IEC 60870-5-104协议在光伏电站中的应用

陶学军，徐奉友，王艳领

（许继集团有限公司，河南许昌 461000）

IEC 60870-5-104协议在光伏电站中的应用

陶学军，徐奉友，王艳领

（许继集团有限公司，河南许昌 461000）

为了适应日益发展的光伏电站对稳定性和规范化的要求，介绍了IEC 60870-5-104协议在光伏电站中的应用，简述了光伏电站监控系统的网络结构，重点阐述了IEC60870-5-104协议转换方法。

IEC 60870-5-104；协议转换；光伏电站

0 引言

近几年光伏电站发展迅速，光伏电站的先进性、规范化成为一个重要的研究课题。先进性的光伏电站应当稳定、可靠且便于维护和系统扩展。光伏电站中通信协议的工作性能是衡量光伏电站先进性的一个重要指标。IEC 60870-5-104通信协议以其低廉的成本、优良的性能[1-2]在电力系统监控网络中备受青睐。同样，当今蓬勃兴起的光伏电站，它的通信系统也都倾向于使用这种通信协议。结合案例，文章首先简述了光伏电站的网络结构。然后重点阐述了光伏电站通信过程中的一个重要问题：IEC60870-5-104协议与其他协议的信息交互方法。

1 IEC 60870-5-104协议概述

IEC 60870通信协议是国际电工委员会于2000年前后修订完成的一种远程监控通信协议[3]，这种通信协议适合电力系统和其他大地理跨度系统中使用。第5部分即IEC 60870-5针对直连的两个系统之间传输基本远程监控信息做了陈述，协议对报文格式、链路传输规则、应用数据结构、信息定义和编码方法、基本应用功能都做了规范化约定，后来又对与之相关的标准推出了一致性测试准则。目前，除北美以外，它在全球电力系统中受到广泛应用。IEC60870-5包括4个标准。其中，IEC 60870-5-101定义了基本远程远动功能信息传输规约；IEC 60870-5-102定义了电力系统电能信息传输标准；IEC 60870-5-103定义了继电保护设备的信息接口标准；IEC 60870-5-104是IEC 60870-5-101的网络版。

IEC 60870-5-104是IEC 60870-5-101协议为了适应网络通信方式而产生的。所以它的信息定义和编码方法、基本功能定义、数据结构和IEC 60870-5-101协议基本相同；同时这种协议使用开放的TCP/IP通信接口，所以通过这种协议，来自不同厂家的不同产品可以使用以太网连接在一起构成一个局域网或则通过路由器与广域网连接；控制中心与远动站之间也不再像IEC 60870-5-101协议规定[4]的那样需要直接的物理连接，而可以通过虚拟链路实现通信[5]。

2 IEC 60870-5-104在光伏电站中的应用

光伏电站监控系统需要实现三部分功能：

（1）采集各数据终端数据，监控电站运行；

（2）接收调度中心发来的发电计划，控制电站发电量；

（3）存储电站历史数据。

图1是格尔木光伏电站网络示意图。

图1 光伏电站网络示意图

如图1所示，光伏电站监控网络分为三级。

（1）调动中心与下属电站的通信网络调度中心和电站的局域网以FTP形式进行通讯，图1中调动中心通过一台路由器与局域网内的一台文件服务器相互通信。

（2）电站局域网电站中的监控电脑、远动站、功率预测装置、数据服务器和协议转换装置组成一个局域网。因为这个网络需要传输来自各数据终端的数据，而且服务器和监控电脑、远动站、调度中心之间也需要通信，通信数据量大、实时性要求高，所以一般的串口通信不能满足它的要求。IEC 60870-5-104以TCP/IP网络为传输介质，能较好满足光伏电站监控系统的性能要求。

（3）协议转换装置和数据终端之间的通信网络。因为光伏电站中含有很多仪表和控制器，它们来自不同厂家，且他们通常使用不同的通信协议。例如电表使用DLT645协议，电能质量检测仪使用IEC60870-5-103协议，箱变智能监控装置和智能汇流箱则使用Modbus协议。单台设备数据量相对较小，所以通信带宽要求小。鉴于以上两点，底层设备若要与上一级网络——电站局域网——进行通信，需要协议转换装置。通过协议转换装置实现两级网路信息的报文转换、通讯流程匹配、物理接口转换等。

