Исследование альтернативной сети проводной связи и разработка методов ее построения на инфраструктуре электрических сетей

Процессы развития сетей связи, формирования рынков телекоммуникационных услуг, повышения качества и надёжности средств связи, проходящие на Западе не одно десятилетие, идут сегодня и в России. Отличительная особенность протекания этих процессов в России заключается в том, что темпы преобразований должны быть существенно выше. В первую очередь это относится к построению транспортной сети (ТС) и сети абонентского доступа (СД). Для ускорения темпов их модернизации необходимо внедрение новых технологий. В том числе передовых технологий использования инфраструктуры электрических сетей для построения надёжной и разветвлённой альтернативной сети проводной связи.

В последнее время отчётливо наметился процесс интеграции инфраструктур электрических сетей и сетей телекоммуникационных. Предпосылками этому послужили с одной стороны слабая инфраструктура российской проводной связи, а с другой — широкая распространённость электрических сетей, остро нуждающихся в современных автоматизированных системах управления и контроля.

Ярким примером такого рода интеграции является технология ВОЛП-ВЛтехнологии подвески волоконно-оптических кабелей на опоры высоковольтных линий электропередачи. Об этом факте свидетельствует широкое применение этой технологии для строительства линий передачи ТС.

Сегодня в центре внимания мировой научно-технической общественности находится технология PLT (Power Line Telecommunications) — технология передачи информации непосредственно по проводам электрических сетей. Об этом свидетельствует большое количество международных конференций проведённых по этой тематике за последние два года. По мнению многих передовых зарубежных телекоммуникационных и электроэнергетических компаний широкое применение именно этой технологии на СД позволит не только снять проблему «последней мили» для операторов связи и Internet-провайдеров, но и обеспечит практически всеобщий прямой доступ в Internet по крайне низким ценам без загрузки телефонных абонентских линий.

На сегодняшний день существует три основные концепции построения широкополосных сетей электросвязи развитых стран:

• гибридная волоконно-коаксиальная сеть HFC (hibrid fiber/coax);

• «волокно в монтажный шкаф» FTTC (fiber to the curb);

• «волокно в квартиру» FTTH (fiber to the home).

Практически все они используют в той или иной степени волоконно-оптические кабели, которые значительно увеличивают пропускную способность и позволяют внедрять новые широкополосные услуги. Основное различие этих трёх концепций состоит в том, насколько близко оптическое волокно приближается к абонентскому терминалу.

Очевидно, что концепция «волокно в квартиру» FTTH (fiber to the home) является на сегодняшний день не только самой перспективной, но и самой дорогой. Успех в её развитии во многом зависит от того, как сильно будут снижаться стоимость волоконно-оптических компонентов, в особенности лазерных передатчиков, а также расценки на инсталляцию таких кабельных систем.

Гибридная волоконно-коаксиальная сеть HFC (hibrid fiber/coax) строится на основе коаксиальной и волоконно-оптической кабелных систем и использует лучшие черты каждой из них. Сеть HFC менее дорогая по сравнению с сетью, в которой волокно идёт непосредственно в каждый дом (концепция FTTH) — только крупные предприятия могут позволить себе доведение волокна непосредственно до офиса. В то же время сеть HFC предоставляет значительно больше услуг, чем традиционные сети. К таким услугам относятся: видеосервис, телефония, интерактивные службы, службы передачи данных и др. Основным недостатком сетей HFC является то, что коаксиальные кабели не обеспечивают «запаса ресурса» СД для предоставления новых услуг в будущем, а их стоимость практически не отличается от стоимости волоконно-оптических кабелей.

Концепция «волокно в монтажный шкаф» FTTC (fiber to the curb) обеспечивает один из простейших и менее дорогих способов наращивания сети и предоставления новых услуг абонентам. В FTTC волоконно-оптический кабель из центрального узла (районной АТС или узла оператора услуг связи) приходит в монтажный шкаф (curb). Монтажный шкаф, который оснащается электронным распределительным оборудованием, может быть как уличного исполнения, так и исполнения для установки внутри помещений. От шкафа к абонентам ведут витые пары. В отличие от телефонных пар, эти витые пары имеют лучшие технические характеристики и значительно меньшую длину (до 100 м), что обеспечивает им значительно выше пропускную способность (до 100 Мбит/с и более). Поэтому открывается возможность новым интерактивным услугам, среди которых: Internet, видеоконференции, приём сжатых видеопередач и т. д.

