104規約在調度自動化系統中的應用

馬曉紅，管 荑，林祺蓉

（1．山東電力調度中心，山東 濟南 250001；2．濟南供電公司，山東 濟南 250012）

0 引言

電網調度自動化是用來監控整個電網運行狀態的，使調度人員可統觀全局，運籌全網，有效地指揮電網安全、穩定、經濟運行，是調度現代電網的重要手段。電網調度自動化系統對電力系統的安全經濟運行起著不可或缺的作用。到目前為止，電網調度自動化系統的發展已經歷了4代。總結電網調度自動化系統的發展歷程，每一次升級換代無不伴隨著信息技術的日新月異，隨著計算機技術、網絡和通信技術、數據庫技術等的飛速發展和電力市場的要求以及國際標準的成熟完善，調度自動化系統正在朝著數字化、集成化、網格化、標準化、市場化、智能化的方向發展［1］。

隨著計算機，網絡和通訊技術的不斷發展，電力系統調度運行的信息傳輸要求也在不斷提高，信息傳輸方式已逐步走向數字化和網絡化。為此國際電工委員會電力系統控制及其通信技術委員會（IECTC57）根據形勢發展的要求制定調度自動化系統和變電站自動化系統的數據通信標準，以適應和引導電力系統調度自動化技術的發展，規范調度自動化及遠動設備的技術性能。

IEC60870-5-104傳輸規約是在IEC101規約基礎上，采用專用INTERNET網絡進行調度通信的協議標準，替代了傳統的串口通信機制。本文將討論如何在電網調度自動化系統中采用IEC60870-5-104傳輸規約來實現遠動技術網絡化。

1 IEC60870-5-104規約簡介

IEC60870-5系列通信協議體系是國際電工委員會第57技術委員會第3工作組 （IEC TC57 WG 03）于1990年開始制訂的用于變電站遠動通信的協議體系，即“遠動設備和系統”的第5部分：傳輸規約。IEC WG03定義的遠動通信協議分為以下2層：鏈路層，由 IEC60870-5-1和IEC60870-5-2描述；應用層，基礎部分由IEC60870-5-3、IEC60870-5-4、IEC60870-5-5 描述。IEC60870-5系列規約只采用了OSI 7層模型中的物理層、鏈路層和應用層，網絡層、傳輸層、會話層、表示層都為空層，其應用層直接映射到鏈路層。IEC60870-5系列協議根據應用領域定義了一系列配套標準：IEC60870-5-101 用于常規遠動［2］；IEC60870-5-102用于電能計量信息的接入；IEC60870-5-103用于繼電保護信號接入。我國已于1998年結合我國國情非等效采用 IEC60870-5-101制定了電力行業遠動通信標準DL/T634-1997《基本遠動任務配套標準》；在2002年則與國際進一步接軌，等同采用了IEC60870-5-101作為我國的行業標準，在我國的行標號為DL/T 634.5101-2002。60870-5系列規約在國內已經得到一定程度的推廣，并逐步取代原先部頒CDT規約的地位。

IEC TC57在IEC60870-5-101的基礎上，又制定了IEC60870-5-104—利用標準傳輸協議子集IEC60870-5-101的網絡訪問，它是目前唯一可供選擇的網絡訪問協議。

IEC60870-5-104 規約簡稱 104 規約［3］，適用于具有串行比特數據編碼傳輸的遠動設備和系統，用以對地理廣域過程的監視和控制。制定遠動配套標準的目的是使兼容的遠動設備之間達到互操作。104規約利用了國際標準IEC60870-5的系列文件，規定了IEC60870-5-101的應用層與TCP/IP提供的傳輸功能的結合。

104規約是通過數據網絡連接的遠動站之間傳輸相同的信息，這個數據網絡上含有轉發站，可以存儲與轉發信息，并在遠動站之間提供虛電路。這種網絡使用TCP/IP協議，可以運用不同的網絡類型，包括 X.25、FR（幀中繼）、ATM（異步傳輸模式）和ISDN（綜合服務數據網絡），它的傳輸延時取決于網絡負載，基本可以以幾毫秒來計算，由于綜合自動化站采樣系統的限制是完全可以忽略不記的。

104規約改變了電網調度系統中傳統的利用串口通訊機制進行實時數據傳輸，取而代之的是利用INTERNET技術進行調度。相比于以前的遠動技術，更加靈活、簡單、經濟。

2 104規約的組成

2.1 104規約一般體系結構

104規約定義了開放的TCP/IP接口的使用，這個網絡包含例如傳輸IEC60870-5-101 ASDU的遠動設備的局域網。包含不同廣域網類型 （如：X.25、幀中繼、ISDN等）的路由器可通過公共的TCP/IP-局域網接口互聯，圖1所示為一個冗余的主站配置與一個非冗余的主站配置。

