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忻向軍:推進光纖通信技術 助力智能電網發展

編輯:太原斯菲特電子科技有限公司  字號:
摘要:忻向軍:推進光纖通信技術 助力智能電網發展
發展智能電網已日益成為國際共識,中國的智能電網建設也正在如火如荼地進行著。日前我國已建成先進可靠的電力專用光纖通信網絡,傳感器網絡的發展也與日俱進,兩者的融合將進一步促進以實時監測信號和高速處理數據為特征的智能電網的發展。

忻向軍教授作為北京郵電大學電子工程學院的副院長,光電子和光信息研究中心主任和博士生導師,同時還兼任中國通信學會、電子學會、光學學會高級會員,多年從事一線科研和教學工作,在光通信和光傳感器方面有著豐富經驗。今天我們有幸能請到忻教授就光纖通信的相關問題為我們答疑解惑。

1、堅強智能電網需要高可靠、高帶寬的通信網。而光纖通信具有帶寬高、抗干擾能力強、性價比優等其它通信技術無法比擬的優勢,已經成為智能電網通信網絡建設的首選。作為以信息通信為特色的院校,北京郵電大學在光纖通信技術應用于智能電網領域有何最新的研究進展?

忻向軍:這個問題可以從兩方面闡述。一方面是郵電大學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電網上的應用。

眾所周知,核心網和接入網是光通信的兩大部分,二者相互依存,相互促進,協調發展。目前,核心網中DWDM(密集波分復用)系統中單個光載波的速率為10G和40G的系統已經實現商運,下一步業界主推的是單載波100G的DWDM系統。值得一提的是40G的相關技術和市場已被中國牢牢占據了,基于這樣的考慮,國外的設備商都直接研制100G DWDM系統,且已經具備了商用可能。從這一角度看,國內目前在100GDWDM系統上可能有點滯后于國外發達國家的水平。慶幸的是國內無論從科研工作者,還是主流設備商及我們的政府部門,在這方面的危機感都很強,也在這個方向設置了很多課題,投入了相當的人財力,取得了一批成果。

就郵電大學而言,在光通信方面的研究成果主要表現在電信核心網領域和接入網領域。這方面的研究成果主要是指承擔國家科技部一些重大項目,攻克了一批關鍵技術、提出了相關標準,其中不少技術和標準都被國內運營商、甚至國際電信組織采納,在成果的應用方面取得了比較好的反響。接入網領域近期取得了幾乎同國際先進研究水平相當的科研成果,主要是為適應下一代光接入網的基于新型調制格式的PON體系架構及其中的一些關鍵技術與算法,這些成果對加速NG-PON2的布局(40G或100G)具有重要指導價值。

我本人也有一個國家863課題,目前也取得了一些成果。當然,這些成果的商業運營還需要聯合運營商、供應商等一起去推廣,但就學術層面而言,這些成果一定程度上推動了國內光纖通信技術的科研發展。接入網方面,當前商用的主要是GPON(Gigabit-Capable PON)和EPON(Ethernet Passive Optical Network),隨著接入網距離的延伸和帶寬需求的大幅度上升,GPON 和EPON也面臨著大幅度的擴容升級,這種升級有可能在實現機理上有實質性變化。升級后的這一接入網一般稱為下一代接入網 NGPON(next generation)。接入速率在10G之內的為NGPON1;10G、40G、100G、甚至達到T(Trillion byte 萬億字節)級別接入的一般稱為NGPON2?,F在郵電大學基于100G的研究取得了一些成果,Tbit接入的研究也已開始進行。

光通信的部分成果在智能電網上的應用:隨著2009年光纖復合電壓電纜的研制成功,在智能電網全面建設中,電力光纖到戶正在成為一種趨勢。目前,PON作為用電信息采集技術已經得到了認可,它不僅具有安全、可靠的特點,并且可以提供高達數十G的接入帶寬,能夠為電網企業未來開展更加豐富的寬帶業務創造條件。郵電大學光通信技術成果在智能電網中的應用還不太豐富,這也將是我們下一步工作的重點。我們會在保持電信領域優勢的基礎上,充分發揮郵電大學在接入網方面的優勢,積極推進智能電網相關技術的應用。

2、我們了解到,在信息通信中,光通信和無線通信這兩種方式各有優缺點,兩者的綜合運用或將是一個未來的發展趨勢,您能否談一談您對光通信和無線通信融合的看法?

