104規(guī)約在調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬曉紅，管 荑，林祺蓉

（1．山東電力調(diào)度中心，山東 濟(jì)南 250001；2．濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012）

0 引言

電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化是用來監(jiān)控整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的，使調(diào)度人員可統(tǒng)觀全局，運(yùn)籌全網(wǎng)，有效地指揮電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是調(diào)度現(xiàn)代電網(wǎng)的重要手段。電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著不可或缺的作用。到目前為止，電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)歷了4代?？偨Y(jié)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展歷程，每一次升級(jí)換代無不伴隨著信息技術(shù)的日新月異，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等的飛速發(fā)展和電力市場(chǎng)的要求以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的成熟完善，調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)正在朝著數(shù)字化、集成化、網(wǎng)格化、標(biāo)準(zhǔn)化、市場(chǎng)化、智能化的方向發(fā)展［1］。

隨著計(jì)算機(jī)，網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行的信息傳輸要求也在不斷提高，信息傳輸方式已逐步走向數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。為此國(guó)際電工委員會(huì)電力系統(tǒng)控制及其通信技術(shù)委員會(huì)（IECTC57）根據(jù)形勢(shì)發(fā)展的要求制定調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)和引導(dǎo)電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，規(guī)范調(diào)度自動(dòng)化及遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備的技術(shù)性能。

IEC60870-5-104傳輸規(guī)約是在IEC101規(guī)約基礎(chǔ)上，采用專用INTERNET網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)度通信的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，替代了傳統(tǒng)的串口通信機(jī)制。本文將討論如何在電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中采用IEC60870-5-104傳輸規(guī)約來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化。

1 IEC60870-5-104規(guī)約簡(jiǎn)介

IEC60870-5系列通信協(xié)議體系是國(guó)際電工委員會(huì)第57技術(shù)委員會(huì)第3工作組 （IEC TC57 WG 03）于1990年開始制訂的用于變電站遠(yuǎn)動(dòng)通信的協(xié)議體系，即“遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備和系統(tǒng)”的第5部分：傳輸規(guī)約。IEC WG03定義的遠(yuǎn)動(dòng)通信協(xié)議分為以下2層：鏈路層，由 IEC60870-5-1和IEC60870-5-2描述；應(yīng)用層，基礎(chǔ)部分由IEC60870-5-3、IEC60870-5-4、IEC60870-5-5 描述。IEC60870-5系列規(guī)約只采用了OSI 7層模型中的物理層、鏈路層和應(yīng)用層，網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層都為空層，其應(yīng)用層直接映射到鏈路層。IEC60870-5系列協(xié)議根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域定義了一系列配套標(biāo)準(zhǔn)：IEC60870-5-101 用于常規(guī)遠(yuǎn)動(dòng)［2］；IEC60870-5-102用于電能計(jì)量信息的接入；IEC60870-5-103用于繼電保護(hù)信號(hào)接入。我國(guó)已于1998年結(jié)合我國(guó)國(guó)情非等效采用 IEC60870-5-101制定了電力行業(yè)遠(yuǎn)動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)DL/T634-1997《基本遠(yuǎn)動(dòng)任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)》；在2002年則與國(guó)際進(jìn)一步接軌，等同采用了IEC60870-5-101作為我國(guó)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在我國(guó)的行標(biāo)號(hào)為DL/T 634.5101-2002。60870-5系列規(guī)約在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到一定程度的推廣，并逐步取代原先部頒CDT規(guī)約的地位。

IEC TC57在IEC60870-5-101的基礎(chǔ)上，又制定了IEC60870-5-104—利用標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議子集IEC60870-5-101的網(wǎng)絡(luò)訪問，它是目前唯一可供選擇的網(wǎng)絡(luò)訪問協(xié)議。

