陶學軍，徐奉友，王艷領

（許繼集團有限公司，河南許昌 461000）

IEC 60870-5-104協(xié)議在光伏電站中的應用

陶學軍，徐奉友，王艷領

（許繼集團有限公司，河南許昌 461000）

為了適應日益發(fā)展的光伏電站對穩(wěn)定性和規(guī)范化的要求，介紹了IEC 60870-5-104協(xié)議在光伏電站中的應用，簡述了光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構，重點闡述了IEC60870-5-104協(xié)議轉(zhuǎn)換方法。

IEC 60870-5-104；協(xié)議轉(zhuǎn)換；光伏電站

0 引言

近幾年光伏電站發(fā)展迅速，光伏電站的先進性、規(guī)范化成為一個重要的研究課題。先進性的光伏電站應當穩(wěn)定、可靠且便于維護和系統(tǒng)擴展。光伏電站中通信協(xié)議的工作性能是衡量光伏電站先進性的一個重要指標。IEC 60870-5-104通信協(xié)議以其低廉的成本、優(yōu)良的性能[1-2]在電力系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡中備受青睞。同樣，當今蓬勃興起的光伏電站，它的通信系統(tǒng)也都傾向于使用這種通信協(xié)議。結合案例，文章首先簡述了光伏電站的網(wǎng)絡結構。然后重點闡述了光伏電站通信過程中的一個重要問題：IEC60870-5-104協(xié)議與其他協(xié)議的信息交互方法。

1 IEC 60870-5-104協(xié)議概述

IEC 60870通信協(xié)議是國際電工委員會于2000年前后修訂完成的一種遠程監(jiān)控通信協(xié)議[3]，這種通信協(xié)議適合電力系統(tǒng)和其他大地理跨度系統(tǒng)中使用。第5部分即IEC 60870-5針對直連的兩個系統(tǒng)之間傳輸基本遠程監(jiān)控信息做了陳述，協(xié)議對報文格式、鏈路傳輸規(guī)則、應用數(shù)據(jù)結構、信息定義和編碼方法、基本應用功能都做了規(guī)范化約定，后來又對與之相關的標準推出了一致性測試準則。目前，除北美以外，它在全球電力系統(tǒng)中受到廣泛應用。IEC60870-5包括4個標準。其中，IEC 60870-5-101定義了基本遠程遠動功能信息傳輸規(guī)約；IEC 60870-5-102定義了電力系統(tǒng)電能信息傳輸標準；IEC 60870-5-103定義了繼電保護設備的信息接口標準；IEC 60870-5-104是IEC 60870-5-101的網(wǎng)絡版。

IEC 60870-5-104是IEC 60870-5-101協(xié)議為了適應網(wǎng)絡通信方式而產(chǎn)生的。所以它的信息定義和編碼方法、基本功能定義、數(shù)據(jù)結構和IEC 60870-5-101協(xié)議基本相同；同時這種協(xié)議使用開放的TCP/IP通信接口，所以通過這種協(xié)議，來自不同廠家的不同產(chǎn)品可以使用以太網(wǎng)連接在一起構成一個局域網(wǎng)或則通過路由器與廣域網(wǎng)連接；控制中心與遠動站之間也不再像IEC 60870-5-101協(xié)議規(guī)定[4]的那樣需要直接的物理連接，而可以通過虛擬鏈路實現(xiàn)通信[5]。

2 IEC 60870-5-104在光伏電站中的應用

光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)三部分功能：

（1）采集各數(shù)據(jù)終端數(shù)據(jù)，監(jiān)控電站運行；

（2）接收調(diào)度中心發(fā)來的發(fā)電計劃，控制電站發(fā)電量；

（3）存儲電站歷史數(shù)據(jù)。

圖1是格爾木光伏電站網(wǎng)絡示意圖。

圖1 光伏電站網(wǎng)絡示意圖

如圖1所示，光伏電站監(jiān)控網(wǎng)絡分為三級。

（1）調(diào)動中心與下屬電站的通信網(wǎng)絡調(diào)度中心和電站的局域網(wǎng)以FTP形式進行通訊，圖1中調(diào)動中心通過一臺路由器與局域網(wǎng)內(nèi)的一臺文件服務器相互通信。

（2）電站局域網(wǎng)電站中的監(jiān)控電腦、遠動站、功率預測裝置、數(shù)據(jù)服務器和協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置組成一個局域網(wǎng)。因為這個網(wǎng)絡需要傳輸來自各數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)，而且服務器和監(jiān)控電腦、遠動站、調(diào)度中心之間也需要通信，通信數(shù)據(jù)量大、實時性要求高，所以一般的串口通信不能滿足它的要求。IEC 60870-5-104以TCP/IP網(wǎng)絡為傳輸介質(zhì)，能較好滿足光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求。

