站控通信规约和通信管理机通信程序设计.doc
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《配电网自动化技术》
课程设计任务书
题目
站控通信规约和通信管理机通信程序设计
学生姓名
学号
专业班级
电气0701班
设
计
内
容
与
要
求
1.背景
变电站自动化系统，普遍采用分布式的监视和控制系统。
各类IED装置和通信管理机进行通信。
通信管理机实现IED信息集结和控制命令的下达。
循环冗余校验CRC（CyclicRedundancyCheck）是一种重要的校验方式。
编码简单且误判概率很低，在电力自动化通信系统中得到了广泛的应用。
2.设计内容和要求
设计用于实现IED和通信管理机的通信规约，规约采用召唤式应答规约，实现YC、YX、YK及SOE和越限信息的传送。
用循环冗余校验码进行校验。
每个IEDYC量≤12个，YX量≤20。
设计通信管理机中的通信主控程序，通信管理机能同时和n（n≤30）个IED进行通信。
具体内容如下：
1）根据功能要求，确定传输的内容（命令）编码，在此基础上设计出帧结构。
2）设计出每一类信息的传送帧格式。
3）根据信息的传送重要性确定信息的传送原则。
，
4）校验方式选用CRC-16校验方式。
生成多项式g（x）=x16+x15+x5+1
5）用查表法实现CRC-16校验码生成和校验。
6）设计主机规约传输和接收的程序流程，并画出流程图。
7）设计CRC校验子程序流程。
8）撰写设计报告。
起止时间
2010年12月20日至2010年12月26日
指导教师签名
年月日
系（教研室）主任签名
年月日
学生签名
年月日
目录
一、引言 3
二、设计目的 3
三、设计内容 4
四、设计初步分析 4
五、设计原理 5
⑴召唤式应答通信规约特点 5
⑵通信帧格式设计原理 5
⑶循环冗余校验码原理 6
六、设计详细分析 7
⑴召唤式应答通信规约 7
⑵通信帧格式 9
⑷循环冗余校验 15
七、设计总结 19
八、参考文献 19
一、引言
在配电网自动化系统中，数据通信是一个极为重要的环节。
数据通信既可能是在一个厂站内部进行，也可能是在厂站之间进行，还可以是在远达数千公里的厂站与调度中心之间进行。
变电站自动化系统，普遍采用分布式的监视和控制系统，各类IED装置和通信管理机不断地进行通信，使通信管理机实现现场信息的集结和控制命令的下达，使IED装置实现现场信息的上传。
在数据通信系统中，为保证这种数据通信的正常有序进行，双方必须遵守一些共同的约定，这些约定就是通信规约。
因此，通信规约是数据通信的基础。
在我国配电网自动化系统中，通信规约一般可以分为循环传送式通信规约、召唤式应答通信规约、对等式通信规约。
由于召唤式通信规约可节省信道，数据传输速度高，通道适应性强，因此得到了较广泛应用。
由于信息在传输过程中会受到不同程度的干扰，干扰将会使信息出错，出现信息的失真，接收端将收到错误的信息。
因此，必须在传送的信号上加上抗干扰编码，即利用信道编码器实现差错控制。
差错控制的目的是要发现传输过程中出现的错码，进而加以纠正。
循环冗余校验CRC（CyclicRedundancyCheck）是一种重要的校验方式，编码简单且误判概率很低，在电力自动化通信系统中得到了广泛的应用。
二、设计目的
配电网自动化系统是集计算机技术、现代数据通信技术和电力系统运行控制理论为一体的自动化系统，其中的数据通信技术是是保证配电自动化系统实施的关键。
配电网自动化系统一般分为三层：
第一层为现场IED设备层，第二层为配电子站即通信管理机，第三层为主站层。
