孫抗?王玉梅

摘要：由于歷史和技術(shù)原因，現(xiàn)有變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的通信規(guī)約種類繁多、內(nèi)容各異，給教師課程教學(xué)和學(xué)生理解掌握帶來了一定的難度。根據(jù)近年來的教學(xué)實(shí)踐，首先梳理現(xiàn)有各類通信規(guī)約的體系結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上提取各類規(guī)約的共性，按照“幀結(jié)構(gòu)”和“傳輸規(guī)則”兩條主線學(xué)習(xí)具有代表性的遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約，最后通過報(bào)文解讀鞏固所學(xué)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：變電站自動(dòng)化；通信規(guī)約；幀結(jié)構(gòu)；傳輸規(guī)則；報(bào)文分析

作者簡(jiǎn)介：孫抗（1982-），男，江蘇徐州人，河南理工大學(xué)電氣學(xué)院，講師；王玉梅（1963-），女，河南輝縣人，河南理工大學(xué)電氣學(xué)院，教授。（河南 焦作 454000）

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）15-0046-02

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是由一系列基于微電子技術(shù)的智能電子裝置IED（Intelligent Electronic Device）和后臺(tái)控制系統(tǒng)所組成的變電站運(yùn)行控制系統(tǒng)，包括監(jiān)控、保護(hù)、電能質(zhì)量自動(dòng)控制等多個(gè)子系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)內(nèi)部、子系統(tǒng)之間以及遠(yuǎn)動(dòng)終端與主站之間的信息交換和信息共享，有效配置和優(yōu)化二次設(shè)備，高效、可靠、靈活的數(shù)據(jù)通信必不可少。為此，需要在發(fā)送端和接收端之間規(guī)定了一系列約定和順序，統(tǒng)稱為通信規(guī)約。在各類“變電站綜合自動(dòng)化”教材及課程中，通信規(guī)約部分一直都是要求學(xué)生重點(diǎn)掌握的重要知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)，由于歷史和技術(shù)上的原因，現(xiàn)有系統(tǒng)中新老規(guī)約并存，且種類繁多、內(nèi)容各異，給教師課堂教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)掌握帶來了一定的難度。結(jié)合近年來的教學(xué)實(shí)踐，本文拋磚引玉，對(duì)該部分的教學(xué)做簡(jiǎn)單探討。

一、電力遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約體系簡(jiǎn)介

國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約種類繁多，功能各異，這常常給初學(xué)者帶來困惑，因此有必要在初始授課階段就引入遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約的發(fā)展脈絡(luò)，講清楚遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約發(fā)展的來龍去脈，方便學(xué)生整體把握，也有利于突出重點(diǎn)。目前，在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，國(guó)內(nèi)主要采用兩類通信規(guī)約：循環(huán)式數(shù)據(jù)傳送（Cyclic Digital Transmission）規(guī)約，簡(jiǎn)稱CDT規(guī)約；問答式（Polling）傳送規(guī)約，簡(jiǎn)稱POLLING規(guī)約。

CDT規(guī)約采用時(shí)間早，使用最廣泛，我國(guó)在1991年即頒布了DL451-199l循環(huán)式遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約。該規(guī)約一般采用標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用同步傳輸、循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)的方式。其特點(diǎn)是接口簡(jiǎn)單，傳輸方便，因而得到了廣泛的應(yīng)用。但由于該協(xié)議傳輸信息量少（僅能傳輸256路遙測(cè)、512路遙信、64路遙脈，即64路脈沖計(jì)數(shù)值），且不能傳輸全部保護(hù)信息，因此難以適應(yīng)現(xiàn)代變電站自動(dòng)化技術(shù)的要求。

由于CDT規(guī)約固有的缺點(diǎn)，我國(guó)開始引入了Polling規(guī)約，即IEC60870-5系列規(guī)約。IEC60870-5系列通信協(xié)議體系是國(guó)際電工委員會(huì)第57技術(shù)委員會(huì)第3工作組（IEC TC57 WG03）用了多年時(shí)間制訂的一套用于變電站遠(yuǎn)動(dòng)通信的協(xié)議體系。與傳統(tǒng)的遠(yuǎn)動(dòng)通信協(xié)議不同，IEC60870-5系列通信協(xié)議體系借鑒了網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的分層技術(shù)，將協(xié)議分為鏈路層和應(yīng)用層：鏈路層由IEC60870-5-1和IEC60870-5-2描述；應(yīng)用層的基礎(chǔ)部分由IEC60870-5-3、IEC60870-5-4和IEC60870-5-5描述。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，IEC自1995年起相繼推出了一系列IEC60870-5配套標(biāo)準(zhǔn)，如基本遠(yuǎn)動(dòng)任務(wù)的配套標(biāo)準(zhǔn)、電能脈沖計(jì)數(shù)量配套標(biāo)準(zhǔn)、繼電保護(hù)設(shè)備信息接口配套標(biāo)準(zhǔn)等。我國(guó)決定等效采用IEC體系的信息傳輸規(guī)約，并陸續(xù)頒布了基于IEC標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)配套標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 IEC60870-5系列規(guī)約的配套標(biāo)準(zhǔn)及我國(guó)對(duì)應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

