变电站综合自动化 教案.pdf

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1、第一章变电站综合自动化系统（SASSAS，SubstationSubstationAutomation SystemAutomation System）概述1.1变电站综合自动化（变电站综合自动化（SASA，Substation AutomationSubstation Automation）的概念）的概念1.1.1 SA 概念常规变电站自动化存在的主要问题：1)装置相互独立2)运行管理自动化水平低3)测量显示不精确SA：将变电站的二次设备（包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置、远动装置等）经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电

2、站的主要设备和输配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。SAS：由基于微电子技术的智能电子装置（IED）和后台控制系统所组成的变电站运行系统，包括监控、保护、电能质量自动控制等多个子系统。SAS 的核心是自动监控系统，纽带是局域通信网络。1.1.2 SAS 的基本特征1)功能综合化2)分级分布式、微机化的系统结构3)通信网络化4)运行管理智能化5)测量显示数字化6)操作监视屏幕化1.1.3 SA 的优越性1)在线运行的可靠性高2)供电质量高3)供电可靠性高4)运行管理自动化水平高5)减少控制电缆，缩小占地面积6)维护调试方便7)为变电站无人值班提供了可

3、靠的技术条件1.2SASSAS 的基本功能的基本功能1)测量、监视、控制功能取代常规测量装置，取代常规信号系统采集数据信息化取代常规操作机构、闭锁设备、远动装置2)继电保护功能微机保护：输电线路保护、变压器保护、母线保护、电容器保护；根据需要装配故障录波和测距。3)自动控制智能装置（1）电压无功综合控制（2）低频减载（3）备自投（4）小电流接地选线控制（5）同期检测和同期合闸4)远动及数据通信功能（1）现场级通信（2）与上级调度通信取代常规 RTU（Remote Terminal Unit）四遥：遥信：远程信号。采集并传送各种保护和开关量信息。遥信：远程信号。采集并传送各种保护和开关量信息。遥

4、测：远程测量。采集并传送运行参数，包括各种电气量和负荷潮流等。遥测：远程测量。采集并传送运行参数，包括各种电气量和负荷潮流等。遥控：远程控制。接受并执行遥控命令，主要是分合闸。遥控：远程控制。接受并执行遥控命令，主要是分合闸。遥调：远程调节。接受并执行遥调命令，调节变压器分接头等。遥调：远程调节。接受并执行遥调命令，调节变压器分接头等。5)自诊断、自恢复和自动切换功能6)人机联系功能1.3SASSAS 结构形式结构形式1.3.1 集中式结构集中采集变电站的模拟量、开关量和数字量等信息，集中进行计算与处理，分别完成微机监控、微机保护和一些自动控制功能（安装在主控室内）。1.3.2 分层分布式结构

5、计算机技术、网络技术1）结构特点（1）分层式的结构变电站层（站控层）2间隔层1过程层0（2）分布式的结构分布式计算机系统（3）面向间隔的结构间隔层设备是面向电气间隔的（开关柜）2）组屏及安装方式（1）集中式将间隔层中各保护测控装置集中安装在主控室内。（2）分散与集中相结合将配电线路的保护测控装置分散安装在对应开关柜内，将高压线路、变压器等的保护测控装置集中安装在主控室内。（3）全分散式所有间隔的保护测控装置均安装在对应的开关柜内，或一次设备附近的保护小间内。1.4SASSAS 的配置的配置自学讨论：1.五防？1、防止带负荷分、合隔离开关。2、防止误分、误合断路器。3、防止接地开关处于闭合位置时

6、关合断路器。4、防止在带电时误合接地开关。5、防止误入带电间隔2.何谓面向对象设计？3.AVQC 是指什么？4.图 1-19 采用的是何种组屏方式？提问：（1）常规变电站自动化系统存在哪些缺点？（2）何谓“四遥”？（3）按照 IEC61850 标准，变电站综合自动化系统可以分为哪三层？（4）分层分布式变电站综合自动化系统的具体实现可分为几种方式？1.5SASA 技术的发展趋势技术的发展趋势（1）IED 的发展（2）非常规互感器电子互感器（有源）、光互感器（无源）（3）IEC61850 标准互操作性、开放式系统（4）网络通讯技术现场总线、以太网（5）设备的状态监测与故障诊断（6）多媒体监视（7）

