微機保護課件-第九講20121109

（第九講）電氣學院王牣、、

第六章變電所自動化系統(tǒng)。第一節(jié)自動化系統(tǒng)構成及功能變電所自動化系統(tǒng)是將變電所的二次設備（包括測量儀表、信號系統(tǒng)、繼電保護、自動裝置和遠動裝置等）經(jīng)過功能的組合和優(yōu)化設計，利用先進的計算機技術、現(xiàn)代電子技術、通信技術和信號處理技術，實現(xiàn)對全所設備的自動監(jiān)視、自動測量、自動控制和保護，以及與調(diào)度通信等綜合性的自動化功能。綜合自動化系統(tǒng)與一般自動化區(qū)別的關鍵在于，自動化系統(tǒng)是否作為一個整體執(zhí)行變電所需要完成的保護、測量、控制、監(jiān)視等功能。

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第一節(jié)自動化系統(tǒng)構成及功能。一、變電所自動化系統(tǒng)的功能牽引變電所自動化系統(tǒng)是多專業(yè)性的綜合技術，它以微機為基礎，實現(xiàn)了對牽引變電所傳統(tǒng)的繼電保護、控制方式、測量手段、通信和管理模式的全面技術改造，實現(xiàn)了牽引供電運行管理的一次變革。結合牽引供電系統(tǒng)的具體情況，將變電所自動化系統(tǒng)按照功能分為3個子系統(tǒng)1．監(jiān)控子系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)取代常規(guī)的測量系統(tǒng)，取代指針式儀表；改變常規(guī)的操作機構和模擬盤，取代常規(guī)的報警、中央信號、光字牌以及RTU裝置等。主要功能將在第四節(jié)進行介紹。2．繼電保護子系統(tǒng)繼電保護子系統(tǒng)應滿足快速性、選擇性、靈敏性和可靠性的要求，其工作不受監(jiān)控子系統(tǒng)和其他子系統(tǒng)的影響。

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第一節(jié)自動化系統(tǒng)構成及功能。繼電保護子系統(tǒng)應滿足如下要求：（1）故障記錄功能；（2）統(tǒng)一時鐘對時功能，以便準確記錄發(fā)生故障和保護動作的時間；（3）存儲多種保護整定值；（4）當?shù)仫@示與多處觀察和授權修改保護整定值；（5）故障自診斷、自閉鎖和自恢復功能。繼電保護子系統(tǒng)應包括牽引變電所主要設備的全套保護，主要包括：變壓器主保護、變壓器后備保護、饋線保護、電容器保護、動力變保護等。

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第一節(jié)自動化系統(tǒng)構成及功能。3．通信子系統(tǒng)通信子系統(tǒng)包括系統(tǒng)內(nèi)部現(xiàn)場級的通信和系統(tǒng)與上級調(diào)度的通信兩部分?，F(xiàn)場級的通信主要解決系統(tǒng)內(nèi)部各個子系統(tǒng)與監(jiān)控子系統(tǒng)之間、各個子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信和信息交換問題，它的通信范圍是變電所內(nèi)部。自動化系統(tǒng)必須兼有RTU的全部功能，應該能夠?qū)⑺杉哪M量、開關狀態(tài)以及事件順序記錄等信息遠傳至上級調(diào)度；同時應該能接收上級調(diào)度下達的各種操作、控制命令。

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第一節(jié)自動化系統(tǒng)構成及功能。二、變電所自動化系統(tǒng)的結構形式

變電所自動化技術隨著集成電路技術、計算機技術、通信技術的發(fā)展，其體系結構也不斷變化，性能、功能及可靠等也在不斷提高。在變電所自動化系統(tǒng)發(fā)展的初期出現(xiàn)過集中式的結構，而目前主要采用分層分布式結構。1．分層分布式結構的概念有條件將微機保護單元和數(shù)據(jù)采集單元按一次回路進行設計。所謂分布式結構，是在結構上采用主從CPU協(xié)同工作方式，各功能模塊〔通常是各個從CPU)之間采用網(wǎng)絡技術或串行方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。如牽引供電系統(tǒng)中的饋線保護主要包括電流速斷保護、過電流保護、電流增量保護、反時限過負荷保護、三段距離保護、一次自動重合閘等功能，所有的這些保護功能可由一個CPU單獨完成.

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第一節(jié)自動化系統(tǒng)構成及功能。變電所自動化系統(tǒng)的分層分布式設計就是將變電所自動化系統(tǒng)需要完成的功能由多個微機系統(tǒng)來完成，對監(jiān)控子系統(tǒng)來說是選擇商用計算機或工控機來作為監(jiān)控的平臺，微機保護子系統(tǒng)則由不同功能的微機保護裝置組成，全所的繼電保護功能被分配到多個微機保護裝置。

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第一節(jié)自動化系統(tǒng)構成及功能。2．變電所分層結構在分層分布式結構中，變電所自動化系統(tǒng)按照設備的功能被分為三層：變電所層、間隔層（或稱單元層）、過程層（或稱設備層）。變電所自動化系統(tǒng)的分層結構如圖6.1。過程層主要指變電所內(nèi)的變壓器、斷路器、隔離開關及其輔助觸點，電流、電壓互感器等一次設備。間隔層一般按斷路器間隔劃分，包括測量、控制部件和繼電保護裝置。變電所層包括監(jiān)控主機、遠動管理機等。變電所層和間隔層設通信網(wǎng)絡，供各設備之間交換信息。

