（电力系统及其自动化专业论文）配电自动化系统通信容量优化设计的技术.pdf

分析，进一步推导出了性能参数的计算方法。分析了配电自动化通信系统优化 设计的其他约束条件。 在上述基础上，针对一个通道结构已经确定的实际系统，应用前述目标函 数进行了最优化的容量设计，并计算了各个性能参数，在此基础上对所设计的 系统容量进行了评价。最后得出结论，这种方法在实际应用中有比较大的实用 价值。 综上所述，本文以研究配电自动化通信系统的模型为基础，以最佳性价比 为原则，提出了配电自动化通信系统容量设计的目标函数。引入了表征系统性 能的各项参数，针对一个实际的系统，求解出了系统容量，并对其性能进行了 评价。得出结论，本文提出的方法有一定的实用价值。 关键字：配电自动化通信容量通信网络优化设计 d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e mt r a n s m i s s i o n c a p a c i t yo p t i m i z ed e s i g nt e c h n o l o g y m a j o r ：e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m a n di t sa u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t e ：c h e n s h ia d v i s o t ：r u a ns h uh u a e c o n o m ya n de l e c t r i cp o w e rd e v e l o p i n gv e r yf a s t ，i n d u s t r yl o a da n d e i v i ll o a dr i s i n gv e r yf a s tt o o d i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n dd i s t r i b u t i o n f a c i i i t i e si n c r e a s er a p i d l y c o n s u m e r sr e q u i r et op o w e r s u p p l y s t e l i a b i l i t ya n dq u a l i t y i s h i g hn o w t e c h n o l o g y o fd i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o ni s v e r yi m p o r t a n tt od e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k a u t o m a t i o n b a s eo fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ni sd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s c a d a t h e k e yt e c h n i q u e o fs c a 溅i st r a n s m i s s i o na u t o m a t i o n o f d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e m t h ec a p a c i t yd e s i g no ft r a n s m i s s i o n s y s t e mi sac o m p l e xp r o b l e m i tn e e dm e e td e m a n do fr e s t r i c tc o n d i t i o n a o p t i m i z a t i o nc a p a c i t y d e s i g n i sn o t o n l y m e e t s y s t e m r e a l t i m e d e m a n d ，b u ta l s oe c o n o m i z ec a p i t a lf u r t h e s t p u r p o s eo ft h ea r t i c l e i sd i s c u s s e dd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n s y s t e mt r a n s m i s s i o nc a p a c i t y o p t i m i z ed e s i g nt e c h n o l o g y f i r s t ，o nt h eb a s e o ft h e o r yo fd i s t r i b u t i o n n e t w o r k ，c o m b i n g c h a r a c t e r i s t i co ft r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n a l y z e dd a t a c o n s t r u c t i o n ，m o d e l o f d a t ag e n e r a t i o n ，m o d e lo fd a t at r a n s m i s s i o n 。