王華強， 朱成群， 楊滁光

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽安利合成革股份有限公司，安徽 合肥 231202）

隨著電力市場的發(fā)展，傳統(tǒng)的水電站監(jiān)視、測量和控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足配電自動化的要求［1］，配電自動化開閉所終端（DTU）作為數(shù)據(jù)采集、處理的核心越來越多地出現(xiàn)在饋線自動化系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)配電網(wǎng)及其設(shè)備在正常運行及事故狀態(tài)下都能進行信息的準(zhǔn)確、快速傳輸，數(shù)據(jù)通信成為整個系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

遠(yuǎn)動規(guī)約是實現(xiàn)主站與遠(yuǎn)動子站之間發(fā)送基本遠(yuǎn)動報文的通信文件集。隨著遠(yuǎn)動規(guī)約的不斷發(fā)展和多樣化，在站內(nèi)不同廠家設(shè)備之間以及遠(yuǎn)方調(diào)度的連接中，有必要進行數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化［2］。因此，國際電工委員會電力系統(tǒng)控制及其通信技術(shù)委員會（IEC TC57）先后頒布了如下IEC60870－5系列傳輸規(guī)約和配備標(biāo)準(zhǔn)：IEC60870－5－101基本遠(yuǎn)動任務(wù)配備標(biāo)準(zhǔn)［3］（國內(nèi)版本 DL／T634－1997）、IEC60870－5－102電力系統(tǒng)電能計量傳輸配備標(biāo)準(zhǔn)（國內(nèi)版本DL／T719－2000）、IEC60870－5－103繼電保護設(shè)備信息接 口配備標(biāo)準(zhǔn)（國內(nèi)版本DL／T667－1999）。

上述101、102、103協(xié)議，是相當(dāng)一段時間里指導(dǎo)變電站自動化技術(shù)發(fā)展的3個重要標(biāo)準(zhǔn)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，變電站到調(diào)度端通信逐步淘汰MODEM方式，采用TCP／IP模式上網(wǎng)，而在變電站自動化系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)傳輸中，101規(guī)約要求在主站和每個子站之間采用固定的專用遠(yuǎn)動通道，因此遠(yuǎn)動報文若通過一些可以進行報文存貯和轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進行傳輸將使得報文傳輸出現(xiàn)延時并且是可變的，這就意味著不可能采取IEC60870－5－101所定義的主站和子站之間的鏈路層。因此，IEC TC57在IEC60870－5－101基本遠(yuǎn)動任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定了IEC60870－5－104傳輸規(guī)約［4］，該規(guī)約采用IEC60870－5－101的平衡傳輸模式，通過TCP／IP協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸遠(yuǎn)動信息，適用于PAD（分組裝和拆卸）的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

1 IEC60870－5－104規(guī)約介紹

1.1 一般體系結(jié)構(gòu)

IEC60870－5－104規(guī)約定義了用于網(wǎng)絡(luò)的開放式 TCP／IP接口，網(wǎng)絡(luò)包含一個由傳輸IEC60870－5－101應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元ASDU的遠(yuǎn)動設(shè)備構(gòu)成的局域網(wǎng)的例子。包含不同廣域網(wǎng)類型（如X.25，幀中繼，ISDN，等等）的路由器可通過公共的TCP／IP－局域網(wǎng)連接起來。圖1所示為簡化與非簡化的主站配置。

圖1 一般體系結(jié)構(gòu)

1.2 規(guī)約結(jié)構(gòu)

IEC60870－5－104遠(yuǎn)動 規(guī)約選用ISO－OSI參考模型作為參考模型源，實際上只采用了其中的5層，即將IEC60870－5－101與 TCP／IP提供的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能結(jié)合起來，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，使得IEC60870－5－101在 TCP／IP內(nèi)各種網(wǎng)絡(luò)類型都可使用，如 X.25、FR（幀中繼）、ATM（異步轉(zhuǎn)移模式）和ISDN（綜合業(yè)務(wù)信息網(wǎng)）。根據(jù)相同的定義，IEC60870－5全部配套標(biāo)準(zhǔn)所定義的ASDU都可以與TCP／IP進行結(jié)合。在圖2的結(jié)構(gòu)中，IEC60870－5－104處于應(yīng)用層協(xié)議的位置。每一種應(yīng)用層協(xié)議都對應(yīng)一個網(wǎng)絡(luò)端口號［5］，根據(jù)其在傳輸層上使用的是TCP協(xié)議還是UDP協(xié)議，可將端口號分為TCP端口號和UDP端口號，由于TCP協(xié)議更能保證安全可靠地傳輸遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)，IEC60870－5－104規(guī)定傳輸層使用的是 TCP協(xié)議，因此其對應(yīng)的端口號是TCP端口。常用的TCP端口號有多種，IEC60870－5－104規(guī)定本標(biāo)準(zhǔn)使用2404作為端口號，并得到了互聯(lián)網(wǎng)地址分配機構(gòu)IANA（Internet Assigned Numbers Authority）的確認(rèn)。

