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1、电力自动化系统 RS-232 信号的传输和测试陈秀国（安徽省电力公司 铜陵供电公司，安徽 铜陵244000）摘要：在电力自动化传输的信号中，RS-232信号是一种应用最广泛、最常见的信号，具有原理简单、传输效率高、及时性强等特点，特别适用于电力自动化低速数据的传送。文章从RS-232信号的特点、传输方式和传输质量控制等方面作了较详尽的阐述，特别对信号测试提出了多种方法。关键词：RS-232接口；信号传输方式；最后200 m问题；信号软件测试法中图分类号：TM73文献标志码：B文章编号：1005-7641（2010）08-0048-04第31卷 第214期电力系统通信Vol.31 No.2142
2、010年8月10日Telecommunications for Electric Power SystemAug.10，20100引言电力系统自动化是属于工业自动控制系统的一个分支，现阶段的自动控制系统大多数还是计算机与计算机之间的通信，它们之间采用的通信方式除了网络通信外，最简单的方式就是计算机串行通信，由于电力自动化系统通信速率要求不高，因此串行通信还被广泛应用，例如远动低速数据、监控信号、五防闭锁信号、电能量系统、远程抄表系统等。1RS-232接口1.1标准和定义串行通信要求通信双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通信。RS-232是目前最常用的一种串行通信接口。1
3、970年美国电子工业协会联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定了一个用于串行通信的标准，即“数据终端设备（DTE，DataTerminal Equipment）和数据通信设备（DCE，DataCommunications Equipment）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。该标准规定采用一个25个引脚的DB-25连接器，规定了连接器每个引脚的信号内容和各种信号的电平。后来IBM的PC机将RS-232简化成DB-9连接器，从而成为事实标准。工业控制的RS-232端口一般只采用RXD（收信、TXD发信、GND接地）3条线进行通信；在RS-232中任何一条信号线的电压均为负逻
4、辑关系，即逻辑“1”为-3-15 V；逻辑“0”为+3+15 V。RS-232最常用的9条引线的信号内容见表1所列，其物理结构如图1所示。表1 RS-232引脚定义Tab.1 RS-232 pin definition1.2RS-232传输特性RS-232标准规定，若不使用Modem，在码元畸变小于4%的情况下，DTE和DCE之间最大传输距离为15 m。计算方法是：为了保证码元畸变小于4%的要求，接口标准在电气特性中规定，驱动器的负载电容应小于2 500 pF，对于普通导线，DB-9引脚DB-25引脚引脚功能信号方向18DCD输入，数据载波检测DTEDCE23RXD输入，数据接收端DTEDCE
5、32TXD输出，数据发送端DTEDCE420DTR输出，数据终端准备就绪（计算机）DTEDCE57SG，信号地66DSR输入，数据设备准备就绪DTEDCE74RTS输出，请求发送（计算机要求发送数据）DTEDCE85CTS输入，清除发送（Modem准备接收数据）DTEDCE922RI输入，响铃指示DTEDCE48图1 RS-232接口的物理结构Fig.1 The physical structure of RS-232 interface其电容值约为170 pF/m，则允许距离L=2 500 pF/（170 pF/m）=15 m。在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10%20%的范围工作
6、，所以实际使用中最大距离会超过15 m，但随着传输数据的速率增加，传输的距离将急剧下降。美国DEC公司曾规定允许码元畸变为10%而得出下面实验结果，如图2所示。图2 DEC公司的实验结果Fig.2 Experimental results from DEC Company2RS-232信号的传输2.1近距离通信当通信距离较近时，不需要DCE，把通信双方都当作数据终端设备。通信双方可以直接连接，是最简单的情况，在通信中不需要RS-232的控制联络信号，只需三根线（发送线、接收线、信号地线）便可实现全双工异步串行通信，采用普通双绞屏蔽线，速率为9 600 bit/s时，距离可达2530 m。这种传
7、输方式在变电站站内系统中应用广泛，但目前已经逐渐被RS-422或者RS-485接口替代，较早的自动化设备和新设备互联时，可以用RS-232/RS-422/RS-485接口转换器来沟通。2.2远距离传输在电力系统中，采样和控制信号绝大多数是远距离传输的，即所谓主站系统和当地系统之间数据的传输，其中RS-232信号传输一般是通过下列几种方式。2.2.1远程Modem若在双方Modem之间采用普通电话交换线进行通信，除了需要28号信号线外，还要增加RI（22号）和DTR（20号）两个信号线进行联络，如图3所示。图3 Modem通信方式Fig.3 Communication mode首先，通过电话机拨
8、号呼叫对方，电话交换台向对方发出拨号呼叫信号，当对方DCE收到该信号后，使RI（振铃信号）有效，通知DTE已被呼叫。当对方“摘机”后，两方建立了通信链路。若计算机要发送数据至对方，首先通过接口电路（DTE）发出RTS（请求发送）信号，此时，若DCE（Modem）允许传送，则向DTE回答CTS（允许发送）信号，一般可直接将RTS/CTS接高电平，即只要通信链路已建立，就可传送信号。RTS/CTS可只用于半双工系统中作发送方式和接收方式的切换。当DTE获得CTS信号后，通过TXD线向DCE发出串行信号，DCE（Modem）将这些数字信号调制成模拟信号（又称载波信号）传向对方。计算机向DTE（数据输
