低压电器与网络通信技术优化方案

首先从系统的角度观察电力系统以及配电系统以及更底层的低压配电系统，它们都是在一定范围内的关联系统，在系统中每个低压元件处于某个特定的位置，承担某个特定的功能，但是这个元件所在电路的运行参数，发生的事件也会对其他回路和整个系统产生影响，同时往往也需要与上级或同级伙伴交换信息实现特定的功能，从系统管理角度通常需要了解每个支路的情况，以便协调和控制相关的元件采取适当的动作以谋求整个系统按期望的目标运行，对于配电系统来说特别在出现故障或突发事件时，通过各部分的协调正确应对保障系统的正常和安全是非常重要的。这就是低压电器需要通信与网络的最原始的需求。

现代的电力网连接发电、输电、配电、电力服务和广大电力用户，智能电网是希望应用现代通信网络技术改进它的各方面性能，这包括平衡电力生产和消费，从传统的供电方单向满足用户的需求到通过供需双方的信息交流，达到供需的平衡，另一重要方面是接入和发展可再生能源和分布发电。无论协调电力的生产和消费以及分布能源的接入和管理都依赖通信和网络技术。

现代日新月异飞速发展的信息技术为电力系统的信息化提供强大的技术支持，随着电子技术发展电器元件从简单的机电作用原理逐步过渡到基于微处理器的智能数字电子原理也为信息化提供方便，当前具有通信能力的智能低压元件已越来越普遍，实现电力设备的联网已经不是难事。变电站自动化的国际标准IEC61850“变电站通信网络和系统要求”中所描述的系统就是这种建立在现代信息网络基础上的系统，所以通信和网络技术现在已经成为低压电器的一个基础技术，现在的低压电器从业人员即使不直接从事通信和控制也必须对这部分技术要有所了解。

网络与通信技术原本是计算机技术与通信技术相结合和发展的产物，大批量低成本微处理器的出现极大推动分散控制（智能）模式的发展。现在通过一个微处理芯片的用户编程很容易实现一个独立设备或元件的特定的测量，控制和通信功能。那么通信和网络技术则是研究将在一定区域内，将不同地理位置且各自具备独立功能的设备，通过传输介质互相连接起来，按照一定的网络协议相互通信交换需要的信息，实现软、硬件和信息资源的共享和协调。

4.15.1.1 传输介质

传输介质是网络中传输数据信号的物理媒体。网络传输介质通常分为有线介质和无线介质。常用的有线介质有双绞线、同轴电缆、光纤等；无线就是通过自由空间传送的电磁波，电磁波按波长分为无线电波、微波、红外和激光等。

1.有线介质

1）双绞线：金属导线是经典和使用最广泛的一种传输介质，传输通信信号的专用导线通常是双绞线。双绞线的线芯是两根相互绝缘的金属导线，并按照一定的节距互相绞合，这种方式可减少线间寄生电容，和外界的电磁干扰。通常一根双绞线电缆中可由一对或者几对双绞线构成。为了减小外界电磁辐射的影响，通信电缆通常采用在双绞线外加金属屏蔽层的方法，这可以是在电缆的外层和/或每个绞线对的外层由铝箔或金属导线编织网包裹，通过将屏蔽层接地可以减小外部电磁辐射对绞线及内部弱电通信信号的影响（如图4-211所示的DeviceNet通信电缆内部包含一对双绞数据线，一对双绞电源线，它们具有双层的屏蔽），它具有抗电磁干扰能力强、传输速率高等优点，但它也存在安装复杂、成本较高的缺点。

图4-211 具有双层屏蔽的DeviceNet电缆的截面

2）同轴电缆：同轴电缆是指线芯是两个同心导体，中间的导体是一个线芯，另一个线芯是由套在中间线芯外的圆柱形绝缘材料隔开的导电的屏蔽层，它们组成同轴心的电缆。最常见的同轴电缆由绝缘材料隔离的铜线导体组成，在里层绝缘材料的外部是另一层环形导体及其绝缘体，然后整个电缆由塑料护套包住。同轴电缆的特性阻抗非常均匀，可以在相对长的无中继器的线路上支持高带宽通信，但也具有体积大、不能承受压力和弯曲、成本高等缺点。

