Wi-Fi роутер превратили в источник беспроводного электропитания. Энергетический роутер


Концепция энергетического интернета - презентация онлайн

КОНЦЕПЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИНТЕРНЕТА ИНТЕРНЕТ Система обмена информацией ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНТЕРНЕТ Система обмена электроэнергией Сеть Internet Роутер РОУТЕР (англ. маршрут) ЭНЕРГОРОУТЕР: Осуществляет обмен данными между устройствами Управляет потоками электроэнергии Связывает устройства с сетью Internet Осуществляет обмен информацией Интегрирует малую генерацию в распределительные электрические сетиФУНКЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РОУТЕРА РЭС 10; 20 кВ Управление потоком электроэнергии из РЭС 10; 20 кВ в сеть 0,4 кВ Передача излишков электроэнергии из сети 0,4 кВ с распределенной генерацией в РЭС 10; 20 кВ Электрическая сеть 0,4 кВ Связь с другими энергороутрами для объединения микросетей в Smart grid Управление потоками электроэнергии в сети 0,4 кВ (с потребителями, распределенной генерацией и устройствами накопления) Вспомогательные функции Дополнительные функции Сбор и анализ информации от объектов электрической сети Оценка состояния элементов сети в режиме реального времени Управление активными элементами сети и энергоустановками потребителей Управление процессом электроэнергии покупки/продажиУПРАВЛЕНИЕ ПОТОКАМИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПС 10/110 кВ Питающие сети Передача и распределение электроэнергии из РЭС 10; 20 кВ потребителям 0,4 кВ 110 кВ РПП 110/10; 20 кВ ПС 10/110 кВ Распределительные сети Передача электроэнергии от источников распределенной генерации потребителям 0,4 кВ и накопителям электроэнергии 10; 20 кВ РУ 10; 20 кВ Электрическая сеть 0,4 кВ Передача (продажа) излишков электроэнергии от собственных источников другим потребителям 0,4 кВ и накопителям электроэнергии Передача (продажа) излишков электроэнергии от источников распределенной генерации и собственных источников в РЭС 10; 20 кВ Использование электроэнергии устройств накопленияПОДХОДЫ К СОЗДАНИЮ ЭНЕРГОРОУТЕРА В РОССИИ ЗА РУБЕЖОМ Разработки не проводились Разработки проводятся с 2003 года Концепция создания энергороутера Развитие технологий твердотельного трансформатора (Solid State Transformer - SST) 2 Этап Материалы Swiss Federal Institute of Technology (ETH) Zurich Power Electronic Systems Laboratory энергороутер с использованием перспективных технологий (SST) 1 Этап энергороутер на существующей элементной базе В основе SST: высокочастотная трансформаторная связь + входные и выходные твердотельные переключатели Для полноценной реализации SST на отечественной элементной базе необходимо: Создание новых магнитных материалов Развитие технологий изготовления полупроводниковых SiС изделий Разработка частотных и полярных конденсаторовКОНСТРУКТИВ ЭНЕРГОРОУТЕРА НА ОСНОВЕ SST ПС 10/110 кВ Питающие сети 110 кВ РПП 110/10; 20 кВ ПС 10/110 кВ Распределительные сети 10; 20 кВ Высоковольтная ступень РУ 10; 20 кВ Высокочастотный трансформатор Низковольтная ступень Узел нагрузки 0,4 кВ Solid State Transformer отличается: Большим быстродействием Меньшими массогабаритными показателямиКОНСТРУКТИВ ЭНЕРГОРОУТЕРА НА СУЩЕСТВУЮЩЕЙ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ Разработан опытный образец ТТРНМ ОТ 400 кВА, установленный на цифровой трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ («НГТУ» Н. Новгород) ПС 10/110 кВ Питающие сети 110 кВ РПП 110/10; 20 кВ ПС 10/110 кВ Распределительные сети 10; 20 кВ Трансформаторнотиристорный регулятор напряжения и мощности (ТТРНМ ОТ) Устройство регулирования потоков мощности (УРПМ) РУ 10; 20 кВ Энергороутер Тиристорный регулятор КТ-400 НПП Силовой трансформатор 10/0,4 кВ ТСЗН-400 кВА АСУ Экспериментальный образец УРПМ (разрабатывается) («НГТУ» Н. Новгород) Узел нагрузки 0,4 кВ АСУ – адаптивная система управления НПП – низковольтный полупроводниковый преобразовательРАЗРАБОТКА ЭНЕРГОРОУТЕРА НА СУЩЕСТВУЮЩЕЙ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ КОМПАНИЕЙ ООО «АРТекнолоджи» Разработка алгоритмов работы энергороутра Разработка конструктива энергороутера Разработка элементной базы энергороутера – IGBT транзисторы на SiC Разработка регламентов и стандартов по использованию энергороутера Разработка многоуровневой системы управления микросети Проектирование электроснабжения пилотной площадки Изготовление опытного образца энергороутера Минэнерго РФ, ОАО «Россети» Монтажные работы («Таврида Электрик») Технические условия на присоединение Пилотный проект микросети с двумя энергороутерами, работающей по принципу «Энергетического интернета»ЭФФЕКТ ОТ ВНЕДРЕНИЯ ЭНЕРГОРОУТЕРОВ Применение энергороутера в системах электроснабжения мегаполисов Электрические сети для снижения пиковых нагрузок Потребители, испытывающие трудности с подключением вследствие энергодефицита для «освобождения» мощности Потребители с собственными источниками для возможности продажи излишков электроэнергии в сеть Потребители со «сложной» структурой сетей низкого напряжения для упорядочивания процессов передачи, распределения и потребления электроэнергии РЭС 10; 20 кВ Электрическая сеть 0,4 кВ Освобождение «мощности» для подключения новых потребителей Повышение надежности электроснабжения Повышение качества отпускаемой электроэнергии Применение энергороутера в районах с высоким потенциалом ВИЭ РЭС 10; 20 кВ Электрическая сеть 0,4 кВ Интеграция ВИЭ в РЭС 10; 20 кВ Возможность потребителям «зарабатывать» электроэнергии от продажи

ppt-online.org

НТИ: «Умная» энергетика – это шанс для российских ИТ- и телеком-компаний

Дорожная карта EnergyNet

Президентский совет по модернизации экономики и инновационному развитию России утвердил дорожную карту EnergyNet. Документ предусматривает мероприятия по развитию рынка «умной» энергетики до 2035 г. и создан в рамках программы «Национальная технологическая инициатива», реализуемой по поручению президента Владимира Путина. Документ создавался под руководством первого заместителя министра энергетики Алексея Текслера и управляющего партнера Bright Capital Бориса Рябова. Под EnergyNet авторы документа понимают рынок оборудования, ПО, инжиниринговых и сервисных услуг для разномасштабных комплексных систем и сервисов интеллектуальной энергетики. «Лучшей метафорой для описания рынка является интернет энергии – экосистема производителей и потребителей энергии, которые беспрепятственно интегрируются в общую инфраструктуру и обмениваются энергией», – говорится в описании дорожной карты.

