配电自动化通信系统PPT课件

精品课件 1 配电自动化的通信系统 第三讲 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配电自动化的通信方式及特点4通信系统应用实例分析 精品课件 2 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 大中型配电自动化及管理系统组成结构 三层结构 1配电自动化通信系统的层次结构 1 1配电自动化及管理系统组成结构 精品课件 3 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同级用电管理系统同级其它系统 变电站自动化系统 中小型配电自动化及管理系统组成结构 精品课件 4 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 精品课件 5 泰安配网自动化主站系统硬件配置示意图 精品课件 6 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 2ME1V 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 2ME1V 35 GPS抢修车调度工作站 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 精品课件 7 1 2配电自动化通信系统的层次 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 精品课件 8 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 精品课件 9 3 终端设备通信 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RS 232接口通常采用RS 485接口 主FTU 从FTU1 从FTU2 主FTU 从FTU1 从FTU2 精品课件 10 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 精品课件 11 1 3配电自动化对通讯系统的要求 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 精品课件 12 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 精品课件 13 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护 精品课件 14 2配电自动化的通信系统的组成及作用 2 1数字通信技术中的几个基本概念2 2数据通信传输方式2 3通信规约2 4调制解调器的作用及原理 精品课件 15 2 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 精品课件 16 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 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N 2 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 精品课件 17 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率 电力系统远动通信中要求误码率小于10 5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 BandWindth 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300 3400Hz 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 精品课件 18 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1 10km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10 8 10 11 精品课件 19 2 2数据通信的传输方式 1 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 精品课件 20 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息 精品课件 21 2 典型数据通信系统的组成数据传输设备 DCE 的主要作用是将数据终端设备 DTE 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 精品课件 22 3 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 精品课件 23 2 3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 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 精品课件 24 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 3 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 精品课件 25 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 精品课件 26 2 4调制解调器的作用和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 精品课件 27 调制的基本原理有一个正弦电压信号u UMaxSin wt 我们可以让正弦波电压的幅值 角频率和初相角随源码信号变化 1 数字调幅ASK amplitudeshiftkeying 2 数字调频FSK frequencyshiftkeying 3 数字调相PSK phaseshiftkeying 精品课件 28 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 精品课件 29 3配电系统自动化的通信方式及特点 精品课件 30 1 电力线载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 1电力线载波通信 精品课件 31 2 载波通信的组成应用 精品课件 32 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 7高频电缆 8高频收发信机 精品课件 33 3 在设计配电线载波通信系统方案时 应明确以下技术问题 随着线路结构的变动 分段开关 联络开关和分支开关的动作 载波信号的衰减情况也要发生变化 在设计时应考虑最坏的情况 随着线路的用电负荷变动 载波信号的衰减情况也要发生变化 一般负荷越重 衰减越严重 在设计时应考虑最坏的情况 不同的用电设备对载波信号的干扰也不同 直接整流环节和高频激励的气体放电灯对载波信号的干扰较大 地埋电缆的线 线 线 地之间的分布电容较大 因此对载波信号的衰减较大 并且频率越高 衰减越大 因此要求在有地埋电缆的线路上 使用较低的载波频率 精品课件 34 配电线载波频率越低 线路衰减越小 受50Hz工频的谐波干扰越强 其频率越高 线路衰减越大 受50Hz工频的谐波干扰越弱 故综合考虑 配电线载波信号的频率范围应为5 