变电站综合自动化第七章-数据通信.ppt
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,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，1100ms。（2）间隔内各个模块间，1100ms。（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，101000ms。（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,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。,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,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。,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,图7-5报文及报文分组示意图P1 Pn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,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。,7.2 远距离数据通信的原理,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,0,7.2 远距离数据通信的原理,图7-9 数字调频原理图,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,7.2 远距离数据通信的原理,三、数据通信的工作方式,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,无线信道,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。,7.3 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)4、电气特性：信号速率限于20kb/s之内，电缆长度限于15m之内。在数据线上：mark(传号)5 V15V，逻辑“1”电平；space(空号)+5V15V，逻辑“0”电平；在控制线上：on（通）5V15V，逻辑“0”电平；Off(断)5 V15V，逻辑“1”电平；,7.3 串行数据通信及其接口,二、物理接口标准R5485（半双工）R5485适用于多个点之间共用一对线路进行总线式联网，用于多站互联非常方便，在点对点远程通信时，其电气连接如图7-16所示。某一时刻两个站中，只有一个站可以发送数据，而另一个站只能接收数据，因此其通信只能是半双工的，且其发送电路必须由使能端加以控制。传输速率达到93.75kb/s，传输距离可达1.2km.。,7.3 串行数据通信及其接口,图7-16 RS-485电气连接图,7.3 串行数据通信及其接口,RS232通信接口,RS485通信接口,7.4 变电站信息传输的通信规约,通信规约（通信协议）：为保证通信双方能有效、自动、可靠地通信，在发送端和接收端之间规定了一系列约定和顺序，这种约定和顺序称为通信规约。国内两类通信规约：（1）循环式数据传送规约（CDT）（2）问答式传送规约，简称：Polling规约,7.4 变电站信息传输的通信规约,一、循环式传输规约（CDT）用于点对点通道结构的两点之间通信，信息传递采用循环同步的方式。CDT规约是以厂站端为主动的远动数据传输规约。在调度中心与厂站端的远动通信中，厂站端周而复始地按一定规则向调度中心传送各种遥测、遥信、数字量、事件记录等信息。调度中心也可以向厂站端传送遥控、遥调命令以及时钟对时等信息。,7.4 变电站信息传输的通信规约,(一)帧结构,图7-17 循环式远动规约的帧结构,图7-18 控制字和控制字节的组成,EB90,7.4 变电站信息传输的通信规约,表7-1 帧类别代码定义表,7.4 变电站信息传输的通信规约,（二）信息字结构每个信息字由6个字节组成，见图7-19。图7-19 信息字结构功能码字节的8位二进制数可以取256种不同的值，对不同的信息字其功能码的取值范围不同。功能码的分配情况见表7-2。,7.4 变电站信息传输的通信规约,信息字可以分为上行信息字和下行信息字。上行信息字包括遥测、总加遥测、电能脉冲计数值、事件顺序记录，频率、子站时钟校返和子站状态信息、遥信等。下行信息字包括遥控命令、升降命令、设定命令、复归命令、设置时钟命令等。不同的信息字除功能码取值范围不同外，信息字中第25字节的各位含义不一样。以遥信信息字为例说明。,7.4 变电站信息传输的通信规约,遥信信息字的功能码取值范围是F0FFH，每个遥信信息字传送两个遥信字。一个遥信字包含16个状态位，所以遥信的最大容量为512路。当bi=0时，表示断路器或隔离开关状态为断开、继电保护未动作；当bi=1时，表示断路器或隔离开关状态为闭合、继电保护动作。,7.4 变电站信息传输的通信规约,（三）帧的组织形式帧类别 传送信息类别 建议传送周期A 重要遥测信息 3s B 次要遥测信息 6sC 一般遥测信息 20sD1 遥信状态信息 定时D2 电能脉冲记数值 定时E 随机量、事件顺序记录 随机,7.4 变电站信息传输的通信规约,（三）帧的组织形式 上行信息的优先级排列顺序和传送时间要求：子站时钟信息字和等待时间信息字，插入传送一遍；变位遥信和子站工作状态变化信息，以信息字为单位优先插入传位，连送三遍，并要求在1s内送到主站；遥控、升降命令的返送校核信息，以信息字为单位插入传送，连送三遍；重要遥测信息在A帧传送(3s);次要遥测信息B帧传送(6s);一般遥测信息C帧传送(20s);遥信状态信息安排在D1帧定时传送，电能脉冲记数值安排在D12帧定时传送定时；事件顺序记录安排在E帧，以帧插入方式传送三遍。,7.4 变电站信息传输的通信规约,下行信息：召唤子站时钟，设置子站时钟校正值、设置子站时钟；遥控选择、执行、撤销命令；升降选择、执行、撤销命令；设定命令；广播命令、复归命令，下行是非循环传送，按需要传送。在满足规定的循环时间前提下，帧系列可以根据需要任意组织。对于A、B、C、D1、D2帧，可以按要求的循环时间，固定各帧的排列顺序循环传送。如：ABACABACABAD1ABACABACABAD2,7.4 变电站信息传输的通信规约,对E帧在需要传送时，可以用帧插入方式将E帧插入到原来的帧系列中，取代原有的某一帧传送。,7-22 E帧插入的帧系列,7.4 变电站信息传输的通信规约,二、问答式传送规约适用于网络拓扑的点对点，多个点对点、多点共线、多点环形的远动系统，该规约是一个以调度中心为主动的远动数据传输规约。厂站只有在调度中心咨询以后，才能向调度中心发送回答信息。当变电站端产生事件时，厂站端可触发启动传输，主动向调度中心报告事件信息，（全双工通道结构）。,7.5 通信网络,一、局域网（LAN）：计算机局部网络。传输速率 101000Mb/s，一个单位（机关、公司、校园、军营）所有，易于建立，维护和扩展，它是多台小型、微型计算机以及外围设备用通信线路互联起来，并按着网络通信协议实现通信的系统。1、局域网的拓扑结构：在网络中，多个站点相互连接的方法和形式称为网络拓扑。局域网的拓扑结构主要有星型、总线型和环型等，如图7-25所示。,7.5 通信网络,图7-25局域网的拓扑结构（a）星型（b）总线型（c）环形,2、局域网的传输信道局域网可采用双绞线、同轴电缆或光纤等作为传输信道，也可采用无线信道。,7.5 通信网络,3、常用的局域网以太网以太网采用总线拓扑结构。通常在线路半径110km中等规模的范围内使用。二、现场总线应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。也被称为开放式、数字化，多点通信的底层控制网络。几种有影响的现场总线：基金会现场总线、profibus、HART、lonworks现场总线、CAN总线。,
