第3章 电力数据通信系统 3.1引言 电力系统的远程监控要实现调度端和远方的发电厂、变电站或开关站的双向信息传输， 必须依赖于电力数据通信系统。我国的电力通信网经过几十年风风雨雨的建设，已经初具规 模，目前已经拥有一个通过卫星、微波、载波和光缆等多种通信手段构建成的、以北京为中 心覆盖全国30个省（市、区）的立体交叉通信网，如图3-1所示。 卫星站 后国柴普尔自恰区 图31全国电力通信骨干网 电力通信网是以光纤、微波及卫星电路构成主干线，各支路充分利用电力线载波、特种 光缆等电力系统特有的通信方式，并采用明线、电缆和无线等多种通信手段及程控交换机、 调度总机等设备组成的多用户和多功能的综合通信网。现有的国家电力数据网络有两个主要 的网络体系，一个是基于异步传输模式ATM的国家电力调度数据网SPDnet(State Power Dispatching Network),另一个是基于多业务传输平台MSTP的国家电力数据通信网 SPTnet(State Power Telecommunication Network)。其中：国家电力调度数据网SPDnet主要面
1 第 3 章 电力数据通信系统 3.1 引言 电力系统的远程监控要实现调度端和远方的发电厂、变电站或开关站的双向信息传输， 必须依赖于电力数据通信系统。我国的电力通信网经过几十年风风雨雨的建设，已经初具规 模，目前已经拥有一个通过卫星、微波、载波和光缆等多种通信手段构建成的、以北京为中 心覆盖全国 30 个省（市、区）的立体交叉通信网，如图 3-1 所示。 图 3- 1 全国电力通信骨干网 电力通信网是以光纤、微波及卫星电路构成主干线，各支路充分利用电力线载波、特种 光缆等电力系统特有的通信方式，并采用明线、电缆和无线等多种通信手段及程控交换机、 调度总机等设备组成的多用户和多功能的综合通信网。现有的国家电力数据网络有两个主要 的网络体系，一个是基于异步传输模式 ATM 的国家电力调度数据网 SPDnet(State Power Dispatching Network)，另一个是基于多业务传输平台 MSTP 的国家电力数据通信网 SPTnet(State Power Telecommunication Network)。其中：国家电力调度数据网 SPDnet 主要面
向电力系统调度业务的实时数据服务，国家电力数据通信网SPTnet连接国家电网公司系统 内计算机信息网络的提供信息服务。 电力系统的监控信息和管理信息，在我国电力数据通信的专用网络SPDnet和SPTnet 上传输有良好的通信载体和通信介质。为了保证信息传输的可靠性，一方面，需要对介质中 通信的信息进行抗干扰的编码、调制和解码、解调。另一方面，电力系统通信还需要采用的 特定的通信协议，为了正确传送和接收信息而定义的一套关于信息传输顺序、信息格式和信 息内容的约定。目前在电力系统的远动通信系统中存在着一系列这样的通信规约，它们有的 是国际标准，有的是国家标准，也有的是行业标准甚至是企业标准。 通信系统的编码理论以及通信规约将是本章着重研究的内容。 3.2数据通信与远动数据网络 远动系统(telecontrol system)是对广域地区的生产过程进行监视和控制的系统，它包 括对生产过程信息的采集、处理、传输和显示等全部功能与设备。构成远动系统的设备包括： 远动通信系统，远动终端装置以及调度端等。以下介绍远动系统的通信方式和网络配置。 3.2.1远动系统的通信方式 (1)按通信的传输介质来划分 远动通信系统有时也被称为远动通道，远动通道按通信的传输介质来划分，常用的通信 方式有有线信道、电力线载波信道(PLC)、无线信道和光纤通信等。 ◆有线信道 有线信道线路一般采用电缆方式，具有衰耗较大，易受干扰的特点，适合用在近距离传 送信息，从低速到高速的数据传输都可采用。常用的电缆类型有多芯电缆、同轴电缆等。 ◆电力线载波信道 电力线载波信道是一种利用电力线进行通信的远动通道，优点是不用另外架设线路， 主要缺点是气候的变化对载波信号的衰耗有影响，电力线路上的噪声也比较大，因而通信误 码率较高。这是上个世纪80年代以前电力系统主要的调度通道，近年来，由于通信技术的 发展，一般都作为备用通道。 远动信号通常与载波电话复用，在电力线载波机中经过调制后的高频载波信号沿电力 线传向接收端。在接收端，载波信号经结合设备进入载波机，经过解调后分别由滤波器将音 频信号和远动信号滤出，再经远动接收装置本身的解调器还原成数字序列的远动信号。 ◆无线信道 2
