IEC60870-5-104通訊協(xié)議在核電廠工程的應用

王 強，汪富強，夏豐元

（中廣核工程有限公司，廣東深圳，518124）

0 引言

陽江核電廠DCS采用MACS6儀控系統(tǒng)，由利時公司供貨；500KV開關站及其配電裝置的控制設備采用微機網(wǎng)控系統(tǒng)（NCS），由南瑞繼保公司供貨。

陽江核電廠采用了先進的控制室設計理念，所以主控制室只放置DCS的操作員站。主開關站500KV超高壓配電裝置按“一臺半斷路器接線”原則進行設計，其就地控制室設在開關站電氣綜合樓（TB）。500KV所有開關設備，設計上要求在正常情況下必須提供兩種控制操作手段：主控制室或TB樓控制室。

為了達到在主控制室對500KV相關設備進行操作和監(jiān)視，因此需要在DCS與NCS之間進行快速可靠的信號交換。參考核電廠遼寧紅沿河電廠對于上述需要交換的信號均采用硬接線方式，由于DCS與NCS相距較遠約1.5KM，所以導致需布置大量電纜進行信號傳遞，經(jīng)過對比分析和設計論證后，陽江核電廠決定采用硬接線和網(wǎng)關通訊兩種方式對DCS與NCS進行信號傳遞：

硬件線信號傳遞主要用于對可靠性、響應時間嚴格要求的控制信號，如500KV開關站斷路器合閘指令。

網(wǎng)絡通訊信號傳遞為DCS與NCS大多信號采用的方式，如模擬量采集（AI）、狀態(tài)量采集（DI）以及對于可靠性要求不高且響應時間滿足要求的控制信號，如500KV開關站斷路器分閘指令。

IEC60870-5-104通訊協(xié)議在國內(nèi)電力行業(yè)應用較為成熟，特別是電力系統(tǒng)及其電網(wǎng)調(diào)度，如與IEC60870-5-104相對應的電力行業(yè)標準為DLT 634.5104-2002 遠動設備及系統(tǒng)。陽江核電廠采用IEC60870-5-104通訊協(xié)議進行DCS與NCS通訊卻為CPR1000核電廠首次用于DCS與電氣系統(tǒng)間通訊方案，所以，本文著重介紹該通訊方案的實踐，進而論證該方案的正確性。

1 DCS與NCS通訊方案實施

1.1 DCS與NCS通訊總體結構

陽江核電廠，綜合考慮了網(wǎng)絡通訊可靠性，數(shù)據(jù)傳輸速率及實時性需求，基于IEC60870-5-104協(xié)議，DCS與TGC之間的通訊網(wǎng)絡結構如圖1。

DCS側(cè)設備主要包括：兩臺光電轉(zhuǎn)換器；IEC60870-5-104通訊冗余網(wǎng)關COMA和COMB；網(wǎng)關的外部接口RJ45通過雙絞線連接到光電轉(zhuǎn)換器上，光電轉(zhuǎn)換器通過多模光纜連接到NCS側(cè)對應的光電轉(zhuǎn)換器上，上述設放在核島廠房電氣房間的DCS機柜中。網(wǎng)關通過工業(yè)以太網(wǎng)接口連接到DCS的控制網(wǎng)絡（A網(wǎng)和B網(wǎng)），經(jīng)過控制網(wǎng)絡，網(wǎng)關可以與DCS的IO服務器、計算服務器、歷史服務器、主控制室操作員站以及控制處理器NM203進行數(shù)據(jù)交換。

NCS側(cè)設備主要包括兩臺RCS-9698G通訊設備，每臺RCS-9698G設備單網(wǎng)對DCS通訊，通訊設備放在500KV開關站TB樓NCS機柜中。

從圖1可以看出，DCS與NCS均采用雙機冗余配置，互為熱備用，冗余功能是由DCS來管理。在兩條通信鏈路上，數(shù)據(jù)的收發(fā)同時進行，即COMA 到 9698G-A網(wǎng)關，COM-B到9698G-B網(wǎng)關。DCS側(cè)為主站，NCS為子站，每次進行數(shù)據(jù)傳輸前的連接建立，總是由主站發(fā)起，子站只是被動地接收請求并作出響應。

