基于104協(xié)議與PI實時數(shù)據(jù)庫的電力遠動監(jiān)控平臺建設(shè)

王迎迎，陳 凱， 吳春年， 沈備軍

（1.臺州發(fā)電廠，浙江 臺州 318016；2.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

電力信息化

基于104協(xié)議與PI實時數(shù)據(jù)庫的電力遠動監(jiān)控平臺建設(shè)

王迎迎1，陳 凱2， 吳春年1， 沈備軍2

（1.臺州發(fā)電廠，浙江 臺州 318016；2.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

近年來，越來越多的地區(qū)電網(wǎng)采用電力遠動協(xié)議在調(diào)度中心與地方廠站之間以報文形式進行信息傳輸，為避免因報文發(fā)送錯誤、數(shù)據(jù)傳輸失敗、報文解析出錯等原因造成生產(chǎn)事故，急需一套第三方監(jiān)控平臺對電力實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和管理。另外，地方廠站也需要第三方平臺為業(yè)績指標分析和遠動裝置故障分析提供數(shù)據(jù)支撐。研究開發(fā)了一套基于IEC 104協(xié)議與PI實時數(shù)據(jù)庫的電力遠動監(jiān)控平臺，在廠站端從交換機鏡像端口實時采集各項業(yè)務數(shù)據(jù)并保存到PI數(shù)據(jù)庫，通過設(shè)置模型判據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的報警與提示，通過對保存的大數(shù)據(jù)進行追憶和分析，預先找到可能存在的問題，以第三方視角對系統(tǒng)、設(shè)備、通訊等多方面進行模型比對和數(shù)據(jù)分析，把被動的維護工作向主動的量化管理推進，

104協(xié)議；PI；監(jiān)控平臺；遠動；大數(shù)據(jù)；實時處理；實時數(shù)據(jù)庫

0 引言

進入21世紀后的第二個十年以來，國家電網(wǎng)容量劇增，同時省調(diào)主站端自動化業(yè)務數(shù)據(jù)流量也呈幾何式增長。電網(wǎng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量需要調(diào)度來進行分析和研判[1]，內(nèi)容包括：如何及時判別電廠側(cè)遠動裝置存在缺陷，如何快速發(fā)現(xiàn)調(diào)度網(wǎng)通道數(shù)據(jù)存在質(zhì)量的問題等。因此，需要在發(fā)電廠側(cè)建設(shè)遠動監(jiān)控管理平臺，更好地傳送準確可靠的實時數(shù)據(jù)。

IEC 60870-5-104協(xié)議（以下簡稱104協(xié)議）是由IEC（國際電工委員會）在IEC 60870-5-101基本遠動任務配套標準的基礎(chǔ)上改進而來。104協(xié)議使用的是平衡傳輸模式，并通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)信息傳輸。使用104協(xié)議部署遠動系統(tǒng)具有實現(xiàn)簡便、開發(fā)工作量小、價格低、性能好等優(yōu)點，因此適用于調(diào)度中心站和遠方子站之間的通訊。PI實時數(shù)據(jù)庫是一套基于C/S（客戶機/服務器）結(jié)構(gòu)的商品化軟件應用平臺，由OSIsoft公司開發(fā)，早期用于存儲彈道導彈飛行信息，因此對數(shù)據(jù)的實時處理能力十分出眾，之后衍生出的工作化版本逐漸成為過程工業(yè)全廠信息集成的必然選擇。因此，急需研發(fā)一套基于IEC 104協(xié)議與PI實時數(shù)據(jù)庫的電力遠動監(jiān)控平臺，在廠站端根據(jù)交換機鏡像端口實時采集并保存各業(yè)務數(shù)據(jù)，通過設(shè)置模型的判據(jù)實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的報警與提示，通過對保存的大數(shù)據(jù)進行細致的追憶和分析，預先找到可能存在的問題，以第三方視角對遠動裝置本身、一次設(shè)備干擾、通道訊等進行模型比對、分析。同時結(jié)合臺州發(fā)電廠遠動（自動化）日常監(jiān)控工作，進一步提高發(fā)現(xiàn)問題的能力，把被動的維護工作往量化管理推進。

