光電復合海纜在線監測系統數據發布系統設計

胡森

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州311122）

0 引言

近年來，電力通信技術快速發展傳統的串行通信技術有很大局限性，如：傳輸距離短、效率低等問題。IEC60870系列規約由一系列相關子集規約組成，其中IEC60870-5-104規約是一種基于以太網標準的通信規范，它工作在應用層，底層須借助TCP/IP協議進行傳輸[1-4]。自2000年由IEC（國際電工委員會）出版以來，IEC60870-5-104標準就作為通用規范廣泛應用在各個電力行業中，經過十幾年的發展，基于該規約的數據通信不斷地被研究開發，應用于各個領域中，如光伏電站、核電廠、水電廠等各種發電場所以及升壓站、城市軌道交通等電力監控系統中，除此之外，各種遠動系統、自動化系統以及電度平臺中也有廣泛的應用[5-11]。

海纜綜合在線監測系統具備多點遠程監控功能，將海纜溫度監測、應力監測、動態載流量監測、振動監測、船舶智能監控（AIS）等結果存儲并進行分析，最終集成在一個綜合監控平臺上。系統監測數據按其具體類型分為單一類型數量小、單一類型數量大及復雜類型。為保證海纜的安全運行，需要將溫度、應變、載流量等實時綜合信息發布給用戶。

因此，針對海纜在線監測系統中采集到的不同數據信息，本文基于IEC60870-5-104規約提出了一套適用的數據發布系統方案，通過系統所設計的傳輸方式將待發布數據準確、高效地發布至主站，具有實時效率高、準確度高、數據流量大、支持文件傳輸的優點。

1 IEC60870-5-104規約分析

1. 1 規約模型

終端系統的IEC60870-5-104規約結構如圖1所示。

圖1遠動配套標準所選擇的標準版本

1. 2 規約簡介

IEC60870-5-104協議定義了開放的TCP/IP接口的使用，一個由傳輸IEC60870-5-101 ASDU的遠動設備構成的局域網[3]。規約底層采用的是TCP/IP的協議子集，通過用戶到傳輸控制協議（TCP）的接口連接到應用層，該規約的應用層分為應用規約控制信息（Appli-cation Protocol Control Information，APCI）和應用服務數據單元（Application Service Data Unit，ASDU）。

1.2.1 應用規約數據單元（APDU）

APDU（Application Protocol Data Unit）即應用規約數據單元，是IEC60870-5-104規約定義的用于數據傳輸的數據包。APDU的組成結構如圖2所示，主要包括APCI和ASDU兩個部分。APCI即應用規約控制信息，定義了數據報文的起點、APDU的長度以及控制域這些信息；ASDU即應用服務數據單元，定義了用于數據傳輸的數據單元標識符以及信息體等相關內容[3]。

圖2遠動配套標準的APDU定義

（1）APCI（應用規約控制信息）

規約定義的APCI，主要包括以下組成部分：

①啟動字符：占一個字節，定義為68H，表示通信過程中數據報文指令的起點，即所有的數據報文指令都必須以68H開始；

②APDU的長度：占一個字節，定義了APDU的長度，包括APCI四個字節的控制域的長度以及IEC60870-5-104規約定義的ASDU的長度。因為APDU的最大長度是255個字節，除去啟動字符一個字節、APDU的長度一個字節以及控制域的長度四個字節后，ASDU的最大長度為255-6=249個字節，所以ASDU的長度的范圍為0～249；

③控制域：占四個字節，為了防止數據在傳輸過程中出現報文丟失或重復傳送的情況，定義了控制域的內容用以對監視方向和控制方向上的數據報文分別進行累計，同時定義了數據傳輸的啟動/停止和傳輸連接的監視等控制信息。

（2）ASDU（應用服務數據單元）

IEC60870-5-104規約在延續了IEC60870-5-101規約中對于ASDU定義的基礎上，又擴展了用于網絡通信環境下的相關功能以及實現，定義了數據傳輸過程中信息的類型、傳送原因、公共地址以及信息對象地址等信息。

1.2.2 信息體元素及數據格式

IEC60870-5-104規約定義了不同的信息體元素用以傳輸遙測、遙信、遙控、遙調等不同類型的數據信息，每種數據信息都有其固定的格式和字節數。

1. 3 基于規約的通信過程

1.3.1 傳輸過程的類型標識

IEC60870-5-104規約定義了主站與從站之間用于傳輸過程信息和系統信息的不同類型報文，具體有類型標識、報文語意以及編碼等信息。部分常用的信息類型標識如表1所示。

