本发明涉及激光供能通信领域，特别涉及一种激光供能通信设备及其通信方法和供电方法。
背景技术：
在全球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。因此，光纤激光供能是目前电力系统高电位一次端最佳的供能方案之一，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。为电网高电位节点的供电提供了解决方案，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力将光能转换为电能而形成直流电源。基于激光光纤的供电技术以其抗电磁干扰以及优质的传输特性，成为高电位测量控制装置供电和数据交换的传输媒介。
然而，现有的激光供能设备在高、低电位节点之间各配置一个VCSEL激光器和光电检测模块，实现双向数据通信，而激光器的使用导致了高电位节点自身的功耗较高，减少了能够输出给外设设备的电能，影响了供能效果。同时，现有的激光供能设备还存在系统可靠性差的问题，供电模块经常发生失效，严重影响了供能的可靠性和安全性。
技术实现要素：
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种激光供能通信设备及其通信方法和供电方法，可有效为高电位监测节点供电，可降低高电位节点自身的功耗，增加可用于输出给外设设备的电能，可使激光器维持在低功耗输出状态，延长激光器的寿命，增加供能通信设备的可靠性。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种激光供能通信设备，该激光供能通信设备包括：安装在低电位节点的激光器和光纤通信低电位模块，以及安装在高电位节点的能量管理单元和光纤通信高电位模块；其中，所述的激光器和光纤通信低电位模块连接，能量管理单元和光纤通信高电位模块连接，激光器和能量管理单元通过大芯径光纤连接，光纤通信低电位模块和光纤通信高电位模块通过通信光纤连接。
作为优选例，所述的能量管理单元包括GaAs光电池单元、第一开关、锂电池充电管理单元、锂电池、第二开关、稳压模块、双电源供电模块和单电源供电模块；其中，GaAs光电池单元的输入光端口与大芯径光纤连接，GaAs光电池单元的输出电端口分别与第一开关的输入电端口、双电源供电模块的第一输入电端口和单电源供电模块的第一输入电端口连接，第一开关的输出电端口与锂电池充电管理单元的输入端口连接，锂电池充电管理的输出端口和锂电池的输入端口连接，锂电池的输出端口和第二开关的输入端口连接，第二开关的输出端口与稳压模块的输入端口连接，稳压模块的输出端口分别与双电源供电模块的第二输入电端口和单电源供电模块的第二输入电端口连接。
作为优选例，所述的GaAs光电池单元包括GaAs光电池、第一低热阻匹配层、第二低热阻匹配层、热电转换模块、散热组件和能量收集单元；其中，GaAs光电池的散热面与热电转换模块的热端通过第一低热阻匹配层连接，热电转换模块的冷端与散热组件通过第二低热阻匹配层连接；GaAs光电池的输入光端口与大芯径光纤连接，GaAs光电池的输出电端口和能量收集单元的第一输入电端口连接，热电转换模块的输出电端口和能量收集单元的第二输入电端口连接。
作为优选例，所述的光纤通信低电位模块包括光源、光环形器、第一光探测器和第一处理器，其中，光源的输入电端口和第一处理器的输出端口连接，光源的输出光端口和光环形器的第一光端口连接，光环形器的第二光端口与通信光纤的一端连接，光环形器的第三光端口和第一光探测器的输入光端口连接，第一光探测器的输出电端口和第一处理器的输入端口连接。
作为优选例，所述的光纤通信高电位模块包括耦合器、反射型可调光衰减器、第二光探测器和第二处理器，其中，耦合器的第一光端口和通信光纤的另一端连接，第二光端口和反射型可调光衰减器的双向光端口连接，第三光端口和第二光探测器的输入光端口连接，第二光探测器的输出电端口和第二处理器的输入电端口连接，第二处理器的输出电端口与反射型可调光衰减器的输入电端口连接。
