IEC 60870-5-104規(guī)約在電網(wǎng)接地故障監(jiān)控中的應(yīng)用

李文宏 張修華

(山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266510)

0 引言

由于煤礦的特殊工作環(huán)境，它對(duì)供電系統(tǒng)的要求較為嚴(yán)格，因此可靠、高效的電力故障監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)極其重要。本文所述的監(jiān)控系統(tǒng)以支持TCP/IP協(xié)議和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口的工控機(jī)為核心部件。作為總線(xiàn)上的主控器和煤礦局域網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)，監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)總線(xiàn)與故障檢測(cè)模塊交換信息，通過(guò)以太網(wǎng)與上位機(jī)監(jiān)控軟件交換信息，使總線(xiàn)通信局限于單個(gè)變電所;主體通信通過(guò)以太網(wǎng)完成，從而減少外界干擾，擴(kuò)大檢測(cè)系統(tǒng)的覆蓋面，提高系統(tǒng)的工作效率。

IEC 60870-5-104之前的規(guī)約大多在具有永久連接電路的站間傳輸基本遠(yuǎn)動(dòng)信息，而104規(guī)約是“采用標(biāo)準(zhǔn)傳輸文件集的 IEC60870-5-101 的網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)”［1－5］，運(yùn)行于TCP協(xié)議之上，可以在TCP/IP框架內(nèi)運(yùn)行在不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)上［6－9］。本文主要分析了104規(guī)約的數(shù)據(jù)格式、傳輸規(guī)則和機(jī)制，并在TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了104規(guī)約的主要功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分析

前期煤礦的供電監(jiān)控系統(tǒng)大多采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，各個(gè)變電所相互獨(dú)立，信息傳輸距離較短，易受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的干擾;組成的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小，不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)程監(jiān)控，必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作才能獲得變電所的供電參數(shù)。這使得井下操作效率低下、安全性低。早期監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 早期監(jiān)控系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the monitoring system of early stage

基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)能克服總線(xiàn)型系統(tǒng)的缺點(diǎn)，上位機(jī)和所有變電所都掛接到網(wǎng)絡(luò)上，所有信息參數(shù)通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，可以真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。這樣的監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋面廣、組網(wǎng)簡(jiǎn)單靈活、易于擴(kuò)展，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 基于網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the monitoring system based on network

在基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)中，工控機(jī)系統(tǒng)支持TCP/IP協(xié)議和總線(xiàn)接口，104規(guī)約也在工控機(jī)上實(shí)現(xiàn)。工控機(jī)通過(guò)總線(xiàn)接口讀取各個(gè)檢測(cè)模塊采集到的故障信息，并根據(jù)信息的類(lèi)型打包成相應(yīng)格式的104規(guī)約數(shù)據(jù)包，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)套接口發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上;上位機(jī)接收此數(shù)據(jù)報(bào)，在解析出現(xiàn)場(chǎng)信息之后，再進(jìn)行下一步的用戶(hù)交互操作。

2 IEC 60870-5-104規(guī)約格式解析

IEC60870-5-104規(guī)約的數(shù)據(jù)格式［4］定義具體如表1所示。

表1 遠(yuǎn)動(dòng)配套標(biāo)準(zhǔn)的APDU定義Tab.1 Definition of APDU for telecontrol supporting standard

表1中，啟動(dòng)字符為68 H，定義了數(shù)據(jù)流的起點(diǎn)。應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(application protocol data unit，APDU)的長(zhǎng)度是指控制域字節(jié)到APDU最后一個(gè)字節(jié)之間的所有字節(jié)數(shù)。

IEC 60870-5-104規(guī)約規(guī)定了I格式幀、S格式幀和U格式幀3種幀類(lèi)型，幀類(lèi)型由4個(gè)控制域字節(jié)決定。類(lèi)型標(biāo)志用來(lái)標(biāo)志APDU中數(shù)據(jù)的類(lèi)型，主要包括遙測(cè)、遙信/變化遙信、順序事件記錄SOE、遙控等，每種類(lèi)型各有1 B的常量值與之對(duì)應(yīng)。

