IEC 60870-5-104规约在电网接地故障监控中的应用

李文宏 张修华

(山东科技大学信息与电气工程学院，山东 青岛 266510)

0 引言

由于煤矿的特殊工作环境，它对供电系统的要求较为严格，因此可靠、高效的电力故障监控系统对煤矿的安全生产极其重要。本文所述的监控系统以支持TCP/IP协议和现场总线接口的工控机为核心部件。作为总线上的主控器和煤矿局域网上的节点，监控系统通过总线与故障检测模块交换信息，通过以太网与上位机监控软件交换信息，使总线通信局限于单个变电所;主体通信通过以太网完成，从而减少外界干扰，扩大检测系统的覆盖面，提高系统的工作效率。

IEC 60870-5-104之前的规约大多在具有永久连接电路的站间传输基本远动信息，而104规约是“采用标准传输文件集的 IEC60870-5-101 的网络访问”［1－5］，运行于TCP协议之上，可以在TCP/IP框架内运行在不同结构的网络上［6－9］。本文主要分析了104规约的数据格式、传输规则和机制，并在TCP/IP协议基础上实现了104规约的主要功能。

1 系统总体结构分析

前期煤矿的供电监控系统大多采用现场总线技术，各个变电所相互独立，信息传输距离较短，易受现场环境的干扰;组成的网络规模小，不能实现真正意义上的远程监控，必须进行现场操作才能获得变电所的供电参数。这使得井下操作效率低下、安全性低。早期监控系统框架如图1所示。

图1 早期监控系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the monitoring system of early stage

基于网络技术的检测系统能克服总线型系统的缺点，上位机和所有变电所都挂接到网络上，所有信息参数通过TCP/IP网络传输，可以真正实现远程监控和数据统计。这样的监控系统覆盖面广、组网简单灵活、易于扩展，其系统框图如图2所示。

图2 基于网络的监控系统示意图Fig.2 Schematic diagram of the monitoring system based on network

在基于网络技术的检测系统中，工控机系统支持TCP/IP协议和总线接口，104规约也在工控机上实现。工控机通过总线接口读取各个检测模块采集到的故障信息，并根据信息的类型打包成相应格式的104规约数据包，再通过网络套接口发送到网络上;上位机接收此数据报，在解析出现场信息之后，再进行下一步的用户交互操作。

2 IEC 60870-5-104规约格式解析

IEC60870-5-104规约的数据格式［4］定义具体如表1所示。

表1 远动配套标准的APDU定义Tab.1 Definition of APDU for telecontrol supporting standard

表1中，启动字符为68 H，定义了数据流的起点。应用协议数据单元(application protocol data unit，APDU)的长度是指控制域字节到APDU最后一个字节之间的所有字节数。

IEC 60870-5-104规约规定了I格式帧、S格式帧和U格式帧3种帧类型，帧类型由4个控制域字节决定。类型标志用来标志APDU中数据的类型，主要包括遥测、遥信/变化遥信、顺序事件记录SOE、遥控等，每种类型各有1 B的常量值与之对应。

可变结构限定词的各位段取值如表2所示。

表2 结构限定词Tab.2 Structure qualifiers

表2中，SQ和N均表示可变帧长。

传送原因字段用来标志数据传输的原因，主要包括周期、循环、突发、初始化、请求/被请求、激活、激活确认、激活结束、响应总召唤等，每个传送原因都对应1 B的常量值。公共地址一般与链路地址相同。信息体地址分为两类:若是响应总召唤类变长帧，信息体地址为0000;若为转发YC/YX/YM值，则信息体地址为YC/YX/YM。品质描述主要用于命令数据传送，主要包括召唤全数据、召唤组数据、召唤全电度、召唤组电度或YC/YX/YM值。遥控命令限定词的位定义如表3所示。