d a t ac o n s t r u e t i o n i n c l u d er e m o t es i g nd a t a ，r e m o t em e a s u r ed a t a ，r e m o t ec o n t r o ld a t a d a t a g e n e r a t i o no ff t ui sc o m p l e xp r o c e s s t h o u g ha n a l y z e dg e n e r a t i o nd a t a i n v a l i d a t i o nd a t a ，r e a l i t yt r a n s m i s s i o nd a t a ，b u i l du pd a t ag e n e r a t i o n m o d e l d a t at r a n s m i s s i o ni n c l u d em e a s u r ed a t at r a n s m i s s i o n ，c o n t r o ld a t a t r a n s m i s s i o n ，i n c i d e n td a t at r a n s m i s s i o n 。t h e nt h ea r t i c l ep u t t i n go u t d a t at r a n s m is s i o nm o d e l c o m b i n i n g d e m a n do fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e m r e a l t i m ea n ds a v i n gm o n e y ，i np r i n c i p l eo fo p t i m i z a t i o n ，p u t t i n go u t t a r g e tf u n c t i o n a n a l y z i n gt h et a r g e tf u n c t i o n ，d e d u c e do u tt w of o r m s o ft a r g e tf u n c t i o n i no r d e rt oe v a l u a t es y s t e mc a p a c i t y ，p u t t i n go u t s y s t e me f f i c i e n c y ，u p d a t ec y c l eo fm e a s u r ed a t a ，i n c i d e n tt r a n s m i s s i o n d e l a y a n a l y z e de a c hp a r a m e t e r s d e d u c e do u tc a l c u l a t i o nf o r m u l ao fe a c h p a r a m e t e r s a n a l y z e d o t h e rr e s t r i c tc o n d i t i o no fd i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o ns y s t e mt r a n s m i s s i o nc a p a c i t yo p t i m i z ed e s i g n o nt h eb a s eo fa b o v e ，a i m i n ga tap r a c t i c es y s t e m ，a p p l y i n gt a r g e t f u n c t i o n ，o p t i m i z ed e s i g nc a p a c i t y c a l c u l a t e d e a c h p e r f o r m a n e e p a r a m e t e r s ，e v a l u a t e ds y s t e mc a p a c i t y a tl a s t ，c o n c l u d e dt h a tt h e m e t h o dh a v eg r e a tv a l u ei np r a c t i c e t h ea r t i c l ea r eo nt h eb a s eo fa n a l y z e dm o d e lo fd i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，i np r i n c i p l eo fo p t i m i z a t i o n ，p u to u t t a r g e tf u n c t i o no fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e mc a p a c i t y d e s i g n 。