微機(jī)保護(hù)課件-第九講20121109

（第九講）電氣學(xué)院王牣、、

第六章變電所自動(dòng)化系統(tǒng)。第一節(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成及功能變電所自動(dòng)化系統(tǒng)是將變電所的二次設(shè)備（包括測(cè)量?jī)x表、信號(hào)系統(tǒng)、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置和遠(yuǎn)動(dòng)裝置等）經(jīng)過(guò)功能的組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全所設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)視、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)控制和保護(hù)，以及與調(diào)度通信等綜合性的自動(dòng)化功能。綜合自動(dòng)化系統(tǒng)與一般自動(dòng)化區(qū)別的關(guān)鍵在于，自動(dòng)化系統(tǒng)是否作為一個(gè)整體執(zhí)行變電所需要完成的保護(hù)、測(cè)量、控制、監(jiān)視等功能。

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第一節(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成及功能。一、變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的功能牽引變電所自動(dòng)化系統(tǒng)是多專(zhuān)業(yè)性的綜合技術(shù)，它以微機(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)牽引變電所傳統(tǒng)的繼電保護(hù)、控制方式、測(cè)量手段、通信和管理模式的全面技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)了牽引供電運(yùn)行管理的一次變革。結(jié)合牽引供電系統(tǒng)的具體情況，將變電所自動(dòng)化系統(tǒng)按照功能分為3個(gè)子系統(tǒng)1．監(jiān)控子系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)取代常規(guī)的測(cè)量系統(tǒng)，取代指針式儀表；改變常規(guī)的操作機(jī)構(gòu)和模擬盤(pán)，取代常規(guī)的報(bào)警、中央信號(hào)、光字牌以及RTU裝置等。主要功能將在第四節(jié)進(jìn)行介紹。2．繼電保護(hù)子系統(tǒng)繼電保護(hù)子系統(tǒng)應(yīng)滿足快速性、選擇性、靈敏性和可靠性的要求，其工作不受監(jiān)控子系統(tǒng)和其他子系統(tǒng)的影響。

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第一節(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成及功能。繼電保護(hù)子系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求：（1）故障記錄功能；（2）統(tǒng)一時(shí)鐘對(duì)時(shí)功能，以便準(zhǔn)確記錄發(fā)生故障和保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間；（3）存儲(chǔ)多種保護(hù)整定值；（4）當(dāng)?shù)仫@示與多處觀察和授權(quán)修改保護(hù)整定值；（5）故障自診斷、自閉鎖和自恢復(fù)功能。繼電保護(hù)子系統(tǒng)應(yīng)包括牽引變電所主要設(shè)備的全套保護(hù)，主要包括：變壓器主保護(hù)、變壓器后備保護(hù)、饋線保護(hù)、電容器保護(hù)、動(dòng)力變保護(hù)等。

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第一節(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成及功能。3．通信子系統(tǒng)通信子系統(tǒng)包括系統(tǒng)內(nèi)部現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的通信和系統(tǒng)與上級(jí)調(diào)度的通信兩部分?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)的通信主要解決系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)子系統(tǒng)與監(jiān)控子系統(tǒng)之間、各個(gè)子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信和信息交換問(wèn)題，它的通信范圍是變電所內(nèi)部。自動(dòng)化系統(tǒng)必須兼有RTU的全部功能，應(yīng)該能夠?qū)⑺杉哪M量、開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及事件順序記錄等信息遠(yuǎn)傳至上級(jí)調(diào)度；同時(shí)應(yīng)該能接收上級(jí)調(diào)度下達(dá)的各種操作、控制命令。

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第一節(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成及功能。二、變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

變電所自動(dòng)化技術(shù)隨著集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，其體系結(jié)構(gòu)也不斷變化，性能、功能及可靠等也在不斷提高。在變電所自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的初期出現(xiàn)過(guò)集中式的結(jié)構(gòu)，而目前主要采用分層分布式結(jié)構(gòu)。1．分層分布式結(jié)構(gòu)的概念有條件將微機(jī)保護(hù)單元和數(shù)據(jù)采集單元按一次回路進(jìn)行設(shè)計(jì)。所謂分布式結(jié)構(gòu)，是在結(jié)構(gòu)上采用主從CPU協(xié)同工作方式，各功能模塊〔通常是各個(gè)從CPU)之間采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或串行方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。如牽引供電系統(tǒng)中的饋線保護(hù)主要包括電流速斷保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、電流增量保護(hù)、反時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)、三段距離保護(hù)、一次自動(dòng)重合閘等功能，所有的這些保護(hù)功能可由一個(gè)CPU單獨(dú)完成.

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第一節(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成及功能。變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的分層分布式設(shè)計(jì)就是將變電所自動(dòng)化系統(tǒng)需要完成的功能由多個(gè)微機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成，對(duì)監(jiān)控子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是選擇商用計(jì)算機(jī)或工控機(jī)來(lái)作為監(jiān)控的平臺(tái)，微機(jī)保護(hù)子系統(tǒng)則由不同功能的微機(jī)保護(hù)裝置組成，全所的繼電保護(hù)功能被分配到多個(gè)微機(jī)保護(hù)裝置。

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第一節(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成及功能。2．變電所分層結(jié)構(gòu)在分層分布式結(jié)構(gòu)中，變電所自動(dòng)化系統(tǒng)按照設(shè)備的功能被分為三層：變電所層、間隔層（或稱(chēng)單元層）、過(guò)程層（或稱(chēng)設(shè)備層）。變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)如圖6.1。過(guò)程層主要指變電所內(nèi)的變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)及其輔助觸點(diǎn)，電流、電壓互感器等一次設(shè)備。間隔層一般按斷路器間隔劃分，包括測(cè)量、控制部件和繼電保護(hù)裝置。變電所層包括監(jiān)控主機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)管理機(jī)等。變電所層和間隔層設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)，供各設(shè)備之間交換信息。

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第一節(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成及功能。

