IEC104規約在綜合能源控制系統數據通訊中的應用

華麗云，金 珺，孫堅棟，張江豐，李 泉，蘇 燁

（1.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310014；2.浙江浙能鎮海發電有限責任公司，浙江 寧波 325201；3.國網浙江省電力有限公司 電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

能源是人類生存和社會發展的物質基礎，煤炭和石油等傳統能源在促進經濟高速發展的同時，也帶來了諸如資源短缺、環境污染等社會問題[1]。近年來，日益嚴峻的資源壓力和環境壓力促使許多國家積極調整能源結構，逐步減少對傳統化石類能源的依賴[2]。包括風能、太陽能和生物質能在內的清潔能源分布廣泛，資源豐富，環境友好，大規模開發和利用清潔能源是解決全球能源問題的最佳途徑和方法。

清潔能源存在間歇性、波動大、可控性差等缺點[3]，當清潔能源發電大規模接入電網時，對電網安全將產生嚴重影響。因此，需要更多燃煤或燃氣機組提供備用負荷，系統經濟性變差。另一方面，隨著經濟和社會發展，用戶側的能源需求日益呈現出多樣性，包含冷、熱、電、天然氣等各種負荷類型，而且相互之間存在耦合性[4]。目前，不同類型的能源供應系統一般是獨立運行的，很少采用階梯或循環方式，能源轉換效率偏低。為了更好地吸納清潔能源，改善生態環境，提高終端用能效率，保障能源供應系統安全，需要開發更高效、更靈活的能源利用方法和技術。

綜合能源系統（Integrated Energy System，IES）是滿足多源能源需求，推動清潔能源供應，促進可再生能源發展，實現節能減排目標的有效方法[5]。綜合能源系統定義為：在一定地理區域內，在能源系統規劃、設計、建設和運行等過程中，通過對電、熱、冷、氣和分布式能源等多種形式能源的生產、傳輸、轉換、存儲、消費和回收等環節進行有機融合，實現協同互補的綜合式能源一體化系統[6]。美國在2001 年就提出了綜合能源發展計劃，日本、加拿大以及一些歐洲國家也非常重視IES 的研究與應用。建立綜合能源系統是世界各國適應能源變革，確保社會可持續發展的必由之路。

近年來，綜合能源系統是能源領域的研究熱點之一。文獻[5]綜合考慮經濟、技術和環保等要求，提出了一種新的多目標優化模型，并采用改進的遺傳算法求最優解，用于在IES 規劃和設計階段，確定供電、供熱和供冷子系統的最優配置組合。文獻[7]提出了一種基于改進Kriging 模型的IES 規劃方法，并通過優化計算得到各主要設備的最佳配置，降低系統投資和用能成本。文獻[8-9]對于電-熱或電-熱-氣IES，基于電、熱、氣網的物理特性，構建多能流計算模型，實現了異種能源系統的同質化建模，提高能源利用效率。文獻[10]從模型、算法和指標體系等3個方面分析了IES 可靠性評估亟需解決的問題。文獻[11-13]研究了能量管理系統的優化算法和控制策略，使IES 在滿足約束的前提下，經濟和環保綜合效益達到最佳。

目前，研究人員主要關注于IES 建模、設計優化、運行優化、運行控制、儲能技術、能量梯級利用，以及經濟性和可靠性分析等幾個方面[14]。IES 通常由多個獨立運行的子系統組成，如光伏、風電、微燃機子系統等，各子系統由本地控制器實現自動控制，位于優化層的能量管理系統負責IES 協調運行。各子系統與上層監控系統之間存在大量的數據交換，需要采用網絡通訊方式傳輸數據，目前關于IES 通訊方面的文獻較少，而且IES 主要采用MODBUS 方式，該方式存在通訊功能簡單，速度慢等缺點。本文針對某綜合能源示范項目，在控制級DCS 系統設計開發了基于IEC104 規約的數據通訊控制邏輯，實現了控制級與其他層級設備的數據交互，為IES 的協調運行奠定基礎。

