第三章 配电网自动化数据通信

机电与自动化学院 何朝阳





3.1 数据通信系统的基本组成 3.2 通信系统的性能指标 3.2.1 有效性指标 3.2.2 可靠性指标 3.3 数据传输方式和工作方式 3.3.1 数据传输方式 3.3.2 通信线路的工作方式 3.4 数据通信的差错检测 3.4.1 差错控制方式 3.4.2 常用检错码 3.5 配电网自动化通信方式 3.5.1 RS-232 3.5.2 RS-485 3.5.3 CAN总线 3.5.4 电力线载波通信 3.5.5 光纤通信 3.5.6 ZigBee 无线传感器网络 3.5.7 GPRS通信 3.5.8 多种通信方式综合应用 3.6 配电网自动化常用的通信规约 3.6.1 电力负荷管理系统数据传输规约 3.6.2 IEC 60870-5-104规约
表3-4 RS-232引脚分配及定义表
引脚 3 2 7 8 6 5 1 4 9 信号名称 发送数据 接收数据 请求发送 清除发送 数据设备就绪 信号地 载波检测 数据终端就绪 振铃指示 信号方向 DTE->DCE DTE<-DCE DTE->DCE DTE<-DCE DTE<-DCE —— DTE<-DCE DTE->DCE DTE<-DCE 简称 TxD RxD RTS CTS DSR GND DCD DTR RI 信号功能 DTE发送串行数据 DTE接收串行数据 DTE通知DCE，它请求发送数据 DCE已切换到接收模式 DCE准备就绪，可以接收数据 公共信号地 DCE接收到远程载波信号，通信链路已连 接 DTE准备就绪 通知DTE,有远程呼叫
噪声电压往往在两根导线上同时出现，一根导线上出 现的噪声电压会被另一根导线上出现的噪声电压抵消，因 而可以极大地削弱噪声对信号的影响。
二、RS-485
规范 最大传输距离 RS-232 15m 20kbit/s ±5 ±15 ±3
1.技术参数
RS-422 1200m（速率 100kbit/s） 10Mbit/s ±2 ±10 ±0.2 RS-485 1200m（速率 100kbit/s） 10Mbit/s ±1.5 ±6 ±0.2
接收端经过译码，能查出码中存在差错，但不 知道差错的确切位置，叫检错译码。 如能判定差错的位置并加以纠正的，叫纠错译 码。
发送端 可检错的码 可纠错的码 可检错的码 判决信号 信息信号 信息反馈信号 可纠错检错的码 判决信号
e)
a）循环传送
图3-5差错控制方式示意图 b）前向纠错 c）要求重传 d）信息反馈
0 1 1 0 0
0 0 0 1 1
0 1 1 0 1
对水平方向的每行进行 奇偶校验，得到一列校 验码元，附在各列之后。
二、数据通信的常用检错码
3. 水平垂直一致校验
m列 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ 水平校 验码元 11 1 0 1 0 1
发送时可以 按行，也可 以按列传送。
l 行
1 1 1 0 1
一、有效性指标
1.数据传输速率
◦ 若单比特信号的传输速率为9600bit/s，则其波特率为 9600 baud，它意味着每秒可传输9600个二进制位。 ◦ 如果每个码元由2个二进制位组成，当传输速率为 9600bit/s时，则其波特率只有4800baud。
在讨论信道特性，特别是传输频带宽度时，通常 采用波特率；在涉及系统实际的数据传输能力时， 则使用比特率。
二、数据通信的常用检错码
5. 循环冗余校验
k位
n位循环码 r 位 （ n-k ）
校验位
（2）CRC校验算法
信息位
5.
循环冗余校验
（2）CRC校验算法
5.
循环冗余校验 （3）软件查表法求CRC字节
5.
循环冗余校验 （3）软件查表法求CRC字节
每一字节与上一字节求得 的余式相加后再查表。
3.5 配电网自动化通信方式
二、RS-485
DI DE
VOA VOB
1.技术参数
≈ ≈
A B
VOD
RO RE
VIA VIB
平衡差分电路是RS-485的最大特点： 接收器的输入电压为A、B这两根导线电压的差值。
DI=1 DI=0
VOA VOB
VOA VOB
VIA VIB 200mV
≈
RO=1 RO=0
VIB VIA 200mV
报文与通信协议都属于通信系统的软件。 把需要传送的信息，包括文本、命令、参数值、 图片、声音等称为报文，是经过数字化后的信息。 通信实体间仅依靠传送的二进制码不能相互理解 信息的内容，还要有一套事先规定、共同遵守的 规约。 通信设备之间控制数据通信与理解通信数据意义 的一组规则，称为通信协议。协议定义了通信的 内容，通信何时进行以及通信如何进行等内容。
二、通信线路的工作方式
A 发送 发送 接收 发送 接收 单向通道 a) 单向通道 b) 双向通道 c) 接收 发送 接收 发送 B 接收
图3-4 几种通信线路的工作方式 a）单工通信 b）半双工通信 c）全双工通信
3.4 数据通信的差错检测
一、差错控制方式
差错控制方式：
发现传输过程中出现的错码,进而加以纠正。
信 息 组 校验和 1
7
1 0 0 1 1 0 1 0 0 0
6
0 0 1 0 1
5
1 1 0 1 0
4
1 0 1 0 1
3
1 0 0 1 1
2
0 1 0 0 0
1
0 1 1 1 1
将校验和附在信息组之后 一起传送 ,溢出位不计， 接收方如何处理？
二、数据通信的常用检错码
5.

