CN112118054A - 一种单纤激光供电设备及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单纤激光供电设备及其通信方法，其中，低电位控制器分别与驱动电路和第一数字光接收机相连，驱动电路与大功率激光器相连，第一光环形器分别与大功率激光器和第一数字光接收机相连，1:99光分路器分别与大功率光电池和无源光收发模块相连，大功率光电池与能量管理单元相连，第一光环形器与1:99光分路器通过大芯径光缆相连。本发明可将光波能量和光波信息同时在一根光纤中传输，提高了激光供电设备的可靠性，降低了成本。同时，在高电位区由于没有光源，降低了高电位区的功耗。

Description

一种单纤激光供电设备及其通信方法

技术领域

本发明属于光纤激光供电技术领域，具体涉及一种单纤激光供电设备及其通信方法。

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。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。

然而，目前激光供电系统往往是将能量传输和信息传输分开，通过不同的光纤或光缆连接高电位和低电位节点。这种方案在高压端需要额外的激光器实时将数据传输，这将进一步增加高压端的功耗，降低的实际输出功率。并且，在实际使用过程中，这种方案由于采用多根光纤，降低了系统的可靠性，提高了系统的复杂度，并且增加了现场工程安装成本。

发明内容

本发明提出一种成本低、可靠性高的单纤激光供电设备及其通信方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种单纤激光供电设备，包括设置在低电压区域的低电位控制器、驱动电路、大功率激光器、第一光环形器和第一数字光接收机，以及设置在高电压区域的大功率光电池、能量管理单元、无源光收发模块和1:99光分路器；

所述低电位控制器分别与所述驱动电路的输入电接口和所述第一数字光接收机的输出电接口相连，所述驱动电路的输出电接口与所述大功率激光器的输入电接口相连，所述第一光环形器分别与所述大功率激光器的输出电接口和所述第一数字光接收机的输入电接口相连，所述1:99光分路器分别与所述大功率光电池和所述无源光收发模块相连，所述大功率光电池与所述能量管理单元相连，所述第一光环形器与所述1:99光分路器通过大芯径光缆相连。

进一步地，所述无源光收发模块包括第一20:80光分路器、第二20:80光分路器、透射型光调制器、第二数字光接收机、模拟光接收机、信号处理器、高电位控制器和第二光环形器；

所述第一20:80光分路器的输入光端口与所述第二光环形器的输出光端口相连，所述第一20:80光分路器的两输出光端口分别与所述透射型光调制器的输入光端口和所述第二数字光接收机的输入光端口相连；所述透射型光调制器的输出光端口与所述第二20:80光分路器的输入光端口相连；所述第二20:80光分路器的两输出光端口分别与所述模拟光接收机的输入光端口和第二光环形器的光端口相连；所述高电位控制器与所述第二数字光接收机的输出电接口相连，所述信号处理器的输出电接口与所述透射型光调制器输入电接口相连，所述信号处理器的两输入电接口分别与所述高电位控制器的输出电接口和所述模拟光接收机的输出电接口相连；所述第二光环形器与所述1:99光分路器相连。

进一步地，所述无源光收发模块包括第二数字光接收机、模拟光接收机、信号处理器、高电位控制器、20:80光耦合器和反射型光调制器；

所述20:80光耦合器分别与所述第二数字光接收机、所述模拟光接收机和所述反射型光调制器各自的输入光端口相连；所述高电位控制器分别与所述第二数字光接收机和所述信号处理器相连，所述信号处理器分别与所述反射型光调制器的输入电接口和所述模拟光接收机的输出电接口相连；所述20:80光耦合器与所述1:99光分路器相连。

进一步地，所述信号处理器包括依次相连的信号叠加器、信号比较放大器和微分积分电路；所述信号叠加器的输入电接口与所述高电位控制器的输出电接口相连；所述信号比较放大器与所述模拟光接收机的输出电接口相连，所述微分积分电路与光调制器相连。

一种单纤激光供电设备的通信方法，包括如下步骤：

步骤一、低电位控制器通过其上的数字端口D1和模拟端口A1分别将需要传输的通信数据和大功率激光器的驱动电流数据送到驱动电路中；驱动电路产生一个与低电位控制器的模拟端口A1输出的模拟电压信号成正比的电流信号，同时，该电流信号上将通信数据信号叠加；驱动电路将该电流信号送入大功率激光器中，大功率激光器产生光波，光波的实时功率值与输入电流信号成正比；