1.2 DCS與NCS通訊協(xié)議類型標識

根據(jù)陽江核電廠DCS與NCS通訊清單，包括遙信、遙測以及遙控三種類型信號，共計約375個信號。根據(jù)IEC60870-5-104規(guī)約，經(jīng)過多方技術澄清和確認后，采用表1信號類型標識以及地址區(qū)間。

表1 基于IEC104協(xié)議DCS與NC S通訊類型標識、地址及數(shù)量

遙信信號為NCS端采集或計算產(chǎn)生的各種狀態(tài)量信號，如斷路器、隔離開關的分閘和合閘狀態(tài)，其類型標識為01，表示不帶時標的單點遙信，每個遙信占1個字節(jié)；遙測信號為NCS端采集或計算產(chǎn)生的各種模擬量信號，如500KV側(cè)有功功率、無功功率、電流、電壓等，其類型標識為13,表示帶品質(zhì)描述的浮點值，每個遙測值占5個字節(jié)。上述遙信和遙測信號均是NCS送往DCS，需要將這些狀態(tài)量、模擬量信號送DCS相關畫面實時顯示或服務器進行歷史存檔。

圖1 DCS與NCS網(wǎng)絡結構圖拓撲圖

遙控信號主要DCS操作指令通過通訊送到NCS動作相關電氣設備，如斷路器分閘指令，主要是在主控制室提供一種緊急操作電氣設備一種手段，其類型標識為45，表示單點遙控。

1.3 DCS與NCS通訊參數(shù)約定

為了監(jiān)視和處理通訊故障通訊，根據(jù)IEC60870-5-104對下表2參數(shù)進行定義并選值。

表2 該通訊中使用的IEC60870-5-104參數(shù)定義及選值

1.4 DCS與NCS通訊時鐘同步

DCS與NCS通訊時鐘同步，可以采有兩種方式：

采用IEC60870-5-104提供的時間同步指令，其類型標識為103；

TGC和DCS都接收全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS同步時間信號進行同步。

考慮到IEC60870-5-104協(xié)議提供的時鐘同步精度不高，同時，陽江核電廠存在全廠通訊系統(tǒng)(簡稱DTV)，接收GPS同步時間信號，可以對全廠其它帶有校時功能的系統(tǒng)進行準確校時，所以，采用第2種方法進行時鐘同步。

1.5 DCS與NCS對IEC60870-5-104通訊協(xié)議應用

IEC60870-5-104協(xié)議名稱為“采用標準傳輸協(xié)議子集的IEC60870-5-101的網(wǎng)絡訪問”，此協(xié)議是將IEC60870-5-101標準用于TCP/IP網(wǎng)絡，當主站與子站連接到以太數(shù)據(jù)網(wǎng)，子站與主站通信時，通信規(guī)約則應采用IEC60870-5-104標準。

IEC60870-5-104采用了ISO-OSI模型中的五層，見表3，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層IP、傳輸控制層TCP和應用層，相比之下，IEC60870-5-101只采用了ISO-OSI模型中的三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。

圖2 IEC60870-5-104通訊協(xié)議的APDU

從表3可以看出，IEC60870-5-104僅僅規(guī)定了應用層，其他四層完全采用TCP/IP協(xié)議模型。

IEC60870-5-104應用層報文叫做應用規(guī)約數(shù)據(jù)單元APDU，見圖2,通常稱之為幀。APDU由應用規(guī)約控制信息APCI和應用服務數(shù)據(jù)單元ASDU組成。