На современном этапе развития глобальной телекоммуникационной инфраструктуры по-прежнему актуальным остаётся вопрос построения СД («последней мили»). Повышенное внимание к «последней миле» вызвано двумя факторами. С одной стороны — современные магистральные, внутризоновые, а не редко и местные линии связи — это волоконно-оптические линии связи с практически неограниченной пропускной способностью. С другой стороны — современные абонентские терминалы позволяют принимать, обрабатывать и передавать большие объёмы информации. Камнем преткновения является именно «последняя миля» .

Затраты на построение абонентских линий (AJ1) СД, т. е. участка сети от монтажного шкафа до абонентского терминала составляют по оценкам различных источников от 40 до 80% стоимости сооружения сети связи в целом. Очевидно, что снижение стоимости построения СД является на сегодняшний день актуальной научной задачей, так как её решение позволит привлечь большое число новых абонентов.

Сегодня быстрыми темпами идёт модернизация существующих и создание новых сетей абонентского доступа. Для решения такого рода задач, применяется широкий спектр современных и нестандартных технических решений. От простого уплотнения каналов медных кабелей до построения сетей фиксированного радиодоступа. Радикально новым подходом к решению этой задачи является использование проводоз низковольтной распределительной электрической сети (НРС) в качестве среды передачи сети связи.

Сложность организации связи по линиям НРС заключается в том, что существующие электрические сети первоначально не предназначались для передачи информации. Они характеризуются высоким уровнем шумов, быстрым затуханием высокочастотного сигнала, а также тем, что параметры передачи, постоянные для традиционных физических сред, существенно меняются во времени в зависимости от текущей нагрузки.

Широкое применение технологии PLT удовлетворит всему ряду требований, предъявляемых к современной СД. Основные требования, предъявляемые к СД, вытекают из задач, стоящих перед современным оператором телекоммуникационной сети. Эти требования таковы:

1. Быстрое подключение новых абонентов.

2. Возможность предоставления новых услуг.

3. Минимизация стоимости СД и эксплуатационных затрат.

4. Возможность экономичного перераспределения ресурсов СД и предоставления широкополосных услуг по требованию.

5. Обеспечение «запаса ресурса» СД для предоставления новых услуг в будущем.

Все три, упомянутые выше, концепции предусматривают применение ВОЛП для построения транспортного участка сети. ВОЛП полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современной цифровой сети связи. Известно, что ВОЛП имеют большой запас пропускной способности, который может быть задействован в будущем. По мере роста пропускной способности будут расти и требования к надёжности. Поэтому уже сегодня необходимо запастись «универсальными инструментами» обеспечения заданных высоких ' показателей надёжности ВОЛП.

Одной из самых эффективных новых технологий сооружения линий передачи ТС является технология сооружения ВОЛП с помощью оптического кабеля, встроенного в грозозащитный трос воздушных линий электропередачи (ВЛ). Для таких линий передачи и такой технологии их сооружения принято сокращение ВОЛП-ВЛ, однозначно понимаемое в контексте.

ВОЛП-ВЛ находится под постоянным воздействием окружающей среды. Это обстоятельство поставило задачу обеспечения её надёжного функционирования. Эта актуальная и сложная задача может быть решена только с помощью современных научных методов.

Таковы исходные предпосылки темы диссертации: «Исследование альтернативной сети проводной связи и разработка методов её построения на инфраструктуре электрических сетей».

По классификации ВАК эта тема относится к научной специальности 05.12.14 «Сети, узлы связи и распределение информации», так как соответствует формуле специальности, занимающейся разработкой научных основ и созданием. сетей связи. и их компонентов, имеет адекватное значение, которое заключается в создании и совершенствовании ВСС РФ, соответствует 2-ой /Исследование внутренних параметров сетей связи (пропускная способность, надёжность.)/ и 3-ей области исследования /Исследование внешних воздействий и повышение живучести сети/.

На основании вышеизложенного можно сформулировать цель диссертации: Исследование внутренних параметров и внешних воздействий на альтернативную проводную сеть связи и разработка методов построения разветвлённой сети доступа и высоконадёжной транспортной сети на инфраструктуре электрических сетей.

Основные задачи диссертации можно сформулировать следующим образом: 1. Разработать математическую модель физической среды передачи сигналов связи по сети электроснабжения 220/380, 50 Гц в пределах одной трансформаторной подстанции.

2. Разработать метод теоретического расчёта разветвлённой неоднородной цепи, позволяющий определять параметры передачи в широком диапазоне частот с учётом нестационарного характера нагрузок на концах ответвлений.

