水電站IEC103通信軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

遲海龍，劉金偉，劉曉彤，龔傳利

（1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038；2.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518100；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

0 前言

IEC60870-5-103[1](以下簡稱為103規(guī)約)繼電保護(hù)通信規(guī)約采用FT1.2異步式字節(jié)傳輸(Asynchronous byte transmission)的幀格式。規(guī)約可以多種方式實現(xiàn)。通常采用的方法是在接收和發(fā)送兩個端點上分別設(shè)置兩個計算工作線程，通信過程就是兩臺設(shè)備的收發(fā)端點進(jìn)行交互的過程。該方法一般可歸為同步處理的信息交互方式，對平衡的通信模式比較適用。同步模式因具有程序簡單明了的優(yōu)點，被很多早期規(guī)約處理程序所采納。但這種方式有明顯的不足：①程序交互過程中為同步接受和發(fā)送的信息設(shè)置的大量等待時間導(dǎo)致處理程序?qū)ν饨缧畔⒎磻?yīng)遲鈍，嚴(yán)重時可導(dǎo)致信息遺漏。②當(dāng)通信間隔裝置在采用非平衡的一對多點輪詢拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通信模式時，由于通信主站（以下簡稱主站）要面對大量被控站（以下簡稱從站），這使得主站在跟蹤各從站的通信狀態(tài)時需要大量輔助狀態(tài)變量，程序處理比較繁雜。為此，需要采用新的方法予以解決，本文提出的可以跟蹤主站以及從站通信狀態(tài)的狀態(tài)機模型方法，是解決這一問題方法之一，可以大幅降低程序開發(fā)和維護(hù)擴展的難度。本文主要討論狀態(tài)管理模型在103通信主站側(cè)的實現(xiàn)。

1 通信過程

1.1 概述

規(guī)約的傳輸過程中的數(shù)據(jù)采集就是主站和從站之間通過若干個請求/確認(rèn)或者指示/響應(yīng)服務(wù)原語[2](REQ/CONF 或者IND/RESP)的周期性數(shù)據(jù)交換達(dá)到兩端數(shù)據(jù)一致的過程。采集過程按照數(shù)據(jù)的多少可分單周期或者多周期時間完成。交互過程可通過過程圖或者狀態(tài)圖表示。圖1A、1B為交互的狀態(tài)圖，圖1C為動作序列示意圖。本文主要討論主站端的有限狀態(tài)機的實現(xiàn)方式，文中只給出通信過程的發(fā)送端狀態(tài)圖，其他圖可以類似思路實現(xiàn)。

圖1 交互過程狀態(tài)圖及序列圖

103規(guī)約工作在單點對多點的主從Polling（輪詢）方式。正常工作時，主站依次輪詢從站的2級用戶數(shù)據(jù)，如果從站產(chǎn)生1級數(shù)據(jù)，通過上送的2級數(shù)據(jù)報文控制域中的ACD標(biāo)志位[2]，請求主站查詢1級數(shù)據(jù)。主站在接收到從站查詢請求后可以馬上發(fā)出再次1級數(shù)據(jù)召喚或者在下一次輪詢周期內(nèi)發(fā)出再次召喚1級數(shù)據(jù)直到從站將ACD復(fù)位0后不再請求召喚為止。通常主站查詢完某個從站的1級數(shù)據(jù)后，則繼續(xù)開始對下一個從站的查詢。這是正常通信的一個基本過程。

主站在開始新一輪發(fā)送/確認(rèn)服務(wù)時，改變下發(fā)報文控制域中幀計數(shù)位FCB的狀態(tài)。如超時（等待時間50 ms）未收到從站發(fā)回的確認(rèn)幀或響應(yīng)幀，則不改變FCB狀態(tài)重發(fā)原報文，最大重傳次數(shù)為3次。如果重發(fā)3次后仍收不到應(yīng)答報文，則首先發(fā)復(fù)位幀計數(shù)位（FCB）復(fù)位命令，如果仍收不到應(yīng)答報文，則復(fù)位從站（CU）。復(fù)位幀計數(shù)位（FCB）復(fù)位把FCB置0、發(fā)送緩沖區(qū)不清零。復(fù)位從站把FCB置0、發(fā)送緩沖區(qū)清零。從站上電或復(fù)位后，待收到FCB或CU復(fù)位命令后，響應(yīng)確認(rèn)并請求訪問1級數(shù)據(jù)。以ASDU5標(biāo)識報文上送廠家名稱等設(shè)備信息，參數(shù)傳送原因項為FCB或CU。然后是時間同步（ASDU6）和總查詢（ASDU7）。初始化時對時采用SEND /CONFIRM方式，分別對每一個從站對時。

1.2 遙測過程

主站周期地順次對每個間隔單元召喚 2 級用戶數(shù)據(jù)，從站以ASDU03或ASDU09上送遙測數(shù)據(jù)。這個過程的全部狀態(tài)及動作序列如圖1所示 。

