遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備IEC60870-5-101非平衡規(guī)約的測(cè)試研究

王 昕 曹 敏 李仕林 洪燦梅 李英娜 李 川

(1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2. 南方電網(wǎng)電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明650217；3. 昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，昆明 650500)

遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備IEC60870-5-101非平衡規(guī)約的測(cè)試研究

王 昕1,2曹 敏1，2李仕林1，2洪燦梅3李英娜3李 川3

(1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2. 南方電網(wǎng)電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明650217；3. 昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，昆明 650500)

為了確保電網(wǎng)調(diào)度遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備傳送信息的準(zhǔn)確可靠和管理人員及時(shí)對(duì)電網(wǎng)通信過(guò)程中的故障進(jìn)行分析、處理，開(kāi)發(fā)了一個(gè)對(duì)使用傳輸規(guī)約IEC60870-5-101的遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試分析的系統(tǒng)。根據(jù)云南電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)101規(guī)約進(jìn)行建模分析來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用此測(cè)試系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，對(duì)所形成的報(bào)文進(jìn)行分析得到設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，能夠準(zhǔn)確診斷并快速處理遠(yuǎn)動(dòng)信息的故障。通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，達(dá)到對(duì)使用101規(guī)約的遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)的目的，以便提高工作人員的工作效率。

傳輸規(guī)約IEC60870-5-101 測(cè)試系統(tǒng) 遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備 報(bào)文分析

目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)傳輸規(guī)約IEC60870-5-101(簡(jiǎn)稱(chēng)101規(guī)約)基本遠(yuǎn)動(dòng)任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)(即中國(guó)電力系統(tǒng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T634.5101-2002/IEC60870-5-101：2002基本遠(yuǎn)動(dòng)任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn))在電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)傳輸中已經(jīng)廣泛使用[1]。2008年狄文輝等在基于101規(guī)約的電力遠(yuǎn)動(dòng)通信測(cè)試軟件中對(duì)報(bào)文的分析算法進(jìn)行了重點(diǎn)分析[2]。2012年董白丹在電力遠(yuǎn)動(dòng)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)分析和探討中對(duì)系統(tǒng)的功能和原理方面做了分析[3]。隨著電力系統(tǒng)設(shè)備越來(lái)越多，遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備兼容性的問(wèn)題也日益突出。而在實(shí)際應(yīng)用中，為保證實(shí)現(xiàn)相同規(guī)約的不同設(shè)備能夠通信，需要確定該設(shè)備的規(guī)約實(shí)現(xiàn)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，這就需要有相應(yīng)的測(cè)試工具，電力遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約測(cè)試系統(tǒng)的出現(xiàn)，在一定程度上滿(mǎn)足了這一需求[4]。

筆者根據(jù)云南電網(wǎng)調(diào)度的遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)際情況，利用C++編程對(duì)遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備101規(guī)約測(cè)試系統(tǒng)的對(duì)象進(jìn)行建模、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)測(cè)試的各模塊和數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析。利用Access2003建立數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)程序中101規(guī)約報(bào)文轉(zhuǎn)化的結(jié)果。

1 101規(guī)約概述

101規(guī)約來(lái)自《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng)》GB/T 16436.1-1996，具體指遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng)傳輸規(guī)約第101篇——基本遠(yuǎn)動(dòng)任務(wù)。其基本遠(yuǎn)動(dòng)配套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)中主站與子站之間以問(wèn)答的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

筆者采用非平衡的傳輸方式，該方式針對(duì)信息采集、處理均由主站控制，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于控制。101規(guī)約的傳輸幀格式有：?jiǎn)巫址袷?、固定幀格式和可變幀格式。單字符一般用于確認(rèn)數(shù)據(jù)；固定幀主要用于鏈路層服務(wù)；可變幀主要用于主站和子站間的數(shù)據(jù)交換。101規(guī)約的3種級(jí)別服務(wù)和功能見(jiàn)表1。