1 雙創基地綜合能源示范項目

國網浙江省電力有限公司“互聯網+智慧能源”雙創基地位于浙江省杭州市濱江高新開發區，由3 棟連體樓宇組成，總面積約37,000m2，可同時容納1500 名員工。雙創基地原來全部采用電制冷供冷和供熱，存在碳排放量大、能源利用率偏低等缺點。為了打造綠色、環保的創新創業基地，業主提出在雙創基地建設綜合能源示范項目，以可再生分布式能源和清潔化石分布式能源作為主要供能手段。IES 示范項目建成后，不僅可以提高雙創基地的能源利用效率，增強供能可靠性，保護環境、降低運營成本，還將作為國網浙江省電力有限公司綜合能源服務的示范基地，推進綜合能源服務業務在全省的開拓和建設。

IES 示范項目由冷熱電三聯供、風力發電、分布式光伏、儲能、能量路由器等子系統組成。三聯供子系統采用200kW 級微型燃氣輪機組，配200kW 級煙氣熱水型溴化鋰空調機組以及2×25m3蓄能罐。風電子系統由2 臺1kW 垂直軸風機組成。光伏子系統安裝于B 樓和C 樓，總裝機容量為100kW。儲能子系統配置總容量550kW/1161.216kWh集中式鋰電池，其中50kW/110.592kWh 以直流方式接入直流配電系統，其他兩組250kW/523.312kWh 儲能接入交流配電系統的380V 母線。能量路由器為五端口路由器，包含380V 交流、±375V 直流、48V 直流、光伏直流和儲能直流端口。

如圖1 所示，IES 控制系統采用三層架構，分別為現場級、控制級和優化級。現場級執行對各子系統及相關設備的常規控制，如微燃機負荷控制、風機轉速控制和參數測量等。控制級是系統的協調器和分派器，實現IES 各子系統的協調控制和指令分發功能，如系統聯鎖與保護、設備啟停、參數修改以及控制指令下發等。優化級作為最高決策層，在系統模型的基礎上，以能源效率和環境效益為綜合評價指標，采用線性規劃、遺傳算法等優化算法，在滿足運行約束的條件下，確定現場級各子系統的最佳設定值。

IEC104 規約提供的通訊功能強大，數據量大、可靠性高，對于雙創基地示范項目的重要控制功能，如能量管理系統、能量路由器等，采用IEC104 規約進行數據傳輸。現場級與控制級設備之間的數據傳輸采用兩種方式，分別為MODBUS+RS485（或TCP/IP）和IEC104+TCP/IP 方式，按IEC104 規約通訊時，控制級設備作為主站，現場級設備作為子站。控制級與優化級設備之間以IEC104+TCP/IP 方式通訊，上層的能量管理系統作為主站，下層的控制級設備作為子站。

圖1 IES示范項目控制系統架構Fig.1 Structure of control system for IES demonstration project

2 IEC104規約

IEC 60870-5-104 規約（簡稱IEC104 規約）是國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）TC57 技術委員會制定的用于遠動設備和系統之間信息傳輸的國際標準[15]。該規約將IEC101 規約的應用層規范與基于TCP/IP 協議的網絡傳輸功能相結合，為以比特（Bit）形式傳輸的遠動信息的網絡通訊提供標準化。IEC104 規約在傳輸層和網絡層采用TCP/IP 協議，在TCP 層固定使用2404端口號[15]。它具有實時性好、可靠性高、支持多種底層網絡等優點。目前，該規約已廣泛應用于電力生產、城市軌道交通等地理分散過程的監視與控制[16]。

2.1 應用協議數據單元

IEC104 規約在應用層以應用協議數據單元（Application Protocol Data Unit，APDU）為單位傳輸信息。如圖2 所示，APDU 一般由應用協議控制信息（Application Protocol Control Information，APCI）和應用服務數據單元（Application Service Data Unit，ASDU）兩部分組成。

2.2 應用協議控制信息

APCI 包含6 個字節，首字節68H（H 表示十六進制數）用作信息啟動字符；次字節指定APDU 的主體長度（從控制域開始到APDU 末字節之間的字節數），因APDU 報文長度不超過255 個字節，故該長度最大值為253。后4 個字節為控制域，用于設置報文格式、傳輸啟停以及防止報文丟失和重傳的控制信息。