IEC60870-5-104 規(guī)約簡(jiǎn)稱 104 規(guī)約［3］，適用于具有串行比特?cái)?shù)據(jù)編碼傳輸?shù)倪h(yuǎn)動(dòng)設(shè)備和系統(tǒng)，用以對(duì)地理廣域過程的監(jiān)視和控制。制定遠(yuǎn)動(dòng)配套標(biāo)準(zhǔn)的目的是使兼容的遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備之間達(dá)到互操作。104規(guī)約利用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60870-5的系列文件，規(guī)定了IEC60870-5-101的應(yīng)用層與TCP/IP提供的傳輸功能的結(jié)合。

104規(guī)約是通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接的遠(yuǎn)動(dòng)站之間傳輸相同的信息，這個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上含有轉(zhuǎn)發(fā)站，可以存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)信息，并在遠(yuǎn)動(dòng)站之間提供虛電路。這種網(wǎng)絡(luò)使用TCP/IP協(xié)議，可以運(yùn)用不同的網(wǎng)絡(luò)類型，包括 X.25、FR（幀中繼）、ATM（異步傳輸模式）和ISDN（綜合服務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)），它的傳輸延時(shí)取決于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，基本可以以幾毫秒來計(jì)算，由于綜合自動(dòng)化站采樣系統(tǒng)的限制是完全可以忽略不記的。

104規(guī)約改變了電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)中傳統(tǒng)的利用串口通訊機(jī)制進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，取而代之的是利用INTERNET技術(shù)進(jìn)行調(diào)度。相比于以前的遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)，更加靈活、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。

2 104規(guī)約的組成

2.1 104規(guī)約一般體系結(jié)構(gòu)

104規(guī)約定義了開放的TCP/IP接口的使用，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)包含例如傳輸IEC60870-5-101 ASDU的遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備的局域網(wǎng)。包含不同廣域網(wǎng)類型 （如：X.25、幀中繼、ISDN等）的路由器可通過公共的TCP/IP-局域網(wǎng)接口互聯(lián)，圖1所示為一個(gè)冗余的主站配置與一個(gè)非冗余的主站配置。

圖1 一般體系結(jié)構(gòu)

使用單獨(dú)的路由器優(yōu)點(diǎn)：終端系統(tǒng)無需網(wǎng)絡(luò)特定軟件；終端系統(tǒng)無需路由功能；終端系統(tǒng)無需網(wǎng)絡(luò)管理；便于從遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備專業(yè)制造商處得到終端系統(tǒng)；便于從非專業(yè)遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備制造商處獲得適用于各種網(wǎng)絡(luò)的路由器；改變網(wǎng)絡(luò)類型僅僅需要改變路由器類型，不會(huì)影響終端系統(tǒng)。

特別適合于轉(zhuǎn)換原已存在的支持IEC60870-5-101的終端系統(tǒng)。

2.2 104規(guī)約結(jié)構(gòu)

