（计算机软件与理论专业论文）基于分布式网络协议dnp30的远动通信仿真研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于分布式网络协议d n p 3 0 的远动通信仿真研究 摘要 远动系统在当今已被广泛应用于电力传输、水利调度、石油输送等领域。 s c a d a 系统是远动系统的重要组成部分，远动规约保证了数据在计算机监控 系统中的准确获取和传输。远动规约也经历了它的发展历程，形成了如今 各种规约并存的局面。针对当前各领域中广泛应用的对等式远动规约的特 性，设计了一种有效的基于分布式网络协议的通信仿真系统。 论文第一部分简要叙述了s c a d a 系统的组成、远动规约的分类及国内外 s c a d a 系统的发展现状及趋势。另外还简要介绍了两大类常用的远动通信 规约：传统远动规约包括：c d t 、p o l l i n g 、i l o d b u s 规约及对等式远动规约包 括：i e c8 7 0 - 5 - 1 0 1 、d n p s 。在介绍这些规约的帧结构和工作方式的同时， 对它们的特点进行了概括。最后介绍了远动通信系统仿真软件的应用前景 及当前较为流行的几种远动通信仿真系统。 论文第二章从传输帧格式、链路传输规则、应用数据结构和基本应用 功能几方面详细介绍了对等式规约。并着重介绍了分布式网络协议d n p 3 的 网络结构、应用数据分类、扫描方式及消息传输的碰撞及处理，并在此基 础上介绍了构建d n p 网络的层条件和连接管理及基于t c p 和u d p 协议的网 ? 络构建方式及单一主站和多重主站连接的d n p 网络。 第三部分介绍了了本文涉及到的软件开发语言c 什和开发工具 v i s u a l c + + 的面向对象的编程技术和多线程技术，在此基础上，第四部分详 细说明了基于分布式网络协议的通信系统仿真设计及实现方法，通过分析 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 d n p 3 的通讯方式，用c + + 构建了d n p 3 对象模型。设计实现了主站模块和r t u 模块及其通信方法。 最后讨论了通信协议的测试，介绍了协议测试内容及方法，分析t n 试 结果，得出了测试结论。 本文通过对s c a d a 系统及远动规约的构成和发展趋势的研究，设计了 一种基于分布式网络协议的远动通信仿真系统，可实现近似的实时数据传 输。设计了远动规约程序的外部接口和内部结构，讨论了程序功能有效分 工的策略，提出了以透明性进行有效分工的方法：设计了主站通信模块和 r t u 通信模块，并用v c + + 加以实现。实验证明该系统是一个适用面广、可 靠、灵活的通信仿真系统，可以应用于工程实践中，达到了预期目标。 关键词：远动通信规约，d n p 3 0 ，c + + ，仿真 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho nt e l e c o n t r o lc o m m u nic a t10 nsim u l a tl0 n s y s t e mb a s e d0 ndis t rib u t e dn e t w o r kp r o t o c o l a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h et e l e c o n t r o ls y s t e mh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt om a n yf i e l d s ， s u c ha sp o w e rt r a n s m i s s i o n 、b y d r a u l i cd i s p a t c h ，o i it r a n s p o r t a t i o n s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o ni sai m p o r t a n tp a r to ft h et e l e c o n t r o ls y s t e m s t e l e c o n t r o lp r o t o c o le n s u r et h ea c c u r a c yo fd a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n o ft h ec o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m s t h et e l e c o n t r o lp r o t o c o la l s od e v e l o p st o as t a t u st h a ta l lk i n d so fp r o t o c o l sc o e x i s tt o d a y d e s i g n i n gae f f i c i e n t s i m u l a t i o no fc o