1 104協(xié)議原理與實現(xiàn)

1.1 概述

IEC 104協(xié)議作為一種電力遠動協(xié)議方面的國際標準，具有實時性好、可靠性高、數(shù)據(jù)流量大、便于信息量擴充、支持多類網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葍?yōu)點，相對于它的前身IEC 101協(xié)議，IEC 104協(xié)議涵蓋了保護信息丟失方面的定義[2]。IEC 101協(xié)議由于未采用APCI（應用規(guī)約控制信息），其應用APDU（規(guī)約數(shù)據(jù)單元）等同于ASDU（應用服務數(shù)據(jù)單元）。IEC 104協(xié)議給出了APCI的定義，并加入防止報文丟失和重復的控制信息[3]。

IEC 104協(xié)議使用了OSI模型7層中的5層，分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應用層來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 協(xié)議的實現(xiàn)要點

IEC 104協(xié)議在實現(xiàn)過程中需要區(qū)分主站（中心站）與子站（遠方站）。主站在協(xié)議應用過程中起主導作用，是整個通訊網(wǎng)絡(luò)的核心；而子站相對于主站，是一個數(shù)據(jù)生成的源頭，它響應主站的請求，把本地采集的實時數(shù)據(jù)通過IEC 104協(xié)議格式加密后傳給主站。一次主站請求數(shù)據(jù)的過程如下[4]：

（1）主站下發(fā)遙控預置命令；

（2）子站進行遙控預置確認；

（3）主站收到子站確認后下發(fā)遙控執(zhí)行命令；

（4）子站進行遙控執(zhí)行確認；

（5）子站向現(xiàn)場設(shè)備下發(fā)執(zhí)行遙控命令；

（6）現(xiàn)場設(shè)備進行遙控執(zhí)行確認；

（7）現(xiàn)場設(shè)備進行遙信變位；

（8）子站向主站上傳遙信變位信息。

IEC 104協(xié)議的主站和子站之間通信采用網(wǎng)絡(luò)傳輸層的可靠傳輸協(xié)議TCP，主站為TCP客戶端，子站為TCP服務器端，即主站主動進行TCP連接請求，而子站被動響應TCP連接請求。

IEC 104協(xié)議共分4類超時時間，分別是：TCP連接建立超時時間；RTU（遠程終端）等待U格式測試應答超時時間；RTU端等待主站端應答突發(fā)傳送的超時時間；RTU端和主站端之間沒有實際數(shù)據(jù)交換時，任何一端啟動U格式測試過程的超時時間。一旦超時則自動斷開TCP連接。

IEC 104協(xié)議采用平衡傳輸方式，當主站端沒有進行數(shù)據(jù)召喚，而RTU端中有變化數(shù)據(jù)時，RTU要主動上送變化數(shù)據(jù)。

主站端下發(fā)單點遙控選擇，RTU端進行單點遙控選擇應答和主站端下發(fā)基本相同，RTU端進行單點遙控執(zhí)行應答和主站端下發(fā)基本相同。主站端下發(fā)單點遙控執(zhí)行和選擇報文基本相同[5]。

1.3 協(xié)議的通信要求

IEC 104協(xié)議的通信要求如下[6]：

（1）IEC 104協(xié)議應以子站為服務端，以主站為客戶端。

（2）主站端應實現(xiàn)對來自網(wǎng)絡(luò)和常規(guī)方式的數(shù)據(jù)信息進行自動判斷、切換、處理，以保證數(shù)據(jù)的唯一性。

（3）在多客戶訪問的情況下，IEC協(xié)議可以通過MAC地址和IP地址劃分控制安全級別，如果服務端發(fā)現(xiàn)IP重復，拒絕控制命令的執(zhí)行。

（4）為保證網(wǎng)絡(luò)運行的安全、穩(wěn)定、可靠，在主站端對以網(wǎng)絡(luò)方式通信的子站單獨進行畫面、數(shù)據(jù)庫、報表的定義。

