變電站第六章第一講

第六章

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信2012年5月廈門工學(xué)院第六章變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信

本章的知識點(diǎn)：掌握數(shù)據(jù)通信的傳輸方式、了解通信的內(nèi)容和通信要求；掌握調(diào)制的三種類型，數(shù)據(jù)通信的工作方式，了解遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的基本模型及差錯(cuò)控制；掌握串行數(shù)據(jù)通信及其接口；循環(huán)式傳輸規(guī)約，局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，了解問答式傳送規(guī)約和現(xiàn)場總線。6.1數(shù)據(jù)通信概述6.2遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信6.3RS232/485串行數(shù)據(jù)通信接口6.4數(shù)據(jù)傳輸中采用的通信規(guī)約6.5變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)6.1數(shù)據(jù)通信概述6.1數(shù)據(jù)通信概述數(shù)據(jù)通信兩個(gè)主要任務(wù)：（1）完成系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)或各種功能模塊間的信息交換（2）完成變電站與控制中心的通信任務(wù)一、變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的通信內(nèi)容（一）變電站內(nèi)的信息傳輸內(nèi)容1、現(xiàn)場一次設(shè)備與間隔層間的信息傳輸：斷路器、隔離開關(guān)、主變壓器分接開關(guān)位置。2、間隔層的信息交換：保護(hù)、測量、監(jiān)視之間的數(shù)據(jù)交換；3、間隔層與變電站層的信息:測量及狀態(tài)信息、操作信息、參數(shù)信息6.1數(shù)據(jù)通信概述（二）綜合自動(dòng)化系統(tǒng)與控制中心的通信內(nèi)容上行信息：變電站向控制中心傳送的信息下行信息：控制中心向變電站傳送的信息這些信息可按“四遙”功能劃分，即：遙測、遙信、遙控和遙調(diào)。1、遙測信息

三繞組變壓器兩側(cè)P、Q、I、U，35kV及以上線路的有功功率級有功電能；各級母線電壓等。2、遙信信息所有斷路器位置信號；控制回路斷線總信號；保護(hù)動(dòng)作信號；反映運(yùn)行方式的隔離開關(guān)位置信號。6.1數(shù)據(jù)通信概述3、遙控信息變電站全部斷路器及能控的隔離開關(guān)；可進(jìn)行電控的主變壓器中性點(diǎn)接地隔離開關(guān)。4、遙調(diào)信息

有載調(diào)壓主變壓器分接頭位置調(diào)節(jié)；消弧線圈抽頭位置調(diào)節(jié)。二、通信的要求（一）變電站通信網(wǎng)絡(luò)的要求1、快速的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力；2、很高的可靠性；3、優(yōu)良的電磁兼容性能；4、分層式結(jié)構(gòu)。6.1數(shù)據(jù)通信概述（二）信息傳輸響應(yīng)速度的要求不同類型和特性的信息要求傳送的時(shí)間差異很大，其具體內(nèi)容如下。1、經(jīng)常傳輸?shù)谋O(jiān)視信息（1）母線電壓、電流、有功/無功功率、功率因數(shù)、零序電壓以及頻率等測量值，一般不宜大于1-2s。（2）計(jì)量用的信息，時(shí)間間隔可以較長。（3）刷新變電站層的數(shù)據(jù)庫，需定時(shí)采集斷路器的狀態(tài)信息，繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置投入和退出的工作狀態(tài)可采用定時(shí)召喚方式。（4）監(jiān)視變電站的電氣設(shè)備的安全運(yùn)行所需的信息。6.1數(shù)據(jù)通信概述2、突發(fā)事件產(chǎn)生的信息（1）系統(tǒng)發(fā)生事故的情況下，需要快速響應(yīng)的信息，要求傳輸時(shí)延最小，優(yōu)先級最高；（2）正常操作時(shí)狀態(tài)變化信息要求立即傳送，傳輸響應(yīng)時(shí)間要小，自動(dòng)智能裝置和繼電保護(hù)裝置的投入和退出信息要及時(shí)傳送。（3）故障情況下，繼電保護(hù)動(dòng)作的狀態(tài)信息和事件順序記錄，這些信息作為事故分析之用，不需要立即傳送，待事故處理完再送即可。（4）故障發(fā)生時(shí)的故障錄波，不必立即傳送。（5）控制命令、升降命令、修改定值命令傳輸?shù)拈g隔時(shí)間較長。（6）智能傳感器和智能執(zhí)行器，取決于正常狀態(tài)時(shí)對模擬量的采樣速率。7.1數(shù)據(jù)通信概述（三）各層次之間和每層內(nèi)部傳輸信息時(shí)間的要求（1）設(shè)備層和間隔層，1～100ms。（2）間隔內(nèi)各個(gè)模塊間，1～100ms。（3）間隔層的各個(gè)間隔單元之間，1～

