基于104協議與PI實時數據庫的電力遠動監控平臺建設

王迎迎，陳 凱， 吳春年， 沈備軍

（1.臺州發電廠，浙江 臺州 318016；2.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

電力信息化

基于104協議與PI實時數據庫的電力遠動監控平臺建設

王迎迎1，陳 凱2， 吳春年1， 沈備軍2

（1.臺州發電廠，浙江 臺州 318016；2.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

近年來，越來越多的地區電網采用電力遠動協議在調度中心與地方廠站之間以報文形式進行信息傳輸，為避免因報文發送錯誤、數據傳輸失敗、報文解析出錯等原因造成生產事故，急需一套第三方監控平臺對電力實時數據進行監控和管理。另外，地方廠站也需要第三方平臺為業績指標分析和遠動裝置故障分析提供數據支撐。研究開發了一套基于IEC 104協議與PI實時數據庫的電力遠動監控平臺，在廠站端從交換機鏡像端口實時采集各項業務數據并保存到PI數據庫，通過設置模型判據實現數據的報警與提示，通過對保存的大數據進行追憶和分析，預先找到可能存在的問題，以第三方視角對系統、設備、通訊等多方面進行模型比對和數據分析，把被動的維護工作向主動的量化管理推進，

104協議；PI；監控平臺；遠動；大數據；實時處理；實時數據庫

0 引言

進入21世紀后的第二個十年以來，國家電網容量劇增，同時省調主站端自動化業務數據流量也呈幾何式增長。電網的數據質量需要調度來進行分析和研判[1]，內容包括：如何及時判別電廠側遠動裝置存在缺陷，如何快速發現調度網通道數據存在質量的問題等。因此，需要在發電廠側建設遠動監控管理平臺，更好地傳送準確可靠的實時數據。

IEC 60870-5-104協議（以下簡稱104協議）是由IEC（國際電工委員會）在IEC 60870-5-101基本遠動任務配套標準的基礎上改進而來。104協議使用的是平衡傳輸模式，并通過TCP/IP協議實現信息傳輸。使用104協議部署遠動系統具有實現簡便、開發工作量小、價格低、性能好等優點，因此適用于調度中心站和遠方子站之間的通訊。PI實時數據庫是一套基于C/S（客戶機/服務器）結構的商品化軟件應用平臺，由OSIsoft公司開發，早期用于存儲彈道導彈飛行信息，因此對數據的實時處理能力十分出眾，之后衍生出的工作化版本逐漸成為過程工業全廠信息集成的必然選擇。因此，急需研發一套基于IEC 104協議與PI實時數據庫的電力遠動監控平臺，在廠站端根據交換機鏡像端口實時采集并保存各業務數據，通過設置模型的判據實現對實時數據的報警與提示，通過對保存的大數據進行細致的追憶和分析，預先找到可能存在的問題，以第三方視角對遠動裝置本身、一次設備干擾、通道訊等進行模型比對、分析。同時結合臺州發電廠遠動（自動化）日常監控工作，進一步提高發現問題的能力，把被動的維護工作往量化管理推進。

1 104協議原理與實現

1.1 概述

IEC 104協議作為一種電力遠動協議方面的國際標準，具有實時性好、可靠性高、數據流量大、便于信息量擴充、支持多類網絡傳輸等優點，相對于它的前身IEC 101協議，IEC 104協議涵蓋了保護信息丟失方面的定義[2]。IEC 101協議由于未采用APCI（應用規約控制信息），其應用APDU（規約數據單元）等同于ASDU（應用服務數據單元）。IEC 104協議給出了APCI的定義，并加入防止報文丟失和重復的控制信息[3]。

IEC 104協議使用了OSI模型7層中的5層，分別是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層來實現數據傳輸。

1.2 協議的實現要點

IEC 104協議在實現過程中需要區分主站（中心站）與子站（遠方站）。主站在協議應用過程中起主導作用，是整個通訊網絡的核心；而子站相對于主站，是一個數據生成的源頭，它響應主站的請求，把本地采集的實時數據通過IEC 104協議格式加密后傳給主站。一次主站請求數據的過程如下[4]：