m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nd i s t r i b u t e dn e t w o r kp r o t o c o li s n e c e s s a r yw h i c hi sa i m e da tt h ep e c u l i a r i t i e so fp e e rt op e e rt e l e c o n t r o l p r o t o c o lt h a ta r ew i d e l ya p p li e di nv a r i o u sd o m a i n s t h ef i r s tp a r to ft h ep a p e rs i m p l yi n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo fs c a d a s y s t e m 、t h es t a t u sa n dt r e n do fd e v e l o p m e n to fs c a n as y s t e ma th o m ea n da b r o a d t w om a j o rk i n d so ft e l e c o n t r o lp r o t o c o l sa r ed i s c u s s e di nt h i sc h a p t e r ，o n ek i n d i st h et r a d i t i o n a lt e l e c o n t r o lp r o t o c o lw h i c hi n c l u d e sc d t 、p o l l i n ga n d m o d b u s ，t h eo t h e rk i n di st h ep e e rt op e e rt e l e c o n t r o lp r o t o c o lw h i c hi n c l u d e s i e c8 7 0 - 5 1 0 1a n dd n p se t c t h ew o r k i n gm o d ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s e p r o t o c o l sa r ea l s od i s c u s s e di nt h i sc h a p t e r f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o ns o f t w a r e o fr e m o t ec o m m u n i c a t i o na n ds e v e r a lp o p u l a rr e m o t ec m m u n i c a t i o ns i m u l a t i o n s y s t e ma r ep r e s e n t e d i nt h es e c o n dc h a p t e rt h ed e t a i l e dc o n t e n to fp e e rt op e e rr e m o t ep r o t o c o l i si n t r o d u c e df r o mt h ea s p e c t so f ：t r a n s m i s s i o nf l a m ef o r m a t s ，l i n kt r a n s m i s s i o n p r o c e d a r e s ，g e n e r a l s t r u c t u r eo f a p p l i c a t i o nd a t a , b a s i ca p p l i c a t i o n f u n c t i o n t h ee x p l a n a t i o no ft h ea r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o n a l i t yp r o v i d e db yt h e i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 d i s t r i b u t e dn e t w o r kp r o t o c o l ( d n p 3 ) i sr e s e a r c h e dd e e p l y ，s u c ha sn e t w o r k s t r u c t u r e ，t y p e so fa p p l i c a t i o nd a t a ，s c a nm o d e ，m e s s a g et r a n s m i s s i o nc o l l i s i o n i nt h ed a t a l i n kl a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e r o nt h eb a s eo fi n t r d u c t