变电站综合自动化技术-通信总线.ppt

第六章变电站综合自动化系统的数据通信 变电站综合自动化通信系统 一 变电站自动化系统的现场级通信主要是自动化系统内部各子系统与上位机 站极监控机 和各子系统之间的数据通信和信息交换问题 其范围是变电站内部 二 变电站自动化系统与上级调度 控制 完成变电站与远方调度 控制 中心的信息交换 6 1变电站内的信息传输 在具有变电站层 间隔层 单元层 过程层 设备层 的分层分布式自动化系统中 需传输的信息有以下几部分 6 1 1过程层与间隔层的信息交换过程层提供的信息主要有两种 模拟量 状态信息 主要为断路器或间隔刀闸的辅助触点 6 1 2间隔层内设备间的通信间隔层设备间内部通信 主要解决两个问题 数据共享 互相闭锁 6 1变电站内的信息传输 6 1 3间隔层与变电站层的通信间隔层和变电站层的通信内容很丰富 概括起来有以下4类 测量信息 状态信息 操作信息 参数信息6 1 4变电站层的内部通信变电站层不同设备间的通信 根据各设备任务和功能的特点 传输所需的测量信息 状态信息和操作信息等 通信系统的组成 信息源和信息接收者发送设备传输介质接收设备 信息源 编码 调制 传输介质 译码 解调 接收者 发送设备 接收设备 噪声 干扰 信号的传输方式基带传输 不进行调制 适合短距离通信 载波传输宽带网 2M 异步传输模式ATM AsynchronousTransferMode 通信方式单工通信半双工通信全双工通信 通信工作方式通信系统的工作方式按照消息传送的方向和时间 可分为单工通信 半双工通信和全双工通信等三种方式 单工通信是指消息只能按一个方向传送的工作方式 半双工通信是指消息可以双向传输 但两个方向的传输不能同时进行 只能交替进行 全双工通信是指通信双方可同时进行双向传送消息的工作方式 串行通信的传输方式 单工通信半双工通信全双工通信 数据流 数据流 半双工 数据流 全双工 A 发送器 B 接收器 A 发送器 接收器 B 发送器 接收器 A 发送器 接收器 B 发送器 接收器 通信方式 串行通信与并行通信的对比通信 智能设备之间的信息交换 通信方式 并行通信 串行通信并行通信 数据的各位同时发送或同时接收优点 传送速度快缺点 不便长距离传送串行通信 按照一定的格式一位一位地顺序传送数据 信息在一根信号线上传输 优点 便于长距离传送缺点 传送速度较慢 并行通信 数据有多少位 就需要多少根传输线 传送速度快 数据位数多 传输距离远时传输成本高 计算机 主机 部件之间 如CPU与存储器 CPU与接口电路 多采用并行方式传输数据 并行通信通常是以 字节 为单位进行信息传输的 并行通信方式连接 串行通信方式连接 串行通信 数据在一根信号线上传输 远距离通信时 可以利用现有的电话线作为传输介质 降低传输线路的成本 串行数据传输主要出现在接口与外部设备 计算机与计算机之间 PC系列机上有两个串行异步通信接口 键盘 鼠标器与主机间采用串行数据传送 需要进行数据格式转换 在变电站综合自动化系统内部 各种自动装置间或继电保护装置与监控系统间 为了减少连接电缆 简化配线 降低成本 常采用串行通信 异步通信和同步通信 异步通信依靠起始位 停止位保持通信同步 数据传送按帧传输 一帧数据包含起始位 数据位 校验位和停止位 特点 异步通信对硬件要求较低 实现起来比较简单 灵活 适用于数据的随机发送 接收 但因每个字节都要建立一次同步 即每个字符都要额外附加位 所以工作速度较低 在单片机中主要采用异步通信方式 同步通信 依靠同步字符保持通信同步 由1 2个同步字符和多字节数据位组成 同步字符作为起始位以触发同步时钟开始发送或接收数据 多字节数据之间不允许有空隙 每位占用的时间相等 空闲位需发送同步字符 同步通信传输速度较快 但要求有准确的时钟来实现收发双方的严格同步 对硬件要求较高 适用于成批数据传送 串行通信的一些名词术语 发送时钟和接收时钟 1 发送时钟 并行的数据被送入移位寄存器后 通过移位寄存器由发送时钟进行移位 变成串行数据 输出 数据位的时间间隔可由发送时钟周期来划分 2 接收时钟 将串行数据序列逐位移入移位寄存器而装配为并行数据序列的过程 比特率 波特率及时钟频率与波特率的关系 1 数据传输速率也称比特率 BitRate 每秒传输的二进制数码的位数bps字符中每个二进制位持续的时间长度都一样 为数据传输速率的倒数 2 波特率 BaudRate 每秒传输数据信息的个数当进行二进制数码传输 且每位时间长度相等时 比特率还等于波特率 过去 串行异步通信的数据传输速率限制在50bps到9600bps之间 现在 