1、配电自动化的通信系统,第三讲,配电自动化的通信系统,1 配电自动化通信系统的层次结构2 配电自动化的通信系统的组成及作用3 配电系统自动化的通信方式及特点4 载波通信方式和光纤通信方式5 通信的硬件连接技术和应用实例分析,主 站,子 站,子站,子 站,远方终端,远方终端,远方终端,远方终端,。,。,。,同级管理信息系统 同级负荷管理系统 同级用电管理系统 同级其它系统,调度自动化系统,变电站自动化系统,图2 大中型配电自动化及管理系统组成结构-三层结构,1 配电自动化系统结构,主 站 调动自动化主站,子站,远方终端,远方终端,远方终端,远方终端,。,。,。,同级管理信息系统 同级负荷管理系统
2、同级用电管理系统 同级其它系统,变电站自动化系统,等级划分及组成结构,图3 中小型配电自动化及管理系统组成结构,。,配电自动化系统结构-中小型,1）配电自动化通信的特点,一个完整的配电自动化系统包括配电自动化主站、配电自动化子站、远方监控单元三个部分。主站和子站间的通信、子站和现场监控单元间的通信有一个共同的特点，其中一方必为计算机系统，另一方为计算机系统或其它监控单元。另一个特点是通信距离比较远，可能为几公里，甚至几十公里。（1）主站级通信包括：主站调度主站子站主站变电站,（2）子站级通信,主站子站子站调度子站变电站 子站远方终端（RTU/DTU/TTU）子站起到承上启下的作用！,（3）终端
3、设备通信,主FTU从1(RTU/DTU/TTU)从2(RTU/DTU/TTU)从3(RTU/DTU/TTU) a) 级连方式 b) 总线方式通常采用RS232接口 通常采用RS485接口,主FTU,从FTU1,从FTU2,主FTU,从FTU1,从FTU2,（3）终端设备通信,主FTU从1(RTU/DTU/TTU)从2(RTU/DTU/TTU)从3(RTU/DTU/TTU) 子站主FTU远方终端（RTU/DTU/TTU）主站主FTU远方终端（RTU/DTU/TTU）终端设备通信主要是主从模式！（见书P51页）,配电自动化,(4) 数据子站系统功能,监视、控制管辖范围内的RTU、DTU、FTU、T
4、TU，实现“四遥”功能 数据采集，子站实时采集其连接设备的状态量、模拟量和脉冲量（其中还包括子站通信系统、通道的状态信息） 数据转发，向主站系统转发RTU、DTU、FTU、TTU的数据，向主站系统转发子站系统自身的运行状态数据 控制和调节，接收主站下发的（或在子站处直接下发）控制和调节命令，实施现场设备的控制和调节，如开合一个开关、改变变压器的分接头位置，调节FTU整定参数等,配电自动化系统三层结构,站端设备 FTU -各类柱上开关及环网柜控制器 FTU的组成：模块远方终端控制器，充电器、蓄电池、机箱外壳及各种附件组成 模块远方终端控制器必须包括：交流量采集回路，数字量采集回路，数字量输出（开
5、关量输出回路），通讯接口和RAM, ROM等核心芯片。有时加入DSP芯片追求高性能的滤波和数字信号处理能力。,11,配电自动化系统（日本东京电力为例 ）,日本国内第一个配电自动化系统工程,泰安配网自动化主站系统硬件配置示意图,郑州配网自动化主站系统硬件配置示意图,调度工作站,GPS,网络 II,网络 I,TCM专用 通信服务器,数据和图形 服务器,镜像及WEB,系统维护工作站,2M E1 V.35,ATM交换机,子站1,调度工作站,其他计算机系统,配调中心,调度SCADA/EMS,MIS系统,ARN 路由器,SDH通讯网络,子站N,ARN 路由器,BLN 路由器,2M E1 V.35,GPS抢
