摘 要： 隨著電纜入地工程的穩(wěn)步推進(jìn)，電力電纜工程的監(jiān)測(cè)日益重要，但是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電及通信方面缺乏統(tǒng)一的解決方案，難以保障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行.而能信共傳監(jiān)測(cè)技術(shù)則為地下電纜監(jiān)測(cè)提供了解決方案，文中提出了在光纖能信共傳技術(shù)應(yīng)用下電力電纜工程監(jiān)測(cè)設(shè)備的一套標(biāo)準(zhǔn)化配置，優(yōu)化電力電纜工程應(yīng)用低功耗場(chǎng)景下多類傳感器電壓、功耗與光電耦合等效電路模型的電力傳感器攜能標(biāo)準(zhǔn)接口之間的匹配度.試驗(yàn)表明，通過文中提出的能信共傳技術(shù)，在相同能量傳輸工況下，傳輸效率提高約12%～20%.此外，信號(hào)傳輸穩(wěn)定性也有一定的提高.

關(guān)鍵詞： 惡劣環(huán)境；監(jiān)測(cè)技術(shù)；光纖傳輸；標(biāo)準(zhǔn)化接口；電力電纜工程

中圖分類號(hào)：TN913.7"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""" 文章編號(hào)：1673-4807（2024）06-102-05

收稿日期： 2024-03-08"" 修回日期： 2021-04-29

基金項(xiàng)目： 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司科技項(xiàng)目（J202307）

作者簡(jiǎn)介： 劉云飛（1988—），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算輸變電工程三維設(shè)計(jì)、工程質(zhì)量管理.E-mail：18351000402@163.com

引文格式： 劉云飛，謝洪平，韓超，等.惡劣施工環(huán)境下一種新型能信傳輸方法研究［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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

隨著社會(huì)城市化的快速發(fā)展，城市的用電需求也在迅速增長(zhǎng)，受城市資源環(huán)境的約束，大量架空輸電線路采用高壓電纜轉(zhuǎn)入地下敷設(shè)^［1-3］.在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供能方面，通過電池供電的方式難以保障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，采取有線供電方式又存在取電點(diǎn)固定、線材束縛性強(qiáng)、轉(zhuǎn)接設(shè)備占據(jù)大量體積重量等問題；在監(jiān)測(cè)信息可靠回傳方面，無線傳感網(wǎng)在狹小空間內(nèi)的性能受限，而光纜、電力線載波等通信方式和傳感器的連接方式復(fù)雜，缺乏統(tǒng)一的解決方案^［4-5］.為了找到相應(yīng)解決方案，目前，國(guó)內(nèi)外在基于光纖的能信共傳方面對(duì)傳感器的供電和通信方式開展了研究.

文獻(xiàn)［6-7］運(yùn)用單模光纖能信共傳技術(shù)，提出并演示了一種新型的光纖無線電接入技術(shù)，使用于高速無線通信的微型基站能夠消除外部供電設(shè)施.文獻(xiàn)［8］提出一種由標(biāo)準(zhǔn)光纖電流傳感器單元和振動(dòng)傳感單元組成的混合干涉光纖傳感器實(shí)現(xiàn)電流和實(shí)時(shí)振動(dòng)同時(shí)測(cè)量的方法.文獻(xiàn)［9］制造了一種用于信號(hào)和能量共同傳輸?shù)奈⒔Y(jié)構(gòu)光纖，為遠(yuǎn)程天線單元提供功率，并使中心站的部署快速靈活.文獻(xiàn)［10］使用傳統(tǒng)多模光纖的10 W光纖饋電功率的光纖無線電傳輸.在該方案中，通過中心發(fā)射和偏移發(fā)射技術(shù)的結(jié)合，有效地減輕了模式色散和饋電串?dāng)_.文獻(xiàn)［11-12］基于光纖能信共傳技術(shù)利用光纖同時(shí)傳輸能量光和信號(hào)光，實(shí)現(xiàn)了5G能信共傳速率的提高.文獻(xiàn)［13］采用1 550 nm非偏振連續(xù)波單模光纖激光器作為光源，通過實(shí)驗(yàn)提出了光纖受激拉曼散射抑制有效性判據(jù)，實(shí)驗(yàn)演示了受激拉曼散射現(xiàn)象，驗(yàn)證了級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光柵帶阻濾波器對(duì)受激拉曼散射抑制的有效性.目前通信供能一體化光纖的研究較少^［14-15］，面向基于通信光纖的長(zhǎng)距離傳能需求，需要突破高轉(zhuǎn)換效率光電池技術(shù)，高功率密度下光纖非線性抑制、高穩(wěn)定的大功率激光光源等難題.

