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第第3 3章章 电力系统远动技术电力系统远动技术 3.1 3.1 信息传输基础信息传输基础 点与点之间建立的通信系统是通信的最基本点与点之间建立的通信系统是通信的最基本形式，其模型如下图所示形式，其模型如下图所示 。通信系统模型通信系统模型3.1.13.1.1模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信1 1、定义：、定义：v模拟通信一般指的是信源发出的、信宿接收的和模拟通信一般指的是信源发出的、信宿接收的和 信道传输的等都是模拟信号的通信过程或方式。信道传输的等都是模拟信号的通信过程或方式。v数字通信一般是指以数字信号的形式传输信号的数字通信一般是指以数字信号的形式传输信号的 系统。系统。2 2、数字通信具有的特点：、数字通信具有的特点：v 抗干扰能力强。抗干扰能力强。v 便于进行信号加工与处理。便于进行信号加工与处理。v 传输中出现的差错传输中出现的差错(误码误码)可以设法控制，提高可以设法控制，提高 了传输质量。了传输质量。v 数字信息易于加密且保密性强。数字信息易于加密且保密性强。v 能够传输语音、电视和数据等多种信息，增加能够传输语音、电视和数据等多种信息，增加 了通信系统的灵活性和通用性。了通信系统的灵活性和通用性。3.1.23.1.2数字通信传输方式数字通信传输方式 传输方式：并行传输，串行传输传输方式：并行传输，串行传输并行传输并行传输串行传输串行传输当然，根据不同的分类方法，还有其他传输类型：当然，根据不同的分类方法，还有其他传输类型：按通信对象数量的不同，可分为：点到点通信、点按通信对象数量的不同，可分为：点到点通信、点到多点通信和多点到多点通信。到多点通信和多点到多点通信。按信号传输的方向和传输时间的不同，可分为：单按信号传输的方向和传输时间的不同，可分为：单工方式、半双工方式和双工方式。工方式、半双工方式和双工方式。按通信终端的连接方式，可分为：直通方式和按通信终端的连接方式，可分为：直通方式和交换方式交换方式 （需交换机）。（需交换机）。按同步方式的不同，可分为：同步通信和异步按同步方式的不同，可分为：同步通信和异步通信。通信。3.1.33.1.3信息传输速率与码误率信息传输速率与码误率 1.1.信息传输速率信息传输速率 数字信号由码元组成，定义单位时间传输的码数字信号由码元组成，定义单位时间传输的码元数为码元速率元数为码元速率Rs，单位为码元，单位为码元s，又称波特，又称波特(baud)，简记为，简记为Bd，所以码元速率也称，所以码元速率也称波特率波特率。定义单位时间传输的信息量为信息速率定义单位时间传输的信息量为信息速率Rb，单，单位为位为bit/s（比特秒（比特秒)，所以信息速率又称，所以信息速率又称比特率比特率。码元可以是二进制的，也可以是多进制的，进制码元可以是二进制的，也可以是多进制的，进制不同的码元携带的信息量不同。一个二进制码元的不同的码元携带的信息量不同。一个二进制码元的信息量为信息量为1 1bit，一个，一个M进制码元的信息量为进制码元的信息量为 bit，所以码元速率，所以码元速率Rs和信息速率和信息速率Rb之间的关系为之间的关系为 如每秒钟传送如每秒钟传送24002400个码元，则码元速率为个码元，则码元速率为24002400baud采用二进制时，信息速率为采用二进制时，信息速率为24002400bit/s；若采用四进制时，信息速率为若采用四进制时，信息速率为48004800bit/s。或或2.2.误码率误码率误码率越小，通信质量越高。误码率越小，通信质量越高。数字信号在信道传输过程中，有可能发生错误，数字信号在信道传输过程中，有可能发生错误，即发生误码。误码的多少用误码率来衡量，一即发生误码。误码的多少用误码率来衡量，一般用般用 来表示：来表示：3.1.43.1.4异步传输和同步传输异步传输和同步传输1.1.异步通信异步通信异步通信数据传输格式异步通信数据传输格式优点优点：异步传输方式实质上仅是一个字符的较短：异步传输方式实质上仅是一个字符的较短时间内保持着收、发时序的同步，而在空闲时间时间内保持着收、发时序的同步，而在空闲时间内则可以是异步的。