块200，所以激光数据模块100还可以将数据信道读数(reading)从每个传感器模块远程传送传感器模块/设备状态（例如，到中央监测系统114）。例如，激光数据模块100还可以配置有多个收发器112，用于通过每根数据光纤电缆110传送数据。当然，这个数据可以在收发器112和每个传感器模块200之间（去）多任务，或者收发器112可以与每个传感器模块200共享公共线路，因此，与激光数据模块100，中央监测系统114和/或相应的传感器模块200相关的数据可以被编码/译码。
根据图8的实施例，激光数据模块100还可以与位于激光数据模块100和传感器模块200之间的组合器盒800一起使用。利用这种配置，组合器盒800，而不是激光数据模块100，将从激光数据模块100输出的激光通过其中的光源106分成多个通道以分配到多个传感器模块200中的每一个。组合器盒800还可以在激光数据模块100和传感器模块200之间传输的数据信号（去）多任务。
传感器模块200也可以经由光纤电缆连接到另一传感器模块。例如，来自光纤电缆的激光可以进入靠近传感器模块的分路器(splitter)。从分路器出来的一根光纤可以进入传感器模块，而另一根光纤被路由到更远的第二传感器模块。再次，在第二传感器模块处，另一个分路器可以将激光分成两个或多个光纤，其中一个光纤进入第二传感器模块，而另一个光纤被路由到第三传感器模块。这个过程可以继续，使许多传感器模块连接在一起。这种布线方法的好处是减少了必须从激光数据模块运行的光纤电缆的数量，以便为每个传感器模块供电。根据需要，可以选择分路器以将相同量的光路由到每个传感器模块，或者将不同比率的激光路由到每个传感器模块。
在另一个实施例中，可以将电池，电容器或其他附加形式的能量储存添加到传感器模块200。激光数据模块100可以向传感器模块200发送比正常操作传感器模块所需的更多的激光功率200。由光伏功率转换器202产生的多余电力可以被存储在能量储存装置中以供以后使用。在该实施例中，传感器模块200内的光伏功率转换器202可能不提供足够的连续功率，以允许所有期望的传感器在正常操作期间连续运行。在这种情况下，有些传感器可能会进入低功耗模式，或处于休眠状态，只能定期运行。根据需要，任何传感器都可以配置成利用储存在能量储存装置内的多余电力来进行操作。
如上所述，每个传感器模块200可以包括各种传感器204,206,208,210中的一个或多个，用于检测传感器位置处的环境状况（即，传感状况）的。这些传感器204,206,208,210由从光伏功率转换器202输出的电力供电，该光伏功率转换器202利用由光源106提供的电力。传感器204,206,208,210可以检测环境温度，总线上的表面温度（或其安装到的任何表面），电磁辐射，湿度，超声波声音，其他声音，压力，振动，磁场，电信号（电压和/或电流），流速，光纤传感器等。这种传感器可以包括换能器，例如热电偶，热敏电阻，光电检测器，应变仪，电位计，电阻组件等。每个传感器可以同时或依次操作，因此可以同时检测，例如温度和光。较佳地，传感器包括温度传感器，包括环境温度传感器和表面温度传感器，诸如用于检测可见光，UV光，红外光，γ射线，无线电波（包括UHF）和X射线的电磁辐射传感器，湿度传感器，包括声音和超声波声音传感器的声学传感器，压力传感器，振动传感器，流速传感器和光纤传感器。特别地，传感器包括声学传感器（包括接触式声学传感器和空气声学传感器），光传感器，湿度传感器和温度传感器。更佳地，传感器是声学传感器，特别是传感30kHz和400kHz之间的频率范围的声学传感器，以及用于传感30kHz和400kHz之间的离散频带的声学传感器。
此外，传感器模块200可使用光（IR，UV，可见等），声音，超声波，无线电波，压力，振动，磁场，电信号，光纤传感器或其他检测局部放电的方式，通过光纤供电系统的电压隔离成为可能。传感器模块200经由光纤供电系统供电，并且用于检测局部放电的检测的传感器204,206,208,210可以包括一个或多个类型的一个或多个传感器，包括例如耦合电容传感器，无线电高频电压传感器，射频电流传感器，电流互感器，电压传感器，电压互感器，电光转换器，天线，光纤传感器和高频电流互感器（high frequency current transformer，HFCT）。
根据本发明的传感器可以内部地安装在传感器模块200外壳内，或者远离传感器模块200外壳。在一些实施例中，传感器可被安装成方向性指向可能的检测位置（例如朝向机械接触点）。在一些实施例中，特别是包括外部安装传感器的那些实施例中，传感器可以被定位或引导为比传感器模块200本身更接近可能的检测位置。在一些实施例中，特别是包括内部安装传感器的那些实施例中，传感器可以延伸穿过外壳以定向地指向可能的检测位置。以这些方式，传感器不仅可以提供关于传感状况的持续时间的信息，而且传感器可以检测传感到的状况或事件的方向性。这个信息又可以被传感系统用来确定事件的位置，时间，强度和/或持续时间。
图9和图10显示出根据本发明可以使用的传感器模块200中的光检测。对于光检测，传感器模块200的传感器204,206,208,210可以包括用于检测辐射的一个或多个带宽（bandwidth）（例如，由电晕发射的〜240〜405奈米（nm）的UV和〜400-700奈米（nm）的火花发射）。光电检测器900可以检测光的强度和持续时间。一个光电检测器900可以用于每个波长带，和/或多个光电检测器900，具有不同的波长带，可以用来帮助检测方向和强度差异。光电检测器也可以定向在不同的方向（例如，对于定向光电检测器-那些仅从有限方向探测光的检测器，而不是360度），或者根据应用远程定位。光电检测器可以具有各种设计和形状，以便最好地适应期望的功能。在较佳实施例中，传感系统包括光传感器，其包括用于检测UV光的第一光电检测器和用于检测可见光的第二光电检测器。
如上所述，在一些实施例中，传感器模块外壳215可以是清晰的（透明的）以允许目标波长的光（能量）到达传感器；或者可以是不透明的且包括窗口(window)902。窗口902可以是透明的，磨砂的或者着色的。窗口902也可以与外壳215齐平，或者在外壳215上方较高处，如图9和10所示。在一些实施例中，窗口902可以是平坦的，和/或具有光引导特征904,906，以允许光根据引导特征的形状从一个或多个方向进入。例如，图9中示出了锥形光检测特征904。圆锥形特征904形成在光电检测器900上方的窗口902中，并且通过它们的形状，可以将光从任何方向（如箭头所示）导向光电检测器900。图10示出棱镜形状的光检测特征906。通过它们的形状，这些光检测特征906可以将来自特定方向（如箭头所示）的光导向光电检测器900，并且可以提供关于发生局部放电事件的方向的信息。