IEC60870-5配套標(biāo)準(zhǔn) 我國(guó)對(duì)應(yīng)的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 名稱和作用 應(yīng)用場(chǎng)合

IEC60870-5-101 DL/T634-1997

DL/T634.5101-2002 基本遠(yuǎn)動(dòng)任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn) 變電站和調(diào)度中心間

IEC60870-5-102 DL/T719-2000 電能累計(jì)量傳輸配套標(biāo)準(zhǔn) 變電站和調(diào)度中心間

IEC60870-5-103 DL/T667-1999 繼電保護(hù)設(shè)備信息接口配套標(biāo)準(zhǔn) 變電站內(nèi)IED與監(jiān)控主機(jī)間

IEC60870-5-104 DL/T634.5104-2002 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，將IEC 60870-5-101的應(yīng)用層與TCP/IP的傳輸功能相結(jié)合 變電站和調(diào)度中心間

由于IEC60870系列規(guī)約制定的周期過長(zhǎng)（超過十年），當(dāng)IEC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)鏈路幀格式和鏈路傳輸過程部分發(fā)布時(shí)，許多廠家在應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)未發(fā)布情況下紛紛推出各自的遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約。其中GE-Harris公司的DNP3.0（Distributed Network Protocol）占據(jù)電力系統(tǒng)自動(dòng)化產(chǎn)品市場(chǎng)的主流地位，在美國(guó)等西方國(guó)家有廣泛的應(yīng)用，在我國(guó)的應(yīng)用范圍也十分廣闊。DNP3.0是開放式協(xié)議，既可以用于SCADA系統(tǒng)，也可應(yīng)用于分布式自動(dòng)化系統(tǒng)。因此，它既可以作為饋線終端單元FTU與配網(wǎng)主站之間的規(guī)約，又可作為RTU與調(diào)度主站之間的規(guī)約。作為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，DNP和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC的主導(dǎo)地位將持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間。

隨著通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，用戶對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的要求也水漲船高。系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)控制、監(jiān)視和保護(hù)功能的同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)不同廠家的設(shè)備達(dá)到信息共享，使變電站自動(dòng)化系統(tǒng)成為開放系統(tǒng)，還應(yīng)具有互操作性。為方便變電站中各種IED的管理以及設(shè)備間的互聯(lián)，就需要一種通用的通信方式來實(shí)現(xiàn)。IEC 61850提出了一種公共的通信標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)設(shè)備的一系列規(guī)范化，使其形成一個(gè)規(guī)范的輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無縫連接。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)唯一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它是由國(guó)際電工委員會(huì)第57技術(shù)委員會(huì)（IECTC57）的3個(gè)工作組10、11、12（WGl0/11/12）負(fù)責(zé)制定的。變電站通信體系IEC 61850將變電站通信體系分為變電站層、間隔層、過程層3層。在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)接口映射到制造報(bào)文規(guī)范（MMS）、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)。在間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)采用單點(diǎn)向多點(diǎn)的單向傳輸以太網(wǎng)。變電站內(nèi)的智能電子設(shè)備（IED）均采用統(tǒng)一的協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。我國(guó)與之配套的標(biāo)準(zhǔn)是DL/T860。

二、典型遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約分析

受課時(shí)所限，課堂上不可能講授所有類型規(guī)約，可選擇一種或兩種非常典型的且已在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用的遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約進(jìn)行講解。為了方便學(xué)生理解，根據(jù)各種規(guī)約的共性，制訂了“幀結(jié)構(gòu)+傳輸規(guī)則”兩步學(xué)習(xí)法，以便學(xué)生快速掌握并能輕松舉一反三。下面以DL451-199l循環(huán)式遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約為例進(jìn)行說明。

部頒CDT規(guī)約DL451-1991規(guī)定了電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中循環(huán)式遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約的功能、幀結(jié)構(gòu)、信息字結(jié)構(gòu)和傳輸規(guī)則，適用于點(diǎn)到點(diǎn)的通信結(jié)構(gòu)。它以廠站端為主動(dòng)源，廠站端循環(huán)地向控制中心發(fā)送預(yù)先約定的一系列數(shù)據(jù)幀，控制中心只是接收并處理這些數(shù)據(jù)。CDT規(guī)約可以保證控制中心時(shí)刻監(jiān)視廠站端的重要遙測(cè)量和開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)傳送中偶爾發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，可以在以后的循環(huán)中得到糾正，要求的可靠性級(jí)別較低。

