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自动化通信的基础知识自动化通道的基础知识【模块描述】本模块介绍自动化通道的基础知识。通过概念介绍、图文释义，掌握模拟通信和数字通信的概念，掌握数据通信的基本概念及其系统组成，熟悉自动化通道的工作模式和接口。【正文】一、通信的基本分类信息总是通过一定形式的信号进行传递的。信号根据其随时间变化的状况，可分为连续信号和离散信号两种形式。连续信号是随时间而连续变化的，它是时间的函数；离散信号不随时间连续变化，而是每隔一段时间取某一个值。通常把可以在一个范围内连续取值的连续信号称为模拟信号，而把只能取有限个值的离散信号称为数字信号。按数据传输形式的不同，数据传输可分为模拟通信和数字通信两类。(一)模拟通信模拟通信就是在通道上传递某种连续的模拟信号，模拟通信所需设备比较简单，但是这种通信方法抗干扰能力差，容易产生失真，失真后又无法恢复原来的信号，因此通信质量较差。(二)数字通信数字通信就是在通道上传递某种离散的数字信号，数字通信设备比模拟通信设备复杂很多，但因其具有模拟通信无法比拟的许多优点，因此得到了迅速的发展。与模拟通信相比，数字通信更能适应对通信技术越来越高的要求，其原因如下：(1)数字传输抗干扰能力强，尤其在中继端，数字信号可以再生而消除噪声的积累。(2)传输差错可以控制，从而改善了传输质量。(3)便于使用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理。(4)数字信息易于做高保密性的加密处理。(5)数字通信可以综合传递各种消息，使通信系统功能增强。一般来说，数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带而换得的。在系统频带紧张的场合，数字通信的这一缺点显得很突出，但是在系统频带富裕的场合(如毫米波通信、光通信等场合)，数字通信几乎成了唯一的选择。考虑到现有大量模拟通信系统这一事实，目前还常常需要利用它来传输数字信号，这就需要对其做些改造，或者加装数字终端设备。二、数据通信的基本概念数据通信系统是组成电力调度自动化系统和配电网自动化系统的重要组成部分。在发电厂，由各种计算机设备构成内部网络，通过设备之间的数据通信，实现发电的协调控制。在变电站，由数据信息采集装置采集本站内电气设备以及高压输电线的运行情况，形成遥测、遥信信息，借助于数据通信系统，发电厂和变电站的实时运行数据信息被传送至调度控制中心。同时，控制中心形成的遥控、遥调命令，也通过数据通信系统传送到远方终端，实现对开关设备的远方控制、对控制装置的远方调整和定值设置。此外，一个具有强有力功能的配电管理系统对通信系统的依赖更是明显的。虽然发电输电系统数据集中，配电系统的数据采集的范围相对分散，但是对数据通信的总的要求是一致的，只是在采用的通信系统的构成和通信方式有所不同，因此一个可靠性高的、功能强大的、无处不在的、方便实用的通信系统是现代电力系统十分重要、不可或缺的部分。数据通信的定义可以简单的表述为：数据通信是在两台设备之间通过某种形式的传输介质进行的数据交换。’简单的数据通信系统由数据终端、调制解调器、通信线路、通信处理机和主计算机组成，1．数据终端电力系统监控设备与数据通信网络之间的接口，能够把电气模拟信号或状态量转换为二进制信息向数据通信网络送出，也能够把从数据通信网络中接收到的控制调节指令(或经转换)向受控对象发出。2．调制解调器较远距离的通信线路往往采用模拟信道。调制解调器的作用是将二进制数据序列调制成模拟信号，或把模拟信号解调成二进制数据，是计算机与模拟信道之间的连接桥梁。对近距离的通信，可直接采用数字式通信。3．通信线路通信线路可以是采用公用通信线路或专用通信线路，可以是直接连接，也可以是经过通信处理机网络连接。4．通信处理机通信处理机承担通信控制任务，完成计算机数据处理速度与通信线路传输速度问的匹配缓冲，对传输信道产生的误码和故障进行检测控制，对网络中数据流向与密度根据要求进行路由选择和逻辑信道的建立与拆除。