Среди основных тем, привлекавших внимание специалистов по электроэнергетике весной 2021 г., было развитие беспроводных технологий «Интернета вещей» (IoT). И дело не только в том, что празднование Международного дня IoT традиционно приходится на 9 апреля. Прошло уже больше года после начала пандемии COVID-19, мировые экономики постепенно оправляются от шока и настало время думать о развитии. Естественно, на новой, высокотехнологичной основе, с применением IoT, главным образом, в беспроводном варианте.
Применительно к электроэнергетике, создание «умных сетей» требует использования беспроводных IoT-технологий, базирующихся на сетях сотовой связи. Благодаря этому обеспечивается связь на расстояния в в десятки и даже сотни километров. Например, можно оперативно получать информацию с датчиков, установленных на линии электропередач и оперативно переключиться на резервную схему энергоснабжения при возникновении неполадок.
Как правило, речь идет о стандартах, выработанных сообществом 3GPP, главным образом, NB-IoT и LTE-M. Следует отметить, что услуги связи в обоих стандартах могут предоставляться как на базе существующей инфраструктуры сотовой связи, так и отдельно существующими сетями, специально созданными для такого рода применений.
NB-IoT и LTE-M используют те же принципы, что и сети мобильной связи 4G. Но при этом максимальная скорость передачи данных значительно ниже — до 159 кбит/с для NB-IoT и до 7 Мбит/с для LTE-M. Благодаря такой особенности устройства данных стандартов отличаются пониженным энергопотреблением, что обусловлено, в том числе, особым построением временных циклов передачи данных в стандартах. Например, передатчик в системе NB-IoT активируется сигналом, полученным от сети, что обеспечивает возможность работы датчика до 10 лет от одной батареи. По данным исследования GSA (Международная ассоциация поставщиков услуг мобильной связи), опубликованным в апреле 2021 г., по 136 операторов мобильной связи в 64 странах мира оказывают услуги NB-IoT и LTE-M.
Помимо более высокой скорости передачи, LTE-M превосходит NB-IoT с точки зрения быстроты реакции системы. Например, задержка в передаче сигнала LTE-M категории M1 составляет не более 15 миллисекунд, когда в NB-IoT она может достигать 10 секунд, т. е. на три порядка больше. Естественно, этот параметр критичен, когда речь идет об управлении системами защиты в электроэнергетике.
Технология NB-IoT уже широко применяется в России для съема данных с «умных» счетчиков электроэнергии, соответствующую услугу оказывают операторы мобильной связи из «большой тройки». Сети LTE-M в России на момент написания данной статьи находились пока в стадии опытной эксплуатации.
Ставка на LTE-M
Первым стандартом мобильной связи, изначально разработанным с учетом «Интернета вещей», стал 5G. Но повсеместное развертывание сетей этого стандарта требует больших начальных вложений (т. к. они несовместимы с уже имеющейся инфраструктурой), найти на это деньги сейчас проблематично, а проводить цифровизацию промышленности и энергетики нужно уже сейчас.
Стандарт LTE-M, созданный еще в 2016 г., изначально рассматривался как переходный вариант. Но теперь понятно, что ставку во внедрении «Интернета вещей» пока придется делать на него, потому что спрос на цифровизацию значительно обгоняет развитие сетей 5G. Весной этого года интерес к LTE-M резко вырос.
Знаковым событием стало открытие в апреле компанией EMnify (Германия) международного роуминга LTE-M. То есть устройства «Интернета вещей», зарегистрированные в сети мобильной связи одной страны, могут полноценно работать и некоторых в других странах. Роуминг предоставляется в 44 странах мира, к сожалению, России среди них пока нет.
Месяцем ранее о запуске LTE-M роуминга объявил Deutche Telecom — крупнейший телекоммуникационный оператор Германии. Речь шла о роуминге в 10 странах. Но есть одна тонкость — в основном роуминг обеспечивается в дочерних структурах Deutche Telecom, расположенных в странах Евросоюза. По сути, это — внутрисетевой роуминг. А «настоящий» роуминг ведущий немецкий оператор обеспечил только с AT&T в США и DoCoMo в Японии.
Другое направление, которое недавно стало интенсивно развиваться — создание сетей LTE-M в диапазоне 450 МГц, ранее использовавшемся аналоговым стандартом NMT, ныне уже практически вышедшим из употребления. Поскольку данный диапазон для коммерческой телефонной связи сейчас не используется, речь может идти о создании специализированных сетей только для «Интернета вещей».
Применение диапазона 450 МГц особенно актуально для электроэнергетики. Во-первых, в данном диапазоне одна базовая станция может иметь радиус действия до 20 км. Это важно для объектов, расположенных в труднодоступных местах. Во-вторых, радиоволны данного диапазона без проблем распространяются в условиях плотной застройки современных городов.
В апреле 2021 г. известный производитель микроэлектроники — компания Sierra Wireless (Канада) — представила встраиваемый модуль HL7845 для реализации NB-IoT и LTE-M в диапазоне 450 МГц. Основное применение данного коммуникационного модуля — передача информации об измерении потребляемой электрической мощности для систем с гибкой тарификацией потребляемой электроэнергии.
