IEC104规约在综合能源控制系统数据通讯中的应用

华丽云，金 珺，孙坚栋，张江丰，李 泉，苏 烨

（1.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310014；2.浙江浙能镇海发电有限责任公司，浙江 宁波 325201；3.国网浙江省电力有限公司 电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

能源是人类生存和社会发展的物质基础，煤炭和石油等传统能源在促进经济高速发展的同时，也带来了诸如资源短缺、环境污染等社会问题[1]。近年来，日益严峻的资源压力和环境压力促使许多国家积极调整能源结构，逐步减少对传统化石类能源的依赖[2]。包括风能、太阳能和生物质能在内的清洁能源分布广泛，资源丰富，环境友好，大规模开发和利用清洁能源是解决全球能源问题的最佳途径和方法。

清洁能源存在间歇性、波动大、可控性差等缺点[3]，当清洁能源发电大规模接入电网时，对电网安全将产生严重影响。因此，需要更多燃煤或燃气机组提供备用负荷，系统经济性变差。另一方面，随着经济和社会发展，用户侧的能源需求日益呈现出多样性，包含冷、热、电、天然气等各种负荷类型，而且相互之间存在耦合性[4]。目前，不同类型的能源供应系统一般是独立运行的，很少采用阶梯或循环方式，能源转换效率偏低。为了更好地吸纳清洁能源，改善生态环境，提高终端用能效率，保障能源供应系统安全，需要开发更高效、更灵活的能源利用方法和技术。

综合能源系统（Integrated Energy System，IES）是满足多源能源需求，推动清洁能源供应，促进可再生能源发展，实现节能减排目标的有效方法[5]。综合能源系统定义为：在一定地理区域内，在能源系统规划、设计、建设和运行等过程中，通过对电、热、冷、气和分布式能源等多种形式能源的生产、传输、转换、存储、消费和回收等环节进行有机融合，实现协同互补的综合式能源一体化系统[6]。美国在2001 年就提出了综合能源发展计划，日本、加拿大以及一些欧洲国家也非常重视IES 的研究与应用。建立综合能源系统是世界各国适应能源变革，确保社会可持续发展的必由之路。

近年来，综合能源系统是能源领域的研究热点之一。文献[5]综合考虑经济、技术和环保等要求，提出了一种新的多目标优化模型，并采用改进的遗传算法求最优解，用于在IES 规划和设计阶段，确定供电、供热和供冷子系统的最优配置组合。文献[7]提出了一种基于改进Kriging 模型的IES 规划方法，并通过优化计算得到各主要设备的最佳配置，降低系统投资和用能成本。文献[8-9]对于电-热或电-热-气IES，基于电、热、气网的物理特性，构建多能流计算模型，实现了异种能源系统的同质化建模，提高能源利用效率。文献[10]从模型、算法和指标体系等3个方面分析了IES 可靠性评估亟需解决的问题。文献[11-13]研究了能量管理系统的优化算法和控制策略，使IES 在满足约束的前提下，经济和环保综合效益达到最佳。

目前，研究人员主要关注于IES 建模、设计优化、运行优化、运行控制、储能技术、能量梯级利用，以及经济性和可靠性分析等几个方面[14]。IES 通常由多个独立运行的子系统组成，如光伏、风电、微燃机子系统等，各子系统由本地控制器实现自动控制，位于优化层的能量管理系统负责IES 协调运行。各子系统与上层监控系统之间存在大量的数据交换，需要采用网络通讯方式传输数据，目前关于IES 通讯方面的文献较少，而且IES 主要采用MODBUS 方式，该方式存在通讯功能简单，速度慢等缺点。本文针对某综合能源示范项目，在控制级DCS 系统设计开发了基于IEC104 规约的数据通讯控制逻辑，实现了控制级与其他层级设备的数据交互，为IES 的协调运行奠定基础。

