С целью беспрепятственной работы в условиях действующего на территории Томской области режима повышенной готовности и ограничений по перемещению граждан необходимо:

1) до начала осуществления деятельности направить уведомление через сайт: работа.томск.рф
2) безусловное обеспечение санитарно-противоэпидемических (профилактических) мероприятий, указанных в письме Роспотребнадзора от 07.04.2020 № 02/6338-2020-15.

Обратите внимание, только те компании которые, направили уведомления на сайт: работа.томск.рф могут беспрепятственно работать в условиях действующего на территории Томской области режима повышенной готовности и ограничений по перемещению граждан.

В целях определения компаний контрагентов, которые могут беспрепятственно и непрерывно действовать для нужд энергетики Томской области, просим заполнить форму по ссылке: https://forms.yandex.ru/u/5e9429f543cf03442c1c8a36/ сразу после регистрации на сайте работа.томск.рф.

Обращаем Ваше внимание, что с 01.10.2020 года подача заявок на технологическое присоединение к электрическим сетям будет организована с использованием онлайн сервисов (Портал-ТП.РФ, для мобильных устройств приложение «Россети- Личный кабинет»).

Россети Томск (ПАО «ТРК») рекомендует своим клиентам воздержаться от посещения пунктов обслуживания и воспользоваться онлайн-сервисами обслуживания клиентов (Портал-ТП.РФ, для мобильных устройств приложение «Россети- Личный кабинет», телефон 8-800-234-38-22).

Предложение компании продиктовано целями защиты клиентов от вирусных инфекций, профилактики заболеваний и соблюдения советов Роспотребнадзора РФ, который настоятельно рекомендует населению воздержаться от посещения общественных мест.

Получайте необходимые услуги в режиме онлайн и будьте здоровы!

Подайте заявку на присоединение к электросетям Не выходя из дома

Введение в сети связи для распределения электроэнергии

Введение

В этой главе будут представлены основы сетевой коммуникации и дано более подробное описание типичных приложений, относящихся к электроустановкам.

Сеть — это группа из устройств , подключенных для обмена данными. Подключение и совместное использование обычно обозначается как связь . Устройства могут быть компонентами непосредственно в электрической сети, такими как автоматические выключатели, датчики, связанные с приложением, инфраструктура сети связи, такая как коммутаторы Ethernet или контроллеры, автоматизирующие систему i.е .. Компьютеры или ПЛК.

Функции устройства можно разделить на следующие категории:

1. Датчик — измеренные данные «только для чтения». Пример: дискретные входы, аналоговые сигналы 4-20 мА, сигналы преобразователя.

2. Привод — изменение состояния процесса или системы с помощью некоторого механизма управления. Пример: размыкание / замыкание автоматического выключателя, контактор, реле, дискретный выход, переменная частота.

3. Инфраструктура — поддержка и управление сетью.Пример: маршрутизатор, коммутатор, медиаконвертер, преобразователь протокола, регистратор данных.

4. Контроллер — Логика или решение. Пример: аварийные сигналы, программный код / ​​приложения.

В электрических установках многие устройства могут выполнять множество функций. Например, современные электронные автоматические выключатели могут измерять цепь, дистанционно управлять, сигнализировать по определенной логике и регистрировать свои собственные данные, а также для других устройств. С другой стороны, простые одноцелевые датчики могут иметь только способность измерять и обмениваться данными.

«Техническая сеть» — это общий термин для описания инфраструктуры связи для конкретных технических приложений, например, автоматизации зданий, промышленных сетей и автоматизации энергосистем. Эта терминология предназначена для отличия от обычных сетей в зданиях, соединяющих офисные компьютеры, принтеры, телефоны и т. Д.

Технический дизайн сети — это приложение, предназначенное для управления в реальном времени и обеспечения целостности данных в суровых условиях на крупных объектах. Это достигается за счет правильного выбора ключевых атрибутов сети, включая, помимо прочего, протоколы, носители и топологию.В большинстве случаев эти 3 атрибута являются взаимозависимыми, что означает, что конкретный протокол может требовать определенного носителя и допускать только ограниченные варианты топологии, например, протокол Zigbee основан на беспроводном носителе и, как правило, на топологии ячеистой сети.

Протоколы

Протокол связи — это система правил, которые позволяют устройствам в сети передавать информацию. Протоколы имеют четко определенные форматы, во многих случаях формальные технические стандарты.

Коммуникационные протоколы — обширная и сложная тема, поскольку многие аспекты могут быть объединены вместе.Что касается электромонтажа, мы можем упростить рассмотрение и рассмотреть протоколы в 2 категориях: язык и услуги. Протоколы, определяющие свойства сообщения и способ его передачи, можно рассматривать как язык, например Modbus, Profibus, DeviceNet.

Другие протоколы, которые могут предоставлять дополнительные значения для сети, такие как синхронизация времени устройства, передача файлов, избыточность, электронная почта и т. Д., Могут рассматриваться как службы в сети, например SNTP, FTP, RSTP, SMTP.Самое главное, что при совместимости несколько протоколов могут быть объединены в несколько уровней, что позволяет сети использовать несколько языков и несколько протоколов обслуживания.

Industrial Ethernet — это особенно интересная и постоянно растущая категория протоколов связи. Это использование Ethernet в промышленной среде с протоколами, обеспечивающими детерминизм и контроль в реальном времени. Некоторые примеры протоколов для Industrial Ethernet включают EtherNet / IP, PROFINET и Modbus / TCP. Промышленный Ethernet также может относиться к использованию стандартных протоколов Ethernet с прочными разъемами и расширенными переключателями температуры в промышленной среде для автоматизации или управления технологическими процессами.Компоненты, используемые в производственных зонах предприятия, должны быть спроектированы для работы в суровых условиях с экстремальными температурами, влажностью и вибрацией, которые превышают диапазоны для оборудования информационных технологий, предназначенного для установки в контролируемых средах.

Преимущества

• Повышенная скорость, до 1 Гбит / с
• Увеличена дальность
• Возможность использования стандартных точек доступа, маршрутизаторов, коммутаторов и кабелей
• Одноранговые архитектуры могут заменить ведущие и ведомые.
• Лучшая совместимость

Недостатки

• Миграция существующих систем на новый протокол
• Использование в реальном времени может пострадать для протоколов, использующих TCP
• Минимальный размер кадра Ethernet составляет 64 байта, в то время как размер типичных данных промышленной связи может быть ближе к 1–8 байтам.Эти накладные расходы протокола влияют на эффективность передачи данных.

Медиа

Существует широкий спектр решений для коммуникационных сред, которые определяются применением и опытом, а также зависят от протоколов и требований топологии.

Проводной

Проводной носитель определяет любое физическое соединение между устройствами в сети. Проводная среда включает в себя свойства кабеля, а также разъемы оконечных устройств и любую необходимую инфраструктуру.

Кабели с одной витой парой обычно используются в последовательной связи, обычно используются для полевой шины, соединяют многие устройства и датчики, задействованные в здании или процессе, расположенном «в полевых условиях».Этот тип решения обеспечивает простую относительно недорогую прокладку кабелей на большие расстояния, однако объем данных и скорость связи относительно невелики.

В отличие от этого, в кабелях Ethernet используются 4 витые пары, обеспечивающие параллельную связь. Решения на основе Ethernet исторически предназначались для соединений между сетями и на более высоких уровнях системы управления, где требовалось больше данных, присутствия и скорости.

В последнее время с развитием протоколов и средств массовой информации, обеспечивающих промышленный Ethernet, становится все более распространенным применение кабельных решений на основе Ethernet на нижних и нижних уровнях системы управления, особенно в области полевой шины, непосредственно к полевым устройствам и полевым датчикам.

Оптоволоконный кабель обычно используется в приложениях Ethernet. Волоконно-оптический кабель — это стекловолокно. Он несет световые импульсы, которые представляют данные. Некоторыми преимуществами перед металлическими проводами являются очень низкие потери при передаче и невосприимчивость к электрическим помехам. Оптические волокна могут использоваться для длинных кабелей с очень высокой скоростью передачи данных.

Беспроводная связь

Беспроводные сети включают в себя широкий спектр решений по размеру и применению, от спутниковой сотовой связи 4G / 5G, локального Wi-Fi до прямой видимости, такой как Bluetooth.Эти сети можно определить по размеру, применению, технологии и применению, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Типы

Беспроводные персональные сети (WPAN) соединяют устройства на относительно небольшой территории, которая обычно находится в пределах досягаемости человека. Bluetooth является примером.

Локальные сети часто используются для подключения к локальным ресурсам и Интернету. Беспроводная локальная сеть (WLAN) связывает два или более устройств на небольшом расстоянии с помощью метода беспроводного распределения, обычно обеспечивая соединение через точку доступа.

Ячеистая сеть — это беспроводная одноранговая сеть, состоящая из радиоузлов, организованных в ячеистой топологии. Каждый узел пересылает сообщения от имени других узлов, и каждый узел выполняет маршрутизацию. Специальные сети могут «самовосстановиться», автоматически перенаправляя маршрут вокруг узла, который потерял питание.

Сотовая сеть или мобильная сеть — это радиосеть, распределенная по наземным территориям, называемым сотами, каждая из которых обслуживается, по крайней мере, одним приемопередатчиком фиксированного местоположения, известным как сотовая станция или базовая станция.

Характеристики

Каждый стандарт различается по географическому диапазону, что делает один стандарт более идеальным, чем следующий, в зависимости от того, чего он пытается достичь с помощью беспроводной сети.Производительность беспроводных сетей удовлетворяет самые разные приложения. Поскольку беспроводные сети стали обычным явлением, сложность увеличивается за счет конфигурации сетевого оборудования и программного обеспечения, и достигается большая способность отправлять и получать большие объемы данных и быстрее.

Беспроводные сети предлагают множество преимуществ, когда речь идет о труднодоступных для подключения областях, пытающихся установить связь, но они физически разделены, но работают как единое целое. Беспроводные сети позволяют пользователям определять определенное пространство, в котором сеть сможет связываться с другими устройствами через эту сеть.

По сравнению с проводными системами беспроводные сети часто подвержены электромагнитным помехам. Это может быть вызвано другими сетями или другим типом оборудования, которое генерирует радиоволны, которые находятся в пределах или близко к радиодиапазонам, используемым для связи. Помехи могут ухудшить сигнал или вызвать сбой системы.

Некоторые материалы вызывают поглощение электромагнитных волн, препятствуя их достижению приемником, в других случаях, особенно в случае металлических или проводящих материалов, происходит отражение.Это может вызвать мертвые зоны, где нет приема.

Беспроводной спектр является ограниченным ресурсом и используется всеми узлами в диапазоне его передатчиков. Распределение полосы пропускания становится сложным с несколькими участвующими пользователями.

Топология сети

Топология сети — это расположение различных устройств в сети, структура сети, которая может быть изображена физически или логически. Физическая топология — это размещение различных компонентов сети, включая расположение устройств и прокладку кабелей, в то время как логическая топология показывает, как данные передаются в сети, независимо от ее физического дизайна.Расстояния между узлами, физические соединения, скорости передачи или типы сигналов могут различаться в двух сетях, но их топологии могут быть идентичными.

Схема кабельной разводки, используемая для соединения устройств, представляет собой физическую топологию сети. Это относится к разводке кабелей, расположению узлов и взаимосвязям между узлами и кабелями. Физическая топология сети определяется возможностями сетевых устройств и носителей, желаемым уровнем контроля или отказоустойчивости, а также стоимостью, связанной с прокладкой кабелей или телекоммуникационными цепями.

Логическая топология — это способ воздействия сигналов на сетевой носитель или способ передачи данных по сети от одного устройства к другому без учета физического соединения этих устройств. Логическая топология сети не обязательно совпадает с ее физической топологией.

Топология гирляндной цепи

Топология гирляндной цепи определяется простым последовательным подключением каждого устройства к следующему. Если сообщение предназначено для устройства, находящегося на полпути к линии, каждая система пересылает его по очереди, пока оно не достигнет пункта назначения.За исключением звездообразных сетей, самый простой способ добавить в сеть больше компьютеров — это гирляндное соединение.