这样对两端时钟的精度和稳内则可以是异步的。这样对两端时钟的精度和稳定性要求较宽。定性要求较宽。缺点缺点：传输时每个字符都加了起始位和终止位，：传输时每个字符都加了起始位和终止位，使有效信息位降低了，因此通信效率也降低了。使有效信息位降低了，因此通信效率也降低了。2.2.同步通信同步通信 接收端的时钟严格保持与发送端一致，同步接收端的时钟严格保持与发送端一致，同步通信时一个数据帧中包含有如下几个部分通信时一个数据帧中包含有如下几个部分 ：同步字、控制字、数据字。同步字、控制字、数据字。同步通信数据传输格式同步通信数据传输格式 同步字为一帧开始的标志，是一种很特别的同步字为一帧开始的标志，是一种很特别的码元组合，通常选择在数据码中极少出现的码型。码元组合，通常选择在数据码中极少出现的码型。同步字后面是控制字，对本帧长度、发送地址、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。接着是数据字。目的地址、信息类别等加以说明。接着是数据字。3.2 3.2 电力系统远动通信系统简介电力系统远动通信系统简介3.2.13.2.1数字信号传输系统基本结构数字信号传输系统基本结构信源：信源：电网中的各种信息源，如电压、电流、功率、频率、开关信号等。电网中的各种信息源，如电压、电流、功率、频率、开关信号等。信源编码：信源编码：把各种信源转换成易于传输的数字信号。把各种信源转换成易于传输的数字信号。信道编码：信道编码：是为了保护所传输的信息，增加保护码元。是为了保护所传输的信息，增加保护码元。调制器：调制器：将输入的数字基带信号经过载波调制，变换为适合信道传输的将输入的数字基带信号经过载波调制，变换为适合信道传输的 频带信号的器件。频带信号的器件。信道：信道：传输信号的通道。根据传输介质的不同，可分为传输信号的通道。根据传输介质的不同，可分为 有线信道和无线信道。有线信道和无线信道。解调器：解调器：它是调制器的逆过程，用以恢复基带信号。它是调制器的逆过程，用以恢复基带信号。信道解码：信道解码：它是编码器的逆过程，除去保护码元，获得它是编码器的逆过程，除去保护码元，获得 发送侧的二进制数字序列。发送侧的二进制数字序列。信源解码：信源解码：它是将数字信号恢复到模拟信号的过程。它是将数字信号恢复到模拟信号的过程。信宿：信宿：信息的接收者，如显示器，模拟屏等。信息的接收者，如显示器，模拟屏等。3.2.23.2.2数字信号的调制与解调数字信号的调制与解调1 1、数字信号的调制、数字信号的调制数字调制过程数字调制过程：用数字基带信号控制载波（正弦：用数字基带信号控制载波（正弦波）的某一参量波）的某一参量幅度、频率或相位，使载波的幅度、频率或相位，使载波的幅度、频率或相位随数字基带信号的变化而变化。幅度、频率或相位随数字基带信号的变化而变化。调制：调制：将输入的数字基带信号经过载波调制，变换将输入的数字基带信号经过载波调制，变换为适合信道传输的频带信号。为适合信道传输的频带信号。下面讲一下数字信号的三种调制方式。下面讲一下数字信号的三种调制方式。用数字基带信号控制载波的幅度，称为振幅调制或用数字基带信号控制载波的幅度，称为振幅调制或振幅键控振幅键控(ASK)。用数字基带信号控制载波的频率，称为频率调制或用数字基带信号控制载波的频率，称为频率调制或频率键控频率键控(FSK)。用数字基带信号控制载波的相位，称为相位调制或用数字基带信号控制载波的相位，称为相位调制或相位键控相位键控(PSK)。2 2、数字信号的解调、数字信号的解调振幅键控非相干解调原理框图振幅键控非相干解调原理框图振幅键控非相干解调过程各点波形图振幅键控非相干解调过程各点波形图（1）频率键控非相干解调原理框图频率键控非相干解调原理框图频率键控非相干解调过程各点波形图频率键控非相干解调过程各点波形图（2 2）（3 3）相位键控相干解调过程各点波形图相位键控相干解调过程各点波形图相位键控相干解调原理框图相位键控相干解调原理框图 为了解决信号解调过程的反向工作问题，可采为了解决信号解调过程的反向工作问题，可采用相对移相键控用相对移相键控 (DPSK)方式。