第三章配电网自动化数据通信课件

13 七月 2024第三章配电网自动化数第三章配电网自动化数据通信据通信01 八月 2023第三章配电网自动化数据通信13.1 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-2323.5.2 RS-4853.5.3 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规约第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信3.1 数据通信系统的基本组成第三章 配电网自动化数据通信2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。电能表公变采集终端协议报文发送设备接收设备传输介质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。第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信3.1 数据通信系统的基本组成 数据通信是两点或多点之间借3（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。第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信一、数据通信硬件（1）发送与接收设备 第三章 配电网自动4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。第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信二、通信软件 报文与通信协议都属于通信系统的软件。第三章 5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。二、通信软件二、通信软件 第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信通信协议的关键要素是语法、语义和时序。二、通信软件 第三章 63.2 3.2 通信系统的性能指标通信系统的性能指标1.1.数据传输速率数据传输速率 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。第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信3.2 通信系统的性能指标一、有效性指标1.数据传输速率71.1.数据传输速率数据传输速率 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。一、有效性指标一、有效性指标第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信1.数据传输速率 一、有效性指标第三章 配电网自动化数据通8一、有效性指标一、有效性指标2.2.频带利用率频带利用率单位频带内的传输速度。单位为bits-1 Hz-1，即每赫兹带宽所能实现的比特率。3.3.协议效率协议效率 协议效率是指所传输的数据包中的有效数据位与整个数据包长度的比值。4.4.通信效率通信效率数据帧的传输时间同用于发送报文的所有时间之比。用于发送报文的所有时间包括竞用总线或等待令牌的排队时间，数据帧的传输时间，以及用于发送维护帧等的时间之和。第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信一、有效性指标2.频带利用率第三章 配电网自动化数据通信9二、可靠性指标二、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。第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信二、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10一、数据传输方式一、数据传输方式1.1.串行传输和并行传输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。3.3 3.3 数据传输方式和工作方式数据传输方式和工作方式第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信一、数据传输方式1.串行传输和并行传输3.3 数据传输方112.同步传输与异步传输同步传输与异步传输在同步传输中，所有设备都使用一个共同的时钟。传输的每个数据位只在时钟信号的上升沿或者下降沿之后的一个规定的时间内有效。需要一条额外的线来传输时钟信号。在异步传输中，每个通信节点都有自己的时钟信号，每个通信节点必须在时钟频率上保持一致，并且所有的时钟必须在一定误差范围内相吻合。当传输一个字节时，通常会包括一个起始位来同步时钟。一数据帧往往包含帧头和帧尾，用于同步。同步方式比异步方式传输效率高，适合高速传输的要求。一、数据传输方式一、数据传输方式第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信2.同步传输与异步传输同步方式比异步方式传输效率高，适合高12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）全双工通信二、通信线路的工作方式二、通信线路的工作方式第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信图3-4 几种通信线路的工作方式二、通信线路的工作方式第三章13差错控制方式：发现传输过程中出现的错码,进而加以纠正。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。3.4 3.4 数据通信的差错检测数据通信的差错检测一、差错控制方式一、差错控制方式第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信差错控制方式：3.4 数据通信的差错检测一、差错控制方式第14图3-5差错控制方式示意图 a）循环传送 b）前向纠错 c）要求重传 d）信息反馈 e）混合纠错第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信常用的差错控制方式 图3-5差错控制方式示意图 第三章 15二、数据通信的常用检错码二、数据通信的常用检错码 1.1.