Что происходит на мировом рынке электроэнергии

Мировой рынок электроэнергии равен примерно $3 трлн., с прогнозируемыми темпами роста 3% в год. Рынок к 2035 г. достигнет $6 трлн. в текущих ценах. Драйвером этого тренда выступают рост численности населения, урбанизация, рост качества жизни и рост промышленности в развивающихся странах. В частности, к 2035 г. потребителями электроэнергии станут: 1,3 млрд. человек, не имеющих в настоящее время доступа к электроэнергии; 2,7 млрд. человек, которые «готовят на дровах» и еще 1,6 млрд. человек – за счет прироста населения земного шара.

В то же время энергетический рынок в мире переживает большие изменения. Этому способствует целый ряд факторов: износ энергетической инфраструктуры, вовлечение в оборот распределенных энергетических ресурсов (в том числе возобновляемых), рост спроса на энергию и изменение качественных характеристик спроса, изменение модели поведения потребителей. В течение ближайших пяти лет технологический профиль оборудования будет определять новый пакет, включающий передовые энергетические, инфокоммуникационные и социальные технологии.

В основе энергетики нового уклада будут лежать разномасштабные (от городов до домохозяйств) комплексные системы и сервисы интеллектуальной энергетики, построенные на открытой сетевой архитектуре. Активные потребители, владельцы распределенных энергетических объектов (в т.ч. мобильных), пользователи устройств с управляемой нагрузкой должны иметь возможность также просто подключаться и пользоваться энергосистемой, как это происходит в случае использования интернета. Для этого потребуется создать новые киберфизические устройства преобразования и коммутации энергии, интеллектуальные системы управления, открытые сервисные платформы, технологии интернета вещей, гибкие и динамичные энергетические рынки.

В части энергетических технологий речь идет о малой и микро-генерации, накопителях энергии, широком спектре устройств с регулируемой нагрузкой (вплоть до «умного» холодильника), электротранспорте. Масштабное появление на их базе распределенных энергетических объектов приведет к преобразованию архитектуры энергосистем – они станут фрактальными, «ячеистыми» (как интернет или сотовая телефония).

В части информационных технологий формируется множество технологий и решений в рамках инициатив, ориентированных на переход к кибер-физическим устройствам (в Германии такая инициатива называется Industrie 4.0): «энергетические роутеры», распределенные (мультиагентные) системы управления, интернет вещей, платформоориентированные решения, системы управления жизненным циклом производственных систем. В части социальных технологий будут активно появляться сервисы агрегирования, способствующие привлечению инвестиций, локальные энергетические рынки, маркетплейсы приложений для сервисов, ценообразование в близком к реальному времени.

Целевые показатели дорожной карты EnergyNet

Наименование целевых показателей Единица измерения Текущее значение Краткосрочный период Среднесрочный период Долгосрочный период
2017 2018 2019 2020 2025 2030 2035
Целевой показатель 1 «Годовая выручка российских компаний на целевом рынке решений, оборудования, сервисов в области надежных и гибких распределительных сетей (объем поставок российских производителей)» $млрд (%) 0,2 (<1) 0,2 (<1) 0,2 (<1) 0,4 <1 0,5 <1 6 (3-5) 10 (6-8) 15 (8-10)
Целевой показатель 2 «Годовая выручка российских компаний на целевом рынке решений, оборудования, сервисов в области интеллектуальной распределенной энергетики без учета рынка компонент (объем поставок российских производителей)» $млрд (%) 0,025 (<1) 0,025 (<1) 0,025 (<1) 0,035 (<1) 1 (<1) 5 (1-2) 10 (2-3) 14,7 (3-4)
Целевой показатель 3 «Годовая выручка российских компаний на целевом рынке решений, оборудования, сервисов в области потребительских сервисов (объем поставок российских производителей)» $млрд (%) 0,36 (1-2) 0,36 (1-2) 0,36 (1-2) 0,5 (1-2) 1 (1-2) 2,5 (2-3) 5 (3-4) 11,7 (4-5)
Целевой показатель 4 «Количество высших учебных заведений, научно-исследовательских и отраслевых институтов, вовлеченных в научную и образовательную деятельность по тематике EnergyNet (накопленным итогом)» ед. 0 2 4 6 10 15 15 15
Целевой показатель 5 «Количество реализованных пилотных проектов EnergyNet (в год)» шт. 0 0 >5 >10 >15 - - -
Целевой показатель 6 «Количество созданных экспериментальных/'тестовых площадок по приоритетным направлениям EnergyNet (накопленным итогом)» шт. 0 >1 >3 >6 >6 >10 >15 >15

Источник: Национальная технологическая инициатива, 2017

Принципиальным вопросом в создании решений для новой энергетики станет использование открытой архитектуры интеллектуальных энергосистем, позволяющей легко интегрировать в общие системы энергообмена производителей и потребителей различного типа, поставщиков сервисов. Кроме того, использование концепции открытой архитектуры позволит формировать разнообразные варианты кооперации для производителей оборудовании и программного обеспечения.

У России в этой сфере есть хорошие предпосылки для занятия существенных позиций на глобальных рынках. Речь идет о научных заделах, профильных стартапах, развитой инфраструктуре и механизмах поддержки инноваций амбициозными бизнес-компаниями.