7、电能质量（8）满足电力市场改革及分布式电源接入的需要第二章SAS 的过程层设备（补充内容）第三章SAS 的间隔层设备间隔层设备可分为1)保护、测控装置（1）测控装置主要完成对某间隔的测量（电压、电流、温度、压力等）和控制（断路器、隔离开关、接地开关、变压器分接头），以及其他相关任务。（2）保护装置对于某一间隔设备的保护任务，如线路保护、主变保护、母线保护、电容器保护等。（3）保护测控综合装置主要用于完成相应电气间隔中设备的保护、测量以及断路器、隔离开关等的控制。一般用于中低压级别（110KV 以下系统）对于 110kV 及以系统，保护装置和测控装置一般相互独立2)公用间隔层装置变电站中的一些公

8、共信号及测量值，如直流系统故障信号、合闸电源故障等。需要一个或几个公共间隔层装置进行信息的采集和处理。3)自动装置备自投、电压无功控制等4)其他智能装置3.1保护、测控装置保护、测控装置3.1.1 输电线路间隔的保护与监控装置1）监控功能（1）测量及监视模拟量采集：电流、电压、有功、无功、功率因数、频率、运行小时数开关量的采集：如断路器触头位置、弹簧储能微动开关位置、远方/就地等脉冲量采集：电能表脉冲量采集（2）控制功能断路器、隔离开关等的正常分合操作（3）同期功能合闸两次电压是否满足合闸条件（4）防误联锁本间隔自身内的闭锁与其他间隔之间的闭锁（5）其他功能2）保护功能（1）三段式定时限过流保

9、护功能（2）三段式定时限零序过流保护功能（3）小电流接地选线功能（4）过负荷保护（5）自动重合闸（6）稳控装置：低频减载、低压解列3）事故记录故障录波、事件顺序记录等4）通信功能设备调试 RS232 接口网络通信：RS485 接口，现场总线接口、工业以太网接口等3.1.2 主变压器的保护与监控1）监控项目（1）测量监视模拟量采集（遥测对象）：电压、电流、功率、COS，油温等开关量采集（遥信对象）：主变高中低压侧断路器的位置信号、有载调压开关位置信号，保护装置的动作信号（2）控制遥控对象及遥调对象主变高中低压侧断路器、隔离开关、中性点接地开关，有载调压开关的调节2）保护项目（1）差动保护或电流速

10、断保护（2）过电流保护、零序电流保护、过负荷保护等（3）非电量保护（重瓦斯、轻瓦斯保护等）变压器的故障：内部故障：指油箱内的短路故障变压器绕组的相间短路包括变压器绕组的匝间短路中性点接地侧的单相接地短路外部故障：指油箱外引出线的短路故障相间短路单相接地短路变压器不正常工作状态：外部短路引起的过电流油箱漏油造成油面降低外部接地短路引起中性点过电压过负荷绕组过电压频率降低引起的过励磁油温过高等应装设的继电保护装置（1）瓦斯保护防御变压器油箱内各种短路故障重瓦斯跳闸轻瓦斯信号（2）纵差动保护或电流速断保护（小容量变压器）防御变压器绕组和引出线的多相短路、大接地电流系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕

11、组匝间短路（3）过电流保护作为（1）(2)的后备（4）零序电流保护：防御大接地电流系统中变压器外部接地短路（5）过负荷保护：防御变压器对称过负荷（6）过励磁保护：防御变压器过励磁3.1.3 保护测控装置的典型硬件机构开关量输入 打印机液晶显示器u/i数据采集系统微型机系统人机接口触模按键开关量输出 驱动电路继电器数据采集系统微机系统只能识别数字量，保护所反应的电流、电压等模拟信号需转换为相应的微机系统能接受的数字信号。微机系统保护测控装置的核心，一般包括：微处理器(CPU)、存储器、定时器等。CPU 是微机系统自动工作的指挥中枢；存储器是用于保存程序和数据；定时器用于触发采样信号，在V/F 变