第二方面，本发明实施例提供一种基于上述激光供能通信设备的通信方法，该方法包括以下步骤：
步骤10)位于低电位节点的第一处理器将待发送给高电位节点的信息送入光源的输入电端口，光源将电信号转为光信号后从光环形器的第一光端口输入，并从第二光端口输出，光信号经通信光纤后输入位于高电位节点的耦合器的第一光端口，从耦合器的第三光端口输出，光信号送入第二光探测器中转为电信号，并送入第二处理器中；
步骤20)第一处理器将信息发送给第二处理器后，光源输出直流光，直流光经通信光纤后输入位于高电位节点的耦合器的第一光端口，从耦合器的第二光端口输出，通过反射型可调光衰减器的双向光端口输入反射型可调光衰减器；
步骤30)位于高电位节点的第二处理器接收到第一处理器发出的信息后，将待发送给低电位节点的信息送入反射型可调光衰减器中，反射型可调光衰减器根据第二处理器输入的电信号对直流光的强度进行调制，调制后携带信息的光信号从反射型可调光衰减器的双向光端口输出，通过耦合器的第二光端口输入耦合器，并从耦合器的第一光端口输出，光信号经过通信光纤后输入位于低电位节点的光环形器的第二光端口，从光环形器的第三光端口输出，送入第一光探测器，光信号在第一光探测器中转为电信号，送入第一处理器中。
第三方面，本发明实施例提供一种基于上述激光供能通信设备的供电方法，当所述的激光供能设备的各部件工作正常且连接在双电源供电模块上的负载供能需求恒定时，采用激光单电源供电模式，具体是：导通第一开关，断开第二开关，激光器发出的强光经大芯径光纤送入GaAs光电池单元中，GaAs光电池单元输出的电能分为三部分，第一部分从双电源供电模块的第一输入电端口输入，从双电源供电模块的输出电端口输出，用于给负载供能，第二部分从单电源供电模块的第一输入电端口输入，从单电源供电模块的输出电端口输出，用于给光纤通信高电位模块供能，第三部分经第一开关送入锂电池充电管理单元中，用于对锂电池充电。
第四方面，本发明实施例提供一种基于上述激光供能通信设备的供电方法，当连接在双电源供电模块上的负载出现突发的供能需求或激光器的工作温度超过阈值时，采用双电源供能模式，具体是：断开第一开关，导通第二开关，GaAs光电池单元输出的电能分为两部分，第一部分从双电源供电模块的第一输入电端口输入，第二部分从单电源供电模块的第一输入电端口输入，锂电池输出的电能依次经第二开关和稳压模块后分为两部分，第一部分从双电源供电模块的第二输入电端口输入，双电源供电模块进入双电源工作模式，两个电源同时向外输出电能，用于给负载供能；第二部分从单电源供电模块的第二输入电端口输入，单电源供电模块比较其第一输入电端口和第二输入电端口的电压，当第一输入电端口的电压高于阈值时，从第一输入电端口获取电能用于给光纤通信高电位模块供能，否则从第二输入电端口获得电能用于给光纤通信高电位模块供能。
第五方面，本发明实施例提供一种基于上述激光供能通信设备的供电方法，当GaAs光电池单元无电能输出时，采用电池单电源供电模式，具体是：断开第一开关，导通第二开关，锂电池输出的电能依次经第二开关和稳压模块后分为两部分，第一部分从双电源供电模块的第二输入电端口输入，用于给负载功能，第二部分从单电源供电模块的第二输入电端口输入，用于给光纤通信高电位模块供能。
