《城轨监控技术》PPT课件.ppt

城市轨道交通监控技术,孟 军 134 0833 1861 mengjun_,Department of Electrical Engineering SouthWest Jiaotong University EMei 2010,11 微机监控系统概述 111 工业自动化与计算机 微型计算机的出现，加速了信息社会的进程，并由此而产生了种种令人神往的预测。 微电子技术影响较大的领域之一，是自动化技术工具的进步和完善。自动化技术工具的进步和完善促进了自动化技术的进一步发展，工厂（工业生产）自动化、农业自动化、办公室自动化、家庭自动化，即所谓“4A”，已成为国际上的热门话题。,工业过程控制是计算机的一个很重要的应用领域。工业控制机正是为满足这一特定的工业应用领域而发展起来的。它是现代化工业实现自动化不可缺少的工具。工业控制机是以电子计算机为核心的测量与控制系统。 工业测控系统通常是由包括传感器、过程输入输出设备、计算机以及执行机构等部分组成的。由系统对客观世界的各种工作状态进行实时数据采集、处理并对其实施控制，从而完成自动测控任务。 航空、航天、核能、电力、煤炭、石油、化工、冶金、机械、电子、交通、轻工、纺织等，都在努力实现这种测控自动化。,112 计算机与微机监控系统 凡有微型计算机参与生产过程的监视、监测和控制管理的系统都可叫做微机监控系统。 计算机参与生产过程控制有开环控制和闭环控制两类方式。 开环控制（离线控制）：计算机的计算结果仅作为指导生产的参考，生产过程的控制尚须由人工干预实施。 闭环控制（在线控制）：系统的输出量对控制作用有直接影响，计算机的计算结果，直接用来控制执行机构，生产过程的控制无需人工干预。,对于任何生产活动都应给以科学的管理，为此，首先必须及时掌握生产的实际情况，然后才能作出正确的判断，使生产过程尽可能维持在最佳状态。采集生产过程的实时数据进行监视和控制是科学管理生产的基础。 初级阶段：人工进行； 高级阶段：机器承担，按照人的意志自动完成。,现代生活中有许多的大型工业生产系统，比如电力系统、铁路系统等，组成大型工业生产系统的生产设备及生产部门多，且分散在相距甚远的广阔地区。为了保证系统的正常工作，构成系统的各部分必须在一个调度机构的统一指挥下协调工作。为此，调度机构要随时了解系统各部分在生产过程中的实际情况，并要此基础上作出对生产过程进行指挥的策略。为了使调试工作既满足实时性好，又保证可靠性高，于是便产生了远动，并要综合了自动控制理论、计算机技术和现代通信技术之后迅速发展起来。,微型计算机技术,通信及接口技术,智能控制技术,检测与转换技术,多媒体技术,and more ,微机远动技术,1.2 远动技术的概念 远动技术是对物体或各种过程进行远距离测量和控制的综合技术，称为远动(Telecontrol)技术，它具有在人和机器或机器与机器之间远距离交换信息的功能。,传统远动装置的主要功能为“四遥”遥控、遥调、遥测、遥信。 一、“四遥”功能的定义 1.遥控即远程命令(Telecommand):对被控对象进行远距离控制，即应用远和通信技术，使运行设备的运行状态产生变化。被控对象可以是固定的也可以是运动的。这种命令只取有限个离散值，通常只取两种状态命令，例如开关的“分”、“合”指令。 2.遥调即远程调节(Teleadjusting):对被控站某些设备的工作状态和参数的远距离调节，即对具有两个以上状态的运行设备进行控制的远程命令。例如在供电系统中遥调常用于有载调压变压器抽头的升、降调节和其它具有分级升降功能的场合。,3.遥测即远程测量(Telemetering):对被测对象的某些参数进行远距离测量，应用远程通信技术传输被测变量的值。如可以遥测牵引供电系统中变电所、分区亭中的有功和无功功率、电度、电压、电流等电气参数，及接触网故障点等非电气参数。又如在国民经济、科学研究和国防的许多部门，由于一些特殊原因，人们无法接近被测对象，就需要通过遥测来了解和监控被测对象的情况。采用遥测技术，可以提高各部门折自动化程度，改善劳动条件，提高劳动生产率和管理调度质量。 4.遥信即远程指示(Teleindication;Telesignalization):将被控站的设备状态信号远距离传送给调度端，即对诸如告警信号、开关位置这样的状态信号的远程监视。,主要任务：,集中控制,集中监视,正常状态下实现合理的系统远行 方式； 事故时，及时了解事故的发生和 范围，加快事故处理，提高安全 经济运行水平,实现无人化或少人化，提高运行 操作质量，改善劳动条件,监视控制和数据采集系统，简称为微机远动系统，即SCDAS系统(Supervisory Control and Data Acquisition System)。被控端称为远方终端，即RTU (Remote Terminal Unit) SCDAS除了完成常规的“四遥”功能外，还可以完成数据处理和管理功能，编制各种不同的图形、报表，提供复示终端，与其它系统联网等功能，提供操作人员的在线培训、防误操作以及辅助决策等功能。 城市轨道交通电力SCADA系统是远动系统的一个典型应用,1.3 远动技术的发展 20世纪30年代用于铁路远输系统 40年代用于电力系统。 我国的远动技术从20世纪50年代起步，50年代末在电力系统中使用。 