CN110715791A - 一种光纤型激光能量分配网络系统及分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤型激光能量分配网络系统及分配方法。该激光能量分配系统包括能量中心节点、能量边缘节点和负载能量管理单元。能量中心节点和能量边缘节点之间，以及能量边缘节点之间通过光纤束连接。能量边缘节点和负载能量管理单元连接。本发明可以有效降低大规模激光供能系统的成本，提高激光供能系统的可靠性和生存性。

Description

一种光纤型激光能量分配网络系统及分配方法

技术领域

本发明涉及激光供能通信领域，特别涉及一种光纤型激光能量分配网络系统及分配方法。

背景技术

在泛在能源互联网的快速建设与发展的环境下，电网运行状态的实时感知需求不断深化。电力系统自动化和智能电网的发展，使得输变电设备中智能电子设备和监测的传感器的应用日益广泛。为了准确监测电气设备的多种物理量，大量的、多种类型的传感器节点将密集分布于待测区域内。

利用激光在光纤中的传输为远端节点传输电能，是高电位监测节点供电的一种有效途径，可实现电磁绝缘，具有设备轻便，隔离性好、环境适应性强、传输距离远、输出功率高、抗电磁干扰的优势。同时，还可以利用光缆传输传感信息。激光供能的基本方式是地面的激光驱动单元发生激光，通过大芯径光纤把激光能量传送到高压平台，再由高压平台上的光能转换器件和相应的外围电路将光能转换为电能而形成直流电源。目前，激光供能技术已经在电网中的串补平台测量、电流互感器和高压隔离开关状态监测中得到应用。

随着泛在能源物联网的发展及激光供能技术的逐步成熟，其在电力设备中的应用将越来越广泛。然而，目前的激光供能技术多采用点对点供能方式，即一个激光器只能为一个节点供能。此时，如果光源模块中的激光器失效时，该节点将无法正常工作，从而降低了系统的可靠性。因此，为了提高系统的可靠性，现有的很多系统每个光源模块往往包含两个激光器实现1:1备份。但是，如果系统中存在大量监测节点的话，这种方式无疑将非常低效，占用了大量的激光器，提高了系统的复杂度和成本。因此，现有的激光供能技术无法满足能源泛在物联网的发展需求。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种光纤型激光能量分配网络系统及分配方法，以解决现有技术中存在的一个激光器只能为一个节点供能的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种光纤型激光能量分配网络系统，包括能量中心节点；所述能量中心节点连接有多根光纤束；

