UDP协议在风电机组通信系统中的实现

叶伟，丁桂林，颜毅斌，胡凯凯

（南车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

风能作为一种清洁的可再生能源，受到了世界各国的重视。中国风能储量大、分布面广，仅陆上风能储量就有约253GW。2012年中国新增风电装机容量12960MW，累计风电装机容量为75324.2MW，双居全球第一位[1]。发展风电，不仅可以节约常规能源，而且有利于改善能源结构，减少环境污染。风电机组的控制系统根据风速、风向对风电机组的各单元加以控制，稳定输出电压和频率，并实现最大风能利用。

1 基于以太网的风电机组通信系统

近年来，性能优越的以太网应用越来越广泛。本文基于以太网，提出了一种采用UDP协议的风电机组通信方案。采用ABB公司的可编程逻辑控制器（PLC）作为核心控制器，PLC预留了1400多 Bytes的RAM作为数据发送和接收缓冲区，能够满足系统需求。PLC与上位机通过以太网组成分布式计算机网络通信系统，如图1所示。

2 以太网通信协议

TCP/IP协议是目前网络协议中的实际工业标准，采用TCP/IP协议会带来诸多好处，网络设备可以连接到Internet，实现风电机组真正意义上的远程监控。TCP/IP是一个4层协议系统，可以分为链路层、网络层、传输层和应用层[2]。每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。TCP/IP协议族的4个层次如图2所示。

图1 风电机组分布式计算机网络通信系统

图2 TCP/IP协议族的4个层次

图3 PLC与上位机通信示意图

图4 UDP报文结构

链路层完成以太网设备的驱动、物理接口的处理等任务。网络层由多种协议组成，IP协议是其中最重要的一个，主要完成网络互连和路由选择。应用层则负责处理特定的应用服务。TCP/IP传输层有两个并列的协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。二者的共同点是均提供了进程通信的能力，主要差别在于：TCP面向连接，需要建立“握手信息”，提供可靠通信保证；而UDP是一种无连接的服务。TCP较UDP占用较多系统资源。通信速度上，UDP比TCP快。UDP能够达到较高的通信速率[3]。

PLC给上位机传输的数据主要有：报文信息；总发电量、总耗电量等全局统计量；日发电量等日统计量；机组登录信息；风机状态机信息；10分钟记录值；功率曲线；故障信息等；风电场的专用以太网带宽可以保证通信质量，故选用UDP协议，加快通信速度，减轻控制器的负担。

3 UDP协议的实现

3.1 UDP报文格式

上位机向PLC发送UDP请求报文，该报文中的数据“告诉”PLC需要什么信息。PLC收到UDP请求报文后，给上位机发送UDP响应报文，该报文中含有对应的信息。其通信结构如图3。

每一个UDP报文分为UDP首部和UDP数据区两部分。UDP协议规定UDP首部由4个字段组成，且长度固定为8个字节，每个字段占2个字节。分别为源端口号，目的端口号，UDP长度以及校验和[4]。UDP数据区由开发人员定义。UDP报文结构如图4所示。

上位机向PLC发送UDP请求报文，源端口号为1026（该端口号可以根据实际情况确定，通常建议使用较大的端口号，避免与其他应用冲突），目的端口号为32768。PLC给上位机发送UDP响应报文，源端口号与目的端口号都为32768。UDP长度是指每1条UDP报文的长度。UDP校验和提供差错检测。由于PLC需要给上位机发送的数据量较大，我们将数据分为99个UDP响应报文发送；因而上位机也需要给PLC发送99个UDP请求报文，UDP请求报文和UDP响应报文一一对应。UDP请求报文长度统一为37个字节，对应UDP数据区长度为29个字节，UDP响应报文长度（共99个）各不一样。UDP请求报文数据区格式与值如表1所示（16进制表示，每格代表1个字节）。

表1前7个字节为UDP协议底层自动增加的部分，其余字节预留给上位机做标志位使用。第1个字节为PLC的标识值，值为0x 5A；第6（LL）与第7（HL）字节内的数据为UDP请求报文数据区从第8字节开始到尾部的字节数，第6字节为低位，第7字节为高位，值为0x0016。第8（高8位）和第9字节（低8位），为PLC响应并返回数据的条件（可自由定义，这里定义为0x0008，）。IF1，IF2和IF3（14～16字节）是UDP请求报文的用户标识符，可自由定义。26、27、28和29这四个字节规定了具体的UDP请求报文类型及索引。其中FCH（高8位）和FCL（低8位）为UDP请求报文类型；CIH（高8位）和CIL（低8位）为UDP请求报文类型对应的索引。一般情况下，FCH和CIH总为0，FCL和CIL的意义如表2所示，由类型值和其对应的索引值，可以得到UDP请求报文为99个，分别是1个报文信息、1个全局统计量报文、20个日统计量报文、2个登录信息报文、2个风电机组状态机报文、18个10分钟记录值报文、3个功率曲线报文和52个故障信息报文。请求报文中未说明的字节可为任意值，应用中未作处理，直接丢弃。