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第一節(jié)自動化系統(tǒng)構成及功能。

圖6.1變電所自動化系統(tǒng)分層結構、、

第一節(jié)自動化系統(tǒng)構成及功能。3．分層分布式結構的幾種方式不同時期、不同電壓等級的變電所自動化系統(tǒng)，分層分布式的結構有以下三種形式：（1）系統(tǒng)集中組屏集中組屏的結構是把整套自動化系統(tǒng)按其不同的功能組裝成多個屏（或稱柜），例如：變壓器保護屏（完成變壓器的保護、測量、控制功能）、饋線保護屏（完成一條或多條饋線的保護、測量、控制功能）、并補保護屏（完成電容器的保護、測量、控制功能），圖6.2是典型的牽引供電變電所的集中組屏的系統(tǒng)結構圖。

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第一節(jié)自動化系統(tǒng)構成及功能。

圖6.2集中組屏的牽引供電變電所結構圖、、

第一節(jié)自動化系統(tǒng)構成及功能。（2）分散安裝與集中組屏相結合分散與集中相結合的結構形式是目前國內(nèi)外最為流行、受到廣大用戶歡迎的一種自動化系統(tǒng)。它是采用“面向?qū)ο蟆奔疵嫦螂姎庖淮位芈坊螂姎忾g隔(如一條饋線、一臺變壓器、一組電容器等)的方法進行設計的，間隔層中保護測控裝置就地分散安裝在開關柜上或其他一次設備附近。這樣各間隔單元的設備相互獨立，變電所層設備僅通過光纖網(wǎng)絡對間隔單元進行管理和交換信息。這是將功能分布和物理分散二者有機結合，對變電所二次系統(tǒng)進行優(yōu)化設計的結果。通常能在間隔層內(nèi)完成的功能(如保護功能)一般不依賴通信網(wǎng)絡。這樣組態(tài)模式集中了分布式的全部優(yōu)點，此外還最大限度地壓縮了二次設備及其繁雜的二次電纜，減少控制室占地面積，節(jié)省土地投資。這種結構形式本身配置靈活，從安裝配置上除了能分散安裝在間隔開

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第一節(jié)自動化系統(tǒng)構成及功能。

圖6.3牽引變電所分散安裝和集中組屏的結構圖關柜上以外，還可以實現(xiàn)在控制室內(nèi)集中組屏或分層組屏，圖6.3是牽引變電所分散安裝與集中組屏的應用模式。、、

第一節(jié)自動化系統(tǒng)構成及功能。

圖中在牽引變電所中饋線、并補的保護、測控單元分散安裝在高壓室一次設備的開關柜上，變壓器由于在室外，分散安裝的條件不具備，可與當?shù)乇O(jiān)控單元、交直流設備等在控制室集中組屏，也可在變壓器旁就地安裝。分散安裝和集中組屏不僅適合應用在各種電壓等級的變電所中，而且若在高壓變電站中應用將更趨于合理，經(jīng)濟效益更好。這種結構形式有如下特點：①線路的保護采用分散式結構，就地安裝，節(jié)約控制電纜，通過網(wǎng)絡和變電所層交換信息。、、

第一節(jié)自動化系統(tǒng)構成及功能。

②高壓線路保護和變壓器保護采用集中組屏結構．保護屏安裝在控制室或保護室中，同樣通過網(wǎng)絡和變電所層交換信息，使這些重要的保護裝置處于比較好的工作環(huán)境，對可靠性比較有利。③簡化了變電所二次部分的配置，大大縮小了控制室的面積，也有利于無人值班。④簡化了變電所二次設備之間的互連線，節(jié)省了大量連接電纜。⑤分層分散式結構可靠性高，組態(tài)靈活，檢修方便。分層分散式結構，由于分散安裝，減小了電流互感器的負擔。各模塊與變電所層通過網(wǎng)絡連接，抗干擾能力強，可靠性高。、、

第一節(jié)自動化系統(tǒng)構成及功能。

（3）全分散模式全分散式的自動化系統(tǒng)是指以變壓器、斷路器、母線等一次主設備為安裝單位，將保護、測量、控制、閉鎖等功能單元就地分散安裝在一次主設備的開關柜上，安裝在主控制室內(nèi)的變電所層設備通過網(wǎng)絡與這些分散的單元進行信息交換。在鐵路的電力變配電所中已經(jīng)實現(xiàn)了全分散的安裝模式，新建設的客運專線的變配電所大都按照全分散的模式進行設計，所有的保護測控裝置都安裝于一次設備的開關柜上，這些裝置通過網(wǎng)絡和控制室的變電所層交換信息，圖6.4是鐵路電力配電所的全分散安裝的結構圖。、、

第一節(jié)自動化系統(tǒng)構成及功能。

圖6.4鐵路電力配電所全分散安裝結構圖、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡及通信協(xié)議。

在變電所自動化系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通信是一個重要環(huán)節(jié)，其主要任務體現(xiàn)在兩個方面，—方面是完成自動化系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)或各種功能模塊間的信息交換。這是因為變電所自動化系統(tǒng)實質(zhì)是由分層分布式的多臺微機組成的控制系統(tǒng)。在各個子系統(tǒng)中，往往又由多種智能功能模塊組成。因此，必須通過內(nèi)部數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)各子系統(tǒng)內(nèi)部和各子系統(tǒng)之間的信息交換和信息共享。另一方面是完成變電所與調(diào)度中心的通信任務。本節(jié)的主要內(nèi)容是介紹變電所自動化系統(tǒng)完成這兩方面的通信任務所使用的通信技術和通信協(xié)議。需要強調(diào)的是，網(wǎng)絡通信技術是變電所自動化技術發(fā)展的核心，網(wǎng)絡通信技術的突破帶來了變電所自動化技術的突破。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡及通信協(xié)議。

