自动化通信传输课件

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自动地传送给调度中心，而不能接收调度端的指令，就属于单工方式。串行传输时单工方式只需要一回传输线(2根)。半双工方式也只需一回传输线，但可以互为发、收端，采用切换方式分时交替进行。全双工方式则需2回传输线(4根)，双方均可同时发送和接收数据。(五)异步通信和同步通信在串行传输中，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通信和同步通信两种。1．异步通信格式异步通信格式如图GYZD00102001．5所示。每帧以“起始位”(低电平)开头，接着传送信息码元，最后附加一位“奇偶校验位”和“停止位”(高电平)。不传送信息时用“空闲位”(高电平)填充，直到下一帧的“起始位”到来。当然，也可以无空闲位而直接发送第2帧。异步通信方式实质上仅是在传送一个字符的较短时段内保持着收、发两端时序的同步，而在空闲时段内则可以是异步的。这样对两端时钟的精度和稳定性要求不高。但异步通信时，发送每个字符都加了起始位和终止位，使有效信息位比例降低了。由于异步通信对时钟要求不高，且每个数据帧长度都较短，对其他设备要求也低，故被广泛地应用。2．同步通信格式同步通信格式如图GYZD00102001．6所示。同步通信方式的发、收两端必须严格保持同步，这与异步方式不同。同步格式以“同步字”为一帧的开头。同步字是一种很特别的码元组合，帧内后续信息序列极难和同步字序列雷同，所以同步字可以成为识别一帧开始的明确标志。同步字后面是“控制字”，对本帧长度、发送地址、目的地址、信息类别等加以说明。再后面就是“信息字”。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。异步通信的最大优点是设备简单，易于实现。但它的效率很低，一个数据帧中数据码元较少，数据有时效率较低，使线路利用率降低。同步通信的最大特点是收发两端的时钟严格保持一致，从而使接收时钟与接收数据码元之间无误差积累问题，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，允许采取数据帧长度变动的方式，使多个数据码的有效数位紧密排列构成数据帧，形成数据流，在接收端再把这些数据码分离出来。四、串行通信接口RS-232是美国电子工业协会(EIA)1973年制定的一种串行数据传输接口标准，已被广泛地应用于计算机与各终端以及计算机与计算机之间的就近连接。RS-232C所定义的内容，属于国际标准化组织(ISO)所制定的开放式结构互联所建议的七层结构中的最低层——物理层所定义的内容，包括机械特性、电气特性和功能特性三个方面的规范。(一)RS-232C串行接口-1．RS一232C的机械特性RS一232C规定选择DB25结构作为其连接器。DB25由一个25针的插头和一个25孔插座组成。通常，RTI_J(DTE)方面采用DB25针式插头，Modem方面(DCE)则采用DB25孔式插座。2．RS-232C的电气特性RS-232C采用负逻辑工作，即逻辑“1”用负电平(范围为一5—一15V)表示，逻辑“O”用正电平(范围为5～15V)表示。通常使用时，门限电平是士3V，因此许多RS-232C接口采用士8V电源。由于大部分设备内部使用TTL电平，因此RS-232C还需通过专门的线路驱动器MCl488和线路接收器：MCl489来完成两者之间的电平转换。RS-232C串行接口的信息速率小于20kbit／s。常用的速率有300、600、1200、2400、4800、9600bit／s。RS一232C信号线上总负载电容不得超过2500pF。通常使用的多芯电缆每米具有电容150pF，故采用RS-232C的最大传输距离仅有15m。3．RS一232C的功能特性RS-232C的信号线分为数据线、控制线、定时线、地线四类。