ЛЕКЦИЯ. Основы построения систем сбора и передачи информации (ССПИ). Каналы связи
ЛЕКЦИЯ. Основы построения систем сбора и передачи информации (ССПИ). Каналы связи
Общая структура построения ССПИ
Требования к системам телемеханики и связи изложены в ряде нормативных документов. С учетом этих требований программно-аппаратное обеспечение ССПИ электрических станций и подстанций включает (рис. 2):
Рис. 2. Структурная схема ССПИ в общем виде
Расположенные на КП
- многофункциональные измерительные приборы (МИП) с цифровыми интерфейсами непосредственно подключаемые к измерительным трансформаторам тока и напряжения;
- устройства телемеханики (УТМ) для сбора телесигналов (ТС) положения коммутационных аппаратов и формирования команд телеуправления (ТУ) коммутационными аппаратами; возможна реализация МИП в составе комплексов устройств телемеханики, а также реализация функции сбора ТС и формирования команд ТУ в МИП;
- устройства сбора и передачи данных (УСПД) с цифровыми интерфейсами непосредственно подключаемые к измерительным трансформаторам тока и напряжения для организации измерения данных учета;
Расположенные на ПУ
- устройства телемеханики (УТМ ПУ) для сбора информации, передаваемой по телемеханическим каналам связи;
- средства оперативной обработки и хранения информации (СООИ, СБД);
- приёмники сигналов точного времени (GPS, ГЛОНАСС)
- средства отображения информации индивидуального пользования (автоматизированные рабочие места персонала) и коллективного пользования (мнемонические щиты, видеопанели, щиты на основе видео-кубов);
- а также каналы связи, коммуникационное и каналообразующее оборудование.
Общие требования, предъявляемые нормативными документами к ССПИ
1. Требования к объему оперативной технологической информации ССПИ
Оперативные данные ССПИ должны включать:
- телеизмерения величины действующих значений по каждому присоединению
· напряжения (фазного, линейного) для каждой фазы и среднего,
· тока для каждой фазы и среднего,
· активной мощности для каждой фазы и суммарной,
· реактивной мощности для каждой фазы и суммарной,
· полной мощности для каждой фазы и суммарной,
· частоты,
· температуры окружаюшей среды, уровни бъефов для ГЭС;
- телесигнализацию положения коммутационных аппаратов:
· положения всех выключателей и отделителей напряжением 6-750 кВ всех присоединений,
· положения устройств РПН трансформаторов с обмоткой ВН110 кВ и выше,
· положения разъединителей и заземляющих ножей в цепях выключателей;
При этом конкретный объем телеинформации, а также необходимость реализации телеуправления коммутационными аппаратами должен определяется индивидуально в зависимости от уровня диспетчерского управления и значимости объекта.
2. Требования к передаче телеинформации ССПИ в АС верхнего уровня управления:
- вся телеинформация (все события в системе) должна передаваться с меткой времени;
- время передачи телесигналов и телеизмерений (от момента изменения ТС (ТИ) на входе устройства телемеханики до фиксации на входе принимающего устройства при спорадической передаче с учетом задержки в канале связи) не должно превышать 1 сек;
- передача информации должна осуществляться по не менее, чем двум независимым каналам связи с пропускной способностью не менее 64 Кбит/сек;
- протокол передачи телеинформации должен соответствовать ГОСТ Р МЭК 60870-5-104 2004, ГОСТ Р МЭК 60870-5-101 2006 или ГОСТ Р МЭК 60870-6;
- коэффициент готовности по каждому направлению передачи должен быть не ниже 0,999 при времени восстановления не менее 5 мин;
- коэффициент ошибок в канале должен составлять не более 10-5.
3. Требования к неоперативной технологической информации ССПИ
Неоперативной условно считается технологическая информация, к которой не предъявляются требования обеспечения гарантированного времени передачи, к такой информации относятся:
- данные средств регистрации аварийных процессов и событий;
- данные от микропроцессорных устройств РЗА и ПА;
- данные от систем технического и коммерческого учета электроэнергии;
- данные от устройств контроля качества электроэнергии;
- данные от систем технологического и охранного видеонаблюдения;
4. Требования к измерительным трансформаторам:
- измерительные трансформаторы должны иметь измерительные керны класса точности не хуже 0,5;
- во всех эксплуатационных режимах не должна допускаться перегрузка трансформаторов с учетом всех подключенных к ним измерительных устройств.
