基于104調(diào)度通訊的水電站綜合自動化系統(tǒng)的應(yīng)用研究

楊義

[摘 ? ?要]為了實(shí)現(xiàn)水電站“少人值班”的目標(biāo)，通信的實(shí)時(shí)性和可靠性非常重要。從水電站綜合自動化系統(tǒng)的概念和功能出發(fā)，介紹了IEC60870-5-104協(xié)議（以下簡稱“104協(xié)議”）、典型特點(diǎn)和通信過程。根據(jù)水電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用討論104協(xié)議通信模式和方案，并對其應(yīng)用在過程中存在的問題和困難分析及其在未來調(diào)度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行討論。

[關(guān)鍵詞]104協(xié)議;水電站;網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?少人值守;IEC60870-5-104

[中圖分類號]TV736 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）05–000–03

Application Research of Hydropower Station Integrated Automation System

Based on 104 Dispatching Communication

Yang Yi

[Abstract]In order to achieve the goal of "fewer people on duty"， the real-time and reliability of communication are very important.Based on the concept and function of integrated automation system of hydropower station， this paper introduces IEC60870-5-104 protocol （hereinafter referred to as "104 Protocol"）， typical characteristics and communication process.According to the application of integrated automatic monitoring system in hydropower station， the communication mode and scheme of 104 protocol are discussed， and the problems and difficulties in its application are analyzed， and its application in future dispatching control system is discussed.

[Keywords]104 protocol; hydropower station; network topology; unattended; IEC60870-5-104

在我國工業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大、技術(shù)水平持續(xù)提升的勢頭下，我國電力生產(chǎn)企業(yè)的自動化水平也在穩(wěn)步提高。隨之而來的是對水電站“少人值守”的要求。為此融入自動化控制技術(shù)，并考慮到控制的高效性和節(jié)能性，建立與水電站集中調(diào)度系統(tǒng)，簡稱綜合自動化系統(tǒng)。其中該系統(tǒng)通信通道的構(gòu)建和通信的速度要求都比較高。而且器還要作為數(shù)據(jù)交互的高速保證。

1 ?系統(tǒng)要求與規(guī)約

1.1 ?要求

IEC 60870-5-101協(xié)議和IEC 60870-5-104協(xié)議中的水電站調(diào)度通信。通信調(diào)度關(guān)系到電力系統(tǒng)在應(yīng)對電力強(qiáng)勁需求是的有效應(yīng)對能力。對此，在開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須在考慮電網(wǎng)負(fù)載能力的同時(shí)，對電力生產(chǎn)過程中的功率、電壓等數(shù)據(jù)開展遠(yuǎn)程采集，并對系統(tǒng)的通道通斷進(jìn)行有效地設(shè)置。集中控制通信是為了實(shí)現(xiàn)水電站“少人值班”的目標(biāo)，需要集中調(diào)度管理所有水電站，設(shè)備數(shù)據(jù)收集、處理，安全運(yùn)行監(jiān)控、調(diào)度，上級指令調(diào)度和傳達(dá)，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)控、調(diào)度、控制和管理就變得非常重要。

1.2 ?規(guī)約選擇

IEC 60870-5-104是IEC制定的電力系統(tǒng)和通訊渠道標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，能夠有效保障數(shù)據(jù)交互的可靠性和準(zhǔn)確性。一般其由頂層的應(yīng)用層到中間的傳輸、網(wǎng)絡(luò)、鏈路層，最后以物理層為基礎(chǔ)。代碼結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 ?系統(tǒng)框架

104協(xié)議在繼承之前通訊方式的基礎(chǔ)上，更具兼容能力和開放特征。其在多年的研發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的發(fā)展之后，已經(jīng)成為通訊渠道中應(yīng)用廣泛的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，適用于變配電自動化系統(tǒng)，并具有易于IEC-61850規(guī)范。因此，本文在開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)綜合考慮系統(tǒng)的要求，以該協(xié)議作為通訊標(biāo)準(zhǔn)。

圖2為目前常見的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中圖（a）所示為兩端交互模式，簡稱為C/S，其由兩層構(gòu)成，首層的客戶端用以人機(jī)交互，著重用以數(shù)據(jù)顯示和接口邏輯處理，而第二層的服務(wù)器端主要用以完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)庫的建立。

