變電站綜合自動(dòng)化第七章-數(shù)據(jù)通信課件

1、第七章 變電站綜合自動(dòng)化的數(shù)據(jù)通信 本章的知識(shí)點(diǎn)： 掌握數(shù)據(jù)通信的傳輸方式、了解通信的內(nèi)容和通信要求；掌握調(diào)制的三種類型，數(shù)據(jù)通信的工作方式，了解遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的基本模型及差錯(cuò)控制；掌握串行數(shù)據(jù)通信及其接口；循環(huán)式傳輸規(guī)約，局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，了解問答式傳送規(guī)約和現(xiàn)場(chǎng)總線。 7.1 數(shù)據(jù)通信概述7.2 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的原理7.3 串行數(shù)據(jù)通信及其接口7.4 變電站信息傳輸?shù)耐ㄐ乓?guī)約7.5 通信網(wǎng)絡(luò)第1頁，共43頁。7.1 數(shù)據(jù)通信概述數(shù)據(jù)通信兩個(gè)主要任務(wù)：（1）完成系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)或各種功能模塊間的信息交換（2）完成變電站與控制中心的通信任務(wù)一、變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的通信內(nèi)容（一）變電站內(nèi)的信息

2、傳輸內(nèi)容1、現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備與間隔層間的信息傳輸：斷路器、隔離開關(guān)、主變壓器分接開關(guān)位置。2、間隔層的信息交換：保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)視之間的數(shù)據(jù)交換；3、間隔層與變電站層的信息: 測(cè)量及狀態(tài)信息、操作信息、參數(shù)信息第2頁，共43頁。7.1 數(shù)據(jù)通信概述（二）綜合自動(dòng)化系統(tǒng)與控制中心的通信內(nèi)容上行信息：變電站向控制中心傳送的信息下行信息：控制中心向變電站傳送的信息這些信息可按“四遙”功能劃分，即：遙測(cè)、遙信 、遙控和遙調(diào)。1、遙測(cè)信息 三繞組變壓器兩側(cè)P、Q、I、U，35kV及以上線路的有功功率級(jí)有功電能；各級(jí)母線電壓等。2、遙信信息 所有斷路器位置信號(hào)；控制回路斷線總信號(hào)；保護(hù)動(dòng)作信號(hào)；反映運(yùn)行方式的隔

3、離開關(guān)位置信號(hào)。第3頁，共43頁。7.1 數(shù)據(jù)通信概述3、遙控信息 變電站全部斷路器及能控的隔離開關(guān)；可進(jìn)行電控的主變壓器中性點(diǎn)接地隔離開關(guān)。4、遙調(diào)信息 有載調(diào)壓主變壓器分接頭位置調(diào)節(jié)；消弧線圈抽頭位置調(diào)節(jié)。二、通信的要求（一）變電站通信網(wǎng)絡(luò)的要求1、快速的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力；2、很高的可靠性；3、優(yōu)良的電磁兼容性能；4、分層式結(jié)構(gòu)。第4頁，共43頁。7.1 數(shù)據(jù)通信概述（二）信息傳輸響應(yīng)速度的要求 不同類型和特性的信息要求傳送的時(shí)間差異很大，其具體內(nèi)容如下。1、經(jīng)常傳輸?shù)谋O(jiān)視信息（1）母線電壓、電流、有功/無功功率、功率因數(shù)、零序電壓以及頻率等測(cè)量值，一般不宜大于1-2s。（2）計(jì)量用的信息，時(shí)

4、間間隔可以較長。（3）刷新變電站層的數(shù)據(jù)庫，需定時(shí)采集斷路器的狀態(tài)信息，繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置投入和退出的工作狀態(tài)可采用定時(shí)召喚方式。（4）監(jiān)視變電站的電氣設(shè)備的安全運(yùn)行所需的信息。第5頁，共43頁。7.1 數(shù)據(jù)通信概述2、突發(fā)事件產(chǎn)生的信息（1）系統(tǒng)發(fā)生事故的情況下，需要快速響應(yīng)的信息，要求傳輸時(shí)延最小，優(yōu)先級(jí)最高；（2）正常操作時(shí)狀態(tài)變化信息要求立即傳送，傳輸響應(yīng)時(shí)間要小，自動(dòng)智能裝置和繼電保護(hù)裝置的投入和退出信息要及時(shí)傳送。（3）故障情況下，繼電保護(hù)動(dòng)作的狀態(tài)信息和事件順序記錄，這些信息作為事故分析之用，不需要立即傳送，待事故處理完再送即可。（4）故障發(fā)生時(shí)的故障錄波，不必立即傳送。（5）控

