变电站综合自动化第七章通信-xg.ppt

第七章 变电站综合自动化系统的数据通信,第一节 数据通信概述,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问的信息传输 2.间隔层的信息交换 3.间隔层.与变电站层的信息(1)测量及状态信息。(2)操作信息。(3)参数信息。,(二)综合自动化系统与控制中心的通信内容1.遥测信息 3.遥控信息2.遥信信息 4.遥调信息二、变电站综合自动化系统通信的要求(一)变电站通信网络的要求（1）快速的实时响应能力。（3）分层式结构。（2）很高的可靠性。（4）优良的电磁兼容性能。,（二）信息传输响应速度的要求（1）经常传输的监视信息。（2）突发事件产生的信息。（三）各层次之间和每层内部传输信息时间的要求,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，可以字节为单位8位数据总线)并行传送，也可以字为单位(16位数据总线)通过专用或通用的并行接口电路传送，各位数据同时传送，同时接受。并行传输速度快，需要的传输信号线多、成本高，因此常用在短距离传输中(通常10m),要求传输速度高的场合。早期的变电站综合自动化系统，由于受当时通信技术和网络技术等具体条件的限制，变电站内部通信大多采用并行通信，在综合自动化系统的结构上，多为集中组屏式。,串行通信是数据一位一位顺序地传送，显而易见，串行通信数据的各不同位，可以分时使用同一传输线，故串行通信最大的优点是可以节约传输线，特别是当位数很多和远距离传送时，这个优点更为突出，这不仅可以降低传输线的投资，而且简化了接线。但串行通信的缺点是传输速度慢，且通信软件相对复杂些。因此适合于远距离的传输，数据串行传输的距离可达数千千米。在变电站综合自动化系统内部，各种自动装置间或继电保护装置与监控系统间，为了减少连接电缆，简化配线，降低成本，常采用串行通信。,(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。用一起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结束构成一帧。,同步传送的特点是在数据块的开始处集中使用同步字符来作传送的指示。,在远距离数据通信中。为了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(或通信协议)。在电网监控系统中，国内主要采用两类通信规约:循环式数据传送，简称CDT规约问答式(Polling)传送规约。,一、循环式传输规约 CDT规约适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规约是一个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。调度中心也可以向一站端传送遥控、遥调命令以及时钟对时等信息。,二、问答式传输规约 问答式传输规约适用于网络拓扑是点对点、多个点对点、多点共线、多点环形或多点星形的远动系统，该规约是一个以调度中心为主动的远动数据传输规约。,厂站端只有在调度中心咨询以后，才向调度中心发送回答信息。调度中心按照一定规则向各个厂站端发出各种询间报文，厂站端按询问报文的要求以及厂站端的实际状态，向调度中心回答各种报文。调度中心也可按需要对厂站端发出各种控制厂站端运行状态的报文。厂站端正确接收调度中心的报文后，按要求输出控制信号，并向调度中心回答相应报文。对于点对点和多个点对点的网络拓扑，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。,第四章 变电站自动化系统的通信,变电站自动化系统的通信分两大部分：（1）变电站内的信息传输。（2）变电站自动化系统与调度中心的通信。,串行通信方式连接,串行通信：按照一定的格式一位一位地顺序传送数据。信息在一根信号线上传输。优点:便于长距离传送 缺点:传送速度较慢串行数据传输主要出现在接口与外部设备、计算机与计算机之间。PC系列机上有两个串行异步通信接口、键盘、鼠标器与主机间采用串行数据传送。需要进行数据格式转换。