（一）變電所自動化系統(tǒng)通信子系統(tǒng)功能要了解變電所自動化系統(tǒng)如何完成通信，先要了解一下自動化系統(tǒng)中有那些通信內(nèi)容和需求。1．變電所內(nèi)的信息交換（1）現(xiàn)場一次設備與間隔層間的信息傳輸間隔層設備主要完成保護、測控、控制功能，需要從現(xiàn)場一次設備的電壓和電流互感器采集正常情況和事故情況下的電壓值和電流值，采集設備的狀態(tài)信息和故障診斷信息，這些信息主要是：斷路器、隔離開關位置，變壓器的分接頭位置，變壓器、互感器、避雷器的診斷信息以及斷路器操作信息等。目前情況下間隔層設備和一次設備的信息交互是通過電纜來完成的，隨著技術的發(fā)展，一次設備開始智能化，也可以通過通信來和間隔層設備交互信息。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡及通信協(xié)議。

（2）間隔層內(nèi)部的信息交換

在一個間隔層內(nèi)部相關的功能模塊間，即繼電保護、測量、控制模塊之間的數(shù)據(jù)交換，比如對變壓器可能會配置主保護、后備保護、測控單元共三個智能設備，它們之間可能需要信息交換。這類信息有如測量數(shù)據(jù)，斷路器、隔離開關的位置、狀態(tài)等。（3）間隔層之間的信息交換有些功能需要在不同的間隔層之間交換數(shù)據(jù)，比如不同間隔的斷路器、隔離開關的閉鎖，變壓器的自投等。（4）間隔層與變電所層的信息交換、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡及通信協(xié)議。

間隔層和變電所層之間的通信是最主要的通信，信息交換的內(nèi)容很多，主要有以下三類：①測量及狀態(tài)信息。正常及事故情況下的測量值和計算值，斷路器、隔離開關、變壓器分接開關位置，各單元層設備運行狀態(tài)，保護動作信息等。②操作信息。斷路器和隔離開關的分、合閘命令，主變壓器分接頭位置的調(diào)節(jié)，自動裝置的投入與退出等。③參數(shù)信息。微機保護和自動裝置的整定值等。（5）變電所層內(nèi)部信息交換變電所層可能有多臺計算機設備來完成變電所層的功能，不同設備之間的通信，要根據(jù)設備的任務和功能的特點，傳輸所需的測量信息、狀態(tài)信息和操作命令等。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡及通信協(xié)議。

2．變電所和調(diào)度中心的信息交換變電所自動化系統(tǒng)都具有遠動功能，遠動通信單元會把變電所內(nèi)的相關信息傳送到調(diào)度中心，同時能接收調(diào)度的數(shù)據(jù)和控制命令。變電所向調(diào)度中心傳送的信息通常稱為“上行信息”；而由調(diào)度中心向變電所發(fā)送的信息，常稱為“下行信息”。這些信息可按“四遙”功能劃分，主要包括：（1）遙測信息，變電所上送模擬量的相關信息。（2）遙信信息，變電所上送開關位置信號、有關狀態(tài)信號、保護動作信號等。（3）遙控命令，調(diào)度中心下發(fā)命令控制斷路器、隔離開關位置，保護裝置的保護元件的投入/退出，裝置復歸等。（4）遙調(diào)命令，調(diào)度中心下發(fā)命令改變變電所設備的工作狀態(tài)和參數(shù)調(diào)整。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡及通信協(xié)議。

上述“四遙”功能是傳統(tǒng)遠動需要完成的功能，在變電所自動化下還需要完成整定值功能、詳細故障信息功能、遠傳故障錄波功能等。隨著技術的發(fā)展，變電所和調(diào)度中心的信息交換內(nèi)容也在不斷地增加。（二）變電所自動化系統(tǒng)通信的特點和要求1．變電所通信網(wǎng)絡的要求由于數(shù)據(jù)通信在自動化系統(tǒng)內(nèi)的重要性，經(jīng)濟、可靠的數(shù)據(jù)通信成為系統(tǒng)的技術核心，而由于變電所的特殊環(huán)境和自動化系統(tǒng)的要求，使變電所自動化系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡具有以下特點和要求。(1)快速的實時響應能力。變電所自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡要及時地傳輸現(xiàn)場的實時運行信息和操作控制信息。在電力工業(yè)標準中對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送都有嚴格的實時性指標，網(wǎng)絡必須很好地保證數(shù)據(jù)通信的實時性。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡及通信協(xié)議。

(2)很高的可靠性。變電所是連續(xù)運行的，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡也必須連續(xù)運行，通信網(wǎng)絡的故障和非正常工作會影響整個變電所自動化系統(tǒng)的運行，設計不合理的系統(tǒng)，嚴重時甚至會造成設備和人身事故，造成很大的損失，因此變電所自動化系統(tǒng)的通信子系統(tǒng)必須保證很高的可靠性。(3)優(yōu)良的電磁兼容性能。變電所是一個具有強電磁干擾的環(huán)境，存在電源、雷擊、跳閘等強電磁干擾和地電位差干擾，通信環(huán)境惡劣，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡必須注意采取相應的措施消除這些干擾的影響。(4)分層式結構。這是由整個系統(tǒng)的分層分布式結構所決定的，也只有實現(xiàn)通信系統(tǒng)的分層，才能實現(xiàn)整個變電所自動化系統(tǒng)的分層分布式結構，系統(tǒng)的各層次又各自具有特殊的應用條件和性能要求，因此每一層都要有合適的網(wǎng)絡系統(tǒng)。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡及通信協(xié)議。