3）光纤：光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的传递光信号的工具。按照传输光信号的模式光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤和多模光纤可以从纤芯的尺寸大小来简单地判别。单模光纤的纤芯很小，约4～10μm，单模光纤光纤直径与光波波长相等，只允许光信号在一条光纤中直线传输，即只有一条光路；在无中继条件下，它的传播距离可达几十千米，一般采用单波长的激光作为光源。多模光纤允许多条不同入射角的光信号在一条光纤中传输，即可有多条光路；在无中继条件下，传播距离可达几千米，一般采用LED光源。多模光纤又分为多模突变型光纤和多模渐变型光纤。前者纤芯直径较大，传输模态较多，因而带宽较窄，传输容量较小；后者纤芯中折射率随着半径的增加而减少，可获得比较小的模态色散，因而频带较宽，传输容量较大，目前一般都应用后者。

光纤通信是现代信息传输的重要方式之一，它具有容量大、中继距离长、保密性好、不受电磁干扰和节省铜材等优点。

2.无线

无线主要种类如下：无线、微波和红外都是电磁波，由于波长不同，它的传输特性各不相同，各有适用的范围。无线的频率从30kHz～300MHz（对应波长从10km～1m）；微波的频率从300MHz～300GHz（对应波长从1m～1mm）；红外波的频率从300～3.9×10⁵GHz（对应波长从1mm～770nm）。

1）无线电波：30kHz～300MHz。无线电波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的射频频段的电磁波。无线电技术是通过无线电波传播声音或其他信号的技术。

无线电技术的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。

2）微波：300MHz～300GHz。微波是指频率为300MHz～300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1m（不含1m）到1mm之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。

3）红外线：300～3.9×10⁵GHz。温度高于绝对零度的物体都会辐射出人眼无法看到的红外线，其波长比红光长，因此称作红外。红外线被广泛应用于室内短距离通信，一般家庭中使用的电视机、空调的遥控器就是利用红外线技术遥控的。红外线的优点是制造工艺简单、价格便宜；缺点是对环境因素（如天气）较为敏感、传输距离有限、穿透性差，因而只能在室内和近距离使用。通信中常用的红外波段是波长为950nm的近红外。

4）激光：激光与红外同属光波，有很强的方向性，沿直线传播。但激光能产生非常纯净（单一波长）的窄光束，同时具有更高的能量输出，在射向目标中途不会产生反射现象，故激光通信网络只能直接连接，一般用于长途通信中需高数据速率的场合。

4.15.1.2 数字编码方式

数字数据传输时，需要解决数字信号表示方式以及收发两端之间的信号同步问题。对于传输数字信号来说，最简单最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，也即数字信号由矩形脉冲组成。数据的数字编码方式很多，下面给出了几种数字信号最常见的编码方式。

（1）非归零编码 非归零编码分为非归零电平编码和非归零反向编码。非归零电平编码中规定用负电平表示二进制“1”，用正电平表示二进制“0”；而非归零反向编码则用电平是否跳变表示邻接的数据，电平发生跳变表示邻接的数据为“1”，不跳变表示邻接的数据为“0”。(www.xing528.com)

非归零编码的缺点是无法判断每一位的开始与结束，收发双方不能保持同步。为保证收发双方同步，必须在发送非归零编码的同时，用另一个信道同时传送同步时钟信号。

（2）曼彻斯特编码 曼彻斯特编码不用电平的高低表示二进制，而是用电平的跳变来表示，如图4-212所示。在曼彻斯特编码中，每一个比特的中间均有一个跳变，这个跳变既作为时钟信号，又作为数据信号。电平从高到低的跳变表示二进制“1”，从低到高的跳变表示二进制“0”。

而差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进，每比特中间的跳变仅做同步之用，每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定。每比特的开始无跳变表示二进制“1”，有跳变表示二进制“0”。

曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码是数据通信中最常用的数字信号编码方式，它们的优点是无需另发同步信号。缺点是编码效率稍低。