奇偶校验奇偶校验 在数码后面附上一位奇偶校验位。若附上奇偶校验位后使形成的数码中“1”的个数为偶数，就称为偶校验。如果使“l”的个数为奇数，则称为奇校验。例如：数码1100111中“1”的个数为奇数，采用偶校验时在数码后面附上偶校验位“1”，成为数码l1001111，使“1的个数为偶数。发生2个、4个等偶数个差错，接收端就无法检出。第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信二、数据通信的常用检错码 1.奇偶校验第三章 配电网自动16二、数据通信的常用检错码二、数据通信的常用检错码2.2.水平一致校验水平一致校验 m列 水平校验码元 11l行1110011000110100110110000111010001000010110011101110101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。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。第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信二、数据通信的常用检错码2.水平一致校验 水平校验码元 17二、数据通信的常用检错码二、数据通信的常用检错码m列 水平校验码元 11 l 行1110011000110100110110000111010001000010110011101110101垂直校验码元0110110001发送时可以按行，也可以按列传送。方框所标的4处同时发生的差错亦无法检出。3.3.水平垂直一致校验水平垂直一致校验 第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信二、数据通信的常用检错码m列水平校验码元 11 l111018二、数据通信的常用检错码二、数据通信的常用检错码与码元对应的权87654321 信 息 组 10011100 01010011 00101001 10010101校验和 110101101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？4.4.校验和校验和 第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信二、数据通信的常用检错码与码元对应的权87654321 19多项式运算必须按照模2运算规则进行，即异或运算。二、数据通信的常用检错码二、数据通信的常用检错码5.5.循环冗余校验循环冗余校验（1 1）多项式及其运算）多项式及其运算 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 多项式中的x仅代表某个“1”所处的位置。第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信多项式运算必须按照模2运算规则进行，即异或运算。二、数据通20例3-1第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信例3-1第三章 配电网自动化数据通信21二、数据通信的常用检错码二、数据通信的常用检错码n位循环码 k位r位（n-k）信息位校验位5.5.循环冗余校验循环冗余校验（2 2）CRCCRC校验算法校验算法第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信二、数据通信的常用检错码n位循环码 k位r位（n-k225.5.循环冗余校验循环冗余校验（2 2）CRCCRC校验算法校验算法第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信5.循环冗余校验第三章 配电网自动化数据通信235.5.循环冗余校验循环冗余校验 （3 3）软件查表法求）软件查表法求CRCCRC字字节节第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信5.循环冗余校验（3）软件查表法求CRC字节第三章 245.5.循环冗余校验循环冗余校验 （3 3）软件查表法求）软件查表法求CRCCRC字字节节每一字节与上一字节求得的余式相加后再查表。第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信5.循环冗余校验（3）软件查表法求CRC字节每一字节与25常见的DTE有馈线监控终端、专变采集终端、负荷控制管理终端、抄表集中器和抄表采集器等；常见的DCE有调制解调器、GPRS模块、载波机和光端机等；常见通信介质有双绞线、网线、光纤及无线电波等。3.5 3.5 配电网自动化通信方式配电网自动化通信方式第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信数据通信系统构成常见的DTE有馈线监控终端、专变采集终端、负26第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信引脚信号名称信号方向简称信号功能3发送数据DTE-DCETxDDTE发送串行数据2接收数据DTEDCERTSDTE通知DCE，它请求发送数据8清除发送DTE-DCECTSDCE已切换到接收模式6数据设备就绪DTE-DCEDSRDCE准备就绪，可以接收数据5信号地 GND公共信号地1载波检测DTEDCEDTRDTE准备就绪9振铃指示DTE-DCERI通知DTE,有远程呼叫表表3-4 RS-232引脚分配及定义表引脚分配及定义表 第三章 配电网自动化数据通信一、RS-232引脚信号名称信27图5-9 RS-232连接的最简单形式 对于数据，逻辑“1”的传输电平为-3V-15V，逻辑“0”的传输电平为+3V+15V。对于控制信号，接通状态即信号有效的电平为+3V+15V，断开状态即无效信号的电平为-3V-15V。