IEC60870-5-104规约在配电自动化系统的应用与测试

陈 众 周鸿艳

（长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410076）

2009年5月，在特高压输电技术国际会议上，国家电网公司正式对外公布了“坚强智能电网”计划，标志着智能电网在中国正式启动[1]。2009年 6月在天津大学举办了“第一届智能电网研究学术论坛”，对中国智能电网的建设和发展进行了探讨[2]。其中，智能配电网具有新技术内容多、与传统电网区别大的特点，对于实现智能电网建设的整体目标有着举足轻重的作用[3]。

配电通信网是电力通信网的重要组成部分，一直以来由于缺乏适用的组网解决方案，成为电力通信网薄弱环节和制约智能电网在配用电侧应用的瓶颈[4]。在通信协议上，虽然国际标准IEC61850-80-1考虑到目前变电站与控制中心广泛使用IEC60870-5-101/104规约，提供了IEC61850与它们之间的信息交换导则。但在智能配电网一级的工作由于尚处于试点阶段，具有有别于输电系统的独特特性（例如通信单元数量巨大等），短期内IEC61850是不可能取代IEC60870-5。IEC61850和其它规约一样，肯定需要一个现场证明、改进、用户接受的过程。因此国内众多配电自动化终端生产厂家通常采用IEC60870-5-101/104规约进行通信。

本文结合长沙麓谷经济开发区配电自动化试点工程，在简要介绍其包括通信系统在内的体系结构后，根据现场对各生产厂家的配电终端单元的测试情况，整理了在实施中，对IEC60870-5-104规约相关的测试内容和测试方法，指出了目前普遍存在的一些问题，期待有助于今后进一步的工作开展。

1 配电自动化

配电自动化是智能配电网的重要组成部分，也是建设智能配电网的基础[5]。

配电自动化以一次网架和设备为基础，以配电自动化系统为核心，综合利用多种通信方式，通过与相关应用系统的信息集成，实现对配电系统的全面监测与控制[6]。

1.1 配电自动化系统结构

长沙麓谷经济开发区的配电自动化系统采用的是“主站+通信汇集型子站+配电终端”的三层结构（如图1所示）。自动化配电终端采用网络型配电终端，经过通信汇集型子站接入配电主站系统。

图1 配电自动化系统架构

配电主站，主要负责城区配网设备的运行监控和配电运行管理。

配电子站，主要负责所管辖区内配电终端设备各种信息数据的汇集与转发，向上与配电主站等各个系统进行计算机通信，向下与所管辖区内配电终端进行通信。

配电终端，主要负责对环网柜、柱上开关、配变、电缆故障指示器等一次设备的数据采集和控制，实现对一次设备的运行监控。

1.2 配电自动化通信系统

配电主站与配电子站之间的通信网络为通信主干网，配电子站到配电终端的通信网络为通信接入网（配电通信网）[7]。麓谷经济开发区通信主干网的建设已经得到长足的发展，并且以光纤主干网为主，而配电通信网基本空白。

智能配电网对通信信息量的实时性、可靠性提出了严格的要求，故通信方式应优先选择具有以太网技术和光纤技术的通信方式。结合长沙麓谷经济开发区的实际情况，采用了光纤通信（无源光网络EPON技术）为主，无线专网通信（无线 McWill技术）为辅的配电通信系统[8]。

1.3 通信中存在的问题

长沙麓谷经济开发区所采用的配电通信系统决定了配电终端的通信规约以IEC60870-5-104规约为主。

而配电网与输电网不同，为实现智能化配电网，系统需要安装大量的终端设备。为提高建设配电自动化系统的经济性，在建设阶段即考虑引入竞争，选用多个厂家的配电终端设备。这样除了可以降低投资成本，同时可以避免由于垄断造成的高维护费用。

