电力系统通讯概论.docx
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电力系统通讯概论
电力系统通信概论
第一篇电力通信的产生、发展、现状及特征
1．电力通行网的产生
顾名思义，电力通信网就是电力部门为满足内部组织管理、生产调度的需要而建立的通讯网络，它有别于公用通信网，是一种应用于电力行业的专用通信网。
它对内承担非经营性的电信服务，不承担社会服务的任务。
2．我国的电力通信网是在计划经济时期公用电信网满足不了专用网特殊需要的情况下产生的。
电力通信网的产生有如下几个原因：
（1）电力生产和管理对通信的特殊要求
电力工业本身具有发电、输电和用电过程同时成的行业特点，因此为电力调度提供通道的通信网必须高度可靠，同时应具有热线、强插和强拆等功能才能满足行业对通信的需求。
而作为公用网却难以满足电力行业的这种特殊要求。
（2）公用网容量有限，无法满足专用网的需求。
在建国初期，由于国民经济不发达的原因，我国公用通信网在建设资金方面不足，造成通信能力严重不足，覆盖范围有限，所以很难满足电力行业对通信的需求。
（3）租用公用电信网费用太高
由于电信垄断经营，没有形成合理的竞争市场，因此，虽然几次资费调整，但资费结构仍不尽合理，尤其是出租电路的费用过高，以至于在电路的使用上出现了租用不如自建的情况。
（4）电力专用网由国家投资，运营费用进入本行业的大成本中，无须考虑其投资效益。
由于体制上的原因，电力行业建设通信网都是作为建设电厂、变电站等的配套工程，因此可以利用国家资金建设电力专用通信网，而将专用通信网的运营费用列入行业的大成本中，往往无须考虑专用通信网的投资效益问题。
（5）在边远地区电力专用通信网的建设往往早于公用网
电力系统许多水、火电厂等在建设的初期，由于位置比较偏僻，根本没有公用网的电信设施，因此，这些地方都是先有了电力专用通信后，才逐渐建设公用网。
3．电力通信网的作用和地位
电力通信网是电力系统不可缺少的组成部分，是电网调度自动化和管理现代化的基础，是电网商业化运营的基础，也是非电产业经营多样化的基础：
是确保电网安全稳定、经济运行的重要手段，是电力系统重要的基础设施。
国家电力公司要在2002—2003年跻身世界500强，把自己建设成一个控股型、经营型、现代化和集团化的一流企业。
随着电网现代化水平的提高，电力通信也日益显示出其重要性，它为电网运行提供了安全保证，并为电网的建设、运行和管理提供信息。
通信系统作为支撑电网先进的安全稳定系统，电网调度自动化系统的信息传输和交换的重要基础设施，已成为现代化电网安全稳定运行的三大支柱之一。
4．电力通信网的发展和现状
1978年，国家根据电力生产的特殊需要，批准建设电力专用通信网。
从此，我国的电力通信事业伴随着电网的迅猛发展，从小到大，从点到面，以前所未有的速度发展起来。
从较为单一的通信电缆和电力载波通信手段到包含光纤、数字微波、卫星等多种通信手段并用，从局部点线通信方式到覆盖全国的平线通信网和以程控交换为主的全国电话网、移动电话网、数字数据网，无不展现出电力通信发展的辉煌成就。
据不完全统计，目前我国电力通信规模如下：
（1）全国以有约71000公里微波电路干线；
（2）110KV以上的电力线载波电路，已超过了67万话路公里；
（3）卫星地球站39座；
（4）电力特殊光缆和普通光缆通信电路已超过10000公里；
（5）在北京、上海、沈阳、哈尔滨、成都、郑州、福建等地已建成800MHZ集群移动通信网。
（6）交换网路的建设初具规模，已形成了以北京为中心覆盖全国（除台湾省以外）的电话自动交换网。
在主要节点上实现了程控数字化，并且大部分均以数字中继联网，系统内可直拨的交换局达700多个，总容量超过140万门（线），数字话率达99%以上。
实现了除台湾以外的30个省、自治区、直辖市电力部门之间的电话直拨。
