UDP協議在風電機組通信系統中的實現

葉偉，丁桂林，顏毅斌，胡凱凱

（南車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

風能作為一種清潔的可再生能源，受到了世界各國的重視。中國風能儲量大、分布面廣，僅陸上風能儲量就有約253GW。2012年中國新增風電裝機容量12960MW，累計風電裝機容量為75324.2MW，雙居全球第一位[1]。發展風電，不僅可以節約常規能源，而且有利于改善能源結構，減少環境污染。風電機組的控制系統根據風速、風向對風電機組的各單元加以控制，穩定輸出電壓和頻率，并實現最大風能利用。

1 基于以太網的風電機組通信系統

近年來，性能優越的以太網應用越來越廣泛。本文基于以太網，提出了一種采用UDP協議的風電機組通信方案。采用ABB公司的可編程邏輯控制器（PLC）作為核心控制器，PLC預留了1400多 Bytes的RAM作為數據發送和接收緩沖區，能夠滿足系統需求。PLC與上位機通過以太網組成分布式計算機網絡通信系統，如圖1所示。

2 以太網通信協議

TCP/IP協議是目前網絡協議中的實際工業標準，采用TCP/IP協議會帶來諸多好處，網絡設備可以連接到Internet，實現風電機組真正意義上的遠程監控。TCP/IP是一個4層協議系統，可以分為鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層[2]。每一層都呼叫它的下一層所提供的網絡來完成自己的需求。TCP/IP協議族的4個層次如圖2所示。

圖1 風電機組分布式計算機網絡通信系統

圖2 TCP/IP協議族的4個層次

圖3 PLC與上位機通信示意圖

圖4 UDP報文結構

鏈路層完成以太網設備的驅動、物理接口的處理等任務。網絡層由多種協議組成，IP協議是其中最重要的一個，主要完成網絡互連和路由選擇。應用層則負責處理特定的應用服務。TCP/IP傳輸層有兩個并列的協議：TCP（傳輸控制協議）和UDP（用戶數據報協議）。二者的共同點是均提供了進程通信的能力，主要差別在于：TCP面向連接，需要建立“握手信息”，提供可靠通信保證；而UDP是一種無連接的服務。TCP較UDP占用較多系統資源。通信速度上，UDP比TCP快。UDP能夠達到較高的通信速率[3]。

PLC給上位機傳輸的數據主要有：報文信息；總發電量、總耗電量等全局統計量；日發電量等日統計量；機組登錄信息；風機狀態機信息；10分鐘記錄值；功率曲線；故障信息等；風電場的專用以太網帶寬可以保證通信質量，故選用UDP協議，加快通信速度，減輕控制器的負擔。

3 UDP協議的實現

3.1 UDP報文格式

上位機向PLC發送UDP請求報文，該報文中的數據“告訴”PLC需要什么信息。PLC收到UDP請求報文后，給上位機發送UDP響應報文，該報文中含有對應的信息。其通信結構如圖3。

每一個UDP報文分為UDP首部和UDP數據區兩部分。UDP協議規定UDP首部由4個字段組成，且長度固定為8個字節，每個字段占2個字節。分別為源端口號，目的端口號，UDP長度以及校驗和[4]。UDP數據區由開發人員定義。UDP報文結構如圖4所示。

上位機向PLC發送UDP請求報文，源端口號為1026（該端口號可以根據實際情況確定，通常建議使用較大的端口號，避免與其他應用沖突），目的端口號為32768。PLC給上位機發送UDP響應報文，源端口號與目的端口號都為32768。UDP長度是指每1條UDP報文的長度。UDP校驗和提供差錯檢測。由于PLC需要給上位機發送的數據量較大，我們將數據分為99個UDP響應報文發送；因而上位機也需要給PLC發送99個UDP請求報文，UDP請求報文和UDP響應報文一一對應。UDP請求報文長度統一為37個字節，對應UDP數據區長度為29個字節，UDP響應報文長度（共99個）各不一樣。UDP請求報文數據區格式與值如表1所示（16進制表示，每格代表1個字節）。

表1前7個字節為UDP協議底層自動增加的部分，其余字節預留給上位機做標志位使用。第1個字節為PLC的標識值，值為0x 5A；第6（LL）與第7（HL）字節內的數據為UDP請求報文數據區從第8字節開始到尾部的字節數，第6字節為低位，第7字節為高位，值為0x0016。第8（高8位）和第9字節（低8位），為PLC響應并返回數據的條件（可自由定義，這里定義為0x0008，）。IF1，IF2和IF3（14～16字節）是UDP請求報文的用戶標識符，可自由定義。26、27、28和29這四個字節規定了具體的UDP請求報文類型及索引。其中FCH（高8位）和FCL（低8位）為UDP請求報文類型；CIH（高8位）和CIL（低8位）為UDP請求報文類型對應的索引。一般情況下，FCH和CIH總為0，FCL和CIL的意義如表2所示，由類型值和其對應的索引值，可以得到UDP請求報文為99個，分別是1個報文信息、1個全局統計量報文、20個日統計量報文、2個登錄信息報文、2個風電機組狀態機報文、18個10分鐘記錄值報文、3個功率曲線報文和52個故障信息報文。請求報文中未說明的字節可為任意值，應用中未作處理，直接丟棄。

