101、104规约在配电网历史数据传输中的应用

刘海龙 娄英俊 欧阳琪 田巍巍

（珠海许继电气有限公司，广东 珠海 519060）

1 引言

配电自动化系统是一种利用现代通信和计算机技术，对配电网中在线运行设备进行远方监视和控制的网络系统[1]。目前我国配网系统中，对于远动规约主要有101规约、104规约和DNP3.0规约。101、104规约由IEC电力系统控制和通信技术委员会制定的基本远东配套标准：“IEC 60870-5-101-2003遥控设备和系统.第5部分:传输协议.第101节：基本遥控工作的副标准”，“IEC 60870-5-104-2006遥控设备和系统.第5-104部分：传输协议。使用标准传输轮廓的 IEC 60870-5-101所列标准的网络存取”以及我国制定的电力行业标准：“DL/T 634.5101-2002远动设备及系统 第5-101部分：传输规约 基本远动任务配套标准”，“DL/T 634.5104-2002远动设备及系统 第5104部分：传输规约 采用标准传输协议子集的IEC608705101网络访问”。本文结合实际工程应用，先介绍了101、104规约的基本架构与应用，同时对历史数据传输部分规约进行了定义和解析。

2 101、104规约介绍

2.1 101规约结构

IEC60870-5-101远动规约参考模型是 EPA（Enhanced Perfirmance Architecture）结构，该增强结构式模型根据ISO的OSI七层标准模型转化而来。考虑到传输效率，101规约使用的参考模型只有3层，即应用层、链路层、物理层[2]。图1为增强性能体系结构（EPA）模型和配套标准所选的标准定义。

图1 配套标准所选用的标准条文

2.2104 规约结构

IEC60870-5-104远动规约参考模型源于开放式系统互联ISO-OSI参考模型，只采用5层，从图2可见，IEC60870-5-104规约是将IEC60870-5-101与TCP/IP提供的网络传输功能相结合。IEC60870-5-104实际处于应用层协议，包括IEC60870-5全部配套标准所定义的ASDU，可与TCP/IP相结合。基于TCP/IP应用层协议多，每一种协议对应一个网络端口号，根据其在传输层上使用TCP协议（传输控制协议）还是UDP协议（用户数据报文协议），端口号又分为TCP端口和UDP端口，为保证可靠传输数据，IEC60870-5-104规定传输层使用TCP协议，其对应端口号是TCP端口。IEC60870-5-104规定本标准使用端口号为2404，并且此端口号已得到互联网地址分配机构 IANA（Internet Assigned Numbers Authority）认可。

图2 定义远动配套标准选择的标准版本

2.3 101规约数据单元帧格式

101规约中规定每一个链路规约数据单元（LPDU）有一个ASDU，应用服务数据单元由数据单元标识符和一个或多个信息对象所组成。数据单元标识符在所有应用服务数据单元中有相同的结构，一个应用服务数据单元中的信息对象有相同的结构和类型，它们由类型标识域所定义。每个应用服务数据单元包含单一类型标识和单一传送原因。

2.4 104规约数据单元帧格式

104规约中的 APDU（应用规约数据单元）由APCI（应用规约控制信息）和 ASDU（应用服务数据单元）构成，和IEC60870-5-101的帧结构相比，其中应用服务数据单元是兼容的，不同是IEC60870-5-104使用应用规约控制信息（APCI），而IEC60870-5-101使用链路规约控制信息（LPCI）[3]。

3 历史数据传输应用的需求

历史数据作为配网终端的一种数据类型，能够反映电网供电及设备相应时刻的运行情况，通过对实时数据统计分析得出的历史数据，可以使管理人员轻松掌握电网的运行情况，更准确的对线路故障类型做出判断及处理，对线路负荷做出预测，更好的实施配网拓扑结构的分析，优化网络，提高供电质量及供电可靠性等[4]。但在早前配网项目实施中，由于种种原因，历史数据在实际应用中往往被忽视，也没有形成统一数据格式定义及规约标准，所以很多终端设备厂家对历史数据处理很简单，要么设备厂家自定义数据格式及传输规约，只能与自身系统连接，推广也受到很大程度限制。