d e d u c e do u te a c hp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，a i m i n ga tap r a c t i c e s y s t e m ，c a l c u l a t e do u ts y s t e mc a p a c i t y ，e v a l u a t e ds y s t e mp e r f o r m a n c e c o n c l u d e dt h a tt h em e t h o dh a v eg r e a tv a l u ei np r a c t i c e i n d e xt e r m s ：d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n t r a n s m i s s i o nc a p a c i t y t r a n s m i s s i o nn e t w o r k o p t i m i z a t i o nd e s i g n 篓篓查兰垦生兰墼笙塞! ! 塑i 一一一 第一辈绪论 1 1 研究目的和意义 电力工业飞遵发展，原有的配电设施已经不能满足用电负荷的快速增长， 加快基础设莲建设成为促进经济发展的必出之路，城乡魄网建设与改造无疑是 基础设施建设的一个重骚的方面。当前，全国各嫩的城多电网改造建设，随着 建设资金黢陆续列往委全瑟最开，毫力工 餐誊应该甥实援住这个难褥戆捉逞， 把配电网建设好，使有限的资金发挥最大效益，为迎接我国新的经济腾飞促进 电力市场发展奠定坚实基础 | j 。 当前，我国媳力工业的发展速度，已出过去主要取决于投资规模逐步转变 为由市场需求来决定，电力市场由卖方市场向买方市场转变已觅雏形。以往我 国发瞧配魄投资魄缀低，大大落最予先进国家，这转状援，垮会褥到较抉静泼 善。此外，随着我国电力法的颁布，广大用户不仅要求肖电用，而且矮求供电 安全可靠、宅能溪量餐会质量檬准。各供奄萄纷纷对蠲户俸崮脊关供瞧震萋翻 供电可靠性的各种承诺，并且多方西筹资进行城网改造和配电自动化建设。送 就怒以说明广大配电市场驱动的力度，更不用说众多经济开发区对供电安全和 质爨所提如的更糍的要袋了 4 8 j 。 随着社会经济的发展和人民生活水平的不断掇高，对电力的需求髓和电力 可靠性静要求越- 袋越裹。琵毫羽懿不薮发矮，慰城嚣配魄溺瑗我健毽麓要褥鬟 要。实现返个目标有两方面：一是改造配电网结构，在开关站安装远动装鼹 r t u ，益控开关菇鹣运行状态载运方搽作，舞现配亳鼯登耱及鑫动佬：二是采稽 地理管理倍息系统实现基于i n t r a n e t 和浏览器的计算机傣息联网，不断提高配 电网管理的现代化水平。配电系统需要拥有有效的通信网来传递主撩中心至大 量开关站遮动装鼹之闽粒控铡信号瑚数据。因瑟酝电网黩动化嬲管理僖息系缝 除了其本舄设备的可靠性外，在很大程度上，通僚网所提供的传输通道起着蹩 要豹因素i 。i ， 配电自动化系统是个非常复杂的系统，配电网设备数量庞大、种类繁多、 与e m s 、s c a d a 系统及m i s 系统有着紧密的联系。在配网露动亿的建设中，遁信 方式是非常重要的一个环节。要实现数据和命令的及时、快速的传递，通信又 心川大学硕：l 学位论文( 2 0 0 3 ) 是实施配网自动化的基础，因此实旌配网自动化必须解决好通信通道的问题， 做好总体规划的设计工作，才能准确地将配电终端设备与配电自动化系统主站 进行数据通信和数据交换。随着通信技术的发展，可供选择的通信手段很多， 由于配网自动化远方终端数据非常庞大，因此在满足可靠性的基础上如何降低 造价，形成最合理的配置，便于推广，也是非常重要的问题【3 j 。这也正是本文 想达到的目的。 1 2 国内外研究动态 1 2 ，1 配电自动化的发展 在一些工业发达国家中，配电自动化系统受到了广泛的重视，国外的配电 自动化系统已经形成了集变电所自动化，馈线分段开关测控，电容器组调节控 制，用户负荷控制和远方抄表系统等于一体的配电网管理系统( d m s ) 。其功能 以达到了百余种【5 2 1 。国外著名电力系统设备的制造厂家基本都涉足了配电自动 化领域，如德国的西门子公司，法国施耐得公司，美国c o o p e r 公司，摩托罗拉 公司，英国a b b 公司，日本东芝公司等，均推出了各具特色的配电网自动化产 品。 。 日本是配电自动化发展比较快的国家。到1 9 8 6 年，全国9 个电力公司的 4 1 6 1 0 条配电线路已有8 6 5 实现了故障后的按时限自动顺序送电，其中6 7 实现了配电线路开关( 指柱上开关) 的远方监控。 日本从5 0 年代开始在配电线路上采用自动隔离故障区，并向无故障区恢复 送电的按时限顺序送电装置；6 0 到7 0 年代研究开发了各种就地控制方式和配电 线路开关的远方监视控制装置：7 0 年代后半期开始利用计算机构成自动控制系 统；其后是电子技术，计算机技术以及信息传送技术的发展，配电自动化计算 机系统以及配电线路远方监视控制系统在实际应用上得到很大的发展。 新加坡公用电力局在8 0 年代中期投运并在9 0 年代加以发展和完善的大型 配电网的s c a d a 系统，其规模最初覆盖其2 2 k v 配电网的1 3 3 0 个配电站。 