6、修车 调度工作站,高级应用 工作站,磁盘阵列,Catalyst5500,培训服务器,数据处理工作站,学员席工作站,FTU安装情况,配电自动化对通讯的要求（1）,1.通信的可靠性配电自动化的通讯系统必须设计成为能够通过常规维护就可以在恶劣状况下工作的系统。能够跨过故障区和停电区域保持通讯，是对通讯系统可靠性的另一要求。2.通信系统的费用由于配电自动化的通讯系统的造价是很可观的，因此通过恰当地选取合适的通讯方式，可以节省大笔的建设费用。,3.通信速率的要求从功能的角度，在配电自动化系统中，进线监视、10kV开闭所和配电变电站监控和馈线自动化（FA）对于通讯的速率要求最高，其次是公用配变的巡检和负荷
7、监控系统，远方抄表和计费自动化对于通讯的速率的要求较低。从配电自动化系统结构的角度，集结了大量数据的主干线对通信速率的要求要远高于分支线对通信速率的要求。 4.双向通信能力配电自动化的大多数功能要求双向通信，如对于故障区段隔离和恢复正常区域供电的功能，则必须要求有双向通讯能力的信道。,配电自动化对通讯的要求（2）,5.通信不受停电的影响配电网的调度自动化功能和故障区段隔离，及恢复正常区域供电的功能要求，即使在停电的地区通信仍能正常进行。6.通信系统的使用与维护方便性配电自动化的通信系统构成规模往往较大，而且通常采用多种通信方式相结合，因此在设计上，应考虑尽可能地简化这一复杂的通信系统的使用与维
8、护。,配电自动化对通讯的要求（3）,2 配电自动化的通信系统的组成及作用,1）数字通信技术中的几个基本概念 2）数据自动化通信传输方式 3）配电自动化通信系统的组成及作用 4）调制解调器作用及调制的基本原理,1）数字通信技术中的几个基本概念,（1）码元。远动通讯系统传输的数据是用码元序列表示的。若数据用一串有具体定义的脉冲表示，则称每个信号脉冲为码元，即携带信息的信号单元叫码元。在短距离传送中，逻辑高电平用“1”表示，低电平用“0”表示（称为单极脉冲）。在较长距离传输中可用正负电平表示（称为单双极脉冲）。 （2）码元传输速率（传码率）。单位为波特（band），它定义为单位时间（秒）内通过系统所
9、传送的码元数（脉冲数），也称传码率。 码元传输速率Nb可用下式表示为 Nb 1/Ts 假设有一个码元（“1” 或“0”）信号波形的脉冲宽度为Ts，显然Ts越小，脉冲宽度越窄，单位时间内传送的码元数越多，传送的数据、符号数目也就越多，即效率越高。 例如，在一个数据传输系统中，如果传送的信号波形的脉冲宽度为1.67ms，则信号传输速率约为600（band），即每秒可传送600个脉冲。,（3） 信息传输速（传信率）。单位是比特/秒（bit/s），它定义为单位时间（秒）内通过系统所传输的信息量，又称作数据传输速率，可用下式表示为: Rb=Nblog2N 式中：N为一个脉冲所表示的有效状态，即调制电平数
10、（为2的整数倍）；Nb为每秒传送的脉冲数,如果数据传输系统传送的是二进制码元，则N2，那么码元传输速率Nb和信息传输速率Rb是一样的。 从式可以看出，在码元传输率Nb不变的情况下，传输码元的进制越高，即N 值越大的话，则Rb越大，也就是所传输的信息量越大；但对应的系统进制数越大，其技术问题越复杂，实现越困难。另外，传输信道的频带也给传输速率带来一定的限制。 （4） 消息传输速率（消息率）。单位是比特/秒（bit/s），它定义为单位时间（秒）内通过系统传输的从信息源发出的信息量，记做Rm。传码率、传信率和消息率三者定义,5）误码率。在莫一数据传输过程中，发生错误的码元数与总传输码元数之比称为误码