随着配电网系统向分布式、智能化的方向发展，伴随配网模式及通信方式日渐成熟，配网系统对终端历史数据的需求势在必行，存储在各个终端上的历史数据也将越来越大，这就势必要在整个配电网系统历史数据传输上形成统一标准。

4 基于101、104规约的历史数据格式定义

4.1 历史数据统筹定义

目前对于配网终端的历史数据存储要求基本都是不小于1个月存储量，对于一些特殊工程，存储时间可能要不小于6个月。面对庞大数据量，首先要对历史数据进行一个统筹规划，对其进行分类定义，形成标准格式，这样才能在标准规约基础上建立起历史数据传输的统一格式。根据101标准规约对文件的定义我们将历史数据以文件为单位进行统筹规划、分类，每类历史数据定义好特定的文件格式，每个文件下又定义有相应的节，节下面又有相应的段，而所有文件定义出一个完整的文件目录，这样可将纷繁冗杂的历史数据按照树形结构进行合理统筹规划。

下面以一天的定点数据为例进行说明。假设一天24h，终端每6min进行一次定点数据记录存储，那么24h总定点数据为24×10=240份，这240份的定点数据可以定义为一个文件，而每个定点数据可以定义为文件中的一节，在101规约中每帧报文信息元素字节数不能超过 264，一帧报文传不完这一节数据，还可以将节下分出若干段，这样即使数据量再大也可以很清晰的将其规划好，做到有序上传。图3所示为历史数据树状结构图。

图3 历史数据树状结构图

4.2 历史数据文件种类定义

根据实际应用需要对于历史数据文件定义以下8种，在具体规约格式中以文件名区分。

定点数据：定点数据就是按照固定的时间间隔对电网的实时数据进行存储，比如配网的电压、电流、功率等，定点存储的时间间隔可以根据实际需求进行参数整定，整定范围在6～60min之内。这样一个终端一天24h的定点数据可以定义成一个标准文件。

（1）统计数据：分为日统计数据、月统计数据，监测对象主要以配电变压器为主。

（2）报警数据：分为装置异常报警和线路异常报警。

（3）极值数据：包括日极值数据和月极值数据。

（4）无功补偿数据：在装置具备无功投切功能时记录电容器操作时的相关数据。

（5）遥控操作记录：在对开关进行分/合操作时，记录下遥控操作过程及遥控点号和时间。

（6）故障记录：在线路发生故障时记录下相应线路的故障电压、故障电流及时间等。

（7）定点电量数据：对电量数据进行的定点存储，因为电量数据一般为4字节长度，所以要单独定义。

4.3 文件规约格式定义

（1）文件传输的类型标识(TYPE)

图4 文件传输类型标识

（2）文件准备就绪限定词（FRQ）；描述选择、请求、停止激活或删除功能。

（3）节准备就绪词（SRQ）：描述节准备状态（准备、未准备）。

（4）选择和召唤限定词（SCQ）：描述文件和节操作中状态（选择、请求、停止、删除）及报错信息。

（5）最后的节和段限定词(LSQ)：描述文件传输过程状态。

（6）文件认可或节认可限定词（AFQ）：描述文件和节传输确认状态（肯定和否定认可）及报错信息。

（7）文件名称（NOF）。

（8）节名称（NOS）。

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（9）文件或节的长度（LOF）。

（10）段的长度（LOS）：范围最大数目在234（当链路域、数据单元标识符和信息对象地址为最大长度时）和 240（当链路域、数据单元标识符和信息体对象地址为最小长度时）之间。

（11）校验和（CHS）：不考虑溢出的算术和（256模加）。

（12）文件的状态（SOF）。

（13）文件帧格式解析：以事件记录及定点记录为例进行说明，从信息对象地址(也就是文件地址从6801h开始)到CS校验和前属于文件具体内容，包括文件名、节名字、段长度、具体记录的数据信息，对于不同的数据信息会有不同的定义格式。

4.4 文件召唤上送过程

对于文件的召唤分为文件目录召唤过程、整个文件召唤过程和对文件中某一节召唤过程，以平衡式101为例具体传输过程如下。

（1）整个文件传输过程

图5 全文件传输过程

图6 文件某一节传输过程

5 历史数据传输在实际工程项目中的应用

在国内已实施的配网工程中，历史数据按照上述规约已实现互传的有北京城区配网工程，北京消隐配网工程，北京煤改电配网工程，广州白云区配网工程，深圳配网工程等。从实际应用效果来看，历史数据传输的实现不但为配网系统提供了准确、可靠的历史数据库，而且为电网故障判别、故障处理提供了可靠依据，更为整个配网系统向智能化电网迈进跨出了坚实的一步。