Гирляндная сеть может иметь две основные формы: линейную и кольцевую. Линейная топология устанавливает двустороннюю связь между одним устройством и другим. Для каждого устройства требуется 2 аппаратных соединения или порта, что может быть дорогостоящим. Соединяя устройства на каждом конце, можно сформировать кольцевую топологию .

Кольцевая топология

A Кольцевая топология — это шинная топология в замкнутом контуре.Данные перемещаются по кольцу в одном направлении. Когда один узел отправляет данные другому, данные проходят через каждый промежуточный узел в кольце, пока не достигнут пункта назначения. Промежуточные узлы повторяют данные, чтобы сигнал оставался сильным. Каждый узел является одноранговым узлом; нет иерархической взаимосвязи клиентов и серверов. Если один узел не может повторно передать данные, он разрывает связь между узлами до и после него на шине. Производительность кольцевой топологии масштабируется лучше, чем топология шины.Однако один минус заключается в том, что совокупная пропускная способность сети ограничена самым слабым звеном.

Топология шины

Топология шины определяется, когда каждый узел подключается к одному кабелю с помощью интерфейсных разъемов. Этот центральный кабель является основой сети и известен как шина. Сигнал от источника проходит в обоих направлениях ко всем машинам, подключенным к кабелю шины, пока не найдет предполагаемого получателя. Если адрес машины не совпадает с адресом, предназначенным для данных, машина игнорирует данные.В качестве альтернативы, если данные соответствуют машинному адресу, данные принимаются. Поскольку топология шины состоит только из одного кабеля, ее реализация довольно недорогая по сравнению с другими топологиями. Однако низкая стоимость внедрения технологии компенсируется высокой стоимостью управления сетью. Кроме того, поскольку используется только один кабель, он может стать единственной точкой отказа.

сетка топологии

В ячеистой топологии каждый узел передает данные для сети.Все узлы сетки взаимодействуют при распределении данных в сети. Ячеистые сети могут ретранслировать сообщения, используя либо метод лавинной рассылки, либо метод маршрутизации.

При маршрутизации сообщение распространяется по пути, скачкообразно переходя от узла к узлу, пока не достигнет места назначения. Чтобы гарантировать, что все ее пути доступны, сеть должна обеспечивать непрерывные соединения и должна переконфигурироваться вокруг сломанных путей. Самовосстановление позволяет сети на основе маршрутизации работать, когда узел выходит из строя или когда соединение становится ненадежным.Сеть, как правило, довольно надежна, поскольку между источником и пунктом назначения в сети часто бывает несколько путей. Хотя эта концепция в основном используется в беспроводных сетях, она также может применяться к проводным сетям и взаимодействию с программным обеспечением.

Ячеистая сеть, все узлы которой подключены друг к другу, является полностью связанной сетью. Полностью подключенные проводные сети обладают преимуществами безопасности и надежности: проблемы в кабеле затрагивают только два подключенных к нему узла. Однако в таких сетях количество кабелей и, следовательно, стоимость быстро растет по мере увеличения количества узлов.

звездообразная топология

В звездообразной топологии каждый сетевой хост подключен к центральному концентратору (маршрутизатору, коммутатору) с двухточечным соединением. Весь трафик, проходящий через сеть, проходит через центральный концентратор. Концентратор действует как ретранслятор сигнала. Топология звезды считается самой простой в разработке и реализации. Преимущество звездообразной топологии — простота добавления дополнительных узлов. Основным недостатком звездообразной топологии является то, что концентратор представляет собой единую точку отказа.Поскольку все периферийные коммуникации должны проходить через центральный концентратор, совокупная центральная полоса пропускания образует узкое место в сети для больших кластеров.

Топология дерева

Древовидная топология (или топология «звезда-шина») — это гибридная топология, в которой сети «звезда» соединены между собой через шинные сети. Гибридные сети объединяют две или более топологии таким образом, что результирующая сеть не демонстрирует одну из стандартных топологий.

Обзор управления

Автоматизация — это использование различных систем управления для рабочего оборудования, такого как машины, процессы на заводах, насосы, HVAC, освещение с минимальным или уменьшенным вмешательством человека, при этом некоторые процессы были полностью автоматизированы.

Практика автоматизации и управления возникла в отраслях с очень важными и непрерывными процессами, однако сверхурочная работа со многими технологическими разработками, аналогичные, но масштабируемые решения распространены в небольших, более простых и менее важных приложениях, где существует рентабельность инвестиций, например, некритичные коммерческие здания и жилые умные дома.

Общие фундаментальные строительные блоки системы автоматизации:

Программируемый логический контроллер (ПЛК) — это промышленный цифровой компьютер, который был защищен и адаптирован для управления производственными процессами, такими как сборочные линии или роботизированные устройства, или любой другой деятельности, требующей высокой надежности управления и простоты программирования. и диагностика неисправностей процесса.

могут быть самыми разными: от небольших устройств типа «кирпичик» с десятками входов и выходов (I / O) в корпусе, интегрированном с процессором, до больших модульных устройств, монтируемых в стойку, с количеством входов / выходов до нескольких тысяч, и которые часто подключаются к другим системам PLC и SCADA.

ПЛК, основанные на цифровых компьютерах, были разработаны с несколькими ключевыми атрибутами.

• строгий экологический контроль температуры, чистоты и качества электроэнергии
• поддерживает дискретный (битовый) ввод и вывод легко расширяемым образом,
• не требует многолетнего обучения для использования, а
• позволяет контролировать его работу.

Поскольку многие промышленные процессы имеют временные рамки, которые легко решить с помощью времени отклика в миллисекундах, современная (быстрая, компактная, надежная) электроника значительно облегчает создание надежных контроллеров, а производительность может быть снижена в ущерб надежности.

Распределенная система управления (DCS) — это компьютеризированная система управления любым процессом, в которой автономные контроллеры распределены по всей системе, но есть централизованный операторский контроль. Это контрастирует с нераспределенными системами управления, в которых используются централизованные контроллеры; либо дискретные контроллеры, расположенные в центральной диспетчерской, либо в центральном компьютере.Концепция DCS повышает надежность и снижает затраты на установку за счет локализации функций управления рядом с процессом, но позволяет осуществлять удаленный мониторинг и диспетчерское управление процессом.

Распределенные системы управления впервые появились в крупных, дорогостоящих, критически важных для безопасности отраслях обрабатывающей промышленности и были привлекательными, поскольку производитель DCS поставлял как локальный уровень управления, так и центральное диспетчерское оборудование в виде интегрированного пакета, тем самым снижая риск интеграции проекта. Сегодня функциональность систем SCADA и DCS очень схожа, но DCS, как правило, используется на крупных предприятиях непрерывного производства, где важны высокая надежность и безопасность, а диспетчерская не является географически удаленной.

Ключевым атрибутом DCS является ее надежность из-за распределения обработки управления по узлам в системе. Это снижает риск отказа одного процессора. Если процессор выходит из строя, это повлияет только на одну часть производственного процесса, в отличие от отказа центрального компьютера, который повлияет на весь процесс. Такое распределение вычислительной мощности, локальное для полевых стоек полевого ввода / вывода (I / O), также обеспечивает быстрое время обработки контроллера за счет устранения возможных задержек сетевой и центральной обработки.

Диспетчерский контроль и сбор данных (SCADA) — это архитектура системы управления, которая использует компьютеры, сетевую передачу данных и графические пользовательские интерфейсы для высокоуровневого диспетчерского управления процессами, но использует такие устройства, как ПЛК, для взаимодействия с нижележащим устройством или машиной . Интерфейсы оператора, которые обеспечивают мониторинг и выдачу команд процесса, таких как изменение уставки контроллера, обрабатываются через компьютерную систему диспетчерского управления SCADA.Однако логика управления в реальном времени или расчеты контроллера выполняются сетевыми модулями, которые подключаются к полевым датчикам и исполнительным механизмам.

Концепция SCADA была разработана как универсальное средство удаленного доступа к множеству локальных модулей управления, которые могут быть от разных производителей, обеспечивая доступ через стандартные протоколы автоматизации. На практике большие системы SCADA выросли и стали очень похожи на распределенные системы управления по функциям, но с использованием нескольких средств взаимодействия с предприятием.Они могут управлять крупномасштабными процессами, которые могут включать несколько сайтов, и работать на больших расстояниях.

Приложения для строительства

Автоматизация зданий — это автоматическое управление системами отопления, вентиляции и кондиционирования, освещения и другими системами здания с помощью системы управления зданием или системы автоматизации здания (BAS). Целями автоматизации зданий являются повышение комфорта пассажиров, эффективная работа систем здания, снижение энергопотребления и эксплуатационных расходов, а также улучшение жизненного цикла коммунальных служб.

Автоматизация зданий является примером распределенной системы управления — компьютерной сети электронных устройств, предназначенных для мониторинга и управления механическими, охранными, противопожарными и противопожарными системами, освещением (особенно аварийным освещением), системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также системами контроля влажности и вентиляции в помещении. строительство.

Система управления зданием (BMS) или система автоматизации здания (BAS) — это компьютерная система управления, установленная в зданиях, которая контролирует и контролирует механическое и электрическое оборудование здания, такое как вентиляция, освещение, системы питания, пожарные системы, и системы безопасности.

Системы управления зданием чаще всего внедряются в крупных проектах с обширными механическими, HVAC и электрическими системами. Системы, подключенные к BMS, обычно составляют 40% энергии, потребляемой зданием; при включенном освещении это число приближается к 70%. Системы BMS являются важным компонентом управления спросом на энергию.

Протоколы связи, наиболее часто используемые в строительных приложениях, подробно описаны ниже.

BACnet

BACnet — протокол связи для сети автоматизации и управления зданиями, использующий стандартные протоколы ASHRAE, ANSI и ISO 16484-5.

Протокол BACnet определяет ряд служб, которые используются для связи между устройствами здания. Сервисы протокола включают Who-Is, I-Am, Who-Has, I-Have, которые используются для обнаружения устройств и объектов. Такие службы, как Read-Property и Write-Property, используются для обмена данными. Согласно ANSI / ASHRAE 135-2016 протокол BACnet определяет 59 типов объектов, на которые действуют службы. Протокол BACnet определяет несколько уровней канала передачи данных / физических уровней, включая BACnet / IP.

C-автобус (Clipsal)

C-Bus (Clipsal) — это протокол связи для домашней автоматизации и автоматизации зданий, который может обрабатывать кабели длиной до 1000 метров с использованием кабеля Cat-5.

Он используется в Австралии, Новой Зеландии, Азии, на Ближнем Востоке, в России, США, Южной Африке, Великобритании и других частях Европы, включая Грецию и Румынию. C-Bus была создана австралийским подразделением Clipsal Integrated System компании Clipsal (ныне является частью Schneider Electric) для использования с ее торговой маркой систем домашней автоматизации и управления освещением зданий.C-Bus некоторое время был доступен в Соединенных Штатах, но Schneider Electric теперь прекратил продажи в Соединенных Штатах. C-Bus используется в системах домашней автоматизации, а также в системах управления освещением коммерческих зданий. В отличие от более распространенного протокола X10, который использует сигнал, подаваемый на линию питания переменного тока, C-Bus использует специальный низковольтный кабель или двустороннюю беспроводную сеть для передачи командных и управляющих сигналов. Это повышает надежность передачи команд и делает C-Bus гораздо более подходящим для крупных коммерческих приложений, чем X10.

Цифровой адресный интерфейс освещения (DALI)

Цифровой адресный интерфейс освещения (DALI) — торговая марка сетевых систем, управляющих освещением при автоматизации зданий.

Базовая технология была создана консорциумом производителей осветительного оборудования в качестве преемника систем управления освещением 0–10 В и в качестве открытой стандартной альтернативы интерфейсу цифровых сигналов (DSI), на котором она основана.

DALI соответствует техническим стандартам IEC 62386 и IEC 60929.

EnOcean

EnOcean : беспроводная технология сбора энергии, используемая в основном в системах автоматизации зданий, а также в других приложениях в промышленности, транспорте, логистике и умных домах.