12、换中，是频率信号转换为数字信号的关键部件。开关量输入/输出系统输入系统用于采集有接点的量（如瓦斯保护、温度信号等）作为开关量输入；执行通过开关量输出，起动信号、跳闸继电器等，完成保护各种功能。人机对话接口用于调试、定值整定、工作方式设定、动作行为记录、与系统通信等。包括：打印、显示、键盘及信号灯、音响或语言告警等。电源电源是微机保护装置重要组成部分，通常采用逆变稳压电源。一般集成电路芯片5V数据采集系统芯片正、负15V 或 12V。继电器回路则需要24V3.2自动控制装置自动控制装置3.2.1 电压无功综合自动控制装置1）控制目标（1）维持供电电压在规定的范围内允许电压偏移：V VN*100V

13、N35kV 及以上电压供电的负荷：5%V(%)10kV 及以下电压供电的负荷：7%低压照明负荷：+5%，-10%农村电网（正常）：+7.5%，-10%农村电网（事故）：+10%，-15%（2）保持电力系统稳定和合适的无功平衡（3）保证在电压合格的前提下是电能损耗最小2）控制原理以降压变电所为例U=U1-U2=(PLRT+QLXT)/U2调压手段（1）调整变压器变比KTU2偏低，减小 KT；U2偏高，增大 KT（2）无功补偿U=U1-U2=(PLRT+(QL-QC)XT)/U2传统控制方式：运行人员根据控制计划调整电压无功综合自动控制装置3）对综合自动控制装置的基本要求（1）自动对变电站的运行方

14、式和运行状态进行监视并识别（2）对目标电压、允许偏差范围、功率因数上下限能灵活整定（3）考虑各种条件的限制（4）发出控制命令后自动检查是否成功；若不成功，应作出相应处理；打印记录（5）对变电站运行情况予以显示（6）自检、自恢复（7）闭锁4）VQC 实现方式自带 I/O 的独立硬件装置；软件VQC5）装置主要功能简介（1）运行方式识别以两台主变的变电站为例，四种运行方式：两台主变并列运行；分列运行；1 号主变运行，2 号停运；2 号运行，1号停运（2）运行状态的检测和识别各电气量的所处状态九区图0 区，电压和功率因数均合格简单越限1 区电压超过上限，5 区低于下限，调分接头7 区功率因数超上限，

15、切电容器；3 区低于下限，投电容器双参数越限2 区，电压超上限，功率因数低于下限，先调分接头，再投入电容器4 区，电压和功率因数同低于下限，先投电容器，再调分接头6 区，电压低于下限，功率因数超上限，先调分接头，再切电容器8 区，电压和功率因数同超上限，先切电容器再调分接头控制方式（1）集中控制调度中心，全局优化（2）分散控制各个变电站，局部优化（3）关联分散控制各个变电站的装置已整个系统的角度进行自动调控（3）闭锁P88 页（4）监视与记录功能3.2.2 备用电源自动投入装置备用电源自动投入装置是电力系统故障或其他原因使工作电源被断开后，能迅速将备用电源或备用设备或其他正常工作的电源自动投入

16、工作，使原来工作电源被断外的用户能迅速恢复供电的一种自动控制装置，简称AAT 装置。1)备用方式（1）明备用系统正常时，备用电源不工作，称为明备用。（2）暗备用系统正常运行时，备用电源也投入运行的，称为暗备用。暗备用实际上是两个工作电源互为备用。2）基本要求（1）工作电源确实断开后，备用电源才投入。这是为了防止备用电源投入到故障元件上。（2）手动跳开工作电源时，备用电源自动投入装置不应动作。（3）备用电源自动投入装置只允许动作一次。“充放电”（4）工作母线上的电压不论因何原因消失时，AAT 均应动作。工作母线失压时还必须检查工作电源无流，才能启动备用电源自动投人装置，以防止PT二次侧断线造成误

