IEC60870-5-104通讯协议在核电厂工程的应用

王 强，汪富强，夏丰元

（中广核工程有限公司，广东深圳，518124）

0 引言

阳江核电厂DCS采用MACS6仪控系统，由利时公司供货；500KV开关站及其配电装置的控制设备采用微机网控系统（NCS），由南瑞继保公司供货。

阳江核电厂采用了先进的控制室设计理念，所以主控制室只放置DCS的操作员站。主开关站500KV超高压配电装置按“一台半断路器接线”原则进行设计，其就地控制室设在开关站电气综合楼（TB）。500KV所有开关设备，设计上要求在正常情况下必须提供两种控制操作手段：主控制室或TB楼控制室。

为了达到在主控制室对500KV相关设备进行操作和监视，因此需要在DCS与NCS之间进行快速可靠的信号交换。参考核电厂辽宁红沿河电厂对于上述需要交换的信号均采用硬接线方式，由于DCS与NCS相距较远约1.5KM，所以导致需布置大量电缆进行信号传递，经过对比分析和设计论证后，阳江核电厂决定采用硬接线和网关通讯两种方式对DCS与NCS进行信号传递：

硬件线信号传递主要用于对可靠性、响应时间严格要求的控制信号，如500KV开关站断路器合闸指令。

网络通讯信号传递为DCS与NCS大多信号采用的方式，如模拟量采集（AI）、状态量采集（DI）以及对于可靠性要求不高且响应时间满足要求的控制信号，如500KV开关站断路器分闸指令。

IEC60870-5-104通讯协议在国内电力行业应用较为成熟，特别是电力系统及其电网调度，如与IEC60870-5-104相对应的电力行业标准为DLT 634.5104-2002 远动设备及系统。阳江核电厂采用IEC60870-5-104通讯协议进行DCS与NCS通讯却为CPR1000核电厂首次用于DCS与电气系统间通讯方案，所以，本文着重介绍该通讯方案的实践，进而论证该方案的正确性。

1 DCS与NCS通讯方案实施

1.1 DCS与NCS通讯总体结构

阳江核电厂，综合考虑了网络通讯可靠性，数据传输速率及实时性需求，基于IEC60870-5-104协议，DCS与TGC之间的通讯网络结构如图1。

DCS侧设备主要包括：两台光电转换器；IEC60870-5-104通讯冗余网关COMA和COMB；网关的外部接口RJ45通过双绞线连接到光电转换器上，光电转换器通过多模光缆连接到NCS侧对应的光电转换器上，上述设放在核岛厂房电气房间的DCS机柜中。网关通过工业以太网接口连接到DCS的控制网络（A网和B网），经过控制网络，网关可以与DCS的IO服务器、计算服务器、历史服务器、主控制室操作员站以及控制处理器NM203进行数据交换。

NCS侧设备主要包括两台RCS-9698G通讯设备，每台RCS-9698G设备单网对DCS通讯，通讯设备放在500KV开关站TB楼NCS机柜中。

从图1可以看出，DCS与NCS均采用双机冗余配置，互为热备用，冗余功能是由DCS来管理。在两条通信链路上，数据的收发同时进行，即COMA 到 9698G-A网关，COM-B到9698G-B网关。DCS侧为主站，NCS为子站，每次进行数据传输前的连接建立，总是由主站发起，子站只是被动地接收请求并作出响应。

1.2 DCS与NCS通讯协议类型标识

根据阳江核电厂DCS与NCS通讯清单，包括遥信、遥测以及遥控三种类型信号，共计约375个信号。根据IEC60870-5-104规约，经过多方技术澄清和确认后，采用表1信号类型标识以及地址区间。

表1 基于IEC104协议DCS与NC S通讯类型标识、地址及数量

遥信信号为NCS端采集或计算产生的各种状态量信号，如断路器、隔离开关的分闸和合闸状态，其类型标识为01，表示不带时标的单点遥信，每个遥信占1个字节；遥测信号为NCS端采集或计算产生的各种模拟量信号，如500KV侧有功功率、无功功率、电流、电压等，其类型标识为13,表示带品质描述的浮点值，每个遥测值占5个字节。上述遥信和遥测信号均是NCS送往DCS，需要将这些状态量、模拟量信号送DCS相关画面实时显示或服务器进行历史存档。

图1 DCS与NCS网络结构图拓扑图

遥控信号主要DCS操作指令通过通讯送到NCS动作相关电气设备，如断路器分闸指令，主要是在主控制室提供一种紧急操作电气设备一种手段，其类型标识为45，表示单点遥控。