圖2 終端系統(tǒng)的規(guī)約結(jié)構(gòu)

1.3 104規(guī)約的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

一個 標(biāo) 準(zhǔn) 的IEC60870－5－104 數(shù) 據(jù) 幀［6］稱 為應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元（APDU），由應(yīng)用規(guī)約控制信息（APCI）和應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ASDU）組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。與IEC60870－5－101的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)相比，它們的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ASDU）是相同的，不同的是IEC60870－5－104使用應(yīng)用規(guī)約控制信息（APCI），而IEC60870－5－101則使用鏈路規(guī)約控制信息（LPCI）。

圖3 IEC60870－5－104數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

在IEC60870－5－104的 APCI結(jié)構(gòu)中，啟動字符固定為68H，表示一個數(shù)據(jù)幀的開始；APDU長度為控制域開始到本幀結(jié)束的總字節(jié)數(shù)；4個8位控制域分別表示發(fā)送序列號和接收序列號，可用以實現(xiàn)報文丟失檢測和報文重傳。由于APDU的最大長度為253（APDU最大值等于255減去啟動長度8位位組），控制域的長度為4個8位位組，因此ASDU的最大幀長為249，即一個APDU報文最多能傳送121個不帶品質(zhì)描述的歸一化測量值或243個不帶時標(biāo)的單點遙信信息，若系統(tǒng)采集的信息量過多，則需要分成多個APDU進行發(fā)送。規(guī)約幀（即APDU）有3種格式：I格式、S格式和U格式。I格式即用于編號的信息傳輸，其結(jié)構(gòu)是一個包含APCI和ASDU的完整的APDU；S格式幀只含有一個APCI，是收端發(fā)給發(fā)端的確認(rèn)幀；U格式幀也只含有一個APCI，用于傳輸過程的控制，如啟動傳輸（STARTDT）、停止傳輸（STOPDT）、測試幀（TESTFR）等。以上的傳輸控制可以實現(xiàn)應(yīng)用層的診斷、確認(rèn)、重傳、開始／停止等功能，而應(yīng)用層的功能，除與101規(guī)約一致外，還可以實現(xiàn)信息幀編號的診斷，使信息傳輸更加可靠。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及原理

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

升壓站監(jiān)控系統(tǒng)采用監(jiān)控主站和監(jiān)控子站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過光纖以太網(wǎng)完成主站與子站的通訊，監(jiān)控主站運行相關(guān)SCADA軟件及組態(tài)軟件組態(tài)王；監(jiān)控子站采用高可靠性、高性價比的DTU設(shè)備KD－200F，該設(shè)備遵循最新版本的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）、電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DL）和國際單位制（SI），能有效地與上位機組態(tài)軟件進行數(shù)據(jù)交換。

2.2 DTU設(shè)備的結(jié)構(gòu)及原理

配網(wǎng)自動化開閉所終端（DTU）［7］采用綜合單元通過網(wǎng)絡(luò)互連的分層、分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要由通信管理機、遙測單元、遙信單元、遙控單元、遙脈單元、通信接口、電源模塊、顯示模塊等組成。通訊管理機是配網(wǎng)自動化開閉所終端的主控單元，其基于32位DSP TMS320F2812和DSPBIOS實時操作系統(tǒng)，具有很高的可靠性，支持RS485／RS232、CAN總線、電力線載波、GPRS和以太網(wǎng)等通信方式?！叭b”（即遙測、遙信遙脈、遙控）信號采集控制模塊均配有CAN總線［8］、RS485通信接口與DSP通信管理模塊通信，采用了模塊化設(shè)計，便于擴充、更換和維護。設(shè)備運行中更換測控模塊，不需要一次設(shè)備停電。電源模塊包含了電池監(jiān)測管理。各單元間以CAN總線連接，主要組成部分功能框圖如圖4所示。