圖6.1變電所自動(dòng)化系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)、、

第一節(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成及功能。3．分層分布式結(jié)構(gòu)的幾種方式不同時(shí)期、不同電壓等級(jí)的變電所自動(dòng)化系統(tǒng)，分層分布式的結(jié)構(gòu)有以下三種形式：（1）系統(tǒng)集中組屏集中組屏的結(jié)構(gòu)是把整套自動(dòng)化系統(tǒng)按其不同的功能組裝成多個(gè)屏（或稱(chēng)柜），例如：變壓器保護(hù)屏（完成變壓器的保護(hù)、測(cè)量、控制功能）、饋線保護(hù)屏（完成一條或多條饋線的保護(hù)、測(cè)量、控制功能）、并補(bǔ)保護(hù)屏（完成電容器的保護(hù)、測(cè)量、控制功能），圖6.2是典型的牽引供電變電所的集中組屏的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

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第一節(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成及功能。

圖6.2集中組屏的牽引供電變電所結(jié)構(gòu)圖、、

第一節(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成及功能。（2）分散安裝與集中組屏相結(jié)合分散與集中相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式是目前國(guó)內(nèi)外最為流行、受到廣大用戶歡迎的一種自動(dòng)化系統(tǒng)。它是采用“面向?qū)ο蟆奔疵嫦螂姎庖淮位芈坊螂姎忾g隔(如一條饋線、一臺(tái)變壓器、一組電容器等)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的，間隔層中保護(hù)測(cè)控裝置就地分散安裝在開(kāi)關(guān)柜上或其他一次設(shè)備附近。這樣各間隔單元的設(shè)備相互獨(dú)立，變電所層設(shè)備僅通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)對(duì)間隔單元進(jìn)行管理和交換信息。這是將功能分布和物理分散二者有機(jī)結(jié)合，對(duì)變電所二次系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果。通常能在間隔層內(nèi)完成的功能(如保護(hù)功能)一般不依賴(lài)通信網(wǎng)絡(luò)。這樣組態(tài)模式集中了分布式的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，此外還最大限度地壓縮了二次設(shè)備及其繁雜的二次電纜，減少控制室占地面積，節(jié)省土地投資。這種結(jié)構(gòu)形式本身配置靈活，從安裝配置上除了能分散安裝在間隔開(kāi)

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第一節(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成及功能。

圖6.3牽引變電所分散安裝和集中組屏的結(jié)構(gòu)圖關(guān)柜上以外，還可以實(shí)現(xiàn)在控制室內(nèi)集中組屏或分層組屏，圖6.3是牽引變電所分散安裝與集中組屏的應(yīng)用模式。、、

第一節(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成及功能。

圖中在牽引變電所中饋線、并補(bǔ)的保護(hù)、測(cè)控單元分散安裝在高壓室一次設(shè)備的開(kāi)關(guān)柜上，變壓器由于在室外，分散安裝的條件不具備，可與當(dāng)?shù)乇O(jiān)控單元、交直流設(shè)備等在控制室集中組屏，也可在變壓器旁就地安裝。分散安裝和集中組屏不僅適合應(yīng)用在各種電壓等級(jí)的變電所中，而且若在高壓變電站中應(yīng)用將更趨于合理，經(jīng)濟(jì)效益更好。這種結(jié)構(gòu)形式有如下特點(diǎn)：①線路的保護(hù)采用分散式結(jié)構(gòu)，就地安裝，節(jié)約控制電纜，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和變電所層交換信息。、、

第一節(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成及功能。

②高壓線路保護(hù)和變壓器保護(hù)采用集中組屏結(jié)構(gòu)．保護(hù)屏安裝在控制室或保護(hù)室中，同樣通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和變電所層交換信息，使這些重要的保護(hù)裝置處于比較好的工作環(huán)境，對(duì)可靠性比較有利。③簡(jiǎn)化了變電所二次部分的配置，大大縮小了控制室的面積，也有利于無(wú)人值班。④簡(jiǎn)化了變電所二次設(shè)備之間的互連線，節(jié)省了大量連接電纜。⑤分層分散式結(jié)構(gòu)可靠性高，組態(tài)靈活，檢修方便。分層分散式結(jié)構(gòu)，由于分散安裝，減小了電流互感器的負(fù)擔(dān)。各模塊與變電所層通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。、、

第一節(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成及功能。

（3）全分散模式全分散式的自動(dòng)化系統(tǒng)是指以變壓器、斷路器、母線等一次主設(shè)備為安裝單位，將保護(hù)、測(cè)量、控制、閉鎖等功能單元就地分散安裝在一次主設(shè)備的開(kāi)關(guān)柜上，安裝在主控制室內(nèi)的變電所層設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與這些分散的單元進(jìn)行信息交換。在鐵路的電力變配電所中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全分散的安裝模式，新建設(shè)的客運(yùn)專(zhuān)線的變配電所大都按照全分散的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，所有的保護(hù)測(cè)控裝置都安裝于一次設(shè)備的開(kāi)關(guān)柜上，這些裝置通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和控制室的變電所層交換信息，圖6.4是鐵路電力配電所的全分散安裝的結(jié)構(gòu)圖。、、

第一節(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成及功能。

圖6.4鐵路電力配電所全分散安裝結(jié)構(gòu)圖、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

在變電所自動(dòng)化系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通信是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)體現(xiàn)在兩個(gè)方面，—方面是完成自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)或各種功能模塊間的信息交換。這是因?yàn)樽冸娝詣?dòng)化系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是由分層分布式的多臺(tái)微機(jī)組成的控制系統(tǒng)。在各個(gè)子系統(tǒng)中，往往又由多種智能功能模塊組成。因此，必須通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)內(nèi)部和各子系統(tǒng)之間的信息交換和信息共享。另一方面是完成變電所與調(diào)度中心的通信任務(wù)。本節(jié)的主要內(nèi)容是介紹變電所自動(dòng)化系統(tǒng)完成這兩方面的通信任務(wù)所使用的通信技術(shù)和通信協(xié)議。需要強(qiáng)調(diào)的是，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是變電所自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的核心，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的突破帶來(lái)了變電所自動(dòng)化技術(shù)的突破。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