100ms。（4）間隔層與變電層之間，10～1000ms。（5）變電層的各個(gè)設(shè)備之間，≥1000ms。6.1數(shù)據(jù)通信概述三、數(shù)據(jù)通信的傳輸方式（一）并行數(shù)據(jù)通信與串行數(shù)據(jù)通信

并行數(shù)據(jù)通信是指數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送，如圖1所示?？梢宰止?jié)為單位（8位），也可以字為單位（16位），同時(shí)傳送，同時(shí)接受。優(yōu)點(diǎn)：速度快、每秒可傳輸幾十、幾百兆字節(jié)。缺點(diǎn)：需要的傳輸信號線多，成本高。應(yīng)用：在短距離傳輸中（10m），要求傳輸速度高的場合。圖1并行數(shù)據(jù)傳輸6.1數(shù)據(jù)通信概述串行通信是數(shù)據(jù)一位一位地傳送，如圖2所示。優(yōu)點(diǎn)：可以節(jié)約傳輸線，簡化了接線。缺點(diǎn)：傳輸速度慢，通訊軟件相對復(fù)雜些。應(yīng)用：適合于位數(shù)很多和遠(yuǎn)距離傳送，距離可以達(dá)數(shù)千千米。圖2串行數(shù)據(jù)傳輸6.1數(shù)據(jù)通信概述（二）異步數(shù)據(jù)傳輸和同步數(shù)據(jù)傳輸1、異步數(shù)據(jù)傳輸在串行數(shù)據(jù)傳送中，有異步傳送和同步傳送兩種基本的通信方式。在異步通信方式中，發(fā)送的每一個(gè)字符均帶有起始位、停止位和可選擇的奇偶校驗(yàn)位。用一個(gè)起始位表示字符的開始，用停止位表示字符的結(jié)束構(gòu)成－幀。其幀格式如圖3所示。6.1數(shù)據(jù)通信概述圖3異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷剑╝）一般信息幀（b）ASCII碼幀6.1數(shù)據(jù)通信概述2、同步數(shù)據(jù)傳輸在數(shù)據(jù)塊的開始處集中使用同步字符來做傳遞的指示，其成幀格式如圖4所示。圖4同步數(shù)據(jù)傳輸示意圖6.1數(shù)據(jù)通信概述同步與異步傳輸?shù)膮^(qū)別1,異步傳輸是面向字符的傳輸，而同步傳輸是面向比特的傳輸。2,異步傳輸?shù)膯挝皇亲址絺鬏數(shù)膯挝皇菢E。3,異步傳輸通過字符起止的開始和停止碼抓住再同步的機(jī)會，而同步傳輸則是以數(shù)據(jù)中抽取同步信息。4,異步傳輸對時(shí)序的要求較低，同步傳輸往往通過特定的時(shí)鐘線路協(xié)調(diào)時(shí)序。5,異步傳輸相對于同步傳輸效率較低6.1數(shù)據(jù)通信概述（三）報(bào)文及報(bào)文分組報(bào)文交換的本質(zhì)是存儲轉(zhuǎn)發(fā)。報(bào)文就是站點(diǎn)一次性要發(fā)數(shù)的數(shù)據(jù)塊，其長度不限且可變，當(dāng)一個(gè)站要發(fā)送報(bào)文時(shí)，它將一個(gè)目的地址附加到報(bào)文上，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)報(bào)文上的目的地址信息把報(bào)文發(fā)送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，一直逐個(gè)節(jié)點(diǎn)地轉(zhuǎn)送到目的節(jié)點(diǎn)。6.1數(shù)據(jù)通信概述圖5報(bào)文及報(bào)文分組示意圖P1Pn－報(bào)文分組號Pt01－報(bào)文分組總數(shù)T－到點(diǎn)編號S－源點(diǎn)編號6.2遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信6.2遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信一、遠(yuǎn)距離通信的基本模型圖6遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的基本模型6.2遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信1、信源：電網(wǎng)中的各種信息源，如電壓、電流、頻率、功率、電能脈沖量、各種指令、開關(guān)信號。2、信源編碼器：把各種信源轉(zhuǎn)化成易于數(shù)字傳輸?shù)钠骷?，如A/D。3、信道編碼器：為了保護(hù)所傳輸?shù)男畔?nèi)容，增加保護(hù)碼元。4、調(diào)制器：將基帶數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)制傳送。5、信道：信號遠(yuǎn)距離傳送的載體。6.2遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信6、解調(diào)器：它是調(diào)制器的逆過程，以恢復(fù)基帶信號。7、信道譯碼器：它是編碼器的逆過程，除去保護(hù)碼元獲得發(fā)送側(cè)的二進(jìn)制數(shù)字序列。8、信源譯碼器：它是將二進(jìn)制信號恢復(fù)到模擬信號的過程，例如D/A轉(zhuǎn)換器。9、信宿：信息的接收地或接收人員能觀察的設(shè)備，如電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中的模擬屏、顯示器CRT等，均為信宿。6.2遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信二、數(shù)字信號的調(diào)制與解調(diào)

