综合自动化及通信

变电站综合自动化授课：白日昶二零一二年十二月1内容提要第一章变电站综合自动化系统概述第二章变电站综合自动化信息的测量和采集第三章变电站综合自动化系统中的通信技术2第一章变电站综合自动化系统概述3思考题1、常规变电站有哪些不足的地方？2、变电站综合自动化系统的特点有哪些？4一、变电站综合自动化概念常规变电站

二次系统主要有继电保护、故障录波、当地监控和远动四部分组成。这四个部分的功能各不相同。所采用的硬件设备和使用的技术也完全不同。5缺点：（一）它们按各自的功能配置，彼此之间相关性小，设备之间互不兼容；（二）设备型号、类别多，很难达到标准化；（三）大量电线电缆及端子排的应用，增加了投资，且又要花费大量人力进行众多装置相互之间联系的设计、安装、调试、维护等；（四）无自检功能，必须定期对设备功能加以测试和校验。不仅加重了维护工作量，还不能及时了解系统的工作状态，有时甚至影响对一次系统的监视和控制。6变电站综合自动化的优越性

由于传统变电站存在以上的缺点，无法满足现代电力系统的发展，对于老站的改造、新站的建设采用综合自动化技术势在必行。相对与传统变电站而言综合自动化变电站存在许多优势：

1、提高供电质量，提高电压合格率；

2、提高变电站的安全、可靠运行水平；

3、提高电力系统的运行、管理水平；

4、减小维护量，减少值班人员劳动，实现减员增效；

5、缩小变电站占地面积，降低造价，减小总投资。7变电站综合自动化的发展过程1、变电站分立元件的自动装置阶段； 为了保证电力系统的正常运行，各科研机构厂家推出了各种功能的自动装置，但各自动装置之间相互独立，互不相干，而且缺乏智能，装置本体的可靠性不高；2、微处理器为核心的智能自动装置阶段； 随着微处理器的发展，将原有的晶体管等分立元件组成的自动装置逐步由大规模集成电路或微处理器代替，从而大大提高了自动装置的准确度、可靠性，并缩短了维护的时间，但该类微机型自动装置还基本维持原有的装置功能和逻辑关系，多数仍旧各自独立运行，不能相互通信，不能共享资源，实际上形成了变电站自动化孤岛。3、综合自动化阶段；

8变电站综合自动化系统

变电站综合自动化是将变电站的二次设备，包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等，经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。“综合”包括两个方面:(1)横向综合，(2)纵向综合，是指利用计算机将不同厂家的设备连在一起，替代或升级老设备的功能。是指在变电站层这一级，提供信息、优化、综合处理分析信息和增加新功能，增强变电站内部、各控制中心间的协调能力。9变电站综合自动化系统的基本功能

变电站综合自动化是多学科多专业的综合技术，其以微计算机为基础，实现对变电站传统的保护、控制方式、测量手段、通信和管理模式的全面改造。 国际大电网会议将变电站综合自动化系统的功能进行了详细的划分，归纳起来可以分为如下几大类：

1、控制、监视功能；

2、自动控制功能；

3、测量表计功能；

4、继电保护功能；

5、与继电保护相关功能；

6、接口功能；

7、系统功能。10

结合我国的情况，变电站综合自动化的基本功能体现在如下五各方面：

1、监控子系统; 2、微机保护子系统；

3、电压、无功综合控制子系统；

4、电力系统低频减负荷控制子系统；

5、备用电源自投入控制子系统11各子系统的基本内容及功能一、监控子系统（1）变电站数据采集，包含模拟量、开关量和电能量；（2）事件顺序记录SOE，包含断路器跳合闸记录、保护动作顺序记录；（3）故障记录、故障录波和测距；（4）操作控制功能，其中必须包含有防误闭锁功能；（5）安全监视功能；（6）人机交互功能；（7）输出打印功能；（8）数据处理与记录功能；（9）谐波分析与监视功能；12二、微机保护子系统

微机保护是综合自动化系统的关键环节，应该包含全变电站主要设备和输电线路的全套保护。做为关键的组成部分，微机保护子系统中的各单元除了具有独立完整的保护功能外，必须具有如下附加功能：

1）满足保护装置的速动性、选择性、灵敏性和可靠性的要求；

2）具有故障记录功能，记录被保护对象发生故障时，保护动作前后的故障信息，以便于事后分析；

3）具有统一时钟对时功能，（GPS）；

4）存储多套保护整定值；

5）就地显示与远方查看定值及修改定值；

6）设置保护管理机或通信控制机，负责对各保护单元的管理；

7）通信功能；

8）故障自诊断、自闭锁和自恢复功能。13三、电压、无功综合控制子系统

变电站综合自动化系统必须具有保证安全、可靠运行和提高电能质量的自动控制功能，电压和频率是电能质量的重要指标，因此电压、无功综合控制是变电站综合自动化的一个重要组成部分。变电站中电压、无功的自动控制主要通过自动调节有载变压器的分接头和自动控制无功补偿设备实现，其控制方式主要有如下几种：

1）集中控制，指在调度中心对各变电站的主要变压器的分接头位置和无功补偿设备进行统一控制；

2）分散控制，指在各变电站中自动调节有载变压器分接头的位置或其他调压设备，以控制地区的电压和无功功率在规定的范围内；

3）关联分散控制。14四、电力系统低频减负荷控制子系统

电力系统的频率是电能质量重要的指标之一，电力系统正常运行时，必须维持频率在50±（0.1-0.2）Hz，频率偏移过大会造成严重的危害。低频减负荷控制的实现方式主要有如下几种：