5. Требования к измерительным преобразователям
- для измерения электрических величин в системе должны использоваться многофункциональные измерительные приборы (МИП) с цифровыми интерфейсами;
- МИП должны удовлетворять следующим техническим требованиям:
l погрешность измерения основных электрических параметров – не хуже 0,5%;
l возможность привязки телеизмерений к меткам времени;
l возможность обновления измеряемых/вычисляемых параметров на выходе прибора с частотой не более 1 сек.
l возможность построения схемы опроса всех измерительных устройств в системе за время, не более 1 сек;
- средства измерений должны быть внесены в Государственный реестр средств измерений и иметь действующее свидетельство о поверке.
6. Требования к устройствам телемеханики
- возможность наращивания информационного объема;
- определение изменения состояния объектов ТС с быстродействием не хуже 0,1 сек.;
- сбор данных о состоянии двухпозиционных объектов (ТС);
- привязка ТС к меткам времени с точностью не хуже 1 мс на уровне устройств ввода-вывода;
- точность синхронизации встроенного источника времени со временем в системе при синхронизации по сети – ± 0,5 сек.,
- возможность синхронизации встроенного источника времени от внешнего источника астрономического времени с точностью 1 мс;
- встроенные функции самодиагностики;
- наличие цифровых интерфейсов;
- система бесперебойного питания.
7. Требования к оперативно-информационному управляющему комплексу (ОИУК):
- сбор данных с распределенных устройств телемеханики, многофункциональных измерительных приборов, а также других АС (например, систем регистрации аварийных и переходных процессов, систем оперативной блокировки положения коммутационных аппаратов и др.);
- достоверизация собранной информации;
- передача оперативной технологической информации на верхние уровни диспетчерского и технологического управления;
- реализация алгоритмов замещения и оперативного дорасчета;
- синхронизация с системой единого астрономического времени;
- самодиагностика, диагностика состояния каналов передачи данных, устройств телемеханики;
- формирование сводных документов в режиме реального времени;
- ведение диспетчерского графика;
- архивное хранение данных и возможность доступа к архивным данным удаленных пользователей с использованием web-технологий.
Свойства интерфейсов
RS-485 - один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи. Физический уровень - это канал связи и способ передачи сигнала.
Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары - двух скрученных проводов.
Существуют два варианта интерфейса: RS-422 и RS-485:
RS-422 - полнодуплексный интерфейс. Прием и передача идут по двум отдельным парам проводов. На каждой паре проводов может быть только по одному передатчику.
RS-485 - полудуплексный интерфейс. Прием и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаются в режиме приема.
Тип соединителей и распайка не оговариваются стандартом. Встречаются соединители DB9, клеммные соединители и т.д.
| Стандартные параметры интерфейсов | RS-422 | RS-485 |
| Допустимое число передатчиков/ приемников | 1 / 10 | 32 / 32 |
| Максимальная длина кабеля | 1200 м | 1200 м |
| Максимальная скорость связи | 10 Мбит/с | 10 Мбит/с |
| 100-19200 б/с для ТМ |
RS-232 — интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 15 метров. Информация передается по проводам цифровым сигналом с двумя уровнями напряжения. Логическому "0" соответствует положительное напряжение (от +5 до +15 В для передатчика), а логической "1" отрицательное (от -5 до -15 В для передатчика). Асинхронная передача данных осуществляется с фиксированной скоростью при самосинхронизации фронтом стартового бита.
Назначение: Интерфейс RS-232-C был разработан для простого применения, однозначно определяемого по его названию: «Интерфейс между терминальным оборудованием и связным оборудованием с обменом по последовательному двоичному коду». Чаще всего используется в промышленном и узкоспециальном оборудовании, встраиваемых устройствах. Присутствует на стационарных персональных компьютерах (как правило, RS-232 не ставят на портативных компьютерах - на ноутбуках, нетбуках, КПК и т. п.).