圖2 應用協議數據單元結構Fig.2 Structure of application protocol data unit

IEC104 規約定義了3 種報文格式，以控制域8 位位組1 的最低2 位區分，00B（B 表示二進制數）表示I 幀（編號的信息報文）、01B 表示S 幀（編號的監視報文）、10B表示U 幀（不編號的控制報文）。I 幀是信息幀，為長幀，包含ASDU 單元，其長度必定大于6 個字節，需要在APCI控制域設置15 位發送序號和接收序號，用于傳輸各類遠動數據。S 幀是確認幀，為短幀，不含ASDU 單元，用于確認接收到的I 幀報文。U 幀是控制幀，為短幀，也不含ASDU 單元，用于傳輸控制報文與測試報文。

2.3 應用服務數據單元

如圖3 所示，ASDU 包含數據單元標識和信息體兩部分。數據單元標識由類型標識、可變結構限定詞、傳送原因及公共地址組成。類型標識定義信息體的類型、結構和格式，例如0DH 表示帶品質描述、不帶時標的短浮點型遙測信息。可變結構限定詞的低7 位表示信息體數量，最高位表示信息體排列方式，有離散和順序兩種方式，離散排列時，每個信息對象都需要指定地址，順序排列時，只需要指定首個信息對象地址，后續各信息對象地址按前一個地址加1 推算。傳送原因占2 個字節，但一般只使用低字節的低6 位。ASDU 公共地址表示子站地址。

信息體部分通常包含多個信息對象，每個信息對象一般由地址、元素和時標組成。如前所述，當采取順序排列時，第二個信息對象及其后各信息對象的地址不需要重新指定。信息對象的元素即測點值，通過類型標識設置，可支持多種數值類型，并且可附帶品質信息。時標表示信息發生的時間，根據類型標識設置，可以為短時標或長時標，也可以不含時標。

2.4 主站與子站

圖3 應用服務數據單位結構Fig.3 Structure of application service data unit

基于IEC104 規約的數據通訊在主站和子站之間進行，其中主站是控制站，負責下發調度指令，召喚子站的監控信息；子站是被控站，負責執行主站下發的調度指令，上傳本站的監控信息。對于一個IEC104 通訊系統，主站只有一個（采用冗余結構的系統，物理上雖有多個主站，但邏輯上仍為一個主站），子站可以根據系統實際情形配置多個，不同子站按公共地址進行區分。

圖4 是IEC104 通訊系統示意圖，子站可通過不同類型廣域網絡，如ISDN、幀中繼、X.25 或以太網等，接至主站所在的TCP/IP 局域網。主站與子站之間在傳輸層以TCP 協議，在應用層按IEC104 規約通訊，子站之間不能進行數據傳輸。每個子站作為數據服務的提供方，是一個TCP 服務器端，主站作為數據服務的召喚方，是一個TCP 客戶端。服務器端啟動運行后，在2404 端口監聽客戶端發送的連接請求。建立連接后，主站和子站之間即可按IEC104 規約進行數據傳輸。

3 基于IEC104規約的通訊實現

雙創基地IES 示范項目的控制級采用上海新華控制技術集團科技有限公司開發的NetPAC II 分散控制系統（Distributed Control System，DCS），由控制站、工程師站和操作員站3 部分組成。控制站執行少量模擬量和開關量信號采集，以及三聯供子系統就地設備的遠程操作等功能。工程師站實現控制邏輯、監視畫面和生產報表組態、參數修改、虛擬控制器運行、控制級網絡和設備運行狀態監視與診斷等功能。作為人機接口的操作員站提供監視畫面，使運行人員可以執行設備監控、曲線查詢、報警顯示等操作。

基于IEC104 規約的數據通訊由運行于工程師站的兩個虛擬控制器VXCU 和IEC104Slave 子站軟件實現。其中兩個VXCU 作為主站，分別與兩個子站能量路由器和同期裝置，構成兩個獨立運行的IEC104 通訊系統；IEC104Slave軟件作為子站，與主站能量管理系統（Energy Management System，EMS）構成一個IEC104 通訊系統。通訊信號包括雙向傳輸的模擬量和開關量，分別對應IEC104 規約的遙信量、遙測量、遙控量和遙調量，統稱為“四遙”信號。

圖4 IEC通訊系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of IEC104 communication system