1.3 遙信過程

從站的全遙信通過主站對從站的總查詢上送。當(dāng)主控或從站初始化過程中啟動總查詢，以收集帶有總查詢標(biāo)志的信息。總查詢過程：主站向從站發(fā)總查詢命令（采用ASDU7），裝置以確認(rèn)幀回答后，在將總查詢信息轉(zhuǎn)成1級用戶數(shù)據(jù)后，在當(dāng)前上送報文里控制域的要求訪問位（ACD）[3]置1?？偪厥盏紸CD=1后，向裝置查詢 1 級數(shù)據(jù)。裝置以 ASDU 01（02）上送全遙信。運行正常以后，主站按一定時間間隔（約15 min）啟動總查詢。在兩次總查詢間隔過程中，總控輪詢各裝置2級數(shù)據(jù)，裝置一旦檢測到發(fā)生遙信變位，則把上送2級數(shù)據(jù)報文ACD置1，

通知主站查詢1級數(shù)據(jù)。裝置通過ASDU 01（01H）上送變位遙信和ASDU02（02H）上送SOE。

1.4 命令過程

有兩種標(biāo)準(zhǔn)的命令傳輸過程，即:①選擇和執(zhí)行命令；②直接命令。直接命令就是主站下達(dá)命令（IND原語）后，從站立刻執(zhí)行并把結(jié)果通過RESP原語反饋給主站。這里重點討論前者的狀態(tài)過程。

主站給從站發(fā)送請求原語SELECT（REQ），從站接收后，如應(yīng)用進(jìn)程準(zhǔn)備接收“選擇命令”，它將產(chǎn)生“選擇響應(yīng)”，通過SELECT(RESP)選擇命令響應(yīng)原語返送給主站。主站接收后通過SELECT（CON）選擇確認(rèn)原語產(chǎn)生“選擇確認(rèn)”。 選擇過程可由“撤消命令”停止執(zhí)行。如選擇命令得到確認(rèn)，主站再以 EXCO（REQ）請求原語向從站發(fā)“執(zhí)行命令”。 從站以 EXCO（IND）指示原語傳遞給應(yīng)用進(jìn)程功能， 將“執(zhí)行響應(yīng)”返回給控制站，產(chǎn)生肯定或否定的確認(rèn)。詳細(xì)的過程參見文獻(xiàn)[3]。文獻(xiàn)中給出了選擇和執(zhí)行命令傳輸過程序列圖。本文給出主站端的命令傳輸?shù)臓顟B(tài)圖（圖2）。圖中給出了命令發(fā)送端需要預(yù)置的3個相關(guān)狀態(tài)（總狀態(tài)的一個子集）：①設(shè)備就緒（命令起始態(tài)），②命令選擇態(tài)度，③命令下達(dá)狀態(tài)。設(shè)備就緒態(tài)為起始態(tài)，每次命令下達(dá)都要從此處出發(fā)，完成傳輸后也要回歸此態(tài)。命令選擇態(tài)和命令下達(dá)為中間過渡態(tài)，命令選擇態(tài)主要決定命令的下達(dá)與撤銷的不同路徑，命令下達(dá)態(tài)為設(shè)備等待命令執(zhí)行的中間過渡過程。

圖2 主站命令傳輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

2 狀態(tài)機（State Machine 以下簡稱SM）管理模型

狀態(tài)機是有限狀態(tài)自動機的簡稱，是現(xiàn)實事物運行規(guī)則抽象而成的一個數(shù)學(xué)模型。狀態(tài)機主要由狀態(tài)構(gòu)成，可以描述為一組狀態(tài)事件集合和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

2.1 狀態(tài)集合

狀態(tài)集合是狀態(tài)機的重要組成部分，是SM工作當(dāng)中的主要依據(jù)，對其的設(shè)計需要考慮以下幾個方面：狀態(tài)的定義和使用的便利性。通常一個工業(yè)級的SM都會有大量的狀態(tài)變量，狀態(tài)變量的管理對SM的設(shè)計有很重要的作用，決定了自動機可維護(hù)性。狀態(tài)的分組和繼承。先設(shè)計頂層狀態(tài)量然后通過繼承的機制不斷分化和細(xì)化頂層狀態(tài)的細(xì)節(jié)狀態(tài)并作為該頂層狀態(tài)的各個子狀態(tài)。按照1.2節(jié)中過程討論103規(guī)約應(yīng)該設(shè)置的狀態(tài)如表1所示。

表1 狀態(tài)定義

2.2 事件和槽函數(shù)

狀態(tài)機的事件和各個槽函數(shù)如表2所示。具體過程描述參考狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

表2 事件及槽函數(shù)集合

3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖是狀態(tài)機模型的動態(tài)工作的具體體現(xiàn)，這里主要討論初始化過程和采集通信過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的細(xì)節(jié)。

