電力遠(yuǎn)動設(shè)備的IEC60870—5—104通信協(xié)議的監(jiān)聽

趙會彬

摘要：目前IEC104協(xié)議仍在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，遠(yuǎn)動主站和子站之間能否正確及時的通信關(guān)系到電力系統(tǒng)的安危。利用錯誤重傳機(jī)制檢測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是實現(xiàn)應(yīng)用IEC104穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)的一個基本方法，超時處理按照規(guī)約定義進(jìn)行超時斷開處理，但I(xiàn)EC104協(xié)議未對這種故障做出進(jìn)一步處理。如果出現(xiàn)了故障主控站人員要經(jīng)歷很長時間才能找到故障原因。為保障遠(yuǎn)動主站和子站之間能正確及時的通信，設(shè)計開發(fā)一種能監(jiān)聽IEC104協(xié)議通信過程的系統(tǒng)。通過對模擬遠(yuǎn)動主站和子站的通信報文的抓包分析實現(xiàn)對IEC104協(xié)議通信過程的監(jiān)聽。統(tǒng)計出報文庫錯誤報文率、IEC104錯誤幀率及重復(fù)報文率來客觀評價遠(yuǎn)動主站和子站的通信，為控制站人員快速找出故障原因提供依據(jù)，保障電力系統(tǒng)的安全運行。

Abstract： The IEC104 protocol is still widely used in the power system， the communication between main station and sub station is related to the safety of power system. The error retransmission mechanism is used to detect the network state， which is a basic method to realize the stable data transmission of IEC104， timeout is handled in accordance with the protocol definition， but the IEC104 protocol does not make further processing of this fault. So， if there is a fault， station staff will experience a long time to find the cause of the trouble. In order to guarantee the communication between the main station and sub station correctly and timely， a system that can monitor the communication process of IEC104 protocol is designed and developed. It implements the monitoring of IEC104 protocol communication process though capture analysis of the communication of simulated remote control station and sub station. Report library error message rate， IEC104 error rate， and repeat message rate are used to objectively evaluate communication of remote control station and sub station， to provide the basis for the control station personnel to quickly find out the fault causes， and to ensure the safe operation of the power system.

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)動系統(tǒng)；IEC104規(guī)約；監(jiān)聽；故障分析

Key words： SCADA System；IEC104 protocol；monitoring；fault analysis

中圖分類號：TM764 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）02-0085-03

0 引言

目前IEC104協(xié)議仍在電力系統(tǒng)中廣泛的應(yīng)用，柳坪和雅都電站的集控中心與下屬電站及調(diào)度通訊均采用IECl04規(guī)約進(jìn)行通信[1]。自2009年起，IEC60870-5-104規(guī)約在黃梅電網(wǎng)新建變電站和改造站的自動化系統(tǒng)中已大量采用[2]。遠(yuǎn)動主站和子站之間能否正確及時的通信關(guān)系到電力系統(tǒng)的安危。利用錯誤重傳機(jī)制檢測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是實現(xiàn)應(yīng)用IEC104穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)的一個基本方法。超時處理按照規(guī)約定義進(jìn)行超時斷開處理[3]。但I(xiàn)EC104協(xié)議未對這種故障做出進(jìn)一步處理，當(dāng)發(fā)生故障時控制站人員要經(jīng)歷很長時間才能找出故障源，所以開發(fā)一款能夠?qū)EC60870-5-104協(xié)議的通信過程進(jìn)行監(jiān)聽的系統(tǒng)非常必要。本設(shè)計應(yīng)用端口匯聚和端口鏡像技術(shù)將模擬主站和子站的通信雙報文復(fù)制到端口鏡像并監(jiān)聽這個鏡像端口的通信報文來實現(xiàn)對模擬主站和子站通信報文的監(jiān)聽。通過對模擬遠(yuǎn)動主站和子站的通信報文的抓包分析統(tǒng)計出通信過程中的錯誤報文率、IEC104錯誤幀率及重復(fù)報文率來客觀評價遠(yuǎn)動主站和子站的通信，為控制站人員快速找出故障原因提供依據(jù)，保障電力系統(tǒng)的安全運行。

1 IEC104協(xié)議通信過程分析

IEC104協(xié)議采用應(yīng)-答模式的通信方式，即發(fā)送一條報文后收到此條報文的確認(rèn)或回復(fù)報文才認(rèn)為此次通信成功，否則將會重傳這條報文。協(xié)議采用TCP協(xié)議傳輸報文，使用2404端口作為通信端口。TCP的通信方式采用客戶端/服務(wù)器端的形式，模擬主控站作為客戶端模擬子站作為服務(wù)器端。

服務(wù)啟動后先由控制站檢查當(dāng)前鏈路的狀態(tài)，然后再發(fā)送一些啟動需要的一些確認(rèn)和對時等報文，規(guī)約啟動流程如圖1。