由表2中FCL和CIL的值，可知UDP响应报文的数量为99个。UDP响应报文数据区长度不一，前25个字节为标识值，第26字节到报文尾部为机组具体数据。UDP响应报文数据区前25个字节格式如表3所示（每格代表一个字节）。

第1～7字节为PLC系统底层自动添加。第一个字节为PLC规定的标识值，与请求报文相对应，值为5A；ID（第2～5字节）为PLC生成的标识值；LL（低8位）和HL（高8位）表明了UDP响应报文数据区从第8字节到尾部的字节数。FCL（低8位）和FCH（高8位）是指UDP报文类型，CIL（低8位）和CIH（高8位）是指UDP报文类型对应的索引，与UDP请求报文相对应。NOH（高8位）和NOL（低8位）表示由FCL所确定的某一类型响应报文的总数量；IF1，IF2和IF3是指UDP请求报文的用户标识符，PLC不做处理将其返回给上位机。DT4，DT3，DT2，DT1是指PLC系统响应时刻的时间值；AFNH（高8位）和AFNL（低8位）是PLC标识值；FNH（高8位）和FNL（低8位）标识了该UDP响应报文帧数；第25字节的值总是00，预留备用。

表1 UDP请求报文数据区格式与值

表3 UDP响应报文数据区前25个字节格式

3.2 UDP报文的传输过程

PLC和上位机所采用的操作系统都能为以太网提供良好的支持。当上位机启动应用程序时，调用UDP发送进程，把相关数据封装成一个UDP报文，并进一步组装成一个IP报文。当PLC接收到上位机发送的IP报文，它会将报文中的IP首部取出，判断IP地址是否正确，若正确则判断端口号以及UDP首部的校验和。如果上述条件都满足，说明此报文是有效的，接下来的工作就是将有效信息从报文中提取出来，按照规约进行解析即可。然后PLC会给上位机发送UDP响应报文，上位机接收后，对报文进行判断和解析[5]。图5为UDP发送－接收流程图。

图5 UDP发送-接收流程图

3.3 UDP的PLC硬件组态和核心代码段

UDP的配置主要包括硬件组态和端口设置，如图6和图7。图6是在以太网接口上添加UDP协议。图7是UDP参数设置以及端口的设置，除了端口设置之外，其他参数可以使用缺省参数。

核心代码段包括UDP接收指令和发送指令、以及UDP请求报文解析语句。

图6 UDP硬件组态一

图7 UDP硬件组态二

图8 UDP报文截图

图9 UDP请求报文

4 UDP报文捕获与分析

在风电机组分布式计算机网络通信系统中，上位机通过UDP协议从机组得到相关数据。图8是上位机与风电场某一台机组之间的UDP报文截图。PLC的IP是192.168.1.130，上位机的IP是192.168.1.138。

从图8中提取一个UDP请求报文，如图9所示。其源端口号为1026，目的端口号为32768，UDP报文长度为37个字节，其中UDP数据区为29个字节（图9灰色部分）。FCH和FCL的值分别为0x00和0x02，即请求报文的类型为0x0002；CIH和CIL的值分别是0x00和0x01，即请求报文类型的索引为0x0001。表明上位机向PLC请求全局统计量的数据。

图9对应的UDP响应报文如图10所示，其源端口号为32768，目的端口号为32768，UDP报文长度为257个字节，其中UDP数据区为249个字节（图10灰色部分）。上位机根据规约解析数据，便可得到全局统计量，包括总发电量、总耗电量、并网次数、变浆次数、偏航次数、故障次数、制动次数等。

图10 UDP响应报文

5 结语

UDP协议由于其简洁、高效性而被广泛应用。本文提出了一种基于以太网的风电机组通信系统方案。详细阐述了UDP协议的实现过程，并分析了截取的实际UDP报文。从风电场实际运行情况看，该方案高效可靠，充分发挥了以太网的优点，能够满足要求。

[1] 中国可再生能源学会风能专业委员会.2012年中国风电装机容量统计[R].2013(3):44-55.

[2] W.Richard Stevens.TCP/IP Illustrated Volume 1:The Protocol[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3]李淑君,陈新,季宝杰.UDP协议在现场实时通信中的应[J].总线与网络,2002(4):35-38.

[4] 窦晓波,吴在钧,胡敏强,郑健勇.UDP协议在变电站自动化通信系统中的实现[J].电力自动化设备，2003(12):39-42.

[5] 王海军,刘彩霞,程东年.一种基于UDP的可靠传输协议分析与研究[J].计算机应用研究, 2005,(11):181-183.