1 双创基地综合能源示范项目

国网浙江省电力有限公司“互联网+智慧能源”双创基地位于浙江省杭州市滨江高新开发区，由3 栋连体楼宇组成，总面积约37,000m2，可同时容纳1500 名员工。双创基地原来全部采用电制冷供冷和供热，存在碳排放量大、能源利用率偏低等缺点。为了打造绿色、环保的创新创业基地，业主提出在双创基地建设综合能源示范项目，以可再生分布式能源和清洁化石分布式能源作为主要供能手段。IES 示范项目建成后，不仅可以提高双创基地的能源利用效率，增强供能可靠性，保护环境、降低运营成本，还将作为国网浙江省电力有限公司综合能源服务的示范基地，推进综合能源服务业务在全省的开拓和建设。

IES 示范项目由冷热电三联供、风力发电、分布式光伏、储能、能量路由器等子系统组成。三联供子系统采用200kW 级微型燃气轮机组，配200kW 级烟气热水型溴化锂空调机组以及2×25m3蓄能罐。风电子系统由2 台1kW 垂直轴风机组成。光伏子系统安装于B 楼和C 楼，总装机容量为100kW。储能子系统配置总容量550kW/1161.216kWh集中式锂电池，其中50kW/110.592kWh 以直流方式接入直流配电系统，其他两组250kW/523.312kWh 储能接入交流配电系统的380V 母线。能量路由器为五端口路由器，包含380V 交流、±375V 直流、48V 直流、光伏直流和储能直流端口。

如图1 所示，IES 控制系统采用三层架构，分别为现场级、控制级和优化级。现场级执行对各子系统及相关设备的常规控制，如微燃机负荷控制、风机转速控制和参数测量等。控制级是系统的协调器和分派器，实现IES 各子系统的协调控制和指令分发功能，如系统联锁与保护、设备启停、参数修改以及控制指令下发等。优化级作为最高决策层，在系统模型的基础上，以能源效率和环境效益为综合评价指标，采用线性规划、遗传算法等优化算法，在满足运行约束的条件下，确定现场级各子系统的最佳设定值。

IEC104 规约提供的通讯功能强大，数据量大、可靠性高，对于双创基地示范项目的重要控制功能，如能量管理系统、能量路由器等，采用IEC104 规约进行数据传输。现场级与控制级设备之间的数据传输采用两种方式，分别为MODBUS+RS485（或TCP/IP）和IEC104+TCP/IP 方式，按IEC104 规约通讯时，控制级设备作为主站，现场级设备作为子站。控制级与优化级设备之间以IEC104+TCP/IP 方式通讯，上层的能量管理系统作为主站，下层的控制级设备作为子站。

图1 IES示范项目控制系统架构Fig.1 Structure of control system for IES demonstration project

2 IEC104规约

IEC 60870-5-104 规约（简称IEC104 规约）是国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）TC57 技术委员会制定的用于远动设备和系统之间信息传输的国际标准[15]。该规约将IEC101 规约的应用层规范与基于TCP/IP 协议的网络传输功能相结合，为以比特（Bit）形式传输的远动信息的网络通讯提供标准化。IEC104 规约在传输层和网络层采用TCP/IP 协议，在TCP 层固定使用2404端口号[15]。它具有实时性好、可靠性高、支持多种底层网络等优点。目前，该规约已广泛应用于电力生产、城市轨道交通等地理分散过程的监视与控制[16]。

2.1 应用协议数据单元

IEC104 规约在应用层以应用协议数据单元（Application Protocol Data Unit，APDU）为单位传输信息。如图2 所示，APDU 一般由应用协议控制信息（Application Protocol Control Information，APCI）和应用服务数据单元（Application Service Data Unit，ASDU）两部分组成。

2.2 应用协议控制信息

APCI 包含6 个字节，首字节68H（H 表示十六进制数）用作信息启动字符；次字节指定APDU 的主体长度（从控制域开始到APDU 末字节之间的字节数），因APDU 报文长度不超过255 个字节，故该长度最大值为253。后4 个字节为控制域，用于设置报文格式、传输启停以及防止报文丢失和重传的控制信息。