（1）主站下發遙控預置命令；

（2）子站進行遙控預置確認；

（3）主站收到子站確認后下發遙控執行命令；

（4）子站進行遙控執行確認；

（5）子站向現場設備下發執行遙控命令；

（6）現場設備進行遙控執行確認；

（7）現場設備進行遙信變位；

（8）子站向主站上傳遙信變位信息。

IEC 104協議的主站和子站之間通信采用網絡傳輸層的可靠傳輸協議TCP，主站為TCP客戶端，子站為TCP服務器端，即主站主動進行TCP連接請求，而子站被動響應TCP連接請求。

IEC 104協議共分4類超時時間，分別是：TCP連接建立超時時間；RTU（遠程終端）等待U格式測試應答超時時間；RTU端等待主站端應答突發傳送的超時時間；RTU端和主站端之間沒有實際數據交換時，任何一端啟動U格式測試過程的超時時間。一旦超時則自動斷開TCP連接。

IEC 104協議采用平衡傳輸方式，當主站端沒有進行數據召喚，而RTU端中有變化數據時，RTU要主動上送變化數據。

主站端下發單點遙控選擇，RTU端進行單點遙控選擇應答和主站端下發基本相同，RTU端進行單點遙控執行應答和主站端下發基本相同。主站端下發單點遙控執行和選擇報文基本相同[5]。

1.3 協議的通信要求

IEC 104協議的通信要求如下[6]：

（1）IEC 104協議應以子站為服務端，以主站為客戶端。

（2）主站端應實現對來自網絡和常規方式的數據信息進行自動判斷、切換、處理，以保證數據的唯一性。

（3）在多客戶訪問的情況下，IEC協議可以通過MAC地址和IP地址劃分控制安全級別，如果服務端發現IP重復，拒絕控制命令的執行。

（4）為保證網絡運行的安全、穩定、可靠，在主站端對以網絡方式通信的子站單獨進行畫面、數據庫、報表的定義。

滿足以上4點通信要求，基于IEC 104協議的遠動通信系統即可成功部署。總體而言，IEC 104協議對通信環境的要求并非很高，面對如今日益復雜的網絡環境，IEC 104協議信息傳輸確實存在安全隱患，陳國華討論了遠動IEC 104協議的安全隱患及防護技術[7]。

2 電力遠動監控平臺的設計

2.1 平臺架構

遠動監控管理平臺采用B/S（瀏覽器/服務器）模式，以PI實時數據庫為數據保存平臺，進行通訊數據抓取、解析、統計分析和可視化展示。電力遠動監控平臺的架構如圖1所示。平臺主體由2部分組成，分別是：用于獲取報文數據信息的前置機部分；用于數據顯示、數據分析的可視化分析系統。前置機與可視化分析系統之間通過PI數據庫作為數據中介進行數據傳輸。

圖1 遠動監控平臺架構

2.2 前置機

出于信息安全性考慮，前置機部署在臺州發電廠遠動機房，該機房為局域網性質，不與外網連通。前置機只與發電廠PI數據庫和從省調到發電廠的鏡像數據通道連通，從鏡像數據通道讀取實時數據，這些數據以IEC 104協議格式傳輸。前置機負責解析這些報文，逐幀逐字節至位按照規約文本的含義進行透徹解析，還原出真實數據，如：遙信狀態、遙信變位及SOE（事件順序記錄）信息、遙測值、遙測變化、電量、對時、遙控、遙調等。解析到的信息采用單幀樹狀顯示，并上傳至發電廠的PI數據庫。前置機通過通道數據監察能實時監視報文通訊情況，及時發現諸如一次設備測點有沒有受干擾、越限、變位等，通道內有沒有垃圾通訊信息等異常情況（見圖2）。

圖2 前置機界面

2.3 可視化分析系統

可視化分析系統負責分析省調和發電廠遠動主機的通道數據，監測上下行報文，查看不同規約的多個通道的遙測、遙信、電量等信息，及時發現故障并進行報警。所采用的分析技術包括統計分析、對比分析、基于規則的故障發現等技術。系統根據遠動設備情況，通過一次設備、設備屬性和測點方式來組織設備資產信息，并通過遠動通道的測點數據進行關聯，從而更好地掌控遠動設備信息。

