恶劣施工环境下一种新型能信传输方法研究

摘 要： 随着电缆入地工程的稳步推进，电力电缆工程的监测日益重要，但是监测系统的供电及通信方面缺乏统一的解决方案，难以保障监测系统稳定的长时间运行.而能信共传监测技术则为地下电缆监测提供了解决方案，文中提出了在光纤能信共传技术应用下电力电缆工程监测设备的一套标准化配置，优化电力电缆工程应用低功耗场景下多类传感器电压、功耗与光电耦合等效电路模型的电力传感器携能标准接口之间的匹配度.试验表明，通过文中提出的能信共传技术，在相同能量传输工况下，传输效率提高约12%～20%.此外，信号传输稳定性也有一定的提高.

关键词： 恶劣环境；监测技术；光纤传输；标准化接口；电力电缆工程

中图分类号：TN913.7"" 文献标志码：A"""" 文章编号：1673-4807（2024）06-102-05

收稿日期： 2024-03-08"" 修回日期： 2021-04-29

基金项目： 国网江苏省电力工程咨询有限公司科技项目（J202307）

作者简介： 刘云飞（1988—），男，高级工程师，研究方向为电力系统暂态稳定计算输变电工程三维设计、工程质量管理.E-mail：18351000402@163.com

引文格式： 刘云飞，谢洪平，韩超，等.恶劣施工环境下一种新型能信传输方法研究［J］.江苏科技大学学报（自然科学版），2024，38（6）：102-106.DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.06.015.

Research on a new co-transmission monitoring method of both powerand signal in harsh construction environments

LIU Yunfei， XIE Hongping， HAN Chao， FAN Zhou， LIN Dongyang

（State Grid Jiangsu Electric Power Engineer Consulting Co.Ltd.， Nanjing 210000， China）

Abstract：With the steady progress of underground cable installation projects， the monitoring of power cable projects has become increasingly important. However， there lacks a unified solution for the power supply and communication aspects of the monitoring system， making it difficult to ensure the stable long-term operation of the monitoring system. The optical fiber coherent transmission monitoring technology provides a solution for underground cable monitoring. This paper proposes a standardized configuration for monitoring equipment in power cable projects using optical fiber coherent transmission technology. It optimizes the matching between power sensors of various types， such as voltage， power consumption， and optoelectronic coupling equivalent circuit models， under low-power consumption scenarios in power cable projects. Experimental results show that with the proposed optical fiber coherent transmission technology， under the same energy transmission conditions， the transmission efficiency is increased by about 12% to 20%. In addition， there is also an improvement in signal transmission stability.

Key words：harsh enviroment， monitoring technology， fiber optic transmission， standardized interface， power cable engineering

随着社会城市化的快速发展，城市的用电需求也在迅速增长，受城市资源环境的约束，大量架空输电线路采用高压电缆转入地下敷设^［1-3］.在监测系统供能方面，通过电池供电的方式难以保障监测系统长时间运行，采取有线供电方式又存在取电点固定、线材束缚性强、转接设备占据大量体积重量等问题；在监测信息可靠回传方面，无线传感网在狭小空间内的性能受限，而光缆、电力线载波等通信方式和传感器的连接方式复杂，缺乏统一的解决方案^［4-5］.为了找到相应解决方案，目前，国内外在基于光纤的能信共传方面对传感器的供电和通信方式开展了研究.

文献［6-7］运用单模光纤能信共传技术，提出并演示了一种新型的光纤无线电接入技术，使用于高速无线通信的微型基站能够消除外部供电设施.文献［8］提出一种由标准光纤电流传感器单元和振动传感单元组成的混合干涉光纤传感器实现电流和实时振动同时测量的方法.文献［9］制造了一种用于信号和能量共同传输的微结构光纤，为远程天线单元提供功率，并使中心站的部署快速灵活.文献［10］使用传统多模光纤的10 W光纤馈电功率的光纤无线电传输.在该方案中，通过中心发射和偏移发射技术的结合，有效地减轻了模式色散和馈电串扰.文献［11-12］基于光纤能信共传技术利用光纤同时传输能量光和信号光，实现了5G能信共传速率的提高.文献［13］采用1 550 nm非偏振连续波单模光纤激光器作为光源，通过实验提出了光纤受激拉曼散射抑制有效性判据，实验演示了受激拉曼散射现象，验证了级联长周期光纤光栅带阻滤波器对受激拉曼散射抑制的有效性.目前通信供能一体化光纤的研究较少^［14-15］，面向基于通信光纤的长距离传能需求，需要突破高转换效率光电池技术，高功率密度下光纤非线性抑制、高稳定的大功率激光光源等难题.

以上学者的研究都是基于理想环境下，而在实际应用中，施工现场的环境十分恶劣，存在强光暴晒、积灰距离长等问题.文中基于光纤能信共传技术，利用新的传输方法，解决传感器耗能高，实现长距离能量传输与信号通信，支撑管廊、电缆沟、电缆排管等地下输电安全可靠运行，并为融合微纳集成单元的通信供能一体化光纤的统一接口提供研究实践传感应用依据数据.

