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忻向军:推进光纤通信技术 助力智能电网发展

忻向军:推进光纤通信技术 助力智能电网发展   发展智能电网已日益成为国际共识,中国的智能电网建设也正在如火如荼地进行着。日前我国已建成先进可靠的电力专用光纤通信网络,传感器网络的发展也与日俱进,两者的融合将进一步促进以实时监测信号和高速处理数据为特征的智能电网的发展。
  
  忻向军教授作为北京邮电大学电子工程学院的副院长,光电子和光信息研究中心主任和博士生导师,同时还兼任中国通信学会、电子学会、光学学会高级会员,多年从事一线科研和教学工作,在光通信和光传感器方面有着丰富经验。今天我们有幸能请到忻教授就光纤通信的相关问题为我们答疑解惑。
  
  1、坚强智能电网需要高可靠、高带宽的通信网。而光纤通信具有带宽高、抗干扰能力强、性价比优等其它通信技术无法比拟的优势,已经成为智能电网通信网络建设的首选。作为以信息通信为特色的院校,北京邮电大学在光纤通信技术应用于智能电网领域有何最新的研究进展?
  
  忻向军:这个问题可以从两方面阐述。一方面是邮电大学在光通信方面的研究成果,另一方面就是光通信的部分成果在智能电网上的应用。
  
  众所周知,核心网和接入网是光通信的两大部分,二者相互依存,相互促进,协调发展。目前,核心网中DWDM(密集波分复用)系统中单个光载波的速率为10G和40G的系统已经实现商运,下一步业界主推的是单载波100G的DWDM系统。值得一提的是40G的相关技术和市场已被中国牢牢占据了,基于这样的考虑,国外的设备商都直接研制100G DWDM系统,且已经具备了商用可能。从这一角度看,国内目前在100GDWDM系统上可能有点滞后于国外发达国家的水平。庆幸的是国内无论从科研工作者,还是主流设备商及我们的政府部门,在这方面的危机感都很强,也在这个方向设置了很多课题,投入了相当的人财力,取得了一批成果。
  
  就邮电大学而言,在光通信方面的研究成果主要表现在电信核心网领域和接入网领域。这方面的研究成果主要是指承担国家科技部一些重大项目,攻克了一批关键技术、提出了相关标准,其中不少技术和标准都被国内运营商、甚至国际电信组织采纳,在成果的应用方面取得了比较好的反响。接入网领域近期取得了几乎同国际先进研究水平相当的科研成果,主要是为适应下一代光接入网的基于新型调制格式的PON体系架构及其中的一些关键技术与算法,这些成果对加速NG-PON2的布局(40G或100G)具有重要指导价值。
  
  我本人也有一个国家863课题,目前也取得了一些成果。当然,这些成果的商业运营还需要联合运营商、供应商等一起去推广,但就学术层面而言,这些成果一定程度上推动了国内光纤通信技术的科研发展。接入网方面,当前商用的主要是GPON(Gigabit-Capable PON)和EPON(Ethernet Passive Optical Network),随着接入网距离的延伸和带宽需求的大幅度上升,GPON 和EPON也面临着大幅度的扩容升级,这种升级有可能在实现机理上有实质性变化。升级后的这一接入网一般称为下一代接入网 NGPON(next generation)。接入速率在10G之内的为NGPON1;10G、40G、100G、甚至达到T(Trillion byte 万亿字节)级别接入的一般称为NGPON2。现在邮电大学基于100G的研究取得了一些成果,Tbit接入的研究也已开始进行。
  
  光通信的部分成果在智能电网上的应用:随着2009年光纤复合电压电缆的研制成功,在智能电网全面建设中,电力光纤到户正在成为一种趋势。目前,PON作为用电信息采集技术已经得到了认可,它不仅具有安全、可靠的特点,并且可以提供高达数十G的接入带宽,能够为电网企业未来开展更加丰富的宽带业务创造条件。邮电大学光通信技术成果在智能电网中的应用还不太丰富,这也将是我们下一步工作的重点。我们会在保持电信领域优势的基础上,充分发挥邮电大学在接入网方面的优势,积极推进智能电网相关技术的应用。
  
  2、我们了解到,在信息通信中,光通信和无线通信这两种方式各有优缺点,两者的综合运用或将是一个未来的发展趋势,您能否谈一谈您对光通信和无线通信融合的看法?
  