60年代电气化铁道远动系统在我国开始研制，80年代才得到广泛应用。 远动系统经历了继电器、晶体管(分立元件)、集成电路和微机远动系统几个阶段，相应的远动系统也称为第一代、第二代、第三代和第四代远动系统。前三代称为布线逻辑远动系统，第四代即为微机远动系统。目前，广泛应用的电铁远动系统均为微机远动系统。,1.4计算机远动的基本组成 计算机远动系统的主要任务是对物体和各种过程实时进行远距离监控与调度，因此可以给出一个计算机远动系统组成的基本模式：,SCADA系统结构,Q1：工业测控系统通常由那几部分组成？如何完成自动测控任务？ 传感器、过程输入输出设备、计算机以及执行机构 对客观世界的各种工作状态进行实时数据采集、处理并对其实施控制，从而完成自动测控任务。 Q2：远动技术是对物体或各种过程进行远距离 和 的综合技术，具有在人和机器或机器与机器之间远距离 的功能。 Q3：四遥信息中属于数字量信息的是( )。 A. YX B. YC C. YT D. YK,测量,控制,交换信息,A、D,Q4： SCADA是指？ Supervisory Control And Data Acquisition 监视控制和数据采集 Q5：远动系统的主要任务？ 集中监视 集中控制 Q6：计算机远动的基本组成？,远动系统的分类 1.按远动功能的实现方式分： 布线逻辑式远动系统 计算机远动系统 2.按远动装置采用的元件是否有接点分： 有接点远动系统 无接点远动系统 3.按远动技术的信息传输方式分： 循环式远动系统 问答式远动系统,4.按远动装置的工作方式分： 1：1工作方式远动系统 (每个被控端对应一台调度端) 1：N工作方式远动系统 (调度端一台装置对应N台被控端) M：N工作方式远动系统 (调度端M台装置对应N台被控端) 5.按遥控、遥测系统传输指令和信息是利用无线信道还是有线信道分： 无线信道远动系统，常用的无线传输手段有无线电、红外线、激光、微波等。 有线信道远动系统，常用的有线传输手段有邮电载波、有线载波、同轴电缆、电力线、电话线载波、光纤等。,6.按被控对象是分散还是集中分： 分散式远动系统 集中型远动系统 此外还可根据被控对象是固定还是活动，是链式分布还是辐射分布分为固定目标或活动目标远动系统；链式或辐射式远动系统。,1.5 远动系统配置的基本模式 远动配置(Telecontrol configuration)是指主站与若干子站以及连接这些站的传输链路的组合体。 1.点对点配置(Point-to-Point Configuration)：主站与子站之间通过专用的传输链路相连接的一种配置。 2.多路点对点配置 (Multiple Point-to-Point Configuration)：主站通过各自链路与多个子站相连的一种配置，主站与各子站可同时交换数据。,3.多点星形配置(Multipoint-star Configuration)：主站与多个子站相连的一种配置。任何时刻只许一个子站向主站传输数据；主站可以选择一个或多个子站传输数据，也可向全部子站同时传输全局性报文。 4.多点共线配置(Multi-partyline Configuration)：主站通过一公共链路与多个子站相连的一种配置。任何时刻只许一个子站传输数据到主站；主站可以选择一个或多个子站传输数据，也可向全部子站同时传输全局性报文。 5.多点环型配置(Multipoint-ring Configuration)：所有站之间的通信链路形成环状，主站可以通过两条不同的路径与每一子站通信。,1.6 对计算机远动系统的要求(性能指标) 对任何一种远动系统而言，可以用远动系统的性能指标来衡量其优劣或作为设计选型的要求，一般来说有以下几个方面： 1.可靠性 远动设备中每个设备的可靠性一般用平均故障间隔时间(MTBF)即两次偶然故障的平均间隔时间来表示。而整个系统的可靠性通常可以用“可用率”来表示： 式中停用时间包括故障和维修时间。影响系统可用率的重要因素有：设备的质量、维护检修情况、环境条件、电源供电可靠性及其备用程度。,远动信息在传输过程中，会因为干扰出现差错。传输可靠性是用信息的差错率来表示的。 差错率包括误编比特率、误码率、误字节率，常用误码率表示。在通常情况下，差错率要求在信噪比大于15dB时，误码率小于10-5。 2.容量与功能 3.实时性强 4.数据准确,5.设计合理 6.可维护性好 7.信道混用 8.设备多样化 9.兼容性强 10.使用方便 11.抗干扰能力强,2.1调度端功能 调度端装设以微机为基础的主监控机，它监控所选定的远方终端装置(RTU)，远方终端由微处理器和接口电路等组装而成。这种计算机的远动装置具有体积小、可靠性高、易于扩展、价格比较便宜的特点。,1.数据收集 调度端收集各RTU发送来的数据，在终端上显示有关数据。 2.数据处理 对RTU送来的数据进行处理、运算、判断。 3.控制与调节 实现人机对话，形成命令与下发命令到RTU实现遥控操作。 4.人机联系 在调度端收集整理与处理RTU上送数据，显示有关数据，发送遥控、遥测命令校对命令。在人机联系的另一方面就是制表打印，定点打印负荷、电能、日、月运行报表，召唤打印，操作报表打印，异常及事故打印，画面拷贝等。