2．信息傳輸響應速度的要求不同類型和特性的信息要求傳送的時間不同，根據(jù)我國電力行業(yè)標準DL/T5149-2001“220～500kV變電所計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計技術規(guī)程”的規(guī)定，模擬量越死區(qū)傳送≤2秒；遙信變位和狀態(tài)告警信號傳送≤2秒；全系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)掃描周期≤2秒；變電所畫面整幅調(diào)用響應時間：實時畫面≤1秒；其他畫面≤2秒。、、

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二、數(shù)據(jù)通信基本概念1．通信的基本結構和模型（1）通信的基本結構通信的基本模型如圖6.5所示，圖中數(shù)據(jù)終端設備DTE（DataTerminalEquipment）指所有具有作為二進制數(shù)字數(shù)據(jù)源點或終點能力的單元，即它產(chǎn)生或接收處理數(shù)據(jù)。任何能夠通過網(wǎng)絡發(fā)送和接收模擬或數(shù)字數(shù)據(jù)的功能單元都是數(shù)據(jù)電路終接設備DCE（DataCommunicationsEquipment）。DTE設備如計算機、嵌入式系統(tǒng)等，DCE設備如調(diào)制解調(diào)器。圖6.5網(wǎng)絡通信的基本模型、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡及通信協(xié)議。

在任何一個網(wǎng)絡中，一個DTE設備產(chǎn)生數(shù)字數(shù)據(jù)并將它傳送到DCE設備，DCE設備將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可以在傳輸媒體上傳送的格式并將轉(zhuǎn)化后的信號發(fā)送給網(wǎng)絡上另一個DCE設備。第二個DCE設備從線路上接收信號，將信號轉(zhuǎn)化為與它相連的DTE設備可用的格式，然后轉(zhuǎn)發(fā)信息。（2）信號傳輸方式數(shù)據(jù)在通過通信介質(zhì)傳輸前必須轉(zhuǎn)換為信號，信號分模擬信號和數(shù)字信號。模擬信號是隨時間變化而平穩(wěn)變化的連續(xù)波形，數(shù)字信號是離散的，它可以包含有限數(shù)目的幾個預定值，我們在通信中常用的就是0和1。信號按照原樣傳輸稱為基波傳輸，將原信號調(diào)制成高頻載波信號稱載波傳輸。數(shù)據(jù)在計算機中以0和1的數(shù)字信號表示，數(shù)字信號傳輸通常需要進行變換，如果按照基波傳輸需要對信號進行編碼，數(shù)字信號也可能被轉(zhuǎn)換為模擬信號通過調(diào)制成高頻載波信號進行傳輸。數(shù)字信號的編碼和調(diào)制的原因和技術可以參考有關的書籍。、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡及通信協(xié)議。

（3）線路傳輸方式信息在互相連接的設備之間傳輸，信號流動的方向即線路傳輸方式分為三種：單工、半雙工和全雙工。單工模式指通信是單向進行的，一條鏈路上的兩個站點只有一個可以發(fā)送，另一個只能接收。半雙工模式指鏈路上的兩個站點都可以進行發(fā)送和接收，但不能同時發(fā)送和接收，即同一時間只能一個站點發(fā)送，一個站點接收。全雙工模式指兩個站點可以同時進行接收和發(fā)送。、、

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（4）通信速率比特率和波特率是數(shù)據(jù)通信中常用的兩個術語。比特率是每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)，也稱數(shù)據(jù)傳輸率，單位為bit/s。波特率是用來表示每秒傳輸?shù)男盘枂卧獢?shù)，其中信號單元由一些比特組成。比特率和波特率的關系如圖6.6所示。在基波傳輸方式或者單位時間內(nèi)調(diào)制或解調(diào)1個信號，則兩種速率在數(shù)值上是相同的。我們在通信中關心的是比特率。圖6.6比特率和波特率的關系示意圖顯然波特率始終小于或等于比特率，它們的關系是：比特率＝波特率×每個信號單元的比特數(shù)、、

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（5）OSI通信模型OSI(OpenSystemInterconnection，開放系統(tǒng)互連)是國際標準化組織為計算機系統(tǒng)之間的通信而制定的一個模型，它通過對通信過程和通信協(xié)議進行層次結構的分解，使不同系統(tǒng)間的通信成為可能。OSI模型因為過于煩瑣，一些層的存在是否必要也有爭論，因而現(xiàn)在的產(chǎn)品中還沒有一個全部實現(xiàn)了該模型中的全部層次結構。但是，OSI模型提供了一個通信系統(tǒng)設計的層次化的框架，對于深入理解通信系統(tǒng)的體系結構有非常重要的意義。事實上，現(xiàn)在的通信系統(tǒng)基本上都是以OSI模型為基礎而建立的。OSI模型及層次結構如圖6.7所示。、、