配網(wǎng)自動化開閉所終端（DTU）能針對系統(tǒng)的特點，實現(xiàn)模擬量、數(shù)字量的采集和運算，還具備故障自動隔離、故障隔離后的負(fù)荷恢復(fù)功能，具有很高的可靠性。通過與上位機的信息交換，能更靈活地實現(xiàn)配電自動化，在整個系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。

圖4 配網(wǎng)自動化終端DTU總體結(jié)構(gòu)

3 規(guī)約通信的實現(xiàn)

3.1 軟件平臺——組態(tài)王

目前，國內(nèi)外流行的組態(tài)軟件有In Touch、Fix、組態(tài)王、世紀(jì)星、MCGS等等。本系統(tǒng)則選用組態(tài)王6.53作為監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集的軟件開發(fā)平臺，不僅能滿足被控對象的個性需求，也能縮減開發(fā)費用。組態(tài)王6.53由開發(fā)系統(tǒng)、運行系統(tǒng)、工程管理器和信息窗口等組成。在開發(fā)系統(tǒng)中可以進行設(shè)備的配置、畫面的組合、報警配置、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和報警服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)配置，還可以利用組態(tài)王提供的報表、曲線、控件等滿足用戶要求的功能，并能自動采集用戶現(xiàn)場設(shè)備信息，響應(yīng)用戶的操作命令，向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)布控制命令，以及對傳送上來的數(shù)據(jù)進行報警判別等。

3.2 基于104規(guī)約的組態(tài)王通信設(shè)置

組態(tài)王作為本系統(tǒng)的軟件平臺，不僅能實現(xiàn)與一些常用I／O設(shè)備的通訊，包括可編程控制器（PLC）、智能模塊、板卡、智能儀表等等，而且支持各種常用電力通信規(guī)約，如101規(guī)約、104規(guī)約、CDT規(guī)約、XT9702電力通訊規(guī)約等等。本系統(tǒng)中配電自動化開閉所終端（DTU）屬于I／O設(shè)備中的智能儀表，在智能儀表的電力協(xié)議中能找到可以建立兩者連接的通訊規(guī)約，包括101規(guī)約和104規(guī)約。由于IEC60870－5－101規(guī)約只能采用非平衡傳輸模式，而IEC60870－5－104規(guī)約能使用平衡式傳輸模式，因此更能保證故障信息的快速、準(zhǔn)確上報。在組態(tài)王中定義設(shè)備時選擇［智能儀表］＞ ［電力協(xié)議］＞ ［DL104］＞ ［TCP／IP］，即可定義新的I／O設(shè)備。設(shè)備的地址格式為：IP：公共地址［傳送原因長度，ASDU公共地址長度，信息體地址長度］，例如：192.168.0.1：1，2，2，3。默認(rèn)值為傳送原因長度＝2，ASDU公共地址長度＝2，信息體地址長度＝3。組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典中I／O變量的定義，可以根據(jù)變量的實際含義，按照104規(guī)約在組態(tài)王中寄存器列表的格式進行定義，如單點遙信對應(yīng)的寄存器格式為SIQdddd，寄存器范圍（16進制）為1H～1000H，變量類型為I／O離散。

3.3 104規(guī)約的通信實施

對于基于TCP的應(yīng)用程序來說，存在2種工作模式，即服務(wù)器模式和客戶端模式。IEC60870－5－104定義在正常情況下，主站（即組態(tài)王）等同于客戶端，子站（即DTU）等同于服務(wù)器，但是為了實現(xiàn)全雙工的平衡傳輸模式，保證故障信息的主動快速上報，則要求主站和子站同時具有服務(wù)器和客戶端的功能。流程圖如圖5所示［9］，程序設(shè)計采用多線程技術(shù)，接收線程實現(xiàn)子站監(jiān)聽、接收、處理主站的通訊要求等功能，由主站發(fā)出連接請求后建立TCP連接。

