IEC 60870-5-104規約在電網接地故障監控中的應用

李文宏 張修華

(山東科技大學信息與電氣工程學院，山東 青島 266510)

0 引言

由于煤礦的特殊工作環境，它對供電系統的要求較為嚴格，因此可靠、高效的電力故障監控系統對煤礦的安全生產極其重要。本文所述的監控系統以支持TCP/IP協議和現場總線接口的工控機為核心部件。作為總線上的主控器和煤礦局域網上的節點，監控系統通過總線與故障檢測模塊交換信息，通過以太網與上位機監控軟件交換信息，使總線通信局限于單個變電所;主體通信通過以太網完成，從而減少外界干擾，擴大檢測系統的覆蓋面，提高系統的工作效率。

IEC 60870-5-104之前的規約大多在具有永久連接電路的站間傳輸基本遠動信息，而104規約是“采用標準傳輸文件集的 IEC60870-5-101 的網絡訪問”［1－5］，運行于TCP協議之上，可以在TCP/IP框架內運行在不同結構的網絡上［6－9］。本文主要分析了104規約的數據格式、傳輸規則和機制，并在TCP/IP協議基礎上實現了104規約的主要功能。

1 系統總體結構分析

前期煤礦的供電監控系統大多采用現場總線技術，各個變電所相互獨立，信息傳輸距離較短，易受現場環境的干擾;組成的網絡規模小，不能實現真正意義上的遠程監控，必須進行現場操作才能獲得變電所的供電參數。這使得井下操作效率低下、安全性低。早期監控系統框架如圖1所示。

圖1 早期監控系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the monitoring system of early stage

基于網絡技術的檢測系統能克服總線型系統的缺點，上位機和所有變電所都掛接到網絡上，所有信息參數通過TCP/IP網絡傳輸，可以真正實現遠程監控和數據統計。這樣的監控系統覆蓋面廣、組網簡單靈活、易于擴展，其系統框圖如圖2所示。

圖2 基于網絡的監控系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of the monitoring system based on network

在基于網絡技術的檢測系統中，工控機系統支持TCP/IP協議和總線接口，104規約也在工控機上實現。工控機通過總線接口讀取各個檢測模塊采集到的故障信息，并根據信息的類型打包成相應格式的104規約數據包，再通過網絡套接口發送到網絡上;上位機接收此數據報，在解析出現場信息之后，再進行下一步的用戶交互操作。

2 IEC 60870-5-104規約格式解析

IEC60870-5-104規約的數據格式［4］定義具體如表1所示。

表1 遠動配套標準的APDU定義Tab.1 Definition of APDU for telecontrol supporting standard

表1中，啟動字符為68 H，定義了數據流的起點。應用協議數據單元(application protocol data unit，APDU)的長度是指控制域字節到APDU最后一個字節之間的所有字節數。

IEC 60870-5-104規約規定了I格式幀、S格式幀和U格式幀3種幀類型，幀類型由4個控制域字節決定。類型標志用來標志APDU中數據的類型，主要包括遙測、遙信/變化遙信、順序事件記錄SOE、遙控等，每種類型各有1 B的常量值與之對應。

可變結構限定詞的各位段取值如表2所示。

表2 結構限定詞Tab.2 Structure qualifiers

表2中，SQ和N均表示可變幀長。

傳送原因字段用來標志數據傳輸的原因，主要包括周期、循環、突發、初始化、請求/被請求、激活、激活確認、激活結束、響應總召喚等，每個傳送原因都對應1 B的常量值。公共地址一般與鏈路地址相同。信息體地址分為兩類:若是響應總召喚類變長幀，信息體地址為0000;若為轉發YC/YX/YM值，則信息體地址為YC/YX/YM。品質描述主要用于命令數據傳送，主要包括召喚全數據、召喚組數據、召喚全電度、召喚組電度或YC/YX/YM值。遙控命令限定詞的位定義如表3所示。

