“變電站綜合自動化”課程中的通信規約教學探討

孫抗?王玉梅

摘要：由于歷史和技術原因，現有變電站綜合自動化系統中的通信規約種類繁多、內容各異，給教師課程教學和學生理解掌握帶來了一定的難度。根據近年來的教學實踐，首先梳理現有各類通信規約的體系結構，在此基礎上提取各類規約的共性，按照“幀結構”和“傳輸規則”兩條主線學習具有代表性的遠動規約，最后通過報文解讀鞏固所學內容。

關鍵詞：變電站自動化；通信規約；幀結構；傳輸規則；報文分析

作者簡介：孫抗（1982-），男，江蘇徐州人，河南理工大學電氣學院，講師；王玉梅（1963-），女，河南輝縣人，河南理工大學電氣學院，教授。（河南 焦作 454000）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）15-0046-02

變電站綜合自動化系統實質上是由一系列基于微電子技術的智能電子裝置IED（Intelligent Electronic Device）和后臺控制系統所組成的變電站運行控制系統，包括監控、保護、電能質量自動控制等多個子系統。為了實現各子系統內部、子系統之間以及遠動終端與主站之間的信息交換和信息共享，有效配置和優化二次設備，高效、可靠、靈活的數據通信必不可少。為此，需要在發送端和接收端之間規定了一系列約定和順序，統稱為通信規約。在各類“變電站綜合自動化”教材及課程中，通信規約部分一直都是要求學生重點掌握的重要知識點。同時，由于歷史和技術上的原因，現有系統中新老規約并存，且種類繁多、內容各異，給教師課堂教學和學生學習掌握帶來了一定的難度。結合近年來的教學實踐，本文拋磚引玉，對該部分的教學做簡單探討。

一、電力遠動規約體系簡介

國內外遠動規約種類繁多，功能各異，這常常給初學者帶來困惑，因此有必要在初始授課階段就引入遠動規約的發展脈絡，講清楚遠動規約發展的來龍去脈，方便學生整體把握，也有利于突出重點。目前，在電網監控系統中，國內主要采用兩類通信規約：循環式數據傳送（Cyclic Digital Transmission）規約，簡稱CDT規約；問答式（Polling）傳送規約，簡稱POLLING規約。

CDT規約采用時間早，使用最廣泛，我國在1991年即頒布了DL451-199l循環式遠動規約。該規約一般采用標準的計算機串行口進行數據傳輸，采用同步傳輸、循環發送數據的方式。其特點是接口簡單，傳輸方便，因而得到了廣泛的應用。但由于該協議傳輸信息量少（僅能傳輸256路遙測、512路遙信、64路遙脈，即64路脈沖計數值），且不能傳輸全部保護信息，因此難以適應現代變電站自動化技術的要求。

由于CDT規約固有的缺點，我國開始引入了Polling規約，即IEC60870-5系列規約。IEC60870-5系列通信協議體系是國際電工委員會第57技術委員會第3工作組（IEC TC57 WG03）用了多年時間制訂的一套用于變電站遠動通信的協議體系。與傳統的遠動通信協議不同，IEC60870-5系列通信協議體系借鑒了網絡通信協議的分層技術，將協議分為鏈路層和應用層：鏈路層由IEC60870-5-1和IEC60870-5-2描述；應用層的基礎部分由IEC60870-5-3、IEC60870-5-4和IEC60870-5-5描述。根據應用領域的不同，IEC自1995年起相繼推出了一系列IEC60870-5配套標準，如基本遠動任務的配套標準、電能脈沖計數量配套標準、繼電保護設備信息接口配套標準等。我國決定等效采用IEC體系的信息傳輸規約，并陸續頒布了基于IEC標準相關配套標準，如表1所示。

表1 IEC60870-5系列規約的配套標準及我國對應的行業標準

IEC60870-5配套標準 我國對應的電力行業標準 名稱和作用 應用場合

IEC60870-5-101 DL/T634-1997

DL/T634.5101-2002 基本遠動任務配套標準 變電站和調度中心間

IEC60870-5-102 DL/T719-2000 電能累計量傳輸配套標準 變電站和調度中心間

IEC60870-5-103 DL/T667-1999 繼電保護設備信息接口配套標準 變電站內IED與監控主機間

IEC60870-5-104 DL/T634.5104-2002 網絡傳輸協議，將IEC 60870-5-101的應用層與TCP/IP的傳輸功能相結合 變電站和調度中心間

由于IEC60870系列規約制定的周期過長（超過十年），當IEC標準的數據鏈路幀格式和鏈路傳輸過程部分發布時，許多廠家在應用層標準未發布情況下紛紛推出各自的遠動規約。其中GE-Harris公司的DNP3.0（Distributed Network Protocol）占據電力系統自動化產品市場的主流地位，在美國等西方國家有廣泛的應用，在我國的應用范圍也十分廣闊。DNP3.0是開放式協議，既可以用于SCADA系統，也可應用于分布式自動化系統。因此，它既可以作為饋線終端單元FTU與配網主站之間的規約，又可作為RTU與調度主站之間的規約。作為事實標準，DNP和國際標準IEC的主導地位將持續相當長一段時間。