,并行通信：数据的各位同时发送或同时接收 优点:传送速度快 缺点:不便长距离传送计算机“主机”部件之间，如CPU与存储器、CPU与接口电路，多采用并行方式传输数据。并行通信通常是以“字节”为单位进行信息传输的。,并行通信方式连接,在变电站综合自动化系统内部，各种自动装置间或继电保护装置监控系统间，为了减少连接电缆，简化配线，降低成本，常采用串行通信。,串行数据的发送和接收,计算机并行方式处理数据，而数据传送用串行方式，故需要进行并/串转换。发送端：并/串转换器：CPU控制发送缓冲器移位寄存器在发送脉冲控制下字节的低位先发。发空后用中断提示。发送时钟控制发送速度。接收端：串/并转换器：类似同上。,异步通信和同步通信,1）异步通信 由于通信收、发两端的时钟很难完全同步，为了满足这种条件下的通信，提出异步通信的方式。发送1个字节的信息构成（在空闲时发高电平）：起始位（低）数据位（69位）校验位（1位）停止位（1位，1.5或2）。,首先确认起始位，接收端用速率N倍的测试脉冲检测线路状态，一旦发现连续N/2个测试都为低电平，认为起始位开始，开始接收后面数据位，再接收效验位，最后接收停止位。如果起始位、效验位、停止位中有一个不对，则放弃该字节的接收。,异步通信的意义：指两端时钟不需要精确同步。优点：设备要求低，广泛应用 缺点：附加码导致传输效率降低。,2)同步通信 特点：收发二端的时钟要严格保持同步，发送的每个数据字节不需要特殊的附加位了，形成真正的数据流（有效数据位紧密排列）。采用数据帧方式：数据流被分成数据帧发送，一帧数据组成：同步码数据码（N*8）效验码。,好处：区分数据类型、保证数据正确（效验）、减少对时钟的严格同步要求。码元同步：从接收信息码的脉冲串中提取发送时钟信息，用于调整接收端时钟。可用数字锁相电路原理实现。,依靠同步字符保持通信同步。由12个同步字符和多字节数据位组成，同步字符作为起始位以触发同步时钟开始发送或接收数据；多字节数据之间不允许有空隙，每位占用的时间相等；空闲位需发送同步字符。同步通信传输速度较快，但要求有准确的时钟来实现收发双方的严格同步，对硬件要求较高，适用于成批数据传送。,Page 27/49,通信工作方式:单工、半双工与全双工,单工只有一个信道，传输方向只能是单向的半双工只有一个信道，在同一时刻，只能是单向传输全双工双信道，同时可以有双向数据传输,A,B,A,B,A,B,例如：寻呼机,例如：对讲机,例如：电话,主站和分站间通信模式 CDT、Polling,CDT 循环式：分站自动循环地向主站发送采集到的并经一定处理后的遥测量、遥信量、数字量、脉冲量等。Polling问答式：分站按照主站的要求发送相应的数据。国际标准：IEC60870-101,Polling：正常传输,A,询问1,询问2,B,送主机,送主机,回答1,回答2,Polling：询问帧出错,出错,重问,A,询问1,询问1,B,送主机,回答1,NAK,Polling：询问帧丢失,A,询问1,询问1,B,送主机,回答1,丢失,重问,tout,Polling：应答帧丢失,A,询问1,询问1,B,送主机,回答1,回答1,丢失,重问,tout,变电站内部通信模式 总线通信方式、网络通讯方式,总线通信方式：由主模块控制通信总线，主模块可以主动向任何一个分模块发送信息，分模块则必须得到主模块的允许，才能向主模块发送信息。主模块不断地查询各个分模块，查到谁，谁才可以发送数据。这种主模块和分模块的通信方式类似于主站和分站之间采用的Polling通信方式。,网络通讯方式类似于PC机之间通信时采用的以太网。通信线路不需要由某个模块控制，主模块可以主动向任何一个分模块发送信息，任何一个分模块也可以主动向主模块发送信息。当有两个或两个以上的模块同时发送信息而产生冲突时，有一种仲裁机制，使冲突得以检测到或得以避免，使信息不会丢失。,通信协议定义,通信协议是指通信双方的一种约定，约定包括对数据格式、同步方式、传递速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。,网络协议是网络设备之间通信规则的正式描述。,4,3,2,1,4,3,2,1,TCP/IP协议栈,Source Host A,Destination Host B,好啊,我也懂TCP/IP。