（3）協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置和數(shù)據(jù)終端之間的通信網(wǎng)絡。因為光伏電站中含有很多儀表和控制器，它們來自不同廠家，且他們通常使用不同的通信協(xié)議。例如電表使用DLT645協(xié)議，電能質(zhì)量檢測儀使用IEC60870-5-103協(xié)議，箱變智能監(jiān)控裝置和智能匯流箱則使用Modbus協(xié)議。單臺設備數(shù)據(jù)量相對較小，所以通信帶寬要求小。鑒于以上兩點，底層設備若要與上一級網(wǎng)絡——電站局域網(wǎng)——進行通信，需要協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置。通過協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)兩級網(wǎng)路信息的報文轉(zhuǎn)換、通訊流程匹配、物理接口轉(zhuǎn)換等。

3 IEC 60870-5-104協(xié)議轉(zhuǎn)換

IEC 60870-5-104通信網(wǎng)絡和其他通信網(wǎng)絡的信息交流，在軟件方面主要涉及以下兩方面工作：通信流程匹配，報文轉(zhuǎn)換。下面以IEC 60870-5-104的寫定值操作與Modbus協(xié)議的多寄存器寫操作為例介紹協(xié)議轉(zhuǎn)換方法。

3.1 報文結構

通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，須了解兩種通信協(xié)議的報文結構和信息交互流程。根據(jù)不同的報文對其進行相應的處理。

3.1.1 IEC 60870-5-104報文結構

圖 2和 圖 3為 IEC 60870-5-104報文結構圖[5-6]。

如圖 2所示，IEC 60870-5-104報文(APDU)包含兩部分內(nèi)容：APCI(應用控制信息)，ASDU(應用服務數(shù)據(jù)單元)，需注意的是某些報文只含APCI部分。APCI用于IEC 60870-5-104通信控制，包含報文起始符、數(shù)據(jù)長度和控制域。ASDU包含設備控制信息、控制參數(shù)、設備地址、數(shù)據(jù)長度等，它是協(xié)議轉(zhuǎn)換應當關注的重點。

圖2 IEC 60870-5-104報文結構圖

3.1.2 Modbus報文結構

Modbus報文[7]結構不固定，不同功能的Modbus報文有不同的報文結構，但它們都含有裝置地址（Slave address），功能碼（Function），循環(huán)冗余校驗碼（CRC），有的報文還含有寄存器地址（StartAddress）、寄存器個數(shù)（No.of Registers），數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)（Byte Count）， 數(shù)據(jù)（Da?ta）等。下面是RTU格式的多寄存器寫操作報文[7]結構圖。

3.1.3 報文轉(zhuǎn)換

報文轉(zhuǎn)換即根據(jù)各自的通信協(xié)議對兩種協(xié)議的報文進行轉(zhuǎn)換。報文轉(zhuǎn)換需要完成的內(nèi)容如下。

（1）報文解析

即根據(jù)通信協(xié)議規(guī)定的報文結構，解析出報文功能及其相關數(shù)據(jù)。這是協(xié)議轉(zhuǎn)換的基礎。IEC 60870-5-104報文可以參考IEC 60870-5相關文檔[5-6，11-12]來完成。下面是通過以太網(wǎng)口截取的一串IEC 60850-5-104報文：68 12 26 00 84 0F|32 01 06 00 01 01 01 62|00 00 00 40 41 00，其中68 12 26 00 84 0F是APCI部分。

圖3 ASDU結構

圖4 Modbus多寄存器寫操作報文結構圖

表1是這串報文的ASDU部分解析結果。

表1 IEC 60870-5-104“設定值“報文

（2）基本功能匹配

IEC 60870-5-104協(xié)議[5-6，8]基本功能定義包含總召、設定值命令、時鐘同步等，而Modbus協(xié)議定義的基本功能有多寄存器寫操作、多寄存器讀操作、單線圈讀操作、單線圈寫操作等[7]。兩種協(xié)議規(guī)定的基本功能是不一致的，所以需要建立一種映射表，即兩種協(xié)議基本功能的對應關系。例如IEC 60870-5-10寫設定值功能可以和Modbus多（或單）寄存器寫操作對應。

（3）地址映射

IEC 60870-5-104報文包含ASDU公共地址和信息對象地址，Modbus報文包含設備編號和寄存器地址，協(xié)議轉(zhuǎn)換過程需要對兩者建立一一映射關系。

（4）報文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

IEC 60870-5-104報文數(shù)據(jù)通常為little-Endi?an格式，Modbus報文數(shù)據(jù)通常為為big-Endian格式。IEC 60870-5-104報文數(shù)據(jù)有整形、浮點型等，Modbus報文則有ASCII和RTU兩種傳輸方式。所以協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中需要對它們進行轉(zhuǎn)換。

（5）報文重組與發(fā)送

在選擇了報文功能類型和報文數(shù)據(jù)后，需要按報文格式對其進行組合，必要時需要加入附加信息，如CRC碼、時間信息等。例：表2是“寫多寄存器”報文，此報文信息來自61870-5-104“寫定值”報文（表1）。

表2 Modbus“寫多寄存器”報文

3.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換流程

圖5是IEC 60870-5-104和Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換示意圖。

圖5 協(xié)議轉(zhuǎn)換示意圖

因為TCP報文的處理和APCI的處理主要面向網(wǎng)絡控制，限于篇幅在此不再贅述。ASDU和Modbus報文的交互是協(xié)議轉(zhuǎn)換的關鍵。