Модули, основанные на технологии EnOcean, сочетают в себе микропреобразователи энергии с электроникой сверхнизкого энергопотребления и обеспечивают беспроводную связь между беспроводными датчиками, переключателями, контроллерами и шлюзами без батарей.

Радиосигналы от этих датчиков и переключателей могут передаваться по беспроводной сети на расстояние до 300 метров на открытом воздухе и до 30 метров внутри зданий.

KNX

KNX — Общий протокол для дома и строительства в Европе и Китае. Поддерживает носители (витая пара, радиочастота, линия электропередачи или IP / Ethernet), они могут обмениваться информацией.

Шинные устройства могут быть датчиками или исполнительными механизмами, необходимыми для управления оборудованием управления зданием, таким как: освещение, жалюзи / ставни, системы безопасности, управление энергопотреблением, системы отопления, вентиляции и кондиционирования, системы сигнализации и мониторинга, интерфейсы для обслуживания. и системы управления зданием, дистанционное управление, учет, аудио / видео контроль, бытовая техника и т. д.

Все эти функции могут контролироваться, контролироваться и сигнализироваться через единую систему без необходимости в дополнительных центрах управления.

LonWorks

LonWorks (локальная операционная сеть) — сетевая платформа, специально созданная для удовлетворения потребностей управляющих приложений. Платформа построена на протоколе, созданном Echelon Corporation для сетевых устройств через такие носители, как витая пара, линии электропередач, оптоволокно и RF.

Он используется для автоматизации различных функций в зданиях, таких как освещение и HVAC.

Modbus

Modbus — это протокол последовательной связи, первоначально опубликованный компанией Modicon (ныне Schneider Electric) в 1979 году для использования с ее программируемыми логическими контроллерами (ПЛК). Простой и надежный, с тех пор он стал де-факто стандартным протоколом связи и теперь является общедоступным средством подключения промышленных электронных устройств.

Основными причинами использования Modbus в промышленной среде являются:

• разработан для промышленного применения
• открыто публикуется и не требует лицензионных отчислений
• прост в развертывании и обслуживании
• перемещает необработанные биты или слова, не накладывая множества ограничений на поставщиков.

Modbus обеспечивает связь между многими устройствами, подключенными к одной сети, например, системой, которая измеряет температуру и влажность и передает результаты на компьютер.Modbus часто используется для соединения диспетчерского компьютера с удаленным терминалом (RTU) в системах диспетчерского управления и сбора данных (SCADA). Многие типы данных названы из-за их использования в управляющих реле: однобитовый физический выход называется катушкой, а однобитовый физический вход называется дискретным входом или контактом.

Общие вариации:

• Modbus RTU — используется в последовательной связи и использует компактное двоичное представление данных для связи по протоколу.Modbus RTU — наиболее распространенная реализация, доступная для Modbus.
• Modbus TCP / IP или Modbus TCP — это вариант Modbus, используемый для связи по сетям TCP / IP с подключением через порт 502.
• Modbus через TCP / IP или Modbus через TCP или Modbus RTU / IP — это вариант Modbus, который отличается от Modbus TCP тем, что контрольная сумма включена в полезную нагрузку, как и в случае Modbus RTU.

oBIX (для открытого обмена информацией о зданиях)

oBIX (для открытого обмена информацией о здании) — это стандарт интерфейсов на основе веб-служб RESTful для систем управления зданием.oBIX предназначен для чтения и записи данных через сеть устройств в рамках, специально разработанных для автоматизации зданий.

К системам управления зданием относятся те электрические и механические системы, которые работают внутри здания, в том числе системы обогрева и охлаждения (HVAC), системы безопасности, управления питанием и аварийно-спасательные системы, которые есть почти во всех зданиях.

oBIX — это интерфейс веб-служб, поскольку он не обязательно обеспечивает глубокое взаимодействие с базовыми системами управления.Этот интерфейс может обеспечивать связь между корпоративными приложениями и встроенными системами здания, а также между двумя встроенными системами здания. Объекты и их операции должны управляться как полноправные участники интеллектуального бизнеса.

Zigbee

Zigbee — это недорогой, маломощный стандарт беспроводной ячеистой сети, ориентированный на широкое развитие устройств с длительным сроком службы батарей в приложениях беспроводного управления и мониторинга. Устройства Zigbee имеют низкую задержку, что еще больше снижает средний ток.Сетевой уровень zigbee изначально поддерживает как звездообразные, так и древовидные сети, а также общие ячеистые сети. Каждая сеть должна иметь одно устройство-координатор, которому поручено его создание, контроль его параметров и базовое обслуживание. В звездообразных сетях координатор должен быть центральным узлом. И деревья, и сетки позволяют использовать маршрутизаторы zigbee для расширения связи на сетевом уровне. Zigbee обеспечивает возможность работы в течение многих лет от недорогих батарей для множества приложений для мониторинга и управления.Безопасность связи — одна из сильных сторон Zigbee.

Промышленное применение

Промышленная система управления — это общий термин, который охватывает несколько типов систем управления и связанных с ними контрольно-измерительных приборов, используемых в технологиях промышленного производства, включая системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), распределенные системы управления (DCS) и другие конфигурации систем управления меньшего размера. такие как программируемые логические контроллеры (ПЛК), которые часто используются в промышленных секторах и критических инфраструктурах.

Промышленные системы управления обычно используются в таких отраслях, как электроэнергетика, водоснабжение, нефть, газ и обработка данных.

На основе данных, полученных от удаленных станций, автоматизированные или управляемые оператором команды наблюдения могут быть переданы на устройства управления удаленной станцией, которые часто называют полевыми устройствами. Полевые устройства управляют локальными операциями, такими как открытие и закрытие клапанов и выключателей, сбор данных от сенсорных систем и мониторинг локальной среды на предмет аварийных условий.

Наиболее распространенные протоколы, используемые в промышленных приложениях, перечислены ниже.

Интерфейс AS (интерфейс датчика привода, AS-i) — это промышленное сетевое решение, предназначенное для подключения простых полевых вводов / выводов в дискретных производственных и технологических приложениях с помощью одного двухжильного кабеля. AS-Interface — это «открытая» технология, поддерживаемая множеством поставщиков оборудования для автоматизации. AS-интерфейс — это сетевая альтернатива жесткому подключению полевых устройств.Его можно использовать в качестве партнерской сети для сетей fieldbus более высокого уровня, например, Profibus, DeviceNet, Interbus и Industrial Ethernet, недорогого решения удаленного ввода / вывода.

DeviceNet — реализация CIP, первоначально разработанная Allen-Bradley

EtherNet / IP — это промышленный сетевой протокол, который адаптирует общий промышленный протокол к стандартному Ethernet. EtherNet / IP является одним из ведущих промышленных протоколов в США и широко используется в различных отраслях промышленности, включая заводские, гибридные и технологические.EtherNet / IP использует оба наиболее широко распространенных набора стандартов Ethernet — набор протоколов Интернета и проект IEEE 802. CIP использует свой объектно-ориентированный дизайн для предоставления EtherNet / IP сервисов и профилей устройств, необходимых для приложений управления в реальном времени, и для содействия последовательной реализации функций автоматизации в разнообразной экосистеме продуктов.

Modbus RTU или TCP

Profibus , сегодня используются два варианта PROFIBUS; наиболее часто используемый PROFIBUS DP и реже используемый, зависящий от приложения, PROFIBUS PA:

PROFIBUS DP (децентрализованные периферийные устройства) используется для управления датчиками и исполнительными механизмами через централизованный контроллер в приложениях производственной (заводской) автоматизации.

PROFIBUS PA (автоматизация процессов) используется для мониторинга измерительного оборудования через систему управления процессами в приложениях автоматизации процессов. PA использует тот же протокол, что и DP, и может быть подключен к сети DP с помощью устройства сопряжения. Гораздо более быстрый DP действует как магистральная сеть для передачи сигналов процесса на контроллер. Это означает, что DP и PA могут работать вместе, особенно в гибридных приложениях, где сети автоматизации процессов и фабрики работают бок о бок.

PROFINET IO — это промышленный технический стандарт для передачи данных через Industrial Ethernet, разработанный для сбора данных и управления оборудованием в промышленных системах, с возможностью доставки данных в условиях жестких временных ограничений (порядка 1 мс или меньше. )

Автоматика энергосистемы

Автоматизация энергосистемы включает процессы для мониторинга, управления и защиты физических систем, которые генерируют, передают и распределяют энергию. Мониторинг и управление системами подачи энергии на подстанции и на опоре сокращают количество отключений и сокращают продолжительность сбоев, которые действительно происходят.Интеллектуальные электронные устройства (IED), протоколы связи и методы связи работают вместе как система для автоматизации энергосистемы.

Наиболее распространенные протоколы, используемые в автоматизации энергосистемы, перечислены ниже.

DNP3 (протокол распределенной сети) — это набор протоколов связи, используемых между компонентами в системах автоматизации процессов. В основном он используется в коммунальных службах, таких как электрические и водные компании. Он был разработан для связи между различными типами оборудования для сбора данных и управления.Он играет решающую роль в системах SCADA, где используется мастер-станциями SCADA (также известными как центры управления), удаленными оконечными устройствами (RTU) и интеллектуальными электронными устройствами (IED). Он в основном используется для связи между главной станцией и RTU или IED. ICCP, протокол связи между центрами управления (часть IEC 60870-6), используется для связи между ведущими станциями. Конкурирующие стандарты включают старый протокол Modbus и новый протокол IEC 61850.

IEC 61850 — это стандарт для независимой от производителя разработки конфигурации интеллектуальных электронных устройств для систем автоматизации электрических подстанций, позволяющих обмениваться данными друг с другом.Абстрактные модели данных, определенные в МЭК 61850, могут быть отображены на несколько протоколов. Текущие сопоставления в стандарте: MMS (спецификация производственного сообщения), GOOSE (стандартное объектно-ориентированное событие подстанции), SMV (выборочные измеренные значения и веб-службы. Эти протоколы могут работать в сетях TCP / IP или локальных сетях подстанций с использованием высокоскоростного коммутируемого Ethernet для получить необходимое время отклика менее четырех миллисекунд для защитной ретрансляции.Функции IEC 61850 включают: моделирование данных, создание отчетов, быструю передачу событий, группы настроек, передачу выборочных данных, команды, хранение данных

Open Automated Demand Response (OpenADR) — это исследование и разработка стандартов для управления энергопотреблением, проводимая исследовательскими лабораториями и компаниями Северной Америки.Типичное использование — отправка информации и сигналов для отключения устройств, потребляющих электроэнергию, в периоды высокого спроса. Автоматизированное реагирование на спрос состоит из полностью автоматизированной передачи сигналов от коммунального предприятия, ISO / RTO или другого соответствующего объекта для обеспечения автоматического подключения к системам и стратегиям контроля конечного использования клиентов. OpenADR обеспечивает основу для интероперабельного обмена информацией для облегчения автоматического реагирования на запросы.

Применение счетчика

Автоматическое считывание показаний счетчика (AMR) — это технология автоматического сбора данных о потреблении, диагностике и состоянии со счетчиков воды или приборов учета энергии (газовых, электрических) и передачи этих данных в центральную базу данных для выставления счетов, устранения неполадок и анализа.

Наиболее распространенные протоколы, используемые в измерительных приложениях, перечислены ниже.

ANSI C12.18 и C12.21 — это стандарт ANSI, который описывает протокол, используемый для двусторонней связи со счетчиком, в основном используемый на рынках Северной Америки. Стандарт C12.18 написан специально для связи счетчиков через оптический порт ANSI типа 2 и определяет детали протокола нижнего уровня. ANSI C12.19 определяет таблицы данных, которые будут использоваться. ANSI C12.21 является расширением C12.18 написан для модема, а не для оптической связи, поэтому он лучше подходит для автоматического считывания показаний счетчика.