（7）形成了以国家电力公司为中心的全国电话会议网，可同时召开下设700多个分会场的全国性电话会议。
全国会议电视网络正在建设之中。
（8）已建成覆盖全国大部分省的数字数据网（DDN）及连接各省局的全国性分组交换网络。
5．目前，我国电力通信网的特征：
（1）形成了覆盖全国的完整的通信体系
1）传输网：
由数字微波通信电路、电力线载波电路和光纤通信电路构成的通信网，基本上形成了覆盖全国主要大中城市的全国性长途通信网；
2）卫星通信网：
卫星通信作为电力专用通信网的必要补充，主要解决国家电力公司至我国边远地区的通信。
目前电力系统内已有FM、CVSD、ADPCM等制式的地球站36座，基本上形成了以北京为控制中心的电力系统专用卫星通信网络；
3）电话交换网：
目前已形成了以北京为中心的四级汇接、五级交换的全国性的电话自动交换网，系统内可直拨的交换局达600多个，总容量达60多万门，并基本上与中国电信实现互联互通；
4）数字数据网：
目前除在局部地区开展速率较低的数据通信外，以在北京、武汉、上海等几十个节点建立了传输速率为384Kb/s的高速分组交换网；
5）互联网：
国家电力公司科研院所网正在建设之中；
6）支撑网：
电信管理局、时钟同步网和信令网的支撑网也逐渐引入电力专用通信网。
（2）建设光纤通信费用低，可靠性高
在电力输电线路杆塔上安装光纤通信线路比在地下敷设光纤线路费用至少减少30%，而OPGW光缆线路的可靠性却比地下的平均高8倍。
（3）技术先进，管理完善
1）传输技术：
近几年，国家骨干网和省、地区网络都开始采用以光纤传输为主的同步数字传输体系（SDH）；
2）交换技术：
电话交换基本上实现了数字程控交换技术；
3）数据通信网技术：
初期采用传统的X.25技术，以后又采用了帧中继技术，目前开始引进ATM技术；
4）电力通信拥有一支较为完整的运行、维护和管理队伍；
5）在通信、计算机等专业方面具有较为雄厚的科研、教学、设计、施工能力；
6）从上到下管理、维护的组织机构和制度规程健全，形成了完整的五级调度通信机制。
（4）提供的通信业务范围广
1）电话电信基本业务；
2）数据、电视会议、电话会议、无线寻呼、多媒体通信等；
3）互联网业务；
4）出租电路、带宽、专线等；
5）数据通信业务将会成为电力专用通信网的主要承载的业务。
（5）潜在用户巨大，部分资源已经参与了电信市场经营
1）很多电力企业已经成立寻呼台，有的甚至形成了全省漫游，拥有较大的用户群；
2）拥有电力企事业单位和住宅的庞大有线用户群；
3）与电信运营公司合作，为中国联通GSM网在全国城市间联网提供部分2Mb/s数字通信。
（6）有为大型企业服务的成功经验。
第二篇电力系统通信网的主要通信方式
光纤通信方式
一．光纤通信是利用光导纤维（简称光纤）传送信息的光波通信技术。
光纤通信经历了五代的发展：
第一代多模光纤通信系统的工作范围为：
0.85mm波长，速率为50—100Mb/s，中继距离为10km．
第二代是工作在1.3um波长的单模光纤通信系统，速率达到了1.7Gb/s，中继距离为50km．
第三代是工作在1.55um波长的单摸光纤传输系统，速率达到2.4Gb/s，中继距离超过100km．
第四代光纤通信系统以频分复用（波分复用）增加速率和使用光放大器增加中继距离为标志，现在已有厂商宣布通信速率为400Gb/s的密集波分复用系统（DWDM）．
第五代光纤通信系统是基于＂光弧子＂而展开研究和开发的光弧子通信系统，光弧子通信系统将使超长距离的光纤传输为可能，实验已证明在2.5Gb/s速率下可传输14000km的距离．
二．光纤通信系统的基本构成
光纤通信系统由光发射机，光纤和光接收机三部分组成，如下图所示：
信号 输入 信号 输出