可變結(jié)構(gòu)限定詞的各位段取值如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)限定詞Tab.2 Structure qualifiers

表2中，SQ和N均表示可變幀長(zhǎng)。

傳送原因字段用來(lái)標(biāo)志數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑颍饕ㄖ芷凇⒀h(huán)、突發(fā)、初始化、請(qǐng)求/被請(qǐng)求、激活、激活確認(rèn)、激活結(jié)束、響應(yīng)總召喚等，每個(gè)傳送原因都對(duì)應(yīng)1 B的常量值。公共地址一般與鏈路地址相同。信息體地址分為兩類(lèi):若是響應(yīng)總召喚類(lèi)變長(zhǎng)幀，信息體地址為0000;若為轉(zhuǎn)發(fā)YC/YX/YM值，則信息體地址為YC/YX/YM。品質(zhì)描述主要用于命令數(shù)據(jù)傳送，主要包括召喚全數(shù)據(jù)、召喚組數(shù)據(jù)、召喚全電度、召喚組電度或YC/YX/YM值。遙控命令限定詞的位定義如表3所示。

表3 遙控命令限定詞Tab.3 Telecontrol command qualifiers

表3中，S/E為0表示遙控執(zhí)行，為1表示遙控預(yù)置;DCS為0表示不允許，為1表示遙控分閘，為2表示遙控合閘，為3表示不允許。

3 IEC 60870-5-104規(guī)約的實(shí)現(xiàn)

IEC 60870-5-104規(guī)約使用TCP/IP提供的服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。現(xiàn)在的操作系統(tǒng)大都支持TCP/IP協(xié)議棧，在無(wú)操作系統(tǒng)的情況下，也有許多功能比較完善的TCP/IP 協(xié)議模塊可以直接使用［10］，如 BSD TCP/IP、LwIP、uIP、TinyTcp等，它們提供了充分的用戶(hù)接口，可以開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序而不必關(guān)心協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)目前運(yùn)行于Windows系統(tǒng)下，提供了大量Socket API和2個(gè)Socket類(lèi)。這些接口和類(lèi)封裝了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的細(xì)節(jié)，可以使用戶(hù)專(zhuān)注于應(yīng)用層程序(104規(guī)約)的開(kāi)發(fā)，提高開(kāi)發(fā)效率，縮短開(kāi)發(fā)周期。

3.1 規(guī)約的變量定義

IEC 60870-5-104規(guī)約中定義了一些變量，這些變量的狀態(tài)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中是不斷變化的，是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸?shù)那疤帷Ｒ虼?，在?yīng)用程序開(kāi)發(fā)中要對(duì)這些變量特別關(guān)注，必須通過(guò)相應(yīng)的編程技術(shù)對(duì)它們加以保護(hù)，避免訪(fǎng)問(wèn)沖突。這些變量主要有:APDU總長(zhǎng)度、端口號(hào)、發(fā)送序列號(hào)NS、接收序列號(hào)NR等，具體定義如下。

①APDU總長(zhǎng)度:IEC 60870-5-104規(guī)約規(guī)定APDU的總長(zhǎng)度限制為255 B，故應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元(application service data unit，ASDU)最多包含249 B 的數(shù)據(jù)。

②端口號(hào):在傳輸層固定為2404，這已經(jīng)得到互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字分配授權(quán)(Internet assigned number authority，IANA)的認(rèn)可［5］。

③發(fā)送序列號(hào)NS:發(fā)送方每發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，發(fā)送序列號(hào)就自動(dòng)加1，并記錄發(fā)送幀的個(gè)數(shù)，此值在初創(chuàng)建或重新創(chuàng)建TCP連接時(shí)初始化為0。