EnergyNet в «широком» и «узком» смысле

Авторы дорожной карты выделяют три сегмента рынка EnergyNet: надежные и гибкие распределительные сети, интеллектуальная распределенная энергетика и потребительские сервисы. Объектная область «дорожной карты» ограничивается вопросами развития систем и сервисов на уровне распределенной генерации (включая возобновляемые источники энергии) уровня напряжения 110 кВт и ниже, распределительных сетей и управления потреблением.

В узком смысле рынок EnergyNet – это рынок продуктов и услуг, создающих добавленную стоимость за счет управления распределенными ресурсами и устройствами в энергетике («интернет энергии»). Примерами соответствующих сервисов могут быть: управление нагрузками, распределенной генерацией и распределенными накопителями; агрегация распределенных энергетических ресурсов на основе концепции «виртуальная электростанция»; управление подключением электромобиля в общую энергосеть для его подзарядки или отдачи лишней электроэнергии обратно в сеть; управление активами на базе распределенных сенсоров и датчиков; интеллектуальный учет; аналитические приложения, алгоритмы обработки данных и принятия решений; управление микроэнергетическими системами; энергосервис и энергоменеджмент для потребителей на базе удаленного доступа, мониторинга и управления; интеллектуальное управление сетью, основанное на использовании большого количества датчиков, интеллектуальных киберфизических устройств, алгоритмов и методов обработки данных, принятия решений.

В широком смысле под рынком EnergyNet авторы документа понимают ту выручку, которую могут получить компании, создавая свое конкурентное преимущество и выстраивая бизнес-модели на основе технологий «интернета энергии», включая смежные области. Примерами соответствующих сервисов могут быть: генерирующее оборудование распределенной и возобновляемой генерации; энергетическое оборудование, в том числе оборудование для «умных» сетей и накопителей; оборудование инженерных инфраструктур «умных» зданий и «умных» городов; смежные услуги на рынке интернета вещей, если доступ к рынку получен за счет поставки услуг «интернета энергии».

Окно возможностей для российских компаний

На рынке EnergyNet (в широком смысле) – в частности, в сфере альтернативной генерации –ключевые позиции уже распределены и российским компаниям будет сложно здесь конкурировать. В то же время добавленная стоимость в энергетике в ближайшие 15 лет будет перемещаться из традиционных сегментов (производство энергетического оборудования, генерация электроэнергии) в новые инновационные секторы (интеллектуальные технологии в сетях, технологии интернета вещей в энергетике, накопители, управление возобновляемой и распределенной генерацией, потребительские сервисы).

Аналогичные изменения происходят и в сфере «интернета энергии». Смещение доли добавленной стоимости от производства оборудования в сторону аналитической и сервисной составляющих (рынок EnergyNet в узком смысле) открывает рынок для новых игроков, в том числе для российских компаний.

В новых сервисных сегментах конкурентным преимуществом обладают не действующие игроки на рынке, а игроки, имеющие компетенциив технологиях интернета вещей – в частности, телекоммуникационные компании и ИТ-компании. Эти компании начинают занимать лидирующие позиции в новых нишах и забирать долю бизнеса у традиционных энергокомпаний. По мере того как технологии интернета вещей кардинально упрощают интеграцию решений и разработку приложений, превращая электронные и механические компоненты системы во взаимозаменяемый товар, маржа и добавленная стоимость переместится к разработчикам алгоритмов и приложений, способных решать конкретные задачи клиента и создавать для него уникальную бизнес-модель.

В частности, телекоммуникационные компании уже несколько лет эффективно конкурируют за сегменты, которые раньше относились к сфере энергетики. Практически все крупные телеком-операторы создали собственную платформу интернета вещей, на базе которой они выстроили продуктовую цепочку энергетических продуктов и сервисов. Например, Vodafone предлагает услуги энергосервиса с установкой сенсоров и контроллеров для управления энергопотреблением, Verizon – сервис по управлению нагрузками, а AT&A – услугу по управлению интеллектуальными сетями. Консервативность традиционных энергетических компаний затрудняет для них конкуренцию с новыми игроками, которые обладают большим опытом и потенциалом работы в рыночной среде.

Для российских компаний такая ситуация открывает «окно возможностей». Ситуация, когда конкурентное преимущество определяют алгоритмы программных приложений и бизнес-модели, благоприятна для российских компаний, так как здесь на рынок могут выходить не только традиционные игроки, но и высокотехнологичные конкурентные компании из секторов ИТ и телекоммуникаций, по необходимости заключая партнерства с «традиционными» энергетиками.

Кроме того, новые технологии позволяют создать конкурентные преимущества для продвижения на глобальный рынок традиционных технологий, где у России уже есть сильные позиции. Хотя стимулом для развития «интернета энергии» в Европе, в первую очередь, является развитие «зеленой» энергетики. Авторы дорожной карты подчеркивают, что ошибочно было бы считать, будто бы возобновляемая энергетика является главным бенефициаром технологии «интернета энергии».

Технологии, позволяющие управлять нагрузками, равным образом положительно сказываются на других видах генерации, в частности, стратегии в области «интернета энергии» могут быть построены в связке практически с любым видом генерации, что может обеспечить продвижение на рынок атомной или газовой генерации. Эти стратегии привлекательны для российских игроков, так как усиливают позиции тех сегментов, где у России исторически сложились конкурентные преимущества (в отличие от возобновляемой энергетики, где у России нет объективных преимуществ и где уже большое число технологий защищено патентами).

Кроме того, с точки зрения национальной безопасности для России основным вызовом в энергетике является тот факт, что в Северо-Восточной Азии усилиями Японии, Кореи и Китая происходит формирование нового полюса генерирования общественного богатства, потенциально сопоставимого со всей существующей мировой экономикой. Основу этого полюса составит неоиндустриализация, новые формы урбанизации и переосвоения территорий, использование технологий, дружественных к природе. Россия может сохранить суверенитет, только став субъектом формирования экономического полюса нового типа. В случае невозможности занять подобную позицию российскому Дальнему Востоку и Сибири будет отведена функция периферийного сырьевого придатка для обслуживания экономик стран Северо-Восточной Азии.

В документе выделяются «целевые страны», с которыми российские компании из сектора EnergyNet смогут сотрудничать. Первая группа – индустриально развитые страны (Япония, Южная Корея, Китай, Сингапур). С игроками из этих стран российские компании могут, например, реализовывать совместные проекты в Сибири и на Дальнем Востоке и обмениваться технологиями. Вторая группа – страны с большим потенциалом развития (Индия, Индонезия, Вьетнам, Иран, Бразилия, Саудовская Аравия). На рынке этих стран российские компании смогут занять достойное место.

