通信管理机和IED通信规约及通信管理机通信程序模块设计

.配电网自动化技术课程设计任务书题 目通信管理机和IED通信规约及通信管理机通信程序模块设计姓名学号专业班级设计内容与要求1 背景变电站自动化系统，普遍采用分布式的监视和控制系统。各类IED装置和通信管理机进行通信。通信管理机实现IED信息集结和控制命令的下达。 环冗余校验CRC（Cyclic Redundancy Check）是一种重要的校验方式。编码简单且误判概率很低，在电力自动化通信系统中得到了广泛的应用。2 设计内容和要求设计用于实现IED和通信管理机的通信规约，规约采用召唤式应答规约，实现YC、YX、YK及SOE和越限信息的传送。用循环冗余校验码进行校验。每个IED YC量12个，YX量20。设计IED的通信程序 具体内容如下：1) 根据功能要求，确定传输的内容（命令）编码，在此基础上设计出帧结构。2) 设计出每一类信息的传送帧格式。3) 根据信息的传送重要性确定信息的传送原则。，4) 校验方式选用CRC-16校验方式。生成多项式g(x)=x16+x15+x5+15) 设计通信管理机传输和接收数据的程序流程，并画出流程图。6）设计CRC-16校验码生成和校验流程图。7）撰写设计报告。起止时间 2015 年 12 月 14 至 2015 年12月 25 日指导教师签名 2015 年12 月 20日 系（教研室）主任签名年 月 日 学生签名 2015 年 12 月 20 日 目 录一、前言3二、设计内容和设计思路4三、通信规约设计6四、程序流程图设计10五、设计总结14参考文献141、 前言1、设计背景电力系统：是由大量的发电机、变压器、电力线路和负荷等设备有机的构成，由生产、传输、分配、消费电能的各种电气设备按照一定方式连接的整体。也即：发电变电输电配电用户五个部分构成。而本课程设计就是配电网系统里所研究的内容里的一个方面，即：站控通信规约和IED通信程序设计。IED智能电子设备：由一个或多个微处理器组成，完成特定的功能，能向外部装置发送信息，并能接受外部指令的装置。特征：微处理器和，具有通信接口，具有独立时钟。现代自动化系统普遍采用现场分布式的结构，IED设备是最重要的设备之一。实现现场信息的采集、命令执行、当地功能。数据通信是各类智慧设备之间的通信，为了保证通信的正常进行，和其它通信方式一样，应该在通信系统中规定一个统一的通信标准，即通信的内容是什么、如何通信、何时通信，都必须在通信的实体之间达成大家都能接受的协议，这些协议就被称为通信协议，规约。变电站综合自动化分为两层：变电站层和现场层。低电压等级的变电站：智能电子设备保护和监控合二为一，而我们所要研究的就是通信网路之间的通信规约和IED的信息采集和控制命令的下达，对于一个网络来说有着重要的作用，一个网络若是通信规约出现了错误，将会混乱不堪。本次课程设计的目的是通过对设计用于通信管理机和IED通信的规约来熟悉变电站自动化系统的信息的通信方式的原理。通过对规约中队通信信息的流的帧结构和信息字(遥测信息字、遥信信息字、遥控信息字、SOE)的结构的设计、 以及根据信息的传送重要性确定信息的传送原则、校验方式的选择和程序流程图的设计。2、设计目的1）、加深对配电网自动化课程中基本概念和计算方法的掌握和理解。2）、掌握信息传送帧结构的设计。3）、理解掌握循环码监督码的计算方法，循环码的生成多项式。4）、掌握用查表法实现CRC-16校验码生成和校验。5）、了解主机规约传输和接收的程序流程，并画出流程图。二、设计内容及思路2.1设计内容：设计用于实现IED和通信管理机的通信规约，规约采用召唤式应答规约，实现YC、YX、YK及SOE和越限信息的传送，并用循环冗余校验码进行校验。每个IED YC量12个，YX量20。