IEC60870-5-104通訊協(xié)議在核電廠工程的應(yīng)用

王 強(qiáng)，汪富強(qiáng)，夏豐元

（中廣核工程有限公司，廣東深圳，518124）

0 引言

陽江核電廠DCS采用MACS6儀控系統(tǒng)，由利時(shí)公司供貨；500KV開關(guān)站及其配電裝置的控制設(shè)備采用微機(jī)網(wǎng)控系統(tǒng)（NCS），由南瑞繼保公司供貨。

陽江核電廠采用了先進(jìn)的控制室設(shè)計(jì)理念，所以主控制室只放置DCS的操作員站。主開關(guān)站500KV超高壓配電裝置按“一臺(tái)半斷路器接線”原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，其就地控制室設(shè)在開關(guān)站電氣綜合樓（TB）。500KV所有開關(guān)設(shè)備，設(shè)計(jì)上要求在正常情況下必須提供兩種控制操作手段：主控制室或TB樓控制室。

為了達(dá)到在主控制室對(duì)500KV相關(guān)設(shè)備進(jìn)行操作和監(jiān)視，因此需要在DCS與NCS之間進(jìn)行快速可靠的信號(hào)交換。參考核電廠遼寧紅沿河電廠對(duì)于上述需要交換的信號(hào)均采用硬接線方式，由于DCS與NCS相距較遠(yuǎn)約1.5KM，所以導(dǎo)致需布置大量電纜進(jìn)行信號(hào)傳遞，經(jīng)過對(duì)比分析和設(shè)計(jì)論證后，陽江核電廠決定采用硬接線和網(wǎng)關(guān)通訊兩種方式對(duì)DCS與NCS進(jìn)行信號(hào)傳遞：

硬件線信號(hào)傳遞主要用于對(duì)可靠性、響應(yīng)時(shí)間嚴(yán)格要求的控制信號(hào)，如500KV開關(guān)站斷路器合閘指令。

網(wǎng)絡(luò)通訊信號(hào)傳遞為DCS與NCS大多信號(hào)采用的方式，如模擬量采集（AI）、狀態(tài)量采集（DI）以及對(duì)于可靠性要求不高且響應(yīng)時(shí)間滿足要求的控制信號(hào)，如500KV開關(guān)站斷路器分閘指令。

IEC60870-5-104通訊協(xié)議在國內(nèi)電力行業(yè)應(yīng)用較為成熟，特別是電力系統(tǒng)及其電網(wǎng)調(diào)度，如與IEC60870-5-104相對(duì)應(yīng)的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為DLT 634.5104-2002 遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng)。陽江核電廠采用IEC60870-5-104通訊協(xié)議進(jìn)行DCS與NCS通訊卻為CPR1000核電廠首次用于DCS與電氣系統(tǒng)間通訊方案，所以，本文著重介紹該通訊方案的實(shí)踐，進(jìn)而論證該方案的正確性。

1 DCS與NCS通訊方案實(shí)施

1.1 DCS與NCS通訊總體結(jié)構(gòu)

陽江核電廠，綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)通訊可靠性，數(shù)據(jù)傳輸速率及實(shí)時(shí)性需求，基于IEC60870-5-104協(xié)議，DCS與TGC之間的通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1。

DCS側(cè)設(shè)備主要包括：兩臺(tái)光電轉(zhuǎn)換器；IEC60870-5-104通訊冗余網(wǎng)關(guān)COMA和COMB；網(wǎng)關(guān)的外部接口RJ45通過雙絞線連接到光電轉(zhuǎn)換器上，光電轉(zhuǎn)換器通過多模光纜連接到NCS側(cè)對(duì)應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器上，上述設(shè)放在核島廠房電氣房間的DCS機(jī)柜中。網(wǎng)關(guān)通過工業(yè)以太網(wǎng)接口連接到DCS的控制網(wǎng)絡(luò)（A網(wǎng)和B網(wǎng)），經(jīng)過控制網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)可以與DCS的IO服務(wù)器、計(jì)算服務(wù)器、歷史服務(wù)器、主控制室操作員站以及控制處理器NM203進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

