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第6章变电站自动化系统的数据通信§6-1数据通信概述数据通信的内容很广计算机与计算机、一个系统与另一个系统，计算机内部各部件间、CPU与存储器、磁盘及人机接口设备之间的信息交换都时数据通信的范畴。变电站自动化系统实质上是由多台微机组成的分层分布式的控制系统，系统内部实现各子系统内部和各子系统之间的信息交换和实现信息共享，系统与调度/控制中心通信。1、变电站自动化系统与调度/控制中心的通信不设独立的远动装置，由自动化系统的上位机或通信控制机执行远动功能变电站向控制中心发送测量和监视信息变电站从控制中心接收数据和控制命令§6-2变电站自动化系统信息传输的内容变电站层(站控层)—间隔层(单元层)—过程层(设备层)①过程层与间隔层间的信息交换间隔层（单元层）的设备大多数需要从过程层（设备层）的电压和电流互感器采集正常和事故情况下的电压值和电流值，采集设备的状态信息和故障诊断信息2、变电站自动化系统内部的信息传输②间隔层内部的信息交换多个IED之间的数据交换如，保护、控制、测量之间的数据交换③间隔层和变电站层的通信测量及状态信息操作信息参数信息正常及事故情况下的测量值和计算值，开关位置等开关的分、合命令主变分接头位置调节保护和自动装置的整定值等④变电站层的内部通信变电站层的不同设备之间的通信§6-3变电站自动化系统对通信网络的要求1、通信网络的要求快速的实时响应能力—及时传输现场的实时运行信息和操作控制信息高可靠性—电力系统连续运行，网络也连续运行②①优良的电磁兼容性能—电源、雷击、跳闸等强电磁干扰和地电位差的干扰③④分层式结构—每层都要有合适的网络系统⑤开放性—互联、扩展、集成2、信息传输响应速度和优先级不同类型和特性的信息要求传送的时间差异很大经常传输的监视信息如：监视、计量突发事件产生的信息如：故障各层次之间和每层内部传输信息时间：①过程层和间隔层，1~100ms②间隔内各个模块间，1~100ms③间隔层的各个间隔单元之间，1~100ms④间隔层和变电站层之间，10~1000ms⑤变电站的各个设备之间≥1000ms⑥变电站和控制中心之间≥1000ms§6-4数据通信的基本原理1、数据通信方式并行数据传输数据的各位同时传送，同时接收；8位、16位数据总线；传输速度快；传输距离短（10m内）。串行接口EIS-RS-232C、EIS-RS-485串行数据传输数据一位一位顺序传送；节约传输线；适合远距离传输；传输速度慢。2、串行数据通信的方向结构串行传输按信息传输方向和时间可分为：单工通信、半双工通信和全双工通信三种方式（1）单工通信仅能在一个方向传输信息，不能反方向传输（2）半双工通信信息可以双向传输，但不能同时传输，在任一通信时刻，只能向一个方向传输。（3）全双工通信通信双方可同时进行双向传输信息。两个传输方向完全独立。效率高，造价也高3、数据通信系统的主要技术指标数据传输速率比特率Sbit/s波特率B调制速率，每秒传送的波形的个数信道容量指物理信道能够传输信息的最大能力，bit/s带宽bandwidth指传输模拟信号的频带宽度误码率指二进制码元在数据传输中被传错的概率4、数据同步方式在串行传输中要保证发送信号在接收端能被正确接收，一般须采用数据同步技术。常用的同步技术有两种：异步数据传输、同步数据传输（1）异步数据传输异步传输方式中，发送的每一个字符均带有起始位、停止位和可供选择的奇偶校验位。起始位表示开始，停止位表示字符结束，构成一帧。传输中，每个字符都要用起始位和结束位，占用时间异步通信的格式一般信息帧ASCII码帧（2）同步传输同步传输方式中，在数据快的开始处集中使用同步字符来作为传送的开始。同步字符SYN是特殊的码元组合，通知接收装置一个字符块的开始。控制字符可包括帧的长度。