i o no f e x p l a n a t i o no ft h ep r o t o c o li sp r e s e n t e dt o g e t h e rw i t ha ng e n e r a ls i t u a t i o no f 1 a y e rr e q u i r e m e n t sa n dc o n n e c t i o nm a n a g e m e n to ft h ed n pn e t w o r k a na p p r o a c ht o i m p l e m e n tt h ep r o t o c o lt h a ta d o p t st h es i n g l em a s t e rc o n n e c t i o nm o d ea n dt h e m u l t i p l em a s t e rc o n n e c t i o ni sd i s c u s s e d t h et h i r dp a r to ft h ep a p e ri n c l u d e st h et e c h n i q u e sw h i c ha r eu s e di nt h e d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h es i m u l a t i o ns o f t w a r e o nt h eb a s eo ft h ei n t r o d u c t i o n o ft h ec + + p r o g r a m m et e c h n i q u e si sp r e s e n t e dt o g e t h e rw i t ht h ew a y so ft h em a s t e r a n dr t uc o m m u n i c a t i o n t h ee n do ft h ep a p e rd i s c u s s e st h et e s to ft h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，s i m p l y i n t r o d u c e st h ec o n t e n ta n dm e t h o do ft h et e s t ，a n a l y z e st h er e s u l to ft h et e s t a n da c h i e v e st h ec o n c l u s i o n o ft h et e s t t h r o u g hr e s e a r c h i n gi n t ot h ea r c h i t e c t u r ea n dd e v e l o p i n gt r e n do ft h es c a d a s y s t e ma n dt h er e m o t ep r o t o c o l s ，t h ep a p e rd e s i g n sac o m m u n i c a t i o ns i m u l a t i o n s y s t e mb a s e do nt h ed i s t r i b u t e dn e t w o r kp r o t o c o l ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rr e m o t e a n da p p r o x i m a t er e a l t i m ed a t at r a n s m i s s i o n t h ee x t e r n a li n t e r f a c ea n di n t e r n a l s t r u c t u r eo ft e l e c o n t r o lp r o t o c o lp r o g r a mi sd e s i g n e d t h et a c t i co fe f f e c t i v e d i v i d i n go ft h ep r o g r a mf u n c t i o ni sd i s c u s s e d ，t h ee f f e c t i v ew a yt od i v i d et h e p r o g r a mf u n c t i o ni sp r e s e n t e di nt e r mo ft r a n s p a r e n c y m a s t e ra n dr t ui sd e s i g n e d a n dr e a l i z e dw i t hv c + + t h ed e s i g n e ds y s t e mi sp r a c t i c a l l yp r o v e dt ob ear e l i a b l e 、f l e x i b l e 、w i d e l y u s e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi tc a nb eu s e di nt h ep r o j e c t so fd i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o n k e yw o r d s ：r e m o t ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，d n p 3 0 ，c + + ，s i m u l a t i o n 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 竹韦 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 导师签名： 堂垒日期：丑! ：! ! 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 远动系统概述 第一章绪论 远动系统的主要任务是将表征系统工程中各种运行状态和系统各部分的有关实时 信息采集到调度控制中心：然后再把调度控制中心的命令发往发各子系统，对设备进行 控制和调节。0 1 遥测、遥信、遥调和遥控嘲是远动系统要完成的基本任务。随着信息技 术和控制技术的进步，远动系统功能根据系统调度自动化的实际需要还在不断的扩展。 远动系统中最基本的是数据采集和监控( s c a d a ) 系统。通常来说，远动系统的结构如图 卜1 所示翻： s c a d a 值长工作站 ff l i 前置机 l 调 f i 数据采集| i 数据采集| l 数据采集i 1 1 1s o a d a 系统概述 图1 1 远动系统结构图 f i 9 1 - ! r e m o t es y s t e ms t r u c t u r em a p 中心 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统，即数据采集与监视控 制系统。它的应用领域很广，可应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据 l 太原理工大学硕士研究生学位论文 采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。s c a d a 系统是通过计算机对生产过程进行控 制从而实现自动化控制的，可以对现场的运行设备进行监视和控制。 在电力系统中，s c a d a 系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它作为能量管理 系统( e m s 系统) 。1 的一个最主要的予系统，有着信息完整、提高效率、正确掌握系统 运行状态、加快决策、帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为不可缺少的工 具。它在提高工程运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现工程调 度自动化与现代化，提高调度的效率和水等方面有着不可替代的作用。哪 在供水调度工程中，s c a d a 系统也发挥着同样重要的作用，水利设施的监控包括水 利枢纽设施、水库闸门群、河口防海潮闸门群、航运设施监控系统等。随着计算机网络、 多媒体等技术的迅猛发展，对水利设施的监控方式从单一的现地( 或机旁) 监控、集中 监控发展到分散、分布式监控；信息的采集与处理在单一的数据基础上增加了音频和视 频；从系统的数字化监测与控制，发展到与工业电视监视相结合。9 0 年代的水利设施临 控系统具有功能综和化、互连网络化、开放性标准化等特征。近l o 多年来，计算机产 业又发生了革命性的变化，也对监控系统产生了巨大的影响。监控软件在总体结构、人 机界面、系统功能等方面也发生了巨大改变。监控软件的发展经历了几个阶段，从早期 的面向具体应用的系统，到提出一套较抽象的软件功能，从而进入了面向过程的应用， 随着应用实体的不断抽象，又出现了面向现场设备的面向对象的监控系统“1 迅速发展的多媒体技术给监控系统的功能综合化提供的重要的技术支持手段。监控 系统的功能综合化通过现场总线、l a n 甚至w a n 进行，而系统的功能综合化和互联网络 化又必须要求系统具有开放性和标准化。 随着调水系统对可靠性、经济性以及现代化管理水平的要求不断提高，特别是 计算机的性能价格比不断提高，水利工程采用计算机监控系统，并进一步对流域性的梯 级水利工程进行远方集中控制已经成为现实。其所具备的特点是： 1 以无人值班( 少人值班) 嗍为目标的计算机监控系统迅速发展。 2 基于现场总线技术已在工业过程控制领域得到了广泛的应用。 3 人工智能专家系统在水利工程计算机监控系统中的应用渐趋成熟 4 多媒体技术在水利工程计算机监控系统中的应用更加广泛。 5 对等式远动归约在s c a d a 系统上的作用日益突显。 s c a d a 技术又称计算机四遥( 遥测、遥控、遥信、遥调) 技术。”