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第2章 广域同步测量与通信技术
2.1 广域测量系统中的通信技术
2.2.1 数字通信基本概念和理论
1. 数字通信系统模型
图2－16给出了一个完整的数字通系统的模型。

图2－16 数字通信系统的模型
信源能够是数据、 语音和图像。如电力系统的电压和电流信号等。
信源编码包含模拟信号的数字化和信源压缩编码两个范畴。模拟信号的数字化主要有脉冲调制( PCM) 等, 这种变换提高了通信质量, 是靠扩大传输频带换来的。信源压缩编码是对信源进行处理, 把信号能量集中起来缩窄占据频带, 从而提高了通信的有效性。这些编码方法有预测编码、 变换编码等。
信道编码是指采用差错控制技术, 把可控的冗余码加入二进制序列, 从而提高了传输可靠性, 减少误码的影响。
调制器主要完成了信号频谱的搬移, 将低频信号调制到高频通道去传输。
数据信号在信道中传输分为两种: 一是异步传输, 二是同步传输。
2. 编码与调制
数据在传输之前, 必须被编码, 以适应传输介质和接收机的要求。这些包括: 避免直流分量、 在接收端提取时钟、 克服噪声干扰以及适应信道带宽。
通信网中常见的一些数字信号编码格式有: 归零码、 非归零码、 非归零翻转码、 曼彻斯特码、 曼彻斯特差分码以及裂相码等。
采样上述码的原因主要有一下几个方面:
l 从信号频谱角度考虑: 因为减少高频分量, 因此要求缩短带宽。减少低频分量, 特别是直流分量, 因为通信路径可能遇到变压器和线圈。
l 从同步和接收端提取时钟的角度考虑: 有些编码技术, 如曼彻斯特码, 能够固定地为接收机提供关于每一比特的起始和停止信息, 因此避免需要单独的时钟信道。
l 纠错和抗干扰性考虑等。
在模拟信道中传输数字信号, 必须把数字信号转换成模拟形式, 才能在模拟信道中进行传输。实现上述信号转换, 一般采样调制解调器。
对于正弦载波信号, 有三种调制技术: 数字调幅、 数字调频和数字调相。
3. 信道带宽和信道容量
在给定带宽上能够传送的最大信息速率依赖于所传送信号的能量和信道噪声特性。信息的最大传输速率又称为”信道容量”, 用C表示, 单位bit/s。信道带宽用B表示, 单位Hz。
Shannon的信道容量定理指出: 能够找到这样一种技术( 理论上称为编码技术) , 当信息速率小于或等于信道容量C时, 经过它能够以任意小的错误概率传送信息。相反, 当信息速率大于信道容量时, 则不能找到这样一种编码技术。
信道容量和带宽的关系:

式中, 为信道带宽内总的噪声能量, 而为信号与噪声之比。该公式只适应于具有高斯噪声特性的信道。
4. 多路复用
多路复用是把许多信道联合起来, 并在实际信道中传输, 在接收端经过分解将原来信道的分隔并恢复出来。多路复用的主要目的是有效的利用带宽。常见复用方式有两种: 一是时分多路制( TDM) , 二是频分多路制( FDM) 。
5. 误码处理
在接收端, 无论信号在有线信道上还是在无线信道上传输, 都有噪声伴随。当接收的信号被接收机各级处理时, 如滤波、 放大、 解调等, 每一级都在信号上叠加上附加的噪声。如何检测出这些差错?
研究者已经创造了很多用于检错和纠错的码。这些码的基本设计思想是: 在输入的数据流中加入多余的比特, 经过多余的比特来检错和纠错。检测码有奇偶校验码; 纠错码的例子有汉明码、 BCH码以及卷积码等。在电力系统通信中常见的检测码和纠错码有奇偶校验码、 和校验码以及CRC等。
6. 光纤通信基础
1） 光数字通信系统
基本的光纤通信系统使用强度调制( IM) 和直接检测( DD) 方法。实际上所有当前采用的系统都是强度调制和直接检测系统, 如图2－17。