3.1 主站實現

在IES 控制級的工程師站，創建兩個VXCU 虛擬控制器，實現兩個IEC104 通訊主站，分別與兩個IEC104 子站能量路由器子系統和同期裝置子系統進行數據通訊。其中，能量路由器的通訊點包括全部“四遙”信號，同期裝置的通訊點則只有遙信量和遙測量兩種。

在進行IEC104 主站通訊邏輯組態時，首先配置VXCU主目錄下的“IEC104Drv.ini”文件，按系統實際情形設置子站個數（目前每個VXCU 僅支持單個子站）、子站IP 地址、端口號、子站公共地址、“四遙”信號點數和總召喚間隔時間等信息。組態軟件為每一個“四遙”信號分配獨一的站號/卡件號/通道號，將其映射成VXCU 的輸入/輸出測點，其中遙信量對應為開關量輸入測點，遙測量對應為模擬量輸入測點，遙控量對應為開關量輸出測點，遙調量對應為模擬量輸出測點。

按IEC104 規約，遙信量和遙測量的傳輸是一步完成的。當主站下發總召喚命令或者子站主動上傳數據時，子站向主站發送包含遙信量或遙測量的APDU 數據幀，主站接收并解析該APDU 幀，根據ASDU 的信息對象地址與VXCU 中站號/卡件號/通道號之間的映射關系，刷新對應開關量或模擬量輸入測點的數值。

鑒于IEC104 規約的典型應用場景是電力生產調度等對可靠性要求較高遠動系統，為了避免誤操作，確保系統安全運行，對于遙控量和遙調量發送，通常需要按選擇-確認-執行（或撤銷）三步進行。圖5 示意了遙控命令的發送過程，第一步主站下發遙控選擇報文；第二步子站收到選擇報文后，向主站返回遙控返校報文；第三步主站收到應答后，下發遙控執行或撤銷報文。至此，遙控命令下發完成，子站執行該遙控命令（控分或控合），并將執行確認報文和遙控結束報文發送至主站。

圖5 遙控指令發送過程Fig.5 Remote control command sending process

以IES 能量路由器子系統的AC/DC 轉換器的投/撤控制為例，說明在VXCU 中實現遙控命令下發的控制邏輯。如圖6 所示，操作人員通過監控畫面中的開關量設定按鈕投/撤AC/DC 后，將分別產生AC/DC-ON 開關量信號和遙控選擇脈沖信號，激活VXCU 的Watch104Thread線程向子站發送遙控選擇報文；VXCU 的CommWatchProc線程接收到子站返回的遙控返校報文后，調用回調函數將8 號I/O 卡對應通道的輸出置為脈沖信號；在控制邏輯中，該脈沖信號輸入至3 號I/O 卡對應的通道，從而激活Watch104Thread 線程向子站發送遙控執行報文。

采用以上設計的遙控命令下發邏輯后，可以免除運行人員對子站上傳的遙控返校確認信號的人工判斷與處理，主站在收到該返校報文后，自動產生遙控執行脈沖信號，激活相關線程發送遙控執行報文。該邏輯設計簡化了遙控操作的復雜性，減少了運行人員的工作量，適用于IES 遠程控制。

能量路由器子系統的遙調量包括五端口總功率期望、光伏DC/DC 有功期望、儲能DC/DC 有功期望等，重要程度較低，對可靠性要求不高。因此，遙調命令不需要像遙控命令那樣，按選擇-確認-執行三步進行，可通過IEC104規約的設點命令一步完成（電力生產調度的AGC 負荷指令下發也采用一步到位的方式）。圖7 是能量路由器光伏DC/DC 有功期望遙調命令下發的控制邏輯。

3.2 子站實現

在現場級的工程師站創建IEC104 子站，向上層的能量管理系統發送重要的IES 運行數據，并接收EMS 下發的優化控制和調節指令。在NetPAC II 分散控制系統中實現IEC104 子站比較簡單，不需要進行邏輯組態。首先，配置工程文件，設置主站IP 地址、子站公共地址、各類“四遙”信號的起始地址；然后，將“四遙信號”的KKS 碼按類型和序號寫入測點配置文件；最后，啟動IEC104Slave.exe 子站程序，便可進行數據傳輸。