基帶信號：由信源產(chǎn)生的原始電信號為一系列的方形脈沖，基帶信號不能直接在模擬信道上傳輸，因?yàn)閭鬏斁嚯x越遠(yuǎn)或傳輸速率越高，方形脈沖失真現(xiàn)象就越嚴(yán)重，甚至使正常信號無法進(jìn)行。調(diào)制解調(diào)器：將數(shù)字基帶信號變換成適合于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男盘枺也ㄐ盘?，這種正弦信號攜帶了原基帶信號的數(shù)字信息，通過線路傳輸?shù)浇邮斩撕?，可將攜帶的數(shù)字信號取出來，這就是調(diào)制與解調(diào)的過程。完成調(diào)制與解調(diào)的設(shè)備叫調(diào)制解調(diào)器（MODEM）。6.2遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信

調(diào)制的過程就是按調(diào)制信號（基帶信號）的變化規(guī)律去改變載波的某些參數(shù)的過程。一個(gè)正弦電壓可表示為：

（1）數(shù)字調(diào)幅(ASK)：使用正弦波的振幅隨數(shù)碼的不同而變化，但頻率和相位保持不變。用振幅為0來代替碼元0，振幅為某一值來代表碼元1。（2）數(shù)字調(diào)頻(FSK)：使正弦波的頻率隨數(shù)碼不同而變化，而振幅和相位保持不變。表示數(shù)碼1，表示數(shù)碼0。（3）數(shù)字調(diào)相(PSK)：使正弦波的相位隨數(shù)碼不同而變化，而振幅和頻率保持不變。6.2遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的原理圖8數(shù)字調(diào)制波形圖（a）數(shù)碼（b）調(diào)幅波（c）調(diào)頻波（d）二元絕對調(diào)相波（e）二元相對調(diào)相波06.2遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信圖9數(shù)字調(diào)頻原理圖圖9是用數(shù)字電路開關(guān)來實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制的原理圖。6.2遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的原理圖10零交點(diǎn)檢測法原理圖和相應(yīng)波形圖（a）原理框圖（b）相應(yīng)波形圖數(shù)字調(diào)頻解調(diào)方法—零交點(diǎn)檢測法7.2遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的原理三、數(shù)據(jù)通信的工作方式

