光電復(fù)合海纜在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)設(shè)計

胡森

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州311122）

0 引言

近年來，電力通信技術(shù)快速發(fā)展傳統(tǒng)的串行通信技術(shù)有很大局限性，如：傳輸距離短、效率低等問題。IEC60870系列規(guī)約由一系列相關(guān)子集規(guī)約組成，其中IEC60870-5-104規(guī)約是一種基于以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的通信規(guī)范，它工作在應(yīng)用層，底層須借助TCP/IP協(xié)議進(jìn)行傳輸[1-4]。自2000年由IEC（國際電工委員會）出版以來，IEC60870-5-104標(biāo)準(zhǔn)就作為通用規(guī)范廣泛應(yīng)用在各個電力行業(yè)中，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，基于該規(guī)約的數(shù)據(jù)通信不斷地被研究開發(fā)，應(yīng)用于各個領(lǐng)域中，如光伏電站、核電廠、水電廠等各種發(fā)電場所以及升壓站、城市軌道交通等電力監(jiān)控系統(tǒng)中，除此之外，各種遠(yuǎn)動系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)以及電度平臺中也有廣泛的應(yīng)用[5-11]。

海纜綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)具備多點(diǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，將海纜溫度監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、動態(tài)載流量監(jiān)測、振動監(jiān)測、船舶智能監(jiān)控（AIS）等結(jié)果存儲并進(jìn)行分析，最終集成在一個綜合監(jiān)控平臺上。系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)按其具體類型分為單一類型數(shù)量小、單一類型數(shù)量大及復(fù)雜類型。為保證海纜的安全運(yùn)行，需要將溫度、應(yīng)變、載流量等實(shí)時綜合信息發(fā)布給用戶。

因此，針對海纜在線監(jiān)測系統(tǒng)中采集到的不同數(shù)據(jù)信息，本文基于IEC60870-5-104規(guī)約提出了一套適用的數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)方案，通過系統(tǒng)所設(shè)計的傳輸方式將待發(fā)布數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、高效地發(fā)布至主站，具有實(shí)時效率高、準(zhǔn)確度高、數(shù)據(jù)流量大、支持文件傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)。

1 IEC60870-5-104規(guī)約分析

1. 1 規(guī)約模型

終端系統(tǒng)的IEC60870-5-104規(guī)約結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1遠(yuǎn)動配套標(biāo)準(zhǔn)所選擇的標(biāo)準(zhǔn)版本

1. 2 規(guī)約簡介

IEC60870-5-104協(xié)議定義了開放的TCP/IP接口的使用，一個由傳輸IEC60870-5-101 ASDU的遠(yuǎn)動設(shè)備構(gòu)成的局域網(wǎng)[3]。規(guī)約底層采用的是TCP/IP的協(xié)議子集，通過用戶到傳輸控制協(xié)議（TCP）的接口連接到應(yīng)用層，該規(guī)約的應(yīng)用層分為應(yīng)用規(guī)約控制信息（Appli-cation Protocol Control Information，APCI）和應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（Application Service Data Unit，ASDU）。

1.2.1 應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元（APDU）

APDU（Application Protocol Data Unit）即應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元，是IEC60870-5-104規(guī)約定義的用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。APDU的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括APCI和ASDU兩個部分。APCI即應(yīng)用規(guī)約控制信息，定義了數(shù)據(jù)報文的起點(diǎn)、APDU的長度以及控制域這些信息；ASDU即應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元，定義了用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元標(biāo)識符以及信息體等相關(guān)內(nèi)容[3]。

圖2遠(yuǎn)動配套標(biāo)準(zhǔn)的APDU定義

（1）APCI（應(yīng)用規(guī)約控制信息）

規(guī)約定義的APCI，主要包括以下組成部分：

①啟動字符：占一個字節(jié)，定義為68H，表示通信過程中數(shù)據(jù)報文指令的起點(diǎn)，即所有的數(shù)據(jù)報文指令都必須以68H開始；

②APDU的長度：占一個字節(jié)，定義了APDU的長度，包括APCI四個字節(jié)的控制域的長度以及IEC60870-5-104規(guī)約定義的ASDU的長度。因為APDU的最大長度是255個字節(jié)，除去啟動字符一個字節(jié)、APDU的長度一個字節(jié)以及控制域的長度四個字節(jié)后，ASDU的最大長度為255-6=249個字節(jié)，所以ASDU的長度的范圍為0～249；