圖1 一般體系結構

使用單獨的路由器優點：終端系統無需網絡特定軟件；終端系統無需路由功能；終端系統無需網絡管理；便于從遠動設備專業制造商處得到終端系統；便于從非專業遠動設備制造商處獲得適用于各種網絡的路由器；改變網絡類型僅僅需要改變路由器類型，不會影響終端系統。

特別適合于轉換原已存在的支持IEC60870-5-101的終端系統。

2.2 104規約結構

表1為終端系統的規約結構。

表1 所定義的遠動配套標準所選擇的標準版本

表2所示為104規約推薦使用的TCP/IP協議子集（RFC2200），傳輸層接口（用戶到TCP的接口）。

表2 所選擇的TCP/IP協議集RFC 2200的標準版本

由表1可見，104規約使用的參考模型源出于開放式系統互聯的ISO-OSI參考模型，但只采用其中的5層。104規約實際上是將101規約與TCP/IP提供的網絡傳輸功能相組合，使得IEC60870-5-101在TCP/IP內各種網絡類型都可使用，包括X.25、FR、ATM和ISDN。在5層參考模型中，104規約實際上處于應用層協議的位置；基于TCP/IP的應用層協議很多，每一種應用層協議都對應著一個網絡端口號，根據其在傳輸層上使用的是TCP協議（傳輸控制協議）還是UDP協議（用戶數據報文協議），端口號又分為TCP端口號和UDP端口號，其中TCP協議是一種面向連接的協議，為用戶提供可靠的、全雙工的字節流服務，具有確認、流控制、多路復用和同步等功能，適用于數據傳輸，而UDP協議則是無連接的，每個分組都攜帶完整的目的地址，各分組在系統中獨立地從數據源走到終點，它不保證數據的可靠傳輸，也不提供重新排列次序或重新請求功能，為了保證可靠地傳輸遠動數據，104規約規定傳輸層使用的是TCP協議，因此其對應的端口號是TCP端口，使用的端口號為2404，并且此端口號已經得到IANA（互聯網地址分配機構）的確認。對于基于TCP的應用程序來說，存在兩種工作模式，即服務器模式和客戶機模式。服務器模式和客戶機模式的區別是，在建立TCP連接時，服務器從不主動發起連接請求，它一直處于偵聽狀態，當偵聽到來自客戶機的連接請求后，則接受此請求，由此建立一個TCP連接，服務器和客戶機就可以通過這個虛擬的通信鏈路進行數據的收發。104規約規定控制站（即調度系統）作為客戶機，而被控站（即站端RTU）作為服務器。

2.3 104規約報文格式定義

傳輸接口（TCP到用戶）是一個定向流接口，它沒有為IEC60870-5-101中的ASDU定義任何啟動或者停止機制。為了檢出ASDU的啟動和結束，每個APCI包括下列的定界元素：一個啟動字符，ASDU的規定長度，以及控制域（圖2）。可以傳送一個完整的APDU（或者，出于控制目的，僅僅是APCI域也是可以被傳送的，圖3所示。

圖2 遠動配套標準的APDU定義

APCI應用規約控制信息；ASDU應用服務數據單元；APDU應用規約數據單元；啟動字符68H定義了數據流中的起點。

圖3 遠動配套標準的APCI定義

APDU的長度域定義了APDU體的長度，它包括APCI的4個控制域八位位組和ASDU。第一個被計數的八位位組是控制域的第一個八位位組，最后一個被計數的八位位組是ASDU的最后一個八位位組。ASDU的最大長度限制在249以內，因為APDU域的最大長度是253（APDU最大值=255減去啟動和長度八位位組），控制域的長度是4個八位位組。

控制域定義了保護報文不至丟失和重復傳送的控制信息，報文傳輸啟動/停止，以及傳輸連接的監視等。

圖4、圖5、圖6為控制域的定義。三種類型的控制域格式用于編號的信息傳輸（I格式），編號的監視功能（S格式）和未編號的控制功能（U格式）。

控制域第一個八位位組的第一位比特=0定義了I格式，I格式的APDU常常包含一個ASDU。I格式的控制信息如圖4所示。

圖4 信息傳輸格式類型（I格式）的控制域

控制域第一個八位位組的第一位比特=1并且第二位比特=0定義了S格式。S格式的APDU只包括APCI。S格式的控制信息如圖5所示。

圖5 編號的監視功能類型（S格式）的控制域

控制域第一個八位位組的第一位比特=1并且第二位比特=1定義了U格式。U格式的APDU只包括APCI。U格式的控制信息如圖6所示。在同一時刻，TESTFR，STOPDT或 STARTDT中只有一個功能可以被激活。

