101、104規(guī)約在配電網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用

劉海龍 婁英俊 歐陽琪 田巍巍

（珠海許繼電氣有限公司，廣東 珠海 519060）

1 引言

配電自動化系統(tǒng)是一種利用現(xiàn)代通信和計算機(jī)技術(shù)，對配電網(wǎng)中在線運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)視和控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。目前我國配網(wǎng)系統(tǒng)中，對于遠(yuǎn)動規(guī)約主要有101規(guī)約、104規(guī)約和DNP3.0規(guī)約。101、104規(guī)約由IEC電力系統(tǒng)控制和通信技術(shù)委員會制定的基本遠(yuǎn)東配套標(biāo)準(zhǔn)：“IEC 60870-5-101-2003遙控設(shè)備和系統(tǒng).第5部分:傳輸協(xié)議.第101節(jié)：基本遙控工作的副標(biāo)準(zhǔn)”，“IEC 60870-5-104-2006遙控設(shè)備和系統(tǒng).第5-104部分：傳輸協(xié)議。使用標(biāo)準(zhǔn)傳輸輪廓的 IEC 60870-5-101所列標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)存取”以及我國制定的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：“DL/T 634.5101-2002遠(yuǎn)動設(shè)備及系統(tǒng) 第5-101部分：傳輸規(guī)約 基本遠(yuǎn)動任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)”，“DL/T 634.5104-2002遠(yuǎn)動設(shè)備及系統(tǒng) 第5104部分：傳輸規(guī)約 采用標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議子集的IEC608705101網(wǎng)絡(luò)訪問”。本文結(jié)合實際工程應(yīng)用，先介紹了101、104規(guī)約的基本架構(gòu)與應(yīng)用，同時對歷史數(shù)據(jù)傳輸部分規(guī)約進(jìn)行了定義和解析。

2 101、104規(guī)約介紹

2.1 101規(guī)約結(jié)構(gòu)

IEC60870-5-101遠(yuǎn)動規(guī)約參考模型是 EPA（Enhanced Perfirmance Architecture）結(jié)構(gòu)，該增強(qiáng)結(jié)構(gòu)式模型根據(jù)ISO的OSI七層標(biāo)準(zhǔn)模型轉(zhuǎn)化而來。考慮到傳輸效率，101規(guī)約使用的參考模型只有3層，即應(yīng)用層、鏈路層、物理層[2]。圖1為增強(qiáng)性能體系結(jié)構(gòu)（EPA）模型和配套標(biāo)準(zhǔn)所選的標(biāo)準(zhǔn)定義。

圖1 配套標(biāo)準(zhǔn)所選用的標(biāo)準(zhǔn)條文

2.2104 規(guī)約結(jié)構(gòu)

IEC60870-5-104遠(yuǎn)動規(guī)約參考模型源于開放式系統(tǒng)互聯(lián)ISO-OSI參考模型，只采用5層，從圖2可見，IEC60870-5-104規(guī)約是將IEC60870-5-101與TCP/IP提供的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能相結(jié)合。IEC60870-5-104實際處于應(yīng)用層協(xié)議，包括IEC60870-5全部配套標(biāo)準(zhǔn)所定義的ASDU，可與TCP/IP相結(jié)合。基于TCP/IP應(yīng)用層協(xié)議多，每一種協(xié)議對應(yīng)一個網(wǎng)絡(luò)端口號，根據(jù)其在傳輸層上使用TCP協(xié)議（傳輸控制協(xié)議）還是UDP協(xié)議（用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議），端口號又分為TCP端口和UDP端口，為保證可靠傳輸數(shù)據(jù)，IEC60870-5-104規(guī)定傳輸層使用TCP協(xié)議，其對應(yīng)端口號是TCP端口。IEC60870-5-104規(guī)定本標(biāo)準(zhǔn)使用端口號為2404，并且此端口號已得到互聯(lián)網(wǎng)地址分配機(jī)構(gòu) IANA（Internet Assigned Numbers Authority）認(rèn)可。

圖2 定義遠(yuǎn)動配套標(biāo)準(zhǔn)選擇的標(biāo)準(zhǔn)版本

2.3 101規(guī)約數(shù)據(jù)單元幀格式

101規(guī)約中規(guī)定每一個鏈路規(guī)約數(shù)據(jù)單元（LPDU）有一個ASDU，應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元由數(shù)據(jù)單元標(biāo)識符和一個或多個信息對象所組成。數(shù)據(jù)單元標(biāo)識符在所有應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元中有相同的結(jié)構(gòu)，一個應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元中的信息對象有相同的結(jié)構(gòu)和類型，它們由類型標(biāo)識域所定義。每個應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元包含單一類型標(biāo)識和單一傳送原因。

