網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議在電氣監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

朱軍 彭修琦 趙洪濤

【摘要】作為集通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與電氣技術(shù)為一體的自動(dòng)化綜合系統(tǒng)，電氣監(jiān)控系統(tǒng)能夠集中監(jiān)視與控制電氣設(shè)備，是電氣人員工作效率全面提升的重要保障。現(xiàn)有電氣監(jiān)控系統(tǒng)在電氣設(shè)備出現(xiàn)大面積故障的情況，其性能將大大降低，如實(shí)時(shí)性、可靠性不足等。為此，本文站在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的角度分析，對(duì)電氣監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的概況、應(yīng)用進(jìn)行了分析與探究，以期全面提升電氣監(jiān)控系統(tǒng)性能。

【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議；電氣監(jiān)控系統(tǒng)；概況；應(yīng)用；IEC60870—5—103協(xié)議；實(shí)時(shí)性；可靠性

隨著社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，作為各產(chǎn)業(yè)平穩(wěn)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，電氣設(shè)備必須具備良好的安全性、穩(wěn)定性及高效性。在電氣監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)化應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，可對(duì)電氣監(jiān)控系統(tǒng)的性能進(jìn)行有效提高。作為通信網(wǎng)絡(luò)的根本規(guī)則，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的各種類型都存有既定通信模式。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議不同則其傳輸訪問(wèn)機(jī)制也存有極大的不同。在進(jìn)行少數(shù)信號(hào)傳輸或大量信號(hào)傳輸與發(fā)出時(shí)，此類傳輸訪問(wèn)機(jī)制性能都存有極大不同。本文以網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議為依據(jù)，對(duì)電力監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)最常用的通信協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化運(yùn)用，如IEC60870—5—103等，在設(shè)備投資金額不增加的基礎(chǔ)上，達(dá)到完善電氣監(jiān)控系統(tǒng)的目的。

一、電氣監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的概況

作為一種網(wǎng)絡(luò)通用語(yǔ)言，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是指為連接不同操作系統(tǒng)和不同硬件體系結(jié)構(gòu)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)引提供的通信支持。其從邏輯上將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行7層劃分，各層都具備路由器、交換機(jī)等相應(yīng)的物理設(shè)備。在電氣監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)IEC60870—5—103、IEC60870—5—104等為主要的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議類型，具體如下：

1、IEC60870—5—103協(xié)議。作為國(guó)際電工委員會(huì)制定的繼電保護(hù)設(shè)備信息接口規(guī)范，IEC60870—5—103協(xié)議可在通信前置機(jī)和繼電保護(hù)裝置間的信號(hào)傳輸中充分應(yīng)用。該協(xié)議主要選取主從—對(duì)多的非平衡傳輸方式，主站為通信前置機(jī)，從站為繼電保護(hù)裝置，每秒9600bit為標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率，格式報(bào)文形式主要分為2種：固定幀長(zhǎng)報(bào)文、可變幀長(zhǎng)報(bào)文。其表述的2類信息傳輸方式為按照相應(yīng)規(guī)定運(yùn)用的服務(wù)數(shù)據(jù)單位與為標(biāo)準(zhǔn)化報(bào)文傳輸沒(méi)有涵蓋的全部可能應(yīng)用過(guò)程，或全部可能信息利用通用分類服務(wù)傳輸。

2、IEC60870—5—104協(xié)議。在IEC60870—5—103基礎(chǔ)上，國(guó)際電工委員會(huì)為滿足網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸又進(jìn)行了IEC60870—5—104遠(yuǎn)動(dòng)通信協(xié)議的制定。其不僅能夠在集控中心與變電站、調(diào)度端進(jìn)行全面運(yùn)用，還能在變電站內(nèi)的通信網(wǎng)加以合理運(yùn)用。一般選取RFC2200協(xié)議作為該協(xié)議物理層、鏈路層等主要協(xié)議。作為標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議子集，RFC2200可使IEC60870—5—104協(xié)議應(yīng)用于TCP/IP協(xié)議的高帶寬網(wǎng)絡(luò)傳輸。與其他協(xié)議相比，IEC60870—5—104協(xié)議具有良好實(shí)時(shí)性、可靠性等優(yōu)勢(shì)，且能夠進(jìn)行大流量數(shù)據(jù)傳輸，為信息擴(kuò)展提供便利。

