CN114567382B - 光纤能信共传优化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光纤能信共传优化系统,包括变电站侧、杆塔侧,所述变电站侧包括激光光源,所述杆塔侧包括与所述变电站侧的激光光源光纤连接的接线盒、与所述接线盒光纤连接的一个或多个传感器节点,在接线盒或传感器节点上设有分光器、波分复用器、光电池、超级电容以及节点中央处理芯片;在每个传感器节点安装有一种或多种微瓦量级功耗传感器或毫瓦量级功耗传感器时,所述超级电容的容量值根据传感器的功耗量级系数来选定,可以将光电池、超级电容以及传感器节点三者有效结合,满足光纤能信共传过程中用电侧的用电需求。
Description
技术领域
本发明属于电力电缆技术领域,具体地涉及一种光纤能信共传优化系统。
背景技术
基于电子技术的信息采集与信息传输技术是当前物联网终端层的主要技术手段;光纤通信系统,具有单位损耗低和传输距离远、抗电磁干扰能力强,铺设组网简单,通信数据安全可靠等诸多优点,能够较大程度上满足复杂电磁环境下远距离通信的需求,适用于各类环境中的监测应用。但是由于受能源供应等因素限制,特殊环境下例如架空输电线路与地下管廊等,电子式终端通常供能问题引发一系列的不便,存在潜在的安全风险,会影响监测系统运行,进而破坏电网系统的安全有效运转。现有电力物联网中监测与控制远端节点侧供能方式主要包括:1)电力线远程输能,2)太阳能电池板、电磁感应等本地能量搜集等两类。电力线远程输能因存在建设困难等不足,在架空、地下管廊等长距离环境下难以应用;太阳能电池板对自然环境与气象条件等要求苛刻,特别是在阴雨冰雪恶劣天气无法实现能量供给,而磁共振等电磁感应类能量供给方式又存在供电距离受限、高压取电存在短路放电等不足。因此,电力物联网中监测与控制远端节点侧的有效供能是一个重要的技术难题。
近年来,如图1所示,光导纤维作为近代光学的一个重要分支,从阶跃折射率分布光纤到复杂折射率分布光纤,从单纯传光到传感各种物理量,继而发展为传输能量。利用光纤传能技术可以实现光通信网络远端节点的光纤化供给,实现能量与信息的共同传输,可以有效解决野外复杂环境中通信网络的快速布设需求,具有重要的应用价值。
光纤传能技术是指通过光伏效应把光能直接转换成电能的光电转换过程,其目的是尽可能地将远端传输的激光能量转换为电能输出给传感器终端使用。由于电力系统自动化和智能电网的发展,对中高压输电线路及电力设备进行实时监测变的越发重要,输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。基于具体实践中,对于不同类型的传感器,其功耗存在明显差异,根据应用的需要和感知的现象,传感器将通过调整采样率及休眠模式减少功耗。此时处理数据的功耗包括由晶体管开关造成的功耗和/或由于泄漏电流造成的能量损失。因此,不同传感器类型采集和处理不同大小和类型的数据,所以不同节点对能量的损耗速率是不一样的,对能量的需求量也是不同的,同样的能量在不同传感器的使用时间是不相同的。
因此,有必要研究在现有光纤能信共传过程中从变电站侧输送过来的能量如何才能有效满足传感器节点的用电需求。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种光纤能信共传优化系统,将光电池、超级电容以及传感器节点三者有效结合,实现储存变电站侧输送过来的能量通过超级电容进行能量存储,满足光纤能信共传过程中传感器节点的用电需求。
本发明实施例提供一种光纤能信共传优化系统,包括变电站侧、杆塔侧,所述变电站侧包括激光光源,所述杆塔侧包括与所述变电站侧的激光光源光纤连接的接线盒、与所述接线盒光纤连接的一个或多个传感器节点,在所述接线盒或所述传感器节点上设有分光器、波分复用器、光电池、超级电容以及节点中央处理芯片;将在所述变电站侧、所述杆塔侧、以及在所述变电站侧与所述杆塔侧之间的光纤设置成激光能量信号与信息通信信号共纤,且所述激光能量信号的能量光中心波长在1400纳米以上且大于所述信息通信信号的信息光中心波长;
在每个传感器节点安装有一种或多种微瓦量级功耗传感器或毫瓦量级功耗传感器时,则所述超级电容容量值通过建立以下数学模型进行选择:
其中,C表示超级电容容量值,单位F(法拉);U1表示传感器节点工作电压值,单位V(伏特);I表示传感器节点工作平均电流值,单位A(安培);t表示传感器节点工作时间,单位h(小时);U2表示超级电容放电起始阈值,单位V(伏特);U3表示超级电容放电截止阈值,单位V(伏特);k表示传感器功耗量级系数;
所述超级电容的容量值根据传感器功耗量级系数计算获得,其中,所述传感器功耗量级系数根据系统模拟分析算法设定为分别对应所述毫瓦量级功耗传感器和微瓦量级功耗传感器的第一常量系数和第二常量系数,其中所述毫瓦量级功耗传感器的第一常量系数大于微瓦量级功耗传感器的第二常量系数。
较佳地,在每个传感器节点安装有温度、湿度、气压、光强、风速传感器中一种或多种微瓦量级功耗传感器,则所述超级电容的传感器功耗量级系数根据系统模拟分析算法设定为2~3。