可以达到115200bps或更高 比特率 波特率及时钟频率与波特率的关系 3 波特率因子接收时钟 发送时钟频率是波特率的倍数 例 波特率 9600bps 波特率因子 16 则接收时钟和发送时钟频率 9600 16 153600Hz 串行通信的同步措施 1 设置波特率 波特率是指单位时间内传送的位数 单位是比特 秒 2 设置数据的传送格式 一般地串行通信在传送数据时 并不是单纯地传送数据位信息 为了使数据传送可靠 还设定了其他一些辅助位 3 设置波特率因子 发送时钟和接收时钟的频率可以是波特率的数倍 一般取16倍 32倍或64倍 这个倍数就称为波特率因子 信号的调制与解调 1 调制 Modulating 把数字信号转换为电话线路传送的模拟信号 2 解调 Demodulating 将电话线路的模拟信号转换为数字信号 3 调制解调器MODEM具有调制和解调功能的器件合制在一个装置 基本的调制方法 1 调幅 AM 即载波的振幅随数字信号而变化 例如 0对应于无载波输出 而1对应于有载波输出 2 调频 FM 即载波的频率随数字信号而变化 例如 0对应于频率f1 而1对应于频率f2 3 调相 PM 即载波的初始相位随数字信号而变化 例如 0对应于相位0度 而1对应于180度 串行通信的检错和纠错 1 奇偶校验在所传输的有效数据中附加冗余位 即检验位 利用冗余位的存在 使整个信息位 包括有效位和检验位 中 1 的个数具有奇数或偶数的特性 这种利用信息位中 1 的个数的奇偶性来达到检验目的的编码称为奇偶校验码 使整个信息位 1 的个数奇数的编码叫奇校验码 而使整个信息位 1 的个数为偶数的编码叫偶校验码 附加的信息位称为奇偶校验位 简称校验位 2 CRC校验CRC CyclicRendundancyCheek 是循环冗余校验的缩写字 它是利用编码原理 对传送的二进制码序列以一定的规则产生一定的校验码 并将校验码放在二进制序列之后 形成符合一定规则的新的二进制码序列 称为编码 并将新的二进制码序列发送出去 在接收时 就根据信息和校验码之间所遵循的规则进行检测 称为译码 从而检测出传输过程中是否发生差错 CRC校验是对整个数据块进行校验 所以同步串行通信都采用CRC校验 串行通信的检错和纠错 串行通信接口 常见串行总线 串行通信的格式及约定 如 同步方式 通讯速率 数据块格式 信号电平 等 不同 形成了多种串行通信的协议与接口标准 常见的有 通用异步收发器 UART 通用串行总线 USB I2C总线 CAN总线 SPI总线 RS 485 RS 232C RS422A标准 等等 常用的串行通信接口 一 RS232C美国电子工业协会EIA制定的通用标准串行接口1962年公布 1969年修订1987年1月正式改名为EIA 232D设计目的是用于连接调制解调器现已成为数据终端设备DTE 例如计算机 与数据通信设备DCE 例如调制解调器 的标准接口可实现远距离通信 也可近距离连接两台微机属于网络层次结构中的最低层 物理层 1 RS232C的机械特性 232C接口标准使用一个25针连接器绝大多数设备只使用其中9个信号 所以就有了9针连接器 2 RS232C的功能引脚及说明 引脚定义 2 RS232C的功能引脚及说明 引脚定义 3 两智能设备之间串行通信连接 电话线 MODEM 微机 23456782022 23456782022 MODEM 23456782022 微机 23456782022 示例 微机保护与计算机的通信 RS232的不足之处 接口的信号电平值较高 易损坏接口电路的芯片 又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接 传输速率较低 在异步传输时 波特率最高只能达到19200bps 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式 这种共地传输容易产生共模干扰 所以抗噪声干扰性弱 传输距离有限 在微机保护装置之间不易形成网络连接 二 RS485 1 RS 485具有以下特点 RS 485的电气特性 逻辑 1 以两线间的电压差为 2 6 V表示 逻辑 0 以两线间的电压差为 2 6 V表示 接口信号电平比RS 232降低了 就不易损坏接口电路的芯片 且该电平与TTL电平兼容 可方便与TTL电路连接 RS 485的数据最高传输速率为10Mbps RS 485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合 抗共模干能力增强 即抗噪声干扰性好 RS 485接口的最大传输距离实际上可达3000米 