7第八章 厂站端与监控中心之间的信息传输.docx
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7第八章厂站端与监控中心之间的信息传输
第八章厂站与主站之间的信息传输
第一节电力系统远动通信概述
电力系统是实时运行的大系统，存在着众多的系统运行业务通信。
电力系统实时通信、电力系统的安全稳定控制、电网调度自动化被人们合称为电力系统安全稳定运行的三大支柱。
电力系统实时通信是电网调度自动化、网络运营市场化和管理现代化的基础，是确保电网安全、稳定、经济运行的重要手段和重要基础设施。
在此，电力系统实时通信主要指主站与厂站之间的远动通信。
一、远动通信的特点
1.距离遥远
随着区域之间电网的互联，电网规模不断扩大，一个调度中心与它所控制的厂站之间的距离一般在几十千米、几百千米，甚至上千千米。
这种远距离的实时通信需要高质量的数据传输网的支持，经过多年的建设，我国已建成了电力系统五级数据通信网，厂站监控系统的实时信息可以直接通过数据通信网接口向调度中心传送，厂站监控系统也可通过该网络接口接收主站命令。
2.实时性强
通信的实时性要求一般用允许传送时间来表示，它指从发送端事件发生到接收端正确接收到该事件信息这一段时间。
国际电工委员会（IEC）建议的最大允许时延是：
①命令信息为0.1-2s；②状态变化、事件信息为1-5s；③正常遥测遥信为2-10s；④存储数据为1-5min。
在我国地区电网数据采集与监视系统中，最大允许时延指标要求是：
变位信息、厂站端工作状态变化信息必须在1s内送到调度中心主站；厂站端遥测信息按重要程度分别在3-20s内在调度中心实现更新；电能等存储信息允许几分钟或几十分钟传送一次。
随着电网规模的扩大，系统运行的安全可靠性不断提高，运行控制对实时性要求也不断提高。
另一方面，计算机技术、电子技术、通信技术的迅速发展对不断提高的通信实时性指标提供了技术支持。
此外，系统运行信息的重要程度不同，对实时性的要求也不同。
因此，应根据不同应用场合，正确把握实时性强弱的指标要求。
3.可靠性高
远动信息是电网监视与控制的依据，其传输的可靠性毋庸置疑。
为了确保传输信息的可靠性，在电力系统远动通信中，通常需要建立双通道，当一个信道故障时，可自动切换到另一个备用通道，并采用不同的通信介质构成双通道。
为了确保接收信息的可靠性，对传输的远动信息采用编码技术进行编码，接收端可对接收信息进行检错或纠错。
在远动通信中，通常采用检错编码供接收端检出错误，并要求发送方重新传输该信息或等待该点信息的下次传送。
为了防止黑客攻击或信息被病毒感染，对电力二次系统提出了“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的安全防护策略，设置了严格的安全防护体系，确保了实时运行信息的安全可靠。
二、远动数据通信信道
电力系统远动通信的特点决定了它不能依赖于公网通信，根据IEC的建议，世界上大多数国家的电力公司都建立了电力系统专用通信网，特殊情况下，可借用公网作为补充。
1．明线或电缆信道
这是采用架空或铺设线路实现的一种通信方式，其特点是线路铺设简单，线路衰耗大，易受干扰，主要用于近距离的变电站之间或变电站与调度中心的远动通信。
常用的电缆有多芯电缆、同轴电缆等类型。
2．电力线载波信道
电力线载波通信是电力系统传统的特有通信方式，它以输电线路为传输通道，具有通道可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步等得天独厚的优点，曾经是电力通信的主要方式。
电力线载波通信将话音及其他信息通过载波机变换成高频弱电流，使用不同的频段，利用电力线路进行传送的一种传送方式。
一个电话话路的频率范围为0.3－3.4KHz，为了使电话与远动数据复用，通常将0.3－2.5KHz划归电话使用，2.7－3.4KHz划归远动数据使用。
