IEC104通信規約在鐵路牽引供電遠動系統的應用與研究

周勁風

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

鐵路牽引供電遠動系統是鐵路運營調度的子系統，是針對電氣化鐵路牽引供電，融合計算機與通訊技術、自動化控制以及一次、二次控制保護自動化系統的綜合應用系統，是保障電氣化鐵路安全運營的重要部分。南同蒲電氣化擴能改造工程的牽引供電設施設置2個調度臺，接入太原鐵路局牽引供電遠動調度中心，遠動主站與被控站之間采用IEC60870—5—104規約(以下簡稱IEC104規約)作為數據傳輸的通信協議。

1 牽引供電遠動系統結構和功能簡介

1.1 牽引供電遠動系統結構

太原鐵路局牽引供電遠動系統由設在調度所內的遠動調度中心、遠動通道和設在各個被控站的自動化系統3部分構成。

調度中心內主要設備按冗余配置，由主數據服務器、磁盤陣列、通信服務器、維護工作站、調度員工作站(各不同調度臺)、模擬顯示設備、UPS及其他網絡設備等構成。如圖1所示。

遠動通道是由通信專業提供的專用通道，南同蒲線電氣化擴能改造工程牽引供電遠動通道采用通信專業提供的專用E1接口雙環網數據傳輸通道，采用BNC物理接口、G.703通信協議，通信速率為2 Mbps，光端機進所方式。另外視頻安全監控系統采用專用2 Mbps環形通道。AT供電方式各所設置故標專用通道。

被控站主要由南同蒲沿線6座牽引變電所、7座分區所、10座AT所、6處接觸網遠動隔離開關控制站等構成。牽引變電所通信管理裝置為雙機冗余配置，遠動雙通道具備自動切換功能，所內采用光纖以太網通信，接入交直流盤、故標系統等智能設備。

1.2 遠動系統實現功能中需要注意的問題

圖1 牽引供電調度中心構成

牽引供電遠動系統具有對牽引供電設施的遙控、遙測、遙信和現場運行環境監控的功能，另外具有模擬培訓、實時打印操作記錄、故障信息、統計報表等基本功能。南同蒲線接入牽引供電遠動調度中心，在遠動系統實現功能方面注意以下一些問題。

1.2.1 遙控功能的實現

除常用遙控操作模式單獨遙控、程序遙控外，還實現具有保證安全操作控制的其他模式，加入互鎖模式以及雙席監督模式;實現遙控試驗、模擬操作、閉鎖和解鎖操作等。

1.2.2 遙信數據的處理

除實時數據采集，并顯示設備運行狀態外，還實現對設備非正常運行狀態下的信息捕捉，及時告警;變壓器檔位遙信顯示(轉為遙測量);對檢修和不可用狀態的開關進行屏蔽。

1.2.3 遙測數據的處理

除實時數據采集、接收并處理實測脈沖計數值外，還實現數字濾波、自動判斷遙測值合理性。

1.2.4 數據存儲

SCADA數據保存的類型除整點數據、曲線數據、實時日統計數據外，還包括實時日設備運行狀態和設備日運行時間保存。

1.2.5 報警處理

報警除包括供電系統設備異常、調度系統設備故障、變電所自動化設備故障、通道或變電所自動化設備電源故障、其他智能設備的告警以及畫面顯示、文本信息和音響報警等，另外提供報警確認、打印、分類、歸檔、存貯。

1.2.6 系統工具及其他功能

系統工具除包括網絡拓撲、數據庫編輯、畫面編輯、報表編輯等以外，還包括動態著色和安全閉鎖、操作安全閉鎖。

2 IEC60870－5－104 規約

2.1 IEC104與IEC101規約對比

IEC60870-5系列標準涵蓋了各種網絡配置、各種傳輸模式，基本任務劃分為:IEC101規約和IEC104規約完成遠動傳輸的基本任務，IEC102完成電度上送，IEC103完成變電所內保護裝置通訊。

IEC101和IEC104都是被控站與遠動調度通信，前者采用串口方式，后者則采用網絡，即IEC104為IEC101的網絡傳輸模式，兩者的應用服務數據單元ASDU基本相同，應用層數據相同，IEC104是在IEC101串口通信的基礎上，增加了對以太網的支持，使遠動設備數據可以通過以太網進行交互。總體上講，IEC104主要是適應以太網技術的發展而從IEC101演變過來的，IEC104中包含了更多的網絡通信特征。由于網絡傳輸的可靠性以及通信帶寬的提高，因此IEC104規約在傳輸上具有可靠性高、實時性好、數據流量充足、支持網絡傳輸等諸多優點。

南同蒲電氣化擴能改造工程遠動主站與被控站之間連接到以太網通信，采用IEC104規約作為數據傳輸的通信協議。

2.2 IEC104規約體系結構

本部分定義了開放的TCP/IP接口的使用，圖2所示為1個主站的冗余配置與1個非冗余的系統配置。

2.3 IEC104規約結構

圖3所示為終端系統的規約結構。在IEC104規約中規定在傳輸層采用TCP協議。

2.4 IEC104規約應用控制信息(APCI)的定義

IEC104規約中1個標準的數據幀被稱為應用規約數據單元APDU，由應用規約控制信息APCI和應用服務數據單元ASDU 2部分組成。如圖4所示。

圖2 IEC104一般體系結構

圖3 IEC104終端系統的規約結構

圖4 IEC104已定義的遠動配套標準的APDU

2.5 IEC104規約的實施過程

主要包括:TCP連接的建立過程、循環遙測數據上傳過程、總召喚過程、時鐘同步過程、子站事件主送上送過程、命令傳輸過程、召喚電度過程以及遠方復位進程等。

3 牽引供電遠動系統應用IEC104通信規約

3.1 工程應用

太原鐵路局牽引供電遠動調度中心采用北京南凱自動化系統工程有限公司的NK6000系列電氣化鐵道遠動系統，在通信專業提供的物理通道的基礎上，遠動主站與被控站之間采用IEC104規約作為數據傳輸的通信協議。