Дания — страна, в которой более 50 % электроэнергии вырабатывается ветряками. Естественно, это требует использования «умных» распределительных сетей. Для таких сетей, а также некоторых других критически важных элементов инфраструктуры датский оператор Cibicom при помощи Nokia построит сеть LTE-M, работающую в диапазоне 450 МГц. Старт проекта был дан в марте 2021 г., но основные работы по созданию сети связи, как ожидается, начнутся в июне, когда полностью завершится процесс оформления лицензии на диапазон 450 МГц. Планируется 98 % охват территории страны связью в указанном стандарте.
Стандарт 5G делают «ближе к народу»?
Для того, чтобы «подстегнуть» использование стандарта 5G в качестве основы для IoT, Федеральная комиссия по связи США пошла в марте 2021 г. на неожиданный шаг. На время пандемии COVID-19 в США разрешено использовать для 5G диапазоны 2,5 ГГц и 600 МГц. Не очень понятно, что повлияло на данное решение — всеобщая обеспокоенность переходом на более высокие частоты при внедрении 5G (и влияние данного фактора на здоровье) или же стремление снизить вложения? Аппаратура на 2,5 ГГц, и тем более 600 МГц, стоит значительно дешевле, чем на 3,5 ГГц, но инвесторов не привлекает временный статус этих диапазонов. В любом случае, данные диапазоны будут применяться только для «Интернета вещей», преимущественно в промышленности и энергетике, так как в мобильных телефонах и других бытовых приложениях более удобным представляется использование диапазона 3,5 ГГц.
Тем временем, ученые установили, что сети 5G могут использоваться не только для связи, но и для передачи электроэнергии на значительные расстояния. Это позволит создавать датчики с поддержкой «Интернета вещей», не требующие батарей питания. Технология была разработана группой специалистов из Института электроники и нанотехнологий штата Джорджия (США). Расчеты показывают, что на расстоянии 180 м от вышки сотовой связи может быть получена мощность 5 мкВт. Для передачи предлагается использовать диапазон 28 ГГц. Тем не менее, о дистанционном питании миниатюрных, «вживляемых под кожу чипов» из интернет-страшилок, говорить, конечно, не приходится. Для приема даже такой крошечной мощности требуется антенна размером с кредитную карту. Впрочем, на практике опыты пока ограничились передачей энергии всего на 70 см.
Датчики с питанием от системы беспроводной связи уже применяются в электроэнергетике, но, во-первых, они являются проприетарными (т. е. привязанными к решениям определенного производителя) и, во-вторых, работают только внутри шкафа с оборудованием. Применение датчиков с поддержкой питания через 5G позволит размещать такого рода беспроводные датчики на высоковольтных фидерах и мощных трансформаторах. Но, естественно, должны быть проведены самые тщательные исследования безопасности таких систем для здоровья персонала и жителей районов, прилегающих к подстанции.
Технологии для помещений
Тем временем, в мире систем «умного дома» этой весной происходили бурные события, стиравшие грани между IoT и традиционными протоколами управления освещением и другим оборудованием.
В начале мая альянс DiiA объявил о создании спецификации DALI+. В рамках этого стандарта привычная система команд управления освещением DALI может передаваться по IP-сетям, как проводным, так и беспроводным. Таким образом, возможно использование стандартных пультов управления и драйверов светильников с поддержкой DALI, но информация между ними будет передаваться через «Интернет вещей», причем техническая реализация IoT значения иметь не будет.
Альянс ZigBee пошел еще дальше и тогда же, в начале мая 2021 г., сменил название на CSA. Это не просто переименование — теперь основным делом CSA станет развитие нового телекоммуникационного стандарта Matter, основанного на принципах IoT. Данный стандарт может базироваться на самых разных технологиях беспроводной передачи данных. О дальнейшей судьбе оригинального стандарта ZigBee пока ничего не сообщается.
На фоне этого началось активное развитие беспроводной технологии передачи информации Thread, созданной еще в 2014 г., но долгое время «стоявшей на запасном пути» в ожидании своего часа. И спецификация DALI+ и Matter рассчитаны в первую очередь на работу с Thread. До начала мая 2021 г. реальных применений для Thead не было, стандарт воспринимался просто как интересная разработка. Для данного стандарта в США и странах Евросоюза выделен диапазон 2,4 ГГц, в России статус этой технологии пока не определен. Преимуществами Thread является открытость стандарта, полная прозрачность для любых типов данных (он не привязан к чему-либо на уровне приложений), надежность, а также информационная безопасность. Пока сложно определить, какую долю рынка возьмут себе системы, основанные на Thread, но уже сам по себе факт усиления конкуренции на рынке будет способствовать дальнейшему развитию «Интернета вещей» и снижению цен на оборудование.
Автор: Алексей Васильев. Фото взяты из открытых источников