远动数据采用数字脉冲信号，故在送入载波机之前应将数字脉冲信号调制成2.7－3.4KHz的信号，载波机将话音信号与该已调制的2.7－3.4KHz信号迭加成一个音频信号，再经调制、放大、结合到高压输电线路上。
在接收端，载波信号先经载波机解调出音频信号，并分离出远动数据信号，经解调得远动数据的脉冲信号。
电力线载波通信技术经多年的发展，已达到了使用频率标准化、载波设备系列化、功能组合模块化、器件集成化和监测微机化的水平。
目前，数字化电力线载波技术也在一定范围内使用。
3．光纤通信信道
光纤通信是光导纤维通信的简称，它是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。
光纤包括内芯和包层，单根光纤内芯是由高折射率的掺杂二氧化硅纤芯组成，一般为几十微米或几微米，包层由较低折射率的二氧化硅制成，其作用就是保护光纤。
实际的光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起组成的光缆。
光纤通信具有容量大、中继距离长、抗干扰能力强、传输性能稳定、误码率低等诸多优点，这些优点使其在电力系统通信中的应用越来越广泛。
现在光纤敷设已有地线复合光缆、地线缠绕光缆和无金属自承式光缆等几种。
（1）地线复合光缆（OPGW），即架空地线内含光纤。
这种光缆使用可靠，不需维护，但一次性投资价格较高，适用于新建线路或旧线路更换地线时使用。
（2）地线缠绕光缆（GWWOP），它是用专用机械把光缆缠绕在架空地线上。
这种光纤芯数少，容易折断（枪击、啄木鸟害等），较为经济、简易，也具有较高的可靠性。
（3）无金属自承式光缆（ADSS）,这种光缆可以提供数量大的光纤芯数，安装费用比OPGW低，一般不需停电施工，还能避免雷击。
因为它与电力线路无关，光缆重量轻，价格适中，安装和维护都比较方便，但容易产生电腐蚀。
此外，其他光缆还有如相线复合光缆（OPPC）、金属铠装自承式光缆（MASS）等等。
电力特殊光缆受外力破坏的可能性小，可靠性高。
经过多年的发展，电力特殊光缆制造及工程设计已经成熟，特别是OPGW和ADSS技术，在国内电力系统已经开始大规模的应用。
特种光纤依托于电力系统自己的线路资源，避免了在频率资源、路由协调、电磁兼容等方面与外界的矛盾，有很大的主动权和灵活性。
4．微波中继信道
微波中继信道简称微波信道。
微波是指频率为300MHz－300GHz的无线电波，它具有直线传播的特性，其绕射能力弱。
由于地球是一球体，所以微波的直线传输距离受到限制，需经过中继方式完成远距离的传输。
在平原地区，一个50米高的微波天线通信距离为50千米左右，因此，远距离微波通信需要多个中继站的中继才能完成。
微波信道的优点是容量大，可同时传送几百乃至几千路信号，其发射功率小，性能稳定。
微波信道有模拟微波信道和数字微波信道之分。
用微波传送远动信息时，对于模拟微波信道，需要经过调制、载波后上信道，接收端也需经过载波和解调才能完成。
对于数字微波信号，远动数据信号需经复接设备才能上或下微波信道。
适合于较小区域内的一点多址微波通信曾在县级电力系统通信中得到应用。
由于县级电力通信范围在几十公里之内，一般使用一个中心站而不必中继，只有当通信距离在30－50千米以上时才设置中继站。
在无线信道中，还有特高频无线电波通信、卫星通信、散射通信、短波通信、扩频通信等，都有其适用场合。
第二节差错控制与编译码
电力系统是一个实时运行的复杂系统，远动信息的实时性、准确性、可靠性是信息传输的基本要求，影响信息传输实时性的主要因素是信息的传输速率，而信息传输速率依赖于信息特性以及信号调制方式等因素。
影响信息传输准确性、可靠性的主要因素包括：
一是信道特性引起信息的码间干扰，二是信道上的噪声和干扰。
因此，提高信息传输质量指标的设计考虑包括：
选择质量较好的信息传输通道，提高传输速率，改善信道的特性，降低码间干扰。
