第三章 电力系统远动技术

电力系统远动技术第一部分：信息传输基础第二部分：电力系统远动通信系统简介第三部分：信息传输差错控制原理第四部分：电力系统远动装置功能与结构第五部分：RTU“四遥”单元设计原理第六部分：电力系统远动通信规约数据传输的基本问题收发如何同步?如何保证数据信息正确?存在干扰差错时,如何校验和控制?如何提高信道效率,实现多路复用?通信系统基础信源变换器信道反变换器信宿躁声源mg(t)g’(t)m’s(t)s’(t)通信系统基本模型模拟消息:状态连续变化的消息,如强弱变化的语音数字消息:消息状态量是离散的,如文字信号是消息的一种载体：模拟信号:表达消息的信号对应的表征量是取连续值数字信号:表达消息的信号对应的表征量是取离散值模拟通信系统:传递模拟信号的通信系统数字通信系统:传递数字信号的通信系统通信可分为以下两种：通信的分类(1)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。(2)数字通信一般是指以数字信号的形式传输信号的系统数字通信具有以下特点：1、抗干扰能力强2、便于进行信号加工与处理3、传输中出现的差错(误码)可以设法控制，提高了传输质量4、数字信息易于加密且保密性强。5、能够传输话音、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。3.1.2二进制数字信号通信为了使数字信息在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，使基带信号的功率谱搬移到较高的载波频率上。这种调制称为数字调制。数字调制的三种基本方式：幅度键控(ASK)；频移键控(FSK)；相位键控(PSK)。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态。此种传输信号方式可称为二进制数字信号通信。数字通信传输方式串/并--转换原理发送缓冲区发送数据接收缓冲区接收数据发送时钟接收时钟1111100011111000发送数据发送时钟接收时钟接收数据串--并转换移位寄存器并--串转换移位寄存器通信工作方式发端信道收端单工：单方向传输发端信道半双工：可不同时上下行双向传输收端收端发端发端信道双工：可同时上下行双向传输收端收端发端信道信息传输系统的质量指标1、可用率只要能完成基本功能即可信息传输系统的可用率>调度自动化系统可用率2、误码率即10万个二进制码出现一个误码波特率：码元传输速率比特率：比特（bit），比特率（bit/s）对应信息传输速率二进制中波特与比特含义相同低速：300、600（Bd、bit）高速：900、1200、2400、4800、9600码元二进制0、1

十六进制0~F单位时间内传送的码元（采用二进制码元时为0或1）的个数称为波特（Bd）信息传输系统的质量指标3、传输速率电力系统调度自动化要求：

RTU与调度中心信息传输速率：600~1200bit/s

远程计算机之间信息传输速率：1200~9600bit/s数字通信系统模型信道躁声源调制器信道编码器信源编码器

信息源解调器信源译码器信道译码器

受息者编码器译码器信道译码器：将二进制信号恢复到模拟信号信源编码器:将信息源送出的模拟信号和数字信号转换为符合要求的数码系列信道编码器:给数码系列按一定规则加入监督码（校验码）调制解调器：信道编码器出来的是二进制脉冲信号信道高频信号信道：信号远距离传输的载体，如：电缆、架空线、光纤、微波空间等信源译码器：信道编码器的逆过程，除去监督码获得发送侧的二进制数字序列数码传输的同步...10起始位奇偶校验P1111停止位7位数据第n位字符起始位0第n+1位字符空闲位实质上是在传送一个字符的时间内收发两端保持同步，其他时间可以是异步。效率低异步传输方式传送一个8位字符异步传输方式（起止同步）数码传输的同步数据时钟起始位8161616123456123456起始位数据时钟异步数据接收原理接收时钟频率太高正确接收的条件：在整个数据单元中，时钟累积误差不超过半个码元长度数码传输的同步同步通信的特点是收发端的时钟严格一致，使得接收时钟与接收码元间无误差积累问题，可以省略附加码元，提高传输效率。数码传输的同步位同步滤波法远动中采用单极性不归0信号。接收到的信号首先经过放大限幅环节形成数字方波，然后经微分、整流环节形成尖脉冲信号，由窄带滤波器提取基频信号，最后经移相电路产生位同步脉冲。电路简单，但当信号中有连续的0或1时，由于码元波形无变化，可能造成位同步中断。锁相法在接收端利用鉴相器，比较接收到的码元与本地产生的位同步的相位。若二者不一致，则鉴相器产生一个调制脉冲去调制本地位同步信号的相位，直到与接收码元的相位一致为止。数字式远动信息的传输过程遥测编码器交流采样遥信编码器开关量信道编码器并串变换调制器信道解调器串并变换译码器计算机干扰遥控执行遥调执行译码器串并变换解制器信道调制器并串变换编码器遥控\遥调干扰RTU前置机电力系统传输信道