电端机的作用是对电信号进行处理的设备．在发送端，电端将处理过的话音，数字或其他信号处理后，送给光发射机，光发射机将电信号转变为光信号，并将光信号耦合入光纤，光信号经过光纤传输到接收端，由光接收机将光信号恢复成电信号，再经电端机的还原处理，将信号送给用户．
1．光纤
光纤主要是用石英玻璃拉成的纤维丝，也有的是塑料丝．
表征光纤传输特性的两个重要参数是损耗和色散，它们是影响光纤通信系统传输距离和容量的主要因素．
2．光发射机
光发射机的作用是将电信号转变为光信号，并将光信号耦合入光纤中．光发射机的基本工作框图如下：
电信号输入 光信号输出
光源是光发射机的＂心脏＂，一般采用半导体激光器（LD）和半导体发光二极管（LED）．
光发射机通常采用直接强度调制（IM），即光信号的强度随电信号的变化而变化．
光发射机的重要参数为发射功率和传输功率．
3．光接收机
光接收机的作用是将光纤上传来的光信号恢复成原来的电信号，其组成框图如下所示：
光信号输入 电信号输出
光检测器一般采用半导体光电二极管（PIN）或半导体雪崩二极管（APD），衡量光接收机的主要参数为接收灵敏度和误码率．
三．光纤通信的应用
光纤通信有以下主要优点：
（1）光纤通信容量大；
（2）传输距离远；
（3）不受电磁干扰，通信质量高；
（4）光纤尺寸和重量轻，便于运输和施工；
（5）原料丰富，价格会更低
正因为光纤通信有如此多的优点，使得光纤通信一经出现便得到了惊人地发展和应用。
在光纤通信的应用中，按照组网结构，大致可分为：
点对点通信系统，链型网通信系统，单双环网通信系统，树型通信系统和混合型通信系统。
1．点对点光纤通信系统
利用光纤进行点对点的信息传输是光纤通信系统最简单的一种结构方式．传输距离可以是几公里至成千上万公里的跨洋传输。
其主要由光端机和复用设备构成。
系统组网框图如下：
E1/T1 E1/T1
话音 话音
数据 数据
光端机完成电光转换和光信号的传输，复用设备是把众多的语音、数据、信号等信号复用成一路具有一定帧格式的便于光端机传输的数据信号。
同时把从光端上送来的复用信号分解为能够被人们利用的语音、数据、图象等信号。
2．树形光纤通信系统
树形光纤通信系统的典型网络结构如下：
中心站
次中心站
分站
在中心站和各次中站、分站有信息要求沟通时，如果采用点对点系统，便造成资源的浪费：
中心站需敷设多条光缆线路。
在树形光纤通信网中，每个次中心站汇接子下属分站的信息后通过单一通道传给中心站。
3．环行光纤通信网
传统的环行光纤通信系统典型网络结构如下：
在这种组网结构中，站1—站3都是既有中继功能又有端机的下话路功能，此种方式没有自我保护能力，只要一处光缆中断或IT站损坏以及失电都将造成全网通信中断，这时出现了一种双环保护通信方式。
如下图所示：
自愈保护功能实现示意图
图（a）中，A、B、C三点实现的是双环网，正常情况下由外环的主网承担信息传递的任务。
若在D点有故障（如光缆机械性断裂），则如（b）图所示自动启动内环备网，光路在A站和C站愈合，使通信不受影响，同时发出相应的告警及定位信号，使维修人员及时修复故障段光缆。
这种方式的优点是如果每个数据采集点均有两个路由。
则理论上无论任何线路故障均能完成自愈。
随着用户对网络要求的不断变化，渐渐地以前介绍的基于PDH（准同步数字序列）光纤通信方式，已不能满足业务需求。
传统电信网中所用的数字传输系统都属于准同步数字（PDH）系列，对于点对点的通信，PDH是很好的系统。
但是，随着电信网的迅速发展，以及对灵活联网要求的日益提高，这种系统也暴露出一些固有的弱点。
从复用角度看，PDH是异步复接，在任一网络节点接入或接出低速率信号都要复接或分接，每提高一个群次都要经历复杂的码型变换、码速调整、定时、扰码/解码等过程，大大增加了设备的复杂性，增加了体积和功耗，降低了设备的可靠性。
从接口角度看，PDH也不能满足联网的要求，因为它只规定了电接口的规范，没有对线路系统和光接口做出统一的规定。