11、率。电力系统远动通信中要求误码率小于105误码率与通信的质量以及各种干扰的大小等因素有关. （6）带宽（Band Windth）。它是指传输模拟信号的频带宽度，模拟信号带宽由较高频率减去较低频率得到，但为了表达方便，通常利用频率范围来描述带宽。例如，音频信号的带宽是3003400Hz。 （7）基带和基带传输。在实际工作中人们所需要传输的原始信号（信息信号），无论是模拟信号（如语音信号、图象信号等），还是数字信号（如计算机和各种数字终端输出的信号），通常其频率都较低，它们所占据的这部分频带，通常成为基本频带（简称为基带），基带也就是指信号本身的基本频带。基带信号中的每个基带脉冲实际上就是一个可传
12、输的码元。如果将基带信号直接在信道（以传输媒质为基础的信号通道）中传输，就称为基带传输。,（8）调制与频带传输。由于基带传输的信道通常是有线信道，如明线、对称电缆、同轴电缆等，所以不能远距离传输。为了远距离传输，一般要利用无线通道或载波通道，如利用载波通道，这时就须借助于正弦载波，通过频谱变换和搬移后，在进行传输。所谓调制就是在调制器中，将数字基带信号调制到载波上，变为数字载波信号。这种用载波运载基带信号的过程称为调制。反之，从已调制过的载波信号中，将作为调制信号的原基带信号分离出来的过程称为解调。 (9) 报文及报文分组。报文是一组包含数据和呼叫控制信号（例如地址）的二进制数，是在数据传输中
13、具有多种特定含义的信息内容。 （10）以太网（ETHERNET）。它是一种局部通信网，通常在线路半径110km中等规模的范围内使用，为单一组织或单位的非公用网，网中的传输介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤等。它的特点是：信道带宽较宽；传输速率可达10Mbit/s;误码率很低（一般为1081011）.,2)通信系统的报文组示意图,通信系统的报文组示意图,3）数据自动化通信的传输方式,通信系统的传输方式按照信息传输的方向和时间可分为：单工通信、半双工通信和全双工通信三种方式,单工通信：按单一方向传送的工作方式,半双工通信：是指信息可以双方向传送，只能分时交替进行全双工通信：可以同时进行双方向的传送信
14、息,4）典型数据通信系统的组成数据传输设备的主要作用是讲数据终端设备送来的基带数字信号转变成使用与远距离传送的数字载波信号。 常见数据传输设备（DCE）有：调制解调器（modem）、复接分接器、数传电台、载波机和光端机。 数据传输信道： 按载体传输形式：有线传输和无线传输 按数据传输形式：模拟信道和数字信道,典型数据通信系统的接口 数据传输设备的主要作用是讲数据终端设备送来的基带数字信号转变成适用于远距离传送的数字载波信号。 常见数据传输设备（DCE）与数据终端设备（DTE）之间的接口： RS-232或RS-485接口。 RS-232接口：美国电子工程学会1973年制订的串行接口几百米。逻辑电
15、平。 RS-485接口：改进的串行接口采用双线传输信号几千米差分方式的电位差，转换成逻辑电平。,5）调制解调器的作用和基本原理所谓调制解调器是讲数字基带信号调制在载波上，变为数字载波信号，这种过程叫调制（modulate)调制器。 从已调制过的载波信号中，讲作为调制信号的原基带信号分离出来的过程 称为解调过程（demodulator)解调器。 调制解调器的作用 a) 讲基带信号的频谱移到载频附近，以适应信道频带的要求，便于发送和接收。 b)实现信道的多路复用。 c)压缩信号带宽，以便于利用话带传输设备进行数据传输,调制的基本原理有一个正弦电压信号u=UMax Sin(wt+)我们可以让正弦波电
