IEC60870-5-101規約在海南配電自動化無線通信中的應用

湛開云，單榮榮，張 鵬，陳松精

(1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061;2.海南電網昌江供電公司，海南昌江572700)

海南農村配電網環境復雜、點多面廣、負荷分散，配電自動化水平比較落后。2010年海南國際旅游島建設正式步入正軌，海南智能配電網的建設投入也逐年增加，農村配網新上配電自動化通信多采用無線通信，傳統的IEC60870-5-101(以下簡稱IEC101)非平衡式通信規約已不完全適用于無線通信的配電自動化系統，根據配電自動化和無線通信的特點，南方電網公司對IEC101規約平衡式或非平衡式進行了必要的補充和調整，并經過反復修改測試，最終形成了一種穩定、實用、可靠、準確、簡練的專用于配網自動化無線通信的數據傳輸協議。

1 IEC101規約的幀格式

文獻［1～5］給出了IEC60870系列遠動設備及系統通信規約協議標準，南方電網公司規定的規約內容與IEC60870-5-1至IEC60870-5-5定義的標準兼容。IEC101規約在幀格式方面采用的是GB/T 18657.1-2002中的FT1.2格式，采用了長度固定幀和長度可變幀兩種格式，為了避免國內不同廠家對單字節幀的不同理解和運用而造成通信聯調問題，取消了單字節E5，用長度固定幀代替。為了解決配電網中終端數量大的問題，地址域拓展到2字節，滿足了配電網建設規劃的需求。幀格式見表1和表2所示［6］。

表1 長度固定幀格式

表2 長度可變幀格式

長度固定幀用于鏈路建立和報文確認，長度可變幀用作主站與終端之間的信息交換，如控制命令、遙信/遙測變化信息等。

2 IEC101規約的通信機制

(1)鏈路建立連接。此過程配電主站和配電終端都可以作為啟動站，先由啟動站發送鏈路連接命令，從動站響應鏈路連接，然后啟動站進行復位鏈路，從動站進行復位鏈路確認，這就完成了配電主站與配電終端之間的鏈路連接。

(2)初始化過程。配電終端上電或手動復位后，一旦鏈路建立連接成功，終端上送初始化結束幀。

(3)站召喚。站召喚可由主站定時進行數據總召喚，在特定情況下，也可由主站手工進行組召喚，優先進行重要數據的召喚。

(4)對時過程。為了保證主站與終端的時鐘同步，主站可定時發送對時命令，時鐘同步過程分以下3個階段:延時獲得、延時傳遞和時間同步，分別對應通道傳輸延時的采集、通道傳輸延時的下發、同步終端時間［7］。

(5)事件上送。當終端采集到突發事件，如開關狀態發生變位，則先上送不帶時標的遙信變位信息(COS)，隨后上送該事件的帶時標信息(SOE)。上送方式為主動上送。

(6)遙控過程。為了保證遙控的成功率，遙控執行前必須先進行遙控預置，遙控預置成功后才可以進行遙控執行，否則應拒絕執行命令，避免了因網絡問題或誤操作而導致的開關誤動。因無線通信具有一定的時延、不穩定性和不安全性，適用于對遙控要求不高的場合，或者不建議無線通信中使用遙控命令。

(7)心跳測試。用于在終端沒有數據上送的通道空閑狀態下的鏈接測試，以保證鏈路連接正常。心跳周期可設置，主站和終端都可以發送心跳報文。

(8)異常處理過程。當終端沒有收到主站的確認報文時，每隔3 s(可設)重復發送上幀報文3次(可設)，若依然沒收到主站確認報文，認為鏈路中斷，重新發送請求鏈路連接命令直到鏈路建立連接成功;若一方心跳報文沒有得到回復，則連發3次(次數和間隔時間可設)，若仍沒得到回復，則認為鏈路中斷，重新建立連接。

3 基于IEC101規約的通信案例分析

3.1 基于IEC101規約的典型通信案例

2011年，海南電網昌江供電公司調度-配網自動化一體化監控系統(以下簡稱調配一體化系統)建設項目榮獲南方電網公司科學技術獎三等獎［8］。調配一體化系統的建設，改變了以往配網建設、規劃和工程管理上許多不足之處，逐步實現電網建設、管理流程上的規范化和標準化;實現了“手拉手”線路和重點分支線快速的故障隔離，提高了供電可靠性;配備配變監測終端(TTU)，采集數據通過召喚方式進行傳送，為臺區線損管理提供數據基礎。

在此次昌江供電公司調配一體化系統項目建設中，選用了CDMA無線公網通信方式。無線公網通信方式具有建設周期快，前期投資少的優點，但在日常的運行中必須每月支付一定的通信費用。昌江供電公司使用了每月5元包30Mb流量的CDMA套餐，圖1是昌江調配一體化系統通信示意圖。

