104规约在调度自动化系统中的应用

马晓红，管 荑，林祺蓉

（1．山东电力调度中心，山东 济南 250001；2．济南供电公司，山东 济南 250012）

0 引言

电网调度自动化是用来监控整个电网运行状态的，使调度人员可统观全局，运筹全网，有效地指挥电网安全、稳定、经济运行，是调度现代电网的重要手段。电网调度自动化系统对电力系统的安全经济运行起着不可或缺的作用。到目前为止，电网调度自动化系统的发展已经历了4代。总结电网调度自动化系统的发展历程，每一次升级换代无不伴随着信息技术的日新月异，随着计算机技术、网络和通信技术、数据库技术等的飞速发展和电力市场的要求以及国际标准的成熟完善，调度自动化系统正在朝着数字化、集成化、网格化、标准化、市场化、智能化的方向发展［1］。

随着计算机，网络和通讯技术的不断发展，电力系统调度运行的信息传输要求也在不断提高，信息传输方式已逐步走向数字化和网络化。为此国际电工委员会电力系统控制及其通信技术委员会（IECTC57）根据形势发展的要求制定调度自动化系统和变电站自动化系统的数据通信标准，以适应和引导电力系统调度自动化技术的发展，规范调度自动化及远动设备的技术性能。

IEC60870-5-104传输规约是在IEC101规约基础上，采用专用INTERNET网络进行调度通信的协议标准，替代了传统的串口通信机制。本文将讨论如何在电网调度自动化系统中采用IEC60870-5-104传输规约来实现远动技术网络化。

1 IEC60870-5-104规约简介

IEC60870-5系列通信协议体系是国际电工委员会第57技术委员会第3工作组 （IEC TC57 WG 03）于1990年开始制订的用于变电站远动通信的协议体系，即“远动设备和系统”的第5部分：传输规约。IEC WG03定义的远动通信协议分为以下2层：链路层，由 IEC60870-5-1和IEC60870-5-2描述；应用层，基础部分由IEC60870-5-3、IEC60870-5-4、IEC60870-5-5 描述。IEC60870-5系列规约只采用了OSI 7层模型中的物理层、链路层和应用层，网络层、传输层、会话层、表示层都为空层，其应用层直接映射到链路层。IEC60870-5系列协议根据应用领域定义了一系列配套标准：IEC60870-5-101 用于常规远动［2］；IEC60870-5-102用于电能计量信息的接入；IEC60870-5-103用于继电保护信号接入。我国已于1998年结合我国国情非等效采用 IEC60870-5-101制定了电力行业远动通信标准DL/T634-1997《基本远动任务配套标准》；在2002年则与国际进一步接轨，等同采用了IEC60870-5-101作为我国的行业标准，在我国的行标号为DL/T 634.5101-2002。60870-5系列规约在国内已经得到一定程度的推广，并逐步取代原先部颁CDT规约的地位。

IEC TC57在IEC60870-5-101的基础上，又制定了IEC60870-5-104—利用标准传输协议子集IEC60870-5-101的网络访问，它是目前唯一可供选择的网络访问协议。

IEC60870-5-104 规约简称 104 规约［3］，适用于具有串行比特数据编码传输的远动设备和系统，用以对地理广域过程的监视和控制。制定远动配套标准的目的是使兼容的远动设备之间达到互操作。104规约利用了国际标准IEC60870-5的系列文件，规定了IEC60870-5-101的应用层与TCP/IP提供的传输功能的结合。

104规约是通过数据网络连接的远动站之间传输相同的信息，这个数据网络上含有转发站，可以存储与转发信息，并在远动站之间提供虚电路。这种网络使用TCP/IP协议，可以运用不同的网络类型，包括 X.25、FR（帧中继）、ATM（异步传输模式）和ISDN（综合服务数据网络），它的传输延时取决于网络负载，基本可以以几毫秒来计算，由于综合自动化站采样系统的限制是完全可以忽略不记的。

104规约改变了电网调度系统中传统的利用串口通讯机制进行实时数据传输，取而代之的是利用INTERNET技术进行调度。相比于以前的远动技术，更加灵活、简单、经济。

2 104规约的组成

2.1 104规约一般体系结构

104规约定义了开放的TCP/IP接口的使用，这个网络包含例如传输IEC60870-5-101 ASDU的远动设备的局域网。包含不同广域网类型 （如：X.25、帧中继、ISDN等）的路由器可通过公共的TCP/IP-局域网接口互联，图1所示为一个冗余的主站配置与一个非冗余的主站配置。