图2－17 IM－DD光二进制通信系统框图
该系统包括一个激光器或发光二极管( LED) 光源、 光纤及PIN或雪崩光电二极管( APD) 光接收机。当前大多数光系统是数字系统。一个高性能的光数字系统经过无中继长距离能够传输数Gbit/s光信号。这样一套系统一般采用单模单频激光器、 单模光纤及PIN接收机。
发射机将待传输的电信号转换成光信号, 能够采用直接调制光源或经过外调制器的方法来实现这一转换。直接调制比较简单, 但会引起发射光波谱的展宽, 即”频率啁啾”。频率啁啾与光纤中的群速度色散相互作用, 严重影响光脉冲形状, 使系统性能下降。
外调制能够减小甚至消除频率啁啾, 因而更加适合于在长距离无中继和高信息速率的系统中应用。最常见的外调制器是利用电光效应制成的。
信道是光纤。光纤的两个主要参数是衰减和色散。这两个参数都会限制无中继距离光信号的传输。
最后, 接收机包括光电检测器, 一般是PIN或APD, 把输入光信号转换成电信号。因为电信号可能非常微弱且有失真, 因此在进入判决器之前, 必须经过放大和均衡。在判决器中, 信号抽样并与一个适当的门限比较, 从而恢复出所发送的信息比特。
2） 有关光纤通信的基本概念
① 折射率:
光在真空中的传输速度, 同光在介质中的传输速度的比值称为折射率。

当入射角比临界角大时, 不存在折射光速, 所有的入射光功率都反射会介质。这种现象称为全内反射。
② 衰减:
光在光纤中传输时, 因光散射和吸收现象引起光信号的损耗, 称为光纤衰减。光纤对传输距离的影响, 比发射机输出功率或接收机灵敏度对传输距离的影响要大的多。
③ 色散:
不同的光的分量( 或不同的频率, 或颜色等) , 一般以不同的速度在光纤中传输。这个现象称为色散。当复合光信号在光纤中传输时, 由于光纤色散的影响, 信号可能失真。
如果光纤可传输几个模, 则起主要作用的色散机理是模式色散或模间色散( 即不同的模以不同的速度传输引起的色散) 。如果是单模光纤, 则起主要作用的色散机理是模式色散( 色度色散) 。
④ 啁啾:
当激光器被调制时, 即激光器的电流在改变, 激光器功率和频率都会改变。这种现象称为”啁啾”。在强度调制系统中, 啁啾一般产生不利的影响: 啁啾展宽激光器谱线, 因而经过光纤色散使传输输出失真。然而, 啁啾在频率调制系统中使有益处的。
3） 光纤带宽
对光通信一般都采用多信道传输信息。采用多信道通信系统的原动力是巨大的光纤的有效带宽。对石英单模光纤, 光纤衰减与光载波波长的关系曲线, 如图2－18

图2－18 在普通石英单模光纤中信号衰减与波长的关系
光纤有两个损耗极小值, 一个在1.3附近, 损耗更低的一个在1.55附近。在1.55波段, 它大约提供25000GHZ带宽。在不考虑光纤损耗对传输的限制时, 光纤的宽带特性意味着1.55的单一载波能够以25000Gbit/s的比特率进行基带调制, 占据1.55附近25000GHz的带宽。虽然, 当前的光纤器件不可能达到这么高的比特率, 激光器、 外调制器、 开关和检测器的带宽充其量不超过100GHz; 事实上当前实际数据链路层的比特率明显低的多, 可能每个信道不超过10Gbit/s。因此, 单路高速信道只不过利用了光纤带宽的极小一部分。
4） 电路交换和分组交换
在网络通信中, 信息传输时主要有两种交换方法: 多路交换和分组交换。
① 电路交换:
在电路交换中, 如果用户A想和用户E通信, 那么用户A想用户E发送一个请求信号, 要求开始数据传输。若用户E能够进行互联, 它就接收用户A的请求, 然后用户A就能够开始传输数据。这个请求称之为”握手”。一旦传输开始, 这两个用户之间就在网络中建立了一条固定的路径或线路, 直到其中的一个用户中断这条通信线路为止。
电路交换网容易实现和控制。多路交换强调一条透明的数据管道, 其建立和拆除时间都较长, 更适合低速长时间传输。
② 分组交换:
分组交换网部需要具有专用带宽的链路。每个用户都是以分组的形式传输数据。在一般的网络中, 每个数据分组有一个标记, 即一组特定的比特, 它一般在分组的开头, 用来实现数据恢复的同步, 以及提醒接收机一个分组快要到达; 还有分组信头比特, 它包括为网络交换提供的目的地址和路由信息; 以及用户产生的端到端数据有效载荷。如图2－19。