2 向电力系统调度业务的实时数据服务，国家电力数据通信网 SPTnet 连接国家电网公司系统 内计算机信息网络的提供信息服务。 电力系统的监控信息和管理信息，在我国电力数据通信的专用网络 SPDnet 和 SPTnet 上传输有良好的通信载体和通信介质。为了保证信息传输的可靠性，一方面，需要对介质中 通信的信息进行抗干扰的编码、调制和解码、解调。另一方面，电力系统通信还需要采用的 特定的通信协议，为了正确传送和接收信息而定义的一套关于信息传输顺序、信息格式和信 息内容的约定。目前在电力系统的远动通信系统中存在着一系列这样的通信规约，它们有的 是国际标准，有的是国家标准，也有的是行业标准甚至是企业标准。 通信系统的编码理论以及通信规约将是本章着重研究的内容。 3.2 数据通信与远动数据网络 远动系统（telecontrol system）是对广域地区的生产过程进行监视和控制的系统，它包 括对生产过程信息的采集、处理、传输和显示等全部功能与设备。构成远动系统的设备包括： 远动通信系统，远动终端装置以及调度端等。以下介绍远动系统的通信方式和网络配置。 3.2.1 远动系统的通信方式 （1）按通信的传输介质来划分 远动通信系统有时也被称为远动通道，远动通道按通信的传输介质来划分，常用的通信 方式有有线信道、电力线载波信道（PLC）、无线信道和光纤通信等。 有线信道 有线信道线路一般采用电缆方式，具有衰耗较大，易受干扰的特点，适合用在近距离传 送信息，从低速到高速的数据传输都可采用。常用的电缆类型有多芯电缆、同轴电缆等。 电力线载波信道 电力线载波信道是一种利用电力线进行通信的远动通道，优点是不用另外架设线路， 主要缺点是气候的变化对载波信号的衰耗有影响，电力线路上的噪声也比较大，因而通信误 码率较高。这是上个世纪 80 年代以前电力系统主要的调度通道，近年来，由于通信技术的 发展，一般都作为备用通道。 远动信号通常与载波电话复用，在电力线载波机中经过调制后的高频载波信号沿电力 线传向接收端。在接收端，载波信号经结合设备进入载波机，经过解调后分别由滤波器将音 频信号和远动信号滤出，再经远动接收装置本身的解调器还原成数字序列的远动信号。 无线信道
无线信道是利用电磁波在自由空间中传送信息。高频发送机产生高频电磁波，通过天线 发射出去。在接收端，通过接收天线和接收机来接收。发射机、发射天线、自由空间、接收 天线和接收机共同组成无线信道。 无线电波按波长可划分为长波、中波、短波、微波等，微波通信是电力系统常用的一种 通信方式。微波具有直线传输特性，其绕射能力很弱，由于地球是个球体，所以微波的直线 传输距离就受到限制，一般采用中继接力方式，50km左右需要设一个微波中继站，将信号 接收下来加以放大后再发送出去，利用多级中继站可以使微波通信距离大大增加。微波通信 的优点是频带很宽、通信容量大、可以容纳很多信道、受外界干扰少、误码率较低、方向性 强及保密性都较好。用微波中继通信构成模拟信道的微波，称为模拟微波，构成数字信道的 微波，称为数字微波。模拟微波以频分复用方式进行通信，数字微波以时分复用方式进行通 信。 近年来，电信公司提供的公共通信网络GPRS或CDMA以及未来的3G通道，也成为 了电力远动通信的一种通道，特别是在城市的配电自动化系统中有着较好的应用。 ·光纤通信 光纤通信是一种利用光导纤维传送光信号进行通信的方式，光波的波长为微米级，目前 光纤通信使用的波长为0.8一1.8um,在近红外线区，其频率比微波要高几个数量级。