基于IEC60870-5-104協(xié)議的電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣騰龍

（上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司智慧交通事業(yè)部 上海市 200023）

電力監(jiān)控系統(tǒng)是城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)最重要的系統(tǒng)之一，也是保障軌道交通供電安全，可靠穩(wěn)定運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。通過(guò)電力監(jiān)控系統(tǒng)，調(diào)度中心可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全線各個(gè)變電站的設(shè)備運(yùn)行情況，并可以直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。目前電力行業(yè)普遍應(yīng)用的是IEC60870-5-104 協(xié)議，城市軌道交通的電力監(jiān)控系統(tǒng)也廣泛使用這種協(xié)議。本文結(jié)合工程實(shí)踐，簡(jiǎn)述了一個(gè)基于IEC60870-5-104 協(xié)議的電力監(jiān)控系統(tǒng)主站程序的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用。

1 IEC60870-5-104協(xié)議簡(jiǎn)介

IEC60870-5 系列通信協(xié)議體系是國(guó)際電工委員會(huì)第57 技術(shù)委員會(huì)第3 工作組（IEC TC57WG 03）于1990年開(kāi)始制訂的用于變電站遠(yuǎn)動(dòng)通信的協(xié)議體系，即“遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備和系統(tǒng)”的第5 部分：傳輸規(guī)約。IEC60870-5系列協(xié)議根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域定義了一系列配套標(biāo)準(zhǔn)：IEC60870-5-101 用于變電站與控制中心之間或不同系統(tǒng)之間的串行數(shù)據(jù)通信，IEC60870-5-102 用于電能計(jì)量信息的接入；IEC60870-5-103 用于繼電保護(hù)信號(hào)接入，IEC60870-5-104 是IEC60870-5-101的網(wǎng)絡(luò)版本。

2 IEC60870-5-104協(xié)議分析

2.1 過(guò)程與接口

IEC60870-5-104 協(xié)議采用平衡傳輸模式，不論網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備屬于主站還是廠站，都有權(quán)發(fā)起通訊。基本網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)起和終止，包括連接的建立、握手、數(shù)據(jù)的傳輸和連接的斷開(kāi)都遵循TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)議采用TCP/IP 地址，其標(biāo)準(zhǔn)通訊端口號(hào)為2404，在任何情況下，廠站通過(guò)監(jiān)聽(tīng)端口2404 來(lái)獲取接入連接。

2.2 通訊過(guò)程控制及數(shù)據(jù)傳輸

IEC60870-5-104 協(xié)議通過(guò)一系列“控制信息”的交換來(lái)對(duì)整個(gè)通訊過(guò)程進(jìn)行控制，確保傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。在進(jìn)行任何有效設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸前，首先要進(jìn)行啟動(dòng)通訊操作，同理，在終止一個(gè)連接前，需要進(jìn)行結(jié)束通訊操作。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，有基于收、發(fā)計(jì)數(shù)的應(yīng)答機(jī)制來(lái)確保傳輸數(shù)據(jù)的完整性、不重復(fù)性和連續(xù)性。對(duì)于閑置時(shí)間較長(zhǎng)的連接，有通訊測(cè)試機(jī)制以隨時(shí)確定通訊鏈路的有效性。

2.3 應(yīng)用數(shù)據(jù)內(nèi)容

應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU，是IEC60870-5-104 協(xié)議最大的數(shù)據(jù)傳輸單位。一個(gè)APDU 包含了一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜繑?shù)據(jù)內(nèi)容，是傳輸數(shù)據(jù)包的總稱，通常稱為幀，APDU 由應(yīng)用規(guī)約控制信息APCI 和應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元ASDU 組成。