9、出寄存器）传送新的数据前，应检查Modem状态和数据输出寄存器为空。当对方的DCE收到载波信号后，向对方的开发与应用陈秀国电力自动化系统RS-232信号的传输和测试49DTE发出DCD信号（数据载波检出），通知其DTE准备接收，同时，将载波信号解调为数据信号，从RXD线上送给DTE，DTE通过串行接收移位寄存器对接收到的位流进行移位，当收到1个字符的全部位流后，把该字符的数据位送到数据输入寄存器，CPU可以从数据输入寄存器读取字符。此外还可以采用专用电话线通信，在通信双方的Modem之间采用电话线进行通信，则只要使用28号信号线进行联络与控制，不需要电话机、振铃信号RI和DTR信号。2.2.2
10、 PCM传输方式这是电力系统中最常用的一种RS-232远传方式。由于其信号速率最大不超过20 kbit/s，因此可以直接以64 kbit/s的频率对其进行采样，转换成64 kbit/s的数据复接进PCM30/32系统中；同样从PCM下来的64 kbit/s数据，可以直接提供给低速数据接口使用，具体实现方法以中兴通讯PCM的V.28数据接口板为例说明，如图4所示。图4数据接口板内部结构Fig.4 Internal structure of data interface boardV.28数据接口板由数据处理、时隙控制、数据电平转换接口电路、MCU控制电路及通信接口电路等组成。1）数据处理电路：完
11、成HW线和64 k数据的转换，根据时隙控制命令将HW线上的时隙中的某一个时隙取下来，转换为64 k低速数据，提供给低速用户接口；或者根据时隙控制命令将从用户接口送来的低速数据插入HW线上的某一个时隙中。2）时隙控制电路：根据系统控制交叉板发来的时隙配置命令，控制数据处理电路将指定的某个时隙从HW线上取下或者将64 k数据插入到某个时隙中去。3）数据电平转换电路：完成符合TTL标准的电平和符合RS-232标准电平之间的转换，便于较远距离的传输。4）MCU控制电路：主要完成对时钟芯片初始化工作，对本板工作方式的设置及对本板的状态检测以及各种告警中断的处理，完成与系统控制交叉板间的通信。5）通信接口
12、电路：通过邮箱方式提供本板与系统控制交叉板之间的通信接口，此功能由双口RAM实现。PCM30/32系统2 Mbit/s数据通道的传输方式，可以采用微波、SDH（PDH）光纤传输等多种传输方式，如图5所示。图5数据通道的传输方式Fig.5 Transmission mode of data channel2.2.3无线解决方案利用公用通信GPRS/CDMA网络作为电力数据传输平台，是一种投资效益高、建设周期短的通信方式，目前得到广泛应用。由于安全性和时延等问题，一般不用于自动化等实时性要求很强的系统中，只用于电力远程抄表、监控安防系统和电能量系统，鉴于系统安全性考虑，常用的接入方式有专线接入和直
13、接接入。所谓专线接入就是企业通过专线接入移动运营商的路由器，移动运营商为用户提供公有或私有IP地址，数据安全性好、稳定可靠、传输时延小。直接接入方式安全性最高，采用在运营商一端放置GRE路由器，路由器不经过GPRS防火墙直接接入内部网络。如图6所示。RS-232数据远程传输采用的另外一种无线方式为无线Modem，其主要工作原理是将RS-232低速数据信号通过变频调制到200400 MHz高频信号进行空中无线传输，由于大规模集成电路电力系统通信2010，31（214）50图6 RS-232信号的无线传输方式Fig.6 Wireless transmission mode ofRS-232 sig
14、nal和先进的电路设计，其功耗、传输距离、误码率等关键指标均可以满足配网自动化和电力负荷控制等系统的要求，在35 kV以下变电站中也可以用来传送远动信息。2.2.4最后200 m问题在电力系统中，RS-232传输问题的解决并不是以通信机房为起点和终点的。在调度中心大楼中，通信机房和自动化机房往往是分离的，设备之间的距离最长可达200 m甚至更远（以同一大楼内部线缆长度估算），这个距离大大超过了RS-232信号直接用电缆的传输距离，这就是所谓的最后200 m问题。目前一般解决该问题的方法很多，常见的方法见表2所列。3RS-232信号的测试方法在通道的日常维护和故障分析中，如何对RS-232作一个
15、定性和定量的分析，关系到通道稳定和质量。下面给出几种在实际工作中常用的测试方法。3.1信源收信测试法这是最常用的一种方法，即在发信端（9针串口的3和5针）用信号发生器输入一定电平的0、1脉冲电平信号，在接收端（9针串口的2和5针）用电平表来测量其信号大小。如果用于故障查询无需定量测量时，收端可以用示波器来观察其波形的有无和畸变。这种方法也可以演变成环回测试，即将远端的RS-232信号进行环回。软件的环回可以在PCM网管上操作，硬件环回只需将远端RS-232端口9针串口的2和5针（收发二线）进行短接即可。测试方法还是采用上述步骤，由于收发在同一端，更有利于判断和观察。3.2软件测试法采用PC机的
16、COM端口进行RS-232通道测试，这也是一种直观简易的方法。其优点是不但能监测通道的通断，还能初步判断通道误码的情况。实现方法是：将一个9针的RS-232插头引出2，3，5针引线，测试时把主站设备和远端RTU断开（一般在配线架上操作），将9针插头插入PC的COM串口中，这时的PC机成为一个超级终端设备，具备了发收信号的功能。现在很多便携计算机没有COM接口，可以采用USB-COM转换线虚拟串口，不过需要安装配套的驱动程序。将RS-232插头的2，3，5针引线接入通道中（注意收发方向），启动Windows系统中自带的超级终端程序，修改端口属性。按照上述3.1节中信号环回的方法操作，观察超级终端
17、中返回的数据是否和键入的数据相符即可判断通道的好坏。表2 RS-232传输方法Tab.2 RS-232 transmission method传输方法优点缺点实际应用串口服务器前移至通信机房或者通信配线架，或者PCM接入设备后移至远动机房，缩短传输接入设备和串口服务器的距离实现原理和施工难度简单，无需增加成本不符合现有的电力系统通信管理有关规程，造成管理盲区。PCM后移方式需要每一个站点配置一个只用2 M信号传输RS-232信号，资源浪费很少在通信机房和远动机房之间开通点对点小型多路PCM复接设备，将每个子站传输到主站的RS-232信号集中起来传输实现原理和施工难度简单除了需要增加成本外，很多
