變電所Modbus與IEC 60870-5-103通信規(guī)約

牟思宇

摘? 要：文章探討繼電保護(hù)通訊規(guī)約傳統(tǒng)的Modbus協(xié)議（以成都地鐵1、2、4號線為例）與新開線路使用的IEC 60870-5-103通信規(guī)約（以成都地鐵3、7、10號等線為例）在地鐵系統(tǒng)的作用，結(jié)合目前成都地鐵運(yùn)營現(xiàn)狀闡述了這兩種繼電保護(hù)通信規(guī)約的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：Modbus協(xié)議;IEC 60870-5-103;繼電保護(hù)通訊規(guī)約

中圖分類號：TM922.4? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）17-0072-03

Abstract： This paper discusses the function of relay protection communication protocol traditional Modbus protocol （taking Chengdu Metro Lines 1， 2， and 4 as examples） and IEC 60870-5-103 communication protocol （Chengdu Metro Lines 3， 7， 10， etc.） in subway system. According to the current operation situation of Chengdu Metro， this paper expounds the advantages and disadvantages of these two relay protection communication protocols.

Keywords： Modbus protocol; IEC 60870-5-103; relay protection communication protocol

1 概述

IEC870-5-103通信規(guī)約是國際電工委員會（IEC）定義變電站控制系統(tǒng)與保護(hù)設(shè)備之間相互通信的配套標(biāo)準(zhǔn)。目前，成都地鐵既有線（1、2、4號線）的電力監(jiān)控系統(tǒng)中大多使用的通信規(guī)約為Modbus協(xié)議，但基于這種通信模式固有不足，在新修乃至未來的線路（目前3、7、10號等線）的繼電保護(hù)通信規(guī)約中推廣和應(yīng)用IEC870-5-103或更齊全的通信規(guī)約是必然趨勢。

2 傳統(tǒng)Modbus協(xié)議

2.1 Modbus的含義

Modbus協(xié)議是一種完全開放的協(xié)議，是適用于電子控制器上的一種通用語言。經(jīng)過此協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)控制器之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間的相互通信。目前世界上有許多與自動化設(shè)備有關(guān)的廠商采用了這樣的協(xié)議。

2.2 Modbus規(guī)約的主要缺點(diǎn)

Modbus協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)很多，例如用戶可以免費(fèi)獲得協(xié)議及樣板程序;網(wǎng)絡(luò)實(shí)施價(jià)格低廉，可全部使用網(wǎng)絡(luò)通用部件;易于集成不同的設(shè)備。但Modbus協(xié)議的缺點(diǎn)也是顯而易見的。

2.2.1 通訊效率低

Modbus通訊的理論距離是1200m，距離越長，信號衰減越厲害，加上有一些電纜質(zhì)量較差，衰減更厲害，干擾源就不再贅述。例如：成都地鐵2號線變電所跟隨所的溫控器等設(shè)備的通訊采用Modbus協(xié)議，距離較遠(yuǎn)，會對通訊效率產(chǎn)生一定影響。解決的方法如下：第一種方法是信號衰減，更換質(zhì)量更好的電纜，或者在通訊電纜中間加中繼器（優(yōu)點(diǎn)可以延長Modbus通訊的理論距離，缺點(diǎn)是需要供電）;第二種方法是排除干擾源，這是最理想的方法，當(dāng)然這種方法比較困難。也可以嘗試更換屏蔽效果更好的電纜，盡量減少和供電電纜放到一起。另外，有些設(shè)備Modbus接線端子沒有終端電阻，可以在電纜兩端各并聯(lián)一個(gè)終端電阻（電阻為120歐）。