二、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議在電氣監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

在科技快速發(fā)展的今天，電氣監(jiān)控系統(tǒng)愈加完善，將網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議合理應(yīng)用于電氣監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)提升電氣監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性具有至關(guān)重要的作用，為此，本文以優(yōu)化其應(yīng)用性能為例對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議在電氣監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析與探究。

1、實(shí)時(shí)性優(yōu)化應(yīng)用

電氣監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性提升的方式較多，一般分為2大類：升級(jí)電氣監(jiān)控系統(tǒng)硬件、優(yōu)化軟件算法。根據(jù)工作需求，可通過(guò)軟件優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，以此達(dá)到提高電氣監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的目的。

首先，IEC60870—5—103協(xié)議為例分析。光纖接口、EIA RS485接口為IEC60870—5—103協(xié)議電氣的主要接口類型。光纖傳輸具有良好抗干擾能力及較快傳輸速度。在相同變電站或距離較短情況下繼電保護(hù)裝置和監(jiān)控系統(tǒng)的兩種接口傳輸速度基本一致。在通信鏈路拓?fù)浞矫鎯煞N接口一致，基于此，兩種接口具有相同分析方式。本文將EIA RS485接口作為分析研究重點(diǎn)，具體內(nèi)容如下：

作為三線制半雙工接口，EIA RS485接口在同一時(shí)間點(diǎn)上只能接收、發(fā)送信號(hào)，但不能同時(shí)進(jìn)行接收、發(fā)送操作。一般選取圖1作為通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通信權(quán)可由EIA RS485總線上并聯(lián)的3個(gè)繼電保護(hù)裝置依次取得，依次將數(shù)據(jù)傳送給通信前置機(jī)。繼電保護(hù)裝置數(shù)據(jù)向通信前置機(jī)傳送的快慢，由通信權(quán)時(shí)間間隔的長(zhǎng)短加以確定。但電氣出現(xiàn)大面積故障的情況下，繼電保護(hù)裝置極易出現(xiàn)大量變位信號(hào)。如一個(gè)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行5個(gè)遙信信號(hào)上傳，完成此5個(gè)變位遙信信號(hào)傳輸需20幀以上報(bào)文。

其次，IEC60870—5—104協(xié)議為例分析。以太網(wǎng)傳輸為IEC60870—5—104協(xié)議的主要形式，平衡傳輸全雙工接口為以太網(wǎng)RJ45接口類型。對(duì)該協(xié)議實(shí)時(shí)性造成影響的主要因素包含2點(diǎn)，第一以太網(wǎng)的傳輸性能，對(duì)其起決定作用的因素為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及以太網(wǎng)帶寬；第二，該協(xié)議報(bào)文信號(hào)攜帶效率。根據(jù)筆者工作性質(zhì)，為提升電氣監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議性能，本文以優(yōu)化提升IEC60870—5—104協(xié)議報(bào)文信號(hào)攜帶效率為主進(jìn)行分析。本協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)以I格式幀為主。該協(xié)議規(guī)定ASDU（一個(gè)）在249字節(jié)以下，可進(jìn)行一個(gè)火一組信號(hào)傳輸。應(yīng)用于現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的IEC60870—5—104協(xié)議，I格式幀（一個(gè)）旺旺只進(jìn)行一個(gè)變位遙信信號(hào)傳輸。為提高信號(hào)傳輸信號(hào)，需對(duì)I格式幀長(zhǎng)度進(jìn)行有效增加。