圖6 未編號的控制功能類型（U格式 ）的控制域

3 104規約實施網絡訪問主要功能

安全傳輸功能：利用I格式，U格式報文實現防止報文丟失和報文重復傳輸；

實時傳輸功能：傳輸功能和IEC101規約所實現的類似，不過在IEC60870-5-104中不召喚1級、2級數據，子站主要通過定時發送全數據；

測試功能：利用U格式報文建立主站和子站的測試握手信號；

啟停功能：利用U格式報文建立啟/停傳輸控制機制；

故障續傳功能：鏈路故障后采用的新的鏈路實現斷點續傳，搜尋鏈路故障時段內發電生產的歷史信息；

校時功能：由于網絡傳輸的時間不確定性，子站段采用GPS校時；

多線程功能：多線程技術實現對每個子站端口并行實時采訪。

4 規約實現方案

4.1 規約應用

應用服務數據單元由數據單元標識符和一個或多個信息對象所組成。數據單元標識符在所有應用服務數據單元中常有相同的結構，一個應用服務數據單元中的信息對象常有相同的結構和類型，它們由類型標識域所定義。數據單元標識符的結構如表3所示。

表3 數據單元標識符的結構

在監視方向需要實現的ASDU：

<1>：=單點信息

M_SP_NA_1（傳送YX信息）

<30>：=帶時標的單點信息

M_SP_TA_1 （傳送SOE信息）

<21>：=不帶品質描述的規一化測量值

M_ME_ND_1（傳送YC信息）

在控制方向需要實現的ASDU：

CON<46>：=雙點命令

C_DC_NA_1（遙控）

CON<47>：=升降命令

C_RC_NA_1（遙調）

在應用服務數據單元中，其數據單元標識符的第二個八位位組定義為可變結構限定詞，如圖7所示。

圖7 可變結構限定詞

SQ：＝0由信息對象地址尋址的單個信息元素或綜合信息元素。應用服務數據單元可以由一

個或者多個同類的信息對象所組成。

SQ：＝1同類的信息元素序列（即同一種格式測量值）由信息對象地址來尋址。信息對象地址是順序信息元素的第一個信息元素的地址。后續信息元素的地址是從這個地址起順序加1。

在應用服務數據單元中，其數據單元標識符的第三個八位位組定義為傳送原因，如圖8所示。

圖8傳送原因域

如果采用了源發者地址，定義如下：

<0>：＝缺省

用來定義過程信息當作返回信息、事件等，它們必須傳輸到分布系統的所有部分。

<1..255>此值域用于尋址系統的特定部分，在鏡像方向上向系統這些特定部分返回相應的信息。

在一個系統內，系統的各部分可以是啟動站總召喚、請求累計總量、命令等的信息源。返回的信息僅對啟動請求或命令的源是重要的。在這些系統中信息源將在控制方向設置應用服務數據單元的源發者地址。在被控站將在監視方向的響應中回應這個源發者地址。

4.2 應用104規約的過程描述

當主站軟件重新啟動或鏈路故障時，主站將向子站發出建立鏈路請求報文。

當鏈路建立后，進行應用數據傳送。

目前傳送的上行過程數據有全遙測、全遙信、變位遙測和變位遙信報文。

目前傳送的下行控制命令有總召喚、遙控、遙調和時鐘同步命令。

4.3 報文解析

報文解析舉例：

68 8D 00 00 00 00 15 C0 14 00 01 00 01 40 00

00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 50 10 00 00 10 11 A2 EF 60 F9 68 89 8D 02 00 00 7A 02 8F 01 F3 01 D8 3A 00 00 00 00 00 00 BD 0B B7 07 56 F6 3D 28 93 28 50 28 72 D5 00 00 00 00 00 00 00 00 EA 28 C6 29 E0 28 5B D4 D0 23 43 24 E3 23 E3 D9 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

第1個字節68，啟動字符；

第2個字節8D，報文長度；

第3至6個字節，控制域，全0表示信息傳輸；

第7個字節：類型標識：15H=21，是不帶品質碼的測量值；

第8個字節：可變結構限定詞，C0H：表示信息體有順序，后面有40H=64個遙測；

第 9至10個字節，傳送原因，14H=20，響應全召喚；

第11至12個字節，ASDU地址01 00；

第13至15個字節，信息字地址，先送低位，后送高位01 40 00=4001H；

后面每兩個字節表示一個遙測，共128個字節，64個遙測。

5 結語

研究了調度自動化系統中，遠動子系統采用IEC60870-5-104傳輸規約通過Internet網絡訪問進行數據傳輸的問題。這種方式改變了電網調度系統中僅利用傳統的串口通訊機制進行實時數據傳輸的現狀，而是充分利用了Internet技術進行調度。與以前的遠動技術相比，更加可靠、簡單、經濟，逐步實現調度自動化信息傳輸的網絡化，最終形成以網絡通道為主、專線通道為輔的調度自動化信息傳輸模式［4］。