2.2.2 Modbus為串行鏈路主-從問答式協(xié)議

Modbus為串行鏈路協(xié)議主-從問答式協(xié)議，這是Modbus協(xié)議的主要弊端。主節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)需要詢問部分子節(jié)點(diǎn)信息時(shí)或設(shè)定一段時(shí)間間隔向子節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)時(shí)選擇方式均為總召，依次向各個(gè)子節(jié)點(diǎn)詢問后子節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。例如首選向子節(jié)點(diǎn)詢問收集遙測數(shù)據(jù)，完成之后再詢問收集遙信信息。這樣的模式會導(dǎo)致當(dāng)子節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間長，每次收集的信息量大，容易存在掉包等情況發(fā)生，這種模式在只對單個(gè)或部分子節(jié)點(diǎn)收集信息時(shí)效率大大降低且犯錯率大大增高，且Modbus的主問子答數(shù)據(jù)傳輸方式不能夠做到設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)選擇變化上送。最突出的問題還在于PSCADA設(shè)備無法采集到保護(hù)測控裝置的實(shí)際最大值，甚至誤差比較大，這與地鐵行業(yè)中對數(shù)據(jù)分析要求日益提高是完全不相適應(yīng)的。

2.2.3 自適應(yīng)性差，需要合理組態(tài)

Modbus是開放式協(xié)議，沒有一定的標(biāo)準(zhǔn)接口，所以廠家為了滿足用戶的要求，開發(fā)相應(yīng)的通訊接口和軟件，Profibus、DNP、Modbus標(biāo)準(zhǔn)接口現(xiàn)正處于開發(fā)中，所以通訊接口和組態(tài)軟件形成標(biāo)準(zhǔn)尚需時(shí)間。隨著科學(xué)技術(shù)日新月異，目前現(xiàn)成的產(chǎn)品就能滿足IEC的國際標(biāo)準(zhǔn)，所以全面推廣IEC60870-5-103等IEC國際規(guī)約協(xié)議才是最好的解決辦法。

3 IEC870-5-103通信規(guī)約

3.1 IEC870-5-103通信規(guī)約的含義

IEC60870-5-103通信規(guī)約是一種國際引進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)。IEC在制定IEC60870-5-103等系列協(xié)議的時(shí)候，只是按照國際上常用電力系統(tǒng)設(shè)備的信息傳輸需求制定了專用和兼容范圍。

3.2 IEC870-5-103通信規(guī)約在地鐵系統(tǒng)中的運(yùn)用

IEC870-5-103通信規(guī)約在地鐵中的接口標(biāo)準(zhǔn)也有為RS485（串口103規(guī)約）和光纖（UDP網(wǎng)絡(luò)103規(guī)約）兩種，在設(shè)備間隔層中常用串口103規(guī)約，在傳輸層中常用UDP網(wǎng)絡(luò)103規(guī)約。

IEC870-5-103通信規(guī)約有固定幀長報(bào)文和可變幀長報(bào)文兩種報(bào)文格式。前者主要用于傳送“召喚、命令、確認(rèn)、應(yīng)答”等信息，后者主要用于傳送“命令”和“數(shù)據(jù)”等信息。