圖5 程序流程圖

當(dāng)DTU收到U格式的報文STARTDT后，DTU回應(yīng)命令報文，然后開始傳輸數(shù)據(jù)，此時上送變位信息和自發(fā)上送周期性掃描數(shù)據(jù)。對于來自主站的各種命令報文，進行如下輸入有效性檢查：確定報文序號、報文校驗碼、通信站碼、對象號是否有效，并回應(yīng)主站。主動上送線程實現(xiàn)子站數(shù)據(jù)自動上傳的功能，即檢測到有一級數(shù)據(jù)或者長時間沒有接收到主站的信息，則子站主動上傳線程自發(fā)地上傳數(shù)據(jù)，首先與主站建立TCP連接，然后上傳一級數(shù)據(jù)或者全數(shù)據(jù)，其中上傳全數(shù)據(jù)的周期由子站確定。

IEC60870－5－104規(guī)約采用平衡式傳輸方式，包含豐富的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ASDU），不但選取了絕大部分IEC60870－5－101規(guī)約的ASDU，而且還擴展了類型標(biāo)識為58～64，以及類型標(biāo)識為107的新的ASDU。在實現(xiàn)了饋線遠(yuǎn)方終端的基本功能的基礎(chǔ)上，還實現(xiàn)了一些選配功能［6］。其實施過程如下。

（1）建立TCP連接。子站DTU在TCP連接建立前，應(yīng)一直處于偵聽狀態(tài)并等待主站的連接請求，當(dāng)TCP連接建立后，應(yīng)持續(xù)地監(jiān)測TCP連接的狀態(tài)，以便TCP連接被關(guān)閉后能重新進入偵聽狀態(tài)并初始化與TCP連接狀態(tài)有關(guān)的程序變量；主站組態(tài)王在TCP連接建立前，應(yīng)不斷地向子站DTU發(fā)出連接請求，當(dāng)請求被接受，則應(yīng)監(jiān)測TCP連接的狀態(tài)，以便TCP連接被關(guān)閉后能重新發(fā)出連接請求。值得注意的是，每次連接建立后，主站和子站都應(yīng)該將發(fā)送和接收序號清零，并且子站只有在接收到主站的STARTDT命令之后，才響應(yīng)數(shù)據(jù)召喚以及循環(huán)上傳數(shù)據(jù)，但在接收STARTDT之前，子站對于遙控、設(shè)點等命令仍然應(yīng)進行響應(yīng)。

（2）總召喚。用以刷新主站的數(shù)據(jù)庫，當(dāng)初始化以后或者當(dāng)主站發(fā)現(xiàn)丟失了信息時，總召喚功能由主站請求子站傳送全部的過程變量，并且總召喚可以被事件所中斷。具體過程為：① 主站向子站發(fā)送總召喚命令幀（類型標(biāo)識為100，傳送原因為06），子站向主站發(fā)送總召喚命令確認(rèn)幀（類型標(biāo)識為100，傳送原因為07）；② 然后子站向主站發(fā)送單點遙信幀（類型標(biāo)識為01，傳送原因為20、雙點遙信幀（類型標(biāo)識為03，傳送原因為20）、遙測幀（類型標(biāo)識為13，傳送原因為20）；③向主站發(fā)送總召喚命令結(jié)束幀（類型標(biāo)識為100，傳送原因為10）。

（3）時鐘同步。系統(tǒng)初始化以后以及新周期同步時，由主站發(fā)送時鐘同步命令啟動時鐘同步。主站發(fā)送的報文中的時鐘時間，即可以由主站校正，也可以由子站校正，校正值為傳送延時總和以及時間同步幀長和傳輸速度的乘積。具體過程為：① 主站向子站發(fā)送時鐘同步命令（類型標(biāo)識為103，傳送原因為06），傳輸延時由主站計算并附加到向子站傳送的時間上；② 子站對時成功后，向主站發(fā)送相同的時鐘進行確認(rèn)（類型標(biāo)識為103，傳送原因為07）。

（4）循環(huán)遙測數(shù)據(jù)傳送。按照一定的時間間隔子站將其存儲的數(shù)據(jù)向主站發(fā)送，以刷新主站的數(shù)據(jù)庫，循環(huán)數(shù)據(jù)傳送的優(yōu)先級最低，可以被事件傳輸中斷。遙測量可以使用類型標(biāo)識為9（歸一化值）、11（標(biāo)度化值）和13（短浮點數(shù)）的 ASDU定時循環(huán)向主站發(fā)送報文。