5．主计算机t主计算机集中数据终端采集到的电力系统运行数据，进行判别、分析与控制。三、自动化通道自动化系统是指对广阔地区的生产过程进行监视和控制的系统，它包括对必需的过程信息的采集、处理、传输、执行等全部的设备与功能。构成自动化系统的设备包括厂站端子站设备、调度端主站设备和自动化通道。本模块主要介绍自动化通道的自动化信息的传送过程。(一)自动化信息的传送目前，自动化系统一般都是数字式系统，自动化信息以数字信号方式进行传送。自动化系统中传送的各种自动化信息，在进入自动化通道之前已经由自动化装置将它们全部变成二进制的数字信号，所以传输自动化信息的传输系统属数字通信系统。自动化系统中的厂站设备实现厂、站现场的各类信息的采集和处理，并将各类信息按照特定的规约进行组帧，对组帧的信息进行二进制编码，发送到通道。通道信息通过调制进入信道，在调度主站端，前置机的通道接收到已解调的信息按照信道编码进行解析，得到信息字，对此信息字进行解帧，得到现场上送主站的各类信息。主站下发命令的过程和上行信息的传递类似。1．信源信源是通信信息的来源。自动化设备的信息源为终端设备采集的各类数字量，是存储在自动化终端各类需上送的信息的集合，是离散的数字量，用S表示。2．信源编码‘信源编码是对从信息源取出的信息进行编码，对应在自动化系统的终端设备中，是对从存储器中得到的各类数字进行组帧。发送到信道的缓冲区。它是二进制的数字信息序列，记为m。序列中的每一位“l”或“0”称为一位码元。3．信道编码信道编码的作用是按照一定的规则，在信息序列m中添加一些冗余码元，将信息序列m变成较原来更长的二进制数字序列c，称它为码字。因为信源编码产生的信息序列m不具有抗干扰能力，所以通过信道编码是为了提高信息序列m的抗干扰能力，也就是提高数字信号传输的可靠性。信道编码也称差错控制编码。4．调制调制的作用是将用数字序列表示的码字c，变换成适合于在信道中传输的信号形式，送入信道。电力系统自动化中，常采用数字调频或数字调相的方法，将码字c中的“0”或“l”码元变成两种不同频率或两种不同相位的正弦交流信号。“0”或“1”基带数字信号的波形是一系列方形脉冲，这种信号直接在一般的线路上传输时会产生失真，方形脉冲的直角变成圆角。传输距离越远，或者传输速率越高，这种失真现象也越严重，可能使接收端无法正确识别。为了解决这个问题，需将基带数字信号变换成适合于远距离传输的信号——正弦波信号，这种正弦波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，再将携带的数字信息取出来，这就是调制和解调的过程。携带数字信息的正弦波称为“载波”。一个正弦波电压z‘可表示为u（t）=Umsin（ωt+φ）(GYZD00102001—1)从式中可知，振幅Um、频率f(或角频率∞)和相位角φ是确定一个正弦波的三个参量，当其中一个参量变化后，就变成了另一个不同的正弦波。这样，调制方式也就分为三种，即调幅、调频和调相。将基带数字信号作为离散的数字信号来改变正弦波的参量，称为“数字调制”，数字调制有时又称为“键控”。下面简要介绍三种调制方式。(1)数字调幅。数字调幅又称振幅键控，记为ASK。数字调幅是使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。(2)数字调频。数字调频又称频率键控，记作FSK。它是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。采用二元码制时，用一个高些的频率，f1=f0+Δf来表示数码“1”，而用一个低些的频率f2=f0-Δf来表示数码“0”。(3)数字调相。数字调相又叫移相键控，它是使正弦波的相位随数码而变化，而振幅和频率保持不变。数字调相分两种方法；1)二元绝对调相(PSK)。就是用一种固定相位值代表不同的数码，称为二元绝对调相。例如用初相位为0的正弦波代表数码“0”，而用初相位为7c的正弦波代表数码“1”。