變電站自動(dòng)化系統(tǒng)IEC608705103和IEC608705104協(xié)議的分析和實(shí)施

1、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)IEC60870-5-103和IEC60870-5-104協(xié)議的分析和實(shí)施徐立子中國(guó)電力科學(xué)研究院,北京100085摘要：闡述了國(guó)際電工委員會(huì)IEC制定的用于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC608705101、IEC60870-5-104和IEC608705103.我國(guó)行標(biāo)DL/T667-1999分析了這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)所提出的要求和實(shí)現(xiàn).關(guān)鍵詞：變電站自動(dòng)化系統(tǒng)；傳輸規(guī)約；智能電子設(shè)備；RS485總線；光纖傳輸系統(tǒng)；以太網(wǎng)1IEC60870-5-103標(biāo)準(zhǔn)1.1為互換性和互操作性對(duì)物理層的標(biāo)準(zhǔn)要求IEC608705103標(biāo)準(zhǔn)為繼電保護(hù)設(shè)備智能電子設(shè)備IED或間隔單元信

2、息接口配套標(biāo)準(zhǔn).此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中物理層應(yīng)采用光纖傳輸系統(tǒng)和/或RS485總線系統(tǒng).1光纖傳輸系統(tǒng)為了提升抗電磁干擾水平和傳輸距離,應(yīng)采用光纖傳輸系統(tǒng),繼電保護(hù)設(shè)備或間隔單元或IEDs的接口必須是光纖連接器.光纖連接器應(yīng)為：BFOC/2.5IEC6087410說(shuō)明或F-SMAIEC60874-2說(shuō)明.對(duì)玻璃光纖：漸變型gradedindex,纖芯直徑和包層直徑分別為62.5和125,光波長(zhǎng)為820860nm,傳輸功率最小為16dBm,最小接收功率最小為24dBm,系統(tǒng)儲(chǔ)藏最小為+3dBm,典型距離為1000m,溫度范圍為5+55C.對(duì)塑料光纖：階躍型stepindex,纖芯直徑和

3、包層直徑分別為980和1000wm,光波長(zhǎng)為660nm,傳輸功率最小為一7dBm,最小接收功率最小為20dBm,系統(tǒng)儲(chǔ)藏最小為+3dBm,典型距離為40m,溫度范圍為5+55C.2日ARS485接口作為上述光纖傳輸?shù)囊环N變通,在限制系統(tǒng)和繼電保護(hù)設(shè)備或間隔單元之間可以采用基于雙絞線的傳輸系統(tǒng).此種傳輸系統(tǒng)應(yīng)符合日ARS485標(biāo)準(zhǔn).1999年10月國(guó)際電工委員會(huì)IEC在日本京都召開的第63屆年會(huì)上,將RS485總線和/或光纖傳輸系統(tǒng)定為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)SAS中和智能電子設(shè)備IED及變電站三層變電站層、間隔層/單元層、過(guò)程層間通信總線網(wǎng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),并將其它現(xiàn)場(chǎng)總線排斥在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之外.3傳輸速率為9

4、600bit/s或19200bit/s1.2日ARS485總線網(wǎng)技術(shù)性能EIARS485總線是世界上廣泛使用的用于雙向和平衡傳輸?shù)碾姎饨涌谕ㄐ艠?biāo)準(zhǔn).此標(biāo)準(zhǔn)是工業(yè)多站系統(tǒng)需要的,為長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)而開發(fā)的總線網(wǎng)絡(luò).它抗干擾水平強(qiáng),數(shù)據(jù)傳輸速率快,價(jià)格低廉,維護(hù)本錢低,能實(shí)現(xiàn)多站、遠(yuǎn)距離通信.目前已廣泛用于工業(yè)限制系統(tǒng).(1)抗干擾水平強(qiáng).RS485總線是采用差分平衡電氣接口,RS485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收,因此具有抑制共模干擾和電磁干擾的水平.RS485總線采用雙絞線作為傳輸線,對(duì)電磁感應(yīng)噪聲亦有較強(qiáng)的抑制水平.假設(shè)采用屏蔽雙絞線,那么還具有較強(qiáng)的抑制由靜電感應(yīng)引起的噪聲的水平.(2)傳輸