较佳地,在每个传感器节点安装有摄像头或图像传感器中一种或多种毫瓦量级功耗传感器,则所述超级电容的传感器功耗量级系数根据系统模拟分析算法设定为3~5。
较佳地,所述接线盒包括与所述激光光源光纤连接的分光器,所述传感器节点包括与所述分光器光纤连接的波分复用器、光电池、杆塔侧光通信模块、节点中央处理芯片以及节点传感器;所述光电池并联连接有超级电容和所述节点传感器,所述节点传感器与所述杆塔侧光通信模块电性连接在节点中央处理芯片上。
较佳地,所述接线盒包括波分复用器、光电池、杆塔侧光通信模块、节点中央处理芯片以及分光器,所述波分复用器一端与所述杆塔侧的激光光源光纤连接,另一端分别与所述光电池、所述杆塔侧光通信模块光纤连接;与所述光电池并联连接有超级电容和节点中央处理芯片,与所述分光器光纤连接有一个或多个传感器节点。
较佳地,所述传感器节点采用光纤传感器。
较佳地,在所述传感器节点处通过分析光纤中的数据处理来获得传感信号。
较佳地,所述激光能量信号的能量光中心波长为1450纳米。
较佳地,所述信息通信信号的信息光中心波长优选为1310纳米。
较佳地,所述光电池采用与InGaAs晶格匹配的InP材料制备;其中,所述InP材料对所述能量光中心波长在1400纳米以上波段的激光全透过。
本发明实施例提供的光纤能信共传优化系统中的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果:
传感器节点通过波分复用器将接收的光能以及信号进行拆分,拆分出来的光能存储至光电池中,经过光电转换技术将光电池存储的光能转换成电能存储至超级电容,所述超级电容的容量值基于传感器的特性系数来选定,将光电池、超级电容以及传感器节点有效结合,通过超级电容进行能量存储,满足光纤能信共传过程中用电侧的用电需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例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,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的光纤结构示意图;
图2为本发明实施例一提供的光纤能信共传优化系统结构框图;
图3为本发明实施例一提供的光纤能信共传优化方法流程图;
图4为本发明实施例一提供的超级电容充放电局部工作电路图;
图5为本发明实施例二提供的光纤能信共传优化系统结构框图;
图6为本发明实施例三提供的光纤能信共传优化系统结构框图;
图7为本发明实施例四提供的光纤能信共传优化系统结构框图;
图8为本发明实施例四提供的光纤能信共传优化方法流程图;
图9为本发明实施例五提供的能信共传光纤的激光供能系统结构框图;
图10为本发明实施例五提供的能信共传光纤的激光供能方法流程图。
附图标记说明:
10-变电站侧、11-激光光源;
20-杆塔侧、21-接线盒、211-分光器、22-传感器节点、221-波分复用器、222-光电池、223-超级电容、224-杆塔侧光通信模块、225-节点传感器、226-节点中央处理芯片。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明的实施例,而不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
下面分多个实施例对本发明的实施例进行进一步的说明。本发明实施例不限定于以下的具体实施例。在不改变权利要求主张的范围内,可以适当的进行变更实施。
本发明提供一种光纤能信共传优化系统,包括变电站侧、杆塔侧,所述变电站侧包括激光光源,所述杆塔侧包括与所述变电站侧的激光光源光纤连接的接线盒、与所述接线盒光纤连接的一个或多个传感器节点,在接线盒和/或传感器节点上设有分光器、波分复用器、光电池、超级电容以及节点中央处理芯片;将在所述变电站侧、所述杆塔侧、以及在所述变电站侧与所述杆塔侧之间的光纤设置成激光能量信号与信息通信信号共纤,且所述激光能量信号的能量光中心波长在1400纳米以上且大于所述信息通信信号的信息光中心波长;在每个传感器节点安装有多个第一类传感器和/或第二类传感器时,所述超级电容的容量值根据传感器的特性系数来选定,其中,所述传感器的特性系数根据系统模拟分析算法设定为分别对应所述第一类传感器和第二类传感器的第一特性系数和第二特性系数,其中所述第二类传感器的第二特性系数大于第一类传感器的第一特性系数。其中,所述传感器的特性系数根据系统模拟分析算法设定在2~5,由于用于各个传感器节点供能的激光能量信号与通信的信息通信信号在一根光纤中共纤传输,两信号相互之间存在干扰,用于供能的能量光有一定幅度地波动,将所述超级电容的容量值基于传感器的特性系数来选定,将光电池、超级电容以及传感器节点有效结合,通过此选定的超级电容进行电能量存储,能有效满足光纤能信共传过程中传感器节点的用电需求。