NCS側(cè)設(shè)備主要包括兩臺(tái)RCS-9698G通訊設(shè)備，每臺(tái)RCS-9698G設(shè)備單網(wǎng)對(duì)DCS通訊，通訊設(shè)備放在500KV開關(guān)站TB樓NCS機(jī)柜中。

從圖1可以看出，DCS與NCS均采用雙機(jī)冗余配置，互為熱備用，冗余功能是由DCS來管理。在兩條通信鏈路上，數(shù)據(jù)的收發(fā)同時(shí)進(jìn)行，即COMA 到 9698G-A網(wǎng)關(guān)，COM-B到9698G-B網(wǎng)關(guān)。DCS側(cè)為主站，NCS為子站，每次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前的連接建立，總是由主站發(fā)起，子站只是被動(dòng)地接收請(qǐng)求并作出響應(yīng)。

1.2 DCS與NCS通訊協(xié)議類型標(biāo)識(shí)

根據(jù)陽江核電廠DCS與NCS通訊清單，包括遙信、遙測(cè)以及遙控三種類型信號(hào)，共計(jì)約375個(gè)信號(hào)。根據(jù)IEC60870-5-104規(guī)約，經(jīng)過多方技術(shù)澄清和確認(rèn)后，采用表1信號(hào)類型標(biāo)識(shí)以及地址區(qū)間。

表1 基于IEC104協(xié)議DCS與NC S通訊類型標(biāo)識(shí)、地址及數(shù)量

遙信信號(hào)為NCS端采集或計(jì)算產(chǎn)生的各種狀態(tài)量信號(hào)，如斷路器、隔離開關(guān)的分閘和合閘狀態(tài)，其類型標(biāo)識(shí)為01，表示不帶時(shí)標(biāo)的單點(diǎn)遙信，每個(gè)遙信占1個(gè)字節(jié)；遙測(cè)信號(hào)為NCS端采集或計(jì)算產(chǎn)生的各種模擬量信號(hào)，如500KV側(cè)有功功率、無功功率、電流、電壓等，其類型標(biāo)識(shí)為13,表示帶品質(zhì)描述的浮點(diǎn)值，每個(gè)遙測(cè)值占5個(gè)字節(jié)。上述遙信和遙測(cè)信號(hào)均是NCS送往DCS，需要將這些狀態(tài)量、模擬量信號(hào)送DCS相關(guān)畫面實(shí)時(shí)顯示或服務(wù)器進(jìn)行歷史存檔。

圖1 DCS與NCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖拓?fù)鋱D

遙控信號(hào)主要DCS操作指令通過通訊送到NCS動(dòng)作相關(guān)電氣設(shè)備，如斷路器分閘指令，主要是在主控制室提供一種緊急操作電氣設(shè)備一種手段，其類型標(biāo)識(shí)為45，表示單點(diǎn)遙控。

1.3 DCS與NCS通訊參數(shù)約定

為了監(jiān)視和處理通訊故障通訊，根據(jù)IEC60870-5-104對(duì)下表2參數(shù)進(jìn)行定義并選值。

表2 該通訊中使用的IEC60870-5-104參數(shù)定義及選值

1.4 DCS與NCS通訊時(shí)鐘同步

DCS與NCS通訊時(shí)鐘同步，可以采有兩種方式：

采用IEC60870-5-104提供的時(shí)間同步指令，其類型標(biāo)識(shí)為103；

TGC和DCS都接收全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS同步時(shí)間信號(hào)進(jìn)行同步。

考慮到IEC60870-5-104協(xié)議提供的時(shí)鐘同步精度不高，同時(shí)，陽江核電廠存在全廠通訊系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱DTV)，接收GPS同步時(shí)間信號(hào)，可以對(duì)全廠其它帶有校時(shí)功能的系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確校時(shí)，所以，采用第2種方法進(jìn)行時(shí)鐘同步。

