“变电站综合自动化”课程中的通信规约教学的

本文选自《中国电力教育》2014年第15期，版权归原作者和期刊所有。作者简介：孙抗（1982-），男，江苏徐州人，河南理工大学电气学院，讲师；王玉梅（1963-），女，河南辉县人，河南理工大学电气学院，教授。（河南 焦作 454000）
　　中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）15-0046-02
　　变电站综合自动化系统实质上是由一系列基于微电子技术的智能电子装置IED（Intelligent Electronic Device）和后台控制系统所组成的变电站运行控制系统，包括监控、保护、电能质量自动控制等多个子系统。为了实现各子系统内部、子系统之间以及远动终端与主站之间的信息交换和信息共享，有效配置和优化二次设备，高效、可靠、灵活的数据通信必不可少。为此，需要在发送端和接收端之间规定了一系列约定和顺序，统称为通信规约。在各类“变电站综合自动化”教材及课程中，通信规约部分一直都是要求学生重点掌握的重要知识点。同时，由于历史和技术上的原因，现有系统中新老规约并存，且种类繁多、内容各异，给教师课堂教学和学生学习掌握带来了一定的难度。结合近年来的教学实践，本文抛砖引玉，对该部分的教学做简单探讨。
　　一、电力远动规约体系简介
　　国内外远动规约种类繁多，功能各异，这常常给初学者带来困惑，因此有必要在初始授课阶段就引入远动规约的发展脉络，讲清楚远动规约发展的来龙去脉，方便学生整体把握，也有利于突出重点。目前，在电网监控系统中，国内主要采用两类通信规约：循环式数据传送（Cyclic Digital Transmission）规约，简称CDT规约；问答式（Polling）传送规约，简称POLLING规约。
　　CDT规约采用时间早，使用最广泛，我国在1991年即颁布了DL451-199l循环式远动规约。该规约一般采用标准的计算机串行口进行数据传输，采用同步传输、循环发送数据的方式。其特点是接口简单，传输方便，因而得到了广泛的应用。但由于该协议传输信息量少（仅能传输256路遥测、512路遥信、64路遥脉，即64路脉冲计数值），且不能传输全部保护信息，因此难以适应现代变电站自动化技术的要求。
　　由于CDT规约固有的缺点，我国开始引入了Polling规约，即IEC60870-5系列规约。IEC60870-5系列通信协议体第一论文网专业提供论文写作和写作论文的服务，欢迎光临系是国际电工委员会第57技术委员会第3工作组（IEC TC57 WG03）用了多年时间制订的一套用于变电站远动通信的协议体系。与传统的远动通信协议不同，IEC60870-5系列通信协议体系借鉴了网络通信协议的分层技术，将协议分为链路层和应用层：链路层由IEC60870-5-1和IEC60870-5-2描述；应用层的基础部分由IEC60870-5-3、IEC60870-5-4和IEC60870-5-5描述。根据应用领域的不同，IEC自1995年起相继推出了一系列IEC60870-5配套标准，如基本远动任务的配套标准、电能脉冲计数量配套标准、继电保护设备信息接口配套标准等。我国决定等效采用IEC体系的信息传输规约，并陆续颁布了基于IEC标准相关配套标准，如表1所示。
　　表1 IEC60870-5系列规约的配套标准及我国对应的行业标准
　　IEC60870-5配套标准 我国对应的电力行业标准 名称和作用 应用场合
　　IEC60870-5-101 DL/T634-1997
　　DL/T634.5101-2002 基本远动任务配套标准 变电站和调度中心间
　　IEC60870-5-102 DL/T719-2000 电能累计量传输配套标准 变电站和调度中心间
　　IEC60870-5-103 DL/T667-1999 继电保护设备信息接口配套标准 变电站内IED与监控主机间
　　IEC60870-5-104 DL/T634.5104-2002 网络传输协议，将IEC 60870-5-101的应用层与TCP/IP的传输功能相结合 变电站和调度中心间