实施例一
本实施例提供的一种光纤能信共传优化方法,应用于光纤能信共传优化系统。如图2所示,所述光纤能信共传优化系统包括变电站侧10、杆塔侧20。其中,所述变电站侧10设有激光光源11,所述杆塔侧20设有与所述激光光源11光纤连接的分光器211、以及多个传感器节点22。具体地,所述分光器211设置在接线盒21中,所述变电站侧10传输过来的激光能量信号与信息通信信号经所述分光器211按需分配给多个所述传感器节点22。
进一步地,每一所述传感器节点22均设有波分复用器221、光电池222、超级电容223、杆塔侧光通信模块224、节点传感器225和节点中央处理芯片226。其中,所述波分复用器221与所述分光器211光纤连接,所述波分复用器221分别与所述光电池222、所述杆塔侧光通信模块224光纤连接,所述光电池222并联连接有所述超级电容223和所述节点传感器225,所述节点传感器225与所述杆塔侧光通信模块224电性连接在节点中央处理芯片226上。
其中,所述节点传感器225为微瓦量级功耗传感器。具体地,微瓦量级功耗传感器包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、光强传感器、风速传感器。本实施例中,在每个所述传感器节点22安装有温度传感器、湿度传感器、气压传感器、光强传感器、风速传感器。需要说明的是,在其它一些实施例中,在每个所述传感器节点安装有温度传感器、湿度传感器、气压传感器、光强传感器、风速传感器中的一种或者多种传感器。
如图3所示,本实施例提供的一种光纤能信共传优化方法,应用于光纤能信共传优化系统,由于在所述变电站侧10、所述杆塔侧20、以及在所述变电站侧10与所述杆塔侧20之间的光纤设置成激光能量信号与信息通信信号共纤,通过所述能信共传的光纤、光电池、以及超级电容三者结合才能有效地将激光光源经由光伏电池的转换,并获得满足用电侧用电需求的电功率。基于此,本发明主要适用光纤中激光能量信号的能量光中心波长在1400纳米以上且大于光纤中信息通信信号的信息光中心波长,所述光纤能信共传优化方法具体包括以下步骤:
S101,将在所述变电站侧、所述杆塔侧、以及在所述变电站侧与所述杆塔侧之间的光纤设置成激光能量信号与信息通信信号共纤,且所述激光能量信号的能量光中心波长在1400纳米以上且大于所述信息通信信号的信息光中心波长;
在本发明的一些实施例中,所述光纤中激光能量信号的能量光中心波长在1400~1410纳米、1410~1420纳米、1420~1430纳米、1440~1450纳米、1450~1460纳米、1460~1470纳米、1470~1480纳米、1490~1500纳米、1510~1520纳米、1530~1540纳米、1550~1560纳米、1560~1570纳米、1570~1580纳米、1580~1590纳米、1590~1600纳米、1610~1620纳米、1620~1630纳米、1630~1640纳米、1640~1650纳米、1650~1660纳米、1660~1670纳米、1670~1680纳米、1680~1690纳米、1690~1700纳米等,所述光纤中激光能量信号的能量光中心波长的设定需与所述光电池、超级电容的标称量匹配配置。
在本发明的一个较佳实施例中,需要满足5千米远距离供能及5千米远距离通信的共纤传输需求,如使用现有技术中810纳米中心波长的光源供能虽然输出能量高,但随着传输距离越长,传输损耗就会越大,因此该方案不适用于传输距离超过千米量级的供能需求。同时,使用810纳米波段的光源作为本项目的供能源将无法实现一根光纤中能量及信息共纤传输的要求,需要额外增加一根光纤用来作为通信光纤,因为用来传输810纳米波段光的传能光纤为一种特殊的多芯光纤。
而本专利申请中采用在所述变电站侧10、所述杆塔侧20、以及在所述变电站侧10与所述杆塔侧20之间的光纤设置成激光能量信号与信息通信信号共纤的单一光纤,且所述激光能量信号的能量光中心波长在1400纳米以上且大于所述信息通信信号的信息光中心波长,并通过与所述光电池222、所述超级电容223相结合,可以实现5千米远距离供能及5千米远距离通信的共纤传输需求,并满足杆塔侧各个传感器节点的用电需求。
在本发明的较佳实施例中,为了更适合5千米以上远距离传输能量,所述激光能量信号的能量光中心波长优选为1450纳米,所述信息通信信号的信息光中心波长优选为1310纳米,可满足一根光纤中既传输能量又传输信息,如此当所述光纤的电力光缆长度在5千米及以上时,根据所述光纤、光电池、超级电容匹配设置,经测试得到的输出电功率可满足用电侧用电需求,即多个传感器节点处的用电需求。
S102,将与所述光电池并联连接所述超级电容和所述节点传感器,所述节点传感器与所述杆塔侧光通信模块电性连接在所述节点中央处理芯片上。
S103,将所述分光器分成的激光能量信号和信息通信信号经过光纤传输至所述波分复用器。
S104,由所述波分复用器区分激光能量信号和信息通信信号分别传输至所述光电池和所述杆塔侧光通信模块。