1）采用专用的低频减负荷装置实现；

2）将低频减负荷的控制分散在每回馈线的保护装置中。15五、备用电源自投入控制子系统

备用电源自投入装置是因电力系统故障或其他原因使工作电源被断开后，能迅速将备用电源或备用设备或其他正常工作电源自投入工作，使原来工作电源被断开的用户能迅速地恢复供电的一种自动装置。备用电源自投入的配置可分为：明备用控制和暗备用控制两大类。16变电站综合自动化系统的特点综上所述，变电站综合自动化有如下明显特点：

1）功能综合化，变电站综合自动化是多种专业技术相互交叉、融合的产物，是建立在计算机软、硬件技术、通信技术的基础上发展起来的；

2）分级分布式、微机化结构，综合自动化系统内各子系统和各功能模块由不同配置的单片机和微型计算机组成，采用分布式结构，通过网络、总线将微机保护、数据采集、控制等子系统联接为一体；

3）测量显示数字化；

4）操作监视屏幕化；

5）运行管理智能化。17第二章变电站综合自动化信息的测量和采集18思考题1、远动信息的主要内容有哪些？2、变电站自动化信息的体系结构如何？3、变电站综合自动化信息传输有什么特点？4、变电站模拟量有哪两种采集方式？5、A/D转换器主要特性有哪些？6、直流采样和和交流采样各有什么特点？7、遥信采样是如何实现的？8、影响遥信误动的因素有哪些？9、变电站实时时钟是如何建立和应用的？19一、变电站综合自动化信息的分类以信息的传输方向分：上行信息下行信息以信息的应用目的分：电网调度控制信息当地监视控制信息以信息的性质来区分：模拟量、脉冲量开关量、数字量20二、变电站采集的典型信息：典型模拟信息有：主变压器电流、功率；线路电流、电压和功率；各段母线电压；并联补偿装置电流；直流电源电压；站用电电压和频率；变压器的上层油温等。典型开关量信息有：变电站事故总信号；变压器中性点接地隔离开关位置信号；变压器的断路器位置信号；母线保护动作信号；断路器事故跳闸总信号；直流系统接地信号；断路器闭锁信号等。21设备异常和故障预告信息主要有：控制回路断线总信号；操动机构故障总信号；变压器油温过高、绕组温度过高总信号；轻瓦斯动作信号；变压器或变压器调压装置油温过低总信号、继电保护系统故障总信号；保护闭锁信号；站内UPS交流电源消失信号；通信线路故障信号等。采集的数字量信息主要有：（指站内微机保护或自动装置的信息）各种保护装置发送的测量值及定值、故障动作信息、自诊断信息、跳闸报告等；用于远方对系统电能计量的电能脉冲信号；GPS全球定位系统信息等。22三、变电站综合自动化信息的体系结构变电站主计算机系统调度控制中心通信控制管理电气计算自动装置数据采集与控制直流电源系统继电保护辅助设施系统操作控制主变压器和电容器保护母线保护开关量信号采集电量和非电量监测线路保护1、同变电站常规电磁式二次系统相比，变电站自动化系统在体系结构上增添了“变电站主计算机系统”和“通信控制管理”两部分；2、在二次系统装置和功能实现上，计算机化的二次设备取代了非计算机设备，数字化的处理和逻辑运算取代了模拟运算和继电器逻辑；3、在信号传递上，数字化信号传递取代了电压、电流等模拟信号的传递。因此，较变电站常规二次系统而言，数字化使变电站自动化系统的数据采集更为精确、传递更为方便、处理更为灵活、运行更为可靠、扩展更为容易。23综合自动化系统的硬件结构

变电站综合自动化的发展过程与集成电路技术、微计算机技术、通信技术和网络技术密切相关，随着相关技术的发展，综合自动化系统的结构体系不断的变化，从总体的发展历程来看可分为三大类：

1）集中式结构形式；

2）分层分布式系统集中组屏的结构形式；

3）分布分散式与集中相结合的结构。24集中式结构形式

集中式结构的综合自动化系统是指采用不同档次的计算机，扩展其外围接口电路，集中采集变电站的模拟量、开关量和数字量等信息，集中进行计算与处理，分别完成微机监控、微机保护和一些自动控制等功能。该种结构形式的特点：1）能实时采集变电站中各种模拟量、开关量，完成对变电站数据的采集和实时监控的功能；2）完成对变电站主要设备和进、出线的保护；3）结构紧凑、体积小，减小占地面积；但该种结构的缺点也是明显的：1）每台计算机的功能较为集中，如果有一台故障，影响面大；2）软件复杂，维护量大；3）组态不灵活，对于不同接线形式或规模不同的变电站，软、硬件多必须另行设计；25打印机显示器键盘监控用主计算机各种继电保护装置通信控制器A/D模块输入接口输出接口模拟量开关量出口继电器

