IEC60870-5-103規約在35kV變電站微機測控保護裝置中的實現

溫陽東，王 軍，錢夢然，范俊華

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009)

隨著變電站綜合自動化水平的不斷提高，對繼電保護設備的可維護性和信息傳輸的可靠性也提出了更高的要求。因此，在變電站系統中采用集保護、測量、控制和通信于一體的新型微機測控保護裝置成為必然的趨勢。另外，為了實現變電站系統中數據通信規約的統一，國際電工委員會(IEC)于1997年正式出版了的IEC60870-5-103標準，該標準在1999年已經成為我國的電力行業標準[1]。本文介紹了IEC60870-5-103規約在35 kV變電站微機測控保護裝置中的實現。

1 IEC60870-5-103規約簡介

1.1 103規約網絡模型[1]

IEC60870-5-103規約采用了增強性能結構EPA(Enhanced Performance Architecture)，只使用到開放式系統互聯ISO-OSI參考模型的全7層的3層，即物理層、鏈路層和應用層。它是一種簡化的通信協議，通信更方便，實時性更強。

103規約規定，物理層負責傳輸比特數據流 (1或0)，采用串行總線RS-485總線或者以太網通信。通信方式采用輪詢(Polling)方式。通信格式為異步，1 bit起始位，8 bit數據位，1 bit偶校驗位，1 bit停止位。字符和字節由低至高進行傳輸。

鏈路層定義了一系列采用明確鏈路規約控制信息，這些規約控制信息以一定的格式存放在數據幀中，這些幀格式將在1.2中介紹。鏈路層負責接收物理層原始的二進制流，為應用層提供無差錯、高效與方便的數據傳輸服務。

應用層主要是提供用戶之間進行信息交換的接口[2]，它包含一系列應用功能，它們存放在具有一定格式的應用服務數據單元(ASDU)中。

103通信規約采用兩種信息交換方法：一種方法是基于嚴格規定的應用服務數據單元(ASDU)和標準化的報文傳輸應用過程、方法；另一種方法是采用通用分類服務，可以傳輸幾乎所有可能的信息。

1.2傳輸幀格式

103規約是在IEC60870-5系列標準的基礎上，采用FT1.2異步式字節傳輸的幀格式[3]，對物理層、鏈路層、應用層、用戶進程作了大量的具體的規定和定義，定義了固定幀長和可變幀長兩種幀結構，具體格式如圖1和圖2所示。

圖1 固定幀格式

固定幀長的報文主要用于傳送“召喚、命令、確認、應答”等信息，如召喚 1級數據、召喚 2級數據、初始化復位命令等，可變幀長的報文主要用于傳送 “命令”和“數據”等信息，它采用應用服務數據單元(ASDU)傳輸用戶數據。

2 103規約在微機保護裝置上的實現

2.1系統總體設計

在35 kV變電站及其以下電壓等級的廠站系統中，一個控制系統(上位機)和多個微機保護裝置(子站)采用非平衡的工作方式，系統總體設計方案如圖3所示[4]。

圖3 系統設計框圖

本設計采用了4塊插件，分別是交流量輸入及濾波插件、電源模塊及開入量插件、操作回路插件和CPU插件。其中，CPU插件由CPU系統、通信模塊、GPS對時模塊、測頻電路和電度測量模塊組成。各插件之間實現電氣聯系，顯示板與CPU插件之間通過扁平電纜連接，這樣的設計既考慮了現場使用的便利性又提高了裝置的可靠性。系統內部采用DSP+ARM的雙CPU架構，DSP處理器采用TI公司的32 bit定點 DSP處理器TMS320F2812[5]，ARM處理器采用NXP公司的ARM7TDMI-SCPU LPC2468芯片，通過RS-232/RS-485轉換器與RS-485總線實現控制系統和多個微機保護裝置的數據交換和傳輸。

2.2軟件流程

由于變電站自動化系統中所有傳輸過程均由上位機啟動，本設計在通信過程中作為子站，只能響應上位機的下行命令，不能主動向上位機發送報文。子站接收報文后的通信流程如圖4所示。

圖4 子站報文處理流程

當子站收到上位機發送的103報文時，接收中斷函數將接收的數據存入到緩沖區，當接收的數據達到一定的字節數后，開始進行數據解包處理。如果地址正確，再根據第一個字節確定幀類別，并對固定幀長和可變幀長報文進行校驗判斷。在報文解析過程中，對于固定幀長的報文，根據控制域的功能碼不同分別處理；對于可變幀長的報文，根據功能類型的不同分別處理[6]。

報文的重發機制是根據子站接收報文的幀計數位(FCB)和幀計數有效位(FCV)來確定的。當FCB位無變化且FCV為變化有效時，重發報文。重發報文時，FCB不變，重發次數不超過3次。若重發3次后仍未收到預期應答，則結束本輪傳輸服務。

2．3 主要應用功能

本設計實現的通信內容主要有初始化、時間同步、總查詢、遙測、遙信、事件順序記錄(SOE)、遙控、上送保護事件、召喚定值(讀組值)、定值修改等。

(1)復位初始化

初始化復位過程包括裝置本身的硬件復位和通信單元的復位。系統啟動以后上位機發送復位幀命令，子站回送要求訪問位ACD=1的確認幀，上位機接收到確認幀以后用輪詢的方式發送請求1級數據，子站先回表明廠家設備的標志報文ASDU5，然后重新啟動，初始化過程結束。

