数据通信及规约
实现站内监控信息集中采集和人机展示，与调控主站进行信息交互，接收、执行调度端的控制命令是光伏电站计算机监控系统的基本功能之一。光伏电站与调控主站的信息交互和可靠传输必须借助通信系统，并事先制定启动和维持通信所必需的数据传送格式的约定和规则、规约。
数据通信
光伏电站配置了大量的测控、保护及其他自动化设备，用于采集光伏阵列、升压设备的运行及状态信息，并将采集的信息传送至后台监控计算机和调控机构。调控主站通过数据传输通道并借助远动通信工作站等自动化设备将控制命令发送至测控设备，实现对光伏电站的控制。
一、数据通信的基本概念
数据通信（Data Communication）是通信技术和计算机技术相结合而产生的一种新的通信方式，是按照一定的通信协议，利用数据传输技术在两个终端之间传递数据信息的通信方式。数据通信中传递的信息均表现为二进制数据形式。异地之间的信息传输必须有传输通道。
1.信息
信息是指人们对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。信息的表示形式可以是数值、文字、图形、声音、图像、动画等，是数据的内容或解释，是数据的内在含义或解释。例如光伏电站中光伏阵列的电压、电流信息，开关的状态信息等。
2.数据
数据是指传递信息的实体，可以分为模拟数据和数字数据。模拟数据在时间上和幅度取值上都是连续的，其量值随时间连续变化。数字数据在时间上是离散的，在幅值上经过量化的，它一般是由0、1的二进制代码组成的数字序列。光伏电站中电压、电流、功率等数据为模拟数据，断路器、隔离开关的状态为数字数据。
3.信号
信号是指数据的电磁形式。在通信系统中，分为模拟信号和数字信号。
模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号，或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。模拟信号在传输过程中，先把信息信号转换成几乎"一模一样"的波动电信号，再通过信道传输出去，电信号被接收后，通过接收设备还原成信息信号。当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路来传输。
数字信号是指自变量是离散的、因变量也是离散的信号，这种信号的自变量用整数表示，因变量用有限数字中的一个数字来表示。数字信号在传输过程中不仅具有较高的抗干扰性，还可以通过压缩，占用较少的宽带，实现在相同的带宽内传输更多信号的效果。当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要双绞线、电缆或管线介质将通信双方连接起来，才能将信号从一个节点传送到另一个节点。
二、数据通信系统构成
数据通信系统由信源、信宿、信道三部分组成。通常将数据的发送端称为信源，数据的接收端称为信宿，而实现信源与信宿之间数据传输的物理通道称为信道。如图6-1 所示。
信息和数据不能直接在信道上传输，需将携带信息的数据用物理信号 （模拟信号、数字信号）形式通过信道传送到目的地。模拟通信系统需要两种变换。首先，发送端的连续消息需要变换成原始电信号，接收端收到的信号需要反变换成原连续消息。第二种变换是将原始电信号变换成适合信道传输的信号，接收端需进行反变换。这种变换和反变换通常被称为调制和解调。调制后的信号称为已调信号或频带信号，将发送端调制前和接收端解调后的信号（即原始电信号）称为基带信号。
当前，光伏电站中的调度电话和用于向调度主站传送自动化信息的专线通道均为模拟通信。
数字通信中强调已调参量与基带信号之间的一一对应，而在发送端配置一个编码器，接收端配置一个相应的解码器，可以实现数字信号传输差错的控制;当需要保密时，需要在发送端加密，在接收端解密。当前，光伏电站中远动通信系统、相量测量装置（PMU）、功率预测等通过数字通信方式实现与调控端的数据交互。
数字通信与模拟通信相比，更加适应对通信技术越来越高的要求。数字通信具有抗干扰能力强、传输差错可以控制、便于使用现代数字信号处理技术对数字信号进行处理、易于做高保密性的加密处理、可以综合传递各种消息的功能。