5、制命令、升降命令、修改定值命令傳輸?shù)拈g隔時(shí)間較長。第6頁，共43頁。7.1 數(shù)據(jù)通信概述（三）各層次之間和每層內(nèi)部傳輸信息時(shí)間的要求（1）設(shè)備層和間隔層，1100ms。（2）間隔內(nèi)各個(gè)模塊間，1100ms。（3）間隔層的各個(gè)間隔單元之間，1 100ms。（4）間隔層與變電層之間，101000ms。（5）變電層的各個(gè)設(shè)備之間，1000ms。第7頁，共43頁。7.1 數(shù)據(jù)通信概述三、數(shù)據(jù)通信的傳輸方式（一）并行數(shù)據(jù)通信與串行數(shù)據(jù)通信 并行數(shù)據(jù)通信是指數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送，如圖7-1所示?？梢宰止?jié)為單位（8位），也可以字為單位（16位），同時(shí)傳送，同時(shí)接受。優(yōu)點(diǎn)：速度快、每秒可傳輸幾十、幾百兆字節(jié)。缺

6、點(diǎn)：需要的傳輸信號(hào)線多，成本高。應(yīng)用：在短距離傳輸中（10m），要求傳輸速度高的場(chǎng)合。圖7-1 并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?頁，共43頁。7.1 數(shù)據(jù)通信概述串行通信是數(shù)據(jù)一位一位地傳送，如圖7-2所示。優(yōu)點(diǎn)：可以節(jié)約傳輸線，簡化了接線。缺點(diǎn)：傳輸速度慢，通訊軟件相對(duì)復(fù)雜些。應(yīng)用：適合于位數(shù)很多和遠(yuǎn)距離傳送，距離可以達(dá)數(shù)千千米。圖7-2 串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?頁，共43頁。7.1 數(shù)據(jù)通信概述（二）異步數(shù)據(jù)傳輸和同步數(shù)據(jù)傳輸1、異步數(shù)據(jù)傳輸 在串行數(shù)據(jù)傳送中，有異步傳送和同步傳送兩種基本的通信方式。 在異步通信方式中，發(fā)送的每一個(gè)字符均帶有起始位、停止位和可選擇的奇偶校驗(yàn)位。用一個(gè)起始位表示字符的開始，用停止位

7、表示字符的結(jié)束構(gòu)成幀。其幀格式如圖7-3所示。第10頁，共43頁。7.1 數(shù)據(jù)通信概述圖7-3 異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷剑╝）一般信息幀 （b）ASCII碼幀第11頁，共43頁。7.1 數(shù)據(jù)通信概述2、同步數(shù)據(jù)傳輸在數(shù)據(jù)塊的開始處集中使用同步字符來做傳遞的指示，其成幀格式如圖7-4所示 。圖7-4 同步數(shù)據(jù)傳輸示意圖第12頁，共43頁。7.1 數(shù)據(jù)通信概述（三）報(bào)文及報(bào)文分組報(bào)文交換的本質(zhì)是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。報(bào)文就是站點(diǎn)一次性要發(fā)數(shù)的數(shù)據(jù)塊，其長度不限且可變，當(dāng)一個(gè)站要發(fā)送報(bào)文時(shí)，它將一個(gè)目的地址附加到報(bào)文上，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)報(bào)文上的目的地址信息把報(bào)文發(fā)送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，一直逐個(gè)節(jié)點(diǎn)地轉(zhuǎn)送到目的節(jié)點(diǎn)。第13頁，共