2.3.1 APCI

APCI 具有固定的幀長(zhǎng)度和幀結(jié)構(gòu)，分別是起始字節(jié)（68H），APDU 長(zhǎng)度字節(jié)（最大253）和4 個(gè)控制域字節(jié)。根據(jù)4 個(gè)控制域字節(jié)攜帶信息和結(jié)構(gòu)的不同，APCI 被分為3 種類型，分別是：編號(hào)的信息傳輸（簡(jiǎn)稱為I 幀）；編號(hào)的監(jiān)視功能（簡(jiǎn)稱為S 幀）；未編號(hào)的控制功能（簡(jiǎn)稱為U 幀）。APCI 的類型同時(shí)決定了整個(gè)APDU 的類型。

I 幀，控制域標(biāo)志：第一位八位位組的第一位bit=0，第三位八位位組的第一位bit=0。I 幀至少必須包含一個(gè)ASDU。I 幀報(bào)文必須有發(fā)送序號(hào)計(jì)數(shù)和給對(duì)方I 幀信息確認(rèn)的接收序號(hào)計(jì)數(shù)。凡是傳送遙測(cè)、遙信、遙控信息只能使用I 幀。

圖1：網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)

I 幀的報(bào)文結(jié)構(gòu)如表1 所示。

S 幀：第一個(gè)八位位組的第一位bit=1 并且第二位bit=0，第三個(gè)八位位組的第一位bit=0。S 幀只包含APCI，只能用來(lái)給對(duì)方的報(bào)文序號(hào)確認(rèn)，不傳送任何信息。

S 幀的報(bào)文結(jié)構(gòu)如表2 所示。

U 幀：第一個(gè)八位位組的第一位bit=1 并且第二位bit=1，第三個(gè)八位位組的第一位bit=0。U 幀只包含APCI，只能用來(lái)給對(duì)方的報(bào)文序號(hào)確認(rèn)，用于控制鏈路傳輸開(kāi)始或者終止信息，或者鏈路測(cè)試信息等：V 表示生效，C 表示確認(rèn)，START:啟動(dòng)命令、STOP:停止命令，TEST:測(cè)試命令。同一時(shí)刻，TESTFR，STOPDT 或STARTDT 中只有一個(gè)功能可能被激活。

U 幀的報(bào)文結(jié)構(gòu)如表3 所示。

2.3.2 ASDU

ASDU 包括數(shù)據(jù)單元標(biāo)志符和信息體兩部分組成。

（1）數(shù)據(jù)單元標(biāo)志符包括：類型標(biāo)志(1 個(gè)字節(jié))；可變結(jié)構(gòu)限定詞(1個(gè)字節(jié))；傳送原因(2個(gè)字節(jié))；ASDU公共地址(2個(gè)字節(jié))。

（2）信息體包括：信息對(duì)象地址(3 個(gè)字節(jié))；信息元素集(若干字節(jié))；時(shí)標(biāo)(7 個(gè)字節(jié)（可選）)。

類型標(biāo)志定義了后續(xù)信息對(duì)象的結(jié)構(gòu)、類型和格式。可變結(jié)構(gòu)限定詞，其最高位等于0 表示后續(xù)的信息體的地址是不連續(xù)的，等于1 表示后續(xù)的信息體的地址是連續(xù)的。其余7 位表示信息體的數(shù)量。

在本文中提到的電力監(jiān)控系統(tǒng)中需要實(shí)現(xiàn)如下ASDU：

監(jiān)視方向的ASDU，見(jiàn)表4。

控制方向的ASDU，見(jiàn)表5。

3 電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

上海軌道交通18 號(hào)線沿線有主變電站、開(kāi)關(guān)站、混合變電站、降壓變電站4 鐘類型的變電站。環(huán)網(wǎng)電纜將主站變電站與車站變電站串成供電網(wǎng)絡(luò)，各變電站內(nèi)均采用變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，在車站綜合弱電機(jī)房通過(guò)車站級(jí)的以太網(wǎng)交換機(jī)接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)有通訊管理機(jī)，完成所內(nèi)各設(shè)備監(jiān)控及遠(yuǎn)程通訊。通訊管理機(jī)配置兩個(gè)以太網(wǎng)口，經(jīng)過(guò)兩個(gè)交換機(jī)后，再分別接入到車站綜合弱電機(jī)房的主備通道上，通過(guò)專用傳輸網(wǎng)絡(luò)完成與綜合監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信，通信協(xié)議采用IEC60870-5-104規(guī)約。網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