5、線采用雙絞線.在差分平衡系統(tǒng)中,一般用雙絞線作為信號(hào)傳輸線.由于雙絞線在長(zhǎng)度、方向上完全對(duì)稱,因而它們所受的外界干擾程度也完全相同.干擾信號(hào)以共模方式出現(xiàn).在接收器的輸入端由于共模干擾受到抑制,所以能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可靠傳送.(3)傳輸距離遠(yuǎn).RS485收發(fā)器具有高的靈敏度,能檢測(cè)低到200mV的電壓,故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù).所以使用RS485總線,通信距離可達(dá)1200m.(4)能連接32個(gè)單元設(shè)備.根據(jù)RS485標(biāo)準(zhǔn),每個(gè)單元收發(fā)器的輸入阻抗大于等于12kQ(稱為單位負(fù)荷),總線上最多能連接32個(gè)收發(fā)器.如果希望單元數(shù)多于32個(gè),那么應(yīng)選用輸入阻抗更高的單元收發(fā)器.(5)數(shù)據(jù)傳輸率.RS4

6、85的通信距離主要受到傳輸線的歐姆阻抗、集膚效應(yīng)等損耗引起的信號(hào)畸變的制約.由于損耗與頻率有關(guān),因而通信距離與數(shù)據(jù)傳輸率有關(guān).最高數(shù)據(jù)傳輸率為10Mb/s.在此速率下,傳輸距離為10m.假設(shè)數(shù)據(jù)傳輸率在105b/s以下,傳輸距離那么可達(dá)1200m.可見,通信距離隨著數(shù)據(jù)傳輸率的降低而增加.1.3編制IEC60870-5-103協(xié)議要求(1) IEC60870-5-103標(biāo)準(zhǔn)未必一定適用于將繼電保護(hù)和測(cè)量限制功能電路組合在同一個(gè)裝置內(nèi)并共用一通信口的設(shè)備.(2) 2種信息交換方法.兼容范圍.嚴(yán)格規(guī)定應(yīng)用效勞數(shù)據(jù)單元(ASDUs)和為傳輸標(biāo)準(zhǔn)化報(bào)文的應(yīng)用過(guò)程.通用分類效勞(genericservi

7、ce)o采用各間隔層單元自我描述和自我定義的方法對(duì)要求傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行定義.它具有傳送任何類型數(shù)據(jù)的水平.數(shù)據(jù)可通過(guò)通用分類效勞按同一種方式進(jìn)行訪問.所有數(shù)據(jù)可在所有設(shè)備上按相同方法構(gòu)成,這樣就解決了各廠家所要傳輸信息無(wú)法統(tǒng)一的矛盾.這使新技術(shù)不受限制,提升了開放的可能性.因此,必須按兼容范圍和通用分類效勞進(jìn)行協(xié)議編制,才能保證互換性和互操作性,預(yù)防大量的規(guī)約轉(zhuǎn)換工作.而絕不能采用專用范圍.2IEC60870-5-101與IEC6087035n10標(biāo)準(zhǔn)2.1變電站自動(dòng)化系統(tǒng)與調(diào)度主站的通信我國(guó)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)與調(diào)度主站的通信,都是通過(guò)專用遠(yuǎn)動(dòng)通道實(shí)現(xiàn)的.通信規(guī)約應(yīng)采用國(guó)際電工委員會(huì)IEC于199

8、5年發(fā)布的IEC60870-5-101我國(guó)行標(biāo)DL/T6341997標(biāo)準(zhǔn).此標(biāo)準(zhǔn)在我國(guó)已普遍使用.歐美一些國(guó)家調(diào)度主站與變電站RTU的通信已逐步采用以太數(shù)據(jù)網(wǎng).為此,國(guó)際電工委員會(huì)IEC第57技術(shù)委員會(huì)TC57的第3工作組WG03于1998年8月制定了IEC608705104標(biāo)準(zhǔn)CDV.2000年意大利國(guó)家電力公司ENEL新建的能量治理系統(tǒng)EMS與3個(gè)區(qū)調(diào)和245個(gè)變電站之間就是通過(guò)IEC60870-5-104標(biāo)準(zhǔn)在專用以太數(shù)據(jù)網(wǎng)上進(jìn)行通信的.IEC608705104協(xié)議的名稱為用標(biāo)準(zhǔn)傳送文件集的IEC60870-5-101網(wǎng)絡(luò)訪問"networkaccessforIEC60870-