每根所述光纤束上设置有多个能量边缘节点；

所述能量边缘节点上连接有负载能量管理单元；

所述负载能量管理单元上连接有负载。

进一步的，所述能量中心节点包括中心处理器、多个功率激光器、通信激光器、环形器和第一光探测器；

所述中心处理器分别与多个功率激光器的输入端口、通信激光器的输入端口和第一光探测器的输出端口的相连；

每个所述功率激光器的输出端口连接有一根供能光纤；

所述环形器分别与所述通信激光器的输出端口、第一光探测器的输入端口相连；

所述环形器还连接有一根通信光纤。

进一步的，所述能量边缘节点包括第一耦合器、第二耦合器、第二光探测器、反射型光调制器、边缘处理器和光开关阵列；

所述第一耦合器的三个光端口中的两个与通信光纤连接，另一个和第二耦合器中的一个光端口连接；

所述第二耦合器中的另外两个光端口中的一个与第二光探测器的光端口连接，一个与反射型光调制器的光端口连接；

所述边缘处理器分别与第二光探测器、反射型光调制器和光开关阵列连接。

进一步的，所述负载能量管理单元包括多个光电池、能量切换开关、电源管理单元和储能单元；

所述光电池的输出端口分别与能量切换开关的能量输入接口连接；

所述能量切换开关的能量输出接口和分别与电源管理单元的输入端口和边缘处理器连接；

所述电源管理单元的端口分别与储能单元、边缘处理器和负载连接。

进一步的，所述光开关阵列包含有多个输入光端口、多个平行输出光端口和多个交叉输出光端口；

每个所述输入光端口连接一根供能光纤；

每个所述平行输出光端口连接一根供能光纤；

所述交叉输出光端口分别与光电池连接；

所述输入光端口、输出光端口和交叉输出光端口的数量相同。

进一步的，所述光开关阵列包含多个旋转反射镜。

进一步的，所述功率激光器的输出光功率之和大于所有负载的功耗。

一种光纤型激光能量分配网络系统的能量分配方法，所述方法包括如下步骤：

能量边缘节点获取能量中心节点发送的询问命令；

能量边缘节点通过负载能量管理单元获得实时负载功耗和储能信息并发送给能量中心节点；

所述能量中心节点根据负载功耗和储能信息给负载分配能量；

当负载能量管理单元能量低于阈值或功耗突然急剧增加时，能量中心节点发送命令为负载能量管理单元供能。

进一步的，所述能量中心节点发送询问命令的方法包括：

中心处理器将需要发送的消息发送给通信激光器；

所述通信激光器将接收到的消息转成光信号并发出经环形器后送入通信光纤中；

所述第一耦合器接收光信号并发送至本侧的第二耦合器和下一个能量边缘节点中；

所述光信号的能量在本侧的第二耦合器中一分为二，并分别发送至第一光探测器和反射型光调制器；

所述第一光探测器将光信号转为电信号，并送到边缘处理器中。

进一步的，所述实时负载功耗和储能信息的发送过程如下：

通过通信激光器发送直流光信号；

直流光信号经环形器后送入通信光纤中，每个能量边缘节点的第一耦合器接收直流光信号并发送至下一个能量边缘节点和本侧的第二耦合器中；

所述直流光信号在本侧的第二耦合器中一分为二，并分别发送至第一光探测器和反射型光调制器；

边缘处理器获取传输的电信息并发送给反射型光调制器；

所述反射型光调制器根据电信息调制直流光信号得到调制光信号；

所述调制光信号经过第二耦合器和第一耦合器后，通过通信光纤返回至环形器；

所述环形器接收调制光信号并送入第一光探测器中；

所述第一光探测器将光信号转为电信号，并传输给中心处理器。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明实施例针对激光供能系统在泛在电力物联网中的应用问题，首次提出了一种基于光纤激光供能技术的能量分配网络系统及分配方法，系统包含传能光纤和通信光纤，可以实时获取各个节点的能量状态；并实现了光源能量在物联网多个节点中的动态分配，该方案可以有效减少大功率激光器的数量，降低系统成本，同时，可以提高系统的可靠性和生存性。当中心节点中的激光器或某根传能光纤发生失效时，可以采用中心节点中其他激光器进行供能，从而确保系统可以正常的工作。

附图说明

图1为本发明实施例的光纤型能量分配网络示意图；

图2为本发明实施例的能量中心节点的结构示意图；

图3为本发明实施例的能量边缘节点的结构示意图；

图4为本发明实施例的负载能量管理模块的结构示意图；

图5为本发明实施例光开关阵列中两个反射镜处于交叉输出模式的示意图；

图6为本发明实施例光开关阵列中一个反射镜处于交叉输出模式、一个处于平行输出模式的示意图；

图7为本发明实施例光开关阵列中两个反射镜处于平行输出模式的示意图。

附图标记：1-能量中心节点；2-光纤束；21-供能光纤；22-通信光纤；3-能量边缘节点；4-负载能量管理单元；5-负载；6-功率激光器；7-通信激光器；8-环形器；91-第一光探测器；92-第二光探测器；10-中心处理器；11-第一耦合器；12-第二耦合器；13-反射型光调制器；14-边缘处理器；15-光开关阵列；16-光电池；17-能量切换开关；18-电源管理单元；19-储能单元；20-反射镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明的光纤型激光能量分配网络系统包括安装在低电位环境中的能量中心节点1，与能量中心节点1连接的多个光纤束2，每根光纤束2上设置有多个能量边缘节点3、与能量边缘节点3连接的负载能量管理单元4、与负载能量管理单元4输出端口连接的负载5；能量边缘节点3、负载能量管理单元4和负载5安装在高电位环境中

如图2所示，能量中心节点1包括中心处理器10，与中心处理器10连接的M个功率激光器6、通信激光器7和第一光探测器91，与通信激光器7的输出光端口连接的环形器8，环形器8另二个光端口连接通信光纤22和第一光探测器91，M个功率激光器6连接的供能光纤21，每个功率激光器6连接一根供能光纤21。

功率激光器6的数量M应满足所有激光器输出的光功率的和大于所有负载5的功耗，并且光纤束2由M根供能光纤21和一根通信光纤22构成。

如图3所示，能量边缘节点3包括与通信光纤22连接的第一耦合器11，与第一耦合器11另一个光端口连接的第二耦合器12，与第二耦合器另二个光端口连接的第二光探测器92和反射型光调制器13，与第二光探测器92和反射型光调制器13连接的边缘处理器14，与传能光纤21连接的光开关阵列15。

边缘处理器14分别与第二光探测器92、反射型光调制器13、光开关阵列15、能量切换开关17和电源管理单元18连接。

光开关阵列15包含有M个输入光端口（A₁, A₂,…A_M），M个平行输出光端口（B₁,B₂,…B_M）和M个交叉输出光端口（C₁, C₂,…C_M）。输入光端口和平行输出光端口分别与M根供能光纤21连接，M个交叉输出光端口分别与M个光电池16连接。从某个输入光端口A_i输入的光能量，可以从对应的平行输出光端口B_i或交叉输出光端口C_i输出。