（一）變電所自動(dòng)化系統(tǒng)通信子系統(tǒng)功能要了解變電所自動(dòng)化系統(tǒng)如何完成通信，先要了解一下自動(dòng)化系統(tǒng)中有那些通信內(nèi)容和需求。1．變電所內(nèi)的信息交換（1）現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備與間隔層間的信息傳輸間隔層設(shè)備主要完成保護(hù)、測(cè)控、控制功能，需要從現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備的電壓和電流互感器采集正常情況和事故情況下的電壓值和電流值，采集設(shè)備的狀態(tài)信息和故障診斷信息，這些信息主要是：斷路器、隔離開(kāi)關(guān)位置，變壓器的分接頭位置，變壓器、互感器、避雷器的診斷信息以及斷路器操作信息等。目前情況下間隔層設(shè)備和一次設(shè)備的信息交互是通過(guò)電纜來(lái)完成的，隨著技術(shù)的發(fā)展，一次設(shè)備開(kāi)始智能化，也可以通過(guò)通信來(lái)和間隔層設(shè)備交互信息。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

（2）間隔層內(nèi)部的信息交換

在一個(gè)間隔層內(nèi)部相關(guān)的功能模塊間，即繼電保護(hù)、測(cè)量、控制模塊之間的數(shù)據(jù)交換，比如對(duì)變壓器可能會(huì)配置主保護(hù)、后備保護(hù)、測(cè)控單元共三個(gè)智能設(shè)備，它們之間可能需要信息交換。這類(lèi)信息有如測(cè)量數(shù)據(jù)，斷路器、隔離開(kāi)關(guān)的位置、狀態(tài)等。（3）間隔層之間的信息交換有些功能需要在不同的間隔層之間交換數(shù)據(jù)，比如不同間隔的斷路器、隔離開(kāi)關(guān)的閉鎖，變壓器的自投等。（4）間隔層與變電所層的信息交換、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

間隔層和變電所層之間的通信是最主要的通信，信息交換的內(nèi)容很多，主要有以下三類(lèi)：①測(cè)量及狀態(tài)信息。正常及事故情況下的測(cè)量值和計(jì)算值，斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、變壓器分接開(kāi)關(guān)位置，各單元層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，保護(hù)動(dòng)作信息等。②操作信息。斷路器和隔離開(kāi)關(guān)的分、合閘命令，主變壓器分接頭位置的調(diào)節(jié)，自動(dòng)裝置的投入與退出等。③參數(shù)信息。微機(jī)保護(hù)和自動(dòng)裝置的整定值等。（5）變電所層內(nèi)部信息交換變電所層可能有多臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備來(lái)完成變電所層的功能，不同設(shè)備之間的通信，要根據(jù)設(shè)備的任務(wù)和功能的特點(diǎn)，傳輸所需的測(cè)量信息、狀態(tài)信息和操作命令等。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

2．變電所和調(diào)度中心的信息交換變電所自動(dòng)化系統(tǒng)都具有遠(yuǎn)動(dòng)功能，遠(yuǎn)動(dòng)通信單元會(huì)把變電所內(nèi)的相關(guān)信息傳送到調(diào)度中心，同時(shí)能接收調(diào)度的數(shù)據(jù)和控制命令。變電所向調(diào)度中心傳送的信息通常稱(chēng)為“上行信息”；而由調(diào)度中心向變電所發(fā)送的信息，常稱(chēng)為“下行信息”。這些信息可按“四遙”功能劃分，主要包括：（1）遙測(cè)信息，變電所上送模擬量的相關(guān)信息。（2）遙信信息，變電所上送開(kāi)關(guān)位置信號(hào)、有關(guān)狀態(tài)信號(hào)、保護(hù)動(dòng)作信號(hào)等。（3）遙控命令，調(diào)度中心下發(fā)命令控制斷路器、隔離開(kāi)關(guān)位置，保護(hù)裝置的保護(hù)元件的投入/退出，裝置復(fù)歸等。（4）遙調(diào)命令，調(diào)度中心下發(fā)命令改變變電所設(shè)備的工作狀態(tài)和參數(shù)調(diào)整。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

上述“四遙”功能是傳統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)需要完成的功能，在變電所自動(dòng)化下還需要完成整定值功能、詳細(xì)故障信息功能、遠(yuǎn)傳故障錄波功能等。隨著技術(shù)的發(fā)展，變電所和調(diào)度中心的信息交換內(nèi)容也在不斷地增加。（二）變電所自動(dòng)化系統(tǒng)通信的特點(diǎn)和要求1．變電所通信網(wǎng)絡(luò)的要求由于數(shù)據(jù)通信在自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)的重要性，經(jīng)濟(jì)、可靠的數(shù)據(jù)通信成為系統(tǒng)的技術(shù)核心，而由于變電所的特殊環(huán)境和自動(dòng)化系統(tǒng)的要求，使變電所自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)和要求。(1)快速的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)要及時(shí)地傳輸現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息和操作控制信息。在電力工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送都有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性指標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)必須很好地保證數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

(2)很高的可靠性。變電所是連續(xù)運(yùn)行的，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)也必須連續(xù)運(yùn)行，通信網(wǎng)絡(luò)的故障和非正常工作會(huì)影響整個(gè)變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行，設(shè)計(jì)不合理的系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐稍O(shè)備和人身事故，造成很大的損失，因此變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的通信子系統(tǒng)必須保證很高的可靠性。(3)優(yōu)良的電磁兼容性能。變電所是一個(gè)具有強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境，存在電源、雷擊、跳閘等強(qiáng)電磁干擾和地電位差干擾，通信環(huán)境惡劣，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)必須注意采取相應(yīng)的措施消除這些干擾的影響。(4)分層式結(jié)構(gòu)。這是由整個(gè)系統(tǒng)的分層分布式結(jié)構(gòu)所決定的，也只有實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的分層，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的分層分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的各層次又各自具有特殊的應(yīng)用條件和性能要求，因此每一層都要有合適的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