IEC 61107 — это протокол связи для интеллектуальных счетчиков, опубликованный МЭК, который широко используется для счетчиков коммунальных услуг в Европейском Союзе. Он заменен IEC 62056, но остается широко используемым, потому что он прост и хорошо принят.

M-Bus (Meter-Bus) — это европейский стандарт удаленного считывания показаний счетчиков газа или электроэнергии и других типов счетчиков потребления.Интерфейс M-Bus предназначен для двухпроводной связи, что делает его очень экономичным. Радиоверсия M-Bus (Wireless M-Bus) также определена в стандарте EN 13757-4.

Дополнительные темы

Протоколы резервирования

Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) — это сетевой протокол, который создает логическую топологию без петель для сетей Ethernet. Связующее дерево позволяет проектировать сеть для включения резервных (избыточных) каналов для обеспечения автоматических резервных путей в случае сбоя активного канала.RSTP создает связующее дерево в сети связанных мостов уровня 2 и отключает те ссылки, которые не являются частью связующего дерева, оставляя один активный путь между любыми двумя узлами сети. RSTP обычно может реагировать на изменения в течение нескольких миллисекунд после отказа физического соединения.

Протокол резервирования носителей (MRP) позволяет кольцам коммутаторов Ethernet преодолевать любой единичный отказ со временем восстановления намного быстрее, чем это достигается с помощью протокола Spanning Tree.Во время нормальной работы один из портов кольца диспетчера заблокирован, а другой выполняет пересылку. И наоборот, оба кольцевых порта всех клиентов пересылаются. В случае отказа линка, соединяющего двух Клиентов, пересылаются оба кольцевых порта Менеджера; Клиенты, находящиеся рядом с местом сбоя, имеют заблокированный и перенаправляющий кольцевой порт; у других клиентов есть переадресация обоих кольцевых портов.

Протокол параллельного резервирования (PRP) — это стандарт сетевого протокола для Ethernet, который обеспечивает плавное переключение при отказе любого сетевого компонента.PRP и HSR (бесшовное резервирование с высокой доступностью) подходят для приложений, требующих высокой доступности и короткого времени переключения, таких как: защита электрических подстанций или инверторы высокой мощности, где время восстановления часто используемых протоколов, таких как Rapid Spanning Tree Протокол (RSTP) слишком длинный.

Каждое сетевое устройство PRP имеет два порта Ethernet, подключенных к двум отдельным сетям. Устройство отправляет одновременно две копии сообщения, по одной на каждый порт. Два сообщения проходят через соответствующие сети, пока не достигнут конечного устройства с определенной разницей во времени.Устройство назначения принимает первый кадр пары и отбрасывает второй (если он поступает). Следовательно, если одна локальная сеть работает, целевое приложение всегда получает один кадр. PRP обеспечивает восстановление с нулевым временем и позволяет непрерывно проверять избыточность для обнаружения скрытых отказов.

«Сервисные» протоколы

FTP (протокол передачи файлов) — это стандартный сетевой протокол, используемый для передачи компьютерных файлов между клиентом и сервером в компьютерной сети.FTP построен на архитектуре модели клиент-сервер и использует отдельные соединения для управления и передачи данных между клиентом и сервером. Пользователи FTP могут аутентифицироваться с помощью протокола входа в систему с открытым текстом, обычно в форме имени пользователя и пароля, но могут подключаться анонимно, если сервер настроен на это.

SMTP (простой протокол передачи почты) — это Интернет-стандарт для передачи электронной почты (электронной почты). Впервые он был определен в RFC 821 в 1982 году, последний раз он был обновлен в 2008 году с добавлением расширенного SMTP в RFC 5321, который является широко распространенным сегодня протоколом.

Хотя серверы электронной почты и другие агенты передачи почты используют SMTP для отправки и получения почтовых сообщений, клиентские почтовые приложения на уровне пользователя обычно используют SMTP только для отправки сообщений на почтовый сервер для ретрансляции.

SNMP (простой протокол управления сетью) — это стандартный протокол Интернета для сбора и организации информации об управляемых устройствах в IP-сетях и для изменения этой информации с целью изменения поведения устройства. Устройства, которые обычно поддерживают SNMP, включают кабельные модемы, маршрутизаторы, коммутаторы, серверы, рабочие станции, принтеры и многое другое.

SNMP широко используется в управлении сетью для мониторинга сети. SNMP предоставляет данные управления в форме переменных в управляемых системах, организованных в базе управляющей информации (MIB), которые описывают состояние и конфигурацию системы. Затем эти переменные могут быть запрошены удаленно (и, в некоторых случаях, ими можно манипулировать), управляя приложениями.

SNTP (простой сетевой протокол времени) Менее сложная реализация NTP, сетевого протокола для синхронизации часов между компьютерными системами, сетей передачи данных с переменной задержкой, он используется в некоторых встроенных устройствах и в приложениях, где нет высокой точности синхронизации. требуется.

Прочие важные термины

Последовательная связь — это процесс посылки данных по одному биту за раз, последовательно, по каналу связи. В отличие от параллельной связи, при которой несколько битов передаются целиком, по каналу с несколькими параллельными каналами. Последовательная связь используется для всей дальней связи, где стоимость кабеля и трудности с синхронизацией делают параллельную связь непрактичной.

RS-485 — это стандарт, определяющий электрические характеристики драйверов и приемников для использования в системах последовательной связи.Сети цифровой связи, реализующие этот стандарт, могут эффективно использоваться на больших расстояниях и в электрически зашумленной среде. К такой сети можно подключить несколько приемников в линейной многоточечной конфигурации. Эти характеристики делают такие сети полезными в промышленных средах и аналогичных приложениях.

RS-485 поддерживает недорогие локальные сети и многоточечные каналы связи. Принято считать, что RS-485 может использоваться со скоростью передачи данных до 10 Мбит / с и на расстояниях до 1200 м (4000 футов), но не одновременно.Рекомендуемая топология — линия или шина.

RS-485 определяет только электрические характеристики генератора и приемника. Он не определяет и не рекомендует какой-либо протокол связи, только физический уровень. Другие стандарты определяют протоколы связи по каналу RS-485.

Главный / подчиненный — это модель связи, в которой одно устройство или процесс имеет однонаправленный контроль над одним или несколькими другими устройствами. В некоторых системах ведущее устройство выбирается из группы подходящих устройств, а другие устройства выступают в роли ведомых устройств.

Fieldbus — это название семейства промышленных компьютерных сетевых протоколов, используемых для распределенного управления в реальном времени, стандартизированных как IEC 61158 . Fieldbus — это промышленная сетевая система для распределенного управления в реальном времени. Это способ подключения инструментов на заводе-изготовителе. Fieldbus работает с сетевой структурой, которая обычно допускает топологии сети с последовательной цепью, звездой, кольцом, ветвью и деревом. Fieldbus является эквивалентом существующих соединений типа LAN, которые требуют только одной точки связи на уровне контроллера и позволяют одновременно подключать несколько (сотни) аналоговых и цифровых точек.Это уменьшает как длину требуемого кабеля, так и количество необходимых кабелей.

Physical Network — обзор

6.2 Формулировка проблемы

Физическая сеть моделируется как неориентированный граф Gp = VpEp, где V _p — это набор физических узлов, пронумерованных {1, 2,…, | V _p |} и E _p — это набор физических связей ei, jp, i, j∈Vp с мощностью | E _p |.Аналогичным образом виртуальная топология моделируется как неориентированный граф Gv = VvEv, в котором V _v является подмножеством V _p , а E _v представляет собой набор виртуальных ссылок, представляющих световые дорожки на физической топологии.

В физической топологии e _{i , j} ^p находится в E _p , если существует связь между узлами i и j .С другой стороны, виртуальная топология имеет набор ребер (световых путей) E _v , где ребро e _{i , j} ^v существует в E _v , если оба узла s и d находятся в V _v , и между ними есть световой путь. На рис. 6.1a и b представлены физическая и виртуальная топология соответственно.

Рисунок 6.1. Наглядное отображение живучести и непоколебимости виртуальной топологии для простой 6-узловой сети.(а) Физическая топология. (б) Виртуальная топология. (c) СВТМ. (d) Невосприимчивое отображение виртуальной топологии. Сплошные стрелки на (c) и (d) представляют виртуальные ссылки, отображенные на физическую топологию.

Нет SVTM, защищающего сеть от отказов всех компонентов; следовательно, нам необходимо определить, какой тип отказа может выдержать наша сеть, например, отказы одного канала, отказ узла, отказы нескольких каналов и т. д. В нашем анализе рассматривается отказ одного канала, который является одним из наиболее распространенных в оптических сетях (Mukherjee, 2006; Grover, 2004), а также менее сложен для анализа.

Чтобы проиллюстрировать проблему SVTM, рассмотрим физическую топологию (сеть WDM), представленную на рисунке 6.1a. На рисунке 6.1b представлена ​​виртуальная топология с виртуальными каналами e _1,2 ^v , e _2,5 ^v , e _5,6 ^v , e _4,6 ^v , e _3,4 ^v и e _1,3 ^v , которые на самом деле представляют собой ligthpaths (IP-ссылки), которые необходимо сопоставить с WDM сеть.Обычно физическая оптоволоконная линия используется более чем по одному световому тракту. Следовательно, единичный отказ физического канала может отключить более одного IP-канала в виртуальной топологии. Для достижения уровня восстановления IP виртуальная топология должна оставаться подключенной после сбоя. На рисунке 6.1c представлена ​​SVTM при отказе одного канала. Обратите внимание, что сбой одного канала отключает не более одного виртуального канала виртуальной топологии, поэтому оставшиеся виртуальные каналы остаются подключенными, достигая уровня восстановления IP.Для небольших сетей относительно легко получить устойчивые сопоставления. Однако по мере увеличения сложности сети возрастает и сложность их определения. Чтобы показать, как будет выглядеть непреодолимое отображение, на рисунке 6.1d мы проложили световой путь e _5,6 ^v через физические каналы e _4,5 ^p и e _4,6 ^п. . Видно, что сбой в физическом канале e _4,6 ^p отключает виртуальные каналы e _5,6 ^v и e _4,6 ^v из виртуальная топология (пунктирные линии на рисунке 6.1b), оставляя виртуальный узел 6 изолированным в виртуальной топологии, что ясно указывает на то, что отображение не является живым.

Световые пути могут быть нанесены на карту с учетом различных метрик наряду с требованиями живучести картографирования, такими как сокращение длин волн для соединения световых путей или количества линий связи ( NWLs ). Основываясь на формулировках ILP, ранее сделанных в Modiano and Narula-Tam (2002), мы решили уменьшить NWL , потому что эта метрика дает лучшее представление об использовании ресурсов в сети.Основное влияние уменьшения NWL на задержки и ухудшение передачи сигнала; это также помогает снизить потери ресурсов сети.

Линия длины волны определяется как физическая линия, по которой световой путь проходит в виртуальной топологии. NWL определяется как

(6.1) NWL = ∑lps, d∀s ≠ d∈Vv,

, где lp _{s, d} — длина пути в количестве переходов, соединяющих узлы ( s , d ) в виртуальной топологии.Чтобы проиллюстрировать NWL , на рис. 6.1c и d каждая сплошная стрелка представляет виртуальный канал, сопоставленный с физической топологией. Фактически, каждое виртуальное соединение — это маршрут, который соединяет пару узлов в физической топологии. У каждого маршрута есть стоимость, связанная с его длиной в зависимости от количества переходов. На рисунке 6.1c количество переходов всех отображаемых виртуальных каналов равно 7 (т.е. NWL = 7). Обратите внимание на рисунки 6.1c и d, что единственное различие между ними — это то, что показано на рисунке 6.1d виртуальный канал e _5,6 ^v был отображен через физические каналы e _4,5 ^p и e _4,6 ^p , в результате Непрерывное отображение с NWL = 8 (т. е. длина маршрутов в количестве переходов равна 8), что является худшим решением по обеим метрикам (живучесть и NWL ).