Соединители: устройства для связи по последовательному каналу соединяются кабелями с 9-ю или 25-ю контактными разъёмами типа D-sub. Обычно они обозначаются DE-9 (или некорректно: DB-9), DB-25.
В зависимости от формы передаваемой информации каналы передачи данных можно разделить на аналоговые (непрерывные) и цифровые (дискретные).
Физический канал (физическая линия) используется для передачи и приема информационного сигнала из устройства в устройство, причем носителем информации является какой-либо из физических параметров (отсюда и название), а содержание информации отражается значением этого параметра.
Так как аппаратура передачи и приема данных работает с данными в дискретном виде (т.е. единицам и нулям данных соответствуют дискретные электрические сигналы), то при их передаче через аналоговый канал требуется преобразование дискретных данных в аналоговые (модуляция).
При приеме таких аналоговых данных необходимо обратное преобразование – демодуляция. Модуляция/демодуляция – процессы преобразования цифровой информации в аналоговые сигналы и наоборот. При модуляции информация представляется синусоидальным сигналом той частоты, которую хорошо передает канал передачи данных.
Модем (модулятор-демодулятор) - устройство, применяющееся в системах связи для физического сопряжения информационного сигнала со средой его распространения, где он не может существовать без адаптации, и выполняющее функцию модуляции и демодуляции этого сигнала.
Кабельные линии связи — линии связи, состоящие из направленных сред передачи (кабели), предназначенные совместно с проводными системами передач, для организации связи.
Каналы передачи данных
Среда передачи данных - совокупность линий передачи данных и блоков взаимодействия (т.е. сетевого оборудования, не входящего в станции данных), предназначенных для передачи данных между станциями данных. Среды передачи данных могут быть общего пользования или выделенными для конкретного пользователя.
Линия передачи данных - средства, которые используются в информационных сетях для распространения сигналов в нужном направлении. Примерами линий передачи данных являются коаксиальный кабель, витая пара проводов, световод.
Характеристиками линий передачи данных являются зависимости затухания сигнала от частоты и расстояния. Затухание принято оценивать в децибеллах, 1 дБ = 10 lg(P1/P2), где Р1 и Р2 - мощности сигнала на входе и выходе линии соответственно.
При заданной длине можно говорить о полосе пропускания (полосе частот) линии. Полоса пропускания связана со скоростью передачи информации. Различают бодовую (модуляционную) и информационную скорости. Бодовая скорость измеряется в бодах, т.е. числом изменений дискретного сигнала в единицу времени, а информационная - числом битов информации, переданных в единицу времени. Именно бодовая скорость определяется полосой пропускания линии.
Если на бодовом интервале (между соседними изменениями сигнала) передается N бит, то число градаций модулируемого параметра несущей равно 2N. Например, при числе градаций 16 и скорости 1200 бод одному боду соответствует 4 бит/с и информационная скорость составит 4800 бит/с.
Канал (канал связи) - средства односторонней передачи данных. Примером канала может быть полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами. Существуют два метода разделения линии передачи данных: временное мультиплексирование (иначе разделение по времени или TDM), при котором каждому каналу выделяется некоторый квант времени, и частотное разделение (FDM - Frequency Division Method), при котором каналу выделяется некоторая полоса частот.
Канал передачи данных - средства двустороннего обмена данными, включающие АКД и линию передачи данных.
По природе физической среды передачи данных (ПД) различают каналы передачи данных на оптических линиях связи, проводных (медных) линиях связи и беспроводные. В свою очередь, медные каналы могут быть представлены коаксиальными кабелями и витыми парами, а беспроводные - радио- и инфракрасными каналами.
В зависимости от способа представления информации электрическими сигналами различают аналоговые и цифровые каналы передачи данных. В аналоговых каналах для согласования параметров среды и сигналов применяют амплитудную, частотную, фазовую и квадратурно-амплитудную модуляции. В цифровых каналах для передачи данных используют самосинхронизирующиеся коды, а для передачи аналоговых сигналов - кодово-импульсную модуляцию.