表1部分信息類型標識

如此，單一類型數據即可根據自身類型選擇相應的報文類型，封裝為ASUD后進行數據發布。

1.3.2 文件傳輸

IEC60870-5-104規約中定義的信息體地址的范圍是0～65535，即最多能容納65535個數據，而ASDU的最大長度是249，因此當信息體的字節數超過ASDU的最大長度時，如海纜監測系統中多為海量監測數據，則無法再用協議規定的報文類型進行數據傳輸。另外，如果數據信息類型不單一，如一條消息包含了整型、字符型、浮點型等多種數據類型，這樣會導致數據傳輸過程中信息體的字節數不固定，無法對其進行地址分配，據此，本文考慮采用文件的形式進行數據傳輸，將數據信息以分段的形式傳輸至目的地。

2 文件傳輸技術

根據IEC60870-5-104規約內容所述，當遠動系統中信息體的字節數超過ASDU規定的最大長度或數據類型不單一時，可以采用文件的形式進行傳輸。文件傳輸的關鍵是根據既定條件分配節和段的長度。

2. 1 文件傳輸配置

2.1.1 點表配置

本數據發布系統的點表配置設計用于設置需要傳輸的信息體元素的相關參數，主要包括以下內容：

（1）報文類型：用TypeID來標識，根據IEC60870-5-104規約定義可以配置的遙測數據類型為不帶時標的9（歸一化遙測值）、11（標度化遙測值）、13（短浮點遙測值）以及帶時標的34（歸一化遙測值）、35（標度化遙測值）、36（短浮點遙測值）等；

（2）排列方式：標識數據信息的排列方式，0表示離散排列，1表示順序排列；

（3）傳輸原因：標識數據的傳輸原因，1為周期循環傳輸，3為突發傳輸；

（4）公共地址：標識公共地址；

（5）信息體地址：標識信息體的地址；

（6）信息體長度：標識信息體的長度；

（7）發布周期：設置數據發布的周期，以秒為單位；

（8）站召喚開啟標志：標識站召喚的開啟標志，0表示關閉，1表示開啟；

（9）周期循環發布開啟標志：標識周期循環發布的開啟標志，0表示關閉，1表示開啟；

（10）突發發布開啟標志：標識突發發布的開啟標志，0表示關閉，1表示開啟。

2.1.2 數據映射配置

本數據發布系統的數據映射配置過程用于設置信息體地址以及與其關聯的數據庫中的數據表之間的映射關系。具體內容包括有：

（1）信息體地址：對應主站點表配置內的信息體地址；

（2）關聯數據表名：設置該信息體對應于數據庫中的數據表名；

（3）取樣間隔：設置從數據表中取出信息體的取樣間隔，以個為單位。

2. 2 文件傳輸舉例

2.2.1 海量數據傳輸

目前已知的光纖傳感設備普遍可以監測幾十公里遠的距離，有些先進的設備甚至能監測100公里以上的距離，而其空間分辨率最多可以達到0.1米，這樣其溫度或者應變數據就可能達到百萬的量級。由1.3.2描述可知，IEC60870-5-104規約對于ASDU的長度以及信息體地址有限制，只有采用文件傳輸的形式才能將這種海量數據準確高效地傳輸至主站。

假設系統服務器端某一次需要發布100萬個溫度數據，由于是浮點型數據，所以總長度為400萬個字節，定義節的長度為104B，則文件包含的節的數量為：

定義段的長度為100B，則每個節包含段的數量為：

因此，系統該次傳輸的文件包含400個節，每個節的長度為10KB，每個節包含100個段，每個段的長度為100B。系統服務端端根據IEC60870-5-104規約定義將文件數據按照段的順序傳輸至客戶端。

2.2.2 復雜類型數據信息傳輸

以某海上風電場海纜在線監測系統的數據發布為例，復雜類型的數據包括AIS數據信息以及報警數據信息。

（1）AIS數據信息的文件傳輸

一個AIS數據包含MMSI識別號、設備類型、經緯度以及航速、航向等數據，所包含的數據類型有字符串型、浮點型等，據此本文考慮首先使用結構體將這些數據封裝到一個內存塊中，對應文件中的一個節，這樣一個節就表示一個AIS數據信息，再通過分段將數據按段發送出去。AIS信息的每個數據的類型及其分配的字節數如表2所示。

表2 AIS數據信息類型及其字節分配

由表2得知一個AIS數據信息占50個字節，也即一個節的長度為50個字節，根據文件傳輸的結構定義，將該AIS數據信息分為10個段，則每個段占5個字節，即一個段的長度為5個字節。

（2）報警數據信息的文件傳輸

表3報警信息數據類型及其字節分配

表3所示為報警信息的數據類型及其所分配的字節數，由表可知，一個報警數據信息占80個字節，將該報警數據信息分為10個段，則每個段占8個字節。

3 結語

本文首先仔細深入研究了IEC60870-5-104規約，針對實際應用場景設計了一套基于該規約的數據發布系統，解決了光電復合海纜在線監測系統的數據種類多，數據類型復雜等實際問題，并通過測試驗證了該系統的可行性，相信對更寬泛的場景有很好的參考價值。