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打通能量通道，为高电压等级传感节点设备稳定供能
发布时间：2022-04-19 17:17:18 文章来源：国家电网报
传感节点作为电网感知的“神经末梢”，承担着采集电

传感节点作为电网感知的“神经末梢”，承担着采集电网状态参量的任务。它们一方面需要感知各种电气和非电气参量，另一方面需要将数据适当处理后送回电网企业的监控平台，以便电网企业实时监控各类设备的运行状况。传感节点一般采用低压直流供电。对于部署在中高压一次设备附近的传感节点，直接采用电缆供电存在电势差绝缘问题。在电网数字化转型背景下，传感节点长期稳定供电问题亟待解决。

基于激光的供电技术利用激光在光纤中传输能量，能够在为远端传感节点传输电能的同时传输数据，跨越高低电压等级电势差鸿沟，打通传感节点的能量通道，为传感节点稳定可靠工作保驾护航。

能量供给：传感节点长期稳定工作的关键

新型电力系统的构建对实时感知电网运行状态提出更高要求。电网传感节点数量大、种类多，并且广泛分布于输变电设备区域。如果希望传感节点具有长寿命、高可靠性、低维护性等性能，稳定的能量供给是关键因素。

目前，为传感节点供电的方式主要有电缆供电、电池供电、环境取能、高电位取能、激光光纤供电等。

电缆供电在强电磁环境下存在安全绝缘、电磁干扰等局限。电池供电的方式，采用充电电池可靠性不高，采用非充电电池则电池容量有限、需要定期更换。环境取能是把自然环境的能量转为可以利用的电能，但是所获取的能量微弱，很难满足传感节点长期稳定工作的需求。高电位取能是利用耦合电容电场取电等取能技术为传感节点供电，这种方式对电网一次设备存在干扰，容易引发故障，并且可能存在取电困难的问题。

激光光纤供电由地面的激光驱动单元发射激光，通过能量光纤把激光能量传送到高电压平台，再由高电压平台上的光伏转换器件和相应的外围电路将光能转换为电能，形成直流电源。

基于激光光纤的供电技术具有绝缘性能优良、传输距离远、环境适应性强等优势，可作为高电压等级传感节点供电和数据交换的媒介。目前，激光光纤供电技术主流输出功率为500毫瓦，而传感节点的平均功率却向更高功率迈进。这就需要研发高功率高效率的激光供电和通信系统。

高功率高效率的激光供电和通信系统成功研发

激光光纤供电技术有两个关键技术指标：输出功率和光电转换效率。高功率(瓦级)高效率的激光光电转换技术是亟待突破的难题。

国网智能电网研究院有限公司电力传感技术研究所联合全球能源互联网欧洲研究院，经过多年研究，攻克了高功率高效率光伏转换技术、基于光伏模块的最大功率跟踪控制技术和功率自适应反馈控制技术这三项关键技术，研制出瓦级激光供电和通信系统。

●高功率高效率光伏转换技术

光伏转换模块的材料、吸收波长以及拓扑结构会影响其激光吸收和光电转换能力。国网智研院提出并研制了垂直五结光伏模块，五结即能保证5伏的输出能力，实现高功率、低损耗。同时，国网智研院优化设计串联结构每一层的光子吸收层厚度，实现电流匹配，达到高效率光电转换;多方位优化每一层的激光发射、吸收以及输出衰减性能，以达到更高的转换效率，总体实现单器件5瓦以上功率输出和优于50%的光电转换效率。

●基于光伏模块的最大功率跟踪控制技术

光伏转换模块的性能是动态变化的，负载需求、环境、器件温度的变化均会影响转换模块的输出特性。国网智研院通过研究光伏转换模块峰值点功率的变化规律，设计出全局最大功率跟踪方案，实现瓦级激光供电和通信系统功率闭环控制，进一步保证系统性能。

●功率自适应反馈控制技术

国网智研院将两个工业级封装的高功率高效率激光光伏转换模块与支持快速充放电的超级电容并联，并设计功率动态自适应算法。瓦级激光供电和通信系统可根据运行状态自动调整发射端激光发射功率，以最大程度匹配负载能量需求变化，在提高系统容错能力、支持更大范围输出功率的同时，避免激光器和光伏模块长时间高负荷工作，从而实现长距离持续输出瓦级宽功率范围(1～16瓦)的高效率激光光纤供能。

保障电网“神经末梢”的传感节点稳定运行

国网智研院研制的瓦级激光供电和通信系统通过了泰尔实验室和德国弗劳恩霍夫太阳能研究所(Fraunhofer ISE)实验室测试。测试结果表明，瓦级激光供电和通信系统能量转化效率达到国际领先水平。

瓦级激光供电和通信系统已应用于武汉南瑞研制的电弧故障定位检测系统，为苏通GIL综合管廊工程电弧故障定位检测系统智能电子设备节点供电，实现了供电基站和用电单元的高低电位绝缘隔离。现场运行效果表明，瓦级激光供电和通信系统可稳定支撑电弧故障定位检测系统智能电子设备供电，保障传感数据采集和上传。

瓦级激光供电和通信系统的研发应用保障了电网感知“神经末梢”的传感节点稳定运行，为复杂环境下的传感设备供电提供了解决方案。

(作者：黄凤 黄辉 邓辉 单位：国网智能电网研究院有限公司)

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