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圖6.7OSI模型和層次結構、、

第二節(jié)通信網(wǎng)絡及通信協(xié)議。

在OSI模型的層次結構中，每一層調(diào)用下層提供的服務完成特定的功能，同時為上層提供服務。低層協(xié)議對高層而言是透明的，即低層對高層提供服務與低層如何完成無關，因而一層內(nèi)部的變化不會影響另一層，各層相對獨立。下面是對OSI模型各層功能的簡單描述。①物理層。傳送電信號的物理實體。它定義通信設備和傳輸介質(zhì)之間的機械、電氣特性，傳輸速率，物理拓撲結構等。②數(shù)據(jù)鏈路層。通過一定的格式及流量、差錯控制，保證報文以幀為單位在鏈路上的可靠傳輸。鏈路層數(shù)據(jù)幀中包含了發(fā)送方和接收方的物理地址。③網(wǎng)絡層。負責將包從源地址傳送到目的地址，數(shù)據(jù)幀中包含了發(fā)送方和接收方的邏輯地址。、、

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④傳輸層。實現(xiàn)主機-主機的連接，負責整個報文從源端到目的端（端到端）的傳遞過程。⑤會話層。用以建立進程-進程間的對話。

⑥表示層。提供一套格式化服務，如代碼轉(zhuǎn)換、報文壓縮、加密和解密等，是關于兩個系統(tǒng)之間交換信息的語義和語法。⑦應用層。提供用戶接口和服務支持，如電子郵件、數(shù)據(jù)庫存取、遠程訪問等。2．串行數(shù)據(jù)通信計算機的數(shù)據(jù)由字節(jié)或字組成，一個字節(jié)是八位，在通信過程中按同時傳輸數(shù)據(jù)位的多少可分為并行通信和串行通信。并行通信在變電所自動化系統(tǒng)中很少用到，這里只對串行通信進行介紹。、、

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串行數(shù)據(jù)通信是數(shù)據(jù)位一位一位順序傳送，如圖6.8所示。圖6.8串行數(shù)據(jù)通信顯而易見，串行通信數(shù)據(jù)的各位可以分時使用同一傳輸線，故串行通信最大的優(yōu)點是可以節(jié)約傳輸線，特別是當位數(shù)很多和遠距離傳送時，這個優(yōu)點更為突出，這不僅可以降低傳輸線的投資，而且簡化了接線。、、

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串行通信分為同步串行數(shù)據(jù)傳輸和異步串行數(shù)據(jù)傳輸。（1）異步數(shù)據(jù)傳輸在異步通信方式中，發(fā)送的每一個字符均帶有起始位、停止位和可選擇的奇偶校驗位。用一個起始位表示字符傳送的開始，用停止位表示字符的結束構成一幀，傳輸格式如圖6.9圖6.9異步串行數(shù)據(jù)傳輸格式圖中傳送的信息位數(shù)可選4、5、6、7、8位，停止位可選擇1、1.5、2位，空閑位可以沒有。、、

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（2）同步數(shù)據(jù)傳輸在異步傳送中，每個字符都要用起始位和停止位作為傳送的開始和結束標志，這降低了數(shù)據(jù)傳送的效率。所以在數(shù)據(jù)塊的傳送時，為了提高速度和效率，就采用同步傳輸。同步傳輸?shù)奶攸c是在數(shù)據(jù)塊傳送的開始使用同步字符來作為傳送指示，其幀格式如圖6.10。圖6.10同步傳輸幀格式同步傳輸中，每幀以一個或多個“同步字符”開始。同步字符通常稱SYN，是一種特殊的碼元組合，它通知接收裝置這是一次傳送的開始，控制字符的作用是控制幀傳輸?shù)膮?shù)，如本次傳送的幀長度就在控制字符中。、、

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3．通信編碼和差錯控制信息在傳送的過程中由于受到干擾可能會發(fā)生差錯，如某位1變成了0或0變成了1。在通信過程中一方面要改善和提高傳輸系統(tǒng)的質(zhì)量，提高抗干擾能力，另一方面要解決傳輸過程中產(chǎn)生誤碼的問題，必須采用差錯檢測和糾正技術，檢測和糾正信息傳輸中的傳輸錯誤。差錯控制就是采用可靠、有效的編碼以發(fā)現(xiàn)或糾正數(shù)字信號在傳輸過程中由于干擾而造成的錯碼。差錯控制又叫抗干擾編碼。、、

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差錯控制的基本原理是在表示信息的數(shù)字信號中按照一定的規(guī)則增加一些冗余的校驗碼一起傳送，這些校驗碼和信息碼之間具有一定的關系。在接收端收到信息碼后按照同樣的規(guī)則生成校驗碼和接收的校驗碼進行比較，以發(fā)現(xiàn)傳輸過程是否有差錯發(fā)生。差錯控制編碼又可分為檢錯碼和糾錯碼，前者是指能發(fā)現(xiàn)差錯的編碼，后者是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯而且能糾正差錯的編碼，檢錯和糾錯的能力取決于編碼校驗規(guī)則。通信中常用的校驗碼有奇偶校驗、循環(huán)冗余校驗等，具體內(nèi)容可參考有關書籍。變電所自動化系統(tǒng)的通信系統(tǒng)必須采用差錯控制，保證傳輸信息的正確。、、

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三、常用的通信技術變電所自動化系統(tǒng)的通信隨著計算機技術和通信技術的發(fā)展，采用的通信接口也在不斷發(fā)展，RS232、現(xiàn)場總線技術、以太網(wǎng)技術都是目前正在采用的通信接口，它們分別應用于不同的場合。（一）RS232/485介紹串行通信接口RS232/485非常廣泛地應用于各種智能電子設備IED（IntelligentElectronicDevice）中，在短距離通信中一般采用RS232，長距離或需要串行接口級聯(lián)時可采用RS485。下面對它們各自的特點進行介紹。1．RS232RS232其實應該叫RS-232C，是在串行通信中廣泛應用的接口標準。它是由美國電子工業(yè)協(xié)會（ElectronicIndustries、、

