電力遠動設備的IEC60870—5—104通信協議的監聽

趙會彬

摘要：目前IEC104協議仍在電力系統中廣泛應用，遠動主站和子站之間能否正確及時的通信關系到電力系統的安危。利用錯誤重傳機制檢測網絡狀態是實現應用IEC104穩定傳輸數據的一個基本方法，超時處理按照規約定義進行超時斷開處理，但IEC104協議未對這種故障做出進一步處理。如果出現了故障主控站人員要經歷很長時間才能找到故障原因。為保障遠動主站和子站之間能正確及時的通信，設計開發一種能監聽IEC104協議通信過程的系統。通過對模擬遠動主站和子站的通信報文的抓包分析實現對IEC104協議通信過程的監聽。統計出報文庫錯誤報文率、IEC104錯誤幀率及重復報文率來客觀評價遠動主站和子站的通信，為控制站人員快速找出故障原因提供依據，保障電力系統的安全運行。

Abstract： The IEC104 protocol is still widely used in the power system， the communication between main station and sub station is related to the safety of power system. The error retransmission mechanism is used to detect the network state， which is a basic method to realize the stable data transmission of IEC104， timeout is handled in accordance with the protocol definition， but the IEC104 protocol does not make further processing of this fault. So， if there is a fault， station staff will experience a long time to find the cause of the trouble. In order to guarantee the communication between the main station and sub station correctly and timely， a system that can monitor the communication process of IEC104 protocol is designed and developed. It implements the monitoring of IEC104 protocol communication process though capture analysis of the communication of simulated remote control station and sub station. Report library error message rate， IEC104 error rate， and repeat message rate are used to objectively evaluate communication of remote control station and sub station， to provide the basis for the control station personnel to quickly find out the fault causes， and to ensure the safe operation of the power system.

關鍵詞：遠動系統；IEC104規約；監聽；故障分析

Key words： SCADA System；IEC104 protocol；monitoring；fault analysis

中圖分類號：TM764 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）02-0085-03

0 引言

目前IEC104協議仍在電力系統中廣泛的應用，柳坪和雅都電站的集控中心與下屬電站及調度通訊均采用IECl04規約進行通信[1]。自2009年起，IEC60870-5-104規約在黃梅電網新建變電站和改造站的自動化系統中已大量采用[2]。遠動主站和子站之間能否正確及時的通信關系到電力系統的安危。利用錯誤重傳機制檢測網絡狀態是實現應用IEC104穩定傳輸數據的一個基本方法。超時處理按照規約定義進行超時斷開處理[3]。但IEC104協議未對這種故障做出進一步處理，當發生故障時控制站人員要經歷很長時間才能找出故障源，所以開發一款能夠對IEC60870-5-104協議的通信過程進行監聽的系統非常必要。本設計應用端口匯聚和端口鏡像技術將模擬主站和子站的通信雙報文復制到端口鏡像并監聽這個鏡像端口的通信報文來實現對模擬主站和子站通信報文的監聽。通過對模擬遠動主站和子站的通信報文的抓包分析統計出通信過程中的錯誤報文率、IEC104錯誤幀率及重復報文率來客觀評價遠動主站和子站的通信，為控制站人員快速找出故障原因提供依據，保障電力系統的安全運行。

1 IEC104協議通信過程分析

IEC104協議采用應-答模式的通信方式，即發送一條報文后收到此條報文的確認或回復報文才認為此次通信成功，否則將會重傳這條報文。協議采用TCP協議傳輸報文，使用2404端口作為通信端口。TCP的通信方式采用客戶端/服務器端的形式，模擬主控站作為客戶端模擬子站作為服務器端。

服務啟動后先由控制站檢查當前鏈路的狀態，然后再發送一些啟動需要的一些確認和對時等報文，規約啟動流程如圖1。

規約啟動后便可以進行遙控、遙信、遙測等操作。根據協議規定為了保障遙控等操作的成功率，在執行前需要進行預置、反校操作，否則從站拒絕執行。為了確保通信的成功，協議采用了應-答模式的通信方式，從站在收到主控站的命令時會向主控站發送命令執行確認報文以示命令已接收到并且正要執行命令。當執行完命令后會向主控站發送命令執行結束報文以示命令已成功執行。主控站可以通過發送遙控取消報文取消剛剛下發的命令，從站收到命令后取消相應的操作并發送取消確認報文。未發生故障的遙控操作和帶取消命令的遙控操作的泳道圖如圖2。