步骤二、光波信号经第一光环形器后送入大芯径光纤中，光波经过大芯径光纤进入高电位区域；光波在1:99光分路器中一分为二，其中，99％的光波送入大功率光电池中，转为电流信号，电流信号经过能量管理单元之后，转为稳压信号，供外部负载和无源光收发模块使用；另一部分1％的光波送入无源光收发模块中，无源光收发模块提取其信息，并将需要传输的信息原路传出；

步骤三、无源光收发模块发出的光波经过1:99光分路器再次送入大芯径光纤中，光波经过第一光环形器送入第一数字光接收机中，并最终送入低电位控制器的端口D2。

进一步地，所述无源光收发模块接收光波并传出信息包括：

输入光波经过第二光环形器后送入第一20:80光分路器中，光波在第一光分路器中一分为二，其中，20％的光波经过第二数字光接收机送入高电位控制器，实现对低电位传输数据的读取；

另一部分80％的光波送入透射型光调制器中，输出信号在第二20:80光分路器中一分为二，其中，80％的光波经过第二光环形器后原路返回，另一部分20％的光波经模拟光接收机后转为与光信号强度成正比的模拟电压信号；高电位控制器将需要传输的数字信号送入信号叠加器中，信号叠加器将输入的信号叠加一个直流模拟电压信号，将该信号与模拟光接收机的输出信号一起送入信号比较放大器，放大的差分信号随后送入微分积分电路，微分积分电路的输出信号送入透射型光调制器的输入电接口，透射型光调制器根据输入的模拟电压信号调制其输入的光波的功率，并将调制后的光波输出。

进一步地，所述无源光收发模块接收光波并传出信息包括：

输入光波经过20:80光耦合器，光波在其中一分为二，其中，20％的光波经过第二数字光接收机送入高电位控制器，实现对低电位传输数据的读取；

剩下80％的光波送入反射型光调制器，光波在反射型光调制器中受到调制后，原路反射回20:80光耦合器，反射光波在20:80光耦合器中再次一分为二，其中，80％的反射光波沿原路返回，剩下的20％的反射光波送入模拟光接收机中；高电位控制器将需要传输的数字信号送入信号叠加器中，信号叠加器将输入的信号叠加一个直流模拟电压信号，将该信号与模拟光接收机的输出信号一起送入信号比较放大器，放大的差分信号随后送入微分积分电路，微分积分电路的输出信号送入反射型光调制器的输入电接口，反射型光调制器根据输入的模拟电压信号调制光波功率。

本发明的有益效果在于：

本发明利用安装在低电位节点的大功率激光器发生激光，通过大芯径光纤把激光能量和信息传送到安装在高电位节点的能量管理单元和无源光收发模块，由能量管理单元将光能转换为电能而形成直流电源，可为位于高电位节点的负载供电；无源光收发模块提取叠加在大功率光波中的信息，并将需要传输的反馈信息再次叠加在光波上，并将光波反射回低电位端。本发明仅需要一根光纤就实现能量和信息的集成传输，降低了激光供电设备的成本，提高了系统的可靠性。同时，由于一次端无需光源，进一步降低了一次端的功耗，提高了输出能量。在低电位区，将传输的信息通过调制在大功率激光器供能光波的方式，而无需额外的通信激光器，降低了系统成本。

此外，本发明在高电位区，设计闭环控制光路，对入射的1％的光波进行二次调制和发射，将需要传递的信息反馈回低压端，该方案无需在高电位区域额外布置一个通信激光器，不仅仅降低成本，而且减少了高电位区域的功耗，提高了能量输出效率。