以上學(xué)者的研究都是基于理想環(huán)境下，而在實(shí)際應(yīng)用中，施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境十分惡劣，存在強(qiáng)光暴曬、積灰距離長(zhǎng)等問題.文中基于光纖能信共傳技術(shù)，利用新的傳輸方法，解決傳感器耗能高，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離能量傳輸與信號(hào)通信，支撐管廊、電纜溝、電纜排管等地下輸電安全可靠運(yùn)行，并為融合微納集成單元的通信供能一體化光纖的統(tǒng)一接口提供研究實(shí)踐傳感應(yīng)用依據(jù)數(shù)據(jù).

1 能信共傳試驗(yàn)

文中首先研究基于光纖能信共傳技術(shù)的電力電纜工程監(jiān)測(cè)設(shè)備配置涉及的激光光點(diǎn)轉(zhuǎn)化技術(shù)和電力電纜工程監(jiān)測(cè)設(shè)備工作低功耗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，掌握電力電纜工程監(jiān)測(cè)設(shè)備配置技術(shù)；然后，對(duì)光纖能信共傳技術(shù)電力電纜工程監(jiān)測(cè)裝置配置進(jìn)行研究，進(jìn)行監(jiān)測(cè)裝置光電轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)化接口的設(shè)計(jì)，并通過對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)配置接口裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究，完成研制光纖能信共傳技術(shù)電力電纜工程監(jiān)測(cè)裝置標(biāo)準(zhǔn)化接口.技術(shù)路線見圖1，其中的研究重點(diǎn)在于傳輸效率.

1.1 電力電纜工程監(jiān)測(cè)設(shè)備配置技術(shù)設(shè)計(jì)

針對(duì)當(dāng)前通過電池供電的方式難以保障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，采取有線供電方式又存在取電點(diǎn)固定、線材束縛性強(qiáng)、轉(zhuǎn)接設(shè)備占據(jù)大量體積重量等問題，需要進(jìn)行電力電纜工程監(jiān)測(cè)設(shè)備配置技術(shù)研究.系統(tǒng)的核心部件主要是光纖激光器、光伏電池、電光調(diào)制器、光纖和光電探測(cè)器，相關(guān)設(shè)備配置見表1.光纖能信共傳設(shè)備配置系統(tǒng)見圖2.

1.1.1 試驗(yàn)工況

針對(duì)該研究?jī)?nèi)容，對(duì)此設(shè)計(jì)的方案如表2.工況1主要用來檢測(cè)本試驗(yàn)方案數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及準(zhǔn)確性，確保試驗(yàn)時(shí)沒有其它因素的干擾.

在本項(xiàng)目中，輸出光功率最大為10 W，實(shí)際輸出光正常工作功率為7 W，所以測(cè)試通信傳時(shí)，主要在7 W的工況下進(jìn)行.

1.1.2 能信共傳技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化配置接口

光纖能信線路傳感模塊的硬件平臺(tái)見圖3.電力電纜工程監(jiān)測(cè)裝置光電轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)，首先，掌握各工作配置的參數(shù)范圍；其次，對(duì)工程監(jiān)測(cè)裝置不同的參數(shù)區(qū)間范圍，選擇適合設(shè)備配置參數(shù)帶寬范圍的信號(hào)處理.最后，設(shè)計(jì)和搭建完整的光電轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)化接口系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)具備電力電纜工程監(jiān)測(cè)裝置在光電轉(zhuǎn)化下的試驗(yàn)?zāi)芰?