例：主站發(fā)：68 09 09 68 73 01 07 81 09 01 ff 00 00 05 16

目的：給地址為01的裝置下發(fā)總召喚令。

子站回答：10 20 01 21 16

目的：ACD位置1，子站向主站請求上送1級數(shù)據(jù)。

主站發(fā)：10 5b 01 5c 16

目的：主站向子站召喚2級數(shù)據(jù)。

子站回答：10 09 01 0a 16

目的：子站回答無所要求數(shù)據(jù)。

上述兩條報(bào)文為某號線UDP網(wǎng)絡(luò)IEC870-5-103通信規(guī)約的2條報(bào)文，一條是向裝置召喚1級數(shù)據(jù)，另一條為召喚2級數(shù)據(jù)。通常1級數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸，例如一些重要報(bào)警信息等;2級數(shù)據(jù)選擇為一般信息或數(shù)值，例如遙測值等。地鐵運(yùn)行中，所內(nèi)各類報(bào)警信息較多，當(dāng)發(fā)生某些瞬時(shí)性故障時(shí)，若數(shù)據(jù)發(fā)生翻轉(zhuǎn)（地址位置0置為1后再翻轉(zhuǎn)為0），在輪詢制的Modbus協(xié)議中地址可能在詢問前已發(fā)生翻轉(zhuǎn)變位，則默認(rèn)未發(fā)生變位從而導(dǎo)致漏掉此條瞬時(shí)性故障信息。而IEC870-5-103通信規(guī)約中會將變位信息存儲于緩存中，子站主動詢問上送或主站總召時(shí)上送。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間機(jī)制方面，根據(jù)正線報(bào)文時(shí)刻分析可知，主站向子站召一數(shù)據(jù)時(shí)，Modbus協(xié)議輪詢制方式詢問一輪的時(shí)間在2至5秒不等，而IEC870-5-103通信規(guī)約詢問一點(diǎn)的時(shí)間只需幾百毫秒，IEC870-5-103通信規(guī)約傳輸時(shí)間方面顯然是要比Modbus協(xié)議更加節(jié)省時(shí)間，效率更高。

另一方面，在地鐵中，機(jī)車的牽引負(fù)荷峰值產(chǎn)生瞬時(shí)性較強(qiáng)，Modbus協(xié)議輪詢制的方式可能導(dǎo)致錯過產(chǎn)生的峰值數(shù)據(jù)后再詢問，詢問上送的峰值不一定是產(chǎn)生的準(zhǔn)確峰值。而在IEC870-5-103通信規(guī)約中可以將產(chǎn)生的峰值記錄并緩存。在地鐵行業(yè)高速發(fā)展期間，越來越重視對線路實(shí)際負(fù)荷的準(zhǔn)確計(jì)算，從而與線路設(shè)備的容量等各類參數(shù)進(jìn)行分析對照，確保一條線路的穩(wěn)定運(yùn)營。因此在今后的地鐵線路修建中，可以將IEC870-5-103及其以上標(biāo)準(zhǔn)的通信規(guī)約作為繼電保護(hù)規(guī)約選擇的參照標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 IEC870-5-103規(guī)約的主要優(yōu)點(diǎn)

在IEC870-5-103規(guī)約主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

3.3.1 層次明晰

IEC870-5-103規(guī)約具體明確了物理連接的方法及接口標(biāo)準(zhǔn)，為硬件設(shè)施的相互連接提供了更好的條件。

IEC870-5-103規(guī)約不僅具有Modbus協(xié)議的議主-從問答式的數(shù)據(jù)傳輸方式，它還能夠在單個(gè)子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，子節(jié)點(diǎn)主動詢問主節(jié)點(diǎn)是否上送，能夠做到底層數(shù)據(jù)變化時(shí)變化上送。主節(jié)點(diǎn)也能夠單獨(dú)詢問子節(jié)點(diǎn)所需要的數(shù)據(jù)信息而非與像Modbus協(xié)議的模式一樣即使只是需要單個(gè)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息上送也必須采取總召的模式。

一般的報(bào)文校驗(yàn)、一類數(shù)據(jù)查詢、接收數(shù)據(jù)區(qū)已滿等只要在鏈路層即可分析完成，縮減了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)長和分析的層次，更好地提高了傳輸效率，具備了更快更好的數(shù)據(jù)響應(yīng)能力，并且對于重點(diǎn)信息和保護(hù)事件的采集更加快捷。在應(yīng)用層只用分析長報(bào)文中的應(yīng)用報(bào)文，并且根據(jù)其類型標(biāo)識、限定詞及傳輸緣由等就可以進(jìn)一步方便而快捷的分析，層次明晰。

3.3.2 結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)