表3 遙控命令限定詞Tab.3 Telecontrol command qualifiers

表3中，S/E為0表示遙控執行，為1表示遙控預置;DCS為0表示不允許，為1表示遙控分閘，為2表示遙控合閘，為3表示不允許。

3 IEC 60870-5-104規約的實現

IEC 60870-5-104規約使用TCP/IP提供的服務在網絡上傳輸。現在的操作系統大都支持TCP/IP協議棧，在無操作系統的情況下，也有許多功能比較完善的TCP/IP 協議模塊可以直接使用［10］，如 BSD TCP/IP、LwIP、uIP、TinyTcp等，它們提供了充分的用戶接口，可以開發網絡應用程序而不必關心協議的具體實現細節。本文設計的系統目前運行于Windows系統下，提供了大量Socket API和2個Socket類。這些接口和類封裝了網絡協議的細節，可以使用戶專注于應用層程序(104規約)的開發，提高開發效率，縮短開發周期。

3.1 規約的變量定義

IEC 60870-5-104規約中定義了一些變量，這些變量的狀態在數據傳輸過程中是不斷變化的，是數據準確傳輸的前提。因此，在應用程序開發中要對這些變量特別關注，必須通過相應的編程技術對它們加以保護，避免訪問沖突。這些變量主要有:APDU總長度、端口號、發送序列號NS、接收序列號NR等，具體定義如下。

①APDU總長度:IEC 60870-5-104規約規定APDU的總長度限制為255 B，故應用服務數據單元(application service data unit，ASDU)最多包含249 B 的數據。

②端口號:在傳輸層固定為2404，這已經得到互聯網數字分配授權(Internet assigned number authority，IANA)的認可［5］。

③發送序列號NS:發送方每發送一幀數據，發送序列號就自動加1，并記錄發送幀的個數，此值在初創建或重新創建TCP連接時初始化為0。

④接收序列號NR:接收方每接收一幀數據，接收序列號就自動加1，當此值被返回給發送站時，表示所有發送序列號小于此值的APDU被認可。

⑤t0:連接建立應在此時間范圍內完成，否則連接建立超時，默認值為30 s。

⑥t1:發送方發送一個I格式或U格式報文后，應在此時間范圍內得到對方的確認信息，否則將重新建立TCP連接，默認值為15 s。

⑦t2:接收方在接收到I格式報文后，若經此時間后沒有新I格式報文送來，則接收方要發送S格式幀對已收到的I格式幀進行確認，默認值為10 s。

⑧t3:在此時間內若沒有收到任何格式的數據，則應向對方發送測試鏈路幀。在接收到任一種格式的數據后，復位此時間值，默認值為20 s。

⑨k:在某一特定時間內，若未被確認的連續編號的I格式幀的個數達到此數值時，發送方停止發送，默認值為12個APDU，取值范圍為1～32767個APDU。

⑩w:接收方在收到I格式后應盡快進行確認，104規約規定最晚在接收到w個I格式幀后必須進行確認，默認值為8個APDU，取值范圍為1～32767個APDU。

3.2 規約的數據傳輸

IEC 60870-5-104規約既規定了數據格式，又規定了數據收發規則，保證數據的可靠傳輸，這些規則和要求是104規約實現的依據。104規約是建立在TCP協議基礎上的。TCP協議是面向連接的可靠傳輸協議，具有完備的編號系統、差錯控制、流量控制和擁塞控制等機制，以保證數據傳輸的可靠性［8］。因此，在規約實現時，可以充分利用這些控制機制來提高信息的傳輸效率和準確性。104規約定義的功能較多，可根據實際需要在實現時予以裁減。規約的主體功能實現主要包括以下幾個方面的內容。

3.2.1 連接初始化

連接初始化步驟如下。

①連接建立。104規約規定發送數據前必須先建立連接，連接由控制站建立。若所有站都是控制站，則選擇其中的一個建立。控制站向網絡發送主動連接請求，若被控站監聽到此請求，則連接建立;否則控制站將反復發送此連接請求，直到被控站返回，被動打開連接請求。監聽到控制站連接請求后，建立連接。

②連接重置。在連接建立后，如果出現連接故障，控制站可以重置連接。控制站首先發出重置命令，被控站確認并發出主動關閉連接請求，主控站確認并發送被動關閉連接請求，兩站之間連接被釋放。經過一段時間(即t0)后，開始建立新連接操作。

③連接關閉?？刂普竞捅豢卣径伎梢蕴岢鲠尫胚B接的請求?？刂?被控站發出主動關閉連接請求，被控/控制站確認并發送被動關閉連接請求，控制/被控站對這個被動關閉請求作出確認后，連接被釋放。