在上述工程项目中以北京工程为例，采用了历史数据传输机制后，大大缩短了故障判断分析的时间。

以往故障分析都是主站系统通过在线终端设备上送的实时数据为依据进行数据统计分析以判别故障类型及故障区域，但此种方式存在以下几点弊端：①终端与系统互联通信方式的差异会导致数据上传的时延不同，例如天宁寺开闭站的城区线路中，从开闭站出线到主干线再到分支线及支线末端的各点中，因地理环境的差异，有些设备采用光纤通信，有些设备采用无线GPRS通信，在极个别点还有可能采用双绞线通信，这三种通信方式在链路建立过程、通信速度、数据流转机制都存在很大差异，由此线路发生故障后各设备将故障信息上送到系统的时间就不同步；②不管哪种通信方式数据传输都会存在一定的误码率，这样主站系统单靠实时数据进行分析也存在一定风险；③一条线路发生故障后，本条线路多台终端设备会同时对系统发起数据传送，此时系统的数据流量突然增加，通信通道有可能会发生阻塞；④目前无线GPRS通信方式尽管已经很成熟，但在个别地点信号有时也会出现盲区，可能会出现丢包现象等。

综上所述，实时数据对于系统的重要性不言而喻，但同时也需要历史数据的补充以完善配网的数据传输可靠性，加快故障处理过程，缩短故障停电时间。

以实际事故为例说明：2010年11月24号23：27分南手帕开闭站天宁寺小区下属一条出线发生单相接地事故，后迅速衍生为相间短路事故（如图 4所示），南手帕开闭站出线断路器跳闸，与此同时主站系统收到开闭站及本条线路各配电室小区终端上送报文信息，但此时因移动基站对其设备进行整修，导致线路中CQP343站点采用无线GPRS通信的终端未将实时故障信息上送至后台，系统因缺少可靠数据未能第一时间做出故障区段定位，后系统迅速采用召唤历史数据方式将此站点故障信息重新召唤，数据完备后做出了故障事故分析及倒闸操作，恢复非故障区段供电，此次事故处理从发生到恢复供电整个过程5min内完成，可见历史数据传输的重要性。

图7 故障时刻信息

6 结论

实践证明，在101、104规约中以文件形式实现庞大的历史数据传输是完全可行的，同时随着国家电网逐步发展，特别是配电网的高速发展，对二次终端设备提出了更高可靠性、高稳定性、高智能化的要求，这对终端与主站系统的通信互联机制也提出了更高的要求，系统对终端设备的历史数据需求也越来越大，以此在101、104规约基础上提出以文件形式完成历史数据的传输也是发展必然趋势，目前此种历史数据的文件定义形式已得到电力用户及二次设备厂家的一致认可，并成功应用于各电力公司配网项目，同时此协议也成为广州电力公司及华北电网公司在配电网数据传输协议上的企业标准。

[1] 全国电力系统控制及其通信标准化技术委员会. DL/T634.5101-2002远动设备及系统第 5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准[M].北京:中国电力出版社, 2002.

[2] 全国电力系统控制及其通信标准化技术委员会. DL/T634.5104-2002远动设备及系统第 5-104部分:传输规约采用标准传输协议子集的 IEc60870-5-101访问网络[M].北京:中国电力出版社,2002.

[3] 中华人民共和国电力行业标准DL/T634-5101- 2002/ IEC608-70-5-101:2002[M].北京：中国电力出版社,2003.

[4] 王建杰,霍利民,张敬平,刘伟娜,张立国.101规约在配电网自动化系统中的应用与开发,继电器, 32(22).

[5] 李彬,焦彦军,张新国,王伟.104规约在FTU中的应用[J].继电器,2008,36(7).

[6] 高强,安康,董超,董海杰.基于OPCHDA技术的历史数据通讯系统的实现[J].化工自动化及仪表,2007,34(5):48-50.