1.3 DCS与NCS通讯参数约定

为了监视和处理通讯故障通讯，根据IEC60870-5-104对下表2参数进行定义并选值。

表2 该通讯中使用的IEC60870-5-104参数定义及选值

1.4 DCS与NCS通讯时钟同步

DCS与NCS通讯时钟同步，可以采有两种方式：

采用IEC60870-5-104提供的时间同步指令，其类型标识为103；

TGC和DCS都接收全球卫星定位系统GPS同步时间信号进行同步。

考虑到IEC60870-5-104协议提供的时钟同步精度不高，同时，阳江核电厂存在全厂通讯系统(简称DTV)，接收GPS同步时间信号，可以对全厂其它带有校时功能的系统进行准确校时，所以，采用第2种方法进行时钟同步。

1.5 DCS与NCS对IEC60870-5-104通讯协议应用

IEC60870-5-104协议名称为“采用标准传输协议子集的IEC60870-5-101的网络访问”，此协议是将IEC60870-5-101标准用于TCP/IP网络，当主站与子站连接到以太数据网，子站与主站通信时，通信规约则应采用IEC60870-5-104标准。

IEC60870-5-104采用了ISO-OSI模型中的五层，见表3，即物理层、数据链路层、网络层IP、传输控制层TCP和应用层，相比之下，IEC60870-5-101只采用了ISO-OSI模型中的三层：物理层、数据链路层和应用层。

图2 IEC60870-5-104通讯协议的APDU

从表3可以看出，IEC60870-5-104仅仅规定了应用层，其他四层完全采用TCP/IP协议模型。

IEC60870-5-104应用层报文叫做应用规约数据单元APDU，见图2,通常称之为帧。APDU由应用规约控制信息APCI和应用服务数据单元ASDU组成。

IEC60870-5-104协议的APDU分为三类：I格式、S格式和U格式。

I格式APDU称为信息APDU，长度一定大于6个字节，被称作长帧，用于传输数据；

S格式APDU称为确认APDU，长度只有6个字节，被称作短帧，用于确认接收的I格式APDU；

U格式APDU称为控制APDU，长度只有6个字节，也被称作短帧，用于控制启动/停止/测试。

长帧报文分为APCI和ASDU两个部分，而短帧报文只有APCI部分。APCI的6个字节是这样构成的：

起动字符68H，1个字节；

后面的报文长度，1个字节(最大253)；

控制域位组，4个字节。

I格式APDU的4字节控制域位组规定为：字节1和字节2为发送序号，字节3和字节4为接收序号。需注意两点：

由于字节1和字节3的最低位固定为0，不用于构成序号，所以在计算序号时，要先转换为十进制数值，再除以2；

由于低位字节在前、高位字节在后，所以计算时要先做颠倒。

S格式APDU的字节1固定为01H，字节2固定为00H，字节3和字节4为接收序号。计算时仍要注意以上两点。

U格式APDU的字节2、3、4均固定为00H，字节1包含TESTFR，STARTDT和STOPDT三种功能，同时只能激活其中的一种功能。启动 (STARTDT)和停止(STOPDT)都是由主站发起的，先由主站发送生效报文，子站随后确认。而主站和子站都可发送测试(TESTFR)报文，由另一方确认。 下面是六种可能的U格式APDU帧：

STARTDT：68 04 07 00 00 00(生效)； 68 04 0B 00 00 00(确认)

表3 IEC60870-5-104通讯协议的模型

表4 遥信信号报文分析表

表5 遥测信号报文分析表

表6 地址4001H遥测信号值变化主动上送

表7 遥控信号报文分析表

STOPDT ：68 04 13 00 00 00(生效)； 68 04 23 00 00 00(确认)

TESTFR ：68 04 43 00 00 00(生效)； 68 04 83 00 00 00(确认)