有益效果：本发明实施例提出的激光供能通信设备，利用安装在低电位节点的激光器发生激光，通过大芯径光纤把激光能量传送到安装在高电位节点的能量管理单元，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；本发明实施例提出的基于上述激光供能通信设备的通信方法，在低电位节点安装光纤通信低电位模块，高电位节点安装光纤通信高电位模块，采用反射型可调谐衰减器通过对低电位节点发出的光信号进行强度调制，将高电位节点的信息传递到低电位节点，高电位节点无需设置光源，光纤通信高电位模块的功耗可小于1毫瓦，降低了高电位节点的自身功耗，将能量管理单元输出的电能尽可能多的用于外设设备；本发明实施例提出的基于上述激光供能通信设备的供电方法，采用双电源供能策略，当外接负载供能需求低谷时，GaAs光电池单元输出的电能一部分给双电源供电模块和单电源供电模块，还有一部分对锂电池进行充电，由锂电池储存，当外接负载出现突发的供能需求时，锂电池也输出电能给双电源供电模块和单电源供电模块，而不需要提高激光器的输出功率，激光器可稳定维持在低功率输出状态，从而延长激光器的寿命，提高了供能设备的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例的激光供能通信设备的结构示意图；
图2为本发明实施例的激光供能通信设备中能量管理单元的结构示意图；
图3为本发明实施例的激光供能通信设备中GaAs光电池单元的结构示意图；
图4为本发明实施例的激光供能通信设备中光纤通信高电位模块和光纤通信低电位模块的结构示意图；
图中包含：激光器1、光纤通信低电位模块2、能量管理单元3、光纤通信高电位模块4、大芯径光纤5、通信光纤6、GaAs光电池单元7、第一开关8、锂电池充电管理单元9、锂电池10、第二开关11、稳压模块12、双电源供电模块13、单电源供电模块14、GaAs光电池15、第一低热阻匹配层16、第二低热阻匹配层17、能量收集单元18、热电转换模块19、散热组件20、光源21、光环形器22、第一光探测器23、耦合器24、反射型可调光衰减器25、第二光探测器26、第一处理器27和第二处理器28。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明实施例的一种激光供能通信设备，包括：安装在低电位节点的激光器1和光纤通信低电位模块2，以及安装在高电位节点的能量管理单元3和光纤通信高电位模块4。激光器1和光纤通信低电位模块2连接，能量管理单元3和光纤通信高电位模块4连接，激光器1和能量管理单元3通过大芯径光纤5连接，光纤通信低电位模块2和光纤通信高电位模块4通过通信光纤6连接。
上述结构的激光功能通信设备，激光器采用输出光功率大于1瓦的大功率激光器。位于低电位节点的光纤通信低电位模块2控制激光器1的输出功率，激光器1发射的强光经大芯径光纤5传输给位于高电位节点的能量管理单元3，能量管理单元3进行光电转换后输出电能，为光纤通信高电位模块4和外接负载供能，光纤通信低电位模块2与光纤通信高电位模块4之间通过通信光纤6进行通信，实现高、低电位节点的信息传递。
作为优选例，如图2所示，能量管理单元3包括GaAs光电池单元7、第一开关8、锂电池充电管理单元9、锂电池10、第二开关11、稳压模块12、双电源供电模块13和单电源供电模块14。GaAs光电池单元7的输入光端口7a与大芯径光纤5连接，GaAs光电池单元7的输出电端口7b分别与第一开关8的输入电端口8a、双电源供电模块13的第一输入电端口13a和单电源供电模块14的第一输入电端口14a连接，第一开关8的输出电端口8b与锂电池充电管理单元9的输入端口连接，锂电池充电管理9的输出端口和锂电池10的输入端口连接，锂电池10的输出端口和第二开关11的输入端口连接，第二开关11的输出端口与稳压模块12的输入端口连接，稳压模块12的输出端口分别与双电源供电模块13的第二输入电端口13b和单电源供电模块14的第二输入电端口14b连接。
上述结构的激光供能通信设备，采用双电源供能策略，当外接负载供能需求低谷时，GaAs光电池单元输出的电能一部分给双电源供电模块和单电源供电模块，还有一部分对锂电池进行充电，由锂电池储存；当外接负载出现突发的供能需求时，锂电池也输出电能给双电源供电模块和单电源供电模块，而不需要提高激光器的输出功率。这样，激光器可稳定维持在低功率输出状态，从而延长激光器的寿命，提高了供能设备的可靠性。
