变电站综合自动化第七章-数据通信

第七章变电站综合自动化的数据通信本章的知识点：掌握数据通信的传输方式、了解通信的内容和通信要求；掌握调制的三种类型，数据通信的工作方式，了解远距离数据通信的基本模型及差错控制；掌握串行数据通信及其接口；循环式传输规约，局域网的拓扑结构，了解问答式传送规约和现场总线。7.1数据通信概述7.2远距离数据通信的原理7.3串行数据通信及其接口7.4变电站信息传输的通信规约7.5通信网络7.1数据通信概述数据通信两个主要任务：（1）完成系统内部各子系统或各种功能模块间的信息交换（2）完成变电站与控制中心的通信任务一、变电站综合自动化系统的通信内容（一）变电站内的信息传输内容1、现场一次设备与间隔层间的信息传输：断路器、隔离开关、主变压器分接开关位置。2、间隔层的信息交换：保护、测量、监视之间的数据交换；3、间隔层与变电站层的信息:测量及状态信息、操作信息、参数信息GPS测控保护测控保护测控保护软件对时远动装置上级调度变电站监控站工程师站主备打印机总线直流屏其他智能设备变电站综合自动化体系结构电量和非电量检测操作控制开关量信号采集线路保护母线保护主变压器和电容器保护7.1数据通信概述（二）综合自动化系统与控制中心的通信内容上行信息：变电站向控制中心传送的信息下行信息：控制中心向变电站传送的信息这些信息可按“四遥”功能划分，即：遥测、遥信、遥控和遥调。1、遥测信息三绕组变压器两侧P、Q、I、U，35kV及以上线路的有功功率级有功电能；各级母线电压等。2、遥信信息所有断路器位置信号；控制回路断线总信号；保护动作信号；反映运行方式的隔离开关位置信号。7.1数据通信概述3、遥控信息变电站全部断路器及能控的隔离开关；可进行电控的主变压器中性点接地隔离开关。4、遥调信息有载调压主变压器分接头位置调节；消弧线圈抽头位置调节。二、通信的要求（一）变电站通信网络的要求1、快速的实时响应能力；2、很高的可靠性；3、优良的电磁兼容性能；4、分层式结构。7.1数据通信概述（二）信息传输响应速度的要求不同类型和特性的信息要求传送的时间差异很大，其具体内容如下。1、经常传输的监视信息（1）母线电压、电流、有功/无功功率、功率因数、零序电压以及频率等测量值，一般不宜大于1-2s。（2）计量用的信息，时间间隔可以较长。（3）刷新变电站层的数据库，需定时采集断路器的状态信息，继电保护和自动装置投入和退出的工作状态可采用定时召唤方式。（4）监视变电站的电气设备的安全运行所需的信息。7.1数据通信概述2、突发事件产生的信息（1）系统发生事故的情况下，需要快速响应的信息，要求传输时延最小，优先级最高；（2）正常操作时状态变化信息要求立即传送，传输响应时间要小，自动智能装置和继电保护装置的投入和退出信息要及时传送。（3）故障情况下，继电保护动作的状态信息和事件顺序记录，这些信息作为事故分析之用，不需要立即传送，待事故处理完再送即可。（4）故障发生时的故障录波，不必立即传送。（5）控制命令、升降命令、修改定值命令传输的间隔时间较长。7.1数据通信概述（三）各层次之间和每层内部传输信息时间的要求（1）设备层和间隔层，1～100ms。（2）间隔内各个模块间，1～100ms。（3）间隔层的各个间隔单元之间，1～100ms。（4）间隔层与变电层之间，10～1000ms。（5）变电层的各个设备之间，≥1000ms。7.1数据通信概述三、数据通信的传输方式（一）并行数据通信与串行数据通信计算机或外部设备计算机D0-Dn状态控制并行数据通信是指数据的各位同时传送，如图7-1所示。可以字节为单位（8位），也可以字为单位（16位），同时传送，同时接受。优点：速度快、每秒可传输几十、几百兆字节。缺点：需要的传输信号线多，成本高。应用：在短距离传输中（10m），要求传输速度高的场合。图7-1并行数据传输7.1数据通信概述串行通信是数据一位一位地传送，如图7-2所示。优点：可以节约传输线，简化了接线。