主变压器

TA各线路TA、TV断路器分合状态保护出口继电器控制中心集中式结构形式26分层分布式系统集中组屏的结构形式分层分布式系统集中组屏的结构总体上来看就是把整套综合自动化系统按照其不同的功能组装多个屏柜，这些屏一般集中安装在主控室。 随着单片机技术和通信技术的发展给自动化系统的研究与应用注入了新的活力，将微机保护单元和数据采集单元按照回路设计，从而形成分层分布式系统的结构，一般来说，整个变电站的一、二次设备可分为3层，即：变电站层、间隔层和设备层。271、设备层，该层主要指变电站内的变压器和断路器、隔离开关及其辅助触点，电流、电压互感器等一次设备；2、间隔层，该层一般按照断路器为间隔划分，具有测量、控制部件及继电保护部件，测量、控制、保护部件负责该间隔的测量、监视、断路器的操作控制和联锁及事件记录、保护、故障记录等，各层由多种不同的装置组成，各独立的装置直接通过局域网或串行总线或现场总线与变电站层联系，也可通过设有数据管理机和保护管理机与变电站层通信；3、变电站层，该层包含全站性的监控主机、远动通信机等，变电站层设现场总线和局域网，各主机和监控主机与间隔层设备之间交换信息，该层相关设备一般安装于控制室，而间隔层设备安装于靠近现场设备，以减少电缆长度

28分层分布式集中组屏结构的特点：

1）分层分布式的配置提高了综合自动化系统整体的可靠性，整个系统按照功能将系统划分为多CPU分布式结构，该分散模块结构具有软件相对简单、调试方便、组态灵活、系统整体可靠性高等特点；

2）继电保护相对独立，继电保护装置是电力系统中对可靠性要求非常严格的设备，在综合自动化系统中继电保护单元宜采用相对独立的设置，其功能不依赖于通信网络或其他设备；

3）具有与系统控制中心通信的功能；

4）模块化结构，可靠性高；

5）维护管理方便。29打印机CRT监控用上位机调度控制中心总控制柜主变压器保护电容器保护低压保护……低压保护高压保护交流电源直流电源电能表柜遥信输入遥测输入

遥控输出电压无功控制分层分布式系统集中组屏的结构形式(1)30监控工作站工程师工作站

调制解调器数据采集管理机继电保护管理机通信工作站控制中心总线开关量输入开关量输出测控单元1……测控单元n故障录波器电压无功控制变压器保护单元电容器保护单元线路保护单元1线路保护单元n备用电源自投……分层分布式系统集中组屏的结构形式(2)31分布分散式与集中相结合的结构由于分布集中式的结构，虽具有分级分布式、模块化结构的优点，但因为采用集中组屏结构，因此需要更多的电缆，随着现场总线和局域网络技术的应用，变电站综合自动化的技术不断的提高，必须考虑全微机化的变电站二次系统的优化设计。一种发展趋势就是测控、保护一体化设计，在一个装置中实现，从而可以将一体化装置安装在开关柜中，然后通过光纤或电缆与主机通信，进行管理和信息交换。32该种方式的特点：

1）简化了变电站二次部分的配置，大大缩小了控制室的面积；

2）减小了施工和设备安装工程量；

3）简化了变电站二次设备之间的互联线；

4）分层分散式结构可靠性高，组态灵活、维修方便；33CRT打印机

主控单元当地监控监控用计算机通信接口通信接口区调县调现场总线分布式保护测控单元1分布式保护测控单元n……开关室开关柜上集中组屏式主变压器保护主变压器断路器测控装置集中组屏式高压线路保护……分布式线路测控装置备用电源自投装置主控制室分布分散式与集中相结合的结构(1)34

接口接口接口接口接口接口

操作员工作站操作员工作站数据服务器工程师工作站远动主站A远动主站B测控装置测控装置保护装置测控装置保护装置控制中心光

纤光

纤500kV保护小间220kV保护小间35kV保护小间………局域网保护装置分布分散式与集中相结合的结构(2)35四、变电站综合自动化信息的传递变电站是电力系统重要的组成部分，为了监视和控制电力系统运行，需要将变电站内表征电力系统运行状态的重要信息及时采集，并送到调度（或监控）中心，调度（或监控）中心的控制命令应及时加以执行。此外，变电站综合自动化系统的数据采集、数据处理、信息共享、命令执行等，都涉及复杂的自动化信息传输。36（一）自动化信息传输的特点距离一般有几十公里，甚至几百公里。最大允许时延指标要求如下：变位信息、厂站端工作状态变化信息必须在1S内送到调度中心，厂站端遥测信息按重要程度分别在3~20S内在调度中心更新，电能等存储信息允许几分钟或几十分钟传送一次。1、距离远2、实时性强3、可靠性高37（二）综合自动化系统的现场级通信通信方式：并行通信、串行通信、局域网络和现场总线等。通信功能：解决自动化系统内部个各系统与上位机（监控主机）各个子系统之间的数据通信以及信息交换问题。通信范围：变电站内部。对于集中式系统来说，就是在主控室内部；对于分散式系统来说，其通信范围扩大至主控室与系统的安装地。38（三）综合自动化系统与上级调度通信通信方式：模拟通信、数字通信、网络通信等。通信功能：厂、站自动化系统将采集的模拟量和开关状态信息，以及事件顺序记录等远传至调度端，同时接收调度端下达的各种操作、控制、修改定值等命令。通信范围：变电站外部。是厂、站的自动化系统与调度中心的自动化主站系统（监控中心系统）之间的数据通信。39五、变电站综合自动化信息采集（一）变电站模拟量信息的采集采集方法直流采样交流采样直流采样：直流采样时，模拟量一般采用变送器测取。变送器是将某种信号转换成标准化信号的一种仪器。在变电站中，变送器的输出信号通常采用统一的直流信号。在综合自动化系统中，通常用变送器直流电压输出信号与后继设备接口。40变送器的分类：按所转换传送内容分电量变送器非电量变送器按输入量的性质分直流变送器交流变送器按所变送的是模拟量还是数字量分模拟式变送器数字式变送器41电量变送器交流电流、电压变送器直流电流、电压变送器有功、无功功率变送器有功、无功电能变送器频率变送器功率因数变送器42非电量变送器温度变送器档位变送器压力变送器流量变送器液位变送器转速变送器43变送器输入／输出信号的类型和变化范围：项目变送器输入输出允许负载变化范围（kΩ)电压变送器电压：0~120v电压：0~5v电流：0~1mA