  忻向军:光通信和无线通信的融合是未来的发展趋势。我们都知道光纤的最大特点是稳定、高速、距离远且不受干扰;而无线的最大特点是使用便捷、接入方式灵活,如何兼顾两者的优点一直是技术人员研究的重点。这种需求随着无线视频通话等新业务而变得更加紧迫。伴随着多媒体无线接入,P2P文件传送等大容量需求上升,之前的容量已无法满足新的需求。针对此种情况,运营商采取了一系列措施,如推出4G通信技术等等,但仍规避不了“无线载频带宽有限”的问题,这是根本的限制。另外,把无线载频的频率提高到40GHz或者60GHz,可以显著增加无线接入的带宽,但这一波段的无线载频覆盖范围受限。因此光纤和无线的结合成为了一种必然:通过在小范围采用高载频的无线接入,再经由低成本的光纤接入有效扩展接入范围,在规避了无线高载频覆盖弊端的同时,又发挥了无线灵巧的优势,一举两得。
  
  这种融合系统已经在我们实验室研制成功了演示系统。我们通过此系统可以轻松利用无线接入欣赏蓝光DVD,即用60GHz的无线去带蓝光DVD的比特流,再经由光纤铺设到任何目的地,无线接入的速率可以达到每秒Gbit,速率非常高。这种技术可以应用到智能电网上,将来也可以用来实时监控输配电网络的相关信息,甚至是高速传输所有电网线路的实时监测视频。
  
  3、我们了解到,与光通信网相比,光传感网络可以利用传感器实现大范围的多点、多参量的监测。您能否为我们介绍一下多个传感器是如何利用现有的光纤局域网技术组成传感器网络的?构建一个功能完备的传感器网络对电网智能化有什么重要意义?
  
  忻向军:这个问题非常重要,这不仅涉及到智能电网以后的组网方式,而且也是“电网方面的物联网”得以实现的重要基础之一。就这项技术本身而言,也是非常重要的,因为它跟现实生活联系太密切了,尤其是伴随着智能时代的来临,传感器的重要性会进一步显现。
  
  先回答第一个问题,光纤传感器网络是通过传感器来收集信息并借由光纤把相关数据传输到数据中心,然后依托数据中心的数据处理系统对前端传感器采集的数据进行离线或实时处理,并依此执行后续工作,如监测或监控,如果传感器布置在输电线路上,则可以对输电线路的状态进行检测。对一个实际传感器网络,主要涉及到几个方面,一是前端的采集系统,二是中间传输部分,最后就是后端处理部分。传输部分,可能数字信号和模拟信号会并存,在数据处理终端需要有不同的处理方案。另外,传感器网络如何布网、组网,如何同现有网络融合,这个问题也非常值得关注。当下我们的研究重点还主要停留在传感器本身,组网由于涉及的因素相对较多,后边的工作正在陆续展开。
  
  关于第二个问题(构建一个功能完备的传感器网络对电网智能化有什么重要意义),功能完备的传感器网络涉及的方面较多,可能既涉及到光纤传感器网络,也涉及到无线传感器网络,甚至是二者的融合网络,正如前所述,二者各有优点。如果这个网络较为完备,那将极大地推进智能电网的发展。目前用于智能电网的光纤传感网络(这个我还是有些外行,但就我了解),主要可以分为两类,一类是用于沿线的监测,多采用分布式光纤传感网络;另一类是用于电网设备的监测,小型电气设备多采用单点传感(这个无线或光纤传感都是可以的),大型电器设备则采用分布式光纤传感网络。
  