然而，信息在信道上传输始终存在多种干扰而引起差错，为了确保接收端获得准确的信息，就必须采用差错控制技术。
所谓差错控制技术就是采用可靠、有效的编码，以发现或纠正信号在传输过程中由于噪声等干扰而造成的错码的一种方法。
差错控制技术也称抗干扰编码技术。
一、差错控制方式
差错控制可分为检错和纠错两大类。
检错即查出信息传输过程中的错码，但不能确定错码的位置。
纠错则是在检错的基础上，判断错码所在位置并加以纠正。
结合信息传输发送端和接收端双方的工作，常用的差错控制有如下几种方式。
图8—1差错控制方式示意图
（a）ARQ；（b）循环传送；（c）FEC；（d）HEC
1.自动要求重传ARQ
ARQ方式的通信过程如图8—1（a）所示。
发送端发出能够检错的信息码，接收端收到该码后，按编码规则检错，确定接收到的编码中有无错码，并将判断结果通过反馈信道传送给发送端。
如果判断结果为有错码，则发送端重传该信息码，直到接收端判断无错码为止。
如果判断结果为无错码，发送端向接收端发送新的信息码。
ARQ方式按编码规则完成检错，由重传完成纠错，故ARQ的准确性、可靠性很高，并可对重传次数加以控制，但实时性受到一定影响，效率不高。
2.循环传送检错
循环传送检错方式如图8—1（b）所示，其特点是同一信息源的信息被周期性地循环传送。
这种方式不需要反馈信道。
发送端把有关信息送入信道编码器进行抗干扰编码后发送出去。
接收端收到编码后经检错译码器判断有无错码。
如果没有错码，则该组数码可用。
如果有错码，则该组数码丢弃不用。
因为同一信息源的信息被周期性地循环传送，待下次循环中再收该信息，如果无错就可采用。
循环传送检错方式比较简单，也容易实现。
3.前向纠错FEC
前向纠错方式如图8—1（c）所示。
发送端的信息经信道编码器进行纠错编码，形成可纠错的码字发送出去。
在接收端，把收到的数码经信道译码器进行纠错译码。
FEC方式的优点是不需要反馈信道；但缺点是译码器一般较复杂。
4.混合纠错HEC
混合纠错方式是FEC与ARQ两种方式的综合，如图8—1（d）所示。
发送端发送的码字不仅能够检错，还具有一定的纠错能力。
接收端收到数码后，首先进行纠错。
如果错误太多，超过了纠错能力，但译码器能检测出有错码，于是通过反馈信道，要求发送端重新发送该组信息。
HEC要求有反馈信道，并要求发送的码组及接收端的信道译码器具有一定的纠错能力。
以上介绍的各种差错控制方式，其主要工作过程是：
在发送端进行抗干扰编码，在接收端则进行检错或纠错。
纠错码方案广泛应用于错误率高的无线链路中，纠错是让每个传输的分组带上足够多的冗余信息，以便在接收端能发现并自动纠正传输差错。
比如海明码、正反码。
检错码方案广泛应用于错误率非常低的铜线或光纤链路中。
在检错码方案中，“奇偶校验码”和“循环冗余编码”这两种方案应用最广。
在电力系统循环式远动中，对于遥测遥信通常采用循环传送检错。
在问答式远动中，遥测遥信也多采用检错译码方式，为了提高遥控可靠性，都采用返送检验方式。
二、码距与检纠错能力
1．码距与最小码距
码距就是两个码字C1与C2之间不同的比特数。
一个编码系统的码距就是整个编码系统中任意（所有）两个码字的最小距离，即最小码距dmin。
最小码距的重要性在于：
如果两个码字的海明距离为dmin，那么只有出现dmin个位出错时一个码字才会变成另一个码字。
2．检错、纠错能力与最小码距的关系
在数字通信系统中，送入信道的信息都是“0”和“1”组合的数字信号，而当“0”和“1”形式的信息在信道中传输时将0错成1或将1错成0时，由于发生差错后的信息编码状态是发送端可能出现的状态，因此接收端无法发现差错。
如果发送信息进入信道之前，在每个编码之后附加冗余码，发送端使用的码集中码字之间最小码距dmin增大了。
由于dmin反映了码集中每两个码字之间的差别程度，如果dmin越大从一个编码错成另一个编码的可能性越小，则检错、纠错能力也越强。