S105,由所述光电池将激光能量信号的光能量转换成电能量输入至所述超级电容。
S106,由所述超级电容间歇式供电至所述传感器节点。
其中,由所述光电池将光纤中激光能量信号转换成电能量输出给所述超级电容,当所述超级电容处在充电状态时,与所述超级电容并联的所述节点传感器处于低功耗模式,由所述光电池转换成的电能量传输并存储到超级电容中,所述节点传感器在低功耗模式下每隔预设时间唤醒所述节点中央处理芯片监测所述超级电容引脚两端的电压大小,当监测到所述超级电容两端电压达到放电阈值后,所述超级电容处于放电状态,此时所述传感器节点处于运行模式,所述节点传感器从所述超级电容和所述光电池中同时获取能量,当完成所述运行模式后,所述传感器节点处于低功耗模式,所述超级电容开始充电。
进一步地,如图4所示的所述超级电容223充放电的局部工作电路图。所述超级电容223充放电过程为:所述光电池222、所述超级电容223以及所述节点传感器225三者并联,P1处的所述光电池222将中心波长为1450纳米的能量光转换为电能量输出给所述超级电容223及所述节点传感器225。当超级电容223处在充电状态时,此时与所述超级电容223并联的所述节点传感器225处于低功耗模式,在低功耗模式下,所述节点传感器225整体电阻达兆欧量级,仅需微安电流维持低功耗模式,故所述光电池222的大部分能量都会传输存储到所述超级电容223中。与此同时,所述节点传感器225在低功耗模式下会每隔一定时间唤醒系统监测所述超级电容223引脚两端电压大小,当所述节点传感器225明确所述超级电容223两端电压达到放电阈值后,所述超级电容223开始放电。当所述超级电容223处在放电状态时,此时所述节点传感器225处于运行模式,所述节点传感器225整体电阻不再维持兆欧量级,会在百欧、千欧量级波动,微安量级电流已经不满足所述节点传感器225正常稳定工作需要,所述节点传感器225会从所述超级电容223和所述光电池222中同时获取能量,其中所述超级电容223提供的能量占主要部分,当完成整个运行模式后,所述节点传感器225重新进入低功耗模式,所述超级电容223开始充电。
在一些实施例中,所述光电池采用与InGaAs晶格匹配的InP材料制备,所述InP材料对所述能量光中心波长在1400纳米以上的激光全透过,如此光纤、光电池和超级电容三者结合,可以满足能信共传光纤用电侧用电需求。当所述光纤中激光能量信号的能量光中心波长为1450纳米,所述信息通信信号的信息光中心波长为1310纳米,由于在同一光纤光缆中通过波长为1450纳米的激光能量信号与波长为1310纳米的信息通信信号会呈现复杂的非线性光折射现象,基于这样的光纤、光电池和超级电容三者配置结合,在所述光纤的电力光缆长度在5千米时,经测试得到的输出电功率可满足用电侧用电需求,即多个传感器节点处的用电需求。
通过上述步骤,分光器将变电站侧同步输送的光能和信号按需分配至不同的传感器节点,传感器节点通过波分复用器将接收的光能以及信号进行拆分,拆分出来的光能存储至光电池中,经过光电转换技术将光电池存储的光能转换成电能存储至超级电容;通过光纤、光电池、以及超级电容的结合,实现储存变电站侧输送过来的能量的超级电容实现间歇式充电,以解决现有光纤能信共传过程中传输给用电侧的能量不足于满足用电侧用电需求的技术问题。
实施例二
本实施例提供的一种光纤能信共传优化方法,应用于光纤能信共传优化系统。如图5所示,所述光纤能信共传优化系统包括变电站侧10、杆塔侧20。其中,所述变电站侧10设有激光光源11,所述杆塔侧20设有与所述激光光源11光纤连接的分光器211、以及多个传感器节点22。具体地,所述分光器211设置在接线盒21中,所述变电站侧10传输过来的激光能量信号与信息通信信号经所述分光器211按需分配给多个所述传感器节点22。
进一步地,每一所述传感器节点22均设有波分复用器221、光电池222、超级电容223、杆塔侧光通信模块224、节点传感器225和节点中央处理芯片226。其中,所述波分复用器221与所述分光器211光纤连接,所述波分复用器211分别与所述光电池222、所述杆塔侧光通信模块224光纤连接,所述光电池222并联连接有所述超级电容223和所述节点传感器225,所述节点传感器225与所述杆塔侧光通信模块224电性连接在节点中央处理芯片226上;
其中,所述节点传感器225为毫瓦量级功耗传感器。具体地,毫瓦量级功耗传感器包括摄像头、图像传感器。本实施例中,在每个所述传感器节点安装有摄像头、图像传感器。需要说明的是,其它实施例中,在每个所述传感器节点安装有摄像头、图像传感器中的一种或者多种传感器。
在本发明的实施例中,所述节点传感器225为电子式传感器,则通过所述节点中央处理芯片226获得电子式的所述节点传感器225的传感数据进行分析处理来获得传感信息。
在本实施例中,提供一种采用电子式节点传感器和节点中央处理芯片226的光纤能信共传优化方法,具体包括以下步骤:
