电力系统通信技术

电力系统通信第一章概述•数字通信系统模型信道编码器并串转换调制器信道信道译码器串并转换解调器信源译码器信宿信源同步同步干扰信源编码器•信息源：产生和发出消息的人或机器，发出的消息可以是连续的或离散的。•受信者：接受消息的人或机器。•编码器：包括信源编码器和信道编码器。–信源编码器：将信息源送出的模拟信号或数字信号转换为合乎要求的数码序列；–信道编码器：给数码序列按一定规则加入监督码元，使接收端能发现或纠正错误码元，用于提高传送的可靠性。•调制器：将信道编码器输出的数码变换为适合于在信道上传送的调制信号后再送往信道；•解调器：将收到的调制信号变换为数字序列。解调是调制的逆变换。•信道：传送信号的媒质。•译码器：包括信道译码器和信源译码器–信道译码器：对收到的数码序列进行检错或纠错译码；–信源译码器：把经信道译码器处理后的数字序列变换为相应的信号送给受信者。•同步：用于保证收发两端步调一致，协同工作。是通信系统中不可缺少的组成部分，如收发两端失去同步，数字通信系统会出现大量错码，无法正常工作。电力系统数据传输的基本模式•循环传输模式•自发（事件发动）传输模式•按请求（问答）传输模式电力系统信息传输的基本工作模式•循环传输模式–发送站按规定的顺序，周期性的把信息送给主站。–特点：无需主站干预，传输信息时只需使用单向信道。当传输过程中某些数据出现差错时，由于是循环传送，因而可以用下一个循环中的数据来补救。信道利用率不高。•自发（事件发动）传输模式–只有在发送端发生事件时（例如开关位置状态发生变化，测量值的变动超过预订范围）才向主站发送信息。–特点：适合实时性要求。需要双向信道。反向信道用于传送“肯定确认”或“否定确认”信息。系统正常运行时减轻了信道的负担，但在异常或事故情况下传送的工作量将大量增加。•按请求（问答或轮询）传输模式–以主站作为发动通信的一方，由它向被控站发出命令。被控站则按主站的请求发送有关信息。–特点：工作方式灵活，主站可以要求子站传送任何类信息。需要双工信道。必须采取辅助措施以提高实时性。•实际使用时，将三种基本传输模式进行组合。例如：正常情况下以循环传输模式工作，当发生紧急情况时，例如断路器事故跳闸，就插入事件发动传输事件信息。待紧急事件信息传输完毕后，再回复正常的循环传输模式。•各种模式组合中，事件发送传输模式的优先级最高，循环传输模式的优先级最低。模拟信号数字化•脉冲编码调制PCMPCM是一种用一组二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而实现通信的方式。其特点：抗干扰能力强。因此，它在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中均得到了极为广泛的应用。PCM包括三个过程：抽样、量化和编码，如图所示。抽样量化编码复用的概念复用与分用语音信号的复用波分复用光纤的衰减特性时分复用同步码YC字1YC字2YC字3…YX字1…YX字2地址遥测1高8位遥测1低8位遥测2高8位遥测2低8位监督码地址遥信1~8遥信9~16遥信17~24遥信25~32监督码数据采集及监视系统调度工作站帧：同步TDM和统计TDM对比数字调制与解调•利用二进制基带信号改变载波的幅值（ASK)、频率（FSK）或相位（PSK,DPSK），使信号适合在带通信道上传输•载波：)sin(wtA数字数据的调制ASK波形及频谱2FSK信号波形及频谱2PSK信号波形及DPSK信号波形振幅时间1100101011单极性不归零码振幅时间曼彻斯特码1100101011振幅时间差分曼彻斯特码1100101011振幅时间ASK振幅时间ASK载波1100101011振幅时间FSK振幅时间FSK载波振幅1100101011振幅时间PSK（DPSK）载波振幅时间PSK振幅时间DPSK11001010111100101011√√√√√√√√同步•同步是通信系统的一个重要环节。指收发两端的时钟频率相同、相位一致的运转。