基于IEC 60870-5-104協議的調度命令發送方法研究

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(廣東電網有限責任公司電力調度控制中心，廣東 廣州 510600)

0 引言

隨著計算機、網絡和數據庫等相關技術的不斷發展和完善，調度自動化系統的發展也越來越迅速[1-2]。如何根據電力調度自動化系統中網絡結構和應用系統的獨特特點，按照國家信息安全等級保護要求和行業安全規范，在系統內建立全方位的調度自動化系統的安全保障體系，使電力企業應對信息安全快速變化的能力大幅提高，成為了電力企業亟待解決的安全問題。

電網調度自動化命令系統是一個重要的工具，能在已有數據庫中收集調度資源程序的修改請求，包括控制室操作員的后續操作和最優潮流(OPF)過程的計算結果。這些請求在通過適當的格式轉換后，將作為“調度消息”迅速發送給電廠管理者。調度消息中包含的信息可歸類為需要高可用性的信息。以前的解決方案是通過互聯網發送信息，但不能保證信息具有高可用性。提出的解決方案涉及使用IEC 60870-5-104協議中包含的發送文件功能，該功能廣泛應用于電網調度自動化的遠程控制和操作系統[3-5]。因此，有必要使一個函數能夠周期性地從命令系統獲取調度消息，連接用于遠程控制系統和操作的IEC 60870-5-104庫[6-8]，處理并通知命令系統文件傳輸的結果。此外，函數還需要與調度資源的管理者一起管理保持活躍的消息，以及對調度消息發送過程中可能出現的故障進行管理。新功能“管理平衡訂單傳輸”(以下簡稱“腳本”)將用“bash”語言實現，其激活將在SCADA過程中實現[9-10]，專用于要求定期調度。

為適應新形勢的需要，提出了一種基于現有IEC 60870-5-104協議的調度命令發送新方法。這種先進的技術充分利用了IEC 60870-5-104協議的文件發送功能，通過遠程終端單元向電廠發送包含調度命令的文本文件。

1 數據模型和程序

1.1 實現說明

在此，通過對數據庫方案和數據提供過程進行修改來支持腳本。需要制定1個數據結構，來支持“傳輸進行中”狀態和隨后的命令系統通知的管理，并允許與“etso代碼”(用于標識命令系統中的調度資源的代碼)和用于文件傳輸的IEC 60870-5-104參數相關聯。此外，還必須制定1個支持創建報警的程序，當命令系統數據庫的連接失敗時，系統進行警告。數據結構的簡化模型如圖1所示。

圖1 數據結構簡化模型

1.2 數據庫模型和過程實現中表的描述

在SCADA數據庫結構中，文件表將可能的調度消息類型與每個調度資源(單元表)相關聯，并為與傳輸結果和命令系統通知相關的狀態管理活動提供支持。此外，它還利用IEC 60870-5-104協議(包含在FILEX表中)，建立了包含調度消息的文件與相應的文件傳輸參數之間的關系。

FILEX表為每種可能的文件類型和每種調度資源指定了使用IEC 60870-5-104協議進行文件傳輸的參數(公共地址、信息對象地址和RTU標識符)，并支持對IEC60870-5-104庫返回狀態的管理。

UNIT表描述了調度資源，新功能通過“etso代碼”將來自命令系統的信息關聯起來。

RTU表將文件傳輸參數與必要信息(IP地址和端口)結合起來，以建立正確的IEC 60870-5-104連接。RTU表包括以下信息：

a.包含周期性和周期性函數的調度參數的表，經過修改后允許對具有第二分辨率(CRN)的函數進行調度。

b.定義虛擬信號的表，該信號與警報的生成相關聯，并用于通知無法與命令系統數據庫(TSS)建立連接。

1.3 發展詳情

對CRN表的結構進行了修改，以添加包含具有第二分辨率的激活周期值的“SECOND”字段。為了管理新的CRN表結構，修改了在線數據庫生成和數據提供的過程。此外，在該表中還插入1個新條目，其中包含以15 s為周期的激活參數。

修改了FILEX表的結構，以便添加用于管理IEC 60870-5-104庫中的返回狀態的字段和用于與文件鏈接表的字段。為了更好地管理新的FILEX表結構，修改了在線數據庫生成和數據提供的過程。

定義了1個新的FILES表及其相關的管理過程；在TSS表中插入了1個新條目，用于管理與命令系統數據庫的丟失連接；數據提供程序也已更改，以允許正確提供支持事件和警報創建鏈的所有表。

2 現有軟件的修改

在繼續進行詳細說明之前，有必要對實施軟件調整干預的應用領域進行界定。

2.1 SAS_CRN進程

新腳本將由專用的SCADA進程激活，這些進程需要1個重復或定期激活(SAS_CRN)。該過程是采用多線程編程技術實現的，允許獨立地激活CRN表中包含的每個函數。因此，每個函數都可以由1個專用線程(專門為該函數開發)或1個通用線程(控制用bash編寫的腳本的執行)控制。作為本文檔主題的函數將由1個通用線程控制，該線程的任務是檢查定期激活。