IEC60870-5-104協(xié)議的APDU分為三類：I格式、S格式和U格式。

I格式APDU稱為信息APDU，長度一定大于6個字節(jié)，被稱作長幀，用于傳輸數(shù)據(jù)；

S格式APDU稱為確認APDU，長度只有6個字節(jié)，被稱作短幀，用于確認接收的I格式APDU；

U格式APDU稱為控制APDU，長度只有6個字節(jié)，也被稱作短幀，用于控制啟動/停止/測試。

長幀報文分為APCI和ASDU兩個部分，而短幀報文只有APCI部分。APCI的6個字節(jié)是這樣構成的：

起動字符68H，1個字節(jié)；

后面的報文長度，1個字節(jié)(最大253)；

控制域位組，4個字節(jié)。

I格式APDU的4字節(jié)控制域位組規(guī)定為：字節(jié)1和字節(jié)2為發(fā)送序號，字節(jié)3和字節(jié)4為接收序號。需注意兩點：

由于字節(jié)1和字節(jié)3的最低位固定為0，不用于構成序號，所以在計算序號時，要先轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)值，再除以2；

由于低位字節(jié)在前、高位字節(jié)在后，所以計算時要先做顛倒。

S格式APDU的字節(jié)1固定為01H，字節(jié)2固定為00H，字節(jié)3和字節(jié)4為接收序號。計算時仍要注意以上兩點。

U格式APDU的字節(jié)2、3、4均固定為00H，字節(jié)1包含TESTFR，STARTDT和STOPDT三種功能，同時只能激活其中的一種功能。啟動 (STARTDT)和停止(STOPDT)都是由主站發(fā)起的，先由主站發(fā)送生效報文，子站隨后確認。而主站和子站都可發(fā)送測試(TESTFR)報文，由另一方確認。 下面是六種可能的U格式APDU幀：

STARTDT：68 04 07 00 00 00(生效)； 68 04 0B 00 00 00(確認)

表3 IEC60870-5-104通訊協(xié)議的模型

表4 遙信信號報文分析表

表5 遙測信號報文分析表

表6 地址4001H遙測信號值變化主動上送

表7 遙控信號報文分析表

STOPDT ：68 04 13 00 00 00(生效)； 68 04 23 00 00 00(確認)

TESTFR ：68 04 43 00 00 00(生效)； 68 04 83 00 00 00(確認)

只有I格式APDU才有ASDU部分。ASDU是由數(shù)據(jù)單元標識符和信息體兩部分構成的。

1）數(shù)據(jù)單元標識符包括：

類型標識，1個字節(jié)；

可變結構限定詞，1個字節(jié)；傳送原因，2個字節(jié)；

ASDU公共地址，2個字節(jié)。2）信息體包括：

信息對象地址，3個字節(jié)；信息元素集，若干字節(jié)；時標，7個字節(jié)(可選)。

可變結構限定詞是ASDU的第二個字節(jié)，其最高位等于0表示后續(xù)的信息體的地址是不連續(xù)的，等于1表示后續(xù)的信息體的地址是連續(xù)的。其余7位表示信息體的數(shù)量。

1.6 DCS與NCS通訊實施

DCS與NCS通訊實施包括：

DCS側(cè)網(wǎng)關與其主控制系統(tǒng)之間的集成，包括硬件、驅(qū)動程序及應用程序。

NCS側(cè)網(wǎng)關與其主控制系統(tǒng)之間的集成，包括硬件、驅(qū)動程序及應用程序。

DCS網(wǎng)關與NCS網(wǎng)關之間硬件鏈路的建立，包括網(wǎng)絡介質(zhì)的選型、鋪設等。

針對控制任務的設計組態(tài)，這主要根據(jù)上游500KV開關站電氣設計提供的邏輯圖、模擬圖及IO清單來進行雙方各自的組態(tài)和配置。

2 DCS與NCS通訊方案試驗驗證

利用DCS側(cè)COM網(wǎng)關對DCS與NCS通訊報文具有記錄及存檔功能，在陽江核電廠現(xiàn)場完成DCS與NCS相關設備安裝后，通過提取COM網(wǎng)關報文、DCS主控制室操作站和確認500KV開關站設備狀態(tài)對DCS與NCS通訊功能進行如下試驗。