8、43頁。7.2 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的原理一、遠(yuǎn)距離通信的基本模型圖7-6 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的基本模型第14頁，共43頁。7.2 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的原理1、信源：電網(wǎng)中的各種信息源，如電壓、電流、頻率、功率、電能脈沖量、各種指令、開關(guān)信號(hào)。2、信源編碼器：把各種信源轉(zhuǎn)化成易于數(shù)字傳輸?shù)钠骷?，如A/D。3、信道編碼器：為了保護(hù)所傳輸?shù)男畔?nèi)容，增加保護(hù)碼元。4、調(diào)制器：將基帶數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制傳送。5、信道：信號(hào)遠(yuǎn)距離傳送的載體。 第15頁，共43頁。7.2 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的原理6、解調(diào)器：它是調(diào)制器的逆過程，以恢復(fù)基帶信號(hào)。7、信道譯碼器：它是編碼器的逆過程，除去保護(hù)碼元獲得發(fā)送側(cè)的二進(jìn)制數(shù)字序列。8、信

9、源譯碼器：它是將二進(jìn)制信號(hào)恢復(fù)到模擬信號(hào)的過程，例如D/A轉(zhuǎn)換器。9、信宿：信息的接收地或接收人員能觀察的設(shè)備，如電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中的模擬屏、顯示器CRT等，均為信宿。第16頁，共43頁。7.2 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的原理二、數(shù)字信號(hào)的調(diào)制與解調(diào) 基帶信號(hào)：由信源產(chǎn)生的原始電信號(hào)為一系列的方形脈沖，基帶信號(hào)不能直接在模擬信道上傳輸，因?yàn)閭鬏斁嚯x越遠(yuǎn)或傳輸速率越高，方形脈沖失真現(xiàn)象就越嚴(yán)重，甚至使正常信號(hào)無法進(jìn)行。 調(diào)制解調(diào)器：將數(shù)字基帶信號(hào)變換成適合于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男盘?hào)正弦波信號(hào)，這種正弦信號(hào)攜帶了原基帶信號(hào)的數(shù)字信息，通過線路傳輸?shù)浇邮斩撕螅蓪y帶的數(shù)字信號(hào)取出來，這就是調(diào)制與解調(diào)的過程。完成調(diào)

10、制與解調(diào)的設(shè)備叫調(diào)制解調(diào)器（MODEM）。第17頁，共43頁。7.2 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的原理 調(diào)制的過程就是按調(diào)制信號(hào)（基帶信號(hào)）的變化規(guī)律去改變載波的某些參數(shù)的過程。一個(gè)正弦電壓可表示為： （1）數(shù)字調(diào)幅(ASK)：使用正弦波的振幅隨數(shù)碼的不同而變化，但頻率和相位保持不變。用振幅為0來代替碼元0，振幅為某一值來代表碼元1。（2）數(shù)字調(diào)頻(FSK)：使正弦波的頻率隨數(shù)碼不同而變化，而振幅和相位保持不變。 表示數(shù)碼1， 表示數(shù)碼0。（3）數(shù)字調(diào)相(PSK)：使正弦波的相位隨數(shù)碼不同而變化，而振幅和頻率保持不變。第18頁，共43頁。7.2 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的原理圖7-8數(shù)字調(diào)制波形圖（a）數(shù)碼（b）調(diào)

11、幅波（c）調(diào)頻波 （d）二元絕對(duì)調(diào)相波（e）二元相對(duì)調(diào)相波0第19頁，共43頁。7.2 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的原理圖7-9 數(shù)字調(diào)頻原理圖圖7-9是用數(shù)字電路開關(guān)來實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制的原理圖。第20頁，共43頁。7.2 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的原理圖7-10 零交點(diǎn)檢測(cè)法原理圖和相應(yīng)波形圖（a）原理框圖 （b）相應(yīng)波形圖數(shù)字調(diào)頻解調(diào)方法零點(diǎn)檢測(cè)法第21頁，共43頁。7.2 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的原理三、數(shù)據(jù)通信的工作方式 根據(jù)收發(fā)通信雙方是否同時(shí)工作，可分為單工、半雙工和全雙工三種不同的方式。圖7-11數(shù)據(jù)通信三種工作方式（a）單工通信；（b）半雙工通信；（c）四線全雙工第22頁，共43頁。7.2 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的原

