傳感節(jié)點(diǎn)作為電網(wǎng)感知的“神經(jīng)末梢”，承擔(dān)著采集電網(wǎng)狀態(tài)參量的任務(wù)。它們一方面需要感知各種電氣和非電氣參量，另一方面需要將數(shù)據(jù)適當(dāng)處理后送回電網(wǎng)企業(yè)的監(jiān)控平臺(tái)，以便電網(wǎng)企業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控各類設(shè)備的運(yùn)行狀況。傳感節(jié)點(diǎn)一般采用低壓直流供電。對(duì)于部署在中高壓一次設(shè)備附近的傳感節(jié)點(diǎn)，直接采用電纜供電存在電勢(shì)差絕緣問(wèn)題。在電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下，傳感節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定供電問(wèn)題亟待解決。
基于激光的供電技術(shù)利用激光在光纖中傳輸能量，能夠在為遠(yuǎn)端傳感節(jié)點(diǎn)傳輸電能的同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，跨越高低電壓等級(jí)電勢(shì)差鴻溝，打通傳感節(jié)點(diǎn)的能量通道，為傳感節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定可靠工作保駕護(hù)航。
能量供給：傳感節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的關(guān)鍵
新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建對(duì)實(shí)時(shí)感知電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)提出更高要求。電網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、種類多，并且廣泛分布于輸變電設(shè)備區(qū)域。如果希望傳感節(jié)點(diǎn)具有長(zhǎng)壽命、高可靠性、低維護(hù)性等性能，穩(wěn)定的能量供給是關(guān)鍵因素。
目前，為傳感節(jié)點(diǎn)供電的方式主要有電纜供電、電池供電、環(huán)境取能、高電位取能、激光光纖供電等。
電纜供電在強(qiáng)電磁環(huán)境下存在安全絕緣、電磁干擾等局限。電池供電的方式，采用充電電池可靠性不高，采用非充電電池則電池容量有限、需要定期更換。環(huán)境取能是把自然環(huán)境的能量轉(zhuǎn)為可以利用的電能，但是所獲取的能量微弱，很難滿足傳感節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的需求。高電位取能是利用耦合電容電場(chǎng)取電等取能技術(shù)為傳感節(jié)點(diǎn)供電，這種方式對(duì)電網(wǎng)一次設(shè)備存在干擾，容易引發(fā)故障，并且可能存在取電困難的問(wèn)題。
激光光纖供電由地面的激光驅(qū)動(dòng)單元發(fā)射激光，通過(guò)能量光纖把激光能量傳送到高電壓平臺(tái)，再由高電壓平臺(tái)上的光伏轉(zhuǎn)換器件和相應(yīng)的外圍電路將光能轉(zhuǎn)換為電能，形成直流電源。
基于激光光纖的供電技術(shù)具有絕緣性能優(yōu)良、傳輸距離遠(yuǎn)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可作為高電壓等級(jí)傳感節(jié)點(diǎn)供電和數(shù)據(jù)交換的媒介。目前，激光光纖供電技術(shù)主流輸出功率為500毫瓦，而傳感節(jié)點(diǎn)的平均功率卻向更高功率邁進(jìn)。這就需要研發(fā)高功率高效率的激光供電和通信系統(tǒng)。
高功率高效率的激光供電和通信系統(tǒng)成功研發(fā)
激光光纖供電技術(shù)有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：輸出功率和光電轉(zhuǎn)換效率。高功率(瓦級(jí))高效率的激光光電轉(zhuǎn)換技術(shù)是亟待突破的難題。
國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司電力傳感技術(shù)研究所聯(lián)合全球能源互聯(lián)網(wǎng)歐洲研究院，經(jīng)過(guò)多年研究，攻克了高功率高效率光伏轉(zhuǎn)換技術(shù)、基于光伏模塊的最大功率跟蹤控制技術(shù)和功率自適應(yīng)反饋控制技術(shù)這三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，研制出瓦級(jí)激光供電和通信系統(tǒng)。