16、压的幅值，角频率和初相角随冤码信号变化。1）数字调幅ASK（amplitude shift keying） 2) 数字调频FSK(frequency shift keying) 3) 数字调相PSK(phase shift keying),调制的几个基本的脉冲波形图a) 码元波形 b) 调幅波形 c) 调频波形 d) 二元绝对调相波形 e)二元相对调相波形,通信规约（Protocol）所谓通信规约是指调度端和执行端通信时共同使用的人工语言的语法规则及应答关系。规约规定怎样开始/结束通信、谁管理通信、怎样传输信息、数据是怎样表示和保护的、工作机理、支持的数据类、支持的命令以及怎样检测/纠错等内容
17、。调度端和执行端只有使用相同的通信规约，彼此才能明白对方所发信息的意义，通信才能正常进行。 OSI标准制订通信规约是发展趋势 国际化标准组织ISO定义了一个开放式系统互联模型标准OSI，该模型包含了七层协议，即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，每一层都强调特殊的网络功能。任何一层只向它的上一层提供服务，并接受下一层的服务申请，每一层只与它的对应层进行通信。,1， 物理层 物理层提供两个通信实体之间的数据传输路径，它负责在连接两个相邻的节点之间的各种媒介上透明地传输任意位流。该层定义物理网络结构、所使用的媒介的机械和电气特性以及传输编码和计时时间等。 2，数据链路层 数
18、据链路层是将物理层的“位”组成“帧”，定义网络逻辑拓扑结构、媒介访问策略、物理地址、寻址方式，并提供连接服务。网络层 网络层的作用是将数据转移到一个特定的网络位置，并且确保正确数据经过路由选择发送到由不同网络组成的网际网，即提供连接服务。 4，传输层 传输层提供端到端的数据报文传输，它将下层的信息组成段，并将这些段提交给回话层，或者更上层的协议处理；它使用网络层的路由服务，并提供数据连接服务。,5，会话层 会话层实现服务请求者和提供者之间的通信。通信会话被用来建立、维护、同步并且管理通信实体之间的对话机制所制约。通常，本层协议也帮助较高层协议识别和连接到网络上提供的各种服务。 6，表示层 表示
19、层能把数据转换成一种能被各个计算机以及允许的应用程序相互理解的约定格式（传输语法）。表示层的主要作用是翻译和加密。 7，应用层 应用层包含了针对每一项网络服务的所有问题和功能。换句话说，上面6层协议包含了通常支持网络服务的任务和技术，而应用层则提供了完成指定网络服务功能所需的协议。,主 站,子 站,子站,子 站,远方终端,远方终端,远方终端,远方终端,。,。,。,同级管理信息系统 同级负荷管理系统 同级用电管理系统 同级其它系统,调度自动化系统,变电站自动化系统,图2 大中型配电自动化及管理系统组成结构-三层结构,配电自动化通讯系统结构,3 配电系统自动化通信方式特点,通信系统的建设是配电自动
20、化系统的关键之一。从目前的技术水平看，没有任何一种单一的通讯手段能够全面满足各种规模的配电自动化的需要，因此多种通讯方式在配电网中的混合使用就难于避免，下表列出配电网可能用到的各种通讯方式。,配电自动化的多种通讯方式,配电自动化的多种通讯方式（1）,配电自动化的多种通讯方式（2）,一、无线通信无线通信是一种覆盖面广的通信方式，它不需要传输线，而且可以构成双向通信系统。对于配电网，无线通信是一种广域通信手段，不需敷设线路，可以双工方式工作，各种无线通信系统都可采用。但在负荷较集中的区域，无线通信方式的信道容易拥挤。,二、专线 专线一般采用双绞线或音频电缆，架设在现有的电线杆上或敷设在电缆沟、地沟
21、中，其通信信道由电力部门专用。在配电网中，专线通信常采用一点对多点的通信方式，即所谓的“挂灯笼”方式，其中用户端设备、站端设备之间采用Polling方式进行通信。由于电缆共用，这种通信方式投资较少。 三、电信本地网 这种通信方式是利用电信通信网（市内电话网）组成配电通信系统，其特点是不需要投资建设专业通信网，开通费用低，但运行费用高。 四、传呼 利用商业传呼网的自动传呼服务，可实现从监控中心到RTU的单向通信。它实际上是一种将有线通信（共用电话网）和无线通信（自动传呼）相结合的通信方式。将传呼通信方式和拨号通信方式配合使用，可以解决配电网监控中拨号方式实时性较差的问题。,1）载波通信,（1）载