同步字符，例如：CDT规约，同步字符EB90H，连发3个，占6字节，低位先发，高位后发，每字的低编号字节先发，高字节后发5、多路复用（multiplexing）技术一条物理线路上建立多条通信信道的多路复用技术多路复用方式：时分多路复用TDM（timedivisionmultiplexing）将线路用于传输的时间划分成若干个时间段，每个用户对应一个时间段频分多路复用FDM（frequencydivisionmultiplexing）将一条具有一定带宽的线划分成若干个占有较小带宽的信道，一用户一信道波分多路复用WDM（wavelengthdivisionmultiplexing）将一系列载有信息但波长不同的光信号通过多路复用器合成一束，光纤传输6、远距离通信系统的基本结构由信息源、发送设备、传输介质、接收设备、接收者等部分组成单向远距离数据通信系统的基本结构图信息源—信息的产生者发送设备—将信息源与传输介质匹配，便于传送接收设备—完成发送设备的反变换接收者—信息接收设备传输介质有线通道：形式载波、光纤、电话线介质双绞线、同轴电缆、光纤无线通道：形式微波、无线扩频介质地面微波、卫星微波、无线电信号在通道传输过程中，由于干扰，接收端收到的信号可能与发送端发出的信号不同，因此需要进行差错检查。调制解调器modem调制器modulator把数字信号转换成模拟信号传送出去调制器是波形变换器解调器demodulator检测模拟信号，再把它转换成数字信号解调器是波形识别器§6-5变电站自动化系统的通信网络1、通信网络的拓扑结构网络中各个节点的相互连接方式点对点结构星形结构中央控制型二节点之间总线结构共享一条链路环形结构中继器—接收一条链路的数据，并以同样的速度串行地传送到另一条链路中央节点2、串行总线通信网络变电站综合自动化系统的串行数据通信主要是数据终端设备DTE(DataTerminalEquipment)数据电路端接设备DCE(DataCircuit-terminatingEquipment)RTU计量表图形设备计算机直接发送和接收数据的设备如：调制解调器（1）EIA-RS-232C接口美国电子工业协会EIA制定①机械特性选用DB25的结构，作为其连接器DTE采用针式结构，DCE采用孔式结构②电气特性RS-232C采用负逻辑工作逻辑“1”用负电平（-5~-15V）表示逻辑“0”用正电平（+5~+15V）表示接口信息速率〈20kbps，常用300、600、1200、2400、4800、9600bps信号线上总负载电容不超过2500pF，通常多芯电缆具有150pF/m的电容，所以最大传输距离是15m.EIA-RS-422A/423A接口标准RS-232C发送和接收公用一根地线共模信号不可避免进入信号传输系统RS-422A平衡驱动和差分接收消除信号地线，抗干扰大大增强RS-423A差分接收器，接收器的另一端接发送信号地（3）EIA-RS-485接口标准RS-422标准的变形，电气特性相同RS-422，全双工，两对平衡差分线RS-485，半双工，一对平衡差分线点对点远程通信电气连接图RS-422RS485多点互连电气连接图RS485节约信号线，便于联网构成分布式系统（4）EIA-RS-232C、422A/423A、RS-485主要技术性能（5）串行总线通信网络的局限性RS-485通信接口，仅32个节点；通信方式为查询方式，效率低；只能一个主节点，其余从节点，主节点故障成通信的瓶颈；通信规约缺乏统一标准。（1）现场总线的定义(四种)•用于现场仪表与控制主机系统之间的一种开放的、全数字化的、双向、多站的通信系统。•广义上是控制系统与现场检测仪表、执行装置进行双向数字通信的串行总线系统。•基于智能化仪表及现场总线的控制系统FCS。•一种数字化的串行双向通信系统。3、现场总线通信网络（2）现场总线的分类总线按照长度分类:1）毫米级：芯片内总线2）厘米级：芯片间总线、元件总线3）分米级：机箱内总线（Multi-bus、STD、PCL、ISA、PCI等）4）十米级：机柜间总线（RS232、GPIB、VME、VXI等）5）千米级：现场总线（FF、Profibus等）现场总线按照数据通信宽度分类1）传感器现场总线（数据宽度为位）：适用于简单的开关装置和输入输出位的这类通信：Seriplex总线、AS-i总线等。