在替代实施例中，本发明的传感系统可以被配置为“可定制的”(customizable)，也就是说，其可以包括所需的功率和通信组件，包括类似于先前那些的激光数据模块 100和功率传感器模块200，但允许终端使用者通过标准通信接口(interface)选择并集成或附加其专用传感器与传感器模块200。如上所述，它是包括激光数据模块100和传感器模块200的传感系统。激光数据模块100包括光源106，诸如上面讨论者。激光数据模块100和传感器模块200经由一个或多个光纤电缆108,110可操作地连接。如上所述，传感器模块200接收来自激光数据模块100的光源106的光，并将该光转换成电力。然后，电力被终端用户用于已经供电给并入传感器模块200中的一个或多个传感器或其他电子组件。在一实施例中，待由终端用户合并的传感器，通过一个或多个光纤电缆连接到传感器模块200。
注意到，上述任何方面或方面的组合可以经由硬件或软件来实现或控制。例如，这些方面可以在处理器或多个处理器上实现。这些处理器也可以被嵌入或集成到其他设计用于单独目的的处理器中，例如作为中央处理单元（central processing unit，CPU）的一部分。
如本发明所使用的“处理器”是指由任何数目的电子组件（包括例如电阻器，晶体管，电容器，电感器等等）组成的任何电子电路或电路的一部分。该电路可以是任何形式的，例如包括集成电路，一组集成电路，微控制器，微处理器，印刷电路板（printed circuitboard，PCB）上的一组离散电子组件等。处理器也可以是独立的或者是计算器的一部分。这些方面的实现可以通过硬件或软件实现在任何数量的电子设备和/或应用中，包括但不限于个人计算器，服务器，移动电话等。而且，上述方面和/或方面的组合可以存储在可由所述处理器之一执行的内存中。在一个实施例中，传感系统包括数字信号处理器集成电路，该数字信号处理器集成电路可以被配置为连续取样或者被配置为在特定的数据时段取样在后一种配置中，可以减少数据传输速率，从而实现整体节能。还应该指出的是，以上描述是非限制性的，并且这些示例仅仅是可能的处理器和实现方式中的少数几个。
尽管上面描述的本发明的实施例构成了优选的实施例，但是应该理解，可以对其进行修改而不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的精神和范围。

Claims (41)

1.一种光纤供电的传感系统，其特征在于，包括：
一个激光数据模块；
一供电传感器模块，其包括光伏功率转换器；及
一第一传感器，其安装在供电传感器模块的内部或外部，
其中该供电传感器模块接收一光，将该光转换为一电力，并且利用该电力供电给该第一传感器；及
其中该供电传感器模块将来自该第一传感器的信号传输到该激光数据模块。
2.根据权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该供电传感器模块经由一光缆可操作地连接到该激光数据模块。
3.根据权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该激光数据模块包括一光源。
4.根据权利要求3所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该光源是一连续激光，一脉冲激光或一发光二极管。
5.根据权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该第一传感器是选自由以下组成的组群：一环境温度传感器，一表面温度传感器，一电磁辐射传感器，一光传感器，一湿度传感器，一声学传感器，一超声波声音传感器，一压力传感器，一振动传感器，一磁场传感器，一电信号传感器，一流量传感器和一光纤传感器。
6.根据权利要求5所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该第一传感器是一声学传感器，光传感器，一湿度传感器或一温度传感器。
7.根据权利要求6所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该第一传感器是一光传感器，该光传感器包括检测紫外光的一第一光电检测器和检测可见光的一第二光电检测器。
8.根据权利要求6所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该第一传感器是一声学传感器。
9.根据权利要求8所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该声学传感器是一接触式声学传感器或一机载声学传感器。
10.根据权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该第一传感器使用配置成降低一数据传输速率的一数字信号处理器集成电路来传输数据。
11.如权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该供电传感器模块进一步包括一内存和一系统处理器，该系统处理器被配置为传送选择数据样本或特定时间带的数据并组合来自多个传感器输入的数据。
12.根据权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该光伏功率转换器包括一光伏电池。
13.根据权利要求12所述的光纤供电的传感系统，其特征在于该光伏电池是垂直多接面光伏电池。
14.根据权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该激光数据模块位于一低电压舱室中，并且该电力传感器模块位于一中压或高压舱室中。
15.根据权利要求14所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该低，中或高电压室是开关柜的舱室。