17、投。（5）备用电源不满足有压条件，备用电源自动投入装置不应动作。（6）应具有闭锁备用电源自动投入装置的功能。（7）切除工作电源断路器必须经延时。这是为躲过工作母线引出线故障造成的母线电压下降。3）工作原理（1）硬件结构这是一个较简单的单CPU 系统。由于备用电源自动投入的功能并不是很复杂，为简单起见，采样、逻辑功能及人机接口均由同一个CPU 完成。由于备用电源自动投入对采样速度要求不高，因此此硬件中模数转换器可以不采用 VFC 类型，宜采用普通的A/D 转换器。一般由 CPU 插件、电源插件、逻辑及跳闸插件、人机对话插件组成。（3）软件原理动作逻辑由允许条件、闭锁条件和充放电逻辑三部分组成。计

18、数器“充电”的条件是：不是所有允许条件都满足；且时间超过10s。以上条件同时满足后为“充电”满状态。计数器“放电”的条件是：任一闭锁条件满足；或备自投动作出口。以上条件满足任一个，立即对该计数器“放电”。3.2.3 自动低频减载装置事故情况下，系统可能产生严重的有功缺额，因而导致系统频率大幅度下降。若所缺功率已经大大超过系统热备用容量，只能在系统频率降到某值以下，采取切除相应用户的办法来减少系统的有功缺额，使系统频率保持在事故允许的限额之内。这种办法称为低频自动减负荷（低频减载）。运行规程要求电力系统的频率不能长时期的运行在49.549Hz 以下；事故情况下不能较长时间的停留在47Hz 以下，

19、瞬时值则不能低于45Hz。在系统发生故障，有功功率严重缺额，需要切除部分负荷时尽可能做到有次序、有计划地切除负荷，并保持所切除负荷的数量合适，以尽量减少切除负荷后所造成的经济损失。这就是自动按频率减负荷装置的任务。1）自动按频率减负荷的基本工作原理fff1Nf1(2)2f03465ff(1)25f(0)t1t23oPL aPLNaPLN(t图3-23 系统频率的变化过程fff)aPLN()anPLN()nfNfNfN2）实现方式目前，用微机实现自动技频率减负荷的方法大体有两种：采用专用的自动按频率减负荷装置实现。把自动按频率减负荷的控制分散设在每回馈电线路的保护装置中。3）硬件结构3.3故障录

20、波装置故障录波装置故障录波装置是当电力系统发生故障时，能迅速直接地记录下与故障有关的运行参数的一种自动记录装置。微机式故障录波可根据需要采用两种方式实现，一是配置专用微机故障录波器，并能与监控系统通信；另一种则由微机保护装置兼作记录及测距计算，再将数字化的波形及测距结果送监控系统，由监控系统存储及打印波性。3.3.1 主要作用1）为正确分析故障原因、研究防范对策提供原始资料。2）帮助寻找故障点。3）积累运行经验，提供运行水平。4）为检修工作提供依据。5）核对系统参数的准确性。6）统计分析系统振荡的有关参数。3.3.2 启动判据1）模拟量启动（1）突变量启动（2）越限启动（3）频率启动（4）振荡

21、启动2）开关量启动3）手动和遥控启动3.3.3 录波数据的记录方式和存储格式1）记录方式整套装置的数据记录方式分为稳态记录和动态记录：能连续记录电压、电流（含负序电流）、有功功率、频率等重要电气量。（1）稳态数据记录。记录时间间隔可整定，稳态数据记录包含所有的模拟量通道信息和开关量状态信息以及频率信息。稳态量数据记录的最小时间间隔为20ms；可保留至少 4 天的稳态数据。（2）动态数据记录。当发电机组或电网有大扰动时，装置自动启动，进入暂态记录过程：A 时段：系统大扰动开始前的状态数据，输出原始波形（采样率大于 4800Hz），记录时间 0.12s 到 0.5s 可调，调节步长0.02s（默认