2）装置现场总线（数据宽度为字节）：适用于以字节为单位的装置类通信：Interbus总线、DriveNET总线和CAN总线等。3）全服务的现场总线（数据宽度为数据流或模块Block）：以报文通信为主，除了对装置进行读取数据外，还包括一些对装置的操作和控制功能：FF总线、Lonworks总线、Hart总线等。现场总线按照应用行业分类1）过程控制（连续生产过程）用现场总线：FF的HI、Profibus-PA等2）离散控制用现场总线：Profibus-DP、Device-NET等3）楼宇自动化用现场总线：Lonworks等4）车辆制造业用现场总线：CAN等5）飞机制造业用现场总线：SwiftNet等6）农业及养殖业用现场总线：P-Net等（3）现场总线的技术特点1）现场通信网络用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络。2）现场设备互连传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互连。3）互操作性现场设备或现场仪表种类繁多，互相连接不同制造商的产品是不可避免的。性能价格比最优的产品，并将其集成在一起，实现“即接即用”;用户希望对不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路。现场总线与RS232、RS485的区别现场总线与计算机网络的区别RS232、RS485只能代表通信的物理介质层和链路层，编写应用程序，不符合ISO/OSI的规范，不通用。现场总线以ISO/OSI模型为基础，具有完整的软件支持系统，通用。现场总线是一种实时控制网络，连接自动化最底层的现场控制器和现场智能设备，传输小批量数据信息。局域网传输大批量的信息，实时性要求不高。现场总线强调在恶劣环境，计算机网络在办公场所。LonWorks技术特点1）LonWorks现场总线（4）变电站自动化系统中常用的现场总线①神经元芯片(NeuronChip)神经元芯片是LonWorks技术的核心，它不仅是LON总线的通信处理器，而且是具有I/O和控制的通用处理器。神经元芯片已提供了LonTalk协议的第1-6层，开发者只需用NeuronC语言开发。•神经元芯片包括3个8位微处理器媒体访问控制处理器（MACprocessor)网络处理器（Networkprocessor）应用处理器（Applicationprocessor）RAM、ROM、EPROM管理通信用户开发②收发器模块LonWorks收发器模块在神经元芯片和网络之间提供通信接口，有多重介质的收发器模块可供选择。网络传输介质有双绞线、电力线、同轴电缆和光纤等。③LonTalk通信协议•LonTalk通信协议支持OSI／RM的所有七层模型，是直接面向对象的网络协议。•LonTalk协议通过神经元芯片实现，不仅提供介质存取、事务确认和点对点通信服务；还提供一些如认证、优先级传输、广播／组播消息等高级服务。基于LNS的软件工具LNS（LonWorksNetworkOperatingSystem）•LonWorks技术有多种基于LNS的工具，用于LON网络的维护和组态;•LonMaker是图形化工具，用于图形绘制、系统调试和网络的维修保养；•节点开发工具NodeBuilder；•节点和网络安装工具LonBilder；•网络管理工具LonManage以及客户／服务器网络构架——LNS技术。①CAN总线的性能特点•总线式结构。一对双绞线，双向传输，简单•多主方式工作•点对点、一点对多点及全局广播方式传送和接收数据•网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求•非破坏性总线仲裁技术，两节点同时发送，优先级低的节点主动停止数据发送。•节点数主要取决于总线驱动电路•短帧结构，每一帧的有效字节数为8•CRC校验及其他检错措施，抗干扰能力强2）CAN现场总线CAN—ControllerAreaNet（控制器局域网）一种支持分布式控制、实时控制的串行通信局域网络②