智能箱變通信協議解析

乜鳳海

（順特電氣設備有限公司，廣東 佛山 528300）

0 引 言

隨著箱式變電站（簡稱箱變）的廣泛應用，通信數字化、控制自動化的箱變通過安裝各類傳感器、智能設備，將箱體內的運行參數和狀態通過數據總線、計算機網絡傳送到上位機進行數據解析與存儲，組成數據采集和監控（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統。上位機可實時查看箱變運行數據，并對箱變進行遠動操作。

1 箱變智能化通信系統結構

箱變智能化通信系統按分層分布式的原則，由間隔層、通信層以及監控層3部分組成。間隔層由各相對獨立的分散安裝在高、低壓開關柜（包括回路）上的智能儀表和裝置組成，完成現場數據的采集與通信命令的實施。通信層的核心是測控裝置內的通信管理機，能夠進行通信協議的轉換，實現數據的通信。監控層主要由上位機和監控系統軟件組成，通過計算機和軟件實現系統管理功能，實現箱變內一次設備的四遙功能[1]。配置了通信管理機的智能箱變可根據需要靈活組網，其通信系統如圖1所示。

圖1 箱變通信系統

通信管理機與現場智能設備之間采用RS485串口通信，通信介質為屏蔽雙絞線，通信協議為Modbus-RTU協議；與上位機監控系統之間采用工業以太網通信，可用光纖實現遠距離傳輸，通信協議為基于傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）的IEC 104協議。通信管理機實際上是個網關，通過Modbus協議采集各智能設備的實時數據，經過協議轉換，用IEC 104協議將數據轉發給上位機監控系統，由監控系統對數據進行處理、顯示以及存儲。監控系統的數據先發送給通信管理機轉換后再發送給智能設備，可以實現多路串口數據同時收發，進行串口數據和網口數據的轉換，在串行鏈路和以太網之間建立連接，分析和識別多路串口設備采集的信息，轉化為數據幀的形式在網絡傳輸[2-5]。

2 通信協議和信息點表

通信協議又稱通信規約，是指通信雙方對數據傳送控制的一種約定，對數據格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯方式以及控制字符定義等問題做出統一規定，通信雙方必須共同遵守。

自動化系統中使用的變量數即為點數。信息點表作為系統集成的重要依據和協議標準，自動化系統的建設都是以點表中變量的描述和規定為基礎。通常情況下，點表中每個信息點都定義好設備名、設備地址、信息點描述、寄存器地址、數據類型等相關內容。智能箱變信息點表包括現場設備采集的各種數據、狀態情況，按定義的輸入/輸出（Input/Output，I/O）通道反映到系統集中采集的信息點，包括采集后的上行數據，如模擬量（遙測）、開關量（遙信）和下行控制數據(遙控、遙調)。核對點表就是核對I/O通道、地址、設備、數據庫連接等是否正確，是系統通信的重要工作內容。信息點表是通信協議的一部分，通信協議主要分為采集協議和轉發協議兩種，常用的采集協議包括Modbus-RTU、CDT、DL/T645等，轉發協議包括Modbus-TCP、IEC 101、IEC 104、MQTT等。下面分別對智能箱變中常用的采集協議Modbus-RTU和轉發協議IEC 104進行解析說明。

3 Modbus-RTU協議解析

ModBus協議已成為工業通信領域的業界標準，采用主從通信方式，通信管理機為主站、智能設備為從站，使用“請求-應答”機制來進行信息交換。工作時，主站發送命令幀，地址匹配的從站進行響應并向主站返回應答幀，其他從站對命令幀不予理睬。通過讀寫寄存器或者數據存儲器中指定地址的數據來完成，將數據存放在接收緩存區必須按照Modbus-RTU協議定義的幀格式進行解析來提取其中的數據[6-8]。

報文中每個8 bit包含兩個4 bit的十六進制字符，功能碼、數據類型、寄存器地址可參考具體Modbus設備說明書。

3.1 讀取智能電壓表的3個相電壓值模擬量

主站發送01（從站地址）03（功能碼03讀取數據）0000(起始地址)0003（連續讀3個寄存器）FF8C（CRC碼），從站返回01（從站地址）03（功能碼）06（回送6個字節數據）0274 0272 0277（返回的數據）56C3（CRC碼）。每個電壓值（數據類型為U16）占1個寄存器，長度為兩個字節。返回數據轉換為十進制后分別為628、626、631，單位為0.1 V，即二次側相電壓ua=62.8 V、ub=62.6 V、uc=63.1 V。計算一次側相電壓時，可在通信點表配置增加3個虛擬采集點，建立虛量公式。