即PDH只有纵向兼容性，而没有横向兼容性，这就给组网、管理和网络互联带来了很大的困难。
随着用户对网络要求的不断变化，现代电信网络必须能迅速地、经济地为用户提供电路和业务。
以为处理器支持的网络单元（NE）的出现有力的促进了网络技术的发展，电信网正向着高度灵活、动态和智能化的方向发展，这样，高速大容量光纤传输技术和高度灵活、便于管理和控制的智能网络技术的有机结合便孕育产生了SDH传输网体制。
这种新的传输体制功能非常强大，具有全世界统一的网络节点接口（NNI），它可与世界性的网络接口（NNI），它可与世界性的用户网络接口（UNI）协调；具有一套标准化的信息结构等级STM-1、STM-4和STM-16，具有所需的各种类型的标准的光接口，因而在光路上实现互通；具有灵活的兼容性的能力，它不但支持同步转移模式（STM），而且还支持异步转移模式（ATM），ATM交换网是通信网络发展的最终目标，这就体现了SDH的前向兼容性。
在传统的PDH中，各种速率的信号均可以复接到STM-1信号帧的净负荷中，保证了PDH向SDH的过度，实现了系统的平滑扩容和升级，这就体现了SDH后向兼容性。
由于同步设备的构成可通过对功能块的自由组合来实现，可组成各种层次和大小的网格状。
如星型、总线型、环型等线性网络，十分经济和灵活，使SDH综合了传输和交换的功能。
在大量的开销字节中，表现出帧同步、性能监测、状态指示、告警、公务联络、保护切换等功能并通过软件进行本地或远程遥控，这种强大的网管功能保证了SDH网络的可靠运行。
其网络结构如图所示：
3．混合型光纤通信网络
它在光纤环网通信基础上，通过增加支路光盘的方法，形成实际使用中的树形网络，其它网络示意图如下：
卫星通信系统
一．概述
卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站来转发或反射天线电波，在两个或多个地球站之间进行通信。
严格的说卫星通信也是微波通信的一种。
二．卫星通信的特点
1．通信距离远，且费用与通信距离无关，很显然在远距离通信上，卫星通信比微波接力、电缆、光纤、短波通信有明显的优势。
2．覆盖面积大，且便于实现多址联结通信。
3．通信频带较宽，传输容量较大，能传输的业务类型也较丰富。
4．机动灵活。
5．通信线路稳定可靠，传输质量高，它不易受到自然条件和人为的影响。
三．卫星通信系统的构成
卫星通信系统由空间分系统、通信地球站、遥测跟踪及指令分系统和监控管理分系统四大部分组成，框图如下：
……
通信地球站分系统
四．卫星通信系统在电力系统的应用
在地区电力通信网络建设中，总有若干地处偏远的变电所或发电基层部分，由于电网接线限制或地理环境恶劣、位置偏远，采用地面通信方式或是无法保证传输要求（载波多次转接），或是因需要多次微波中继、架设长距离通信光缆等原因致使方案的性能价格比很低而无法采用。
而卫星通信方式以其通信质量高、建站费用不受通信距离和地理环境限制、覆盖面积辽阔、连接环节少、信道容量大、抗地面灾害、开通快捷、操作维护方便等特点，成为解决这些站台通信需要的最佳选择。
VSAT卫星通信技术是指超小口径天线卫星通信技术（VerySmallApertureTerminal）。
VSAT终端是指天线口径小于2.5m，由中心站应用管理软件高度监视和控制的小型地球站。
1．VSAT网络的组成
目前的VSAT网从用户角度看可分为三种类型：
1）对大的集团提供专用网；
2）对中等用户提供准专用网；
3）对小用户提供共享网。
这三种类型从网络结构看，大都属于星形拓扑网络结构，下面主要以这种结构介绍VSAT网。
典型的VSAT网是由主站（亦称中心站）、卫星转发器（空间段）和许多远端小站（VSAT）三部分组成。
（1）主站（中心站）。
主站又称中心站（中央站）或枢纽站（HUB），它是VSAT网的核心。