本次课程设计为设计变电站自动化系统中通信管理机与现场各类IED设备的通信，采用的是召唤式应答通信规约，在此基础上设计帧结构。
因此，通过本次课程设计能够使我们明白配电网自动化系统中通信的实现原理，为以后开展配电网自动化有关工作具有重要指导意义。
本次配电网课程设计的目的主要有以下几点：
⑴对所学配电网自动化知识进行巩固，加深对配电网自动化课程中基本概念的理解。
⑵掌握召唤式应答规约通信流程，尤其是掌握配电自动化系统的远动通信规约的精髓，达到触类旁通的目的。
⑶根据通信功能要求，通过设计帧结构掌握各种帧结构的设计原则，并以此为基础在工程实践中根据所掌握的信息解析通信帧。
⑷通信过程中由于各种干扰需要进行差错控制，本次课程设计需要掌握用查表法⑸实现CRC-16校验码的生成和校验的原理。
⑸通过本次课程设计，掌握根据实际问题开展初步分析问题、检索资料、深入分析问题、解决问题一系列工作，为以后工作生活打下一个良好的基础。
三、设计内容
设计用于实现IED和通信管理机的通信规约，规约采用召唤式应答规约，实现YC、YX、YK及SOE和越限信息的传送，并用循环冗余校验码进行校验。
每个IEDYC量≤12个，YX量≤20。
设计通信管理机中的通信主控程序流程图，通信管理机能同时和n（n≤30）个IED进行通信。
具体内容如下：
⑴根据功能要求，确定传输的内容（命令）编码，在此基础上设计出帧结构。
⑵设计出每一类信息的传送帧格式。
⑶根据信息的传送重要性确定信息的传送原则。
，
⑷校验方式选用CRC-16校验方式。
生成多项式g（x）=x16+x15+x5+1。
⑸用查表法实现CRC-16校验码生成和校验，并设计CRC校验子程序流程图。
⑹设计主机规约传输和接收的程序流程图。
四、设计初步分析
配电网自动化系统中通信规约通俗来讲，指配电调度端和现场执行端通信时共同使用的人工语言的语法规则及应答关系。
通信规约规定怎样开始/结束通信、谁管理通信、怎样传输信息、数据是怎样表示和实施保护的、工作机理、支持的数据类、支持的命令以及怎样检测/纠错等内容。
本次课程设计通信规约为召唤式应答通信规约，它是一个以通信控制中心即主站为主动方的远动数据传输规约。
根据其通信特点可对应画出通信管理机发送与接收信息的流程图。
根据其功能要求可以确定传输的内容（命令）编码，由此设计出总体的帧格式并分别设计出每一类信息的传送帧格式。
由于每一类信息的重要程度与实时性要求的不同，要求有不同的优先级，由于召唤式问答通信规约为问答通信方式，因此信息优先级体现在主站对各类信息的轮询频率的高低，由此定义信息的传送原则。
本次课程设计的差错控制为用查表法实现CRC-16校验码生成和校验，根据其生成多项式g（x）=x16+x15+x5+1编写程序流程图和程序实现信息校验码的生成与校验。
五、设计原理
⑴召唤式应答通信规约特点
召唤式应答通信规约即 POLLING规约是一个以通信控制中心即主站为主动方的远动数据传输规约。
厂站自动化系统中各IED只有在主站询问以后，才向询问发送方回答信息。
通信主站按照一定规则向各个厂站自动化系统中IED发出各种询问报文，厂站自动化系统按询问报文的要求以及厂站自动化系统的实际状态向控制中心回答各种报文。
通信主站也可按需要对厂站自动化系统发出各种控制报文，厂站自动化系统正确接收控制报文后，按要求输出控制信号，并向控制中心回答响应报文。
当现场IED设备受到主站查询命令后，必须在规定的时间内应答，否则视为本次通信失败。
平时各IED同样正常采集各项数据，但这些数据不马上传送，而是存储起来，当主站轮询到本站时才组装发送出去。
在召唤式应答通信规约中，在实际的通信开始之前，通信两侧无任何通信意义上的连接关系，因此通信双方首先应建立通信链路。