滿足以上4點通信要求，基于IEC 104協(xié)議的遠動通信系統(tǒng)即可成功部署。總體而言，IEC 104協(xié)議對通信環(huán)境的要求并非很高，面對如今日益復雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，IEC 104協(xié)議信息傳輸確實存在安全隱患，陳國華討論了遠動IEC 104協(xié)議的安全隱患及防護技術(shù)[7]。

2 電力遠動監(jiān)控平臺的設(shè)計

2.1 平臺架構(gòu)

遠動監(jiān)控管理平臺采用B/S（瀏覽器/服務器）模式，以PI實時數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)保存平臺，進行通訊數(shù)據(jù)抓取、解析、統(tǒng)計分析和可視化展示。電力遠動監(jiān)控平臺的架構(gòu)如圖1所示。平臺主體由2部分組成，分別是：用于獲取報文數(shù)據(jù)信息的前置機部分；用于數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析的可視化分析系統(tǒng)。前置機與可視化分析系統(tǒng)之間通過PI數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)中介進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 遠動監(jiān)控平臺架構(gòu)

2.2 前置機

出于信息安全性考慮，前置機部署在臺州發(fā)電廠遠動機房，該機房為局域網(wǎng)性質(zhì)，不與外網(wǎng)連通。前置機只與發(fā)電廠PI數(shù)據(jù)庫和從省調(diào)到發(fā)電廠的鏡像數(shù)據(jù)通道連通，從鏡像數(shù)據(jù)通道讀取實時數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以IEC 104協(xié)議格式傳輸。前置機負責解析這些報文，逐幀逐字節(jié)至位按照規(guī)約文本的含義進行透徹解析，還原出真實數(shù)據(jù)，如：遙信狀態(tài)、遙信變位及SOE（事件順序記錄）信息、遙測值、遙測變化、電量、對時、遙控、遙調(diào)等。解析到的信息采用單幀樹狀顯示，并上傳至發(fā)電廠的PI數(shù)據(jù)庫。前置機通過通道數(shù)據(jù)監(jiān)察能實時監(jiān)視報文通訊情況，及時發(fā)現(xiàn)諸如一次設(shè)備測點有沒有受干擾、越限、變位等，通道內(nèi)有沒有垃圾通訊信息等異常情況（見圖2）。

圖2 前置機界面

2.3 可視化分析系統(tǒng)

可視化分析系統(tǒng)負責分析省調(diào)和發(fā)電廠遠動主機的通道數(shù)據(jù)，監(jiān)測上下行報文，查看不同規(guī)約的多個通道的遙測、遙信、電量等信息，及時發(fā)現(xiàn)故障并進行報警。所采用的分析技術(shù)包括統(tǒng)計分析、對比分析、基于規(guī)則的故障發(fā)現(xiàn)等技術(shù)。系統(tǒng)根據(jù)遠動設(shè)備情況，通過一次設(shè)備、設(shè)備屬性和測點方式來組織設(shè)備資產(chǎn)信息，并通過遠動通道的測點數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，從而更好地掌控遠動設(shè)備信息。

系統(tǒng)以圖形組態(tài)方式來顯示電氣接線圖，可隨時進行AGC（自動發(fā)電控制）、負荷跟蹤比對，可隨時實現(xiàn)線路、斷路器、隔離開關(guān)等多種狀態(tài)跟蹤，并及時向用戶報警以便盡快處理。

3 基于PI的大數(shù)據(jù)實時處理

3.1 實時數(shù)據(jù)庫PI概述

PI（Plant Information System）是由美國OSIsoft公司開發(fā)的一套商品化軟件應用平臺，是過程工業(yè)全廠信息集成的必然選擇。PI基于C/S結(jié)構(gòu)搭建，作為工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)與上層管理信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接的橋梁，在工廠信息集成中扮演著特殊和重要的角色[8]。

一方面，PI用于工廠數(shù)據(jù)的自動采集、存貯和監(jiān)視。作為大型實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，PI可在線存貯每個工藝過程點的多年歷史數(shù)據(jù)，它提供了清晰、精確的操作情況畫面，用戶既可瀏覽工廠當前的生產(chǎn)情況，也可回顧過去的生產(chǎn)情況。