1.5 DCS與NCS對(duì)IEC60870-5-104通訊協(xié)議應(yīng)用

IEC60870-5-104協(xié)議名稱為“采用標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議子集的IEC60870-5-101的網(wǎng)絡(luò)訪問”，此協(xié)議是將IEC60870-5-101標(biāo)準(zhǔn)用于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)主站與子站連接到以太數(shù)據(jù)網(wǎng)，子站與主站通信時(shí)，通信規(guī)約則應(yīng)采用IEC60870-5-104標(biāo)準(zhǔn)。

IEC60870-5-104采用了ISO-OSI模型中的五層，見表3，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層IP、傳輸控制層TCP和應(yīng)用層，相比之下，IEC60870-5-101只采用了ISO-OSI模型中的三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。

圖2 IEC60870-5-104通訊協(xié)議的APDU

從表3可以看出，IEC60870-5-104僅僅規(guī)定了應(yīng)用層，其他四層完全采用TCP/IP協(xié)議模型。

IEC60870-5-104應(yīng)用層報(bào)文叫做應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元APDU，見圖2,通常稱之為幀。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。

IEC60870-5-104協(xié)議的APDU分為三類：I格式、S格式和U格式。

I格式APDU稱為信息APDU，長度一定大于6個(gè)字節(jié)，被稱作長幀，用于傳輸數(shù)據(jù)；

S格式APDU稱為確認(rèn)APDU，長度只有6個(gè)字節(jié)，被稱作短幀，用于確認(rèn)接收的I格式APDU；

U格式APDU稱為控制APDU，長度只有6個(gè)字節(jié)，也被稱作短幀，用于控制啟動(dòng)/停止/測(cè)試。

長幀報(bào)文分為APCI和ASDU兩個(gè)部分，而短幀報(bào)文只有APCI部分。APCI的6個(gè)字節(jié)是這樣構(gòu)成的：

起動(dòng)字符68H，1個(gè)字節(jié)；

后面的報(bào)文長度，1個(gè)字節(jié)(最大253)；

控制域位組，4個(gè)字節(jié)。

I格式APDU的4字節(jié)控制域位組規(guī)定為：字節(jié)1和字節(jié)2為發(fā)送序號(hào)，字節(jié)3和字節(jié)4為接收序號(hào)。需注意兩點(diǎn)：

由于字節(jié)1和字節(jié)3的最低位固定為0，不用于構(gòu)成序號(hào)，所以在計(jì)算序號(hào)時(shí)，要先轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)值，再除以2；

由于低位字節(jié)在前、高位字節(jié)在后，所以計(jì)算時(shí)要先做顛倒。

S格式APDU的字節(jié)1固定為01H，字節(jié)2固定為00H，字節(jié)3和字節(jié)4為接收序號(hào)。計(jì)算時(shí)仍要注意以上兩點(diǎn)。

U格式APDU的字節(jié)2、3、4均固定為00H，字節(jié)1包含TESTFR，STARTDT和STOPDT三種功能，同時(shí)只能激活其中的一種功能。啟動(dòng) (STARTDT)和停止(STOPDT)都是由主站發(fā)起的，先由主站發(fā)送生效報(bào)文，子站隨后確認(rèn)。而主站和子站都可發(fā)送測(cè)試(TESTFR)報(bào)文，由另一方確認(rèn)。 下面是六種可能的U格式APDU幀：

STARTDT：68 04 07 00 00 00(生效)； 68 04 0B 00 00 00(確認(rèn))

表3 IEC60870-5-104通訊協(xié)議的模型

表4 遙信信號(hào)報(bào)文分析表

表5 遙測(cè)信號(hào)報(bào)文分析表

表6 地址4001H遙測(cè)信號(hào)值變化主動(dòng)上送

表7 遙控信號(hào)報(bào)文分析表

STOPDT ：68 04 13 00 00 00(生效)； 68 04 23 00 00 00(確認(rèn))

