IEC 60870-5-104協議在光伏電站中的應用

陶學軍，徐奉友，王艷領

（許繼集團有限公司，河南許昌 461000）

IEC 60870-5-104協議在光伏電站中的應用

陶學軍，徐奉友，王艷領

（許繼集團有限公司，河南許昌 461000）

為了適應日益發展的光伏電站對穩定性和規范化的要求，介紹了IEC 60870-5-104協議在光伏電站中的應用，簡述了光伏電站監控系統的網絡結構，重點闡述了IEC60870-5-104協議轉換方法。

IEC 60870-5-104；協議轉換；光伏電站

0 引言

近幾年光伏電站發展迅速，光伏電站的先進性、規范化成為一個重要的研究課題。先進性的光伏電站應當穩定、可靠且便于維護和系統擴展。光伏電站中通信協議的工作性能是衡量光伏電站先進性的一個重要指標。IEC 60870-5-104通信協議以其低廉的成本、優良的性能[1-2]在電力系統監控網絡中備受青睞。同樣，當今蓬勃興起的光伏電站，它的通信系統也都傾向于使用這種通信協議。結合案例，文章首先簡述了光伏電站的網絡結構。然后重點闡述了光伏電站通信過程中的一個重要問題：IEC60870-5-104協議與其他協議的信息交互方法。

1 IEC 60870-5-104協議概述

IEC 60870通信協議是國際電工委員會于2000年前后修訂完成的一種遠程監控通信協議[3]，這種通信協議適合電力系統和其他大地理跨度系統中使用。第5部分即IEC 60870-5針對直連的兩個系統之間傳輸基本遠程監控信息做了陳述，協議對報文格式、鏈路傳輸規則、應用數據結構、信息定義和編碼方法、基本應用功能都做了規范化約定，后來又對與之相關的標準推出了一致性測試準則。目前，除北美以外，它在全球電力系統中受到廣泛應用。IEC60870-5包括4個標準。其中，IEC 60870-5-101定義了基本遠程遠動功能信息傳輸規約；IEC 60870-5-102定義了電力系統電能信息傳輸標準；IEC 60870-5-103定義了繼電保護設備的信息接口標準；IEC 60870-5-104是IEC 60870-5-101的網絡版。

IEC 60870-5-104是IEC 60870-5-101協議為了適應網絡通信方式而產生的。所以它的信息定義和編碼方法、基本功能定義、數據結構和IEC 60870-5-101協議基本相同；同時這種協議使用開放的TCP/IP通信接口，所以通過這種協議，來自不同廠家的不同產品可以使用以太網連接在一起構成一個局域網或則通過路由器與廣域網連接；控制中心與遠動站之間也不再像IEC 60870-5-101協議規定[4]的那樣需要直接的物理連接，而可以通過虛擬鏈路實現通信[5]。

2 IEC 60870-5-104在光伏電站中的應用

光伏電站監控系統需要實現三部分功能：

（1）采集各數據終端數據，監控電站運行；

（2）接收調度中心發來的發電計劃，控制電站發電量；

（3）存儲電站歷史數據。

圖1是格爾木光伏電站網絡示意圖。

圖1 光伏電站網絡示意圖

如圖1所示，光伏電站監控網絡分為三級。

（1）調動中心與下屬電站的通信網絡調度中心和電站的局域網以FTP形式進行通訊，圖1中調動中心通過一臺路由器與局域網內的一臺文件服務器相互通信。

（2）電站局域網電站中的監控電腦、遠動站、功率預測裝置、數據服務器和協議轉換裝置組成一個局域網。因為這個網絡需要傳輸來自各數據終端的數據，而且服務器和監控電腦、遠動站、調度中心之間也需要通信，通信數據量大、實時性要求高，所以一般的串口通信不能滿足它的要求。IEC 60870-5-104以TCP/IP網絡為傳輸介質，能較好滿足光伏電站監控系統的性能要求。

（3）協議轉換裝置和數據終端之間的通信網絡。因為光伏電站中含有很多儀表和控制器，它們來自不同廠家，且他們通常使用不同的通信協議。例如電表使用DLT645協議，電能質量檢測儀使用IEC60870-5-103協議，箱變智能監控裝置和智能匯流箱則使用Modbus協議。單臺設備數據量相對較小，所以通信帶寬要求小。鑒于以上兩點，底層設備若要與上一級網絡——電站局域網——進行通信，需要協議轉換裝置。通過協議轉換裝置實現兩級網路信息的報文轉換、通訊流程匹配、物理接口轉換等。