2.4 104規(guī)約數(shù)據(jù)單元幀格式

104規(guī)約中的 APDU（應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元）由APCI（應(yīng)用規(guī)約控制信息）和 ASDU（應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元）構(gòu)成，和IEC60870-5-101的幀結(jié)構(gòu)相比，其中應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元是兼容的，不同是IEC60870-5-104使用應(yīng)用規(guī)約控制信息（APCI），而IEC60870-5-101使用鏈路規(guī)約控制信息（LPCI）[3]。

3 歷史數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的需求

歷史數(shù)據(jù)作為配網(wǎng)終端的一種數(shù)據(jù)類型，能夠反映電網(wǎng)供電及設(shè)備相應(yīng)時刻的運(yùn)行情況，通過對實時數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得出的歷史數(shù)據(jù)，可以使管理人員輕松掌握電網(wǎng)的運(yùn)行情況，更準(zhǔn)確的對線路故障類型做出判斷及處理，對線路負(fù)荷做出預(yù)測，更好的實施配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，提高供電質(zhì)量及供電可靠性等[4]。但在早前配網(wǎng)項目實施中，由于種種原因，歷史數(shù)據(jù)在實際應(yīng)用中往往被忽視，也沒有形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式定義及規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)，所以很多終端設(shè)備廠家對歷史數(shù)據(jù)處理很簡單，要么設(shè)備廠家自定義數(shù)據(jù)格式及傳輸規(guī)約，只能與自身系統(tǒng)連接，推廣也受到很大程度限制。

隨著配電網(wǎng)系統(tǒng)向分布式、智能化的方向發(fā)展，伴隨配網(wǎng)模式及通信方式日漸成熟，配網(wǎng)系統(tǒng)對終端歷史數(shù)據(jù)的需求勢在必行，存儲在各個終端上的歷史數(shù)據(jù)也將越來越大，這就勢必要在整個配電網(wǎng)系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)傳輸上形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

4 基于101、104規(guī)約的歷史數(shù)據(jù)格式定義

4.1 歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)籌定義

目前對于配網(wǎng)終端的歷史數(shù)據(jù)存儲要求基本都是不小于1個月存儲量，對于一些特殊工程，存儲時間可能要不小于6個月。面對龐大數(shù)據(jù)量，首先要對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行一個統(tǒng)籌規(guī)劃，對其進(jìn)行分類定義，形成標(biāo)準(zhǔn)格式，這樣才能在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約基礎(chǔ)上建立起歷史數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕y(tǒng)一格式。根據(jù)101標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約對文件的定義我們將歷史數(shù)據(jù)以文件為單位進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃、分類，每類歷史數(shù)據(jù)定義好特定的文件格式，每個文件下又定義有相應(yīng)的節(jié)，節(jié)下面又有相應(yīng)的段，而所有文件定義出一個完整的文件目錄，這樣可將紛繁冗雜的歷史數(shù)據(jù)按照樹形結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理統(tǒng)籌規(guī)劃。

下面以一天的定點數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說明。假設(shè)一天24h，終端每6min進(jìn)行一次定點數(shù)據(jù)記錄存儲，那么24h總定點數(shù)據(jù)為24×10=240份，這240份的定點數(shù)據(jù)可以定義為一個文件，而每個定點數(shù)據(jù)可以定義為文件中的一節(jié)，在101規(guī)約中每幀報文信息元素字節(jié)數(shù)不能超過 264，一幀報文傳不完這一節(jié)數(shù)據(jù)，還可以將節(jié)下分出若干段，這樣即使數(shù)據(jù)量再大也可以很清晰的將其規(guī)劃好，做到有序上傳。圖3所示為歷史數(shù)據(jù)樹狀結(jié)構(gòu)圖。

圖3 歷史數(shù)據(jù)樹狀結(jié)構(gòu)圖

4.2 歷史數(shù)據(jù)文件種類定義

根據(jù)實際應(yīng)用需要對于歷史數(shù)據(jù)文件定義以下8種，在具體規(guī)約格式中以文件名區(qū)分。

定點數(shù)據(jù)：定點數(shù)據(jù)就是按照固定的時間間隔對電網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，比如配網(wǎng)的電壓、電流、功率等，定點存儲的時間間隔可以根據(jù)實際需求進(jìn)行參數(shù)整定，整定范圍在6～60min之內(nèi)。這樣一個終端一天24h的定點數(shù)據(jù)可以定義成一個標(biāo)準(zhǔn)文件。

（1）統(tǒng)計數(shù)據(jù)：分為日統(tǒng)計數(shù)據(jù)、月統(tǒng)計數(shù)據(jù)，監(jiān)測對象主要以配電變壓器為主。