對于IEC870-5-103規(guī)約而言，它的結(jié)構(gòu)十分嚴(yán)謹(jǐn)。一是在鏈路層中，它的各個(gè)數(shù)據(jù)位都有詳盡的說明與分析，明確規(guī)定了不同的傳輸方向、有一類數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)區(qū)溢出的標(biāo)志方法;二是在應(yīng)用層中，它的每個(gè)字節(jié)都進(jìn)行了詳細(xì)的應(yīng)用，既有標(biāo)識代碼、單元集等，均要詳細(xì)查找規(guī)約規(guī)定，可對每一個(gè)報(bào)文進(jìn)行詳細(xì)的分析，明確表明信息的各個(gè)細(xì)節(jié)。三是保護(hù)裝置的地址會在鏈路層和應(yīng)用層中多次重復(fù)出現(xiàn)，以保證沒有任何地址錯位等情況，防止產(chǎn)生誤動信息;四是對于回傳的報(bào)文信息還具體明確了保護(hù)裝置及信息的類型等，內(nèi)容十分詳盡嚴(yán)謹(jǐn)，以確保在保護(hù)發(fā)生動作時(shí)報(bào)文信息能夠迅速而準(zhǔn)確地上送。

在通信情況上，由于保護(hù)原理及上送量的不同，監(jiān)控系統(tǒng)采集的內(nèi)容不盡相同。且經(jīng)過長時(shí)間的實(shí)際測試，發(fā)現(xiàn)IEC 870-5-103規(guī)約具有響應(yīng)迅速、信息量大且極為詳細(xì)的特點(diǎn)，對測量量更新、變位信息、保護(hù)動作發(fā)生等均可迅速、準(zhǔn)確地做出反應(yīng)。

3.3.3 報(bào)文簡潔

IEC870-5-103規(guī)約對報(bào)文各個(gè)位進(jìn)行了詳盡嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉?biāo)注。它用相同的報(bào)文頭表示不同的內(nèi)容，并且根據(jù)傳送的原因、信息的內(nèi)容不同進(jìn)行了區(qū)分，相比Modbus協(xié)議報(bào)文格式更加簡潔，更加容易分析報(bào)文，而這一點(diǎn)對于供電系統(tǒng)上要求的安全可靠性極為重要。以測量值為例，IEC 870-5-103規(guī)約采用1幀報(bào)文上送所有的遙測值，報(bào)文簡潔，實(shí)效性好。

3.3.4 通用開放

基于地鐵的微機(jī)保護(hù)的特殊性、機(jī)車負(fù)荷峰值出現(xiàn)的瞬時(shí)性、無人值班、遠(yuǎn)程診斷和將來系統(tǒng)擴(kuò)展等需求，IEC870-5-103規(guī)約采用了使用兼容范圍的通用分類服務(wù)方式交換數(shù)據(jù)，對于未來擴(kuò)展的功能和數(shù)據(jù)具有開放性。

IEC870-5-103規(guī)約具有國際通用性和開放性，已在世界各地廣泛運(yùn)用。但I(xiàn)EC870-5-103規(guī)約的缺點(diǎn)就在于較之Modbus協(xié)議而言結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，部分設(shè)備廠商使用103規(guī)約時(shí)部分功能受到限制，比如參數(shù)讀取、遠(yuǎn)方整定值修改、故障錄波或干擾記錄的信息傳送等，因此還需要各方在103規(guī)約推廣上更加主動積極。

4 結(jié)束語

國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約IEC60870-5-103具有很多優(yōu)點(diǎn)，兼容性好，功能強(qiáng)大，切合了變電所控制系統(tǒng)與保護(hù)設(shè)備通信的特點(diǎn)和實(shí)際情況，使地鐵變電所綜合自動化系統(tǒng)中監(jiān)控系統(tǒng)與微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)之間的規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)化，避免了廠家及其相應(yīng)設(shè)備因非標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)約而發(fā)生沖突，大大提高了生產(chǎn)效率。正確、有效地使用103規(guī)約，對于今后地鐵在變電站自動化建設(shè)中也會起到極大的推動作用。

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