图2－19 数据分组的基本结构
一个分组在成功地到达它的目的地址之前, 可能要经过很多中间交换节点。任何分组为到达目的地址可能需要经历数次路由选择, 这取决于具体网络和不同线路的有效带宽。在这种情况下, 需要给每一个分组加上序列号, 从而确保这些分组没有按顺序到达目的地时也不至于被错判。每个传输的分组只占光纤线路有效带宽的一小部分。如果没有分组可供传输, 能够把光纤链路中的带宽分配给其它用户的分组传输。因此, 分组交换有效的充分利用了有效带宽――带宽仅仅用来传输高速率数据, 线路并不因为某个特定的用户不传输数据而被迫处于空闲状态。
5） 常见的复用方式
在光纤通信中, 常见的复用技术主要有: 时分复用、 波分复用、 码分复用和空分复用几种。
① 时分复用－TDM
大多数情况下, 光网络能够仿照电网络进行构建, 电网络的数字数据传输系统绝大多数使用TDM技术。一芯光纤中能携带许多时分复用信道。其中每个信道在一个指定时间间隙中传送她的数据, 这个间隙也用来识别发送者或接收者的地址。
图2－20给出了一条典型的TDM链路, 其中N个发射机由一个快速复用器定时依次查询并发送它们的数据。

图2－20 TDM比特交织的概念
如果一个时隙代表发送者的地址, 那么解复用器则应该是: 在一个指定的接收节点, 仅仅能接收一个与所期望的发送者相关的特定时隙。图2－20中的复用技术可采取”比特交织”或”分组交织”。在比特交织方式中, 复用器查询完一个节点的单一比特后, 再查询下一个节点。如果N个用户相共用同一条大带宽的光媒介, 为了复用必须将每个发射机的比特时间分成N个时隙; 在分组交织方式中, 复用器用一个完整的分组时间, 查询一个节点后再查询下一个节点。
TDM的传输比特率, 与每个信道的比特率和用户数N的关系为:

TDM传输对输入比特同步有着严格的要求。
TDM有两个主要优点: i) 输出端口没有争用问题。因为每个比特占用它自己的时隙, 因而在任何指定的瞬间只会有一个高速率信号。ii) 低速光网络的实现很简单而且与电网络非常类似。
TDM的主要缺点: i) 如果每个用户本身是高速的, 而且用户比较多, 那么TDM传输需要超高速开关器件ii) 在很高速率时, 网络的控制、 稳定性和电处理很难实现好的性能。短脉冲的传输受光纤色散和非线性效应的影响很明显。
② 波分复用－WDM
波分复用是在一芯光纤中同时传输几个基带调制的信道, 而每个信道处在不同的波长上。N个不同波长的激光器能够工作在较低的Gbit/s速率上, 可是整个系统的传输速率则是单个激光器传输速率的N倍, 大大增加了系统传输容量。WDM信道在波长上有一定的间隔, 以避免由于非理想光滤波器解复用时带来的串话。如图2－21为波分复用原理。

图2－21 一个简单的WDM系统框图
N个不同的波长信号能够独力地进行路由选择和检测, 波长能够作为源、 目的或者路由的标识地址和路径。因此, 为了允许特定波长的传输、 恢复和路由, 器件必须是具有波长可选择性。
6） 码分复用－CDM
CDM方法是每个信道不是占用一个给定的波长、 频率或时隙, 而是以这个信道特有的编码脉冲序列方式来传送比特信息。这种编码传输是由一个与时间有关的短脉冲序列来完成的。这些短脉冲处在较长的比特时间中的切普时间里。每一个信道都有各自特定的码子, 而所有的信道能够在同一芯光纤中传输并异步解复用。编码的结果是每个信道的带宽变宽了, 或扩展了, 这种现象称作扩频传输。如图2－22说明了码分复用的例子。

