7第八章厂站端与监控中心之间的信息传输

1第八章厂站与主站之间的信息传输第一节电力系统远动通信概述电力系统是实时运行的大系统，存在着众多的系统运行业务通信。电力系统实时通信、电力系统的安全稳定控制、电网调度自动化被人们合称为电力系统安全稳定运行的三大支柱。电力系统实时通信是电网调度自动化、网络运营市场化和管理现代化的基础，是确保电网安全、稳定、经济运行的重要手段和重要基础设施。在此，电力系统实时通信主要指主站与厂站之间的远动通信。一、远动通信的特点1.距离遥远随着区域之间电网的互联，电网规模不断扩大，一个调度中心与它所控制的厂站之间的距离一般在几十千米、几百千米，甚至上千千米。这种远距离的实时通信需要高质量的数据传输网的支持，经过多年的建设，我国已建成了电力系统五级数据通信网，厂站监控系统的实时信息可以直接通过数据通信网接口向调度中心传送，厂站监控系统也可通过该网络接口接收主站命令。2.实时性强通信的实时性要求一般用允许传送时间来表示，它指从发送端事件发生到接收端正确接收到该事件信息这一段时间。国际电工委员会（IEC）建议的最大允许时延是：①命令信息为0.1-2s；②状态变化、事件信息为1-5s；③正常遥测遥信为2-10s；④存储数据为1-5min。在我国地区电网数据采集与监视系统中，最大允许时延指标要求是：变位信息、厂站端工作状态变化信息必须在1s内送到调度中心主站；厂站端遥测信息按重要程度分别在3-20s内在调度中心实现更新；电能等存储信息允许几分钟或几十分钟传送一次。随着电网规模的扩大，系统运行的安全可靠性不断提高，运行控制对实时性要求也不断提高。另一方面，计算机技术、电子技术、通信技术的迅速发展对不断提高的通信实时性指标提供了技术支持。此外，系统运行信息的重要程度不同，对实时性的要求也不同。因此，应根据不同应用场合，正确把握实时性强弱的指标要求。3.可靠性高远动信息是电网监视与控制的依据，其传输的可靠性毋庸置疑。为了确保传输信息的可2靠性，在电力系统远动通信中，通常需要建立双通道，当一个信道故障时，可自动切换到另一个备用通道，并采用不同的通信介质构成双通道。为了确保接收信息的可靠性，对传输的远动信息采用编码技术进行编码，接收端可对接收信息进行检错或纠错。在远动通信中，通常采用检错编码供接收端检出错误，并要求发送方重新传输该信息或等待该点信息的下次传送。为了防止黑客攻击或信息被病毒感染，对电力二次系统提出了“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的安全防护策略，设置了严格的安全防护体系，确保了实时运行信息的安全可靠。二、远动数据通信信道电力系统远动通信的特点决定了它不能依赖于公网通信，根据IEC的建议，世界上大多数国家的电力公司都建立了电力系统专用通信网，特殊情况下，可借用公网作为补充。1．明线或电缆信道这是采用架空或铺设线路实现的一种通信方式，其特点是线路铺设简单，线路衰耗大，易受干扰，主要用于近距离的变电站之间或变电站与调度中心的远动通信。常用的电缆有多芯电缆、同轴电缆等类型。2．电力线载波信道电力线载波通信是电力系统传统的特有通信方式，它以输电线路为传输通道，具有通道可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步等得天独厚的优点，曾经是电力通信的主要方式。电力线载波通信将话音及其他信息通过载波机变换成高频弱电流，使用不同的频段，利用电力线路进行传送的一种传送方式。一个电话话路的频率范围为0.3－3.4KHz，为了使电话与远动数据复用，通常将0.3－2.5KHz划归电话使用，2.7－3.4KHz划归远动数据使用。远动数据采用数字脉冲信号，故在送入载波机之前应将数字脉冲信号调制成2.7－3.4KHz的信号，载波机将话音信号与该已调制的2.7－3.4KHz信号迭加成一个音频信号，再经调制、放大、结合到高压输电线路上。在接收端，载波信号先经载波机解调出音频信号，并分离出远动数据信号，经解调得远动数据的脉冲信号。