基于IEC 60870-5-103規約擴展的牽引供電實時負荷錄波設計與實現

李 鵬 范三龍

(南京國電南自軌道交通工程有限公司，南京 210032)

近年來，隨著國內高速鐵路及城市軌道交通領域的快速發展，牽引供電管理部門對供電系統電能質量管理和負荷監測的要求日益提高[1]，除了通過原有的故障錄波功能實現對供電網絡故障工況下的各電參量數據準確記錄與故障點定位[2]以外，也需要對正常運行工況下的各種電參量進行高精度、全時段的實時負荷錄波，并希望所記錄數據的時標應基于裝置精確時鐘且變化時刻時間分辨率要達到毫秒級，以能記錄到每個周波的必要信息，從而能夠更有效地為供電調度優化和早期識別故障異常提供支持。而目前主流的常規牽引變電站綜合自動化系統在正常供電工況下對各種模擬電參量的監視是基于保護測控裝置定時循環上送和總召應答上送遙測量[3]兩種方式，所獲得的遙測數據本身并不帶時標，數據的更新時間間隔也只能達到秒級，所記錄數據的變化時標只能采用站控層監控系統服務器本身的時鐘，精度較差，顯然不能滿足上述新的用戶要求。

本文提出了一種基于 IEC 60870-5-103(國標DL/T 667—1999)規約(以下簡稱“IEC 103規約”)擴展的牽引供電系統實時負荷錄波設計實現方案，其構成和數據流程如圖1所示。該方案可以實現對正常供電工況下各種電參量的高精度、全時段的實時負荷錄波，滿足數據記錄時標基于裝置精確時鐘、變化時刻時間分辨率達到毫秒級等性能指標，同時與現有牽引變電站綜合自動化系統通信規約相兼容，具有改動影響小、適配性強，改造成本低等優點。下面將就本方案中的各關鍵技術環節進行闡述。

1 帶精確時標的遙測量實時傳輸

當前牽引變電站綜合自動化系統領域以 IEC 103通信規約的應用最為主流和成熟，大量的二次自動化裝置與站控層監控系統之間的通信都圍繞著該通信規約進行開發。但IEC 103規約自身規定兼容范圍內的應用服務數據單元(ASDU)和操作過程并不支持實時傳送帶時標的遙測量[4]，從而無法直接實現從裝置端向站控層監控主站實時傳輸帶精確時標的負荷遙測數據。本設計方案遵照 IEC 103規約協議的基本原則，采用通用分類服務[5]來實現帶精確時標遙測量的實時傳輸。為了避免與既有工程常用的IEC 103通用分類服務組相沖突，規定上送實時負荷數據的組號為 78(0x4E)。具體定義的通用分類服務擴展報文幀格式如圖2所示。

圖1 構成和數據流程

圖2 擴展報文幀格式

圖2中數據寬度N是指數據結構的總長度。數據項數指數據結構中元素的個數。數據結構中，第1個元素為第一個被測值的時標報文，第 2個元素為第一個被測值，…后面依次排列。當站控層監控系統的 IEC 103規約處理模塊接收到組號為78(0x4E)的通用分類數據后將按上述幀格式解釋為一組帶有裝置絕對時標的遙測量并交由實時負荷數據處理模塊處理。

2 自適應的數據采集動態壓縮

當測控終端裝置按照每通道每周波2個點采集負荷數據時，每個被測交流電參量的采集速率將達到每秒100個數據點，按圖2所示幀格式封裝后的通信數率將達到(255×6+75)×8=12.84kbps，考慮到牽引變電站供電網絡內為數眾多的交流電參量，這樣不間斷、高采樣率的監測，將產生巨量的數據，使得錄波實現難度增大、數據傳輸效率降低，而采用具有高壓縮性能的數據壓縮方法是解決這一難題的有效途徑[6]。

本方案中采用了一種自適應、不定時長的模擬數據采集動態壓縮算法，通過測控終端裝置與站控層監控系統的實時負荷數據處理模塊相配合，在確保重構信號有較高的信噪比、能夠保留電參量變化特征的基礎上實現節省網絡資源與終端存儲空間、提高網絡傳輸效率的目的。其基本原理是：對于被監測電參量需要關注的變化時段數據加密采集，而對于平穩缺少變化時段采取大時間跨度等間隔的稀疏采集。如圖3所示，具體實現時通過被監測電參量前后多次測量值的Δ值和變化斜率等因素綜合判定：S2時段是需要重點關注的變化時段，采取密集采集，采樣點時間間隔為5～20ms；S1、S3時段是不需要過多關注的平穩時段，采取大時間跨度的稀疏采集，采樣點時間間隔為10～30s。該算法的優點在于既保留了電參量全部變化特征，又明顯地降低了需要傳輸和存儲的數據量，顯著地提升了系統的性能。

