电气监控体系常用通信协议的原理
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IEC60870-5-104协议原理
IEC60870-5-104协议（以下简称104协议）是国际电工委员会在IEC60870-5-101协议的基础上，为适应网络传输而制定的远动通信协议。它不仅可以应用在集控中心与变电站、集控中心与调度端，而且完全适用于变电站内的通信网。104协议在物理层、链路层、网络层、传输层采用RFC2200协议。RFC2200是标准的TCP/IP协议子集，因此104协议适合在基于TCP/IP协议的高带宽网络上传输。104协议最大优点是具有实时性好、可靠性高、数据传输流量大、便于信息扩展、支持网络传输等特点。104协议在应用层采用APCI（应用协议控制信息）传输接口（见图3）。根据APCI控制域格式，104协议报文有3种类型：用于编号的信息传输（I格式）、编号的监视功能（S格式）和未编号的控制功能（U格式）。I格式帧：控制域第1个八位位组组的第一位比特=0。I格式的APDU包含1个ASDU（应用数据服务单元）。S格式帧：控制域第1个八位位组的第1个比特位=1，且第2个比特位=0。S帧只包括APCI。U格式帧：控制域第1个八位位组的第1个比特位=1，且第2个比特位=1。U帧也只包括APCI。104协议通过发送序号N(S)和接收序号N(R)机制来防止报文的丢失和报文的重复。当通信双方建立连接后，双方开始数据传输。发送方每发送1个I格式报文，其发送序号加1，接收方每接收到一个与其接收序号相等的I格式报文后，其接收序号也加1。接收方通过比较接收到的I格式报文发送序号N(S)与自己的接收序号R(S)是否相等来判断是否存在报文丢失或重传的情况。当接收方收到发送序号大于自己接收序号的I格式报文时，意味着报文在经过网络传输时存在丢包。当接收方收到发送序号小于自己接收序号的I格式报文时，意味着报文在经过网络传输时存在重传。当接收方收到正确的I格式报文时，向发送方发送S格式报文进行确认。如果发送方的I格式报文长时间没有在对方的接收序号中得到确认，则意味着发生了报文丢失或网络中断。
提高电气监控系统实时性的方法有多种，总体可分为升级电气监控系统硬件和优化软件算法两方面。本文采用软件上对网络通信协议进行优化的方法，实现电气监控系统实时性能的提升。
（一）IEC60870-5-103协议的实时性优化
国际标准的103协议电气接口有2种，一种为光纤接口，另一种是EIARS485接口。光纤传输具有抗干扰能力强，传输速度快等优点。当继电保护装置与监控系统在同一个变电站内或距离较近时，光纤接口与EIARS485接口的传输速度差别可忽略不计。采用光纤接口和EIARS485接口在通信链路拓扑上是相同的，因此光纤接口与EIARS485接口的分析方法是一致的。下面重点对EIARS485接口进行分析。EIARS485接口是一种三线制半双工接口，在一个时间点只能进行信号的接收或者发送，即信号收发不能同时进行。在工程上常采用图4的通信拓扑结构。EIARS485总线上并联的3个继电保护装置轮流获得通信权，向通信前置机发送数据。继电保护装置的数据能否尽快地传送给通信前置机，取决于获得通信权的时间间隔。基于这样的机制，就会出现如果一个继电保护装置传输多个信号时，将会占据比较长的传输时间。特别是当发生大面积电气故障时，继电保护装置可能会产生较多的变位信号。如果按一个继电保护装置上传5个遥信信号计算，传输这5个变位遥信信号要通过至少20帧报文才能完成。为保证继电保护装置的信号能实时传输给通信前置机，在考虑EIARS485接口连接继电保护装置的数量时，就需要计算极端情况下，在EIARS485接口中继电保护装置信号传输的最大延时。计算EIARS485数据的传输延时，本文参考国标GB/T18657.2-2002中的非平衡传输过程进行计算。
（二）IEC60870-5-104协议的实时性优化
104协议是基于以太网传输的，以太网RJ45接口是一种平衡传输的全双工接口。影响104协议实时性的主要有2个因素：一是以太网的传输性能。这是由网络拓扑结构和以太网带宽决定的。二是104协议报文的信号携带效率。下面主要通过对第二个因素优化来提高104协议的实时性。104协议通过I格式帧进行数据传输。104协议中规定一个ASDU在不超过249个字节时，既可以传输一个信号（如开关变位信号），也可以传输一组信号（包含多个遥信信号）。在现有的监控系统104协议使用中，一个I个格式帧通常只传输一个变位遥信信号。如果能够做到在一个I个格式帧内尽可能传输多个数据，无疑提高了信号的传输效率。本文认为可以采用一个I个格式帧包含5~10个遥信变位信号。这样传输虽然增加了I个格式帧的长度（增加了15~50个字节），但对于100M以太网的传输性能来说，增加15~50个字节的影响可以忽略不计。采用这种方法传输后，原先传输500个遥信变位信号需要1000帧报文（一个遥信变位包括一帧遥信变位报文和一帧SOE报文），现在只需要500帧报文，传输延时可节约接近1半。