Топологические свойства самосборной электрической сети с помощью расчетов ab initio

Физическая модель

Рассмотрим случай i = 1, 2,…, N электрически проводящих сфер радиуса R .Поскольку экспериментально измеренный ток был довольно низким ²¹ , взаимодействия проводников можно моделировать, используя только электростатику. В пустых областях между проводниками электрический потенциал определяется уравнением Лапласа

в приближении с соответствующими граничными условиями.

Полный заряд на проводнике i связан с потенциалом через

Здесь интеграл берется по поверхности S _i проводника i и является вектором нормали к поверхности элемента поверхности да _и .Диэлектрическая проницаемость среды ε .

Заряды проводника считаются граничными условиями для уравнения. 1, за исключением дополнительного проводника i = 0, заземляющий электрод, который удерживается в фиксированном положении с нулевым электрическим потенциалом. Когда два или более проводника находятся в электрическом контакте, они образуют новый проводник с зарядом, равным сумме всех контактирующих проводников. Если проводник контактирует с заземляющим электродом, он также будет иметь нулевой электрический потенциал.

Решение уравнения. 1 с этими граничными условиями позволяет рассчитать электрическую силу на проводнике i ^th в качестве другого интеграла поверхности формы

Этого достаточно, чтобы записать динамику системы:

где м _i , γ _i — масса и коэффициент лобового сопротивления проводника и соответственно. Член источника заряда J _s был добавлен для учета заряда, подаваемого в систему внешними средствами. F (r _i — r _j ) — сила контакта между проводником i и j . В этой работе мы принимаем силу контакта между двумя сферическими объектами равной r _i — r _j <2 R и F (r _i — r _j ) = 0 в противном случае ²² .

Сетевой анализ

Мы вычислили положения N проводников в системе как функцию времени для девяти значений N между N = 100 и N = 324.Эти числа были выбраны для сравнения с предыдущими экспериментами ^11,12 . Сравнение между установившимся состоянием, созданным экспериментальной системой, и состоянием, созданным численным решением модели после t = 120 s , можно увидеть на рис. 1. Это время было выбрано таким образом, чтобы система достигла приблизительно устойчивое состояние во всех случаях.

Слева: экспериментальное установившееся состояние для N = 512. Справа: численно рассчитанное состояние после t = 120 с для N = 289.

Из набора положений проводников, полученных из численного решения уравнений движения, уравнение. 4 был построен граф узлов N , который представляет электрическую сеть в данный момент времени t , в котором каждый узел соответствует одному проводнику. Для анализа два проводника i, j считаются электрически соединенными в момент времени t if

Это критерий соединения, использованный в экспериментальной работе ¹² .Вес соединения между узлами i, j составляет w _ij = 1, если проводники электрически соединены, и w _{i, j} = 0 в противном случае. Затем мы определяем степень d _i каждого узла i как

. Также возможно определить антиревесценцию, основанную на заземляющем электроде. Для этого каждому проводнику i назначается прямой преемник D _i с интерпретацией, что поток заряда в сети идет от i до D _i .Затем последователи вычисляются итеративно, определяя последователя всех проводников, подключенных к заземляющему электроду, как заземляющий электрод. В каждой последующей итерации преемник D _i проводника i ^th определяется как ближайший проводник, который подключен к i и имеет преемника при условии, что i делает пока нет преемника. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не могут быть назначены новые преемники.В зависимости от возможности подключения возможно, что не все проводники N будут включены, поэтому мы будем использовать M для обозначения количества узлов в.

Общее количество узлов, которые прямо или косвенно связаны с заземляющим электродом и имеют степень d _i = j , называется Δ _j ( t ). Это вычисляется как

, где δ _{i, j} — это дельта Кронекера.

Мы определяем узел ветвления как узел i , который имеет степень d _i ≥ 3. Общее количество узлов B (t ), которые являются узлами ветвления в момент времени t , может вычисляется как

с определенными преемниками D _i , тогда каждому узлу i может быть присвоен номер Strahler s _i . Они определяются с использованием стандартной процедуры. Сначала мы присваиваем s _i = 1 для всех с d _i = 1.Затем для каждого узла, для которого не задан номер Strahler, мы устанавливаем s _i равным максимальному числу Strahler узлов, которые имеют узел i в качестве своего прямого преемника. Если более одного узла с i в качестве его прямого преемника имеют максимальное число Стрелера, s _i увеличивается на s _i → s _i + 1. Количество узлов с числом Стрелера j составляет σ _j :

Сравнение с экспериментальными результатами

Экспериментальные результаты предполагают линейную зависимость между и N .В частности, связь была обнаружена в установившихся сетях ¹¹ . На рисунке 2 показан график зависимости Δ ₁ ( t ) от N , вычисленного по модели после t = 120 с времени выполнения по сравнению с экспериментально наблюдаемой зависимостью устойчивого состояния.

Внизу: количество выводов Δ ₁ как функция количества проводников, подключенных к заземляющему электроду M во время процесса формирования из общего количества N = 324.На обоих графиках наклон черной линии представляет собой экспериментально измеренное значение ¹¹ 0,252.

Кроме того, связь наблюдалась и в установившихся сетях ¹¹ . На рисунке 3 показан график зависимости B (t ) от N , вычисленного по модели после t = 120 с времени работы по сравнению с экспериментально наблюдаемой зависимостью устойчивого состояния.

Вверху: количество точек ответвления B как функция общего количества проводников N после t = 120 с .Внизу: количество узлов ответвления B в зависимости от количества проводников, подключенных к заземляющему электроду M в процессе формирования из общего количества N = 324. На обоих графиках наклон черной линии — экспериментально измеренное значение. ¹¹ 0,237.

Аналогичный результат наблюдался для распределения узлов с заданным числом Strahler ¹² . Экспериментальные результаты показывают, что σ ₁ , σ ₂ , σ ₃ каждый линейно связаны с N .Соотношения следующие: σ ₁ = 0,455 N, σ ₂ = 0,275 N и σ ₃ = 0,169 N . На рис. 4 показано сравнение рассчитанного распределения чисел Стрелера с экспериментально наблюдаемыми соотношениями.

Черные линии — экспериментально наблюдаемые соотношения ¹² .

Электрическая цепь — Energy Education

Электрическая цепь представляет собой соединение компонентов, которые могут проводить электрический ток. В простых электрических цепях есть проводники (обычно провода), компонент, который подает питание (например, аккумулятор или розетка), и компонент, который поглощает энергию, называемый нагрузкой. Лампочка может быть примером нагрузки, и всегда должен быть обратный путь, чтобы электроны могли вернуться к источнику питания от нагрузки.Каждая цепь предназначена для подачи питания на одну или несколько нагрузок. Например, в бумбоксе питание идет на динамики. Точно так же мощность в лампе идет на лампочку. Схема позволяет заряду уходить с одной стороны источника питания и возвращаться с другой стороны источника питания.

Цепи могут быть последовательными, параллельными или их комбинацией, называемой последовательно-параллельной цепью. ^[2] Чтобы узнать больше об этих различных схемах, посетите: последовательная и параллельная схемы.

На рисунке 1 цепь замкнута (заряд может уходить из источника питания, проходить через лампочку и возвращаться к источнику питания), и лампочка действует как нагрузка. Обратите внимание, что показания вольтметра показывают 0 В, потому что падение напряжения на электрическом переключателе равно 0. ^[1]

Обрыв цепи

Разрыв цепи (как на рисунке 2) имеет физический разрыв в пути проводимости, где ток падает до 0, а сопротивление становится бесконечным (слишком большим для измерения омметром).Однако напряжение можно измерить, потому что вольтметр подключается через открытую клемму. ^[3] Обратите внимание, что разомкнутая цепь не является настоящей цепью, потому что заряд с одной стороны источника питания не может уйти и вернуться на другую сторону источника питания.

На Рисунке 2 переключатель поднят, поэтому цепь размыкается, что означает, что ток не проходит полный путь и лампочка не работает. Вольтметр все еще может быть подключен и отображает показание 18 вольт из-за наличия двух последовательно соединенных 9-вольтных батарей. ^[1]

Не имеет значения, где находится разрыв в электрической цепи, любое прерывание пути остановит электрический ток от перемещения по его пути. Это основа электрического переключателя, о котором говорилось выше.

Короткое замыкание

Короткое замыкание (показано на рисунке 3) — это непреднамеренное соединение с низким сопротивлением между двумя или более точками в цепи. Поскольку ток увеличивается при падении сопротивления (заданного законом Ома), это приведет к протеканию большого количества тока через «короткое замыкание».«Этот более высокий ток, если он больше, чем может безопасно выдержать сечение провода, может вызвать ожог пути тока из-за высоких температур и может вызвать пожар. Это приводит к замыканию цепи . ^[3] Защитные устройства, такие как предохранители и автоматические выключатели, используются в случае короткого замыкания для предотвращения опасности поражения электрическим током и связанных с ним повреждений.

На рисунке 3 присутствует короткое замыкание. Хотя часть тока все еще проходит через лампочку, путь, идущий в обход лампочки, обеспечивает самое низкое сопротивление для цепи.Это более низкое сопротивление соответствует значительно большему току. Это большое количество тока превышает номинальный ток провода, тем самым разрушая переключатель и сжигая часть пути тока. ^[1]

Phet Simulation

Университет Колорадо любезно разрешил нам использовать следующую симуляцию Фета. Это моделирование исследует, как батареи работают в электрической цепи:

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

1. ↑ ^{1.0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5} Университет Колорадо (2011). Комплект для конструирования цепей (только DC), виртуальная лаборатория [онлайн]. Доступно http://phet.colorado.edu/en/simulation/circuit-construction-kit-dc-virtual-lab
2. ↑ R.T. Пэйнтер, «Основные электрические компоненты и счетчики», в Введение в электричество , 1-е изд. Нью-Джерси: Прентис-Холл, 2011, гл. 4, сек. 4.3, с. 155-160.
3. ↑ ^{3,0 3,1} Р.Т. Пейнтер, «Основные электрические компоненты и счетчики», в Введение в электричество , 1-е изд. Нью-Джерси: Прентис-Холл, 2011, гл. 4, сек. 4.4, с. 160-162.

Сетевой эффект: Интернет электричества приближается, и это маленькое устройство делает его возможным

Оно маленькое, алюминиевое, размером чуть больше книги в твердом переплете. Но так же, как модем с коммутируемым доступом несколько десятилетий назад, это устройство помогает произвести революцию в сфере электроэнергетики, чего мы раньше не видели.

Электричество — это источник жизненной силы нашей цифровой эпохи, но, по иронии судьбы, она отстает от времени, когда мы соединены. На протяжении веков электросеть настолько укоренилась в прошлом, что клиентам приходилось звонить в коммунальные предприятия, чтобы сообщить им, что электричество отключилось. Ситуация начала меняться за последнее десятилетие. Быстрый рост возобновляемых источников энергии — от фотоэлектрических панелей на крышах до гигантских ветряных электростанций размером с атомную электростанцию ​​- изменил структуру энергетики. Но солнечная и ветровая энергия доступна не всегда, будь то облачный день или безветренный день.В домашних условиях интеллектуальные счетчики и приборы, электромобили, зарядные станции, аккумуляторы и другие технологии создают новые проблемы и еще больше нагружают систему. «Электросеть — самая умная и сложная машина, которую когда-либо создавали люди», — говорит Джамшид Шариф-Аскари, главный архитектор подразделения Grid Solutions GE Renewable Energy. «Но мы расширяем его возможности».

Задача Шарифа-Аскари — модернизировать сеть и помочь ей наверстать упущенное. MDS Orbit, как называется устройство, является одним из строительных блоков, которые он использует.

В каком-то смысле Orbit — это швейцарский армейский нож средств связи. В отличие от домашних модемов, которые обычно могут работать только с одним источником, будь то кабель телефонной линии или Ethernet, это устройство может получать и отправлять зашифрованные данные по различным каналам и протоколам беспроводной связи, включая Ethernet, Wi-Fi, 3G, а также общедоступные и частные. Сети 4G LTE, а также специализированное радио. «Не существует универсального решения. Имея в наличии различные варианты беспроводных технологий, мы хотели предложить нашим клиентам одну общую платформу, которую можно настраивать в соответствии с различными потребностями беспроводной связи в их сетях », — говорит Стивен Руджиери, старший менеджер по продукту устройства.