芬兰“e s o p ps a h k o ”电力配电公司的配电自动化覆盖了该公司的8 5 0 0 0 个 用户，8 座l l o 2 0 k v 的一次变电站，1 l o o k m 的2 0 k v 馈电线和1 4 0 0 个2 0 0 。4 k v 的配电变电站。 四jr i 大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 从国外配电自动化系统采用的通信方式看，尚没有一种通信技术可以很好 地满足于判断系统自动化所有层次的需要。在一个配电自动化系统内，往往由 多种通信技术组合成综合的通信系统，各个层次按实际需要采用合适的通信方 式【4 9 】 5 0 l 。 对于日本，由于无线通信频段大都被电台占用很难得到保证，同本在配电 自动化系统中，基本不采用无线电通信。光纤因处在发展阶段，目前只在一部 分地使用。比较普遍的是利用通信电缆和配电线路来传送信号。而在欧美各国， 却广泛采用无线寻呼通信系统和有线通信相结合的方式。 目前使用的较多的配电线信号传送方式有：音频控制方式，音频电流传送 方式和位相脉冲方式。利用专用电话线或者c a t v 有线电视电缆，采用屏蔽双绞 线( r s - 4 8 5 ) ，光纤纤维等方式，也是广泛采用的配电t l 动化通信方式。u h f 和 v h f 电台，调频广播( f m ) 和调幅广播( a m ) 多用作负荷监控的信道，无线扩频 和一点多址微波通信大多用于配网自动化的通信主干线。 国外的配电自动化的发展经历了从各种单项自动化林立，号称为“多岛自 动化”的配电系统，向开放式，一体化和集成化的综合自动化方向发展的过程。 目前已经具有相当的规模，并且从提高配电网运行的可靠性和效率，提高供电 质量，降低劳动强度，充分利用现有设备功能，缩短停电时间和减少停电面积 等方面，均带来了客观的经济效益和社会效益。 目前国外致力于配电自动化专家系统和配电网防真培i j i i 系统等研究。并且 在研究通过负荷分配的优化来减少网损，对变压器负荷进行管理，以最大限度 地利用变压器容量并降低系统有功损耗，以及按即时电价对用户进行负荷管理 等的研究。 目前我国电力工业的发展，已由过去的主要取决于投资规模逐步转变为由 市场需求来决定。电力市场也将逐步由卖方市场向买方市场转变。9 0 年代以来， 国内电力系统的3 5 k v 变电站逐渐实现了四遥功能，但是规模覆盖变电站自动化， 馈线的故障定位与隔离和自动恢复系统，变电配电和用电管理信息系统的配电 网综合管理系统，则是近年来才起步。 上海市东供电局在浦东金桥开发区实施了配电自动化工程，第一期工程采 用法国魔耐得集团生产的p r 环网开关柜9 台，基本达到了遥控，遥信和遥测的 目的，但是规模较小，而且是依赖进口设备，造价高，不便推广普及。北京供 凹川夫学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 电局以引进日本东芝技术生产的具有自动化功能的柱上真空开关设备8 台，即 将投运，达到国外配电自动化第一阶段水平。沈阳电业局于1 9 9 5 年安装了1 0 台丹阳生产的柱上真空开关，采用有线控制，但是没有大面积推广，而且也属 于国外第一阶段水平。此外，石家庄供电局，大连供电局，南京供电局，郑州 供电局，武汉供电局和广州供电局也分别立项或进行了一定规模尝试1 5 ”。 银川城区配电自动化系统全部采用自行研制的国产设备，采用馈线r t u ，配 变r t u 和建立在w i n d o w s 9 5 ，w i n d o w sn t 平台上的先进的计算机网络系统，运 用8 q ls e r v e r 大型数据库系统，实现了有线通信和无线通信相结合的综合数据 通道，而且充分利用银川i 地区地调的已有资源，取得了大量经验，该系统已于 1 9 9 8 年8 月通过国家电力公司组织的技术鉴定。达到了国内领先水平。这是我 国第一套通过技术鉴定的配电自动化系统，它标志着我国城网改造进入了一个 新的阶段。目前西安供电局和宝鸡供电局也在按银川模式建设配电自动化系统。 其他一些地方也在积极建设配电自动化系统【1 2 】1 4 7 】。 1 2 2 配电自动化系统的通信方式 通信系统的建设是配电自动化系统关键之一。配电自动化系统需要借助于 有效的通信手段，将控制中心的控制命令准确地传送到为数众多的远方终端， 并且将反映远方设备运行情况的数据信息收集到控带u f l t , 0 1 3 l 。和输电网自动化 不同，配电自动化系统要和数量上多得多的远方终端设备通信，因此如何降低 通信系统的造价，而且还要满足配电自动化系统的要求，成为设计人员面临的 重要问题。 配电自动化系统的通信网络是一个数据通信系统，也具有一般数据通信系 统的特点。典型的数据通信系统一般是由数据终端设备( d t e ) ，数据传输设备 ( d c e ) 和数据传输信道组成。如图1 1 所示。 数据数据数据数据 终端传输 - - i 数据传输信道l 传输终端 设备设备设备 设备 d t ed c e d c ed t e 图1 1典型数据通信系统的组成 瑟翊大学颈士学位论文( 2 0 0 3 ) 配电囊动化可以采用的通信方式寿很多”j ，主要有： 配电线载波通信：电力线载波通信将信息调制在高频载波信号上通过已 经建残熬惫力线遽行转埝。