但在选用多个厂家的配电终端设备时，由于104规约在配电网、光纤通信和无线专网通信中的应用尚不成熟，在通信规约方面存在：①各生产厂家规约版本不一致或者终端设备不能完全按照标准的过程进行通信；②不同的生产厂家在规约的认识理解上存在偏差[9]。所以配电网终端设备在 104规约的实现上存在不符合国家行业标准的情况，不同厂家的配电终端在通信上存在兼容性、可替代性的问题。当各生产厂家的配电终端设备在104规约的实现上不一致时，配电主站将无法正确读取来自各配电终端的报文信息。为解决这一问题，需对这些配电终端设备进行104通信规约测试。

2 104规约测试

由于104规约有着一定的灵活性，在对配电终端进行104规约测试之前，应先制定104规约的应用规范。

2.1 测试内容

104规约的测试内容[10]主要分为以下三个部分：

1）APCI（应用规约控制信息）测试

APCI测试包括基本 APCI测试（启动字符、APDU的长度、I格式的控制域、S格式的控制域、U格式的控制域）、防止报文丢失与报文重复传送测试、测试过程测试、用启/停进行传输控制测试、端口号测试、K参数测试、超时参数测试等。

2）基本应用功能测试

基本应用功能测试主要包括站初始化功能测试、复位进程测试等。

3）应用功能测试

应用功能测试主要包括总召唤功能测试、事件传输功能测试、命令传输功能测试、时钟同步功能测试、测试过程功能测试等。

另外，可模拟通信过程中传输错误发送错误报文，测试其抗干扰能力。

2.2 基本测试项目

1）复位进程测试

主站（104规约测试软件）向子站（被测设备）发出复位进程命令，检查子站的响应。正确响应是子站在收到复位进程命令之后回复复位进程确认报文，并主动断开连接，初始化后主动打开服务端口，在与主站建立 TCP/IP连接并启动数据传输之后向主站发送初始化结束报文（初始化原因为远方复位）。

2）总召唤功能测试

主站向子站发出总召唤命令，检查子站的响应。正确响应是子站依次回复主站总召唤确认报文、单点遥信报文、双点遥信报文、遥测报文和总召唤结束报文[11-12]。

3）事件传输功能测试

使子站发生遥信变位，检查子站遥信变位时是否主动向主站发送遥信变位报文和遥信SOE（事件记录）报文。正确响应是在子站发生遥信变位时，主动向主站发送遥信变位帧（单点遥信类型标识为1，双点遥信类型标识为3，传输原因为3）和遥信SOE帧（单点遥信类型标识为30，双点遥信类型标识为31，传输原因为3）。

4）命令传输功能测试

命令有单/双点命令、步调节命令和设点命令，但配电自动化系统中只需要单/双点命令功能。命令有两个标准的传输过程：选择及执行命令和直接命令传输。单/双点命令通常采用选择及执行命令的传输过程。以单点命令的选择及执行命令传输过程测试为例。主站先选上将要进行单点命令操作的点地址，然后向子站发出选择命令，检查子站的响应。子站应回复选择确认报文或选择否定应答报文。若子站回复的是选择确认报文，主站发送执行命令或撤消命令，检查子站的响应。在主站发送执行命令时子站应回复执行确认报文，并在遥控操作执行完毕后，子站发送遥信变位报文、遥信SOE报文和执行结束报文；而在主站发送撤消命令时子站回复撤消确认报文。

5）时钟同步功能测试

主站向子站发送时钟同步命令，检查子站的响应。正确响应是子站回复时钟同步确认报文（报文中的时间应为同步前本地时间）。

6）否定测试

所有的应用功能测试都应包含否定测试（否定测试是指主站向子站发送的 I格式报文出现未知类型标识、未知或不合适的传输原因、未知或不合适的信息对象地址时，子站以相应传输原因的否定确定报文予以回复）。

以总召唤命令功能为例。主站向子站发送未知类型标识的I格式报文：68 0E 02 00 04 00 00 01 06 00 01 00 00 00 00 14，子站正确的响应是回复报文：68 0E 04 00 04 00 00 01 6C（COT=44，P/N=1） 00 01 00 00 00 00 14。