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Association，EIA）制定的，又稱為EIA-232。RS是英文“推薦標準”一詞的縮寫，232是標識號，C表示此標準修改的次數(shù)。該標準與國際電信聯(lián)盟（InternationalTelecommunicationUnion，ITU）標準化部制定的串行接口標準V.24基本相同。RS-232C定義了DTE設備與DCE設備之間接口的機械、電氣及功能特性。①機械特性RS-232C標準規(guī)定采用一對物理連接器和電纜進行連接。連接器的實現(xiàn)主要有DB-25和DB-9兩種，分為陽性和陰性。陽性連接頭（也叫公插頭、針式插頭）是指電纜中每根導線都與插頭中的一根針相連的連接頭。陰性連接頭（也叫母插頭、孔式插頭）是指電纜中每根導線都與插頭中的一個金屬管或鞘相連的連接頭。在DB-25連接頭中，這些針或孔被排成兩排，上面13、、

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個下面12個。在DB-9連接頭中上面5個下面4個。一般在DTE側（計算機側）采用陽性連接頭。

實際應用中也采用通過端子、RJ45等的連接形式，只要滿足電氣特性即可。②電氣特性氣規(guī)范規(guī)定了在DTE設備和DCE設備之間任何一個方向上傳輸數(shù)據(jù)所采用的電壓值和信號類型。數(shù)據(jù)信號以邏輯1和0（稱為傳號和空號）形式傳輸，其中0對應正電壓而1對應負電壓。數(shù)據(jù)要被識別出來，對應的電壓值必須在3~15V或-3~-15V之間。其它的控制、時序等信號高于+3V為邏輯1，低于-3V為邏輯0。RS-232C邏輯電平的定義如表6.1所示。、、

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表6.1RS-232C邏輯電平定義RS-232C標準定義的邏輯電平（EIA電平），不能直接用于計算機內(nèi)部電路（TTL電平），因此在應用時需要在兩種電平間進行轉(zhuǎn)換，現(xiàn)在有許多集成電路能夠完成這個功能。RS-232C標準允許的信號傳輸速率在0~20000bps范圍內(nèi)，連接電纜的長度不超過50英尺（約15米）。電壓值數(shù)據(jù)信號控制信號+3V~+15V空號（邏輯0）接通（邏輯1）-3V~-15V傳號（邏輯1）斷開（邏輯0）、、

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③功能特性現(xiàn)在計算機通常都只提供DB-9的連接。DB-9的引腳定義如表6.2所示。表6.2DB-9中RS-232C的引腳功能引腳信號功

能1DCD載波檢測2TXD發(fā)送數(shù)據(jù)3RXD接收數(shù)據(jù)4DTRDTE設備就緒5GND信號地6DSRDCE設備就緒7RTS發(fā)送請求8CTS清除發(fā)送9RI振鈴指示、、

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④RS-232C異步串口應用方式計算機之間只要滿足RS-232C邏輯電平的要求，可直接通過串行接口連接，控制信號可以根據(jù)需要使用，典型的應用連接如圖6.11所示。

圖6.11典型串口連接應用圖中虛線表示該連接可以不用。、、

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2．RS485目前廣泛使用的串行通信接口標準是RS-232C，但它對數(shù)據(jù)傳輸速率和電纜長度（信號有效傳輸距離）都有限制。原因是RS-232C采用的是單端驅(qū)動、單端接收電路，特點是：傳送一種信號只用一根信號線，對多根信號線，它們的地線是公共的。這種辦法傳送實際很簡單，它的缺點是不能區(qū)分由驅(qū)動電路產(chǎn)生的有用信號和外部引入的干擾信號。因此RS-232C采用的信號電平電壓為15V或12V，這樣邏輯“1”和“0”之間電壓擺幅可能是20V或更高來避開干擾信號。、、

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為了提高通信速率和傳輸距離，RS485采用平衡驅(qū)動和差分接收方法，去掉信號地線。這種驅(qū)動相當于兩個單端驅(qū)動器，它們輸入同一個信號，而輸出兩個反向的互補信號，接收器接收兩根信號線上的互補差分輸入電壓。如果傳輸中有噪聲，則噪聲會以同樣的方式影響兩個互補信號，結果是在差分過程中噪聲被消除。差分平衡電路如圖6.12所示，接收器的輸入電源為這兩根導線電壓的差值Va-Vb。采用這種方式后，RS-485在較長距離內(nèi)明顯地提供了數(shù)據(jù)傳輸速率，它能夠在1200m距離內(nèi)把速率提高到100kbit/s，或在較短距離內(nèi)提高到10Mbit/s。、、

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圖6.12差分平衡電路RS-485實際上是RS-422的變型，不同之處在于：RS-422為全雙工，RS-485為半雙工；RS-422采用兩對平衡差分信號線，RS-485只需要其中的一對。RS-485對于多站互連是十分方便的，它能夠?qū)⒕哂蠷S-485接口的智能設備聯(lián)成網(wǎng)絡。RS-485聯(lián)網(wǎng)后，任一時刻只能有一個通信子站發(fā)送數(shù)據(jù)，必須制定相應的通信協(xié)議來保證這一點。、、