电力线载波通信技术经多年的发展，已达到了使用频率标准化、载波设备系列化、功能组合模块化、器件集成化和监测微机化的水平。目前，数字化电力线载波技术也在一定范围内使用。3．光纤通信信道光纤通信是光导纤维通信的简称，它是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一3种通信方式。光纤包括内芯和包层，单根光纤内芯是由高折射率的掺杂二氧化硅纤芯组成，一般为几十微米或几微米，包层由较低折射率的二氧化硅制成，其作用就是保护光纤。实际的光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起组成的光缆。光纤通信具有容量大、中继距离长、抗干扰能力强、传输性能稳定、误码率低等诸多优点，这些优点使其在电力系统通信中的应用越来越广泛。现在光纤敷设已有地线复合光缆、地线缠绕光缆和无金属自承式光缆等几种。（1）地线复合光缆(OPGW)，即架空地线内含光纤。这种光缆使用可靠，不需维护，但一次性投资价格较高，适用于新建线路或旧线路更换地线时使用。（2）地线缠绕光缆(GWWOP)，它是用专用机械把光缆缠绕在架空地线上。这种光纤芯数少，容易折断(枪击、啄木鸟害等)，较为经济、简易，也具有较高的可靠性。（3）无金属自承式光缆(ADSS),这种光缆可以提供数量大的光纤芯数，安装费用比OPGW低，一般不需停电施工，还能避免雷击。因为它与电力线路无关，光缆重量轻，价格适中，安装和维护都比较方便，但容易产生电腐蚀。此外，其他光缆还有如相线复合光缆(OPPC)、金属铠装自承式光缆(MASS)等等。电力特殊光缆受外力破坏的可能性小，可靠性高。经过多年的发展，电力特殊光缆制造及工程设计已经成熟，特别是OPGW和ADSS技术，在国内电力系统已经开始大规模的应用。特种光纤依托于电力系统自己的线路资源，避免了在频率资源、路由协调、电磁兼容等方面与外界的矛盾，有很大的主动权和灵活性。4．微波中继信道微波中继信道简称微波信道。微波是指频率为300MHz－300GHz的无线电波，它具有直线传播的特性，其绕射能力弱。由于地球是一球体，所以微波的直线传输距离受到限制，需经过中继方式完成远距离的传输。在平原地区，一个50米高的微波天线通信距离为50千米左右，因此，远距离微波通信需要多个中继站的中继才能完成。微波信道的优点是容量大，可同时传送几百乃至几千路信号，其发射功率小，性能稳定。微波信道有模拟微波信道和数字微波信道之分。用微波传送远动信息时，对于模拟微波信道，需要经过调制、载波后上信道，接收端也需经过载波和解调才能完成。对于数字微波信号，远动数据信号需经复接设备才能上或下微波信道。适合于较小区域内的一点多址微波通信曾在县级电力系统通信中得到应用。由于县级电力通信范围在几十公里之内，一般使用一个中心站而不必中继，只有当通信距离在30－50千米以上时才设置中继站。4在无线信道中，还有特高频无线电波通信、卫星通信、散射通信、短波通信、扩频通信等，都有其适用场合。第二节差错控制与编译码电力系统是一个实时运行的复杂系统，远动信息的实时性、准确性、可靠性是信息传输的基本要求，影响信息传输实时性的主要因素是信息的传输速率，而信息传输速率依赖于信息特性以及信号调制方式等因素。影响信息传输准确性、可靠性的主要因素包括：一是信道特性引起信息的码间干扰，二是信道上的噪声和干扰。因此，提高信息传输质量指标的设计考虑包括：选择质量较好的信息传输通道，提高传输速率，改善信道的特性，降低码间干扰。然而，信息在信道上传输始终存在多种干扰而引起差错，为了确保接收端获得准确的信息，就必须采用差错控制技术。所谓差错控制技术就是采用可靠、有效的编码，以发现或纠正信号在传输过程中由于噪声等干扰而造成的错码的一种方法。差错控制技术也称抗干扰编码技术。一、差错控制方式差错控制可分为检错和纠错两大类。检错即查出信息传输过程中的错码，但不能确定错码的位置。纠错则是在检错的基础上，判断错码所在位置并加以纠正。结合信息传输发送端和接收端双方的工作，常用的差错控制有如下几种方式。51.