忻向軍:光通信和無線通信的融合是未來的發展趨勢。我們都知道光纖的最大特點是穩定、高速、距離遠且不受干擾;而無線的最大特點是使用便捷、接入方式靈活,如何兼顧兩者的優點一直是技術人員研究的重點。這種需求隨著無線視頻通話等新業務而變得更加緊迫。伴隨著多媒體無線接入,P2P文件傳送等大容量需求上升,之前的容量已無法滿足新的需求。針對此種情況,運營商采取了一系列措施,如推出4G通信技術等等,但仍規避不了“無線載頻帶寬有限”的問題,這是根本的限制。另外,把無線載頻的頻率提高到40GHz或者60GHz,可以顯著增加無線接入的帶寬,但這一波段的無線載頻覆蓋范圍受限。因此光纖和無線的結合成為了一種必然:通過在小范圍采用高載頻的無線接入,再經由低成本的光纖接入有效擴展接入范圍,在規避了無線高載頻覆蓋弊端的同時,又發揮了無線靈巧的優勢,一舉兩得。

這種融合系統已經在我們實驗室研制成功了演示系統。我們通過此系統可以輕松利用無線接入欣賞藍光DVD,即用60GHz的無線去帶藍光DVD的比特流,再經由光纖鋪設到任何目的地,無線接入的速率可以達到每秒Gbit,速率非常高。這種技術可以應用到智能電網上,將來也可以用來實時監控輸配電網絡的相關信息,甚至是高速傳輸所有電網線路的實時監測視頻。

3、我們了解到,與光通信網相比,光傳感網絡可以利用傳感器實現大范圍的多點、多參量的監測。您能否為我們介紹一下多個傳感器是如何利用現有的光纖局域網技術組成傳感器網絡的?構建一個功能完備的傳感器網絡對電網智能化有什么重要意義?

忻向軍:這個問題非常重要,這不僅涉及到智能電網以后的組網方式,而且也是“電網方面的物聯網”得以實現的重要基礎之一。就這項技術本身而言,也是非常重要的,因為它跟現實生活聯系太密切了,尤其是伴隨著智能時代的來臨,傳感器的重要性會進一步顯現。

先回答第一個問題,光纖傳感器網絡是通過傳感器來收集信息并借由光纖把相關數據傳輸到數據中心,然后依托數據中心的數據處理系統對前端傳感器采集的數據進行離線或實時處理,并依此執行后續工作,如監測或監控,如果傳感器布置在輸電線路上,則可以對輸電線路的狀態進行檢測。對一個實際傳感器網絡,主要涉及到幾個方面,一是前端的采集系統,二是中間傳輸部分,最后就是后端處理部分。傳輸部分,可能數字信號和模擬信號會并存,在數據處理終端需要有不同的處理方案。另外,傳感器網絡如何布網、組網,如何同現有網絡融合,這個問題也非常值得關注。當下我們的研究重點還主要停留在傳感器本身,組網由于涉及的因素相對較多,后邊的工作正在陸續展開。

關于第二個問題(構建一個功能完備的傳感器網絡對電網智能化有什么重要意義),功能完備的傳感器網絡涉及的方面較多,可能既涉及到光纖傳感器網絡,也涉及到無線傳感器網絡,甚至是二者的融合網絡,正如前所述,二者各有優點。如果這個網絡較為完備,那將極大地推進智能電網的發展。目前用于智能電網的光纖傳感網絡(這個我還是有些外行,但就我了解),主要可以分為兩類,一類是用于沿線的監測,多采用分布式光纖傳感網絡;另一類是用于電網設備的監測,小型電氣設備多采用單點傳感(這個無線或光纖傳感都是可以的),大型電器設備則采用分布式光纖傳感網絡。