隨著通信和計算機技術的高速發展，用戶對變電站自動化系統的要求也水漲船高。系統在實現控制、監視和保護功能的同時，為了實現不同廠家的設備達到信息共享，使變電站自動化系統成為開放系統，還應具有互操作性。為方便變電站中各種IED的管理以及設備間的互聯，就需要一種通用的通信方式來實現。IEC 61850提出了一種公共的通信標準，通過對設備的一系列規范化，使其形成一個規范的輸出，實現系統的無縫連接。IEC 61850標準是基于通用網絡通信平臺的變電站自動化系統唯一國際標準，它是由國際電工委員會第57技術委員會（IECTC57）的3個工作組10、11、12（WGl0/11/12）負責制定的。變電站通信體系IEC 61850將變電站通信體系分為變電站層、間隔層、過程層3層。在變電站層和間隔層之間的網絡采用抽象通信服務接口映射到制造報文規范（MMS）、傳輸控制協議/網際協議（TCP/IP）以太網或光纖網。在間隔層和過程層之間的網絡采用單點向多點的單向傳輸以太網。變電站內的智能電子設備（IED）均采用統一的協議，通過網絡進行信息交換。我國與之配套的標準是DL/T860。

二、典型遠動規約分析

受課時所限，課堂上不可能講授所有類型規約，可選擇一種或兩種非常典型的且已在我國得到廣泛應用的遠動規約進行講解。為了方便學生理解，根據各種規約的共性，制訂了“幀結構+傳輸規則”兩步學習法，以便學生快速掌握并能輕松舉一反三。下面以DL451-199l循環式遠動規約為例進行說明。

部頒CDT規約DL451-1991規定了電網數據采集與監控系統中循環式遠動規約的功能、幀結構、信息字結構和傳輸規則，適用于點到點的通信結構。它以廠站端為主動源，廠站端循環地向控制中心發送預先約定的一系列數據幀，控制中心只是接收并處理這些數據。CDT規約可以保證控制中心時刻監視廠站端的重要遙測量和開關狀態，當傳送中偶爾發生錯誤時，可以在以后的循環中得到糾正，要求的可靠性級別較低。

1.幀結構

在主站和RTU之間主要傳送如下信息：遙測、遙信、事件順序記錄、電能脈沖計數值、遙控命令、設定命令、升降命令、對時命令、廣播命令、復歸命令、子站工作狀態等。規約以幀為單位組織數據，每幀都以同步字開頭，并有控制字及信息字。信息字的數量可按實際需要設定，因此幀的長度是可變的，幀結構如圖1所示。

同步字 控制字 信息字1 …… 信息字n

圖1 CDT規約幀結構

每個字均由6個字節構成，除同步字外，控制字和信息字的最后一個字節均為8位CRC校驗碼。同步字為連續的3組EB90H，控制字是對本幀的信息說明，共有B7～B12六個字節，其結構如圖2所示。

控制字節 B7

幀類別 B8

信息字數 B9

源站址 B10

目的站址 B11

校驗碼 B12

圖2 控制字結構

其中，控制字節結構如圖3所示，含4位有效位，擴展位E=0時，使用規約已定義的幀類別；E=1時幀類別可自行定義以擴展功能。幀長位L=0時，表示本幀信息字數為0，即沒有信息字；L=1時表示本幀有信息字，而信息字個數由控制字中的信息字數（B9）定義。S和D分別表示源站址定義位和目的站址定義位，兩者在上行信息和下行信息中均有不同含義。在上行信息中，S=1表示控制字中源站址有內容，源站址字節內容即代表信息始發站的站號，即子站站號；D=1表示控制字中目的站址有內容，目的站址字節內容即主站站號。在下行信息中，S=1表示源站址字節有內容，源站址字節內容即為主站站號；D=1表示目的站址有內容，目的站址字節內容為信息到達站的站號；D=0表示目的站址字節內容為0xFF，即代表廣播命令，所有子站同時接收并執行此命令。在上行或下行信息中，若S=D=0，則表示源站址和目的站址無意義。