2、可靠性優(yōu)化應(yīng)用

利用通信前置機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)等設(shè)備的冗余配置及通信網(wǎng)絡(luò)冗余配置可實(shí)現(xiàn)電氣監(jiān)控系統(tǒng)可靠性。在具體應(yīng)用中，硬件即便冗余配置，但卻存在冗余設(shè)備無(wú)擾無(wú)縫切換等問(wèn)題。為達(dá)到網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議優(yōu)化運(yùn)用，需提升通信前置機(jī)冗余切換、通信網(wǎng)絡(luò)冗余切換的可靠性，進(jìn)而達(dá)到電氣監(jiān)控系統(tǒng)可靠性提升的目的。

（1）將EIA RS485接口應(yīng)用于IEC60870—5—103協(xié)議時(shí)，EIA RS485接口一個(gè)的情況下主機(jī)只能有一臺(tái)，也就是說(shuō)EIA RS485接口一個(gè)情況下2臺(tái)通信前置機(jī)無(wú)法利用該接口將報(bào)文發(fā)送給一臺(tái)繼電保護(hù)裝置。為對(duì)該協(xié)議傳輸可靠性進(jìn)行有效提升，需并接2臺(tái)通信前置機(jī)的全部EIA RS485接口。要求位于工作狀態(tài)的通信前置機(jī)為1臺(tái)，位于熱備狀態(tài)的通信前置機(jī)為1臺(tái)。如工作狀態(tài)前置機(jī)內(nèi)隨意一個(gè)EIA RS485接口通信中斷被熱備狀態(tài)通信前置機(jī)檢測(cè)出來(lái)后，熱備狀態(tài)前置機(jī)可將此EIA RS485接口主機(jī)地位占據(jù)，利用此EIA RS485接口將報(bào)文發(fā)送給繼電保護(hù)裝置。該情況下，工作狀態(tài)通信前置機(jī)需將此EIA RS485接口主機(jī)地位拋棄，進(jìn)而達(dá)到IEC60870—5—103協(xié)議雙機(jī)熱備接口切換。

（2）通信前置機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)與以太網(wǎng)冗余配置為現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分。冗余配置可對(duì)信號(hào)傳輸可靠性有效提升。但現(xiàn)階段最常見(jiàn)的雙機(jī)雙網(wǎng)切換機(jī)制為“硬切換”，也就是說(shuō)一般情況下冗余的2臺(tái)通信前置機(jī)內(nèi)利用冗余通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)一條與運(yùn)動(dòng)機(jī)或服務(wù)器進(jìn)行通信的只有一臺(tái)。如前置機(jī)正常運(yùn)行時(shí)如出現(xiàn)故障或通信網(wǎng)絡(luò)中斷，可向冗余的另一臺(tái)通信前置機(jī)進(jìn)行通信切換。但其存有諸多問(wèn)題，如只能利用通信前置機(jī)內(nèi)部軟件對(duì)通信前置機(jī)切換、通信網(wǎng)絡(luò)切換進(jìn)行判斷，通信在切換過(guò)程中為中斷情況，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)擾連續(xù)切換。

在IEC60870—5—104協(xié)議內(nèi)對(duì)冗余通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)如何應(yīng)用沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定。如選取并行冗余協(xié)議，可將鏈路冗余體增設(shè)到各設(shè)備內(nèi)部，以此實(shí)施冗余網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)處理。但該功能在傳統(tǒng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)并不具備，如選取該并行冗余協(xié)議，需進(jìn)行現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備重新設(shè)計(jì)。在對(duì)現(xiàn)有設(shè)備不改動(dòng)的情況下，應(yīng)適當(dāng)修改現(xiàn)有協(xié)議通信方式，進(jìn)而達(dá)到冗余網(wǎng)絡(luò)并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?/p>

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主要構(gòu)成部分，電氣監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的合理運(yùn)用，可有效管理與控制質(zhì)量、安全工作，完善電氣監(jiān)控系統(tǒng)。本文以IEC60870—5—103協(xié)議與IEC60870—5—104協(xié)議為例，對(duì)其在電氣監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)時(shí)性優(yōu)化應(yīng)用、可靠性優(yōu)化應(yīng)用進(jìn)行了進(jìn)一步分析研究，以此提升電氣監(jiān)控系統(tǒng)的性能，降低經(jīng)濟(jì)損失，及提高系統(tǒng)安全性。

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