首次握手（U幀）

發(fā)送-＞激活傳輸啟動：68（啟動符）04（長度）07（控制域）00 00 00

接收-＞確認激活傳輸啟動：68（啟動符）04（長度）0B（控制域）00 00 00

總召喚（I幀）

a),發(fā)送 -＞總召喚：68（啟動符）0E（長度）00 00（發(fā)送序號）00 00（接收序號）64（類型標示）01（可變結構限定詞）06 00（傳輸原因）01 00（公共地址即 RTU 地址）00 00 00（信息體地址）14（總召喚）。

b),接收 -＞總召喚：68（啟動符）0E（長度）00 00（發(fā)送序號）00 00（接收序號）64（類型標示）01（可變結構限定詞）07 00（傳輸原因）01 00（公共地址即 RTU 地址）00 00 00（信息體地址）14（總召喚）。

c),遙信信號傳遞

通過對NCS側(cè)311個遙信信號強制，然后在DCS主控制室工程師站檢查上述遙信信號均正確傳遞。同時，通過提取COM網(wǎng)關報文分析遙信分與NCS側(cè)強制信號值一致，見下表4。

d),遙測信號傳遞

通過對NCS側(cè)52個遙測信號強制，然后在DCS主控制室工程師站檢查上述遙測信號均正確傳遞。同時，通過提取COM網(wǎng)關報文分析遙測值與NCS側(cè)強制信號值一致，見下表5。

e),接收→結束總召喚幀: 68（啟動符）0E（長度）08 00（發(fā)送序號）02 00（接收序號）64（類型標示）01（可變結構限定詞）0A 00（傳輸原因）01 00（公共地址）00 00 00（信息體地址）14（總召喚）。

如果遙信、遙測信號有變化數(shù)據(jù)主動上送，見表6。

如果主站超過一定時間沒有下發(fā)報文或RTU也沒有上送任何報文則雙方都可以按頻率發(fā)送U幀（測試幀）。

發(fā)送→U幀 ：68 04 43 00 00 00

接收→應答 ：68 04 83 00 00 00

遙控

通過DCS主控制室畫面軟手操按鈕發(fā)送斷路器分閘指令，確認500KV開關站相關斷路器動作到分閘位置，提取報文如下表7：

通過上述對點檢查以及報文分析，從而驗證了DCS與NCS通訊信號傳遞正確性。

3 DCS與NCS通訊方案優(yōu)化建議

在對DCS與NCS通訊試驗過程中，發(fā)現(xiàn)DCS側(cè)操作員站發(fā)現(xiàn)遙信時標信息均為DCS側(cè)COM網(wǎng)關處理后所提供的時間，而非NCS側(cè)相應遙信信號動作的真實時間，兩者時標相差時間介于數(shù)百毫秒到一秒內(nèi)。

遙信信號一般為500KV開關站及其配電裝置的狀態(tài)信號，為了更準確地對核電廠事件進行分析以及借助IEC104協(xié)議本身具備確認主動上報SOE功能，通過對DCS和NCS廠家進行通訊約定達到對上述遙信信號主動上報，從而為核電廠通過通訊方式獲取與硬接線方式近乎一致的信號時標。

4 結語

通過上述分析，基于MELTAC平臺的RPS T2邏輯處理試驗滿足IEC60671-2007相關標準要求。通過在已成功商運的紅沿河核電站一號機組的執(zhí)行經(jīng)驗反饋，達到了電站設計和標準的要求，滿足了電站日常運行和維護對RPS定期試驗的需求。同時，RPS T2試驗方案的正確性分析結果對國產(chǎn)化的安全級數(shù)字化儀控平臺的研制具有一定的借鑒和前瞻性作用。

[1]數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(原書第3版)/（美）佛羅贊(Forouzan,B.A.) 著; 王嘉禎 等譯.-北京：機械工業(yè)出版社，2005.1[2]DL/T 634.5101-2002/IEC60870-5-1001:2002 遠動設備及系統(tǒng) 第5-101部分:傳輸規(guī)約基本遠動任務配套標準

[3]DL/T 634.5104-2002/IEC60870-5-1004:2000 遠動設備及系統(tǒng) 第5-104部分:傳輸規(guī)約采用標準傳輸協(xié)議子集的IEC60870-5-101網(wǎng)絡訪問