3. На основании разработанного метода провести теоретический расчёт и построить частотные зависимости параметров передачи НРС в широком диапазоне частот с учётом нестационарного характера нагрузок на концах ответвлений.

4. Провести экспериментальное исследование собственных помех в распределительных сетях промышленного, городского и сельскохозяйственного назначения в диапазоне частот до 2 МГц.

5. Провести исследование протяжённых рядов наблюдений климатических факторов.

6. Разработать методику предсказания экстремальных условий окружающей среды на весь срок службы ВОЛП-ВЛ.

7. Разработать рекомендации по обеспечению заданных параметров надёжности ТС.

Предметом исследования при решении поставленных задач являются следующие объекты теоретического анализа и экспериментальной оценки:

1. Электрические параметры воздушных и кабельных линий электропередачи, характеризующие процесс распространения по ним электромагнитной энергии.

2. Математическая модель неоднородной цепи, позволяющая в широком диапазоне частот определять рабочее затухание между любыми двумя ответвлениями с учётом случайного характера нагрузок на концах ответвлений.

3. Основные типы городских и сельских линий низковольтной распределительной электрической сети, которые могут быть использованы для построения разветвлённой СД.

4. Механическая прочность конструктивных элементов ВОЛП-ВЛ при экстремальных условиях окружающей среды.

5. Коэффициент готовности ВОЛП-ВЛ, рассматриваемый как функция двух аргументов: плотности повреждений и среднего времени восстановления.

6. Протяжённые ряды наблюдений за температурой воздуха, скоростью и направлением ветра, толщиной гололёдно-изморозевых отложений и интенсивностью грозодеятельности, позволяющие делать прогностические оценки этих климатических параметров на весь срок службы ВОЛП-ВЛ.

Методы исследования поставленных задач включают в себя: * Теорию связи по проводам- > Теоретические основы электротехники- ^ Теорию подобия и моделирования;

Математическое моделирование на ЭВМ сложных физических процессов;

Теорию электрических сетей;

Основы теории комплексных функций;

Теорию электромагнитных волн;

Теорию надёжности протяжённых технических объектовМетоды теории вероятностей и математической статистикиМетоды анализа и прогноза случайных процессов.

Структура диссертационной работы соответствует принятому способу решения поставленных задач: вначале изложены результаты разработки методов теоретического анализа, затем — методов экспериментальных исследований, а в завершении приведены результаты исследования и даны практические рекомендации по их использованию.

Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. В формализованном введении дано расширенное пояснение названияобоснована актуальность проведённого исследованияуказаны предмет, цель и конкретные задачи исследованияперечислены методы, использованные при решении поставленных задачпоказана научная новизна и практическая ценность диссертациисформулированы основные положения, которые выносятся на защиту.

4.5. Выводы по четвёртой главе.

Проведён анализ теоретических основ долгосрочного прогнозирования климата, в результате которого установлена и обоснована возможность эффективного прогнозирования климатических факторов на срок 25−30 и более лет. Такой прогноз позволяет обеспечивать заданные показатели надёжности на весь срок службы ВОЛП-ВЛ.

Разработана методика предсказания экстремальных условий функционирования ВОЛП-ВЛ. Исходными данными для предсказания послужили протяжённые ряды наблюдений за климатическими факторами. Поставленная задача решена с использованием методов теории вероятностей и математической статистики, а также методов анализа и прогноза случайных процессов. Разработанная методика позволяет определять характер и оценивать вероятность изменения любого климатического фактора с заданной точностью. Оправдываемость и заблаговременность прогноза проверены на примере исследования 100-летнего ряда наблюдений за температурой воздуха в Якутске в самые холодные месяцы года. Точность прогноза зависит от объёма и качества исходных данных. Разработанная методика является универсальной и может быть легко переориентирована на использование в других областях для решения подобных задач.

