基于104调度通讯的水电站综合自动化系统的应用研究

2020-12-11杨义

今日自动化 2020年5期

杨义

[摘要]为了实现水电站“少人值班”的目标，通信的实时性和可靠性非常重要。从水电站综合自动化系统的概念和功能出发，介绍了IEC60870-5-104协议（以下简称“104协议”）、典型特点和通信过程。根据水电站综合自动化监控系统领域的应用讨论104协议通信模式和方案，并对其应用在过程中存在的问题和困难分析及其在未来调度控制系统中的应用进行讨论。

[关键词]104协议;水电站;网络拓扑;少人值守;IEC60870-5-104

[中图分类号]TV736 [文献标志码]A [文章编号]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

在我国工业规模不断扩大、技术水平持续提升的势头下，我国电力生产企業的自动化水平也在稳步提高。随之而来的是对水电站“少人值守”的要求。为此融入自动化控制技术，并考虑到控制的高效性和节能性，建立与水电站集中调度系统，简称综合自动化系统。其中该系统通信通道的构建和通信的速度要求都比较高。而且器还要作为数据交互的高速保证。

1 系统要求与规约

1.1 要求

IEC 60870-5-101协议和IEC 60870-5-104协议中的水电站调度通信。通信调度关系到电力系统在应对电力强劲需求是的有效应对能力。对此，在开展系统设计时必须在考虑电网负载能力的同时，对电力生产过程中的功率、电压等数据开展远程采集，并对系统的通道通断进行有效地设置。集中控制通信是为了实现水电站“少人值班”的目标，需要集中调度管理所有水电站，设备数据收集、处理，安全运行监控、调度，上级指令调度和传达，对整个系统进行有效监控、调度、控制和管理就变得非常重要。

1.2 规约选择

IEC 60870-5-104是IEC制定的电力系统和通讯渠道标准化协议，能够有效保障数据交互的可靠性和准确性。一般其由顶层的应用层到中间的传输、网络、链路层，最后以物理层为基础。代码结构如图1所示。

2 系统框架

104协议在继承之前通讯方式的基础上，更具兼容能力和开放特征。其在多年的研发和应用经验的发展之后，已经成为通讯渠道中应用广泛的标准协议，适用于变配电自动化系统，并具有易于IEC-61850规范。因此，本文在开发监控系统时综合考虑系统的要求，以该协议作为通讯标准。

图2为目前常见的网络架构，其中图（a）所示为两端交互模式，简称为C/S，其由两层构成，首层的客户端用以人机交互，着重用以数据显示和接口逻辑处理，而第二层的服务器端主要用以完成数据采集和数据库的建立。

在该模式下，客户端在完成显示的同时也兼顾基本数据分析和逻辑处理的任务。其也因此在系统构建的过程中表现出了容易构建丰富图形界面、操作性强、响应快的优点。然而，C/S架构的应用范围非常狭窄，维护成本非常高。

而图（b）所示的客户、服务器、数据库中又存在这这三类逻辑，其中首层的主要作用在于人机交互，对于服务器而言就是在显示其具体功能。第三层则主要在客户信息处理的过程中发挥着主要作用，该模式下客户可以通过浏览器直接访问数据层信息。也正因此，在采用该模式的系统中能够满足多个用户同时访问的需求，交互性明显，同时在后期发展过程便于通过服务器的升级实现系统的提升。

3 系统通讯设计

3.1 通讯设置

水电站综合自动化系统调试以满足自动化系统综合试验要求为起点，完成对系统的实时闭环控制试验、遥信、遥测、遥控、遥调、报文解析等功能。

远程控制规范60870-5-104（以下简称IEC 104规约）中调度自动化系统和变电站自动化系统数据通信的规定。该规则因其灵活、简单、经济等优点，在电力系统中得到了广泛的应用。