当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来；而介于-3V+3V之间的电压，CPU可能得到0，也可能得到1。第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信图5-9 RS-232连接的最简单形式 对于数据，逻辑28DI=1RO=1 DI=0RO=0 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。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、二、RS-485 RS-485 1.1.技术参数技术参数第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信DI=1RO=1 DI=0RO=0 平衡差分电路是RS-429表表3-7 RS-485、RS-422、RS-232的主要技术参数的主要技术参数规范RS-232RS-422RS-485最大传输距离15m1200m（速率100kbit/s）1200m（速率100kbit/s）最大传输速率（距离12m）20kbit/s10Mbit/s10Mbit/s驱动器最小输出/V521.5驱动器最大输出/V15106接收器敏感度/V30.20.2传输方式单端差分差分二、二、RS-485 RS-485 1.1.技术参数技术参数第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信表3-7 RS-485、RS-422、RS-232的主要30二、二、RS-485RS-485（1 1）网络拓扑）网络拓扑由一个主节点对RS-485总线的占用进行管理，任一时刻都只允许一个节点向总线发送报文。所有从节点只有在得到主节点许可的条件下才能有发送报文的机会。从节点与从节点之间不能直接通信。2.网络连接网络连接第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信二、RS-485（1）网络拓扑2.网络连接第三章 配电网自31AB（输出）RO0001200mV200mV200mV（AB）200mV10High-Z（2 2）偏置电路）偏置电路串行数据一个字节发送完后，必须保持高电平的空闲位，直到新字节的起始位开始发送。若没有偏置电路，通信线路空闲时DE=0，发送器输出端呈高阻态，UIA-UIB=0V，RO状态不确定。二、二、RS-485RS-4852.网络连接网络连接第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信AB（输出）RO0200mV1（2）偏置电路二、RS-32（2 2）偏置电路）偏置电路第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信（2）偏置电路第三章 配电网自动化数据通信33二、二、RS-485 RS-485 2.2.网络连接网络连接（3）电气隔离采用光电耦合的方式实现信号隔离。（4）屏蔽与接地屏蔽层通常一点接地。不要求RS-485网络一定要采用屏蔽电缆，非屏蔽电缆在许多RS-485网络中也得到了成功的运用。（5）浪涌保护采用瞬态电压抑制二极管及限流电阻进行保护。第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信二、RS-485 2.网络连接（3）电气隔离第三章 34CAN是现场总线的一种。CAN协议实现ISO/OSI模型的物理层和数据链路层。CAN可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络其他节点发送信息。网络上各节点可以定义不同的优先级以满足不同的实时要求，CAN采用非破坏性总线仲裁技术。CAN总线的节点数实际值为110个。直接通信距离为10km/5kbit/s，40m/1Mbit/s。传输介质为双绞线或光纤。CAN总线采用短消息报文，每帧有效字节数为8个，受干扰概率低，受干扰重发所用的时间也较少，并采用冗余校验CRC及其他校错措施，保证了极低的信息出错率。第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信三、CAN总线CAN是现场总线的一种。CAN协议实现ISO/35CAN总线配电网自动化工程中的应用。图3-15 环网柜FTU结构图三、三、CANCAN总线总线第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信CAN总线配电网自动化工程中的应用。图3-15 环网柜FT36四、电力载波通信四、电力载波通信结合滤波器是与耦合电容器配合将载波信号耦合到馈线上去，并抑制干扰进入载波机的设备。第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信将载波设备与馈线上的高电压、操作过电压及雷电过电压等隔开，以防止高电压进入通信设备，同时使高频载波信号能顺利地耦合到馈线上。四、电力载波通信结合滤波器是与耦合电容器配合将载波信号耦合到37图5-16 结合滤波器的组成第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信图5-16 结合滤波器的组成第三章 配电网自动化数据通信38低压电力线载波信道具有衰减较大，线路阻抗变化大，高噪声等传输特性，使其成为不理想的通信媒介。为了提高通信的可靠性和有效性，一方面可以辅助性地采取一些措施，如增加发射信号功率、提高接收设备灵敏度以及采用合适的耦合电路及新的载波信号检测方法。另一方面是采用合适的调制技术或中继技术。第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信低压电力线载波低压电力线载波信道具有衰减较大，线路阻抗变化大39 1.SDH 1.SDH主干网络主干网络 光纤同步数据体系SDH（Synchronous Digital Hierarchy）SDH可把2Mbit/s直接复接入140Mbit/s，不必逐级进行。每个2Mbit/s口还可以分接为64路64kbit/s串行同步口或9.6kbit/s串行异步口。复接、分接方便。