光纤 通信具有传输频带宽、通信容量大、损耗低、不受电磁干扰和抗化学腐蚀等优点，目前是电 力系统通信主要通信方式。 (2)按照信号传输的方向来划分 远动通道按照信号传输的方向来划分，通信方式可分为：单向传输方式、半双工传输方 式和全双工传输方式。 ◆单向传输(simplex transmission,simplex traffic)只可在一个预定方向上传输数据。 ◆半双工传输(half-duplex transmission,half-duplex traffic)可在两个方向上传输数据 ,但不能同时传输，只可交替地传输。 ◆全双工传输(duplex transmission,.duplex traffic)可同时双向进行数据传输。 (3)按照启动报文传输的主动性来划分 远动信息在主控站与被控站之间传送，有一方是主叫方，即发动通信的一方，而另一方 则是被叫方，即接收通信的一方。按照启动报文传输的主动性来划分，通信方式可以分为： 平衡传输和非平衡传输。 ◆平衡传输(balanced transmission)方式下，已连接的两个站的任何一个数据终端设 备(DTE)在任何时候都可以启动报文传输。 ◆非平衡传输(unbalanced transmission)方式下，只有主站的数据终端设备(DTE)可 以启动报文传输的传输方式。子站只有在接收到主站请求后才能传送报文。 (4)按发动通信传输的呼叫模式来划分 3
3 无线信道是利用电磁波在自由空间中传送信息。高频发送机产生高频电磁波，通过天线 发射出去。在接收端，通过接收天线和接收机来接收。发射机、发射天线、自由空间、接收 天线和接收机共同组成无线信道。 无线电波按波长可划分为长波、中波、短波、微波等，微波通信是电力系统常用的一种 通信方式。微波具有直线传输特性，其绕射能力很弱，由于地球是个球体，所以微波的直线 传输距离就受到限制，一般采用中继接力方式，50km 左右需要设一个微波中继站，将信号 接收下来加以放大后再发送出去，利用多级中继站可以使微波通信距离大大增加。微波通信 的优点是频带很宽、通信容量大、可以容纳很多信道、受外界干扰少、误码率较低、方向性 强及保密性都较好。用微波中继通信构成模拟信道的微波，称为模拟微波，构成数字信道的 微波，称为数字微波。模拟微波以频分复用方式进行通信，数字微波以时分复用方式进行通 信。 近年来，电信公司提供的公共通信网络 GPRS 或 CDMA 以及未来的 3G 通道，也成为 了电力远动通信的一种通道，特别是在城市的配电自动化系统中有着较好的应用。 光纤通信 光纤通信是一种利用光导纤维传送光信号进行通信的方式，光波的波长为微米级，目前 光纤通信使用的波长为 0.8—1.8µm，在近红外线区，其频率比微波要高几个数量级。光纤 通信具有传输频带宽、通信容量大、损耗低、不受电磁干扰和抗化学腐蚀等优点，目前是电 力系统通信主要通信方式。 （2）按照信号传输的方向来划分 远动通道按照信号传输的方向来划分，通信方式可分为：单向传输方式、半双工传输方 式和全双工传输方式。 单向传输（simplex transmission, simplex traffic）只可在一个预定方向上传输数据。 半双工传输（half-duplex transmission, half-duplex traffic）可在两个方向上传输数据 ，但不能同时传输，只可交替地传输。 全双工传输（duplex transmission, duplex traffic）可同时双向进行数据传输。 （3）按照启动报文传输的主动性来划分 远动信息在主控站与被控站之间传送，有一方是主叫方，即发动通信的一方，而另一方 则是被叫方，即接收通信的一方。按照启动报文传输的主动性来划分，通信方式可以分为： 平衡传输和非平衡传输。 平衡传输（balanced transmission）方式下，已连接的两个站的任何一个数据终端设 备(DTE)在任何时候都可以启动报文传输。 非平衡传输（unbalanced transmission）方式下，只有主站的数据终端设备(DTE)可 以启动报文传输的传输方式。子站只有在接收到主站请求后才能传送报文。 （4）按发动通信传输的呼叫模式来划分