,2.2 调度端的硬件结构 调度端远动设备是以单机或多机为基础的计算机系统，完成遥控命令的发送和遥测、遥信数据的接收、输出执行等功能。 目前主要用微机作为主机，另配上大屏幕彩色显示器、打印机、鼠标或光笔等外部设备构成。主机完成大量的数据处理、人机联系、画面曲线显示等工作。为减轻主机的负担，加快运算速度，满足实时控制的要求，系统一般还配置前置机，来承担远动信息的收集与处理(通信)。 集中式（单机、冗余） 分布式,调度端结构框图如下图所示。,新一代调度管理系统是分布式网络化系统，共享一套数据库管理系统,人机交互系统和分布式支撑环境.系统各网络功能节点可以集成在同一节点上,也可分散驻留于不同节点,配置灵活,每个单独的系统都可独立运行. 分布式SCADA系统调度端一般为局域网系统，其主要系统为数据服务器，WEB服务器，调度员工作站，维护工作站，通信前置机及打印机，模拟屏（大屏幕显示器）等外设组成,2.3 软件 软件从层次上来分，可分为三大类，即系统软件、支持软件和应用软件。 系统软件 由计算机公司提供，面向机器本身，其算法和功能不依赖于特定的用户。它的主要任务是使硬件所提供的能力可以得到充分的利用，支持用户的应用软件的运行并提供恰当的服务。 操作系统是微机最基本的系统软件，由它来管理内存分配，键盘操作，屏幕显示，驱动软盘，硬盘等外设。操作系统有一部分固化在主机内存中，大部分是在开机后，从软盘或硬盘调入内存。,支持软件 对于远动系统来说主要包括：数据库管理系统和监控图形生成系统，数据库管理系统包括建立数据库、修改数据、提取数据和存储数据。 应用软件 应用软件包括：数据收集软件、模拟屏接口软件、同后台机通信的软件、计算软件等。,1、客户/服务器(C/S)模式 2、分布式数据库结构分散到各个节点独立的数据处理能力通过网络可构成整体数据库,2.4 RTU的主要功能 1采集状态量信息 通过一些接口电路，把变电所的断路器、隔离开关的状态转变为二进制数据，存储在计算机的某个内存区。 2采集模拟量测量值 所谓采集，即把变电所的一些电流量、电压、功率等模拟量，通过互感器、变送器、AD转换器变成二进制数据，存储在计算机的某个内存区。 3与调度端进行通信 把采集到的各种数据，组成一帧一帧的报文送往调度端，并接收调度端送来的命令报文。通信规约一般有应答式(polling)、循环式(CDT) 等。RTU应具备通信速率的选择功能，还应有支持光端机、微波、载波、无线电台等信道通信转换功能。,4被测量越死区传送 每次采集到的模拟量与上一次采集到的模拟量(旧值)进行比较，若差值超过一定的限度(死区)，则送往调度端，否则，认为无变化，不传送。这可以大大地减少数据的传输量。 5事件顺序记录(SOE) 当某个开关状态发生变位后，记录下开关号，变位后的状态，以及变位的时刻。事件顺序记录有助于调度人员及时掌握被控对象发生事故时各开关和保护动作状况及动作时间，以区分事件顺序，作出运行对策和事故分析。时间分辨率是事件顺序记录的重要指标，分为RTU内与RTU之间两种。,(1)SOE的RTU内分辨率。 在同一RTU内，顺序发生一串事件后，两事件间能够辨认的最小时间称为SOE的站内分辨率。在调度自动化中，SOE的站内分辨率一般要求小于5ms，其大小由RTU的时钟精度及获取事件的方法决定。 (2)SOE的RTU之间分辨率。 SOE的RTU之间分辨率，即站间分辨率，是指各RTU之间顺序发生一串事件后，两事件间能够辨认的最小时间，它取决于系统时钟的误差和通道延时的误差、中央处理机的处理延时等，SOE的站间分辨率一般要求小于10ms，这是一项整个远动系统的性能要求指标。,6执行遥控命令 调度端发来遥控命令，RTU收到命令，确认无误后，即进行遥控操作，通过接口电路，执行机构，使某个或多个断路器或隔离开关进行“合”或“分”的操作。 7系统对时 RTU站间SOE分辨率是一项系统指标，因此它要求各RTU的时钟与调度中心的时钟严格同步。采用时钟同步的措施有以下两点：,(1)采用全球定位系统GPS。 该方法需要在各站点安装GPS接收机、天线、放大器，并通过标准RS-232口和RTU相连。 (2)采用软件对时。 CDT、DNP、Modbus等规约提供了软件对时手段，可采用软件对时。但由于受到通信速率的影响，需要采取修正措施。这种方法的优点是不需要增加硬件设备。,8自恢复和自检测功能 RTU作为远动系统的数据采集单元，必须保证不间断地完成和SCADA系统的通信，但RTU的工作环境恶劣，具有强大电磁干扰，运行中难免发生程序受干扰，或通信瞬时中断等异常情况，有时也会发生电源瞬时掉电，这都会造成RTU死机，而使系统无法收到该被控对象的信息。因此要求RTU在遇这些情况时，能在最短时间内自动恢复，重新从头开始运行程序，为了维护方便，通常要求RTU含有自检程序。,除以上功能外，RTU还应有以下功能： 1当地显示与参数整定输入在RTU上安装一个当地键盘和LED或LCD显示器，使得RTU的采集量在当地就可以显示到显示器上，也可通过键盘输入遥测量的转换系数和修改保护整定值等。 2.一发多收，有时一台RTU要向不同上级计算机发布信息，或通信规约不相同，需实现多规约转发。 3CRT显示与打印制表，要求RTU具有当地显示功能，并能将异常事故报告打印出来。