表3 遥控命令限定词Tab.3 Telecontrol command qualifiers

表3中，S/E为0表示遥控执行，为1表示遥控预置;DCS为0表示不允许，为1表示遥控分闸，为2表示遥控合闸，为3表示不允许。

3 IEC 60870-5-104规约的实现

IEC 60870-5-104规约使用TCP/IP提供的服务在网络上传输。现在的操作系统大都支持TCP/IP协议栈，在无操作系统的情况下，也有许多功能比较完善的TCP/IP 协议模块可以直接使用［10］，如 BSD TCP/IP、LwIP、uIP、TinyTcp等，它们提供了充分的用户接口，可以开发网络应用程序而不必关心协议的具体实现细节。本文设计的系统目前运行于Windows系统下，提供了大量Socket API和2个Socket类。这些接口和类封装了网络协议的细节，可以使用户专注于应用层程序(104规约)的开发，提高开发效率，缩短开发周期。

3.1 规约的变量定义

IEC 60870-5-104规约中定义了一些变量，这些变量的状态在数据传输过程中是不断变化的，是数据准确传输的前提。因此，在应用程序开发中要对这些变量特别关注，必须通过相应的编程技术对它们加以保护，避免访问冲突。这些变量主要有:APDU总长度、端口号、发送序列号NS、接收序列号NR等，具体定义如下。

①APDU总长度:IEC 60870-5-104规约规定APDU的总长度限制为255 B，故应用服务数据单元(application service data unit，ASDU)最多包含249 B 的数据。

②端口号:在传输层固定为2404，这已经得到互联网数字分配授权(Internet assigned number authority，IANA)的认可［5］。

③发送序列号NS:发送方每发送一帧数据，发送序列号就自动加1，并记录发送帧的个数，此值在初创建或重新创建TCP连接时初始化为0。

④接收序列号NR:接收方每接收一帧数据，接收序列号就自动加1，当此值被返回给发送站时，表示所有发送序列号小于此值的APDU被认可。

⑤t0:连接建立应在此时间范围内完成，否则连接建立超时，默认值为30 s。

⑥t1:发送方发送一个I格式或U格式报文后，应在此时间范围内得到对方的确认信息，否则将重新建立TCP连接，默认值为15 s。

⑦t2:接收方在接收到I格式报文后，若经此时间后没有新I格式报文送来，则接收方要发送S格式帧对已收到的I格式帧进行确认，默认值为10 s。

⑧t3:在此时间内若没有收到任何格式的数据，则应向对方发送测试链路帧。在接收到任一种格式的数据后，复位此时间值，默认值为20 s。

⑨k:在某一特定时间内，若未被确认的连续编号的I格式帧的个数达到此数值时，发送方停止发送，默认值为12个APDU，取值范围为1～32767个APDU。

⑩w:接收方在收到I格式后应尽快进行确认，104规约规定最晚在接收到w个I格式帧后必须进行确认，默认值为8个APDU，取值范围为1～32767个APDU。

3.2 规约的数据传输

IEC 60870-5-104规约既规定了数据格式，又规定了数据收发规则，保证数据的可靠传输，这些规则和要求是104规约实现的依据。104规约是建立在TCP协议基础上的。TCP协议是面向连接的可靠传输协议，具有完备的编号系统、差错控制、流量控制和拥塞控制等机制，以保证数据传输的可靠性［8］。因此，在规约实现时，可以充分利用这些控制机制来提高信息的传输效率和准确性。104规约定义的功能较多，可根据实际需要在实现时予以裁减。规约的主体功能实现主要包括以下几个方面的内容。

3.2.1 连接初始化

连接初始化步骤如下。

①连接建立。104规约规定发送数据前必须先建立连接，连接由控制站建立。若所有站都是控制站，则选择其中的一个建立。控制站向网络发送主动连接请求，若被控站监听到此请求，则连接建立;否则控制站将反复发送此连接请求，直到被控站返回，被动打开连接请求。监听到控制站连接请求后，建立连接。

②连接重置。在连接建立后，如果出现连接故障，控制站可以重置连接。控制站首先发出重置命令，被控站确认并发出主动关闭连接请求，主控站确认并发送被动关闭连接请求，两站之间连接被释放。经过一段时间(即t0)后，开始建立新连接操作。

③连接关闭。控制站和被控站都可以提出释放连接的请求。控制/被控站发出主动关闭连接请求，被控/控制站确认并发送被动关闭连接请求，控制/被控站对这个被动关闭请求作出确认后，连接被释放。