循环冗余校验
（1）多项式及其运算
二、通信软件
通信协议的关键要素是语法、语义和时序。 语法是指通信中数据的结构、格式及数据表达的 顺序。
例如一个简单的通信协议可以定义数据的前8位或16位 是发送者的地址，接着的8位或16位是接收者的地址，后 面紧跟着的是要传送的指令或数据等。
语义是指通信帧的位流中的每个部分的含义，收 发双方是根据语义来理解通信数据的意义 。 时序包括两方面的特性：一是数据的发送时间； 二是数据的发送速率。
3.2 通信系统的性能指标
1. 数据传输速率
◦ 在数据通信中常常用时间间隔相同的波形来表示一位二 进制数字。这个间隔被称为码元长度，而这样的时间间 隔内的信号称为二进制码元。 ◦ 同样n进制的信号也是等长的，并被称为n进制码元。
通信系统每秒传输数据的二进制位数被定义为比 特率。单位为bit/s。 把每秒传输码元的数目定义为波特率。单位为 baud。
数据通信是两点或多点之间借助某种传输介质以二进 制形式进行信息交换的过程。将数据准确、及时地传 送到正确的目的地是数据通信系统的基本任务。 数据通信系统实际上是一个软硬件的结合体。
配电网数据一般指与配电网运 行密切相关的数值、状态、指 令等。 开关量、模拟量 数据通信技术主要涉及通信协 议、信号编码、接口、同步、 数据交换、安全、通信控制与 管理等问题。
传输介质 公变采集终端 接收设备
报文 电能表 发送设备
协议
（1）发送与接收设备
1）各种仪器仪表，如：电能表，低压用户抄表采集器， 低压用户抄表集中器等。 2）各种终端单元，如：馈线终端单元FTU，配变终端 单元TTU，配电终端单元DTU等。 3）主站的前置通信处理机。
（2）数据通信传输介质
配电网自动化数据通信系统可以采用无线传输介质，例 如电磁波、红外线等，也可以采用双绞线、电缆、电力线、 光缆等有线介质。
一、数据传输方式
1. 串行传输和并行传输
串行传输具有易于实现，在长距离传输中可靠性高 等优点。它适合远距离的数据通信，但需要收发双方采 取同步措施。 并行传输所需要的传输线多，一般在近距离的设备 之间进行数据传输时使用。 串行传输和并行传输的区别在于组成一个字符或字 节的各数据位是依顺序逐位传输还是同时并行地传输。
二、可靠性指标
误码率是衡量数字通信系统可靠性的指标。它 是二进制码在数据传输系统中被传错的概率，数值 上近似为
P Ne / N e
式中，N为传输的二进制码元总数； Ne为被传输错的码元数。
理论上应有N→∞。实际使用中，N应足够大， 才能把Pe 作为误码率。 采取差错控制，降低误码率。
3.3 数据传输方式和工作方式
多项式中的x仅代表某个 “1”所处的位置 。
8位二进制数可用一个7阶的二进制多项式表示 8位二进制数11000101可表示为 a7 x7 a6 x6 a5 x5 a4 x4 a3 x3 a2 x2 a1x1 a0 x0
A( x) 1 x 7 1 x 6 0 x 5 0 x 4 0 x 3 1 x 2 0 x1 1 x 0 x7 x6 x2 1
二、数据通信的常用检错码
2. 水平一致校验
水平 校验 码元 11 1 0 1 0 1
m列 ①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩
按列发送，先传送第 1列，再送第2列等， 最后送第11列即校 验码。
1 l 1 行 1 0 1
1 1 0 0 1
1 0 0 0 0
0 1 0 1 0
0 0 0 0 1
1 0 1 0 1
1 1 1 0 1
多项式运算必须按照模2运算规则进行， 即异或运算。
例3-1
x x x 1 x 1 x 4 x3 x 2 x
4 3 2
x3 x 1 x 1 x 4 x3 x 2 1 x 4 x3 0 0 x2 1 2 4 3 2 x x x x x 1 x 1 x 1 x 1 4 3 2 x x x 1 0 x5 x 4 x3 x x5 x 2 x 1