22、波通信的特点传统的高压线路载波技术是以实现长距离的两点通信为目标是一种点对点的传输方式，因此在线路两侧装有阻波器以防止区内信号泄露，同时也避免区外信号及噪声进入本区段。对于无断点的线路，例如变电站与变电站之间，采用载波通信，效果较好。对于配电网线路，由于线路多台配电变压器以及线路由于柱上开关的断点，还有配电线路本身存在的高噪声、阻抗变化大和衰耗大等因素，使载波通信在配电线路中使用受到了较大的影响。,3载波通信方式和光纤通信方式,（2）载波通信的组成应用,（2）载波通信的组成,图 “相一地”制高频通道的构成 1一输电线；2 高频阻波器；3耦合电容器；4 结合滤波器 5 放电间隙；6接地隔离开关；
23、7 高频电缆；8 高频收发信机,2）光纤通信 光纤是一种适合光波传输、损耗小、可弯曲的玻璃丝。SiO2材料 其结构包括纤芯、缓冲层和包层，它们都是玻璃的，外面还 有由涂复材料和塑料制成的涂层和保护层。纤芯和包层决定了光特性，所以纤芯采用高纯度材料，以避免杂质引起损耗；包层采用纯度稍差的材料，其折射率稍高于缓冲层，但低于纤芯。包层的作用是加大外直径，使光纤结实，能抵抗弯曲；缓冲层的作用是防止包层中的杂,光纤的结构,光纤的尺寸,描述光纤尺寸的参数有两个： 内芯直径和反射层直径，其度量单位都为 微米(m, 1m=110-6m)。最细的光纤其内芯直径通常只有510m， 粗一些的光纤其内芯直径为5010
24、0m。局域网中最常用的光纤是62.5m/125m的 光纤，其中62.5m是内芯直径，而125m 是反射层的直径。,光纤的类型,多模光纤(Multimode Fiber, MMF)光信号不止一种波长，典型的多模光纤尺寸为62.5m/125m单模光纤(Singlemode Fiber, SMF )光信息只有一种波长，典型的单模光纤尺寸为8m/125m,光纤的类型,光纤通信系统,配电自动化,光纤自愈环网,光端机,光端机,光端机,光端机,FTU,FTU,FTU,配电主站,A环,B环,F,配电自动化,光纤自愈环网,光端机,光端机,光端机,光端机,FTU,FTU,FTU,配电主站,A环,B环,F,A环,配
25、电自动化,多通道光端机,COM1,COM2,COM3,COM4,COM5,网管,A进,B出,B进,A出,多通道光端机示意图,单光纤环网应用,配电自动化,现场配置模式实例（架空系统）,（2）光纤通信的优缺点 优点：(1)传输频带很宽，通信容量大。(2)传输衰耗小，适合于长距离传输。(3)体积小，重量轻，可绕性强，敷设方便。(4)输入与输出间电隔离，不怕电磁干扰。(5)保密性好，无漏信号和串音干扰。(6)抗腐蚀，抗酸碱，且光缆可直埋地下。 缺点：（1)强度不如金属线。(2)连接比较困难。(3)分路和耦合不方便。(4)弯曲半径不宜太小。,(3)光线通信系统的组成通信容量大，中继距离长（在多模光纤中光信号可传输6km左右，在单模光纤中可传输30km左右）。特点是可靠性高，传输速率高，不受雷电、开关操作的影响，抗电磁等干扰的能力强，可作为语言、数据和图象的传输。因此光纤通信已经成为城市配电网通信的主要方式，也是当前较好的通信手段。,5 通信的硬件连接和应用实例分析,主站与子站的通讯,子站与终端之间的通讯,思考题：1 配电自动化通信系统的三层结构 2 配电自动化通信系统的传输方式 3 载波通信和光纤通信的原理 4 配电自动化通信系统的组成和作用 5 调幅、调频和调相通信的机理,
