CN113300492B - 一种基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，采用激光光纤供电系统，激光光纤供电系统包括激光器、超级电容储能模快、光伏模块和第一微控制器，光伏模块适于给传感节点供电；所述激光光纤供电系统处于传感节点供电模式时，所述第一微控制器基于光伏模块的输出功率、传感节点的功率需求、以及超级电容储能模块的工作电压，对激光器传输至光伏模块的入射激光功率执行回路反馈控制，且对光伏模块给所述超级电容储能模块的充电过程以及超级电容储能模块对传感节点的放电过程进行管控。所述基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法能够提高激光光纤供电系统的长期可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及激光光纤供电技术领域，尤其涉及一种基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法。
背景技术
激光光纤供电是高压(HV)环境中传感节点电源的首选解决方案。选择激光光纤供电系统而不是常规电源的原因是对电隔离，雷电保护，火花防护，抗电磁干扰，减轻重量，耐腐蚀等方面的要求。用于高压环境中传感应用的激光光纤供电系统的光功率要求通常从几瓦特到几十瓦特不等，比光通信中使用的光功率高得多。
关键高压设备状态的在线监测是早期发现异常和采取补救措施的重要手段，以确保电网可靠运行并避免经济和人员损失。激光光纤供电系统中的激光供电接收端装置和传感器节点通常被一起安装在高电位区域，给激光光纤供电系统的维护和故障检修带来的很大的困难。因此，这对激光光纤供电系统的核心器件的长期可靠性提出了很高的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中激光光纤供电系统的长期可靠性较差的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，采用激光光纤供电系统，其特征在于，所述激光光纤供电系统包括激光器、超级电容储能模快、光伏模块和第一微控制器，所述光伏模块适于给传感节点供电；所述激光光纤供电系统处于传感节点供电模式时，所述第一微控制器基于光伏模块的输出功率、传感节点的功率需求、以及超级电容储能模块的工作电压，对激光器传输至光伏模块的入射激光功率执行回路反馈控制，且对光伏模块给所述超级电容储能模块的充电过程以及超级电容储能模块对传感节点的放电过程进行管控。
可选的，所述激光光纤供电系统处于传感节点供电模式时具有快速充电模式和功率跟踪模式；所述工作方法还包括：设置超级电容储能模快的工作电压的上限工作电压和下限工作电压；当第一微控制器监测到超级电容储能模快的工作电压小于下限工作电压，则切换至快速充电模式，第一微控制器控制所述光伏模块对超级电容储能模快进行充电；当第一微控制器监测到所述超级电容储能模快的工作电压大于上限工作电压时，则切换至功率跟踪模式，光伏模块的输出功率由传感器节点的平均负载功率调整。
可选的，所述功率跟踪模式下光伏模块的输出功率小于快速充电模式下光伏模块的输出功率，且功率跟踪模式下光伏模块的输出功率的变化率小于快速充电模式下光伏模块的输出功率的变化率。
可选的，所述激光光纤供电系统还包括：激光器，所述激光器适于为所述光伏模块提供激光；在第一微控制器控制光伏模块对超级电容储能模快进行充电的过程中，通过回路反馈控制提高光伏模块的输出功率，直至配置激光器的光功率使光伏模块能够获得最大输出功率。
可选的，当第一微控制器监测到光伏模块的输出功率小于传感节点的功率需求时，第一微控制器控制超级电容储能模快放电，使得超级电容储能模快和光伏模块一并为传感节点供电；当第一微控制器监测到光伏模块的输出功率大于传感节点的功率需求时，第一微控制器通过回路反馈控制逐步降低光伏模块的入射激光能量至光伏模块的输出功率等于传感节点的功率需求。
可选的，当第一微控制器监测到光伏模块的输出功率小于传感节点的功率需求时，超级电容储能模快中存储的能量将用于填补传感节点的功率需求与光伏模块的输出功率的差值，光伏模块的入射激光能量不变；或者，当第一微控制器监测到光伏模块的输出功率小于传感节点的功率需求时，第一微控制器控制超级电容储能模快放电的同时，第一微控制器通过回路反馈控制逐步提高光伏模块的入射激光能量。
可选的，当第一微控制器监测到光伏模块的输出功率大于传感节点的功率需求，且当第一微控制器监测到超级电容储能模快的工作电压小于下限工作电压时，第一微控制器控制光伏模块将光伏模块输出的多余的功率用于为超级电容储能模快充电至上限工作电压；第一微控制器控制光伏模块将光伏模块输出的多余的功率用于为超级电容储能模快充电至上限工作电压后，第一微控制器通过回路反馈控制逐步降低光伏模块的入射激光能量至光伏模块的输出功率等于传感节点的功率需求，或者，第一微控制器控制光伏模块将光伏模块输出的多余的功率用于为超级电容储能模快充电至上限工作电压的同时，第一微控制器通过回路反馈控制逐步降低光伏模块的入射激光能量至光伏模块的输出功率等于传感节点的功率需求。
可选的，传感节点具有空闲模式、工作模式和紧急模式；传感节点处于空闲模式时需要的功率小于传感节点处于工作模式需要的功率；传感节点处于紧急模式时的峰值功率大于传感节点处于工作模式时的工作功率；传感节点处于紧急模式持续的时间少于传感节点处于工作模式持续的时间；当传感节点从空闲模式转换至工作模式时，或者传感节点从工作模式转换至紧急模式时，或者在工作模式中传感节点的负载功率波动变大时，光伏模块的输出功率小于传感节点的功率需求；当传感节点从工作模式转换至空闲模式时，或者传感节点从紧急模式转换至工作模式时，或者在工作模式中传感节点的负载功率波动变小时，光伏模块的输出功率大于传感节点的功率需求。