作为优选例，如图3所示，所述的GaAs光电池单元7包括GaAs光电池15、第一低热阻匹配层16、第二低热阻匹配层17、热电转换模块19、散热组件20和能量收集单元18；其中，GaAs光电池15的散热面与热电转换模块19的热端通过第一低热阻匹配层16连接，热电转换模块19的冷端与散热组件20通过第二低热阻匹配层17连接；GaAs光电池15的输入光端口15a与大芯径光纤5连接，GaAs光电池15的输出电端口15b和能量收集单元18的第一输入电端口18b连接，热电转换模块19的输出电端口和能量收集单元18的第二输入电端口18a连接。
目前商用的GaAs光电池，其能量转换效率一般不超过50％，绝大部分能量以热能的形式浪费，同时，造成光电池温度升高，进一步降低光电池的转换效率，引起恶性循环。上述结构的激光供能通信设备，将温差发电技术与光电池结合在一起，热电转换模块根据其与第一低热阻匹配层和第二低热阻匹配层相接触的两个平面的温差发出电能，将GaAs光电池在光电转换中产生的热量进一步的转为电能，从而提高激光供能设备的能量转换效率。
作为优选例，如图4所示，所述的光纤通信低电位模块2包括光源21、光环形器22、第一光探测器23和第一处理器27，其中，光源21的输入电端口和第一处理器27的输出端口27a连接，光源21的输出光端口和光环形器22的第一光端口22a连接，光环形器22的第二光端口22b与通信光纤6的一端连接，光环形器22的第三光端口22c和第一光探测器23的输入光端口连接，第一光探测器23的输出电端口和第一处理器27的输入端口27b连接。第一处理器27还与激光器1连接，用于控制激光器1的输出功率。
作为优选例，如图4所示，所述的光纤通信高电位模块4包括耦合器24、反射型可调光衰减器25、第二光探测器26和第二处理器28，其中，耦合器24的第一光端口24a和通信光纤6的另一端连接，第二光端口24b和反射型可调光衰减器25的双向光端口25a连接，第三光端口24c和第二光探测器26的输入光端口连接，第二光探测器26的输出电端口和第二处理器28的输入电端口28b连接，第二处理器28的输出电端口28a与反射型可调光衰减器25的输入电端口25b连接。第二处理器2与能量管理单元3的第一开关8、锂电池充电管理单元9、第二开关11、双电源供电模块13和单电源供电模块14连接。
上述结构的激光供能通信设备，采用反射型可调光衰减器25通过对低电位节点的光源发出的光信号进行强度调制，将高电位节点的信息传递到低电位节点，使得高电位节点无需设置光源，整个通信模块的功耗可小于1毫瓦，降低了高电位节点的功耗，将光电池输出的能量尽可能多的用于外接负载。
本发明实施例还提供一种基于上述结构的激光供能通信设备的通信方法，实现了低电位节点和高电位节点之间的通信，包含以下步骤：
步骤10)位于低电位节点的第一处理器27将待发送给高电位节点的信息送入光源21的输入电端口，光源21将电信号转为光信号后从光环形器22的第一光端口22a输入，并从第二光端口22b输出，光信号经通信光纤6后输入位于高电位节点的耦合器24的第一光端口24a，从耦合器24的第三光端口24c输出，光信号送入第二光探测器26中转为电信号，并送入第二处理器28中；
步骤20)第一处理器27将信息发送给第二处理器28后，光源21输出直流光(此处直流光指没有经过调制、光功率随时间恒定的光)，直流光经通信光纤6后输入位于高电位节点的耦合器24的第一光端口24a，从耦合器24的第二光端口24c输出，通过反射型可调光衰减器25的双向光端口25a输入反射型可调光衰减器25；