它与普通地球站一样，使用大型天线，其天线直径一般约为3.5—8m（ku波段）或7—13m（C波段），并配有高功率放大器（HPA）、低噪声放大器（LNA）、上/下变频器、调制解调器及数据接口设备等。
主站通常主计算机放在一起，或通过其他（地面或卫星）线路与主计算机连接。
主站高功率放大器的功率要求与许多因素有关，例如：
通信体制、工作频段、数据速率、发射载波数目、卫星特性以及远端接收站的大小及位置等。
其额定功率一般为数百瓦（最小1W，最大达数千W）。
当额定功率为1—10W时，一般采用固态砷化镓场效应管（GaAsFET）放大器；额定功率为10—250W时，一般采用行波管放大器（TWTA）；而500—2000W时，一般采用速调管放大器。
例如发射6-10个载波的C波段11m地球站，HPA的功率约为300W。
为了对全网进行监测、管理、控制和维护，一般在主站内（或其它地点）设有一个网络控制中心，对全国运行状况进行监控和管理，如实时监测、诊断各小站及主站本身的工作情况，测试信道质量，负责信道分配、统计、计费等等。
操作员可在控制台使用键盘进行操作，通过屏幕显示和打印出结果。
由于主站涉及整个VSAT网的运行，其故障会影响全网的正常工作，故其设备皆设有备份。
为了便于重新组合，主站一般采用模块化结构。
设备之间采用高速局域网的方式互连。
（2）小站（VSAT）。
VSAT小站由小口径天线、室外单元和室内单元组成。
VSAT天线有正馈和偏馈两种形式，正馈天线尺寸较大，而偏馈天线尺寸较小、性能好（增益高、旁瓣小），且结构上不易积冰雪，因此常被采用。
室外单元主要包括GaAsFET固态功放、低噪声场效应管放大器、上、下变频器和相应有检测电路等。
室内单元主要包括调制解调器、编译码器和数据接口设备等。
室内外两单元之间以同轴电缆连接，传送中频信号和室外单元的电源，整套设备结构紧凑、造价低廉、全固态化电路、安装维护方便、可直接与其数据终端（如微机、数据通信设备、传真机、电传机等）相连，不需要地面中继线路。
（3）空间段。
VSAT网的空间部分是静止轨道通信卫星的C波段或Ku波段（或进一步开发的Ka波段）转发器。
C波段信号传播特性好、降雨影响小、可靠性高、小站设备简单、可利用地面微波成熟技术、开发容易、系统费用低。
但由于存在与地面微波线路干扰，卫星发射信号通量不可能太大，这就限制了VSTA小站天线尺寸的进一步小型化。
而且在地面微波干扰密度强在大城市中，VSAT小站的选址困难。
所以，工作在C波段的VSAT网通常采用扩频技术降低功率谱密度，以减小接收天线的尺寸。
但采用扩频技术限制了数据传输速率的提高。
而采用Ku波段与采用C波段相比具有以下优点：
1）不存在与地面微波线路相互干扰的问题，因此VSAT站选址方便。
2）所允许卫星发射信号功率通量密度较大，天线尺寸可以更小，数据传输速率可更高。
Ku波段的缺点是降雨损耗大，但只要设计时留出一定的余量即可。
因此大多数的VSAT系统都工作在Ku波段，我国的VSAT资源系统工作在C波段，这是由于我国目前所拥有的空间段资源（卫星转发器）所决定的。
由于卫星转发器的造价很高，空间部分的经济性是VSAT网必须考虑的一个重要问题，一般可以只租用转发器的一部分频带，地面终端网可以根据卫星转发器的能力进行设计。
五．VSAT网的工作原理
在VSAT网中，小站和主站通过卫星转发器连成星形网络结构。
其中主站发射EIRP值高，接收机的G/T值大，故所有小站均可直接同主站双向通信。
而小站之间需要进行，因小站天线口径小，发射的EIRP低和接收机G/T值小，小站之间不能通过卫星一次转发直接进行通信；必须首先疳信号通过卫星转发给主站，然后由主站通过卫星转发给另一个小站。
即必须通过小站—卫星—主站—卫星—小站，以“双跳”方式完成。
在星形VSAT网中进行多址联接，可以采用多种协议，当然，它们的工作原理也有所不同。