3.1 初始化及異常狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

在主站端上電后或者發(fā)送請求報文超過3次收不到應(yīng)答的情況下，系統(tǒng)會跳轉(zhuǎn)到初始化階段對通信鏈路進(jìn)行重置。在這一狀態(tài)下主要做復(fù)位、召喚鏈路、時鐘同步等工作。狀態(tài)圖如圖3所示。異常狀態(tài)是設(shè)備在鏈路應(yīng)答超時或者遇到通信錯誤時需要設(shè)置的狀態(tài)，該狀態(tài)負(fù)責(zé)設(shè)備從錯誤中復(fù)位的工作。

圖3 初始化狀態(tài)圖

3.2 采集通信狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

采集通信態(tài)主要負(fù)責(zé)遙測遙信采集和命令的傳輸。遙測遙信的采集過程狀態(tài)圖如圖4所示。工作態(tài)由子狀態(tài)s21至s25構(gòu)成。s21為起始狀態(tài)和穩(wěn)定態(tài)，其他狀態(tài)均為請求過程中的過渡狀態(tài)。過渡狀態(tài)中均有定時器負(fù)責(zé)超時后處理工作。采集主要負(fù)責(zé)規(guī)約中1級2級數(shù)據(jù)的召喚工作。

圖4 采集通信狀態(tài)圖

4 通信程序?qū)崿F(xiàn)

4.1 總體框架

IEC103通信程序主要由主控端、SM狀態(tài)機模塊和接口消息處理模塊3個部分組成(圖5)。主控模塊主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)上電自檢復(fù)位以及正常順序調(diào)度等工作。 SM模塊是規(guī)約的具體執(zhí)行模塊，按照之前討論的方式對各種通信的報文指令作出正確的判斷及響應(yīng)。消息處理作為單獨一個作業(yè)任務(wù)，主要監(jiān)視通信串口發(fā)過來的信息，并將信息進(jìn)行分類判斷后翻譯成SM能夠識別的事件和數(shù)據(jù)。

圖5 IEC103通信主體框架

4.2 SM框架實現(xiàn)

本文采用自定義框架的開發(fā)方式，同時借鑒了商用SM的成熟經(jīng)驗。從最頂層開始狀態(tài)可設(shè)置為起始狀態(tài)和中間過渡狀態(tài)。兩種狀態(tài)的最大差別在于中間過渡狀態(tài)中要加入定時器超時處理。具體做法是在狀態(tài)State 類的onEnter（）和onExit（） 狀態(tài)出入函數(shù)中加入定時器啟停操作和狀態(tài)在本狀態(tài)的超時次數(shù)（Repetitions）的判斷，如果在本狀態(tài)中超時重復(fù)次數(shù)超過3次則需要向SM繼續(xù)發(fā)送一條重復(fù)大于3次的事件，狀態(tài)機轉(zhuǎn)而到異常處理狀態(tài)中。起始狀態(tài)下派生出設(shè)備初始化狀態(tài)s0和設(shè)備就緒工作態(tài)s21，中間過渡態(tài)包括了除了上面兩個狀態(tài)之外的其他狀態(tài)。

狀態(tài)機的核心是狀態(tài)轉(zhuǎn)移表的定義，在程序中可以定義為如下結(jié)構(gòu)數(shù)組,其中第一列對應(yīng)當(dāng)前狀態(tài)，第二列對應(yīng)事件，第三列對應(yīng)轉(zhuǎn)移后狀態(tài)，第四列為槽函數(shù)，最后為函數(shù)的參數(shù)定義。這里第一行定義了在通信采集狀態(tài)下，遇到總召事件后要跳轉(zhuǎn)到總召狀態(tài)中，對應(yīng)的處理函數(shù)為發(fā)送總召命令SendNegotiateDataCmd。該狀態(tài)轉(zhuǎn)移表為狀態(tài)機工作的核心部分，狀態(tài)機在每次遇到事件到達(dá)時都要首先查找這個轉(zhuǎn)移列表來確定下一步的操作。當(dāng)業(yè)務(wù)變化時只需修改這里的狀態(tài)定義表即可，從而提高程序重用性。

5 結(jié)束語

本文先后討論了IEC103規(guī)約主要通信過程的實現(xiàn)以及從SM的角度去實現(xiàn)規(guī)約的主要要求。通信過程一般分為多個階段，每一階段對應(yīng)著不同的狀態(tài)，因而有狀態(tài)改變過程。狀態(tài)機天然屬性很好地滿足了通信過程的這種特點，采用狀態(tài)機模型主要有以下優(yōu)點：

（1）面對非平衡傳輸模式傳輸?shù)脑O(shè)備時，能夠很好地記錄下各個子站設(shè)備的當(dāng)前工作狀態(tài)并按照實時狀態(tài)做出正確及時的響應(yīng)，提高通信響應(yīng)速度 。

（2）采用的狀態(tài)機框架同時也符合程序設(shè)計中的狀態(tài)模式，該模式不僅使程序更加結(jié)構(gòu)化，避免大量分支語句帶來的混亂，而且大大提高了程序的擴展和維護(hù)的便利性。