2．信息傳輸響應(yīng)速度的要求不同類(lèi)型和特性的信息要求傳送的時(shí)間不同，根據(jù)我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T5149-2001“220～500kV變電所計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程”的規(guī)定，模擬量越死區(qū)傳送≤2秒；遙信變位和狀態(tài)告警信號(hào)傳送≤2秒；全系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)掃描周期≤2秒；變電所畫(huà)面整幅調(diào)用響應(yīng)時(shí)間：實(shí)時(shí)畫(huà)面≤1秒；其他畫(huà)面≤2秒。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

二、數(shù)據(jù)通信基本概念1．通信的基本結(jié)構(gòu)和模型（1）通信的基本結(jié)構(gòu)通信的基本模型如圖6.5所示，圖中數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE（DataTerminalEquipment）指所有具有作為二進(jìn)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)源點(diǎn)或終點(diǎn)能力的單元，即它產(chǎn)生或接收處理數(shù)據(jù)。任何能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收模擬或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的功能單元都是數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備DCE（DataCommunicationsEquipment）。DTE設(shè)備如計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)等，DCE設(shè)備如調(diào)制解調(diào)器。圖6.5網(wǎng)絡(luò)通信的基本模型、、

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在任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)DTE設(shè)備產(chǎn)生數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并將它傳送到DCE設(shè)備，DCE設(shè)備將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可以在傳輸媒體上傳送的格式并將轉(zhuǎn)化后的信號(hào)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)上另一個(gè)DCE設(shè)備。第二個(gè)DCE設(shè)備從線路上接收信號(hào)，將信號(hào)轉(zhuǎn)化為與它相連的DTE設(shè)備可用的格式，然后轉(zhuǎn)發(fā)信息。（2）信號(hào)傳輸方式數(shù)據(jù)在通過(guò)通信介質(zhì)傳輸前必須轉(zhuǎn)換為信號(hào)，信號(hào)分模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)是隨時(shí)間變化而平穩(wěn)變化的連續(xù)波形，數(shù)字信號(hào)是離散的，它可以包含有限數(shù)目的幾個(gè)預(yù)定值，我們?cè)谕ㄐ胖谐Ｓ玫木褪?和1。信號(hào)按照原樣傳輸稱(chēng)為基波傳輸，將原信號(hào)調(diào)制成高頻載波信號(hào)稱(chēng)載波傳輸。數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中以0和1的數(shù)字信號(hào)表示，數(shù)字信號(hào)傳輸通常需要進(jìn)行變換，如果按照基波傳輸需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼，數(shù)字信號(hào)也可能被轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)通過(guò)調(diào)制成高頻載波信號(hào)進(jìn)行傳輸。數(shù)字信號(hào)的編碼和調(diào)制的原因和技術(shù)可以參考有關(guān)的書(shū)籍。、、

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（3）線路傳輸方式信息在互相連接的設(shè)備之間傳輸，信號(hào)流動(dòng)的方向即線路傳輸方式分為三種：?jiǎn)喂?、半雙工和全雙工。單工模式指通信是單向進(jìn)行的，一條鏈路上的兩個(gè)站點(diǎn)只有一個(gè)可以發(fā)送，另一個(gè)只能接收。半雙工模式指鏈路上的兩個(gè)站點(diǎn)都可以進(jìn)行發(fā)送和接收，但不能同時(shí)發(fā)送和接收，即同一時(shí)間只能一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送，一個(gè)站點(diǎn)接收。全雙工模式指兩個(gè)站點(diǎn)可以同時(shí)進(jìn)行接收和發(fā)送。、、

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（4）通信速率比特率和波特率是數(shù)據(jù)通信中常用的兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。比特率是每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，也稱(chēng)數(shù)據(jù)傳輸率，單位為bit/s。波特率是用來(lái)表示每秒傳輸?shù)男盘?hào)單元數(shù)，其中信號(hào)單元由一些比特組成。比特率和波特率的關(guān)系如圖6.6所示。在基波傳輸方式或者單位時(shí)間內(nèi)調(diào)制或解調(diào)1個(gè)信號(hào)，則兩種速率在數(shù)值上是相同的。我們?cè)谕ㄐ胖嘘P(guān)心的是比特率。圖6.6比特率和波特率的關(guān)系示意圖顯然波特率始終小于或等于比特率，它們的關(guān)系是：比特率＝波特率×每個(gè)信號(hào)單元的比特?cái)?shù)、、

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（5）OSI通信模型OSI(OpenSystemInterconnection，開(kāi)放系統(tǒng)互連)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的通信而制定的一個(gè)模型，它通過(guò)對(duì)通信過(guò)程和通信協(xié)議進(jìn)行層次結(jié)構(gòu)的分解，使不同系統(tǒng)間的通信成為可能。OSI模型因?yàn)檫^(guò)于煩瑣，一些層的存在是否必要也有爭(zhēng)論，因而現(xiàn)在的產(chǎn)品中還沒(méi)有一個(gè)全部實(shí)現(xiàn)了該模型中的全部層次結(jié)構(gòu)。但是，OSI模型提供了一個(gè)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的層次化的框架，對(duì)于深入理解通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)有非常重要的意義。事實(shí)上，現(xiàn)在的通信系統(tǒng)基本上都是以O(shè)SI模型為基礎(chǔ)而建立的。OSI模型及層次結(jié)構(gòu)如圖6.7所示。、、

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圖6.7OSI模型和層次結(jié)構(gòu)、、

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在OSI模型的層次結(jié)構(gòu)中，每一層調(diào)用下層提供的服務(wù)完成特定的功能，同時(shí)為上層提供服務(wù)。低層協(xié)議對(duì)高層而言是透明的，即低層對(duì)高層提供服務(wù)與低層如何完成無(wú)關(guān)，因而一層內(nèi)部的變化不會(huì)影響另一層，各層相對(duì)獨(dú)立。下面是對(duì)OSI模型各層功能的簡(jiǎn)單描述。①物理層。傳送電信號(hào)的物理實(shí)體。它定義通信設(shè)備和傳輸介質(zhì)之間的機(jī)械、電氣特性，傳輸速率，物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。②數(shù)據(jù)鏈路層。通過(guò)一定的格式及流量、差錯(cuò)控制，保證報(bào)文以幀為單位在鏈路上的可靠傳輸。鏈路層數(shù)據(jù)幀中包含了發(fā)送方和接收方的物理地址。③網(wǎng)絡(luò)層。負(fù)責(zé)將包從源地址傳送到目的地址，數(shù)據(jù)幀中包含了發(fā)送方和接收方的邏輯地址。、、