（2）報警數(shù)據(jù)：分為裝置異常報警和線路異常報警。

（3）極值數(shù)據(jù)：包括日極值數(shù)據(jù)和月極值數(shù)據(jù)。

（4）無功補(bǔ)償數(shù)據(jù)：在裝置具備無功投切功能時記錄電容器操作時的相關(guān)數(shù)據(jù)。

（5）遙控操作記錄：在對開關(guān)進(jìn)行分/合操作時，記錄下遙控操作過程及遙控點號和時間。

（6）故障記錄：在線路發(fā)生故障時記錄下相應(yīng)線路的故障電壓、故障電流及時間等。

（7）定點電量數(shù)據(jù)：對電量數(shù)據(jù)進(jìn)行的定點存儲，因為電量數(shù)據(jù)一般為4字節(jié)長度，所以要單獨定義。

4.3 文件規(guī)約格式定義

（1）文件傳輸?shù)念愋蜆?biāo)識(TYPE)

圖4 文件傳輸類型標(biāo)識

（2）文件準(zhǔn)備就緒限定詞（FRQ）；描述選擇、請求、停止激活或刪除功能。

（3）節(jié)準(zhǔn)備就緒詞（SRQ）：描述節(jié)準(zhǔn)備狀態(tài)（準(zhǔn)備、未準(zhǔn)備）。

（4）選擇和召喚限定詞（SCQ）：描述文件和節(jié)操作中狀態(tài)（選擇、請求、停止、刪除）及報錯信息。

（5）最后的節(jié)和段限定詞(LSQ)：描述文件傳輸過程狀態(tài)。

（6）文件認(rèn)可或節(jié)認(rèn)可限定詞（AFQ）：描述文件和節(jié)傳輸確認(rèn)狀態(tài)（肯定和否定認(rèn)可）及報錯信息。

（7）文件名稱（NOF）。

（8）節(jié)名稱（NOS）。

賀州市要充分利用粵桂縣域經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)合作示范區(qū)（信都工業(yè)區(qū)）、旺高工業(yè)園區(qū)（千億碳酸鈣產(chǎn)業(yè)園）等產(chǎn)業(yè)平臺。探索一區(qū)多園的運(yùn)作模式，鼓勵與外地資本合作發(fā)展“飛地”園區(qū)，引導(dǎo)建立產(chǎn)業(yè)集群；推進(jìn)體制創(chuàng)新、管理創(chuàng)新，建立健全快速決策、高效服務(wù)體系；給予更加優(yōu)惠的政策，在園區(qū)做到地價低于周邊市、地方稅收在企業(yè)建成后的前幾年全返、市級及以下收費(fèi)全免（零收費(fèi)）；同時加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)，營造更富吸引力的投資載體。

（9）文件或節(jié)的長度（LOF）。

（10）段的長度（LOS）：范圍最大數(shù)目在234（當(dāng)鏈路域、數(shù)據(jù)單元標(biāo)識符和信息對象地址為最大長度時）和 240（當(dāng)鏈路域、數(shù)據(jù)單元標(biāo)識符和信息體對象地址為最小長度時）之間。

（11）校驗和（CHS）：不考慮溢出的算術(shù)和（256模加）。

（12）文件的狀態(tài)（SOF）。

（13）文件幀格式解析：以事件記錄及定點記錄為例進(jìn)行說明，從信息對象地址(也就是文件地址從6801h開始)到CS校驗和前屬于文件具體內(nèi)容，包括文件名、節(jié)名字、段長度、具體記錄的數(shù)據(jù)信息，對于不同的數(shù)據(jù)信息會有不同的定義格式。

4.4 文件召喚上送過程

對于文件的召喚分為文件目錄召喚過程、整個文件召喚過程和對文件中某一節(jié)召喚過程，以平衡式101為例具體傳輸過程如下。

（1）整個文件傳輸過程

圖5 全文件傳輸過程

圖6 文件某一節(jié)傳輸過程

5 歷史數(shù)據(jù)傳輸在實際工程項目中的應(yīng)用

在國內(nèi)已實施的配網(wǎng)工程中，歷史數(shù)據(jù)按照上述規(guī)約已實現(xiàn)互傳的有北京城區(qū)配網(wǎng)工程，北京消隱配網(wǎng)工程，北京煤改電配網(wǎng)工程，廣州白云區(qū)配網(wǎng)工程，深圳配網(wǎng)工程等。從實際應(yīng)用效果來看，歷史數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)不但為配網(wǎng)系統(tǒng)提供了準(zhǔn)確、可靠的歷史數(shù)據(jù)庫，而且為電網(wǎng)故障判別、故障處理提供了可靠依據(jù)，更為整個配網(wǎng)系統(tǒng)向智能化電網(wǎng)邁進(jìn)跨出了堅實的一步。

在上述工程項目中以北京工程為例，采用了歷史數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制后，大大縮短了故障判斷分析的時間。