3 IEC 60870-5-104协议转换

IEC 60870-5-104通信网络和其他通信网络的信息交流，在软件方面主要涉及以下两方面工作：通信流程匹配，报文转换。下面以IEC 60870-5-104的写定值操作与Modbus协议的多寄存器写操作为例介绍协议转换方法。

3.1 报文结构

通信协议转换，须了解两种通信协议的报文结构和信息交互流程。根据不同的报文对其进行相应的处理。

3.1.1 IEC 60870-5-104报文结构

图 2和 图 3为 IEC 60870-5-104报文结构图[5-6]。

如图 2所示，IEC 60870-5-104报文(APDU)包含两部分内容：APCI(应用控制信息)，ASDU(应用服务数据单元)，需注意的是某些报文只含APCI部分。APCI用于IEC 60870-5-104通信控制，包含报文起始符、数据长度和控制域。ASDU包含设备控制信息、控制参数、设备地址、数据长度等，它是协议转换应当关注的重点。

图2 IEC 60870-5-104报文结构图

3.1.2 Modbus报文结构

Modbus报文[7]结构不固定，不同功能的Modbus报文有不同的报文结构，但它们都含有装置地址（Slave address），功能码（Function），循环冗余校验码（CRC），有的报文还含有寄存器地址（StartAddress）、寄存器个数（No.of Registers），数据字节数（Byte Count）， 数据（Da⁃ta）等。下面是RTU格式的多寄存器写操作报文[7]结构图。

3.1.3 报文转换

报文转换即根据各自的通信协议对两种协议的报文进行转换。报文转换需要完成的内容如下。

（1）报文解析

即根据通信协议规定的报文结构，解析出报文功能及其相关数据。这是协议转换的基础。IEC 60870-5-104报文可以参考IEC 60870-5相关文档[5-6，11-12]来完成。下面是通过以太网口截取的一串IEC 60850-5-104报文：68 12 26 00 84 0F|32 01 06 00 01 01 01 62|00 00 00 40 41 00，其中68 12 26 00 84 0F是APCI部分。

图3 ASDU结构

图4 Modbus多寄存器写操作报文结构图

表1是这串报文的ASDU部分解析结果。

表1 IEC 60870-5-104“设定值“报文

（2）基本功能匹配

IEC 60870-5-104协议[5-6，8]基本功能定义包含总召、设定值命令、时钟同步等，而Modbus协议定义的基本功能有多寄存器写操作、多寄存器读操作、单线圈读操作、单线圈写操作等[7]。两种协议规定的基本功能是不一致的，所以需要建立一种映射表，即两种协议基本功能的对应关系。例如IEC 60870-5-10写设定值功能可以和Modbus多（或单）寄存器写操作对应。

（3）地址映射

IEC 60870-5-104报文包含ASDU公共地址和信息对象地址，Modbus报文包含设备编号和寄存器地址，协议转换过程需要对两者建立一一映射关系。

（4）报文数据转换

IEC 60870-5-104报文数据通常为little-Endi⁃an格式，Modbus报文数据通常为为big-Endian格式。IEC 60870-5-104报文数据有整形、浮点型等，Modbus报文则有ASCII和RTU两种传输方式。所以协议转换过程中需要对它们进行转换。

（5）报文重组与发送

在选择了报文功能类型和报文数据后，需要按报文格式对其进行组合，必要时需要加入附加信息，如CRC码、时间信息等。例：表2是“写多寄存器”报文，此报文信息来自61870-5-104“写定值”报文（表1）。

