IEC60870-5-104規(guī)約在配電自動化系統(tǒng)的應(yīng)用與測試

陳 眾 周鴻艷

（長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410076）

2009年5月，在特高壓輸電技術(shù)國際會議上，國家電網(wǎng)公司正式對外公布了“堅強(qiáng)智能電網(wǎng)”計劃，標(biāo)志著智能電網(wǎng)在中國正式啟動[1]。2009年 6月在天津大學(xué)舉辦了“第一屆智能電網(wǎng)研究學(xué)術(shù)論壇”，對中國智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展進(jìn)行了探討[2]。其中，智能配電網(wǎng)具有新技術(shù)內(nèi)容多、與傳統(tǒng)電網(wǎng)區(qū)別大的特點(diǎn)，對于實現(xiàn)智能電網(wǎng)建設(shè)的整體目標(biāo)有著舉足輕重的作用[3]。

配電通信網(wǎng)是電力通信網(wǎng)的重要組成部分，一直以來由于缺乏適用的組網(wǎng)解決方案，成為電力通信網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)和制約智能電網(wǎng)在配用電側(cè)應(yīng)用的瓶頸[4]。在通信協(xié)議上，雖然國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61850-80-1考慮到目前變電站與控制中心廣泛使用IEC60870-5-101/104規(guī)約，提供了IEC61850與它們之間的信息交換導(dǎo)則。但在智能配電網(wǎng)一級的工作由于尚處于試點(diǎn)階段，具有有別于輸電系統(tǒng)的獨(dú)特特性（例如通信單元數(shù)量巨大等），短期內(nèi)IEC61850是不可能取代IEC60870-5。IEC61850和其它規(guī)約一樣，肯定需要一個現(xiàn)場證明、改進(jìn)、用戶接受的過程。因此國內(nèi)眾多配電自動化終端生產(chǎn)廠家通常采用IEC60870-5-101/104規(guī)約進(jìn)行通信。

本文結(jié)合長沙麓谷經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)配電自動化試點(diǎn)工程，在簡要介紹其包括通信系統(tǒng)在內(nèi)的體系結(jié)構(gòu)后，根據(jù)現(xiàn)場對各生產(chǎn)廠家的配電終端單元的測試情況，整理了在實施中，對IEC60870-5-104規(guī)約相關(guān)的測試內(nèi)容和測試方法，指出了目前普遍存在的一些問題，期待有助于今后進(jìn)一步的工作開展。

1 配電自動化

配電自動化是智能配電網(wǎng)的重要組成部分，也是建設(shè)智能配電網(wǎng)的基礎(chǔ)[5]。

配電自動化以一次網(wǎng)架和設(shè)備為基礎(chǔ)，以配電自動化系統(tǒng)為核心，綜合利用多種通信方式，通過與相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的信息集成，實現(xiàn)對配電系統(tǒng)的全面監(jiān)測與控制[6]。

1.1 配電自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

長沙麓谷經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的配電自動化系統(tǒng)采用的是“主站+通信匯集型子站+配電終端”的三層結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。自動化配電終端采用網(wǎng)絡(luò)型配電終端，經(jīng)過通信匯集型子站接入配電主站系統(tǒng)。

圖1 配電自動化系統(tǒng)架構(gòu)

配電主站，主要負(fù)責(zé)城區(qū)配網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控和配電運(yùn)行管理。

配電子站，主要負(fù)責(zé)所管轄區(qū)內(nèi)配電終端設(shè)備各種信息數(shù)據(jù)的匯集與轉(zhuǎn)發(fā)，向上與配電主站等各個系統(tǒng)進(jìn)行計算機(jī)通信，向下與所管轄區(qū)內(nèi)配電終端進(jìn)行通信。

配電終端，主要負(fù)責(zé)對環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關(guān)、配變、電纜故障指示器等一次設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制，實現(xiàn)對一次設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控。

1.2 配電自動化通信系統(tǒng)

配電主站與配電子站之間的通信網(wǎng)絡(luò)為通信主干網(wǎng)，配電子站到配電終端的通信網(wǎng)絡(luò)為通信接入網(wǎng)（配電通信網(wǎng)）[7]。麓谷經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)通信主干網(wǎng)的建設(shè)已經(jīng)得到長足的發(fā)展，并且以光纖主干網(wǎng)為主，而配電通信網(wǎng)基本空白。