自动要求重传ARQARQ方式的通信过程如图8—1（a）所示。发送端发出能够检错的信息码，接收端收到该码后，按编码规则检错，确定接收到的编码中有无错码，并将判断结果通过反馈信道传送给发送端。如果判断结果为有错码，则发送端重传该信息码，直到接收端判断无错码为止。如果判断结果为无错码，发送端向接收端发送新的信息码。ARQ方式按编码规则完成检错，由重传完成纠错，故ARQ的准确性、可靠性很高，并可对重传次数加以控制，但实时性受到一定影响，效率不高。2.循环传送检错循环传送检错方式如图8—1（b）所示，其特点是同一信息源的信息被周期性地循环传送。这种方式不需要反馈信道。发送端把有关信息送入信道编码器进行抗干扰编码后发送出去。接收端收到编码后经检错译码器判断有无错码。如果没有错码，则该组数码可用。如果有错码，则该组数码丢弃不用。因为同一信息源的信息被周期性地循环传送，待下次循环中再收该信息，如果无错就可采用。循环传送检错方式比较简单，也容易实现。3.前向纠错FEC前向纠错方式如图8—1（c）所示。发送端的信息经信道编码器进行纠错编码，形成可纠错的码字发送出去。在接收端，把收到的数码经信道译码器进行纠错译码。FEC方式的优点是不需要反馈信道；但缺点是译码器一般较复杂。发送器可检错的码判决信号接收器(a)发送器可检错的码接收器(b)发送器可纠错的码接收器(c)发送器可纠错、检错的码判决信号接收器(d)图8—1差错控制方式示意图（a）ARQ；（b）循环传送；（c）FEC；（d）HEC64.混合纠错HEC混合纠错方式是FEC与ARQ两种方式的综合，如图8—1（d）所示。发送端发送的码字不仅能够检错，还具有一定的纠错能力。接收端收到数码后，首先进行纠错。如果错误太多，超过了纠错能力，但译码器能检测出有错码，于是通过反馈信道，要求发送端重新发送该组信息。HEC要求有反馈信道，并要求发送的码组及接收端的信道译码器具有一定的纠错能力。以上介绍的各种差错控制方式，其主要工作过程是：在发送端进行抗干扰编码，在接收端则进行检错或纠错。纠错码方案广泛应用于错误率高的无线链路中，纠错是让每个传输的分组带上足够多的冗余信息，以便在接收端能发现并自动纠正传输差错。比如海明码、正反码。检错码方案广泛应用于错误率非常低的铜线或光纤链路中。在检错码方案中，“奇偶校验码”和“循环冗余编码”这两种方案应用最广。在电力系统循环式远动中，对于遥测遥信通常采用循环传送检错。在问答式远动中，遥测遥信也多采用检错译码方式，为了提高遥控可靠性，都采用返送检验方式。二、码距与检纠错能力1．码距与最小码距码距就是两个码字C1与C2之间不同的比特数。一个编码系统的码距就是整个编码系统中任意（所有）两个码字的最小距离，即最小码距dmin。最小码距的重要性在于：如果两个码字的海明距离为dmin，那么只有出现dmin个位出错时一个码字才会变成另一个码字。2．检错、纠错能力与最小码距的关系在数字通信系统中，送入信道的信息都是“0”和“1”组合的数字信号，而当“0”和“1”形式的信息在信道中传输时将0错成1或将1错成0时，由于发生差错后的信息编码状态是发送端可能出现的状态，因此接收端无法发现差错。如果发送信息进入信道之前，在每个编码之后附加冗余码，发送端使用的码集中码字之间最小码距dmin增大了。由于dmin反映了码集中每两个码字之间的差别程度，如果dmin越大从一个编码错成另一个编码的可能性越小，则检错、纠错能力也越强。因此最小码距是衡量差错控制编码检错、纠错能力的标志，它们之间的关系如下：（1）当码字用于检测错误时，如果要检测e个错误，则码距d0≧e+1（8-12）这个关系可以利用图8-12（a）予以说明。在图中用A和B分别表示两个码距为d0的码字，若A发生e个错误，则A就变成以A为球心，e为半径的球面上的码字，为了能将这些码字分辨出来，它们必须距离其最近的码字B有一位的差别，即A和B之间最小距离满足不等式7（8-12）。（2）当码字用于纠正错误时，如果要纠正t个错误，则码距d0≧2t+1（8-13）这个关系可以利用图8—2（b）予以说明。在图中用A和B分别表示两