光开关阵列15包含M个旋转反射镜20，每个反射镜旋转的角度由边缘处理器14控制，通过反射镜20的角度可以将输入光端口的光送入平行输出光端口或交叉输出光端口。

如图4所示，负载能量管理单元4包括与光开关阵列15光端口连接的M个光电池16、与光电池16连接的能量切换开关17、与能量切换开关17连接的电源管理单元18和与电源管理单元18连接的储能单元19，其中，M个光电池16的输出端口分别与能量切换开关17的能量输入接口（17A₁,17A₂… 17A_M）连接，能量切换开关17的能量输出接口17B和17C分别与电源管理单元18的输入端口18B连接和边缘处理器14连接；电源管理单元18的端口18A、18C和18D分别与储能单元19、边缘处理器14和负载5连接。

一种能量中心节点1和能量边缘节点3之间的通信方法，包括以下步骤：

1）当中心处理器10处于发送状态时，中心处理器10将需要传输的信息发送给通信激光器7，通信激光器7发出的光信号经环形器8后送入通信光纤22中，光信号在经过每一个能量边缘节点3中的第一耦合器11时，部分能量会送入第二耦合器12中，光能量在第二耦合器12中一分为二，分别送入第二光探测器92和反射型光调制器13中。第二光探测器92将光信号转为电信号，并送到边缘处理器14中，从而实现信息从能量中心节点1向能量边缘节点3的传输。

2）当中心处理器10处于接收状态时，通过通信激光器7发送直流光信号；直流光信号经环形器8后送入通信光纤22中，每个能量边缘节点3的第一耦合器11接收直流光信号并分别发送至下一个能量边缘节点3和第二耦合器12中；所述直流光信号在第二耦合器12中一分为二，并分别发送至第一光探测器92和反射型光调制器13；边缘处理器14获取传输的电信息并发送给反射型光调制器13；所述反射型光调制器（13）根据电信息调制直流光信号得到调制光信号，并将并将调制后光信号反射；所述调制光信号经过第二耦合器12和第一耦合器11后，通过通信光纤22返回至环形器8；所述环形器8接收调制光信号并送入第一光探测器91中；所述第一光探测器91将光信号转为电信号，并传输给中心处理器10。从而实现了信息从能量边缘节点3向能量中心节点1的传输。

一种能量分配的方法，包括如下步骤：

1）负载信息获取：能量中心节点1周期性的分别向各个能量边缘节点3发送询问命令，边缘处理器14接收到指令后，通过电源管理18获得实时负载功耗以及储能等信息，信息通过边缘处理器14发送给能量中心节点1。

2）常规供能：当某一个节点的储能单元19的能量低于某个阈值时，能量中心节点1选中其中一个功率激光器6为其供能，并发送命令，将该边缘节点3中的光开关阵列15中的与该激光器6对应对的反射镜20置于交叉输出模式，如图6所示。并把该节点之前的能量边缘节点3中，与该功率激光器3对应的光路中的反射镜20置于平行输出模式，如图7所示。此时光能量可以通过该节点之各个边缘节点，并送入该节点的光电池16中。当储能19的能量高于另一个阈值时，供能结束，该功率激光器16可以用于其它节点供能。

10C）特殊供能：如图5所示，如果某个节点的负载的功耗突然急剧增加时，可以将该节点中的光开关阵列15中的多个反射镜20置于交叉输出状态，其之前的能量边缘节点3中的对应光路的反射镜20置于平行输出模式，提高供能能量。

该供能网络可以采用相对较少的激光器，实现对多个节点的供能，降低了系统的成本。同时，当部分激光器出现失效问题时，仍然可以实现对所有节点的供能，提高了系统的可靠性。

以上显示和描述了本发明创造的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本设计不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本设计的原理，在不脱离本设计精神和范围的前提下，本发明创造还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本设计范围内。本发明创造要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种光纤型激光能量分配网络系统，其特征在于，包括能量中心节点（1）；所述能量中心节点（1）连接有多根光纤束（2）；

每根所述光纤束（2）上设置有多个能量边缘节点（3）；

所述能量边缘节点（3）上连接有负载能量管理单元（4）；

所述负载能量管理单元（4）上连接有负载（5）。

2.根据权利要求1所述的一种光纤型激光能量分配网络系统，其特征在于，所述能量中心节点（1）包括中心处理器（10）、多个功率激光器（6）、通信激光器（7）、环形器（8）和第一光探测器（91）；