根據(jù)收發(fā)通信雙方是否同時(shí)工作，可分為單工、半雙工和全雙工三種不同的方式。圖11數(shù)據(jù)通信三種工作方式（a）單工通信；（b）半雙工通信；（c）四線全雙工6.2遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信（a）單工通信：信息只能按一個(gè)方向傳送的工作方式（b）半雙工：信息可雙向傳輸，但兩個(gè)方向的傳輸不能同時(shí)進(jìn)行，只能分時(shí)交替進(jìn)行，因而半雙工實(shí)際是可以切換方向的單工方式。（c）全雙工：通信雙方可同時(shí)進(jìn)行雙方向的傳送信息。6.2遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信四、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳信息通道有線信道信道明線或電纜信道電力線載波信道光纖信道無線信道微波中繼信道衛(wèi)星信道散射信道短波信道2023/2/41、有線信道(Wirechannel)

它由有形的介質(zhì)構(gòu)成，如雙絞線、同軸電纜、光導(dǎo)纖維等。2、無線信道(Wirelesschannel)

由無形的空間構(gòu)成，信號以電磁波的形式在無線信道中傳播。無線信道可以根據(jù)頻率及傳播方式劃分出各種信道。名稱頻率范圍波長范圍主要傳播方式用途長波30-300kHz1-10km地表面波遠(yuǎn)距離通信、導(dǎo)航中波300-3000kHz0.1-1km地表面波調(diào)幅廣播、船舶通信、飛行通信短波3-30MHz10-100m地表面波電離層反射調(diào)幅廣播、調(diào)幅與單邊帶通信超短波30-300MHz1-10m直射波對流層散射調(diào)頻廣播、調(diào)頻廣播與通信雷達(dá)與導(dǎo)航、移動(dòng)通信微波300MHz以上1m以下直射波微波接力通信、衛(wèi)星通信移動(dòng)通信6.2遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信五、通信規(guī)約的含義在通信網(wǎng)中，為了保證通信雙方能正確、有效、可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在通信的發(fā)送和接收的過程中有一系列的規(guī)定，以約束雙方進(jìn)行正確、諧調(diào)的工作，我們將這些規(guī)定稱為數(shù)據(jù)傳輸控制規(guī)程，簡稱通信規(guī)約。在主站和各個(gè)遠(yuǎn)程終端之間進(jìn)行通信時(shí)，通信規(guī)約明確規(guī)范以下幾個(gè)問題：（1）要用共同的語言。（2）要有一致的操作步驟，即控制步驟。（3）要規(guī)定檢查錯(cuò)誤以及出現(xiàn)異常情況時(shí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)付辦法。

6.2遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信六、數(shù)據(jù)通信的差錯(cuò)控制在信息傳遞過程中，會出現(xiàn)各種干擾使所傳輸?shù)男盘柎a元發(fā)生差錯(cuò)，在一個(gè)實(shí)用的通信中一定要能發(fā)現(xiàn)檢測這種差錯(cuò)，并采取糾正措施，把出錯(cuò)控制在所能允許的盡可能小的范圍內(nèi)，這就是差錯(cuò)控制。差錯(cuò)控制最常用的方法是差錯(cuò)控制編碼。

差錯(cuò)控制編碼：在向信道發(fā)送信息位之前，先按某種關(guān)系加上一定的監(jiān)督位，構(gòu)成一個(gè)碼元再發(fā)送。接收到碼字后查看信息位和冗余位，并檢查它們之間的關(guān)系，以發(fā)現(xiàn)檢查過程是否有差錯(cuò)發(fā)生。差錯(cuò)控制編碼又分為檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼。6.2遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信六、數(shù)據(jù)通信的差錯(cuò)控制最簡單和最常用的檢錯(cuò)方法是奇偶校驗(yàn)，在實(shí)際遠(yuǎn)動(dòng)通信中，常使用循環(huán)冗余校驗(yàn)。