附图说明

图1为本发明的单纤激光供电设备的结构示意图；

图2为无源光收发模块的结构示意图(高速型)；

图3为无源光收发模块的结构示意图(低速型)；

图4为信号处理器的结构示意图；

图5为低电位节点光源发出的光波波形图；

图6为光调制器的衰减波形图；

图7为光调制器输出的光波波形图；

附图标记：1-低电位控制器；2-驱动电路；3-大功率激光器；4-第一光环形器；5-第一数字光接收机；6-大功率光电池；7-能量管理单元；8-无源光收发模块；9-1:99光分路器；10-大芯径光缆；11-第一20:80光分路器；12-第二20:80光分路器；13-透射型光调制器；14-第二数字光接收机；15-模拟光接收机；16-信号比较放大器；17-信号处理器；18-高电位控制器；19-信号叠加器；20-微分积分电路；21-20:80光耦合器；22-反射型光调制器，23-第二光环形器。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，一种单纤激光供电设备，包括设置在低电压区域的低电位控制器1、驱动电路2、大功率激光器3、第一光环形器4和第一数字光接收机5，以及设置在高电压区域的大功率光电池6、能量管理单元7、无源光收发模块8和1:99光分路器9。低电位控制器1分别与驱动电路2的输入电接口和第一数字光接收机5的输出电接口相连，驱动电路2的输出电接口与大功率激光器3的输入电接口相连，第一光环形器4分别与大功率激光器3的输出电接口和第一数字光接收机5的输入电接口相连，1:99光分路器9分别与大功率光电池6和无源光收发模块8相连，大功率光电池6与能量管理单元7相连，第一光环形器4与1:99光分路器9通过大芯径光缆10相连。

如图2所示，无源光收发模块8包括第一20:80光分路器11、第二20:80光分路器12、透射型光调制器13、第二数字光接收机14、模拟光接收机15、信号处理器17、高电位控制器18和第二光环形器23。第一20:80光分路器11的输入光端口与第二光环形器23的输出光端口相连，第一20:80光分路器11的两输出光端口分别与透射型光调制器13的输入光端口和第二数字光接收机14的输入光端口相连。透射型光调制器13的输出光端口与第二20:80光分路器12的输入光端口相连。第二20:80光分路器12的两输出光端口分别与模拟光接收机15的输入光端口和第二光环形器23的光端口相连。高电位控制器18与第二数字光接收机14的输出电接口相连，信号处理器17的输出电接口与透射型光调制器13输入电接口相连，信号处理器17的两输入电接口分别与高电位控制器18的输出电接口和模拟光接收机15的输出电接口相连。第二光环形器23与1:99光分路器9相连。

可选地，如图3所示，无源光收发模块8包括第二数字光接收机14、模拟光接收机15、信号处理器17、高电位控制器18、20:80光耦合器21和反射型光调制器22。20:80光耦合器21分别与第二数字光接收机14、模拟光接收机15和反射型光调制器22各自的输入光端口相连。高电位控制器18分别与第二数字光接收机14和信号处理器17相连，信号处理器17分别与反射型光调制器22的输入电接口和模拟光接收机15的输出电接口相连。20:80光耦合器21与1:99光分路器9相连。

具体地，如图4所示，上述信号处理器17包括依次相连的信号叠加器19、信号比较放大器16和微分积分电路20。信号叠加器19的输入电接口与高电位控制器18的输出电接口相连。信号比较放大器16与模拟光接收机15的输出电接口相连，微分积分电路20与光调制器相连。

一种单纤激光供电设备的通信方法，实现低电位节点和高电位节点之间的通信，包括如下步骤：

步骤一、低电位控制器1通过其上的数字端口D1和模拟端口A1分别将需要传输的通信数据和大功率激光器3的驱动电流数据送到驱动电路2中。驱动电路2产生一个与低电位控制器1的模拟端口A1输出的模拟电压信号成正比的电流信号，同时，该电流信号上将通信数据信号叠加。驱动电路2将该电流信号送入大功率激光器3中，大功率激光器3产生光波，光波的实时功率值与输入电流信号成正比。如图5所示，输出光波叠加了一个微小的信息信号，实现能量和信息的单纤、单光源传输。

步骤二、光波信号经第一光环形器4后送入大芯径光纤10中，光波经过大芯径光纤10进入高电位区域。光波在1:99光分路器9中一分为二，其中，99％的光波送入大功率光电池6中，转为电流信号，电流信号经过能量管理单元7之后，转为稳压信号，供外部负载和无源光收发模块8使用。另一部分1％的光波送入无源光收发模块8中，无源光收发模块8提取其信息，并将需要传输的信息原路传出。

具体地，步骤二中，无源光收发模块8(基于透射型光调制器)接收光波并传出信息包括：

输入光波经过第二光环形器23后送入第一20:80光分路器11中，光波在第一光分路器11中一分为二，其中，20％的光波经过第二数字光接收机14送入高电位控制器18，实现对低电位传输数据的读取。

另一部分80％的光波送入透射型光调制器13中，输出信号在第二20:80光分路器12中一分为二，其中，80％的光波经过第二光环形器23后原路返回，另一部分20％的光波经模拟光接收机15后转为与光信号强度成正比的模拟电压信号。高电位控制器18将需要传输的数字信号送入信号叠加器19中，信号叠加器19将输入的信号叠加一个直流模拟电压信号，将该信号与模拟光接收机15的输出信号一起送入信号比较放大器16，放大的差分信号随后送入微分积分电路20，微分积分电路20的输出信号送入透射型光调制器13的输入电接口，透射型光调制器13根据输入的模拟电压信号调制其输入的光波的功率，并将调制后的光波输出。