表1：I 幀的報(bào)文結(jié)構(gòu)

表2：S 幀的報(bào)文結(jié)構(gòu)

表3：U 幀的報(bào)文結(jié)構(gòu)

表4：監(jiān)視方向的ASDU

表5：控制方向的ASDU

4 電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及應(yīng)用

4.1 軟件結(jié)構(gòu)和開(kāi)發(fā)環(huán)境

軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)由兩大部分構(gòu)成：綜合監(jiān)控系統(tǒng)和變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。本文只介紹綜合監(jiān)控系統(tǒng)部分。根據(jù)IEC60870-5-104 協(xié)議，主站與廠站之間的通信是一種基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通用協(xié)議的典型的C/S 模式，其中廠站(即廠站端RTU)是服務(wù)器端，控制站(綜合監(jiān)控系統(tǒng))是客戶機(jī)端。這里在VS2010 開(kāi)發(fā)環(huán)境上，采用C++編程語(yǔ)言，運(yùn)用ACE 庫(kù)實(shí)現(xiàn)TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)編程。

ACE 庫(kù)提供了ACE_INET_Addr 類，ACE_SOCK_Connector 類，ACE_SOCK_Stream 類等用于網(wǎng)絡(luò)編程。其中ACE_INET_Addr 類用于處理網(wǎng)絡(luò)地址，ACE_SOCK_Connector 類用于客戶端與服務(wù)端建立網(wǎng)絡(luò)連接，ACE_SOCK_Stream 類用于數(shù)據(jù)傳輸，包括發(fā)送和接收數(shù)據(jù)以及斷開(kāi)連接等。通過(guò)應(yīng)用ACE_SOCK_Connector 類的connect()方法，可以控制主站跟廠站得網(wǎng)絡(luò)連接，通過(guò)應(yīng)用ACE_SOCK_Stream 類的recv()方法，可以控制接收和發(fā)送通信鏈路上的APDU。

4.2 程序主線程設(shè)計(jì)

綜合監(jiān)控系統(tǒng)程序運(yùn)行以后，由主站端發(fā)起連接請(qǐng)求后與變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)建立TCP 連接。當(dāng)TCP 連接成功后，主站發(fā)送U 幀中的STARTDT 后，等待廠站回應(yīng)該命令報(bào)文后，然后發(fā)送I幀中的總召報(bào)文，開(kāi)始接收廠站發(fā)來(lái)的變位信息和周期性掃描數(shù)據(jù)。根據(jù)廠站發(fā)送數(shù)據(jù)，進(jìn)行有效性檢查：確定報(bào)文的數(shù)據(jù)格式，報(bào)文序列校驗(yàn)，對(duì)象地址以及屬性值。數(shù)據(jù)流程圖如圖2 所示。對(duì)于廠站上傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行有效性檢查：確定報(bào)文序號(hào)、數(shù)據(jù)類型、信息對(duì)象地址是否有效。

圖2

4.2.1 I 幀序號(hào)檢驗(yàn)及處理

當(dāng)通訊正常時(shí)，發(fā)送方每發(fā)送一個(gè)格式報(bào)文，其發(fā)送序號(hào)應(yīng)加1，接收方每接收到一個(gè)與其接收序號(hào)相等的I 幀，其接收序號(hào)應(yīng)加1，每次重新建立TCP 連接后，主站和廠站的接收序號(hào)和發(fā)送序號(hào)都清零。因此主站程序加入了計(jì)數(shù)器，存儲(chǔ)接收序號(hào)。當(dāng)主站程序每接收一個(gè)發(fā)送序號(hào)與其接收序號(hào)相等的I 幀后，計(jì)數(shù)器加1。若收到的I 幀不等于計(jì)數(shù)器，則認(rèn)為是報(bào)文丟失或者報(bào)文重復(fù)，該I 幀將會(huì)被丟棄。若連續(xù)出現(xiàn)12 個(gè)序號(hào)不正確的I 幀，則主站斷開(kāi)連接并復(fù)位。