南同蒲線電氣化擴能改造工程榆次至侯馬北段以介休牽引變電所為界，設置2個雙環網通道，冗余配置，各牽引供電設施按照被控站地理位置分別接于不同的通信環網。為保證通信通道的使用率以及數據傳輸的實時性，避免通道擁塞，每個環網的被控站節點數量一般控制在16個以內。

遠動通道雙環網之一及通道組成、IP地址設置如圖5所示。

圖5 遠動雙環網通道(IEC104規約應用)

3.2 牽引供電遠動系統應用IEC104規約的部分擴展

遠動系統實際運行需求中，在實現傳統遠動系統遙信、遙測、遙控等功能的基礎上，需要擴展實現一些重要的功能，如故障報告上傳、錄波文件召喚、保護定值讀取與遠程修改等等。以前電力系統遠動使用CDT規約時擴展了一些與保護有關的幀類型或者制定了與規約極其類似但內容更豐富的規約(例如9702規約)。本工程中利用IEC104規約靈活、豐富的應用功能，結合實際的運行需求，利用了未用的類型標識擴展了部分重要功能。

3.2.1 保護動作信息

被控站發生保護動作時，以如下幀發送保護動作信息(突發傳送)(圖6)。

3.2.2 保護自檢信息和狀態告警

被控站自檢出故障或有其他狀態告警時，發送如下信息(突發傳送)(圖7)。

3.2.3 故障錄波

格式同 IEC101 標準中 7.4.11.2.4 擾動數據文件的結構的定義，發生錄波后主動上傳。

圖6 ASDU－140帶相對時標的故障報告報文

圖7 ASDU－141帶時標的報文

3.2.4 保護定值

保護定值讀取過程參照IEC103中通用服務的描述。

原幀中的功能類型改為信息對象地址，為2個8位位組長度。APDU的數據幀起始內容如圖8所示。

圖8 保護定值讀取數據起始內容

保護定值讀取過程主站發送幀的類型標識為145，子站響應幀的類型標識為146。1個區的保護定值定義為1個組，每次只讀取1個組的定值，多個組分次讀取。通過“通用分類數據描述”的后續狀態位標識是否有后續定值需要傳送。組號從1開始編號。

保護定值區的切換主站發送幀的類型標識為147，子站響應幀的類型標識為148。每個綜合自動化廠家提供1個條目用于保護定值區的切換，主站對該條目的寫過程為確認執行方式。

4 使用IEC104規約需要注意的問題

IEC104規約已經在國內電力系統以及一些電氣化鐵道牽引供電遠動調度系統得到應用，其優勢明顯，但目前沒有現行的鐵道標準使其規范化、系統化。應用IEC104規約中為穩定、可靠的運行應注意以下一些問題。

4.1 需要注意的幾個問題

(1)主站與被控站建立2個獨立的TCP連接，被控站在每個TCP連接上按規約進行獨立的通訊，應以被控站為服務端，主站為客戶端。

(2)要求調度主站能自動判斷、切換、處理來自網絡和常規方式的數據信息，確保數據惟一性。

(3)在網絡傳輸遠動信息過程中，通過MAC地址和IP地址劃分控制安全級別，以保證調度主站與被控站之間的安全傳輸(雖然目前鐵路為專用通信通道)。

(4)以太數據網難以進行時間同步，被控站綜合自動化系統必須安裝高精確度GPS衛星鐘。當被控站的GPS出現故障時，采用主站下發的時鐘來進行時間同步。

4.2 使用中出現的幾個問題及解決方案

(1)正常的通信過程中可能會出現通信中斷的情況，IEC104規約能夠自行實現通道的切換，牽引供電遠動通道應采用主備冗余模式。

(2)由于IEC104規約主動上傳數據，有可能存在大量的遙測數據上傳而致使通道擁塞，使被控站的一些重要的遙信無法上傳，從而影響安全。針對這種問題，需要被控站自動化設備合理設置遙測變化上傳的變化閥值。

(3)召喚全數據分為自動和手動兩種模式，當采用自動召喚模式時，可能會與數據下發產生沖突。手動召喚由人為控制，不會對通信產生影響。

(4)牽引供電遠動系統實際運行中需要擴展功能，如何利用IEC104規約拓展實現其應用范圍，可與本文結合進一步探討。

5 結語

本文結合南同蒲線電氣化擴能改造工程牽引供電設施接入太原鐵路局牽引供電遠動調度中心工程，簡單介紹了牽引供電遠動系統的結構和需要實現的功能，并介紹了IEC104通信規約的基本內容，根據工程實踐分析了應用IEC104規約過程中需要注意的問題。目前在我國鐵路建設快速發展的情況下，基于IEC104規約實現網絡通信的牽引供電遠動調度自動化，進一步規范實施IEC104規約標準，使其廣泛應用，符合牽引供電遠動系統的發展要求，對促進電氣化鐵道牽引供電自動化的發展、保證安全運行具有積極重要的意義。

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