圖1 海南昌江調配一體化系統通信示意圖

昌江終端通過PPP撥號方式由CDMA無線網接入，連接到CDMA PDSN設備，由CDMA AAA認證服務器提供接入認證，判斷卡號和VPDN的對應關系。通過驗證后，CDMA PDSN將與海南電信的LNS路由器之間建立起L2TP專用隧道，將用戶名和密碼由海南電信的AAA認證服務器驗證用戶的合法性，并分配內網IP地址(給每臺終端分配1個靜態IP地址，具體IP地址池可由海南電網提供，符合海南電網的IP地址規劃);海南電網通過內部光纖專線將數據傳送到昌江供電公司機房。

在該項目通信實施過程中，主站和終端約定規則如下:(1)基于TCP/IP協議的平衡式IEC101規約傳輸;(2)取消單字符 E5;(3)嚴格遵循幀計數位(FCB)、幀計數有效位(FCV)的有效、無效和翻轉確認、不翻轉重發的原則;(4)鏈路地址2字節，ASDU為2字節，傳送原因1字節，信息體地址2字節;(5)終端主動上送的每幀數據，主站都必須給出相應確認［9］;(6)最大幀長度不超過250個字節。

圖2是主站與終端之間通信的典型報文實例(TXDATA為下行報文，RXDATA為上行報文)。

3.2 案例問題分析及處理

(1)流量超標問題

在昌江調配一體化系統無線通信過程中，發現每個月的流量都會超出包月套餐，經過分析，適當調整了主站和終端的設置，如主站心跳、總召、對時等命令下發時間間隔適當延長，定時總召時隔10～20分鐘為宜，每1小時對時一次最佳;終端遙測死區值適當調大，避免了遙測數據上送過于頻繁;終端可設置最大請求鏈接次數，如10次，若10次仍未鏈接成功則停止鏈接，等待主站發送請求鏈接命令。

圖2 主站與終端之間的典型通信報文

(2)終端管理問題

當無線模塊的SIM卡損壞或由于無線通信服務供應商數據庫問題導致無線模塊的IP地址發生變化或者新增終端通道時，工作人員往往通過手動添加新的通道與之建立連接，這就導致系統內同一個終端地址下存在多個IP地址，給終端管理造成混亂。建議每臺終端采用“固定IP+固定鏈路地址”雙重方式，即每臺終端的鏈路地址設置要不一樣。

(3)對時誤差較大

無線通信存在延時和不穩定性，時鐘同步也存在一定的誤差。建議在短時間內，主站先發送“延時獲得”命令來計算網絡延時(終端收到報文的時間減去主站發送報文的時間)，再發送“延時傳遞”命令將網絡延時傳給終端，最后發送“時鐘同步”命令進行對時，終端的時鐘應該是主站時間加上網絡時延。

4 結束語

目前，上述IEC101規約已經在海南昌江調配一體化系統中成功穩定運行，該規約在無線通信中一般采用平衡式傳輸方式。規約程序在出廠前必須經過嚴格的測試，主站和終端廠家必須在規約的細節方面做嚴格的聯調，這樣才能保證穩定運行，在提高配電自動化系統的實用性和可靠性方面起到至關重要的作用［10］。

［1］IEC60870-5-1.遠動設備及系統(第5部分:傳輸規約，第1篇:傳輸幀格式)［S］.1990.

［2］IEC60870-5-2.遠動設備及系統(第5部分:傳輸規約，第2篇:鏈路傳輸規則)［S］.1992.

［3］IEC60870-5-3.遠動設備及系統(第5部分:傳輸規約，第3篇:應用數據的一般結構)［S］.1992.

［4］IEC60870-5-4.遠動設備及系統(第5部分:傳輸規約，第4篇:應用數據的定義和編碼)［S］.1993.

［5］IEC60870-5-5.遠動設備及系統(第5部分:傳輸規約，第5篇:基本應用功能)［S］.1995.

［6］DL634.5.101-2002遠動協議南方電網實施細則［S］.2007.

［7］李克文，莫鳳芝，吳麗芳，等.IEC60870-5-101在配電自動化無線公網通信中的應用［J］.電力系統通信，2012，(10):39-43.

［8］南方電網報［EB/OL］.http://www.csg.cn/epaper/html/2012-02/04/content_17578.htm.

［9］李康明，陳 歡.IEC60870-5-101在廣東電網的細則及案例分析［J］.電力系統通信，2011，32(229):36-40.

［10］高立克，李克文，李 果，等.廣西配電網自動化通信協議應用研究［J］.廣西電力，2010，33(5):10-14.