由表2中FCL和CIL的值，可知UDP響應報文的數量為99個。UDP響應報文數據區長度不一，前25個字節為標識值，第26字節到報文尾部為機組具體數據。UDP響應報文數據區前25個字節格式如表3所示（每格代表一個字節）。

第1～7字節為PLC系統底層自動添加。第一個字節為PLC規定的標識值，與請求報文相對應，值為5A；ID（第2～5字節）為PLC生成的標識值；LL（低8位）和HL（高8位）表明了UDP響應報文數據區從第8字節到尾部的字節數。FCL（低8位）和FCH（高8位）是指UDP報文類型，CIL（低8位）和CIH（高8位）是指UDP報文類型對應的索引，與UDP請求報文相對應。NOH（高8位）和NOL（低8位）表示由FCL所確定的某一類型響應報文的總數量；IF1，IF2和IF3是指UDP請求報文的用戶標識符，PLC不做處理將其返回給上位機。DT4，DT3，DT2，DT1是指PLC系統響應時刻的時間值；AFNH（高8位）和AFNL（低8位）是PLC標識值；FNH（高8位）和FNL（低8位）標識了該UDP響應報文幀數；第25字節的值總是00，預留備用。

表1 UDP請求報文數據區格式與值

表3 UDP響應報文數據區前25個字節格式

3.2 UDP報文的傳輸過程

PLC和上位機所采用的操作系統都能為以太網提供良好的支持。當上位機啟動應用程序時，調用UDP發送進程，把相關數據封裝成一個UDP報文，并進一步組裝成一個IP報文。當PLC接收到上位機發送的IP報文，它會將報文中的IP首部取出，判斷IP地址是否正確，若正確則判斷端口號以及UDP首部的校驗和。如果上述條件都滿足，說明此報文是有效的，接下來的工作就是將有效信息從報文中提取出來，按照規約進行解析即可。然后PLC會給上位機發送UDP響應報文，上位機接收后，對報文進行判斷和解析[5]。圖5為UDP發送－接收流程圖。

圖5 UDP發送-接收流程圖

3.3 UDP的PLC硬件組態和核心代碼段

UDP的配置主要包括硬件組態和端口設置，如圖6和圖7。圖6是在以太網接口上添加UDP協議。圖7是UDP參數設置以及端口的設置，除了端口設置之外，其他參數可以使用缺省參數。

核心代碼段包括UDP接收指令和發送指令、以及UDP請求報文解析語句。

圖6 UDP硬件組態一

圖7 UDP硬件組態二

圖8 UDP報文截圖

圖9 UDP請求報文

4 UDP報文捕獲與分析

在風電機組分布式計算機網絡通信系統中，上位機通過UDP協議從機組得到相關數據。圖8是上位機與風電場某一臺機組之間的UDP報文截圖。PLC的IP是192.168.1.130，上位機的IP是192.168.1.138。

從圖8中提取一個UDP請求報文，如圖9所示。其源端口號為1026，目的端口號為32768，UDP報文長度為37個字節，其中UDP數據區為29個字節（圖9灰色部分）。FCH和FCL的值分別為0x00和0x02，即請求報文的類型為0x0002；CIH和CIL的值分別是0x00和0x01，即請求報文類型的索引為0x0001。表明上位機向PLC請求全局統計量的數據。

圖9對應的UDP響應報文如圖10所示，其源端口號為32768，目的端口號為32768，UDP報文長度為257個字節，其中UDP數據區為249個字節（圖10灰色部分）。上位機根據規約解析數據，便可得到全局統計量，包括總發電量、總耗電量、并網次數、變漿次數、偏航次數、故障次數、制動次數等。

圖10 UDP響應報文

5 結語

UDP協議由于其簡潔、高效性而被廣泛應用。本文提出了一種基于以太網的風電機組通信系統方案。詳細闡述了UDP協議的實現過程，并分析了截取的實際UDP報文。從風電場實際運行情況看，該方案高效可靠，充分發揮了以太網的優點，能夠滿足要求。

[1] 中國可再生能源學會風能專業委員會.2012年中國風電裝機容量統計[R].2013(3):44-55.

[2] W.Richard Stevens.TCP/IP Illustrated Volume 1:The Protocol[M].北京：機械工業出版社，2000.

[3]李淑君,陳新,季寶杰.UDP協議在現場實時通信中的應[J].總線與網絡,2002(4):35-38.

[4] 竇曉波,吳在鈞,胡敏強,鄭健勇.UDP協議在變電站自動化通信系統中的實現[J].電力自動化設備，2003(12):39-42.

[5] 王海軍,劉彩霞,程東年.一種基于UDP的可靠傳輸協議分析與研究[J].計算機應用研究, 2005,(11):181-183.