TESTFR ：68 04 43 00 00 00(生效)； 68 04 83 00 00 00(確認(rèn))

只有I格式APDU才有ASDU部分。ASDU是由數(shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)符和信息體兩部分構(gòu)成的。

1）數(shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)符包括：

類型標(biāo)識(shí)，1個(gè)字節(jié)；

可變結(jié)構(gòu)限定詞，1個(gè)字節(jié)；傳送原因，2個(gè)字節(jié)；

ASDU公共地址，2個(gè)字節(jié)。2）信息體包括：

信息對(duì)象地址，3個(gè)字節(jié)；信息元素集，若干字節(jié)；時(shí)標(biāo)，7個(gè)字節(jié)(可選)。

可變結(jié)構(gòu)限定詞是ASDU的第二個(gè)字節(jié)，其最高位等于0表示后續(xù)的信息體的地址是不連續(xù)的，等于1表示后續(xù)的信息體的地址是連續(xù)的。其余7位表示信息體的數(shù)量。

1.6 DCS與NCS通訊實(shí)施

DCS與NCS通訊實(shí)施包括：

DCS側(cè)網(wǎng)關(guān)與其主控制系統(tǒng)之間的集成，包括硬件、驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用程序。

NCS側(cè)網(wǎng)關(guān)與其主控制系統(tǒng)之間的集成，包括硬件、驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用程序。

DCS網(wǎng)關(guān)與NCS網(wǎng)關(guān)之間硬件鏈路的建立，包括網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的選型、鋪設(shè)等。

針對(duì)控制任務(wù)的設(shè)計(jì)組態(tài)，這主要根據(jù)上游500KV開關(guān)站電氣設(shè)計(jì)提供的邏輯圖、模擬圖及IO清單來進(jìn)行雙方各自的組態(tài)和配置。

2 DCS與NCS通訊方案試驗(yàn)驗(yàn)證

利用DCS側(cè)COM網(wǎng)關(guān)對(duì)DCS與NCS通訊報(bào)文具有記錄及存檔功能，在陽江核電廠現(xiàn)場(chǎng)完成DCS與NCS相關(guān)設(shè)備安裝后，通過提取COM網(wǎng)關(guān)報(bào)文、DCS主控制室操作站和確認(rèn)500KV開關(guān)站設(shè)備狀態(tài)對(duì)DCS與NCS通訊功能進(jìn)行如下試驗(yàn)。

首次握手（U幀）

發(fā)送-＞激活傳輸啟動(dòng)：68（啟動(dòng)符）04（長度）07（控制域）00 00 00

接收-＞確認(rèn)激活傳輸啟動(dòng)：68（啟動(dòng)符）04（長度）0B（控制域）00 00 00

總召喚（I幀）

a),發(fā)送 -＞總召喚：68（啟動(dòng)符）0E（長度）00 00（發(fā)送序號(hào)）00 00（接收序號(hào)）64（類型標(biāo)示）01（可變結(jié)構(gòu)限定詞）06 00（傳輸原因）01 00（公共地址即 RTU 地址）00 00 00（信息體地址）14（總召喚）。

b),接收 -＞總召喚：68（啟動(dòng)符）0E（長度）00 00（發(fā)送序號(hào)）00 00（接收序號(hào)）64（類型標(biāo)示）01（可變結(jié)構(gòu)限定詞）07 00（傳輸原因）01 00（公共地址即 RTU 地址）00 00 00（信息體地址）14（總召喚）。

c),遙信信號(hào)傳遞

通過對(duì)NCS側(cè)311個(gè)遙信信號(hào)強(qiáng)制，然后在DCS主控制室工程師站檢查上述遙信信號(hào)均正確傳遞。同時(shí)，通過提取COM網(wǎng)關(guān)報(bào)文分析遙信分與NCS側(cè)強(qiáng)制信號(hào)值一致，見下表4。