在远动系统中，按发动通信传输的呼叫模式来划分，通信方式可有以下几种基本类型： 循环传输、自发传输、按请求传输（或称为问答式传输）。 ◆循环传输(cyclic transmission) 在循环传输模式中，系统周期性地扫描信息源，并按预定顺序将远动信息报文传输给主 控站。 循环传输模式不需主站干预，当传播过程中如果有数据出现差错，可用下一循环中的数 据来补救。循环传输模式的传送时延及传送波特率与一个循环中传送的远动字数有关，传送 的字数越多，传送时延就越长。被控站的数据没有变化，也照样不断地循环向主控站发送数 据，因此信道利用率不高，但是，该模式在传输信息时只需使用单向传输通道。 ◆自发传输(spontaneous transmission) 在自发传输模式中，仅在事件发生时才进行报文传输。例如开关位置状态发生变化，测 量值的变动超过预定范围等，才向主控站发送信息。 自发传输模式的特点是：被控站一旦有事件发生，就立即向主站传送，因而它最适合实 时性的要求。自发传输模式所传送的信息，如果由于干扰等原因主站未能正确收到，该信息 将被丢失，可采取措施进行补救。例如主控站正确收到信息后回送一个“肯定确认”信息， 若被控站收不到这一信息，就重发原来的信息，因此，一般需要双向信道，即半双工传输和 全双工传输通道都可以。 自发传输模式减轻了正常运行情况下信道的负担，但在异常或事故情况下传送的工作 量将大量增加。为了避免信道拥挤，可采用按优先级分批传送等办法来缓解，比如，可以采 取状态变化信息按时标顺序传输(transmission of change-.of-state information chronologically) 或状态变化信息按优先顺序传输(transmission of change-of-state information in an order of priority)等方法。 ◆按请求传输(transmission on demand) 主控站仅在对被控站的请求做出响应时才传送报文的传输方式称为按请求传输。循环传 输模式和自发传输模式都是被控站作为通信传输的发动方来传送信息的，而按请求传输模式 是主控站作为通信发动方，由它向被控站发出请求传送的命令。被控站则按主站的请求来组 织、发送有关信息。这种传输模式通常以问答方式进行通信，有时也称问答式传输。 在问答式传输模式中，主站可以请求被控站发送某一远动信息，也可以要求发送某些类 型的信息等等，其工作方式很灵活。问答式传输模式要双向通信，因此需要双工通道，同样 地，半双工传输和全双工传输通道都可以。 问答式传输模式不仅适用于点对点配置方式，而且也适用于其他配置方式，例如多点共 线配置方式，此时主控站可轮流与各被控站进行问答通信。主站所发的命令中带有目的站的 地址，因此只有被呼叫的被控站能做出应答，其他被控站不受理。 循环传输、自发传输以及按请求传输是三种基本远动传输模式，在实际使用的过程中常 4
4 在远动系统中，按发动通信传输的呼叫模式来划分，通信方式可有以下几种基本类型： 循环传输、自发传输、按请求传输（或称为问答式传输）。 循环传输（cyclic transmission） 在循环传输模式中，系统周期性地扫描信息源，并按预定顺序将远动信息报文传输给主 控站。 循环传输模式不需主站干预，当传播过程中如果有数据出现差错，可用下一循环中的数 据来补救。循环传输模式的传送时延及传送波特率与一个循环中传送的远动字数有关，传送 的字数越多，传送时延就越长。被控站的数据没有变化，也照样不断地循环向主控站发送数 据，因此信道利用率不高，但是，该模式在传输信息时只需使用单向传输通道。 自发传输（spontaneous transmission） 在自发传输模式中，仅在事件发生时才进行报文传输。例如开关位置状态发生变化，测 量值的变动超过预定范围等，才向主控站发送信息。 