（5）遙控／遙調(diào)。采用 GB／T18657.5－2002中的命令傳輸過程，具體過程為：① 主站向子站發(fā)送遙控／遙調(diào)選擇命令（類型標(biāo)識為46／47，傳送原因為06，S／E＝1），子站向主站返回遙控／遙調(diào)返校（類型標(biāo)識為46／47，傳送原因為07，S／E＝1）；② 主站下發(fā)遙控／遙調(diào)執(zhí)行命令（類型標(biāo)識為46／47，傳送原因為06，S／E＝0），子站返回遙控／遙調(diào)執(zhí)行確認(rèn)（類型標(biāo)識為46／47，傳送原因為07，S／E＝0）；③ 當(dāng)遙控／遙調(diào)操作執(zhí)行完成后，子站返回遙控／遙調(diào)操作結(jié)束命令（類型標(biāo)識為46／47，傳送原因為10，S／E＝0）。

（6）主動上傳數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)對于主站和子站都是全雙工高速網(wǎng)絡(luò)，因此IEC60870－5－104必然使用平衡式傳輸。當(dāng)子站發(fā)生突發(fā)事件，子站將根據(jù)具體情況主動向主站發(fā)送報文。具體過程為：當(dāng)發(fā)生故障時，DTU主動上傳遙信變位幀（單點遙信類型標(biāo)識為01，雙點遙信類型標(biāo)識為03，傳送原因為03）、遙信SOE幀（單點遙信類型標(biāo)識為30，雙點遙信標(biāo)識為31，傳送原因為03）、調(diào)壓變分接頭狀態(tài)變化幀（類型標(biāo)識為32，傳輸原因為03）和繼電保護裝置事件（類型標(biāo)識為38）。

（7）電能量凍結(jié)與召喚。在實時數(shù)據(jù)收集中，電能量的凍結(jié)與召喚是非常重要的一項。具體過程為：① 主站發(fā)送電度量凍結(jié)命令（類型標(biāo)識為101，傳送原因為06），子站返回電度量凍結(jié)確認(rèn)（類型標(biāo)識為101，傳送原因為07）；② 子站發(fā)送電度量數(shù)據(jù)（類型標(biāo)識為15，傳送原因為37）；③ 子站發(fā)送電度量召喚結(jié)束命令（類型標(biāo)識為101，傳送原因為10）。若電度量數(shù)據(jù)幀中的某一幀沒有被主站收到，等子站傳送完結(jié)束幀后，再召喚沒有收到的那一幀。

4 結(jié)束語

隨著變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展，IEC60870－5－104規(guī)約作為站內(nèi)通信協(xié)議確實能滿足各種數(shù)據(jù)類型的傳輸，并保證通信可靠性，符合電力技術(shù)發(fā)展的要求，對促進電網(wǎng)自動化、保證電網(wǎng)安全運行具有重要意義。本文介紹的升壓站監(jiān)控系統(tǒng)，使用功能齊全的DTU、組態(tài)軟件以及基于104規(guī)約的以太網(wǎng)通訊模式，實現(xiàn)了準(zhǔn)確、快速的數(shù)據(jù)采集、傳輸和記錄，并能及時對故障和事故進行報警和處理，保證了系統(tǒng)安全可靠的運行，具有實時性好、可靠性高、擴展性強等特點，值得在中小型水電廠升壓站中進行推廣。

［1］黃益莊.變電站綜合自動化技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2000：5－21.

［2］李永生，要慧麗，馬克強.綜合自動化變電站通信網(wǎng)絡(luò)及傳輸規(guī)約選擇的探討［J］.電力學(xué)報，2005，20（4）：394－395.

［3］DL／T 634.5101－2002，基本遠(yuǎn)動任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］DL／T 634.5104－2009，采用標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議集的IEC60870－5－101網(wǎng)絡(luò)訪問［S］.

［5］趙 淵，沈智健.基于 TCP／IP的IEC60870－5－104遠(yuǎn)動規(guī)約在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2003，27（10）：57－60.

［6］GB／T 18657.1－2002，遠(yuǎn)動設(shè)備及系統(tǒng) ［S］.

［7］陶維青，劉 寧，余 淼，等.基于DSP與CAN總線技術(shù)的饋線監(jiān)控終端開發(fā)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，31（7）：1016－1019.

［8］丁強強，鮑遠(yuǎn)慧.基于CAN總線的汽車檢測線計算機控制系統(tǒng) ［J］.合 肥 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報：自 然 科 學(xué) 版，2010，33（4）：514－518.

［9］李 彬，焦彥軍，張新國，等.104規(guī)約在FTU中的應(yīng)用［J］.繼電器，2008，36（7）：62－65.