16.根据权利要求14所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该供电传感器模块直接安装在总线上或接近一断路器臂的机械指状物。
17.根据权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，包括多个传感器。
18.根据权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该供电传感器模块检测一传感状况。
19.根据权利要求18所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该第一传感器能够检测该传感状况的一方向性。
20.根据权利要求19所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该传感系统确定该传感状况的一位置，时间，强度和/或持续时间。
21.根据权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该供电传感器模块还包括额外的能量储存。
22.根据权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该第一传感器安装在该供电传感器模块内部以定向地指向一检测位置。
23.根据权利要求22所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该第一传感器延伸穿过该供电传感器模块的一外壳以定向地指向该检测位置。
24.根据权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该供电传感器模块进一步包括一个或多个位于外部的传感器，该传感器被定位或定向成比该供电传感器模块更靠近的一检测位置。
25.根据权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该供电传感器模块还包括一外壳，该外壳包括在该外壳的内侧上的一金属屏蔽。
26.根据权利要求25所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，还包括在该金属屏蔽中开口，被配置成允许外部信号到达该传感器。
27.根据权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该激光数据模块同时对该供电传感器模块的输出进行供电和监测。
28.根据权利要求27所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，还包括一第二供电传感器模块，其中该供电传感器模块被配置为操作在不同的功率水平和数据通信速率。
29.根据权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该供电传感器模块在每个传感器读数之间以低功率模式操作。
30.根据权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该激光数据模块还包括一信号处理器，该信号处理器被配置成解释传感数据并在超过指定的阈值限制时发出警报。
31.根据权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该供电传感器模块进一步包括一信号处理器，该信号处理器被配置成解释传感数据并在超过指定的阈值限制时发出警报。
32.根据权利要求31所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该供电传感器模块包括多个信号处理器，其中至少一个信号处理器被配置为同时解译来自多个传感器的数据，并在超过规定的阈值限制时发出警报，并且其中至少一个信号处理器被用于外部通信。
33.根据权利要求32所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该些信号处理器中之一者经配置以解译来自一个或一个以上传感器的传感信号且进一步处理该信号以确定何时发生一光纤的断裂或断开。
34.根据权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，一连续的数据流从该供电传感器模块向该激光数据模块提供。
35.根据权利要求34所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该激光数据模块经配置以检测一数据丢失，其中该数据丢失指示一光缆的中断或断开。
36.根据权利要求35所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该激光数据模块被配置为在数据丢失上终止或不能初始化功率。
37.根据权利要求1所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该激光数据模块包括一4类激光器，该4类激光器分散到多个较低功率的1类激光器通道中。
38.根据权利要求37所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该多个较低功率的1类激光器信道的一输出被配置成基于在操作期间对该供电传感器模块的需求向多个供电传感器模块提供不同的功率水平。
39.根据权利要求37所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该多个较低功率的1类激光器通道的一输出可以被配置成基于在操作期间对该供电传感器模块的需求来向多个供电传感器模块提供变化的功率水平。
40.一种传感系统，其特征在于，包括：
一激光数据模块，其包括一光源，该激光数据模块经由光缆可操作地连接到包括一光伏功率转换器的一供电传感器模块，其中该供电传感器模块接收来自该光源的一光并将该光转换成一电力；及
其中该电力被用于为可操作地连接到传感器模块的传感器或电子器件供电。
41.根据权利要求40所述的光纤供电的传感系统，其特征在于，该供电传感器模块被配置成成允许附加的传感器或一电子装置附接到该供电传感器模块，使得该供电传感器模块能够被配置以支持取决于应用需求的不同传感功能。
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