通信链路的建立、数据信息的传送、接收的确认、链路的撤除等过程均在一问一答中完成。
召唤式应答通信规约适用于网络拓扑是点对点、多点共线、多点环形或多点星形的远动系统，以及调度中心与一个或多个远动终端进行通信。
通道可以使全双工或半双工，信息传输为异步方式。
问答式通信规约中主站与子站的通信项目可按功能来划分。
⒈主站发送的命令报文
①初始化设置参数类，设置扫描周期，设置死区数值及滤波系数等；
②查询类，询问各种类别的远动数据情况等；
③管理控制类，控制RTU的投入或退出工作等；
④专用类，电源合闸确认以及遥控、诊断报文等。
⒉子站发送的命令报文
子战对主站的响应主要有两类，一类是对主站命令的简短响应，即肯定性确认或否定性确认；另一类是遵照主站命令回答响应的具体数据。
⑵通信帧格式设计原理
①固定帧长的帧格式：
固定帧长度帧格式为由通信双方约定帧长度固定为五个八位位组，适用于现场IED向主站回答的确认报文或主站向现场IED发送查询报文。
②可变帧长的帧格式：
通信帧的长度可变，通信双方均遵守规定编码和解码信息，适用于由调度中心向厂站端传输数据，或由厂站端向调度中心传输数据。
③一般通信帧格式如下图1所示。
帧由帧头（Frameheader[8bit]）、包（Packet）、和FCS[16bit]（CRC）及帧尾（Flag[8bit]）组成。
包由包头（Packetheader）和数据（data）组成。
包头由源地址、目的地址、包长度和功能码组成。
包长度为整个帧字节长度之和。
帧
帧头
包
FCS
帧尾
包头
数据
源地址
目的地址
包长度
功能码
图1帧格式
包和FCS中出现0x7E、0x7C、0x7D分别转义为：
0x7D和0x5E、0x7D和0x5C、0x7D和0x5D（原字节和0x20异或）。
⑶循环冗余校验码原理
循环码是一种特殊的线性分组码，在严格的的代数学理论基础上建立起来的，具有线性分组码的一般性质，并且具有循环性，即将某一码字的首位移到其末位之后就变成了相邻的另外一个码字。
对于一个长度为k的二进制信息码元，用表示。
发送装置重信道编码器将产生一个r位的码元序列，称为监督码序列，用表示。
将此r位的监督码元序列附加在k位的信息码元序列后面，组成总长度为n位（n=k+r）的循环序列码,使得这个n位的循环码序列，可以被某个预定的生成多项式整除，并把n位的循环码作为一帧信息发送出去。
接收装置对接收到的n位码元的帧，除以同样的生成多项式。
当无余数时，则认为没有错误，这就是循环冗余校验的实质。
实现CRC的基本原理，简单的说，就是原始数据通过某种算法，得到一个新的数据，而这个新的数据与原始数据有着固有的内在联系。
通过把原始数据和新数据组合在一起，形成新的数据，因此这个新数据具有自我校验的能力。
我们把原来的数据表示为，它是一个n阶的多项式，表示为：
=…+
式中为0或1，x为伪变量，并用指明各位间的排列位置。
因此，一个8位的二进制数01001001可以表示为：
=+++++++
通过除以CRC多项式后，得到一个余数和商,这个就是我们需要的CRC校验值，上述用公式表示：
=*+
CRC—16校验方式的生成多项式为g（x）=+++1
六、设计详细分析
⑴召唤式应答通信规约
召唤应答式通信规约工作流程图2如下。
询问链路
109GG07pXfTTDFYB
回答链路状况
复位远方链路
链路确认
总召唤
回答全数据
召唤突发数据
回答突发数据
N
有无控制命令
有无定时任务
Y
分类回答
POLLING工作流程
图2召唤式应答通信规约工作流程图
图中，突发数据是指SOE、越限数据。
总召唤是指初始化后或者通信终端超过规定的时间后，主站发总召唤命令，召唤厂站全数据，定义为1级数据。