,2.5 RTU的硬件构成 传统的远动装置是由晶体管或集成电路，通过逻辑设计构成的，称为布线逻辑远动(或硬件远动)。自从微型计算机应用于远动以来，远动的功能设计主要由软件的设计来实现，所以又称为软件远动。,2.1 概述,城市轨道交通电力监控系统主要是对城市轨道交通全线各类变配电所、接触网等电力设备运行情况进行分层分布远程实时监视和控制。 调度中心及时掌握各个变电站的运行情况，直接对设备进行操作，及时了解故障情况，处理供变配电系统的各种异常事故及报警事件，保障系统的正常运行， 提升供变配电系统调度、管理及维修的自动化程度，提高供电质量，并且还可做到与其他自动化系统互换数据，充分发挥整体优势，进行全系统的信息综合管理，保证系统安全、可靠地运行。,它对城轨供电系统主变电所、牵引变电所、降压变电所等不同类别变电所内的高压66110 KV设备、中压1035 KV设备、直流750 V或直流1500 V设备、低压400 V设备、交直流电源屏、排流柜、轨道电位限制装置等对象进行监控，实现对各种设备的控制、信息采集、数据分析处理、远方维护、统计报表、画面调阅、历史数据查询等功能。 典型的电力监控系统由四部分组成：位于控制中心的电力调度中心主站（即中央监控系统）、位于变电所的远程终端RTU、通信网络、位于供电维修基地的供电复示系统。,20世纪末，随着计算机技术和网络技术的快速发展，各个分立的自动化系统逐步走向综合集成，城市轨道交通各专业的自动化系统采用统一的计算机网络平台和统一的软件体系，构成综合监控系统，从而实现不同自动化系统的集成。 典型的综合监控系统有一般集成电力监控系统、环境与设备监控系统等自动化系统，这种方式有利于不同系统之间的数据信息互通、软硬件资源共享。 综合监控系统运行所依赖的底层基础依然是原先各分立系统的远程终端数据采集处理系统或设备。,电力监控系统集成于综合监控系统后，电力监控系统设计范围包括： 电力调度中心主站及供电复示系统的功能设计 变电所综合自动化系统的软硬件设计 电力调度中心主站系统、供电复示系统的硬件及软件则由综合监控系统统一建设。 双方的硬件接口一般位于变电所综合自动化系统与综合监控系统的通信连接装置的通信端子。,2.2 一般要求,1.电力监控系统在控制中心应该设有电力调度中心。 如果采用电力监控系统集成于综合自动化系统的建设模式，电力调度中心综合监控系统统一设计。 如果电力监控系统是独立建设模式，中心内须设置一套中央监控系统，采集各变电所的“四遥”信息，实现对全线供电系统的远程监控功能。 2.中央监控系统的构成方式应该保证系统运行的可靠性，系统中的关键设备，如系统服务器，前置数据处理机、交换机等进行冗余配置。系统计算机访问模式、网络配置形式等可根据当时技术条件选择适用于工程实际的方案。该要求适用于电力监控系统独立建设模式。 3.为了满足电力调度中心与变电所值班、维护人员的通信需求，在电力调度中心须设置电力调度电话总机，各变电所内设电力调度电话分机。主变电所根据当地电力部门的要求设与上级电力管理部门联系的调度电话。,4.电力监控系统的通信通道必须冗余配置，主、备用通信通道应支持手/自动切换功能。通信接口类型可以选择为串口或者以太网口等，但是其通信速率不得低于相关规范的要求。当电力监控系统独立建设时，此处通信通道指的是电力调度中心与变电所综合自动化系统之间的通道。 5.全线各变电所设置变电所综合自动化系统，各变电所综合自动化系统均可以脱离控制中心独立运行。 6.变电所综合自动化系统为分层、分散式结构。根据设备功能，自动化系统分为三层：间隔设备层、网络通信层、站级管理层。 7.如果变电所为无人值守的模式，且经济条件许可，在变电所主要设备房间内可设置闭路电视监控装置。在电力调度中心设置图像监视终端，以实现监视变电所内的情况。,8.电力监控系统软、硬件属于国内成熟产品，应该优先选用技术成熟、功能完善、性能优越、国内领先的产品。 9.电力监控系统设备选型应立足于国产化设备。 10.各级监控网络及系统设备应满足电磁兼容的各项标准和要求。 11.如果所建设的工程有远期规划，系统设计时应适度预留远期扩展裕量。,2.3 系统构成,1 采用分立系统建设模式时的系统构成 传统的分立电力监控系统由电力调度中心主站系统、通信通道、变电所综合自动化系统、供电复示系统四部分组成。,2 采用综合监控系统建设模式时的系统构成 在控制中心及车站集成了电力监控系统、环境与设备监控系统等系统，综合 监控系统为这些不 同的系统提供了一 个综合的信息平台， 这些系统的主要硬件、 软件均由综合监控系 统来统一构建，综合 监控系统实现各系统 在中心级和车站级的 系统功能。,2.4 监控对象,电力监控系统要实现遥控、遥测、遥信、遥调功能，应以监控对象为基础进行系统的构建。 在系统设计时，首先应该明确供电系统需要监控的具体范围和具体对象，然后根据这些对象的具体运行方式、控制模式等情况进行系统功能及软硬件设计。电力监控系统监控对象随不同地区外电源电网现状、不同类型供电系统建设形式而不同，监控对象需要按照供电系统的具体内容而定。 具体到某个工程时，应根据该工程的供电系统实际设计情况、当地电力调度部门的具体需求进行修改、补充，以满足电力调度的需求。,2.5 技术指标,系统技术指标是指系统建设完成后的应用性指标，此指标在系统建设时也作为系统招标的限制性内容，系统集成商的软硬件配置需要满足此指标的要求。 