服務雄安·交通光電網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展論壇
——“交通7+1論壇”第五十一次會議

彭宏勤，張國伍

(1.北京交通大學 中國綜合交通研究中心,北京100044；2.中國交通運輸系統(tǒng)工程專業(yè)委員會,北京100044)

“交通7+1論壇”第五十一次會議于2018年6月30日下午在北京召開.參加會議的有論壇核心專家段里仁、石定寰、于景元、張國伍、毛保華、王江燕、郭繼孚，主題發(fā)言人苑寶義、徐征、呂安強，以及余祖俊、郭小碚、周偉、姚明德、李玉濤、榮朝和、趙堅、宋瑞、沈培鈞、高愛榮、高玉好、王國清等專家學者、政府部門決策者、企業(yè)界管理者共50余人.會議的主題為“服務雄安·交通光電網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展論壇”.會議由榮毅集團承辦，毛保華、郭繼孚、張國伍、王江燕主持.

苑寶義：榮毅集團主要從事光電網(wǎng)、光通信、智能交通、智慧城市等領域產(chǎn)品與設備的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售，是光電網(wǎng)一站式服務商.榮毅光電網(wǎng)獲得了第1個光電纜發(fā)明專利，制定了第1個光電網(wǎng)標準，通過產(chǎn)業(yè)+資本的發(fā)展模式推進光電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)和“一帶一路”國家的應用與發(fā)展.

光電網(wǎng)是同時、同路、同走向傳輸電能和信息的綜合能源信息網(wǎng).未來它將延伸到社會每一個角落，為廣大人民提供一個能源和信息資源平等共享的平臺.它就好比人體的血管和神經(jīng)，在傳遞能量的同時傳遞信息.

光電網(wǎng)具有三大優(yōu)勢：科技創(chuàng)新優(yōu)勢、產(chǎn)業(yè)平臺優(yōu)勢、人才資本優(yōu)勢.通過光電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)集成創(chuàng)新，可以帶動新能源與節(jié)能環(huán)保，推進信息化與先進制造，加強光電網(wǎng)智能城鎮(zhèn)化建設.“一纜傳輸，多網(wǎng)合一”光電網(wǎng)，是構成智能社會的基礎網(wǎng)絡.

光電網(wǎng)在融合創(chuàng)新方面，我們提出光電+新模式.光電網(wǎng)用于交通就是交通光電網(wǎng)，用于智慧社區(qū)就是社區(qū)光電網(wǎng)，用于城市就是城市光電網(wǎng)，用于小區(qū)就是小區(qū)光電網(wǎng)，用于企業(yè)就是智能企業(yè)光電網(wǎng).光電網(wǎng)具有多領域的應用，如智慧園區(qū)、智慧農(nóng)業(yè)、智慧能源、智慧社區(qū)等.實際上在社會各行各業(yè)都已得到了應用.

光電網(wǎng)在張涿高速已經(jīng)投入應用.高速公路有收費站、服務區(qū)、交通誘導系統(tǒng)、交通照明、ETC等多種設施設備.這些設施設備的正常運轉(zhuǎn)需要有能源和信息的傳輸.交通光電網(wǎng)的解決方案是在高速沿線建1 100 kv光電網(wǎng)變電站，50～100 km建1座電站，構成自己的交通光電網(wǎng)，為設施設備提供能源與信息傳輸通道.這樣既可提高系統(tǒng)安全性，還可在高速沿線服務區(qū)設置儲電站和提供充電樁，并能服務高速沿線周邊區(qū)域.

光電網(wǎng)在服務雄安和“一帶一路”也有很大的進展.在雄安新區(qū)未來的建設方面包括智慧城市建設，我們提出的一網(wǎng)共享制一定會取代多網(wǎng)分離制.

我們在光電網(wǎng)方面的研發(fā)和實踐，得到保定市政府與國家能源局的認可和支持.保定市政府發(fā)布了“關于推進光電網(wǎng)示范城市及產(chǎn)業(yè)基地建設的實施意見”.國家能源局認為：光電網(wǎng)作為一種新興產(chǎn)業(yè)，符合國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，對于加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構優(yōu)化升級、推動經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、助推“一帶一路”建設，具有重要意義；大力發(fā)展光電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，必將推動智慧城市、智能電網(wǎng)、智能交通、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展.

