电力远动设备的IEC60870—5—104通信协议的监听

赵会彬

摘要：目前IEC104协议仍在电力系统中广泛应用，远动主站和子站之间能否正确及时的通信关系到电力系统的安危。利用错误重传机制检测网络状态是实现应用IEC104稳定传输数据的一个基本方法，超时处理按照规约定义进行超时断开处理，但IEC104协议未对这种故障做出进一步处理。如果出现了故障主控站人员要经历很长时间才能找到故障原因。为保障远动主站和子站之间能正确及时的通信，设计开发一种能监听IEC104协议通信过程的系统。通过对模拟远动主站和子站的通信报文的抓包分析实现对IEC104协议通信过程的监听。统计出报文库错误报文率、IEC104错误帧率及重复报文率来客观评价远动主站和子站的通信，为控制站人员快速找出故障原因提供依据，保障电力系统的安全运行。

Abstract： The IEC104 protocol is still widely used in the power system， the communication between main station and sub station is related to the safety of power system. The error retransmission mechanism is used to detect the network state， which is a basic method to realize the stable data transmission of IEC104， timeout is handled in accordance with the protocol definition， but the IEC104 protocol does not make further processing of this fault. So， if there is a fault， station staff will experience a long time to find the cause of the trouble. In order to guarantee the communication between the main station and sub station correctly and timely， a system that can monitor the communication process of IEC104 protocol is designed and developed. It implements the monitoring of IEC104 protocol communication process though capture analysis of the communication of simulated remote control station and sub station. Report library error message rate， IEC104 error rate， and repeat message rate are used to objectively evaluate communication of remote control station and sub station， to provide the basis for the control station personnel to quickly find out the fault causes， and to ensure the safe operation of the power system.

关键词：远动系统；IEC104规约；监听；故障分析

Key words： SCADA System；IEC104 protocol；monitoring；fault analysis

中图分类号：TM764 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）02-0085-03

0 引言

目前IEC104协议仍在电力系统中广泛的应用，柳坪和雅都电站的集控中心与下属电站及调度通讯均采用IECl04规约进行通信[1]。自2009年起，IEC60870-5-104规约在黄梅电网新建变电站和改造站的自动化系统中已大量采用[2]。远动主站和子站之间能否正确及时的通信关系到电力系统的安危。利用错误重传机制检测网络状态是实现应用IEC104稳定传输数据的一个基本方法。超时处理按照规约定义进行超时断开处理[3]。但IEC104协议未对这种故障做出进一步处理，当发生故障时控制站人员要经历很长时间才能找出故障源，所以开发一款能够对IEC60870-5-104协议的通信过程进行监听的系统非常必要。本设计应用端口汇聚和端口镜像技术将模拟主站和子站的通信双报文复制到端口镜像并监听这个镜像端口的通信报文来实现对模拟主站和子站通信报文的监听。通过对模拟远动主站和子站的通信报文的抓包分析统计出通信过程中的错误报文率、IEC104错误帧率及重复报文率来客观评价远动主站和子站的通信，为控制站人员快速找出故障原因提供依据，保障电力系统的安全运行。

1 IEC104协议通信过程分析

IEC104协议采用应-答模式的通信方式，即发送一条报文后收到此条报文的确认或回复报文才认为此次通信成功，否则将会重传这条报文。协议采用TCP协议传输报文，使用2404端口作为通信端口。TCP的通信方式采用客户端/服务器端的形式，模拟主控站作为客户端模拟子站作为服务器端。

服务启动后先由控制站检查当前链路的状态，然后再发送一些启动需要的一些确认和对时等报文，规约启动流程如图1。

规约启动后便可以进行遥控、遥信、遥测等操作。根据协议规定为了保障遥控等操作的成功率，在执行前需要进行预置、反校操作，否则从站拒绝执行。为了确保通信的成功，协议采用了应-答模式的通信方式，从站在收到主控站的命令时会向主控站发送命令执行确认报文以示命令已接收到并且正要执行命令。当执行完命令后会向主控站发送命令执行结束报文以示命令已成功执行。主控站可以通过发送遥控取消报文取消刚刚下发的命令，从站收到命令后取消相应的操作并发送取消确认报文。未发生故障的遥控操作和带取消命令的遥控操作的泳道图如图2。

在命令执行过程中，由于网络原因或其他可能的原因造成未收到某一个条报文的确认报文或回复报文的情况，按照规约规定会启动重传机制重传这条报文，直到收到这条报文的确认或者超过最大重传次数断开链路连接。图3左图是未收到确认报文遥控操作的泳道图，右图是未收到执行报文的遥控操作的泳道图。

IEC104协议为了确保通信的正常并在发生网络故障时的一些超时处理方案，IEC104协议采用的超时处理方案如表1。

2 系统建模分析及实现

监听系统采用端口汇聚技术将物理上的两个端口连接起来形成一条逻辑链路，并使用端口镜像技术将通信报文复制到镜像端口，通过对镜像端口的通信报文的监听达到监听主控站和子站之间的通信的目的。

监听系统实现的功能主要有获取通信报文、解包、获取IEC104协议帧、判断协议帧是否正确、记录报文、记录报文到达时间，分析统计等功能。协议监控系统的用例图如图4。

当监听系统启动后便一直监听IEC104协议通信端口2404端口有无报文到达，若有到达则获取报文并作相应的处理。使用这种监听方法的优点是不会影响主控站和子站的正常通信，监听系统作为第三方仅监听两站的通信报文。监听系统的主线程流程图如图5

监听系统对报文处理过程的活动图如图6。

分析统计部分主要是对协议的传输过程和传输结果进行统计和分析。主要统计分析报文到达间隔、报文的错误率、IEC104协议帧的重复率以及遥控、遥测、对时等操作的完成的时间。

监听系统采用C++编程语言和VC++ 6.0为开发平台，使用ws2-32.lib库函数，实现对IEC104协议通信报文的监听。当监听系统启动后便一直监听2404端口有没有数据到达。通过报文的目的IP地址和源IP地址来区别主控站和从站并且监听系统会将通信报文保存到数据库中为以后分析数据提供数据源。监听系统的实现如图7。

3 结论

由于建设时期及所属项目类别的差异各系统技术平台不一通信方式和数据组织多种多样由此形成了一个个信息孤岛既影响了现有系统的有效运行也影响了新系统的开发和实施[4]。本设计将通信双方的报文记录并存储到数据库中，为以后数据共享和分析提供源数据可以有效的解决信息孤岛的现象。

随着IEC104协议在电力系统中得到广泛的应用，远动主站和子站之间能否正确及时的通信关系到电力系统的安危。本系统主要针对远动主站和子站之间能否及时并正确的通信以及出现网络故障不能及时发现的问题，设计开发了一种电力远动设备的IEC60870-5-104通信协议监听与测试系统。本系统主要利用端口汇聚和端口镜像技术将远动主站和子站的报文复制到镜像端口并使用SOCKET编程对镜像端口的通信报文进行抓包和分析，实现了对远动主站和子站的通信的监听与测试，并在发生通信故障时第一时间报警，为电力远动系统的正常运行提供了保障。

参考文献：

[1]关鸿耀，刘榕.IECl04规约在水电厂远动通讯中[J].计算机应用 小水电，2011（1）：61.

[2]雷兰.IECl04规约在黄梅电网中[J].电气工程与自动化 机电信息，2013（3）：31.

[3]湛开云，冯凯，刘明祥.IEC104 规约在配电自动化系统中的应用研究[J].信息技术与信息化，2013（6）：155.

[4]刘恒伟，柳林.水利信息孤岛再认识[J].水利信息化 海河水利，2012（5）：59.