圖6 遙控命令下發控制邏輯Fig.6 Control logic of remote control command issuing

圖7 遙調命令下發控制邏輯Fig.7 Control logic of remote adjust command issuing

3.3 典型報文分析

雙創基地IES 控制系統基于IEC104 規約通訊的典型報文包括總召喚、遙信、遙測、遙控和遙調設點報文等幾類。以下從運行日志中選出的報文均以十六進制數表示。

1）總召喚

當通信雙方首次建立連接或間隔時間已到，主站將向子站下發總召喚命令，要求子站上次全部遙信和遙測信息。主站發出總召喚報文后，子站需要進行激活確認，示例報文如下。

主站：68 (啟動字符) 0E (長度) 2400 (發送序號) 2206 (接收序號) 64 (類型標識，總召喚) 01 (可變結構限定詞，1 個信息體) 0600 (傳送原因，激活) 0100 (子站公共地址) 000000 (信息體地址) 14 (2002 年后已不用)。

從站：680E220626006401 (同上) 0700 (傳送原因，激活確認) 010000000014 (同上)。

2）遙信

響應總召喚或者遙信量發生變化時，子站向主站發送遙信報文。支持多種類型遙信報文，如單點遙信、雙點遙信、帶時標單點遙信等，示例報文如下：

子站：688C24062600 (同上) 01 (類型標識，帶品質描述的單點遙信) FF (可變結構限定詞，127 個順序排列信息對象) 1400 (傳送原因，響應總召喚) 0100 (同上) 010000 (信息對象起始地址，01) 00 (第一個遙信值，分) 01 (第二個遙信值，合)…。

3）遙測

響應總召喚或者遙測量發生變化時，子站向主站發送遙測報文。支持多種類型遙測報文，如歸一化遙測值、短浮點遙測值等，示例報文如下：

子站：68FD28062600 (同上) 0D (類型標識，帶品質描述的短浮點遙測值) B0 (可變結構限定詞，48 個順序排列信息對象) 14000100 (同上) 01400000 (信息對象起始地址，401H) 0020FD3C (第一個遙測值，以IEEE 754 標準格式表示，0.031) 00 (第一個遙測量品質，合格) 00487C40 (第二個遙測值，3.94) 00 (同上)…。

4）遙控

遙控命令發送按選擇-確認-執行三步進行，主站與子站之間需要傳輸5 次報文，示例報文如下：

主站：680EBC004C18 (同上) 2E (類型標識，單點遙控命令) 0106000100 (同上) 0D6000 (信息對象地址，600DH) 82 (遙控選擇，合)

子站：680E4C18BE002E01 (同上) 0700 (傳送原因，選擇確認) 01000D600082 (同上)

主站：680EBE004E182E01060001000D6000 (同上) 02 (遙控執行，合)

子站：680E4E18C0002E01 (同上) 0700 (傳送原因，執行確認) 01000D600002 (同上)

子站：680E5018C0002E01 (同上) 0A00 (傳送原因，遙控結束) 0100D60002 (同上)

5）遙調

遙調命令用于目標定值、控制參數、上下限等設置，在雙創基地IES 控制系統中采用直接執行方式，示例報文如下：

主站：6812DA00A21A (同上) 32 (類型標識，短浮點數設點) 0106000100 (同上) 116200 (信息對象地址，6211H) 0000F041 (遙調值，30) 00 (設定命令限定詞，設點執行)

子站：6812A41ADE003201 (同上) 0700 (傳送原因，設點確定) 01001162000000F04100 (同上)

4 結語

綜合能源系統是未來能源生產與消費的新模式，是推動可再生能源利用，提高能源使用效率，降低環境污染的最佳途徑。目前，國內外關于IES 的研究尚處于初級階段，偏重于理論與優化計算，缺少工程實施和運行方面的內容。

本文針對雙創基地IES 示范項目，研究了在三層架構的控制系統中，采用IEC104 協議在現場級與控制級、控制級與優化級進行數據通訊的問題。在新華公司NetPAC II 分散控制系統中，利用組態軟件，實現了“四遙”信號通訊的控制邏輯。在符合IEC104 規范的前提下，簡化遙控命令的發送過程，提高了運行人員的工作效率。本文研究內容對于其他IES 項目的設計和實施，具有一定參考價值。