五、光纤通信五、光纤通信第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信 1.SDH主干网络 五、光纤通信第三章 配402.2.光纤以太网光纤以太网利用光纤介质实现以太网通信，从而构成光纤以太网通信方式。图3-19 配电子站到主站的点对点光纤以太网连接示意图 此时配电子站可以看成是“挂”在局域网延伸网线上的一个工作站。五、光纤通信五、光纤通信第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信2.光纤以太网图3-19 配电子站到主站的点对点光纤以太网412.2.光纤以太网光纤以太网图3-20 终端到配电子站的链状光纤以太网连接示意图 多个终端可以“挂在”同一个交换机下面并通过交换机与光端机连接，或通过10Base-T的“T”形接线方式构成“总线”并直接与光端机连接。光端机和配电子站都连接到交换机上 第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信2.光纤以太网图3-20 终端到配电子站的链状光纤以太网连接423.3.串行异步光纤环网串行异步光纤环网图3-22 配电终端到子站的8+1通道光纤自愈环连接示意图 利用RS-232或RS-485串行异步接口接入光纤环网的通信方式为串行异步光纤环网,具有“自愈”和“网管”功能。第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信3.串行异步光纤环网图3-22 配电终端到子站的8+1通43采用了时分复用技术，在同一对光纤上复用出多个独立的逻辑通道，每一个逻辑通道相当于一个普通光端机通道。一种8+1通道光端机可在同一对光纤环上复用出8个57.6K的数据口和1个9.6K的网管口。3.3.串行异步光纤环网串行异步光纤环网第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信采用了时分复用技术，在同一对光纤上复用出多个独立的逻辑通道，44主馈线上的光端机常使用两芯光纤构成两个光方向的自愈主环，而分支线路上的光端机则可以通过主环四光口光端机提供的另外两个光方向就近接入，这就是交叉连接的组网方式。在主环里增加一个热备用主节点光端机，当某一个变电站子站、主节点光端机出现故障或检修停运时，立即启动工作，成为光纤环的主节点，不中断整个通信网的正常通信。图3-24 终端到子站的光纤自愈环交叉连接和热备方式示意图 第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信主馈线上的光端机常使用两芯光纤构成两个光方向的自愈主环，而分45无源光纤网络EPON是基于以太网但光的传输及分配无需电源的光纤通信网络。始于20世纪90年代中期，经过十多年的发展已走向大规模商用。EPON设备：线路侧设备OLT（Optical Line Terminal）、中间无源分光设备POS（Passive Optical Splitter）、用户侧设备ONU（Optical Network Unit）。3.3.无源光纤网络无源光纤网络第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信无源光纤网络EPON是基于以太网但光的传输及分配无需电源的光46采用“单纤双向”技术，主干线路只需要一芯光纤，通过无源分光设备，最大可以辐射出64路光信号。图5-25 EPON系统构成3.3.无源光纤网络无源光纤网络 （1 1）EPONEPON的技术特点的技术特点第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信采用“单纤双向”技术，主干线路只需要一芯光纤，通过无源分光设47分路器分路器User 1User 2User 332212111222311222Time Slot（时隙）3OLT局局 端端ONU 2ONU 3ONU 1上行传输主要特征上行传输主要特征时分复用时分复用(TDMA)，按时隙发送，按时隙发送数据在属于自己的时隙里传输数据在属于自己的时隙里传输光信号在分光器处进行耦合光信号在分光器处进行耦合冲突检测与避免冲突检测与避免 每个每个每个每个ONUONUONUONU在各自预定时隙发送光信号。在各自预定时隙发送光信号。在各自预定时隙发送光信号。在各自预定时隙发送光信号。所有所有所有所有ONUONUONUONU的光信号通过的光信号通过的光信号通过的光信号通过ODNODNODNODN采用时分复用采用时分复用采用时分复用采用时分复用合成。时隙的预定靠合成。时隙的预定靠合成。时隙的预定靠合成。时隙的预定靠OLTOLTOLTOLT与与与与ONUONUONUONU的距离判的距离判的距离判的距离判定分配定分配定分配定分配 ONUONUONUONUOLTOLTOLTOLT通信示意图通信示意图通信示意图通信示意图3.3.无源光纤网络无源光纤网络第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信分路器User 1User 2User 332212111248分光器User 1User 2User 322132213221322133221OLT局局 端端ONU 1ONU 2ONU 3 OLTOLTOLTOLTONUONUONUONU通信示意图通信示意图通信示意图通信示意图下行数据传输主要特征下行数据传输主要特征点对多点广播式传输点对多点广播式传输ONUONU端口地址被用作数据包端口地址被用作数据包IDID用户只能获取属于自己的数据包用户只能获取属于自己的数据包 PONPON网络中，网络中，每个ONU可以接受到OLTOLT所有下行数据所有下行数据，但ONU只根据下行数据的标识信息下行数据的标识信息接收属于自己的数据，丢弃其他的数据丢弃其他的数据3.3.无源光纤网络无源光纤网络第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信分光器User 1User 2User 322132213249（2 2）EPONEPON组网优势组网优势 光传输不需要额外电源，随着接入节点的增加，只需要相应增加分光器和ONU即可。可提供高带宽。1.25Gbit/s带宽，覆盖半径可达20km。