s c a d a 系统是建立 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 在3 c + s ( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 、c o n t r o l 、s e n s o r ) 基础上，集监测控制和数据获取 为一体的自动化系统。s c a d a 系统功能分为常规功能和非常规功能两部分，常规功能包 括“数据采集( 遥测、遥信) 、报警、状态监视、遥控、遥调、事件顺序记录、统计计算、 趋势曲线、事故追忆、历史数据的存贮和制表打印”；非常规功能包括“支持无人值班 变电站的接口、实现馈线保护的远方投切，定值远方切换、线路动态着色、地理接线图 与信息集成”埘。一般来说，s c a d a 系统组成如图1 - 2 所示。 _ 1 竺! ! 卜一竺兰竺苎! 卜_ 现 场 二 图1 - 2s c a d a 系统结构示意图 f i g l 一2t h es k e t c hm 8 po fs c a d as y s t e m ( 1 ) 信号转换装置包括测量对象信息的转换与放大和被控对象的执行机构两部分。 因为远动终端r t u 只能采集和接收符合要求的电信号，这些电信号有豹是其值随时间而 连续变化的模拟量，有的是数值离散化的脉冲量，而有的是表示开关状态的开关量，这 正是信号转换装置功能之所在。 ( 2 ) 远动终端( r t u ) 是位于远离调度端对现场实现监测和控制的装置。它接收和处 理现场信息经转换后送来的模拟量、脉冲量和开关量：把采集到的各种数据，按照通信 规约组成一帧一帧的报文送往调度端，并接收调度端送来的命令报文：当某个开关状态 发生变化后，记录下开关号及变位后的状态、变位后的时刻：当调度端发来遥控命令时， r t u 收到命令，在确认无误后，即执行遥控操作，通过接口电路、执行机构，使某个或 多个断路器或隔离开关进行“合”或“分”的操作。 ( 3 ) 通信信道是s c a d a 系统中用于传输数据的路径，其质量是保证s c a d a 系统可靠 运行的重要前提。 ( 4 )s c a d a 系统中最主要的人一机界而部分的主要调度操作都在调度端实现，每个 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 远动终端采集到的有关数据都要定时或不定时的在调度端予以汇总。调度端的具体功能 有：( a ) 收集各r t u 发送来的数据，如模拟量、数字量、开关量、脉冲量：( b ) 对r t u 送 来的数据进行处理、运算、判断，如有功功率、无功功率、电能量等的总加，越限告警， 连续模拟量输出一记录如电压曲线、负荷曲线等：( c ) 实现人一机对话，形成命令并下发命 令到r t u 实现遥控操作断路器、系统接地故障查找、开关事故变位、事故画面优先显示、 光声告警事件顺序记录、事故追忆、调节功率因数以投入备用电容器组补偿：( d ) 实时数 据显示、系统一次接线图显示、各种曲线显示、发送遥控命令和报表打印等功能。 1 2 引黄工程计算机监控系统概述 山西省万家寨引黄工程( y r d p ) 计算机监控系统示一个复杂的系统，包括多个子系 统，这些子系统分布在沿线，主要有：数据采集和控制( s c a d a ) 子系统、水里测量( 哪s ) 予系统、工业电视( i t v s ) 子系统、通信子系统( c s ) 、水力学过渡过程计算及仿真( h s s ) 子系统等。蛔基于本文主要研究的系统中的网络通信部分，以下就工程相关内容进行简 要介绍： i 2 1 系统组成配置 根据引黄工程地理分布和站间串联运行的特点，全系统由1 2 个计算机监控子系统 组成，通过这些计算机监控子系统完成对整个输水系统所有机电设备和水工建筑物的自 动监控的任务。它们分别是： 太原调度控制中心计算机监控系统；总干三级泵站和备用调度控制中心计算机监控 系统；总干一、二级泵站计算机监控系统；南于一级泵站计算机监控系统；南干二级 泵站计算机监控系统；联接段计算机监控系统；大梁泵站计算机监控系统；魏家窑水电 站计算机监控系统；朔州分水口r t u ；山阴分水口r t u ；怀仁分水口r t u 和赵家小村水 库r t u 。 引黄工程计算机监控系统也同主体工程相似，分二期建成，第一期工程完成太原调 度控制中心计算机监控系统( t c s ) 、总干三级泵站和备用调度控制中心计算机监控系统 ( 叫3 c s ) 、总干一、二级泵站计算机监控系统( g m i g i l 2 c s ) 、南干一级泵站计算机监控 系统( s m l c s ) 、南干二级泵站计算机监控系统( s m 2 c s ) 和联接段计算机监控系统( c w c s ) 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 的建设，余下的其它北干线上的6 个子计算机监控系统将在二期建成。总体结构如图1 - - 3 所示。 图1 - 3 系统总体结构 f i 9 1 3t h es t r u c t u r eo fs y s t e o 引黄工程计算机监控系统采用分层分布式结构，广域网按i e e e s 0 2 3 或i e e e 8 0 2 4 设计，支持全开放的分布式结构，通信规约采用t c p i p ，d n p 3 0 。