Прогнозы рынка

Авторы дорожной карты разделяют рынок EnergyNet на три сегмента. Сегмент «Надежные и гибкие распределительные сети» включает в себя комплекс решений, обеспечивающих эффективную и надежную работу распределительной сети, открытой и адаптивной к новым объектам и участникам рынка. Сегмент «Интеллектуальная распределенная энергетика» – это комплекс решений, обеспечивающих интеграцию в энергосистемы и совместную работу распределенной генерации, накопителей, средств регулирования нагрузки, а также обеспечивающих работу различного типа агрегаторов распределенных объектов энергетики. Наконец, сегмент «Потребительские сервисы» включает в себя комплекс решений, обеспечивающих конечным потребителям кастомизированные сервисы энергоснабжения и управления инженерной инфраструктурой (в т.ч. автономными источниками энергии).

В «целевых странах» сегмент «Надежные и гибкие сети» в узком смысле вырастет с $8,47 млрд в 2014 г. до $40,17 млрд в 2035 г. Данный сегмент в широком понимании вырастет за аналогичный период с $57,645 млрд до $142.98 млрд. Сегмент «Интеллектуальная распределенная энергетика» в узком смысле вырастет с $3,23 млрд до $98,96 млрд, в широком – с $46,96 млрд до $343,8 млрд.

Сегмент «Потребительские сервисы» за аналогичный период в узком смысле вырастет с $5,09 млрд до $172,43 млрд, в широком – с $62,7 млрд до $284 млрд. Таким образом, всего рынок EnergyNet в «целевых странах» вырастет с $167,3 млрд в 2014 г. до $770,97 млрд в 2035 г.

В России сегмент «Надежные и гибкие сети» вырастет с $200 млн в 2014 г. до $15 млрд в 2035 г., сегмент «Интеллектуальная распределенная энергетика» – с $25 млн до $14 млрд, сегмент «Потребительские сервисы» – с $790 млн до $11,7 млрд. Всего выручка российских производителей рынка EnergyNet вырастет с $1,125 млрд в 2014 г. до $40,7 млрд в 2035 г., доля российских производителей от рынка «целевых стран» за аналогичный период увеличится с менее чем 1% до 5,3%.

Мероприятия дорожной карты

В рамках мероприятий дорожной карты планируется проведение следующих пилотных проектов: Smart City 3.0 на Дальнем Востоке с участием стран Северо-Восточной Азии, автоматическое управления энергосистемой автономного поселения, городского района и индустриального парка с использованием технологий интеллектуальной распределенной энергетики, агрегирование распределенных резервных источников бесперебойного питания базовых станций сотовой связи для целей регулирования нагрузки, автоматическое управление энергоснабжением промышленной площадки на базе динамической информационной модели энергосистемы, внедрение микрогрид и внедрению агрегаторов распределенных энергоресурсов («виртуальных энергостанций»), облачный сервис для проактивного управления подключенными устройствами в городской середе и сервисы биллинга и расчетов на основе открытой платформы.

Должны быть разработаны: система коллективного планирования и развития инфраструктур, новые механизмы работы энергетических рынков на основе интеллектуальных энергосистем, технологии управления сложнозамкнутыми системами с высокой степенью неопределенности, технологии взаимодействия человека с интеллектуальными системами, технологии порождающегося проектирования интеллектуальных энергосистем и технологии химического связывания и выделения водорода.

В дорожной карте запланировано создание следующих систем: ИТ-платформа EnergyNet, поддерживающая реализацию стандартов интеллектуальной энергетики стран БРИКС, система проактивного управления «умными» домами и зданиями, энергетический роутер на основе твердотельного трасформатора, информационно-управляющая система для микроэлектрической сети, система Model Predictive Control для управления перетоком между микрогридом и внешней энергосистемой, система управления распределенными накопителями электрической энергии для целей управления нагрузкой, виртуальная электростанция как интегрированная система электро-, тепло-и хладоснабжения и мультиагентная автоматизированная система управления технологическими процессами.

Кроме того, дорожная карта предполагает анализ и изменения законодательства в целях снятия барьеров для развития интеллектуальной энергетики, подготовка перечня новых и актуализация существующих стандартов в области энергетики, создание венчурного фонда и акселератора новых технологий интернета вещей.

Плюсы и минусы для реализации дорожной карты

В случае реализации запланированные в дорожной карте мероприятия приведут к следующим положительным результатам: наращивание экспортного потенциала государства и диверсификация структуры валового внутреннего продукта за счет создания устойчивого экспортного потока в «целевые страны» оборудования, программного обеспечения, услуг по инжинирингу комплексных систем и сервисов интеллектуальной энергетики; усиление за счет синергии с технологиями EnergyNet позиций российских компаний, присутствующих на традиционных сегментах глобальных энергетических рынков (атомная энергетика, технологии газовой генерации, технологии когенерации).

Плюсом для ИТ-индустрии станет создание информационно-коммуникационной инфраструктуры, приложений для систем управления технологическими и коммерческими процессами, информационно-аналитических систем и сервисов. Российская микроэлектронная база выиграет от масштабного использования киберфизических устройств, сенсоров, датчиков и актуаторов. Кроме того, произойдет сдерживание роста тарифов, снижение аварийности в инженерных инфраструктурах, энергоснабжение новых потребителей с жесткими требованиями по доступности, надежности и качеству энергии.

Без реализации мероприятий дорожной карты государство будет иметь дело со следующими отрицательными последствиям: продолжающееся технологическое отставание по ключевым направлениям интеллектуальной энергетики; зависимость, как в части технологий, так и в части стандартизации, доминирование решений крупных (преимущественно, зарубежных) корпораций; сдерживание развития экономики за счет низкой эффективности использования инфраструктуры, необходимости вкладывания в воспроизводство и развитие энергетической инфраструктуры новых капитальных затрат, и, как следствие, существенного повышения стоимости электроэнергии.