各ONU与局端OLT设备之间是并联通信关系，任何一个ONU或多个ONU故障，不会影响其他ONU及整个通信系统的稳定运行，采用AES-128进行加密，保证数据的安全。3.3.无源光纤网络无源光纤网络第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信（2）EPON组网优势 3.无源光纤网络第三章 配电网自动50图5-26 EPON网络结构a）基础树形 b）主干保护树形 c)全冗余保护树形 d）总线型（链型）e）全保护总线型（链型）第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信图5-26 EPON网络结构第三章 配电网自动化数据通信51第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信以太网口语音接口RS-232/RS-485第三章 配电网自动化数据通信以太网口语音接口RS-232/52IEEE 802.15.4仅处理MAC层和物理层协议。ZigBee在IEEE 802.15.4基础上定义了网络层以支持先进的网络路由功能。六、ZigBee 无线传感器网络第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信IEEE 802.15.4仅处理MAC层和物理层协议。六、53协调：选择一个信道和64位及16位的个域网标识PAN ID（Personal Area Network Identification）来启动网络；协调器能够允许路由器和终端设备加入这个网络并协助路由数据；必须保持供电，不能睡眠。路由：在它能够传输、接收或者路由数据前必须加入一个ZigBee网络；加入网络后，能够允许路由器和终端加入这个网络；加入网络后，能够协助路由数据；必须保持供电，不能睡眠。终端设备：在它能够传输或者接收数据之前必须加入一个ZigBee 网络；它不能允许其他设备加入该网络；必须通过它的父设备传输和接收射频数据，不能路由数据；能够进入低功耗模式以节约电能，可采用电池供电。六、六、ZigBee 无线传感器网络1.1.简介简介 （1 1）网络构成）网络构成第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信协调：选择一个信道和64位及16位的个域网标识PAN ID（54每个网络由一个唯一的PAN ID定义。ZigBee设备可加入一个预先设置PAN ID的网络，或者探寻附近的网络并选择一个PAN ID加入。同一个ZigBee网络中的设备必须具有相同的64位PAN ID和16位PAN ID。多个ZigBee网络运行在一个有限区域内，每个网络应有唯一的PAN ID。64位PAN ID包含在所有的ZigBee信标帧里，用来解决16位PAN ID因地址空间有限而产生的冲突问题。加入网络时获得16位的PAN ID。六、六、ZigBee 无线传感器网络（2 2）PAN ID PAN ID 第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信每个网络由一个唯一的PAN ID定义。六、ZigBee 无55ZigBee采用直接序列扩频调制并工作于固定频道。IEEE 802.15.4在2.4GHz的频段里定义了16个工作频道。六、六、ZigBee 无线传感器网络（3 3）工作信道）工作信道第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信ZigBee采用直接序列扩频调制并工作于固定频道。六、Zi56（1 1）网络协调器组建一个网络）网络协调器组建一个网络网络协调器负责选择网络信道，64位和16位的PAN ID，安全机制和协议栈文件。协调器进行一系列的扫描来探寻在不同信道上所有的射频活动（能量扫描）和发现附近所有运行中的PAN网络（PAN扫描）。当协调器离开一个网络，然后启动一个新的网络，将丢失先前的PAN ID、运行信道、安全机制、帧计数器值和子表数据。六、六、ZigBee 无线传感器网络2.2.网络组建网络组建第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信（1）网络协调器组建一个网络六、ZigBee 无线传感器网57（2 2）路由器加入一个网络）路由器加入一个网络路由器通过PAN扫描来发现附近的ZigBee网络。路由器广播一个请求加入信标到其扫描信道列表中的第一个信道上收到信道上协调器和路由器的返回信标有效的网络，则发送一个联络请求到发送有效信标的设备该设备回复允许或者不允许加入的应答帧。如果没有找到一个有效的PAN，路由器在其扫描信道列表的下一个信道上运行PAN扫描，直到找到一个有效的网络，或者直到扫描完所有的信道。如果扫描完所有的信道仍没找到一个有效的PAN，将再次扫描所有的信道。六、六、ZigBee 无线传感器网络2.2.网络组建网络组建第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信（2）路由器加入一个网络六、ZigBee 无线传感器网络258（3 3）终端设备加入一个网络）终端设备加入一个网络与路由器类似，终端设备在能够参与到一个网络之前，也必须发现并加入一个有效的网络。六、六、ZigBee 无线传感器网络2.2.网络组建网络组建第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信（3）终端设备加入一个网络六、ZigBee 无线传感器网络591）64位设备地址64位设备地址是在生产期间分配的唯一设备地址。这个地址对每个设备都是独一无二的。2）16位设备地址一个设备加入一个ZigBee网络时将收到一个随机生成的16位设备地址。16位设备地址也称为“网络地址”。2.2.设备地址、数据传输和数据路由设备地址、数据传输和数据路由六、六、ZigBee 无线传感器网络（1 1）设备地址设备地址第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信1）64位设备地址2.设备地址、数据传输和数据路由六、60所有ZigBee数据的发送都使用源节点和目的节点的16位地址。ZigBee设备的路由表也是使用16位设备地址来确定如何通过网络路由数据包。