另外RS 232接口在总线上只允许连接1个收发器 即单站能力 而RS 485接口在总线上是允许连接多达128个收发器 便于实现微机保护装置的网络连接 从而实现建立在网络基础上的变电站综合自动化系统 RS485的网络连接 既可以用于一个装置内部多CPU通信 也可以用于微机保护装置之间的网络连接 变电站自动化系统的信息传输网络 表6 1几种常用的串行通信标准接口的主要性能 三 通用串行总线 USB 1 特点 RS422 485的优点 接口简单 仅需一根信号电缆 双绞线 同轴电缆 便可实现多节点互联 可采用标准传输规约 例如 IEC60870 5 103协议 我国行标为DL T667 1999 由于以上优点 间隔层设备间的通信以前常采用RS 232或RS 485串行接口 RS422 485缺点 能连接的通信点数 32个 通信多为查询方式 三 通用串行总线 USB 1 特点 1 较高的传输速率USB1 1支持全速和低速2种方式 全速速率为12Mb s 低速速率为1 5Mb s USB2 0除支持USB1 1的2种速度方式外 还增加了速率可达480Mb s的高速方式 2 使用方便灵活 USB支持即插即用和热插拔 它允许在任何时候连接和断开外设 当外设被连接时 系统会自动检测到外设并准备使用 3 他易于扩展通过根集线器可携带127个设备 真正实现多个外设共用一个接口 4 USB还有可靠性高 成本低 功耗小等优点 2 USB控制器 四 控制器局域网现场总线 CAN 1 现场总线通信网络现场总线定义根据国际电工委员会IEC InternationalElectro technicalCommission 标准和现场总线基金会FF FieldbusFoundation 的定义 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式 双向传输 多分支结构的通信网络 以现场总线构成的控制系统 结构上是分散的 从而彻底改变了传统的控制系统的体系结构 提高了控制系统的安全 可靠和经济性能 现场总线的优点 现场总线按ISO的OSI标准提供了网络服务 可靠性高 稳定性好 抗干扰能力强 通信速率快 造价低 维护成本低 具体有以下几方面特点 1 现场设备互连网络化 2 信号传输数字化 3 系统和功能分散化 4 现场总线设备有互操作性 5 现场总线的通信网络为开放式互连网络 现场总线技术与计算机局域网技术的联系与区别 计算机局域网属数据网 现场总线属控制网 两者的区别如下 1 数据特性不一样数据网使用大数据报文 且数据并不是频繁地发送 通信速率一般较高 控制网却相反 必须频繁传送少批量数据 2 介质访问 MAC 协议不一样 3 数据链路服务不一样 4 应用层服务不一样 四 控制器局域网现场总线 CAN 1 CAN简介CAN ControllerAreaNetwork 即控制器局域网 主要用于各种设备监测及控制的一种现场总线 在80年代初期由德国Bosch公司为汽车的监测 控制系统而设计的 最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯 减少不断增加的信号线 1993年 CAN已成为国际标准ISO11898 高速应用 和ISOll519 低速应用 目前CAN得到了Motorola Intel Philips Siemens NEC等公司的支持 已广泛应用在离散控制领域 如汽车 航空 工业控制 安全防护等 2 CAN总线特点 通信介质可以是双绞线 同轴电缆和光纤 通信距离最远可达10km 5kb s 最高速率可达1Mb s 40m 用数据块编码方式代替传统的站地址编码方式 用一个11位或29位二进制数组成的标识码来定义211或1129个不同的数据块 让各节点通过滤波的方法分别接收指定标识码的数据 网络上任意一个节点均可以主动向其它节点发送数据 是一种多主总线 可以方便地构成多机备份系统 网络上的节点可以定义成不同的优先级 利用接口电路中线与功能 巧妙地实现无破坏性的基于优先权的仲裁 数据帧中的数据字段长度最多为8B 在每帧中都有CRC校验及其它检错措施 网络上的节点在错误严重的情况下 具有自动关闭总线的功能 3 CAN总线的网络结构 CAN总线建立在ISO参考模型基础上 不过只采用了其中最关键的两层 即物理层和数据链路层 4 CAN总线协议 CAN通信协议规定有4种不同的帧格式 即数据帧 远程帧 错误帧和超载帧CAN总线基于下列5条基本规则进行通信协调 总线访问 仲裁 编码 解码 出错标注 超载标注 应用 许多处理器内部集成了CAN控制器 五 