④传输控制。TCP逻辑链路成功建立后，控制站必须利用U格式帧中的STARTDT和STOPDT位来控制被控站的数据传输，否则被控站不会发送任何数据(未编号的控制功能除外);同时，通信双方要一直监视链路，使得当链路故障时，能够再次发送连接请求重新建立连接。主站发送开始或结束控制报文，当子站正确应答此报文后，即可以开始或结束数据传输过程。

3.2.2 数据上传

数据上传主要包括以下几个方面。

①事件主动上传。104规约采用的是平衡传输方式，当子站检测到突发事件后，应主动上传事件信息，如变位遥信、带时标的变位遥信等。子站主动上传，主站要予以确认。

②循环上传。对于电压、电流等模拟量数据，其值是连续变化的，要在一定的时限内以遥测帧的形式循环上传。子站上传，主站确认。

③召唤上传。当主站需要某类信息时，发送相应的召唤命令，子站根据主站的要求发送相应的数据包。一般在连接建立、时钟同步之后，主站会发送总召唤命令;子站根据总召唤命令发送相应的全部信息。上传完一种类型的数据后，主站要进行确认。

④传输确认。如果数据只在一个方向传输，就要在另一个方向发送S格式帧，认可已经发送的APDU，否则已经传送的数据无效。

3.2.3 主站遥控

遥控命令用于远程控制子站的执行机构，以完成相应操作。主站发出遥控预置命令，由子站进行返校确认;主站在接收到返校帧后，发送遥控执行命令，由子站执行并返回执行确认帧;执行完成后再发送执行完成帧，从而完成一个遥控过程。

3.2.4 时钟同步和链路测试

①时钟同步。在最大网络延迟小于规约要求的时钟精度的情况下，应该进行时钟同步，如果不进行同步，带时钟信息的数据中，时间信息就变得没有意义。首先主站发送时间同步命令，子站在接收后更新时钟，并生成时钟报文发送给主站，用以确认;主站确认后即完成同步。系统初始化时要进行同步，且以后每隔一定的时间要再进行同步操作。

②链路测试。如果连接建立但没有使用，或在规定时间间隔内没有数据传输，就要发送测试帧，并在两个方向上进行周期性测试。

除以上所述功能外，用户还可根据需要，添加文件传输、参数装载、累积量传输等功能，具体细节参考文献［5］。

3.3 规约实施流程

采用工控机作为104规约网络传输系统中的被控站和现场总线系统中的主控制器。下位机的具体任务流程与104规约的应用场合有关，不同场合有不同的信息关注点，因此其任务内容也会有差异。但总体说来，104规约的实施内容主要包含以下几个步骤。

①建立TCP连接。

②请求数据通信。TCP连接建立后，要启动链路才能够开始I格式的数据传输，否则链路上只能传输U格式的数据。

③对时。若将要传输的数据需时间信息，则应先同步各个站点之间的时钟，否则数据包中的时标信息对控制站来说是无意义的。

④总召唤。一般系统启动后要先收集子站上所有的信息，如各线路的开合状态、电流电压值等，这时控制站就需要进行一次总召唤操作，将子站的全部状态信息收集一次。

⑤一般数据传送。完成以上几步后，控制站开始调度各个被控站点的事件主动上传、一般遥信/遥测数据上传以及遥控数据传输等操作。

需要注意的是:链路测试、计时程序、故障诊断等辅助程序是与以上过程并行执行的，无论哪个环节出现链路中断、计时超时等问题，系统都会调用相应的关闭连接、重置连接、链路测试、单向确认等子程序，以及时处理这些问题，确保系统的正常运行。

⑥断开或重置连接。TCP链路使用完毕后要断开连接，若通信过程中TCP链路出现故障，则要根据实际要求关闭或重置链路。

4 结束语

试验和应用证明，本文所述的基于工业以太网技术、采用IEC 60870-5-104规约的电力监控系统［10-14］灵活高效，能够很好地完成煤矿电力监控系统所要求的全部功能。与传统的采用现场总线技术、Modbus协议［15－16］、CDT规约等半双工或不平衡传输协议的监控系统相比，该监控系统具有很大的效率优势。在当前一定时期内，系统还可与IEC 61850规约系统配合使用，共同构建大型电力监控系统。

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