循環(huán)冗余校驗(yàn)：對一個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行校驗(yàn)，對隨機(jī)或突發(fā)差錯(cuò)造成的幀破壞有很好的校驗(yàn)效果。

k位r位(n-k)n位循環(huán)碼信息位檢驗(yàn)位圖14CRC循環(huán)碼格式6.2遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信移位將原信息碼(kbit)左移r位(k+r=n)相除運(yùn)用一個(gè)生成多項(xiàng)式g(x)（也可看成二進(jìn)制數(shù)）用模2除上面的式子，得到的余數(shù)就是校驗(yàn)碼。循環(huán)冗余校驗(yàn)規(guī)則：生成多項(xiàng)式應(yīng)滿足以下原則

a、生成多項(xiàng)式的最高位和最低位必須為1。

b、當(dāng)被傳送信息（CRC碼）任何一位發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，被生成多項(xiàng)式做模2除后應(yīng)該使余數(shù)不為0。

c、不同位發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，應(yīng)該使余數(shù)不同。

d、對余數(shù)繼續(xù)做模2除，應(yīng)使余數(shù)循環(huán)。6.2遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信例子例如：g(x)=x4+x3+x2+1,(7,3)碼,信息碼110產(chǎn)生的CRC碼是？對于g(x)=x4+x3+x2+1的解釋：（都是從右往左數(shù)）x4就是第五位是1，因?yàn)闆]有x1所以第2位就是0。

11101|110,0000（設(shè)a=11101，b=1100000）用b除以a做模2運(yùn)算得到余數(shù)：1001余數(shù)是1001，所以CRC碼是1001,傳輸碼為：110,10016.2遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信六、數(shù)據(jù)通信的差錯(cuò)控制循環(huán)校驗(yàn)碼對下列的錯(cuò)誤可以校驗(yàn)：（1）所有單個(gè)碼元錯(cuò)誤；（2）所有的雙碼元錯(cuò)誤；（3）任何奇數(shù)個(gè)差錯(cuò)；（4）任何其長度小于n(x)的猝發(fā)性錯(cuò)誤；

（5）大多數(shù)較大的猝發(fā)性錯(cuò)誤；2023/2/437常用差錯(cuò)控制方式分類：（1）前向糾錯(cuò)（FEC:ForwardErrorCorrect）（2）檢錯(cuò)重發(fā)（ARQ:AutomaticRepectreQuest）（3）混合糾錯(cuò)（HEC:HybridErrorCorrect）6.2遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信編碼器正向信道譯碼器信源用戶（1）前向糾錯(cuò)（FEC:ForwardErrorCorrect）1）原理：發(fā)送端發(fā)出能夠糾正錯(cuò)誤的編碼；接收端接收到這些碼組后，通過譯碼能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并糾正傳輸中的錯(cuò)誤2）特點(diǎn)：只有正向信道，適合于只能提供單向信道的場合以及一點(diǎn)發(fā)送多點(diǎn)接收的同播系統(tǒng)；3）優(yōu)點(diǎn)：接收信號時(shí)延小、實(shí)時(shí)性好6.2遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信編碼器正向信道譯碼器信源緩沖與控制緩沖與控制反向信道用戶（2）檢錯(cuò)重發(fā)（ARQ:AutomaticRepectreQuest）1）原理：發(fā)送端發(fā)送能夠檢錯(cuò)的編碼；接收端接收到后進(jìn)行檢測，通過反向信道反饋一個(gè)應(yīng)答信號給發(fā)端，發(fā)端分析應(yīng)答信號，如果接收有誤，將存儲在緩沖器中的碼組讀出后重復(fù)傳輸，直到接收端認(rèn)為已正確接收；2）特點(diǎn)：接收端只檢錯(cuò)