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④傳輸層。實(shí)現(xiàn)主機(jī)-主機(jī)的連接，負(fù)責(zé)整個(gè)報(bào)文從源端到目的端（端到端）的傳遞過(guò)程。⑤會(huì)話層。用以建立進(jìn)程-進(jìn)程間的對(duì)話。

⑥表示層。提供一套格式化服務(wù)，如代碼轉(zhuǎn)換、報(bào)文壓縮、加密和解密等，是關(guān)于兩個(gè)系統(tǒng)之間交換信息的語(yǔ)義和語(yǔ)法。⑦應(yīng)用層。提供用戶接口和服務(wù)支持，如電子郵件、數(shù)據(jù)庫(kù)存取、遠(yuǎn)程訪問(wèn)等。2．串行數(shù)據(jù)通信計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)由字節(jié)或字組成，一個(gè)字節(jié)是八位，在通信過(guò)程中按同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)位的多少可分為并行通信和串行通信。并行通信在變電所自動(dòng)化系統(tǒng)中很少用到，這里只對(duì)串行通信進(jìn)行介紹。、、

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串行數(shù)據(jù)通信是數(shù)據(jù)位一位一位順序傳送，如圖6.8所示。圖6.8串行數(shù)據(jù)通信顯而易見(jiàn)，串行通信數(shù)據(jù)的各位可以分時(shí)使用同一傳輸線，故串行通信最大的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)約傳輸線，特別是當(dāng)位數(shù)很多和遠(yuǎn)距離傳送時(shí)，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)更為突出，這不僅可以降低傳輸線的投資，而且簡(jiǎn)化了接線。、、

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串行通信分為同步串行數(shù)據(jù)傳輸和異步串行數(shù)據(jù)傳輸。（1）異步數(shù)據(jù)傳輸在異步通信方式中，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)起始位表示字符傳送的開(kāi)始，用停止位表示字符的結(jié)束構(gòu)成一幀，傳輸格式如圖6.9圖6.9異步串行數(shù)據(jù)傳輸格式圖中傳送的信息位數(shù)可選4、5、6、7、8位，停止位可選擇1、1.5、2位，空閑位可以沒(méi)有。、、

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（2）同步數(shù)據(jù)傳輸在異步傳送中，每個(gè)字符都要用起始位和停止位作為傳送的開(kāi)始和結(jié)束標(biāo)志，這降低了數(shù)據(jù)傳送的效率。所以在數(shù)據(jù)塊的傳送時(shí)，為了提高速度和效率，就采用同步傳輸。同步傳輸?shù)奶攸c(diǎn)是在數(shù)據(jù)塊傳送的開(kāi)始使用同步字符來(lái)作為傳送指示，其幀格式如圖6.10。圖6.10同步傳輸幀格式同步傳輸中，每幀以一個(gè)或多個(gè)“同步字符”開(kāi)始。同步字符通常稱(chēng)SYN，是一種特殊的碼元組合，它通知接收裝置這是一次傳送的開(kāi)始，控制字符的作用是控制幀傳輸?shù)膮?shù)，如本次傳送的幀長(zhǎng)度就在控制字符中。、、

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3．通信編碼和差錯(cuò)控制信息在傳送的過(guò)程中由于受到干擾可能會(huì)發(fā)生差錯(cuò)，如某位1變成了0或0變成了1。在通信過(guò)程中一方面要改善和提高傳輸系統(tǒng)的質(zhì)量，提高抗干擾能力，另一方面要解決傳輸過(guò)程中產(chǎn)生誤碼的問(wèn)題，必須采用差錯(cuò)檢測(cè)和糾正技術(shù)，檢測(cè)和糾正信息傳輸中的傳輸錯(cuò)誤。差錯(cuò)控制就是采用可靠、有效的編碼以發(fā)現(xiàn)或糾正數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中由于干擾而造成的錯(cuò)碼。差錯(cuò)控制又叫抗干擾編碼。、、

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差錯(cuò)控制的基本原理是在表示信息的數(shù)字信號(hào)中按照一定的規(guī)則增加一些冗余的校驗(yàn)碼一起傳送，這些校驗(yàn)碼和信息碼之間具有一定的關(guān)系。在接收端收到信息碼后按照同樣的規(guī)則生成校驗(yàn)碼和接收的校驗(yàn)碼進(jìn)行比較，以發(fā)現(xiàn)傳輸過(guò)程是否有差錯(cuò)發(fā)生。差錯(cuò)控制編碼又可分為檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼，前者是指能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)的編碼，后者是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)而且能糾正差錯(cuò)的編碼，檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的能力取決于編碼校驗(yàn)規(guī)則。通信中常用的校驗(yàn)碼有奇偶校驗(yàn)、循環(huán)冗余校驗(yàn)等，具體內(nèi)容可參考有關(guān)書(shū)籍。變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的通信系統(tǒng)必須采用差錯(cuò)控制，保證傳輸信息的正確。、、

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三、常用的通信技術(shù)變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的通信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，采用的通信接口也在不斷發(fā)展，RS232、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)都是目前正在采用的通信接口，它們分別應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。（一）RS232/485介紹串行通信接口RS232/485非常廣泛地應(yīng)用于各種智能電子設(shè)備IED（IntelligentElectronicDevice）中，在短距離通信中一般采用RS232，長(zhǎng)距離或需要串行接口級(jí)聯(lián)時(shí)可采用RS485。下面對(duì)它們各自的特點(diǎn)進(jìn)行介紹。1．RS232RS232其實(shí)應(yīng)該叫RS-232C，是在串行通信中廣泛應(yīng)用的接口標(biāo)準(zhǔn)。它是由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（ElectronicIndustries、、