可选的，采用第一功率计获取传感节点的负载功率的测试值并输入至低通滤波器，低通滤波器对传感节点的负载功率的测试值过滤之后输入至第一微控制器，第一微控制器根据传感节点的负载功率获取传感节点的平均负载功率；采用第二功率计测量所述光伏模块的输出功率并输入到第一微控制器中；采用电压计监控测试超级电容储能模快的工作电压并输出至第一微控制器。
可选的，所述激光光纤供电系统还包括：第一电压转换器，第一电压转换器的输入端适于与光伏模块的输出端电学连接，还适于与所述超级电容储能模快的放电端电学连接；第一功率计测试获取第一电压转换器的输出功率作为传感节点的负载功率。
可选的，所述低通滤波器包括一阶低通滤波器。
可选的，所述低通滤波器的时间常数为0.5秒～2秒。
可选的，所述激光光纤供电系统还包括：第一电压转换器，第一电压转换器的输入端适于与光伏模块的输出端电学连接，还适于与所述超级电容储能模快的放电端电学连接；下限工作电压的设置需要满足：
其中，C为超级电容储能模快的容量，P是传感节点所需的峰值功率，T是传感节点的峰值功率持续时间；VDropout是超级电容储能模快的最小放电电压；DDC/DC是第一电压转换器的效率，C是超级电容储能模快的容量，Q2为下限工作电压。
可选的，还包括：所述激光光纤供电系统处于传感节点供电模式之前，进行对光纤链路完整性检测。
可选的，所述超级电容储能模快和光伏模块为激光供电接收端装置的一部分，所述激光供电接收端装置还包括：第一光通信收发器和内部存储电容；所述激光光纤供电系统还包括：激光供电基站，所述激光器为激光供电基站的一部分，激光供电基站还包括第二光通信收发器；能量光纤和数据光纤，能量光纤连接激光器和光伏模块，数据光纤连接第二光通信收发器和第一光通信收发器；进行对光纤链路完整性检测的过程包括：启动激光器，激光器的输出功率低于临界值激光功率；若自启动激光器后，光伏模块接收到激光器通过能量光纤发送的激光，光伏模块将激光光能转换为电能并存储在内部存储电容中，内部存储电容收集到下限阈值电能时第一微控制器控制第一光通信收发器发送特征上行信息，第二光通信收发器在链路响应时间上限内收到第一光通信收发器发送的特征上行信息，则判断光纤链路是完整的；若自启动激光器后，第二光通信收发器未在链路响应时间上限内收到第一光通信收发器发送的特征上行信息，则判断光纤链路发生故障。
可选的，特征上行信息包括内部存储电容的电量信息和光伏模块对内部存储电容充电的时间信息；
可选的，所述内部存储电容的容量为2F～4F；
可选的，临界值激光功率为100mW～500mW。
本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明技术方案提供的基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法中，所述激光光纤供电系统处于传感节点供电模式时，所述第一微控制器基于光伏模块的输出功率、传感节点的功率需求、以及超级电容储能模块的工作电压，对激光器传输至光伏模块的入射激光功率执行回路反馈控制，且对光伏模块给所述超级电容储能模块的充电过程以及超级电容储能模块对传感节点的放电过程进行管控。第一微控制器对所述光伏模块的入射激光功率执行回路反馈控制，能使得光伏模块对超级电容储能模快充电，且使得光伏模块的输出功率跟踪传感节点的负载功率。超级电容储能模快能够在传感节点具有负载峰值功率时通过快速放电对光伏模块的输出功率进行补充，以填补所需功率缺口，这样可避免光伏模块为了满足负载峰值功率要求而持续运行在大功率模式下产生过多热量，降低光伏模块的热应力。所述基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法能够提高激光光纤供电系统的长期可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种激光光纤供电系统的示意图；
图2是本发明一实施例中的激光光纤供电系统的示意图；
图3是本发明一实施例中的当激光光纤供电系统对传感节点供电的过程；
图4是本发明一实施例中功率跟踪模式和快速充电模式之间切换的过程示意图；
图5为本发明一实施例中光纤链路完整性检测的示意图；
图6为本发明一实施例中光纤链路完整性检测过程中激光供电基站的工作流程图；
图7为本发明一实施例中光纤链路完整性检测过程中激光供电接收端装置的工作流程图。
具体实施方式
一种激光光纤供电系统，参考图1，包括：激光供电基站10、光纤和激光供电接收端装置20组成。激光供电基站10包括：激光器11、激光驱动器12、第一微控制器13和第一光通信收发器14。光纤包括能量光纤31和数据光纤32。激光供电接收端装置20包括光伏模块21、能量管理单元22、第二微控制器23和第二光通信收发器24。
激光器11为大功率激光二极管，激光器11将电能转换为光能，然后通过能量光纤将其传输到激光供电接收端装置20。激光器11的输出功率通过激光驱动器12的电流来调节。激光供电接收端装置20通过能量光纤31接收从激光供电基站10输出的激光能量，并通过光伏模块21将光能转换为电能。能量管理单元22用于为传感节点提供匹配的电压和功率。能量管理单元22包含储能器件和DC/DC转换器。
上述的激光光纤供电系统的长期可靠性较差。
经过发明人研究发现：
激光器11和光伏模块21是半导体器件，其性能和寿命易受热应力的影响。在激光器11从电到光的转化过程，以及光伏模块21从光到电的转化过程，大量的能量将以热的形式损失。能量损耗以及因此产生的热量在很大程度上取决于所需的输出功率以及相应的功率转换效率。进一步地，光伏模块21的输入功率又直接决定了光伏模块21输出功率以及转换时产生的热损耗的大小，因此有效的控制光伏模块21的输入功率(通过调节激光器的输出功率)，能最大程度的影响光伏模块21的工作温度环境。