通信速率为2 m b p s 。 站级局域网按i e e e s 0 2 3 设计，通信规约采用t c p i p ，传输速率为1 0 1 0 0 m b p s 。 现地级采用m o d b u s 及4 2 2 4 8 5 总线，通信规约采用r s l i n k 每个子系统均为开放式分 布系统，各子系统的计算机设备采用局域网将各节点联结成网，各子系统之间采用广域 网相连，w a n 结构如图卜4 。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 嚣、 颠 冈 = 习 i f 曲 爿 i f 一一，一一二一一i 图1 - 4 姒n 道按图 f i g l 一4w a nm a p 1 2 2s o 越) a 计算机监控模式 根据引黄工程全线监控站点沿线分布的特点及各监控站点的实时性要求，引黄工程 s c a d a 采用集中统一调度、功能分层分散的模式。 图1 - 5 引黄工程s c a d a 模式 f i g l 一5s c a d am o d eo fy r d p 该模式把数据采集和大部分控制任务放在现地解决，有利于保证控制的及时可靠、 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 减少通信流量和减少通信故障对系统功能的影响，实现了s c a d 系统数据采集和处理以 及控制的分层和分布。三层之间的数据传输采用t c p i p 协议，传输层的数据格式为 d n p 3 0 。为了与不支持i ) n p 协议的设备或系统进行数据通信，设计了协议转换器。分布 式s c a d a 系统的数据通信的层次模型如图1 - 6 所示。 里里里( 一t 真 1 2 3 监测量分析 图i - 6 数据通信的层次模型 f i 9 1 - 6d a t at r a f f i cl a y e rm o d e l 为了了解设备的运行工况以及输水全线的运行数据，必须对各种量进行采集和处 理。根据这些量可以进行全线输水的调度，也可以预先发现设备的故障及时进行处理。 ( 1 ) 监测可分为三类，即： 设备运行参数、状态和位置监测量。 无压隧洞安全运行所需要的洞内水位监测量。 全线输水调度用的水力监测量。 ( 2 ) 用于设备的监测量 电流、电压、功率、频率、转速等，电机线圈温度，泵电机消耗等 ( 3 ) 无压隧洞内水位监测量 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 工程设计要求无压隧洞内有2 0 空间，水流不允许充顶，以保证隧洞的安全。为此 工程上要求在隧洞中装设一些水位计，以监测洞内水位。 ( 4 ) 调度用水力监测量 水质、水温监测量；含沙量测量；水位测量；闸门开度测量；供水量测量。 1 3 远动通信规约概述 1 3 1 远动规约的传输模式 远动规约是远动通信双方为实现信息交换而做的一组约定，它规定了数据通信的帧 格式和传输规则，其中，传输规则是规约的核心内容，它确定了一个规约的特征和远动 通信的工作方式“”。就目前普遍运用于调度自动化和水利综合自动化的通信规约，按照 远动规约的发展，可分为传统的远动规约m 1 和对等式远动规约。传统的远动规约又被分 为应答式规约和循环式规约两类。“小脚 1 3 1 1 应答式规约 应答式规约，又称p o l l i n g 规约，如s c l 8 0 1 和l l o d b u s 等。它以主站为主，依次向 各r t u 发送查询命令，r t u 一般只在主站询问时才向主站发送回答信息。主站按规约要 求向各个r t u 发出各种询问报文。r t u 按照接收到的报文要求组织数据、报告舢的运 行状态或者输出控制及调节信号，并向主站匝答相应的报文。各r t u 依次查询命令进行 回答，回答信息串的长度时可变的：问答式( p o l l i n g ) 规约适用于点对点、多个点对点、 多点共线、多点环形或多点星形的远动系统。通道可以是双工或半双工。信息传输为异 步方式。 一、规约的特点：， ( 1 ) r t u 有问必答，当r t u 收到主机查询命令后，必须在规定的时间内应答，否则 视为本次通信失败。( 2 ) r t u 无问不答，当r t u 未收到主机查询命令时，绝对不允许主 动上报信 二、应答式规约的优点： 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 应答式规约允许多台r t u 以共线的方式共用一个通道，这样有助于节省通道，提 高通道占用率。对于区域工作站和为数众多的r t u 通信的情形，这种方式是很合适的。 ( 2 ) 应答式规约采用变化信息传送策略，从而大大压缩了数据块的长度，提高了数据 传送速度。 ( 3 ) 应答式规约既可以采用全双工通道，也可以采用半双工的通道，既可以采用点对 点方式，又可以采用一点多址或环形结构，因此通道适应性强。 三、应答式规约的不足为： ( 1 ) 由于不允许主动上报，应答式规约对事故的响应速度慢，尤其是当通道的传输速 率较低的情形( 如采用配电线载波通信时) ，这个问题会更突出。