三、通信系统的分类
通信系统可按所用的传输媒介、信源的种类、所传信号的属性、结构和复用方式等特征进行分类，见表6-1。
当前，光伏电站中绝大多数采用有线通信系统，其中光纤通信的应用最为普遍。
四、光伏电站数据通信
在光伏电站计算机监控系统中，数据通信主要分站内通信和外部通信。站内通信主要实现光伏电站计算机监控系统内部各子系统或各功能模块间的信息交换和信息共享;外部通信完成光伏电站与调控主站的通信。通过信息交互，实现信息共享，减少设备的重复配置，简化设备间的互连。
（一）光伏电站数据通信结构光伏电站数据通信结构如图6-3所示。
随着计算机技术、工业自动化技术、网络技术和通信技术的发展，光伏电站形成了站内通信以以太网和 RS-485串行通信为主，外部通信以光纤通信为主的通信方式。
（二）光伏电站站内通信
光伏电站站内相关设备为采集和监视站内设备运行工况的保护和自动化设备，以及包含在安全Ⅱ区内的功率预测系统的相关设备，主要有站内测控装置、保护测控装置、自动发电控制（AGC）装置、自动电压控制（AVC）装置、光伏子阵、功率预测服务器等。
光伏电站站内通信通用的组网方式是站控层与间隔层通过以太网结构采用TCP/IP协议通信，间隔层与过程层通过 RS-485 总线结构采用各厂家的内部规约进行数据交互。
随着通信技术和网络技术的不断发展，部分光伏电站光伏阵列信息采集采用了无线局域网通信技术，但大部分光伏电站仍采用技术更为成熟、更加稳定可靠的光纤环网方式，即光伏电站光伏子阵（光伏区汇流箱、直流配电柜、逆变器和箱式变压器保护测控装置）通过 RS-485将信息接入通信管理机进行汇集，通信管理机通过以太网光纤环网的方式将采集的阵列信息传送至计算机监控系统，采用光纤环网形式的光伏子阵的通信结构如图 6-4所示。
光伏电站本地监控单元分布分散，其监控系统的网络结构宜采用经济、可靠的以太网光纤环网通信方式。
1. RS-485 串行通信
RS-485串行通信是一种半双工结构总线，通常应用于一对多的主从应答式通信系统中。RS-485作为智能设备的标准接口，可以方便地将多个设备组成一个控制网络，每个 RS-485 接口支持多种规约。
RS-485串行通信具有结构简单、价格低廉、通信距离（最大1219m）和数据传输速率适当（最高10Mbit/s）等特点，但存在自适应、自保护功能脆弱的缺点。
RS-485串行通信可采用二线制和四线制，二线制可实现真正的多点双向通信，最多可接32个设备，目前光伏电站中二线制应用较广泛。
在光伏电站中，光伏区汇流箱、直流配电柜、逆变器、箱式变压器保护测控装置以及部分不具备网络接口的线路保护测控装置均通过 RS-485接口，经通信管理机规约转换后与计算机监控系统通信。
光伏电站 RS-485串行通信方式常见的故障有接线错误、线路中断、通信短路、通信不稳定、电平异常、硬件损坏等。若在光伏电站建设期间，通信线选择合理、电阻匹配适当、通信接线正确、通信共地，能有效降低通信故障频率。
2.以太网通信
随着计算机和通信技术的进步，系统网络化和体系开放性成为发展的趋势，以太网技术越来越多地被引入到光伏电站数据采集和传输中，而数据传输的实时性和可靠性要求是以太网通信方式得以广泛应用的关键。
在光伏电站中，测控装置和具备以太网接口的保护测控装置均通过以太网与计算机监控系统通信，而无以太网通信接口的保护测控装置通过嵌入式以太网与计算机监控系统通信。
以太网常见的接线方式有直连线和双绞线。在光伏电站以太网通讯中，普遍采用直连线方式。以太网通信常见的故障有网口松动、地址配置错误、交换机故障等。在光伏电站建设期，应制定带有设备通信状态的站内网络结构拓扑图，发生故障时运维人员可通过网络结构拓扑图快速地定位故障设备。
处理以太网通信故障常用的步骤∶收集信息、分析故障、定位故障、确定故障类型、故障修复、验证故障排除。
（三）光伏电站外部通信
在光伏电站中，计算机临控系统通过远动装置和调度数据网系统，借助通信系统与调控主站进行信息交互属于光伏电站外部通信部分，如图 6-5所示。
在光伏电站外部通信中，调度数据网路由器通过2M接口与通信系统通信，由通信系统负责将 2M信号转换成光信号，并将站内信号上传至调控主站，如图6-6 所示。