③控制域：占四個字節(jié)，為了防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)報文丟失或重復(fù)傳送的情況，定義了控制域的內(nèi)容用以對監(jiān)視方向和控制方向上的數(shù)據(jù)報文分別進(jìn)行累計，同時定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?停止和傳輸連接的監(jiān)視等控制信息。

（2）ASDU（應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元）

IEC60870-5-104規(guī)約在延續(xù)了IEC60870-5-101規(guī)約中對于ASDU定義的基礎(chǔ)上，又?jǐn)U展了用于網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境下的相關(guān)功能以及實(shí)現(xiàn)，定義了數(shù)據(jù)傳輸過程中信息的類型、傳送原因、公共地址以及信息對象地址等信息。

1.2.2 信息體元素及數(shù)據(jù)格式

IEC60870-5-104規(guī)約定義了不同的信息體元素用以傳輸遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等不同類型的數(shù)據(jù)信息，每種數(shù)據(jù)信息都有其固定的格式和字節(jié)數(shù)。

1. 3 基于規(guī)約的通信過程

1.3.1 傳輸過程的類型標(biāo)識

IEC60870-5-104規(guī)約定義了主站與從站之間用于傳輸過程信息和系統(tǒng)信息的不同類型報文，具體有類型標(biāo)識、報文語意以及編碼等信息。部分常用的信息類型標(biāo)識如表1所示。

表1部分信息類型標(biāo)識

如此，單一類型數(shù)據(jù)即可根據(jù)自身類型選擇相應(yīng)的報文類型，封裝為ASUD后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布。

1.3.2 文件傳輸

IEC60870-5-104規(guī)約中定義的信息體地址的范圍是0～65535，即最多能容納65535個數(shù)據(jù)，而ASDU的最大長度是249，因此當(dāng)信息體的字節(jié)數(shù)超過ASDU的最大長度時，如海纜監(jiān)測系統(tǒng)中多為海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，則無法再用協(xié)議規(guī)定的報文類型進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。另外，如果數(shù)據(jù)信息類型不單一，如一條消息包含了整型、字符型、浮點(diǎn)型等多種數(shù)據(jù)類型，這樣會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸過程中信息體的字節(jié)數(shù)不固定，無法對其進(jìn)行地址分配，據(jù)此，本文考慮采用文件的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)信息以分段的形式傳輸至目的地。

2 文件傳輸技術(shù)

根據(jù)IEC60870-5-104規(guī)約內(nèi)容所述，當(dāng)遠(yuǎn)動系統(tǒng)中信息體的字節(jié)數(shù)超過ASDU規(guī)定的最大長度或數(shù)據(jù)類型不單一時，可以采用文件的形式進(jìn)行傳輸。文件傳輸?shù)年P(guān)鍵是根據(jù)既定條件分配節(jié)和段的長度。

2. 1 文件傳輸配置

2.1.1 點(diǎn)表配置

本數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)的點(diǎn)表配置設(shè)計用于設(shè)置需要傳輸?shù)男畔Ⅲw元素的相關(guān)參數(shù)，主要包括以下內(nèi)容：

（1）報文類型：用TypeID來標(biāo)識，根據(jù)IEC60870-5-104規(guī)約定義可以配置的遙測數(shù)據(jù)類型為不帶時標(biāo)的9（歸一化遙測值）、11（標(biāo)度化遙測值）、13（短浮點(diǎn)遙測值）以及帶時標(biāo)的34（歸一化遙測值）、35（標(biāo)度化遙測值）、36（短浮點(diǎn)遙測值）等；

（2）排列方式：標(biāo)識數(shù)據(jù)信息的排列方式，0表示離散排列，1表示順序排列；

（3）傳輸原因：標(biāo)識數(shù)據(jù)的傳輸原因，1為周期循環(huán)傳輸，3為突發(fā)傳輸；

（4）公共地址：標(biāo)識公共地址；

（5）信息體地址：標(biāo)識信息體的地址；

（6）信息體長度：標(biāo)識信息體的長度；

（7）發(fā)布周期：設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)布的周期，以秒為單位；

（8）站召喚開啟標(biāo)志：標(biāo)識站召喚的開啟標(biāo)志，0表示關(guān)閉，1表示開啟；

（9）周期循環(huán)發(fā)布開啟標(biāo)志：標(biāo)識周期循環(huán)發(fā)布的開啟標(biāo)志，0表示關(guān)閉，1表示開啟；