控制总线通常称为握手线，其主要功能是实现DTE(数据终端设备，如RTu、PC等)和DCE(数据电路端设备，如Modem等)之间的互相联系，表示它们的工作状态。定时线一般在同步通信方式时使用。4．RS-232C的优缺点(1)优点：RS一232C采用单端驱动、单端接收电路，传送每一种信号只用l根信号线，所有信号公用l根信号地线，电路简单，应用广泛。(2)缺点：1)数据传输速率不高(20kbit／s以内)，传输距离不远(15m以内)。2)因有公共地线，较易受噪声干扰。(二)RS-422A串行接口RS-422A是RS-232C的改进型，为解决RS一232C发送和接收共用一根地线易受共模干扰问题，在全双工方式下，RS-422A采用两对平衡差分信号线(共4根)，实现平衡驱动和差分接收，从根本上取消了信号线，使抗干扰能力大为加强，传输速率和传输距离也明显增加。例如传输距离为1200m时，传输速率可达100kbit／s。自动化通信的常见规约简介【模块描述】本模块介绍自动化通信常见规约。通过概念介绍，掌握循环式传送规约和应答式规约的概念及其特点，熟悉自动化通信常见规约及其应用情况。【正文】在电力调度自动化系统中，调度端与厂站端之间为了有效地实现信息传输，收发两端需预先对数据传输速率、数据结构、同步方式等进行约定，将这些约定称为数据传输控制规程，简称为通信规约。一、数据通信规约目前主要使用的通信规约可分为循环传送式规约和应答式规约两种。(一)循环传送式规约循环传送式规约是一种以厂站端RIu为主动端，自发地不断循环向调度中心上报现场数据的远动数据传输规约。在厂站端与调度中心的远动通信中，RT[J周而复始地按一定规则向调度中心传送各种遥测、遥信、电能量、事件记录等信息。调度中心也可以向RTU传送遥控、遥调命令以及时钟对时等信息。在循环传送方式下，RTU无论采集到的数据是否变化，都以一定的周期周而复始地向主站传送。循环方式独占整个通道(称点对点方式)，调度中心与各RTU皆由放射式线路相连。为保证可靠性，循环传送方式还要有主、备两种信道，信道投资较大。循环式规约的主要特点如下：(1)数据传送以现场为主，由于采用循环式规约的RTLT不断循环上报现场数据给主站，而主站祛动接收，即使发生暂时通信失败丢失一些数据，当通信恢复正常后，被丢失的信息仍有机会上报，币不至于造成显著危害，因此这种方式对通道的要求不高，适合于在质量比较差的通道环境下使用。(2)数据格式在发送端与接收端事先约定好，按时间顺序首先发送起始SYN同步字，然后依次发送以8位的字节作为基本单位的控制字和信息字，如此周而复始，连续循环发送。(3)循环式规约采用信息字校验的方式，将整检信息化整为零，当某个字符出错时，只需丢弃相应的信息字即可，而其他校验正确的信息字就可以接收处理，大大提高了传输数据的利用率，从而要加适合于在质量比较差的通道环境下使用。(4)循环式规约采用遥信变位优先插入传送的方式，重要数据发送周期短，大大提高了事故信后传送的响应速度，实时性强。由于采用现场数据不断循环上报的策略，一般数据发送周期长，实时性较差，主站对一般遥测量变化的响应速度慢。(5)循环式规约允许多个子站和多个主站间进行数据传输，由于采用循环式规约的RTU自发地不断循环上报现场数据，因此通道必须采用全双工通道，并且不允许多台RTI．J共线连接，而只能采用一对点的方式连接。循环式规约中以帧长度是否可变分为可变帧长度和固定帧长度两种形式。(二)应答式规约应答式规约适用于网络拓扑是点对点、多点对多点、多点共线、多点环形或多点星形的远动通信系统，以及调度中心与一个或多个远动终端进行通信。通道可以是双工或半双工，信息传输为异步方式，允许多台RTIJ共线一个通道。在问答方式下，主站查询RTu是否有新的数据报告，如果有，主站请求RTU发送更新的数据，RTU以新的数据应答。通常RTU对于数字量变化(遥信变位)优先传送，对于模拟量，采用变化量超过预定范围时传送。应答式规约是一个以调度中心为主动的远动数据传输规约。RTU只有在调度中心主站发出查询命令以后，才向调度中心发送回答信息。