表1為終端系統(tǒng)的規(guī)約結(jié)構(gòu)。

表1 所定義的遠(yuǎn)動(dòng)配套標(biāo)準(zhǔn)所選擇的標(biāo)準(zhǔn)版本

表2所示為104規(guī)約推薦使用的TCP/IP協(xié)議子集（RFC2200），傳輸層接口（用戶到TCP的接口）。

表2 所選擇的TCP/IP協(xié)議集RFC 2200的標(biāo)準(zhǔn)版本

由表1可見，104規(guī)約使用的參考模型源出于開放式系統(tǒng)互聯(lián)的ISO-OSI參考模型，但只采用其中的5層。104規(guī)約實(shí)際上是將101規(guī)約與TCP/IP提供的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能相組合，使得IEC60870-5-101在TCP/IP內(nèi)各種網(wǎng)絡(luò)類型都可使用，包括X.25、FR、ATM和ISDN。在5層參考模型中，104規(guī)約實(shí)際上處于應(yīng)用層協(xié)議的位置；基于TCP/IP的應(yīng)用層協(xié)議很多，每一種應(yīng)用層協(xié)議都對(duì)應(yīng)著一個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)，根據(jù)其在傳輸層上使用的是TCP協(xié)議（傳輸控制協(xié)議）還是UDP協(xié)議（用戶數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議），端口號(hào)又分為TCP端口號(hào)和UDP端口號(hào)，其中TCP協(xié)議是一種面向連接的協(xié)議，為用戶提供可靠的、全雙工的字節(jié)流服務(wù)，具有確認(rèn)、流控制、多路復(fù)用和同步等功能，適用于數(shù)據(jù)傳輸，而UDP協(xié)議則是無連接的，每個(gè)分組都攜帶完整的目的地址，各分組在系統(tǒng)中獨(dú)立地從數(shù)據(jù)源走到終點(diǎn)，它不保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，也不提供重新排列次序或重新請(qǐng)求功能，為了保證可靠地傳輸遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)，104規(guī)約規(guī)定傳輸層使用的是TCP協(xié)議，因此其對(duì)應(yīng)的端口號(hào)是TCP端口，使用的端口號(hào)為2404，并且此端口號(hào)已經(jīng)得到IANA（互聯(lián)網(wǎng)地址分配機(jī)構(gòu)）的確認(rèn)。對(duì)于基于TCP的應(yīng)用程序來說，存在兩種工作模式，即服務(wù)器模式和客戶機(jī)模式。服務(wù)器模式和客戶機(jī)模式的區(qū)別是，在建立TCP連接時(shí)，服務(wù)器從不主動(dòng)發(fā)起連接請(qǐng)求，它一直處于偵聽狀態(tài)，當(dāng)偵聽到來自客戶機(jī)的連接請(qǐng)求后，則接受此請(qǐng)求，由此建立一個(gè)TCP連接，服務(wù)器和客戶機(jī)就可以通過這個(gè)虛擬的通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。104規(guī)約規(guī)定控制站（即調(diào)度系統(tǒng)）作為客戶機(jī)，而被控站（即站端RTU）作為服務(wù)器。

2.3 104規(guī)約報(bào)文格式定義

傳輸接口（TCP到用戶）是一個(gè)定向流接口，它沒有為IEC60870-5-101中的ASDU定義任何啟動(dòng)或者停止機(jī)制。為了檢出ASDU的啟動(dòng)和結(jié)束，每個(gè)APCI包括下列的定界元素：一個(gè)啟動(dòng)字符，ASDU的規(guī)定長(zhǎng)度，以及控制域（圖2）。可以傳送一個(gè)完整的APDU（或者，出于控制目的，僅僅是APCI域也是可以被傳送的，圖3所示。

圖2 遠(yuǎn)動(dòng)配套標(biāo)準(zhǔn)的APDU定義

APCI應(yīng)用規(guī)約控制信息；ASDU應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元；APDU應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元；啟動(dòng)字符68H定義了數(shù)據(jù)流中的起點(diǎn)。

圖3 遠(yuǎn)動(dòng)配套標(biāo)準(zhǔn)的APCI定義

APDU的長(zhǎng)度域定義了APDU體的長(zhǎng)度，它包括APCI的4個(gè)控制域八位位組和ASDU。第一個(gè)被計(jì)數(shù)的八位位組是控制域的第一個(gè)八位位組，最后一個(gè)被計(jì)數(shù)的八位位組是ASDU的最后一個(gè)八位位組。ASDU的最大長(zhǎng)度限制在249以內(nèi)，因?yàn)锳PDU域的最大長(zhǎng)度是253（APDU最大值=255減去啟動(dòng)和長(zhǎng)度八位位組），控制域的長(zhǎng)度是4個(gè)八位位組。