光伏模块21的输入功率可以根据传感节点功率需求进行调整。但是，由于控制回路的响应时间有限，因此无法实时满足传感节点的瞬时峰值功率需求。因此，需要激光器11持续输出足够的光功率，以便光伏模块21可以提供足够的电功率，满足突发事件发生时的传感器峰值功率需求。这种模式可以确保安全的电源供应，但最大缺点是光伏模块21需要在大功率模式下持续运行，并由于大量能量损耗而产生热量，更具体地，取决于高压网络的特定传感应用，传感节点的峰值功率需求可能非常高，例如10瓦-15瓦之间。对于该功率范围，光伏模块21典型的转换效率约为40％-50％。DC/DC转换器一般具有90％的转换效率。因此，当需要为传感节点提供10W-15W的峰值功率时，光伏模块21的输入功率需要在20W-30W范围内。这就导致光伏模块21在进行光伏转换时会产生大量热能，进而提高器件和电路的工作温度。另一方面，激光供电基站10有足够的电能，因此可以采用有效的主动冷却方法(如热电制冷器)，将激光器11的温度控制在一定的范围内，但是激光供电接收端装置20需要通过激光的光伏转换供电，电能十分可贵，所以，必须采用被动冷却的方法，因此对工作中的光伏模块21进行有效的散热和温度控制，是一个很大的挑战。如果不能及时散热，将使工作温度超过一定阈值，这会进一步降低光伏模块21的光电转换效率，进而产生更多热能，形成恶性循环，最终导致光伏模块21长期运行情况下性能下降，使用寿命降低。
在此基础上，本实施例提供一种基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，所述激光光纤供电系统包括超级电容储能模快和光伏模块，光伏模块适于给传感节点供电，所述激光光纤供电系统处于传感节点供电模式时，所述第一微控制器基于光伏模块的输出功率、传感节点的功率需求、以及超级电容储能模块的工作电压，对所述光伏模块的入射激光功率执行回路反馈控制，且对光伏模块给所述超级电容储能模块的充电过程以及超级电容储能模块对传感节点的供电过程进行管控。
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一实施例提供一种激光光纤供电系统的工作方法，参考图2，所述激光光纤供电系统包括激光器201、光伏模块101、超级电容储能模块102和第一微控制器104，光伏模块101适于给传感节点供电；激光光纤供电系统的工作方法包括：所述激光光纤供电系统处于传感节点供电模式时，所述第一微控制器104基于光伏模块101的输出功率、传感节点的功率需求、以及超级电容储能模块102的工作电压，对激光器201传输至光伏模块101的的入射激光功率执行回路反馈控制，且对光伏模块101给所述超级电容储能模块102的充电过程以及超级电容储能模块102对传感节点的放电过程进行管控。
参考图2，激光供电接收端装置100包括：第一电压转换器103、光伏模块101、超级电容储能模块102和第一微控制器104、第一光通信收发器105、内部电源管理模块106。第一电压转换器103的输入端适于与光伏模块101的输出端电学连接，第一电压转换器103的输入端还适于与所述超级电容储能模快102的放电端电学连接。第一电压转换器103的输出端适于给传感节点供电。第一光通信收发器105与第一微控制器104连接。
参考图2，所述激光光纤供电系统还包括：激光供电基站200，激光供电基站200包括：激光器201、第二光通信收发器202、激光驱动器203、和第二微控制器204。所述激光器201适于为所述光伏模块提供激光。
所述激光光纤供电系统还包括：能量光纤301和数据光纤302，能量光纤301连接激光器201和光伏模块101，数据光纤302连接第二光通信收发器202和第一光通信收发器105。
需要说明的是，图2中给出的是一种激光光纤供电系统的示意图，但是本发明中的激光光纤供电系统的工作方法针对的不仅图2中的激光光纤供电系统。
参考图3，图3示出了当激光光纤供电系统对传感节点供电的过程。激光光纤供电系统处于传感节点供电模式时具有快速充电模式和功率跟踪模式。
激光光纤供电系统进入传感节点供电模式时的初始模式设置为快速充电模式。
参考图3，基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法还包括：设置超级电容储能模快102的工作电压的上限工作电压Q1和下限工作电压Q2，激光光纤供电系统进入传感节点供电模式，且在初始进入快速充电模式之前，还对低通滤波器的时间常数、超级电容储能模快102的上限工作电压Q1和下限工作电压Q2、以及光伏模块101处于快速充电模式时激光器的输出功率进行设置。
在一个具体的实施例中，超级电容储能模快102的上限工作电压Q1设置为2.5V，下限电压至少为2V。
当第一微控制器104监测到超级电容储能模快102的工作电压小于下限工作电压Q2，则切换至快速充电模式，第一微控制器104控制所述光伏模块101对超级电容储能模快102进行充电；当第一微控制器104监测到所述超级电容储能模快102的工作电压大于上限工作电压Q1时，则切换至功率跟踪模式，光伏模块101的输出功率由传感器节点的平均负载功率调整。
参考图3，光伏模块101首先进入快速充电模式，光伏模块101对超级电容储能模快102进行充电直至超级电容储能模快102的工作电压等于上限工作电压Q1；一旦超级电容储能模快102的工作电压大于上限工作电压Q1，切换至功率跟踪模式，光伏模块101的输入功率根据传感器节点的平均负载功率进行调整，光伏模块101的输出功率用于为传感器节点供电。