選擇試驗(yàn)所用的傳感器，傳感器測(cè)量指標(biāo)見表3.首先，將供電接口與信號(hào)接口接入光電轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)化接口中.其次，通過光伏電池獲取到的轉(zhuǎn)化能量驅(qū)動(dòng)傳感器，監(jiān)測(cè)傳感器工作狀態(tài)并優(yōu)化調(diào)整轉(zhuǎn)換后的能量以達(dá)到最優(yōu)值.再次，通過傳感器感知電信號(hào)接入光電轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)化接口中，在光纖另一側(cè)通過光接收模塊傳至PC監(jiān)測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)，利用TCP客戶端測(cè)試遠(yuǎn)程服務(wù)器的通信功能.為方便顯示光電轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)化接口的傳輸能力，設(shè)置僅傳輸能量、僅傳輸信號(hào)與能信共傳3種工況進(jìn)行對(duì)比.

1.2 設(shè)備配置試驗(yàn)

在本實(shí)驗(yàn)中，涉及到高功率能量光的傳輸，光纖連接使用法蘭盤連接的方式.在試驗(yàn)中需要驗(yàn)證光纖是否具備傳輸10 W能量光的能力，在試驗(yàn)中采用的標(biāo)準(zhǔn)光纖是MMF，它的芯徑是62.5 μm，采用的高功率激光器的波長(zhǎng)為1" 550 nm，最大輸出光功率為10 W，見圖4.

1.3 試驗(yàn)過程

圖5為能信共傳監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng).從圖中可以看出，通過改變光源的輸出光功率，測(cè)量經(jīng)過單模光纖傳輸后接收光功率來評(píng)估該單模光纖傳輸高功率激光的能力，結(jié)果見圖6.

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，接收到的光功率與入射光功率呈線性關(guān)系，可知當(dāng)入射光功率為10 W時(shí)，接收到的光功率約為8.65 W，能量光傳輸最大效率達(dá)到86.5%，說明該光纖可以傳輸10 W的能量光，可以繼續(xù)進(jìn)行下面的試驗(yàn).

對(duì)于高功率激光在光纖中能信傳輸是否具有良好的工作穩(wěn)定性，將10 W激光在光纖中傳輸7 h以上，并每間隔15 min采集一次光功率.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 能量傳輸試驗(yàn)結(jié)果

10 W高功率激光傳輸下的接收光功率與時(shí)間的關(guān)系結(jié)果見圖6.由圖6所知，在所測(cè)時(shí)間內(nèi)，接收到的能量光功率變化小于 0.28%.這說明標(biāo)準(zhǔn)光纖MMF-1300-9/125-0.25-L可以傳輸10 W激光的同時(shí)，提供穩(wěn)定的電力供給.

不同光功率下接收光功率和對(duì)應(yīng)的光傳輸效率見圖7.隨著入射激光功率的增加，接受光功率幾乎呈線性增加，另外，隨著入射激光功率的增加，光傳輸效率由于波分復(fù)用器的溫度變化稍有所下降.

2.2 接收信號(hào)功率

本工程應(yīng)用的接收電信號(hào)的功率范圍從-65 dBm至-20 dBm，這也是目前應(yīng)用最廣的功率范圍^［16］.兩種不同傳輸條件分別是僅傳輸信號(hào)、信號(hào)與10 W能量光共傳，兩種工況下的結(jié)果如圖8.接收到的光功率變化小于0.15%，因此可以穩(wěn)定供電和傳輸信號(hào).在兩種工況下所測(cè)的兩條曲線幾乎重合，當(dāng)接收電信號(hào)功率為-20 dBm時(shí)，僅傳輸信號(hào)的矢量誤差幅度（electrical vector magnitude，EVM）值為0.53%；信號(hào)與10 W能量光共傳的EVM值為0.51%，說明了在該能信共傳系統(tǒng)中高功率能量光的同時(shí)傳輸不會(huì)劣化信號(hào)的傳輸質(zhì)量.