1.幀結(jié)構(gòu)

在主站和RTU之間主要傳送如下信息：遙測(cè)、遙信、事件順序記錄、電能脈沖計(jì)數(shù)值、遙控命令、設(shè)定命令、升降命令、對(duì)時(shí)命令、廣播命令、復(fù)歸命令、子站工作狀態(tài)等。規(guī)約以幀為單位組織數(shù)據(jù)，每幀都以同步字開頭，并有控制字及信息字。信息字的數(shù)量可按實(shí)際需要設(shè)定，因此幀的長(zhǎng)度是可變的，幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

同步字 控制字 信息字1 …… 信息字n

圖1 CDT規(guī)約幀結(jié)構(gòu)

每個(gè)字均由6個(gè)字節(jié)構(gòu)成，除同步字外，控制字和信息字的最后一個(gè)字節(jié)均為8位CRC校驗(yàn)碼。同步字為連續(xù)的3組EB90H，控制字是對(duì)本幀的信息說明，共有B7～B12六個(gè)字節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

控制字節(jié) B7

幀類別 B8

信息字?jǐn)?shù) B9

源站址 B10

目的站址 B11

校驗(yàn)碼 B12

圖2 控制字結(jié)構(gòu)

其中，控制字節(jié)結(jié)構(gòu)如圖3所示，含4位有效位，擴(kuò)展位E=0時(shí)，使用規(guī)約已定義的幀類別；E=1時(shí)幀類別可自行定義以擴(kuò)展功能。幀長(zhǎng)位L=0時(shí)，表示本幀信息字?jǐn)?shù)為0，即沒有信息字；L=1時(shí)表示本幀有信息字，而信息字個(gè)數(shù)由控制字中的信息字?jǐn)?shù)（B9）定義。S和D分別表示源站址定義位和目的站址定義位，兩者在上行信息和下行信息中均有不同含義。在上行信息中，S=1表示控制字中源站址有內(nèi)容，源站址字節(jié)內(nèi)容即代表信息始發(fā)站的站號(hào)，即子站站號(hào)；D=1表示控制字中目的站址有內(nèi)容，目的站址字節(jié)內(nèi)容即主站站號(hào)。在下行信息中，S=1表示源站址字節(jié)有內(nèi)容，源站址字節(jié)內(nèi)容即為主站站號(hào)；D=1表示目的站址有內(nèi)容，目的站址字節(jié)內(nèi)容為信息到達(dá)站的站號(hào)；D=0表示目的站址字節(jié)內(nèi)容為0xFF，即代表廣播命令，所有子站同時(shí)接收并執(zhí)行此命令。在上行或下行信息中，若S=D=0，則表示源站址和目的站址無意義。

E L S D 0 0 0 1

圖3 控制字節(jié)結(jié)構(gòu)

規(guī)約定義的部分重要幀類別及代號(hào)如表2所示。

表2 部分幀類別及其代號(hào)

幀類別代號(hào) 定義

上行E=0 下行E=0

61H 重要遙測(cè)（A幀） 遙控選擇

C2H 次要遙測(cè)（B幀） 遙控執(zhí)行

B3H 一般遙測(cè)（C幀） 遙控撤銷

F4H 遙信狀態(tài)（D1幀） 升降選擇

85H 電能脈沖計(jì)數(shù)值（D2幀） 升降執(zhí)行

26H 事件順序記錄（E幀） 升降撤銷

信息字是承載遠(yuǎn)動(dòng)信息的實(shí)體，每個(gè)信息字由Bn～Bn+5六個(gè)字節(jié)構(gòu)成：功能碼一個(gè)字節(jié)，信息數(shù)據(jù)碼四個(gè)字節(jié)，CRC校驗(yàn)碼一個(gè)字節(jié)，其通用格式如圖4所示。

功能碼有256個(gè)（0x00～0x FF），分別代表信息的不同用途，部分重要功能碼分配表如表3所示。

表3 部分功能碼分配表

功能碼代號(hào) 字?jǐn)?shù) 用途 信息位數(shù) 容量

00H～7FH 128 遙測(cè) 16 256

80H～81H 2 事件順序記錄 64 4096

A0H～DFH 64 電能脈沖計(jì)數(shù)值 32 64

E0H 1 遙控選擇 32 256

E1H 1 遙控反校 32 256

E2H 1 遙控執(zhí)行 32 256

E3H 1 遙控撤銷 32 256

EDH 1 設(shè)置時(shí)鐘校正值 32 1

EEH～EFH 2 設(shè)置時(shí)鐘 64 1

F0H～FFH 16 遙信 32 512

CDT規(guī)約中定義了遙測(cè)信息字、遙信信息字、時(shí)間順序記錄（SOE）信息字和遙控命令信息字等，本文僅以遙測(cè)信息字對(duì)規(guī)約信息字進(jìn)行說明，如表4所示。