9、5-101usingstandardtransportpro-files.此協(xié)議是將IEC608705101標(biāo)準(zhǔn)用于TCP/IP網(wǎng)絡(luò).當(dāng)調(diào)度主站與變電站連接到以太數(shù)據(jù)網(wǎng),變電站RTU與調(diào)度主站通信時(shí),通信規(guī)約那么應(yīng)采用IEC60870-5104標(biāo)準(zhǔn).2.2IEC60870-5-104協(xié)議的實(shí)現(xiàn)IEC608705104協(xié)議在第1節(jié)范圍與目的中明確規(guī)定：本標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提出,將IEC60870-5-101的應(yīng)用層與TCP/IPTransmissionControlProtocol/InternetProtocol提供的傳輸功能相組合.在TCP/IP內(nèi)各種網(wǎng)絡(luò)類型都可使用,包括X.25、FRFrame

10、Relay、ATMAsynchronousTransferMode和ISDNIntegratedServiceDataNetwork.用同樣定義,其它IEC608705配套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的ASDUs都能同TCP/IP組合,但本標(biāo)準(zhǔn)未進(jìn)一步描述.IEC608705104協(xié)議的結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖2為TCP/IP規(guī)約組RFC2200的選用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu).在IEC608705101中未采用應(yīng)用規(guī)約限制信息APCI,因此,應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元APDU就等于應(yīng)用效勞數(shù)據(jù)單元ASDU.但在IEC608705104中應(yīng)用規(guī)約限制信息APCI給予了定義見圖1.應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元APDU就應(yīng)等于應(yīng)用規(guī)約限制信息APCI加上應(yīng)用效勞

11、數(shù)據(jù)單元ASDU.而應(yīng)用規(guī)約限制信息APCI中的限制域計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)那么按X.25建議的第.1節(jié)到第.5節(jié)定義.限制域定義了預(yù)防報(bào)文喪失和重復(fù)的限制信息,以及對(duì)報(bào)文的開始、停止和傳輸連接的監(jiān)視.駿胤IEC60870-5-I例來(lái)選制1EC的870%£的應(yīng)用功黛用戶過(guò)程:選自IEC6OB7C5.1峋庖用分?jǐn)?shù)元ASDU11陽(yáng)滋用從f第7層應(yīng)用規(guī)的限制信息,APcn陸口工用戶學(xué)TCPm:1口TCP/IP1HRFC北傳It后第1反同絡(luò)層曲3區(qū)廠!物用層?嘉1出1圖1IKC60盯0-S104的選用標(biāo)準(zhǔn)培帕FIr.】Mandirdprovisionsof1EC6D870-5-

12、IA4RFC7SS的Conirol傳原第1月RFC：791雨熱庭聯(lián)tnirmeiPtotwoll第3髭RIC散M情路H市RM慳兇的"產(chǎn)投支也以太冏.修希13EFZICPIF規(guī)約組MH匚口如I的選用標(biāo)承結(jié)構(gòu)Fid.2Selrrtrd*t內(nèi)prnu值iniivnftheTCP/IPprotOL'olnrKK22002 .3關(guān)于TCP/IP協(xié)議族TCP/IP協(xié)議transfercontrolprotocol/internetprotocol稱為傳輸限制/網(wǎng)際協(xié)議.它是網(wǎng)絡(luò)中使用的根本通信協(xié)議.雖然從名字上看TCP/IP包括2個(gè)協(xié)議,但TCP/IP實(shí)際上是一協(xié)議族,它包括上百個(gè)具有各