控制域定義了保護(hù)報(bào)文不至丟失和重復(fù)傳送的控制信息，報(bào)文傳輸啟動(dòng)/停止，以及傳輸連接的監(jiān)視等。

圖4、圖5、圖6為控制域的定義。三種類型的控制域格式用于編號(hào)的信息傳輸（I格式），編號(hào)的監(jiān)視功能（S格式）和未編號(hào)的控制功能（U格式）。

控制域第一個(gè)八位位組的第一位比特=0定義了I格式，I格式的APDU常常包含一個(gè)ASDU。I格式的控制信息如圖4所示。

圖4 信息傳輸格式類型（I格式）的控制域

控制域第一個(gè)八位位組的第一位比特=1并且第二位比特=0定義了S格式。S格式的APDU只包括APCI。S格式的控制信息如圖5所示。

圖5 編號(hào)的監(jiān)視功能類型（S格式）的控制域

控制域第一個(gè)八位位組的第一位比特=1并且第二位比特=1定義了U格式。U格式的APDU只包括APCI。U格式的控制信息如圖6所示。在同一時(shí)刻，TESTFR，STOPDT或 STARTDT中只有一個(gè)功能可以被激活。

圖6 未編號(hào)的控制功能類型（U格式 ）的控制域

3 104規(guī)約實(shí)施網(wǎng)絡(luò)訪問主要功能

安全傳輸功能：利用I格式，U格式報(bào)文實(shí)現(xiàn)防止報(bào)文丟失和報(bào)文重復(fù)傳輸；

實(shí)時(shí)傳輸功能：傳輸功能和IEC101規(guī)約所實(shí)現(xiàn)的類似，不過在IEC60870-5-104中不召喚1級(jí)、2級(jí)數(shù)據(jù)，子站主要通過定時(shí)發(fā)送全數(shù)據(jù)；

測(cè)試功能：利用U格式報(bào)文建立主站和子站的測(cè)試握手信號(hào)；

啟停功能：利用U格式報(bào)文建立啟/停傳輸控制機(jī)制；

故障續(xù)傳功能：鏈路故障后采用的新的鏈路實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)傳，搜尋鏈路故障時(shí)段內(nèi)發(fā)電生產(chǎn)的歷史信息；

校時(shí)功能：由于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)間不確定性，子站段采用GPS校時(shí)；

多線程功能：多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)子站端口并行實(shí)時(shí)采訪。

4 規(guī)約實(shí)現(xiàn)方案

4.1 規(guī)約應(yīng)用

應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元由數(shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)符和一個(gè)或多個(gè)信息對(duì)象所組成。數(shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)符在所有應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元中常有相同的結(jié)構(gòu)，一個(gè)應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元中的信息對(duì)象常有相同的結(jié)構(gòu)和類型，它們由類型標(biāo)識(shí)域所定義。數(shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)符的結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)符的結(jié)構(gòu)

在監(jiān)視方向需要實(shí)現(xiàn)的ASDU：

<1>：=單點(diǎn)信息

M_SP_NA_1（傳送YX信息）

<30>：=帶時(shí)標(biāo)的單點(diǎn)信息

M_SP_TA_1 （傳送SOE信息）

<21>：=不帶品質(zhì)描述的規(guī)一化測(cè)量值

M_ME_ND_1（傳送YC信息）

在控制方向需要實(shí)現(xiàn)的ASDU：

CON<46>：=雙點(diǎn)命令

C_DC_NA_1（遙控）

CON<47>：=升降命令

C_RC_NA_1（遙調(diào)）

在應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元中，其數(shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)符的第二個(gè)八位位組定義為可變結(jié)構(gòu)限定詞，如圖7所示。

圖7 可變結(jié)構(gòu)限定詞

SQ：＝0由信息對(duì)象地址尋址的單個(gè)信息元素或綜合信息元素。應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元可以由一

個(gè)或者多個(gè)同類的信息對(duì)象所組成。

SQ：＝1同類的信息元素序列（即同一種格式測(cè)量值）由信息對(duì)象地址來尋址。信息對(duì)象地址是順序信息元素的第一個(gè)信息元素的地址。后續(xù)信息元素的地址是從這個(gè)地址起順序加1。