表4 遙測(cè)信息字格式

功能碼（00H～7FH） Bn字節(jié) 遙測(cè)信息字說明

遙測(cè)i b7…b0 Bn+1字節(jié) 每個(gè)信息字傳送兩路遙測(cè)量；

b11…b0傳送一路模擬量，以二進(jìn)制碼表示。b11=0時(shí)為正數(shù)，b11=1時(shí)為負(fù)數(shù)，以2的補(bǔ)碼表示；

b14=l時(shí)表示溢出，b15=l時(shí)表示數(shù)據(jù)無效

b15…b8 Bn+2字節(jié)

遙測(cè)i+1 b7…b0 Bn+3字節(jié)

b15…b8 Bn+4字節(jié)

校驗(yàn)碼 Bn+5字節(jié)

2.傳輸規(guī)則

在CDT規(guī)約中，遠(yuǎn)動(dòng)信息按其重要性和實(shí)時(shí)性要求，分為五種不同的幀：A、B、C、D幀（D1幀與D2幀）和E幀。這些幀在循環(huán)時(shí)間上有不同的要求，重要的遙測(cè)幀安排在A幀傳送，循環(huán)時(shí)間不大于3s；次要遙測(cè)信息安排在B幀傳送，循環(huán)時(shí)間一般不大于6s；一般遙測(cè)信息安排在C幀傳送，循環(huán)時(shí)間一般不大于20s；遙信狀態(tài)信息，包括子站工作狀態(tài)信息，安排在D1幀定時(shí)傳送；電能脈沖計(jì)數(shù)值安排在D2幀定時(shí)傳送；SOE信息安排在E幀，以幀插入的方式傳送三遍。D1、D2幀傳送的是慢變化量，以幾分鐘至幾十分鐘的周期循環(huán)傳送。E幀傳送的是隨機(jī)量，同一個(gè)SOE信息應(yīng)分別在三個(gè)E幀內(nèi)重復(fù)傳送三次。

在滿足上述規(guī)定的循環(huán)時(shí)間的前提下，幀系列可以根據(jù)要求任意組織。對(duì)于A、B、C、D1、D2幀，可以按照要求的循環(huán)時(shí)間，固定各幀的排列順序循環(huán)傳送。在E幀需要傳送時(shí)，可以用幀插入方式將E幀插入到原來的幀系列中，取代原有的某一幀傳送。一種常用的A2幀系列傳送順序如圖5所示。

3.報(bào)文分析

某報(bào)文：

EB 90 EB 90 EB 90 71 61 12 01 64 2D

00 E5 03 E7 03 49 01 E7 03 00 00 26

02 C1 06 00 00 FA 03 00 00 00 00 59

04 00 00 00 00 70 05 A9 06 00 00 36

06 97 00 98 00 C9 07 95 00 00 00 CE

08 6F 0F CD 0F 0F 09 B7 09 87 00 99

0A 84 00 85 00 BC 0B 00 00 D2 0F FD

0C F8 0F 6C 09 AB 0D 00 00 00 00 0B

0E 00 00 00 00 AD 0F 00 00 CB 06 A7

10 FE 0F 5D 03 A1 11 53 03 4B 03 11

報(bào)文分析：在此報(bào)文中，三組EB90為同步字（圖1）。70 61 12 01 64 2D為控制字（圖2），其中，71表示控制字節(jié)；由幀類別代碼61（表2）可知，該幀為重要遙測(cè)信息幀（A幀）；由信息字?jǐn)?shù)12可知該報(bào)文共18個(gè)信息字；信息字來自于源站址01，表示RTU站號(hào)為01，且信息字傳送到代碼為100（64H）的設(shè)備；2D為校驗(yàn)碼。

在第一個(gè)信息字00 E5 03 E7 03 49中，根據(jù)信息字格式，00為功能碼，根據(jù)00的功能碼定義（表3），該信息為遙測(cè)信息1、2。遙測(cè)1原碼值為3E5H，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為997；遙測(cè)2原碼值為3E7H，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為999（表4）。49為校驗(yàn)碼。

三、結(jié)論

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約種類繁多，新老并存的問題，從歷史和技術(shù)的角度梳理了現(xiàn)有各類通信規(guī)約的體系結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，提取各類規(guī)約的共性，按照“幀結(jié)構(gòu)”和“傳輸規(guī)則”兩條主線學(xué)習(xí)具有代表性的遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約，最后通過報(bào)文解讀鞏固所學(xué)內(nèi)容。近年來的教學(xué)實(shí)踐表明，該教學(xué)思路和方法對(duì)學(xué)生快速、扎實(shí)地掌握各類通信規(guī)約具有十分積極的作用。

（責(zé)任編輯：王意琴）