英载波频率一般在5 4 0 k h z ，慰德终竣痿号静调剃 可以采用调幅，单边调制，调频，移频键控等方式。其通信设备主要有多路载 波梳( 主辩 ，在各个溺控对象缝安装酝电线载波橇( 觚始) 萃 1 麓频逶遂。离羧 通道是由阻波器，勰合滤波器和结合滤波器组成。它的主要优点是由电力企业 所有，便于管理，并且不需要额外的通道投资。缺点是配电线载波通信系统的 数攥传输速率较低，容爨受到予魏， # 线性失真和信道阈交叉调制的影响，并 且系统采用的电容器和电感器的体积较大，价格也较高【4 0 l 【4 “。 弦幼控割方式：它豹王佟纛纛秘配彀线载波逶绩装钕，哭是熬动控割技 术对信息的调制方式是通过让脉动有或没有来实现的。窿使用的载波频率低于 2 k h z ，因此在配电两上的传输效率黧高。馕楚频率低数撵传输涟率藏黉低些。 它的主要使缺点和配电线载波通信方式基本相同。 电话线调制解调器方式：这种方式是通过电话线和调制解调器提供通 遂。其钵又可以分为逶过租用奄话专线积公孀电 莠婀拨号延耪方式。它的优点 是技术成熟，容易实现比较商的波特率，利用公用电话网和可以大大降低使用 费弼，l 蠡予其羁蹋了现霄豹资源，溺诧结鞫筵荤，投资少，篌瘸方镬。缺点憝： 电话线无法覆盖一些偏远区域，电力企业无法保诞通道的可靠运行，传输差错 率较高，传输距离也受到限制翻。 鸯线电视通售方式：这秘通撼方式怒剥用有线电视的通道进行配电网通 信。其优点是通道带宽宽，很容易满足配电网通信的要求，有线电视通道本身 考纛了嚣戴放大等绩号楚理接藏，因忿售号豹失襄较夺。缺点跫它也是其她系 统的线路，电力企业不能对其进行维护，租金较高，而且有线电视一般都采用 单工通信，霞琵瞧为企渡增添了应两豳难猹a 。 现场总线方式：现场总线是近2 0 华发展起来的新技术，它是连接智能 现场设备和自动化系统的数字双向传输，多分支结构的通信网络。它的优点在 于；现场憨线是开放式系统，擐撂o s t 模型利定，可以根据需黉撼不阉厂囊灼 设备互联。可以在一条传输线上挂接多个设备。由于采用o s i 模型，因此信息 都蹩逶过努包嚣传辕，劳吴鸯纠镶功戆，翻魏菝予撬洼糍饶越。魏场总线鸯缀 多种，各肖缺点，一般来说现场总线具有传输距离不能很长等缺点。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 光纤通信方式：光纤通信的主震设备有电端机，光端机，光缆，中继器 等缓成。冀蹶理主要是走迄转羧，鑫海毙跑奄更不容娶受戮毫磁予撬，并量传 输衰耗小，传输躐离长，通信容量大，因此，它作为一种先进的通信手段，融 经被电力嚣妲广泛采播。遥过复菝，簸蘑，它可疆发挥更大韵棒用。缺点是： 强度还不够强，工程安装弯曲率不能太大，连接困溅，分路耦合不方便；并且， 由于投资费用较大，通常都用作通信主干道 6 1 u o ! 4 4 1 。 无线通信方式：主要方式有广攘方式，微波逶售，卫星遴信等，它熬臻 点在于不需鼷传输线，覆盖面积大，并且可以在停电情况下使用。缺点是无线 逶信爨容荔受到耄磁于撬，荠鬟无线遥信要受到无线电管疆委员会豹管理，不 便于电力企嫩更灵活的使用 4 2 1 。 综上新述，各种通信方式都有其伉缺点，可戳掇据需要和条件灵活地采篇。 因此，在一个完整的配网彝动化通信系统中，往往采用混会通信方式进行逶售。 混合通信系统的优点在于能够为每一条信道掇供最含适的通信方式。在个分 屡款怒电蠡翡铯系绫孛，疑楚熬藩次越离，翳瑟嚣溪携遗灌数嚣簸越少，鬃嚣 要的容量和可靠性就越高，通常将高屡次的通信信道称为通信主干线。在这个 系统中，不鞫静通信方式鹃饶患得浚充分发挥，丽艇注意避免了其缺点渺l 。 考虑到今后电力系统的发展和技术应用的潮流，在基予f t u 的馈线自动化 中，倾向予采用一点对多点酌光纤通信方式 乍为主娶的通信方式，在数据传输 容量，数据网络可熊性，摭于扰能力等方嚣霹以褥剿褰瞧跳夔镶遵。只是由予 光纤通信的网有缺点，f t u 分期接入比较困难。故在建设光纤网络初期就应该详 尽建考塞f t u 豹配鬟巍划。在投瓷费瓣较少竣者分期蕊工豹壤况下，考虑到巍 纤通信不适念，这时采用电话线，电力载波等方式墩是可以考虑的【4 5 1 。 1 2 3 配电网络邋信规约 通信规约在任何一个通信系统中的作用都是非常重要的，对粥电自动化的 遥售系统也不铡豁，没鸯一令逶会鹩遴信援绞佟必逶整平蠢，亵羧霹靠翡逶镶 是不可想象的。通信规约有很多种类，主要有应答式规约和循环式规约等。每 耱又鸯缀多令不嚣形式豹矮约 3 9 1 。传统豹通信规约怒不分簇静，褥当前的规约 都是分层的通信规约，下面就简单介绍一下分层模型。 最初设计通信两络是为了将计算机通信韵终端放到远处。早期的通信网络 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 中主机和终端使用同一种语言，不需要翻译设备。可是现在的网络是将很多不 同制造商的终端和计算机连接到一起的网络。此外，网络还可以是不同类型的 网络互相连接构成的。翻译来自不同设备和不同网络的信号就是硬件与软件相 结合对信号进行处理的。 协议是定义两台设备在网络上通信的一套规则。由于不同类型的终端和计算 机使用不同的代码和程序通信，因而需要采取某种方法翻译代码，使两台设备 能够相互通信。 不同类型的计算机和不同类型的网络使用不同的协议，广域网使用一套协议 局域网使用另一套协议。