当激光光纤供电系统处于快速充电模式时，所述光伏模块101对超级电容储能模快102进行充电，使超级电容储能模快102有能力填补光伏模块101的输出功率和传感器节点的实际功率需求之间的差距。当激光光纤供电系统处于功率跟踪模式时，光伏模块101的输出功率由传感器节点的平均负载功率调整，因此，功率跟踪模式下光伏模块101的输出功率小于快速充电模式下光伏模块101的输出功率，且功率跟踪模式下光伏模块101的输出功率的变化率小于快速充电模式下光伏模块101的输出功率的变化率。
具体的，当第一微控制器104监测到超级电容储能模块102的工作电压低于下限工作电压Q2时，第一微控制器104控制光伏模块101对超级电容储能模快102进行充电；在第一微控制器104控制光伏模块101对超级电容储能模快102进行充电的过程中，第一微控制器104通过回路反馈控制提高光伏模块101的输出功率，直至配置激光器201的光功率使光伏模块101能够获得最大输出功率，光伏模块101的最大输出功率指的是：激光器201入射至光伏模块101表面的光功率等于极值光功率时，光伏模块101能够获得最大输出功率，即使激光器201入射至光伏模块101表面的光功率大于极值光功率，光伏模块201的输出功率也不会提高而是保持最大输出功率。一旦超级电容储能模快102的工作电压大于上限工作电压Q1，切换至功率跟踪模式，光伏模块101的输入功率和输出功率根据传感器节点的平均负载功率进行调整。在其他实施例中，当第一微控制器104监测到光伏模块101的输出功率小于传感节点的功率需求时，超级电容储能模快102中存储的能量将用于填补传感节点的功率需求与光伏模块101的输出功率的差值，光伏模块101的入射激光能量不变。
传感节点的负载曲线并不是恒定的。传感节点具有空闲模式、工作模式和紧急模式。当传感节点处于空闲模式时，传感节点没有检测任务，仅需要执行最少的必要功能，传感节点处于空闲模式时需要的功率小于传感节点处于工作模式需要的功率。当传感节点处于工作模式时，传感节点执行检测任务，例如读取条件数据(电流、温度、压力)，传感节点处理条件数据并将相关的条件数据发送至控制中心，因此传感节点处于工作模式时需要一定的功率。当传感节点处于紧急模式时，激光光纤供电系统发生异常时，例如当条件参数超过条件阈值时，需要更多的传感数据进行分析，并且传感节点与控制中心之间将进行更多的数据交换，因此传感节点在一定时间内出现峰值功率要求，传感节点处于紧急模式时的峰值功率大于传感节点处于工作模式时的工作功率。传感节点的空闲模式和工作模式的发生有规律，但传感节点的紧急模式却是不可预测的。传感节点的紧急模式比工作模式出现时间要少的多，传感节点处于紧急模式持续的时间少于传感节点处于工作模式持续的时间。激光光纤供电系统应能够满足紧急模式时的峰值功率要求。
在一个具体的实施例中，当传感节点处于空闲模式时，传感节点的功率为180mW～220mW，如200mW；当传感节点处于工作模式时，传感节点的功率为3W～5W，如4W；当传感节点处于紧急模式时，传感节点处的峰值功率为15W以上，持续时间为5秒以内。
当第一微控制器104监测到光伏模块101的输出功率小于传感节点的功率需求时，第一微控制器104控制超级电容储能模快102放电，使得超级电容储能模快102和光伏模块101一并为传感节点供电；当第一微控制器104监测到光伏模块101的输出功率大于传感节点的功率需求时，第一微控制器104通过回路反馈控制逐步降低光伏模块101的入射激光能量至光伏模块101的输出功率等于传感节点的功率需求。
传感节点的功率需求会变化。光伏模块101的输出功率与传感节点的实际功率需求之间会有差别。当传感节点从空闲模式转换至工作模式时，或者传感节点从工作模式转换至紧急模式时，或者在工作模式中传感节点的负载功率波动变大时(例如波动3W～5W)，光伏模块101的输出功率小于传感节点的功率需求时，第一微控制器控制超级电容储能模快放电，使得超级电容储能模快102和光伏模块101一并为传感节点供电。在一个实施例中，当第一微控制器监测到光伏模块101的输出功率小于传感节点的功率需求时，超级电容储能模快102中存储的能量将用于填补传感节点的功率需求与光伏模块101的输出功率的差值，超级电容储能模快102和光伏模块101一并为传感节点供电，光伏模块101的入射激光能量不变。在另一个实施例中，当第一微控制器监测到光伏模块101的输出功率小于传感节点的功率需求时，第一微控制器104控制超级电容储能模快102放电的同时，第一微控制器104通过回路反馈控制逐步提高光伏模块101的入射激光能量。
当传感节点从工作模式转换至空闲模式时，或者传感节点从紧急模式转换至工作模式时，或者在工作模式中传感节点的负载功率波动变小时，光伏模块的输出功率大于传感节点的功率需求。
在一个具体的实施例中，当第一微控制器104监测到光伏模块101的输出功率大于传感节点的功率需求，且当第一微控制器104监测到超级电容101储能模快的工作电压小于下限工作电压时，则第一微控制器控制光伏模块101将光伏模块输出的多余的功率用于为超级电容储能模快102充电至上限工作电压；第一微控制器控制光伏模块将光伏模块输出的多余的功率用于为超级电容储能模快充电至上限工作电压后，第一微控制器通过回路反馈控制逐步降低光伏模块的入射激光能量至光伏模块的输出功率等于传感节点的功率需求。
在另一个具体的实施例中，当第一微控制器104监测到光伏模块101的输出功率大于传感节点的功率需求，且当第一微控制器104监测到超级电容储能模快102的工作电压小于下限工作电压时，第一微控制器104控制光伏模块101将光伏模块101输出的多余的功率用于为超级电容储能模快102充电至上限工作电压；第一微控制器104控制光伏模块将光伏模块输出的多余的功率用于为超级电容储能模快充电至上限工作电压的同时，第一微控制器通过回路反馈控制逐步降低光伏模块的入射激光能量至光伏模块的输出功率等于传感节点的功率需求。