18、站点的通信风险集中在主站一套设备上少采用光电隔离远程收发器简单实用配线跳线工作量大，维护不方便，故障查找难，设备成本高多（下转第57页）开发与应用陈秀国电力自动化系统RS-232信号的传输和测试51A New Temperature Infrared Monitoring System for High-Voltage CabinetDU Zhe1,2,LIANG Ming1,2,WANG Bo1,2,MU Yuan-yuan1（1.RCIEPT,North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2.ZBAIST Beijin
19、g Technology Co.Ltd.,Beijing 100085,China）Abstract:Safe and reliable temperature monitoring system plays an important role in power system operation.In thispaper,the current high-voltage cabinet temperature monitoring technology is introduced,a new monitoring system based oninfrared temperature meas
20、urement and the short range wireless communication technology are discussed,and the wholesystem configuration including the hardware and software is designed.What s more,the special short-range wirelessprotocol is also proposed.This system can detect the security risks and improve the safety and rel
21、iability of power gridoperation.Key words:High-voltage cabinet;IR temperature monitoring;short-range wireless technology5 GUO Q,HU J Q,HU H ZH.Design and implementationof testing network for power line fault detection basedon nRF905C.Electronic Measurement and Instruments,ICEMI07.8th International C
22、onference,2007.6狄博.TCP/IP协议分析及通信应用编程J.计算机与现代化,2006(3):38-39.（ZH）杜喆（1985），男，陕西咸阳人，硕士研究生，从事无线通信、电力系统通信研究。梁明（1956），男，山西吕梁人，教授，从事信息电力技术、无线（移动）通信、计算机应用等的研究。王博（1983），男，北京人，硕士研究生，从事SOC、电力系统通信、智能电网的研究。穆圆圆（1984），女，山西柳林人，硕士研究生，从事无线通信的研究。（收稿日期：2010-05-10）如果电脑中没有安装超级终端软件，还可以利用单片机串口调试程序来测试RS-232信号，这类程序很多，可以从网上下载
23、使用。3结束语随着电力自动化技术的发展，数据传输接口和传输方式都发生了很大变化，高速调度数据网络和宽带路由器被广泛使用。但RS-232信号传输方式在变电站自动化改造、远程监控、负荷控制、安全闭锁装置等方面还在发挥作用，因此较深入地了解其工作原理和传输方式、熟练掌握测试方法，对于保障通道畅通、及时排除通道故障和更好地控制通道质量等有很大帮助。参考文献1 ZXSM-10智能PCM设备Z.深圳中兴通讯股份有限公司.2001.2杨明福.计算机应用基础M.北京:机械工业出版社,2001.（ZH）陈秀国（1968），男，安徽安庆人，工程师，从事电力系统通信运行维护管理等工作。（收稿日期：2010-06-0
24、1）Transmission and Testing of RS-232 Signal in Electric Power Automation SystemCHEN Xiu-guo(Anhui Tongling Power Supply Company，Tongling 244000，China)Abstract:RS-232 signal is the most common and widely used signal in power automation system.With the advantages ofsimple principle,high transmission e
25、fficiency and timeliness,it is suitable for low-rate data transmission in powerautomation system.This paper gives a detailed description on the characteristics,transmission mode and transmissionquality control of RS-232 signal,and proposes several signal test methods.Key words:RS-232 interface;signal transmission mode;the last 200 meters transmission;software testing signals!（上接第51页）开发与应用杜喆 等一种新型的高压箱柜热点温度红外监测系统57