Например, крупная коммунальная компания может инвестировать в частный спектр LTE для передачи огромных объемов данных по сети. Руджиери говорит, что некоторые клиенты отправляют видео, чтобы контролировать безопасность удаленных ресурсов и проверять значки всех, кто входит. Другие клиенты могут выбрать общедоступные сети и поделиться своей пропускной способностью со всеми остальными. Если часть сети выйдет из строя, например, во время сильного шторма, Orbit может плавно перейти в другой режим связи, например с LTE на радио, чтобы операторы не потеряли доступ к своим наиболее важным ресурсам.«С добавлением в сеть большего количества интеллектуальных устройств клиенты получают выгоду от этой новой технологии, когда эту информацию можно быстро, надежно и безопасно передавать и использовать, и это то, что позволяют наши устройства», — говорит Руджиери.

Досягаемость и универсальность Orbit позволяют операторам склеивать в цифровом виде удаленные части энергосистемы, включая подстанции, соседние трансформаторы, установленные на опорах электроснабжения, и другое оборудование.Он даже поставляется со своим собственным «мозгом» на компьютерном чипе, поэтому он может выполнять важные и своевременные вычисления на месте — или, говоря промышленным языком, на «краю» сети — вместо того, чтобы терять драгоценные секунды, отправляя информацию на облако или центр управления для анализа. Например, это может помочь инженерам сразу понять, что происходит с солнечной энергией, когда облако движется над их фермой.

Одно из ключевых мест, где Orbit уже играет огромную роль, — это цифровые подстанции.Ключевые узлы передачи в сети, подстанции — это совокупность проводов, силовых трансформаторов, автоматических выключателей и другого оборудования, которое помогает доставлять электроэнергию от электростанции в ваш дом. Вы можете увидеть их в Нью-Йорке, а также в глуши, особенно в таких обширных странах, как Бразилия и США, а также в некоторых частях Азии, где провода пересекают полосы пустой земли.

Вера Силва, технический директор GE Grid Solutions, говорит, что оцифровка подстанций и их обмен информацией друг с другом и с другими частями электрической сети превращает энергосистему в нервную систему энергетики.«Это позволяет нам воздействовать на разные компоненты… в разное время [ы] и защищать ресурсы и пользователей системы при возникновении сбоев», — говорит она.

Силва говорит, что интеллектуальные подстанции позволят коммунальным службам контролировать сеть в реальном времени. Это означает, что больше не нужно звонить в энергокомпанию, когда вы теряете электричество. Вместо этого коммунальные предприятия смогут рассказать своим клиентам, что произошло и когда снова будет подано электричество. «Это станет отличным инструментом для перехода к цифровым технологиям, о котором мы говорили», — говорит Сильва.

И Орбита следит за тем, чтобы разговор внутри этих умных подстанций никогда не прекращался. Устройство может использовать радио, LTE или Wi-Fi для сбора информации с датчиков, расположенных по всей подстанции, которые контролируют, например, качество трансформаторного масла для предотвращения пожаров и даже взрывов.Некоторые из них он может обрабатывать на месте или передавать в облако. GE сделала его достаточно прочным, чтобы выдерживать воду, ветер, а также определенное количество огня.

Шариф-Аскари настолько увлечен орбитой, что использует десятки из них в своей лаборатории инноваций в области цифровой энергетики, где они моделируют микросети, фотоэлектрические системы, электромобили, аккумуляторные батареи и другие энергетические технологии. Они также могут запускать алгоритмы оптимизации как часть распределенной системы управления энергоресурсами (DERMS), программного пакета, который позволяет дистрибьюторам прогнозировать, диспетчерировать и контролировать энергоресурсы.

Хотя до появления действительно цифровых сетей еще несколько лет, Orbit помогает проложить путь для коммунальных служб. «Комбинация цифровых и физических инструментов поможет коммунальным предприятиям интегрировать солнечные и ветряные фермы, накопители энергии и другие распределенные ресурсы и улучшить использование активов», — говорит Сильва. «По сути, мы должны дать им правильный контроль, чтобы активировать нужные ресурсы в реальном времени, под управлением хорошего маэстро».

Устранение неполадок электрических шумов и переходных процессов

Электрический шум — это результат того, что более или менее случайные электрические сигналы попадают в цепи, где они нежелательны, т.е.е., где они нарушают несущие информацию сигналы. Шум возникает как в силовых, так и в сигнальных цепях, но, вообще говоря, он становится проблемой, когда попадает в сигнальные цепи. Цепи сигналов и данных особенно уязвимы для шума, потому что они работают на высоких скоростях и с низкими уровнями напряжения. Чем ниже напряжение сигнала, тем меньше допустимая амплитуда шумового напряжения. Отношение сигнал / шум описывает, сколько шума может выдержать схема, прежде чем действительная информация, сигнал, станет искаженным.

Шум — одна из самых загадочных тем, влияющих на качество электроэнергии, тем более что он должен рассматриваться с его не менее загадочным двойником — заземлением. Чтобы уменьшить загадку, необходимо понять две ключевые концепции:

• Во-первых, электрические эффекты не требуют прямого соединения (например, через медные проводники).
• Вторая концепция заключается в том, что мы больше не можем оставаться в области 60 Гц. Одним из преимуществ 60 Гц является то, что это достаточно низкая частота, поэтому силовые цепи можно рассматривать (почти) как цепи постоянного тока.

Механизмы сцепления

Существует четыре основных механизма шумовой связи. Стоит понять их и то, чем они отличаются друг от друга, потому что большая часть работы по устранению неполадок будет заключаться в том, чтобы определить, какой эффект связывания преобладает в конкретной ситуации.

1. Емкостная связь

Это часто называют электростатическим шумом, и это эффект, основанный на напряжении. Разряд молнии — это просто крайний пример. Любые проводники, разделенные изоляционным материалом (включая воздух), составляют конденсатор — другими словами, емкость является неотъемлемой частью любой цепи.Потенциал емкостной связи увеличивается с увеличением частоты (емкостное реактивное сопротивление, которое можно представить как сопротивление емкостной связи, уменьшается с частотой, как можно увидеть в формуле: XC = 1 / 2pfC).

2. Индуктивная связь

Это магнитно-связанный шум и эффект, основанный на токе. Каждый проводник, по которому протекает ток, имеет соответствующее магнитное поле. Изменяющийся ток может вызвать ток в другой цепи, даже если эта цепь является одиночной петлей; другими словами, цепь истока действует как первичная обмотка трансформатора, а цепь жертвы — вторичная.Эффект индуктивной связи увеличивается со следующими факторами: (1) больший ток, (2) более высокая скорость изменения тока, (3) близость двух проводников (первичный и вторичный) и (4) чем больше похожий соседний проводник катушка (круглый диаметр вместо плоского или спиральный вместо прямого).

Магнитные поля изолированы эффективным экранированием. Используемый материал должен быть способен проводить магнитные поля (черный материал в отличие от меди). Причина, по которой выделенная цепь (горячая, нейтраль, заземление) должна быть по возможности проложена в собственном металлическом кабелепроводе, заключается в том, что она, по сути, имеет магнитное экранирование для минимизации эффектов индуктивной связи.

Как индуктивная, так и емкостная связь называются эффектами ближнего поля, поскольку они преобладают на коротких расстояниях, а расстояние снижает их эффекты связи. Это помогает объяснить одну из загадок шума — как небольшое физическое изменение положения проводки может так сильно повлиять на связанный шум.

3. Кондуктивный шум

Хотя весь связанный шум заканчивается кондуктивным шумом, этот термин обычно используется для обозначения шума, связанного с прямым гальваническим (металлическим) соединением.В эту категорию входят цепи с общими проводниками (например, с общей нейтралью или заземлением). Кондуктивный шум может быть высокочастотным, но также может составлять 60 Гц.

Типичные примеры соединений, которые создают нежелательные шумовые токи непосредственно на землю:

• Субпанели с дополнительными контактами NG
• Розетки неправильно подключены к N и G
• Оборудование с внутренними твердотельными защитными устройствами, которое замкнуло на линию или нейтраль к земле, или которые не вышли из строя, но имеют нормальный ток утечки.Этот ток утечки ограничен UL до 3,5 мА для оборудования, подключенного к вилке, но не существует ограничений для оборудования с постоянным подключением с потенциально гораздо более высокими токами утечки. (Токи утечки легко определить, потому что они исчезнут при выключении устройства).

4. RFI (радиочастотные помехи)

RFI находятся в диапазоне от 10 кГц до 10 с МГц (и выше). На этих частотах отрезки провода начинают действовать как передающая и приемная антенны.Цепь виновника действует как передатчик, а цепь жертвы действует как приемная антенна. RFI, как и другие механизмы связи, — это факт жизни, но им можно управлять (однако, не без некоторой мысли и усилий).

Снижение шума RFI использует несколько стратегий.

Заземление сигнала

Чтобы понять важность «чистого» сигнального заземления, давайте обсудим различие между сигналами дифференциального режима (DM) и синфазных сигналов (CM). Представьте себе простую двухпроводную схему: питание и возврат.Любой ток, который циркулирует, или любое напряжение, считываемое через нагрузку между двумя проводами, называется DM (также используются термины нормальный режим, поперечный режим и режим сигнала). Сигнал DM обычно является желаемым сигналом (точно так же, как 120 В в розетке). Представьте себе третий проводник, обычно заземляющий провод. Любой ток, который течет теперь через два исходных проводника и возвращается по этому третьему проводнику, является общим для обоих исходных проводников. Ток CM — это шум, который должен преодолеть настоящий сигнал.CM — это весь этот лишний трафик на шоссе. Он мог попасть туда через любой из механизмов связи, таких как связь по магнитному полю на частоте линии электропередачи или радиочастотные помехи на более высоких частотах. Дело в том, чтобы контролировать или минимизировать эти токи заземления или CM, чтобы облегчить жизнь токам DM.

Измерение

Токи CM можно измерять с помощью токовых клещей, используя метод нулевой последовательности. Зажим огибает сигнальную пару (или, в трехфазной цепи, все трехфазные проводники и нейтраль, если таковая имеется).Если сигнал и обратный ток равны, их равные и противоположные магнитные поля нейтрализуются. Любое текущее чтение должно быть в обычном режиме; Другими словами, любое считывание тока — это ток, который возвращается не по сигнальным проводам, а по пути заземления. Этот метод применим как к сигнальным, так и к силовым проводам. Для основных токов будет достаточно клещей ClampMeter или DMM +, но для более высоких частот следует использовать прибор с широкой полосой пропускания, такой как анализатор качества электроэнергии Fluke 43 или осциллограф с дополнительными клещами.Переходные процессы следует отличать от скачков напряжения. Скачки — это частный случай переходных процессов с высокой энергией, возникающих в результате ударов молнии. Переходные процессы напряжения — это события с более низкой энергией, обычно вызванные переключением оборудования.

Они вредны по-разному.

Переходные процессы можно классифицировать по форме волны. Первая категория — это «импульсные» переходные процессы, обычно называемые «пиками», потому что высокочастотные пики выступают из формы волны. С другой стороны, переходный процесс переключения ограничения является «колебательным» переходным процессом, потому что сигнал звонка нарастает и искажает нормальный сигнал.Это более низкая частота, но более высокая энергия.

Причины

Переходные процессы неизбежны. Они создаются за счет быстрого переключения относительно больших токов. Например, индуктивная нагрузка, такая как двигатель, при выключении создает всплеск отдачи. Фактически, отключение Вигги (измерителя напряжения соленоидов) из высокоэнергетической цепи может вызвать скачок в тысячи вольт! С другой стороны, конденсатор при включении создает кратковременное короткое замыкание. После этого внезапного падения приложенного напряжения напряжение восстанавливается и возникает колебательная волна.Не все переходные процессы одинаковы, но, как правило, переключение нагрузки вызывает переходные процессы.