本实施例中，在光伏模块101处于功率跟踪模式的阶段，由于超级电容储能模快102存在潜在的放电的可能性，因此需要根据超级电容储能模快102的工作电压与下限工作电压的大小关系判断是否需要对超级电容储能模快102进行充电，具体的，如果超级电容储能模快102的工作电压小于等于下限工作电压，则需要切换进入快速充电模式使得光伏模块101对超级电容储能模快102进行充电，若超级电容储能模快102的工作电压大于下限工作电压，则说明超级电容储能模快102储存能量足够应对紧急模式下的传感节点的峰值功率，光伏模块101对超级电容储能模快102不进行充电，所述光伏模块101仍然处于功率跟踪模式。
内部电源管理模块106包含内部存储电容和第二电压转换器。在一个具体的实施例中，内部电源管理模块106依次串联连接的降压稳压器、内部储能器和第二升压型电压转换器，所述降压稳压器适于与所述光伏模块电学连接，所述第二升压型电压转换器适于和第一微控制器电学连接，第二升压型电压转换器为升压型DC/DC转换器。内部储能器的容量较小，内部储能器的容量为2F～4F。内部储能器的容量小于所述超级电容储能模块的电容。所述内部电源管理模块106从光伏模块101的输出端取能，并对维持激光供电接收端装置100的基本功能的器件和模块进行供电，包括对第一微控制器104和第一光通信收发器105的供电。所述内部储能器能确保在光伏模块101没有电能输出或电能输出不够时，光供能接收端装置100的第一微控制器104仍能通过第一光通信收发器105与激光供电基站及应用中心保持通信联系，这对监控激光光纤供电系统的初始启动或发生故障时的供电链路完整性检测是非常有必要的。
所述内部储能器使用超级电容，部署在高压环境中相对其他储能器件在可靠性和使用寿命上更具优势，如比锂电池在可靠性和使用寿命上更具优势。另外，内部储能器的容量较小，容量较小的超级电容在电量耗尽或不够时，可以被光伏模块101快速充电，缩短系统启动和供电链路完整性检测所需的时间，这样使得供电链路完整性检测的效率提高。
在一个实施例中，所述激光供电接收端装置100还包括：开关单元107(未图示)，所述开关单元包括第一开关和第二开关和第三开关，第一开关位于光伏模块101的输出端和超级电容储能模块102的充电端之间的路径上，当光伏模块101为超级电容储能模块102充电时需要第一开关闭合。所述第二开关位于光伏模块101的输出端和第一电压转换器103的输入端之间的路径上，当第二开关闭合时光伏模块101和第一电压转换器103实现电学连接。第三开关位于超级电容储能模块102的放电端和第一电压转换器103的输入端之间的路径上，当超级电容储能模块102为传感节点提供电能时，需要第三开关闭合。第一开关、第二开关和第三开关的工作状态(闭合或者断开)由第一微控制器104控制。
在一个实施实施例中，第一开口、第二开关和第三开关均为MOS晶体管。第一开光支持电流从光伏模块101至超级电容储能模块102的单向流通。第二开关支持电流从光伏模块102的输出端至第一电压转换器103的单向流通。第三开关支持电流从超级电容储能模块102至第一电压转换器103的单向流通。所述第一电压转换器103的转换效率约为88％～92％，如90％。
所述第一微控制器104基于所述光伏模块101的输出功率、传感节点的平均负载功率以及所述超级电容储能模块102的工作电压，对所述光伏模块101的入射激光功率执行回路反馈控制。
超级电容储能模快102的工作电压由电压计109监控测试，电压计109输出超级电容储能模快102的工作电压。第一功率计108a测试获取第一电压转换器103的输出功率作为传感节点的负载功率。由第一功率计108a获取传感节点的负载功率，也就是第一功率计108a测试获取第一电压转换器103的输出功率。所述第一电压转换器103的输出功率取决于传感节点的类型和具体工作模式。所述第一电压转换器103的输出功率通过第一功率计108a测量后输入到第一微控制器104中，所述第一微控制器104根据第一功率计108a测量的第一电压转换器103的输出功率获取传感节点的平均负载功率。
进一步的，低通滤波器108b对第一功率计108a测试的传感节点的负载功率进行跟踪，低通滤波器108b通过对传感节点的负载功率的测试值进行平滑处理，过滤掉过高的数值。低通滤波器108b将平滑处理后的传感节点的负载功率的测试值输入至第一微控制器104，作为激光器201的输出功率调节的依据。所述光伏模块101的输出功率通过第二功率计108c测量后输入到第一微控制器104中；所述第一微控制器104基于光伏模块101的输出功率和传感节点的平均负载功率，通过第一光通信收发器105对激光供电基站200的激光器201的输出光功率进行回路反馈控制，以实现光伏模块101的输出功率对负载平均功率的跟踪匹配。
所述低通滤波器108b包括一阶低通滤波器，使得结构简单。
光伏模块的输出功率还根据传感节点的平均功率需求调节，但光伏模块101的输出功率的调节延迟于传感节点的实时功率需求。低通滤波器的时间常数τ影响该延迟的大小。低通滤波器的时间常数τ越小，光伏模块101的输出跟踪传感节点的实时功率需求的速度越快，因此超级电容储能模快102需要填补的电能缺口也就越小，但这样导致光伏模块101的输入功率变化较块。低通滤波器的时间常数τ越大，光伏模块101的输出跟踪传感器节点实时功率需求的响应速度就越慢，在τ时间间隔内供应的电能和所需的电能之间的累积间隙可能会很大，需要通过超级电容储能模快102进行补偿。因此，选择低通滤波器的时间常数τ，一方面需要考虑对超级电容储能模快102最大容量的要求，另一方面要考虑对光伏模块101输入功率范围的要求。在一个具体的实施例中，低通滤波器的时间常数τ选择0.5秒～2秒。