在該模式下，客戶端在完成顯示的同時(shí)也兼顧基本數(shù)據(jù)分析和邏輯處理的任務(wù)。其也因此在系統(tǒng)構(gòu)建的過程中表現(xiàn)出了容易構(gòu)建豐富圖形界面、操作性強(qiáng)、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。然而，C/S架構(gòu)的應(yīng)用范圍非常狹窄，維護(hù)成本非常高。

而圖（b）所示的客戶、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫中又存在這這三類邏輯，其中首層的主要作用在于人機(jī)交互，對于服務(wù)器而言就是在顯示其具體功能。第三層則主要在客戶信息處理的過程中發(fā)揮著主要作用，該模式下客戶可以通過瀏覽器直接訪問數(shù)據(jù)層信息。也正因此，在采用該模式的系統(tǒng)中能夠滿足多個(gè)用戶同時(shí)訪問的需求，交互性明顯，同時(shí)在后期發(fā)展過程便于通過服務(wù)器的升級實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的提升。

3 ?系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)

3.1 ?通訊設(shè)置

水電站綜合自動化系統(tǒng)調(diào)試以滿足自動化系統(tǒng)綜合試驗(yàn)要求為起點(diǎn)，完成對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制試驗(yàn)、遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、報(bào)文解析等功能。

遠(yuǎn)程控制規(guī)范60870-5-104（以下簡稱IEC 104規(guī)約）中調(diào)度自動化系統(tǒng)和變電站自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的規(guī)定。該規(guī)則因其靈活、簡單、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

物理要求：RJ45或光纖接口，IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。

傳輸層要求：傳輸規(guī)則，端口號（2404）。在連接過程中，使用TCP的定位授權(quán)，被控的地址站應(yīng)被拒絕，啟動/停止傳動機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，發(fā)送序列號，接收申請序列號，超時(shí)判斷。

應(yīng)用層要求，ASDU格式，初始化過程，獲取數(shù)據(jù)的查詢方法，收購事件過程，站調(diào)用程序，拖延采購過程，時(shí)鐘同步的過程。

3.2 ?104規(guī)約報(bào)文

協(xié)議繼承了IEC101消息格式，其完整的協(xié)議包含對應(yīng)的數(shù)據(jù)單元和信息代碼所控制產(chǎn)生的完整消息，具體由圖3表示。其啟動字符是十進(jìn)制表示的104作為消息的起點(diǎn)，而第二字節(jié)所對應(yīng)的APDU的長度，其可變，可以是4個(gè)8位的，在應(yīng)用服務(wù)和ASDU IEC101由信息單元的定義。

該協(xié)議定義了三種幀格式：I幀、U幀和S幀。這里要監(jiān)視計(jì)算機(jī)軟件保護(hù)I格式信息，例如通過監(jiān)視計(jì)算機(jī)軟件的過程來可靠地接收一條信息。監(jiān)控電腦軟件保護(hù)接收到U后開始發(fā)送報(bào)文格式，應(yīng)先發(fā)出指令報(bào)文，然后開始發(fā)送位移和定期掃描信息，將信息作為I格式報(bào)文。

該系統(tǒng)中會確認(rèn)消息收到，這樣的做法有效提高信息傳輸?shù)目煽啃?，可以避免?shù)據(jù)的重復(fù)傳輸?shù)痊F(xiàn)象。而系統(tǒng)的保護(hù)裝置是每次發(fā)送一個(gè)I格式報(bào)文，發(fā)送序列號應(yīng)為+ 1，監(jiān)控接收到的每一個(gè)計(jì)算機(jī)軟件的序列號應(yīng)為其接收報(bào)文的序列號格式，其接收后的序列號應(yīng)為+ 1。監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)該確定發(fā)送格式消息等于它的接收序列號，如果接收一條消息的格式。如果應(yīng)該等于接收序列號加1，如果發(fā)送的消息的格式序列號小于它的接收序列號，顯示信號重復(fù)傳輸，為此系統(tǒng)設(shè)置t1和t3表示傳輸超時(shí)。當(dāng)I格式和U格式的消失在t1所對應(yīng)的時(shí)間內(nèi)未被確認(rèn)，系統(tǒng)就會自動關(guān)閉當(dāng)前的TCP連接，并重新再開一個(gè)。監(jiān)控尚未收到新電腦軟件t3幀以上，并已設(shè)置接收幀進(jìn)行確認(rèn)。此時(shí)，系統(tǒng)會再次以U格式的信息進(jìn)行測試檢測當(dāng)前通道的通訊狀態(tài)。