电力系统传输信道电力载波通信电话话路频率范围：远动信号电话远动信号电话远动与载波电话复用电力载波的信息传输系统图ABCABC1、远动与载波电话复用电力载波通道载波机调制解调载波机调制解调电力系统传输信道光纤信道优点：a)可利用的频带宽通信量大；

b)抗电磁干扰能力强；

c)通信道两端实现完全电隔离；

d)损耗小中继距离长；

e)容易多根敷设。电力系统传输信道微波通信2GHz电力系统微波传输主干线8GHz分支线11GHz近距离的局部系统微波信息传输系统的构成示意图2、无线通信50m高微波塔覆盖50km，频率范围300MHz~300GHz电力系统传输信道卫星通信卫星通道的频段为上行5925～6425MHz，下行为3700～4200MHz。

散射通信通信距离长，可达200～300km，可跨越山地，但是需要经过其他通信方式转接到调度中心。该方式适合地域广大的山区。短波通信检修通信的良好方式。它比较适合传输话音信号

调制和解调基带传输直接传输基带信号称为基带传输调制远距离传输不能直接传输基带数据，需要使用频带较窄的正弦波作为载波，用基带信号对载波的某些参量进行控制，使这些参量随基带信号变化，该过程称为调制。

基带信号

数据终端设备送出的原始数据信号一般是频率很低的信号，其能量或功率集中在0频率附近，并具有一定的频率范围，这样的信号称为基带信号。三种基本形式的数字调制，这就是数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制，振幅键控(ASK)、频率键控(FSK)和相位键控(PSK)★用基带数字信号对正弦载波的幅度进行调制(控制)称为振幅调制，也叫做振幅键控(ASK)；★用基带数字信号对正弦波的频率进行调制(控制)称为频率调制，也叫做频移键控(FSK)；★用基带数字信号对正弦波的相位进行调制(控制)称为相位调制，也叫做相移键控(PSK)。1.振幅键控(ASK)2.频率键控(FSK)3.相位键控(PSK)相位键控分为绝对移相和相对移键控相两种，以上讲述的是绝对移相键控，可记为CPSK，它是利用载波不同相位直接来表示数字基带信号。假设前后相邻码元的载波相位差为ΔΦ，可定义一种数字信息与ΔΦ之间的关系为3.2.3现场（Fieldbus

）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。以现场总线为基础的现场控制层，其网段与工厂现场设备连接，是工厂信息网络集成系统的底层，所以说现场总线是工厂底层网络。(1)现场仪表具有综合管理功能。使用现场总线不但可以传输采集的信息值，而且还可以传输很多用于设备管理的信息。(2)系统控制功能的自律分散。现场仪表具有高层次功能，在某种程度上承担了系统仪表的控制功能。(3)系统控制功能的下移。现场仪表的高功能化以及控制功能的分散化。现场总线定义了三个层次：(1)物理层。定义信号如何发送，其从上层接收编码信息并在现场总线传输媒体上将其转换成物理信号，亦可以进行相反的过程。(2)通信层。定义设备间网络如何被共享和调度，它控制信息通过物理层传输到现场总线，同时通过链接活动调度器(用来规定确定信息的传输和批准设备间数据的交换)连接到现场总线。并且此层负责对用户层命令进行编码和解码。(3)用户层。定义了一个利用资源模块、转换模块、系统管理和设备描述等技术的功能模块应用过程。3.2.4局域网信息传输局域网(LocalAreaNetworks，LAN)是把多台小型、微型计算机以及外围设备用通信线路互联起来，并按一定的网络通信协议实现通信的系统。节点：有两种，一种是转接节点，支持网络的连接，通过连接的链路来转接信息，如集中器、转接中心等；另一种是访问节点。除了连接的链路以外，还有计算机和终端设备，也称为端点。链路：是两个节点之间承载信息流的线路或信道。单位时间内可以连接的最大信息量，称为链路容量。通常链路有电话线路、光缆、微波连接等。主机：负责处理数据和网络控制，同时还执行网络协议。终端：是用户进行网络操作时使用的设备。局域网的典型拓扑结构有星(star)形、环(ring)形、总线(bus)形和树(tree)形3.3信息传输差错控制原理3.3.1信息传输差错控制的必要性