S201,将在所述变电站侧、所述杆塔侧、以及在所述变电站侧与所述杆塔侧之间的光纤设置成激光能量信号与信息通信信号共纤,且所述激光能量信号的能量光中心波长在1400纳米以上且大于所述信息通信信号的信息光中心波长;
其中,为了更佳地适合远距离传输能量,所述激光能量信号的能量光中心波长优选为1450纳米,所述信息通信信号的信息光中心波长优选为1310纳米。
S202,将与所述光电池并联连接所述超级电容和所述节点传感器,所述节点传感器与所述杆塔侧光通信模块电性连接在所述节点中央处理芯片上。
S203,将所述分光器分成的激光能量信号和信息通信信号经过光纤传输至所述波分复用器。
S204,由所述波分复用器区分激光能量信号和信息通信信号分别传输至所述光电池和所述杆塔侧光通信模块。
S205,由所述光电池将激光能量信号的光能量转换成电能量输入至所述超级电容。
S206,由所述超级电容间歇式供电至所述传感器节点。
其中,由所述光电池将光纤中激光能量信号转换成电能量输出给所述超级电容,当所述超级电容处在充电状态时,与所述超级电容并联的所述节点传感器处于低功耗模式,由所述光电池转换成的电能量传输并存储到超级电容中,所述节点传感器在低功耗模式下每隔预定时间唤醒所述节点中央处理芯片监测所述超级电容引脚两端的电压大小,当监测到所述超级电容两端电压达到放电阈值后,所述超级电容处于放电状态,此时所述传感器节点处于运行模式,所述节点传感器从所述超级电容和所述光电池中同时获取能量,当完成整个运行模式后,所述传感器节点处于低功耗模式,所述超级电容开始充电。
在上述实施例一、实施例二中,在每个所述传感器节点225安装有多个微瓦量级功耗传感器或毫瓦量级功耗传感器时,则所述超级电容223容量值通过建立以下数学模型一进行选择:
其中,C表示超级电容容量值,单位F(法拉);U1表示传感器节点工作电压值,单位V(伏特);I表示传感器节点工作平均电流值,单位A(安培);t表示传感器节点工作时间,单位h(小时);U2表示超级电容放电起始阈值,单位V(伏特);U3表示超级电容放电截止阈值,单位V(伏特);k表示传感器功耗量级系数。
在本发明的实施例中,由于所述传感器为电子式传感器,所述传感器的特性系数是功耗量级系数。所述超级电容的容量值根据传感器的功耗量级系数计算获得,其中,所述传感器功耗量级系数根据系统模拟分析算法设定对应所述毫瓦量级功耗传感器为第一常量系数、对应所述微瓦量级功耗传感器为第二常量系数,其中所述毫瓦量级功耗传感器的第一常量系数大于所述微瓦量级功耗传感器的第二常量系数。
进一步地,在每个所述传感器节点安装有温度、湿度、气压、光强、风速传感器中一种或多种微瓦量级功耗传感器,所述超级电容的容量值根据传感器的功耗量级系数,所述传感器功耗量级系数根据系统模拟分析算法设定为2~3。
进一步地,在每个所述传感器节点安装有摄像头或图像传感器中一种或多种毫瓦量级功耗传感器,则所述超级电容的传感器功耗量级系数根据系统模拟分析算法设定为3~5。
需要注意的是,在一个大型的光纤能信共传优化系统,局部系统可采用上述电子式传感器,即在局部系统的传感器节点安装有一种或多种微瓦量级功耗传感器或毫瓦量级功耗传感器,所述超级电容容量值通过建立上述数学模型一进行选择:
上述超级电容的容量值基于传感器的特性系数来选定,将光电池、超级电容以及传感器节点有效融合或结合,通过此选定的超级电容进行电能量存储,能有效满足光纤能信共传过程中传感器节点的用电需求。由于用于各个传感器节点供能的激光能量信号与通信的信息通信信号在同一根光纤中共纤传输,两信号相互之间存在干扰,用于供能的能量光有一定幅度地波动,经多次实验测试,通过建立基于多个微瓦量级功耗传感器或毫瓦量级功耗传感器的数学模型来选择超级电容的容量值,将传输的电能量波动幅度控制在98.2%~99.4%之间,基本能稳定满足多个传感器节点的用电需求。
实施例三
本实施例提供的一种光纤能信共传优化方法应用于光纤能信共传优化系统。如图6所示,所述光纤能信共传优化系统包括变电站侧10、杆塔侧20。其中,所述变电站侧10设有激光光源11,所述杆塔侧20设有与所述激光光源11光纤连接的分光器211、以及多个传感器节点22。具体地,所述分光器211设置在接线盒21中,所述变电站侧10传输过来的激光能量信号与信息通信信号经所述分光器211按需分配给多个所述传感器节点22。
进一步地,每一所述传感器节点22均设有波分复用器221、光电池222、超级电容223、杆塔侧光通信模块224、节点传感器225和节点中央处理芯片226。其中,所述波分复用器221与所述分光器211光纤连接,所述波分复用器221分别与所述光电池222、所述杆塔侧光通信模块224光纤连接,所述光电池222并联连接有所述超级电容223和所述节点传感器225,所述节点传感器225与所述杆塔侧光通信模块224电性连接在节点中央处理芯片226上;