设计通信管理机中的通信主控程序流程图，通信管理机能同时和n（n30）个IED进行通信。具体内容如下： 根据功能要求，确定传输的内容（命令）编码，在此基础上设计出帧结构。 设计出每一类信息的传送帧格式。 根据信息的传送重要性确定信息的传送原则。， 校验方式选用CRC-16校验方式。生成多项式g(x)=x16+x15+x5+1。 用查表法实现CRC-16校验码生成和校验，并设计CRC校验子程序流程图。 设计主机规约传输和接收的程序流程图。2.2设计思路及原理1、 召唤式应答规约问答通信方式由主站掌握遥测、遥信通信的主动权，主站轮流询问IED设备，各IED设备只有在接到主站询问后才可以回答（报送数据），主站主动，依此轮流询问各个子站。如被询问的子站无数据传送，就转向询问下一子站。如被询问的子站又数据发送，一般就在数据送完后再转向询问下一个子站应答式规约的特点是：RTU有问必答，当RTU收到主机查询命令后，必须在规定的时间内应答，否则视为本次通信失败。RTU无问不答，当RTU未收到主机查询命令时，绝对不允许主动上报信应答规约的优点：允许多台RTU以供线的方式共用一个通道，有助于节省通道，提高通道占用率，应答式规约的采用变化信息传送策略，从而大大压缩了数据块的长度，提高了传送速度，应答式规约既可以采用全双工通信，又可以采用半双工通信，既可以采用点对点方式，又可以采用一点多址或环形结构，因此通道适应性强。2、遥控：调度端MS应用通信技术，通过通信通道对远方厂、站的FTU管理的设备发送状态控制命令，相应的设备接受命令并执行。3、遥测：将远方厂、站需要测量的被测量，应用FTU中的微机采样并预处理后，利用通信技术经通信通道送到调度端的MS，储存并显示。遥测量包括母线电压，功率、线路电流、主变有功、无功、油温、频率及一些需要了解的非电量等各种模拟量。根据被测信息的重要性，可将YC量分为重要遥测、次要遥测、一般遥测。4、遥信：将远方厂、站的设备运行状态信号、保护信号、应用FTU采集后，利用通信技术经通信通道送到调度端的MS，储存并显示。5、越限 电力系统运行时，各种电气参数受约束条件的限制，不能超过一定得现值，母线的电压不能太高或太低，功率传送不能太高，当电气量超过一定的范围时，对其参数应及时进行检查，如超越限值，应进行警告。告警上限：当模拟量变化超过此值时，进行告警并记录。告警下线：当模拟量变化低于此值时，进行告警并记录。上复位限：低于告警上限的一个值，当值低于此值时，认为模拟量恢复正常。下复位限：高于告警下限的一个值，当值高于此值时，认为模拟量恢复正常。如果运行参数由于某些原因在限值附近波动时，就会出限越限和复限不断交替，频繁告警，为了减少这种情况，通过设置“越限呆滞区”来缓解。当运行参数超越上限， 图中的a点时，判为越上限，可发出越上限告警信号。此后当运行参数回落到b 点以下，才判为复限，而两外的1、2两点不作撤警和重新告警处理。同理c、d段被判为连续地越下限状态。越限呆滞区:给定的一个量值，即上限和上复位限的差值或下复位限和下限的差值。6、SOE：记录状态量发生变化的时刻的先后顺序。7、循环码校验循环码是一种特殊的线性分组码，它有严格的代数结构，用代数方法可以找出许多编码效率高、检错纠错能力强的循环码来。由于循环码的编码和检错方法简单，而且具有了许多有效的纠错方法，所以得到了广泛的应用。生成CRC码的基本原理：任意一个二进制位串组成的代码都可以和一个系数仅为0和1取值的多项式一一对应。实现CRC的基本原理，简单的说，就是原始数据通过某种算法，得到一个新的数据，而这个新的数据与原始数据有着固有的内在联系。通过把原始数据和新数据组合在一起，形成新的数据，因此这个新数据具有自我校验的能力。