缺点：传输速度慢，通讯软件相对复杂些。应用：适合于位数很多和远距离传送，距离可以达数千千米。控制状态Dn计算机计算机或外部设备D2D1D0图7-2串行数据传输7.1数据通信概述（二）异步数据传输和同步数据传输1、异步数据传输在串行数据传送中，有异步传送和同步传送两种基本的通信方式。在异步通信方式中，发送的每一个字符均带有起始位、停止位和可选择的奇偶校验位。用一个起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结束构成－帧。其帧格式如图7-3所示。7.1数据通信概述D0D1D2D3D4D5D60D2D1D0起始位ASCII码7位字符7位字符01起始位停止位奇偶校验奇偶校验停止位10下一信息开始传送信息起始位D0D1D20DnD1D0111空闲位标志（a)（b)图7-3异步数据传输的格式（a）一般信息帧（b）ASCII码帧7.1数据通信概述2、同步数据传输在数据块的开始处集中使用同步字符来做传递的指示，其成帧格式如图7-4所示。控制字符SYN1SYN2一个或多个同步字符数据字符图7-4同步数据传输示意图7.1数据通信概述（三）报文及报文分组报文交换的本质是存储转发。报文就是站点一次性要发数的数据块，其长度不限且可变，当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的节点。7.1数据通信概述报文号1D到点T源点S校验~~~~正文报文总控制信息校验正文1STP11DPto1Pto11DPnTS正文n校验报文分组分控制信息分控制信息图7-5报文及报文分组示意图P1Pn－报文分组号Pt01－报文分组总数T－到点编号S－源点编号7.2远距离数据通信的原理一、远距离通信的基本模型信源编码器信道编码器调制器信道解调器信源译码器信道译码器信源信宿干扰编码通道调制信道图7-6远距离数据通信的基本模型7.2远距离数据通信的原理1、信源：电网中的各种信息源，如电压、电流、频率、功率、电能脉冲量、各种指令、开关信号。2、信源编码器：把各种信源转化成易于数字传输的器件，如A/D。3、信道编码器：为了保护所传输的信息内容，增加保护码元。4、调制器：将基带数字信号进行调制传送。5、信道：信号远距离传送的载体。7.2远距离数据通信的原理6、解调器：它是调制器的逆过程，以恢复基带信号。7、信道译码器：它是编码器的逆过程，除去保护码元获得发送侧的二进制数字序列。8、信源译码器：它是将二进制信号恢复到模拟信号的过程，例如D/A转换器。9、信宿：信息的接收地或接收人员能观察的设备，如电网调度自动化系统中的模拟屏、显示器CRT等，均为信宿。7.2远距离数据通信的原理二、数字信号的调制与解调基带信号：由信源产生的原始电信号为一系列的方形脉冲，基带信号不能直接在模拟信道上传输，因为传输距离越远或传输速率越高，方形脉冲失真现象就越严重，甚至使正常信号无法进行。调制解调器：将数字基带信号变换成适合于远距离传输的信号－正弦波信号，这种正弦信号携带了原基带信号的数字信息，通过线路传输到接收端后，可将携带的数字信号取出来，这就是调制与解调的过程。完成调制与解调的设备叫调制解调器（MODEM）。7.2远距离数据通信的原理调制的过程就是按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波的某些参数的过程。一个正弦电压可表示为：（1）数字调幅(ASK)：使用正弦波的振幅随数码的不同而变化，但频率和相位保持不变。用振幅为0来代替码元0，振幅为某一值来代表码元1。（2）数字调频(FSK)：使正弦波的频率随数码不同而变化，而振幅和相位保持不变。表示数码1，表示数码0。（3）数字调相(PSK)：使正弦波的相位随数码不同而变化，而振幅和频率保持不变。)