光電網(wǎng)可以共建共享，可以實現(xiàn)與政府、與各部門、與投資人、與企業(yè)、與百姓的共贏.光電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)有三大紅利，包括節(jié)能減排、網(wǎng)絡和智慧城市.

光電網(wǎng)可以多方合作，以創(chuàng)建光電網(wǎng)體系和產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)新推廣光電網(wǎng)，培養(yǎng)光電網(wǎng)人才.創(chuàng)建光電網(wǎng)體系的重點是在中國光電網(wǎng)聯(lián)盟的基礎上，推動國際光電網(wǎng)聯(lián)盟建設，推動制定國際光電網(wǎng)標準，占領國際光電網(wǎng)的制高點，爭奪國際光電網(wǎng)的話語權.

現(xiàn)在是大創(chuàng)新、大融合、大發(fā)展的時代，光電網(wǎng)屬于高質(zhì)量發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，政產(chǎn)學研用相結(jié)合，一定能在光電網(wǎng)新領域取得突破性的成果.

徐征：隨著新能源、可再生能源的快速發(fā)展，能源結(jié)構和能源種類增多，需要有一個平臺，將各種各樣的用戶和各種各樣的能源聯(lián)系到一起，能源互聯(lián)網(wǎng)應運而生.能源互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)、新能源和可再生能源技術融合的能源系統(tǒng).基于新能源和可再生能源技術特點，通過能源物理網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)融合平臺，進行能源相關產(chǎn)品和服務的多邊交易，實現(xiàn)整個能源系統(tǒng)效率的最優(yōu)化.

能源互聯(lián)網(wǎng)具有幾個特點：①能源來源廣泛且種類多樣；②能源來源地域分散；③不同能源之間需要互聯(lián)；④能源網(wǎng)絡需要共享；⑤新能源基礎建設要融入傳統(tǒng)電網(wǎng)；⑥具有很強的自愈功能；⑦具備系統(tǒng)運行的高效性；⑧響應環(huán)境友好的政策.

能源互聯(lián)網(wǎng)不同于智能電網(wǎng)，它不僅關注電力系統(tǒng)，也關注供熱、供冷、供氣、電氣化交通等綜合能源系統(tǒng)，以實現(xiàn)多種能源系統(tǒng)的開放互聯(lián).能源互聯(lián)網(wǎng)不同于互聯(lián)+“能源”.它不只是通過互聯(lián)網(wǎng)將能源信息聯(lián)系起來，而是強調(diào)所有能源的互聯(lián).

真正的能源互聯(lián)網(wǎng)是通過互聯(lián)網(wǎng)技術使可再生能源和各種能源結(jié)合到一起，使可再生能源成為主導能源.通過采用特高壓技術將全球的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接起來，實現(xiàn)全球可再生能源的共享，形成全球能源互聯(lián)網(wǎng).

能源互聯(lián)網(wǎng)布局的思路和原則主要有：低碳發(fā)展、本地優(yōu)先、經(jīng)濟高效和技術可行，既要統(tǒng)籌考慮集中式和分布式清潔能源開發(fā)的關系，又要考慮本地和長距離輸送的關系，還要考慮到各地電力的平衡.

在現(xiàn)有的能源交易體系中，供需信息的傳輸模式是直線式的，是相對靜態(tài)的.從發(fā)電到供電再到用電各端口信息缺乏有效的交流機制.由于電力是發(fā)、供、用同時完成，單向的信息傳遞容易導致供需信息不對稱，造成能源浪費或供應不足.

在能源互聯(lián)網(wǎng)沒有建成之前，從發(fā)電、供電到用電的體系存在著以下問題：發(fā)電端到輸配端、發(fā)電端到用電端、輸配端到用電端都存在著一些錯位問題.

電力需求是能源需求的重要組成部分.電力系統(tǒng)能源互聯(lián)網(wǎng)的主要架構包括智能發(fā)電、智能電網(wǎng)調(diào)度、智能儲能、智能用電、智能能源市場及智能管理和服務等.智能電網(wǎng)的核心技術是能源路由器，實現(xiàn)多路輸入多路輸出，實現(xiàn)各種能源負載的銜接.