13、種功能的協(xié)議,如遠(yuǎn)程登錄、文件傳輸和電子郵件等,而TCP協(xié)議和IP協(xié)議是保證數(shù)據(jù)完整傳輸?shù)?個(gè)根本的重要協(xié)議.通常說(shuō)的TCP/IP是一Internet協(xié)議族,而不單單是TCP和IP.RFCRequestForComments直譯就是關(guān)于請(qǐng)求的注解,即Internet標(biāo)準(zhǔn)草案.RFC是關(guān)于因特網(wǎng)Internet和因特網(wǎng)前身Appanet的一些建議評(píng)論文件.當(dāng)每一份RFC得到足夠的支持時(shí),它就會(huì)轉(zhuǎn)為互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn),或是標(biāo)準(zhǔn)的一部份,或是草案.TCP/IP協(xié)議基于4層結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)接口層.TCP/IP協(xié)議族中包括上百個(gè)互為關(guān)聯(lián)的協(xié)議,不同功能的協(xié)議分布在不同的協(xié)議層中.例如：應(yīng)用層

14、有Telnet網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問協(xié)議、FTP遠(yuǎn)程文件傳輸協(xié)議、SMTP單電子郵件傳輸協(xié)議、HTTP超文本傳輸協(xié)議、POP3電子郵件接收協(xié)議、SNMP簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)治理協(xié)議和DNS域名效勞器等；傳輸層有UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議和TCPRFC793等；網(wǎng)絡(luò)層有IPRFC791、ICMP互聯(lián)網(wǎng)限制報(bào)文協(xié)議和ARP地址解析協(xié)議等；網(wǎng)絡(luò)接口層有Ethernet、FDDI光纖分布式數(shù)字接口、ATM異步傳輸模式、ISDN綜合效勞數(shù)據(jù)網(wǎng)、FR幀中繼、SDH同步數(shù)字體系、WDM波分復(fù)用和DWDM密集波分復(fù)用等.IEC608705104采用RFC793/RFC791即TCP/IP協(xié)議,即RFC791定義的IP協(xié)議interne

15、tprotocol以及RFC793定義的TCP協(xié)議transmissioncontrolprotocol.IP協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從一處傳往另一處.TCP負(fù)責(zé)限制數(shù)據(jù)流量,并保證傳輸?shù)恼_性.由于在最底層的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)提供的效勞是不可靠的分組傳送,所以當(dāng)傳送過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤以及在網(wǎng)絡(luò)硬件失效或網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷太重時(shí),數(shù)據(jù)包有可能喪失,數(shù)據(jù)有可能被破壞.TCP協(xié)議的目的是提供可靠的傳輸效勞.它具有5個(gè)特征：面向數(shù)據(jù)流、虛電路連接、有緩沖的傳送、無(wú)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流和全雙工連接.TCP協(xié)議激活連接需進(jìn)行3次握手過(guò)程：第1次握手報(bào)文段由碼位字段的標(biāo)志位SYN置1來(lái)識(shí)別；第2次握手時(shí)報(bào)文中碼位字段的標(biāo)志位SYN和ACK均

16、置1,說(shuō)明對(duì)第1個(gè)SYN報(bào)文段確實(shí)認(rèn),并繼續(xù)握手操作；第3次握手操作報(bào)文僅是一個(gè)確認(rèn)信息,用來(lái)通知目的主機(jī)雙方已建立連接.經(jīng)3次握手過(guò)程后就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了.連接可由任一方或雙方發(fā)起,一旦連接建立就可進(jìn)行雙向?qū)Φ鹊臄?shù)據(jù)流動(dòng),而沒有主從關(guān)系.3次握手協(xié)議是連接2端正確同步的充要條件.值得注意的是,由于TCP協(xié)議建立在不可靠的分組傳輸效勞之上,報(bào)文有可能喪失、延遲、重復(fù)和亂序,因此協(xié)議必須使用超時(shí)和重傳機(jī)構(gòu).這也是以太數(shù)據(jù)網(wǎng)難以進(jìn)行時(shí)間同步的原因所在.正由于如此,IEC608705-104協(xié)議在限制方向上的系統(tǒng)信息中未定義時(shí)鐘同步和測(cè)試命令.為此,假設(shè)變電站與調(diào)度中央用以太數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信時(shí),那么變電站自動(dòng)化系統(tǒng)必須安裝精確度高小于13的全球定位系統(tǒng)GPS,以滿足IEC618505對(duì)報(bào)文同步的要求：2,63 IEC60870-5-103在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的使用變電站內(nèi)假設(shè)采用以太局域網(wǎng)絡(luò)與IEDs間進(jìn)行通信時(shí)通信協(xié)議應(yīng)采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn).但國(guó)際電工委員會(huì)IEC至