方式。二进制数字信息：二进制数字信息：1 1 0 1 0 0 1 1 1 01 1 0 1 0 0 1 1 1 0其对应的其对应的DPSK信号相位为：信号相位为：0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0或或 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3.2.33.2.3现场总线通信方式现场总线通信方式 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的控制网络。也被称为开放式、数字化、多点通信的控制网络。现现场场总总线线既既是是一一个个通通信信网网络络，又又是是一一种种全全分分布布控控制制系系统统。它它作作为为智智能能设设备备的的联联系系纽纽带带，把把挂挂接接在在总总线线上上、作作为为网网络络节节点点的的智智能能设设备备连连接接成成网网络络系系统统，并并进进一一步步构构成成自自动动比比系系统统，实实现现基基本本控控制制、补补偿偿计计算算、参参数数修修改改、报报警警、显显示示、监监控控和和优化等综合自动化功能。优化等综合自动化功能。现现场场总总线线的的现现场场仪仪表表所所采采用用的的双双向向数数字字通通信信方方式式，较较模模拟拟信号通信方式，具有以下优点：信号通信方式，具有以下优点：由由于于采采用用数数字字传传输输方方式式，可可以以实实现现高高精精度度的的信信息息处处理理，提高控制质量；提高控制质量；由由于于实实现现了了多多重重通通信信，除除了了可可以以传传送送过过程程变变量量、控控制制变变量之外，还传送大量的现场设备管理信息；量之外，还传送大量的现场设备管理信息；现现场场仪仪表表之之间间可可以以通通信信，实实现现了了现现场场仪仪表表的的自自律律分分散散控控制；制；由由于于现现场场总总线线仪仪表表具具有有互互操操作作性性，不不同同厂厂家家的的仪仪表表可可以以自由组合，为用户提供了更广泛的选择余地；自由组合，为用户提供了更广泛的选择余地；实现了测量仪表、电气仪表、分析仪表的综合化；实现了测量仪表、电气仪表、分析仪表的综合化；在在控控制制室室就就可可以以对对现现场场仪仪表表进进行行调调试试、校校验验、诊诊断断和和维维护护;一一根根双双绞绞线线可可连连接接多多台台设设备备,从从而而减减少少导导线线数数量量，降降低低配线成本。配线成本。目前几种有影响的现场总线有：基金会、目前几种有影响的现场总线有：基金会、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART等现场总等现场总线。线。不同的现场总线，具有不同的体系结构，分不同的现场总线，具有不同的体系结构，分为不同的层次，每个层次具有不同的具体含义。为不同的层次，每个层次具有不同的具体含义。如基金会现场总线定义了三个层次：如基金会现场总线定义了三个层次：(1)(1)物物理理层层 定定义义信信号号如如何何发发送送，其其从从上上层层接接收收编编码码信信息息并并在在现现场场总总线线传传输输媒媒体体上上将将其其转转换换成成物物理理信信号号，亦亦可可以以进进行行相相反的过程。反的过程。(2)(2)通通信信层层 定定义义设设备备间间网网络络如如何何被被共共享享和和调调度度，它它控控制制信信息息通通过过物物理理层层传传输输到到现现场场总总线线，同同时时通通过过链链接接活活动动调调度度器器(用用来来规规定定确确定定信信息息的的传传输输和和批批准准设设备备间间数数据据的的交交换换)连连接接到到现场总线。并且此层负责对用户层命令进行编码和解码。现场总线。并且此层负责对用户层命令进行编码和解码。(3)(3)用用户户层层 它它定定义义了了一一个个利利用用资资源源模模块块、转转换换模模块块、系系统统管管理理和和设设备备描描述述等等技技术术的的功功能能模模块块应应用用过过程程。其其中中如如资资源源模模块块定定义义了了整整个个应应用用过过程程(如如制制造造标标识识,设设备备类类型型等等)的的参参数数；功功能能模模块块浓浓缩缩了了控控制制功功能能(如如PIDPID控控制制器器，模模拟拟输输入入等等)；转转换模块表示温度、压力、流量等传感器的接口。