В зависимости от направления передачи различают каналы симплексные (односторонняя передача), дуплексные (возможность одновременной передачи в обоих направлениях) и полудуплексные (возможность попеременной передачи в двух направлениях).
В зависимости от числа каналов связи в аппаратуре ПД различают одно- и многоканальные средства ПД. В локальных вычислительных сетях и в цифровых каналах передачи данных обычно используют временное мультиплексирование, в аналоговых каналах - частотное разделение.
Если канал ПД монопольно используется одной организацией, то такой канал называют выделенным, в противном случае канал является разделяемым или виртуальным (общего пользования).
К передаче информации имеют прямое отношение телефонные сети, вычислительные сети передачи данных, спутниковые системы связи, системы сотовой радиосвязи.
Канал тональной частоты (англ. voice frequency circuit) — это совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая передачу электрических сигналов связи в эффективно передаваемой полосе частот (ЭППЧ) 0,3 — 3,4 кГц. В телефонии и связи часто используется аббревиатура КТЧ.
Ширина ЭППЧ определяет качество телефонной передачи, и возможности использования телефонного канала для передачи других видов связи. В соответствии с международным стандартом для телефонных каналов многоканальной аппаратуры установлена ЭППЧ от 300 до 3400 Гц. При такой полосе обеспечивается высокая степень разборчивости речи, хорошая естественность её звучания и создаются большие возможности для вторичного уплотнения телефонных каналов.
Основной цифровой канал телефонной сети — 64000 бит/с. Образуется из следующих соображений. Диапазон частот, в который помещается голос человека, составляет 300—3400 Гц. Для дискретизации по теореме Котельникова необходимо удвоить частоту 3400 Гц, получаем 6800 Гц. Из-за неидеальности фильтров, имеющих полосу расфильтровки, отличную от нуля, частоту дискретизации увеличили до 8000 Гц. Сейчас диапазон частот 3400 — 4000 Гц может быть использован для передачи сигнализации.
Радиоканал -канал связи, в котором передача информации осуществляется с помощью радиоволн. Включает среду распространения радиоволн и устройства преобразования электрических сигналов в электромагнитное излучение (радиопередающее устройство) и электромагнитное излучение в электрические сигналы (радиоприёмное устройство). Технические характеристики радиоканала зависят от его функционального назначения и вида передаваемых сигналов: обслуживаемая зона, дальность передачи определяют применяемые частоты, вид антенн, мощность передатчика и чувствительность приёмника; вид сигналов (телефония или телеграфия, звуковое или телевизионное вещание и т. д.) определяет пропускную способность канала (полоса передаваемых частот, динамический диапазон и линейность амплитудной характеристики канала).
ВЧ-связь (высокочастотная связь) — комплекс оборудования связи, использующего, в качестве среды передачи, провода и кабели высоковольтных линий электропередачи. Приемопередатчики ВЧ-связи обычно устанавливаются по концам ЛЭП на территории подстанций.
В основном, ВЧ-связь используется для нужд электростанций и подстанций: для организации голосовой связи (телефонная и диспетчерская связь), передачи данных (АСУТП, телемеханика, АСКУЭ), организации работы систем РЗА и ПА (передача дискретных команд ускорения и блокировки защит, передача токового сигнала ДФЗЛ) .
Также ВЧ-связь используется для связи с оперативно-выездными бригадами (с использованием переносных приемопередатчиков), определения места повреждения высоковольтных линий, организации работы автоматических систем определения гололедообразования.
Работа систем ВЧ-связи строится на передаче модулированной электромагнитной волны по проводам и тросам линий электропередач. Похожие системы используются в кабельных системах связи ГТС, но есть существенные отличия:
- устройства присоединения должны обеспечить изоляцию приемопередатчиков от высокого напряжения ЛЭП, в том числе от импульсных перенапряжений (при ударе молнии);
- напряженность электромагнитного поля ослабевает при удалении от проводников ЛЭП значительно медленнее, чем в кабельных системах связи, поэтому системы ВЧ-связи являются сильным источником помех для систем радиосвязи, и сами подвержены влиянию сторонних источников ЭМИ (то же относится и к взаимному влиянию трактов ВЧ-связи друг на друга);
- сложная зависимость затухания сигнала от частоты в трактах ВЧ-связи.