16位地址是可变的，它不是一个识别设备的可靠方法。为解决这个问题，常常把64位的目的地址也包含在数据传输中。每个ZigBee设备维护着一张64位地址与16位地址的对应表。2.2.设备地址、数据传输和数据路由设备地址、数据传输和数据路由六、六、ZigBee 无线传感器网络（1 1）设备地址设备地址第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信所有ZigBee数据的发送都使用源节点和目的节点的16位地址61表表5-8 64位地址与位地址与16位地址对应表位地址对应表64位地址16位地址0013 A200 4000 00010 x 44140013 A200 400A 35680 x 12340013 A200 4004 11220 x C2000013 A200 4002 11230 x FFFE（未知）2.2.设备地址、数据传输和数据路由设备地址、数据传输和数据路由六、六、ZigBee 无线传感器网络（1 1）设备地址设备地址第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信表5-8 64位地址与16位地址对应表64位地址16位地621）广播传输ZigBee协议的广播传输是通过整个网络传播的，这样所有节点都能收到这个传输。为实现这一目标，所有接收到广播传输的设备将重复传输这个数据包3次。因为网络中的每个设备都重发广播传播数据包，广播传输应该谨慎采用。2）单播传输单播传输是从一个源设备发送数据到另一个目的设备。目的设备可以是一个与源设备相邻的设备，或者与源设备有几个跳的距离，这时需要路由。2.2.设备地址、数据传输和数据路由设备地址、数据传输和数据路由六、六、ZigBee 无线传感器网络无线传感器网络（2 2）数据传输数据传输第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信1）广播传输2.设备地址、数据传输和数据路由六、Zig63系统主站建立DDN专线或专用服务器或以其他方式具备固定IP地址，将IP地址设置到配电远方终端中；配电远方终端的GPRS模块连接上网络后将获得一动态IP地址；配电远方终端向预先设定的主站IP地址请求建立连接，当主站对建立连接回复响应后，主站与终端便建立了透明的数据网络传输通道。配电远方终端还应不断检测GPRS模块是否连接在网络上，一旦发生掉线，GPRS模块能即时联网，重新获得一动态IP地址并与主站再次建立连接。从而保证系统通信实时在线。七、七、GPRS通信通信 第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信系统主站建立DDN专线或专用服务器或以其他方式具备固定IP地64七、七、GPRS通信通信 第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信七、GPRS通信 第三章 配电网自动化数据通信65八、八、多种通信方式综合应用多种通信方式综合应用第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信八、多种通信方式综合应用第三章 配电网自动化数据通信66规约规定了电力负荷管理系统中主站和终端之间进行数据传输的帧格式、数据编码及传输规则。图5-29 帧结构3.5 3.5 配电网自动化通信方式配电网自动化通信方式第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信一、电力负荷管理系统数据传输规约 规约规定了电力负荷管理系统67（1 1）帧格式定义帧格式定义帧的基本单元为8位字节。链路层传输顺序为低位在前，高位在后；低字节在前，高字节在后。1.1.帧结构帧结构第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信（1）帧格式定义1.帧结构第三章 配电网自动化数据通681）线路空闲状态为二进制1。2）帧的字符间无线路空闲间隔；两帧间的线路空闲间隔最少需33位。3）如按5）检出了差错，两帧之间的线路空闲间隔最少需33位。4）帧校验和CS是用户数据区的八位位组的算术和，不计进位位。5）接收方校验 校验每个字符的起始位、停止位、偶校验位。检验每帧固定报文头中的开头和结束所规定的字符以及规约标识位。识别2个长度L。每帧接收的字符数为用户数据长度L1+8。帧校验和。结束字符。校验出一个差错时，按2）的线路空闲间隔。若这些校验有一个失败，舍弃此帧；若无差错，则此帧数据有效。（2 2）传输规则传输规则1.1.帧结构帧结构第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信1）线路空闲状态为二进制1。（2）传输规则1.帧结构第691.1.帧结构帧结构长度L包括规约标识和用户数据长度，由2字节组成 规约标识由D0、D1两位编码表示，D0=0、D1=0，表示禁用；D0=1、D1=0，表示本规约使用；D0=0或1、D1=1，为保留。用户数据长度L1：由D2-D15组成，采用BIN编码，是控制域、地址域、链路用户数据（应用层）的字节总数。采用专用无线数传信道，长度L1不大于255，如233MHz数传模块；采用网络传输，长度L1不大于16383，如GPRS。（3 3）链路层链路层1 1）长）长度度L L第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信1.帧结构长度L包括规约标识和用户数据长度，由2字节组成701.1.帧结构帧结构（3 3）链路层链路层2 2）控制域）控制域C C第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信1.帧结构（3）链路层2）控制域C第三章 配电网自动71（3 3）链路层链路层地址域数据格式字节数行政区划码A1BCD2终端地址A2BIN2主站地址和组地址标志A3BIN11.1.帧结构帧结构3 3）地址域）地址域A A第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信（3）链路层地址域数据格式字节数行政区划码A1BCD2终端72（4 4）应用层应用层1.1.