大型计算机使用一套协议，而个人计算机使用另一套 协议。目前还没有一个对协议进行分类的统一标准，因为通信是在竞争中发展 起来的，而不是在统一管理下发展来的。 把一个复杂的问题，通过分层的方法简化为多个比较简单的问题，是在通信 中经常采用的方法。这个分层原理可以推广到一个复杂的计算机网络。其网络 功能也可以分为若干层次，每一层完成一个特殊功能。在为了功能分层功能中， 较高层建立在较低层的基础之上，利用较低层提供的服务，同时又向更高层提 供服务。对于不同的网络，其层数，层名，每层的功能和向上层提高的服务都 可以因之而异。而在每向邻层之间有一个接口。接口定义了较低层向较高层提 高的原始操作和服务。在进行分层时，相邻层之间有一个明确的接口是非常重 要的。有了这个接口后，可以明确知道每一层所要执行的一组具体功能。明确 划分的接口除了可以减少在层间传递的信息量之外，还易于用完全不同的一种 实现方法，只要新的方法对上层所提供的服务与原来相同，而对其他层不产生 影响。 采用分层式网络结构来简化网络设计，是大家早已经接受的。但是网络的分 层应在某一种标准的指导下进行，以使网络内部和不同网络之间的互联不发生 困难。这个标准就是国际标准化组织提出的网络体系结构模型，称为开放系统 互联参考模型。 i s o 规定开放系统互联参考模型为七层结构，以应用层为上界，以物理媒 介为下界。图i 2 给出了o s i r m 七层结构的示意图，下面介绍其中各层的功能。 物理层：物理层包括设备间的物理接口和一个设备到另一个设备比特流 的传输规则。它规定了机械，电气，功能，规范四个重要特性。这四个功能对 四川大学硕，l 学位论文( 2 0 0 3 ) 物理连接的建立，保持和释放功能是必不可少的。 系统a节点i节点j系统b 7 7 ! 示层 6 6 ；话层 5 5 i 输层 44 j 络层 - - 一- ：二 i - 一一 3 3- 一 3 鼹链路 一2 2 卜一 2 卜q f 一纠- ：冉4 - 一1 ，理层 l 一- 1 物 理 媒介 图1 2分层网络示意图 数据链路层：数据链路层在物理层基础上，以保证数据在用户终端与网 络之间的以及网络相邻节点之间的数据链路上进行可靠传输，并提供数据链路 的启动，保持和撤消功能。数据链路层向较高层提供的主要服务是差错检测和 控制等，从而保证上层数据的无差错传输。 网络层：对于计算机网络，它总是由一系列用户终端，主机和具有信息 处理和交换功能的节点以及把它们连接在一起的传输线组成。所以我们把计算 机网络分为用户子网和通信子网两部分。用户子网向用户提供了访问网络的机 会，通信子网则是提供了网络通信的能力。 网络层的功能用于完成对通信子网的控制，向高层提供数据在网络内透明 传输的服务，从而使用户终端的传输实体无须知道网络的结构和交换方式。网 络层提供了建立。保持和终止通过中间节点的连接，负责通信子网的路由选择， 顺序控制，流量控制和阻塞控制等功能。 从o s i 一脒可见，第一，= ，三层的功能既存在于用户终端与网络之间，也 存在于网络内部各个节点之间。前者对应的协议称为网络访问协议，后者对应 的协议称为网络内部协议。在一个具体的网络内，这两种协议可以相同，也可 以不同。当采用不同的协议时，则由与用户接口的节点交换机完成协议转换。 在数据通信中，上述部分的协议是其主要的研究对象。 四j 大学硕上学位论文( 2 0 0 3 ) 在一个通过网络的多节点的连接过程中，第一，二，三层的协议是逐段连 接的，只有在用户和接口节点之间才存在按协议进行的对话，而在他们之上的 各层，则在下面三层所提供的服务的基础上，透明地进行端对端的同层对话。 所以，相应的协议也称之为端对端协议。 传输层：传输层的基本功能是接收来自会话层的数据，如果有需要，把 这些数据分成较小的数据单位元送向网络层，并保证其安全准确地到达另一端 的会话层。为此，它还包括端对端的顺序控制，流量控制，差错控制和恢复， 管理多路复用等功能。 会话层：为了两个进程之间的协同工作，必须在他们之间建立并形成一 个逻辑上的连接，这就是会话。会话层负责进程间的对话的建立，拆除以及对 话管理。提供诸如会话双方的资格审查和验证，收费方法，对话方向的交替管 理，故障点定位和恢复等各种服务。 表示层：表示层确保在协同工作的应用进程之间数据表达的兼容性，提 供数据代码和格式的转换语义差异的消除等功能，向较高层次提供文本压缩， 加密和解密等服务。 应用层：应用层提供了应用进程访问0 s i 环境的手段。负责应用进程的 管理和执行应用程序【3 。 下面一个例子说明了数据信息在七层模型中的流动情况。先看发送端，设第 七层的用户进程产生一个报文m ，然后按6 7 层阔的接口关系从第七层到第六 层，经第六层的若干处理后，得到新的报文m ，新的报文m 经5 6 层的接口送 到第五层，此例中的第五层仅仅控制信息流的流向，并不改变报文m 的形式。 在实际应用中大部分的网络中，第四层可以接收的报文的长度是不受限制 的，而在第三层是有限制的。所以，当报文m 进入第四层后，就把它分为若干 个第三层可以接受的单元，如例中的 l l 和m 2 ，在各个单元前分别加入含有第四 层控制信息的报文头m 4 ，然后送向第三层。在第三层则加上含有路由选择等控 制信息的新报文头m 3 ，继续向下送至第二层，在第二层除了加上含有链路控制 信息的报文头h 2 外，还加上表示报文边界的报尾t 2 ，最后由物理层完成信息发 送。 