　　由于IEC60870系列规约制定的周期过长（超过十年），当IEC标准的数据链路帧格式和链路传输过程部分发布时，许多厂家在应用层标准未发布情况下纷纷推出各自的远动规约。其中GE-Harris公司的DNP3.0（Distributed Network Protocol）占据电力系统自动化产品市场的主流地位，在美国等西方国家有广泛的应用，在我国的应用范围也十分广阔。DNP3.0是开放式协议，既可以用于SCADA系统，也可应用于分布式自动化系统。因此，它既可以作为馈线终端单元FTU与配网主站之间的规约，又可作为RTU与调度主站之间的规约。作为事实标准，DNP和国际标准IEC的主导地位将持续相当长一段时间。
　　随着通信和计算机技术的高速发展，用户对变电站自动化系统的要求也水涨船高。系统在实现控制、监视和保护功能的同时，为了实现不同厂家的设备达到信息共享，使变电站自动化系统成为开放系统，还应具有互操作性。为方便变电站中各种IED的管理以及设备间的互联，就需要一种通用的通信方式来实现。IEC 61850提出了一种公共的通信标准，通过对设备的一系列规范化，使其形成一个规范的输出，实现系统的无缝连接。IEC 61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，它是由国际电工委员会第57技术委员会（IECTC57）的3个工作组10、11、12（WGl0/11/12）负责制定的。变电站通信体系IEC 61850将变电站通信体系分为变电站层、间隔层、过程层3层。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范（MMS）、传输控制协议/网际协议（TCP/IP）以太网或光纤网。在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。变电站内的智能电子设备（IED）均采用统一的协议，通过网络进行信息交换。我国与之配套的标准是DL/T860。
　二、典型远动规约分析
　　受课时所限，课堂上不可能讲授所有类型规约，可选择一种或两种非常典型的且已在我国得到广泛应用的远动规约进行讲解。为了方便学生理解，根据各种规约的共性，制订了“帧结构+传输规则”两步学习法，以便学生快速掌握并能轻松举一反三。下面以DL451-199l循环式远动规约为例进行说明。
　　部颁CDT规约DL451-1991规定了电网数据采集与监控系统中循环式远动规约的功能、帧结构、信息字结构和传输规则，适用于点到点的通信结构。它以厂站端为主动源，厂站端循环地向控制中心发送预先约定的一系列数据帧，控制中心只是接收并处理这些数据。CDT规约可以保证控制中心时刻监视厂站端的重要遥测量和开关状态，当传送中偶尔发生错误时，可以在以后的循环中 得到纠正，要求的可靠性级别较低。
　　1.帧结构
　　在主站和RTU之间主要传送如下信息：遥测、遥信、事件顺序记录、电能脉冲计数值、遥控命令、设定命令、升第一论文网专业提供论文写作和写作论文的服务，欢迎光临降命令、对时命令、广播命令、复归命令、子站工作状态等。规约以帧为单位组织数据，每帧都以同步字开头，并有控制字及信息字。信息字的数量可按实际需要设定，因此帧的长度是可变的，帧结构如图1所示。
　　同步字 控制字 信息字1 …… 信息字n
　　图1 CDT规约帧结构
　　每个字均由6个字节构成，除同步字外，控制字和信息字的最后一个字节均为8位CRC校验码。同步字为连续的3组EB90H，控制字是对本帧的信息说明，共有B7～B12六个字节，其结构如图2所示。
　　控制字节 B7
　　帧类别 B8
　　信息字数 B9
　　源站址 B10
　　目的站址 B11
　　校验码 B12
　　图2 控制字结构
　　其中，控制字节结构如图3所示，含4位有效位，扩展位E=0时，使用规约已定义的帧类别；E=1时帧类别可自行定义以扩展功能。帧长位L=0时，表示本帧信息字数为0，即没有信息字；L=1时表示本帧有信息字，而信息字个数由控制字中的信息字数（B9）定义。S和D分别表示源站址定义位和目的站址定义位，两者在上行信息和下行信息中均有不同含义。在上行信息中，S=1表示控制字中源站址有内容，源站址字节内容即代表信息始发站的站号，即子站站号；D=1表示控制字中目的站址有内容，目的站址字节内容即主站站号。在下行信息中，S=1表示源站址字节有内容，源站址字节内容即为主站站号；D=1表示目的站址有内容，目的站址字节内容为信息到达站的站号；D=0表示目的站址字节内容为0xFF，即代表广播命令，所有子站同时接收并执行此命令。在上行或下行信息中，若S=D=0，则表示源站址和目的站址无意义。
　　E L S D 0 0 0 1
　　图3 控制字节结构
　　规约定义的部分重要帧类别及代号如表2所示。
　　表2 部分帧类别及其代号