(2)時間同步

當各子站初始化以后，上位機定時向各子站發送對時命令以保證各設備有一個統一的時間標準。對時有兩種方式，一種以廣播命令的方式由控制系統發給所有的保護設備；另一種以發送/確認的方式由控制系統發給某一保護設備。

(3)總查詢

上位機定時向每個子站發送總查詢命令，子站將一張屬于總查詢的表的內容依次傳送給上位機。如果在傳送過程中出現優先級高于總查詢的報文(如狀態變位)，則優先傳送，然后再繼續傳送總查詢表的內容，表中所有內容都傳送完后，子站傳送總查詢結束報文給上位機，總查詢過程結束。此后，上位機每隔一定時間就下發總查詢命令。

(4)正常情況下的鏈路傳輸

在正常運行情況下，上位機向各個子站輪流召喚2級數據，各個子站如果有被測量幀，則分別以不同的被測值幀(例如 ASDU50)響應，否則就以無所請求數據的響應幀回答[7]。如果各個子站無1級用戶數據，上位機定期依次循環地召喚2級用戶數據，各子站分別以響應幀回答。

上位機如果在召喚某一子站2級用戶數據之前該子站有l級用戶數據產生，子站在2級數據響應幀中置要求訪問位ACD=1，在召喚2級數據之后，緊接著對該子站召喚1級數據，該子站以1級數據回答。如果該子站無1級數據，在響應幀中置ACD=0，然后上位機對下一子站召喚2級數據。其中1級數據包括保護動作、保護告警、狀態變位和下發命令的響應信息等，2級數據為測量值信息。

(5)通用分類服務

在103規約中，通用分類服務提供了一種可以傳輸任何類型數據的能力。為了能夠正確解釋數據的類型和格式，在實際數據的前面加上一個被稱為數據集的類型和長度信息，從而形成能自我描述的通用分類數據，其結構組成如圖5所示。

圖5 通用分類數據結構

其中通用標識序號(GIN)用來區分所有信息，通用分類數據的每一項存入單一的目錄條目，這些目錄條目由唯一的通用標識序號(GIN)所識別[8]。本設計將采用通用分類服務的信息分成4個不同的組，分別為保護定值、保護控制字、保護采樣值、保護開關量，其組號分配為01、02、03、04。

在通用分類服務中對于讀所有被定義組的標題、讀一個組內所有條目的值和屬性、讀單個條目目錄、讀單個條目的值和屬性，上位機是下發ASDU21實現通用分類數據的總查詢命令，子站以確認幀響應并將請求訪問位ACD置1，上位機得知ACD=1就向子站下發請求1級數據幀，子站即以相應功能的ASDU10響應，此過程一直進行到所需數據傳遞完畢，再將ACD置0。對于組內所有條目實際值或屬性的改寫，上位機和子站都是以ASDU10來實現的。

這里給出讀組值的具體報文交換過程。利用RS-232/RS-485轉換器將本設計的RS-485接口與普通的PC機串口相連，采用符合103調試軟件模擬上位機對讀組值進行測試，報文交換的數據截圖及部分說明如圖6所示。圖6接收區第3行及以下為子站以ASDU10的響應幀，通過對其分析可知：上位機讀組號為01的所有組值，橫線標識的數據為標識序號(GIN)，方框里的數據為各個序號所對應的組值(低字節在前，高字節在后)，共17個模擬量。

圖6 讀組值報文交換的數據截圖

本文設計的微機測控保護裝置在變電站綜合自動化系統中已經投入使用。結果表明，本設計能實現繼電保護設備基本的保護功能和遙控、遙信、遙測、通用分類服務等通信功能，達到了預期的性能要求。與傳統微機保護裝置相對，本設計將DSP強大的數據處理能力和ARM出色的控制能力結合起來，完成了保護的相關功能，提高了繼電保護設備的可靠性和速動性，具有廣闊的應用前景。

[1]中華人民共和國電力行業標準.運動設備及系統，第5部分傳輸規約第103篇：繼電保護設備信息接口配套標準[S]．

[2]鄧素碧，趙振龍，陳軍，等．以太網 103規約及其在水電廠自動化系統中應用[J].電力自動化設備，2007，27(2)：79-82．

[3]IEC-60870-5-1 telecontrol equipment and systems， part 5：transmission protocols， section 1： transmission frame formats[S]．1990．

[4]宋紅云，林鶴云，邱衛東，等．103通信規約在 35 kV線路測控保護裝置中的實現 [J]．電力系統通信，2007，28(178)：24-27.

[5]陳是知，姜鑫輝．TMS320F2812原理與開發實踐 [M]．北京：中國電力出版社，2009．

[6]閆天軍，梅慧楠，吳在軍．IEC60870-5-103傳輸規約在中低壓微機保護測控裝置中應用[J]．電力自動化設備，2007，27(2)：111-113.

[7]譚嘉虎．用于微機保護設備基于IEC60870-5-103傳輸規約的通信接口技術的研究和開發 [J]．電網技術，2004，28(22)：31-35．

[8]馬姍姍．基于雙CPU系統的小電流接地選線裝置的研究[D]．濟南：山東大學，2007．