Цифровое электричество

К постоянному и переменному току добавился «цифровой». Английская компания VoltServer создаёт сети передачи энергии в импульсном виде по стандартным коммуникационным кабелям типа витая пара категории 2. Импульсы энергии в линии чередуются с измерительными интервалами так, что можно безопасно передавать мощность до 2 кВт на расстояние до 2 км, распределяя энергию между несколькими получателями.

Патентованная технология, названная Digital Electricity, создана для ускорения и упрощения работ по оснащению зданий цифровыми системами видеонаблюдения, точками беспроводного доступа в Интернет, репитерами сотовой связи, информационными панелями и различными устройствами интернета вещей. Идея технологии в том, чтобы передавать энергию через уже имеющиеся во многих офисных зданиях структурированные кабельные системы, не прокладывая новую электропроводку и даже вообще обходясь без услуг электриков.

Понемногу, но часто

Передатчик VoltServer сотни раз в секунду выдаёт энергетические импульсы длительностью 1,1 мс, перемежающиеся диагностическими измерительными интервалами в 400 мкс. После отправки каждого импульса сигнальный процессор измеряет затухание в линии с тем, чтобы определить её состояние. Если затухание изменилось, то есть возникла аварийная ситуация (замыкание, разрыв, ухудшение контакта или подсоединение к линии посторонних цепей), передача мощности сразу прекращается. Поскольку энергия каждого отдельного пакета невелика, она не может нанести вреда людям и другим системам, работающим в здании. Приёмник преобразует полученную импульсную энергию в «аналоговый» переменный или постоянный ток для питания локальных устройств. «Представьте себе мощный поток воды, проходящий по магистральному трубопроводу. Если труба лопнет, вода, находящаяся под высоким давлением, может причинить большой вред. Чтобы подобного не произошло, передаваемый поток разделяется на миллионы капель, - пояснил генеральный директор VoltServer Стивен Ивз. - Капли собирают в месте приёма, чтобы получить требуемое количество воды. Технология Digital Electricity работает аналогично, формируя пакеты с небольшой энергией. Каждый отдельный пакет безопасен; при этом удовлетворяется потребность в суммарной мощности».

По данным компании, оборудование VoltServer уже установлено на сотнях объектов - на стадионах и в аэропортах, в конференц-центрах, в теплицах, в высотных офисных зданиях и отелях. Отметим, что Digital Electricity предоставляет гораздо больше возможностей, чем конкурирующая технология Power over Ethernet (PoE), в которой передаваемая мощность ограничена несколькими десятками ватт. В частности, «цифровое электричество» используется даже для питания больших информационных панелей, не говоря уж о светодиодных светильниках.

Проще простого

В патентной заявке US9853689B2 компания приводит схему (см. рис. 1), на которой видно, что энергетическое наполнение пакета создаётся обычным силовым ключом, подсоединяющим источник постоянного напряжения к витой паре. 

После передачи энергетического импульса контроллер измеряет напряжение в начале линии, которое определяется величиной резистора R3, конденсатора C2, характером подключённой после диода D1 нагрузки и состоянием витой пары вдоль всей передающей линии.

Что произойдёт в аварийной ситуации (см. рис. 2)? Если, скажем, случится разрыв линии, в результате которого конденсатор C2 будет отключён, падение напряжения DV за период измерения резко увеличится. Так же резко оно увеличится и в случае замыкания на линии. Именно такие события разработчики называют «увеличением затухания». Обнаружив его, контроллер прекращает выдачу энергии и сообщает на центральный пульт о возникших проблемах.

В патентной заявке описаны разные варианты применения технологии, включая мультиплексную передачу энергии от нескольких источников.

Шило на цифровое мыло

Конечно, заявление о цифровой передаче электроэнергии выглядит как некоторая натяжка или маркетинговый приём. В патентной заявке авторы устроили подмену понятий: объяснили, что энергия называется цифровой по той простой причине, что она квантуется. (Что делать, если термин «квантовый» уже занят?) По-хорошему цифровой можно считать лишь систему контроля и обеспечения безопасности, которая, по заявлениям компании, предотвратит проблемы даже в случае попыток работать с витой парой обычным образом, используя, в частности, активные кабельные тестеры.

Возможность применения технологии Digital Electricity в каждой стране, конечно, будет зависеть от решений регулирующих органов, которые должны удостовериться, что она удовлетворяет требованиям безопасности и электромагнитной совместимости.

Насчёт безопасности всё непросто. Тонкие медные провода работают на пределе своих возможностей, и поскольку надёжная кабельная изоляция силовой электрической проводки «заменена» на тонкую изоляцию витых пар, которая легче поддаётся электрическим пробоям и механическим разрушениям, во главу угла встаёт предотвращение самых разных инцидентов. Компания указывает, что при увеличении затухания в линии передача энергии по ней прекращается в течение трёх миллисекунд, в то время как нормы электробезопасности в большинстве случаев регламентируют параметры воздействия электрического тока на человека начиная с десяти миллисекунд. Однако нормативные десять миллисекунд - это не безопасный для здоровья интервал, а полупериод переменного сетевого напряжения. В электрических сетях переменного тока нормировать меньшие интервалы не имеет смысла, так как на единицах миллисекунд возникнет неопределённость: синусоидальное напряжение может проходить через ноль, а может и достигать пика.

Фото. Энергоприёмное оборудование 21 века?

Кроме того, из-за отсутствия физических средств обеспечения надёжности электроснабжения, таких как отдельные кабельные лотки и трубы в стенах, монтажные короба и электрические автоматы, вся надежда - на бессбойную работу цифровой системы. Но сложные электронные устройства, во-первых, имеют относительно небольшой срок службы (порядка семи-десяти лет), а во-вторых, подвержены воздействию электромагнитных помех, атмосферного электричества, геомагнитных полей. «Цифровая электропроводка» вполне может зависать и глючить - и это будет сущий кошмар для администраторов системы. Справедливости ради отметим, что компания проработала варианты повышения надёжности путём одновременной передачи энергии по множеству витых пар.

Всё под контролем

Несомненный плюс «цифрового электричества» - это возможность в реальном времени из единого центра контролировать поступление энергии и потребляемую мощность в каждой точке энергосети. Упрощаются и задачи её переконфигурирования. Платой за эти удобства становится необходимость приобретать и устанавливать специальное оборудование - передатчики и приёмники энергии, а также преобразователи напряжения для нагрузок разных типов.

Если сам подход физического совмещения линий передачи энергии и диагностической информации докажет свою эффективность, наверняка будут распространяться другие его варианты, более мощные и не привязанные к коммуникационным и компьютерным кабельным сетям. Кстати, американская компания Belden ещё в 2019 году выпустила специальные кабели для передачи «цифрового электричества». Когда широкий рынок примет новацию, системы электрической проводки в зданиях изменятся кардинальным образом.