圖3 數據采集和壓縮

3 支持重傳復寫、可動態增長的存儲模式

對于需要24h不間斷工作的實時負荷錄波功能而言，保持數據記錄的完整性是非常必要的，應盡量避免因網絡短時中斷或系統短時退出等意外因素而導致數據丟失的問題。本方案中，通過測控終端裝置與站控層監控系統的實時負荷數據處理模塊相配合，采用了支持重傳、復寫功能的歷史存儲模式，當二者重新建立網絡數據連接后會立刻重傳最近數分鐘內的實時負荷數據，站控層實時負荷數據處理模塊會將重傳數據與之前歷史存儲的負荷錄波數據進行比對和復寫，從而確保了站控層監控系統所存儲負荷錄波數據的完整性。

另一方面，為了實現支持可復寫功能的歷史存儲模式，負荷錄波數據的存檔文件結構必須具備足夠的擦寫靈活性和讀寫效率，同時還要有利于檢索和查詢分析。本方案設計并采用了一種自描述、可動態增長的數據存儲文件結構，如圖4所示，存檔文件為可變長度的二進制數據文件，整個文件由 1個RMS_HEAD描述結構和N個MEA_UNIT數據結構組成(N為大于0的整數數量)。采用這種文件結構的實時負荷錄波數據存檔文件具有自描述、可動態增長等特性。同時，對負荷錄波數據存檔文件按裝置和生成小時時段統一命名劃分，文件名稱采取“裝置名稱～年月日_小時.rms”的格式命名如“RTU終端電壓模件～20120506_11.rms”，這樣既防止單個數據存檔文件過大，又有利于組織和檢索。

圖4 數據存檔文件內部結構

4 實時顯示和離線分析

本方案中，站控層監控系統的實時畫面顯示模塊啟動時會從負荷錄波歷史存檔文件組中查找、加載所需的初始數據，之后直接接收由實時負荷數據處理模塊轉送的最新負荷數據。新的實時負荷數據到來會觸發監控系統實時畫面曲線顯示部分進行重繪和刷新，從而實現牽引供電網絡實時負荷監測在監控系統顯示界面上的統一顯示。

負荷錄波數據離線分析作為一個單獨的功能軟件模塊，本身并不影響實時負荷錄波功能的在線運行。它主要用來為用戶提供對負荷錄波歷史數據的檢索、分析、顯示和打印，如支持對各裝置、各通道、各時段負荷錄波數據的按時間軸滾動、無級縮放顯示以及數據點的分通道或重疊比對等功能，從而豐富用戶對負荷錄波數據的分析手段。

5 結論

本文所提出的基于IEC 103規約擴展的牽引供電實時負荷錄波設計實現方案，通過與既有牽引變電站綜合自動化系統相結合，充分兼容現有通信協議及其數據模型，只需較小的改造成本，即可滿足高精度、全時段的實時負荷錄波要求。該設計方案已在國內多個牽引與軌道交通供電綜合自動化系統項目中投入應用，獲得了很好的運行效果和用戶評價，證明該方案是可行和高效的。

[1] 郭志. 地鐵直流牽引系統負荷監測系統[J]. 工業控制計算機, 2008, 21(7): 29-30.

[2] 陳小川, 賀威俊, 王牣, 等. 電力牽引網故障測距與錄波微機綜合系統[J]. 電力系統自動化, 1996, 20(4):5-8, 15.

[3] 趙麗平, 李群湛, 陳小川. IEC 870-5-103規約在牽引變電所自動化系統中的應用[J]. 電力系統及其自動化學報, 2003, 15(3): 88-92.

[4] IEC 60870-5-103. Telecontrol Equipment and Systems Part5: Transmission Protocols Section 103 Companion Standard for the Information Interface of Protection Equipment [S].

[5] DL/T 667—1999. 遠動設備及系統第 5部分傳輸規約第103篇繼電保護設備信息接口配套標準[S].

[6] 劉毅, 周雒維, 馮浩. 電能質量監測網錄波數據壓縮方法[J]. 電網技術, 2010, 34(4): 199-203.