在應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元中，其數(shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)符的第三個(gè)八位位組定義為傳送原因，如圖8所示。

圖8傳送原因域

如果采用了源發(fā)者地址，定義如下：

<0>：＝缺省

用來定義過程信息當(dāng)作返回信息、事件等，它們必須傳輸?shù)椒植枷到y(tǒng)的所有部分。

<1..255>此值域用于尋址系統(tǒng)的特定部分，在鏡像方向上向系統(tǒng)這些特定部分返回相應(yīng)的信息。

在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，系統(tǒng)的各部分可以是啟動(dòng)站總召喚、請(qǐng)求累計(jì)總量、命令等的信息源。返回的信息僅對(duì)啟動(dòng)請(qǐng)求或命令的源是重要的。在這些系統(tǒng)中信息源將在控制方向設(shè)置應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元的源發(fā)者地址。在被控站將在監(jiān)視方向的響應(yīng)中回應(yīng)這個(gè)源發(fā)者地址。

4.2 應(yīng)用104規(guī)約的過程描述

當(dāng)主站軟件重新啟動(dòng)或鏈路故障時(shí)，主站將向子站發(fā)出建立鏈路請(qǐng)求報(bào)文。

當(dāng)鏈路建立后，進(jìn)行應(yīng)用數(shù)據(jù)傳送。

目前傳送的上行過程數(shù)據(jù)有全遙測(cè)、全遙信、變位遙測(cè)和變位遙信報(bào)文。

目前傳送的下行控制命令有總召喚、遙控、遙調(diào)和時(shí)鐘同步命令。

4.3 報(bào)文解析

報(bào)文解析舉例：

68 8D 00 00 00 00 15 C0 14 00 01 00 01 40 00

00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 50 10 00 00 10 11 A2 EF 60 F9 68 89 8D 02 00 00 7A 02 8F 01 F3 01 D8 3A 00 00 00 00 00 00 BD 0B B7 07 56 F6 3D 28 93 28 50 28 72 D5 00 00 00 00 00 00 00 00 EA 28 C6 29 E0 28 5B D4 D0 23 43 24 E3 23 E3 D9 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

第1個(gè)字節(jié)68，啟動(dòng)字符；

第2個(gè)字節(jié)8D，報(bào)文長(zhǎng)度；

第3至6個(gè)字節(jié)，控制域，全0表示信息傳輸；

第7個(gè)字節(jié)：類型標(biāo)識(shí)：15H=21，是不帶品質(zhì)碼的測(cè)量值；

第8個(gè)字節(jié)：可變結(jié)構(gòu)限定詞，C0H：表示信息體有順序，后面有40H=64個(gè)遙測(cè)；

第 9至10個(gè)字節(jié)，傳送原因，14H=20，響應(yīng)全召喚；

第11至12個(gè)字節(jié)，ASDU地址01 00；

第13至15個(gè)字節(jié)，信息字地址，先送低位，后送高位01 40 00=4001H；

后面每?jī)蓚€(gè)字節(jié)表示一個(gè)遙測(cè)，共128個(gè)字節(jié)，64個(gè)遙測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

研究了調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中，遠(yuǎn)動(dòng)子系統(tǒng)采用IEC60870-5-104傳輸規(guī)約通過Internet網(wǎng)絡(luò)訪問進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。這種方式改變了電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)中僅利用傳統(tǒng)的串口通訊機(jī)制進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)默F(xiàn)狀，而是充分利用了Internet技術(shù)進(jìn)行調(diào)度。與以前的遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)相比，更加可靠、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，逐步實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動(dòng)化信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)化，最終形成以網(wǎng)絡(luò)通道為主、專線通道為輔的調(diào)度自動(dòng)化信息傳輸模式［4］。