在命令執行過程中，由于網絡原因或其他可能的原因造成未收到某一個條報文的確認報文或回復報文的情況，按照規約規定會啟動重傳機制重傳這條報文，直到收到這條報文的確認或者超過最大重傳次數斷開鏈路連接。圖3左圖是未收到確認報文遙控操作的泳道圖，右圖是未收到執行報文的遙控操作的泳道圖。

IEC104協議為了確保通信的正常并在發生網絡故障時的一些超時處理方案，IEC104協議采用的超時處理方案如表1。

2 系統建模分析及實現

監聽系統采用端口匯聚技術將物理上的兩個端口連接起來形成一條邏輯鏈路，并使用端口鏡像技術將通信報文復制到鏡像端口，通過對鏡像端口的通信報文的監聽達到監聽主控站和子站之間的通信的目的。

監聽系統實現的功能主要有獲取通信報文、解包、獲取IEC104協議幀、判斷協議幀是否正確、記錄報文、記錄報文到達時間，分析統計等功能。協議監控系統的用例圖如圖4。

當監聽系統啟動后便一直監聽IEC104協議通信端口2404端口有無報文到達，若有到達則獲取報文并作相應的處理。使用這種監聽方法的優點是不會影響主控站和子站的正常通信，監聽系統作為第三方僅監聽兩站的通信報文。監聽系統的主線程流程圖如圖5

監聽系統對報文處理過程的活動圖如圖6。

分析統計部分主要是對協議的傳輸過程和傳輸結果進行統計和分析。主要統計分析報文到達間隔、報文的錯誤率、IEC104協議幀的重復率以及遙控、遙測、對時等操作的完成的時間。

監聽系統采用C++編程語言和VC++ 6.0為開發平臺，使用ws2-32.lib庫函數，實現對IEC104協議通信報文的監聽。當監聽系統啟動后便一直監聽2404端口有沒有數據到達。通過報文的目的IP地址和源IP地址來區別主控站和從站并且監聽系統會將通信報文保存到數據庫中為以后分析數據提供數據源。監聽系統的實現如圖7。

3 結論

由于建設時期及所屬項目類別的差異各系統技術平臺不一通信方式和數據組織多種多樣由此形成了一個個信息孤島既影響了現有系統的有效運行也影響了新系統的開發和實施[4]。本設計將通信雙方的報文記錄并存儲到數據庫中，為以后數據共享和分析提供源數據可以有效的解決信息孤島的現象。

隨著IEC104協議在電力系統中得到廣泛的應用，遠動主站和子站之間能否正確及時的通信關系到電力系統的安危。本系統主要針對遠動主站和子站之間能否及時并正確的通信以及出現網絡故障不能及時發現的問題，設計開發了一種電力遠動設備的IEC60870-5-104通信協議監聽與測試系統。本系統主要利用端口匯聚和端口鏡像技術將遠動主站和子站的報文復制到鏡像端口并使用SOCKET編程對鏡像端口的通信報文進行抓包和分析，實現了對遠動主站和子站的通信的監聽與測試，并在發生通信故障時第一時間報警，為電力遠動系統的正常運行提供了保障。

參考文獻：

[1]關鴻耀，劉榕.IECl04規約在水電廠遠動通訊中[J].計算機應用 小水電，2011（1）：61.

[2]雷蘭.IECl04規約在黃梅電網中[J].電氣工程與自動化 機電信息，2013（3）：31.

[3]湛開云，馮凱，劉明祥.IEC104 規約在配電自動化系統中的應用研究[J].信息技術與信息化，2013（6）：155.

[4]劉恒偉，柳林.水利信息孤島再認識[J].水利信息化 海河水利，2012（5）：59.