系統以圖形組態方式來顯示電氣接線圖，可隨時進行AGC（自動發電控制）、負荷跟蹤比對，可隨時實現線路、斷路器、隔離開關等多種狀態跟蹤，并及時向用戶報警以便盡快處理。

3 基于PI的大數據實時處理

3.1 實時數據庫PI概述

PI（Plant Information System）是由美國OSIsoft公司開發的一套商品化軟件應用平臺，是過程工業全廠信息集成的必然選擇。PI基于C/S結構搭建，作為工廠底層控制網絡與上層管理信息系統網絡連接的橋梁，在工廠信息集成中扮演著特殊和重要的角色[8]。

一方面，PI用于工廠數據的自動采集、存貯和監視。作為大型實時數據庫和歷史數據庫，PI可在線存貯每個工藝過程點的多年歷史數據，它提供了清晰、精確的操作情況畫面，用戶既可瀏覽工廠當前的生產情況，也可回顧過去的生產情況。

另一方面，PI為最終用戶和應用軟件開發人員提供了快捷高效的工廠信息。PI客戶端的應用程序可使用戶對工廠級和公司級實施管理，通過PI可集成產品計劃、維護管理、專家系統、LIMS（實驗室信息管理系統）和優化/建模等應用程序。PI在業務管理和實時生產之間起到橋梁作用[9]。

3.2 基于PI的實時數據處理

電力遠動監控平臺以PI數據庫作為數據中介，因此PI數據庫的性能對于整個系統有著至關重要的影響。將臺州發電廠的設備信息匯總后根據IEC 104協議制定成測點表，主要分遙調測點、遙測測點、遙信測點3類，并在PI數據庫中以測點的形式保存設備數據信息。前置機方面解析報文后，將報文相關測點的最新數據上傳到PI數據庫端，而在可視化分析系統端，主要根據用戶的請求來對PI數據庫中的信息進行讀取與分析。

基于PI的實時數據處理具有以下優勢：

（1）讀寫數據速度快，單機測點數規模達400萬點，存儲能力達10～15萬個事件/s，數據訪問能力達100萬個事件/s。

（2）數據存儲效率高、占用空間小，PI數據庫采用旋轉門壓縮專利技術和二次過濾技術，使進入到PI數據庫的數據得到最有效的壓縮，極大節省了空間。

（3）分布式服務器結構，提供成熟的接口，分布式數據采集結構、集中式數據管理方式等，使數據來源復雜而又分散的問題得到解決。

（4）支持集團化應用，數據可以分散存儲在不同地點或不同區域的服務器上，便于集團化企業構建生產實時管理系統。

（5）具有極高的安全性和良好的安全機制。

4 電力遠動監控平臺的建設實施

4.1 主要目標

隨著電力通信網絡技術的發展，為滿足浙江電網未來10～20年電網安全運行和電力市場運作的要求，深入貫徹電力系統網絡化，發展智能電網[10]，結合浙江電網通信現狀，在保證集控站系統、調度自動化系統穩定運行的前提下，建立一套第三方電力遠動監控平臺，實現對遠動通信數據的實時監控與存檔，預防生產事故的發生，以及在事故發生后通過對平臺收集數據的分析，能夠明確責任所在。

4.2 實施過程

（1）向省級調度中心申請開通數據鏡像口許可，并在發電廠遠動機房配置前置機，負責報文數據的采集、解析、向PI數據庫端存儲數據。

（2）配置IEC 104監控的遙測、遙信、遙控測點，并在發電廠自動化裝置至省調通信處理機之間進行遙測、遙信、遙控測點的核對工作，將測點信息正確存入PI實時數據庫，保證自動化設備到通信處理機的數據傳輸正確、可靠。同時設置通信處理機的IP地址，將設備數據庫文件以及基于IEC 104協議的解析程序固化于處理機中。

（3）省調主站端和發電廠遠方子站端雙方將IEC 104協議文本進行程序的編制解釋，實現對IEC 104協議報文的讀取、解析并存入PI實時數據庫。并選取部分測點進行調試，調試的對象數據為發電廠7—10號發電機組的發電功率數據。