В офисах лазерный копировальный аппарат / принтер — общепризнанный «плохой парень» в филиальной сети офиса. Он требует, чтобы внутренний нагреватель включался всякий раз, когда он используется, и каждые 30 секунд или около того, когда он не используется. Это постоянное переключение имеет два эффекта: скачок или бросок тока может вызвать повторяющиеся провалы напряжения; быстрые изменения тока также вызывают переходные процессы, которые могут влиять на другие нагрузки в той же ветви.

Измерение и запись

Переходные процессы могут быть захвачены DSO (осциллографами с цифровой памятью). Анализатор Fluke 43 PQ, который включает в себя функции DSO, может захватывать, сохранять и впоследствии отображать до 40 форм переходных процессов. События помечаются метками времени и даты (метки реального времени). Регистратор событий напряжения VR101S также фиксирует переходные процессы в розетке. Предоставляются пиковое напряжение и отметки в реальном времени.

Ограничители перенапряжения при переходных процессах (TVSS)

К счастью, защита от переходных процессов не является дорогостоящей.Практически все электронное оборудование имеет (или должно иметь) некоторый уровень встроенной защиты. Одним из часто используемых защитных компонентов является MOV (металлооксидный варистор), который ограничивает избыточное напряжение.

GSMA | Совместное использование инфраструктуры: обзор

Просмотреть примеры использования

Операторы сетей мобильной связи предоставляют услуги связи и связи через развернутую сетевую инфраструктуру (как в собственности, так и в аренде).Определение сетевой инфраструктуры не только ограничивается электронными компонентами, но также включает пассивные элементы, такие как физические сайты и вышки, необходимые для работы сети.

Хотя абоненты не воспринимают напрямую состав / конфигурацию инфраструктуры, производительность (например, пропускная способность и время ожидания) всей инфраструктуры мобильной сети определяет взаимодействие с пользователем, и, следовательно, сетевая инфраструктура была одним из ключевых активов для операторов мобильной связи. .

Уплотнение сети для удовлетворения требований покрытия в помещениях привело к увеличению трудностей при приобретении участков для сети радиодоступа (а именно, базовых станций).

Это происходит в основном из-за двух факторов. Во-первых, пространство внутри зданий обычно ограничено, а эстетические / строительные работы еще больше ограничивают выбор.Это означает, что места, где можно установить внутренние базовые станции, ограничено, тогда как для удовлетворения потребности в покрытии будет доступно лишь несколько вариантов.

Во-вторых, наличие более одного оператора мобильной связи еще больше усложняет проблему, поскольку операторам мобильной связи придется конкурировать за несколько сайтов. Даже если операторам удастся обеспечить безопасность и развернуть базовые станции в непосредственной близости от оптимального места, каждому оператору придется вкладывать средства в строительные работы по строительству антенн и линий передачи.

В этом контексте для операторов было бы более рациональным делить внутреннюю инфраструктуру или, по крайней мере, линии передачи, чтобы разделить бремя при достижении разумного покрытия.

Ожидается, что для сетей 5G потребуется более высокая стоимость развертывания для удовлетворения требований к пропускной способности и спроса. Сети радиодоступа уже составляют большую часть затрат на развертывание и эксплуатацию сети.Для удовлетворения спроса на мобильную широкополосную связь 5G, вероятно, будет предлагаться на более высоких частотах радиочастотного спектра выше 6 ГГц. Это означает, что сота предлагает меньший радиус покрытия, и поэтому достижение широкого покрытия может быть сложной задачей.

Это правда, что развертывание сайтов 5G может отличаться от сайтов устаревших сотовых сетей (например, сайты 5G могут быть в форме небольших ячеек внутри помещений, а не больших башен / мачт), и что для этого могут потребоваться не такие большие затраты. развертывать сайты 5G, чем развертывать устаревшие сайты.Однако нижеследующее может служить иллюстративным примером потенциального увеличения затрат в эпоху 5G. Ожидается, что сота, использующая частоту 20 ГГц, будет иметь только треть радиуса покрытия по сравнению с ячейкой, использующей частоту 3,5 ГГц ^[1] . Это означает, что потребуется примерно 9 ячеек по 20 ГГц, чтобы заменить ячейку с полосой 3,5 ГГц, если будет обеспечено такое же покрытие. Строительные работы по строительству сотовой станции и арендная плата за нее, скорее всего, увеличатся (не обязательно в 9 раз, но все же значительный рост), что значительно увеличит как развертывание, так и эксплуатационные расходы сети радиодоступа, уже потребляющей значительные вложения.

Хотя можно преодолеть ограничения покрытия с помощью Massive MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) и Beamforming (две технологии вместе позволяют расширить зону покрытия до 10 раз), они требуют значительных затрат. . Наличие нескольких антенн означает более дорогое оборудование радиодоступа и более тщательное планирование радиоэлементов. Кроме того, формирование диаграммы направленности приводит к направленной передаче, и необходимо будет отслеживать мобильного пользователя, которому она назначена. Это означает, что передача больше не основана на стационарной конфигурации, а на динамических пользователях, что значительно увеличивает сложность работы помимо формирования диаграммы направленности, являющейся расширенной функцией, требующей больших денег для реализации.

Чтобы удовлетворить требованиям сверхмалой задержки, в настоящее время принимаются меры по размещению содержимого в граничной сети (в пределах базовых станций, если это возможно). Затраты на модернизацию периферийной сети для своевременного и эффективного хранения и обработки содержимого будут значительными, но такое фундаментальное изменение сетевой архитектуры повлечет за собой затраты, которые нелегко учесть при учете затрат (например, другая парадигма работы, ведущая к большему количеству ошибки).

Как отмечалось выше, покрытие 5G будет ограничено распространением спектра и увеличением сложности эксплуатации и развертывания.Согласно модели GSMA Network Economics, даже консервативные оценки предсказывают, что количество участков покрытия и участков производительности увеличится на 50%. Поскольку инфраструктура на площадках базовых станций обычно составляет наибольшую часть затрат на инфраструктуру, будет разумно рассмотреть способы разделения этих затрат. Операторам следует рассмотреть как совместное использование пассивной инфраструктуры (например, физической площадки и энергосистемы), так и совместного использования активной инфраструктуры (например, антенны и приемопередатчиков) для экономичного достижения производительности площадок и возможностей 5G.

Совместное использование инфраструктуры может быть шагом, позволяющим рационализировать унаследованные сети, такие как сети 2G или 3G. Учитывая падающие доходы сетей 2G / 3G и более высокую спектральную эффективность сетей следующего поколения (4G и 5G), многие операторы мобильной связи уже рационализируют эти унаследованные сети.

Однако полностью закрыть устаревшие сети очень сложно, если вообще возможно, поскольку есть много устройств, которые не отслеживаются системой управления устройствами оператора (например,g., приносите свои собственные устройства корпоративным клиентам) или расположены в труднодоступных местах (например, в туннелях метро).

Для размещения этих устройств при минимизации емкости операторы мобильной связи могут рассмотреть возможность совместного использования инфраструктуры унаследованных сетей. Это будет означать, что будет только одна национальная унаследованная сеть, совместно используемая всеми операторами, и операторы смогут перенаправлять ресурсы (например, рабочую силу и спектр) в сети следующего поколения.

Внедрение NFV (виртуализация сетевых функций) и SDN (программно-определяемая сеть) в сотовых сетях также может ускорить совместное использование мобильных сетей.NFV и SDN позволяют оператору использовать обычное оборудование вместо физического, и все экземпляры сетевых объектов виртуализированы и существуют как логические объекты (т.е. имеют различные логические экземпляры сетевого объекта, такого как S-GW, на одном физическом узле). Кроме того, NFV и SDN позволяют разделить сеть на части, что позволяет «разделить» одну физическую сеть на несколько виртуальных сетей, обладающих разным качеством обслуживания и топологией, что позволяет операторам развертывать виртуальные сети с различным набором требований к физической инфраструктуре.

Хотя сетевая инфраструктура была ключевым активом, внедрение интеллектуальных устройств изменило ландшафт мобильной индустрии, и конкуренция сместилась с конкурентоспособности инфраструктуры на конкурентоспособность услуг (т.е. производительность сети, для абонентов важнее пользоваться различными услугами).

Совместное использование инфраструктуры позволяет операторам сосредоточиться на конкуренции на уровне обслуживания независимо от степени совместного использования.Операторы могут совместно использовать целые или стратегически не важные части своей инфраструктуры, чтобы разделить затраты на инфраструктуру, обеспечивая при этом приемлемую производительность. Кроме того, эта экономия может облегчить переход операторов мобильной связи на технологии следующего поколения и предоставить своим клиентам новейшие доступные технологии.

Операторы мобильной связи также испытывают давление с целью увеличения пропускной способности сети из-за значительного роста трафика, обрабатываемого сетями мобильной связи, трафика, который, как ожидается, будет увеличиваться. расти еще дальше в будущем.Это означает, что затраты на обработку трафика увеличатся и ухудшат прибыльность операторов.

Рисунок 1: Рост трафика (Источник: CISCO VNI)

В этом контексте операторы мобильной связи должны использовать рентабельные методы, чтобы для размещения увеличившегося трафика не требовалось аналогичного роста стоимости инфраструктуры. Традиционная схема развертывания инфраструктуры может привести лишь к ограниченному снижению затрат даже при жестком сокращении затрат, но совместное использование инфраструктуры позволяет значительно снизить затраты на развертывание инфраструктуры мобильной сети.

Некоторые регулирующие органы поощряют совместное использование инфраструктуры операторами мобильной связи, потому что они считают, что общество может извлечь выгоду из нормативных / социальных выгод. Основные социальные выгоды проистекают непосредственно из экономической выгоды, когда операторы мобильной связи могут направлять сэкономленные расходы клиенту в ценообразовании. Кроме того, совместное использование инфраструктуры может помочь снизить энергопотребление и радиоизлучение сетей.

Существующие отчеты и исследования совместного использования мобильной сети подтверждают, что совместное использование инфраструктуры может привести к значительному снижению затрат.Ericsson ^[2] (2012) предсказал, что экономия активов от совместного использования инфраструктуры может достигать до 40%, а улучшение денежного потока — до 31% в зависимости от типа совместного использования. Booz & Company ^[3] (2012) заявила, что совместное использование инфраструктуры может позволить операторам сэкономить от 30 до 40 процентов сетевых затрат. Coleago ^[4] (2010) подсчитал, что экономия на развертываемых капитальных затратах и ​​экономия на сетевых операциях и обслуживании может достигать до 65% при совместном использовании сети.

Разбивка CAPEX и OPEX, проведенная Analysys Mason, дает намек на то, почему совместное использование инфраструктуры может потенциально значительно снизить затраты. Для CAPEX строительство, монтаж, материалы и энергия (т.е. доступ здания к электрическим сетям для подключения базовых станций к источнику питания) составляют более 50% CAPEX как для развитых, так и для развивающихся рынков. Совместное использование этих затрат может значительно снизить требуемые затраты, и некоторые операторы испытали снижение совокупной стоимости владения (совокупной стоимости владения) на 35-40% из-за совместного использования пассивной инфраструктуры.Что касается OPEX, аренда земли, электроэнергия и транспортная сеть составляют более половины OPEX на развитых рынках и почти половину OPEX на развивающихся рынках. Опять же, совместное использование этих компонентов может значительно снизить стоимость.

Пожалуйста, войдите в систему выше, чтобы просмотреть этот абзац.

Как указывалось в предыдущей литературе, выгоды и затраты на совместное использование инфраструктуры зависят от типов соглашений о совместном использовании инфраструктуры.Сделки по совместному использованию могут быть классифицированы в зависимости от разделяемой технологической единицы, предполагаемого бизнеса / владения и географического распределения.

Наиболее распространенным критерием классификации для совместного использования сети является технология. На следующем рисунке представлен обзор типов совместного использования инфраструктуры в зависимости от сущностей, которые могут использоваться совместно.