У компаний-разработчиков будет фрагментарное присутствие на рынке интеллектуальной энергетики с незначительной долей, неразвитость отечественных решений и неготовность к выходу на глобальные рынки. У электросетевых компаний сохранится высокая инертность процесса освоения новых технологий и отсутствие возможностей для существенного наращивания эффективности электросетевого комплекса. А потребители столкнуться с более высокими темпами роста тарифов на электрическую энергию, снижением показателей качества и надежности электроснабжения.

www.cnews.ru

Wi-Fi роутер превратили в источник беспроводного электропитания

Используя экспериментальные роутеры, исследователи подзаряжали различные устройства в шести квартирах, и ни в одной из них новинка не оказала негативного влияния на раздачу интернета

Изображение: Vamsi Talla et al.

Исследователи из Вашингтонского университета во главе с Джошуа Смитом (Joshua Smith) выяснили, что слегка модифицированный Wi-Fi роутер на обычном чипсете может снабжать электричеством различные устройства, от температурных сенсоров до камер небольшого разрешения. При этом такое необычное использование роутера не приводит к существенному снижению качества предоставляемой им связи. Препринт соответствующей работы выложен на arXiv.org.

Разработчики новой системы под названием PoWiFi (Power over WiFi) использовали для экспериментального роутера массовые чипсеты Atheros AR9580. Модификация касалась только режима использования такого устройства: вместо того, чтобы отправлять радиосигнал тогда, когда об этом просит клиентское устройство, новый роутер дает сигнал постоянно. Когда он не полностью загружен запросами от клиентов локальной сети, роутер выдает в эфир «шум», излучение, не несущее информацию, но зато обеспечивающее небольшим количеством энергии любое устройство, оснащенное их Wi-Fi-приемником. При этом радиоволны отправляются сразу по нескольким каналам Wi-Fi диапазона (1, 6, 11).

В ходе опытов по оценке эффективности такой схемы исследователи создали два модифицированных устройства (температурный сенсор и камеру), питавшихся только от Wi-Fi-радиосигналов. Приемники, использованные для сбора энергии от таких радиосигналов, были собраны авторами работы из имеющихся в продаже аналоговых устройств, используемых в радиотехнике.

На входе в их собирающее энергию приемное устройство находилась антенна, за ней – выпрямитель с конденсатором (первый вариант) или компактной батареей (второй вариант). Разработчикам удалось добиться устойчивой подпитки температурного сенсора на расстоянии в 6 метров от их роутера, а для камеры (OV7670, VGA, Omnivision) – 5,1 метров для конденсаторного варианта и до 8 метров для аккумуляторного. Камера делала один черно-белый снимок 174 x 144 раз в 35 минут.

Камера, снимающая с такими большими промежутками, или сенсор, передающий данные об окружающей среде раз в 15 минут, могут быть оснащены датчиком движения, потребляющим на порядки меньше энергии, чем само устройство. При этом сенсоры будут срабатывать лишь тогда, когда заметят движение. По мнению авторов, это показывает потенциальную применимость такого Wi-Fi питания для полностью автономных следящих устройств, популярного средства негласного наблюдения. В соответствующем эксперименте авторы смогли снабжать энергией камеру, находящуюся за стеной.

Ранее ряд стартапов пытался вывести на рынок собственные средства зарядки мобильных устройств с использованием радиосигналов Wi-Fi диапазона. В частности стартап Energeous достиг дальности подзарядки смартфона в 4,5 метра. При этом мощность его специализированного устройства позволяла запитывать от него даже самые требовательные смартфоны, чего методы группы Джошуа Смита на таком расстоянии пока не позволяют. Однако в случае Energeous речь шла о необходимости приобретения отдельного устройства, подключаемого в розетку и не несущего функций Wi-Fi-роутера.

Вариант использования слегка модифицированного роутера, попутно занимающегося передачей данных по локальной сети, может быть более перспективным экономически, тем более что компоненты для них уже находятся в массовом производстве и сравнительно дешевы, отмечают авторы.

nplus1.ru

Как правильно настроить Wi-Fi / Хабр

Введение

Думаю, не ошибусь сильно, если у большинства из нас подключение к интернету выглядит следующим образом: есть некоторый довольно скоростной проводной канал до квартиры (сейчас уже и гигабит не редкость), а в квартире его встречает роутер, который раздаёт этот интернет клиентам, выдавая им «чёрный» ip и осуществляя трансляцию адресов.

Довольно часто наблюдается странная ситуация: при скоростном проводе, с роутера раздаётся совсем узенький wifi-канал, не загружающий и половины провода. При этом, хотя формально Wi-Fi, особенно в его ac-версии поддерживает какие-то огромные скорости, при проверке оказывается, что либо Wi-Fi подключается на меньшей скорости, либо подключается, но не выдаёт скорости на практике, либо теряет пакеты, либо всё вместе.

В какой-то момент и я столкнулся с похожей проблемой, и решил настроить свой Wi-Fi по-человечески. На удивление, это заняло примерно в 40 раз дольше, чем я ожидал. Вдобавок, как-то так случилось, что все инструкции по настройке Wi-Fi, которые я находил, сходились к одному из двух видов: в первом предлагали поставить роутер повыше и выпрямить антенну, для чтения второго же мне не хватало честного понимания алгоритмов пространственного мультиплексирования.

Собственно, эта заметка — это попытка заполнить пробел в инструкциях. Я сразу скажу, что задача до конца не решена, несмотря на приличный прогресс, стабильность подключения всё ещё могла бы быть лучше, поэтому я был бы рад услышать комментарии коллег по описанной тематике.

Глава 1:

Итак, постановка задачи

Wifi-роутер, предложенный провайдером, перестал справлять со своими обязанностями: наблюдаются длительные (30 секунд и больше) периоды, когда пинг до точки доступа не проходит, наблюдаются очень длительные (порядка часа) периоды, когда пинг до точки доступа достигает 3500 мс, бывают длительные периоды, когда скорость соединения с точкой доступа не превышает 200 кбит/сек.

Сканирование диапазона с помощью windows-утилиты inSSIDer выдаёт картинку, представленную в начале статьи. В округе наблюдается 44 Wifi SSID в диапазоне 2.4 ГГц и одна сеть в диапазоне 5.2 ГГц.

Инструменты решения

Самосборный компьютер Celeron 430, 2b Ram, SSD, безвентиляторный, две беспроводные сетевые карты на чипе Ralink rt2800pci, Slackware Linux 14.2, Hostapd из Git на сентябрь 2016 года.