智能配電網(wǎng)對通信信息量的實時性、可靠性提出了嚴(yán)格的要求，故通信方式應(yīng)優(yōu)先選擇具有以太網(wǎng)技術(shù)和光纖技術(shù)的通信方式。結(jié)合長沙麓谷經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的實際情況，采用了光纖通信（無源光網(wǎng)絡(luò)EPON技術(shù)）為主，無線專網(wǎng)通信（無線 McWill技術(shù)）為輔的配電通信系統(tǒng)[8]。

1.3 通信中存在的問題

長沙麓谷經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)所采用的配電通信系統(tǒng)決定了配電終端的通信規(guī)約以IEC60870-5-104規(guī)約為主。

而配電網(wǎng)與輸電網(wǎng)不同，為實現(xiàn)智能化配電網(wǎng)，系統(tǒng)需要安裝大量的終端設(shè)備。為提高建設(shè)配電自動化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，在建設(shè)階段即考慮引入競爭，選用多個廠家的配電終端設(shè)備。這樣除了可以降低投資成本，同時可以避免由于壟斷造成的高維護(hù)費(fèi)用。

但在選用多個廠家的配電終端設(shè)備時，由于104規(guī)約在配電網(wǎng)、光纖通信和無線專網(wǎng)通信中的應(yīng)用尚不成熟，在通信規(guī)約方面存在：①各生產(chǎn)廠家規(guī)約版本不一致或者終端設(shè)備不能完全按照標(biāo)準(zhǔn)的過程進(jìn)行通信；②不同的生產(chǎn)廠家在規(guī)約的認(rèn)識理解上存在偏差[9]。所以配電網(wǎng)終端設(shè)備在 104規(guī)約的實現(xiàn)上存在不符合國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的情況，不同廠家的配電終端在通信上存在兼容性、可替代性的問題。當(dāng)各生產(chǎn)廠家的配電終端設(shè)備在104規(guī)約的實現(xiàn)上不一致時，配電主站將無法正確讀取來自各配電終端的報文信息。為解決這一問題，需對這些配電終端設(shè)備進(jìn)行104通信規(guī)約測試。

2 104規(guī)約測試

由于104規(guī)約有著一定的靈活性，在對配電終端進(jìn)行104規(guī)約測試之前，應(yīng)先制定104規(guī)約的應(yīng)用規(guī)范。

2.1 測試內(nèi)容

104規(guī)約的測試內(nèi)容[10]主要分為以下三個部分：

1）APCI（應(yīng)用規(guī)約控制信息）測試

APCI測試包括基本 APCI測試（啟動字符、APDU的長度、I格式的控制域、S格式的控制域、U格式的控制域）、防止報文丟失與報文重復(fù)傳送測試、測試過程測試、用啟/停進(jìn)行傳輸控制測試、端口號測試、K參數(shù)測試、超時參數(shù)測試等。

2）基本應(yīng)用功能測試

基本應(yīng)用功能測試主要包括站初始化功能測試、復(fù)位進(jìn)程測試等。

3）應(yīng)用功能測試

應(yīng)用功能測試主要包括總召喚功能測試、事件傳輸功能測試、命令傳輸功能測試、時鐘同步功能測試、測試過程功能測試等。

另外，可模擬通信過程中傳輸錯誤發(fā)送錯誤報文，測試其抗干擾能力。

2.2 基本測試項目

1）復(fù)位進(jìn)程測試

主站（104規(guī)約測試軟件）向子站（被測設(shè)備）發(fā)出復(fù)位進(jìn)程命令，檢查子站的響應(yīng)。正確響應(yīng)是子站在收到復(fù)位進(jìn)程命令之后回復(fù)復(fù)位進(jìn)程確認(rèn)報文，并主動斷開連接，初始化后主動打開服務(wù)端口，在與主站建立 TCP/IP連接并啟動數(shù)據(jù)傳輸之后向主站發(fā)送初始化結(jié)束報文（初始化原因為遠(yuǎn)方復(fù)位）。