对于模拟信号而言，信号波形会发生畸变，引起信号失真，并且信号一旦失真就很难纠正过来，因此，在模拟系统中只能采取各种抗干扰、防干扰措施,尽量将干扰降到最低程度以保证通信质量。而数字系统对干扰或信道特性不良的宽容度比模拟系统大。但是当干扰超过系统的限度就会使数字信号产生误码，从而引起信息传输错误。3.3.2差错控制方式

差错控制编码的基本思想就是在数字信号序列中加入一些冗余码元，这些冗余码元不含有通信信息，但与信号序列中的信息码元有着某种制约关系，这种关系在一定程度上可以帮助人们发现或纠正在信息序列中出现的错误，也就是误码，从而起到降低误码率的作用。数据传输的差错控制技术抗干扰编码可检测和不可辨识：00－开；11－合可检测和可辨识：000－开；111－合不可检测和辨识：0－开；1－合多种编码方法3.3.3差错控制的实现途径数字通信中码元的错误大致有两类：随机错误和突发错误(1)随机错误。由随机噪声引起的码元错误，其特点是码元中任意一位或几位发生从0变1或从1变0的错误是相互独立的，彼此之间没有联系，一般不会引起成片的码元错误。(2)突发错误。由突发噪声引起的码元错误，比如，闪电、电器开关的瞬态、磁带缺陷等都属于突发噪声。必须在信息码序列中加入监督码元才能完成检错和纠错功能，其前提是监督码元要与信息码之间有一种特殊的关系。几种常用的检错码有如下几种：(1)奇偶监督码。这是一种最简单也是基本的检错码，又称奇偶校验码。编码方法是把信息码元先分组，在每组最后加一位监督码元，使该码中1的数目为奇数或偶数，奇数时称为奇校验码，偶数时称为偶校验码，统称奇偶校验码。(2)二维奇偶监督码。二维奇偶监督码又称方阵码，它是在上述奇偶校验码的基础上形成的。将奇偶校验码的若干码组排列成矩阵，每一码组写成一行，然后再按列的方向增加第二维校验位。(3)重复码。重复码是在每位信息码元之后，用简单重复多次的方法编码，例如重复两次时，用111传输1码，用000传输0码。(4)恒比码。恒比码是从某确定码长的码组中挑选那些1和0的比例为恒定值的码组作为许用码。在检测时，只要计算接收码组中1的数目是否正确，就可知道有无错误。3.4电力系统远动装置功能与结构3.4.1远动装置概述

远动是电网调度自动化系统的重要组成部分。远动系统的主要任务是将厂站的实时运行信息送给调度控制中心；把调度的控制、调节等命令送给厂站执行。遥信、遥测、遥控和遥调是远动的基本功能。远动系统的数据采集、数据处理等功能可以用不同的方法来实现，例如用布线逻辑方法，这是将数字逻辑电路按预定的要求，用固定的布线连接起来，各部分电路在时序的配合下按顺序协同工作，实现预定的功能。要实现电网调度自动化，首先要采集实时数据，进行监视和控制，所以电网调度自动化的基本组成部分是数据采集和监控系统，即SCADA系统。

远动终端(RemoteTerminalUnit，RTU)是电网监视和控制系统中安装在发电厂或变电站的一种远动装置，简称RTU。RTU在电网监控系统中如图3.15所示。

远动技术是一门综合性的应用技术，其基本原理包括数据传输原理、编码理论、信号转换技术原理和计算机原理等。远动系统由厂站端、通道和调度端组成。3.4.2远动装置功能

电力系统是由发电厂、变电站及输电线路等组成，并由调度控制中心对全系统的运行进行统一的管理。电力系统远动的主要任务是：①将表征电力系统运行状态的各发电厂和变电所的有关实时信息采集到调度控制中心；②把调度控制中心的命令发往发电厂和变电站，对设备进行控制和调节。用远程通信技术传送被测参量的测量值称为远程测量，简称遥测(YC)。对状态量进行远程监视称为远程信号，简称遥信(YX)。对于具有两个确定状态的运行设备进行操作的远程命令称为远程控制，简称遥控(YK)。对于具有两个以上状态的运行设备发出的远程命令称为远程调节，简称遥调(YT)。遥测、遥信、遥控和遥调是远动系统的四项基本功能，在我国常称之为四遥。RTU原理框图如图3.17所示。3.4.4远动装置的软件结构远动装置的软件由一个主管理系统程序和多个子系统程序组成，每个子系统中的运行相应于系统的软件，这些软件都包括一个主程序和一个或多个中断服务程序。主控系统软件主要包括与子系统的通信程序、与调度中心的通信程序、数据处理程序以及人机联系程序。多个从系统运行各自的程序，主、从系统协调工作，共同完成RTU功能所指定的任务。其结构如图3.18所示。3.5RTU“四遥”单元设计原理3.5.1遥测量采集单元设计