帧结构帧结构1 1）格式）格式第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信（4）应用层1.帧结构1）格式第三章 配电网自动化数73应用层功能码AFN应用功能定义应用层功能码AFN应用功能定义00H确认否认0AH查询参数01H复位0BH备用02H链路接口检测0CH请求1类数据（实时数据）03H中继站命令0DH请求2类数据（历史数据）04H设置参数0EH请求3类数据（事件数据）05H控制命令0FH文件传输06H身份认证及密钥协商10H数据转发07H09H备用11H-FFH备用（4 4）应用层应用层1.1.帧结构帧结构2 2）功能码）功能码AFNAFN第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信应用层功能码AFN应用功能定义应用层功能码AFN应用功能定义74帧序列域为1字节，用于描述帧之间的传输序列的变化规则，由于受报文长度限制，数据无法在一帧内传输时，需分成多帧传输。每帧都应有数据单元标识，都可作为独立的报文处理。（4 4）应用层应用层1.1.帧结构帧结构3 3）帧序列域）帧序列域SEQSEQ第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信帧序列域为1字节，用于描述帧之间的传输序列的变化规则，由于受75启动帧序号PSEQ取自1字节的启动帧计数器PFC的低4位计数值0-15。响应帧序号RSEQ以启动报文中的PSEQ作为第一个响应帧序号，后续响应帧序号在RSEQ的基础上循环加1递增，数值范围为0-15。启动站发送报文后，当一个期待的响应在超过规定的时间内没有被收到，如果允许启动站重发，则该重发的启动帧序号PSEQ不变。3 3）帧序列域）帧序列域SEQ-SEQ-帧帧序号序号第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信启动帧序号PSEQ取自1字节的启动帧计数器PFC的低4位计数76启动报文PFC=14（S1服务）PRM=1,FIR=1,FIN=1,CON=0,PSEQ=14启动报文 PFC=15（S2服务）PRM=1,FIR=1,FIN=1,CON=1,PSEQ=15确认报文PRM=0,FIR=1,FIN=1,CON=0,RSEQ=15接收正确接收正确RSEQ1=PSEQ=15启动报文 PFC=18（S3服务）PRM=1,FIR=1.FIN=1,CON=0,PSEQ=2响应报文PRM=0,FIR=1,FIN=1,CON=0,RSEQ=2接收错误或超时启动报文 PFC=18PRM=1,FIR=1,FIN=1,CON=0,PSEQ=2重发1次响应报文PRM=0,FIR=1,FIN=1,CON=0,RSEQ=2接收错误或超时接收正确/错误接收正确/错误RSEQ3=RSEQ2+1=2启动报文 PFC=16（S3服务）PRM=1,FIR=1,FIN=1,CON=0,PSEQ=0响应报文PRM=0,FIR=1,FIN=0,CON=0,RSEQ=0接收正确响应报文PRM=0,FIR=0,FIN=0,CON=0,RSEQ=1第1帧响应帧RSEQ1=PSEQ=0RSEQ2=RSEQ1+1=1第2帧响应帧响应报文PRM=0,FIR=0,FIN=1,CON=0,RSEQ=2第3帧响应帧第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信启动报文PFC=14（S1服务）启动报文 PFC=15（S77启动报文 PFC=19（S3服务）PRM=1,FIR=1,FIN=1,CON=0,PSEQ=3响应报文 PFC=19PRM=0,FIR=0,FIN=0,CON=0,RSEQ=4响应报文 PFC=19PRM=0,FIR=1,FIN=0,CON=0,RSEQ=3启动报文 PFC=20（S3服务）PRM=1,FIR=1,FIN=1,CON=0,PSEQ=4启动报文 PFC=21（S3服务）PRM=1,FIR=1,FIN=1,CON=0,PSEQ=5响应报文 PFC=19PRM=0,FIR=0,FIN=0,CON=0,RSEQ=5响应报文 PFC=19PRM=0,FIR=0,FIN=1,CON=0,RSEQ=6响应报文 PFC=21PRM=0,FIR=1,FIN=1,CON=0,RSEQ=5响应报文 PFC=20PRM=0,FIR=1,FIN=1,CON=0,RSEQ=4启动报文 PFC=0（S3服务）PRM=1,FIR=1,FIN=1,CON=0,PSEQ=0响应报文 PFC=0PRM=0,FIR=1,FIN=1,CON=0,RSEQ=0 e)多通信服务传输 第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信启动报文 PFC=19（S3服务）响应报文 PFC=19响78数据单元标识由信息点标识DA和信息类标识DT组成。（4 4）应用层应用层1.1.帧结构帧结构4 4）数据单元标识）数据单元标识第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信数据单元标识由信息点标识DA和信息类标识DT组成。（4）79如果DA2采用二进制编码方式表示信息点组，则DA1、DA2可构成信息点标识pn（n=1-2048）。同一个信息点标识pn对应于不同信息类标识Fn可以是测量点号、总加组号、控制轮次、直流模拟量点号、任务号等。4 4）数据单元标识）数据单元标识-信息点信息点DADA第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信如果DA2采用二进制编码方式表示信息点组，则DA1、DA2可80DT2采用二进制编码方式表示信息类组，DT1对应位表示某一信息类组的1-8种信息类型，以此共同构成信息类标识Fn（n=1-248）4 4）数据单元标识）数据单元标识-信息类信息类DTDT第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信DT2采用二进制编码方式表示信息类组，DT1对应位表示某一信81数据单元是按数据单元标识所组织的数据，包括参数、命令等。数据组织的顺序规则：先按pn从小到大、再按Fn从小到大的次序，即：完成一个信息点pi的所有信息类Fn的处理后，再进行下一个pi+1的处理。