④接收序列號(hào)NR:接收方每接收一幀數(shù)據(jù)，接收序列號(hào)就自動(dòng)加1，當(dāng)此值被返回給發(fā)送站時(shí)，表示所有發(fā)送序列號(hào)小于此值的APDU被認(rèn)可。

⑤t0:連接建立應(yīng)在此時(shí)間范圍內(nèi)完成，否則連接建立超時(shí)，默認(rèn)值為30 s。

⑥t1:發(fā)送方發(fā)送一個(gè)I格式或U格式報(bào)文后，應(yīng)在此時(shí)間范圍內(nèi)得到對(duì)方的確認(rèn)信息，否則將重新建立TCP連接，默認(rèn)值為15 s。

⑦t2:接收方在接收到I格式報(bào)文后，若經(jīng)此時(shí)間后沒(méi)有新I格式報(bào)文送來(lái)，則接收方要發(fā)送S格式幀對(duì)已收到的I格式幀進(jìn)行確認(rèn)，默認(rèn)值為10 s。

⑧t3:在此時(shí)間內(nèi)若沒(méi)有收到任何格式的數(shù)據(jù)，則應(yīng)向?qū)Ψ桨l(fā)送測(cè)試鏈路幀。在接收到任一種格式的數(shù)據(jù)后，復(fù)位此時(shí)間值，默認(rèn)值為20 s。

⑨k:在某一特定時(shí)間內(nèi)，若未被確認(rèn)的連續(xù)編號(hào)的I格式幀的個(gè)數(shù)達(dá)到此數(shù)值時(shí)，發(fā)送方停止發(fā)送，默認(rèn)值為12個(gè)APDU，取值范圍為1～32767個(gè)APDU。

⑩w:接收方在收到I格式后應(yīng)盡快進(jìn)行確認(rèn)，104規(guī)約規(guī)定最晚在接收到w個(gè)I格式幀后必須進(jìn)行確認(rèn)，默認(rèn)值為8個(gè)APDU，取值范圍為1～32767個(gè)APDU。

3.2 規(guī)約的數(shù)據(jù)傳輸

IEC 60870-5-104規(guī)約既規(guī)定了數(shù)據(jù)格式，又規(guī)定了數(shù)據(jù)收發(fā)規(guī)則，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，這些規(guī)則和要求是104規(guī)約實(shí)現(xiàn)的依據(jù)。104規(guī)約是建立在TCP協(xié)議基礎(chǔ)上的。TCP協(xié)議是面向連接的可靠傳輸協(xié)議，具有完備的編號(hào)系統(tǒng)、差錯(cuò)控制、流量控制和擁塞控制等機(jī)制，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?］。因此，在規(guī)約實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以充分利用這些控制機(jī)制來(lái)提高信息的傳輸效率和準(zhǔn)確性。104規(guī)約定義的功能較多，可根據(jù)實(shí)際需要在實(shí)現(xiàn)時(shí)予以裁減。規(guī)約的主體功能實(shí)現(xiàn)主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

3.2.1 連接初始化

連接初始化步驟如下。

①連接建立。104規(guī)約規(guī)定發(fā)送數(shù)據(jù)前必須先建立連接，連接由控制站建立。若所有站都是控制站，則選擇其中的一個(gè)建立?？刂普鞠蚓W(wǎng)絡(luò)發(fā)送主動(dòng)連接請(qǐng)求，若被控站監(jiān)聽(tīng)到此請(qǐng)求，則連接建立;否則控制站將反復(fù)發(fā)送此連接請(qǐng)求，直到被控站返回，被動(dòng)打開(kāi)連接請(qǐng)求。監(jiān)聽(tīng)到控制站連接請(qǐng)求后，建立連接。

②連接重置。在連接建立后，如果出現(xiàn)連接故障，控制站可以重置連接?？刂普臼紫劝l(fā)出重置命令，被控站確認(rèn)并發(fā)出主動(dòng)關(guān)閉連接請(qǐng)求，主控站確認(rèn)并發(fā)送被動(dòng)關(guān)閉連接請(qǐng)求，兩站之間連接被釋放。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(即t0)后，開(kāi)始建立新連接操作。