其中,所述节点传感器225为微瓦量级功耗传感器和毫瓦量级功耗传感器混合。具体地,微瓦量级功耗传感器包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、光强传感器、风速传感器中的一种传感器;毫瓦量级功耗传感器包括摄像头、图像传感器中的一种传感器。本实施例中,在每个所述传感器节点22安装有温度传感器、湿度传感器、气压传感器、光强传感器、风速传感器、摄像头、图像传感器一种或多种传感器。需要说明的是,其它实施例中,在每个所述传感器节点安装有温度传感器、湿度传感器、气压传感器、光强传感器、风速传感器、摄像头、图像传感器中的一种或者多种传感器。
在本发明的实施例中,所述节点传感器225为电子式传感器,则通过节点中央处理芯片226获得电子式节点传感器的传感数据进行分析处理来获得传感信息。
在上述实施例三中,在每个所述传感器节点安装有多个微瓦量级功耗传感器和毫瓦量级功耗传感器混合时,则所述超级电容容量值通过建立以下数学模型二进行选择:
其中,C表示超级电容容量值,单位F(法拉);U1表示传感器节点工作电压值,单位V(伏特);I1表示微瓦量级功耗传感器工作平均电流值,单位A(安培);I2表示毫瓦量级功耗传感器工作平均电流值,单位A(安培);I3表示除传感器外其他如MCU、通信模组等部分工作平均电流值,单位A(安培);t表示传感器节点工作时间,单位h(小时);U1表示节点工作稳定电压值,单位V(伏特);U2表示超级电容放电截止阈值,单位V(伏特);U3表示超级电容放电截止阈值,单位V(伏特);k表示传感器功耗量级系数。
在本发明的实施例中,由于所述传感器为电子式传感器,所述传感器的特性系数是功耗量级系数。所述超级电容的容量值根据传感器功耗量级系数计算获得,其中,所述传感器功耗量级系数根据系统模拟分析算法设定为4~5。
需要注意的是,在一个大型的光纤能信共传优化系统,局部系统可采用上述电子式传感器,即在局部系统的传感器节点安装有安装有多个微瓦量级功耗传感器和毫瓦量级功耗传感器混合时,所述超级电容容量值通过建立上述数学模型二进行选择:
上述超级电容的容量值基于传感器的特性系数来选定,能将光电池、超级电容以及传感器节点有效融合或结合,通过此选定的超级电容进行电能量存储,能有效满足光纤能信共传过程中传感器节点的用电需求。由于用于各个传感器节点供能的激光能量信号与通信的信息通信信号在同一根光纤中共纤传输,两信号相互之间存在干扰,用于供能的能量光有一定幅度地波动,经多次实验测试,通过建立基于多个微瓦量级功耗传感器和毫瓦量级功耗传感器混合的数学模型来选择超级电容的容量值,将传输的电能量波动幅度控制在97.4%~99.2%之间,基本能稳定满足多个传感器节点的用电需求。
在本实施例中,提供一种采用电子式节点传感器和节点中央处理芯片226的具体包括以下步骤:
S301,将在所述变电站侧、所述杆塔侧、以及在所述变电站侧与所述杆塔侧之间的光纤设置成激光能量信号与信息通信信号共纤,且所述激光能量信号的能量光中心波长在1400纳米以上且大于所述信息通信信号的信息光中心波长;
其中,为了更佳地适合远距离传输能量,所述激光能量信号的能量光中心波长优选为1450纳米,所述信息通信信号的信息光中心波长优选为1310纳米。
S302,将与所述光电池并联连接所述超级电容和所述节点传感器,所述节点传感器与所述杆塔侧光通信模块电性连接在所述节点中央处理芯片上。
S303,将所述分光器分成的激光能量信号和信息通信信号经过光纤传输至所述波分复用器。
S304,由所述波分复用器区分激光能量信号和信息通信信号分别传输至所述光电池和所述杆塔侧光通信模块。
S305,由所述光电池将激光能量信号的光能量转换成电能量输入至所述超级电容。
S306,由所述超级电容间歇式供电至所述传感器节点;
其中,由所述光电池将光纤中激光能量信号转换成电能量输出给所述超级电容,当所述超级电容处在充电状态时,与所述超级电容并联的所述节点传感器处于低功耗模式,由所述光电池转换成的电能量传输并存储到超级电容中,所述节点传感器在低功耗模式下每隔预定时间唤醒所述节点中央处理芯片监测所述超级电容引脚两端的电压大小,当监测到所述超级电容两端电压达到放电阈值后,所述超级电容处于放电状态,此时所述传感器节点处于运行模式,所述节点传感器从所述超级电容和所述光电池中同时获取能量,当完成整个运行模式后,所述传感器节点处于低功耗模式,所述超级电容开始充电。
实施例四
本实施例提供的一种光纤能信共传优化方法,应用于光纤能信共传优化系统。如图7所示,所述光纤能信共传优化系统包括变电站侧10、杆塔侧20。其中,所述变电站侧10设有激光光源11,所述杆塔侧20设有与所述激光光源11光纤连接的分光器211、以及多个传感器节点22。具体地,所述分光器211设置在接线盒21中,所述变电站侧10传输过来的激光能量信号与信息通信信号经所述分光器211按需分配给多个所述传感器节点22。
进一步地,每一所述传感器节点22均设有波分复用器221、光电池222、超级电容223、杆塔侧光通信模块224和节点传感器225。其中,所述波分复用器221与所述分光器211光纤连接,所述波分复用器221分别与所述光电池222、所述杆塔侧光通信模块224光纤连接,所述光电池222并联连接有所述超级电容223和所述节点传感器225。