3 IEC 60870-5-104協議轉換

IEC 60870-5-104通信網絡和其他通信網絡的信息交流，在軟件方面主要涉及以下兩方面工作：通信流程匹配，報文轉換。下面以IEC 60870-5-104的寫定值操作與Modbus協議的多寄存器寫操作為例介紹協議轉換方法。

3.1 報文結構

通信協議轉換，須了解兩種通信協議的報文結構和信息交互流程。根據不同的報文對其進行相應的處理。

3.1.1 IEC 60870-5-104報文結構

圖 2和 圖 3為 IEC 60870-5-104報文結構圖[5-6]。

如圖 2所示，IEC 60870-5-104報文(APDU)包含兩部分內容：APCI(應用控制信息)，ASDU(應用服務數據單元)，需注意的是某些報文只含APCI部分。APCI用于IEC 60870-5-104通信控制，包含報文起始符、數據長度和控制域。ASDU包含設備控制信息、控制參數、設備地址、數據長度等，它是協議轉換應當關注的重點。

圖2 IEC 60870-5-104報文結構圖

3.1.2 Modbus報文結構

Modbus報文[7]結構不固定，不同功能的Modbus報文有不同的報文結構，但它們都含有裝置地址（Slave address），功能碼（Function），循環冗余校驗碼（CRC），有的報文還含有寄存器地址（StartAddress）、寄存器個數（No.of Registers），數據字節數（Byte Count）， 數據（Da?ta）等。下面是RTU格式的多寄存器寫操作報文[7]結構圖。

3.1.3 報文轉換

報文轉換即根據各自的通信協議對兩種協議的報文進行轉換。報文轉換需要完成的內容如下。

（1）報文解析

即根據通信協議規定的報文結構，解析出報文功能及其相關數據。這是協議轉換的基礎。IEC 60870-5-104報文可以參考IEC 60870-5相關文檔[5-6，11-12]來完成。下面是通過以太網口截取的一串IEC 60850-5-104報文：68 12 26 00 84 0F|32 01 06 00 01 01 01 62|00 00 00 40 41 00，其中68 12 26 00 84 0F是APCI部分。

圖3 ASDU結構

圖4 Modbus多寄存器寫操作報文結構圖

表1是這串報文的ASDU部分解析結果。

表1 IEC 60870-5-104“設定值“報文

（2）基本功能匹配

IEC 60870-5-104協議[5-6，8]基本功能定義包含總召、設定值命令、時鐘同步等，而Modbus協議定義的基本功能有多寄存器寫操作、多寄存器讀操作、單線圈讀操作、單線圈寫操作等[7]。兩種協議規定的基本功能是不一致的，所以需要建立一種映射表，即兩種協議基本功能的對應關系。例如IEC 60870-5-10寫設定值功能可以和Modbus多（或單）寄存器寫操作對應。

（3）地址映射

IEC 60870-5-104報文包含ASDU公共地址和信息對象地址，Modbus報文包含設備編號和寄存器地址，協議轉換過程需要對兩者建立一一映射關系。

（4）報文數據轉換

IEC 60870-5-104報文數據通常為little-Endi?an格式，Modbus報文數據通常為為big-Endian格式。IEC 60870-5-104報文數據有整形、浮點型等，Modbus報文則有ASCII和RTU兩種傳輸方式。所以協議轉換過程中需要對它們進行轉換。

（5）報文重組與發送

在選擇了報文功能類型和報文數據后，需要按報文格式對其進行組合，必要時需要加入附加信息，如CRC碼、時間信息等。例：表2是“寫多寄存器”報文，此報文信息來自61870-5-104“寫定值”報文（表1）。