表1 101規(guī)約級(jí)別服務(wù)和功能

2 101規(guī)約建模分析

筆者在建模時(shí)主要用靜態(tài)測(cè)試用例和泳道圖對(duì)對(duì)象和建模流程進(jìn)行分析。 用例是對(duì)用戶(hù)需求(主要功能需求)的規(guī)范化描述，最終為用戶(hù)和開(kāi)發(fā)者提供一種相互交流的手段。用例圖給出了用例之間和同用例參與者之間的聯(lián)系、系統(tǒng)需要什么功能、各功能之間的關(guān)系，如圖1所示。在圖1中，對(duì)遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約測(cè)試系統(tǒng)而言，它所需要實(shí)現(xiàn)的功能包括了新建項(xiàng)目、打開(kāi)項(xiàng)目、項(xiàng)目屬性、啟停端口、屏顯操作、模擬主站或模擬子站等，測(cè)試人員以模擬主站或模擬子站的方式對(duì)系統(tǒng)的整體功能進(jìn)行測(cè)試，最終來(lái)評(píng)定此系統(tǒng)是否符合用戶(hù)需求。

圖1 101測(cè)試用例圖

動(dòng)態(tài)模型表達(dá)了所有時(shí)間內(nèi)對(duì)象的變化和對(duì)象之間關(guān)系的變遷[5]。泳道圖是描述流程中對(duì)象與對(duì)象之間關(guān)系的特殊圖標(biāo)，它有利于分清在流程過(guò)程中每個(gè)對(duì)象的工作范圍，同時(shí)對(duì)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行梳理，如圖2所示。在圖2中，101非平衡傳輸過(guò)程包括鏈路初始化過(guò)程、基本問(wèn)答過(guò)程和其他問(wèn)答過(guò)程。在鏈路初始化過(guò)程中首先主站向子站詢(xún)問(wèn)，再由子站向主站詢(xún)問(wèn)，其次主站發(fā)送總召喚命令，最后主站發(fā)送時(shí)鐘同步命令，最終完成初始化過(guò)程；在基本問(wèn)答過(guò)程中，如果不存在1、2級(jí)數(shù)據(jù)，則否定報(bào)文回答(否定回答是單個(gè)字符“E5H”)；在其他問(wèn)答過(guò)程中，遙控選擇命令以遙控選擇確認(rèn)幀回答，遙控執(zhí)行命令以遙控執(zhí)行確認(rèn)幀回答，召喚電度命令以傳送電度數(shù)據(jù)幀回答等。

主站和子站之間進(jìn)行通信之前必須保證通信鏈路的暢通，通常由主站向子站發(fā)送請(qǐng)求鏈路狀態(tài)命令來(lái)檢測(cè)雙方通信鏈路是否正常。為了給主站、子站間的通信提供正確的時(shí)標(biāo)或日期，子站與主站時(shí)鐘必須同步。

對(duì)于101非平衡主要有固定幀長(zhǎng)報(bào)文和可變幀長(zhǎng)報(bào)文兩種報(bào)文格式。分別以68、10H為報(bào)文頭，分析報(bào)文內(nèi)容對(duì)測(cè)試后形成的報(bào)文進(jìn)行分析，如果各項(xiàng)內(nèi)容均符合標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)定該遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備采用的通信規(guī)約符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。所以報(bào)文分析是測(cè)試必備的條件，報(bào)文處理活動(dòng)圖如圖3所示。

圖2 101非平衡傳輸過(guò)程

圖3 報(bào)文處理活動(dòng)圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

筆者在Windows環(huán)境下，利用C++與 codeblocks為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合wxWidgets開(kāi)源軟件庫(kù)等實(shí)現(xiàn)101規(guī)約的非平衡測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