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Association，EIA）制定的，又稱(chēng)為EIA-232。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”一詞的縮寫(xiě)，232是標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示此標(biāo)準(zhǔn)修改的次數(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際電信聯(lián)盟（InternationalTelecommunicationUnion，ITU）標(biāo)準(zhǔn)化部制定的串行接口標(biāo)準(zhǔn)V.24基本相同。RS-232C定義了DTE設(shè)備與DCE設(shè)備之間接口的機(jī)械、電氣及功能特性。①機(jī)械特性RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一對(duì)物理連接器和電纜進(jìn)行連接。連接器的實(shí)現(xiàn)主要有DB-25和DB-9兩種，分為陽(yáng)性和陰性。陽(yáng)性連接頭（也叫公插頭、針式插頭）是指電纜中每根導(dǎo)線都與插頭中的一根針相連的連接頭。陰性連接頭（也叫母插頭、孔式插頭）是指電纜中每根導(dǎo)線都與插頭中的一個(gè)金屬管或鞘相連的連接頭。在DB-25連接頭中，這些針或孔被排成兩排，上面13、、

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個(gè)下面12個(gè)。在DB-9連接頭中上面5個(gè)下面4個(gè)。一般在DTE側(cè)（計(jì)算機(jī)側(cè)）采用陽(yáng)性連接頭。

實(shí)際應(yīng)用中也采用通過(guò)端子、RJ45等的連接形式，只要滿足電氣特性即可。②電氣特性氣規(guī)范規(guī)定了在DTE設(shè)備和DCE設(shè)備之間任何一個(gè)方向上傳輸數(shù)據(jù)所采用的電壓值和信號(hào)類(lèi)型。數(shù)據(jù)信號(hào)以邏輯1和0（稱(chēng)為傳號(hào)和空號(hào)）形式傳輸，其中0對(duì)應(yīng)正電壓而1對(duì)應(yīng)負(fù)電壓。數(shù)據(jù)要被識(shí)別出來(lái)，對(duì)應(yīng)的電壓值必須在3~15V或-3~-15V之間。其它的控制、時(shí)序等信號(hào)高于+3V為邏輯1，低于-3V為邏輯0。RS-232C邏輯電平的定義如表6.1所示。、、

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表6.1RS-232C邏輯電平定義RS-232C標(biāo)準(zhǔn)定義的邏輯電平（EIA電平），不能直接用于計(jì)算機(jī)內(nèi)部電路（TTL電平），因此在應(yīng)用時(shí)需要在兩種電平間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，現(xiàn)在有許多集成電路能夠完成這個(gè)功能。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)允許的信號(hào)傳輸速率在0~20000bps范圍內(nèi)，連接電纜的長(zhǎng)度不超過(guò)50英尺（約15米）。電壓值數(shù)據(jù)信號(hào)控制信號(hào)+3V~+15V空號(hào)（邏輯0）接通（邏輯1）-3V~-15V傳號(hào)（邏輯1）斷開(kāi)（邏輯0）、、

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③功能特性現(xiàn)在計(jì)算機(jī)通常都只提供DB-9的連接。DB-9的引腳定義如表6.2所示。表6.2DB-9中RS-232C的引腳功能引腳信號(hào)功

能1DCD載波檢測(cè)2TXD發(fā)送數(shù)據(jù)3RXD接收數(shù)據(jù)4DTRDTE設(shè)備就緒5GND信號(hào)地6DSRDCE設(shè)備就緒7RTS發(fā)送請(qǐng)求8CTS清除發(fā)送9RI振鈴指示、、

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④RS-232C異步串口應(yīng)用方式計(jì)算機(jī)之間只要滿足RS-232C邏輯電平的要求，可直接通過(guò)串行接口連接，控制信號(hào)可以根據(jù)需要使用，典型的應(yīng)用連接如圖6.11所示。

圖6.11典型串口連接應(yīng)用圖中虛線表示該連接可以不用。、、

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2．RS485目前廣泛使用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)是RS-232C，但它對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率和電纜長(zhǎng)度（信號(hào)有效傳輸距離）都有限制。原因是RS-232C采用的是單端驅(qū)動(dòng)、單端接收電路，特點(diǎn)是：傳送一種信號(hào)只用一根信號(hào)線，對(duì)多根信號(hào)線，它們的地線是公共的。這種辦法傳送實(shí)際很簡(jiǎn)單，它的缺點(diǎn)是不能區(qū)分由驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的有用信號(hào)和外部引入的干擾信號(hào)。因此RS-232C采用的信號(hào)電平電壓為15V或12V，這樣邏輯“1”和“0”之間電壓擺幅可能是20V或更高來(lái)避開(kāi)干擾信號(hào)。、、

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為了提高通信速率和傳輸距離，RS485采用平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收方法，去掉信號(hào)地線。這種驅(qū)動(dòng)相當(dāng)于兩個(gè)單端驅(qū)動(dòng)器，它們輸入同一個(gè)信號(hào)，而輸出兩個(gè)反向的互補(bǔ)信號(hào)，接收器接收兩根信號(hào)線上的互補(bǔ)差分輸入電壓。如果傳輸中有噪聲，則噪聲會(huì)以同樣的方式影響兩個(gè)互補(bǔ)信號(hào)，結(jié)果是在差分過(guò)程中噪聲被消除。差分平衡電路如圖6.12所示，接收器的輸入電源為這兩根導(dǎo)線電壓的差值Va-Vb。采用這種方式后，RS-485在較長(zhǎng)距離內(nèi)明顯地提供了數(shù)據(jù)傳輸速率，它能夠在1200m距離內(nèi)把速率提高到100kbit/s，或在較短距離內(nèi)提高到10Mbit/s。、、