由于此過程需要很高的激活頻率(周期為15 s)來確保及時提交包含調度消息的文件，故SAS_CRN進程已被修改。這有助于提高管理和過程所有者的可維護性。干預措施如下：

a.通過將粒度增加到1 s來調整調度管理邏輯。

b.更新定義激活規則的語法。

c.通過檢查CRN表中的專用字段，提供檢查功能激活的可能性。有3種可能性,即功能在激活參數對應的時刻激活、功能立即激活和功能未激活。

2.2 DAX_HRD流程

腳本開發中的一個基本問題是修改SCADA進程(DAX_HRD)，該進程專用于管理SCADA與現場設備之間的對話。關于文件傳輸，配置文件預計它們將作為“透明文件”傳輸，因此，根據協議，“文件名”的值將假定為1。DAX_HRD進程定義了應該對文件執行的操作，它需要添加1個擴展名，根據操作或傳輸狀態，該擴展名可以采用以下值：自動發送；發送；已發送；發送失敗。

透明文件必須放在預先確定的目錄中，并按子目錄組織，具體取決于：RTU標識符、共同地址和信息對象地址。

當遠程控制和操作系統數據庫正在更新時，可以觀察到調度消息傳輸過程中的中斷，因此，控制系統必須能夠恢復并再次發送到命令系統。

2.3 新功能開發

調度信息管理功能是將指揮系統處理的調度信息發送給電廠業主。

處理的調度信息直接通過數據庫查詢從SCADA數據庫獲取到命令系統。由于無法將控制系統程序的激活與將調度消息插入命令系統數據庫同步，因此必須在每min的第0 s、第15 s、第30 s和第45 s運行以下活動：

a.選擇并發送等待傳輸的調度信息。

b.檢查結果并通知掛起的傳輸狀態。

c.管理保持活躍的消息。

在每min的第0 s、第15 s、第30 s和第45 s，控制系統將執行對命令系統數據庫的查詢，以選擇等待傳輸的調度消息。特別是以下領域：插入日期；報文唯一標識符；電廠名稱；信息類型；最大提交嘗試次數；包含消息的文件名；消息文本。

通過篩選插入日期不為空且創建日期為空的所有郵件，將這些郵件按日期排序。

在發送這些按插入日期、電廠名稱和優先級選擇和排序的消息之前，有必要將唯一標識“文件104對象”的參數與它們關聯起來。通過使用連接表單元、文件和文件的關系，這種關聯是可行的。

通過使用電廠名稱作為機組表的訪問鍵，可以選擇：RTU標識符；共同地址；信息對象地址；文件標識符。

有了這些信息，可以啟動傳輸并通過更新以下信息通知命令系統接收文件傳輸：時間戳中的接管日期和時間；當前嘗試次數；嘗試的時間戳中的日期和小時。

同樣，必須更新SCADA表文件和FILEX中的以下信息：時間戳中的接管日期和時間；轉移狀態；最后通知指揮系統的狀態；分配給命令系統消息的唯一標識符；正在傳輸嘗試次數；最大傳輸嘗試次數。

如上所述，對于每個傳輸狀態更改，DAX_HRD進程將根據達到的狀態修改擴展名，重命名文件，此外，還將更新FILEX表中包含的以下信息：達到當前狀態的日期和時間；當前轉移狀態。

每min的第0 s、第15 s、第30 s和第45 s，SCADA檢查掛起傳輸的結果，并將到達的狀態通知給命令系統。為了檢查結果，有必要通過選擇具有唯一分派消息的掛起傳輸文件來標識這些文件。對于每個選定的文件，需要驗證：電位傳遞誤差；轉移時間可能到期；達到有效狀態。

每當文件傳輸不成功時，DAX_HRD進程將通過將傳輸狀態切換到“錯誤”通知錯誤。如果尚未達到最大嘗試次數，則該文件必須在掛起傳輸的文件行中排隊。否則，文件將被最終刪除。因此，有必要實施一種考慮到未達到和已達到最大提交嘗試次數這2種可能情況的管理邏輯。

如果未達到最大提交嘗試次數，則必須按以下步驟進行：

a.減少可能的嘗試。

b.將錯誤通知命令系統。

c.更新連接到SCADA數據庫文件傳輸失敗表的記錄。需要更新的信息包括最后通知指揮系統的狀態以及分配給新嘗試的累進數。

如果已達到最大提交嘗試次數，則有必要按以下步驟進行：

a.將錯誤通知指揮系統。

c.重置連接到錯誤傳輸文件的記錄。

2.4 保持活躍消息管理

新的調度報文提交方式的可靠性，與現場設備與遠程控制和操作系統之間連接鏈的整體可靠性密切相關。電網調度自動化命令系統負責監控自己的設備和通信媒介。為了進一步支持這一監測，在應用程序級別啟動一個名為“保持活躍”的控制系統連接狀態定期檢查程序。這是一個選項，電廠管理者可以提交請求，并且在提交請求時，他們必須指明網關或RTU，從中可以接收保持活躍的信息。因此，控制系統將每隔5 min定期向指定的網關或RTU發送1條通用消息，其中包含：消息標識符、備注和消息創建日期。

3 結束語

本文提出的方法利用IEC 60870-5-104標準來發送調度信息，保證了基于該方法的魯棒性，同時具有使用遠程控制和操作系統發送調度命令的優點，避免了通過互聯網發送機密數據。將該方法在電網調度自動化 SCADA系統中進行測試，測試過程表明，實現過程是安全的，不僅所有的異常和錯誤都被正確地檢測到，而且可以實現交換數據的更高可用性，能夠在不影響電網公司數據中心“大數據”的情況下提高網絡安全管理水平和效率，為大電網系統安全做好網絡保障。

相對于傳統的電網調度自動化命令系統，本文介紹的基于IEC 60870-5-104協議的調度命令發送方法，具有良好的可靠性、靈活性、伸縮性和開放性，適用于各級電網調度自動化系統，保證了調度自動化系統的安全性，提高了電網信息安全防護水平，加快電力企業的發展步伐。