Сборка роутера выходит за рамки данной заметки, хотя отмечу, что Celeron 430 хорошо показал себя в безвентиляторном режиме. Отмечу, что текущая конфигурация является последней, но не окончательной. Возможно, улучшения ещё осуществимы.

Решение

На самом деле, решение должно было бы, по хорошему, заключаться в запуске hostapd с минимальным изменениями настроек. Однако, опыт настолько хорошо подтвердил истинность поговорки «гладко было на бумаге, да забыли про овраги», что потребовалось написание этой статьи для систематизации знаний обо всех неочевидных подробностях. Также мне изначально хотелось бы избежать низкоуровневых подробностей для стройности изложения, но выяснилось, что это невозможно.

Глава 2

Немного теории
Частоты
Wi-Fi — это стандарт беспроводных сетей. С точки зрения OSI L2, точка доступа реализует концентратор типа switch, однако чаще всего она также совмещена с коммутатором уровня OSI L3 типа «роутер», что ведёт к изрядной путанице.

Нас же больше всего будет интересовать уровень OSI L1, то есть, собственно, та среда, в которой ходят пакеты.

Wi-Fi — это радиосистема. Как известно, радиосистема состоит из приёмника и передатчика. В Wi-Fi точка доступа и клиентское устройство осуществляют обе роли по очереди.

Wi-Fi-передатчик работает на некоторой частоте. Частоты эти занумерованы, и каждому номеру соответствует некоторая частота. Важно: несмотря на то, что для любого целого числа существует теоретическое соответствие этому числу некоторой частоты, Wi-Fi может работать только в ограниченных диапазонах частот (их три, 2.4 ГГц, 5.2 ГГц, 5.7 ГГц), и только на некоторых из номеров.

Полный список соответствий можно посмотреть в Wikipedia, нам же важно, что при настройке точки доступа, необходимо указать, на каком именно канале будет находиться несущая частота нашего сигнала.

Неочевидная деталь: не все Wi-Fi стандарты поддерживают все частоты.

Wi-Fi-стандартов есть два: a и b. «a» старше и работает в диапазоне 5ГГц, «b» новее и работает в диапазоне 2.4 ГГц. При этом b медленнее (11 mbit вместо 54 mbit, то есть, 1.2 мегабайта в секунду вместо 7 мегабайт в секунду), а диапазон 2.4 ГГц уже и вмещает меньше станций. Почему так — загадка. Вдвойне загадка, почему точек доступа стандарта а практически нет в природе.

image (Картинка позаимствована из Википедии.)

image

(На самом деле, я немного лукавлю, потому что a поддерживает ещё частотный диапазон 3.7 ГГц. Однако, ни одного устройства, знающего что-нибудь про этот диапазон, мне не доводилось увидеть.)

Подождите, спросите вы, но есть же ещё 802.11g, n, ac — стандарты, и они-то, кажется, как раз должны побивать по скорости несчастные a и b.

Но нет, отвечу я вам. Стандарт g — это запоздалая попытка довести скорость b до скорости a, в диапазоне 2.4 ГГц. Но зачем, вы ответите мне, ты вообще вспоминал про b? Ответ, потому что несмотря на то, что диапазоны обоих b и g называются 2.4, на самом деле они чуть-чуть отличаются, и диапазон b на один канал длиннее.

Стандарты же n и ac вообще не имеют отношения к диапазонам — они регламентируют скорость, и только. Точка стандарта n может быть как «в базе» a (и работать на 5 Ггц), так и «в базе» b и работать на 2.4 ГГц. Про точку стандарта ac я не знаю, потому что не видел.

То есть, когда вы покупаете точку доступа n, нужно очень внимательно посмотреть, в каких диапазонах это n работает.

Важно, что в один момент времени один Wi-Fi чип может работать только в одном диапазоне. Если же ваша точка доступа утверждает, что может работать в двух одновременно, как например, делают бесплатные роутеры от популярных провайдерах Virgin или British Telecom, значит в ней на самом деле два чипа.

Ширина канала
На самом деле, я должен извиниться, потому что ранее сказал, что некий диапазон длиннее другого, не объяснив, что такое «длиннее». Вообще говоря, для передачи сигнала важна не только несущая частота, но и ширина кодированного потока. Ширина — это в какие частоты выше и ниже несущей может залезать имеющийся сигнал. Обычно (и к счастью, в Wi-Fi), каналы симметричные, с центром в несущей.

Так вот в Wi-Fi могут быть каналы шириной 10, 20, 22, 40, 80 и 160 МГц. При этом точек доступа с шириной канала в 10 МГц я никогда не видел.

Так вот, одним из самых удивительных свойств Wi-Fi является то, что несмотря на то, что каналы пронумерованы, они пересекаются. Причём не только с соседями а аж с каналами через 3 от себя. Иными словами, в диапазоне 2.4 ГГц только точки доступа, работающие на каналах 1, 6 и 11 — не пересекаются потоками шириной в 20 МГц. Иными словами, только три точки доступа могут работать рядом так, чтобы не мешать друг другу.

Что же такое точка доступа с каналом шириной 40 МГц? Ответ — а это точка доступа, которая занимает два канала (непересекающихся).

Вопрос: а сколько каналов шириной 80 и 160 МГц вмещается в диапазон 2.4 ГГц?

Ответ:Ни одного.

Вопрос, а на что влияет ширина канала? Точного ответа на этот вопрос я не знаю, проверить не смог.

Я знаю, что если сеть пересекается с другими сетями, стабильность соединения будет хуже. Ширина канала 40 МГц даёт больше пересечений и хуже соединение. Согласно стандарту, если вокруг точки есть работающие другие точки доступа, режим 40 МГц не должен включаться.

Верно ли, что вдвое большая ширина канала вдвое даёт большую пропускную способность? Вроде бы, да, но проверить невозможно.

Вопрос: Если на моей точке доступа три антенны, верно ли, что она может создавать три пространственных потока и утроить скорость соединения?

Ответ: неизвестно. Может так оказаться, что из трёх антенн, две могут заниматься только отправкой, но не приёмом пакетов. И скорость сигнала будет несимметричная.