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圖6.12差分平衡電路RS-485實(shí)際上是RS-422的變型，不同之處在于：RS-422為全雙工，RS-485為半雙工；RS-422采用兩對(duì)平衡差分信號(hào)線，RS-485只需要其中的一對(duì)。RS-485對(duì)于多站互連是十分方便的，它能夠?qū)⒕哂蠷S-485接口的智能設(shè)備聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)。RS-485聯(lián)網(wǎng)后，任一時(shí)刻只能有一個(gè)通信子站發(fā)送數(shù)據(jù)，必須制定相應(yīng)的通信協(xié)議來(lái)保證這一點(diǎn)。、、

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（二）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在變電所自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的早期，受計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的限制，微機(jī)保護(hù)、微機(jī)監(jiān)控和其他微機(jī)型的自控裝置間的通信大多數(shù)通過(guò)RS422/RS485完成，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與微機(jī)保護(hù)和自動(dòng)裝置間的數(shù)據(jù)交換，這與變電所原來(lái)的二次系統(tǒng)相比已有很大的優(yōu)越性，可節(jié)省大量連接電纜，接線簡(jiǎn)單、可靠。然而，采用RS422/RS485通信接口雖然可實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)(設(shè)備)間的互連，但連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)一般不超過(guò)32個(gè)，在變電所規(guī)模稍大時(shí)，便滿足不了自動(dòng)化系統(tǒng)的要求；其次，采用RS422/RS485通信接口，在多節(jié)點(diǎn)下其通信方式只能采用查詢(xún)方式，即由主機(jī)查詢(xún)，保護(hù)單元或自控裝置應(yīng)答，通信效率、、

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低，難以滿足較高的實(shí)時(shí)性要求；再者，使用RS422/RS485通信接口，整個(gè)通信網(wǎng)上只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)對(duì)通信進(jìn)行管理和控制，其余皆為從節(jié)點(diǎn)，這樣主節(jié)點(diǎn)便成為系統(tǒng)的瓶頸，一旦主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)的通信便無(wú)法進(jìn)行。以上這些問(wèn)題，不僅在變電所自動(dòng)化系統(tǒng)中存在，在其他工控領(lǐng)域也存在，現(xiàn)場(chǎng)總線就是在這種背景下產(chǎn)生的?，F(xiàn)場(chǎng)總線是20世紀(jì)80年代中期在國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的，用于現(xiàn)場(chǎng)智能化裝置與控制自動(dòng)化系統(tǒng)之間的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字式通信鏈路，可進(jìn)行全數(shù)字化、雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)互操作及數(shù)據(jù)共享。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

(1)現(xiàn)場(chǎng)總線與RS232、RS485的本質(zhì)區(qū)別

在現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展之前，很多智能設(shè)備通信大多采用RS232、RS485等通信方式，主要取決于智能設(shè)備的接口規(guī)范。但RS232、RS485只能代表通信的物理介質(zhì)層和鏈路層，如果要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向訪問(wèn)，就必須自己編寫(xiě)通信應(yīng)用程序，但這種程序多數(shù)都不能符合ISO/OSI規(guī)范，只能實(shí)現(xiàn)較單一的功能，適用于一種設(shè)備類(lèi)型，程序不具備通用性?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是以ISO/OSI模型為基礎(chǔ)的，具有完整的軟件支持系統(tǒng)，能夠解決總線控制、沖突檢測(cè)、鏈路維護(hù)等問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備自動(dòng)成網(wǎng)，無(wú)主從設(shè)備之分或允許多主存在，在同一個(gè)層次上不同廠家的產(chǎn)品可以互換，設(shè)備之間具有互操作性。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

(2)現(xiàn)場(chǎng)總線與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是信息資源與資源共享。而現(xiàn)場(chǎng)總線所傳遞的信息是以引起物質(zhì)或能量的變化為目的，特別強(qiáng)調(diào)可靠性、安全性和實(shí)時(shí)性。兩者在技術(shù)上有著明顯的區(qū)別。

①按功能比較，現(xiàn)場(chǎng)總線連接自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖切∨繑?shù)據(jù)信息，如檢測(cè)信息、狀態(tài)信息、控制信息等，傳輸速率低，但實(shí)時(shí)性高。即現(xiàn)場(chǎng)總線是一種實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)用于連接局域區(qū)域的各臺(tái)計(jì)算機(jī)，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖谴笈康臄?shù)字信息，如文本、聲音、圖像等，傳的速率高，但實(shí)時(shí)性要求不高。從這個(gè)意義而言，局域網(wǎng)是一種高速信息網(wǎng)絡(luò)。

②現(xiàn)場(chǎng)總線強(qiáng)調(diào)在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，在可燃易爆?chǎng)合還應(yīng)具有本質(zhì)安全性能。而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一般安裝在環(huán)境較好的辦公場(chǎng)所，不必專(zhuān)門(mén)考慮環(huán)境因素。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

1．LON總線介紹LON（LocalOperatingNetworks）總線是美國(guó)Echelon公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于1990年正式公布而行成的。為了支持LON總線，Echelon公司開(kāi)發(fā)了LonWorks技術(shù)，它為L(zhǎng)ON總線設(shè)計(jì)、產(chǎn)品化提供了一套完整的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。LON總線完整實(shí)現(xiàn)了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）的開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型（OSI）的全部七層通信協(xié)議，其通信速率從300bit/s至1.25Mbit/s不等，支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質(zhì)，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。LON現(xiàn)場(chǎng)總線的神經(jīng)元芯片擁有三個(gè)處理單元，一個(gè)用于鏈路層控制，一個(gè)用于網(wǎng)絡(luò)層控制，另一個(gè)用于用戶的應(yīng)用程序。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