下面为工程设计时设计文件中应该包含的技术指标，这些指标也应该作为系统验收时的验证性指标，用来检测系统集成商所提供的产品是否为合格产品。 技术指标的具体数值根据各工程系统软硬件的复杂程度、系统规模的大小而有所不同。 工程设计时系统技术指标设定主要参考地铁设计规范（GB50157-2003）、城市轨道交通直流牵引供电系统（GB10411-2005）等规范和标准确定。 由于计算机与网络技术的不断发展，系统指标也应该结合当前的自动化系统技术水平确定。,2.6 中央监控系统,2.6.1中央监控系统功能 中央监控系统，即电力调度中心主站系统，简称电力调度中心，其功能主要有控制、数据采集处理、显示、报警、查询等。 1.控制及操作功能 2.数据采集与处理功能 3.显示功能 4.报警功能 5.系统权限管理功能 6.历史数据备份与复原,2.6.2 中央监控系统网络配置方案 在系统设计时根据工程需要、技术发展、经济条件等可以选择不同的配置方案。 目前城市轨道交通工程中，系统网络配置的基本方案主要有以下三种类型： 1.双冗余网络配置 双冗余网络配置方案需要设两套并列运行的以太网交换机，它们可以按照主备方式运行，也可以同时运行。该方案系统运行可靠性高，相应的建设投资也高，适用于建设标准较高的工程。网络配如图2-3所示。,1.双冗余网络配置 双冗余网络配置方案需要设两套并列运行的以太网交换机，它们可以按照主备方式运行，也可以同时运行。该方案系统运行可靠性高，相应的建设投资也高，适用于建设标准较高的工程。,2.单网配置 单网配置方案设一套以太网交换机，如果交换机出现故障，则整个系统将无法运行。该方案运行可靠性低，但相应的建设投资也低，适用于建设标准较低的工程。,3.数据采集网与应用网分别配置 此方案将数据采集网与应用网分开设置，采集网专用于控制中心与各变电所之间的数据交换，应用网用于控制中心内服务器、工作站之间的通信。该方案可以减少数据采集过程对应用网的影响，适用于控制中心与变电所采用点对点方式通信的工程，也适用于数据采集量较大，而控制中心服务器等设备配置等级又较低的工程。同时，因该方案系统运行可靠性低，设备硬件配置要求相对较低，相应建设投资较低，因而适用于建设标准较低的工程。,2.6.3 中央监控系统硬件配置方案 1.局域网络设备 控制中心局域网结构根据4.2节内容选择交换机配置数量。交换机接口的数量根据工程实际情况选择，并预留一定数量端口。交换机应尽量选择标准配置。 选择端口类型时，需要考虑系统与通信网络的接口距离，如果双方接口距离较大（超过100米），应选择光接口，避免增加单独的光电转换装置。 2.系统服务器 控制中心设冗余高端服务器作为全县信息中心，可将全线各车站和车辆段的必要信息汇集到实时数据库中，支持个工作站的监管功能，支持全线SCADA功能。 服务器的数量可以根据工程投资条件及可靠性要求选择单台或双台，如果采用双台服务器，则双台服务器形成双机热备用。两台服务器内存储的数据进行定时校对，以保证系统数据的一致。 根据工程对历史数据的存储要求及工程投资条件，控制中心可以由系统服务器兼作历史服务器，也可以配置专用的历史服务器，用于历史数据存储。,3.维护工作站、调度员工作站等 控制中心应配置维护工作站，负责全线计算机设备的组态、维护管理，支持系统维护工程师功能。设调度员工作站，实现电力调度员操作功能。视用户要求及工程投资条件可设模拟培训工作站、网管工作站等，以实现员工的模拟培训，并对全线网络进行管理，做到性能管理、配置管理和故障管理。 另外，如果与其他系统存在数据接口，宜设接口工作站，并采取软件或硬件网络隔离措施没，保证系统的安全。 4.打印机 按照电力调度及系统维护的需求，控制中心至少需要配置两台打印机。 打印机可以配置为网络打印机或者普通打印机。网络打印机可以直接与网络内各工作站连接，普通打印机需要通过某台工作站实现打印机共享。,2.7城市轨道交通变电站综合自动化系统,变电所综合自动化系统是建立在现代计算机技术、数据通讯技术、数字信号处理(DSP)等技术基础上发展起来的，它综合了变电所内全部二次设备功能。它以微机保护和计算机监控系统为主体，加上变电所其他智能设备构成功能综合的变电所综合自动化系统。 根据系统设计思想以及安装的物理位置不同，综合自动化系统的组态模式可以分为很多种类，且每一种类又因变电所实际情况不同而有所差异。从系统设计思想上划分有集中式、分布式和分层分布式；从安装物理位置上划分有集中组屏、分层组屏和分散在一次设备间隔安装等形式。,集中式：集中式的综合自动化系统是按功能划分的模式。系统功能模块与硬件无关。各功能模块用模块化软件连接来实现，并且集中采集信息，集中处理运算。但是对计算机的性能要求高，存在着系统可扩性及可维护性较差，难以应用DSP技术等缺点。因此，这种模式除了在早期综合自动化系统中应用外，目前已基本被新的模式所替代。 分布式：分布式组态模式一般按功能设计，采用主从CPU协同工作方式，各功能模块（通常是多个CPU）之间采用网络技术或串行方式实现数据通信，多CPU系统提高了处理并行多发事件的能力，解决了CPU运算处理的瓶颈问题。另外，可以选用具有优先级的网络系统解决数据传输瓶颈问题，提高系统实时性。