换模块表示温度、压力、流量等传感器的接口。局域网局域网(Local Area Networks，LAN)是把多台是把多台小型、微型计算机以及外围设备用通信线路互连小型、微型计算机以及外围设备用通信线路互连起来，并按一定的网络通信协议实现通信的系统。起来，并按一定的网络通信协议实现通信的系统。3.2.43.2.4局域网信息传输局域网信息传输 相对于广域网，相对于广域网，LAN的基本特征有下列三方面：的基本特征有下列三方面：（1 1）覆覆盖盖的的地地理理范范围围可可以以在在一一幢幢大大楼楼或或一一个个建建筑筑群群里里，其其距距离离一一般般在在0.1km10km之之间间不不等等；从从技技术术上上来来说说，LAN现现已已可可延延伸伸到到城城域域网网(MAN)的范围。的范围。(2)(2)数数据据传传输输速速率率高高，如如10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s的的以以太太网网已已得得到到了了广广泛泛应应用用，正正在在推推出出10Gb/s的以太网。的以太网。（3 3）误码率很低，大致为）误码率很低，大致为1081010。局域网的典型拓扑结构有星局域网的典型拓扑结构有星(star)形、环形、环(ring)形、总线形、总线(bus)形和树形和树(tree)形等四种形等四种:以中央节点为中心，然后均以单独的链路使处以中央节点为中心，然后均以单独的链路使处理中心与其他工作站相连，这种形式又称集中式网理中心与其他工作站相连，这种形式又称集中式网络。络。1)1)星型拓扑结构星型拓扑结构 2)2)环形拓扑结构环形拓扑结构 各各个个收收发发器器接接成成环环形形，信信息息在在连连接接的的环环路路中中传传送送时时，必必须须穿穿过过接接于于环环路路中中各各个个节节点点的的通通信信控控制制处处理理机机，只只有有信信息息流流中中的的目目的的地地址址和和某某个个通通信信控控制制处处理理机机在在环环路路中中的的地地址址相相同同时时，信信息息才才被被接接收收。在在环环形形网网络络中中，接接于于环环路路中中的的任任何何模模块块都都可可以以请请求求发发送送信信息息，其其请请求求一一旦旦被被批批难难后后，即即可可向向环环路路发送信息。发送信息。3)3)总线型拓扑结构总线型拓扑结构 各个工作站均挂在一条总线上，各工作站地各个工作站均挂在一条总线上，各工作站地位平等，无中心控制节点。总线大多采用一根同位平等，无中心控制节点。总线大多采用一根同轴电缆、双绞线或扁平电缆，两端用终接器作阻轴电缆、双绞线或扁平电缆，两端用终接器作阻抗匹配，以防信号反射。抗匹配，以防信号反射。4)4)树形拓扑结构树形拓扑结构 是分级的集中控制式网络，结构就像树杈似是分级的集中控制式网络，结构就像树杈似的，在分布式的，在分布式LAN中较流行。中较流行。局域网广泛应用的典型传输介质有双绞线、局域网广泛应用的典型传输介质有双绞线、同轴电缆、光缆以及无线、微波和红外线等。同轴电缆、光缆以及无线、微波和红外线等。电力公司中应用电力公司中应用LAN主要从办公自动化主要从办公自动化(OA)和和工厂自动化工厂自动化(FA)两个方面展开。对于在两个方面展开。对于在OA中应用中应用LAN,大体分以下三个阶段：大体分以下三个阶段：(1)(1)第一阶段为起步阶段，供电公司中心所在地开第一阶段为起步阶段，供电公司中心所在地开始引入办公自动化，并采用局域网始引入办公自动化，并采用局域网LAN。(2)(2)第二阶段，规模开始扩大，逐步向公司本部以第二阶段，规模开始扩大，逐步向公司本部以外的调度中心、中等规模的调度管理所扩展，在这外的调度中心、中等规模的调度管理所扩展，在这些所里也开始设有副主机，终端机也进一步地扩大。些所里也开始设有副主机，终端机也进一步地扩大。(3)(3)第第三三阶阶段段，网网络络进进一一步步扩扩大大，包包括括一一些些中中小小规规模模的的调调度度中中心心在在内内，也也引引进进了了LAN，终终端端机机普普及到供电所和营业所一级。及到供电所和营业所一级。