  对国内电力系统而言,刚开始引入分布式光纤温度传感技术。举个例子,如果能对电力系统电缆、铁塔等设施的温度、压力进行实时监测,去年南方地区的雪灾就能够做到及时排险,减少国家经济损失。我们实验室长期致力于分布式光纤传感研究,使光、电、传感器传输三合一,实现实时在线测温测压,其测量精度达到世界先进水平,目前一套数据终端处理系统可以同时实时处理近千个传感头同时采集的数据。
  
  4、随着智能电网建设的不断推进,光纤到户部署的规模将不断扩大,网上光缆的数量急剧增加。在大规模、多用户单元的环境下,如何维护这些光缆是迫切需要解决的问题。您在光缆的监测和维护方面是否有经验或研究与我们分享?
  
  忻向军:在回答这个问题之前,先强调一下,我主要谈光缆中光纤断裂的维护。有必要简单区别一下光缆应用的基本情况。我们知道,光缆的应用场景主要两种,一种是应用在核心网中的长距离传输光缆,另外一种就是应用在无源光接入网PON(passive optical network)中的光缆。对核心网中的光缆,或者说是长距离光缆,当下的监测手段主要是利用OTDR(光时域反射仪)来检测,这种检测仪根据光遇阻即反射的原理来检测反射点,若某一线路出现问题,可以藉由光信号延时等变量来确定出现问题的位置,再由专业人士定点维修就可以了。对接入网而言,从OLT(光线路终端)到ONU(光网络单元)这一部分,也称为馈线部分的光缆,也可以采用OTDR的方法对光纤断裂部分进行定位并进行维修。从ONU到用户这一部分,也称为配线部分的光缆,考虑到成本问题,可能不采取维护而直接采用替换的方式。
  
  但是随着光接入网的升级(100G乃至1T的接入),一方面,无论是馈线还是配线部分的有效长度将大幅度延展,另外一个方面,分光比将向1:1000甚至更高的分光比逐步过渡,这就意味着在分光器处(splitter)会有1000根甚至更多的光纤。这一发展趋势对未来光纤接入网的光缆维护提出了新的挑战。一方面,配线部分的光缆可能是长距离的,对有断裂的配线如果再采用替换的方式,成本可能会大幅度增加,而采用修复可能更为可取。另外一方面,从网管的角度出发,希望断裂部分能自动被发觉,特别是在欧美等人力成本很高的发达国家,而非人力一一排查。我们知道,对断裂位置的确定,OTDR是很好的方法,但将OTDR用到如此庞大的PON,即把OTDR与PON集成,还面临重重困难。
  
  因为OLT端的OTDR很难分辨SPLITER(分光器)后面的诸多光纤目前这个“命题作文”已经被一些电信运营商关注,我们会尽自己最大的努力去攻关,力争为实现PON中全部光纤或光缆的断裂智能维护做些贡献。
  
  5、城市电力光纤到户试点工作正如火如荼的进行着,您认为,如果把电力光纤通信、无线通信等一系列相关技术推广到广大农村地区,建立起一套智能的农村电网体系的话,该如何推广部署?
  
  忻向军:电力光纤到户是个非常好的概念和架构。它的诉求是在接电的同时,把光纤直接入户,这将极大地改变广大农村地区上网难等现状,在还有农村缺电的我国就显得更加难能可贵。我们可以在铺设电力线路的同时,最大可能地实现光纤的接入,为以后的上网,甚至需求侧响应奠定基础。当然这是后话,这也从某一角度证明电力光纤到户的必要性。这项技术很有可能在未来形成“农村包围城市”的局面,为智能电网的全面开花夯实基础。
  
  我认为,国家电网公司在农村推进电力光纤到户时,要注重农村与城市之间的区别,在农网智能化的同时充分发挥光纤到户的技术优点和政策优势,尤其是在边远地区,大力推广电力光纤到户,一次性地完成成本投入,为以后智能电网在农村全面铺开奠定基础。
  

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