在本实施例中,所述光纤能信共传优化系统在云计算服务架构下,所述节点传感器225为虚拟节点传感器,也就是说,所述虚拟节点传感器为非电子式传感器,如光纤传感器,即在所述传感器节点22处通过分析光纤中的数据处理来反应传感状态,而在所述杆塔侧20的接线盒中使用统一的节点中央处理芯片来对多个传感器节点处的数据进行处理,即获取各个传感器节点处的虚拟节点传感器的传感信号。
基于如图7在杆塔侧20的接线盒中使用统一的节点中央处理芯片、以及在各传感器节点处采用虚拟传感器225的系统架构,本实施例采用如图8所示,本实施例提供的一种光纤能信共传优化方法,具体包括以下步骤:
S401,将在所述变电站侧、所述杆塔侧、以及在所述变电站侧与所述杆塔侧之间的光纤设置成激光能量信号与信息通信信号共纤,且所述激光能量信号的能量光中心波长在1400纳米以上且大于所述信息通信信号的信息光中心波长;
S402,将与所述光电池并联连接所述超级电容;
S403,将所述分光器分成的激光能量信号和信息通信信号经过光纤传输至波分复用器;
S404,由所述波分复用器区分激光能量信号和信息通信信号分别传输至所述光电池和所述光通信模块;
S405,由所述光电池将激光能量信号的光能量转换成电能量输入至所述超级电容;
S406,由所述超级电容间歇式供电至所述传感器节点;
其中,由所述光电池将光纤中激光能量信号转换成电能量输出给所述超级电容,当所述超级电容处在充电状态时,与所述超级电容并联的所述节点传感器处于低功耗模式,由所述光电池转换成的电能量传输并存储到所述超级电容中;当所述超级电容两端电压达到放电阈值后,所述超级电容处于放电状态,此时所述传感器节点处于运行模式,所述节点传感器从所述超级电容和所述光电池中同时获取能量,当完成所述运行模式后,所述传感器节点处于低功耗模式,所述超级电容开始充电。
在一些实施例中,所述光电池采用与InGaAs晶格匹配的InP材料制备,所述InP材料对所述能量光中心波长在1400纳米以上的激光全透过,如此光纤、光电池和超级电容三者结合,可以满足能信共传光纤用电侧用电需求。当所述光纤中激光能量信号的能量光中心波长为1450纳米,所述信息通信信号的信息光中心波长为1310纳米,基于这样的光纤、光电池和超级电容三者配置融合或结合,在所述光纤的电力光缆长度在5千米时,经测试得到的输出电功率可满足用电侧用电需求,即多个传感器节点处的用电需求。
实施例五
本实施例提供的一种光纤能信共传优化方法,应用于光纤能信共传优化系统。如图9所示,所述光纤能信共传优化系统包括变电站侧10、杆塔侧20。其中,所述变电站侧10设有激光光源11,所述杆塔侧20设有与所述激光光源11光纤连接的接线盒21、以及与所述接线盒21光纤连接的多个传感器节点225,所述接线盒21设有与所述激光光源11光纤连接的波分复用器221、光电池222、节点中央处理芯片226、以及分光器211。
具体地,所述分光器211设置在接线盒21中,所述变电站侧10传输过来的激光能量信号与信息通信信号经过所述分光器211按需分配给多个所述传感器节点225。
进一步地,所述接线盒21中波分复用器221一端与所述杆塔侧20激光光源11光纤连接,另一端分别与所述光电池222、所述杆塔侧光通信模块光纤连接,且与所述光电池222并联连接有超级电容223和节点中央处理芯片226;其中,所述杆塔侧光通信模块、节点中央处理单元、以及信息采集转化单元统一设置在所述节点中央处理芯片226上。
在本实施例中,所述光纤能信共传优化系统在云计算服务架构下,所述节点传感器225为虚拟节点传感器,也就是说,所述虚拟节点传感器为非电子式传感器,如光纤传感器,即在所述传感器节点处通过分析光纤中的数据处理来反应传感状态,而在所述杆塔侧20的接线盒中使用统一的节点中央处理芯片来对多个传感器节点处的数据进行处理,即获取各个传感器节点处的虚拟节点传感器的传感信号。
基于如图9在杆塔侧20的接线盒中使用统一的节点中央处理芯片、以及在各传感器节点处采用虚拟传感器的系统架构,本实施例采用如图10所示,本实施例提供的一种光纤能信共传优化方法,具体包括以下步骤:
S501,将在所述变电站侧、所述杆塔侧、以及在所述变电站侧与所述杆塔侧之间的光纤设置成激光能量信号与信息通信信号共纤,且所述激光能量信号的能量光中心波长在1400纳米以上且大于所述信息通信信号的信息光中心波长;
S502,将与所述光电池并联连接超级电容、以及节点中央处理芯片;
S503,将所述变电站侧的激光能量信号和信息通信信号经过光纤传输至所述接线盒的波分复用器;
S504,由所述波分复用器区分激光能量信号和信息通信信号分别传输至所述光电池和所述节点中央处理芯片;
S505,由所述光电池将激光能量信号的光能量转换成电能量输入至所述超级电容,通过所述超级电容供电至所述节点中央处理芯片及传感器节点;