Рисунок 2: Техническая классификация совместного использования инфраструктуры

Совместное использование пассивной инфраструктуры — это место, где неэлектронная инфраструктура на сотовой станции, такая как система электропитания и управления, и физические элементы, такие как транспортные сети обратного рейса. общий.Эта форма может быть далее классифицирована на совместное использование сайтов, где физические сайты базовых станций являются общими, и общие транспортные сети, где используются общие транспортные сети от радиоконтроллера к базовым станциям (для получения дополнительной информации о нововведениях для оптимизации затрат на обратное соединение см. здесь ) . Пассивное совместное использование инфраструктуры является самым простым и может быть реализовано для отдельных сайтов, что позволяет операторам легко делиться сайтами и поддерживать свою стратегическую конкурентоспособность в зависимости от общих сайтов.Эта форма совместного использования также упрощает работу, поскольку сетевое оборудование остается разделенным. Однако потенциал совместного использования ограничен по сравнению с другими формами совместного использования.

Совместное использование активной инфраструктуры — это совместное использование электронной инфраструктуры сети, включая сеть радиодоступа (состоит из антенн / приемопередатчиков, базовую станцию, транспортные сети и контроллеры) и базовую сеть (серверы и функции базовой сети). Эта форма может быть далее классифицирована в MORAN (Multi-Operator Radio Access Network), где сети радиодоступа являются общими, а выделенный спектр используется каждым оператором совместного использования, MOCN (Multi-Operator Core Network), где совместно используются сети радиодоступа и спектр. и совместное использование основной сети, где используются общие серверы и основные сетевые функции.

Как и в случае совместного использования сайтов, MORAN и MOCN могут быть реализованы для каждого сайта и обеспечивают стратегическую дифференциацию. Однако для работы сетевого оборудования необходимо совместное использование (или, по крайней мере, проблемы должны быть разделены с участниками), и, следовательно, это увеличивает сложность совместного использования по сравнению с совместным использованием сайта. Потенциал экономии больше, чем совместное использование сайта. Базовая сеть обеспечивает больший потенциал экономии, но сложна в эксплуатации и поддерживает стратегическую дифференциацию. Важно отметить, что совместное использование базовой сети не было популярным, и подозревались в этом лишь несколько случаев.В этом документе предполагается, что совместное использование базовой сети представляет полную теоретическую картину совместного использования инфраструктуры.

Наконец, хотя это и не указано на рисунке, национальный роуминг является методом совместного использования инфраструктуры. Национальный роуминг означает соглашения о роуминге в национальном контексте. Например, абонент Vodafone Spain может перемещаться в сеть Telefonica при входе в неперекрывающееся покрытие, предоставляемое Telefonica, и наоборот. Этот тип совместного использования обеспечивает экономию средств, сопоставимую или большую, чем при совместном использовании базовой сети.Однако национальный роуминг сопряжен со сложностями (например, когда выбрать домашнюю сеть вместо посещаемой сети дало силу сигнала), и могут возникнуть проблемы регулирования, когда регулирующие органы могут быть обеспокоены снижением конкуренции.

ПРИМЕЧАНИЕ 1 : Согласно технологическому критерию, MVNO также можно рассматривать как тип соглашения о совместном использовании инфраструктуры, когда MVNO арендует почти всю необходимую сетевую инфраструктуру. Тем не менее, он был исключен, поскольку этот документ нацелен на эффективное развертывание и работу физических сетей, а не на создание виртуальных операторов поверх физических сетей.

ПРИМЕЧАНИЕ 2 : Этот документ не распространяется на совместное использование спектра или использование нелицензированного спектра, поскольку нормативно-правовая база различна в зависимости от регионального / национального контекста.

Таблица 1: Сравнение форм совместного использования инфраструктуры (технологии)

С другой точки зрения бизнеса / собственности можно также классифицировать соглашения о совместном использовании инфраструктуры на четыре типа .Первый тип соглашения о совместном использовании инфраструктуры — это одностороннее предоставление услуг, при котором собственность на инфраструктуру остается раздельной (каждая компания владеет собственной сетью), и только одна из участвующих компаний предоставляет свою инфраструктуру для совместного использования. Следовательно, как показано на рисунке 4, услуги связи (например, голос, SMS и данные) участвующих операторов A и B предоставляются в инфраструктуре оператора A. Взаимное предоставление услуг аналогично одностороннему предоставлению услуг, за исключением того, что два или более из участвующие компании предоставляют свою инфраструктуру для совместного использования.

Совместное предприятие — это совместное предприятие, в котором участвующие в соглашении компании образуют совместное предприятие для владения и эксплуатации сетей, что означает, что общая инфраструктура консолидируется, принадлежит и управляется совместным предприятием (но компании не владеют инфраструктурой напрямую). Обратите внимание, что совместное предприятие может также работать как вышки, которые владеют вышками и сдают их в аренду операторам мобильной связи для использования.

Наконец, сторонний поставщик услуг 3 ^rd — это место, где компания, не обязательно аффилированная с оператором мобильной связи, сдает инфраструктуру в аренду операторам мобильной связи для использования.Этот тип также называется нейтральным хостом, и уже есть успешные примеры на рынке. Есть вышки (31,8% из раскрытых 154 сделок по совместному использованию инфраструктуры, как указано в базе данных Coleago), которые владеют вышками и сдают их в аренду операторам мобильной связи для использования. Потенциальное стратегическое значение нейтрального хоста состоит в том, что контроль над сайтами переходит от операторов мобильной связи к нейтральному хосту. То есть переносится стоимость сайта и сотовым операторам необходимо дополнительное рассмотрение.

Хорошим примером Tower Company является edotco, принадлежащая азиатской телекоммуникационной группе с шестью дочерними операторами мобильной связи (Axiata Group). Он предоставляет комплексные решения в секторе услуг для вышек, включая аренду вышек, совместное размещение, сборку по индивидуальному заказу, энергоснабжение, передачу, эксплуатацию и техническое обслуживание (O&M). По состоянию на август 2017 года edotco управляет региональным портфелем из более чем 26000 башен на основных рынках Малайзии, Мьянмы, Бангладеш, Камбоджи, Шри-Ланки и Пакистана с 18 461 башней, напрямую управляемой edotco, и еще 8 100 башнями, управляемыми с помощью ряда услуг. предоставлена.edotco с его бизнес-моделью создания и аренды пассивной инфраструктуры, такой как башни, позволяет операторам совместно использовать инфраструктуру с этапа развертывания. Поскольку операторы могут арендовать вышки вместо того, чтобы строить свои собственные, операторы могут арендовать вышки у edotco, чтобы преобразовать крупные инвестиции с высоким риском в повторяющиеся более мелкие платежи с низким уровнем риска.

Кроме того, чтобы обеспечить эффективное покрытие внутри помещений для удовлетворения потребностей абонентов в подключении, в каждой комнате / единице пространства в здании должна быть развернута ячейка и подключена проводка.В этом случае развертывание ячеек и разводка ячеек от двух до четырех операторов повлечет за собой не только значительные затраты на инфраструктуру для мобильной индустрии, но и сложности для владельцев зданий (например, строительные работы и координация проводов). Для операторов может быть лучше совместно использовать инфраструктуру в этих местах в процессе развертывания и, следовательно, совместно использовать обслуживание и операции совместно используемой инфраструктуры. Владельцы зданий могут стать сторонними поставщиками услуг, которые развертывают и эксплуатируют сеть для сдачи в аренду операторам.

Рисунок 3: Классификация совместного использования инфраструктуры между бизнесом и собственностью

Таблица 2: Сравнение форм совместного использования инфраструктуры (бизнес / собственность)

Как и в случае владельцев зданий, муниципалитеты или правительство могут стать 3 ^-м сторонним поставщиком инфраструктуры в рамках государственно-частного партнерства.Государственно-частное партнерство — это когда муниципалитеты выступают в качестве стороннего поставщика услуг, а частный сектор (операторы мобильной связи) частично финансирует инвестиции, сдавая инфраструктуру в аренду. Если взять пример автономного вождения, то владельцам дорожной инфраструктуры (например, фонарных столбов, светофоров и систем управления полосами движения) было бы обременительно предоставить концентраторы для двух-четырех операторов, чтобы они могли подключаться и координировать подключение. Напротив, для операторов было бы проще и рентабельнее использовать инфраструктуру в процессах развертывания и эксплуатации.

Еще одним примером государственно-частного партнерства является сектор коммуникаций и транспорта в рамках национальной программы Мексики в области инфраструктуры. На новом этапе, начиная с 2014 года, правительство Мексики намеревается построить общенациональную инфраструктуру оптовой сети LTE для операторов мобильной связи. Хотя план еще не завершен, консорциум Altán был выбран в качестве финального участника торгов в ноябре 2016 года.

Географически совместное использование инфраструктуры можно рассматривать с двух разных точек зрения.Во-первых, его можно разделить на то, используется ли инфраструктура в сельской или городской местности. Некоторые операторы захотят решить проблемы с покрытием в сельской местности, где рентабельность инвестиций значительно ниже, чем в городских. Некоторые хотели бы облегчить бремя расходов в городских районах (особенно в случае общедоступного покрытия для решения высоких затрат на приобретение площадки, физических ограничений пространства и эстетических / эмиссионных проблем, связанных с наличием нескольких антенных структур), сохраняя при этом покрытие, чтобы обеспечить удобство для пользователей.Другие хотели бы сосредоточиться на снижении бремени расходов как в сельской, так и в городской местности.

Вторая перспектива заключается в том, разделены ли владение и / или эксплуатация инфраструктуры по регионам. Например, операторы могут уже иметь национальное покрытие и могут совместно использовать / владеть своей инфраструктурой. С другой стороны, операторы могут развертывать новые объекты, и каждый оператор может отвечать за разные регионы за развертывание и эксплуатацию инфраструктуры.

Хотя это не анализируется и не описывается в тематических исследованиях в этом документе, другая точка зрения, с которой можно проанализировать совместное использование инфраструктуры, заключается в перспективе процесса. Процессы можно разделить на три отдельных этапа:

• Проектирование, планирование и проектирование сети
• Развертывание и развертывание
• Техническое обслуживание и операции

Хотя эта перспектива не была глубоко изучена, тенденции уплотнения сети (особенно применимы к Развертывание сетей 5G с использованием диапазонов mmWave заставит операторов рассматривать совместное использование инфраструктуры с точки зрения двух последних процессов: развертывания и развертывания, а также обслуживания и эксплуатации.

Как видно из описанной выше таксономии совместного использования инфраструктуры, соглашения о совместном использовании инфраструктуры могут принимать множество различных форм. Это означает, что преимущества и недостатки совместного использования инфраструктуры могут различаться, а общие последствия и / или прогнозы могут быть неточными.

Network Economics пытается проанализировать случаи совместного использования пассивной инфраструктуры и совместного использования активной инфраструктуры, которые фактически реализованы на коммерческой основе (или, по крайней мере, до начала коммерческой проверки), и вывести уроки, извлеченные из этих случаев, для эффективного совместного использования инфраструктуры.Обоснование охвата только этих типов состоит в том, что, как обсуждалось в разделе 1.2, самым большим элементом затрат в сети является радиосеть (70% по данным Gemalto), и, следовательно, где можно добиться наибольшей экономии (для инноваций, которые конкретно оптимизируют затраты на транзитные перевозки). , см. здесь ). Кроме того, две формы совместного использования позволяют дифференцировать конкурентоспособность инфраструктуры, что по-прежнему является важным определяющим фактором удовлетворенности клиентов на большинстве мобильных рынков.Кроме того, обе формы совместного использования проще реализовать, чем другие типы совместного использования.

Пожалуйста, войдите в систему, чтобы оставлять комментарии или редактировать этот документ. Чтобы подписаться на нашу рассылку, нажмите здесь.

^[1] Накамура Т. (NTT DoCoMo), «Концепция и технологии 5G», Globecom 2014

^[2] Ericsson, 2012, «Успешное совместное использование сети: структурированный подход к совместному использованию сети — как получить выгоду при сохранении конкурентного преимущества »

^[3] Booz & Company, 2012,« Совместное использование мобильных сетей: почему преимущества перевешивают недостатки »

^[4] Zehle S.и Друг Г., 2010, «Бизнес-планирование совместного использования сети», Coleago