d),遙測(cè)信號(hào)傳遞

通過對(duì)NCS側(cè)52個(gè)遙測(cè)信號(hào)強(qiáng)制，然后在DCS主控制室工程師站檢查上述遙測(cè)信號(hào)均正確傳遞。同時(shí)，通過提取COM網(wǎng)關(guān)報(bào)文分析遙測(cè)值與NCS側(cè)強(qiáng)制信號(hào)值一致，見下表5。

e),接收→結(jié)束總召喚幀: 68（啟動(dòng)符）0E（長度）08 00（發(fā)送序號(hào)）02 00（接收序號(hào)）64（類型標(biāo)示）01（可變結(jié)構(gòu)限定詞）0A 00（傳輸原因）01 00（公共地址）00 00 00（信息體地址）14（總召喚）。

如果遙信、遙測(cè)信號(hào)有變化數(shù)據(jù)主動(dòng)上送，見表6。

如果主站超過一定時(shí)間沒有下發(fā)報(bào)文或RTU也沒有上送任何報(bào)文則雙方都可以按頻率發(fā)送U幀（測(cè)試幀）。

發(fā)送→U幀 ：68 04 43 00 00 00

接收→應(yīng)答 ：68 04 83 00 00 00

遙控

通過DCS主控制室畫面軟手操按鈕發(fā)送斷路器分閘指令，確認(rèn)500KV開關(guān)站相關(guān)斷路器動(dòng)作到分閘位置，提取報(bào)文如下表7：

通過上述對(duì)點(diǎn)檢查以及報(bào)文分析，從而驗(yàn)證了DCS與NCS通訊信號(hào)傳遞正確性。

3 DCS與NCS通訊方案優(yōu)化建議

在對(duì)DCS與NCS通訊試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)DCS側(cè)操作員站發(fā)現(xiàn)遙信時(shí)標(biāo)信息均為DCS側(cè)COM網(wǎng)關(guān)處理后所提供的時(shí)間，而非NCS側(cè)相應(yīng)遙信信號(hào)動(dòng)作的真實(shí)時(shí)間，兩者時(shí)標(biāo)相差時(shí)間介于數(shù)百毫秒到一秒內(nèi)。

遙信信號(hào)一般為500KV開關(guān)站及其配電裝置的狀態(tài)信號(hào)，為了更準(zhǔn)確地對(duì)核電廠事件進(jìn)行分析以及借助IEC104協(xié)議本身具備確認(rèn)主動(dòng)上報(bào)SOE功能，通過對(duì)DCS和NCS廠家進(jìn)行通訊約定達(dá)到對(duì)上述遙信信號(hào)主動(dòng)上報(bào)，從而為核電廠通過通訊方式獲取與硬接線方式近乎一致的信號(hào)時(shí)標(biāo)。

4 結(jié)語

通過上述分析，基于MELTAC平臺(tái)的RPS T2邏輯處理試驗(yàn)滿足IEC60671-2007相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。通過在已成功商運(yùn)的紅沿河核電站一號(hào)機(jī)組的執(zhí)行經(jīng)驗(yàn)反饋，達(dá)到了電站設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)的要求，滿足了電站日常運(yùn)行和維護(hù)對(duì)RPS定期試驗(yàn)的需求。同時(shí)，RPS T2試驗(yàn)方案的正確性分析結(jié)果對(duì)國產(chǎn)化的安全級(jí)數(shù)字化儀控平臺(tái)的研制具有一定的借鑒和前瞻性作用。

[1]數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)(原書第3版)/（美）佛羅贊(Forouzan,B.A.) 著; 王嘉禎 等譯.-北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.1[2]DL/T 634.5101-2002/IEC60870-5-1001:2002 遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng) 第5-101部分:傳輸規(guī)約基本遠(yuǎn)動(dòng)任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)

[3]DL/T 634.5104-2002/IEC60870-5-1004:2000 遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng) 第5-104部分:傳輸規(guī)約采用標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議子集的IEC60870-5-101網(wǎng)絡(luò)訪問