反映系统运行状况实时需监测的变化量均属遥测信息，主要包括模拟量、数字量和脉冲量。1.模拟遥测量的采集模拟量分为电量和非电量两种。电量指的是一次系统中母线电压、支路(输电线和变压器)电流、支路有功和无功等，非电量指的是发电机定子和转子的温度、水库的水位等。弱电模拟信号经多路开关控制分时接入模/数(A/D)转换电路，经A/D转换电路后转换成一组二进制代码。这组二进制代码与转换的模拟量之间构成线性一一对应义系，其结构框图如图3.19所示。对遥测量的采集，除A/D转换方式之外，还有电压－频率转换技术(VFC)，同样可使模拟量转换为微机能够识别的信号。其原理是将输入的电压模拟量线性地变换为数字脉冲式的频率，使产生的脉冲频率正比于输入电压的大小，然后在固定的时间内用计数器对脉冲数目进行计数，供CPU读入，原理框图如图3.20所示。2.数字遥测量的采集对于数字式仪表(如数字式水位计、数字式频率计等)，由于提供的测量结果已是数字量，不必进行模数转换，可直接进入计算机。对于数字遥测量的采集可以对输入的数字量，经必要的电平匹配和隔离等以后，用三态门或并行口直接取入数据。3.脉冲遥测量的采集脉冲电能表发出的脉冲是经光电隔离采用集电极开路形式输出，因此信号的提取需外加电源，原理如图3.21所示。3.5.2遥信量采集单元设计

遥信信息用来传送断路器、隔离开关的位置状态，传送继电保护、自动装置的动作状态，以及系统、设备等运行状态信号，如厂站端事故总信号，发电机组开、停状态信号以及远动终端、通道设备的运行和故障等信号。1)断路器状态信息断路器的合闸、分闸位置状态决定若电力线路的接通和断开，断路器状态是电网调度自动化的重要遥信信息。2)继电保护动作状态信息

采集继电保护动作的状态信息，就是采集继电器的触点状态信息，并记录动作时间，对调度员处理故障及事后的事故分析有很重要的意义。其同样利用继电器辅助触点引出信号。3)事故总信号信息发电厂或变电站任一断路器发生事故跳闸，就将启动事故总信号。事故总信号用以区别正常操作与事故跳闸，对调度员监视系统运行十分重要。事故总信号的采集同样是触点位置的采集。4)其他信号信息遥信采集单元最常用的利用光耦合器作为开关量遥信信息采集的电路如图3.22所示。其中，S为被监测设备开关量的辅助触点。3.5.3遥控量输出单元设计遥控输出通常以继电器触点方式提供；继电器一方面可起到信号隔离作用；另一方面可以直接接入控制回路，控制回路中信号的通断，若提供的继电器触点容量不够时，还可再接入一级中间继电器。运行时，通过软件使并行口的PB0输出“0”，PB1输出“1”，输出通道即可控制继电器触点动作，原理如图3.23所示。继电器输出提供的是空触点，将这对主触点串入某一回路，其作用类似于一个开关。在电力系统中，遥控的主要对象为断路器，其合闸操作和跳闸操作，分别由合闸回路和跳闸回路控制，如图3.24所示。YKH、YKT即为上述继电器输出之触点。

遥调量输出电路的作用是把微机系统输出的调节数字量信号转换成模拟量之后，经放大驱动对生产现场设备进行调节，框图如图3.25所示。3.5.4遥调量输出单元设计

与遥控不同，遥调是一个连续作用的调节过程。由于电网的运行状态在随时变化，为了使电网运行达到预定的指标，就必须适时地下达调节命令，控制电网的运行状态。（四）通信规约远动通信规约分为循环式（CDT）、问答式（Polling）两种通讯规约是指RTU等数据采集终端输出或输入的数据帧格式，即发送方和接收方通讯所共同遵守的规则和约定