当所述超级电容处在充电状态时,与所述超级电容并联的所述传感器节点处于低功耗模式,由所述光电池转换成的电能量传输并存储到所述超级电容中;当所述超级电容两端电压达到放电阈值后,所述超级电容处于放电状态,此时所述传感器节点处于运行模式,所述传感器节点从所述超级电容和所述光电池中同时获取能量,当完成所述运行模式后,所述传感器节点处于低功耗模式,所述超级电容开始充电。
在一些实施例中,所述光电池采用与InGaAs晶格匹配的InP材料制备,所述InP材料对所述能量光中心波长在1400纳米以上的激光全透过。
需要注意的是,由于如图9中所述传感器节点采用非电子式传感器如光纤传感器,即虚拟传感器,所述虚拟传感器的特性系数可以是数据传输率,所述超级电容的容量值基于传感器的数据传输率计算获得。在一个大型的光纤能信共传优化系统,局部系统可采用上述非电子式传感器;也就是说,在本发明的一些实施例中,可以采用电子式传感器和非电子式传感器混合,也可以全部采用非电子式传感器,在此并非有所限制。较佳地,其中,所述非电子式传感器的数据传输率、或电子式传感器和非电子式传感器混合的特性系数根据系统模拟分析算法设定为2~5,将传输的电能量波动幅度控制在97.2%~99.0%之间,基本能稳定满足节点中央处理芯片的用电需求。
需要注意的是,在本发明上述实施例中如图2、图5、图6、图7、及图9所示的在所述变电站侧与所述杆塔侧之间的电力光缆为一根或多根光纤,且每根光纤设置成激光能量信号与信息通信信号共纤,且所述激光能量信号的能量光中心波长在1400纳米以上且大于所述信息通信信号的信息光中心波长,如此通过光纤、光电池和超级电容三者结合,可以满足能信共传光纤用电侧用电需求。当所述光纤中激光能量信号的能量光中心波长为1450纳米,所述信息通信信号的信息光中心波长为1310纳米,基于这样的光纤、光电池和超级电容三者配置结合,在所述光纤的电力光缆长度在5千米时,经测试得到的输出电功率可满足用电侧,如多个传感器节点或中央处理芯片处的用电需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种光纤能信共传优化系统,包括变电站侧、杆塔侧,所述变电站侧包括激光光源,其特征在于:所述杆塔侧包括与所述变电站侧的激光光源光纤连接的接线盒、与所述接线盒光纤连接的一个或多个传感器节点,所述接线盒包括与所述激光光源光纤连接的分光器,所述传感器节点包括与所述分光器光纤连接的波分复用器、光电池、杆塔侧光通信模块、节点中央处理芯片以及节点传感器;所述节点传感器与所述杆塔侧光通信模块电性连接在节点中央处理芯片上;波分复用器与光电池光纤连接,超级电容分别连接光电池、波分复用器、节点传感器、节点中央处理芯片和杆塔侧光通信模块;将在所述变电站侧、所述杆塔侧、以及在所述变电站侧与所述杆塔侧之间的光纤设置成激光能量信号与信息通信信号共纤,且所述激光能量信号的能量光中心波长在1400纳米以上且大于所述信息通信信号的信息光中心波长;
在每个传感器节点安装有一种或多种微瓦量级功耗传感器或毫瓦量级功耗传感器,所述超级电容容量值通过建立以下数学模型进行选择:
其中,C表示超级电容容量值,单位F(法拉);U1表示传感器节点工作电压值,单位V(伏特);I表示传感器节点工作平均电流值,单位A(安培);t表示传感器节点工作时间,单位h(小时);U2表示超级电容放电起始阈值,单位V(伏特);U3表示超级电容放电截止阈值,单位V(伏特);k表示传感器功耗量级系数;
所述超级电容的容量值根据传感器功耗量级系数计算获得,其中,所述传感器功耗量级系数根据系统模拟分析算法设定为分别对应所述毫瓦量级功耗传感器和微瓦量级功耗传感器的第一常量系数和第二常量系数,其中所述毫瓦量级功耗传感器的第一常量系数大于微瓦量级功耗传感器的第二常量系数。
2.根据权利要求1所述的光纤能信共传优化系统,其特征在于:在每个传感器节点安装有温度、湿度、气压、光强、风速传感器中一种或多种微瓦量级功耗传感器,传感器的功耗量级系数根据系统模拟分析算法设定为2~3。
3.根据权利要求1所述的光纤能信共传优化系统,其特征在于:在每个传感器节点安装有毫瓦量级功耗的图像传感器,传感器的功耗量级系数根据系统模拟分析算法设定为3~5。
4.根据权利要求1所述的光纤能信共传优化系统,其特征在于,所述节点传感器采用光纤传感器。
5.根据权利要求1所述的光纤能信共传优化系统,其特征在于,在所述传感器节点处通过分析光纤中的数据处理来获得传感信号。
6.根据权利要求1所述的光纤能信共传优化系统,其特征在于,所述激光能量信号的能量光中心波长为1450纳米。
7.根据权利要求1所述的光纤能信共传优化系统,其特征在于,所述信息通信信号的信息光中心波长为1310纳米。
8.根据权利要求1所述的光纤能信共传优化系统,其特征在于,所述光电池采用与InGaAs晶格匹配的InP材料制备;其中,所述InP材料对所述能量光中心波长在1400纳米以上波段的激光全透过。
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