控制命令有断路器、隔离开关遥控操作命令及AGC控制调节命令等。
⑵通信帧格式
帧头
源地址
目的地址
包长度
功能码
数据
FCS
帧尾
帧头为：
0x7E，长度为：
1BYTE；
帧尾为：
0x7C，长度为：
1BYTE；
FCS为：
16位CRC（即CRC-16），长度为2BYTE，由包形成，不包括帧头、FCS和帧尾；
包长度为整个帧字节长度之和，根据实际情况确定其需要长度大小；
对下行信息（主站—子站）：
源地址为主站号：
0x00，长度为：
1BYTE；
目的地址为现场IED设备编号对应地址代码，由于要求通信管理机能同时和n（n≤30）个IED进行通信，即IED编号0~30，对应地址代码为0x00~0x1E，长度为1BYTE。
对上行信息（子站—主站）：
源地址为现场IED设备编号对应地址代码，IED编号0~30，对应代码为0x00~0x1E，长度为1BYTE；
目的地址为主站号：
0x00，长度为：
1BYTE；
帧发送时学如串行通信接口，高字节在前，低字节在后，例如发送256,先发送0x01，再0x00。
帧发送时，包和FCS中出现0x7E、0x7C、0x7D分别转义为：
0x7D和0x5E、0x7D和0x5C、0x7D和0x5D（原字节和0x20异或）。
功能码分配表
功能码
主站—子站（下行）
功能码
子站—主站（上行）
0x00
发送YC命令
0x0A
发送YC信息
0x01
发送YX命令
0x0B
发送YX信息
0x02
发送YK选择命令
0x0C
发送YK返较信息
0x03
发送YK执行命令
0x04
发送YK撤销命令
0x05
发送报告越限信息命令
0x0D
发送越限信息
0x06
发送报告SOE信息命令
0x0E
发送SOE信息
⒈对下行信息（主站—子站）：
①遥测帧格式设计
遥测是将远方厂、站需要测量的被测量，应用FTU中的微机采样并预处理后，利用通信技术经通信通道送到调度端的管理系统，储存并显示。
遥测量包括母线电压，功率、线路电流、主变压器有功、无功、油温、频率及一些需要了解的非电量等各种模拟量。
根据被测信息的重要性，可将YC量分为重要遥测、次要遥测、一般遥测。
IED中遥测量≤12个，其中包括母线电压、线路电流、有功功率等12种遥测量，编号为0~11，对应编号代码为0x00~0x0B，长度为：
1BYTE；
类别标志指明主站向IED所询问的遥测量是所有遥测量（0~11）、分段的遥测量（如1~4），还是分点遥测量（如1、3、6）。
类别标志代码长度为1BYTE，编码如下表：
类别
类别标志代码
所有遥测量
0xAA
分段遥测量
0XBB
分点遥测量
0XCC
Ⅰ如果要求现场IED传送所有的遥测量，对应帧格式如下：
帧头
源地址
目的地址
包长度
功能码
类别标志
FCS
帧尾
Ⅱ如果要求现场IED传送几段遥测量，对应帧格式如下：
帧头
源地址
目的地址
包长度
功能码
类别标志
分段数目
n
分段1
起始代码
1
终止代码1
…
分段n
起始代码
n
终止代码n
FCS
帧尾
分段数目为n对应的十六进制数，长度为：
1BYTE；
起始代码为分段i（如YC量4-7）起始YC量编号对应的编号代码（如YC量4为0x04），长度为：
1BYTE；
终止代码为分段i（如YC量4-7）终止YC量编号对应的编号代码（如YC量7为0x07），长度为：
1BYTE；
Ⅲ如果要求现场IED传送分点YC量，对应帧格式如下：
帧头
源地址
目的地址
包长度
功能码
类别标志
YC
数目n
编号代码1
…
编号代码n
FCS
帧尾
编号代码i为YC量i编号对应代码，长度为：
1BYTE；
②遥信帧格式设计