不同的通信協(xié)議有不同的通信流程，并且同一通信協(xié)議不同的功能也通常有不同的通信流程，協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置需要根據(jù)各自的通信協(xié)議，對其進行匹配。

例：電站監(jiān)控系統(tǒng)遙調(diào)功能的實現(xiàn)。

在IEC 60870-5-104協(xié)議中可以使用類型為50的報文[3]完成遙調(diào)功能，即設定值報文。在Modbus協(xié)議中，可以使用“多寄存器寫操作”執(zhí)行IEC 608970-5-104的“寫定值”指令。下面是兩種通信報文的交互流程[5-8]，假設通信鏈路都已建立，且鏈路暢通。

由圖5、6可以看出：IEC 60870-5-104報文與Modbus報文并不是一一對應的，協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置接收的報文是否需要把相關信息發(fā)給使用另一種通信協(xié)議的裝置，這需要按根據(jù)各協(xié)議的邏輯需求確定。

圖6只是一個簡單的通信交互流程圖，實際上，協(xié)議轉(zhuǎn)換設備除了含有正常的報文交互機制之外，還需要添加誤碼檢測與處理機制、線路中斷檢測與處理機制、報文交互時間匹配機制，這兩項內(nèi)容此處不再闡述，詳細要求請查看相關文獻[5-7，9-10]。

圖6 光伏監(jiān)控系統(tǒng)遙控命令的實現(xiàn)

4 小結

光伏電站通信系統(tǒng)主要涉及網(wǎng)絡拓撲結構和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。文章首先以新疆格爾木光伏電站為例，介紹了它的拓撲結構，然后以Modbus通信設備和監(jiān)控主站通信過程為例，介紹了IEC60870-5-104信協(xié)議與其他通信協(xié)議進行協(xié)議轉(zhuǎn)換方法。雖然文章只描述了IEC 60870-5-104協(xié)議中其中一個功能的實現(xiàn)過程，相信讀者可以以此為參考，得到其他功能的實現(xiàn)方法。

［1］胡明，周全林，劉鳳夙，等.變電站自動化系統(tǒng)采用IEC60870-5-103 104協(xié)議的優(yōu)勢［J］.繼電器，2003，31（5）：62-64.

［2］廖澤友，蔡運清.IEC 60870-5-103和IEC 104-5-104協(xié)議應用經(jīng)驗［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27（4）：66-68.

［3］蔡運清.IEC 870-5系列及DNP 3.0規(guī)約簡介［J］.電力系統(tǒng)自動化，1998，22（1）：49-51，74.

［4］ DL/T634-1997.遠動設備及系統(tǒng)第5部分：傳輸規(guī)約，第101篇：基本遠動任務配套標準［S］.

［5］ INTERNATIONALSTANDARD IEC60870-5-104（Telecontrol equipment and systems-Part 5-104：Transmission protocols-Network access forIEC 60870-5-101 using standard transport profiles）［S］.

［6］IEC 60870-5-104，遠動設備及系統(tǒng) （5-104部分：傳輸規(guī)約，采用標準傳輸文件集的IEC6087 0-5-101網(wǎng)絡訪問）［S］.

［7］Modicon Modbus Protocol Reference Guide（PI-MBUS -300 Rev.J）［S］.

［8］IEC-60870-5-5遠動設備及系統(tǒng)，第5部分：傳輸規(guī)約，第5篇：基本應用功能［S］.

［9］IEC-60870-5-3遠動設備及系統(tǒng)，第5部分：傳輸規(guī)約，第1篇：傳輸幀格式［S］.

［10］IEC-60870-5-2遠動設備及系統(tǒng)，第5部分：傳輸規(guī)約，第1篇：鏈路傳輸規(guī)則［S］.

［11］IEC-60870-5-3遠動設備及系統(tǒng)，第5部分：傳輸規(guī)約，第3篇：應用數(shù)據(jù)的一般結構［S］.

［12］IEC-60870-5-4遠動設備及系統(tǒng)，第5部分：傳輸規(guī)約，第4篇：應用數(shù)據(jù)的定義和編碼）［S］.

Application of IEC 60870-5-104 Protocol in Photovoltaic Power Plants

TAO Xue-jun，XU Feng-you，WANG Yan-ling
（XJ Group Corporation，Xuchang461000，China）

To match the demand of stability and standard about photovoltaic power plants that develop rapidly，the essay introduced the application of IEC 60870-5-104 protocol in photovoltaic power plants.First，the architecture of network in photovoltaic power plants was described briefly.Then，protocol conversion between IEC 60870-5-104 and other protocols was detailed.

IEC 60870-5-104；protocol conversion；photovoltaic power plant

TM615

A

1009－9492(2014)03－0040－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.012

陶學軍，男，1971年生，內(nèi)蒙古通遼人，碩士，工程師。研究領域：電氣控制。

(編輯：阮 毅)

2013－09－09