•包括：–码元同步（位同步）：接收端为了把收到的信息检出，必须知道每个码元的起始时刻和停止时刻。在接收端产生码元定时脉冲序列，此定时脉冲序列和发送端发过来的码元脉冲序列同频、同相---这种同步叫做位同步。–群同步：通信时，总是把若干个码元组成一组，若干个组又联合成帧，在接收端必须知道这些组的起始时刻和终止时刻。在接收端产生和发送端一致的组和帧的定时脉冲序列，称为组同步和帧同步，统称群同步。群同步•实现：特定的数字序列用做同步码。例如0111111111111111，1110101110010000•整步：接收端收到该同步码后就可确定这是一帧的开始和结束，从而把本端的时序与发送端对齐，叫做整步。同步码性能•漏同步–同步码在传输过程中由于干扰，可能出现误码，失去其特定形式，接收端不能识别它是同步码，从而不能整步。–希望尽可能少发生漏同步•假同步–信息序列的组合是随机的，可能出现一段信息序列和同步码相同，接收端收到后误认为是同步码，进行了错误的整步。–希望尽可能少发生假同步帧同步保护•帧同步保护：为了改善同步系统的性能，要求尽量减小假同步和漏同步的影响，需要在同步系统中采取一些附加的措施。•常用的帧同步保护措施是将帧同步的工作状态分为维持状态和捕捉状态两种：–维持状态：收发两端已建立同步时，接收端只在每帧的固定时间段内（例如一帧的开始）接收同步码，以维持同步，这个过程称为“维持状态”。由于只在帧同步码出现的时刻接收同步码，其他时间不接收同步码，大大减小了发生假同步的概率。–捕捉状态：当接收端连续多次收不到帧同步码时，称为失步。这是接收端应随时对所有收到的信号进行检查，判别它是否为同步码。这个过程叫做捕捉状态。在捕捉状态时要求可靠地判别出同步码，防止假同步。–在接收端捕捉到同步码并进行整步后，又转入维持状态。通信子网的组成路由器传输线路主机通信子网主机主机广域网路由器传输线路主机通信子网主机主机互联网路由器传输线路主机星型局域网总线局域网服务器广域网广域网的基本概念•广域网的构成–当主机之间的距离较远时，例如，相隔几百公里，甚至几千公里，局域网显然就无法完成主机之间的通信任务,这时就需要另一种结构的网络，即广域网。–广域网由一些结点交换机以及连接这些交换机的链路组成。结点交换机执行将分组存储转发的功能，结点之间都是点对点连接，但为了提高网络的可靠性，通常一个结点交换机往往与多个结点交换机相连。–由于广域网的造价较高，一般都是由国家或较大的电信公司出资建造。•广域网是因特网的核心部分，其任务是通过长距离传输主机所发送的数据。连接广域网各结点交换机的链路都是高速链路，其距离可以是几千公里的光缆线路，也可以是几万公里的点对点卫星链路，通信容量必须足够大。•广域网和局域网都是互联网的重要组成构件。相距较远的局域网通过路由器与广域网相连组成了一个覆盖范围很广的互联网。光纤通信简介•光的折射，反射和全反射–光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的(即不同的物质有不同的光折射率)，相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。光纤通讯就是基于以上原理而形成的。•光纤呈圆柱形，由纤芯、包层与涂层三大部分组成。•光信号在光纤内的传输原理PDH•现在通信中使用的时分多路复用传输系统主要有两类，即准同步数字系列（PDH）和“同步数字系列”（SynchronousDigitalHierarchy），简称SDH。采用准同步数字系列（PDH）的系统，是在数字通信网的每个节点上都分别设置高精度的时钟，这些时钟的信号都具有统一的标准速率。尽管每个时钟的精度都很高，但总还是有一些微小的差别。为了保证通信的质量，要求这些时钟的差别不能超过规定的范围。因此，这种同步方式严格来说不是真正的同步，所以叫做“准同步”。•在以往的电信网中，多使用PDH设备。但PDH有其局限性。