分布式结构方便系统扩展和维护，局部故障不影响其他模块正常运行。,分层分布式：分层分布式系统从逻辑上将变电所自动化系统划分为两层，即变电所层（所级测控主单元）和间隔层（间隔单元）。 它是采用“面对对象”即面向电气一次回路或电气间隔的方法进行设计的。间隔层各数据采集、控制单元和保护单元就地分散安装在开关柜上或其他一次设备附近，各个单元的设备互相独立，仅通过通信网互联，并同所级测控主单元通信。 通常，能在间隔层完成的功能一般不依赖通信网络，如保护功能本身不依赖于通信网。通信网的通信可以是光缆或双绞线等，该组态模式集中了分布式的全部优点。此外，还最大限度地压缩了二次备及其繁杂的二次电缆，节省了土建投资。系统本身配置灵活，从安装配置上除了能分散安装在间隔层开关柜上以外，还可能实现在控制室内集中组屏或分层组屏，即可以一部分集中在控制室内，另一部分集中在低压开关室内分别组屏等。系统具有很好的可扩展性和可维护性。,2.7.1 变电站综合自动化系统功能 变电所综合自动化系统的功能，主要包括控制及操作功能、数据采集与处理功能、显示功能、报警功能、系统权限管理功能、中文显示及处理能力、系统容错能力及自诊断功能、冗余设备自动切换功能、系统自检、时钟同步、便携式维护计算机通信功能以及智能设备接口功能。 下面功能是各类变电所综合自动化系统一般功能综述。其中控制与操作功能、数据采集与处理功能、系统权限管理功能同中央监控系统类似。,2.7.2 变电所综合自动化系统的配置方案 变电所综合自动化系统的配置方案主要从以下三个方面考虑： 1.从系统整体可靠性要求出发，选择配置所内双网或者单网、监控单元是否冗余配置。 2.从运营值班的需求出发，选择变电所内是否配置人机界面设备。 3.若变电所为车站外独立变电所或者箱式变电所，该变电所的综合自动化系统需要综合考虑接入变电所内的门禁信号和火灾报警信号。,以下介绍常见三种配置方案，具体配置需要结合工程实际进行设计。 方案一：配置双冗余监控单元、单台以太网交换机、单套工作站,方案二：配置双冗余监控单元、不设置工作站,方案三：配置单台监控单元、不设置工作站,2.7.3 变电所综合自动化系统硬件配置 变电所综合自动化系统设备采用组屏安装，综控屏的数量根据系统配置方案确定。屏内安装监控单元、局域网设备等；屏上设有音响报警装置，具有事故、预告两种音响。 1.局域网络设备 所内通信网采用适合于城市轨道交通使用环境的抗干扰性强、阻燃、铠装通信介质，优先选用屏蔽5类线。网络连接设备宜选用工业级产品。 2.操作员站 操作员站设置于有人值守的变电所，可以采用组屏安装方式，也可以根据工程需要单独放置在专用值班室内。操作员站应采用工业级PC。 3.监控单元 监控单元用于实现各种类型子监控单元规约的转换，应支持与CANbus、Lonworks、Profibus等多种现场总线的借口，支持RS-232、RS-422或RS-485等标准接口。 4.便携式计算机 变电所综合自动化系统应该配置便携式计算机，计算机内安装调试软件，用于现场调试。,5.系统电源及接地 变电所综合自动化系统的电源有以下两种方案： 方案一：由变电所内的交直流屏提供不间断交流、直流电源。 方案二：由变电所内的交直流屏提供交流电源，变电所综合自动化系统配置UPS为系统提供不间断电源。 这两种方案都可以满足系统的电源要求，但是方案一可以实现不同系统之间的资源共享，也简化了设备的维护管理。因此，在工程有条件的情况下优选方案一作为系统电源方案。 变电所综合自动化系统一般为悬浮地系统，不存在工作接地。系统安全接地及通信电源屏蔽层接地均可通过与变电所控制室内综控屏内接地母排连接实现。综控屏内接地母排与外引综合接地网实现可靠的电气接地。,4-1 数据传输系统的构成 数据传输的目的就是为了传送数字信息(单向或双向)，因此一个数据传输系统的组成如下：,解调器,信道译码,信源译码,终 端,噪 声,信息源,信源编码,信道编码,调制器,信 道,信息源简称信源。发信者可能是人，也可能是机器或设备，所发送的消息形式不同，概括为信源。,信源编码器把信源送出的消息(信号)变换为数字的编码信号。提高数字信号的有效性，解除信号之间的内在联系，以压缩传输原始消息所需的数据速率。,信道编码器又称抗干扰编码器。它是把信源编码器的输出码序列人为地按一定规则加入多余码元，以便在接收端发现错误或纠正错误，降低差错概率，提高正确识别信号的能力，从而提高通信的可靠性。,调制器是把信道编码器输出的数字信号变为适合于信道传输的信号。,解调器的作用与调制器相反，它把接收到的波形转换成数字码序列。,信道译码器的作用与信道编码器相反，通过译码过程可以发现或纠正信号传输过程中产生的差错。,信源译码器的作用与信源编码器相反，它具有量化、译码和滤波三种功能，恢复原来的模拟信号。,终端设备可以是人或机器、设备。,4-2 信息量及数字信号传输要求 远动是解决如何实现远距离传送消息的技术。例如，遥测、遥信中的数据是消息；遥控、遥调中的命令也是消息。 要传送的“消息”，对收信者来说是“不确定”的。消息的这种不确定性可用“信息量”来表示。 一个事件发生的概率越小，它的信息量就越大。当该事件分成若干个独立事件时，该事件的总信息量应是各个单独的信息量之和。