另一方面，PI為最終用戶和應用軟件開發(fā)人員提供了快捷高效的工廠信息。PI客戶端的應用程序可使用戶對工廠級和公司級實施管理，通過PI可集成產(chǎn)品計劃、維護管理、專家系統(tǒng)、LIMS（實驗室信息管理系統(tǒng)）和優(yōu)化/建模等應用程序。PI在業(yè)務管理和實時生產(chǎn)之間起到橋梁作用[9]。

3.2 基于PI的實時數(shù)據(jù)處理

電力遠動監(jiān)控平臺以PI數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)中介，因此PI數(shù)據(jù)庫的性能對于整個系統(tǒng)有著至關(guān)重要的影響。將臺州發(fā)電廠的設(shè)備信息匯總后根據(jù)IEC 104協(xié)議制定成測點表，主要分遙調(diào)測點、遙測測點、遙信測點3類，并在PI數(shù)據(jù)庫中以測點的形式保存設(shè)備數(shù)據(jù)信息。前置機方面解析報文后，將報文相關(guān)測點的最新數(shù)據(jù)上傳到PI數(shù)據(jù)庫端，而在可視化分析系統(tǒng)端，主要根據(jù)用戶的請求來對PI數(shù)據(jù)庫中的信息進行讀取與分析。

基于PI的實時數(shù)據(jù)處理具有以下優(yōu)勢：

（1）讀寫數(shù)據(jù)速度快，單機測點數(shù)規(guī)模達400萬點，存儲能力達10～15萬個事件/s，數(shù)據(jù)訪問能力達100萬個事件/s。

（2）數(shù)據(jù)存儲效率高、占用空間小，PI數(shù)據(jù)庫采用旋轉(zhuǎn)門壓縮專利技術(shù)和二次過濾技術(shù)，使進入到PI數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)得到最有效的壓縮，極大節(jié)省了空間。

（3）分布式服務器結(jié)構(gòu)，提供成熟的接口，分布式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)、集中式數(shù)據(jù)管理方式等，使數(shù)據(jù)來源復雜而又分散的問題得到解決。

（4）支持集團化應用，數(shù)據(jù)可以分散存儲在不同地點或不同區(qū)域的服務器上，便于集團化企業(yè)構(gòu)建生產(chǎn)實時管理系統(tǒng)。

（5）具有極高的安全性和良好的安全機制。

4 電力遠動監(jiān)控平臺的建設(shè)實施

4.1 主要目標

隨著電力通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為滿足浙江電網(wǎng)未來10～20年電網(wǎng)安全運行和電力市場運作的要求，深入貫徹電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，發(fā)展智能電網(wǎng)[10]，結(jié)合浙江電網(wǎng)通信現(xiàn)狀，在保證集控站系統(tǒng)、調(diào)度自動化系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提下，建立一套第三方電力遠動監(jiān)控平臺，實現(xiàn)對遠動通信數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控與存檔，預防生產(chǎn)事故的發(fā)生，以及在事故發(fā)生后通過對平臺收集數(shù)據(jù)的分析，能夠明確責任所在。

4.2 實施過程

（1）向省級調(diào)度中心申請開通數(shù)據(jù)鏡像口許可，并在發(fā)電廠遠動機房配置前置機，負責報文數(shù)據(jù)的采集、解析、向PI數(shù)據(jù)庫端存儲數(shù)據(jù)。

（2）配置IEC 104監(jiān)控的遙測、遙信、遙控測點，并在發(fā)電廠自動化裝置至省調(diào)通信處理機之間進行遙測、遙信、遙控測點的核對工作，將測點信息正確存入PI實時數(shù)據(jù)庫，保證自動化設(shè)備到通信處理機的數(shù)據(jù)傳輸正確、可靠。同時設(shè)置通信處理機的IP地址，將設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件以及基于IEC 104協(xié)議的解析程序固化于處理機中。