3.2 讀取溫控器測量的變壓器三相繞組溫度信號

主站發送02（從站地址）03（讀數據功能碼）0000（寄存器起始地址）0003（3個寄存器）05CB（CRC碼），從站返回02（從站地址）03（功能碼）06（數據長度6字節）02C2 02D1 02C8（3路溫度值）6B85（CRC碼）。每個溫度值（數據類型為I16，高8位+低8位，最高位為符號位）占1個寄存器，長度為兩個字節。返回數據轉換為十進制并乘以系數后，即解析出三相繞組溫度分別為70.6 ℃、72.1 ℃、71.2 ℃。

3.3 對低壓框架斷路器遙控合閘

主站發送03（從站斷路器地址號）05（功能碼寫單個線圈）0400（遙控指令寄存器地址）FF00（遙控合閘命令數據）F3F6（CRC碼），從站返回03050400FF00（完全重復下行幀命令，相當于確認）。

4 IEC 104協議解析

IEC 104協議是應用層協議，規定傳輸層使用的是TCP協議，雙方都使用固定的TCP端口號2404，TCP數據包格式可理解為{TCP（IEC104（用戶數據））}。后臺上位機操作系統解開TCP包，取出IEC 104包，然后由監控系統軟件解析IEC 104包，取得定義好的用戶數據。后臺監控系統作為客戶端（主站）、通信管理機作為服務器（從站），IEC 104協議采用平衡傳輸方式，當主站沒有進行數據召喚，而從站中有數據變化時，主動上送變化數據。下面對從站發送的I格式報文舉例解析說明，括號內為解釋。

4.1 發送遙信幀報文

從站發送68（啟動字符）1C（報文長度為28個字節）00000000（控制域）01（報文類型為1單點遙信）8F（可變結構限定詞，二進制10001111最高位為1表示連續，0001111=15表示有15個遙信數據）1400（傳送原因是總召喚）0100（公共地址0001即1#箱變地址）010000（信息對象第一位點號1）000000010100010001000100010001（15個遙信數據的值，每個字節表示一個遙信值，如00表示分位，01表示合位）。解析后得到15個遙信數據即15個開關量的狀態值，結合遙信點表，按點號順序，第4、5、7、9、11、13、15號的開關量在合位，其余點號開關量在分位。

4.2 發送遙測幀報文

從站發送68（啟動符）22（報文數據長度34字節）04000200（控制域）0D（類型標識0D，短浮點遙測、帶品質描述、每個遙測值5個字節）03（可變結構限定詞，信息數目為3）1400（傳輸原因，響應總召喚）0100（公共地址即1#箱變）014000（信息體地址16385，即低壓UA電壓值）CC4C E443（遙測值，純小端排序即16進制43E44CCC，轉換10進制為456.6）00（品質描述：合格）02 4000（信息體地址16386）CC8C E343（遙測值）00（品質描述）034000（信息體地址16387）9959 E543（遙測值）00（品質描述）。解析后一次側相電壓分別為456.6 V、455.1 V、458.7 V。

4.3 發送變位遙信報文

從站發送68（啟動符）0E（長度）16000600（控制域）01（類型標示，單點遙信）01（可變結構限定詞，有1個變位遙信上送）0300（傳輸原因，表突發事件）0100（公共地址即1#箱變）030000（信息體地址，第3號遙信）00（遙信分）。

4.4 發送遙控執行確認報文

從站發送68（啟動符）0E（長度）04001800（控制域）2E（類型標示）01（可變結構限定詞）0600（傳輸原因）0100（公共地址即1#箱變）020600（信息體地址為24578即低壓斷路器1）02（控合）。

5 ModbusRTU和IEC104的映射及協議轉換

智能箱變上下兩層通信協議分別是基于RS485的Modbus-RTU協議和基于TCP/IP的IEC 104協議，因此需要兩者之間進行數據映射及協議轉換。

采集協議和轉發協議分屬應用層協議不同的兩個通信系統，用軟件的方法實現兩種協議傳輸數據的封裝（打包）和解封（解包）問題，從而完成協議轉換、數據交互的目的。通信管理機將Modbus設備發送來的數據按Modbus-RTU協議自底向上逐層次解包，得到其中的用戶數據，放入緩存數據庫，然后按照IEC 104協議將用戶數據篩選重新排序，自頂向下逐層打包，發送給上位機，上位機接收并解析該應用協議數據單元（Application Protocol Data Unit，APDU），根據應用服務數據單元（Application Service Data Unit，ASDU）的信息對象地址與智能設備之間的映射關系，刷新對應開關量或模擬量輸入測點的數值[9,10]。反向的數據傳輸，與此同理。

6 結 論

實現智能化通信的箱變可成為變配電網絡自動化的有效基礎和基本節點，其通信接口支持箱變連接到任何通信網絡。隨著物聯網時代的發展，基于云平臺的電力監控系統數據中心是下一步發展趨勢，對智能箱變內采集參數的智能設備、通信設備的可靠度、精度及成本提出了新的要求。