22、 4800Hz/0.12s）。B 时段：系统大扰动后初期的状态数据，输出原始记录波形（采样率大于4800Hz），记录时间 0.1s 到 0.3s 可调调节步长 0.02s（默认 4800Hz/0.2s）。C 时段：系统大扰动的中期状态数据，输出低采样率的原始波形（采样率600Hz），记录时间 3s。D 时段：系统动态过程数据，每0.1s 输出一个工频有效值，记录时间20s。如果 D 时段 20s 记录结束后启动量依然没有复归，新开文件按照D 时段记录10min，如果 10min 记录满启动量依然没有复归，追加10min，最多追加 20min文件结束。如果在录波过程中又发生不同录波启动方式的另一

23、种故障即有新的启动，则重新进入 B 段或 C 段录波。记录方式1.单一启动的记录符合任一模拟量启动或开关量启动条件，按ABCD 时段顺序执行。2.记录过程中有新启动的记录新启动是指：突变量启动；断路器跳合闸信号启动。a)在记录的 B 阶段中，如遇新启动，从新启动点按BCD 执行（B1C1D1），见图 2。注：A1B1C1D1 记录时长及采样频率同ABCD，下同；b)在记录的 C 阶段过程中，如遇新启动，则按ABCD 执行（A1B1C1D1）；如果已经记录的 C 阶段时间不小于A1 阶段，C 阶段最后一段时间（A1 阶段时长）的数据用A1 阶段数据替换，见图3；例：A 阶段设置为 4800Hz/

24、0.12s，B 阶段设置为 4800Hz/0.2s。在 C 阶段记录到2s 时发生了新启动，则C 阶段最后 0.12s 的数据用 A1 阶段相应数据替换，C阶段变为 1.88s。如果已经记录的C 阶段时间小于 A1 阶段，C 阶段全部数据用A1 阶段相应时间段数据替换，A1 阶段记录时长变为原C 阶段已经记录的时长，见图4。例：A 阶段设置为 4800Hz/0.12s，B 阶段设置为 4800Hz/0.2s。在 C 阶段记录到0.1s 时发生了新启动，则C 阶段数据全部用A1 阶段最后 0.1s 数据相应替换，C 阶段取消，A1 阶段变为 0.1s。c)在记录的 D 阶段过程中，如遇新启动，则

25、结束本文件（文件1），新开录波文件（文件 2）按 ABCD 执行（A1B1C1D1），见图 5。2）存储格式Comtrade 格式3.3.4 发展故障录波装置经历了三个阶段：第一阶段是机电式、光线式故障录波装置；第二阶段是微机故障录波装置；第三阶段是嵌入式故障录波装置。3.3.5 结构及工作原理(自学)1）结构模式2）数据采集单元3）分析管理单元4）工作流程第四章变电站综合自动化系统的数据通信4.1概述概述4.1.1 变电站自动化系统的通信1）变电站内的信息传输（1）过程层与间隔层的信息交换过程层提供的信息主要有两种：模拟量状态信息，主要为断路器或间隔刀闸的辅助触点。（2）间隔层内设备间的通信

26、间隔层设备间内部通信，主要解决两个问题：数据共享互相闭锁（3）间隔层与变电站层的通信间隔层和变电站层的通信内容很丰富，概括起来有以下4 类：测量信息状态信息操作信息参数信息变电站层不同设备间的通信，根据各设备任务和功能的特点，传输所需的测量信息、状态信息和操作信息等。2）变电站自动化系统与调度中心或控制中心的通信四遥4.1.2 变电站自动化系统通信网络的要求1）快速的实时响应能力（1）响应速度（2）传输时间2）高的可靠性3）优良的电磁兼容性能4）分层式结构4.1.3 数据通信的传输方式1）并行与串行数据通信 并行（4）变电站层的内部通信 串行2）异步与同步数据传输同步是要接收方按照发送方发送的

27、每个位的起止时刻和速率来接收数据，否则会产生误差。通常可以采用同步或异步的传输方式对位进行同步处理。（1）异步数据传输通常，异步传输是以字符为传输单位，每个字符都要附加1 位起始位和1位停止位，以标记一个字符的开始和结束，并以此实现数据传输同步。异步传输是指字符与字符(一个字符结束到下一个字符开始)之间的时间间隔是可变的，并不需要严格地限制它们的时间关系。异步传输常用于低速设备。（2）同步数据传输发送前，收发双方先约定同步字符的个数及相应的代码，以便实现接收与发送的同步：接收端一旦检测到同步字符SYN，即可按双方约定的时钟频率接收数据，并以约定的算法进行差错校验，直至帧结束字段出现。3）工作方

