IEC104通信规约在铁路牵引供电远动系统的应用与研究

周劲风

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

铁路牵引供电远动系统是铁路运营调度的子系统，是针对电气化铁路牵引供电，融合计算机与通讯技术、自动化控制以及一次、二次控制保护自动化系统的综合应用系统，是保障电气化铁路安全运营的重要部分。南同蒲电气化扩能改造工程的牵引供电设施设置2个调度台，接入太原铁路局牵引供电远动调度中心，远动主站与被控站之间采用IEC60870—5—104规约(以下简称IEC104规约)作为数据传输的通信协议。

1 牵引供电远动系统结构和功能简介

1.1 牵引供电远动系统结构

太原铁路局牵引供电远动系统由设在调度所内的远动调度中心、远动通道和设在各个被控站的自动化系统3部分构成。

调度中心内主要设备按冗余配置，由主数据服务器、磁盘阵列、通信服务器、维护工作站、调度员工作站(各不同调度台)、模拟显示设备、UPS及其他网络设备等构成。如图1所示。

远动通道是由通信专业提供的专用通道，南同蒲线电气化扩能改造工程牵引供电远动通道采用通信专业提供的专用E1接口双环网数据传输通道，采用BNC物理接口、G.703通信协议，通信速率为2 Mbps，光端机进所方式。另外视频安全监控系统采用专用2 Mbps环形通道。AT供电方式各所设置故标专用通道。

被控站主要由南同蒲沿线6座牵引变电所、7座分区所、10座AT所、6处接触网远动隔离开关控制站等构成。牵引变电所通信管理装置为双机冗余配置，远动双通道具备自动切换功能，所内采用光纤以太网通信，接入交直流盘、故标系统等智能设备。

1.2 远动系统实现功能中需要注意的问题

图1 牵引供电调度中心构成

牵引供电远动系统具有对牵引供电设施的遥控、遥测、遥信和现场运行环境监控的功能，另外具有模拟培训、实时打印操作记录、故障信息、统计报表等基本功能。南同蒲线接入牵引供电远动调度中心，在远动系统实现功能方面注意以下一些问题。

1.2.1 遥控功能的实现

除常用遥控操作模式单独遥控、程序遥控外，还实现具有保证安全操作控制的其他模式，加入互锁模式以及双席监督模式;实现遥控试验、模拟操作、闭锁和解锁操作等。

1.2.2 遥信数据的处理

除实时数据采集，并显示设备运行状态外，还实现对设备非正常运行状态下的信息捕捉，及时告警;变压器档位遥信显示(转为遥测量);对检修和不可用状态的开关进行屏蔽。

1.2.3 遥测数据的处理

除实时数据采集、接收并处理实测脉冲计数值外，还实现数字滤波、自动判断遥测值合理性。

1.2.4 数据存储

SCADA数据保存的类型除整点数据、曲线数据、实时日统计数据外，还包括实时日设备运行状态和设备日运行时间保存。

1.2.5 报警处理

报警除包括供电系统设备异常、调度系统设备故障、变电所自动化设备故障、通道或变电所自动化设备电源故障、其他智能设备的告警以及画面显示、文本信息和音响报警等，另外提供报警确认、打印、分类、归档、存贮。

1.2.6 系统工具及其他功能

系统工具除包括网络拓扑、数据库编辑、画面编辑、报表编辑等以外，还包括动态着色和安全闭锁、操作安全闭锁。

2 IEC60870－5－104 规约

2.1 IEC104与IEC101规约对比

IEC60870-5系列标准涵盖了各种网络配置、各种传输模式，基本任务划分为:IEC101规约和IEC104规约完成远动传输的基本任务，IEC102完成电度上送，IEC103完成变电所内保护装置通讯。

IEC101和IEC104都是被控站与远动调度通信，前者采用串口方式，后者则采用网络，即IEC104为IEC101的网络传输模式，两者的应用服务数据单元ASDU基本相同，应用层数据相同，IEC104是在IEC101串口通信的基础上，增加了对以太网的支持，使远动设备数据可以通过以太网进行交互。总体上讲，IEC104主要是适应以太网技术的发展而从IEC101演变过来的，IEC104中包含了更多的网络通信特征。由于网络传输的可靠性以及通信带宽的提高，因此IEC104规约在传输上具有可靠性高、实时性好、数据流量充足、支持网络传输等诸多优点。

南同蒲电气化扩能改造工程远动主站与被控站之间连接到以太网通信，采用IEC104规约作为数据传输的通信协议。

2.2 IEC104规约体系结构

本部分定义了开放的TCP/IP接口的使用，图2所示为1个主站的冗余配置与1个非冗余的系统配置。

2.3 IEC104规约结构

图3所示为终端系统的规约结构。在IEC104规约中规定在传输层采用TCP协议。

2.4 IEC104规约应用控制信息(APCI)的定义

IEC104规约中1个标准的数据帧被称为应用规约数据单元APDU，由应用规约控制信息APCI和应用服务数据单元ASDU 2部分组成。如图4所示。

图2 IEC104一般体系结构

图3 IEC104终端系统的规约结构

图4 IEC104已定义的远动配套标准的APDU

2.5 IEC104规约的实施过程

主要包括:TCP连接的建立过程、循环遥测数据上传过程、总召唤过程、时钟同步过程、子站事件主送上送过程、命令传输过程、召唤电度过程以及远方复位进程等。

3 牵引供电远动系统应用IEC104通信规约

3.1 工程应用

太原铁路局牵引供电远动调度中心采用北京南凯自动化系统工程有限公司的NK6000系列电气化铁道远动系统，在通信专业提供的物理通道的基础上，远动主站与被控站之间采用IEC104规约作为数据传输的通信协议。