,请问可以用TCP/IP和你通信吗?,TCP/IP协议栈,各种通信协议的区别,IEC60870-5-101主要是运用在远动（串口）IEC60870-5-102主要是运用在电度表（串口）IEC60870-5-103主要运用在保护装置（串口）IEC60870-5-104主要运用在远动（以太网）、IEC61850规约基于MMS（Manufacturing Message Specification）的TCP/IP协议的以太网信息互连国际标准。其它远动规约：CDT92、CDT85 主要运用在远动（串口）MODBUS（以太网口）,通讯规约是指系统之间的数据交换规则，其中系统可以是装置，也可以是软件系统。一般情况下，设备之间互不通讯，规约转换是在相对于监控系统的外部设备接入系统时进行的。,通讯规约应该包含三个方面的信息：介质、数据格式和时序。介质是通讯建立的基础.数据格式或称为报文格式、帧格式，指明报文中的各部分的含义.时序是指数据的交换次序。通讯的一般可以分为启动、设置、轮询、操作几个部分。,数据格式或称为报文格式、帧格式，指明报文中的各部分的含义，一般报文可以分为同步字、报文头、数据、校验几个部分，并非所有通讯规约的报文中都含有这几部分，例如某些可能没有同步字，或者没有校验。（例）一段CDT报文eb 90 eb 90 eb 90 解读：同步字71 61 14 02 01 64 解读：控制字 71控制字节61重要遥测 14为信息字数 02 源站 01 目地站 64校验字 00 00 00 00 00 ff 00 解读：00（信息地址）00 00（点号0，值为0）00 00（点号1，值为0）FF（校验）01 00 00 00 00 9d 01 解读：01（信息地址）00 00（点号2，值为0）00 00（点号3，值为0）9d（校验）02 00 00 00 00 3b 03 00 00 00 00 59 04 00 00 6e 00 53 05 6f 00 0a 00 17,通讯的一般可以分为启动、设置、轮询、操作几个部分。启动过程是电力通系统通知设备复位，同步各种状态，准备进行下一步通讯。设置过程是由电力通系统给设备下发各种参数或取得设备的参数，下发时钟进行对时等。轮询过程是通讯的主要过程，电力通系统通讯规约模块的绝大部分时间都在该过程中，例如要召唤遥测、遥信的变化数据，定时召唤电度数据，处理事件数据等，该过程中的每一步操作，往往必须由上一步的操作以及设备的回答来确定。当操作人员在系统上操作时，如果向设备发送命令，则进入操作过程，由于操作过程是随机插入的，因此在处理上要特别注意该过程与轮询过程所产生的时序上的交叉。,规约转换,一个规约转换的例子：监控系统采集直流设备的信息（遥测量、遥信量等）假设监控系统采用IEC104规约，而直流设备采用CDT规约。就需要经过规约转换。,规约转换,CDT 循环远动规约CDT规约按照自身的数据传送规则循环向主站传送数据，不管主站是否正确接收。IEC104规约 对于遥测量：有一种模式是设备主动上送；对于遥信量：如果设备遥信有变位，则要求主动上送至监控系统；在监控系统下发总召唤时，设备要回应其全部遥信当前值，,规约转换,规约转换主要过程：1、定时接收直流设备原始数据，存放在缓冲区中，将其转换成IEC104规约的遥测、遥信格式并保存；对于遥测：如果遥测上送时间到，则将转换过的遥测数据打包成IEC104规约的报文上送至主站，对于遥信：判断当前值与前一时刻值是否有变位，如果有则将数据打包成IEC104规约的遥信变位报文上送至主站，并将前一时刻值重新赋值；2、接收来自监控系统的下发命令，判断如果是总召唤，则将当前遥信数据打包成IEC104规约的遥信报文上送至主站；,OSI与TCP/IP,Page 47/31,协议分层,网络通信的过程很复杂数据以电子信号的形式穿越介质到达正确的计算机，然后转换成最初的形式，以便接收者能够阅读为了降低网络设计的复杂性，将协议进行了分层设计,协议分层,分层设计的意义用户服务层的模块设计可相对独立于具体的通信线路和通信硬件接口的差别而通信服务层的模块设计又可相对独立于具体用户应用要求的不同,例如：文件传输或电子邮件服务模块的设计，不必关心底层通信线路是光纤还是双绞线,运输部门,甲地,乙地,数据的封装与解封装过程31,Internet,Hello!,邮局对于写信人来说是下层运输部门是邮局的下层 