能源互聯(lián)網(wǎng)的關鍵環(huán)節(jié)是：①可再生能源作為主要能源廉價供應，并合理聯(lián)網(wǎng)調(diào)度和利用；②要有支持超大規(guī)模分布式發(fā)電、儲能及其他能源終端的接入平臺；③有類似互聯(lián)網(wǎng)技術的能源共享實現(xiàn)方案；④有能源的移動互聯(lián)實現(xiàn)方案等.

我們現(xiàn)在已經(jīng)具備構筑能源互聯(lián)網(wǎng)條件，如特高壓技術、柔性直流技術、儲能技術、分布式發(fā)電系統(tǒng)的離網(wǎng)和并網(wǎng)技術都已非常成熟.各種大型的儲能電站陸續(xù)投入使用，太陽能分布式發(fā)電技術可實現(xiàn)就近發(fā)電、就近并網(wǎng)、就近轉(zhuǎn)換和就近使用.互動直流系統(tǒng)會是未來發(fā)展的主要方向.

交通設施和分布式能源相結(jié)合，會出現(xiàn)多種應用場景，如隧道入口處光伏棚可遮光兼照明發(fā)電、高速公路的探測設備可采用光伏供電、智慧城市多功能路燈桿將照明、監(jiān)控、通信和充電樁等功能集一身.

能源互聯(lián)網(wǎng)建設所帶來改變是多方面的，包括發(fā)電、輸配電、智能建筑、電動汽車、電力市場.電力市場包括各種電力的銷售，如購電和售電，甚至還包括碳排放的計算和交易.能源互聯(lián)網(wǎng)時代的電力交易中，像差異化定價，個性化定價都是可能的，甚至免費用電也是可能的.

行業(yè)金融系統(tǒng)建設對電力行業(yè)掌控價值鏈和現(xiàn)金流有著重要意義.

呂安強：我的報告題目是《分布式光纖傳感技術及其海底電纜狀態(tài)監(jiān)測應用》，主要介紹3方面內(nèi)容：分布式光纖傳感技術、海底電纜狀態(tài)監(jiān)測、前景和展望.

光纖纖芯是由二氧化硅制成，特點是絕緣、不受電磁波干擾、傳輸速度非?？?、傳輸容量非常大，在遠距離大容量通信傳輸方面有非常好的優(yōu)勢.到目前為止，光纖通信已經(jīng)比較成熟，且應用面比較廣，在我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中已大量存在.

光纖傳感和光纖通信不一樣，光纖通信是前向傳輸，光纖傳感是背向傳輸.光在傳輸過程中會有一些信號反射回來，利用反射回來的信號，能夠測量光纖沿線的一些物理量.如溫度、應變形變、微小的振動等都是可以測量的.

光纖中存在3種散射.最重要的瑞利散射是和傳輸信號頻率相同的信息.在光纖所用之處，包括電信運營商、電力系統(tǒng)的光纖通信等，可以使用設備測量光纖的衰減，檢測光纖是否折斷.瑞利散射信號已被廣泛使用.

布里淵散射對溫度和形變比較敏感.利用布里淵散射頻率的變化，可以在發(fā)射端測量光纖沿線的溫度和形變情況.在光纖鋪設好之后，光纖經(jīng)過之處的溫度、形變、振動等數(shù)據(jù)都可以獲得，所以光纖傳感技術非常有優(yōu)勢.

拉曼散射信號的強度與光纖溫度有直接的關系，可以通過拉曼散射信號測量光纖溫度.根據(jù)光纖溫度，可以在變電站或者監(jiān)測中心，對從變電站到用戶終端之間電纜上的溫度數(shù)據(jù)及隨著時間的變化情況，非常方便地檢測出來.

根據(jù)布里淵散射頻移與溫度、應變的線性關系，通過與溫度傳感器結(jié)合使用，可以在變電站監(jiān)控室對施工過程中電纜發(fā)生的變形發(fā)出報警，并快速定位電纜形變位置.

光纖瑞利散射干涉測量振動技術，除了可以測量衰減，還可以利用它的干涉原理來測量振動.布里淵形變針對的是比較大的形變.如道路挖掘施工，觸到電纜的表面，會產(chǎn)生大的形變.一旦出現(xiàn)這種情況，光纜就已經(jīng)快被破壞了，即使感知到，也已經(jīng)晚了.因振動傳感更為敏感，當施工車輛或施工機具一開始工作時，振動傳感設備就可感知入侵，能夠?qū)ξ⑿〉恼駝幼龀雠袛?，可以用于預警，防患于未然.