　　帧类别代号 定义
　　上行E=0 下行E=0
　　61H 重要遥测（A帧） 遥控选择
　　C2H 次要遥测（B帧） 遥控执行
　　B3H 一般遥测（C帧） 遥控撤销
　　F4H 遥第一论文网专业提供论文写作和写作论文的服务，欢迎光临信状态（D1帧） 升降选择
　　85H 电能脉冲计数值（D2帧） 升降执行
　　26H 事件顺序记录（E帧） 升降撤销
　　信息字是承载远动信息的实体，每个信息字由Bn～Bn+5六个字节构成：功能码一个字节，信息数据码四个字节，CRC校验码一个字节，其通用格式如图4所示。
　　功能码有256个（0x00～0x FF），分别代表信息的不同用途，部分重要功能码分配表如表3所示。
　　表3 部分功能码分配表
　　功能码代号 字数 用途 信息位数 容量
　　00H～7FH 128 遥测 16 256
　　80H～81H 2 事件顺序记录 64 4096
　　A0H～DFH 64 电能脉冲计数值 32 64
　　E0H 1 遥控选择 32 256
　　E1H 1 遥控反校 32 256
　　E2H 1 遥控执行 32 256
　　E3H 1 遥控撤销 32 256
　　EDH 1 设置时钟校正值 32 1
　　EEH～EFH 2 设置时钟 64 1
　　F0H～FFH 16 遥信 32 512
　　CDT规约中定义了遥测信息字、遥信信息字、时间顺序记录（SOE）信息字和遥控命令信息字等，本文仅以遥测信息字对规约信息字进行说明，如表4所示。
　　表4 遥测信息字格式
　　功能码（00H～7FH） Bn字节 遥测信息字说明
　　遥测i b7…b0 Bn+1字节 每个信息字传送两路遥测量；
　　b11…b0传送一路模拟量，以二进制码表示。b11=0时为正数，b11=1时为负数，以2的补码表示；
　　b14=l时表示溢出，b15=l时表示数据无效
　　b15…b8 Bn+2字节
　　遥测i+1 b7…b0 Bn+3字节
　　b15…b8 Bn+4字节
　　校验码 Bn+5字节
　　2.传输规则
　　在CDT规约中，远动信息按其重要性和实时性要求，分为五种不同的帧：A、B、C、D帧（D1帧与D2帧）和E帧。这些帧在循环时间上有不同的要求，重要的遥测帧安排在A帧传送，循环时间不大于3s；次要遥测信息第一论文网专业提供论文写作和写作论文的服务，欢迎光临安排在B帧传送，循环时间一般不大于6s；一般遥测信息安排在C帧传送，循环时间一般不大于20s；遥信状态信息，包括子站工作状态信息，安排在D1帧定时传送；电能脉冲计数值安排在D2帧定时传送；SOE信息安排在E帧，以帧插入的方式传送三遍。D1、D2帧传送的是慢变化量，以几分钟至几十分钟的周期循环传送。E帧传送的是随机量，同一个SOE信息应分别在三个E帧内重复传送三次。
在满足上述规定的循环时间的前提下，帧系列可以根据要求任意组织。对于A、B、C、D1、D2帧，可以按照要求的循环时间，固定各帧的排列顺序循环传送。在E帧需要传送时，可以用帧插入方式将E帧插入到原来的帧系列中，取代原有的某一帧传送。一种常用的A2帧系列传送顺序如图5所示。
　　3.报文分析
　　某报文：
　　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
　　报文分析：在此报文中，三组EB90为同步字（图1）。70 61 12 01 64 2D为控制字（图2），其中，71表示控制字节；由帧类别代码61（表2）可知，该帧为重要遥测信息帧（A帧）；由信息字数12可知该报文共18个信息字；信息字来自于源站址01，表示RTU站号为01，且信息字传送到代码为100（64H）的设备；2D为校验第一论文网专业提供论文写作和写作论文的服务，欢迎光临码。
　　在第一个信息字00 E5 03 E7 03 49中，根据信息字格式，00为功能码，根据00的功能码定义（表3），该信息为遥测信息1、2。遥测1原码值为3E5H，对应的十进制数为997；遥测2原码值为3E7H，对应的十进制数为999（表4）。49为校验码。
　　三、结论
　　针对目前国内外远动规约种类繁多，新老并存的问题，从历史和技术的角度梳理了现有各类通信规约的体系结构。在此基础上，提取各类规约的共性，按照“帧结构”和“传输规则”两条主线学习具有代表性的远动规约，最后通过报文解读巩固所学内容。近年来的教学实践表明，该教学思路和方法对学生快速、扎实地掌握各类通信规约具有十分积极的作用。