③連接關(guān)閉?？刂普竞捅豢卣径伎梢蕴岢鲠尫胚B接的請(qǐng)求。控制/被控站發(fā)出主動(dòng)關(guān)閉連接請(qǐng)求，被控/控制站確認(rèn)并發(fā)送被動(dòng)關(guān)閉連接請(qǐng)求，控制/被控站對(duì)這個(gè)被動(dòng)關(guān)閉請(qǐng)求作出確認(rèn)后，連接被釋放。

④傳輸控制。TCP邏輯鏈路成功建立后，控制站必須利用U格式幀中的STARTDT和STOPDT位來(lái)控制被控站的數(shù)據(jù)傳輸，否則被控站不會(huì)發(fā)送任何數(shù)據(jù)(未編號(hào)的控制功能除外);同時(shí)，通信雙方要一直監(jiān)視鏈路，使得當(dāng)鏈路故障時(shí)，能夠再次發(fā)送連接請(qǐng)求重新建立連接。主站發(fā)送開(kāi)始或結(jié)束控制報(bào)文，當(dāng)子站正確應(yīng)答此報(bào)文后，即可以開(kāi)始或結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。

3.2.2 數(shù)據(jù)上傳

數(shù)據(jù)上傳主要包括以下幾個(gè)方面。

①事件主動(dòng)上傳。104規(guī)約采用的是平衡傳輸方式，當(dāng)子站檢測(cè)到突發(fā)事件后，應(yīng)主動(dòng)上傳事件信息，如變位遙信、帶時(shí)標(biāo)的變位遙信等。子站主動(dòng)上傳，主站要予以確認(rèn)。

②循環(huán)上傳。對(duì)于電壓、電流等模擬量數(shù)據(jù)，其值是連續(xù)變化的，要在一定的時(shí)限內(nèi)以遙測(cè)幀的形式循環(huán)上傳。子站上傳，主站確認(rèn)。

③召喚上傳。當(dāng)主站需要某類(lèi)信息時(shí)，發(fā)送相應(yīng)的召喚命令，子站根據(jù)主站的要求發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)包。一般在連接建立、時(shí)鐘同步之后，主站會(huì)發(fā)送總召喚命令;子站根據(jù)總召喚命令發(fā)送相應(yīng)的全部信息。上傳完一種類(lèi)型的數(shù)據(jù)后，主站要進(jìn)行確認(rèn)。

④傳輸確認(rèn)。如果數(shù)據(jù)只在一個(gè)方向傳輸，就要在另一個(gè)方向發(fā)送S格式幀，認(rèn)可已經(jīng)發(fā)送的APDU，否則已經(jīng)傳送的數(shù)據(jù)無(wú)效。

3.2.3 主站遙控

遙控命令用于遠(yuǎn)程控制子站的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以完成相應(yīng)操作。主站發(fā)出遙控預(yù)置命令，由子站進(jìn)行返校確認(rèn);主站在接收到返校幀后，發(fā)送遙控執(zhí)行命令，由子站執(zhí)行并返回執(zhí)行確認(rèn)幀;執(zhí)行完成后再發(fā)送執(zhí)行完成幀，從而完成一個(gè)遙控過(guò)程。

3.2.4 時(shí)鐘同步和鏈路測(cè)試

①時(shí)鐘同步。在最大網(wǎng)絡(luò)延遲小于規(guī)約要求的時(shí)鐘精度的情況下，應(yīng)該進(jìn)行時(shí)鐘同步，如果不進(jìn)行同步，帶時(shí)鐘信息的數(shù)據(jù)中，時(shí)間信息就變得沒(méi)有意義。首先主站發(fā)送時(shí)間同步命令，子站在接收后更新時(shí)鐘，并生成時(shí)鐘報(bào)文發(fā)送給主站，用以確認(rèn);主站確認(rèn)后即完成同步。系統(tǒng)初始化時(shí)要進(jìn)行同步，且以后每隔一定的時(shí)間要再進(jìn)行同步操作。