將3項技術融合起來，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、應變和振動3個物理量的測量.將光纖放到電纜里面，使電纜能夠感知一些物理量和周圍環(huán)境的變化，使電纜具有一定的智能.

光纖對這些物理量敏感，而且又可以實現(xiàn)長距離的測量，所以在電纜里面應用具有明顯的優(yōu)勢.對于已經(jīng)敷設的線纜，可以將光纜鋪到線纜表面.光電網(wǎng)將光纖放到線纜里面，就更方便了.光纖技術成熟，價格便宜，為產(chǎn)業(yè)化及應用提供了很好的條件.

海底電纜和陸用電纜基本相似.陸用電纜內(nèi)有導體，外有絕緣，不能漏電；外層是金屬固套，一是防水，二是保護.因金屬固套易銹蝕，需要外加塑料固套，以增強抗磨損性能.海纜要求更高，需在纜外加鎧裝，用鋼絲纏繞在外面起到保護的作用.海纜內(nèi)有通信用的光單元.

海纜主要是用于輸電.在福建、江浙、海南等島嶼比較多的地方，需要內(nèi)陸輸電至島嶼，海上風電廠需要輸電回內(nèi)陸，海上石油平臺也需要通過海纜輸供電.

通常，海底電纜同時具備電力輸送和光纖通信雙重功能，具有非常重要作用，并且成本很高，所以有監(jiān)測的必要.

海底電纜電壓比較高，一般是110～500 kv量級.常規(guī)電氣監(jiān)測方式，因電磁干擾比較嚴重，會出現(xiàn)測量精度低和誤判.光探測法如紅外熱成像、紫外成像等，只能應用于可視的有限范圍，不適合地下電纜、海底電纜狀態(tài)檢測.

針對海底電纜狀態(tài)監(jiān)測，我們主要進行了3項工作：一是搭建監(jiān)測系統(tǒng)，二是在系統(tǒng)基礎上進行力、熱、電特性提取，三是故障的診斷.2012年完成的福建省平潭縣海底電纜狀態(tài)監(jiān)測項目，從策劃到最后的運行差不多是3年的時間.項目獲得中國電力技術發(fā)明獎，并發(fā)表多篇高水平論文.

綜合監(jiān)測系統(tǒng)運用了分布式光纖傳感技術、船舶自動識別技術、遠距離視頻監(jiān)控技術和信息融合技術.技術思路是從力、熱和電3個角度獲取電纜工作狀態(tài).

實施步驟包括：

(1)理論分析.主要是通過數(shù)學公式，推導光纖檢測量與電纜應變的關系、與電纜纜體各部分溫度的關系.

(2)有限元建模仿真，采用有限元的理論與方法建立國際大電網(wǎng)會議所要求的立體模型，有正常運行的溫度模型、短路模型及漏電模型.

(3)實體試驗.

通過理論推導、有限元仿真再加上試驗，我們最終獲得了海底電纜狀態(tài)與光纖溫度、應變、振動之間的關系，包括正常運行負荷曲線和日周期負荷曲線、漏電溫度變化曲線、接地短路溫度變化曲線.通過觀察錨害后船舶經(jīng)過時振動的功率和頻率變化情況，最終確定了不同故障時各物理量分布規(guī)律.以此對故障類型及位置進行快速判斷和定位，并預警或報警.

分布式光纖傳感技術具有分布式、長距離、本正絕緣的特點，可以用在很多方面.凡是需要大面積測量，長距離測量或者是線性結(jié)構測量，都可以用.如輸電線路監(jiān)測、管道監(jiān)測、城市管廊監(jiān)測、路基監(jiān)測、橋梁監(jiān)測、大壩監(jiān)測都是可以使用的.

在交通方面，分布式光纖傳感技術可以用于4個場景：一是周界安防，對人員入侵或者有人進入，可以用振動傳感監(jiān)測；二是火災探測，用光纖溫度測量，可以探測火災；三是隧道的變形檢測，用布里淵散射監(jiān)測變形，拱形或者縱深都可以監(jiān)測；四是高速公路路基監(jiān)測，監(jiān)測斷裂或者塌方的趨勢.