E L S D 0 0 0 1

圖3 控制字節結構

規約定義的部分重要幀類別及代號如表2所示。

表2 部分幀類別及其代號

幀類別代號 定義

上行E=0 下行E=0

61H 重要遙測（A幀） 遙控選擇

C2H 次要遙測（B幀） 遙控執行

B3H 一般遙測（C幀） 遙控撤銷

F4H 遙信狀態（D1幀） 升降選擇

85H 電能脈沖計數值（D2幀） 升降執行

26H 事件順序記錄（E幀） 升降撤銷

信息字是承載遠動信息的實體，每個信息字由Bn～Bn+5六個字節構成：功能碼一個字節，信息數據碼四個字節，CRC校驗碼一個字節，其通用格式如圖4所示。

功能碼有256個（0x00～0x FF），分別代表信息的不同用途，部分重要功能碼分配表如表3所示。

表3 部分功能碼分配表

功能碼代號 字數 用途 信息位數 容量

00H～7FH 128 遙測 16 256

80H～81H 2 事件順序記錄 64 4096

A0H～DFH 64 電能脈沖計數值 32 64

E0H 1 遙控選擇 32 256

E1H 1 遙控反校 32 256

E2H 1 遙控執行 32 256

E3H 1 遙控撤銷 32 256

EDH 1 設置時鐘校正值 32 1

EEH～EFH 2 設置時鐘 64 1

F0H～FFH 16 遙信 32 512

CDT規約中定義了遙測信息字、遙信信息字、時間順序記錄（SOE）信息字和遙控命令信息字等，本文僅以遙測信息字對規約信息字進行說明，如表4所示。

表4 遙測信息字格式

功能碼（00H～7FH） Bn字節 遙測信息字說明

遙測i b7…b0 Bn+1字節 每個信息字傳送兩路遙測量；

b11…b0傳送一路模擬量，以二進制碼表示。b11=0時為正數，b11=1時為負數，以2的補碼表示；

b14=l時表示溢出，b15=l時表示數據無效

b15…b8 Bn+2字節

遙測i+1 b7…b0 Bn+3字節

b15…b8 Bn+4字節

校驗碼 Bn+5字節

2.傳輸規則

在CDT規約中，遠動信息按其重要性和實時性要求，分為五種不同的幀：A、B、C、D幀（D1幀與D2幀）和E幀。這些幀在循環時間上有不同的要求，重要的遙測幀安排在A幀傳送，循環時間不大于3s；次要遙測信息安排在B幀傳送，循環時間一般不大于6s；一般遙測信息安排在C幀傳送，循環時間一般不大于20s；遙信狀態信息，包括子站工作狀態信息，安排在D1幀定時傳送；電能脈沖計數值安排在D2幀定時傳送；SOE信息安排在E幀，以幀插入的方式傳送三遍。D1、D2幀傳送的是慢變化量，以幾分鐘至幾十分鐘的周期循環傳送。E幀傳送的是隨機量，同一個SOE信息應分別在三個E幀內重復傳送三次。

在滿足上述規定的循環時間的前提下，幀系列可以根據要求任意組織。對于A、B、C、D1、D2幀，可以按照要求的循環時間，固定各幀的排列順序循環傳送。在E幀需要傳送時，可以用幀插入方式將E幀插入到原來的幀系列中，取代原有的某一幀傳送。一種常用的A2幀系列傳送順序如圖5所示。

3.報文分析

某報文：

EB 90 EB 90 EB 90 71 61 12 01 64 2D

00 E5 03 E7 03 49 01 E7 03 00 00 26

02 C1 06 00 00 FA 03 00 00 00 00 59

04 00 00 00 00 70 05 A9 06 00 00 36

06 97 00 98 00 C9 07 95 00 00 00 CE

08 6F 0F CD 0F 0F 09 B7 09 87 00 99

0A 84 00 85 00 BC 0B 00 00 D2 0F FD

0C F8 0F 6C 09 AB 0D 00 00 00 00 0B

0E 00 00 00 00 AD 0F 00 00 CB 06 A7

10 FE 0F 5D 03 A1 11 53 03 4B 03 11

報文分析：在此報文中，三組EB90為同步字（圖1）。70 61 12 01 64 2D為控制字（圖2），其中，71表示控制字節；由幀類別代碼61（表2）可知，該幀為重要遙測信息幀（A幀）；由信息字數12可知該報文共18個信息字；信息字來自于源站址01，表示RTU站號為01，且信息字傳送到代碼為100（64H）的設備；2D為校驗碼。

在第一個信息字00 E5 03 E7 03 49中，根據信息字格式，00為功能碼，根據00的功能碼定義（表3），該信息為遙測信息1、2。遙測1原碼值為3E5H，對應的十進制數為997；遙測2原碼值為3E7H，對應的十進制數為999（表4）。49為校驗碼。

三、結論

針對目前國內外遠動規約種類繁多，新老并存的問題，從歷史和技術的角度梳理了現有各類通信規約的體系結構。在此基礎上，提取各類規約的共性，按照“幀結構”和“傳輸規則”兩條主線學習具有代表性的遠動規約，最后通過報文解讀鞏固所學內容。近年來的教學實踐表明，該教學思路和方法對學生快速、扎實地掌握各類通信規約具有十分積極的作用。

（責任編輯：王意琴）