进一步的，光伏模块101能够持续提供2W～6W的功率，最大持续可输出功率是6W；光伏模块101给超级电容储能模快102充电的通路无功耗损失，光伏模块101和超级电容储能模快102给传感节点供电的效率是90％以上，也就是第一电压转换器的转化效率为90％以上。第一电压转换器包括DC/DC转换器。
本实施例中，设置超级电容储能模快102，超级电容储能模快102能够在传感节点具有负载峰值功率时通过快速放电对光伏模块101的输出功率进行补充，以填补所需功率缺口，这样可避免光伏模块101为了满足负载峰值功率要求而持续运行在大功率模式下产生过多热量，降低光伏模块的热应力。
本实施例中，超级电容储能模快102在短时间内需要大功率，充电和放电周期以及更长使用寿命的应用中，具有优势。超级电容储能模快102适合在紧急模式下满足传感节点的峰值功率要求。
在一个实施例中，超级电容储能模快102的容量C满足：
其中，P是传感节点所需的峰值功率，T是传感节点的峰值功率持续时间；VCapacitor1是超级电容储能模快102的工作电压的最大值；VDropout是超级电容储能模快102停止放电时的最小电压，也就是最小放电电压；EDC/DC是第一电压转换器103的效率，C是超级电容储能模快102的容量。在T时间内，超级电容储能模快102的电压从VCapacoitor1降低至VDropout。
在另一个实施例中，超级电容储能模快102的容量C满足：
A为安全裕度，A大于0。
对于一个固定的超级电容储能模快102，超级电容储能模快102的工作电压的最大值是确定的，超级电容储能模快102的最小放电电压是确定的。
在一个具体的实施例中，超级电容储能模快102的容量为45F～60F，如50F。
VCapaitor为超级电容储能模快102的工作电压。VCapaoitor决定了超级电容储能模块102中所存储的电能量，超级电容储能模快102的工作电压随着超级电容储能模块102充放电会相应变化，VCapacitor的最大值的设置考虑超级电容储能模块102的工作环境温度以及超级电容储能模块102的预期使用寿命来设置。假设在较高的环境温度下使用较高的VCapaoitor1，会降低超级电容储能模块的使用寿命。因此对于需要超级电容储能模块102的很长的使用寿命或在相对较高的环境温度下运行，VCapacitor1设置的较低。
VDropout决定了无法从超级电容储能模块102中提取的电能量，一般取决于第一电压转换器103的最小输入工作电压。在一个具体的实施例中，Vdropout＝第一电压转换器的最小输入工作电压+Vdifference。Vdifference为0V～0.1V。
在一个具体的实施例中，超级电容储能模快102的容量为50F，超级电容储能模快102的工作电压的最大值VCapacoitor1设置为2.5V，超级电容储能模快102的最小放电电压设置为0.8V。第一电压转换器的转化效率为90％。相应的，超级电容储能模快102最大可储存的能量为156焦耳(J)，超级电容储能模快102无法释放的能量为16J。因此，所述50F超级电容的最大可释放能量为140J。考虑第一电压转换器的转换效率为90％，超级电容储能模快102能为传感节点供电的能量约为126J，在传感节点15W峰值功率的紧急模式下，单独供电可持续8.4秒，能够满足应用需求且留有一定的安全裕度。
当时，所述下限工作电压Q2的设置需要满足：超级电容储能模快102可释放的电量满足传感节点在紧急模式下的峰值功率要求，/>
所述下限工作电压Q2的设置需要满足：在紧急模式下超级电容储能模快102可释放的电量满足传感节点在紧急模式下的峰值功率要求。具体的，当紧急模式下传感节点持续5秒的峰值功率15W，紧急模式下传感节点的总能耗是75J，超级电容储能模快102的输出经第一电压转换器的转换效率为90％，因此实际需要超级电容储能模快102释放的能量是83.3J，考虑超级电容储能模快102无法释放16J电能，因此超级电容储能模快102储存总的能量至少应该是93.3J，参考前文公式，这对应下限工作电压Q2为2V电压。因此，在本实施例中，超级电容的电压下限门值应该至少是2V或者更高，才能保证在紧急模式时有足够的能量供应。
参考图4，对激光光纤供电系统的状态进行控制，由上限工作电压触发自快速充电模式至功率跟踪模式的切换，由下限工作电压触发自功率跟踪模式至快速充电模式的切换，避免在快速充电模式和功率跟踪模式之前频繁切换。图4中，当超级电容储能模快102的工作电压小于下限工作电压，则切换进入快速充电模式使得光伏模块101对超级电容储能模快102进行充电，在快速充电模式下一旦超级电容储能模快102的工作电压大于上限工作电压，则由快速充电模式切换至功率跟踪模式。在功率跟踪模式下，一旦超级电容储能模快102的工作电压小于下限工作电压，则由功率跟踪模式切换至快速充电模式。
本实施例中，参考图5，在激光光纤供电系统初始启动后，且所述激光光纤供电系统处于传感节点供电模式之前，进行对光纤链路完整性检测，避免在供电过程中光纤中大功率的光泄露造成人身伤害，其次，避免光纤连接部正确时存在光反射而损坏光纤和激光器本身。若光纤链路不完整，则需要激光器停止发送激光，并对光纤链路进行故障检查当判断光纤链路是完整后，激光光纤供电系统切入至为传感节点供电的模式。
对光纤链路完整性进行检测的过程中，设置激光供电基站中的激光器的输出功率采用低于临界值激光功率，所述临界值能保证不造成人身伤害，还设置链路响应时间上限。在一个实施例中，临界值激光功率为100mW～500mW。