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（二）現(xiàn)場總線技術在變電所自動化系統(tǒng)發(fā)展的早期，受計算機技術和通信技術的限制，微機保護、微機監(jiān)控和其他微機型的自控裝置間的通信大多數(shù)通過RS422/RS485完成，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與微機保護和自動裝置間的數(shù)據(jù)交換，這與變電所原來的二次系統(tǒng)相比已有很大的優(yōu)越性，可節(jié)省大量連接電纜，接線簡單、可靠。然而，采用RS422/RS485通信接口雖然可實現(xiàn)多個節(jié)點(設備)間的互連，但連接的節(jié)點數(shù)一般不超過32個，在變電所規(guī)模稍大時，便滿足不了自動化系統(tǒng)的要求；其次，采用RS422/RS485通信接口，在多節(jié)點下其通信方式只能采用查詢方式，即由主機查詢，保護單元或自控裝置應答，通信效率、、

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低，難以滿足較高的實時性要求；再者，使用RS422/RS485通信接口，整個通信網(wǎng)上只能有一個主節(jié)點對通信進行管理和控制，其余皆為從節(jié)點，這樣主節(jié)點便成為系統(tǒng)的瓶頸，一旦主節(jié)點出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)的通信便無法進行。以上這些問題，不僅在變電所自動化系統(tǒng)中存在，在其他工控領域也存在，現(xiàn)場總線就是在這種背景下產(chǎn)生的?，F(xiàn)場總線是20世紀80年代中期在國際上發(fā)展起來的，用于現(xiàn)場智能化裝置與控制自動化系統(tǒng)之間的一個標準化的數(shù)字式通信鏈路，可進行全數(shù)字化、雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信，實現(xiàn)互操作及數(shù)據(jù)共享。、、

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(1)現(xiàn)場總線與RS232、RS485的本質(zhì)區(qū)別

在現(xiàn)場總線技術發(fā)展之前，很多智能設備通信大多采用RS232、RS485等通信方式，主要取決于智能設備的接口規(guī)范。但RS232、RS485只能代表通信的物理介質(zhì)層和鏈路層，如果要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向訪問，就必須自己編寫通信應用程序，但這種程序多數(shù)都不能符合ISO/OSI規(guī)范，只能實現(xiàn)較單一的功能，適用于一種設備類型，程序不具備通用性?，F(xiàn)場總線技術是以ISO/OSI模型為基礎的，具有完整的軟件支持系統(tǒng)，能夠解決總線控制、沖突檢測、鏈路維護等問題?，F(xiàn)場總線設備自動成網(wǎng)，無主從設備之分或允許多主存在，在同一個層次上不同廠家的產(chǎn)品可以互換，設備之間具有互操作性。、、

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(2)現(xiàn)場總線與計算機網(wǎng)絡的區(qū)別

計算機網(wǎng)絡的設計目標是信息資源與資源共享。而現(xiàn)場總線所傳遞的信息是以引起物質(zhì)或能量的變化為目的，特別強調(diào)可靠性、安全性和實時性。兩者在技術上有著明顯的區(qū)別。

①按功能比較，現(xiàn)場總線連接自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖切∨繑?shù)據(jù)信息，如檢測信息、狀態(tài)信息、控制信息等，傳輸速率低，但實時性高。即現(xiàn)場總線是一種實時控制網(wǎng)絡。局域網(wǎng)用于連接局域區(qū)域的各臺計算機，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖谴笈康臄?shù)字信息，如文本、聲音、圖像等，傳的速率高，但實時性要求不高。從這個意義而言，局域網(wǎng)是一種高速信息網(wǎng)絡。

②現(xiàn)場總線強調(diào)在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾裕诳扇家妆瑘龊线€應具有本質(zhì)安全性能。而計算機網(wǎng)絡一般安裝在環(huán)境較好的辦公場所，不必專門考慮環(huán)境因素。、、

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1．LON總線介紹LON（LocalOperatingNetworks）總線是美國Echelon公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導，于1990年正式公布而行成的。為了支持LON總線，Echelon公司開發(fā)了LonWorks技術，它為LON總線設計、產(chǎn)品化提供了一套完整的開發(fā)平臺。LON總線完整實現(xiàn)了國際標準化組織（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）的開放系統(tǒng)互連參考模型（OSI）的全部七層通信協(xié)議，其通信速率從300bit/s至1.25Mbit/s不等，支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質(zhì)，被譽為通用控制網(wǎng)絡。LON現(xiàn)場總線的神經(jīng)元芯片擁有三個處理單元，一個用于鏈路層控制，一個用于網(wǎng)絡層控制，另一個用于用戶的應用程序。、、

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LON總線網(wǎng)絡協(xié)議LonTalk提供了一個固化在神經(jīng)元芯片的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)處理全部的通信任務，提供給用戶的是一個簡單的網(wǎng)絡應用接口，LON網(wǎng)節(jié)點間使用網(wǎng)絡變量（產(chǎn)生隱式消息）或顯式消息進行相互間通信，一幀數(shù)據(jù)最大字節(jié)數(shù)為228個。這樣可以使用戶專注于應用設計，網(wǎng)絡通信的具體實現(xiàn)不再困擾應用設計的實現(xiàn)。2．CAN總線介紹CAN是控制器局域網(wǎng)ControllerAreaNetwork的簡稱，最早有德國的BOSCH公司提出，用于汽車內(nèi)部的監(jiān)測和控制系統(tǒng)。其總線規(guī)范已被國際標準化組織制定為國際標準，由于CAN總線的特點，其應用范圍目前已不在局限于汽車工業(yè)。CAN總線協(xié)議也是建立在國際標準化組織ISO的開放系統(tǒng)互連OSI參考模型的基礎上，不過其模型結構只有3層，只取OSI的物理層、、、