4~20mA3~∞0~100~750电流变送器电流：0~5A

0~1A电压：0~5v电流：0~1mA

4~20mA3~∞0~100~750功率变送器电压：0~120v电流：0~5A

0~1A电压：0~5v-5~0~5v电流：0~1mA-1~0~1mA

4~20mA3~∞3~∞0~100~100~750电能变送器电压：0~120v电流：0~5A

0~1A电能计数值或脉冲44直流采样原理：遥测量模拟量数字量脉冲量以直流模拟电压接入直接用数字方式接入直接以脉冲信号接入其中模拟量输出的直流模拟电压必须经模／数转换器转换成数字量后才能进行计算机处理。实现模／数转换的方法有积分法和逐次逼近法等。积分法对输入信号进行积分，取其平均值，瞬间干扰和较高频率的噪声对转换结果影响较小，但积分式的转换时间较长，一般需几十毫秒。逐次逼近式的抗干扰能力不如积分法，但转换速度快，完成一次转换低速的约100微秒，高速的不到10微秒。模数转换芯片大多用于单极性输入电压，也可以做成适用于双极性输入电压。例如可以先对输入电压的极性进行判别，确定符号位，然后对数值部分进行转换。转换结果最高位是符号位，通常以“0”表示正极性，以“1”表示负极性，其余是数值部分。这种转换的结果实际上是以原码方式来表示带符号的数。45交流采样原理：采用变送器测量的缺点：每个变送器只能测取一个或两个电气量，因此变电站中必须使用的变送器较多，投资大、占用空间大；变送器输出的模拟信号需进行模数变换，以数字形式传送或显示。电量变送器是互感器二次回路的负载，接入数量越多，互感器二次回路的负载就越重，实际变换的误差也就越大。概述交流采样技术：交流采样原理：

交流采样是通过对互感器二次回路中的交流电压信号和交流电流信号直接采样。根据一组采样值，通过模/数变换将其变换为数字量，再对数字量进行计算，从而获得电压、电流、功率、电能等电气量值。使用交流采样技术，可以取消变送器这一测量环节，同时有利于提高测量精度。R采样保持器A/DCPU现场TA小TA46ttf(t)00fh(t)Ts保持器f(t)fh(t)++--交流采样示意47（二）变电站开关量信息的采集开关量（遥信量）信息及其来源：遥信信息用来传送断路器、隔离开关的状态，传送继电保护、自动装置的动作状态以及系统、设备等运行状态信号，它们都只取两种状态值，如断路器位置可以取“合”和“开”，设备状态可以取“运行”或“停止”。用一位二进制数，即用码字中的一个码元，就可传送一个遥信对象的状态。48遥信量采集电路：断路器常开接点+24v或220v+5v遥信编码电路光耦合器AGNDAGND遥信输入的形式：1、采用定时扫查方式的遥信输入遥信定时扫查是在实时时钟中断服务程序中进行，每隔5ms执行一次。每当发现有遥信变位，就更新遥信数据区，按规定插入传送遥信信息。同时，记录遥信变位时间，以便完成时间顺序记录（SOE）信息的发送。2、循环扫描方式的遥信输入循环扫描是指当地址选择开关从0000~1111变化一周将128个遥信扫描一遍后，无需再间隔一定时间，而是立即重复上述对128个遥信的输入过程。这样每个遥信的实际扫描周期将小于原定的时间间隔。这在多智能模块的综合自动化系统中常用。。。。………………单片微机并行接口（8255A）A端口C端口D0D0D0D074150741507415074150DI0DI0DI0DI0DI15DI15DI15DI15…………遥信信息采集输入电路YX0YX16YX31YX127YX112YX9649六、变电站实时时钟的建立和应用现代电网继电保护系统、AGC调频、负荷管理和控制、运行报表统计、事件顺序记录等均需要既精确又统一的时间。在变电站综合自动化系统中，为实现精确的控制，正确地分析事件的前因后果，更需要精确统一的时间来辨识断路器的跳闸顺序、继电保护动作顺序，所以时间的精确性和统一性十分重要。50（一）实时时钟的建立在变电站综合自动化系统中，重要的状态量变化需带上时标信息，因此，必须建立实时时钟，并且这个时钟的分辨率应能够达到毫秒级。电网内实时时钟的核心问题是要求统一，即要求各厂站与调度中心之间的实时时钟相一致。为了实现这个时间的一致性，各厂站测控系统如果能接收同一授时源的时钟，就可以解决一致性问题。在变电站综合自动化系统中，GPS系统时间精度高，接收方便，应用广泛。51GPS系统的组成⒈GPS系统时间的接收空间卫星地面测控站用户设备24颗工作卫星（均匀分布在6条轨道）、3颗备用卫星（可随时替补）。任何地方，任何时刻能同时收到4个以上的卫星信号。在地面监控站的监控下。GPS传递的时间能与国际标准时UTC保持高度同步，误差1~10ns。民用定时型的GPS接收器。52GPS时间的接收