12、理（a）單工通信：信息只能按一個(gè)方向傳送的工作方式（b）半雙工：信息可雙向傳輸，但兩個(gè)方向的傳輸不能同時(shí)進(jìn)行，只能分時(shí)交替進(jìn)行，因而半雙工實(shí)際是可以切換方向的單工方式。（c）全雙工：通信雙方可同時(shí)進(jìn)行雙方向的傳送信息。第23頁，共43頁。7.2 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的原理四、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳信息通道有線信道信道明線或電纜信道電力線載波信道光纖信道 無線信道微波中繼信道衛(wèi)星信道散射信道短波信道第24頁，共43頁。7.2 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信的原理五、數(shù)據(jù)規(guī)約的含義 在通信網(wǎng)中，為了保證通信雙方能正確、有效、可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在通信的發(fā)送和接收的過程中有一系列的規(guī)定，以約束雙方進(jìn)行正確、諧調(diào)的工作，我們將這些規(guī)定稱

13、為數(shù)據(jù)傳輸控制規(guī)程，簡稱通信規(guī)約。在主站和各個(gè)遠(yuǎn)程終端之間進(jìn)行通信時(shí)，通信規(guī)約明確規(guī)范以下幾個(gè)問題：（1）要用共同的語言。（2）要有一致的操作步驟，即控制步驟。（3）要規(guī)定檢查錯(cuò)誤以及出現(xiàn)異常情況時(shí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)付辦法。 第25頁，共43頁。7.3 串行數(shù)據(jù)通信及其接口 串行通信在數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約“開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）參考模型”的七層結(jié)構(gòu)中屬于物理層，主要解決的是建立、保持和拆除數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備(DCE)之間的數(shù)據(jù)鏈路的規(guī)約。在設(shè)計(jì)串行通信接口時(shí)，主要考慮的問題是串行標(biāo)準(zhǔn)通信接口、傳輸介質(zhì)、電平轉(zhuǎn)換等問題。DTE：RTU、計(jì)量表、圖像設(shè)備、計(jì)算機(jī)等。DCE：一般指可直接發(fā)送和接收

14、數(shù)據(jù)的通信設(shè)備，如調(diào)制解調(diào)器。第26頁，共43頁。7.3 串行數(shù)據(jù)通信及其接口一、RS-232D（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）美國電子協(xié)會(huì)制定的物理接口標(biāo)準(zhǔn)，也是目前數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最廣泛的一種標(biāo)準(zhǔn)。1、功能特性：規(guī)定了接口連接的各數(shù)據(jù)線的功能。 數(shù)據(jù)線：TD、RD；設(shè)備準(zhǔn)備好線：DTR、DSR；半雙工聯(lián)絡(luò)線：RTS、CTS；電話信號(hào)和載波狀態(tài)線。第27頁，共43頁。7.3 串行數(shù)據(jù)通信及其接口2、規(guī)約特性：規(guī)定了DTE和DCE之間控制信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)的發(fā)送時(shí)序、應(yīng)答關(guān)系與操作過程。3、機(jī)械特性：（DB-25） DB-9(3根)4、電氣特性：信號(hào)速率限于20kb/s之內(nèi)，電纜長度限于15m之內(nèi)。在數(shù)據(jù)線上：ma

15、rk(傳號(hào))5 V15V，邏輯“1”電平； space(空號(hào))+5V15V，邏輯“0”電平；在控制線上：on（通）5V15V，邏輯“0”電平； Off(斷)5 V15V，邏輯“1”電平；第28頁，共43頁。7.3 串行數(shù)據(jù)通信及其接口二、物理接口標(biāo)準(zhǔn)R5485（半雙工） R5485適用于多個(gè)點(diǎn)之間共用一對(duì)線路進(jìn)行總線式聯(lián)網(wǎng)，用于多站互聯(lián)非常方便，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)遠(yuǎn)程通信時(shí)，其電氣連接如圖7-16所示。某一時(shí)刻兩個(gè)站中，只有一個(gè)站可以發(fā)送數(shù)據(jù)，而另一個(gè)站只能接收數(shù)據(jù)，因此其通信只能是半雙工的，且其發(fā)送電路必須由使能端加以控制。傳輸速率達(dá)到93.75kb/s，傳輸距離可達(dá)1.2km.。第29頁，共43頁。