101規(guī)約測(cè)試系統(tǒng)的硬件電路連接圖如圖4所示。在鏈路傳輸過(guò)程中主站主動(dòng)發(fā)送各種報(bào)文信息，子站只能被動(dòng)接受。對(duì)鏈路層的通信規(guī)約可在應(yīng)用層直接編程，由串口芯片自動(dòng)完成鏈路層的功能。所以對(duì)于101規(guī)約只需在應(yīng)用層上對(duì)每幀的同步字、控制字、信息字、校驗(yàn)碼進(jìn)行編程，而將串口設(shè)置通知串口設(shè)備即可完成通信任務(wù)[6，7]。通過(guò)圖5的軟件測(cè)試模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體測(cè)試得出完整的測(cè)試報(bào)告，為電力系統(tǒng)通信提供捷徑。

圖4 101規(guī)約測(cè)試系統(tǒng)的硬件電路連接圖

圖5 軟件測(cè)試模型

利用C++編制的軟件程序分析、轉(zhuǎn)化報(bào)文，獲得報(bào)文中傳送的初始化、召喚、遙控和這些數(shù)值所對(duì)應(yīng)的地址。利用Access2003建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，來(lái)存儲(chǔ)程序中對(duì)101規(guī)約報(bào)文的轉(zhuǎn)化結(jié)果，轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)最終以報(bào)表的形式輸出。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)

在非平衡傳輸?shù)姆绞较?，模擬主站進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試。包含在程序中的Access數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，它與程序中的數(shù)據(jù)控件的記錄始終保持一致。在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)分析完一個(gè)回復(fù)幀后，如果再分析下一個(gè)回復(fù)幀則上一幀的數(shù)據(jù)就會(huì)被覆蓋。因此每分析完一個(gè)幀就輸出一個(gè)報(bào)表。同時(shí)標(biāo)識(shí)出它為上行或下行報(bào)文。

筆者以模擬主站進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)表包括：鏈路初始化數(shù)據(jù)、總召喚測(cè)試數(shù)據(jù)、遙控過(guò)程測(cè)試數(shù)據(jù)(圖6)。

圖6 測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)表

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一種對(duì)基于101規(guī)約的遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試分析的系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可以保證對(duì)使用101規(guī)約的不同遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)。遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅可以有效地對(duì)數(shù)據(jù)和報(bào)文進(jìn)行處理與分析，而且利用數(shù)據(jù)庫(kù)將報(bào)文分析以報(bào)表的形式輸出能降低工作人員調(diào)試的工作量，提高分析和判斷能力，同時(shí)也保證了電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行。

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(Continued from Page 271)

tion’s constant deviation and implements compression processing when the wavelet coefficient’s absolute value becomes less than threshold value. Comparing denoising results reveals that this method outperforms both soft threshold and hard threshold in SNR and MSE comparison.

Keywordsworking level signal, denoising, threshold function

TestStudyofIEC60870-5-101UnbalancedProtocolforTelecontrolEquipment

WANG Xin1,2, CAO Min1,2, LI Shi-lin1,2, HONG Can-mei3, LI Ying-na3, LI Chuan3

(1.ElectricalPowerInstitute,YunnanPowerGridCo.,Ltd.,Kunming650217,China;2.ChinaSouthernPowerGridKeyLaboratoryforElectricEnergyMeasurement,Kunming650217,China;3.FacultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650500,China)

In order to ensure data accuracy and reliability in power grid dispatching and to benefit both fault analysis and treatment in power grid communication, a IEC60870-5-101 protocol-supported testing and analytic system for telecontrol equipment was developed. Basing on analyzing the operation of Yunnan power grid dispatching system and the modeling analysis of 101 protocol, a test system was designed to test any telecontrol equipment in situ and to analyze any message of the running equipment at real time so that any failure of IEC60870-5-101 protocol-supported equipment can be diagnosed and processed so as to improve the work efficiency of staff members.

IEC60870-5-101 protocol, testing system, telecontrol equipment, message analysis

TH165+.2

A

1000-3932(2016)03-0308-05

2016-01-27(修改稿)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51567013)；基于多源傳感的配網(wǎng)設(shè)備故障檢測(cè)數(shù)據(jù)融合關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目(2013FZ021)