2)二元相对调相(。DPSK)。二元相对调相是用相邻两个波形的相位变化量△∞来代表不同的数码。例如用△ω=π来代表数码“l”，而用△ω=0来代表数码“0”。调幅波由于容易受通道电平变动和噪声的影响，抗幅度干扰能力较差，因此较少采用。在电力调度自动化系统中，采用最多的是数字调频方式，这是因为它能适合于在多种信道上运行，且设备比较简单，抗干扰能力也较好，在低速(1200Bd以下)传输系统中得到广泛采用。而中速(2400～4800Bd)传输系统多采用数字调相方式，这是因为调相方式抗干扰能力更强，所占带宽更窄。5．信道信道是传输信号的通道。自动化信道可以有复用电力载波信道、微波信道、光纤信道等。信道中存在着各种类型的干扰，如雷、电、电弧、无线电台频率干扰等，不同的信道有不同的干扰源。码字在信道中传送时受到干扰的情况可以用错误图样描述。错误图样用一串二进制数字序列表示，序列的长度与发送码字相同。凡是发送码字在信道中受到干扰的码元，在错误图样的对应位置上表示为“1”；未受干扰的码元，在错误图样的对应位置上表示为“O”。6．解调解调的作用是把从信道接收到的两种不同频率或两种不同相位的正弦交流信号，还原成数字序列。解调后输出的数字序列称为接收码字，记作R。解调是调制的逆过程。各种不同的调制波，要用不同的解调电路。常用的数字调频(FSK)的解调方法是零交点检测法。数字调频施以两个不同的频率．，i和．正来分别代表数码“1”和“O”，鉴别这两种不同的频率可以用检查单位时间内调制波(正弦波)与时间轴的零交点数的方法，这就是零交点检测法。正弦波信号在单位时问内经过零点的次数可用来衡量频率的高低。频率高的，过零的交点数多；频率低的，过零的交点数少。用不同的过零交点数产生两种不同的电压，以代表“1”与“0”，就实现了解调，这就是零交点检测法的原理。7．信道译码前置机系统的信道得到信息，对此信息进行信道译码，是根据信道编码规则，对接收码字进行译码校验，达到检出或纠正接收码字R中错误码元的目的。8．信宿译码前置机系统从信道译码的缓冲区得到码字，对码字进行解帧，可得到现场传送的各类信息。(二)串行传输串行传输示意图如图GYZD00102001．3所示。串行传输仅需要一回传输线(2根)，是根据一个字节中各码元的顺序一位一位地传过去。接收端逐位收齐8位后，CP[J会将这个字节取走。显然串行传输速度较慢，且通信软件也复杂一些。但最大优点是节约了传输线，成本低，因此适合于远距离的数据通信。目前电力调度自动化系统中各厂站到调度中心的通信都是串行通信(上行信息用2根芯线，下行信息也用2根芯线，用一根4芯线缆即可)。(三)传输速率和误码率1．数据传输速率’传输速率是衡量数字通信系统传输能力的主要指标，主要有两种：(1)码元传输速率。每秒钟通过信道的码元数称为码元传输速率，单位是波特(Baud)，通称波特率，简记为Bd。(2)比特传输速率。每秒钟通过信道传输的信息量，称为比特传输速率，单位是比特／秒(b／s)，通称比特率，简记为db。在用二进制码元传输信息时，每秒钟传送的信息量也就等于每秒钟传送的码元数，因此，上述两种速率在数值上是相等的。信息传输的可靠性与传输速率有密切关系。传输速率越高，每秒钟传送的码元越多，每个码元所占的时间就越短，其波形就越狭窄，受到干扰就越易出错，传输的可靠性就越低。反之，传输速率低则可靠性就高。但传输速率低不能满足电力系统运行控制与调度自动化的需要。为实现高速传输，需要采用各种专门的抗干扰措施。在串行通信中，常用的有300、600、1200Bd等。而在数据网络中，常用每秒传送的字节数表示，如10、100Mbit／s等。2．误码率误码率又称码元差错率，是指在传输的码元总数中发生差错的码元所占的比例。电力调度自动化系统要求误码率不大于10-5，即表示传输10万个码元时仅错1个码元。这样高的要求是实时监控系统所必须达到的。(四)工作模式按照信息传送的方向和时间，数据通信系统有单工方式、半双工方式和全双工方式三种工作模式。单工方式只能向一个方向传送数据。最简单的终端在采集数据后按既定程序