（10）突發(fā)發(fā)布開啟標(biāo)志：標(biāo)識突發(fā)發(fā)布的開啟標(biāo)志，0表示關(guān)閉，1表示開啟。

2.1.2 數(shù)據(jù)映射配置

本數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)的數(shù)據(jù)映射配置過程用于設(shè)置信息體地址以及與其關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表之間的映射關(guān)系。具體內(nèi)容包括有：

（1）信息體地址：對應(yīng)主站點(diǎn)表配置內(nèi)的信息體地址；

（2）關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)表名：設(shè)置該信息體對應(yīng)于數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表名；

（3）取樣間隔：設(shè)置從數(shù)據(jù)表中取出信息體的取樣間隔，以個為單位。

2. 2 文件傳輸舉例

2.2.1 海量數(shù)據(jù)傳輸

目前已知的光纖傳感設(shè)備普遍可以監(jiān)測幾十公里遠(yuǎn)的距離，有些先進(jìn)的設(shè)備甚至能監(jiān)測100公里以上的距離，而其空間分辨率最多可以達(dá)到0.1米，這樣其溫度或者應(yīng)變數(shù)據(jù)就可能達(dá)到百萬的量級。由1.3.2描述可知，IEC60870-5-104規(guī)約對于ASDU的長度以及信息體地址有限制，只有采用文件傳輸?shù)男问讲拍軐⑦@種海量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確高效地傳輸至主站。

假設(shè)系統(tǒng)服務(wù)器端某一次需要發(fā)布100萬個溫度數(shù)據(jù)，由于是浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，所以總長度為400萬個字節(jié)，定義節(jié)的長度為104B，則文件包含的節(jié)的數(shù)量為：

定義段的長度為100B，則每個節(jié)包含段的數(shù)量為：

因此，系統(tǒng)該次傳輸?shù)奈募?00個節(jié)，每個節(jié)的長度為10KB，每個節(jié)包含100個段，每個段的長度為100B。系統(tǒng)服務(wù)端端根據(jù)IEC60870-5-104規(guī)約定義將文件數(shù)據(jù)按照段的順序傳輸至客戶端。

2.2.2 復(fù)雜類型數(shù)據(jù)信息傳輸

以某海上風(fēng)電場海纜在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)布為例，復(fù)雜類型的數(shù)據(jù)包括AIS數(shù)據(jù)信息以及報警數(shù)據(jù)信息。

（1）AIS數(shù)據(jù)信息的文件傳輸

一個AIS數(shù)據(jù)包含MMSI識別號、設(shè)備類型、經(jīng)緯度以及航速、航向等數(shù)據(jù)，所包含的數(shù)據(jù)類型有字符串型、浮點(diǎn)型等，據(jù)此本文考慮首先使用結(jié)構(gòu)體將這些數(shù)據(jù)封裝到一個內(nèi)存塊中，對應(yīng)文件中的一個節(jié)，這樣一個節(jié)就表示一個AIS數(shù)據(jù)信息，再通過分段將數(shù)據(jù)按段發(fā)送出去。AIS信息的每個數(shù)據(jù)的類型及其分配的字節(jié)數(shù)如表2所示。

表2 AIS數(shù)據(jù)信息類型及其字節(jié)分配

由表2得知一個AIS數(shù)據(jù)信息占50個字節(jié)，也即一個節(jié)的長度為50個字節(jié)，根據(jù)文件傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)定義，將該AIS數(shù)據(jù)信息分為10個段，則每個段占5個字節(jié)，即一個段的長度為5個字節(jié)。

（2）報警數(shù)據(jù)信息的文件傳輸

表3報警信息數(shù)據(jù)類型及其字節(jié)分配

表3所示為報警信息的數(shù)據(jù)類型及其所分配的字節(jié)數(shù)，由表可知，一個報警數(shù)據(jù)信息占80個字節(jié)，將該報警數(shù)據(jù)信息分為10個段，則每個段占8個字節(jié)。

3 結(jié)語

本文首先仔細(xì)深入研究了IEC60870-5-104規(guī)約，針對實(shí)際應(yīng)用場景設(shè)計了一套基于該規(guī)約的數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)，解決了光電復(fù)合海纜在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)種類多，數(shù)據(jù)類型復(fù)雜等實(shí)際問題，并通過測試驗證了該系統(tǒng)的可行性，相信對更寬泛的場景有很好的參考價值。