2）總召喚功能測試

主站向子站發(fā)出總召喚命令，檢查子站的響應(yīng)。正確響應(yīng)是子站依次回復(fù)主站總召喚確認(rèn)報文、單點(diǎn)遙信報文、雙點(diǎn)遙信報文、遙測報文和總召喚結(jié)束報文[11-12]。

3）事件傳輸功能測試

使子站發(fā)生遙信變位，檢查子站遙信變位時是否主動向主站發(fā)送遙信變位報文和遙信SOE（事件記錄）報文。正確響應(yīng)是在子站發(fā)生遙信變位時，主動向主站發(fā)送遙信變位幀（單點(diǎn)遙信類型標(biāo)識為1，雙點(diǎn)遙信類型標(biāo)識為3，傳輸原因為3）和遙信SOE幀（單點(diǎn)遙信類型標(biāo)識為30，雙點(diǎn)遙信類型標(biāo)識為31，傳輸原因為3）。

4）命令傳輸功能測試

命令有單/雙點(diǎn)命令、步調(diào)節(jié)命令和設(shè)點(diǎn)命令，但配電自動化系統(tǒng)中只需要單/雙點(diǎn)命令功能。命令有兩個標(biāo)準(zhǔn)的傳輸過程：選擇及執(zhí)行命令和直接命令傳輸。單/雙點(diǎn)命令通常采用選擇及執(zhí)行命令的傳輸過程。以單點(diǎn)命令的選擇及執(zhí)行命令傳輸過程測試為例。主站先選上將要進(jìn)行單點(diǎn)命令操作的點(diǎn)地址，然后向子站發(fā)出選擇命令，檢查子站的響應(yīng)。子站應(yīng)回復(fù)選擇確認(rèn)報文或選擇否定應(yīng)答報文。若子站回復(fù)的是選擇確認(rèn)報文，主站發(fā)送執(zhí)行命令或撤消命令，檢查子站的響應(yīng)。在主站發(fā)送執(zhí)行命令時子站應(yīng)回復(fù)執(zhí)行確認(rèn)報文，并在遙控操作執(zhí)行完畢后，子站發(fā)送遙信變位報文、遙信SOE報文和執(zhí)行結(jié)束報文；而在主站發(fā)送撤消命令時子站回復(fù)撤消確認(rèn)報文。

5）時鐘同步功能測試

主站向子站發(fā)送時鐘同步命令，檢查子站的響應(yīng)。正確響應(yīng)是子站回復(fù)時鐘同步確認(rèn)報文（報文中的時間應(yīng)為同步前本地時間）。

6）否定測試

所有的應(yīng)用功能測試都應(yīng)包含否定測試（否定測試是指主站向子站發(fā)送的 I格式報文出現(xiàn)未知類型標(biāo)識、未知或不合適的傳輸原因、未知或不合適的信息對象地址時，子站以相應(yīng)傳輸原因的否定確定報文予以回復(fù)）。

以總召喚命令功能為例。主站向子站發(fā)送未知類型標(biāo)識的I格式報文：68 0E 02 00 04 00 00 01 06 00 01 00 00 00 00 14，子站正確的響應(yīng)是回復(fù)報文：68 0E 04 00 04 00 00 01 6C（COT=44，P/N=1） 00 01 00 00 00 00 14。

主站向子站發(fā)送未知傳輸原因的 I格式報文：68 0E 04 00 06 00 64 01 00 00 01 00 00 00 00 14，子站正確的響應(yīng)是回復(fù)報文：68 0E 06 00 06 00 64 01 6D（COT=45，P/N=1） 00 01 00 00 00 00 14。

主站向子站發(fā)送未知信息對象地址的 I格式報文：68 0E 06 00 08 00 64 01 06 00 01 00 FF FF 00 14，子站正確的響應(yīng)是回復(fù)報文：68 0E 08 00 08 00 64 01 6F（COT=47，P/N=1） 00 01 00 FF FF 00 14。

2.3 測試中存在的問題

使用104通信規(guī)約測試軟件對多個廠家的配電終端設(shè)備進(jìn)行了104規(guī)約測試。終端設(shè)備在104規(guī)約的實現(xiàn)上頻繁出現(xiàn)的不符合國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的情況有：

1）啟動數(shù)據(jù)傳輸和停止數(shù)據(jù)傳輸對被測設(shè)備不起作用，即在停止數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，被測設(shè)備仍能回復(fù)主站命令，發(fā)送I格式報文。