在接收端，则正向进行逐层处理，从低层到高层，每一层都把来自较低层 的报文中的对应报头取出，而把其他部分继续向上传递。在取出的报头中，含 日 叫川大学硕l ：学位论文( 2 0 0 3 ) 有对方同等层实体发来的各种控制信息，同层之间的虚拟通信就是通过这些报 头来实现的。所以，在逐层向上传递的过程中，每层收到的报文与对方相应层 发出的报文是一致的，同层之间虚拟通信是感觉不到低层的存在的，也不会因 为低层协议的变更或者修改而受到影响1 2 ”。 对于配电自动化系统而言，也可以有很多规约可以应用口4 1 2 5 1 2 6 1 ，而晟适合 也是应用最广泛的有两种，i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 和d n p 3 0 ，下面我们对这两个规约 作一个基本介绍和比较。 国际电工委员会( i e c ) 是一个国际标准组织，负责制订各种电工标准。其 下的第5 7 技术委员会( i e ct c 5 7 ) 是负责制订电力系统控制和通信标准的专门 委员会。自1 9 6 4 年成立以来，一直致力于制订遥控，远动和电力系统控制方面 的国际标准。并于8 0 年代成立了工作组( w g 0 3 ) 专门进行远动设备和系统传输 规约方面的系列标准编制工作。其中发布的i e c 8 7 0 5 远动设备及系统第五部 分：传输规约系列是该领域的基础性标准【2 0 】，其中的i e c 6 1 8 7 0 5 一t 0 1 基本 远动任务配套标准是远动领域的国际标准。原电力部于1 9 9 6 年将其采用非等 效形式作为电力行业标准( d l t 6 3 4 1 9 9 7 ) 7 1 【1 4 】o s 】【2 1 l 。 当i e c 标准的数据链路帧格式和链路传输过程部分发布时，许多厂家在应 用层标准未发布情况下纷纷推出各自的远动规约，其中h a r r i s 公司的d n p 3 0 占据了主流地位，成为事实工业标准。在我国的应用情况也是如此，有统计表 明，在国内远动系统采用规约中还是d n p 3 0 占主导地位。 直到1 9 9 5 年，i e c 5 7 技术委员会的03 工作组制定了“基本远动任务配套 标准”即1 0 1 规约，才有了远动通信规约的官方国际标准分布式网络规约1 1 9 l 。但 是有一个现象必须引起我们的注意，d n p 3 0 最初是由w e s t r o n i c s 公司制定的， 后来h a r r i s 公司收购了w e s t r o n i c s 公司，h a r r i s 公司又被g e 公司收购，现 在g e 公司都不使用d n p 3 0 ，由此可见，d n p 3 0 在今后的发展前景不如1 0 1 规约广阔【1 8 】。 总的来说，d n p 3 o 和1 0 1 规约有许多的相似之处，因为d n p 3 0 是参照了 i e c 标准的数据链路帧格式和链路传输过程部分。除了相似之处他们在许多地方 也有不同之处，各有优缺点。 下面我们来看在配电自动化通信系统中多点共线情况下采用哪种规约更适 合。电力系统信息传输的特点是：信息分优先级，有关电力馈线故障的信息是 1 0 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 优先级别最高的一种信息要求立即传输，其他信息的优先级较低，可以慢一些 传输。配电自动化通信系统的另外一个结构特点是点对多点的多点共线的通道 结构。在这种情况下如何保护配电线路的故障状态信息优先传输，便成为传输 规约应该优先考虑的问题。这是衡量一传输规约是否满足馈线自动化要求的重 要标志。 而我们知道在配电自动化系统中点对多点的多点共线的通道结构下。1 0 1 规 约规定采用采用快速一校验一过程来保证电力馈线故障的信息优先传输。而d n p 3 o 则采用主动上报的机制，为了避免同时上报造成阻塞，同时d n p 3 0 还采用载 波侦听的冲突避免机制来避免阻塞i l ”。下面重点分析这两种方式在配电自动化 系统中点对多点的多点共线的通道结构下的工作状况。 i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 ( d l t 6 3 4 1 9 9 7 ) 规定采用快速一校验一过程来保证电力馈线 故障的信息优先传耐1 6 】。它的传输过程可简单描述如下：在传输过程中，按照 时间分段，即专门询问各个f t u 的a c d 状态传输广播命令时段，和召唤某一个 站的二级用户数据时段，突出了询问配电网故障状态的优先级，如果配电网没 有发生故障，则由主站发送广播命令，各个f t u 不回答，超时以后主站向1 号 子站发送召唤二级用户数据，1 号子站以二级用户数据帧响应，接着主站又向 各个子站发送广播命令：如果配电网没有发生故障，则各子站均不回答，超时 以后主站向2 号子站发送召唤二级用户数据，2 号子站以二级用户数据帧响应， 接着主站又向各子站发送广播命令，如此向下依次召唤数据。 如果配电网发生故障，由主站发送广播命令，各个f t u 将向主站发送确认 帧，如果主站正确接收某一个子站的报文，将向其他子站询问其a c d 的状态， 就可以确定故障区段。如果多个f t u 同时向主站传输报文，则会发生信息碰撞。 