②鏈路測(cè)試。如果連接建立但沒(méi)有使用，或在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸，就要發(fā)送測(cè)試幀，并在兩個(gè)方向上進(jìn)行周期性測(cè)試。

除以上所述功能外，用戶(hù)還可根據(jù)需要，添加文件傳輸、參數(shù)裝載、累積量傳輸?shù)裙δ?，具體細(xì)節(jié)參考文獻(xiàn)［5］。

3.3 規(guī)約實(shí)施流程

采用工控機(jī)作為104規(guī)約網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)中的被控站和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)中的主控制器。下位機(jī)的具體任務(wù)流程與104規(guī)約的應(yīng)用場(chǎng)合有關(guān)，不同場(chǎng)合有不同的信息關(guān)注點(diǎn)，因此其任務(wù)內(nèi)容也會(huì)有差異。但總體說(shuō)來(lái)，104規(guī)約的實(shí)施內(nèi)容主要包含以下幾個(gè)步驟。

①建立TCP連接。

②請(qǐng)求數(shù)據(jù)通信。TCP連接建立后，要啟動(dòng)鏈路才能夠開(kāi)始I格式的數(shù)據(jù)傳輸，否則鏈路上只能傳輸U(kuò)格式的數(shù)據(jù)。

③對(duì)時(shí)。若將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需時(shí)間信息，則應(yīng)先同步各個(gè)站點(diǎn)之間的時(shí)鐘，否則數(shù)據(jù)包中的時(shí)標(biāo)信息對(duì)控制站來(lái)說(shuō)是無(wú)意義的。

④總召喚。一般系統(tǒng)啟動(dòng)后要先收集子站上所有的信息，如各線(xiàn)路的開(kāi)合狀態(tài)、電流電壓值等，這時(shí)控制站就需要進(jìn)行一次總召喚操作，將子站的全部狀態(tài)信息收集一次。

⑤一般數(shù)據(jù)傳送。完成以上幾步后，控制站開(kāi)始調(diào)度各個(gè)被控站點(diǎn)的事件主動(dòng)上傳、一般遙信/遙測(cè)數(shù)據(jù)上傳以及遙控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌?/p>

需要注意的是:鏈路測(cè)試、計(jì)時(shí)程序、故障診斷等輔助程序是與以上過(guò)程并行執(zhí)行的，無(wú)論哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)鏈路中斷、計(jì)時(shí)超時(shí)等問(wèn)題，系統(tǒng)都會(huì)調(diào)用相應(yīng)的關(guān)閉連接、重置連接、鏈路測(cè)試、單向確認(rèn)等子程序，以及時(shí)處理這些問(wèn)題，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

⑥斷開(kāi)或重置連接。TCP鏈路使用完畢后要斷開(kāi)連接，若通信過(guò)程中TCP鏈路出現(xiàn)故障，則要根據(jù)實(shí)際要求關(guān)閉或重置鏈路。

4 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)和應(yīng)用證明，本文所述的基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、采用IEC 60870-5-104規(guī)約的電力監(jiān)控系統(tǒng)［10-14］靈活高效，能夠很好地完成煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)所要求的全部功能。與傳統(tǒng)的采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、Modbus協(xié)議［15－16］、CDT規(guī)約等半雙工或不平衡傳輸協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)相比，該監(jiān)控系統(tǒng)具有很大的效率優(yōu)勢(shì)。在當(dāng)前一定時(shí)期內(nèi)，系統(tǒng)還可與IEC 61850規(guī)約系統(tǒng)配合使用，共同構(gòu)建大型電力監(jiān)控系統(tǒng)。

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