需要说明的是，临界值激光功率为500mW时，激光对人身处了眼镜之外的其他部分没有伤害。但是一般情况下，工作人员在操作的过程中，均会在眼镜上设置防护镜，以阻挡激光对眼镜的伤害。若临界值激光功率为过低的话，光伏模块的输出功率过低，不能满足瓦级功率的输出。因此临界值激光功率为100mW～500mW时，能满足实际需要。
参考图6和图7，对光纤链路完整性进行检测的过程中，激光光纤供电系统，启动激光器，激光器的输出功率低于临界值激光功率，若光伏模块接收到激光器通过能量光纤发送的激光，光伏模块将激光光能转换为电能并存储在内部存储电容中。本申请中内部存储电容采用小容量的电容，在一个具体的实施例中，所述内部存储电容的容量为2F～4F，如2F，即使光伏模块的输出功率较低时也能快速对内部存储电容充电，降低光纤链路完整性检测的时间。一旦内部存储电容收集到下限阈值电能时，第一微控制器控制第一光通信收发器发送特征上行信息至激光供电基站中的第二光通信收发器，若自启动激光器后，第二光通信收发器在链路响应时间上限内收到第一光通信收发器发送的特征上行信息，则判断光纤链路是完整的。若自启动激光器后，第二光通信收发器未在链路响应时间上限内收到第一光通信收发器发送的特征上行信息，则判断光纤链路发生故障。
特征上行信息包括内部存储电容的电量信息和光伏模块对内部存储电容充电的时间信息。
需要说明的是，在进行光纤链路完整性检测的过程中，激光供电接收端装置20处于低功耗运作模式，仅启动与光纤链路完整性检测相关的功能，例如光伏模块、内部存储电容、第一微控制器和第一光通信收发器被启动，第一电压转换器和超级电容储能模快102以及激光供电接收端装置20中其他的部件没有启动，降低光纤链路完整性检测过程中的功耗。
当在传感节点供电模式下，激光器输出功率在几瓦至几十瓦，例如2瓦至20瓦，由激光驱动器驱动激光器发光，激光驱动器给激光器提供电流，激光器为电致发光激光器。激光器在传感节点供电模式下连续工作时的输出功率大于在光纤链路完整性检测时激光器输出的功率。
本实施例中，采用脉冲宽度调制(PWM)方法调制激光器的实际输出功率，通过设置合适的占空比，在光纤链路完整性检测的过程中提供给激光器较小的输出功率。
在一个具体的实施例中，内部存储电容的容量为2F，内部存储电容的最高工作电压为2.7V,内部存储电容最大可存储的能量为7.29焦耳，激光器进行脉冲宽度调制，光伏模块以250mW平均功率无损地对内部存储电容进行充电，则只需要约29秒钟内部存储电容即可充满电。由于第一微控制器和第一光通信收发器工作时的平均功耗不超过100mW，因此2F的内部存储电容充满电后完全满足光纤链路完整性检测过程中特征上行信息发送的需求。另外，为了加快光纤链路完整性检测，可以边给内部存储电容充电，边发送特征上行信息，不用等到内部存储电容全部充满。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (16)
1.一种基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，采用激光光纤供电系统，其特征在于，所述激光光纤供电系统包括激光器、超级电容储能模快、光伏模块和第一微控制器，所述光伏模块适于给传感节点供电；
所述激光光纤供电系统处于传感节点供电模式时，所述第一微控制器基于光伏模块的输出功率、传感节点的功率需求、以及超级电容储能模块的工作电压，对激光器传输至光伏模块的入射激光功率执行回路反馈控制，且对光伏模块给所述超级电容储能模块的充电过程以及超级电容储能模块对传感节点的放电过程进行管控；
所述激光光纤供电系统处于传感节点供电模式时具有快速充电模式和功率跟踪模式；
所述工作方法还包括：设置超级电容储能模快的工作电压的上限工作电压和下限工作电压；当第一微控制器监测到超级电容储能模快的工作电压小于下限工作电压，则切换至快速充电模式，第一微控制器控制所述光伏模块对超级电容储能模快进行充电；当第一微控制器监测到所述超级电容储能模快的工作电压大于上限工作电压时，则切换至功率跟踪模式，光伏模块的输出功率由传感器节点的平均负载功率调整；
所述激光光纤供电系统还包括：第一电压转换器，第一电压转换器的输入端适于与光伏模块的输出端电学连接，还适于与所述超级电容储能模快的放电端电学连接；
所述下限工作电压的设置需要满足：其中，C为超级电容储能模快的容量，P是传感节点在所需的峰值功率，T是传感节点的峰值功率持续时间；VDropout是超级电容储能模快的最小放电电压；EDC/DC是第一电压转换器的效率，Q2为下限工作电压。
2.根据权利要求1所述的基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，其特征在于，
所述功率跟踪模式下光伏模块的输出功率小于快速充电模式下光伏模块的输出功率，且功率跟踪模式下光伏模块的输出功率的变化率小于快速充电模式下光伏模块的输出功率的变化率。
3.根据权利要求2所述的基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，其特征在于，
在第一微控制器控制光伏模块对超级电容储能模快进行充电的过程中，通过回路反馈控制提高光伏模块的输出功率，直至配置激光器的光功率使光伏模块能够获得最大输出功率。
4.根据权利要求1所述的基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，其特征在于，
当第一微控制器监测到光伏模块的输出功率小于传感节点的功率需求时，第一微控制器控制超级电容储能模快放电，使得超级电容储能模快和光伏模块一并为传感节点供电；当第一微控制器监测到光伏模块的输出功率大于传感节点的功率需求时，第一微控制器通过回路反馈控制逐步降低光伏模块的入射激光能量至光伏模块的输出功率等于传感节点的功率需求。