下层为上层提供服务写信人与收信人之间使用相同的语言邮局之间的约定 同层次之间使用相同的协议,OSI的七层框架,物理层,物理层,数据链路层,数据链路层,网络层,网络层,传输层,传输层,会话层,会话层,表示层,表示层,应用层,应用层,物理层协议,数据链路层协议,网络层协议,传输层协议,会话层协议,表示层协议,应用层协议,比特,帧,报文,TPDU,SPDU,PPDU,APDU,1 接口,2 接口,3 接口,4 接口,5 接口,6 接口,主机A,主机B,数据单元,层,IP包头,数据的封装与解封装过程32,Hello,物理层,数据链路层,网络层,传输层,会话层,表示层,应用层,比特,帧,报文,段,PDU,Hello,LLC子层,MAC子层,TCP/UDP头,高层数据,MAC子层,LLC子层,FCS,IP包头,数据的封装与解封装过程33,Hello,物理层,数据链路层,网络层,传输层,会话层,表示层,应用层,比特,帧,报文,段,PDU,Hello,LLC子层,MAC子层,MAC子层,FCS,TCP/UDP头,高层数据,LLC子层,两种国际标准,法律上的(de jure)国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。是非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。TCP/IP 常被称为事实上的(de facto)国际标准。,TCP/IP协议参考模型,TCP/IP是20世纪70年代中期美国国防部为ARPANET开发的网络体系结构,物理层,物理层网络的基础,物理层是TCP/IP模型的最底层物理层为数据传输提供可靠环境,物理层的功能,功能一：为数据端设备提供传送数据的通路功能二：传输数据,物理层关心的是信号、接口和传输介质,物理层的传输介质,有线介质双绞线光纤无线介质无线电微波激光红外线,物理层的设备,网络接口卡连接计算机和网络硬件 有一个惟一的网络节点地址 按照速率可分为10M网卡、10/100M自适应网卡和千兆网卡按照总线类型可分为ISA网卡、PCI网卡等按照提供的线缆接口类型可分为RJ-45接口网卡、光纤网卡等便携式电脑可使用PCMCIA网络接口卡,物理层的设备,中继器能放大信号延长网络传输距离只包含有一个输入端口和一个输出端口，所以只能接收和转发数据流 成本低,物理层的设备,集线器最初只是一个多端口的中继器 可用于星形拓扑结构能够支持各种不同的传输介质和数据传输速率 有些集线器具有内部处理能力，例如，可以接受远程管理、过滤数据或提供网络诊断信息 被交换机所取代,数据链路层,数据链路层的功能,数据链路层位于网络层与物理层之间,物理层,物理层,数据链路层,数据链路层,网络层,网络层,数据链路层协议,比特（Bit）,帧（Frame）,包(Packet）,主机A,主机B,数据单元,以太网,以太网在 数据链路层和物理层上运行。,物理层,物理层,数据链路层,数据链路层,网络层,网络层,物理层协议,数据链路层协议,网络层协议,比特,帧,包,1,2,主机A,主机B,数据单元,层,以太网,以太网MAC地址,分配给网卡或其它以太网设备的所有 MAC 地址都必须使用厂商分配的 OUI 作为前 3 个字节。OUI 相同的所有 MAC 地址的最后 3 个字节必须是唯一的值（厂商代码或序列号）。MAC 地址通常称为烧录地址(BIA)，因为它被烧录到网卡的 ROM（只读存储器）中。,网络层,网络层的功能,定义了基于IP协议的逻辑地址连接不同的媒介类型选择数据通过网络的最佳路径,IP地址的作用,用来标识一个节点的网络地址每个IP地址都包含两部分，即网络号和主机号。子网掩码的作用就是将某个IP地址划分成网络地址和主机地址两部分。,子网掩码的使用,子网掩码:,255.0.0.0,网络ID相同，在同一网段，可以通信,255.255.0.0,.20.2,A与C不在同一网段，不能通信,255.255.255.0,.2,A与C、D不在同一网段，不能通信,划分子网,划分子网的作用通过将子网掩码变长，将大的网络划分成多个小的网络,网络，掩码,未划分子网的IP地址,.,划分子网后的IP地址,掩码变成，网络划分为、,网络ID,集线器（HUB)交换机（Switch)路由器(Router),交换机和集线器的区别,集线器为共享方式，即同一网段的计算机共享固有的带宽，传输通过碰撞检测进行，同一网段计算机越多，传输碰撞也越多，传输速率会变慢。