图1 一般体系结构

使用单独的路由器优点：终端系统无需网络特定软件；终端系统无需路由功能；终端系统无需网络管理；便于从远动设备专业制造商处得到终端系统；便于从非专业远动设备制造商处获得适用于各种网络的路由器；改变网络类型仅仅需要改变路由器类型，不会影响终端系统。

特别适合于转换原已存在的支持IEC60870-5-101的终端系统。

2.2 104规约结构

表1为终端系统的规约结构。

表1 所定义的远动配套标准所选择的标准版本

表2所示为104规约推荐使用的TCP/IP协议子集（RFC2200），传输层接口（用户到TCP的接口）。

表2 所选择的TCP/IP协议集RFC 2200的标准版本

由表1可见，104规约使用的参考模型源出于开放式系统互联的ISO-OSI参考模型，但只采用其中的5层。104规约实际上是将101规约与TCP/IP提供的网络传输功能相组合，使得IEC60870-5-101在TCP/IP内各种网络类型都可使用，包括X.25、FR、ATM和ISDN。在5层参考模型中，104规约实际上处于应用层协议的位置；基于TCP/IP的应用层协议很多，每一种应用层协议都对应着一个网络端口号，根据其在传输层上使用的是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端口号和UDP端口号，其中TCP协议是一种面向连接的协议，为用户提供可靠的、全双工的字节流服务，具有确认、流控制、多路复用和同步等功能，适用于数据传输，而UDP协议则是无连接的，每个分组都携带完整的目的地址，各分组在系统中独立地从数据源走到终点，它不保证数据的可靠传输，也不提供重新排列次序或重新请求功能，为了保证可靠地传输远动数据，104规约规定传输层使用的是TCP协议，因此其对应的端口号是TCP端口，使用的端口号为2404，并且此端口号已经得到IANA（互联网地址分配机构）的确认。对于基于TCP的应用程序来说，存在两种工作模式，即服务器模式和客户机模式。服务器模式和客户机模式的区别是，在建立TCP连接时，服务器从不主动发起连接请求，它一直处于侦听状态，当侦听到来自客户机的连接请求后，则接受此请求，由此建立一个TCP连接，服务器和客户机就可以通过这个虚拟的通信链路进行数据的收发。104规约规定控制站（即调度系统）作为客户机，而被控站（即站端RTU）作为服务器。

2.3 104规约报文格式定义

传输接口（TCP到用户）是一个定向流接口，它没有为IEC60870-5-101中的ASDU定义任何启动或者停止机制。为了检出ASDU的启动和结束，每个APCI包括下列的定界元素：一个启动字符，ASDU的规定长度，以及控制域（图2）。可以传送一个完整的APDU（或者，出于控制目的，仅仅是APCI域也是可以被传送的，图3所示。

图2 远动配套标准的APDU定义

APCI应用规约控制信息；ASDU应用服务数据单元；APDU应用规约数据单元；启动字符68H定义了数据流中的起点。

图3 远动配套标准的APCI定义

APDU的长度域定义了APDU体的长度，它包括APCI的4个控制域八位位组和ASDU。第一个被计数的八位位组是控制域的第一个八位位组，最后一个被计数的八位位组是ASDU的最后一个八位位组。ASDU的最大长度限制在249以内，因为APDU域的最大长度是253（APDU最大值=255减去启动和长度八位位组），控制域的长度是4个八位位组。

控制域定义了保护报文不至丢失和重复传送的控制信息，报文传输启动/停止，以及传输连接的监视等。

图4、图5、图6为控制域的定义。三种类型的控制域格式用于编号的信息传输（I格式），编号的监视功能（S格式）和未编号的控制功能（U格式）。

控制域第一个八位位组的第一位比特=0定义了I格式，I格式的APDU常常包含一个ASDU。I格式的控制信息如图4所示。

图4 信息传输格式类型（I格式）的控制域

控制域第一个八位位组的第一位比特=1并且第二位比特=0定义了S格式。S格式的APDU只包括APCI。S格式的控制信息如图5所示。

图5 编号的监视功能类型（S格式）的控制域

控制域第一个八位位组的第一位比特=1并且第二位比特=1定义了U格式。U格式的APDU只包括APCI。U格式的控制信息如图6所示。在同一时刻，TESTFR，STOPDT或 STARTDT中只有一个功能可以被激活。