因此最小码距是衡量差错控制编码检错、纠错能力的标志，它们之间的关系如下：
（1）当码字用于检测错误时，如果要检测e个错误，则码距
d0≧e+1（8-12）
这个关系可以利用图8-12（a）予以说明。
在图中用A和B分别表示两个码距为d0的码字，若A发生e个错误，则A就变成以A为球心，e为半径的球面上的码字，为了能将这些码字分辨出来，它们必须距离其最近的码字B有一位的差别，即A和B之间最小距离满足不等式（8-12）。
（2）当码字用于纠正错误时，如果要纠正t个错误，则码距
d0≧2t+1（8-13）
这个关系可以利用图8—2（b）予以说明。
在图中用A和B分别表示两个码距为d0的码字，若A发生t个错误，则A就变成以A为球心，t为半径的球面上的码字；B发生t个错误，则B就变成以B为球心，t为半径的球面上的码字。
（a）（b）（c）
图8—2检（纠）错能力的几何解释
换句话说，对最小码距为dmin的编码系统，它能纠正码字中错误位数t和能检出的码字中错误位数l满足如下关系：
t≦（dmin-1）/2
l≦dmin-1
增大编码信息码距的一个明显缺点是降低数据传输效率。
所以，选择最小距离要取决于特定系统的参数。
数字系统的设计者必须考虑信息发生差错的概率和该系统能容许的最小差错率等因素。
三、差错控制编码
设有一个编码系统，用3个比特来表示8个不同信息。
在这个系统中，两个码字之间不同的比特数从1到3不等，但最小值为1，所以这个系统的码距为1。
如果任何码字中一位或多位被颠倒了，结果这个码字就不能与其它有效信息区分开。
例如，如果传送信息001，而被误收为011，因011仍是表中的合法码字，接收端仍将认为011是正确的信息。
差错控制编码是在一组信息码元的基础上，增加部分与信息码元具有某种相关性的校验码元，使原来本不相关的信息序列，转化为具有某种规律性的码元序列，差错控制的这种按某种规律编码，使接收端的检错、纠错功能得以实现。
设要传送k位信息，按一定的规则在k位信息后增加r位校验位，组成长度为n=k+r位的信息码。
例如k=3，r=1校验位添加规则为使k+r位中“1”的码元数为偶数即形成偶校验码，如表8－1所示。
表8－1偶校验码
信息组
码字
000
0000
001
0011
010
0101
011
0110
100
1001
101
1010
110
1100
111
1111
在传送偶校验码时，无论发生奇数个1变为0或0变为1，接收端1的个数就不再是偶数，可检出存在错码。
当发生偶数个1变为0或0变为1，接收端无法检出错误。
长度为n的码元序列存在2n种排列，选用其中2k种排列允许在接收端出现，这2k排列称为许用码组，简称码字，其它2n-2k种排列不允许出现，称为禁用码组。
上述码长n=4，有24=16种不同排列，只有2k=23=8种许用码组。
采用这种编码方式后，接收端凡接收到许用码组就认为传送无错误，接收到禁用码组后就判定传送有误。
由k位信息码根据规则附加r位校验码，构成n=k+r位的码字。
其中附加r位校验码的编码规则是很多的。
对于编码规则选择的考虑主要是：
码的性能要好，能检出或纠正最可能出现的错码类型；编码效率要高，即所加的校验位要少；实现编码译码的方法要简便。
在差错控制系统中，信道编码存在着多种实现方式，同时信道编码也有多种分类方法。
本节只简要介绍信息码元和监督码元之间存在线性关系的线性分组码。
1.海明码
（1）海明码的概念
海明码是由R.W.Hamming提出的一种可以纠正差错的编码，通常用于纠正一位差错。
它是利用在信息位为k位，增加r位冗余位，构成一个n=k+r位的码字，然后用r个监督关系式产生的r个校正因子来区分无错和在码字中的n个不同位置的一位错。
它必需满足以下关系式：
2r>=n+1或2r>=k+r+1
海明码的编码效率为：
R=k/（k+r）
式中：
k—为信息位位数；
r—为增加冗余位位数。
（2）海明码的原理
1）冗余比特位的定位