图2 应用协议数据单元结构Fig.2 Structure of application protocol data unit

IEC104 规约定义了3 种报文格式，以控制域8 位位组1 的最低2 位区分，00B（B 表示二进制数）表示I 帧（编号的信息报文）、01B 表示S 帧（编号的监视报文）、10B表示U 帧（不编号的控制报文）。I 帧是信息帧，为长帧，包含ASDU 单元，其长度必定大于6 个字节，需要在APCI控制域设置15 位发送序号和接收序号，用于传输各类远动数据。S 帧是确认帧，为短帧，不含ASDU 单元，用于确认接收到的I 帧报文。U 帧是控制帧，为短帧，也不含ASDU 单元，用于传输控制报文与测试报文。

2.3 应用服务数据单元

如图3 所示，ASDU 包含数据单元标识和信息体两部分。数据单元标识由类型标识、可变结构限定词、传送原因及公共地址组成。类型标识定义信息体的类型、结构和格式，例如0DH 表示带品质描述、不带时标的短浮点型遥测信息。可变结构限定词的低7 位表示信息体数量，最高位表示信息体排列方式，有离散和顺序两种方式，离散排列时，每个信息对象都需要指定地址，顺序排列时，只需要指定首个信息对象地址，后续各信息对象地址按前一个地址加1 推算。传送原因占2 个字节，但一般只使用低字节的低6 位。ASDU 公共地址表示子站地址。

信息体部分通常包含多个信息对象，每个信息对象一般由地址、元素和时标组成。如前所述，当采取顺序排列时，第二个信息对象及其后各信息对象的地址不需要重新指定。信息对象的元素即测点值，通过类型标识设置，可支持多种数值类型，并且可附带品质信息。时标表示信息发生的时间，根据类型标识设置，可以为短时标或长时标，也可以不含时标。

2.4 主站与子站

图3 应用服务数据单位结构Fig.3 Structure of application service data unit

基于IEC104 规约的数据通讯在主站和子站之间进行，其中主站是控制站，负责下发调度指令，召唤子站的监控信息；子站是被控站，负责执行主站下发的调度指令，上传本站的监控信息。对于一个IEC104 通讯系统，主站只有一个（采用冗余结构的系统，物理上虽有多个主站，但逻辑上仍为一个主站），子站可以根据系统实际情形配置多个，不同子站按公共地址进行区分。

图4 是IEC104 通讯系统示意图，子站可通过不同类型广域网络，如ISDN、帧中继、X.25 或以太网等，接至主站所在的TCP/IP 局域网。主站与子站之间在传输层以TCP 协议，在应用层按IEC104 规约通讯，子站之间不能进行数据传输。每个子站作为数据服务的提供方，是一个TCP 服务器端，主站作为数据服务的召唤方，是一个TCP 客户端。服务器端启动运行后，在2404 端口监听客户端发送的连接请求。建立连接后，主站和子站之间即可按IEC104 规约进行数据传输。

3 基于IEC104规约的通讯实现

双创基地IES 示范项目的控制级采用上海新华控制技术集团科技有限公司开发的NetPAC II 分散控制系统（Distributed Control System，DCS），由控制站、工程师站和操作员站3 部分组成。控制站执行少量模拟量和开关量信号采集，以及三联供子系统就地设备的远程操作等功能。工程师站实现控制逻辑、监视画面和生产报表组态、参数修改、虚拟控制器运行、控制级网络和设备运行状态监视与诊断等功能。作为人机接口的操作员站提供监视画面，使运行人员可以执行设备监控、曲线查询、报警显示等操作。

基于IEC104 规约的数据通讯由运行于工程师站的两个虚拟控制器VXCU 和IEC104Slave 子站软件实现。其中两个VXCU 作为主站，分别与两个子站能量路由器和同期装置，构成两个独立运行的IEC104 通讯系统；IEC104Slave软件作为子站，与主站能量管理系统（Energy Management System，EMS）构成一个IEC104 通讯系统。通讯信号包括双向传输的模拟量和开关量，分别对应IEC104 规约的遥信量、遥测量、遥控量和遥调量，统称为“四遥”信号。