南同蒲线电气化扩能改造工程榆次至侯马北段以介休牵引变电所为界，设置2个双环网通道，冗余配置，各牵引供电设施按照被控站地理位置分别接于不同的通信环网。为保证通信通道的使用率以及数据传输的实时性，避免通道拥塞，每个环网的被控站节点数量一般控制在16个以内。

远动通道双环网之一及通道组成、IP地址设置如图5所示。

图5 远动双环网通道(IEC104规约应用)

3.2 牵引供电远动系统应用IEC104规约的部分扩展

远动系统实际运行需求中，在实现传统远动系统遥信、遥测、遥控等功能的基础上，需要扩展实现一些重要的功能，如故障报告上传、录波文件召唤、保护定值读取与远程修改等等。以前电力系统远动使用CDT规约时扩展了一些与保护有关的帧类型或者制定了与规约极其类似但内容更丰富的规约(例如9702规约)。本工程中利用IEC104规约灵活、丰富的应用功能，结合实际的运行需求，利用了未用的类型标识扩展了部分重要功能。

3.2.1 保护动作信息

被控站发生保护动作时，以如下帧发送保护动作信息(突发传送)(图6)。

3.2.2 保护自检信息和状态告警

被控站自检出故障或有其他状态告警时，发送如下信息(突发传送)(图7)。

3.2.3 故障录波

格式同 IEC101 标准中 7.4.11.2.4 扰动数据文件的结构的定义，发生录波后主动上传。

图6 ASDU－140带相对时标的故障报告报文

图7 ASDU－141带时标的报文

3.2.4 保护定值

保护定值读取过程参照IEC103中通用服务的描述。

原帧中的功能类型改为信息对象地址，为2个8位位组长度。APDU的数据帧起始内容如图8所示。

图8 保护定值读取数据起始内容

保护定值读取过程主站发送帧的类型标识为145，子站响应帧的类型标识为146。1个区的保护定值定义为1个组，每次只读取1个组的定值，多个组分次读取。通过“通用分类数据描述”的后续状态位标识是否有后续定值需要传送。组号从1开始编号。

保护定值区的切换主站发送帧的类型标识为147，子站响应帧的类型标识为148。每个综合自动化厂家提供1个条目用于保护定值区的切换，主站对该条目的写过程为确认执行方式。

4 使用IEC104规约需要注意的问题

IEC104规约已经在国内电力系统以及一些电气化铁道牵引供电远动调度系统得到应用，其优势明显，但目前没有现行的铁道标准使其规范化、系统化。应用IEC104规约中为稳定、可靠的运行应注意以下一些问题。

4.1 需要注意的几个问题

(1)主站与被控站建立2个独立的TCP连接，被控站在每个TCP连接上按规约进行独立的通讯，应以被控站为服务端，主站为客户端。

(2)要求调度主站能自动判断、切换、处理来自网络和常规方式的数据信息，确保数据惟一性。

(3)在网络传输远动信息过程中，通过MAC地址和IP地址划分控制安全级别，以保证调度主站与被控站之间的安全传输(虽然目前铁路为专用通信通道)。

(4)以太数据网难以进行时间同步，被控站综合自动化系统必须安装高精确度GPS卫星钟。当被控站的GPS出现故障时，采用主站下发的时钟来进行时间同步。

4.2 使用中出现的几个问题及解决方案

(1)正常的通信过程中可能会出现通信中断的情况，IEC104规约能够自行实现通道的切换，牵引供电远动通道应采用主备冗余模式。

(2)由于IEC104规约主动上传数据，有可能存在大量的遥测数据上传而致使通道拥塞，使被控站的一些重要的遥信无法上传，从而影响安全。针对这种问题，需要被控站自动化设备合理设置遥测变化上传的变化阀值。

(3)召唤全数据分为自动和手动两种模式，当采用自动召唤模式时，可能会与数据下发产生冲突。手动召唤由人为控制，不会对通信产生影响。

(4)牵引供电远动系统实际运行中需要扩展功能，如何利用IEC104规约拓展实现其应用范围，可与本文结合进一步探讨。

5 结语

本文结合南同蒲线电气化扩能改造工程牵引供电设施接入太原铁路局牵引供电远动调度中心工程，简单介绍了牵引供电远动系统的结构和需要实现的功能，并介绍了IEC104通信规约的基本内容，根据工程实践分析了应用IEC104规约过程中需要注意的问题。目前在我国铁路建设快速发展的情况下，基于IEC104规约实现网络通信的牵引供电远动调度自动化，进一步规范实施IEC104规约标准，使其广泛应用，符合牵引供电远动系统的发展要求，对促进电气化铁道牵引供电自动化的发展、保证安全运行具有积极重要的意义。

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