在数据中间加入几个校验码，码距均匀拉大，将数据的每个二进制位分配在几个奇偶校验组里，当某一位出错，会引起几个校验位的值发生变化。
设要传送一个字符的ASCⅡ码D7D6D5D4D3D2D1,则传输过程可能出现的情况是第D1位错，第D2位错，第D3位错，第D4位错，第D5位错，第D6位错，第D7位错和不出错8中情况，2r=8，故r=3。
此时2r>=k+r+1（k=7）
不满足，因此，r应取4，即r=R4R3R2R1，此时，计7位ASCⅡ码共有11位。
将R4R3R2R1插在11位的23222120位置上，得到各冗余比特位在11位海明码中的位置。
D7
D6
D5
R4
D4
D3
D2
R3
D1
R2
R1
2）各冗余比特位值的计算
在海明码中，每个冗余比特位的值都是一组数据的奇偶校验位（例如取偶校验）。
其中：
R1是11位海明码中，对位数最低位（二进制表示）为1的位置进行偶校验而得到的校验结果；R2是11位海明码中，对位数次低位（二进制表示）为1的位置进行偶校验而得到的校验结果；R3是11位海明码中，对倒数第三位（二进制表示）为1的位置进行偶校验而得到的校验结果；R4是11位海明码中，对倒数第四位（二进制表示）为1的位置进行偶校验而得到的校验结果。
余类推。
对于11位海明码，二进制表示的数据位是：
0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、1010、1011.设传输的ASCⅡ码是1001101，D7D6D5D4D3D2D1=1001101，则
表8—2海明码校验位的确定
位11
位10
位9
位8
位7
位6
位5
位4
位3
位2
位1
D7
D6
D5
R4
D4
D3
D2
R3
D1
R2
R1
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
R1是位1、位3、位5、位7、位9、位11的偶校验，即R1、D1、D2、D4、D5、D7的偶校验，所以R1=1；R2是位2、位3、位6、位7、位10、位11的偶校验，所以R2=0；R3：
位4、位5、位6、位7的偶校验，所以R3=0；R4是位8、位9、位10、位11的偶校验，所以R4=1。
如表8—2所示。
（3）海明码的错误检测与纠正
接收方按照发送方的编码原理，重新计算校验位R1,R2,R3,R4,并与接收的对应位比较，或者计算对应的校验和，如一致（校验和为0），则传输无差错，否则，R4R3R2R1的值指出所在位传输差错，对该位取反即纠错。
例如：
传输的ASCⅡ码是1001101，则其海明码是10011100101。
若第7为出错，即原来的1变为0，则成为10010100101。
由此计算得R4R3R2R1=0111，它指出第7位传输出错。
如果传输没出错，R4R3R2R1=0000。
采用海明码纠正多位差错，其编译码十分复杂。
2.循环码
循环码是线性分组码的一个重要子集，是目前研究得最成熟的一类编码。
它有许多特殊的代数性质，这些性质有助于按所要求的纠错能力系统地构造这类码，且易于实现。
同时循环码的性能也较好，具有较强的检错和纠错能力。
（1）循环码的生成多项式
循环码由信息码元和监督码元组成，用（n,k）表示，其中n为循环码的长度，k为信息码元的长度，监督码元的长度r=n-k。
在代数理论中，为了便于计算，常用码多项式表示码字。
（n,k）循环码的码字，其码多项式（以降幂顺序排列）为C（x）=Cn-1xn-1+Cn-2xn-2+……+C1x+C0，式中Ci=0或1代表循环码的码字，x的幂次方代表码的位置。
如果一种码的所有码多项式都是多项式g（x）的倍式，则称g（x）为该码的生成多项式。
在（n,k）循环码中任意码多项式C（x）都是最低次码多项式的倍式。
有r位校验位的多项式码将能检测所有小于等于r位的突发差错，故只要k-1＜r，就能检测出所有突发差错。