终端在响应主站对终端的参数或数据请求时，如终端无某项数据，且该“无某项数据”的信息需主站辨识，则终端应将该数据项内容的每个字节填写“EEH”。（4 4）应用层应用层1.1.帧结构帧结构5 5）数据单元）数据单元第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信数据单元是按数据单元标识所组织的数据，包括参数、命令等。（482第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信1）主站发送时间参数设置命令报文解析68H起始字符5100H0101 0001(D0)0000 0000(D8)，长度L=20（14H）5100H0101 0001(D0)0000 0000(D8)，长度L=20（14H）68H起始字符4AH0100 1010，控制域C（下行，启动站，帧计数无效，功能码10）0535 0608 76H地址域A05H应用层功能码AFN（控制命令）70H0111 0000，帧序列域SEQ（无时标，单帧，需确认，帧序号为0）0000H0000 0000(DA1)0000 0000(DA2)，终端本身，信息点04003H0100 0000(DT1)0000 0011(DT2)，信息类标识 F31024014224909H秒、分、时、日、星期-月、年(数据格式01，2009-09-22，周四，14:40:02)4C4BH附加信息域AUX(消息认证码字段PW)21HCheck Sum16H结束字符（1 1）参数设参数设置置3.3.配网终端与主站间通信报文解析配网终端与主站间通信报文解析第三章 配电网自动化数据通信1）主站发送时间参数设置命令报83第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信2）终端应答报文解析68H起始字符3900H0011 1001(D0)0000 0000(D8)，长度L=14（0EH）3900H0011 1001(D0)0000 0000(D8)，长度L=14（0EH）68H起始字符A8H1010 1000，控制域C（上行，从动站，有事件发生，功能码8）0535 0608 00H地址域A00H应用层功能码AFN（确认/否认）60H0110 0000，帧序列域SEQ（无时标，单帧，不需确认，帧序号为0）0000H0000 0000(DA1)0000 0000(DA2)，终端本身，信息点00100H0000 0001(DT1)0000 0000(DT2)，信息类标识F1，全部确认843CH附加信息域AUX(消息认证码字段PW)11HCheck Sum16H结束字符第三章 配电网自动化数据通信2）终端应答报文解析68H起始84第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信1）主站发送读取实时数据命令 报文解析68H起始字符3100H0011 0001(D0)0000 0000(D8)，长度L=12（0CH）3100H0011 0001(D0)0000 0000(D8)，长度L=12（0CH）68H起始字符4BH0100 1011，控制域C（下行，启动站，帧计数无效，功能码11）0535 0608 76H地址域A0CH应用层功能码AFN（请求1类数据，实时数据）71H0111 0001 帧序列域SEQ（无时标，单帧，需确认，帧序号为1）0101H0000 0001(DA1)0000 0001(DA2)，信息点10103H0000 0001(DT1)0000 0011(DT2)，信息类标识F25，当前电流、零序电流等8CHCheck Sum16H结束字符（2 2）读实时数读实时数据据第三章 配电网自动化数据通信1）主站发送读取实时数据命令 85第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信报文解析68H起始字符0501H0000 0101(D0)0000 0001(D8)，长度L=65（41H）0501H0000 0101(D0)0000 0001(D8)，长度L=65（41H）68H起始字符A8H1010 1000，控制域C（上行，从动站，有事件发生，功能码8）0535 0608 00H地址域A0CH应用层功能码AFN（请求1类数据，实时数据）61H0110 0001，帧序列域SEQ（无时标，单帧，无需确认，帧序号为1）0101H0000 0001(DA1)0000 0001(DA2)，信息点10103H0000 0001(DT1)0000 0011(DT2)，信息类标识F25，当前电流、零序电流等0015220909H终端抄表时间（2009-09-22 15:00）EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEH无数据7500H当前A相电流7500H当前B相电流7500H当前C相电流2602H当前零序电流843CH附加信息域AUX(消息认证码字段PW)47HCheck Sum16 H结束字符2）终端应答）终端应答第三章 配电网自动化数据通信报文解析68H起始字符050186第三章第三章 配电网自动化数据通信配电网自动化数据通信0001H数据格式06，1.0A0001H数据格式06，1.0A0001H数据格式06，1.0A0001H数据格式06，1.0A0101H0000 0001(DA1)0000 0001(DA2)，信息点1200BH0010 0000(DT1)0000 1011(DT2)，信息类标识F94，C相电流曲线0010220909 01 04H起始时间ts：分时日月年，数据密度m1（见规约附录C），数据点数n45000H数据格式06，0.5A5000H数据格式06，0.5A5000H数据格式06，0.5A5000H数据格式06，0.5A843CH附加信息域AUX(消息认证码字段PW)43HCheck Sum16 H结束字符2）终端应答（2 2）读实时数读实时数据据第三章 配电网自动化数据通信0001H数据格式06，1.087IEC于2000年推出IEC 60870-5-104规约。国内，电力系统控制及其通信标准技术委员会于2002年推出DL/T 634.5 104-2002规约，等同采用IEC 60870-5-104规