图2－22 码分复用的例子
图2－22中a显示了单个比特时间如何分成M个切普时隙。在这些切普时隙里为每个用户分配一个由1和0组成的特定码。N个用户需要N个地址码。每个发射机必须在每个比特时间内是一个给定的目地址编写正确的序列。每个目的接收机, 其硬件正好是发射机编码硬件的反演, 将计划到达该目的地的数据解码, 而不会对其它目的地的数据进行解码。如果解码器是发射机编码硬件的准确反演, 则输出将产生一个叫做自相关的光信号尖峰。如果这个自相关信号超过一定的阀值水平, 将在接收机里触发一个检测到的比特1。否则, 为0。
为了将可能的来自其它信道的互相关功率降至最低, 每个比特需要比( ) 更多的切普。增加每比特的切普数目, 将使任何所选信道的切普在解码器匹配的可能性减至最小。
如果几个信道同时在同一光纤上传输, 虽然信道有彼此不同的码, 但它们的频谱将是重叠的。解码是时域的, 而不是频域的。
CDM的优点: i) 解码能够异步地进行; ii) 提高了传输的保密性。主要时由于1) 信号的频谱时如此之宽, 以致窄带噪声和干扰信号对数据的传输和恢复没有什么明显的影响。2) 数据只能由一个专用的解码序列或密钥来恢复。
CDM的缺点: i) 用户数的限制( 切普时隙的限制) ; ii) 系统速度的限制; iii) 编码器和解码器的光分束损耗很高。
7） 空分复用－SDM
SDM是由不同的空间位置( 即不同的输出光纤) , 进行确定信道路由。如图2－23所示。

图2－23 1×N空间复用器的例子
把光纤的输出分成N个不同并行光束路径。N条输出光束中的每一条都经过一次光调制开关, 然后耦合到不同的输出光纤中。经过控制每一个光调制器的透射率, 输入光纤上的信号能够传送到任何一个光纤输出端口。更广泛的说, N个光纤输入端口经过一个光开关阵列能够与N的光纤输出端口实现完全互联。
2.2.2 广域通信网络
1． OSI模型
在电力系统运行、 控制于管理中, 计算机于通信网络已是必不可缺少的东西, 而信息通信网络则是电力系统信息化运行、 控制与管理的基石。”通信协议”和”网络体系结构”是建立信息网络的基础。
”通信协议”是一个系统与其它系统, 为了进行顺利的通信而规定的规则( 通信规则) 。如: 基本数据传送控制规程( DTC) 和高级数据链路传输控制规程( HDLC) 以及公共分组交换网协议( X.25) 等就是典型的协议的例子。
”网络体系结构”是计算机、 终端及运行的软件的功能和作用构成的网络的结构总体。其基本元素是”通信功能的层次化”。层次化的优点是: ①经过适当分割通信功能, 能够明确定义大规模通信系统的功能; ②构成通信系统的存储器及各种硬件、 软件等管理主体由什么通信功能来担任, 分工更明确; ③各层之间相互独力, 某一层的变动不会影响其它层。
1979年CCITT和ISO为了是异构机种之间通信成为可能, 认为有必要进行网络体系结构标准化, 因此, 两者开始了OSI标准化工作。网络体系结构的标准是计算机”信息处理”和通信网中的”通信处理”两者结合的领域。
OSI参考模型共有7层, 每层都有自己的功能和协议。下面简单介绍每层的功能:
① 物理层
物理层主要讨论在通信线路上比特流的传输问题, 这一层协议描述传输的电气的、 机械的、 功能的和过程的特性。其典型的设计问题有: 信号的发送电平、 码元的宽度、 线路码型、 网络连接器插脚的数量、 插脚的功能、 物理连接的建立和终止以及传输方式等。如RS232接口。
② 链路层
链路层主要讨论在数据链路中帧流的传输问题。这一层协议的内容包括: 帧的格式、 帧的类型、 比特填充技术、 数据链路的建立和终止、 信息流控制、 差错控制, 向网络层报告一个不可恢复的错误。这一层的目的是保证相邻的站与节点或节点与节点之间的准确地、 有次序地和有节奏地传输数据。典型地例子: HDLC。
③ 网络层
使用数据网( 分组网或交换网) 、 电话网等各种通信网, 与通信对方系统之间建立的通信路径, 为此而进行的中继、 路由选择管理, 以保证终端系统间的数据传送。这时, 要用最佳的费用, 设定通信路径, 以实现上面的传输层所必须的吞吐量、 传送延时等功能。
④ 传输层
经过两侧的终端系统, 在通信进程间进行实际的数据传送, 其正确性是由这一层来保证的。因此, 本层要保证连接系统的通信网的质量。当传送出错概率高时, 要经过检错、 恢复等手段提高数据传送的可靠性。
⑤ 对话层
在进程之间进行通信时, 一般时经过相互同步, 来传送有一定含义的信息的。例如在传送较长的文件时, 采用以页为单位进行确认, 确认后再传下一页的方法。为此, 再本层要对进程中必要的信息传送方式( 如半双工、 全双工的管理及发送权的管理) 、 进程间的同步以及重新同步进行管理。
⑥ 表示层
一般地说, 每个进程的数据结构都是不同的, 在进程间通信时, 有必要使用双方都能处理的通用数据结构进行传送。
⑦ 应用层
本层是最高层, 没有面向上层的服务定义。因此, 只把进程中与对方进程通信的部分放入OSI的环境中( 称为应用实体) , 同时, 对各种业务内容的通信功能进行管理。文件传送、 访问和管理, 虚拟终端以及报文处理都属于这一层。
图2－24给出了一个OSI通信的数据格式