三、通信规约设计3.1通信帧格式设计帧的定义帧格式如下图所示。帧由帧头、包、和FCS及帧尾组成。帧头为：0x9E，长度为：1BYTE；帧尾为：0x9C，长度为：1BYTE。FCS为：16bit CRC（即CRC-16），由Packet形成，不包括帧头、FCS和帧尾。帧发送时，高字节在前，低字节在后，例如发送256, 先发送0x01，再0x00。帧帧头包FCS帧尾包头数据目的地址源地址包长度功能码帧头源地址目的地址包长度功能码数据FCS帧尾信息包的定义:包由包头和数据组成。包头：目的地址、源地址、包长度和功能码组成。3.2通信的过程3.2.1、功能码功能码下行用途功能码上行用途01H发出连接命令02H回答连接03H遥控选择04H遥控执行05H遥控反校06H遥控撤销07H遥信08H遥信09H遥测0AH遥测0BHSOE0CHSOE0DH越限信息10H越限信息12H复位命令13H回答复位命令14H遥测、遥信15H遥测、遥信3.2.2下行报文帧结构设计，即主站对子站的命令。帧头目的地址源地址包长度功能码数据FCS帧尾源地址为主站号：0x00，长度为：1BYTE；目的地址为现场IED设备编号对应地址代码，由于要求通信管理机能同时和n（n30）个IED进行通信，即IED编号030，对应地址代码为0x100x2E，长度为1BYTE。由于遥信量、遥控量、遥测量、越限、SOE、全报文帧结构中帧头、帧尾、目的地址、源地址、FCS均相同（功能码上表已给出），区别只在于数据和包长度（根据实际要求确定其大小），故只要设计各自帧结构中的数据结构，以下是详细帧结构中数据结构的设计。（1）遥测帧结构的设计方式个数编号1编号n个数：主站所要采集的信息量的数目，数目为12个；占1BYTE；编号：遥信信息量的编号，编号为112；1BYTE；方式：表示发送的遥测量是按照默认顺序依次发送的遥测量。（2）遥控帧结构的设计方式个数编号1状态编号n状态个数：开关量的个数；占1BYTE；编号：开关量的编号；占1BYTE；方式：表示发送的开关量是按顺序依次发送全部；占1BYTE。状态：反映各开关状态的改变； 00表示开关由合到分，01表示开关由分到合，占1BYTE； (3) 下行遥信数据结构设计方式个数编号1编号n个数：主站所要采集的信息量的数目，数目为20；占1BYTE；编号：采集量的编号，编号为120；1BYTE； 方式：表示发送的遥信量是按顺序依次发送的遥信量。可能是全部，也可能是一定范围内的；占1BYTE。（4）SOE下行帧结构中无数据。（5）下行越限帧结构中无数据。3.2.3、上行报文帧结构设计，即子站对主站的响应。；目的地址即主站地址为00H，占1BYTE；源地址即现场设备地址为10H2EH，占1BYTE；（1）遥信帧结构的设计方式个数编号1数值.编号n数值个数：主站所要采集的信息量的数目，占1BYTE；编号：开关量的编号；1BYTE； 数值：反映各个开关的状态，00H表示开关由合到分，01H表示开关由分到合； 方式：表示发送的遥信量是全部按默认顺序依次传送的遥信量；占1BYTE。（2）遥测帧结构的设计方式个数编号1数值.编号n数值个数：主站所要采集的信息量的数目；占1BYTE；编号：信息量的编号；占1BYTE；数值：反映测得各个信息量的值，占1BYTE；方式：表示发送的遥测量是全部按默认顺序依次发送的，占1BYTE。（3）遥控帧结构的设计方式个数编号1状态.编号n状态个数：现场设备开关的个数；占1BYTE；编号：开关量的编号；占1BYTE；方式：表示发送的开关量按照默认顺序依次传送，但有可能是所有，也有可能是全部范围内；占1BYTE。状态：反映各开的状态的改变；00表示开关由合到分，01表示开关由分到合；占1BYTE。（4）SOE帧结构的设计方式个数编号1状态时间.