遥信是将远方厂、站的设备运行状态信号、保护信号、应用FTU采集后，利用通信技术经通信通道送到调度端的管理系统，储存并显示。
遥信量包括断路器位置信号和断线信号，各种保护信号，各种事故信号等。
IED中遥信量≤20个，其中包括各种开关变位等20种遥信量，对应编号为0~19，对应编号代码为0x00~0x13，长度为：
1BYTE；
类别标志指明主站向IED所询问的遥信量是所有遥信量（0~19）、分段的遥信量（如1~4），还是分点遥信量（如1、3、6）。
类别标志代码长度为1BYTE，编码如下表：
类别
类别标志代码
所有遥信量
0xAA
分段遥信量
0XBB
分点遥信量
0XCC
Ⅰ如果要求现场IED传送所有的遥信量，对应帧格式如下：
帧头
源地址
目的地址
包长度
功能码
类别标志
FCS
帧尾
Ⅱ如果要求现场IED传送几段遥信量，对应帧格式如下：
帧头
源地址
目的地址
包长度
功能码
类别标志
分段数目
n
分段1
起始代码
1
终止代码1
…
分段n
起始代码
n
终止代码n
FCS
帧尾
分段数目为n对应的十六进制数，长度为：
1BYTE；
起始代码为分段i（如YX量4-7）起始YX量编号对应的编号代码（如YX量4为0x04），长度为：
1BYTE；
终止代码为分段i（如YX量4-7）终止YX量编号对应的编号代码（如YX量7为0x07），长度为：
1BYTE；
Ⅲ如果要求现场IED传送分点遥信量，对应帧格式如下：
帧头
源地址
目的地址
包长度
功能码
类别标志
YX
数目n
编号代码1
…
编号代码n
FCS
帧尾
编号代码i为YX量i编号对应代码，长度为：
1BYTE；
③遥控帧格式设计
遥控是调度端管理系统应用通信技术，通过通信通道对远方厂、站的FTU管理的设备发送状态控制命令，相应的设备接受命令并执行。
其对象主要为断路器及隔离开关，距离保护闭锁复归等。
IED中YK对象帧格式中编号代码用1BYTE的长度表示，可表示的编号个数为255个，即YK对象0~255，对应编号代码为0x00~0xFF。
由于YC操作要十分可靠，不能误控其他开关，因此需要进行遥控返较过程来增加可靠性环节的遥控信息字格式。
因此，下行YK命令包括遥控选择、遥控执行、遥控撤销，上行YK命令包括遥控返较。
YK选择命令帧格式如下：
帧头
源地址
目的地址
包长度
功能码
YK对象数n
YK对象1
状态
…
YK对象n
状态
FCS
帧尾
YK对象中编码即指各IED中YK对象开关的编号代码，长度为：
1BYTE；
状态信息指YK命令对应编号开关状态的变化，其中0x00H表示开关合，0x11H表示开关分，长度为：
1BYTE；
YK执行与撤销命令帧格式如下：
帧头
源地址
目的地址
包长度
功能码
命令
FCS
帧尾
命令中，0x00代表YK执行，0x11代表YK撤销，长度为：
1BYTE；
④SOE帧结构设计
SOE是记录状态量发生变化的时刻的先后顺序。
帧头
源地址
目的地址
包长度
功能码
命令
FCS
帧尾
命令指要求现场IED发送SOE，代码为0xFF；
⑤越限信息帧结构设计
越限是电力系统运行时，各种电气参数受约束条件的限制，不能超过一定得现值，母线的电压不能太高或太低，功率传送不能太高，当电气量超过一定的范围时，对其参数应及时进行检查，如超越限值，应进行警告。
告警上限：
当模拟量变化超过此值时，进行告警并记录。
告警下限：
当模拟量变化低于此值时，进行告警并记录。
上复位限：
低于告警上限的一个值，当值低于此值时，认为模拟量恢复正常。
下复位限：
高于告警下限的一个值，当值高于此值时，认为模拟量恢复正常。
帧头
源地址
目的地址
包长度
功能码
命令
FCS
帧尾
命令指要求现场IED发送越限，代码为0xEE；