Разработаны рекомендации по обеспечению заданных показателей надёжности транспортной телекоммуникационной сети, которые представляют собой системный подход к решению проблемы и являются наиболее эффективным способом повышения надёжности транспортной телекоммуникационной сети. Эти рекомендации определяют основные направления по обеспечению и поддержанию надёжности функционирования ВОЛП-ВЛ при проектировании строительстве и эксплуатации. Они содержат основные требования к конструктивным и прочностным параметрам ОКГТ, требования к опорам и грозостойкам ВЛ, а также методику прогнозирования наименее изученного фактора, влияющего на показатели готовности ВОЛП-ВЛ — фактора воздействия окружающей среды. Предлагаемый в рекомендациях комплекс мероприятий направлен на снижение плотности повреждений, т. е. на получение требуемого коэффициента готовности ВОЛП'-ВЛ, а в конечном счёте на повышение надёжности функционирования ВОЛП-ВЛ. Требования разработанных рекомендаций могут быть использованы для обеспечения заданных показателей надёжности ВОЛП-ВЛ, создаваемых как на действующих, так и на вновь сооружаемых ВЛ напряжением 110 кВ и выше.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Создание Российской информационной инфраструктуры как неотъемлемой части Глобальной информационной инфраструктуры подразумевает построение на территории России надёжной и разветвлённой инфотелекоммуникационной сети. При этом средства информационного обмена должны быть дешевыми и повсеместно доступными. Решение этой задачи неразрывно связано с внедрением современных сетевых технологий на динамично развивающемся и, в то же время, нестабильном российском рынке телекоммуникаций.

В настоящей диссертации проведено исследование сети доступа и транспортной телекоммуникационной сети, основанных на инфраструктуре электроэнергетических сетей. В рамках проведённых исследований решены первостепенные задачи использования наиболее перспективных технологий построения разветвлённой сети доступа (технология РЬТ) и высоконадёжной транспортной сети (технология ВОЛП-ВЛ):

1. Разработаны математическая модель и метод расчёта параметров среды передачи, необходимой для создания разветвлённой сети доступа на основе низковольтной распределительной электрической сети. Разработанная математическая модель и метод теоретического расчёта позволяют моделировать на ЭВМ процессы распространения электромагнитных волн по разветвлённым неоднородным НРС и определять параметры среды передачи в широком, диапазоне частот цифровых систем передачи.

2. При помощи разработанного метода проведён теоретический расчёт параметров среды передачи, образованной проводами воздушных и кабельных линий низковольтной распределительной электрической сети. В результате расчёта определены параметры и получены частотные зависимости волнового сопротивления и собственного затухания основных типов воздушных и кабельных линий, используемых для организации НРС. Также проведены теоретические исследования параметров передачи неоднородной и разветвлённой цепи, которую представляет собой НРС.

3. Проведено экспериментальное исследование промышленных городских и сельских низковольтных распределительных электрических сетей в широком диапазоне частот. Это исследование включило в себя: общий анализ помех в низковольтных распределительных электрических сетях различного назначенияизмерение собственных помех в распределительных сетях промышленного, городского и сельскохозяйственного назначения в диапазоне частот до 2 МГцизмерение собственного затухания в сети электроснабжения промышленного здания.

4. Исследованы условия функционирования ВОЛП-ВЛ и разработаны рекомендации по обеспечению заданных показателей надёжности транспортной телекоммуникационной сети. В них определён комплекс мероприятий, направленный на снижение плотности повреждений, т. е. на получение требуемого коэффициента готовности, а в конечном счёте на повышение надёжности функционирования ВОЛП-ВЛ. Рекомендации содержат методику прогнозирования наименее изученного фактора, влияющего на показатели готовности ВОЛП-ВЛ — фактора воздействия окружающей среды. Прогноз, выполненный по этой методике, позволяет обеспечивать заданные показатели надёжности на весь срок службы ВОЛП-ВЛ, и тем самым делает эту технологию самой оптимальной и перспективной для сооружении линий передачи транспортной телекоммуникационной сети в тяжёлых климатических и географических условиях.

Таким образом, современная цифровая сеть связи может быть целиком построена на базе широко распространённой инфраструктуры электрических сетей. Основу высоконадёжного транспортного участка такой сети составят ВОЛП, использующие оптический кабель встроенный в грозозащитный трос (ОКГТ) высоковольтных (110 кВ и выше) линий электропередачи. Разветвлённая сеть доступа (особенно «последняя миля») строится на основе низковольтной (0,4 кВ) распределительной сети электроснабжения по технологии РЬТ.

В результате научно-обоснованное построение сети доступа и транспортной телекоммуникационной сети на основе широко распространённой инфраструктуры электроэнергетических сетей позволит снизить капитальные и эксплуатационные затраты, связанные со строительством и техническим обслуживанием протяжённых линий связи, а также поможет преодолеть, возникшие уже сегодня и ожидаемые в ближайшем будущем, технические и экономические проблемы построения надёжной и разветвлённой цифровой сети связи России.