I 幀的接收和發(fā)送序號(hào)連續(xù)編號(hào)，終究是要溢出的。溢出之后的I 幀將會(huì)被丟棄。根據(jù)I 幀的定義，接收和發(fā)送序號(hào)的最大值是32767。為了確保序號(hào)連續(xù)，循環(huán)不止，首先主站程序?qū)?2767 后序號(hào)為0 的I 幀判斷為連續(xù)編號(hào)，I 幀為有效幀，然后設(shè)定當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到32767 時(shí)，下一個(gè)接收序號(hào)為0。這樣就確保了在主站和廠站的通信過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)序號(hào)到達(dá)上限有效I 幀做無(wú)效處理的情況。

4.2.2 超時(shí)定義及處理

根據(jù)協(xié)議定義，主程序設(shè)定4 個(gè)定時(shí)器，分別設(shè)置為T(mén)0,T1,T2,T3。主站與廠站若未能在T0 時(shí)間內(nèi)建立TCP 連接，程序自動(dòng)復(fù)位進(jìn)行TCP 重連。主站程序在發(fā)送U 幀或者I 幀后，若在T1 時(shí)間內(nèi)未收到U 幀或者I 幀，則主動(dòng)斷開(kāi)連接。主站程序在收到I 格式報(bào)文后，會(huì)在T2 時(shí)間內(nèi)發(fā)送一個(gè)S 格式確認(rèn)報(bào)文給廠站。主站若在T3 時(shí)間內(nèi)未能收到任何報(bào)文，將向廠站發(fā)送U 格式的測(cè)試幀。

4.3 關(guān)鍵代碼

4.3.1 對(duì)象定義

（1）全局對(duì)象定義：

ACE_SOCK_Connectorm_TCPConn;

ACE_SOCK_Streamm_TCPPeer;

（2）臨時(shí)對(duì)象定義：

ACE_INET_Addraddr;(2404(通信端口), IP 地址(字符串類型，廠站地址));

（3）隊(duì)列定義：

::PubSvr::OctetSeqm_ShowRecv, m_CurRecv;

::PubSvr::OctetSeqm_DataSend;

4.3.2 主要方法應(yīng)用

（1）connect()

ACE_Time_Value timeout (T0, 0); //超時(shí)設(shè)置

intnRet= m_TCPConn.connect(m_TCPPeer,addr,& timeout);// 建立網(wǎng)絡(luò)連接

（2）recv()

ACE_Time_Value timeout (1000/1000, (1000%1000)*1000);// 超時(shí)設(shè)置

ssize_tnRet = m_TCPPeer.recv(m_CurRecv.get_buffer(), m_CurRecv.length(), &timeout);//接收數(shù)據(jù)

（3）send()

ssize_t nRet1 = m_TCPPeer.send(m_DataSend.get_buffer(), m_DataSend.length());//發(fā)送數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

IEC60870-5-10 協(xié)議具有兼容性好，穩(wěn)定性強(qiáng)，可靠性好的特點(diǎn)，對(duì)于城市軌道交通的電力監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用IEC60870-5-104 協(xié)議能確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。本文提到的基于IEC60870-5-104 協(xié)議的電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案能有效的處理應(yīng)用協(xié)議時(shí)出現(xiàn)的幾個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題。并且運(yùn)用ACE 庫(kù)相關(guān)內(nèi)容能簡(jiǎn)化程序中網(wǎng)絡(luò)編程代碼，提高程序網(wǎng)絡(luò)通信性能。本文中的主站程序，已應(yīng)用到實(shí)際工程中，整體系統(tǒng)運(yùn)行高效穩(wěn)定。