4 ?工程實(shí)踐

IEC104通信模塊按照相關(guān)規(guī)定，代碼系統(tǒng)軟件采用client/server結(jié)構(gòu)，其中服務(wù)器用于采集、上傳數(shù)據(jù)，客戶端用于實(shí)時(shí)顯示設(shè)備數(shù)據(jù)運(yùn)行情況?？蛻舳撕头?wù)器端通信使用IEC104規(guī)約。本文將監(jiān)控軟件的通信模塊放在一個(gè)類中，對其他模塊進(jìn)行調(diào)用。

建立監(jiān)控主機(jī)的通信連接或重啟后，客戶端必須請求服務(wù)器建立連接，建立連接時(shí)使用以下四種計(jì)時(shí)器：其中，to表示服務(wù)端開始連接的時(shí)間。當(dāng)超過設(shè)定的時(shí)間時(shí)，如果沒有104的連接狀態(tài)，則表明服務(wù)器活動脫離等待狀態(tài)。3A服務(wù)器發(fā)送U幀到測試幀，等待客戶端發(fā)送測試響應(yīng)幀。如果定時(shí)器T1超時(shí)，即客戶端沒有響應(yīng)，服務(wù)器將關(guān)閉TCP連接。3A服務(wù)器將突變原因發(fā)送給客戶端發(fā)送信息或激活原因，以便在總調(diào)用或功率等級后將調(diào)用發(fā)送給客戶端，等待客戶端發(fā)送S幀。如果T2超時(shí)，服務(wù)器將關(guān)閉TCP連接。當(dāng)服務(wù)器和交互端間沒有發(fā)生實(shí)質(zhì)的交互時(shí)。兩端發(fā)送給U的最大間隔時(shí)間幀為測試幀。此外，定時(shí)器的值在1-255 - s范圍內(nèi)，精度為1 s。表1顯示了四種類型的計(jì)時(shí)器超時(shí)一般默認(rèn)值如圖4所示。

啟動

發(fā)送數(shù)據(jù)：

68 04 07 00 00 00

（對這條報(bào)文做個(gè)分析;起始字節(jié)=68 數(shù)據(jù)單元長度（APDU）=4 U格式幀 STARTDT：ACT=1 CON=0 STOPDT：ACT=0 CON=0 TESTFR： ACT=0 CON=0）

接收數(shù)據(jù)：

68 04 0b 00 00 00

（這條報(bào)文分析：起始字節(jié)=68 數(shù)據(jù)單元長度（APDU）=4 U格式幀 STARTDT：ACT=0 CON=1 STOPDT：ACT=0 CON=0 TESTFR： ACT=0 CON=0

鏈路連接完成，上面兩條報(bào)文是：啟動命令，啟動確認(rèn)04，07）

開始測試過程：

發(fā)送數(shù)據(jù)：

68 04 43 00 00 00

（起始字節(jié)=68 數(shù)據(jù)單元長度（APDU）=4 U格式幀 STARTDT：ACT=0 CON=0 STOPDT：ACT=0 CON=0 TESTFR： ACT= CON=0）

接收數(shù)據(jù)：

68 04 83 00 00 00

（起始字節(jié)=68 數(shù)據(jù)單元長度（APDU）=4 U格式幀 STARTDT：ACT=0 CON=0 STOPDT：ACT=0 CON=0 TESTFR： ACT=0 CON=143，83，是測試命令和 測試確認(rèn)）

發(fā)送數(shù)據(jù)：

68 04 43 00 00 00

接收數(shù)據(jù)：

68 04 83 00 00 00

發(fā)送數(shù)據(jù)：

68 04 43 00 00 00

接收數(shù)據(jù)：

68 04 83 00 00 00

5 ?結(jié)語

盡管104協(xié)議通信系統(tǒng)基于綜合自動化調(diào)試水電站尚未完全普及應(yīng)用，但它可以對滿足需求的主站通訊調(diào)度系統(tǒng)，遠(yuǎn)程通信調(diào)度進(jìn)行綜合自動化控制，其功能投入運(yùn)行后，可以從運(yùn)營的角度進(jìn)一步精簡運(yùn)維人員，節(jié)能增效，降低企業(yè)的運(yùn)營成本，使企業(yè)向其它產(chǎn)業(yè)進(jìn)行業(yè)務(wù)拓展，使企業(yè)的長期穩(wěn)定運(yùn)營意義深遠(yuǎn)。

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