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1、配电网自动化技术 Distribution Automation Technology,电气工程与自动化学院 郭谋发,第3章 配电网自动化数据通信,3.1 数据通信系统的基本组成 3.2 通信系统的性能指标 3.2.1 有效性指标 3.2.2 可靠性指标 3.3 数据传输方式和工作方式 3.3.1 数据传输方式 3.3.2 通信线路的工作方式 3.4 数据通信的差错检测 3.4.1 差错控制方式 3.4.2 常用检错码 3.5 配电网自动化通信方式 3.5.1 RS-232 3.5.2 RS-485 3.5.3 CAN总线 3.5.4 电力线载波通信 3.5.5 光纤通信 3.5.6 ZigB
2、ee 无线传感器网络 3.5.7 GPRS通信 3.5.8 多种通信方式综合应用 3.6 配电网自动化常用的通信规约 3.6.1 电力负荷管理系统数据传输规约 3.6.2 IEC 60870-5-104规约,3.1 数据通信系统的基本组成,数据通信是两点或多点之间借助某种传输介质以二进制形式进行信息交换的过程。将数据准确、及时地传送到正确的目的地是数据通信系统的基本任务。 数据通信系统实际上是一个软硬件的结合体。,配电网数据一般指与配电网运行密切相关的数值、状态、指令等。 开关量、模拟量,数据通信技术主要涉及通信协议、信号编码、接口、同步、数据交换、安全、通信控制与管理等问题。,一、数据通信硬
3、件,（1）发送与接收设备 1）各种仪器仪表，如：电能表，低压用户抄表采集器，低压用户抄表集中器等。 2）各种终端单元，如：馈线终端单元FTU，配变终端单元TTU，配电终端单元DTU等。 3）主站的前置通信处理机。 （2）数据通信传输介质 配电网自动化数据通信系统可以采用无线传输介质，例如电磁波、红外线等，也可以采用双绞线、电缆、电力线、光缆等有线介质。,二、通信软件,报文与通信协议都属于通信系统的软件。 把需要传送的信息，包括文本、命令、参数值、图片、声音等称为报文，是经过数字化后的信息。 通信实体间仅依靠传送的二进制码不能相互理解信息的内容，还要有一套事先规定、共同遵守的规约。 通信设备之间
4、控制数据通信与理解通信数据意义的一组规则，称为通信协议。协议定义了通信的内容，通信何时进行以及通信如何进行等内容。,通信协议的关键要素是语法、语义和时序。 语法是指通信中数据的结构、格式及数据表达的顺序。 例如一个简单的通信协议可以定义数据的前8位或16位是发送者的地址，接着的8位或16位是接收者的地址，后面紧跟着的是要传送的指令或数据等。 语义是指通信帧的位流中的每个部分的含义，收发双方是根据语义来理解通信数据的意义 。 时序包括两方面的特性：一是数据的发送时间；二是数据的发送速率。,二、通信软件,3.2 通信系统的性能指标,一、有效性指标,1. 数据传输速率 在数据通信中常常用时间间隔相同
5、的波形来表示一位二进制数字。这个间隔被称为码元长度，而这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。 同样n进制的信号也是等长的，并被称为n进制码元。 通信系统每秒传输数据的二进制位数被定义为比特率。单位为bit/s。 把每秒传输码元的数目定义为波特率。单位为baud。,1.数据传输速率 若单比特信号的传输速率为9600bit/s，则其波特率为9600 baud，它意味着每秒可传输9600个二进制位。 如果每个码元由2个二进制位组成，当传输速率为9600bit/s时，则其波特率只有4800baud。 在讨论信道特性，特别是传输频带宽度时，通常采用波特率；在涉及系统实际的数据传输能力时，则使用比特率。,