( 2 ) 由于采用变化信 息传送策略，应答式规约对通道的要求较高，因为一次通信失败会带来比较大的损失。 ( 3 ) 应答式规约往往来用整帧校验的方式。( 4 ) s c l 8 0 1 规约的容量较小，m o d b u s 规约 的对时间隔太短，这些不足均给使用带来较大困难。( 5 ) 应答式规约一般仅允许多个从 站和一个主站间进行数据传输。 1 3 1 2 循环式规约【1 司 循环式规约，又称c i ) t 规约“”( t h ep r o t o c o lo ft e l e c o n t r o lb yc y c l i cd a t a t r a n s i t i o n ) ，它是一种g r u 自发地不断循环上报现场数据的规约，对于重要信息循环 传输3 次，且可以插入传输。广泛应用于电力系统的有部颁c d t ，i ) x f s 和c 0 1 等。， 循环式远动通信规约一般适用于点对点的通道结构，它以厂站端为主动方，厂站端 远动信息连续不断地送往主站，厂站端的重要信息能及时插入传送，主站只发送遥控、 遥调等命令。“”采用循环式远动通信规约在通道上连续传送信息，如果某一次传送没有 成功，可在下一次传送中得到补偿，信息刷新周期短，因而对通道的质量要求不很高， 通信控制的实现也比较简单但由于始终占用通道，通道的使用效率不很高。 1 3 2 对等式规约与传统远动规约的区别 与传统远动规约相比，对等式远动规约有以下特点和优势： 1 、传统规约通常与r t u 硬件结构联系紧密，容量受到限制：而对等式规约不依赖于 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 任何特殊的硬件平台，能够广泛地应用于各种智能电子装置、r t u 和主站平台，且容量 大 2 、所支持的数据类型远多于传统规约，能更全面反映系统运行状况 3 、功能有所增加，如文件传输等，为进一步开发r t u 功能提供可能 4 、采用分层结构，提供很强的纠错能力，可靠性极大提高。 近年来我国各级调度机构s c a d a 系统陆续更新，其中远动通信规约大都选择对等式 远动规约i e c8 7 0 5 1 0 1 或i ) n p3 0 规约为统一标准。随着中国加入w t o 的深入，我国 的水电设备和国外的设备连接将成为必然，国外设备运行d n p3 0 规约很广泛，如北美 地区。因此对等式远动规约是值得研究的。目前对对等式规约的探讨不论是应用还是研 究都比较深入，并且取得了一定的成绩，但仍有一些值得进一步深入的研究工作。 1 3 3 当前流行的部分通信协议简介 1 3 3 1c o t 、p o l l i n g 规约简介 c d t ( c y c l i cd i g i t a lt r a n s m i s s i o r ) 规约是我国电力部于1 9 9 1 年1 1 月颁布的，行 标号为d l 4 5 1 1 9 9 1 ，它又称为循环式远动规约。该标准规定了电网数据采集与监控系 统中循环式远动规约的功能、帧结构、信息字结构和传输规则，它适用于点到点的通信 结构。它以厂站端为主动源，厂站端循环地向控制中心发送预先约定的一系列数据帧， 控制中心只是接收少并处理这些数据c d t 规约可以保证控制中心时刻监视厂站端的重 要遥测量和开关状态，当传送中偶尔发生错误时，可以在以后的循环中得到纠正，要求 的可靠性级别较低。c d t 由于其简单、可靠，在我国获得广泛应用。c d t 数据帧由一个 同步字、一个控制字和n 个信息字组成。帧长度则受缓冲区长度所限，由各个厂家预先 定义，一般以信息字n 不超过1 6 0 为限。规约支持可变帧长度、多种帧类别循环传送、 变位遥信信息优先传送、缩短重要遥测量更新时间、循环量的区分、随机量和插入量采 用不同形式传送等功能。规约规定主站和子站之间可以进行以下信息传输：遥信遥 测事件顺序记录( s 0 e ) 电能脉冲计数值遥控命令设定命令对时广播命令 复位命令子站工作状态等。 ， c d t 规约常用上行( 子站至主站) 信息的优先级排列顺序和传送时间要求如下： 1 、变位遥信、子站工作状态变化信息插入传送，要求在1 s 内送到主站。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 、遥控、升降命令的返送校核信息插入传送。 3 、重要遥测安排在a 帧传送，循环时间不大于3 s 。 4 、次要遥测安排在b 帧传送，循环时间一般不大于6 s 。 5 、一般遥测安排在c 帧传送，循环时间一般不大于2 0 s 。 6 、遥信状态信息，包括子站工作状态信息，安排在d 1 帧定时传送。 7 、电能脉冲计数值安排在d 2 帧定时传送。 8 、事项顺序记录( s o e ) 安排在e 帧以帧插入方式传送。 常用下行( 主站至子站) 命令优先级排列如下： 1 、遥控选择、执行、撤销命令，升降选择、执行、撤销命令。 2 、复归命令：从主站向子站发送复归命令只有一个帧，该帧只有同步字和控 制字，无信息字，也无返回校验信息。 3 、设置时钟命令：从主站向子站设置时钟。 问答式主流规约p o l l i n g 规约传送的报文以八位字节为单位，附加起始停止位， 但不带奇偶位。具体的遥控过程如下： 第一步：由主站向r t u 发送一个遥控对象、性质的选择命令。 