16、7.3 串行數(shù)據(jù)通信及其接口圖7-16 RS-485電氣連接圖第30頁，共43頁。7.3 串行數(shù)據(jù)通信及其接口RS232通信接口RS485通信接口第31頁，共43頁。7.4 變電站信息傳輸?shù)耐ㄐ乓?guī)約通信規(guī)約（通信協(xié)議）：為保證通信雙方能有效、自動(dòng)、可靠地通信，在發(fā)送端和接收端之間規(guī)定了一系列約定和順序，這種約定和順序稱為通信規(guī)約。 國內(nèi)兩類通信規(guī)約：（1）循環(huán)式數(shù)據(jù)傳送規(guī)約（CDT）（2）問答式傳送規(guī)約，簡稱：Polling規(guī)約第32頁，共43頁。7.4 變電站信息傳輸?shù)耐ㄐ乓?guī)約一、循環(huán)式傳輸規(guī)約（CDT）用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通道結(jié)構(gòu)的兩點(diǎn)之間通信，信息傳遞采用循環(huán)同步的方式。CDT規(guī)約是以廠站端為主動(dòng)

17、的遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約。在調(diào)度中心與廠站端的遠(yuǎn)動(dòng)通信中，廠站端周而復(fù)始地按一定規(guī)則向調(diào)度中心傳送各種遙測(cè)、遙信、數(shù)字量、事件記錄等信息。調(diào)度中心也可以向廠站端傳送遙控、遙調(diào)命令以及時(shí)鐘對(duì)時(shí)等信息。第33頁，共43頁。7.4 變電站信息傳輸?shù)耐ㄐ乓?guī)約(一) 幀結(jié)構(gòu) 圖7-17 循環(huán)式遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約的幀結(jié)構(gòu)圖7-18 控制字和控制字節(jié)的組成EB90第34頁，共43頁。7.4 變電站信息傳輸?shù)耐ㄐ乓?guī)約（二）信息字結(jié)構(gòu)每個(gè)信息字由6個(gè)字節(jié)組成，見圖7-19。 圖7-19 信息字結(jié)構(gòu)功能碼字節(jié)的8位二進(jìn)制數(shù)可以取256種不同的值，對(duì)不同的信息字其功能碼的取值范圍不同。功能碼的分配情況見表7-2。第35頁，共43頁

18、。7.4 變電站信息傳輸?shù)耐ㄐ乓?guī)約信息字可以分為上行信息字和下行信息字。上行信息字包括遙測(cè)、總加遙測(cè)、電能脈沖計(jì)數(shù)值、事件順序記錄，頻率、子站時(shí)鐘校返和子站狀態(tài)信息、遙信等。下行信息字包括遙控命令、升降命令、設(shè)定命令、復(fù)歸命令、設(shè)置時(shí)鐘命令等。不同的信息字除功能碼取值范圍不同外，信息字中第25字節(jié)的各位含義不一樣。以遙信信息字為例說明。第36頁，共43頁。7.4 變電站信息傳輸?shù)耐ㄐ乓?guī)約遙信信息字的功能碼取值范圍是F0FFH，每個(gè)遙信信息字傳送兩個(gè)遙信字。一個(gè)遙信字包含16個(gè)狀態(tài)位，所以遙信的最大容量為512路。當(dāng)bi=0時(shí)，表示斷路器或隔離開關(guān)狀態(tài)為斷開、繼電保護(hù)未動(dòng)作；當(dāng)bi=1時(shí)，表示斷

19、路器或隔離開關(guān)狀態(tài)為閉合、繼電保護(hù)動(dòng)作。第37頁，共43頁。7.4 變電站信息傳輸?shù)耐ㄐ乓?guī)約 下行信息：召喚子站時(shí)鐘，設(shè)置子站時(shí)鐘校正值、設(shè)置子站時(shí)鐘；遙控選擇、執(zhí)行、撤銷命令；升降選擇、執(zhí)行、撤銷命令；設(shè)定命令；廣播命令、復(fù)歸命令，下行是非循環(huán)傳送，按需要傳送。 在滿足規(guī)定的循環(huán)時(shí)間前提下，幀系列可以根據(jù)需要任意組織。對(duì)于A、B、C、D1、D2幀，可以按要求的循環(huán)時(shí)間，固定各幀的排列順序循環(huán)傳送。如： ABACABACABAD1ABACABACABAD2 第38頁，共43頁。7.4 變電站信息傳輸?shù)耐ㄐ乓?guī)約對(duì)E幀在需要傳送時(shí)，可以用幀插入方式將E幀插入到原來的幀系列中，取代原有的某一幀傳送。D1D1D2 A A B AA B A A B A A B A A B A A B E E E7-22 E幀插入的幀系列第39頁，共43頁。7