自发传输模式的特点是：被控站一旦有事件发生，就立即向主站传送，因而它最适合实 时性的要求。自发传输模式所传送的信息，如果由于干扰等原因主站未能正确收到，该信息 将被丢失，可采取措施进行补救。例如主控站正确收到信息后回送一个“肯定确认”信息， 若被控站收不到这一信息，就重发原来的信息，因此，一般需要双向信道，即半双工传输和 全双工传输通道都可以。 自发传输模式减轻了正常运行情况下信道的负担，但在异常或事故情况下传送的工作 量将大量增加。为了避免信道拥挤，可采用按优先级分批传送等办法来缓解，比如，可以采 取状态变化信息按时标顺序传输（transmission of change-of-state information chronologically） 或状态变化信息按优先顺序传输（transmission of change-of-state information in an order of priority）等方法。 按请求传输（transmission on demand） 主控站仅在对被控站的请求做出响应时才传送报文的传输方式称为按请求传输。循环传 输模式和自发传输模式都是被控站作为通信传输的发动方来传送信息的，而按请求传输模式 是主控站作为通信发动方，由它向被控站发出请求传送的命令。被控站则按主站的请求来组 织、发送有关信息。这种传输模式通常以问答方式进行通信，有时也称问答式传输。 在问答式传输模式中，主站可以请求被控站发送某一远动信息，也可以要求发送某些类 型的信息等等，其工作方式很灵活。问答式传输模式要双向通信，因此需要双工通道，同样 地，半双工传输和全双工传输通道都可以。 问答式传输模式不仅适用于点对点配置方式，而且也适用于其他配置方式，例如多点共 线配置方式，此时主控站可轮流与各被控站进行问答通信。主站所发的命令中带有目的站的 地址，因此只有被呼叫的被控站能做出应答，其他被控站不受理。 循环传输、自发传输以及按请求传输是三种基本远动传输模式，在实际使用的过程中常
常是它们的组合，可以灵活应用。例如可以将循环传输模式与自发传输模式组合：在正常情 况下以循环传输模式工作，当发生紧急情况时，例如断路器事故跳闸，就插入事件发动传输， 即优先插入遥信变位信息传输：待紧急信息传送完毕后，再恢复为正常的循环传输模式。在 各种传输模式组合时，事件驱动传输模式的优先级通常是最高，循环传输模式的优先级最低。 3.2.2远动系统的网络配置方式 远动系统中控制站与被控站之间的通信网络连接方式称为远动系统的网络配置，电力系 统远动通道常见的几种网络拓扑结构配置方式如图3-2所示。 控制站 控制站 控制站 被控站 被控站 被控站 被控站 被控站 被控站 被控站 (a) (b) (c) 控制站 控制站 被控站 被控站 被控站 被控站 被控站 被控站 (d) (e) 图3-2远动网络配置方式 远动网络配置方式通常有：点对点配置、多点环形配置、多点共线配置、点对多点配置、 多点星型配置等。 ◆点对点配置
5 常是它们的组合，可以灵活应用。例如可以将循环传输模式与自发传输模式组合：在正常情 况下以循环传输模式工作，当发生紧急情况时，例如断路器事故跳闸，就插入事件发动传输， 即优先插入遥信变位信息传输；待紧急信息传送完毕后，再恢复为正常的循环传输模式。在 各种传输模式组合时，事件驱动传输模式的优先级通常是最高，循环传输模式的优先级最低。 3.2.2 远动系统的网络配置方式 远动系统中控制站与被控站之间的通信网络连接方式称为远动系统的网络配置，电力系 统远动通道常见的几种网络拓扑结构配置方式如图 3-2 所示。 被控站 控制站 被控站 控制站 被控站 被控站 被控站 控制站 被控站 被控站 (a) (b) (c) 被控站 控制站 被控站 被控站 被控站 控制站 被控站 被控站 （d） (e) 图 3- 2 远动网络配置方式 远动网络配置方式通常有：点对点配置、多点环形配置、多点共线配置、点对多点配置、 多点星型配置等。 点对点配置