LON總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議LonTalk提供了一個(gè)固化在神經(jīng)元芯片的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)處理全部的通信任務(wù)，提供給用戶的是一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用接口，LON網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間使用網(wǎng)絡(luò)變量（產(chǎn)生隱式消息）或顯式消息進(jìn)行相互間通信，一幀數(shù)據(jù)最大字節(jié)數(shù)為228個(gè)。這樣可以使用戶專(zhuān)注于應(yīng)用設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)通信的具體實(shí)現(xiàn)不再困擾應(yīng)用設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。2．CAN總線介紹CAN是控制器局域網(wǎng)ControllerAreaNetwork的簡(jiǎn)稱(chēng)，最早有德國(guó)的BOSCH公司提出，用于汽車(chē)內(nèi)部的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)。其總線規(guī)范已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，由于CAN總線的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍目前已不在局限于汽車(chē)工業(yè)。CAN總線協(xié)議也是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的開(kāi)放系統(tǒng)互連OSI參考模型的基礎(chǔ)上，不過(guò)其模型結(jié)構(gòu)只有3層，只取OSI的物理層、、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。CAN信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜、光纖，通信速率最高為1Mbit/s。CAN總線為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全局廣播方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)則主動(dòng)停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。CAN總線的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點(diǎn)和總線的聯(lián)系，使總線上其他節(jié)點(diǎn)的通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。存在的問(wèn)題是對(duì)大信息量的自動(dòng)化監(jiān)控信息，必須進(jìn)行多包傳輸才能完成。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

3．現(xiàn)場(chǎng)總線在變電所自動(dòng)化系統(tǒng)中的問(wèn)題現(xiàn)場(chǎng)總線相比RS232/RS485在自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用有很多優(yōu)點(diǎn)，但存在的問(wèn)題是，現(xiàn)場(chǎng)總線的種類(lèi)太多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前流行的現(xiàn)場(chǎng)總線已達(dá)40多種，作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的也有10幾種。不同的現(xiàn)場(chǎng)總線都有其產(chǎn)生的背景和應(yīng)用領(lǐng)域，在變電所自動(dòng)化系統(tǒng)中，各個(gè)廠家采用的現(xiàn)場(chǎng)總線也各不相同，這就造成了在同一變電所中，不同廠家的智能裝置必須通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能通信，使裝置的互換和互操作成為問(wèn)題。另外作為監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)一般采用通用計(jì)算機(jī)，只具備串口、以太網(wǎng)接口，并沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)總線接口。裝置并不能直接和監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，必須使用網(wǎng)關(guān)或插卡進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)通信在裝置上的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)從技術(shù)和成本上達(dá)到了可用的程度，變電所自動(dòng)化系統(tǒng)正在走向以太網(wǎng)通信的時(shí)代。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

（三）工業(yè)以太網(wǎng)以太網(wǎng)作為目前技術(shù)最成熟、維護(hù)最簡(jiǎn)單、成本最低廉、運(yùn)行最穩(wěn)定、速度最快捷的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，廣泛地應(yīng)用于各種規(guī)模的局域網(wǎng)絡(luò)。隨著Ethernet技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，使其從辦工自動(dòng)化走向工業(yè)自動(dòng)化。1．以太網(wǎng)的定義以太網(wǎng)是我們經(jīng)常提到的局域網(wǎng)LAN（LocalAreaNetwork）的一種，有四種體系結(jié)構(gòu)在局域網(wǎng)中占主導(dǎo)地位：以太網(wǎng)、令牌總線、令牌環(huán)、光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）。以太網(wǎng)、令牌總線、令牌環(huán)都是IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，電氣和電子工程師學(xué)會(huì)）的標(biāo)準(zhǔn)，是802標(biāo)準(zhǔn)的組成部分，F(xiàn)DDI是ANSI（AmericanNationalStandardsInstitute，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

IEEE802標(biāo)準(zhǔn)和OSI模型之間的關(guān)系如圖6.13所示，IEEE將數(shù)據(jù)鏈路化分為兩個(gè)子層：邏輯鏈路控制層LLC（LogicLinkControl）和介質(zhì)訪問(wèn)控制MAC（MediaAccessControl）。

圖6.13LAN和OSI模型比較LLC是IEEE802數(shù)據(jù)鏈路層的上層，和通信介質(zhì)無(wú)關(guān)，對(duì)所有的局域網(wǎng)協(xié)議來(lái)說(shuō)都是相同的。MAC則依賴(lài)于物理介質(zhì)，由于有了MAC層，就使IEEE802標(biāo)準(zhǔn)具有可擴(kuò)充性，以備將來(lái)接納新的介質(zhì)和介質(zhì)訪問(wèn)控制方法。圖6.14給出了IEEE802標(biāo)準(zhǔn)各部分的關(guān)系。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

LLC是IEEE802數(shù)據(jù)鏈路層的上層，和通信介質(zhì)無(wú)關(guān)，對(duì)所有的局域網(wǎng)協(xié)議來(lái)說(shuō)都是相同的。MAC則依賴(lài)于物理介質(zhì)，由于有了MAC層，就使IEEE802標(biāo)準(zhǔn)具有可擴(kuò)充性，以備將來(lái)接納新的介質(zhì)和介質(zhì)訪問(wèn)控制方法。圖6.14給出了IEEE802標(biāo)準(zhǔn)各部分的關(guān)系。

圖6.14IEEE802標(biāo)準(zhǔn)體系、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

根據(jù)上面的介紹，以太網(wǎng)是由IEEE802.3所支持的局域網(wǎng)，訪問(wèn)介質(zhì)的方式為帶沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection，CSMA/CD）。以太網(wǎng)的尋址是按照48位的MAC層地址，在數(shù)據(jù)鏈路層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀只能識(shí)別網(wǎng)卡的MAC地址，網(wǎng)卡上的這個(gè)物理地址是唯一的?？偩€型的網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)節(jié)點(diǎn)共享一個(gè)總線來(lái)傳送數(shù)據(jù)，因此介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議的任務(wù)就是防止兩個(gè)或兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)占用總線。RS485防止兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問(wèn)總線的方法就是在應(yīng)用層制定協(xié)議，采用查詢(xún)的方式保證同一時(shí)刻只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)。而以太網(wǎng)采用CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)方法，它的工作原理請(qǐng)參見(jiàn)有關(guān)書(shū)籍。任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)都要用CSMS/CD方法去爭(zhēng)取總線使用權(quán)，從它準(zhǔn)備發(fā)送到發(fā)送成功的延時(shí)是不確定的，這對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)要求的通信確定性與實(shí)時(shí)性有差距。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

2．TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)TCP/IP（TransferControlProtocol/InternetProtocol）是傳輸控