Вопрос: Так сколько же мегабит даёт одна антенна?

Ответ: Можно посмотреть вот здесь en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11n-2009#Data_rates Список странный и нелинейный.

Очевидно, самый важный параметр — это MCS-индекс, который именно и определяет скорость.

Вопрос: Откуда берутся такие странные скорости?

Ответ: Есть такая вещь как HT Capabilities. Это опциональные фишечки, которые могут чуть-чуть править сигнал. Фишечки бывают как очень полезные: SHORT-GI добавляет чуть-чуть скорости, около 20 мбит, LDPC, RX STBC, TX STBC добавляют стабильности (то есть должны уменьшать пинг и потерю пакетов). Впрочем, ваше железо может запросто их не поддерживать и при этом быть вполне «честным» 802.11n.

Мощность сигнала
Самый простой способ бороться с плохой связью — это вжарить больше мощности в передатчик. В Wi-Fi бывает мощность передачи до 30 dBm.

Глава 3

Решение задачи

Из всего вышеперечисленного винегрета, казалось бы, можно сделать следующий вывод: у вайфая можно реализовать два «режима» функционирования. «Улучшающий скорость» и «улучшающий качество».

Первый, казалось бы, должен говорить: бери самый незанятый канал, ширину канала 40 МГц, антенн побольше (желательно, 4), и добавляй побольше Capabilities.

Второй — убирай всё, кроме базового n-режима, включай мощность побольше, и включай те Capabilities, которые добавляют стабильности.

Вспоминая ещё раз пословицу про овраги, опишем, какие именно неровности местности ждут нас при попытке реализации планов 1 и 2.

Овраг нулевой
Хотя чипсеты семейства Ralink rt2x00 являются самыми популярными чипсетами с поддержкой стандарта n и встречаются как в картах высокого ценового диапазона (Cisco), так и диапазона бюджетного (TRENDNET), и более того, выглядят в lspci совершенно однаково, они могут обладать кардинально разным функционалом, в частности, поддерживать только диапазон 2.4, только диапазон 5ГГц, или поддерживать непонятно чем ограниченные части обеих диапазонов. В чём отличия — загадка. Также загадка, почему карта с тремя антеннами поддерживает только Rx STBC в два потока. И почему они обе не поддерживают LDPC.
Первый овраг
В диапазоне 2.4 есть только три непересекающихся канала. На эту тему мы уже говорил и я не буду повторяться.
Второй овраг
Не все каналы позволяют увеличивать ширину канала до 40 МГц, более того, на какую ширину канала согласится карта, зависит от чипсета карты, производителя карты, загрузки процессора и погоды на Марсе.
Третий, и самый большой овраг
Regulatory domain

Если вам не хватало для счастья того, что сами стандарты Wi-Fi представляют из себя знатный винегрет, то возрадуйтесь тому, что каждая страна мира стремится всякими разными способами Wi-Fi ущемить и ограничить. У нас в Великобритании всё ещё не так плохо, в отличие, скажем, от тех же США, где Wi-Fi спектр зарегулирован до невозможности.

Так вот, регуляторный домен может требовать ограничений на мощность передатчика, на возможность запустить на канале точку доступа, на допустимые технологии модуляции на канале, а также требовать некоторых технологий «умиротворения спектра», таких как DFS (динамический выбор частоты), детекция радара (которая ещё у каждого регдомена своя, скажем, в Америках почти всюду предлагаемая FCC, в Европе другая, ETSI), или auto-bw (я не знаю, что это такое). При этом со многими из них точка доступа не заводится.

Многие регуляторные домены просто запрещают некоторые частоты в принципе.

Задать регуляторный домен можно командой:

iw reg set NAME Регуляторный домен можно не задавать, но тогда система будет руководствоваться объединением всех ограничений, то есть самым худшим вариантом из возможных.

По счастью, во-первых данные по регуляторным доменам есть в открытом доступе на сайте ядра:

git.kernel.org/cgit/linux/kernel/git/sforshee/wireless-regdb.git/tree/db.txt

И по ним можно искать. В принципе, вероятно, можно пропатчить ядро так, чтобы оно игнорировало регуляторный домен, но это надо пересобирать ядро или как минимум регуляторный демон crda.

По счастью, команда iw phy info выводит все возможности нашего устройства, с учётом (!) регуляторного домена.

Итак, как же нам поправить состояние нашего Wi-Fi?

Для начала найдём страну, в которой не запрещён 13 канал. Путь хотя бы половина частоты будет пустой. Ну, таких стран довольно много, хотя некоторые, не запрещая его в принципе, однако запрещают на нём или режим высокой скорости n, или вообще создание точки доступа.

Но одного 13 канала нам мало — ведь мы хотим соотношение сигнал-шум побольше, а значит хотим запускать точку с силой сигнала 30. Ищем-ищем в CRDA, (2402 - 2482 @ 40), (30) 13 канал, ширина 40 МГц, сила сигнала 30. Есть такая страна, Новая Зеландия.

Но что это, на частоте 5 ГГц требуется DFS. Вообще, это теоретически, поддерживаемая конфигурация, но почему-то не работает.

Факультативная задачка, выполнимая людьми с повышенными социальными навыками:

Собрать подписи/движение в поддержку ускоренного перелицензирования Wi-Fi-диапазонов в ITU (ну, или хотя бы в вашей стране) в целом в сторону расширения. Это вполне реально, какие-нибудь депутаты (и кандидаты в депутаты), жаждущие политических очков, будут рады вам помочь.

image

Это овраг номер 4
Точка доступа может не заводиться при наличии DFS, без объяснения причин. Итак, какой же регуляторный домен нам выбрать?

Есть такая! Самая свободная страна в мире, Венесуэла. Её регуляторный домен — VE.

Полные 13 каналов диапазона 2.4, с мощностью 30 dBm, и сравнительно расслабленный 5ГГц диапазон.

Задача со звёздочкой. Если у вас в квартире совсем катастрофа, даже хуже, чем у меня, для вас есть отдельный, бонусный уровень.

Регуляторный домен «JP», Япония, позволяет делать уникальную вещь: запускать точку доступа на мифическом, 14 канале. Правда, только в режиме b. (Помните, я говорил, что между b и g всё-таки есть маленькие отличия?) Поэтому если у вас всё уж совсем плохо, то 14 канал может быть спасением. Но опять же, его физически поддерживает немного что клиентских устройств, что точек доступа. Да и максимальная скорость в 11 Мбит несколько обескураживает.