規(guī)約啟動后便可以進(jìn)行遙控、遙信、遙測等操作。根據(jù)協(xié)議規(guī)定為了保障遙控等操作的成功率，在執(zhí)行前需要進(jìn)行預(yù)置、反校操作，否則從站拒絕執(zhí)行。為了確保通信的成功，協(xié)議采用了應(yīng)-答模式的通信方式，從站在收到主控站的命令時會向主控站發(fā)送命令執(zhí)行確認(rèn)報文以示命令已接收到并且正要執(zhí)行命令。當(dāng)執(zhí)行完命令后會向主控站發(fā)送命令執(zhí)行結(jié)束報文以示命令已成功執(zhí)行。主控站可以通過發(fā)送遙控取消報文取消剛剛下發(fā)的命令，從站收到命令后取消相應(yīng)的操作并發(fā)送取消確認(rèn)報文。未發(fā)生故障的遙控操作和帶取消命令的遙控操作的泳道圖如圖2。

在命令執(zhí)行過程中，由于網(wǎng)絡(luò)原因或其他可能的原因造成未收到某一個條報文的確認(rèn)報文或回復(fù)報文的情況，按照規(guī)約規(guī)定會啟動重傳機(jī)制重傳這條報文，直到收到這條報文的確認(rèn)或者超過最大重傳次數(shù)斷開鏈路連接。圖3左圖是未收到確認(rèn)報文遙控操作的泳道圖，右圖是未收到執(zhí)行報文的遙控操作的泳道圖。

IEC104協(xié)議為了確保通信的正常并在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時的一些超時處理方案，IEC104協(xié)議采用的超時處理方案如表1。

2 系統(tǒng)建模分析及實現(xiàn)

監(jiān)聽系統(tǒng)采用端口匯聚技術(shù)將物理上的兩個端口連接起來形成一條邏輯鏈路，并使用端口鏡像技術(shù)將通信報文復(fù)制到鏡像端口，通過對鏡像端口的通信報文的監(jiān)聽達(dá)到監(jiān)聽主控站和子站之間的通信的目的。

監(jiān)聽系統(tǒng)實現(xiàn)的功能主要有獲取通信報文、解包、獲取IEC104協(xié)議幀、判斷協(xié)議幀是否正確、記錄報文、記錄報文到達(dá)時間，分析統(tǒng)計等功能。協(xié)議監(jiān)控系統(tǒng)的用例圖如圖4。

當(dāng)監(jiān)聽系統(tǒng)啟動后便一直監(jiān)聽IEC104協(xié)議通信端口2404端口有無報文到達(dá)，若有到達(dá)則獲取報文并作相應(yīng)的處理。使用這種監(jiān)聽方法的優(yōu)點是不會影響主控站和子站的正常通信，監(jiān)聽系統(tǒng)作為第三方僅監(jiān)聽兩站的通信報文。監(jiān)聽系統(tǒng)的主線程流程圖如圖5

監(jiān)聽系統(tǒng)對報文處理過程的活動圖如圖6。

分析統(tǒng)計部分主要是對協(xié)議的傳輸過程和傳輸結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計和分析。主要統(tǒng)計分析報文到達(dá)間隔、報文的錯誤率、IEC104協(xié)議幀的重復(fù)率以及遙控、遙測、對時等操作的完成的時間。

監(jiān)聽系統(tǒng)采用C++編程語言和VC++ 6.0為開發(fā)平臺，使用ws2-32.lib庫函數(shù)，實現(xiàn)對IEC104協(xié)議通信報文的監(jiān)聽。當(dāng)監(jiān)聽系統(tǒng)啟動后便一直監(jiān)聽2404端口有沒有數(shù)據(jù)到達(dá)。通過報文的目的IP地址和源IP地址來區(qū)別主控站和從站并且監(jiān)聽系統(tǒng)會將通信報文保存到數(shù)據(jù)庫中為以后分析數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)源。監(jiān)聽系統(tǒng)的實現(xiàn)如圖7。

3 結(jié)論

由于建設(shè)時期及所屬項目類別的差異各系統(tǒng)技術(shù)平臺不一通信方式和數(shù)據(jù)組織多種多樣由此形成了一個個信息孤島既影響了現(xiàn)有系統(tǒng)的有效運行也影響了新系統(tǒng)的開發(fā)和實施[4]。本設(shè)計將通信雙方的報文記錄并存儲到數(shù)據(jù)庫中，為以后數(shù)據(jù)共享和分析提供源數(shù)據(jù)可以有效的解決信息孤島的現(xiàn)象。

隨著IEC104協(xié)議在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，遠(yuǎn)動主站和子站之間能否正確及時的通信關(guān)系到電力系統(tǒng)的安危。本系統(tǒng)主要針對遠(yuǎn)動主站和子站之間能否及時并正確的通信以及出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障不能及時發(fā)現(xiàn)的問題，設(shè)計開發(fā)了一種電力遠(yuǎn)動設(shè)備的IEC60870-5-104通信協(xié)議監(jiān)聽與測試系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要利用端口匯聚和端口鏡像技術(shù)將遠(yuǎn)動主站和子站的報文復(fù)制到鏡像端口并使用SOCKET編程對鏡像端口的通信報文進(jìn)行抓包和分析，實現(xiàn)了對遠(yuǎn)動主站和子站的通信的監(jiān)聽與測試，并在發(fā)生通信故障時第一時間報警，為電力遠(yuǎn)動系統(tǒng)的正常運行提供了保障。

參考文獻(xiàn)：

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