图4 IEC通讯系统示意图Fig.4 Schematic diagram of IEC104 communication system

3.1 主站实现

在IES 控制级的工程师站，创建两个VXCU 虚拟控制器，实现两个IEC104 通讯主站，分别与两个IEC104 子站能量路由器子系统和同期装置子系统进行数据通讯。其中，能量路由器的通讯点包括全部“四遥”信号，同期装置的通讯点则只有遥信量和遥测量两种。

在进行IEC104 主站通讯逻辑组态时，首先配置VXCU主目录下的“IEC104Drv.ini”文件，按系统实际情形设置子站个数（目前每个VXCU 仅支持单个子站）、子站IP 地址、端口号、子站公共地址、“四遥”信号点数和总召唤间隔时间等信息。组态软件为每一个“四遥”信号分配独一的站号/卡件号/通道号，将其映射成VXCU 的输入/输出测点，其中遥信量对应为开关量输入测点，遥测量对应为模拟量输入测点，遥控量对应为开关量输出测点，遥调量对应为模拟量输出测点。

按IEC104 规约，遥信量和遥测量的传输是一步完成的。当主站下发总召唤命令或者子站主动上传数据时，子站向主站发送包含遥信量或遥测量的APDU 数据帧，主站接收并解析该APDU 帧，根据ASDU 的信息对象地址与VXCU 中站号/卡件号/通道号之间的映射关系，刷新对应开关量或模拟量输入测点的数值。

鉴于IEC104 规约的典型应用场景是电力生产调度等对可靠性要求较高远动系统，为了避免误操作，确保系统安全运行，对于遥控量和遥调量发送，通常需要按选择-确认-执行（或撤销）三步进行。图5 示意了遥控命令的发送过程，第一步主站下发遥控选择报文；第二步子站收到选择报文后，向主站返回遥控返校报文；第三步主站收到应答后，下发遥控执行或撤销报文。至此，遥控命令下发完成，子站执行该遥控命令（控分或控合），并将执行确认报文和遥控结束报文发送至主站。

图5 遥控指令发送过程Fig.5 Remote control command sending process

以IES 能量路由器子系统的AC/DC 转换器的投/撤控制为例，说明在VXCU 中实现遥控命令下发的控制逻辑。如图6 所示，操作人员通过监控画面中的开关量设定按钮投/撤AC/DC 后，将分别产生AC/DC-ON 开关量信号和遥控选择脉冲信号，激活VXCU 的Watch104Thread线程向子站发送遥控选择报文；VXCU 的CommWatchProc线程接收到子站返回的遥控返校报文后，调用回调函数将8 号I/O 卡对应通道的输出置为脉冲信号；在控制逻辑中，该脉冲信号输入至3 号I/O 卡对应的通道，从而激活Watch104Thread 线程向子站发送遥控执行报文。

采用以上设计的遥控命令下发逻辑后，可以免除运行人员对子站上传的遥控返校确认信号的人工判断与处理，主站在收到该返校报文后，自动产生遥控执行脉冲信号，激活相关线程发送遥控执行报文。该逻辑设计简化了遥控操作的复杂性，减少了运行人员的工作量，适用于IES 远程控制。

能量路由器子系统的遥调量包括五端口总功率期望、光伏DC/DC 有功期望、储能DC/DC 有功期望等，重要程度较低，对可靠性要求不高。因此，遥调命令不需要像遥控命令那样，按选择-确认-执行三步进行，可通过IEC104规约的设点命令一步完成（电力生产调度的AGC 负荷指令下发也采用一步到位的方式）。图7 是能量路由器光伏DC/DC 有功期望遥调命令下发的控制逻辑。

3.2 子站实现

在现场级的工程师站创建IEC104 子站，向上层的能量管理系统发送重要的IES 运行数据，并接收EMS 下发的优化控制和调节指令。在NetPAC II 分散控制系统中实现IEC104 子站比较简单，不需要进行逻辑组态。首先，配置工程文件，设置主站IP 地址、子站公共地址、各类“四遥”信号的起始地址；然后，将“四遥信号”的KKS 码按类型和序号写入测点配置文件；最后，启动IEC104Slave.exe 子站程序，便可进行数据传输。