●高功率高效率光伏轉(zhuǎn)換技術(shù)
光伏轉(zhuǎn)換模塊的材料、吸收波長(zhǎng)以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)影響其激光吸收和光電轉(zhuǎn)換能力。國(guó)網(wǎng)智研院提出并研制了垂直五結(jié)光伏模塊，五結(jié)即能保證5伏的輸出能力，實(shí)現(xiàn)高功率、低損耗。同時(shí)，國(guó)網(wǎng)智研院優(yōu)化設(shè)計(jì)串聯(lián)結(jié)構(gòu)每一層的光子吸收層厚度，實(shí)現(xiàn)電流匹配，達(dá)到高效率光電轉(zhuǎn)換;多方位優(yōu)化每一層的激光發(fā)射、吸收以及輸出衰減性能，以達(dá)到更高的轉(zhuǎn)換效率，總體實(shí)現(xiàn)單器件5瓦以上功率輸出和優(yōu)于50%的光電轉(zhuǎn)換效率。
●基于光伏模塊的最大功率跟蹤控制技術(shù)
光伏轉(zhuǎn)換模塊的性能是動(dòng)態(tài)變化的，負(fù)載需求、環(huán)境、器件溫度的變化均會(huì)影響轉(zhuǎn)換模塊的輸出特性。國(guó)網(wǎng)智研院通過(guò)研究光伏轉(zhuǎn)換模塊峰值點(diǎn)功率的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)出全局最大功率跟蹤方案，實(shí)現(xiàn)瓦級(jí)激光供電和通信系統(tǒng)功率閉環(huán)控制，進(jìn)一步保證系統(tǒng)性能。
●功率自適應(yīng)反饋控制技術(shù)
國(guó)網(wǎng)智研院將兩個(gè)工業(yè)級(jí)封裝的高功率高效率激光光伏轉(zhuǎn)換模塊與支持快速充放電的超級(jí)電容并聯(lián)，并設(shè)計(jì)功率動(dòng)態(tài)自適應(yīng)算法。瓦級(jí)激光供電和通信系統(tǒng)可根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整發(fā)射端激光發(fā)射功率，以最大程度匹配負(fù)載能量需求變化，在提高系統(tǒng)容錯(cuò)能力、支持更大范圍輸出功率的同時(shí)，避免激光器和光伏模塊長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷工作，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離持續(xù)輸出瓦級(jí)寬功率范圍(1～16瓦)的高效率激光光纖供能。
保障電網(wǎng)“神經(jīng)末梢”的傳感節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行
國(guó)網(wǎng)智研院研制的瓦級(jí)激光供電和通信系統(tǒng)通過(guò)了泰爾實(shí)驗(yàn)室和德國(guó)弗勞恩霍夫太陽(yáng)能研究所(Fraunhofer ISE)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，瓦級(jí)激光供電和通信系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
瓦級(jí)激光供電和通信系統(tǒng)已應(yīng)用于武漢南瑞研制的電弧故障定位檢測(cè)系統(tǒng)，為蘇通GIL綜合管廊工程電弧故障定位檢測(cè)系統(tǒng)智能電子設(shè)備節(jié)點(diǎn)供電，實(shí)現(xiàn)了供電基站和用電單元的高低電位絕緣隔離。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果表明，瓦級(jí)激光供電和通信系統(tǒng)可穩(wěn)定支撐電弧故障定位檢測(cè)系統(tǒng)智能電子設(shè)備供電，保障傳感數(shù)據(jù)采集和上傳。
瓦級(jí)激光供電和通信系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用保障了電網(wǎng)感知“神經(jīng)末梢”的傳感節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，為復(fù)雜環(huán)境下的傳感設(shè)備供電提供了解決方案。
(作者：黃鳳 黃輝 鄧輝 單位：國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司)
作者：黃鳳 黃輝 鄧輝
評(píng)論