下面以随机接入/时分多址（RA/TDMA）系统为例，简要介绍一下VSAT网的工作过程。
在VSAT网中，一般采用分组传输方式进行数据传输和交换，任何进入，多的数据，在网内发送之前首先进行格式化，将其分解成若干固定长度的数据段，再加上必要的同步码、地址、控制码、起始和终止标志，按规定的格式进行排列，成为一个信息传输单位，通常称之为“分组”（或“包”）。
在通信网中，以分组作为一个整体进行传输和交换，到达接收点后，再把各分组按原来的顺序装配起来，恢复原来的数据报文。
在VSAT网中，由主站通过卫星向远端小站发送数据通常称为外向传输，由各小站通过卫星向主站发送数据称为内向传输。
（1）外向（Outbound）传输。
在VSAT网中，外向传傅数据时，信道通常采用分复用（TDM）或统计TDM技术连续地向外发射信号，即从主站向各远端小站发送的数据，由主计算机进行分组格式化，组成TDM帧，通过卫星以广播方式抽网中所有远端小站。
为了各VSAT站的同步，每帧开头发射一个同步码。
同步码特性应能保证各VSAT小站在未纠错时的误码率为0.001时仍能保证可靠地同步。
该同步码还应向网中所有终端提供TDMA帧的起始信息。
在TDM帧中，每个报文分组包含一个地址字段，该站所要的接收的数据。
利用适当的寻址方案，一个报文可以送给一个特定的小站，也可发给一群指定的小站或所有小站。
当主站没有数据分组要发送时，它可以发送同步码组。
（2）内向（Inbound）传输。
在VSAT网中，各个用户终端可以随机地产生信息。
因此内向数据一般采用随机方式发射突发性信号。
采用信道共享协议，一个内向信道可以同时容纳许多小站。
所能容纳的最大站数主要取决于各小站的数据率。
许多分散的小站，以分组的形式，通过具有延迟τ秒的RA/TDMA卫星信道向主站发送数据。
由于VSAT小站本身一般收不到经卫星转发的小站所发的信号，因此不能用自发自收的方法监视本站发射信号的情况。
为防止数据丢失，主站成功收到小站信号后，需要通过TDM信道回传一个ACK信号，宣布成功接收到数据分组。
如果由于误码或分组碰撞造成传输失败，小站收不到ACK信号，则为失败的分组，需要重传。
RA/TDMA信道是一种争用信道，可以利用争用协议（例如S—ALOHA）由许多小站共享TDMA信道。
TDMA信道分成一系列的帧和时隙，每帧由N个时隙组成。
各小站只能在规定的时隙内发送分组，一个分组不能跨越时隙界限，即分组的大小可以改变，但其最大长度绝不能大于一个时隙的长度。
各分组要在一个帧中，时隙的大小和时隙的数量取决于应用情况，时隙周期可用起始（SOF）时刻及时隙起始时刻保持同步。
SOF由主站在TDM信道上定时广播。
综上所述可以看出，VSAT网与一般卫星网不同，它是一个典型的不对称网络，即链路两端设备不相同；执行的功能不相同；内向和外向业务量不对称；内向和外向信号强度不对称；主站发射功率大得多，以便适应VSAT小天线的要求，VSAT发射功率小，主要利用主站高灵敏度接收机来接收VSAT的低平信号。
因此，在设计系统时必须考虑到VSAT网的上述特点。
电力线载波
一．概述
电力线载波PLC是利用频分互用FDM等技术手段，将语音信号、数据信号、远方保护信号等在电力线上进行传输的通信方式。
二．应用
电力线载波经过长期的发展，具有技术先进，运行经济稳定、可靠等优点，因此被电力行业广泛应用。
1．模拟式电力线载波
2．电力线数字载波（DPLC）
在现代通信沿着宽带化、智能化等综合数字业务方面发展的前提下，PLC面临着频率资源利用抗干扰性，数字综合接入，智能网络管理和调度等技术方面的挑战。
电力线数字载波正是由此应运而生的，它克服了PLC存在的某些缺点。
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