图6 遥控命令下发控制逻辑Fig.6 Control logic of remote control command issuing

图7 遥调命令下发控制逻辑Fig.7 Control logic of remote adjust command issuing

3.3 典型报文分析

双创基地IES 控制系统基于IEC104 规约通讯的典型报文包括总召唤、遥信、遥测、遥控和遥调设点报文等几类。以下从运行日志中选出的报文均以十六进制数表示。

1）总召唤

当通信双方首次建立连接或间隔时间已到，主站将向子站下发总召唤命令，要求子站上次全部遥信和遥测信息。主站发出总召唤报文后，子站需要进行激活确认，示例报文如下。

主站：68 (启动字符) 0E (长度) 2400 (发送序号) 2206 (接收序号) 64 (类型标识，总召唤) 01 (可变结构限定词，1 个信息体) 0600 (传送原因，激活) 0100 (子站公共地址) 000000 (信息体地址) 14 (2002 年后已不用)。

从站：680E220626006401 (同上) 0700 (传送原因，激活确认) 010000000014 (同上)。

2）遥信

响应总召唤或者遥信量发生变化时，子站向主站发送遥信报文。支持多种类型遥信报文，如单点遥信、双点遥信、带时标单点遥信等，示例报文如下：

子站：688C24062600 (同上) 01 (类型标识，带品质描述的单点遥信) FF (可变结构限定词，127 个顺序排列信息对象) 1400 (传送原因，响应总召唤) 0100 (同上) 010000 (信息对象起始地址，01) 00 (第一个遥信值，分) 01 (第二个遥信值，合)…。

3）遥测

响应总召唤或者遥测量发生变化时，子站向主站发送遥测报文。支持多种类型遥测报文，如归一化遥测值、短浮点遥测值等，示例报文如下：

子站：68FD28062600 (同上) 0D (类型标识，带品质描述的短浮点遥测值) B0 (可变结构限定词，48 个顺序排列信息对象) 14000100 (同上) 01400000 (信息对象起始地址，401H) 0020FD3C (第一个遥测值，以IEEE 754 标准格式表示，0.031) 00 (第一个遥测量品质，合格) 00487C40 (第二个遥测值，3.94) 00 (同上)…。

4）遥控

遥控命令发送按选择-确认-执行三步进行，主站与子站之间需要传输5 次报文，示例报文如下：

主站：680EBC004C18 (同上) 2E (类型标识，单点遥控命令) 0106000100 (同上) 0D6000 (信息对象地址，600DH) 82 (遥控选择，合)

子站：680E4C18BE002E01 (同上) 0700 (传送原因，选择确认) 01000D600082 (同上)

主站：680EBE004E182E01060001000D6000 (同上) 02 (遥控执行，合)

子站：680E4E18C0002E01 (同上) 0700 (传送原因，执行确认) 01000D600002 (同上)

子站：680E5018C0002E01 (同上) 0A00 (传送原因，遥控结束) 0100D60002 (同上)

5）遥调

遥调命令用于目标定值、控制参数、上下限等设置，在双创基地IES 控制系统中采用直接执行方式，示例报文如下：

主站：6812DA00A21A (同上) 32 (类型标识，短浮点数设点) 0106000100 (同上) 116200 (信息对象地址，6211H) 0000F041 (遥调值，30) 00 (设定命令限定词，设点执行)

子站：6812A41ADE003201 (同上) 0700 (传送原因，设点确定) 01001162000000F04100 (同上)

4 结语

综合能源系统是未来能源生产与消费的新模式，是推动可再生能源利用，提高能源使用效率，降低环境污染的最佳途径。目前，国内外关于IES 的研究尚处于初级阶段，偏重于理论与优化计算，缺少工程实施和运行方面的内容。

本文针对双创基地IES 示范项目，研究了在三层架构的控制系统中，采用IEC104 协议在现场级与控制级、控制级与优化级进行数据通讯的问题。在新华公司NetPAC II 分散控制系统中，利用组态软件，实现了“四遥”信号通讯的控制逻辑。在符合IEC104 规范的前提下，简化遥控命令的发送过程，提高了运行人员的工作效率。本文研究内容对于其他IES 项目的设计和实施，具有一定参考价值。