提高电气监控系统可靠性的优化方法
电气监控系统可靠性主要依靠通信前置机、数据服务器、远动机等设备的冗余配置和通信网络的冗余配置实现。在现有的使用过程中，硬件虽然冗余配置，但冗余设备之间的相互无扰无缝切换却是一直存在的问题。本文通过优化网络通信协议应用，使通信前置机冗余切换和通信网络冗余切换的可靠性得到提高，从而提升电气监控系统的可靠性。
（一）IEC60870-5-103协议双机热备接口切换
103协议在采用EIARS485接口时，一个EIARS485接口只能有1台主机，即2台通信前置机不能通过同一个EIARS485接口向1台继电保护装置发送报文。为提高103协议传输的可靠性，本文认为可将2台通信前置机的所有EIARS485接口并接运行。1台通信前置机处于工作状态（向继电保护装置发送和接收报文），另1台通信前置机处于热备状态（通过该EIARS485接口，只接收工作状态通信前置机与继电保护装置的通信报文）。当热备状态通信前置机检测到工作状态前置机的任何一个EIARS485接口通信中断（该EIARS485接口没有通信报文）时，热备状态前置机接过该EIARS485接口的主机地位，通过该EIARS485接口向继电保护装置发送和接收报文。此时，工作状态通信前置机则放弃该EIARS485接口的主机地位，从而实现IEC60870-5-103协议双机热备接口切换。
（二）IEC60870-5-104协议双以太网（双通道）并行数据传输
现有的监控系统大多都采用通信前置机、数据服务器、远动机和以太网的冗余配置。冗余配置大大提高了信号传输的可靠性。但目前常用的双机双网切换机制都为“硬切换”，即正常情况下冗余的两台通信前置机中只有其中一台使用冗余通信网络中的一条与远动机或服务器进行通信。当正常运行的前置机发生故障或者正常运行的通信网络中断时，通信切换到冗余的另一台通信前置机或另一条通信网络。但是使用这种机制最大的缺点是：通信前置机的切换和通信网络的切换是通过通信前置机内部软件进行判断实现的，切换过程通信是中断的，无法做到无扰连续切换。2008年，IECSC65WG15了IEC62439高可用性自动化网络协议，其中IEC62439-3规定的并行冗余协议（PRP），提出了将设备连接在具有相同特性并列运行的2个LAN网络结构上，在设备上实现冗余网络通信的数据处理。
IEC60870-5-104协议没有规定如何使用冗余通信网络进行数据传输。如果采用并行冗余协议（PRP），需要在各设备内部增加链路冗余体（LRE）进行冗余网络通信的数据处理。但传统变电站现有的监控系统设备并不具有这样的功能结构。如果采用并行冗余协议（PRP），无疑需要重新设计现有的监控系统设备。本文根据并行冗余协议（PRP）的通信原理和104协议的通信机制，在不改动现有设备的基础上，对现有的104协议的通信方式进行修改，从而实现104协议在冗余网络上的并行数据传输。
下面以通信前置机与远动机通信为例，介绍104协议并行数据传输方法（如图5）。在通信前置机和远动机的104协议程序中定义冗余传输的以太网口A和以太网口B。在以太网口A与以太网口B冗余并列通信时，双方链路初始化结束后，总召换和对时报文均由远动机通过以太网口A启动，通信前置机通过这2个以太网口，以相同的报文（包括相同的发送序号和数据内容）向远动机发送报文。远动机则同时从本机冗余传输的以太网口A和以太网口B读取报文，判断2个以太网口收到报文的发送序号，舍弃发送序号较小的报文。如果其中一条以太网链路发生翻动（因路由器或交换机的原因导致通信链路短时中断）时，通信前置机与远动机对这条以太网链路重新进行通信链路初始化（如图6）。初始化结束后，通信前置机并不将该条链路报文的发送序号置0，而是使用与另一正常链路相同的报文（包括发送序号和数据内容）继续发送，从而保证在冗余的通信网路上进行数据的同步传输。
结论
电气监控系统是实现电气设备远程监视和集中控制的综合自动化平台。提高电气监控系统的实时性和可靠性是目前研究电气监控系统的难点和热点。本文从网络通信协议的角度出发，通过对电气监控系统常用通信协议原理的分析，提出了IEC60870-5-103、IEC60870-5-104通信协议的优化使用方法。实践证明，采用该方法在不增加现场电气设备和电气监控系统硬件的条件下，通过修改电气监控系统软件算法，实现了电气监控系统性能的大幅提升，保证了电气监控系统的实时性和可靠性。
作者：李劲草单位：浙江工业大学中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司