各主要设备的功能如下∶
（1）音频配线架用于音频信号的连接，提供调度电话、远动四线接口。
（2）PCM用于音频信号汇接成 2M信号或将2M信号解复用成音频信号。
（3）数字配线架用于2M信号的连接，提供 2M接口。
（4）光端机用于2M信号、以太网信号汇接成光信号或将光信号解复用2M信号、以太网信号，提供光、以太网（RJ45）接口。
（5）光配线架用于光信号的连接。在电力系统中，要求传输的数据稳定、可靠、及时、连续，光纤由于通信容量大、中继距离长、保密性好、适应能力强、易于维护等特点，能够极大地提升了数据通信的速率和信号的完整度。随着计算机信息技术和通信技术的快速发展，光伏电站数据通信中，光纤数字通信方式成为电力系统主流的通信方式。
1.光纤的结构及分类
光纤的典型结构是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、包层和涂覆层，如图6-7 所示。
核心部分是纤芯和包层，纤芯的粗细和材料以及包层材料的折射率，对光纤的特起决定性影响。包层位于纤芯的周围，设纤芯和包层的折射率分别为n1和 n2，光在光纤中传输的必要条件是n1>n2。
由纤芯和包层组成的光纤称为裸纤。裸纤经过涂敷后才能制作光缆。通常所说的光纤就是指经过涂敷后的光纤。涂敷层保护光纤不受水汽的侵蚀及机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性，起着延长光纤寿命的作用。
根据工作波长，光纤可分为短波长光纤和长波长光纤。根据光纤中传输模式的多少，光纤可分为单模光纤和多模光纤两类。
2.光纤通信的基本结构
光纤通信是以光波作为信息载体、以光导纤维作为传输介质的一种通信手段，结构如图6-8所示。
光纤通信系统中申端机的作用是对来自信息源的信号进行处理，例如模拟/数字转换、多路复用等;发送端光端机的作用是将光源（如激光器或发光二极管）通过电信号调制成光信号，输入光纤传输至远方;接收端的光端机内有光检测器（如光电二极管），将来自光纤的光信号还原成电信号，经放大、整形、再生恢复原形后，输至电端机的接收端。
3.光端机
（1）光发送机。
光发送机是对来自电端机的信号和光源发出的光进行调制，再将已调的光信号耦合到光纤中去传输。数字光发送机由均衡放大、码型变换、复用、扰码、时钟提取、光源、光源的调制电路、光源的控制电路（ATC和 APC）及光源的监测和保护电路等组成。
数字光发送机各部分的主要功能见表6-2。
（2）光接收机。
光接收机的作用是将经光纤传输后幅度被衰弱、波形畸变的、微弱的光信号转换成电信号，并对电信号放大、整形、再生后，生成与发送端相同的电信号，输入到电接收机，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出。
数字光接收机各部分主要功能如下∶
1）光检测器。光电检测器的作用是把光信号变换为电信号，它是光接收机中的关键器件。2）光放大器。接收机的放大器包括前置放大器和主放大器两部分。前置放大器的主要作用是保证电信号不失真地放大。对前置放大器的性能要求是较低的噪声、较宽的带宽和较高的增益。主放大器主要是提供足够高的增益，把来自前置放大器的输出信号放大到判决电路所需的信号电平;并通过它实现自动增益控制（AGC），使得输入的光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定输出。主放大器和 AGC决定着光接收机的动态范围。
3）自动增益控制（AGC）。自动增益控制就是用反馈环路来控制主放大器的增益。作用是增加了光接收机的动态范围，使光接收机的输出保持恒定。用以扩大接收机的动态范围。
4）均衡器。均衡器的作用是对已经发生畸变（失真）的、存在码间干扰的电信号进行整形和补偿，使之成为有利于判决的码间干扰最小的升余弦波形，减小误码率。
5）再生电路。再生电路的任务是把放大器输出的升余弦波形恢复成数字信号，由判决器和时钟恢复电路组成。
（3）光端机故障处理及维护方法。
