光能与电能融合通信：驱动智能工业与能源系统的核心技术

《IEEE Industrial Electronics Magazine》：Communications Through Light and Power: Enabling Smart Industry and Energy Systems [Editor’s Column]

在工业与能源系统智能化浪潮中，如何利用现有电力设施实现高效可靠的数据传输成为关键挑战。本期专栏聚焦“光能与电能融合通信”主题，推介了三篇前沿研究：Játiva等人探讨了可见光通信(VLC)在矿井等恶劣环境下的应用；Sharida等人综述了多端口智能变压器(MST)的架构与控制策略；Hoeher等人则提出了多端口功率转换器(MPC)的“对话式功率转换”技术，实现了电能与数据的同步传输。这些研究为构建高韧性、高灵活性的下一代工业基础设施提供了创新路径。

　　

在智能化浪潮席卷工业与能源领域的今天，一个看似科幻的概念正逐渐成为现实：传输电力的电缆、变流器乃至照明光源，同时承担起数据传输的使命。这种“光能与电能融合通信”技术，旨在解决传统工业环境中通信基础设施部署成本高、无线频谱资源紧张、电磁干扰严重等核心痛点。无论是深埋地下的矿山、高速运转的智能工厂，还是集成大量可再生能源的电网系统，都对通信的带宽、延迟、可靠性和安全性提出了近乎苛刻的要求。传统的射频无线技术在这些复杂场景下常常力不从心，而专门铺设额外的数据通信线路又意味着巨大的成本和维护负担。因此，探索如何利用既有的电力输送和照明网络“顺便”传输数据，成为了工业电子领域一个极具吸引力的研究方向。这正是《IEEE Industrial Electronics Magazine》2025年12月特刊所深入探讨的主题，该期文章通过三篇各具特色的论文，展示了这一融合技术如何成为构建韧性、灵活、智能的能源与工业基础设施的核心使能器。

为了深入探索这一前沿领域，研究者们主要运用了几项关键技术方法。在可见光通信(VLC)研究中，关键点在于针对矿井等特殊环境的信道建模与传播特性分析，以及采用角度分集接收器(angle diversity receivers)来降低误码率(bit error rate)。对于多端口智能变压器(MST)，研究重点在于其系统架构设计、功率变流器拓扑以及实现双向功率流调节、电压调节和保护的控制策略，其核心是一个基于通信的能量管理系统(energy management system)。而在多端口对话式功率转换研究中，核心技术是双重功率/数据调制(dual power/data modulation)，使得多端口功率转换器(MPC)能同时处理功率和传输信息。

可见光通信用于地下矿井：原理、建模与研究方向

由P. P. Játiva等人完成的第一篇文章，将目光投向了可见光通信(VLC)应用中最具挑战性的环境之一——地下采矿。文章系统地阐述了利用LED照明设备同时进行高速数据传输的原理。研究表明，VLC技术能够克服射频无线技术的诸多限制，提供更高的带宽、更低的延迟、减少的信道饱和以及更高的可靠性，同时还兼具定位等附加功能。作者团队重点分析了在矿井隧道这种特殊环境下，空气污染、设备与人员移动、不规则巷道表面等诸多因素对通信信道造成的损伤，并建立了相应的传播模型。通过研究，他们指出，采用角度分集接收器是有效降低VLC链路误码率的关键技术路径。该文章不仅为矿井VLC应用提供了实用的技术概览，更指明了为实现该技术工业化部署所需解决的未来研究方向，例如更精确的信道建模和高效的抗干扰算法。

多端口智能变压器：架构、应用与未来趋势综述

由A. Sharida等人贡献的第二篇文章，则对多端口智能变压器(MST)进行了全面的梳理。MST是一种将电气隔离、功率转换和智能管理功能集成于一体的先进电力设备。文章详细对比了不同的MST系统架构、设计原则、功率变流器拓扑以及控制策略，这些策略主要用于实现双向功率流调节、电压精确控制和系统保护。研究的核心结论是，通过内置的基于通信的能量管理系统，MST能够高效地协调和优化可再生能源、储能系统以及车辆到电网(Vehicle-to-Grid, V2G)操作的集成，从而显著提升电网的弹性与智能化水平。文章同时也客观分析了MST面临的主要挑战，包括热管理、控制复杂性、成本削减、标准化和设备互操作性等问题。这项技术是电力电子、控制系统、能量管理和通信技术深度融合的典范。

多端口对话式功率转换：概念与验证

在第三篇文章中，P. A. Hoeher, Y. Leng和R. Zhu共同提出并验证了“对话式功率转换”(talkative power conversion)这一创新概念。该研究的独特之处在于探索了功率转换器的双重用途：即在处理电能的同时，也能传输信息。这是通过一种创新的双重功率/数据调制技术实现的。作者将这一原理扩展应用于多端口功率转换器(MPC)，使得连接到其多个端口的外部设备之间能够实现信息与电能的同步传输，且传输方向可以是相同或相反的。研究结果表明，这种技术具有广泛的应用潜力，可应用于可再生能源与分布式能源系统、集成信息与能源路由器、充电系统、更多电飞机(more electric aircraft)领域，甚至可用于功率转换器的实时状态监测。这为简化工业系统布线、实现更深层次的信息物理融合提供了全新的思路。

综上所述，本期特刊的三项研究从不同维度有力地论证了通信与能源基础设施融合的巨大潜力与价值。可见光通信(VLC)为恶劣工业环境下的高可靠性通信提供了替代方案；多端口智能变压器(MST)作为未来电网的关键节点，展现了通过通信实现智能能量管理的强大能力；而对话式功率转换技术则从根本上模糊了能量流与信息流的边界，为设备级的集成创新开辟了道路。尽管这些技术仍面临信道建模、热管理、控制复杂性和标准化等挑战，但它们所代表的方向——即利用同一物理介质协同传输能量与信息——正日益清晰。这一趋势预示着工业电子领域将迎来更深层次的多学科交叉，融合电力电子、通信技术、控制理论和计算机科学的知识，共同推动下一代革命性工业解决方案的出现，为实现真正智能、高效、可持续的工业与能源系统奠定坚实的基础。