表2 Modbus“写多寄存器”报文

3.2 协议转换流程

图5是IEC 60870-5-104和Modbus协议转换示意图。

图5 协议转换示意图

因为TCP报文的处理和APCI的处理主要面向网络控制，限于篇幅在此不再赘述。ASDU和Modbus报文的交互是协议转换的关键。

不同的通信协议有不同的通信流程，并且同一通信协议不同的功能也通常有不同的通信流程，协议转换装置需要根据各自的通信协议，对其进行匹配。

例：电站监控系统遥调功能的实现。

在IEC 60870-5-104协议中可以使用类型为50的报文[3]完成遥调功能，即设定值报文。在Modbus协议中，可以使用“多寄存器写操作”执行IEC 608970-5-104的“写定值”指令。下面是两种通信报文的交互流程[5-8]，假设通信链路都已建立，且链路畅通。

由图5、6可以看出：IEC 60870-5-104报文与Modbus报文并不是一一对应的，协议转换装置接收的报文是否需要把相关信息发给使用另一种通信协议的装置，这需要按根据各协议的逻辑需求确定。

图6只是一个简单的通信交互流程图，实际上，协议转换设备除了含有正常的报文交互机制之外，还需要添加误码检测与处理机制、线路中断检测与处理机制、报文交互时间匹配机制，这两项内容此处不再阐述，详细要求请查看相关文献[5-7，9-10]。

图6 光伏监控系统遥控命令的实现

4 小结

光伏电站通信系统主要涉及网络拓扑结构和通信协议转换。文章首先以新疆格尔木光伏电站为例，介绍了它的拓扑结构，然后以Modbus通信设备和监控主站通信过程为例，介绍了IEC60870-5-104信协议与其他通信协议进行协议转换方法。虽然文章只描述了IEC 60870-5-104协议中其中一个功能的实现过程，相信读者可以以此为参考，得到其他功能的实现方法。

［1］胡明，周全林，刘凤夙，等.变电站自动化系统采用IEC60870-5-103 104协议的优势［J］.继电器，2003，31（5）：62-64.

［2］廖泽友，蔡运清.IEC 60870-5-103和IEC 104-5-104协议应用经验［J］.电力系统自动化，2003，27（4）：66-68.

［3］蔡运清.IEC 870-5系列及DNP 3.0规约简介［J］.电力系统自动化，1998，22（1）：49-51，74.

［4］ DL/T634-1997.远动设备及系统第5部分：传输规约，第101篇：基本远动任务配套标准［S］.

［5］ INTERNATIONALSTANDARD IEC60870-5-104（Telecontrol equipment and systems-Part 5-104：Transmission protocols-Network access forIEC 60870-5-101 using standard transport profiles）［S］.

［6］IEC 60870-5-104，远动设备及系统 （5-104部分：传输规约，采用标准传输文件集的IEC6087 0-5-101网络访问）［S］.

［7］Modicon Modbus Protocol Reference Guide（PI-MBUS -300 Rev.J）［S］.

［8］IEC-60870-5-5远动设备及系统，第5部分：传输规约，第5篇：基本应用功能［S］.

［9］IEC-60870-5-3远动设备及系统，第5部分：传输规约，第1篇：传输帧格式［S］.

［10］IEC-60870-5-2远动设备及系统，第5部分：传输规约，第1篇：链路传输规则［S］.

［11］IEC-60870-5-3远动设备及系统，第5部分：传输规约，第3篇：应用数据的一般结构［S］.

［12］IEC-60870-5-4远动设备及系统，第5部分：传输规约，第4篇：应用数据的定义和编码）［S］.

Application of IEC 60870-5-104 Protocol in Photovoltaic Power Plants

TAO Xue-jun，XU Feng-you，WANG Yan-ling
（XJ Group Corporation，Xuchang461000，China）

To match the demand of stability and standard about photovoltaic power plants that develop rapidly，the essay introduced the application of IEC 60870-5-104 protocol in photovoltaic power plants.First，the architecture of network in photovoltaic power plants was described briefly.Then，protocol conversion between IEC 60870-5-104 and other protocols was detailed.

IEC 60870-5-104；protocol conversion；photovoltaic power plant

TM615

A

1009－9492(2014)03－0040－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.012

陶学军，男，1971年生，内蒙古通辽人，硕士，工程师。研究领域：电气控制。

(编辑：阮 毅)

2013－09－09