GPS接收器由接收模块和天线构成，其内部硬件电路和处理软件通过对接收到的信号进行解码和处理，从中提取并输出两种时间信号：①间隔为1s的脉冲信号1pps，其脉冲前沿与国际标准时间的同步误差不超过1μs；②经RS-232串行口输出的与1PPS脉冲前沿对应的国际标准时间和日期代码（时、分、秒、年、月、日）。GPS接收器1ppsRS-23253由于GPS接收器提供的同步脉冲和串行接口标准不一定满足微机装置在对时上的接口需要，串行口输出的国际标准时间也不同于我国时间显示习惯，所以必须在GPS接收器的基础上，配置信号转换处理和显示部分，以适应我国实际应用的需要。GPS接收器中心处理单元脉冲电路显示1ppS1ppM1ppH频率输出1ppsRS-232RS-232接口RS-422接口IRIG-B接口时间码54⒉装置内时钟的建立由于GPS只提供精确到微秒的秒级时间，与电网内要求的毫秒级时间信号尚有差距。因此，电网系统内每一套测控或监控系统本身还需要建立毫秒级实时时钟，GPS提供的秒为单位的精确时间信号可用来对毫秒级的时钟进行对时或修正。实时时钟分为两个部分：一部分是两字节的毫秒级时钟，由CPU终端累加计数；另一部分由GPS对时钟发进位。毫秒级时钟（不允许其进位）只作为其毫秒级的计数，并由秒级对时脉冲清零。秒级部分具有极高（1μs）的精确度，毫秒级部分的精度取决于微机软、硬件的配合，但在1s内积累的误差极其有限。毫秒（低位）毫秒（高位）秒分时日月年百年55（二）实时时钟的统一对时电力系统实时时钟的对时变电站综合自动化系统内调度中心（或集控中心）与变电站之间调度中心之间从理论上讲，后两种情况实现对时后，能节省被对时方的精确授时装置。上述三种上级对下级的对时，能确保真正意义上的全网统一时钟。天线T-GPST-GPSGPS-A1GPS-A1光电转换器光电转换器IRIG-B备用接口扩展装置RS-232RS-232变电站二次设备全站集中式GPS时钟同步系统结构图56第三章变电站综合自动化系统中的通信技术57思考题1、数据通信有哪些重要的基本概念？简述其含义。2、数字传输与模拟传输的区别是什么？3、数字信号的传输有哪几种方式？4、什么叫数字通信？它的特点是什么？5、数据通信有几种方式？6、什么是比特传输速率？什么是误码率？★7、简述同步和异步传输的过程。8、数字调制有几种方式？★9、移频键控信号产生的原理是什么？10、计算机网络可以进行怎样的分类？11、简述网络双绞线的结构组成。12、对各种网络传输介质进行对比。13、远传数据处理装置在变电站自动化系统中的作用是什么。58概述：在变电站自动化系统中，数据通信主要任务有两个：一是完成综合自动化系统内部各子系统或各种功能模块间的信息交换和实现信息共享；二是完成变电站与控制中心的通信任务。

传输方式与传输的信号是模拟数据还是数字数据无关，而是根据信道上传输的是数字信号还是模拟信号而定。59一、数字通道电力通信系统基本模型信息源发送设备信道接收设备受信者噪声源由变电站送出的原始数据信号通常包含很低频率分量甚至直流分量，它所占用的频带称为基本频带，该数据信号称为基带信号，大部分远动信道并不能直接传输基带信号，应将基带信号变换后才能在信道上传输，在信息接收端应将接受信号进行反变换成基带信号。60数字通信的特点

数字通信就是在通道上传递某种离散的数字信号。数字通信比模拟通信更能适应对通信技术越来越高的要求。原因如下：⑴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，通信质量高。⑵传输差错可以控制，从而改善了传输质量。⑶设备便于集成化/微型化，便于使用现代数字信号处理技术对数字信息处理。⑷保密性能好，数字信息易于做高保密性的加密处理。⑸便于构成数字化的综合通信网，可以综合传递各种消息，使通信系统功能增强。61数字通信参数1、信息

信息用于描述客观世界事实概念和指令。信息有多种存在的形式，如数字、文字、声音、图像等。2、数据

数据是信息的表现形式。信息可以用数据来表示，信息是数据的内在含义或解释。数据分为模拟数据和数字数据。模拟数据在时间和幅度上都是连续的，其数值随时间连续变化。数字数据在时间上是离散的，在幅值上是经过量化的，一般是由0、1的二进制数代码组成的数字序列。3、信号