2.3 光電轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)化接口能信共傳結(jié)果

在實(shí)際應(yīng)用中，一般的接收電信號(hào)功率在-80 dBm與-20 dBm之間.文中比較了光電轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)化接口下EVM結(jié)果對(duì)比見圖9.由此可見，3種工況在電信號(hào)功率為-80 dBm之前存在誤差矢量幅值存在約10%差異，能信共傳時(shí)信號(hào)質(zhì)量略差但與另外兩種工況差距不明顯，電信號(hào)功率為-55 dBm之后曲線幾乎重合，兩者之間差異小于5%，可以認(rèn)為兩者相等.

2.4 與傳統(tǒng)方式比較

圖10為在接收電信號(hào)功率-70 dBm條件下文中提出的方法與傳統(tǒng)方法EVM對(duì)比，可以看出，文中提出的方法EVM值比傳統(tǒng)方法要好.文中方法EVM值在4.75附近波動(dòng)，而傳統(tǒng)方法EVM值在4.30附近波動(dòng).綜合來看，文中方法EVM值較傳統(tǒng)方法提高約12%.

圖11為在不同接收電信號(hào)功率條件下文中提出的方法與傳統(tǒng)方法EVM對(duì)比，可以看出，文中提出的方法EVM值比傳統(tǒng)方案要好.文中方法普遍比傳統(tǒng)方法提高約16%，在-70 dBm與-20 dBm時(shí)，提高效率最低，為12%；而在-80 dBm與-45 dBm時(shí)，提高效率為20%.

3 討論

文中實(shí)測(cè)EVM值與接收頻率可以近似看成指數(shù)關(guān)系，如圖9.由最小二乘法，可以得出擬合關(guān)系式為：

=4.7e^{-（ω+80）/20}（2）

式中： 為EVM值，ω為接收功率.可以看出，當(dāng)?shù)徒邮展β蕰r(shí)，EVM值較高，說明接收信號(hào)在傳輸能量低時(shí)，其波動(dòng)產(chǎn)生的噪聲不容易區(qū)分；當(dāng)接收功率較高時(shí)，EVM值很低，幾乎接近于零，說明在傳輸能量較高時(shí)，能量波動(dòng)噪聲容易區(qū)分（或能量波動(dòng)率較低），傳輸信號(hào)較為穩(wěn)定.

文中與傳統(tǒng)方法相比，最大的改進(jìn)是使設(shè)備、接口等標(biāo)準(zhǔn)化，這樣對(duì)于通信共傳系統(tǒng)而言，傳輸質(zhì)量更有保障.而傳統(tǒng)方法中，傳輸效率波動(dòng)較高，有的方法或某些狀態(tài)下，可能得到更高的效率.文中對(duì)比的是采用文獻(xiàn)［13］所使用的方法進(jìn)行對(duì)比.

4 結(jié)論

基于光纖能信共傳技術(shù)，為解決傳感器耗能高，無法長(zhǎng)期運(yùn)行以及接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題提供了一種設(shè)備配置方案.基于試驗(yàn)得出的結(jié)論如下：

（1） 提出了在光纖能信共傳技術(shù)應(yīng)用下電力電纜工程監(jiān)測(cè)設(shè)備的一套標(biāo)準(zhǔn)化配置，優(yōu)化電力電纜工程應(yīng)用低功耗場(chǎng)景下多類傳感器電壓、功耗與光電耦合等效電路模型的電力傳感器攜能標(biāo)準(zhǔn)接口之間的匹配度.

（2） 所搭建的試驗(yàn)配置系統(tǒng)與只傳輸信號(hào)時(shí)，在-80 dBm到-55 dBm時(shí)，其傳輸效果略差，低3%～5%.在-55 dBm到-20 dBm，其效果相差無幾.信號(hào)傳輸質(zhì)量和穩(wěn)定性等與只傳輸信號(hào)相當(dāng).

（3） 與傳統(tǒng)能信共傳方式相比，標(biāo)準(zhǔn)化配置系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定性更好，傳輸效果提高12%～20%.

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（責(zé)任編輯：顧琳）