如图6所示，透射型光调制器13会针对输入电压信号的大小，调整对输入光信号的衰减。透射型光调制器13、第二20:80光分路器12、模拟光接收机15和信号处理器17构成一个光电闭环反馈系统。当高电位控制器18没有信号输出时，信号叠加器19输出一个模拟直流电压信号，该信号与模拟光接收机15的输出信号差分放大后，经过微分积分电路20送入光调制器中，光调制器动态调整信号衰减的大小，其输出的光波信号的功率也就是一个直流信号，如图7上图所示。所以，该闭环反馈系统使得透射型光调制器13输出的光波的功率与信号叠加器19输入的模拟电压信号成正比。当高电位控制器18有信号输出时，信号叠加器19输出一个包含信息的模拟直流信号，该信号经过信号处理器17作用于透射型光调制器13，使得其输出的光波信号也该信号成正比，如图7下图所示。

可选地，步骤二中，无源光收发模块8(基于反射型光调制器)接收光波并传出信息包括：

输入光波经过20:80光耦合器21，光波在其中一分为二，其中，20％的光波经过第二数字光接收机14送入高电位控制器18，实现对低电位传输数据的读取。

剩下80％的光波送入反射型光调制器22，光波在反射型光调制器22中受到调制后，原路反射回20:80光耦合器21，反射光波在20:80光耦合器21中再次一分为二，其中，80％的反射光波沿原路返回，剩下的20％的反射光波送入模拟光接收机15中。高电位控制器18将需要传输的数字信号送入信号叠加器19中，信号叠加器19将输入的信号叠加一个直流模拟电压信号，将该信号与模拟光接收机15的输出信号一起送入信号比较放大器16，放大的差分信号随后送入微分积分电路20，微分积分电路20的输出信号送入反射型光调制器22的输入电接口，反射型光调制器22根据输入的模拟电压信号调制光波功率。

步骤三、无源光收发模块8发出的光波经过1:99光分路器9再次送入大芯径光纤10中，光波经过第一光环形器4送入第一数字光接收机5中，并最终送入低电位控制器1的端口D2。

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 (7)

1.一种单纤激光供电设备，其特征在于，包括设置在低电压区域的低电位控制器(1)、驱动电路(2)、大功率激光器(3)、第一光环形器(4)和第一数字光接收机(5)，以及设置在高电压区域的大功率光电池(6)、能量管理单元(7)、无源光收发模块(8)和1:99光分路器(9)；

低电位控制器(1)分别与驱动电路(2)的输入电接口和第一数字光接收机(5)的输出电接口相连，驱动电路(2)的输出电接口与大功率激光器(3)的输入电接口相连，第一光环形器(4)分别与大功率激光器(3)的输出电接口和第一数字光接收机(5)的输入电接口相连，1:99光分路器(9)分别与大功率光电池(6)和无源光收发模块(8)相连，大功率光电池(6)与能量管理单元(7)相连，第一光环形器(4)与1:99光分路器(9)通过大芯径光缆(10)相连。

2.根据权利要求1所述的单纤激光供电设备，其特征在于，无源光收发模块(8)包括第一20:80光分路器(11)、第二20:80光分路器(12)、透射型光调制器(13)、第二数字光接收机(14)、模拟光接收机(15)、信号处理器(17)、高电位控制器(18)和第二光环形器(23)；

第一20:80光分路器(11)的输入光端口与第二光环形器(23)的输出光端口相连，第一20:80光分路器(11)的两输出光端口分别与透射型光调制器(13)的输入光端口和第二数字光接收机(14)的输入光端口相连；透射型光调制器(13)的输出光端口与第二20:80光分路器(12)的输入光端口相连；第二20:80光分路器(12)的两输出光端口分别与模拟光接收机(15)的输入光端口和第二光环形器(23)的光端口相连；高电位控制器(18)与第二数字光接收机(14)的输出电接口相连，信号处理器(17)的输出电接口与透射型光调制器(13)输入电接口相连，信号处理器(17)的两输入电接口分别与高电位控制器(18)的输出电接口和模拟光接收机(15)的输出电接口相连；第二光环形器(23)与1:99光分路器(9)相连。

3.根据权利要求1所述的单纤激光供电设备，其特征在于，无源光收发模块(8)包括第二数字光接收机(14)、模拟光接收机(15)、信号处理器(17)、高电位控制器(18)、20:80光耦合器(21)和反射型光调制器(22)；