1 能信共传试验

文中首先研究基于光纤能信共传技术的电力电缆工程监测设备配置涉及的激光光点转化技术和电力电缆工程监测设备工作低功耗技术标准，掌握电力电缆工程监测设备配置技术；然后，对光纤能信共传技术电力电缆工程监测装置配置进行研究，进行监测装置光电转化标准化接口的设计，并通过对监测设备标准配置接口装置进行试验研究，完成研制光纤能信共传技术电力电缆工程监测装置标准化接口.技术路线见图1，其中的研究重点在于传输效率.

1.1 电力电缆工程监测设备配置技术设计

针对当前通过电池供电的方式难以保障监测系统长时间运行，采取有线供电方式又存在取电点固定、线材束缚性强、转接设备占据大量体积重量等问题，需要进行电力电缆工程监测设备配置技术研究.系统的核心部件主要是光纤激光器、光伏电池、电光调制器、光纤和光电探测器，相关设备配置见表1.光纤能信共传设备配置系统见图2.

1.1.1 试验工况

针对该研究内容，对此设计的方案如表2.工况1主要用来检测本试验方案数据传输的稳定性以及准确性，确保试验时没有其它因素的干扰.

在本项目中，输出光功率最大为10 W，实际输出光正常工作功率为7 W，所以测试通信传时，主要在7 W的工况下进行.

1.1.2 能信共传技术的标准化配置接口

光纤能信线路传感模块的硬件平台见图3.电力电缆工程监测装置光电转化标准化接口设计，首先，掌握各工作配置的参数范围；其次，对工程监测装置不同的参数区间范围，选择适合设备配置参数带宽范围的信号处理.最后，设计和搭建完整的光电转化标准化接口系统，实现具备电力电缆工程监测装置在光电转化下的试验能力.

选择试验所用的传感器，传感器测量指标见表3.首先，将供电接口与信号接口接入光电转化标准化接口中.其次，通过光伏电池获取到的转化能量驱动传感器，监测传感器工作状态并优化调整转换后的能量以达到最优值.再次，通过传感器感知电信号接入光电转化标准化接口中，在光纤另一侧通过光接收模块传至PC监测信号数据，利用TCP客户端测试远程服务器的通信功能.为方便显示光电转化标准化接口的传输能力，设置仅传输能量、仅传输信号与能信共传3种工况进行对比.

1.2 设备配置试验

在本实验中，涉及到高功率能量光的传输，光纤连接使用法兰盘连接的方式.在试验中需要验证光纤是否具备传输10 W能量光的能力，在试验中采用的标准光纤是MMF，它的芯径是62.5 μm，采用的高功率激光器的波长为1" 550 nm，最大输出光功率为10 W，见图4.

1.3 试验过程

图5为能信共传监测技术现场.从图中可以看出，通过改变光源的输出光功率，测量经过单模光纤传输后接收光功率来评估该单模光纤传输高功率激光的能力，结果见图6.

从图中可以发现，接收到的光功率与入射光功率呈线性关系，可知当入射光功率为10 W时，接收到的光功率约为8.65 W，能量光传输最大效率达到86.5%，说明该光纤可以传输10 W的能量光，可以继续进行下面的试验.

对于高功率激光在光纤中能信传输是否具有良好的工作稳定性，将10 W激光在光纤中传输7 h以上，并每间隔15 min采集一次光功率.

2 试验结果

2.1 能量传输试验结果

10 W高功率激光传输下的接收光功率与时间的关系结果见图6.由图6所知，在所测时间内，接收到的能量光功率变化小于 0.28%.这说明标准光纤MMF-1300-9/125-0.25-L可以传输10 W激光的同时，提供稳定的电力供给.

不同光功率下接收光功率和对应的光传输效率见图7.随着入射激光功率的增加，接受光功率几乎呈线性增加，另外，随着入射激光功率的增加，光传输效率由于波分复用器的温度变化稍有所下降.

2.2 接收信号功率

本工程应用的接收电信号的功率范围从-65 dBm至-20 dBm，这也是目前应用最广的功率范围^［16］.两种不同传输条件分别是仅传输信号、信号与10 W能量光共传，两种工况下的结果如图8.接收到的光功率变化小于0.15%，因此可以稳定供电和传输信号.在两种工况下所测的两条曲线几乎重合，当接收电信号功率为-20 dBm时，仅传输信号的矢量误差幅度（electrical vector magnitude，EVM）值为0.53%；信号与10 W能量光共传的EVM值为0.51%，说明了在该能信共传系统中高功率能量光的同时传输不会劣化信号的传输质量.

2.3 光电转化标准化接口能信共传结果

在实际应用中，一般的接收电信号功率在-80 dBm与-20 dBm之间.文中比较了光电转化标准化接口下EVM结果对比见图9.由此可见，3种工况在电信号功率为-80 dBm之前存在误差矢量幅值存在约10%差异，能信共传时信号质量略差但与另外两种工况差距不明显，电信号功率为-55 dBm之后曲线几乎重合，两者之间差异小于5%，可以认为两者相等.