28、式（1）单工单工通信只支持信号在一个方向上传输（正向或反向），任何时候不能改变信号的传输方向。为保证正确传送数据信号，接收端要对接收的数据进行校验，若校验出错，则通过监控信道发送请求重发的信号。（2）半双工半双工通信允许信号在两个方向上传输，但某一时刻只允许信号在一个信道上单向传输。因此，半双工通信实际上是一种可切换方向的单工通信。传统的对讲机使用的就是半双工通信方式。（3）全双工全双工通信允许数据同时在两个方向上传输，即有两个信道，因此允许同时进行双向传输，如图2-1-9 所示。全双工通信是两个单工通信方式的结合，要求收发双方都有独立的接收和发送能力。4.2远距离数据通信远距离数据通信4.2

29、.1 基本模型(1)信源/信宿信源指信息的来源或发送者，信宿指信息的归宿或接收者。在计算机网络中，信源和信宿可以是计算机或终端等设备。(2)信道信道是传输信号的通路，由传输线路及相应的附属设备组成。同一条传输线路上可以有多个信道。例如：一条光缆可以同时供几千人通话，有几千条电话信道。(3)噪声噪声是指信号在传输过程中受到的干扰。(4)变换器变换器的主要功能是在信源或信宿与信道之间进行信号的变换。如果在模拟信道上传输数字信号，变换器采用调制解调器（MODEM）；如果在数字信道上传输模拟信号，变换器采用编码解码器（CODEC）。4.2.2 调制与解调调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量

30、的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。根据所控制的信号参量的不同，调制可分为：调幅，使载波的幅度随着调制信号的大小变化而变化的调制方式。调频，使载波的瞬时频率随着调制信号的大小而变，而幅度保持不变的调制方式。调相，利用原始信号控制载波信号的相位。Modem，其实是 Modulator（调制器）与 Demodulator（解调器）的简称。4.2.3 信息通道1）有线信道（1）音频电缆电力系统专用通信网中，传送的信号主要是数据和电话信号。主要用于调度或监控中心与近距离变电站之间的通信。敷设简单，但线路损耗大，易受干

31、扰。缺点：传输速度受限制，难以实现高速数据传输；传输距离受限制，不宜长距离传输；传输差错率较高；若与电力线网杆架设，发生倒杆事故时，通信也可能中断（2）电力线载波电力线载波通信是利用高压电力线(35kv 及以上电压等级)、中压电力线(10kV 电压等级)或低压配电线(380/220v 用户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。电力载波通信的特点：话音和数据各占一个频段，同时传送互不影响；利用电力线作为载波通信通道，不需要单独架设和维护线路，且电力线路结构坚固，可靠性高，传输衰耗小；电力线和电气设备在运行时，存在着电晕、电弧等现象，影响电力线高频通道信号传输质量，误码率很不理

32、想；电力载波通信的站址完全取决于电力线路结构，不能任意设站，给通道组织带来困难。而当线路故障时，通道亦中断i为避免受到电力线上工频电流所产生的工频谐波干扰，频率不能太低，为了避开广播频段及防止线路衰减过大，频率不能太高。目前我国电力线载波频率范围规定为40500kHz。（3）光纤2）无线信道（1）微波中继信道（2）卫星信道4.3RS232/485RS232/485串行数据通信接口串行数据通信接口4.3.1 RS232RS-232-C 接口（又称EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在 1970 年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂

33、家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）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 个脚的DB25 连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。(1)接口的信号内容实际上 RS-232-C 的 25 条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9 条引线。RS-232-C 最常用的 9 条引线的信号内容见下表所示。(2)接口的电气特性在 RS-232-C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”，-5 -15V；逻辑“0”+5 +15V。噪声容限为 2V。即要求接收器能识别低至+3V 的信号作为逻辑“0”，高到-3V 的信号作为逻辑“1”。4.3.2 RS485