所述中心处理器（10）分别与多个功率激光器（6）的输入端口、通信激光器（7）的输入端口和第一光探测器（91）的输出端口的相连；

每个所述功率激光器（6）的输出端口连接有一根供能光纤（21）；

所述环形器（8）分别与所述通信激光器（7）的输出端口、第一光探测器（91）的输入端口相连；

所述环形器（8）还连接有一根通信光纤（22）。

3.根据权利要求2所述的一种光纤型激光能量分配网络系统，其特征在于，所述能量边缘节点（3）包括第一耦合器（11）、第二耦合器（12）、第二光探测器（92）、反射型光调制器（13）、边缘处理器（14）和光开关阵列（15）；

所述第一耦合器（11）的三个光端口中的两个与通信光纤（22）连接，另一个和第二耦合器（12）中的一个光端口连接；

所述第二耦合器（12）中的另外两个光端口中的一个与第二光探测器（92）的光端口连接，一个与反射型光调制器（13）的光端口连接；

所述边缘处理器（14）分别与第二光探测器（92）、反射型光调制器（13）和光开关阵列（15）连接。

4.根据权利要求3所述的一种光纤型激光能量分配网络系统，其特征在于，所述负载能量管理单元（4）包括多个光电池（16）、能量切换开关（17）、电源管理单元（18）和储能单元（19）；

所述光电池（16）的输出端口分别与能量切换开关（17）的能量输入接口连接；

所述能量切换开关（17）的能量输出接口和分别与电源管理单元（18）的输入端口和边缘处理器（14）连接；

所述电源管理单元（18）的端口分别与储能单元（19）、边缘处理器（14）和负载（5）连接。

5.根据权利要求4所述的一种光纤型激光能量分配网络系统，其特征在于，所述光开关阵列包含有多个输入光端口、多个平行输出光端口和多个交叉输出光端口；

每个所述输入光端口连接一根供能光纤（21）；

每个所述平行输出光端口连接一根供能光纤（21）；

所述交叉输出光端口分别与光电池（16）连接；

所述输入光端口、输出光端口和交叉输出光端口的数量相同。

6.根据权利要求3所述的一种光纤型激光能量分配网络系统，其特征在于，所述光开关阵列包含多个旋转反射镜（20）。

7.根据权利要求2所述的一种光纤型激光能量分配网络系统，其特征在于，所述功率激光器（6）的输出光功率之和大于所有负载（5）的功耗。

8.一种光纤型激光能量分配网络系统的能量分配方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

能量边缘节点（3）获取能量中心节点（1）发送的询问命令；

能量边缘节点（3）通过负载能量管理单元（4）获得实时负载功耗和储能信息并发送给能量中心节点（1）；

所述能量中心节点（1）根据负载功耗和储能信息给负载分配能量；

当负载能量管理单元（4）能量低于阈值或功耗突然急剧增加时，能量中心节点（1）发送命令为负载能量管理单元（4）供能。

9.根据权利要求8所述的一种光纤型激光能量分配网络系统的能量分配方法，其特征在于，所述能量中心节点（1）发送询问命令的方法包括：

中心处理器（10）将需要发送的消息发送给通信激光器（7）；

所述通信激光器（7）将接收到的消息转成光信号并发出经环形器（8）后送入通信光纤（22）中；

所述第一耦合器（11）接收光信号并发送至本侧的第二耦合器（12）和下一个能量边缘节点（3）中；

所述光信号的能量在本侧的第二耦合器（12）中一分为二，并分别发送至第一光探测器（92）和反射型光调制器（13）；

所述第一光探测器（92）将光信号转为电信号，并送到边缘处理器（14）中。

10.根据权利要求8所述的一种光纤型激光能量分配网络系统的能量分配方法，其特征在于，所述实时负载功耗和储能信息的发送过程如下：

通过通信激光器（7）发送直流光信号；

直流光信号经环形器（8）后送入通信光纤（22）中，每个能量边缘节点（3）的第一耦合器（11）接收直流光信号并发送至下一个能量边缘节点（3）和本侧的第二耦合器（12）中；

所述直流光信号在本侧的第二耦合器（12）中一分为二，并分别发送至第一光探测器（92）和反射型光调制器（13）；

边缘处理器（14）获取传输的电信息并发送给反射型光调制器（13）；

所述反射型光调制器（13）根据电信息调制直流光信号得到调制光信号；

所述调制光信号经过第二耦合器（12）和第一耦合器（11）后，通过通信光纤（22）返回至环形器（8）；

所述环形器（8）接收调制光信号并送入第一光探测器（91）中；

所述第一光探测器（91）将光信号转为电信号，并传输给中心处理器（10）。

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