图6 未编号的控制功能类型（U格式 ）的控制域

3 104规约实施网络访问主要功能

安全传输功能：利用I格式，U格式报文实现防止报文丢失和报文重复传输；

实时传输功能：传输功能和IEC101规约所实现的类似，不过在IEC60870-5-104中不召唤1级、2级数据，子站主要通过定时发送全数据；

测试功能：利用U格式报文建立主站和子站的测试握手信号；

启停功能：利用U格式报文建立启/停传输控制机制；

故障续传功能：链路故障后采用的新的链路实现断点续传，搜寻链路故障时段内发电生产的历史信息；

校时功能：由于网络传输的时间不确定性，子站段采用GPS校时；

多线程功能：多线程技术实现对每个子站端口并行实时采访。

4 规约实现方案

4.1 规约应用

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常有相同的结构，一个应用服务数据单元中的信息对象常有相同的结构和类型，它们由类型标识域所定义。数据单元标识符的结构如表3所示。

表3 数据单元标识符的结构

在监视方向需要实现的ASDU：

<1>：=单点信息

M_SP_NA_1（传送YX信息）

<30>：=带时标的单点信息

M_SP_TA_1 （传送SOE信息）

<21>：=不带品质描述的规一化测量值

M_ME_ND_1（传送YC信息）

在控制方向需要实现的ASDU：

CON<46>：=双点命令

C_DC_NA_1（遥控）

CON<47>：=升降命令

C_RC_NA_1（遥调）

在应用服务数据单元中，其数据单元标识符的第二个八位位组定义为可变结构限定词，如图7所示。

图7 可变结构限定词

SQ：＝0由信息对象地址寻址的单个信息元素或综合信息元素。应用服务数据单元可以由一

个或者多个同类的信息对象所组成。

SQ：＝1同类的信息元素序列（即同一种格式测量值）由信息对象地址来寻址。信息对象地址是顺序信息元素的第一个信息元素的地址。后续信息元素的地址是从这个地址起顺序加1。

在应用服务数据单元中，其数据单元标识符的第三个八位位组定义为传送原因，如图8所示。

图8传送原因域

如果采用了源发者地址，定义如下：

<0>：＝缺省

用来定义过程信息当作返回信息、事件等，它们必须传输到分布系统的所有部分。

<1..255>此值域用于寻址系统的特定部分，在镜像方向上向系统这些特定部分返回相应的信息。

在一个系统内，系统的各部分可以是启动站总召唤、请求累计总量、命令等的信息源。返回的信息仅对启动请求或命令的源是重要的。在这些系统中信息源将在控制方向设置应用服务数据单元的源发者地址。在被控站将在监视方向的响应中回应这个源发者地址。

4.2 应用104规约的过程描述

当主站软件重新启动或链路故障时，主站将向子站发出建立链路请求报文。

当链路建立后，进行应用数据传送。

目前传送的上行过程数据有全遥测、全遥信、变位遥测和变位遥信报文。

目前传送的下行控制命令有总召唤、遥控、遥调和时钟同步命令。

4.3 报文解析

报文解析举例：

68 8D 00 00 00 00 15 C0 14 00 01 00 01 40 00

00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 50 10 00 00 10 11 A2 EF 60 F9 68 89 8D 02 00 00 7A 02 8F 01 F3 01 D8 3A 00 00 00 00 00 00 BD 0B B7 07 56 F6 3D 28 93 28 50 28 72 D5 00 00 00 00 00 00 00 00 EA 28 C6 29 E0 28 5B D4 D0 23 43 24 E3 23 E3 D9 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

第1个字节68，启动字符；

第2个字节8D，报文长度；

第3至6个字节，控制域，全0表示信息传输；

第7个字节：类型标识：15H=21，是不带品质码的测量值；

第8个字节：可变结构限定词，C0H：表示信息体有顺序，后面有40H=64个遥测；

第 9至10个字节，传送原因，14H=20，响应全召唤；

第11至12个字节，ASDU地址01 00；

第13至15个字节，信息字地址，先送低位，后送高位01 40 00=4001H；

后面每两个字节表示一个遥测，共128个字节，64个遥测。

5 结语

研究了调度自动化系统中，远动子系统采用IEC60870-5-104传输规约通过Internet网络访问进行数据传输的问题。这种方式改变了电网调度系统中仅利用传统的串口通讯机制进行实时数据传输的现状，而是充分利用了Internet技术进行调度。与以前的远动技术相比，更加可靠、简单、经济，逐步实现调度自动化信息传输的网络化，最终形成以网络通道为主、专线通道为辅的调度自动化信息传输模式［4］。