2）時鐘同步確認(rèn)報文中的時間應(yīng)為被測設(shè)備同步前本地時間，可測試結(jié)果大多是時鐘同步命令報文中的時間。

3）分組召喚過程常出現(xiàn)的問題有：①部分分組召喚沒有報文回復(fù)，②沒有分組召喚激活終止報文，③傳輸原因錯誤。

4）遙控過程中常見錯誤：①選擇命令的回復(fù)報文中出現(xiàn)激活終止報文，②撤消命令的回復(fù)報文中出現(xiàn)激活終止報文。

5）S格式報文的使用有誤。

6）超時時間t0、t1、t2、t3的理解，不同的終端設(shè)備生產(chǎn)廠家有不同的理解。

7）沒有設(shè)置超時時間參數(shù)（t1、t2、t3）和K、W參數(shù)。

8）發(fā)送復(fù)位進(jìn)程命令，被測設(shè)備無響應(yīng)。

9）否定測試過程中常見錯誤：①沒有回復(fù)報文，②當(dāng)作正確報文接收并回復(fù)相應(yīng)的 I格式報文，而不是否定確認(rèn)報文，③傳輸原因錯誤，傳輸原因中的P/N位應(yīng)為1。

10）發(fā)送錯誤報文（68 04 00 00 00 00）時，子站把該報文作為I格式報文接收。

以上所羅列的是配電終端在104規(guī)約的實現(xiàn)上最普遍存在的問題，各生產(chǎn)廠家的配電終端還存在許多不常見的104規(guī)約實現(xiàn)上的問題。

2.4 解決方案

為解決配電終端設(shè)備在104規(guī)約實現(xiàn)上存在的問題，我們可做以下工作：

1）各電力公司根據(jù)其實際情況制定104規(guī)約應(yīng)用規(guī)范。應(yīng)用規(guī)范應(yīng)明確規(guī)定所采用104規(guī)約的版本和配電終端設(shè)備應(yīng)具備的應(yīng)用功能（如：是否具備分組召喚功能）；對于在理解上容易產(chǎn)生偏差的部分應(yīng)用規(guī)范中應(yīng)給出詳細(xì)的說明（如：在什么情況上發(fā)送S格式報文）。

2）各生產(chǎn)廠家在開發(fā)配電終端設(shè)備的104規(guī)約通信程序時，應(yīng)嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)，對于拿捏不準(zhǔn)的點(diǎn)應(yīng)多翻閱文獻(xiàn)和各電力公司的104規(guī)約應(yīng)用規(guī)范，對于一些看似不重要的點(diǎn)不能忽略（如：K/W參數(shù)和超時時間參數(shù)的設(shè)置）。

3）使用專用于配電自動化系統(tǒng)的104規(guī)約測試軟件測試各配電終端設(shè)備并根據(jù)測試分析得出測試報告（各測試項是否通過，未通過的原因等）。

4）各生產(chǎn)廠家根據(jù) 104規(guī)約應(yīng)用規(guī)范和 104規(guī)約國家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合測試報告，修改、完善其配電終端的104規(guī)約通信程序。

希望各生產(chǎn)廠家通過對配電終端進(jìn)行104規(guī)約測試，找出配電終端在104規(guī)約的實現(xiàn)上存在問題的地方并完善相應(yīng)的104規(guī)約程序，使得104規(guī)約的實現(xiàn)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

智能電網(wǎng)已成為當(dāng)今世界電網(wǎng)的發(fā)展方向。我國正積極開展智能電網(wǎng)的各項試點(diǎn)工程。文中簡要介紹了長沙麓谷經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)配電自動化試點(diǎn)工程的配電自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信系統(tǒng)。配電自動化系統(tǒng)中的配電終端在 104規(guī)約的實現(xiàn)上存在不符合國家標(biāo)準(zhǔn)的情況。為解決這一問題，可使用104通信規(guī)約測試軟件對配電終端設(shè)備進(jìn)行104規(guī)約測試，找出配電終端在104規(guī)約的實現(xiàn)上不符合國家標(biāo)準(zhǔn)的情況，促使各廠家完善配電終端的104規(guī)約程序，從而使得配電終端在104規(guī)約的實現(xiàn)上符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

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