图2－24 OSI通信的数据格式
象分组交换网这样的中间中继系统, 它是一个只有具有第3层一下功能的模型化系统。电力系统IEC－60870也只定义了两层。
作一下部分的引言:

2． 异步传输模式( Asynchronous Transmit Mode, ATM)
在异步转移模式( Asynchronous Transfer Mode, ATM) 这项技术被设计和开发之前, 为远程通信服务的网络主要有两类, 一是以电路交换为基础的电话交换网, 另一个是异分组交换技术为基础的数据通信网。窄带综合业务数字网( N－ISDN) 试图从用户网络接口( UNI) 出发, 将这两类不同技术的基础通信网综合为一体。随着技术的演进和市场的发展, N－ISDN所能提供的业务能力不断受到挑战, 而且仅在UNI上实现合并, 并不能是基础交换网的发生实质意义上的综合或融合。作为宽带综合业务数字网核心技术之一的ATM, 从根本上改变了在N－ISDN中综而不合的状况。
① ATM网络的基本概念
为了支持任何数据类型的用户业务, ATM网络的目标是提供一个高速率、 低延时的复用和交换网络。为此, ATM将用户的业务流拆分或分组成固定的大小信息单元( 即信元, cell) , 并以此为基础进行复用和交换等处理。
ATM信元长为53个八位组, 其中5个用作信元头, 其余48个为用户净荷。ATM网络经过信元头内的虚电路标识符来识别一个信元, 并以该标识符经高速的交换机, 将源自用户端的信元中继传送到目的端用户。
为了实现多兆位的转移速率, ATM网络对信元内的用户净荷不作错误检测, 也不提供重传业务, 对信元头的处理尽可能低简化。
信元经过ATM网络时经过两种类型的接口, 一种位于终端用户接入到网络的接口( UNI) , 另一种位于网络内交换机之间的接口( NNI: 网络节点接口) 。
ATM信元头的定义:

图2－25 ATM信元头的格式
l 一般流量控制( GFC) : 只作用于UNI, 其功能是为了控制ATM接续的业务流量, 以避免用户侧出现业务量过负荷;
l 虚通道标识符( VPI) 和虚信道标识符( VCI) : 是虚电路的两种形式, 主要用于路由选择和资源管理等;
l 净荷类型( PT) : 包括用户信息和业务适配信息, 也可用于区分信元净荷是用户数据或是管理数据;
l 信元丢失优先级( CLP) : 用于决定在信元丢失时的先后次序;
l 头标差错科控制( HEC) : 用于针对信元头的差错检测, 并起信元定界作用;
l 净荷( Payload) : 用于装载用户信息或数据。
② ATM交换技术
从交换技术出发, ATM信元的交换与数据分组交换具有相似性, 但前者是为了满足实时性业务的要求。ATM交换是电路交换和分组交换的一种结合。
在ATM交换机上连接到用户线和中继线, 所传输的数据单元都是ATM信元, 因此对ATM交换机而言, 在很多情况下不必区分用户线和中继线, 而称向交换机送入ATM信元的线路为入线, 接收交换机送出ATM信元的线路为出线。ATM交换机一般由三部分组成, 如图2－26。

图2－26 ATM交换机的基本组成
③ ATM的参考模型和协议
ATM协议的制定, 参考了OSI协议的7层模型方法。ATM协议包括4个分层: 物理层、 ATM层、 ATM适配层( AAL: ATM Adaptation Layer) 和高层。如图2－27所示。

图2－27 ATM分层协议模型
物理层:
MAC层:
ATM层:
AAL层:
高层:

④ ATM网络的性能
3． 同步光纤网络( Synchronous optical network, SONET)
2.2 电力系统新一代实时安全监控与通信网络
电力系统通信协议现状
2.2.1 电力系统远程通信协议IEC－60870
2.2.2 变电站通信协议IEC－61850
2.2.3 调度中心通信协议IEC－61970