⒉对上行信息（子站—主站）
①遥测帧格式设计
IED向通信管理机传送YC量帧格式如下：
帧头
源地址
目的地址
包长度
功能码
YC个数n
编号1
数值
…
编号n
数值
特殊位
FCS
帧尾
编号i为对应YC模拟量编号代码，与下行帧格式中相同，长度为1BYTE；
数值为对应模拟量数值，其值用十六进制数表示，长度根据实际数值大小分析设置为1BYTE；
特殊位为当IED中出现突发事故，如越限，SOE事件时，通过这个特殊位告知主站，用0x00表示无突发事故，用0x11表示出现越限无SOE，用0x22表示出现SOE无越限，用0x33表示出现越限无SOE，长度为1BYTE；
②遥信帧格式设计
IED向通信管理机传送YX量帧格式如下：
帧头
源地址
目的地址
包长度
功能码
YX个数n
编号1
数值
…
编号n
数值
特殊位
FCS
帧尾
编号i为对应YX量编号代码，与下行帧格式中相同，长度为1BYTE；
数值为对应YX量数值，长度根据实际信息量大小分析设置为1BYTE；
特殊位为当IED中出现突发事故，如越限，SOE事件时，通过这个特殊位告知对方，用0x00表示无突发事故，用0x11表示出现越限无SOE，用0x22表示出现SOE无越限，用0x33表示出现越限无SOE，长度为1BYTE；
③遥控返较帧格式设计
遥控返较帧格式如下：
帧头
源地址
目的地址
包长度
功能码
YK个数n
编号代码1
状态
…
编号代码n
状态
特殊位
FCS
帧尾
编号代码即指各IED中开关的编号代码，长度为：
1BYTE；
状态信息指YK命令对应编号开关状态的变化，其中0x00H表示开关合，0x11H表示开关分，长度为：
1BYTE；
特殊位为当IED中出现突发事故，如越限，SOE事件时，通过这个特殊位告知对方，用0x00表示无突发事故，用0x11表示出现越限无SOE，用0x22表示出现SOE无越限，用0x33表示出现越限无SOE，长度为1BYTE；
④SOE帧结构设计
SOE帧结构设计如下：
帧头
源地址
目的地址
包长度
功能码
事件个数n
编号1
状态
时间
…
编号n
状态
时间
特殊位
FCS
帧尾
编号为IED中对应开关器件的编号，长度为1BYTE;
状态信息为对应编号开关状态的变化，其中0x00H表示开关由合到分，0x11H表示开关由分到合，长度为：
1BYTE；
时间：
反映发生开关变位的时间，包括年、月、日、时、分、秒，其中年占2BYTE；
月、日、时、分、秒各占1BYTE；共占7BYTE；
⑤越限信息帧结构设计
越限信息帧格式如下：
帧头
源地址
目的地址
包长度
功能码
越限个数n
编号1
状态
时间
…
编号n
状态
时间
特殊位
FCS
帧尾
编号为IED中对应各种模拟量即对应YC模拟量的编号，长度为1BYTE;
状态信息为模拟量变化，其中0x00H表示超过告警上限，0x11H表示低于告警下限，0x22表示低于上复位限，0x33表示高于下复位限，长度为：
1BYTE；
时间：
反映发生开关变位的时间，包括年、月、日、时、分、秒，其中年占2BYTE；
月、日、时、分、秒各占1BYTE；共占7BYTE；
⑶信息的传送原则
由于子站的远动数据种类不一，可按其特性和重要程度加以分类：
⒈对于重要的、变化快的数据，应勤加监视，采样扫描周期应短一些，对于不重要的变化缓慢的数据，采样扫描周期可以长些。
各种不同的远动数据可以选择相应的扫描周期。
⒉在信息传递过程中，发生开关变位的信息和遥信信息最重要。
遥信信息为一级，询问周期不超过2s，遥测信息为二级，询问周期
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