（4）設計UI界面、報警機制、功能模塊，從PI實時數據庫中讀取測點數據進行展示與處理，實現一個可視化分析系統。

（5）調通所有模塊，進行試運行。

4.3 運行情況

電力遠動監控平臺于2015年4月30日投入試運行，期間在省調與發電廠站進行數據傳輸時，系統從通道數據鏡像口讀取報文進行解析并將有用信息存入PI數據庫，積累原始數據。在一年多的試運行期間，平臺穩定可靠，數據實時性好。平臺不僅能實時監察遠動三級網報文傳送信息，通過大數據分析快速排查出故障，而且能追溯電量考核數據，分析考核不佳的根源，達到了預期目標。

5 結語

基于IEC 104協議和PI實時數據庫開發了一套電力遠動監控平臺。該平臺經過一段時間的運行表明：采用國標IEC 104協議向地調轉發數據的通訊模式實施效果好,信息容量不受限制，數據刷新快，保證了數據實時性；PI實時數據庫能夠應對大批量、快速刷新的報文數據存儲與讀取，能夠滿足調度監控的需要。該平臺的成功實施，標志著第三方平臺完全可以在不影響數據通信的情況下對電網遠動數據進行采集、處理與分析，這為未來浙江省智能電網第三方數據監控平臺的發展提供了理論依據與寶貴經驗。

[1]董建達.一種管理友好型配電網相量量測單元優化配置模型[J].浙江電力，2016，35（7）∶8-11.

[2]湯為民.104協議的網絡通信方式在漢中電網中的應用[J].西北電力技術，2004，32（4）∶103-104.

[3]閆峰，祁國成，魏凱，等.IEC 104協議在陜京一線SCADA系統中的應用[J].油氣儲運，2011，30（10）∶732-735.

[4]張建設，馬維青，郭晉陽.IEC 60870-5-104協議在遠動通信中的應用[J].電力系統自動化，2003，27（11）∶91-93.

[5]唐岳，廖力清，汪治國.IEC 60870-5-104遠動規約在電網調度中的應用[J].電力系統通信，2005，26（4）∶50-53.

[6]杜龍，施魯寧，楊晉柏.基于ICP/IP的IEC 60870-5-104遠動通信協議在直調廠站中的應用[J].電力系統保護與控制，2008，36（17）∶51-55.

[7]陳國華.遠動IEC 60780-5-104網絡通信協議及其安全防護技術[J].電工技術，2004（6）∶7-8.

[8]王俏文，陶文偉，丁堅勇，等.基于PI數據庫的供電企業實時數據中心的設計與實現[J].電力系統自動化，2009，33（6）∶99-103.

[9]方明霞.PI數據庫在浙江電網的應用現狀與展望[J].浙江電力，2010，29（1）∶51-54.

[10]童存智，王函韻，孫龍祥，等.湖州電網監控信息的全生命周期管理[J].浙江電力，2016，35（7）∶61-64.

（本文編輯：方明霞）

Construction of Telecontrol Power Monitoring Platform Based on IEC 104 Protocol and PI Real-time Database

WANG Yingying1，CHEN Kai2，WU Chunnian1，SHEN Beijun2
（1.Taizhou Power Plant，Taizhou Zhejiang 318016，China；2.School of Electronics，Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

In recent years，telecontrol protocols are used for information transmission between dispatching centers and local plants in the form of messaging in regional power networks.In order to prevent production accidents resulting from message signaling error，data transmission failure and message parsing，it needs a third-party monitoring platform to monitor and manage real-time data of electric power.Moreover，local plants also need a third-party platform to provide data support for performance indicator analysis and fault analysis of telecontrol devices.A telecontrol power monitoring platform based on IEC 104 protocol and PI real-time database is developed to collect service data from exchanger mirror port in power plants and store the data in PI database.Through model criterion setting,data alarming and prompt is realized;by big data review and analysis，potential problems are detected in advance.In addition，model comparison and data analysis are implemented on the system，device，communication from the third-party perspective to turn passive maintenance into active quantitative management so as to ensure operation safety and stability of power grid.

104 protocol；plant information system；monitoring platform；telecontrol；big data；real-time processing；real-time database

TM764

：B

：1007-1881（2017）03-0071-04

2016-11-09

王迎迎（1975），女，工程師，主要從事發電廠電力自動化工作。

更好地保障電網的安全穩定運行。