信号是数据的电磁形式。表示数字数据的信号称数字信号。624、信道

传输信息的通路。从通道本身传输的信号类别可以将远动通道分为数字和模拟两种信道。5、码元

承载信息量的基本信号单位。一个码元就是一个单位电脉冲。一个码元所承载的信息量是脉冲信号所能表示的数据的有效离散值个数决定的。6、码制

每一码元能代表几种状态称几元码制。如：111100二元码制3321001/3E1/3E四元码制637、数据传送速率传输速率是衡量数字通信系统传输能力的主要指标。传输速率比特传输速率码元传输速率每秒钟通过信道的码元数，单位是波特（Baud），通称波特率，简记Bd。每秒钟通过信道传输的信息量，单位是比特/秒（bit/s)，通称比特率，简记bps在用二进制传输信息时，每秒钟传送的信息量也就等于每秒钟传送码元数，因此，上述两种速率在数值上是相等的。在串行通信中，常用的码元传输速率有300Bd、600Bd、1200Bd等。而在数据网络中，常用每秒传送的字节数b/s表示，如10Mb/s、100Mb/s等。648、信道容量表示一个信道的最大数据传输速率，单位为位/秒（bps）。信道容量与数据传输速率的区别是，前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输速率。9、带宽指信道能传送信号的频率宽度，也就是可传送信号的最高频率与最低频率之差。带宽在一定程度上体现了信道的性能，是衡量传输系统的一个重要性能指标。10、基带传输指在通信电缆上原封不动地传输由计算机或终端产生的0或1数字脉冲信号。这样一个信号的基本频带可以从零到数兆赫兹，频带越宽，传输线路的电容电感等对传输信号波形衰减的影响越大，传输距离和传输速率都受到很大制约。6511、宽带传输宽带传输是指传输介质频带宽度较宽的信息传输，一般在300~400MHz左右。采用“多路复用技术”，在一个信道中间同时传播声音、图像和数据多种信息。12、串行传输指一位一位地传送数据，从发送端到接收端只要一根传输线即可。14、误码率一次可以传送一个字节（8位），发送端到接收端用8根线。目前，计算机内部操作多用并行传输。13、并行传输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。电网调度自动化系统要求误码率不大于10-5。66数据通信工作模式AB发送设备接收设备通信连接（a）单工方式数据流发送设备发送设备接收设备接收设备AB通信连接（b）半双工方式数据流发送设备发送设备接收设备接收设备AB通信连接（c）全双工方式数据流67异步传输和同步传输在串行通信中，信息是以帧为单位传输的，每一帧包含若干码元，具体格式又分为异步传输和同步传输两种。⒈异步通信格式起始位奇偶校验停止位起始位…1011110七位数据第n位字符第n+1位字符空闲位异步传输方式传送一个八位字符优点：不需要传送同步脉冲，字符帧长度不受到限制。设备简单，易于实现。缺点：字符帧中因为包含了起始位和停止位，因此降低了有效数据的传输速率。68⒉同步通信格式…同步字控制字信息字数据同步字…第n帧第n+1帧同步通信的最大特点是收发两端的时钟严格保持一致，能正确地接收每一位数据码元。省去了传送时所附加的码元，允许采取数据长度变动的方式，使多个数据码的有效位紧密排列成数据帧，形成数据流，在接收端再把这些数据分离出来。同步字虽然也占了时间，但因一帧信息很长，一帧中有效信息所占比例仍比异步传输时大，因此传输效率提高了。69远动信号经过数字信道的传输过程相对低速的远动信号在数字信道上传输，首先要将远动信号经PCM设备复接成为高速信号，然后再接到光机上，在数字信道上传输，数字信号接收端应将接收的数字信号分接成低速的远动信号，由此完成远动信号的传输。远动数据数字复接数字通道数字分接远动数据噪声源发送端接收端70二、模拟通道传统的电话通信信道是传输语音一级的模拟信道，无法直接传输计算机的数字信号。为了利用现有的模拟线路传输数字信号，必须将数字信号转化为模拟信号。补充两个概念：⒈频带传输在远距离通信时，需将数字信号调制成音频信号再发送和传输，接收端再将音频信号解调成数字信号。这就要求在发送和接收端安装调制解调器，使数字信号可利用电话线路进行传输，而且可以实现多路复用，提高信道利用率。⒉调制解调器将数字信号转化为模拟信号的过程称作调制，将模拟信号还原成数字信号的过程称作解调。能进行这两种过程的设备就称作调制解调器（Modem）71数字信号的调制和解调的方法

信号调制就是用基带信号对载波信号的某些量进行调制，使得这些量随基带信号的变化而变化，调制过程就是按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波的某些参数的过程。解调是调制的逆过程，是将正弦波形的模拟信号转换成方波形的数字信号的过程。f1f2“1”“0”数据信号控制已调信号1100tt举例：72数字调制（键控）数字调幅（ASK）（振幅偏移键控）数字调频（FSK）（移频键控）数字调相（PSK）（移相键控）AmplitudeShiftKeyingFrequencyShiftKeying

PhaseShiftKeying

⒈各种数字调制方式73⒉

各种数字调制方式的比较数字调幅——容易受通道电平变动和噪声的影响，抗幅度干扰能力差，因此较少采用。数字调频——在电网调度自动化系统中采用最多的方式。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。数字调相——中速（2400~4800Bd）传输系统多采用此方式。这是因为调相方式抗干扰能力更强，所占带宽更窄。74⒊

常用的解调方法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。零交点检测法——

由于数字调频是以两个不同的频率f1和f2来分别代表数码“1”和“0”，鉴别这两种不同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。因为正弦波在单位时间内经过零点的次数可用来衡量频率的高低。然后用不同的过零点数产生两种不同的电压，以代表“1”和“0”，就实现了解调。1100tt75远动信号经过模拟信道的传输过程远动数据调制模拟通道解调远动数据噪声源发送端接收端采用频带传输时，要求在发送端和接收端安装调制解调器，这不仅解决了数字信号可用电话线路传输，而且可以实现多路复用，提高信道利用率。76三、网络通道计算机网络的分类计算机网络的分类按跨度按拓扑结构按管理性质按交换方式按功能广域网局域网城域网星形结构总线形结构环形结构网状结构公用网专用网利用公用网组建专用电路交换网分组交换网报文交换网通信子网资源子网77⒈按跨度分类（1）广域网（WAN）WideAreaNetwork