生成多项式g（x）的国际标准如表8—3所示。
表8—3多项式g（x）的国际标准
CRC-12
g（x）=x12+x11+x3+x2+x+1
CRC-16
g（x）=x16+x15+x2+1
CRCITU-T
g（x）=x16+x12+x5+1
CRC-32
g（x）=x32+x26+x23+...+x2+x+1
CRC-16和CRCITU-T两种生成多项式生成的CRC码可以捕捉一位错、二位错、具有奇数个错的全部错误，可以捕捉突发错长度小于16的全部错误、长度为17的突发错的99.998%、长度为18以上的突发错的99.997%。
（2）循环码的编码方法
一般的（n，k）线性分组码，需要由k个独立码字才能生成全部2k个码字，而循环码只要找到一个生成多项式，就可以生成全部2k个码字。
将生成多项式记为g（x），可以证明g（x）的最低次数是n-k次，这样的g（x）是唯一的。
设g（x）是（n，k）循环码的生成多项式，因g（x）是个循环码字，使xg（x），x2g（x），．．．xn-1g（x）都是码字。
又设有k位信息位组成的信息多项式为m（x），并表示为
m（x）=mk-1xk-1+mk-2xk-2+……+m1x+m0（8-14）
式中mI=0或1（i=0，1，2，...k）
则c（x）=m（x）g（x）仍为码字，即任一循环码的码多项式都是g（x）的倍式。
可见，不同的g（x）将生成不同的（n，k）循环码。
可以证明，（n，k）循环码的g（x）是xn+1的n-k次因式。
在（n，k）=（48，40）循环码制中，选择g（x）=x8+x2+x+1。
上述g（x）生成的循环码，不能保证信息位一定在校验位之前。
在远动信息编码中，经常采用系统码形式的循环码，其格式为码字的前k位是信息位，后n-k位是校验位。
系统码的编码步骤如下：
①用xn-k乘以信息多项式m（x），得xn-km（x）；
②将xn-km（x）除以生成多项式g（x），得余式r（x）。
xn-km（x）=Q（x）g（x）+r（x）（8-15）
则
xn-km（x）+r（x）=Q（x）g（x）+r（x）+r（x）（8-16）
从而C（x）=xn-km（x）+r（x）
是g（x）的倍式，它必然是一个码字。
为了增强同步控制能力，克服循环码易形成滑步的缺点，还可采用陪集码。
陪集码将循环码生成的每个码字，在发送前加上一个次数小于n的固定多项式（非码字）p（x），使新的码字成为
xn-km（x）+r（x）+p（x）
取p（x）=x7+x6+x5+x4+x3+x2+x+1，则新码字的信息元部分没有改变，等于将校验码取反。
循环码既可采用硬件方法实现，也可采用软件的方法实现。
从灵活性、可靠性等方面综合考虑，更多采用软件实现。
从上述系统码的编码原理可知，需要进行多字节除法运算。
为了在单片机为核心的智能终端上实现，需要将多字节的除法运算变换为单字节的除法运算，以下即为具体的算法原理。
设循环码（n，k）＝（48，40），g（x）=x8+x2+x+1，其软件编码原理如图8－3所示。
rr0
图8—3（48，40）码软件编码过程示意图
图中字节M4～M0是待编码的5个信息字节，最后空的一个字节是要生成的校验码元。
按循环码编码原理，即将xn-km（x）被g（x）相除得余式r（x）。
由于采用陪集码，且p（x）=x7+x6+x5+x4+x3+x2+x+1，即将r（x）和p（x）模2加后才是对应的校检码元，所以必须将r（x）的系数取反后才是校验码元。
多项式的除法可以用其系数数列的除法来进行，其具体的编码过程如下。
①取出最高字节M4，在其后添加一个全零字节，再被生成数列g相除，得余数r4，其余数r4对应的多项式的次数与M3对应的多项式的次数相同，将r4称中间余式；
②将M3与r4模2加，得中间被除式M3=M3r4，在M3后添全零字节后，再被生成数列g相除，得
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