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IEC60870-5-104協議原理

IEC60870-5-104協議（以下簡稱104協議）是國際電工委員會在IEC60870-5-101協議的基礎上，為適應網絡傳輸而制定的遠動通信協議。它不僅可以應用在集控中心與變電站、集控中心與調度端，而且完全適用于變電站內的通信網。104協議在物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層采用RFC2200協議。RFC2200是標準的TCP/IP協議子集，因此104協議適合在基于TCP/IP協議的高帶寬網絡上傳輸。104協議最大優點是具有實時性好、可靠性高、數據傳輸流量大、便于信息擴展、支持網絡傳輸等特點。104協議在應用層采用APCI（應用協議控制信息）傳輸接口（見圖3）。根據APCI控制域格式，104協議報文有3種類型：用于編號的信息傳輸（I格式）、編號的監視功能（S格式）和未編號的控制功能（U格式）。I格式幀：控制域第1個八位位組組的第一位比特=0。I格式的APDU包含1個ASDU（應用數據服務單元）。S格式幀：控制域第1個八位位組的第1個比特位=1，且第2個比特位=0。S幀只包括APCI。U格式幀：控制域第1個八位位組的第1個比特位=1，且第2個比特位=1。U幀也只包括APCI。104協議通過發送序號N(S)和接收序號N(R)機制來防止報文的丟失和報文的重復。當通信雙方建立連接后，雙方開始數據傳輸。發送方每發送1個I格式報文，其發送序號加1，接收方每接收到一個與其接收序號相等的I格式報文后，其接收序號也加1。接收方通過比較接收到的I格式報文發送序號N(S)與自己的接收序號R(S)是否相等來判斷是否存在報文丟失或重傳的情況。當接收方收到發送序號大于自己接收序號的I格式報文時，意味著報文在經過網絡傳輸時存在丟包。當接收方收到發送序號小于自己接收序號的I格式報文時，意味著報文在經過網絡傳輸時存在重傳。當接收方收到正確的I格式報文時，向發送方發送S格式報文進行確認。如果發送方的I格式報文長時間沒有在對方的接收序號中得到確認，則意味著發生了報文丟失或網絡中斷。

提高電氣監控系統實時性的優化方法

提高電氣監控系統實時性的方法有多種，總體可分為升級電氣監控系統硬件和優化軟件算法兩方面。本文采用軟件上對網絡通信協議進行優化的方法，實現電氣監控系統實時性能的提升。

（一）IEC60870-5-103協議的實時性優化

國際標準的103協議電氣接口有2種，一種為光纖接口，另一種是EIARS485接口。光纖傳輸具有抗干擾能力強，傳輸速度快等優點。當繼電保護裝置與監控系統在同一個變電站內或距離較近時，光纖接口與EIARS485接口的傳輸速度差別可忽略不計。采用光纖接口和EIARS485接口在通信鏈路拓撲上是相同的，因此光纖接口與EIARS485接口的分析方法是一致的。下面重點對EIARS485接口進行分析。EIARS485接口是一種三線制半雙工接口，在一個時間點只能進行信號的接收或者發送，即信號收發不能同時進行。在工程上常采用圖4的通信拓撲結構。EIARS485總線上并聯的3個繼電保護裝置輪流獲得通信權，向通信前置機發送數據。繼電保護裝置的數據能否盡快地傳送給通信前置機，取決于獲得通信權的時間間隔。基于這樣的機制，就會出現如果一個繼電保護裝置傳輸多個信號時，將會占據比較長的傳輸時間。特別是當發生大面積電氣故障時，繼電保護裝置可能會產生較多的變位信號。如果按一個繼電保護裝置上傳5個遙信信號計算，傳輸這5個變位遙信信號要通過至少20幀報文才能完成。為保證繼電保護裝置的信號能實時傳輸給通信前置機，在考慮EIARS485接口連接繼電保護裝置的數量時，就需要計算極端情況下，在EIARS485接口中繼電保護裝置信號傳輸的最大延時。計算EIARS485數據的傳輸延時，本文參考國標GB/T18657.2-2002中的非平衡傳輸過程進行計算。

（二）IEC60870-5-104協議的實時性優化

104協議是基于以太網傳輸的，以太網RJ45接口是一種平衡傳輸的全雙工接口。影響104協議實時性的主要有2個因素：一是以太網的傳輸性能。這是由網絡拓撲結構和以太網帶寬決定的。二是104協議報文的信號攜帶效率。下面主要通過對第二個因素優化來提高104協議的實時性。104協議通過I格式幀進行數據傳輸。104協議中規定一個ASDU在不超過249個字節時，既可以傳輸一個信號（如開關變位信號），也可以傳輸一組信號（包含多個遙信信號）。在現有的監控系統104協議使用中，一個I個格式幀通常只傳輸一個變位遙信信號。如果能夠做到在一個I個格式幀內盡可能傳輸多個數據，無疑提高了信號的傳輸效率。本文認為可以采用一個I個格式幀包含5~10個遙信變位信號。這樣傳輸雖然增加了I個格式幀的長度（增加了15~50個字節），但對于100M以太網的傳輸性能來說，增加15~50個字節的影響可以忽略不計。采用這種方法傳輸后，原先傳輸500個遙信變位信號需要1000幀報文（一個遙信變位包括一幀遙信變位報文和一幀SOE報文），現在只需要500幀報文，傳輸延時可節約接近1半。