對國內電力系統而言,剛開始引入分布式光纖溫度傳感技術。舉個例子,如果能對電力系統電纜、鐵塔等設施的溫度、壓力進行實時監測,去年南方地區的雪災就能夠做到及時排險,減少國家經濟損失。我們實驗室長期致力于分布式光纖傳感研究,使光、電、傳感器傳輸三合一,實現實時在線測溫測壓,其測量精度達到世界先進水平,目前一套數據終端處理系統可以同時實時處理近千個傳感頭同時采集的數據。

4、隨著智能電網建設的不斷推進,光纖到戶部署的規模將不斷擴大,網上光纜的數量急劇增加。在大規模、多用戶單元的環境下,如何維護這些光纜是迫切需要解決的問題。您在光纜的監測和維護方面是否有經驗或研究與我們分享?

忻向軍:在回答這個問題之前,先強調一下,我主要談光纜中光纖斷裂的維護。有必要簡單區別一下光纜應用的基本情況。我們知道,光纜的應用場景主要兩種,一種是應用在核心網中的長距離傳輸光纜,另外一種就是應用在無源光接入網PON(passive optical network)中的光纜。對核心網中的光纜,或者說是長距離光纜,當下的監測手段主要是利用OTDR(光時域反射儀)來檢測,這種檢測儀根據光遇阻即反射的原理來檢測反射點,若某一線路出現問題,可以藉由光信號延時等變量來確定出現問題的位置,再由專業人士定點維修就可以了。對接入網而言,從OLT(光線路終端)到ONU(光網絡單元)這一部分,也稱為饋線部分的光纜,也可以采用OTDR的方法對光纖斷裂部分進行定位并進行維修。從ONU到用戶這一部分,也稱為配線部分的光纜,考慮到成本問題,可能不采取維護而直接采用替換的方式。

但是隨著光接入網的升級(100G乃至1T的接入),一方面,無論是饋線還是配線部分的有效長度將大幅度延展,另外一個方面,分光比將向1:1000甚至更高的分光比逐步過渡,這就意味著在分光器處(splitter)會有1000根甚至更多的光纖。這一發展趨勢對未來光纖接入網的光纜維護提出了新的挑戰。一方面,配線部分的光纜可能是長距離的,對有斷裂的配線如果再采用替換的方式,成本可能會大幅度增加,而采用修復可能更為可取。另外一方面,從網管的角度出發,希望斷裂部分能自動被發覺,特別是在歐美等人力成本很高的發達國家,而非人力一一排查。我們知道,對斷裂位置的確定,OTDR是很好的方法,但將OTDR用到如此龐大的PON,即把OTDR與PON集成,還面臨重重困難。

因為OLT端的OTDR很難分辨SPLITER(分光器)后面的諸多光纖目前這個“命題作文”已經被一些電信運營商關注,我們會盡自己最大的努力去攻關,力爭為實現PON中全部光纖或光纜的斷裂智能維護做些貢獻。

5、城市電力光纖到戶試點工作正如火如荼的進行著,您認為,如果把電力光纖通信、無線通信等一系列相關技術推廣到廣大農村地區,建立起一套智能的農村電網體系的話,該如何推廣部署?

忻向軍:電力光纖到戶是個非常好的概念和架構。它的訴求是在接電的同時,把光纖直接入戶,這將極大地改變廣大農村地區上網難等現狀,在還有農村缺電的我國就顯得更加難能可貴。我們可以在鋪設電力線路的同時,最大可能地實現光纖的接入,為以后的上網,甚至需求側響應奠定基礎。當然這是后話,這也從某一角度證明電力光纖到戶的必要性。這項技術很有可能在未來形成“農村包圍城市”的局面,為智能電網的全面開花夯實基礎。

我認為,國家電網公司在農村推進電力光纖到戶時,要注重農村與城市之間的區別,在農網智能化的同時充分發揮光纖到戶的技術優點和政策優勢,尤其是在邊遠地區,大力推廣電力光纖到戶,一次性地完成成本投入,為以后智能電網在農村全面鋪開奠定基礎。

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