编号n状态时间个数：发生变位的开关的个数，占1BYTE；编号：发生变位的开关的编号，占1BYTE；方式：表示发送的开关量是按默认顺序依次发送的；占1BYTE。状态：反映开关状态的改变；00表示开关由合到分，01表示开关由分到合；占1BYTE；时间：反映发生开关变位时的时间；包括年、月、日、时、分、秒，其中年占2BYTE；月、日、时、分、秒各占1BYTE；共占7 BYTE；（5）越限帧结构的设计方式个数编号1状态时间编号n状态时间个数：发生越限报警的开关的数目；占1BYTE；编号：发生越限报警的开关的编号；占1BYTE；方式：表示发送的开关量是按默认顺序依次发送的；占1BYTE。状态：反映开关越限的种类；40H表示越告警上限，41H表示越告警下限，42H表示越上复位限，43H表示越下复位限。时间：反映开关量发生越限时的时间；包括年、月、日、时、分、秒，其中年占2BYTE；月、日、时、分、秒各占1BYTE；共占7 BYTE；.3.2.4全报文帧结构的设计下行全报文数据的设计YX量个数YX量编号1.YX量编号nYC量个数 YC量编号1.YC量编号n上行全报文数据设计：YX量个数YX量编号1状 态YX量编号n状态YC量个数 YC量编号1数值YC量编号n数 值特殊标志位特殊标志位：开关位发生异常时的标志，即发生SOE和越限 ；有SOE时，用E1H 表示，无SOE时，用E2H表示；发生开关量越限时，用E3H表示，无开关量越限时，用E4H表示；既有SOE又有越限时，用EEH表示；两个都没有时，用E0H表示；占1BYT.四、程序流程图的设计1、IED通信传输和接受的流程图接收数据校验结果=？读取命令解析执行命令 组帧传输数据2. CRC校验子程序图查表法，是使用预先算好的CRC值，直接查出CRC值，因此，它是基于字节或字操作，避免了耗时的位运算。这就决定了它的速度会增加，由此带来功耗降低的好处，可这是以付出内存为代价的，因为，必须预先在程序中存在一个CRC值与其索引值有一个一一对应的关系。不像逐位法那样，每次移入一个位，就进行运算，查表法师每次移入一个位元组，得到索引值，然后，与这个索引值做异或运算。粗略的看起来，所用的时间为逐位法的1/5（具体根据计算机的指令周期而定）左右。八位数据CRC查表流程图如下：初始化CRC寄存器产生CRC表索引CRC左移N位CRC与表数据作异或运算数据结束吗结束开始最后异或运算（可选）五、设计总结在这次课设的一段时间内，虽然老师把时间一而再再而三的往后拖，可是在这么长的时间内我的课程设计仍然有很多的瑕疵，所以我要对老师说抱歉。通过这次课程设计，是使我所学专业课程知识综合应用的实践训练，是我迈向社会，从事工作必不可少的一个步骤，今天我认真的设计课设，明天我们就能更好的工作。本次课设主要用于站控通信规约和IED通信程序的规约，主要内容是要设计用于变电站自动化系统的通信规约，主要是通信管理机和IED通信的规约，主要内容为设计帧结构，涉及每一类信息的传送帧格式及所采用的校验码的选择。本次课设对我来说是特别的难，开始不知道怎么做，一头雾水，但是渐渐地在董老师和同学的帮助下，通过查阅课本和找相关的书籍慢慢的了解顺利的完成了这次课设，使我感到完成自己动手所成功的一件事是多么的快乐。通过这次课设我明白了理论知识和实际操作的不同，使我对通信规约中整个IED有了更全面的了解和掌握，以后再工作岗位上更好的工作。所以我要感谢老师和同学的帮助。参考文献：1 付周兴，王清亮，董张卓电力系统自动化北京 中国电力出版社，20062 董张卓 王清亮 黄国兵配电网自动化系统北京 机械工业出版社，20143 柳永智，刘晓川电力系统远动北京中国电力出版社，20064 张永健电网监控与调度自动化北京中国电力出版社，2007.