远动规约的制定，有助于各个制造厂制造的远方终端设备可以接入同一个安全监控系统。尤其在调度端(主站端)采用微型机或小型机作为安全监控系统的前置机的情况下，更需要统一规约，使不同型号的设备能接入同一个安全监控系统。它还有助于制造设备的工厂提高工艺质量，提高设备的可靠性，因而提高整个安全监控系统的可靠性。3.6电力系统远动通信规约3.6.1RTU与调度中心通信的特点RTU与调度中心之间的通信是一个不可缺少的环节。RTU与调度中心之间通信有特点：1)距离远2)实时性强国际电工委员会(IEC)建议的最大允许时延是：命令信息为0.1s～2s；状态变化、事件信息为1s～5s；正常遥测遥信为2s～10s；存储数据为1min～5min。3)可靠性高在RTU与调度中心之间传送的遥测和遥信信息是实现电网运行监视的基础信息，也是安全分析的依据。

循环式远动规约是以厂站端RTU为主动端不断循环向调度中心上报现场数据的远动数据传输规约。此方式有以下特点：①数据格式在发送端与接收端事先约定好，按时间顺序连续循环发送；②允许多个从站和多个主站间数据传送，但必须采用全双工通道，且只能采用点对点方式连接；③重要数据发送周期短，实时性强，一般数据发送周期长，主站对其响应慢；④采用信息字校验方式，当某个字符出错时，只需丢弃相应的字，其他可以正常接收；⑤数据传送以现场端为主，因此若发生暂时性通信失败，当通信恢复时，为发出的数据仍有机会上报，而不至于造成显著危害；⑥循环式较应答式规约容量大，可传送512路遥信量，256路遥测量。

问答式规约是以调度中心为主的远动数据传输规约。此方式优点如下：①允许多台RTU以共线的方式共用一个通道，提高通道利用率；②采用变化信息传送策略，大大压缩数据块长度，提高传送速度；③通道适用性强，可采用半双工，一点多址等结构。缺点表现为：①由于需要询问，因此主站对数据的采集速度较慢；②由于采用变化信息传送方式，对信道的要求高；一次通信失败会影响后续信息；③采用整帧校验，数据多出错几率大，且若出错就丢失整帧，信息丢失量大；④出错弃帧后须经重新询问RTU才重发出错信息。（1）循环式远动通信协议同步字：3组EB90H码，48位控制字：说明本帧的类别、信息字节的长度、传送的源地址、目的地址等。信息字携带具体的远动数据。帧中可以没有信息字。每种字都是6个字节48位CDT(CyclicDigitalTransmit),时钟严格同步（2）循环式远动通信协议E：扩展位,E=0是本协议定义的帧类别，E=1帧类别可以另外定义L：帧长定义，L=1表示有信息字；上行信息：S=1:源站地址有内容，源站地址代表子站号；D=1：目的站代表主站号下行信息：S=1:源站地址有内容，源站地址代表主站号；D=1：目的站代表子站号D=0:代表广播令校验码：

控制字内容（3）循环式远动通信协议代码上行E=0下行E=061H重要遥测(A帧)遥控选择C2H次要遥测(B帧)遥控执行B3H一般遥测(C帧)遥控撤销F4H遥信状态(D1帧)升降选择85H电能脉冲计数值(D2帧)升降选择26H事件顺序纪录(E帧)升降撤销帧类别码定义57H设定命令7AH设置时钟0BH设置时钟校正值4CH召唤子站时钟3DH复归命令9EH广播命令（4）循环式远动通信协议功能码校验码信息数据b7b0信息字通用格式

上行信息的优先级排列顺序和传送时间要求如下：子站收到主站的召唤子站时钟命令后，在上行信息中优先插入两个返送信息字，即子站时钟信息字和等待时间信息字，插入传送一遍；变位遥信和子站工作状态变化信息、以信息字为单位优先插入传送，连送三遍，并要求在1s内达到主站；遥控、升降命令的返送校核信息，以信息字为单位插入传送，连送三遍。2.问答式(polling)远动规约简介按照问答式远动规约DL/T634－97要求，其帧格式有两种：可变帧长帧格式和固定帧长帧格式。问答式远动规约报文格式

主站－>子站子站－>主站RTU地址报文类型数据长度N数据……校验码校验码RTU地址ER报文类型数据长度N类别标志数据……校验码校验码RTU地址：目的站地址。FFH作为广播地址报