SONET/SDH•1985年美国的ANSI提出了一个标准，称作同步光网络，英文缩写是SONET（SynchronousOpticalNetwork）。后来ITU-T也参与了该项工作，也提出了类似SONET的标准，称它为同步数字序列，英文缩写为SDH（SynchronousDigitalHierarchy）。•SONET/SDH是使用时分复用的同步光网络，用一个主时钟同步网络中的所有时钟，数据速率由低速到高速的时分复用形成层次结构。SONET/SDH是以光纤作为传输媒体的广域网，是电信运营商的基础网络。许多其他网络的数据例如IP分组或ATM信元均通过SONET/SDH网络来传输。SDH的组网T型网环带网•TM——终端复用器终端复用器用在网络的终端站点上，例如一条链的两个端点上，它是一个双端口器件，•它的作用是将支路端口的低速信号复用到线路端口的高速信号STM-N中，或从STM-N的信号中分出低速支路信号。请注意它的线路端口输入/输出一路STM-N信号，而支路端口却可以输出/输入多路低速支路信号。在将低速支路信号复用进STM-N帧（将低速信号复用到线路）上时，有一个交叉的功能。•ADM：分/插复用器–分/插复用器用于SDH传输网络的转接站点处，例如链的中间结点或环上结点，是SDH网上使用最多、最重要的一种网元，它是一个三端口的器件，ADM是SDH最重要的一种网元，通过它可等效成其它网元，即能完成其它网元的功能，例如：一个ADM可等效成两个TM。•ADM有两个线路端口和一个支路端口。两个线路端口各接一侧的光缆（每侧收/发共两根光纤），为了描述方便我们将其分为西（W）向、东向（E）两个线路端口。ADM的作用是将低速支路信号交叉复用进东或西向线路上去，或从东或西侧线路端口收的线路信号中拆分出低速支路信号。另外，还可将东/西向线路侧的STM-N信号进行交叉连接，例如将东向STM-16中的3#STM-1与西向STM-16中的15#STM-1相连接。•REG：再生中继器–光传输网的再生中继器有两种，一种是纯光的再生中继器，主要进行光功率放大以延长光传输距离；另一种是用于脉冲再生整形的电再生中继器，主要通过光/电变换、电信号抽样、判决、再生整形、电/光变换，以达到不积累线路噪声，保证线路上传送信号波形的完好性。此处讲的是后一种再生中继器，REG是双端口器件，只有两个线路端口—W、E。如图4-3所示：广域网的交换技术•交换技术是网络中的一个十分重要的问题。•为什么要用交换设备？–简单的讲就是为了节省传输线路。在交换网中，有些交换节点直接和端设备相连（例如计算机或电话），有些仅仅是为了路由。如下图所示，如果不使用交换设备，10个设备之间采用直接相连，则共需10*9/2=45条链路。在广域网和互联网中，将所有端设备直接相连是不可能的。交换节点将两个或多个节点连接在一起，在他们之间产生临时连接。交换方式•根据交换的方式和交换的特点，可以把交换分为3类：–电路交换–报文交换–分组交换（包交换）•数据报•虚电路。交换网•用数据交换的形式来命名网络，就得到电路交换网，分组交换网和报文交换网。其中分组交换网又进一步划分两个子类：虚电路网和数据报网。电话网采用电路交换，电报网是报文交换，计算机网络采用包交换。目前报文交换已基本不用，因此重点讨论电路交换和分组交换。交换网络电路交换网络分组交换网络信息交换网络数据报交换网络虚电路交换网络电路交换网•电路交换网组成–电路交换网是由物理链路连接的一组交换机组成的，每条链路用FDM或TDM划分成n个通道，每次连接仅使用每条链路上的一专用通道。•工作的三个阶段–连接建立阶段：在双方通信之前，交换机之间建立专用通道的过程。网络为该链接建立一条专用的通道，分配网络资源，例如为该信道分配一条FDM信道或一个TDM时隙，占用交换机的相应端口。–数据传输阶段：在通话过程中，这个信道所占用的网络资源始终没有释放。–拆除阶段：网络释放原先为该信道分配的资源。例题4-1•一个小例子。8台电话机通过一个小型电路交换网