20:80光耦合器(21)分别与第二数字光接收机(14)、模拟光接收机(15)和反射型光调制器(22)各自的输入光端口相连；高电位控制器(18)分别与第二数字光接收机(14)和信号处理器(17)相连，信号处理器(17)分别与反射型光调制器(22)的输入电接口和模拟光接收机(15)的输出电接口相连；20:80光耦合器(21)与1:99光分路器(9)相连。

4.根据权利要求2或3所述的单纤激光供电设备，其特征在于，信号处理器(17)包括依次相连的信号叠加器(19)、信号比较放大器(16)和微分积分电路(20)；信号叠加器(19)的输入电接口与高电位控制器(18)的输出电接口相连；信号比较放大器(16)与模拟光接收机(15)的输出电接口相连，微分积分电路(20)与光调制器相连。

5.一种单纤激光供电设备的通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、低电位控制器(1)通过其上的数字端口D1和模拟端口A1分别将需要传输的通信数据和大功率激光器(3)的驱动电流数据送到驱动电路(2)中；驱动电路(2)产生一个与低电位控制器(1)的模拟端口A1输出的模拟电压信号成正比的电流信号，同时，该电流信号上将通信数据信号叠加；驱动电路(2)将该电流信号送入大功率激光器(3)中，大功率激光器(3)产生光波，光波的实时功率值与输入电流信号成正比；

步骤二、光波信号经第一光环形器(4)后送入大芯径光纤(10)中，光波经过大芯径光纤(10)进入高电位区域；光波在1:99光分路器(9)中一分为二，其中，99％的光波送入大功率光电池(6)中，转为电流信号，电流信号经过能量管理单元(7)之后，转为稳压信号，供外部负载和无源光收发模块(8)使用；另一部分1％的光波送入无源光收发模块(8)中，无源光收发模块(8)提取其信息，并将需要传输的信息原路传出；

步骤三、无源光收发模块(8)发出的光波经过1:99光分路器(9)再次送入大芯径光纤(10)中，光波经过第一光环形器(4)送入第一数字光接收机(5)中，并最终送入低电位控制器(1)的端口D2。

6.根据权利要求5所述的单纤激光供电设备的通信方法，其特征在于，无源光收发模块(8)接收光波并传出信息包括：

输入光波经过第二光环形器(23)后送入第一20:80光分路器(11)中，光波在第一光分路器(11)中一分为二，其中，20％的光波经过第二数字光接收机(14)送入高电位控制器(18)，实现对低电位传输数据的读取；

另一部分80％的光波送入透射型光调制器(13)中，输出信号在第二20:80光分路器(12)中一分为二，其中，80％的光波经过第二光环形器(23)后原路返回，另一部分20％的光波经模拟光接收机(15)后转为与光信号强度成正比的模拟电压信号；高电位控制器(18)将需要传输的数字信号送入信号叠加器(19)中，信号叠加器(19)将输入的信号叠加一个直流模拟电压信号，将该信号与模拟光接收机(15)的输出信号一起送入信号比较放大器(16)，放大的差分信号随后送入微分积分电路(20)，微分积分电路(20)的输出信号送入透射型光调制器(13)的输入电接口，透射型光调制器(13)根据输入的模拟电压信号调制其输入的光波的功率，并将调制后的光波输出。

7.根据权利要求5所述的单纤激光供电设备的通信方法，其特征在于，无源光收发模块(8)接收光波并传出信息包括：

输入光波经过20:80光耦合器(21)，光波在其中一分为二，其中，20％的光波经过第二数字光接收机(14)送入高电位控制器(18)，实现对低电位传输数据的读取；

剩下80％的光波送入反射型光调制器(22)，光波在反射型光调制器(22)中受到调制后，原路反射回20:80光耦合器(21)，反射光波在20:80光耦合器(21)中再次一分为二，其中，80％的反射光波沿原路返回，剩下的20％的反射光波送入模拟光接收机(15)中；高电位控制器(18)将需要传输的数字信号送入信号叠加器(19)中，信号叠加器(19)将输入的信号叠加一个直流模拟电压信号，将该信号与模拟光接收机(15)的输出信号一起送入信号比较放大器(16)，放大的差分信号随后送入微分积分电路(20)，微分积分电路(20)的输出信号送入反射型光调制器(22)的输入电接口，反射型光调制器(22)根据输入的模拟电压信号调制光波功率。

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