Копируем /etc/hostapd/hostapd.conf в два файла, hostapd.conf.trendnet24 и hostapd.conf.cisco57

Правим тривиальным образом /etc/rc.d/rc.hostapd, чтобы запускал две копии hostapd.

В первом указываем канал 13. Правда, ширину сигнала указываем 20 МГц (capability 40-INTOLERANT), потому что во-первых, так мы будем теоретически стабильнее, а во-вторых, «законопослушные» точки доступа просто не будут запускаться на 40 МГц из-за того, что забитый диапазон. Ставим capability TX-STBC, RX-STBC12. Плачем, что capabilities LDPC, RX-STBC123 не поддерживаются, а SHORT-GI-40 и SHORT-GI-20 хотя и поддерживаются и чуть-чуть улучшают скорость, но и чуть-чуть понижают стабильность, а значит, их убираем.

Правда, для любителей можно пропатчить hostapd, чтобы появилась опция force_ht40, но в моём случае это бессмысленно.

Если вы находитесь в странной ситуации, когда точки доступа то включаются то выключаются, то для особых гурманов можно пересобрать hostapd с опцией ACS_SURVEY, и тогда точка будет сама сначала сканировать диапазон и выбирать наименее «шумящий» канал. Более того, в теории она даже должна мочь переходить по собственному желанию с одного канала на другой. Мне, правда, эта опция не помогла, увы :-(.

Итак, наши две точки в одном корпусе готовы, запускаем сервис:

/etc/rc.d/rc.hostapd start Точки успешно стартуют, но…

Но та, что работает на диапазоне 5.7 — не видна с планшета. Что за чертовщина?

Овраг номер 5
Проклятый регуляторный домен работает не только на точке доступа, но и на приёмном устройстве.

В частности, мой Microsoft Surface Pro 3, хотя и сделан для европейского рынка, в принципе не поддерживает диапазон 5.7. Пришлось переключиться в 5.2, но тут хоть завёлся режим 40 Мгц.

Овраг номер 6
Всё завелось. Точки стартовали, 2.4 показывает скорость 130 Мбит (был бы SHORT-GI, было бы 144.4). Почему карта с тремя антеннами поддерживает только 2 пространственных потока — загадка.
Овраг номер 7
Завести-то завелось, а иногда скачет пинг до 200, и всё тут.

А секрет вовсе не в точке доступа прячется. Дело в том, что по правилам Microsoft, драйвера Wi-Fi карты сами должны содержать ПО для поиска сетей и подключения к ним. Всё как в старые-добрые времена, когда 56к-модем должен был иметь при себе звонилку (которую мы все меняли на Shiva, потому что звонилка, идущая в штатной поставке Internet Explorer 3.0 была слишком уж ужасна) или ADSL-модем должен был иметь клиент PPPoE.

Но и о тех, у кого штатной утилиты нет (то есть, о всех на свете!), Microsoft позаботилась, сделав так называемую «автоконфигурацию Wi-Fi». Эта автоконфигурация жизнерадостно плюёт на то, что к сети мы уже подключены, и каждые Х секунд сканирует диапазон. В Windows 10 даже нет кнопки «обновить сети». Работает отлично, пока сетей вокруг две-три. А когда их 44, система замирает и выдаёт несколько секунд пинга 400.

«Автоконфигурацию» можно отключить командой:

netsh wlan set autoconfig enabled=no interface="???????????? ????" pause Лично я даже сделал себе на десктопе два батника «включить autoscan» и «выключить autoscan».

Да, прошу обратить внимание, что если у вас русский Windows, то скорее всего сетевой интерфейс будет иметь название на русском языке в кодировке IBM CP866.

Саммари

Я накатал довольно длинную простыню текста, и должен был бы завершить её кратким резюме самых важных вещей:

1. Точка доступа может работать только в одном диапазоне: 2.4 или 5.2 или 5.7. Выбирайте внимательно.2. Лучший регуляторный домен — это VE.3. Команды iw phy info, iw reg get покажут вам, что вы можете.4. 13 канал обычно пустует.5. ACS_SURVEY, ширина канала 20 МГц, TX-STBC, RX-STBC123 улучшат качество сигнала.6. 40 МГц, больше антенн, SHORT-GI увеличат скорость. 7. hostapd -dddtK позволяет запустить hostapd в режиме отладки.8. Для любителей можно пересобрать ядро и CRDA, увеличив мощность сигнала и сняв ограничения регуляторного домена.9. Автопоиск Wi-Fi в Windows отключается командой netsh wlan set autoconfig enabled=no interface="???????????? ????"10. Microsoft Surface Pro 3 не поддерживает диапазон 5.7 ГГц.

Послесловие

Я большинство материалов, использованных при написании данного руководства, найдены либо в гугле, либо в манах к iw, hostapd, hostapd_cli.

На самом деле, проблема ТАК И НЕ РЕШИЛАСЬ. Временами пинг всё равно скачет до 400 и стоит на таком уровне, даже для «пустого» диапазона в 5.2 ГГц. Посему:

Ищу в Москве спектроанализатор Wi-Fi диапазона, укомплектованный оператором, с которым можно было бы проверить, в чём вообще проблема, и не заключается ли она в том, что неподалёку находится очень важное и секретное военное учреждение, о котором никто не знает.

Постскриптум

Wi-Fi работает на частотах от 2 ГГц до 60 ГГц (менее распространённые форматы). Это даёт нам длину волны от 150мм до 5мм. (Почему вообще мы меряем радио в частотах, а не в длинах волн? Так же удобнее!) У меня, в целом, возникает мысль, купить обои из металлической сетки в четверть длины волны (1 мм хватит) и сделать клетку Фарадея, чтобы гарантированно изолироваться от соседского Wi-Fi, да и заодно от всего другого радиооборудования, вроде DECT-телефонов, микроволновок и дорожных радаров (24 ГГц). Одна беда — будет блокировать и GSM/UMTS/LTE-телефоны, но можно выделить для них стационарную точку зарядки у окна.

Буду рад ответить на ваши вопросы в комментариях.

habr.com


Смотрите также