- множество сильных источников помех: коронные и дуговые разряды ЛЭП, разряды при переключениях коммутационных аппаратов подстанций.
В СНГ рабочие полосы каналов ВЧ-связи располагаются в диапазоне частот от 20 до 1000 кГц. При выборе частот этот диапазон разбивается на полосы по 4 кГц и выбор производится так, чтобы рабочие полосы частот каналов для каждого из направлений передачи информации располагались внутри одной полосы 4 кГц (для одноканального оборудования) или внутри полосы 4*n кГц (для n-канального оборудования). Диапазоны смежных комплектов аппаратуры связи обычно отделяются заградительной полосой в 4 кГц.
В пределах полного диапазона имеется ряд полос частот, запрещенных для ВЧ-связи по условиям ЭМС с системами аэронавигации и радиоэлектронными средствами народного хозяйства.
В основном используются симплексные каналы, и для построения полноценного канала связи требуется выделение двух частотных диапазонов. Основное исключение — системы ДФЗЛ, работающие в полудуплексном режиме в одном частотном диапазоне.
Аналоговые системы связи
Изначально системы ВЧ-связи создавались для организации голосовых (телефонных) каналов связи тональной частоты (отсюда и выбор стандартной полосы 4 кГц). В аналоговом режиме полезный сигнал передается в режиме амплитудной модуляции с одной боковой полосой и частично подавленой несущей.
Традиционно подключение аппаратов диспетчерской связи осуществляется по четырехпроводным линиям с сигнализацией АДАСЭ: в таких системах команды управления передются специальными частотными сигналами в голосовом тракте, и цепи телефонной сигнализации не требуются.
Для передачи данных используются модемы каналов тональной частоты. Возможно использование стандартных модемов, но предпочтительно использование специальных модемов, способных работать в условиях сильных шумов, нелинейной АЧХ и в надтональном частотном диапазоне.
Возможности аналоговых каналов связи могут быть расширены путем уплотнения: диапазон 4 кГц разделяется на 2 или 3 поддиапазона. При этом поддиапазон низкой частоты используется для голосовой связи, а дополнительные (наддтональные) — для передачи данных модемами надтонального спектра.
Современные аналоговые устройства ВЧ-связи оснащаются системами цифровой обработки сигнала (фильтрация от помех, автоматическая настройка параметров тракта, эквалайзер), встроенными модемами, блоками телефонной автоматики, средствами диагностики, удаленного управления и др.
Цифровые системы связи
В цифровых системах сигнал в рабочем диапазоне (n*4 кГц) передается широкополосным модемом, а абонентские каналы подключаются к специализированному мультиплексору.
Ethernet — пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей.
Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 90-х годов прошлого века, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.
В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический кабель.
Преимущества использования витой пары по сравнению с коаксиальным кабелем:
- возможность работы в дуплексном режиме;
- низкая стоимость кабеля «витой пары»;
- более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле (соединение точка-точка: обрыв кабеля лишает связи два узла. В коаксиале используется топология «шина», обрыв кабеля лишает связи весь сегмент);
- минимально допустимый радиус изгиба меньше;
- большая помехозащищенность из-за использования дифференциального сигнала;
- возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);
- гальваническая развязка трансформаторного типа. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт и иногда даже полным «выгоранием» системного блока.
Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.
В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1 Гбит/с для передачи по оптическому волокну и по витой паре.
Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных, используя автоопределение скорости и дуплексности, для достижения наилучшего соединения между двумя устройствами. Если автоопределение не срабатывает, скорость подстраивается под партнёра, и включается режим полудуплексной передачи. Например, наличие в устройстве порта Ethernet 10/100 говорит о том, что через него можно работать по технологиям 10BASE-T и 100BASE-TX, а порт Ethernet 10/100/1000 — поддерживает стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.
ЛЕКЦИЯ. Основы построения систем сбора и передачи информации (ССПИ). Каналы связи