6、一、有效性指标,一、有效性指标,2. 频带利用率 单位频带内的传输速度。单位为bit s-1 Hz-1，即每赫兹带宽所能实现的比特率。 3. 协议效率 协议效率是指所传输的数据包中的有效数据位与整个数据包长度的比值。 4. 通信效率 数据帧的传输时间同用于发送报文的所有时间之比。用于发送报文的所有时间包括竞用总线或等待令牌的排队时间，数据帧的传输时间，以及用于发送维护帧等的时间之和。,二、可靠性指标,误码率是衡量数字通信系统可靠性的指标。它是二进制码在数据传输系统中被传错的概率，数值上近似为,式中，N为传输的二进制码元总数； Ne为被传输错的码元数。 理论上应有N。实际使用中，N应足够大，才能
7、把Pe 作为误码率。,采取差错控制，降低误码率。,一、数据传输方式,1. 串行传输和并行传输 串行传输具有易于实现，在长距离传输中可靠性高等优点。它适合远距离的数据通信，但需要收发双方采取同步措施。 并行传输所需要的传输线多，一般在近距离的设备之间进行数据传输时使用。 串行传输和并行传输的区别在于组成一个字符或字节的各数据位是依顺序逐位传输还是同时并行地传输。,3.3 数据传输方式和工作方式,2. 同步传输与异步传输 在同步传输中，所有设备都使用一个共同的时钟 。传输的每个数据位只在时钟信号的上升沿或者下降沿之后的一个规定的时间内有效。需要一条额外的线来传输时钟信号。 在异步传输中，每个通信节
8、点都有自己的时钟信号，每个通信节点必须在时钟频率上保持一致，并且所有的时钟必须在一定误差范围内相吻合。当传输一个字节时，通常会包括一个起始位来同步时钟。一数据帧往往包含帧头和帧尾，用于同步。,同步方式比异步方式传输效率高，适合高速传输的要求。,一、数据传输方式,图3-4 几种通信线路的工作方式 a）单工通信 b）半双工通信 c）全双工通信,二、通信线路的工作方式,差错控制方式： 发现传输过程中出现的错码,进而加以纠正。 接收端经过译码，能查出码中存在差错，但不知道差错的确切位置，叫检错译码。 如能判定差错的位置并加以纠正的，叫纠错译码。,3.4 数据通信的差错检测,一、差错控制方式,常用的差错
9、控制方式,图3-5差错控制方式示意图 a）循环传送 b）前向纠错 c）要求重传 d）信息反馈 e）混合纠错,二、数据通信的常用检错码,1. 奇偶校验 在数码后面附上一位奇偶校验位。若附上奇偶校验位后使形成的数码中“1”的个数为偶数，就称为偶校验。如果使“l”的个数为奇数，则称为奇校验。 例如：数码1100111中“1”的个数为奇数，采用偶校验时在数码后面附上偶校验位“1”，成为数码l1001111，使“1的个数为偶数。 发生2个、4个等偶数个差错，接收端就无法检出。,二、数据通信的常用检错码,2. 水平一致校验,按列发送，先传送第1列，再送第2列等，最后送第11列即校验码。,对水平方向的每行进
10、行奇偶校验，得到一列校验码元，附在各列之后。,二、数据通信的常用检错码,发送时可以按行，也可以按列传送。,方框所标的4处同时发生的差错亦无法检出 。,3. 水平垂直一致校验,二、数据通信的常用检错码,将校验和附在信息组之后一起传送 ,溢出位不计，接收方如何处理？,4. 校验和,多项式运算必须按照模2运算规则进行，即异或运算。,二、数据通信的常用检错码,5. 循环冗余校验 （1）多项式及其运算 8位二进制数可用一个7阶的二进制多项式表示 8位二进制数11000101可表示为,多项式中的x仅代表某个“1”所处的位置 。,例3-1,二、数据通信的常用检错码,5. 循环冗余校验 （2）CRC校验算法,
11、5. 循环冗余校验 （2）CRC校验算法,5. 循环冗余校验 （3）软件查表法求CRC字节,5. 循环冗余校验 （3）软件查表法求CRC字节,每一字节与上一字节求得的余式相加后再查表。,数据通信系统构成,常见的DTE有馈线监控终端、专变采集终端、负荷控制管理终端、抄表集中器和抄表采集器等； 常见的DCE有调制解调器、GPRS模块、载波机和光端机等； 常见通信介质有双绞线、网线、光纤及无线电波等。,3.5 配电网自动化通信方式,一、RS-232,表3-4 RS-232引脚分配及定义表,图5-9 RS-232连接的最简单形式,对于数据，逻辑“1” 的传输电平为-3V-15V，逻辑“0” 的传输电平