调度中心主站按照一定规则向各个RFU发出各种询问报文。RTU按询问报文的要求以及RTU的实际状态，向调度中心回答各种报文。调度中心也可以按需要习RTU发出各种控制RTU运行状态的报文。RTU正确接收调度中心的报文后，按要求输出控制信号，并向调度中心回答相应报文。在应答式规约中，唧有问必答，当RTU收到主机查询命令后，必；在规定的时间内应答，否则视为本次通信失败。对于点对点和多个点对点的网络拓扑，厂站端产生事件时(例如断路器跳闸，形成遥信状态变位信息)，RTtJ可触发启动传输，主动向调度中心报告事件信息，以满足实时性要求。当RTU未收到主机查询命令且无事件时，绝对不允许主动上报信息。1．应答式规约的优点(1)应答式规约允许多台RTU以共线的方式共用一个通道。这样有助于节省通道，提高通道占用率，对于区域控制站和有较多数量的RTI．J通信场合，这种方式是很适合的。(2)应答式规约可采用变化信息传送策略，从而大大压缩了数据块的长度，提高了数据传送速度。(3)应答式规约既可以采用全双工通道，也可以采用半双工通道，既可以采用点对点方式，又可以采用一点多址或环形结构，因此通道适应性强。2．应答式规约的不足(1)由于应答式规约为非主动上报规约，主站对数据的采集速度慢，尤其是当通道的传输速率较低的情形。(2)由于采用变化信息传送策略，应答式规约对信道的要求较高，因为一次通信失败会带来比较大的损失，虽然可以采用通信失败后补发的方法解决上述问题，但补发次数有限，在通道质量较差时，仍会发生重要信息(如SOE)丢失的现象。(3)应答式规约往往采用整帧校验的方式，由于一帧信息量较大，因此出错的概率较大，校验出错后就必须整帧丢弃，并阻止重发帧，出现由于出错弃帧的情况时，必须经过重新询问，RTIJ才重发前面由于出错而被丢弃的数据帧，从而更加降低了实时性。(4)规约一般适用于多个子站和一个主站间进行数据传输。二、电力系统数据通信协议体系及协议标准的应用电力系统调度自动化体系由厂站内系统、主站与厂站之间、主站侧系统三个层次组成。(一)基本远动任务配套标准IEC60870-5．101简介从20世纪90年代以来，国际电工委员会’FC．57技术委员会为适应电力系统及其他公用事业的需要，制定了一系列远动传输规约的基本标准，这些规约共分5篇，即：IEC60870-5-1远动设备及系统第5部分传输规约第一篇传输帧格式(1990年)IEC60870-5-2远动设备及系统第5部分传输规约第二篇链路传输规则(1992年)IEC60870-5-3远动设备及系统第5部分传输规约第三篇应用数据的一般结构(1992年)IEC60870-5-4远动设备及系统第5部分传输规约第四篇应用数据的定义和编码(1993年)IEC60870-5-5远动设备及系统第5部分传输规约第五篇基本应用功能(1995年)IEC60870-5-101(基本远动任务配套标准)针对IEC60870—5基本标准中的FTl．2异步式字节传输(。Asynchronousbytetransmission)帧格式，对物理层、链路层、应用层、用户进程做了大量具体的规定和定义。IEC60870-5-101所定义的基本应用功能允许在其定义的范围内根据具体情况和要求作适当选择。为了使兼容远动设备之间能进行互换，IEC60870-5-101还对类型标识和传送原因等规定了严格的定义，也允许在其定义之外由制造厂和用户另行定义，但对其严格定义的内容，兼容远动设备不得违反。DL／T634-5-10l一2002《远动设备及系统第510l部分：传输规约基本远动任务配套标准》(IEC60870-5-101：2002V．2)标准等同采用IEC60870-5-101《远动设备及系统第5部分传输规约第101篇基本远动任务配套标准》(2002)。在编写过程中，经广泛征求意见，并结合我国国情对IEC60870-5-10l主要在以下方面进行了选择：(1)全部采用。IEC60870-5-101中对物理层、链路层、非平衡传输规则、基本应用功能