消息的信息量可按下式计算： 式中：P事件发生的概率 I该事件发生时得的信息量。,若取2为底，信息量的单位是bit(比特)。 本节只讨论各种事件都是等概率出现的情况。最简单事件或消息只有两种状态，所含的信息量的计算公式为： 在工程中，这就意味着最简单的具有两种状态的消息可用一位二进制符号来表示。 如果一个消息有2n个状态，它就有n比特的信息量，可用n位二进制符号表示。比特就可用二进制符号的“位”概率来解释。,一个消息如果用一位N进制符号表示，那么它的信息量就是： I=log2N (bit) 消息的信息量相当于被运送货物的“重量”，传送信息的多少就直观地使用“信息量”去衡量。 消息传送的速度可用信息(或码元)传送的速度来表示。 信息传输速率又称信息速率或传信率，它被定义为每秒传送的信息量，单位是bit/s。 在离散系统中，一个码元是一个N进制符号。消息传送速度可用码元传输速度来表征。 码元传输速率，又称码元速率或传码率，定义为每秒钟传送的码元数目，单位是Bd(波特)。,一般一个N进制码元可用log2N(整数)个二进制码元表示。设二进制码元速率为R2，N进制码元速率为RN，则有如下转换公式： R2=RNlog2N (Bd) 在二进制下的码元速率与信息速率在数值上相等。设信息速率为Rb，则有下列数值关系： Rb=RNlog2N (bit/s),对数字信号的传输要求，可以从数量和质量两个方面提出要求。在数量方面可用传速率来衡量传输的有效性；而在质量方面，可用错误率来衡量传输的可靠性。 传输错误率则可有以下三种表达方式： (1)误码率(Pe)： (2)误比特率(Pb)：,对二进制信号而言，误比特率和误码率是相同的。 (3)误字率(Pw) 可靠性(或错误率)与信息传输速率有关。传输速率越高，即每秒内传送的二进制码元越多，则每个码元所占用的时间就越短，波形也越窄，能量亦越少，因而受到干扰后错误的可能性就越大，传送信息的可靠性就越低。反之，传输速率慢，则可靠性就高。 在一定传输速率下，降低误码率的方法可归纳为两类: 选择适用的调制制度和调解方法； 采用抗干扰编码。,4-3 错误图样及差错控制方式 数据在信道中传输时要受到各种干扰，但各种干扰所引起的错误都可归纳为以下两种形式： 随机错误：数据序列中前后码元之间是否发生错误彼此无关，产生这种错误的信道称为无记忆信道或随机信道，例如深空信道、卫星信道等。 突发错误：错误的出现具有突发性，即一个错误的出现往往影响后面一串数据，也即错误之间有相关性。发生这种突发错误的信道称为记忆信道或突发信道,发送序列：00000000001111111111 接收序列：01100100001010100111 差错序列：01100100000101011000 突发长度b：该突发错误中第一个错误到最后一个错误的长度。由发送的数据序列与接收到的数据序列对应进行模2加法运算就可得到差错序列，在差错序列中就可得到错误图样。 差错序列和错误图样中的0表示该位没有发生错误，1表示该位发生了错误。 由于实际信道的复杂性，所呈现出的错误往往不是单一的，而且随机和突发错误并存在这种信道称为组合信道或复合信道。,对随机信道来说，差错序列中1的分布是随机的，而对突发信道来说，1的分布是密集的。为了从数学上描述差错序列的这种0、1分布规律，并由此得到估计各种差错控制系统的性能所需的资料，就提出了用数学模型来描述差错序列，这就是信道模型。 为了发现在传输过程中出现的差错并加以纠正，并从整体出发应该考虑如何控制出现的差错，称为差错控制方式。,差错控制方式可以分成下图所示的四种基本类型。在图中深色方框表示在该端检查出差错。,1前向纠错(FEC) 前向纠错方式FEC (Forward Error Correction)是在发送端将数据信息按一定的规则附加多余码元，组成纠错码。接收端收到码后，按预先规定的规则进行译码，首先判断接收码组中是否发生过错误，若有错误则确定错误的位置并把它纠正。 优点：不需要反馈信道，能用于单向通信，适用于一点发送多点接收的同播系统，译码迟延固定，适用于实时系统。 缺点：译码设备比较复杂，所用纠错码必须与信道的差错统计特性相一致，为了纠正较多的错误要求附加的冗余码元较多，可达25一50，因而传输效率较低，当信道中产生的错误超过码的纠错能力时，就有可能把错误的数据送给用户(即发生错译)。,2自动回询重传(ARQ) 这种方式又可称为检错重传、判决反馈或反馈纠错，记作ARQ (Automatic Repeat Request)。发送端发送检错码，接收端检查出差错后，经由反向信道要求发送端重发的一种差错控制方式。 优点：只需少量的冗余码元(520)就能获得极低的输出误码率，并且所使用的检错码基本上与信道的差错统计特性无关，自适应能力较强，译码器比较简单，成本较低。 缺点：必须有反馈信道，不能用于单向传输系统及同播系统，实现控制比较复杂，当信道干扰大时通信效率会大大降低，因而影响实时性。,3混合差错控制方式(HEC) 如果将FEC和ARQ适当结合起来，就能克服各自的缺点，这就是混合差错控制方式，也称混合纠错方式HEC (Hybrid Error Correction)。HEC系统是在ARQ系统中包含一个FEC系统，发送端同时具有纠错和检错能力的码组，接收端收到码组后，如果差错在码的纠错能力以内，则自动地进行纠正，如果信道的干扰很严重，错误超过了码的纠错能力，但尚能检测出来，则经反馈信道请求发送端重发该组数据。