提高電氣監控系統可靠性的優化方法

電氣監控系統可靠性主要依靠通信前置機、數據服務器、遠動機等設備的冗余配置和通信網絡的冗余配置實現。在現有的使用過程中，硬件雖然冗余配置，但冗余設備之間的相互無擾無縫切換卻是一直存在的問題。本文通過優化網絡通信協議應用，使通信前置機冗余切換和通信網絡冗余切換的可靠性得到提高，從而提升電氣監控系統的可靠性。

（一）IEC60870-5-103協議雙機熱備接口切換

103協議在采用EIARS485接口時，一個EIARS485接口只能有1臺主機，即2臺通信前置機不能通過同一個EIARS485接口向1臺繼電保護裝置發送報文。為提高103協議傳輸的可靠性，本文認為可將2臺通信前置機的所有EIARS485接口并接運行。1臺通信前置機處于工作狀態（向繼電保護裝置發送和接收報文），另1臺通信前置機處于熱備狀態（通過該EIARS485接口，只接收工作狀態通信前置機與繼電保護裝置的通信報文）。當熱備狀態通信前置機檢測到工作狀態前置機的任何一個EIARS485接口通信中斷（該EIARS485接口沒有通信報文）時，熱備狀態前置機接過該EIARS485接口的主機地位，通過該EIARS485接口向繼電保護裝置發送和接收報文。此時，工作狀態通信前置機則放棄該EIARS485接口的主機地位，從而實現IEC60870-5-103協議雙機熱備接口切換。

（二）IEC60870-5-104協議雙以太網（雙通道）并行數據傳輸

現有的監控系統大多都采用通信前置機、數據服務器、遠動機和以太網的冗余配置。冗余配置大大提高了信號傳輸的可靠性。但目前常用的雙機雙網切換機制都為“硬切換”，即正常情況下冗余的兩臺通信前置機中只有其中一臺使用冗余通信網絡中的一條與遠動機或服務器進行通信。當正常運行的前置機發生故障或者正常運行的通信網絡中斷時，通信切換到冗余的另一臺通信前置機或另一條通信網絡。但是使用這種機制最大的缺點是：通信前置機的切換和通信網絡的切換是通過通信前置機內部軟件進行判斷實現的，切換過程通信是中斷的，無法做到無擾連續切換。2008年，IECSC65WG15了IEC62439高可用性自動化網絡協議，其中IEC62439-3規定的并行冗余協議（PRP），提出了將設備連接在具有相同特性并列運行的2個LAN網絡結構上，在設備上實現冗余網絡通信的數據處理。

IEC60870-5-104協議沒有規定如何使用冗余通信網絡進行數據傳輸。如果采用并行冗余協議（PRP），需要在各設備內部增加鏈路冗余體（LRE）進行冗余網絡通信的數據處理。但傳統變電站現有的監控系統設備并不具有這樣的功能結構。如果采用并行冗余協議（PRP），無疑需要重新設計現有的監控系統設備。本文根據并行冗余協議（PRP）的通信原理和104協議的通信機制，在不改動現有設備的基礎上，對現有的104協議的通信方式進行修改，從而實現104協議在冗余網絡上的并行數據傳輸。

下面以通信前置機與遠動機通信為例，介紹104協議并行數據傳輸方法（如圖5）。在通信前置機和遠動機的104協議程序中定義冗余傳輸的以太網口A和以太網口B。在以太網口A與以太網口B冗余并列通信時，雙方鏈路初始化結束后，總召換和對時報文均由遠動機通過以太網口A啟動，通信前置機通過這2個以太網口，以相同的報文（包括相同的發送序號和數據內容）向遠動機發送報文。遠動機則同時從本機冗余傳輸的以太網口A和以太網口B讀取報文，判斷2個以太網口收到報文的發送序號，舍棄發送序號較小的報文。如果其中一條以太網鏈路發生翻動（因路由器或交換機的原因導致通信鏈路短時中斷）時，通信前置機與遠動機對這條以太網鏈路重新進行通信鏈路初始化（如圖6）。初始化結束后，通信前置機并不將該條鏈路報文的發送序號置0，而是使用與另一正常鏈路相同的報文（包括發送序號和數據內容）繼續發送，從而保證在冗余的通信網路上進行數據的同步傳輸。

結論

電氣監控系統是實現電氣設備遠程監視和集中控制的綜合自動化平臺。提高電氣監控系統的實時性和可靠性是目前研究電氣監控系統的難點和熱點。本文從網絡通信協議的角度出發，通過對電氣監控系統常用通信協議原理的分析，提出了IEC60870-5-103、IEC60870-5-104通信協議的優化使用方法。實踐證明，采用該方法在不增加現場電氣設備和電氣監控系統硬件的條件下，通過修改電氣監控系統軟件算法，實現了電氣監控系統性能的大幅提升，保證了電氣監控系統的實時性和可靠性。

作者：李勁草單位：浙江工業大學中國石油化工股份有限公司鎮海煉化分公司