也称远程网，覆盖范围通常在数十千米以上，可以覆盖整个城市、国家，甚至整个世界，具有规模大、传输延迟大的特征。广域网通常使用的传输装置和传输介质由电信部门提供；但随着多家经营的政策落实，也出现其他部门自行组网的现象。在我国，除电信网外，还有广电网、联通网等为用户提供远程通信服务，国家电网公司的电力调度数据也属于广域网的范畴。

78（2）局域网（LAN）LocalAreaNetwork也称局部网，是在有限的地理范围内构成的规模相对较小的计算机网络，其覆盖范围通常在几千米以内，限于单位内部或建筑物内，常由一个单位投资组建，具有规模小、专用、传输延迟小的特征。它的特点是分布距离近（通常在1000~2000m范围内），传输速率高，连接费用低，数据传输可靠，误码率低。（3）城域网（MAN）MetropolitanAreaNetwork也称市域网，是在一个城市内部组建的计算机网络，提供全市的信息服务。

随着网络技术的发展以及新型的网络设备和传输媒体的广泛应用，距离的概念逐渐淡化，局域网以及局域网互联之间的区别也逐渐模糊。79⒉按拓扑结构分类（1）星形结构中心处理机采用分时或轮询的方法为入网机器服务，所有的数据必须经过中心处理机。星形网的特点：1）网络结构简单，便于管理(集中式）。2）每台入网机均需物理线路与处理机互联，线路利用率低。3）处理机负载重（需处理所有的服务），因为任何两台入网机之间交换信息，都必须通过中心处理机。4）入网主机故障不影响整个网络的正常工作，中心处理机的故障将导致网络的瘫痪。

星形网适用于局域网和广域网中80（2）总线形结构所有入网设备共用一条物理传输线路，所有的数据发往同一条线路，并能够由附接在线路上的所有设备感知。入网设备通过专用的分接头接入线路。总线网的特点：1）多台机器共用一条传输信道，信道利用率较高。2）同一时刻只能由两台计算机通信。3）某个结点的故障不影响网络工作。4）网络的延伸距离有限，结点数有限。总线网适用于局域网等对实时性要求不高的环境81（3）环形结构所有入网设备通过转发器接入网络，每个转发器仅与两个相邻的转发器有直接的物理线路。环形网的数据具有单向性，一个转发器发出的数据只能被另一个转发器接收并转发。环形网的特点：1）实时性较好（信息在网中传输的最大时间固定）。2）每个结点只与相邻两个结点有物理链路。3）传输机制比较简单。4）某个结点的故障将导致物理瘫痪。5）单个环网的结点数有限。环形网适用于局域网等实时性要求较高的环境。82（4）网状结构利用专门负责数据通信和传输的结点机构成的网状网络，入网设备直接接入结点机进行通信。网状网络通常利用冗余的设备和线路来提高网络的可靠性，因此，结点机可以根据当前的网络信息流量有选择地将数据发往不同的线。1）系统可靠性高，比较容易扩展。2）结构复杂，每一结点都与多点进行连结，线路费用高。3）必须采用路由算法和流量控制方法，因此控制复杂，软件复杂。网状网的特点：网状结构适用于地域范围大，入网主机（机型多）的环境，常用于构造广域网83⒊按管理性质分类（1）公用网有电信部门或其他提供通信服务的经营部门组建、管理、和控制，网络内的传输和转接装置可供任何部门和个人使用；公用网常用于广域网的构造，支持用户的远程通信。如我国的电信网、广电网、联通网等。（2）专用网由用户部门自己组建经营的网络，不容许其他用户和部门使用；由于投资的因素，专用网常为局域网或者是通过租借电信部门的线路而组建的广域网络。如由学校组建的校园网、由企业组建的企业网等。（3）利用公网组建专用网许多部门直接租用电信部门的通信网络，并配置一台或多台主机，向社会各界提供网络服务，这些部门构成的应用网络称为增值网络，及在通信网络的基础上提供了增值的服务。如中国教育科研网——Cernet，全国各大银行的网络等。84⒋按交换方式分类每个网络设备（交换机）一般都具有多个输入/输出端口，交换是指将一个端口的输入信号转发（交换）到另一个端口，并通过附接该端口的线路传输给其他设备。根据数据在网络传输过程中经交换机的处理的不同方式，可分为：（1）电路交换采用电话工作方式，具有建立链路、数据传输和释放链路三个阶段。通信过程中，自始至终占用该条线路，且不允许其他用户共享其信道容量。电路交换的特点：实时性强，数据传输时延小。但电路接续时间长，会出现呼叫阻塞现象；线路利用率低。85（2）报文交换交换的数据传送单位是报文，即站点一次性要发送的数据块，其长度不限，而且可以改变。本质就是储存转发,端与端之间不必先通过呼叫来建立连接。在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。报文交换的特点：①电路利用率高。由于许多报文可以分时共享两个结点之间的通道，所以对于相同的通信量来说，对电路的传输能力要求较低。②通信量大的时候仍然可以接收报文，不过传送时延会增加。③可以把一个报文发送到多个目的地。④可以进行速度和代码的转换。⑤由于不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长且不定。⑥有时结点收到过多的数据而无存储空间或不能及时转发时，就不得不丢弃报文，而且发出的报文不按顺序到达目的地。⑦报文交换对网络的要求太高，由于对报文的长度没有限制，网络中间结点的存储容量就必须无限大。86（3）分组交换在分组交换网中，有两种常采用的处理整个报文的方法：数据报方式和虚电路方式。它是综合了电路交换和报文交换两者的优点的一种交换方式。分组交换是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个结点所需要的存储容量降低了，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。