40kHz 在衰减可以接受的情况下 使用20 40kHz最佳 因使用的频率较低 耦合滤波器必须在10000pF以上 阻波器和结合滤波器也与PLC不同 因线路分支较多 为降低成本 一般不在各分支上加阻波器 为此必须采取以下措施 载波机采用FSK方式提高抗干扰能力 增大输出功率以提高信噪比和适应范围 具备一定的输出功率裕量 以保证在最不利的情况下满足使用要求 精品课件 35 对一些非常复杂且信号衰减大的线路 或对一些能产生强干扰的分支 应适当加设阻波器以降低信号衰减和减少干扰信号进入载波通道 对于一些在通信距离上满足不了的环网配电线路 可以在其当中适当位置加设阻波器 并将其两侧的线路上的设备信息分别上报给两侧相应的主变电所 如下图所示为较长馈线载波通信系统的组成 精品课件 36 4 电力线载波通信的优缺点 综合上述 配电线载波通信有如下优点和缺点 优点 可以完全为电力公司所控制 因而便于管理 可以沟通电力公司所关心的任何测控点 不需要得到无线电管理委员会 FCC 的许可等 缺点 配电线载波通信系统的数据传输速率较低 容易受到干扰 非线性失真和信道间交叉调制的影响 配电线载波通信系统采用的电容器和电感器的体积较大 价格也较高 精品课件 37 1 光纤的结构与尺寸 3 2光纤通信 精品课件 38 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 光纤的结构 精品课件 39 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 1 m 1 10 6m 最细的光纤其内芯直径通常只有5 10 m 粗一些的光纤其内芯直径为50 100 m 局域网中最常用的光纤是62 5 m 125 m的光纤 其中62 5 m是内芯直径 而125 m是反射层的直径 精品课件 40 2 光纤的类型 多模光纤 MultimodeFiber MMF 光信号不止一种波长 典型的多模光纤尺寸为62 5 m 125 m单模光纤 SinglemodeFiber SMF 光信息只有一种波长 典型的单模光纤尺寸为8 m 125 m 精品课件 41 精品课件 42 3 光纤通信系统 精品课件 43 4 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 精品课件 44 5 光纤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 精品课件 45 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 精品课件 46 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 精品课件 47 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 精品课件 48 精品课件 49 精品课件 50 现场配置模式实例 架空系统 精品课件 51 3 3高频电压脉动控制系统 精品课件 52 信号传送范围可以从高压配电线经柱上变压器或箱式变压器至低压用户端 信号传送特性受谐波和负载端装设的并联电容器影响 频率选择要恰当 50Hz系统多用283 3Hz 60Hz系统多用260Hz 调制方式与传送速度的关系用移幅键控 ASK 方式时低于10bps 用移频键控 FSK 方式时为50 60bps 高频电压脉动控制技术特点 精品课件 53 3 4工频控制技术 工频控制技术的特点 信号发生原理是在工频电源电压过零点附近用晶闸管控制电容放电或通过电感吸收电流产生脉冲波 传送速度是通过在过零点同时传送多个通道脉冲 可以实现很高的传送速度 传送可靠性受负荷阻抗变化的影响 并要注意利用控制相位原理的其他设备所发出的脉冲的干扰 是一种双向通信方式 它也是利用电力传输线作为信号传输途径 并利用电压过零的时机进行信号调制 精品课件 54 工频控制技术的优点和缺点 工频控制技术与脉动控制技术相比 设备更简单 投资更节省 与配电线载波系统相比 工频控制技术不存在由于驻波而带来的盲点问题 同脉动控制技术类似 工频控制技术存在的突出问题是当停电时通信将中断 这妨碍了其应用于配电自动化系统的其它功能中 但是对于自动抄表和负荷控制却不会受到影响 精品课件 55 电话线已被电力公司广泛应用于SCADA和继电保护中 长期的实践证明它是一种成熟的通信方式 单从技术角度看 利用电话线通信是很适合于配电自动化系统的 利用电话线通信可以达到较高的波特率 而且容易实现双向通信 但是电话专线的租用费用往往较高 并且电力公司无法完全掌握电话线通信的维护以确保其可靠运行 3 5电话线通信 专线电话 能传输高达2400bps的数据 但必须支付较高的租金 这种方式适用于对通信速率有较高要求的场合 如FTU TTU与区域工作站之间以及区域工作站或RTU与配电自动化主站间的通信等 公用电话网的拨号电话 代替租用专线可以大大降低使用费用 并且在接通后也能传输达到2400bps的传输速率 但是联通的时间 包括拨号 振铃检测和摘机 较长 尤其是遇上通道忙 一时接不通的情形 因此仅适用于对通信速率要求不高的场合 如远程自动抄表等 精品课件 56 采用电话线的优点和不足 a 优点 采用电话线传输数据利用了电话网的现有资源 因此具有简单 投资少和使用方便等优点 b 不足 传输速率受限 一般在2400bps以内 有的街区从市容角度考虑不允许架线横跨马路 这使得架设电话线困难重重 电力公司无法完全掌握电话线的维护以确保其可靠运行 电话线难以覆盖到许多区域 传输差错率高 误码率往往高达10 3 10 5 传输距离受限制 因为对于长距离传输 由于经多段转接 群延时大 信号畸变严重 为此必须对线路采取均衡措施 拨号电话的接续时间长且有时接不通 精品课件 57 现场总线 FieldBus 是近二十年来发展起来的新技术 它是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输 多分支结构的通信网络 现场总线的特点 全数字化的双向数据传输 智能程度高 可以完成差错控制和一些采集与控制算法 可以具有一定的报文处理能力 拓扑结构灵活 可构成总线型 环形 星形等各种结构 开放式结构 便于设备间互连 3 6现场总线和RS485 精品课件 58 现场总线的一对传输线上可以共线联接多台设备 使现场设备的通信简单化 现场总线采用经打包后的数字信息传输 并具有检错和纠错手段 因而抗干扰能力强 现场总线是开放式系统 它是根据开放互连系统协议 OSI 的七层协议制订的 可根据需要将不同厂商的设备互换互连 还可以共享数据库 采用现场总线的所有厂商都采用统一的组态方法 因而设备便于掌握 2 现场总线的优越性体现在以下几个方面 常用的现场总线 有CANBUS ControllerAreaNetwork LONWORKS LocalOperatingNetworks 和PROFIBUS ProcessFieldBus 等 精品课件 59 它是一种改进的串行接口标准 其接口环节简单且不含CPU 与RS 232C不同 RS 485采用双线传输信号 在发送时采用差分的方式将逻辑电平转换为电位差来传送 在接收时将电位差还原为逻辑电平 RS 485最多可支持64 256个发送 接收器对 最远传输距离为2 5km 9600bps 最高传输速率为2 4Mbps 3 RS 485 精品课件 60 3 7无线通信系统 实践证明无线通信系统在配电自动化中是具有生命力的 无线通信系统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 所有的无线通信系统都能够和停电区域通讯 传统的无线通信系统包括以下几种 1 传统无线通信系