LonWorks现场总线 LocalOperatingNetworks 1 简介LonWorks是1991年美国Echelon公司推出的通用总线 得到Motorola Toshiba公司的支持 它提供了完整的端到端的控制系统解决方案 可同时应用在装置级 设备级 工厂级等任何一层总线中 并提供实现开放性互操作控制系统所需的所有组件 使控制网络可以方便地与现有的数据网络实现无缝集成 技术开发特点 采用LonTalk协议 封装于Neuron 神经元 芯片中 鼓励OEM OriginalEquipmentManufacture 开发方式 面向对象的设计方法 把网络通信设计简化为通信参数设置 2 LonTalk通信协议 LonTalk通信协议是LonWorks技术的核心 它提供了OSI参考模型的全部7层服务 并固化于Neuron芯片 3 LonWorks的神经元芯片 芯片内有3个8位CPU 使用CMOSCLSI技术高度集成 集采集 控制于一体 第1个CPU为介质访问控制MAC处理器 处理LonTalk协议的第一层和第二层 第2个CPU为网络处理器 处理LonTalk协议的第三层到第六层 第3个CPU为应用处理器 实现LonTalk协议的第七层 执行用户编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务 LonWorks网络上的装置都必须有1个神经元芯片 LonTalk的6层已经在购买的神经元芯片中完成 用户只需编写应用程序 4 LonWorks的操作系统LNS 采用多客户 多服务器结构 提供了功能强大的网络管理平台 完成一系列网络管理功能 通过内含的TCP IP功能 可完成Intranet与Internet Intranet的无缝集成 LNS的分层结构 装置级采用LonWorks 系统级采用TCP IP 允许数据网络与控制网络相互利用彼此信息 5 LonWorks控制系统的特点 系统具有无中心控制的真正分布式控制节点模式 使控制节点尽量靠近被控设备 开放式系统结构 具有良好的互操作性 系统组态灵活 重新构造或修改配置很任意 增加或减少控制节点不必改变网络的物理结构 控制节点间可通过多种通信媒体连接 组网简单 成本大大降低系统整体可靠性高 控制节点故障只影响与其相连的设备 不会造成系统或子系统瘫痪网络通信协议已固化在控制节点内部 节点编程简单 应用开发周期大大缩短 系统总体成本降低 升级改造费用低 比较 CAN主要用于小型 实时性要求比较高的过程控制系统 LONWorks主要适用于大型的 对响应时间要求不太高的分布式控制系统 六 以太网 现在开发设计的微机保护装置一般提供以太网接口 有些处理器内部集成了以太网控制器 6 3网络通信 6 3 2以太网 Ethernet 6 3 2 1以太网的优越性 1 传输速度快 可扩展性好以太网的传输速度有10Mbps系统 100Mbps系统和1000Mbps系统 2 可靠性高 3 成本低 4 网络管理由于以上原因 以太网应用于变电站自动化系统已成为发展的趋势 6 3 2以太网 Ethernet 6 3 2 2介质访问控制协议 多播地址和广播地址 CSMA CD协议 冲突如果不止一个站点同时在以太网信道上传输数据 信号就会发生冲突 但冲突会很快地被解决 例如 在一个典型的10Mbps以太网上 CSMA CD协议的设计保证了大部分冲突都可在微秒即百万分之一秒内被解决 由于这种技术特点 当带宽占用率低于37 时 可以基本避免冲撞 充分满足实时要求 模拟传输点对点 无灵活性可言 且传输的信息量小 适用于全集中式阶段和大RTU方式 基于RS232的传输解决了传输信息量的问题 但仍然是点对点的传输 灵活性差 适用于大RTU的阶段 基于RS485的传输传输信息量大 可以连成网络 但网络的节点数减少 且为主从式 限制了传输的效率 适用于大RTU方式和小规模分布式网络 基于以太网络的传输传输信息量及速度极大 网络连接 平等结构 随着近年基于芯片的系统和光纤传输技术逐渐成熟 在变电站控制领域得到日益广泛的应用 适用于大规模的分层分布式控制系统 基于现场总线的传输信息量较大 网络传输 结点数较多 可靠性大大提高 平等式的结构和优先级的机制保证了重要信息的实时性 但信息传输的速度相对于录波数据传输等要求有差距 适用于中等规模的分层分布式阶段 常用通信规约 IEC60870 5 101远动通信协议标准IEC60870 5 103继电保护信息接口标准UCA2 0 utilitycommunicationarchitecture 变电站和馈线设备通信协议体系 美国电科院 IEC61