④傳輸控制。TCP邏輯鏈路成功建立后，控制站必須利用U格式幀中的STARTDT和STOPDT位來控制被控站的數據傳輸，否則被控站不會發送任何數據(未編號的控制功能除外);同時，通信雙方要一直監視鏈路，使得當鏈路故障時，能夠再次發送連接請求重新建立連接。主站發送開始或結束控制報文，當子站正確應答此報文后，即可以開始或結束數據傳輸過程。

3.2.2 數據上傳

數據上傳主要包括以下幾個方面。

①事件主動上傳。104規約采用的是平衡傳輸方式，當子站檢測到突發事件后，應主動上傳事件信息，如變位遙信、帶時標的變位遙信等。子站主動上傳，主站要予以確認。

②循環上傳。對于電壓、電流等模擬量數據，其值是連續變化的，要在一定的時限內以遙測幀的形式循環上傳。子站上傳，主站確認。

③召喚上傳。當主站需要某類信息時，發送相應的召喚命令，子站根據主站的要求發送相應的數據包。一般在連接建立、時鐘同步之后，主站會發送總召喚命令;子站根據總召喚命令發送相應的全部信息。上傳完一種類型的數據后，主站要進行確認。

④傳輸確認。如果數據只在一個方向傳輸，就要在另一個方向發送S格式幀，認可已經發送的APDU，否則已經傳送的數據無效。

3.2.3 主站遙控

遙控命令用于遠程控制子站的執行機構，以完成相應操作。主站發出遙控預置命令，由子站進行返校確認;主站在接收到返校幀后，發送遙控執行命令，由子站執行并返回執行確認幀;執行完成后再發送執行完成幀，從而完成一個遙控過程。

3.2.4 時鐘同步和鏈路測試

①時鐘同步。在最大網絡延遲小于規約要求的時鐘精度的情況下，應該進行時鐘同步，如果不進行同步，帶時鐘信息的數據中，時間信息就變得沒有意義。首先主站發送時間同步命令，子站在接收后更新時鐘，并生成時鐘報文發送給主站，用以確認;主站確認后即完成同步。系統初始化時要進行同步，且以后每隔一定的時間要再進行同步操作。

②鏈路測試。如果連接建立但沒有使用，或在規定時間間隔內沒有數據傳輸，就要發送測試幀，并在兩個方向上進行周期性測試。

除以上所述功能外，用戶還可根據需要，添加文件傳輸、參數裝載、累積量傳輸等功能，具體細節參考文獻［5］。

3.3 規約實施流程

采用工控機作為104規約網絡傳輸系統中的被控站和現場總線系統中的主控制器。下位機的具體任務流程與104規約的應用場合有關，不同場合有不同的信息關注點，因此其任務內容也會有差異。但總體說來，104規約的實施內容主要包含以下幾個步驟。

①建立TCP連接。

②請求數據通信。TCP連接建立后，要啟動鏈路才能夠開始I格式的數據傳輸，否則鏈路上只能傳輸U格式的數據。

③對時。若將要傳輸的數據需時間信息，則應先同步各個站點之間的時鐘，否則數據包中的時標信息對控制站來說是無意義的。

④總召喚。一般系統啟動后要先收集子站上所有的信息，如各線路的開合狀態、電流電壓值等，這時控制站就需要進行一次總召喚操作，將子站的全部狀態信息收集一次。

⑤一般數據傳送。完成以上幾步后，控制站開始調度各個被控站點的事件主動上傳、一般遙信/遙測數據上傳以及遙控數據傳輸等操作。

需要注意的是:鏈路測試、計時程序、故障診斷等輔助程序是與以上過程并行執行的，無論哪個環節出現鏈路中斷、計時超時等問題，系統都會調用相應的關閉連接、重置連接、鏈路測試、單向確認等子程序，以及時處理這些問題，確保系統的正常運行。

⑥斷開或重置連接。TCP鏈路使用完畢后要斷開連接，若通信過程中TCP鏈路出現故障，則要根據實際要求關閉或重置鏈路。

4 結束語

試驗和應用證明，本文所述的基于工業以太網技術、采用IEC 60870-5-104規約的電力監控系統［10-14］靈活高效，能夠很好地完成煤礦電力監控系統所要求的全部功能。與傳統的采用現場總線技術、Modbus協議［15－16］、CDT規約等半雙工或不平衡傳輸協議的監控系統相比，該監控系統具有很大的效率優勢。在當前一定時期內，系統還可與IEC 61850規約系統配合使用，共同構建大型電力監控系統。

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