表2 Modbus“寫多寄存器”報文

3.2 協議轉換流程

圖5是IEC 60870-5-104和Modbus協議轉換示意圖。

圖5 協議轉換示意圖

因為TCP報文的處理和APCI的處理主要面向網絡控制，限于篇幅在此不再贅述。ASDU和Modbus報文的交互是協議轉換的關鍵。

不同的通信協議有不同的通信流程，并且同一通信協議不同的功能也通常有不同的通信流程，協議轉換裝置需要根據各自的通信協議，對其進行匹配。

例：電站監控系統遙調功能的實現。

在IEC 60870-5-104協議中可以使用類型為50的報文[3]完成遙調功能，即設定值報文。在Modbus協議中，可以使用“多寄存器寫操作”執行IEC 608970-5-104的“寫定值”指令。下面是兩種通信報文的交互流程[5-8]，假設通信鏈路都已建立，且鏈路暢通。

由圖5、6可以看出：IEC 60870-5-104報文與Modbus報文并不是一一對應的，協議轉換裝置接收的報文是否需要把相關信息發給使用另一種通信協議的裝置，這需要按根據各協議的邏輯需求確定。

圖6只是一個簡單的通信交互流程圖，實際上，協議轉換設備除了含有正常的報文交互機制之外，還需要添加誤碼檢測與處理機制、線路中斷檢測與處理機制、報文交互時間匹配機制，這兩項內容此處不再闡述，詳細要求請查看相關文獻[5-7，9-10]。

圖6 光伏監控系統遙控命令的實現

4 小結

光伏電站通信系統主要涉及網絡拓撲結構和通信協議轉換。文章首先以新疆格爾木光伏電站為例，介紹了它的拓撲結構，然后以Modbus通信設備和監控主站通信過程為例，介紹了IEC60870-5-104信協議與其他通信協議進行協議轉換方法。雖然文章只描述了IEC 60870-5-104協議中其中一個功能的實現過程，相信讀者可以以此為參考，得到其他功能的實現方法。

［1］胡明，周全林，劉鳳夙，等.變電站自動化系統采用IEC60870-5-103 104協議的優勢［J］.繼電器，2003，31（5）：62-64.

［2］廖澤友，蔡運清.IEC 60870-5-103和IEC 104-5-104協議應用經驗［J］.電力系統自動化，2003，27（4）：66-68.

［3］蔡運清.IEC 870-5系列及DNP 3.0規約簡介［J］.電力系統自動化，1998，22（1）：49-51，74.

［4］ DL/T634-1997.遠動設備及系統第5部分：傳輸規約，第101篇：基本遠動任務配套標準［S］.

［5］ INTERNATIONALSTANDARD IEC60870-5-104（Telecontrol equipment and systems-Part 5-104：Transmission protocols-Network access forIEC 60870-5-101 using standard transport profiles）［S］.

［6］IEC 60870-5-104，遠動設備及系統 （5-104部分：傳輸規約，采用標準傳輸文件集的IEC6087 0-5-101網絡訪問）［S］.

［7］Modicon Modbus Protocol Reference Guide（PI-MBUS -300 Rev.J）［S］.

［8］IEC-60870-5-5遠動設備及系統，第5部分：傳輸規約，第5篇：基本應用功能［S］.

［9］IEC-60870-5-3遠動設備及系統，第5部分：傳輸規約，第1篇：傳輸幀格式［S］.

［10］IEC-60870-5-2遠動設備及系統，第5部分：傳輸規約，第1篇：鏈路傳輸規則［S］.

［11］IEC-60870-5-3遠動設備及系統，第5部分：傳輸規約，第3篇：應用數據的一般結構［S］.

［12］IEC-60870-5-4遠動設備及系統，第5部分：傳輸規約，第4篇：應用數據的定義和編碼）［S］.

Application of IEC 60870-5-104 Protocol in Photovoltaic Power Plants

TAO Xue-jun，XU Feng-you，WANG Yan-ling
（XJ Group Corporation，Xuchang461000，China）

To match the demand of stability and standard about photovoltaic power plants that develop rapidly，the essay introduced the application of IEC 60870-5-104 protocol in photovoltaic power plants.First，the architecture of network in photovoltaic power plants was described briefly.Then，protocol conversion between IEC 60870-5-104 and other protocols was detailed.

IEC 60870-5-104；protocol conversion；photovoltaic power plant

TM615

A

1009－9492(2014)03－0040－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.012

陶學軍，男，1971年生，內蒙古通遼人，碩士，工程師。研究領域：電氣控制。

(編輯：阮 毅)

2013－09－09