这样可以使整个系统具有较高的可靠性和较高的信息通过量。,4信息反馈(IRQ) 也就是信息重传请求IRQ (Information Repeat Request)，将接收到的数据原封不动地通过反馈信道送回到发送端。发送端把反馈回来的数据与发送出去的数据进行比较，如不一致就重发该组数据，直到没有发现错误为止。 优点：不需要纠错、检错译码器，控制设备和检错设备都比较简单。 缺点：要有和前向信道完全相同的反馈信道，在发送端需要有一定容量的存储器存储发送码组以备比较。,44 抗干扰编码的基本概念及理论 441 数字远动系统模型 抗干扰编码亦称信道编码或检纠错编码。远动信号从发送端经信道传送到接收端，由于在信道中不可避免地存在着干扰和噪声，这就有可能在接收时产生差错。 数字式远动系统的主要任务是快速准确地传递消息。从通信观点我们把它看成下图所示的模型。,接收设备,噪 声,信源,信源编 码 器,抗干扰 编码器,信道,抗干扰 译码器,信源编 码 器,S,M,C,R,M,S,信源编码器是将各种形式的信源，经变送器、DAC电路或其他各种编码电路变成离散的代码，即信源编码器把S变换为由k个信息元组成的二进制信息序列M。序列中的每一位“0”或“1”称为一位码元。 对信源编码的要求有两点：一是使代表信源S的码元数的个数尽量少；二是要能从信息序列M重现原来的信源S。故信源编码又称有效性编码。 抗干扰编码器的作用是根据一定的原则，将k个信息元组成的信息序列M变成k+r个码元组成的二进制数字序列C，C称为码字。抗干扰编码的目的是提高信息序列M的抗干扰能力，使之能应付信息中的干扰。,任何远动系统中，干扰是永远存在的，不同的信道有不同的干扰源。 信道是包括调制器、实际通信线以及调解器在内的广义信道。码字C调制后在传输过程中可能受到干扰和噪声的影响，解调器对每个接收到的码元进行判决，其输出的数字信号R可能与发送码字C不一致，这时就产生了传输差错。,抗干扰译码器完成以下两项任务： (1)设法检查并纠正R中的传输错误，产生真正发送码子C的估值。 (2)变换C为信道序列M的估值M。 信源译码器根据信源编码规则，变M为原信源输出S的估值S，并送至用户使用。 设计良好的抗干扰编码器-译码器对，是提高信息传输可靠性的关键。要求： (1)编出的码字能尽快地在噪声信道上传输，即提高传输率。 (2)在传输率一定的条件下，使错误概率尽量小。也就是使码字的抗干扰能力强。,在表示信息的数字信号中，按一定规则附加一些不含信息的多余码元，以便能发现或纠正信号在传输过程中产生的错误。 表示信息的k个码元，称这个k个码元为信息元， 按照一定规则附加的r个不含有信息的码元称为监督元，n=k+r个码元组成的数字序列共有2n种可能的组合。这些组合称之为组。 采用其中k个信息位组成2k个组，称为许用码组，简称码字。剩下的(2n - 2k)个不被采用，称为禁用码组。 由信息元变换为码字的过程称为抗干扰编码。,具有一定检测错误或纠正错误能力的码，统称为抗干扰码。 分类： 检错码；纠错码。 线性码；非线性码。 分组码；卷积码。 循环码；非循环码。,442 抗干扰编码的基本原理 现用一种按重复规则编成的线性分组码作为例子，进一步说明抗干扰编码的基本原理及一些重要概念。 一个(n，k)码的抗干扰能力取决于两个码字之间对应码元不同的个数。 任何两个码字之间对应位取值不同的个数，称为两个码字之间的“汉明距离”，简称距离，用d表示。 一般情况(n，k)码可有2k个不同码字，其中任意二个码字之间距离的最小值，称为该(n，k)码的最小距离d0，它是衡量码的一个重要参数。 最小距离越大，2k个码字之间的差别越大，某一个码字因干扰而畸变成另一个码字的可能性越小，即该(n，k)码的抗干扰性越强。,结论： (1)若只要求一个(n，k)码能发现e个错误，则要求： d0 e+1 (2)若只要求一个(n，k)码能纠正t个错误，则要求： d0 2t+1 (3)若要求一个(n，k)码发现e个错误，并能纠正t个错误，则要求： d0 t+e+1,检错码和纠错码之间没有界限，只是根据d0大小具体运用不同而已。 一个码字中信息元所占的比重称为编码效率。码率为R=k/n。 R的大小表示信道中信息元的利用率的大小，故又称R为传信率。R越大，码率越高，传信率也越高，它是衡量码字性能的一个重要参数。 一个码字的重量就是该码字中非零元素的数目，用W表示，在二进制下就是“1”的数目。一般情况下，若码字C=(cn-1,cn-2,c1,c0),则码字的重量为： 式中ci为码字中任一码元。,由于线性码中任意两个码字之和为另一个码字，故任意两个码字之间的最小距离必为另一码字的最小重量，故线性码的最小距离等于码的最小重量。 编码的要求主要是可靠、有效和简便。 可靠：应该能检测或纠正最可能出现的那些错误类型。 有效：要在保证可靠的前提下，所加的监督位数要少，即编码率R要高。 简便：实现编译码的设备和方法应力求简便。,4-5 常用检错码 1.奇偶监督码 若构成一个(n,n-1)码，则有k=n-1个信息元为cn-1,cn-2,c1，r=1个监督元为c0，当偶数监督时，它们之间的关系为： cn-