2sin()(ftUtumfffH0fffH07.2远距离数据通信的原理(a)(b)(c)(d)(e)0110001ttttt图7-8数字调制波形图（a）数码（b）调幅波（c）调频波（d）二元绝对调相波（e）二元相对调相波07.2远距离数据通信的原理图7-9数字调频原理图HfLf开关1开关2输出001图7-9是用数字电路开关来实现FSK调制的原理图。7.2远距离数据通信的原理图7-10零交点检测法原理图和相应波形图（a）原理框图（b）相应波形图数字调频解调方法—零点检测法dcabef低通展宽器全波整流微分放大限幅dcabef(a)(b)7.2远距离数据通信的原理三、数据通信的工作方式发送器接收器接收转换发送器接收器接收器发送器接收转换发送器接收器控制器控制器接收器发送器（a)（b)（c)根据收发通信双方是否同时工作，可分为单工、半双工和全双工三种不同的方式。图7-11数据通信三种工作方式（a）单工通信；（b）半双工通信；（c）四线全双工7.2远距离数据通信的原理（a）单工通信：信息只能按一个方向传送的工作方式（b）半双工：信息可双向传输，但两个方向的传输不能同时进行，只能分时交替进行，因而半双工实际是可以切换方向的单工方式。（c）全双工：通信双方可同时进行双方向的传送信息。7.2远距离数据通信的原理四、数据远传信息通道有线信道信道明线或电缆信道电力线载波信道光纤信道无线信道微波中继信道卫星信道散射信道短波信道7.2远距离数据通信的原理五、数据规约的含义在通信网中，为了保证通信双方能正确、有效、可靠地进行数据传输，在通信的发送和接收的过程中有一系列的规定，以约束双方进行正确、谐调的工作，我们将这些规定称为数据传输控制规程，简称通信规约。在主站和各个远程终端之间进行通信时，通信规约明确规范以下几个问题：（1）要用共同的语言。（2）要有一致的操作步骤，即控制步骤。（3）要规定检查错误以及出现异常情况时计算机的应付办法。7.2远距离数据通信的原理六、数据通信的差错控制在信息传递过程中，会出现各种干扰使所传输的信号码元发生差错，在一个实用的通信中一定要能发现检测这种差错，并采取纠正措施，把出错控制在所能允许的尽可能小的范围内，这就是差错控制。差错控制最常用的方法是差错控制编码。差错控制编码：在向信道发送信息位之前，先按某种关系加上一定的监督位，构成一个码元再发送。接收到码字后查看信息位和冗余位，并检查它们之间的关系，以发现检查过程是否有差错发生。差错控制编码又分为检错码和纠错码。7.2远距离数据通信的原理六、数据通信的差错控制最简单和最常用的检错方法是奇偶校验，在实际远动通信中，常使用循环冗余校验。循环冗余校验：对一个数据块进行校验，对随机或突发差错造成的帧破坏有很好的校验效果。k位r位(n-k)n位循环码信息位检验位图7-14CRC循环码格式7.2远距离数据通信的原理六、数据通信的差错控制循环校验码对下列的错误可以校验：（1）所有单个码元错误；（2）所有的双码元错误；（3）任何奇数个差错；（4）任何其长度小于n(x)的猝发性错误；（5）大多数较大的猝发性错误；7.3串行数据通信及其接口串行通信在数据传输规约“开放系统互联（OSI）参考模型”的七层结构中属于物理层，主要解决的是建立、保持和拆除数据终端设备(DTE)和数据传输设备(DCE)之间的数据链路的规约。在设计串行通信接口时，主要考虑的问题是串行标准通信接口、传输介质、电平转换等问题。DTE：RTU、计量表、图像设备、计算机等。DCE：一般指可直接发送和接收数据的通信设备，如调制解调器。7.3串行数据通信及其接口一、RS-232D（点对点）美国电子协会制定的物理接口标准，也是目前数据通信与网络中应用最广泛的一种标准。1、功能特性：规定了接口连接的各数据线的功能。数据线：TD、RD；设备准备好线：DTR、DSR；半双工联络线：RTS、CTS；电话信号和载波状态线。7.3串行数据通信及其接口2、规约特性：规定了DTE和DCE之间控制信号与数据信号的发送时序、应答关系与操作过程。3、机械特性：（DB-25）DB-9(3根)