2.4 与传统方式比较

图10为在接收电信号功率-70 dBm条件下文中提出的方法与传统方法EVM对比，可以看出，文中提出的方法EVM值比传统方法要好.文中方法EVM值在4.75附近波动，而传统方法EVM值在4.30附近波动.综合来看，文中方法EVM值较传统方法提高约12%.

图11为在不同接收电信号功率条件下文中提出的方法与传统方法EVM对比，可以看出，文中提出的方法EVM值比传统方案要好.文中方法普遍比传统方法提高约16%，在-70 dBm与-20 dBm时，提高效率最低，为12%；而在-80 dBm与-45 dBm时，提高效率为20%.

3 讨论

文中实测EVM值与接收频率可以近似看成指数关系，如图9.由最小二乘法，可以得出拟合关系式为：

=4.7e^{-（ω+80）/20}（2）

式中： 为EVM值，ω为接收功率.可以看出，当低接收功率时，EVM值较高，说明接收信号在传输能量低时，其波动产生的噪声不容易区分；当接收功率较高时，EVM值很低，几乎接近于零，说明在传输能量较高时，能量波动噪声容易区分（或能量波动率较低），传输信号较为稳定.

文中与传统方法相比，最大的改进是使设备、接口等标准化，这样对于通信共传系统而言，传输质量更有保障.而传统方法中，传输效率波动较高，有的方法或某些状态下，可能得到更高的效率.文中对比的是采用文献［13］所使用的方法进行对比.

4 结论

基于光纤能信共传技术，为解决传感器耗能高，无法长期运行以及接口标准不统一等问题提供了一种设备配置方案.基于试验得出的结论如下：

（1） 提出了在光纤能信共传技术应用下电力电缆工程监测设备的一套标准化配置，优化电力电缆工程应用低功耗场景下多类传感器电压、功耗与光电耦合等效电路模型的电力传感器携能标准接口之间的匹配度.

（2） 所搭建的试验配置系统与只传输信号时，在-80 dBm到-55 dBm时，其传输效果略差，低3%～5%.在-55 dBm到-20 dBm，其效果相差无几.信号传输质量和稳定性等与只传输信号相当.

（3） 与传统能信共传方式相比，标准化配置系统传输稳定性更好，传输效果提高12%～20%.

参考文献（References）

［1］ 朱文昌， 吴海华. 微纳加工与表征技术在高性能合成有机光电器件研究中的应用［J］. 中阿科技论坛， 2022，12（9）：120-127.

［2］ 白杨， 于淼， 何禹潼. 管廊光纤安防监测信息管理系统研发与应用［J］. 地下空间与工程学报， 2019，15（1）：390-398.

［3］ 王亮. 基于信能同传的磁感应地下通信系统研究与设计［D］. 徐州： 中国矿业大学，2019.

［4］ 李新颖， 郝浩， 黄海燕. 基于信能同传的认知中继网络性能研究［J］. 计算机工程， 2020，46（11）：201-207.

［5］ 禹化龙， 王石语， 吴嘉宸. 大功率激光单模光纤远距离传输的注入光纤光功率限值分析［J］. 计算物理， 2022，39（2）：173-178.

［6］ LPEZ-CARDONA J D， ROMMEL S， GRIVAS E， et al. Power-over-Fiber in a 10 km-long multicore fiber link within 5G fronthaul scenario［J］. Optics Letters， 2021，46（21）：372-380.

［7］ LPEZ-CARDONA J D， VAZQUEZ C， MONTERO D S， et al. Remote optical powering using fiber optics in hazardous environments［J］. Journal of Light Technology， 2023，36（3）：784-790.

［8］ YU A， PANG F B， YUAN Y B，et al. Simultaneous current and vibration measurement based on interferometric fiber optic sensor［J］. Optics and Laser Technology， 2023，161：161-170.

［9］ LI J， ZHANG A， ZHOU G. A large-core microstructure optical fiber for co-transmission of signal and power［J］. Journal of Light Technology， 2021，39（13）：4511-4520.

［10］ KUBOKI H， MATSUURA M. Optically powered radio-over-fiber system based on center-and offset-launching techniques using a conventional multimode fiber［J］. Optics Letters， 2018，43（5）：1067-1070.

［11］ 杨海林. 基于光纤的信息能量共传技术研究［D］. 广州： 广东工业大学， 2022.

［12］ 杨海林， 刘丽娟， 彭迪. 光纤信能共传技术研究进展［J］. 光学学报， 2021，41（11）：20-27.

［13］ 禹化龙， 薛海中. 高功率激光单模光纤远距离传输实验研究［J］. 红外与毫米波学报， 2020，39（5）：605-611.

［14］ ZQUEZ C V， LALLANA P C， MONTERO D S N， et al. Multicore fiber scenarios supporting power over fiber in radio over fiber systems［J］. IEEE Access， 2019，33（9）：222-228.

［15］ 汪添. 基于光纤供能的全景视频监测系统研究［D］. 南京： 南京邮电大学， 2021.

［16］ 兰子林， 邹喜华， 白文林. 光载信息能量同传方案及其通信检测应用［J］. 电子学报， 2022，50（4）：31-36.

（责任编辑：顾琳）