以上三种数据交换技术中，电路交换比较适用与一次传送的信息量大，并且通信过程中实时性要求高的业务；报文交换在实际网络中没有被采用；分组交换适用与交互式通信，是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。87传输介质1、同轴电缆

同轴电缆由绕在同一轴线上的两个导体组成。具有抗干扰能力强，连接简单等特点，信息传输速度可达每秒几百兆位，是中、高档局域网的首选传输介质。同轴电缆需用带BNC头的T型连接器连接。按直径的不同，可分为粗缆和细缆两种：

粗缆：

传输距离长，性能好但成本高、网络安装、维护困难，一般用于大型局域网的干线，连接时两端需终接器。细缆：

安装较容易，造价较低，但日常维护不方便，一旦一个用户出故障，便会影响其他用户的正常工作。

根据传输频带的不同，可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种类型：基带同轴电缆：传输数字信号，信号占整个信道，同一时间内能传送一种信号。

宽带同轴电缆：可传送不同频率的信号。882、双绞线

双绞线简称TP，将一对以上的双绞线封装在一个绝缘外套中，为了降低信号的干扰程度，电缆中的每一对双绞线一般是由两根绝缘铜导线相互扭绕而成，也因此把它称为双绞线。双绞线分为非屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)。适合于短距离通信。双绞线需用RJ-45或RJ-11连接头插接。

非屏蔽双绞线价格便宜，传输速度偏低，抗干扰能力较差。

屏蔽双绞线抗干扰能力较好，具有更高的传输速度，但价格相对较贵。

目前市面上出售的UTP分为3类，4类，5类和超5类四种：

3类：传输速率支持10Mbps，外层保护胶皮较薄，皮上注有“cat3”；

4类：网络中不常用；

5类（超5类）：传输速率支持100Mbps或10Mbps，外层保护胶皮较厚，皮上注有“cat5”。

STP分为3类和5类两种，STP的内部与UTP相同，外包铝箔，抗干扰能力强、传输速率高但价格昂贵。

双绞线一般用于星型网的布线连接，两端安装有RJ-45头(水晶头)，连接网卡与集线器，最大网线长度为100米，如果要加大网络的范围，在两段双绞线之间可安装中继器，最多可安装4个中继器，如安装4个中继器连5个网段，最大传输范围可达500米。893、光纤光缆(opticalfibercable)主要是由光导纤维（细如头发的玻璃丝）和塑料保护套管及塑料外皮构成，光缆内没有金、银、铜铝等金属，一般无回收价值。光缆是一定数量的光纤按照一定方式组成缆心，外包有护套，有的还包覆外护层，用以实现光信号传输的一种通信线路。即:由光纤(光传输载体)经过一定的工艺而形成的线缆。光纤的优点：1）光纤的通频带很宽，理论可达30亿兆赫兹。2）无中继段长：几十到100多公里，铜线只有几百米。3）不受电磁场和电磁辐射的影响。

4)重量轻，体积小。5)光纤通讯不带电，使用安全可用于易燃，易暴场所。6)使用环境温度范围宽。7)抗化学腐蚀，使用寿命长。

90不同传输介质比较和选择项目无屏蔽双绞线屏蔽双绞线同轴电缆光纤传输容量三类线适合传输语音信号和速率不超过10Mb/s的数字信号，五类线缆适合于传输速率为100Mb/s的数字信号有较高的传输速率，传输数据时速率不超过155Mb/s适合传输速率10Mb/s的数字信号，但具有比双绞线更高的传输带宽支持极高的传输带宽，目前技术可以在光纤上1000Mb/s的速率进行数据传输信号衰减严重，传输数据时限定100M范围内严重，传输数据时限定100M范围内严重，传输数据时限定100M范围内极低，传输距离可达20KM以上抗干扰能力易受电磁干扰和被窃听优于无屏蔽双绞线，仍易受电磁干扰和被窃听抗电磁干扰较好不受外界的电磁干扰，适应比较恶劣的环境安装难度容易安装和管理，需要使用RJ-45连接器较无屏蔽双绞线困难，需要使用特殊的连接器及相关的屏蔽安装技术容易安装和管理，需要使用BNC连接器，线缆两端需要使用终结器并接地良好比较复杂和精细，需要使用光纤连接器和光电转换器价格相对便宜较无屏蔽双绞线贵相对便宜相对便宜91四、远传数据处理装置原理（一）远传数据处理装置的基本概念1、远传数据处理装置的作用远传数据处理装置在变电站自动化系统中，承担着电网自动化系统通信、保护测控单元、自动化设备和变电站计算机系统的控制、协调、监视和管理任务。2、变电站自动化系统对远传数据处理装置的要求（1）较高的可靠性、稳定性；（2）满足实时性要求；（3）支持多种、多路通信接口；（4）具备多种通信规约；（5）能够提供转发信息的编辑和修改；（6）提供联机检查和维护手段。92（二）远传数据处理装置的构成及功能1、远传数据处理装置的构成保护测控单元保护测控单元远方计算机远方计算机CPUGPS对时模块串行接口模块远传MODEM模块人机对话932、远传数据处理装置的功能和原理功能主要包括数据采集、数据处理和数据转发。原理通过与各测控装置、保护装置、通信管理机、其他智能设备之间的通信获得数据，并进行汇总和相应转换处理。通信方式有串口、现场总线、网络等；采用的通信协议一般有问答式和主动上送式，可根据不同情况选用。远传数据处理装置将获得的数据进行处理和存储，按照设定的规约与调度主站通信，将数