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數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。CAN信號傳輸介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜、光纖，通信速率最高為1Mbit/s。CAN總線為多主工作方式，網(wǎng)絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術，當出現(xiàn)幾個節(jié)點同時在網(wǎng)絡上傳輸信息時，優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級低的節(jié)點則主動停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。CAN總線的信號傳輸采用短幀結構，每幀有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低，當節(jié)點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能以切斷該節(jié)點和總線的聯(lián)系，使總線上其他節(jié)點的通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。存在的問題是對大信息量的自動化監(jiān)控信息，必須進行多包傳輸才能完成。、、

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3．現(xiàn)場總線在變電所自動化系統(tǒng)中的問題現(xiàn)場總線相比RS232/RS485在自動化系統(tǒng)中應用有很多優(yōu)點，但存在的問題是，現(xiàn)場總線的種類太多，據(jù)統(tǒng)計，目前流行的現(xiàn)場總線已達40多種，作為國際標準的也有10幾種。不同的現(xiàn)場總線都有其產(chǎn)生的背景和應用領域，在變電所自動化系統(tǒng)中，各個廠家采用的現(xiàn)場總線也各不相同，這就造成了在同一變電所中，不同廠家的智能裝置必須通過網(wǎng)關進行轉(zhuǎn)換才能通信，使裝置的互換和互操作成為問題。另外作為監(jiān)控系統(tǒng)的主機一般采用通用計算機，只具備串口、以太網(wǎng)接口，并沒有現(xiàn)場總線接口。裝置并不能直接和監(jiān)控計算機進行通信，必須使用網(wǎng)關或插卡進行接口轉(zhuǎn)換。隨著通信技術的發(fā)展，以太網(wǎng)通信在裝置上的實現(xiàn)已經(jīng)從技術和成本上達到了可用的程度，變電所自動化系統(tǒng)正在走向以太網(wǎng)通信的時代。、、

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（三）工業(yè)以太網(wǎng)以太網(wǎng)作為目前技術最成熟、維護最簡單、成本最低廉、運行最穩(wěn)定、速度最快捷的網(wǎng)絡技術，廣泛地應用于各種規(guī)模的局域網(wǎng)絡。隨著Ethernet技術和應用的發(fā)展，使其從辦工自動化走向工業(yè)自動化。1．以太網(wǎng)的定義以太網(wǎng)是我們經(jīng)常提到的局域網(wǎng)LAN（LocalAreaNetwork）的一種，有四種體系結構在局域網(wǎng)中占主導地位：以太網(wǎng)、令牌總線、令牌環(huán)、光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）。以太網(wǎng)、令牌總線、令牌環(huán)都是IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，電氣和電子工程師學會）的標準，是802標準的組成部分，F(xiàn)DDI是ANSI（AmericanNationalStandardsInstitute，美國國家標準協(xié)會）標準。、、

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IEEE802標準和OSI模型之間的關系如圖6.13所示，IEEE將數(shù)據(jù)鏈路化分為兩個子層：邏輯鏈路控制層LLC（LogicLinkControl）和介質(zhì)訪問控制MAC（MediaAccessControl）。

圖6.13LAN和OSI模型比較LLC是IEEE802數(shù)據(jù)鏈路層的上層，和通信介質(zhì)無關，對所有的局域網(wǎng)協(xié)議來說都是相同的。MAC則依賴于物理介質(zhì)，由于有了MAC層，就使IEEE802標準具有可擴充性，以備將來接納新的介質(zhì)和介質(zhì)訪問控制方法。圖6.14給出了IEEE802標準各部分的關系。、、

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LLC是IEEE802數(shù)據(jù)鏈路層的上層，和通信介質(zhì)無關，對所有的局域網(wǎng)協(xié)議來說都是相同的。MAC則依賴于物理介質(zhì)，由于有了MAC層，就使IEEE802標準具有可擴充性，以備將來接納新的介質(zhì)和介質(zhì)訪問控制方法。圖6.14給出了IEEE802標準各部分的關系。

圖6.14IEEE802標準體系、、

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根據(jù)上面的介紹，以太網(wǎng)是由IEEE802.3所支持的局域網(wǎng)，訪問介質(zhì)的方式為帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection，CSMA/CD）。以太網(wǎng)的尋址是按照48位的MAC層地址，在數(shù)據(jù)鏈路層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀只能識別網(wǎng)卡的MAC地址，網(wǎng)卡上的這個物理地址是唯一的?？偩€型的網(wǎng)絡是由多個節(jié)點共享一個總線來傳送數(shù)據(jù)，因此介質(zhì)訪問控制協(xié)議的任務就是防止兩個或兩個以上節(jié)點同時占用總線。RS485防止兩個節(jié)點同時訪問總線的方法就是在應用層制定協(xié)議，采用查詢的方式保證同一時刻只有一個節(jié)點處于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)。而以太網(wǎng)采用CSMA/CD介質(zhì)訪問方法，它的工作原理請參見有關書籍。任何一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)都要用CSMS/CD方法去爭取總線使用權，從它準備發(fā)送到發(fā)送成功的延時是不確定的，這對工業(yè)控制網(wǎng)絡要求的通信確定性與實時性有差距。、、

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2．TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)TCP/IP（TransferControlProtocol/InternetProtocol）是傳輸控