图4-212 曼彻斯特编码

a）标准曼彻斯特编码 b）差分曼彻斯特编码

4.15.1.3 通信方式

数据的通信方式根据不同的特点有不同的分类。

（1）并行通信与串行通信 根据每次传送的数据位数，通信方式可分为并行通信和串行通信。并行通信是发送端一次同时传输多位二进制数据到接收端。并行方式主要用于近距离通信，如在设备内部的数据通信通常以并行方式进行。这种方式的优点是传输速度快，处理简单。串行通信一次只传送一位二进制的数据，从发送端到接收端只需要一根传输线。串行方式虽然传输率低，但适合于各种距离的数据传输，本文以下讨论的通信都是指串行通信。

（2）单工、半双工与全双工通信 根据数据在线路上的传输方向，通信方式可分为单工通信、半双工通信与全双工通信。单工通信只支持数据在一个方向上传输，发送端和接收端是固定的，因此又称为单向通信。半双工通信允许数据在两个方向上传输，但在同一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种可切换方向的单工通信。即通信双方都可以发送信息，但不能双方同时发送或者接收数据。全双工通信允许数据同时在两个方向上传输，又称为双向同时通信，即通信的双方可以同时发送和接收数据。

（3）同步传输和异步传输 同步传输以数据帧为单位传输数据，可采用字符形式或位组合形式的帧同步信号，由发送器或接收器提供专用于同步的时钟信号。在短距离的高速传输中，该时钟信号可由专门的时钟线路传输。异步传输以字符为单位传输数据，采用位形式的字符同步信号，发送器和接收器具有相互独立的时钟，并且两者中任一方都不向对方提供时钟同步信号。异步传输的发送器与接收器双方在数据可以传送之前不需要协调，发送器可以在任何时刻发送数据，而接收器必须随时都处于准备接收数据的状态。

4.15.1.4 网络拓扑

网络拓扑是对网络的分支和节点的系统性安排，体现了网络中节点间连通性关系。网络拓扑结构有以下四大类。

（1）总线型 总线型拓扑是指所有节点都挂到一条总线上；各节点地位平等，无中心节点控制，公用总线上的信息多以基带形式串行传递，其传递方向总是从发送信息的节点开始向两端扩散，各节点在接受信息时都进行地址检查，看是否与自己的工作地址相符，相符则接收总线上的信息。

总线型拓扑具有如下优点：结构简单，可扩充性好；使用的电缆少，且安装容易；使用的设备相对简单，可靠性高。但也存在维护难，分支节点故障查找难的缺点。

（2）星形 星形拓扑是指网络中各节点以星形方式连接成网。网络有一个中心节点，其他节点都与中心节点构成点到点的连接。这种结构具有控制简单、便于管理、故障检测方便等优点；但也存在对中心节点要求较高而导致风险集中、安装工作量大、成本高的缺点。

（3）树形 树形拓扑是指网络中有一个根节点，根节点可以带分支，每个分支还能带子分支的结构。

树形拓扑具有如下优点：结构比较简单、成本低；网络中任意两个节点之间不产生回路，每个链路都支持双向传输；网络中节点扩充方便灵活，寻找链路路径比较方便。树形拓扑也有如下缺点：除叶节点及其相连的链路外，任何一个节点或链路产生故障都会影响整个网络系统的正常运行；对根节点的依赖性太大，如果根发生故障，则整个网络都不能正常工作。

（4）环形 环形拓扑是指由网络中的所有节点连接成一个闭合的环，节点之间为点到点连接。这种结构使公共传输电缆组成环形连接，数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输，信息从一个节点传到另一个节点。

环形拓扑具有如下优点：结构简单，各个节点的通信负担均衡；传输延迟确定，适用于有特定时间要求的场合；增加或减少一个节点时比较简单。环形拓扑也有如下缺点：当环中节点过多时，势必影响信息传输速率，使网络的响应时间延长；可靠性低，一个节点故障，将会造成全网瘫痪；维护难，对分支节点故障定位较难。