主站向子站发送未知传输原因的 I格式报文：68 0E 04 00 06 00 64 01 00 00 01 00 00 00 00 14，子站正确的响应是回复报文：68 0E 06 00 06 00 64 01 6D（COT=45，P/N=1） 00 01 00 00 00 00 14。

主站向子站发送未知信息对象地址的 I格式报文：68 0E 06 00 08 00 64 01 06 00 01 00 FF FF 00 14，子站正确的响应是回复报文：68 0E 08 00 08 00 64 01 6F（COT=47，P/N=1） 00 01 00 FF FF 00 14。

2.3 测试中存在的问题

使用104通信规约测试软件对多个厂家的配电终端设备进行了104规约测试。终端设备在104规约的实现上频繁出现的不符合国家行业标准的情况有：

1）启动数据传输和停止数据传输对被测设备不起作用，即在停止数据传输状态，被测设备仍能回复主站命令，发送I格式报文。

2）时钟同步确认报文中的时间应为被测设备同步前本地时间，可测试结果大多是时钟同步命令报文中的时间。

3）分组召唤过程常出现的问题有：①部分分组召唤没有报文回复，②没有分组召唤激活终止报文，③传输原因错误。

4）遥控过程中常见错误：①选择命令的回复报文中出现激活终止报文，②撤消命令的回复报文中出现激活终止报文。

5）S格式报文的使用有误。

6）超时时间t0、t1、t2、t3的理解，不同的终端设备生产厂家有不同的理解。

7）没有设置超时时间参数（t1、t2、t3）和K、W参数。

8）发送复位进程命令，被测设备无响应。

9）否定测试过程中常见错误：①没有回复报文，②当作正确报文接收并回复相应的 I格式报文，而不是否定确认报文，③传输原因错误，传输原因中的P/N位应为1。

10）发送错误报文（68 04 00 00 00 00）时，子站把该报文作为I格式报文接收。

以上所罗列的是配电终端在104规约的实现上最普遍存在的问题，各生产厂家的配电终端还存在许多不常见的104规约实现上的问题。

2.4 解决方案

为解决配电终端设备在104规约实现上存在的问题，我们可做以下工作：

1）各电力公司根据其实际情况制定104规约应用规范。应用规范应明确规定所采用104规约的版本和配电终端设备应具备的应用功能（如：是否具备分组召唤功能）；对于在理解上容易产生偏差的部分应用规范中应给出详细的说明（如：在什么情况上发送S格式报文）。

2）各生产厂家在开发配电终端设备的104规约通信程序时，应严格按照国家标准，对于拿捏不准的点应多翻阅文献和各电力公司的104规约应用规范，对于一些看似不重要的点不能忽略（如：K/W参数和超时时间参数的设置）。

3）使用专用于配电自动化系统的104规约测试软件测试各配电终端设备并根据测试分析得出测试报告（各测试项是否通过，未通过的原因等）。

4）各生产厂家根据 104规约应用规范和 104规约国家标准，结合测试报告，修改、完善其配电终端的104规约通信程序。

希望各生产厂家通过对配电终端进行104规约测试，找出配电终端在104规约的实现上存在问题的地方并完善相应的104规约程序，使得104规约的实现符合国家标准。

3 结论

智能电网已成为当今世界电网的发展方向。我国正积极开展智能电网的各项试点工程。文中简要介绍了长沙麓谷经济开发区配电自动化试点工程的配电自动化系统结构和通信系统。配电自动化系统中的配电终端在 104规约的实现上存在不符合国家标准的情况。为解决这一问题，可使用104通信规约测试软件对配电终端设备进行104规约测试，找出配电终端在104规约的实现上不符合国家标准的情况，促使各厂家完善配电终端的104规约程序，从而使得配电终端在104规约的实现上符合国家标准。

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