1）光端机故障处理方法。光端机出现故障时，运维人员应先根据故障状况以及光端机自带的指示灯做出初步的故障原因判断，并根据装置说明书针对性地处理故障;通过光功率计测试光端机是否有信号发射，以判断光端机的发射模块是否正常，确认正常后，再通过光功率计测光纤的衰减;通过计算机测试确认数据是否正常。
光端机一般常见的故障有∶
光端机光模块故障：会导致无光输出或者光输出功率不够，以至于传输不成功。
法兰故障∶会引起无光输出、光衰减太大以及光路不稳定。
数据芯片故障∶会引起数据无法转换通信。
2）光端机一般维护方法。
首先，光端机的使用要保证连续、正常供电。光端机的激光器组件和光电转换模块最忌瞬时脉冲电流的冲击，因此不宜频繁开关机。在光端机集中的中心前端机房与1550nm光发射机光放大器设置点应配置 UPS电源，以保护激光组件，使光电转换模块免受脉冲大电流的损害。
其次，光端机的使用中要保持有一个通风、散热、防潮、整洁的工作环境。光发射机的激光器组件是设备的心脏，对工作条件要求较高，为了保证设备正常工作，生产厂家在设备内设置了制冷、排热系统，但当周围环境温度超过允许范围时，设备就不能正常工作，因此在炎热的季节，当中心机房发热设备多，通风散热条件又差时，最好安装空调系统以保证光端机正常工作。光纤纤芯工作直径为微米级，细小的尘埃进入尾纤活动接口内就会阻挡光信号的传播，引起光功率大幅度下降，系统信噪比降低，这类故障率约为 50%，因此机房的清洁卫生也很重要。
第三，光端机的使用中要运行监测与记录。光端机设备内设置有微处理器，监测系统内部工作状态采集模块的各种工作参数，并通过LED和VFD显示系统直观显示，并目设置了声光报警系统，维护人员只要根据运行参数确定故障原因，并及时进行处理，就能保障系统正常运行。
五、光伏电站数据通信基本故障及处理方法
（1）站内保护装置或测控装置通信中断。出现该类故障有可能是因为保护装置通信接口模块故障、通信接线松动。针对该类情况可以先查找保护装置至保护管理机之间的接线是否牢固、完好，保护管理机通信指示灯是否正常，保护装置面板显示是否正激，是否出现通信模块故障或是装置故障的告警，而后相应的进行紧固接线、重启装置、更换相关装置模块等处理。
（2）站内所有保护装置（非自动化系统厂家的保护装置）通信中断。自动化系统与其他厂家的保护装置因为使用的通信规约不同，所以自动化系统采集保护信号微要经过保护管理机进行规约转换，一台保护管理机可以容纳多台保护装置的信号传输，一旦小室内的保护管理机出现死机或是故障，往往导致所接的所有保护装置信号无法正常传输，遥信信号无法更新，可能会错失重要信号报文。出现该类问题，可以通过观察保护管理机的通信指示灯是否正常来判断，并且检查其与交换机之间的接线是否松脱，而后相应的进行重启装置、紧固接线、更换装置等处理。
（3）站内双网络结构通信其中一个网络或是两个网络都中断。全站内的自动化系统网络出现单网络或是双网络的整体通信中断，可以先对站控层所属的交换机等网络设备及其接线进行检查。因为现场的所有通信信号，不论是测控采集的信号，还是保护管理机转换传输的遥信信号，最终都需经过站控层的交换机、光电转换装置等网络传输装置进行传输，所以出现该类问题，应该首先从站控层自上而下的查起。
（4）开关整流电源故障。开关电源模块发生故障时，应首先关闭开关电源，检查交流输入电压，如果输入有问题，应对交流配电屏作相应的检测，在确保交流输人正常后，再对开关电源模块进行检修，对开关电源模块检修之前，应将该开关电源模块与直流供电系统分离，待开关电源模块修复后，再投入直流供电系统中;当监控模块出现通信故障，应首先检查通信线是否接触良好，通信线检查正常后，再来检查监控单元和传输线路情况。
（5）SDH出现R_LOS告警，业务中断。出现此类故障，首先排除光缆及对端设备原因。使用光功率计测试对端发送过来的信号，若光功率正常。则排除对端设备及光缆。若测试不到光，则排查是否是光缆中断或对端设备发送故障，并进行相应的处理。若光缆和对端设备都正常，则复位故障光板，复位后若故障仍存在，则利用更换槽位和更换单板的方法解决。
（6）光缆中断，导致站内业务中断（如与调度信息互联通道中断、程控电话无法使用等）。利用光时域反射仪（OTDR）测试出故障点到测试端的距离，与原始资料进行核对，精确定位故障点，并邀请专业人员修复。
,