但是主站确定知道配电线路发生了故障后，可以采用对半检索的办法，快速地 确定故障区段，主站也可以对各个f t u 依次询问其a c d 的状态以确定故障发生 在那个区段，或者采用其他方法确定故障区段。各个f t u 将用有a c d 的状态帧 向主站报告。 综上所述，采用i e c 6 08 7 0 5 1 0 1 ( d l t 6 3 4 - 1 9 9 7 ) 的快速一校验一过程可以 快速、有序地向主站报告一级用户数据帧，保证优先级高的配电线路故障状态 信息得到优先传输f 2 2 】。 d n p 3 0 在正常情况下工作正常，没有任何问题。在故障情况下采用重要 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 变化信息主动上报的机制时，载波监听解决信息碰撞的处理是利用串行口的 r t s 、d c d 和c t s 和相应的一些硬件及程序实现。 由于载波监听的传输方式在多点共线的通道结构方式下容易发生信息碰 撞，尤其在馈线自动化的情况下，一旦发生故障就会有多个f t u 要求传输故障 信息，必然发生碰撞。采用载波侦听的措施，每个f t u 在硬件和软件上采取措 施，监测通道传输的电平，确定通道是否有其他f t u 传输，如果发现通道已经 被占用，就增加延时，继续监测通道。更为严重的是，如果在延时这段时间内 又有其他f t u 占用通道，需要传输重要信息的f t u 再次监测通道是否被占用， 如果通道还是被占用，只能再加延时，继续监测，等待传输。这必然大大增加 了重要信息的传输延时 3 6 】。 更为重要的是在传输过程中不能区分优先级，当发生重要信息需要传输的 时候，可能其他子站正在传输不重要的信息，尤其如果所有各种需要传输的信 息都按照自发响应上报变化信息，就可能形成不重要信息得到传输，而重要信 息反而得不到快速传输，所期望的重要信息主动上报优先传输的目的不能达 到，甚至可能发生重要信息丢失的可能性d 5 1 。 综上所述，在f t u 多点共线通道情况下，采用d n p 3 0 不能快速、有序地向 主站报告一级用户数据帧，保证优先级高的配电线路故障状态信息得到优先传 输。因此，从以上的论述可以看出，在f t u 多点共线通道的情况下，采用1 0 1 规约比d n p 3 0 更具有优越性。 1 3 研究内容及技术路线 本文在详细研究了配电自动化通信系统的特点的基础上，提出了设计配电 自动化通信系统容量的方法，并进一步提出了通信系统性能参数的求解方法， 对设计出的系统容量进行了性能分析，主要完成了以下几个方面的工作。 结合配电网的结构特点和配电网的现状，对配电网通信系统的通信规约进 行了讨论，得出了不同规约的特点，分析了适合于多点共线f t u 通信特点的数 据通信规约，作为进一步分研究的基础。 数据通信系统建设的难点之一在于f t u 多点共线情况下数据通道的容量问 题，通过对多点共线情况下数据通信系统的研究，得到了基于多f t u 共线情况 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 下f t u 产生的数据结构，包括了遥测量，遥信量，遥控量等。f t u 产生数据帧的 规律符合泊松分布的统计规律，而f t u 所产生的数据帧中大部分由于等待发送 时间过长而失效，通过分析知道失效的数据帧个数也是符合泊松分布的。在得 出了f t u 产生数据和失效数据的情况后，得出了数据发生模型。在分析讨论了 正常测量量传输过程，控制命令传输过程和紧急情况下事故信息传输过程的基 础上，总结了各种信息的传输特点，得出了通道上的数据传输模型。了解了多 点共线的f t u 和主站通信的机制，提出在符合约束条件下找出一种性价比最高 的通信容量就是容量设计的最佳解。 在此模型基础上，得出求解了系统通道容量的方法。提出影响通信通道性 能的效率，测量量更新周期，事故传输延时等几个参数，推导出计算各个参数 的方法。 针对一个实际的系统，设计出通道容量，并对系统各个性能参数进行计算， 评价通道的性能，对所设计的容量的合理性进行了验证。得出结论这种设计方 法具有一定实用价值。 提出还需要进一步深入研究和探讨的方面。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 第二章配电自动化通僚系统模型 梵了设诗配宅鸯魂纯遵售系统戆容量，震要对裁毫蠡动纯逶德系统戆髂系结 构作深入的研究。一个通信系统所完成的功能是将需要传输的数据按照一定的 婉刚快速可靠圭蠡传输蜀努一端f 2 麓。萁结褥哥蔽霜图2 1 表示： ，数据结构 i 数据 邋信系统| k 数摄产生规则 l 传输规则 图2 1通信系缆的结构 从圈2 1 可蔽知道，一个通信系统，如采知道了所传输的鼗糖是什么( 数播 结构) ，数据是怎么产生的( 数据产生规则) ，数据是怎么传输的( 数据传输瓶 则) ，那么这个通信系统在正常工作情况下就是确定的。配电自动化通信系统也 懑栲，只要疆究潘楚了上述三个要素，裁可敬确寇配电鑫动纯邋售系绞戆工雩# 情况，从而可以进一步研究所关心的课题。因此，下面就对这三个要索进行分 桥。 2 1 数据结构 萏先要辩f r u 采集传输静数据有一个了解，下舔介绍蒸予f t u 翡馈线自动纯 系统。典型的基予f t u 的馈线自动化的组成如图2 2 所示。根据配网自动化系 统的技术要求，通常每个配电点应该采集