只有I格式APDU才有ASDU部分。ASDU是由数据单元标识符和信息体两部分构成的。

1）数据单元标识符包括：

类型标识，1个字节；

可变结构限定词，1个字节；传送原因，2个字节；

ASDU公共地址，2个字节。2）信息体包括：

信息对象地址，3个字节；信息元素集，若干字节；时标，7个字节(可选)。

可变结构限定词是ASDU的第二个字节，其最高位等于0表示后续的信息体的地址是不连续的，等于1表示后续的信息体的地址是连续的。其余7位表示信息体的数量。

1.6 DCS与NCS通讯实施

DCS与NCS通讯实施包括：

DCS侧网关与其主控制系统之间的集成，包括硬件、驱动程序及应用程序。

NCS侧网关与其主控制系统之间的集成，包括硬件、驱动程序及应用程序。

DCS网关与NCS网关之间硬件链路的建立，包括网络介质的选型、铺设等。

针对控制任务的设计组态，这主要根据上游500KV开关站电气设计提供的逻辑图、模拟图及IO清单来进行双方各自的组态和配置。

2 DCS与NCS通讯方案试验验证

利用DCS侧COM网关对DCS与NCS通讯报文具有记录及存档功能，在阳江核电厂现场完成DCS与NCS相关设备安装后，通过提取COM网关报文、DCS主控制室操作站和确认500KV开关站设备状态对DCS与NCS通讯功能进行如下试验。

首次握手（U帧）

发送-＞激活传输启动：68（启动符）04（长度）07（控制域）00 00 00

接收-＞确认激活传输启动：68（启动符）04（长度）0B（控制域）00 00 00

总召唤（I帧）

a),发送 -＞总召唤：68（启动符）0E（长度）00 00（发送序号）00 00（接收序号）64（类型标示）01（可变结构限定词）06 00（传输原因）01 00（公共地址即 RTU 地址）00 00 00（信息体地址）14（总召唤）。

b),接收 -＞总召唤：68（启动符）0E（长度）00 00（发送序号）00 00（接收序号）64（类型标示）01（可变结构限定词）07 00（传输原因）01 00（公共地址即 RTU 地址）00 00 00（信息体地址）14（总召唤）。

c),遥信信号传递

通过对NCS侧311个遥信信号强制，然后在DCS主控制室工程师站检查上述遥信信号均正确传递。同时，通过提取COM网关报文分析遥信分与NCS侧强制信号值一致，见下表4。

d),遥测信号传递

通过对NCS侧52个遥测信号强制，然后在DCS主控制室工程师站检查上述遥测信号均正确传递。同时，通过提取COM网关报文分析遥测值与NCS侧强制信号值一致，见下表5。

e),接收→结束总召唤帧: 68（启动符）0E（长度）08 00（发送序号）02 00（接收序号）64（类型标示）01（可变结构限定词）0A 00（传输原因）01 00（公共地址）00 00 00（信息体地址）14（总召唤）。

如果遥信、遥测信号有变化数据主动上送，见表6。

如果主站超过一定时间没有下发报文或RTU也没有上送任何报文则双方都可以按频率发送U帧（测试帧）。

发送→U帧 ：68 04 43 00 00 00

接收→应答 ：68 04 83 00 00 00

遥控

通过DCS主控制室画面软手操按钮发送断路器分闸指令，确认500KV开关站相关断路器动作到分闸位置，提取报文如下表7：

通过上述对点检查以及报文分析，从而验证了DCS与NCS通讯信号传递正确性。

3 DCS与NCS通讯方案优化建议

在对DCS与NCS通讯试验过程中，发现DCS侧操作员站发现遥信时标信息均为DCS侧COM网关处理后所提供的时间，而非NCS侧相应遥信信号动作的真实时间，两者时标相差时间介于数百毫秒到一秒内。

遥信信号一般为500KV开关站及其配电装置的状态信号，为了更准确地对核电厂事件进行分析以及借助IEC104协议本身具备确认主动上报SOE功能，通过对DCS和NCS厂家进行通讯约定达到对上述遥信信号主动上报，从而为核电厂通过通讯方式获取与硬接线方式近乎一致的信号时标。

4 结语

通过上述分析，基于MELTAC平台的RPS T2逻辑处理试验满足IEC60671-2007相关标准要求。通过在已成功商运的红沿河核电站一号机组的执行经验反馈，达到了电站设计和标准的要求，满足了电站日常运行和维护对RPS定期试验的需求。同时，RPS T2试验方案的正确性分析结果对国产化的安全级数字化仪控平台的研制具有一定的借鉴和前瞻性作用。

[1]数据通信与网络(原书第3版)/（美）佛罗赞(Forouzan,B.A.) 著; 王嘉祯 等译.-北京：机械工业出版社，2005.1[2]DL/T 634.5101-2002/IEC60870-5-1001:2002 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

[3]DL/T 634.5104-2002/IEC60870-5-1004:2000 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网络访问