,交换机和集线器的区别,交换机则采用一种与集线器完全不同的、独特的传输方式。无论是网卡还是交换机端口，都具有独一无二的MAC地址，因此，MAC地址便可用作识别其身份的号码，而交换机上的每个端口都能够在其地址表中记忆若干个MAC地址，从而建立一张端口号与MAC相对应的地址表。,当交换机控制电路从某一端口收到一个Ethernet包后，将立即在其内存中的地址表（端口号MAC地址）进行查找，以确认目的MAC的网卡连接在哪一个端口上，然后将该包转发至该端口。如果在地址表中没有找到该MAC地址，也就是说，该目的MAC地址是首次出现，则将其广播到所有端口。拥有该MAC地址的网卡在接收到该广播包后，将立即作出应答，从而使交换机将其端口号MAC地址对照表添加到地址表中。,交换机和集线器的区别,路由器,路由器（Router）是一种典型的网络层设备。一般说来，异种网络互联与多个子网互联都应采用路由器来完成。路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。路由器中保存着各种传输路径的相关数据路径表（Routing Table），供路由选择时使用。路径表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路径表可以是由系统管理员固定设置好的，也可以由系统动态修改，可以由路由器自动调整，也可以由主机控制。,什么是路由？,路由跨越从源主机到目标主机的一个互联网络来转发数据包的过程,能够将数据包转发到正确的目的地，并在转发过程中选择最佳路径的设备路由器,路由器工作原理1,1.0,4.0,1.3,E0,4.3,S0,2.2,E0,2.1,S0,4.1,4.2,1.1,1.2,Router1,Router2,主机1.1要发送数据到4.2,路由器工作原理2,1.0,4.0,1.3,E0,4.3,S0,2.2,E0,2.1,S0,4.1,4.2,1.1,1.2,Router1,Router2,路由器接收到数据，查看数据包中的目标地址为4.2，查找路由表,路由器工作原理3,1.0,4.0,1.3,E0,4.3,S0,2.2,E0,2.1,S0,4.1,4.2,1.1,1.2,Router1,Router2,路由器1根据路由表转发数据到S0口,路由器工作原理4,1.0,4.0,1.3,E0,4.3,S0,2.2,E0,2.1,S0,4.1,4.2,1.1,1.2,Router1,Router2,路由器2接收到数据包，查看数据包的目标地址，并查找路由表,路由器工作原理5,1.0,4.0,1.3,E0,4.3,S0,2.2,E0,2.1,S0,4.1,4.2,1.1,1.2,Router1,Router2,路由器2根据路由表转发数据到E0口,主机4.2接收到数据包,IEC61850,定义了通信的两个重要内容：传递什么？如何传递？定义了设备和变电站的配置；面向未来，通信协议可选择；对自动化设备协同工作的方式进行了发展；具有通用性，可应用于其他领域；是一套技术体系，而不仅仅是通信协议。,国际电工委员会（IEC）TC 57技术委员会（电力系统控制和通术委员会）在制定IEC 61850（变电站通信网络和系统）标准时，把变电站自动化系统的功能在逻辑上分配在3个层次（变电站层、间隔层或单元层、过程层），这3个层次分别通过逻辑接口19建立通信，如图所示。,（1）过程层（Process level）功能 过程层的功能实际上是与变电站一次设备断路器、隔离开关和电流互感器TA、电压互感器TV接口的功能。（2）间隔层（Bay level）功能 变电站自动化系统在间隔层的设备主要有各种微机保护装置、自动控制装置、数据采集装置和RTU等等。(3）变电站层（Station level）变电站的功能有2类：与过程有关的站层功能：与接口有关的站层功能,IEC 61850工作组所做的所有工作其实都是围绕一个核心问题：如何将过程信息不丢失语义地在过程层、间隔层和站控层之间传递。,对IEC 61850的理解,