以往故障分析都是主站系統(tǒng)通過在線終端設(shè)備上送的實時數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析以判別故障類型及故障區(qū)域，但此種方式存在以下幾點弊端：①終端與系統(tǒng)互聯(lián)通信方式的差異會導(dǎo)致數(shù)據(jù)上傳的時延不同，例如天寧寺開閉站的城區(qū)線路中，從開閉站出線到主干線再到分支線及支線末端的各點中，因地理環(huán)境的差異，有些設(shè)備采用光纖通信，有些設(shè)備采用無線GPRS通信，在極個別點還有可能采用雙絞線通信，這三種通信方式在鏈路建立過程、通信速度、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)機(jī)制都存在很大差異，由此線路發(fā)生故障后各設(shè)備將故障信息上送到系統(tǒng)的時間就不同步；②不管哪種通信方式數(shù)據(jù)傳輸都會存在一定的誤碼率，這樣主站系統(tǒng)單靠實時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析也存在一定風(fēng)險；③一條線路發(fā)生故障后，本條線路多臺終端設(shè)備會同時對系統(tǒng)發(fā)起數(shù)據(jù)傳送，此時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量突然增加，通信通道有可能會發(fā)生阻塞；④目前無線GPRS通信方式盡管已經(jīng)很成熟，但在個別地點信號有時也會出現(xiàn)盲區(qū)，可能會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象等。

綜上所述，實時數(shù)據(jù)對于系統(tǒng)的重要性不言而喻，但同時也需要歷史數(shù)據(jù)的補(bǔ)充以完善配網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，加快故障處理過程，縮短故障停電時間。

以實際事故為例說明：2010年11月24號23：27分南手帕開閉站天寧寺小區(qū)下屬一條出線發(fā)生單相接地事故，后迅速衍生為相間短路事故（如圖 4所示），南手帕開閉站出線斷路器跳閘，與此同時主站系統(tǒng)收到開閉站及本條線路各配電室小區(qū)終端上送報文信息，但此時因移動基站對其設(shè)備進(jìn)行整修，導(dǎo)致線路中CQP343站點采用無線GPRS通信的終端未將實時故障信息上送至后臺，系統(tǒng)因缺少可靠數(shù)據(jù)未能第一時間做出故障區(qū)段定位，后系統(tǒng)迅速采用召喚歷史數(shù)據(jù)方式將此站點故障信息重新召喚，數(shù)據(jù)完備后做出了故障事故分析及倒閘操作，恢復(fù)非故障區(qū)段供電，此次事故處理從發(fā)生到恢復(fù)供電整個過程5min內(nèi)完成，可見歷史數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾浴?/p>

圖7 故障時刻信息

6 結(jié)論

實踐證明，在101、104規(guī)約中以文件形式實現(xiàn)龐大的歷史數(shù)據(jù)傳輸是完全可行的，同時隨著國家電網(wǎng)逐步發(fā)展，特別是配電網(wǎng)的高速發(fā)展，對二次終端設(shè)備提出了更高可靠性、高穩(wěn)定性、高智能化的要求，這對終端與主站系統(tǒng)的通信互聯(lián)機(jī)制也提出了更高的要求，系統(tǒng)對終端設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)需求也越來越大，以此在101、104規(guī)約基礎(chǔ)上提出以文件形式完成歷史數(shù)據(jù)的傳輸也是發(fā)展必然趨勢，目前此種歷史數(shù)據(jù)的文件定義形式已得到電力用戶及二次設(shè)備廠家的一致認(rèn)可，并成功應(yīng)用于各電力公司配網(wǎng)項目，同時此協(xié)議也成為廣州電力公司及華北電網(wǎng)公司在配電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議上的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 全國電力系統(tǒng)控制及其通信標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會. DL/T634.5101-2002遠(yuǎn)動設(shè)備及系統(tǒng)第 5-101部分:傳輸規(guī)約基本遠(yuǎn)動任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)[M].北京:中國電力出版社, 2002.

[2] 全國電力系統(tǒng)控制及其通信標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會. DL/T634.5104-2002遠(yuǎn)動設(shè)備及系統(tǒng)第 5-104部分:傳輸規(guī)約采用標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議子集的 IEc60870-5-101訪問網(wǎng)絡(luò)[M].北京:中國電力出版社,2002.

[3] 中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T634-5101- 2002/ IEC608-70-5-101:2002[M].北京：中國電力出版社,2003.

[4] 王建杰,霍利民,張敬平,劉偉娜,張立國.101規(guī)約在配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用與開發(fā),繼電器, 32(22).

[5] 李彬,焦彥軍,張新國,王偉.104規(guī)約在FTU中的應(yīng)用[J].繼電器,2008,36(7).

[6] 高強(qiáng),安康,董超,董海杰.基于OPCHDA技術(shù)的歷史數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].化工自動化及儀表,2007,34(5):48-50.