5.根据权利要求4所述的基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，其特征在于，
当第一微控制器监测到光伏模块的输出功率小于传感节点的功率需求时，超级电容储能模快中存储的能量将用于填补传感节点的功率需求与光伏模块的输出功率的差值，光伏模块的入射激光能量不变；
或者，当第一微控制器监测到光伏模块的输出功率小于传感节点的功率需求时，第一微控制器控制超级电容储能模快放电的同时，第一微控制器通过回路反馈控制逐步提高光伏模块的入射激光能量。
6.根据权利要求4所述的基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，其特征在于，
当第一微控制器监测到光伏模块的输出功率大于传感节点的功率需求，且当第一微控制器监测到超级电容储能模快的工作电压小于下限工作电压时，第一微控制器控制光伏模块将光伏模块输出的多余的功率用于为超级电容储能模快充电至上限工作电压；第一微控制器控制光伏模块将光伏模块输出的多余的功率用于为超级电容储能模快充电至上限工作电压后，第一微控制器通过回路反馈控制逐步降低光伏模块的入射激光能量至光伏模块的输出功率等于传感节点的功率需求，或者，第一微控制器控制光伏模块将光伏模块输出的多余的功率用于为超级电容储能模快充电至上限工作电压的同时，第一微控制器通过回路反馈控制逐步降低光伏模块的入射激光能量至光伏模块的输出功率等于传感节点的功率需求。
7.根据权利要求4所述的基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，其特征在于，传感节点具有空闲模式、工作模式和紧急模式；传感节点处于空闲模式时需要的功率小于传感节点处于工作模式需要的功率；传感节点处于紧急模式时的峰值功率大于传感节点处于工作模式时的工作功率；传感节点处于紧急模式持续的时间少于传感节点处于工作模式持续的时间；
当传感节点从空闲模式转换至工作模式时，或者传感节点从工作模式转换至紧急模式时，或者在工作模式中传感节点的负载功率波动变大时，光伏模块的输出功率小于传感节点的功率需求；
当传感节点从工作模式转换至空闲模式时，或者传感节点从紧急模式转换至工作模式时，或者在工作模式中传感节点的负载功率波动变小时，光伏模块的输出功率大于传感节点的功率需求。
8.根据权利要求1所述的基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，其特征在于，采用第一功率计获取传感节点的负载功率的测试值并输入至低通滤波器，低通滤波器对传感节点的负载功率的测试值过滤之后输入至第一微控制器，第一微控制器根据传感节点的负载功率获取传感节点的平均负载功率；采用第二功率计测量所述光伏模块的输出功率并输入到第一微控制器中；采用电压计监控测试超级电容储能模快的工作电压并输出至第一微控制器。
9.根据权利要求8所述的基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，其特征在于，
第一功率计测试获取第一电压转换器的输出功率作为传感节点的负载功率。
10.根据权利要求8所述的基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，其特征在于，
所述低通滤波器包括一阶低通滤波器。
11.根据权利要求8所述的基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，其特征在于，
所述低通滤波器的时间常数为0.5秒～2秒。
12.根据权利要求1所述的基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，其特征在于，还包括:所述激光光纤供电系统处于传感节点供电模式之前，进行对光纤链路完整性检测。
13.根据权利要求12所述的基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，其特征在于，
所述超级电容储能模快和光伏模块为激光供电接收端装置的一部分，所述激光供电接收端装置还包括：第一光通信收发器和内部存储电容；
所述激光光纤供电系统还包括：激光供电基站，所述激光器为激光供电基站的一部分，激光供电基站还包括第二光通信收发器；能量光纤和数据光纤，能量光纤连接激光器和光伏模块，数据光纤连接第二光通信收发器和第一光通信收发器；
进行对光纤链路完整性检测的过程包括：启动激光器，激光器的输出功率低于临界值激光功率；若自启动激光器后，光伏模块接收到激光器通过能量光纤发送的激光，光伏模块将激光光能转换为电能并存储在内部存储电容中，内部存储电容收集到下限阈值电能时第一微控制器控制第一光通信收发器发送特征上行信息，第二光通信收发器在链路响应时间上限内收到第一光通信收发器发送的特征上行信息，则判断光纤链路是完整的；若自启动激光器后，第二光通信收发器未在链路响应时间上限内收到第一光通信收发器发送的特征上行信息，则判断光纤链路发生故障。
14.根据权利要求13所述的基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，其特征在于，
特征上行信息包括内部存储电容的电量信息和光伏模块对内部存储电容充电的时间信息。
15.根据权利要求14所述的基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，其特征在于，
所述内部存储电容的容量为2F～4F。
16.根据权利要求13所述的基于功率自适应反馈的激光光纤供电工作方法，其特征在于，
临界值激光功率为100mW～500mW。
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