12、为+3V+15V。 对于控制信号，接通状态即信号有效的电平为+3V+15V，断开状态即无效信号的电平为-3V-15V。 当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来；而介于-3V+3V之间的电压，CPU可能得到0，也可能得到1。,一、RS-232,DI=1,RO=1,DI=0,RO=0,平衡差分电路是RS-485的最大特点： 接收器的输入电压为A、B这两根导线电压的差值。,噪声电压往往在两根导线上同时出现，一根导线上出现的噪声电压会被另一根导线上出现的噪声电压抵消，因而可以极大地削弱噪声对信号的影响。,二、RS-485 1.技术参数,表3-7 RS-485、RS-422、RS-232的
13、主要技术参数,二、RS-485 1.技术参数,二、RS-485,（1）网络拓扑 由一个主节点对RS-485总线的占用进行管理，任一时刻都只允许一个节点向总线发送报文。所有从节点只有在得到主节点许可的条件下才能有发送报文的机会。从节点与从节点之间不能直接通信。,2.网络连接,（2）偏置电路 串行数据一个字节发送完后，必须保持高电平的空闲位，直到新字节的起始位开始发送。若没有偏置电路，通信线路空闲时DE=0，发送器输出端呈高阻态，UIA-UIB=0V，RO状态不确定。,二、RS-485,2.网络连接,（2）偏置电路,二、RS-485 2.网络连接,（3）电气隔离 采用光电耦合的方式实现信号隔离。
14、（4）屏蔽与接地 屏蔽层通常一点接地。 不要求RS-485网络一定要采用屏蔽电缆，非屏蔽电缆在许多RS-485网络中也得到了成功的运用。 （5）浪涌保护 采用瞬态电压抑制二极管及限流电阻进行保护。,三、CAN总线,CAN是现场总线的一种。CAN协议实现ISO/OSI模型的物理层和数据链路层。 CAN可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络其他节点发送信息。 网络上各节点可以定义不同的优先级以满足不同的实时要求，CAN采用非破坏性总线仲裁技术 。 CAN总线的节点数实际值为110个。直接通信距离为10km/5kbit/s，40m/1Mbit/s。传输介质为双绞线或光纤。
15、CAN总线采用短消息报文，每帧有效字节数为8个，受干扰概率低，受干扰重发所用的时间也较少，并采用冗余校验CRC及其他校错措施，保证了极低的信息出错率。,CAN总线配电网自动化工程中的应用。,图3-15 环网柜FTU结构图,三、CAN总线,四、电力载波通信,将载波设备与馈线上的高电压、操作过电压及雷电过电压等隔开，以防止高电压进入通信设备，同时使高频载波信号能顺利地耦合到馈线上。,结合滤波器是与耦合电容器配合将载波信号耦合到馈线上去，并抑制干扰进入载波机的设备 。,图5-16 结合滤波器的组成,低压电力线载波,低压电力线载波信道具有衰减较大，线路阻抗变化大，高噪声等传输特性，使其成为不理想的通信
16、媒介。,为了提高通信的可靠性和有效性， 一方面可以辅助性地采取一些措施，如增加发射信号功率、提高接收设备灵敏度以及采用合适的耦合电路及新的载波信号检测方法。 另一方面是采用合适的调制技术或中继技术。,1.SDH主干网络 光纤同步数据体系SDH （Synchronous Digital Hierarchy） SDH可把2Mbit/s直接复接入140Mbit/s，不必逐级进行。每个2Mbit/s口还可以分接为64路64kbit/s串行同步口或9.6kbit/s串行异步口。复接、分接方便。,五、光纤通信,2.光纤以太网 利用光纤介质实现以太网通信，从而构成光纤以太网通信方式。,图3-19 配电子站到主站的点对点光纤以太网连接示意图,此时配电子站可以看成是“挂”在局域网延伸网线上的一个工作站。,五、光纤通信,2.光纤以太网,图3-20 终端到配电子站的链状光纤以太网连接示意图,多个终端可以“挂在”同一个交换机下面并通过交换机与光端机连接，