步骤30)位于高电位节点的第二处理器28接收到第一处理器27发出的信息后，将待发送给低电位节点的信息送入反射型可调光衰减器25中，反射型可调光衰减器25根据第二处理器输入的电信号对直流光的强度进行调制，调制后携带信息的光信号从反射型可调光衰减器25的双向光端口25a输出，通过耦合器24的第二光端口24b输入耦合器24，并从耦合器24的第一光端口24a输出，光信号经过通信光纤6后输入位于低电位节点的光环形器22的第二光端口22b，从光环形器22的第三光端口22c输出，送入第一光探测器23，光信号在第一光探测器23中转为电信号，送入第一处理器27中。
利用上述结构的激光供能通信设备实现的高电位节点与低电位节点的通信方法，采用反射型可调谐衰减器通过对低电位节点的光源发出的光信号进行强度调制，将高电位节点的信息传递到低电位节点，使得高电位节点无需设置光源，整个通信模块的功耗可小于1毫瓦，降低了高电位节点的功耗，将光电池输出的能量尽可能多的用于外接负载。
本发明实施例还提供一种基于上述结构的激光供能通信设备的供电方法，包括：
当所述的激光供能设备的各部件工作正常且连接在双电源供电模块13上的负载供能需求恒定时，采用激光单电源供电模式，具体是：导通第一开关8，断开第二开关11，激光器1发出的强光经大芯径光纤5送入GaAs光电池单元7中，GaAs光电池单元7输出的电能分为三部分，第一部分从双电源供电模块13的第一输入电端口13a输入，从双电源供电模块13的输出电端口13c输出，用于给负载供能，第二部分从单电源供电模块14的第一输入电端口14a输入，从单电源供电模块14的输出电端口14c输出，用于给光纤通信高电位模块4供能，第三部分经第一开关8送入锂电池充电管理单元9中，用于对锂电池10充电。
当连接在双电源供电模块13上的负载出现突发的供能需求或激光器1的工作温度超过阈值时，采用双电源供能模式，具体是：断开第一开关8，导通第二开关11，GaAs光电池单元7输出的电能分为两部分，第一部分从双电源供电模块13的第一输入电端口13a输入，第二部分从单电源供电模块14的第一输入电端口14a输入，锂电池10输出的电能依次经第二开关11和稳压模块12后分为两部分，第一部分从双电源供电模块13的第二输入电端口13b输入，双电源供电模块13进入双电源工作模式，两个电源同时向外输出电能，用于给负载供能；第二部分从单电源供电模块14的第二输入电端口14b输入，单电源供电模块14比较其第一输入电端口14a和第二输入电端口14b的电压，当第一输入电端口14a的电压高于阈值时，从第一输入电端口14a获取电能用于给光纤通信高电位模块4供能，否则从第二输入电端口14b获得电能用于给光纤通信高电位模块4供能。
当GaAs光电池单元7无电能输出时，采用电池单电源供电模式，具体是：断开第一开关8，导通第二开关11，锂电池10输出的电能依次经第二开关11和稳压模块12后分为两部分，第一部分从双电源供电模块13的第二输入电端口13b输入，用于给负载功能，第二部分从单电源供电模块14的第二输入电端口14b输入，用于给光纤通信高电位模块供能。
基于上述结构的激光供能通信设备的供电方法，采用双电源供能策略，当外接负载供能需求低谷时，GaAs光电池单元输出的电能一部分给双电源供电模块和单电源供电模块，还有一部分对锂电池进行充电，由锂电池储存；当外接负载出现突发的供能需求时，锂电池也输出电能给双电源供电模块和单电源供电模块，而不需要提高激光器的输出功率。这样，激光器可稳定维持在低功率输出状态，从而延长激光器的寿命，提高了供能设备的可靠性。
本发明实施例将光电转换和热电转换有机结合，有效利用了光电转换中释放的热量，提高了激光供能设备的转换效率；设计基于反射型可调谐光衰减器的低功耗通信模块，降低高电位节点自身的功耗，提高了能量的使用效率；设计双电源供能方案，维持激光器的低功耗输出，有效提高了激光器的寿命和激光供能设备的可靠性。
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。