（3）省調(diào)主站端和發(fā)電廠遠方子站端雙方將IEC 104協(xié)議文本進行程序的編制解釋，實現(xiàn)對IEC 104協(xié)議報文的讀取、解析并存入PI實時數(shù)據(jù)庫。并選取部分測點進行調(diào)試，調(diào)試的對象數(shù)據(jù)為發(fā)電廠7—10號發(fā)電機組的發(fā)電功率數(shù)據(jù)。

（4）設(shè)計UI界面、報警機制、功能模塊，從PI實時數(shù)據(jù)庫中讀取測點數(shù)據(jù)進行展示與處理，實現(xiàn)一個可視化分析系統(tǒng)。

（5）調(diào)通所有模塊，進行試運行。

4.3 運行情況

電力遠動監(jiān)控平臺于2015年4月30日投入試運行，期間在省調(diào)與發(fā)電廠站進行數(shù)據(jù)傳輸時，系統(tǒng)從通道數(shù)據(jù)鏡像口讀取報文進行解析并將有用信息存入PI數(shù)據(jù)庫，積累原始數(shù)據(jù)。在一年多的試運行期間，平臺穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)實時性好。平臺不僅能實時監(jiān)察遠動三級網(wǎng)報文傳送信息，通過大數(shù)據(jù)分析快速排查出故障，而且能追溯電量考核數(shù)據(jù)，分析考核不佳的根源，達到了預期目標。

5 結(jié)語

基于IEC 104協(xié)議和PI實時數(shù)據(jù)庫開發(fā)了一套電力遠動監(jiān)控平臺。該平臺經(jīng)過一段時間的運行表明：采用國標IEC 104協(xié)議向地調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的通訊模式實施效果好,信息容量不受限制，數(shù)據(jù)刷新快，保證了數(shù)據(jù)實時性；PI實時數(shù)據(jù)庫能夠應對大批量、快速刷新的報文數(shù)據(jù)存儲與讀取，能夠滿足調(diào)度監(jiān)控的需要。該平臺的成功實施，標志著第三方平臺完全可以在不影響數(shù)據(jù)通信的情況下對電網(wǎng)遠動數(shù)據(jù)進行采集、處理與分析，這為未來浙江省智能電網(wǎng)第三方數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺的發(fā)展提供了理論依據(jù)與寶貴經(jīng)驗。

[1]董建達.一種管理友好型配電網(wǎng)相量量測單元優(yōu)化配置模型[J].浙江電力，2016，35（7）∶8-11.

[2]湯為民.104協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信方式在漢中電網(wǎng)中的應用[J].西北電力技術(shù)，2004，32（4）∶103-104.

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（本文編輯：方明霞）

Construction of Telecontrol Power Monitoring Platform Based on IEC 104 Protocol and PI Real-time Database

WANG Yingying1，CHEN Kai2，WU Chunnian1，SHEN Beijun2
（1.Taizhou Power Plant，Taizhou Zhejiang 318016，China；2.School of Electronics，Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

In recent years，telecontrol protocols are used for information transmission between dispatching centers and local plants in the form of messaging in regional power networks.In order to prevent production accidents resulting from message signaling error，data transmission failure and message parsing，it needs a third-party monitoring platform to monitor and manage real-time data of electric power.Moreover，local plants also need a third-party platform to provide data support for performance indicator analysis and fault analysis of telecontrol devices.A telecontrol power monitoring platform based on IEC 104 protocol and PI real-time database is developed to collect service data from exchanger mirror port in power plants and store the data in PI database.Through model criterion setting,data alarming and prompt is realized;by big data review and analysis，potential problems are detected in advance.In addition，model comparison and data analysis are implemented on the system，device，communication from the third-party perspective to turn passive maintenance into active quantitative management so as to ensure operation safety and stability of power grid.

104 protocol；plant information system；monitoring platform；telecontrol；big data；real-time processing；real-time database

TM764

：B

：1007-1881（2017）03-0071-04

2016-11-09

王迎迎（1975），女，工程師，主要從事發(fā)電廠電力自動化工作。

更好地保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。