物理要求：RJ45或光纤接口，IEEE802.3标准。

传输层要求：传输规则，端口号（2404）。在连接过程中，使用TCP的定位授权，被控的地址站应被拒绝，启动/停止传动机构的应用，发送序列号，接收申请序列号，超时判断。

应用层要求，ASDU格式，初始化过程，获取数据的查询方法，收购事件过程，站调用程序，拖延采购过程，时钟同步的过程。

3.2 104规约报文

协议继承了IEC101消息格式，其完整的协议包含对应的数据单元和信息代码所控制产生的完整消息，具体由图3表示。其启动字符是十进制表示的104作为消息的起点，而第二字节所对应的APDU的长度，其可变，可以是4个8位的，在应用服务和ASDU IEC101由信息单元的定义。

该协议定义了三種帧格式：I帧、U帧和S帧。这里要监视计算机软件保护I格式信息，例如通过监视计算机软件的过程来可靠地接收一条信息。监控电脑软件保护接收到U后开始发送报文格式，应先发出指令报文，然后开始发送位移和定期扫描信息，将信息作为I格式报文。

该系统中会确认消息收到，这样的做法有效提高信息传输的可靠性，可以避免数据的重复传输等现象。而系统的保护装置是每次发送一个I格式报文，发送序列号应为+ 1，监控接收到的每一个计算机软件的序列号应为其接收报文的序列号格式，其接收后的序列号应为+ 1。监控计算机软件应该确定发送格式消息等于它的接收序列号，如果接收一条消息的格式。如果应该等于接收序列号加1，如果发送的消息的格式序列号小于它的接收序列号，显示信号重复传输，为此系统设置t1和t3表示传输超时。当I格式和U格式的消失在t1所对应的时间内未被确认，系统就会自动关闭当前的TCP连接，并重新再开一个。监控尚未收到新电脑软件t3帧以上，并已设置接收帧进行确认。此时，系统会再次以U格式的信息进行测试检测当前通道的通讯状态。

4 工程实践

IEC104通信模块按照相关规定，代码系统软件采用client/server结构，其中服务器用于采集、上传数据，客户端用于实时显示设备数据运行情况。客户端和服务器端通信使用IEC104规约。本文将监控软件的通信模块放在一个类中，对其他模块进行调用。

建立监控主机的通信连接或重启后，客户端必须请求服务器建立连接，建立连接时使用以下四种计时器：其中，to表示服务端开始连接的时间。当超过设定的时间时，如果没有104的连接状态，则表明服务器活动脱离等待状态。3A服务器发送U帧到测试帧，等待客户端发送测试响应帧。如果定时器T1超时，即客户端没有响应，服务器将关闭TCP连接。3A服务器将突变原因发送给客户端发送信息或激活原因，以便在总调用或功率等级后将调用发送给客户端，等待客户端发送S帧。如果T2超时，服务器将关闭TCP连接。当服务器和交互端间没有发生实质的交互时。两端发送给U的最大间隔时间帧为测试帧。此外，定时器的值在1-255 - s范围内，精度为1 s。表1显示了四种类型的计时器超时一般默认值如图4所示。

启动

发送数据：

68 04 07 00 00 00

（对这条报文做个分析;起始字节=68 数据单元长度（APDU）=4 U格式帧 STARTDT：ACT=1 CON=0 STOPDT：ACT=0 CON=0 TESTFR： ACT=0 CON=0）

接收数据：

68 04 0b 00 00 00

（这条报文分析：起始字节=68 数据单元长度（APDU）=4 U格式帧 STARTDT：ACT=0 CON=1 STOPDT：ACT=0 CON=0 TESTFR： ACT=0 CON=0

链路连接完成，上面两条报文是：启动命令，启动确认04，07）

开始测试过程：

发送数据：

68 04 43 00 00 00

（起始字节=68 数据单元长度（APDU）=4 U格式帧 STARTDT：ACT=0 CON=0 STOPDT：ACT=0 CON=0 TESTFR： ACT= CON=0）