第二步：由r t u 向主站返回一个返送校验码 。 第三步：主站向r t u 发送一个执行命令。 第四步；r t u 向主站报告一个正确接受的确认信息。 在此方式下，主站可以请求被控站发送某一远动信息，也可以要求发送某些类型的 其他信息，工作方式灵活。它的缺点是通信仅限于多从站和单主站之间的数据传输；询 问回答的方式使得系统响应时间慢；同时p o l l i n g 采用整帧校验，出错后整帧丢弃所 以速度较慢。以上无论哪种通信规约都是采用的传统的串行工作方式，为低速网络设计， 并且采用点到点的电路交换方式进行数据传输，独占通信信道，已经不能满足现代电力 自动化系统的通信要求。 m o d b u s 原为美国m o d i c o n 公司智能产品所使用的通信协议，它符合o s i 标准协议 集中数据链路层规定的高级数据链路控制协议，但做了简化处理。由于其功能比较完善 太原理工大学硕士研究生学位论文 而且使用简单，数据易于处理，协议开放，因而在智能设备中被广泛采用。m o d b u s 是一 种主从协议，允许一个主站与多个从站通信。m o d b u s 通信协议主要包括寄存器读写，开 关量i o 等命令。采用命令应答方式，每一种命令帧都对应着一种应答帧，主站首先 向从站发送请求命令，从站根据请求命令中的功能码向主站发送数据，每个从站都有自 己独立的地址。主站所发的请求帧和从站所发的应答帧都是以从站地址开头的。从站只 读发给自己的命令，对以其它从站地址开头的帧不作应答。这种一问一答的通信模式， 大大提高了通信的正确率。m o d b u s 也可以采用广播方式，在广播方式中使用地址0 ，所 有的从站把它当作一条命令执行。但不发回应答帧。 标准的m o d b u s 协议使用两种模式进行通信：a s c i i 和r t u ，这两种模式在帧结构、 功能命令上是相同的，仅帧信息的表示方法不同。 i 、r t u 模式：以r t u 模式建立通信时，信息是以8 位二进制方式传送的，如：6 3 ( 十六进制) 在r t u 模式下是用8 位二进制0 1 1 0 0 0 1 1 表示的，这种方式的最大好处是 在同等传输速率下，可以比a s c a i i 模式传输较多的信息，该模式在智能仪表上被普遍 采用。 2 、a s c i i 模式：以a s c i i 模式建立通信时，信息帧的每一个字节是用两个字节表示 的，如十六迸制数6 3 ，在a s c i i 模式下占用2 个字节，用以表示字符6 和3 ，其 代码是：0 1 1 0 1 1 00 1 1 0 1 1 。显然，a s c i i 模式通信要比：r t u 模式花两倍的时间和空间， 但优点是表示方便，容易读取。 m o d b u s 帧格式由地址、功能码、数据段、校验码组成，数据段内容根据主一从或从一 主关系可包括寄存器地址、寄存器数据位等。 ， 值得注意的是从站响应主站时，还用功能码指示设备的工作状态，用以表示响应是 否正常，若出现错误，功能码最高位被置为i ；数据段是请求和响应的主要内容，主站 向从站请求读取寄存器内容时，数据段包括寄存器的起始地址及要读取的寄存器个数 从站回送响应的数据段包括数据长度、实际采集的数据，另外，从站出现异常，数据段 则以错误代码表示 由于m o d b u s 协议具有功能比较完善而且使用简单，数据易于处理等优点，它已经 成为一种通用的工业标准。但如果用它进行s c a d a 系统中远程、中低速、小批量近似的 实时数据传输时，还具有以下缺点： i 、不支持主动上报方式； 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 、支持事件数据； 3 、由于报文结构简单，使数据通信量少、效率低； 4 、通信速率低，最高只支持波特率为1 9 2 0 0 b i t s ； 5 、数据安全可靠性低； 6 、不支持存储转发功能。 1 3 3 3i e 7 0 _ _ 5 1 0 1 ”1 及d n p 3 比较 i e c 8 7 卜5 一1 0 1 及d n p 同为对等式远动规约，是当前远动通信规约中占主导地位的 两种，它们之间存在一些共同点和差异。“” 两者都是面向8 c a d a 系统，提供低速输和控制功能，井能适应不同的拓扑结构。 ( 最高达6 4 k b p s ) 连接上的高效和可靠的数据传输，它们实现的基本应用功能也相同，包 括数据查询、时钟同步、控制和设点输出、文件传输等。两者都采用e p a 模型。 i e c 和d n p 都遵从i e c8 7 0 - 5 的数据链路帧格式( i e c8 7 0 5 - 1 ) 和链路传输过程 ( i e c 8 7 0 - 5 - 2 ) 区别不大。主要有以下几方面伽嘲： 1 、传输方式：i e c8 7 0 - 5 定义了平衡方式和非平衡方式。在平衡方式中，主站和从 站可同时启动链路服务，主动发送信息：而在非平衡方式中，从站仅当主站请求时才可 传输。i e c 支持两种传输方式而d n p 只支持平衡方式。传输方式的不同使它们应用于不 同的网络拓扑结构时需作柏应处理：i e c 用于点对点和多个点对点结构时采用平衡方式， 用于多点共线和星型结构时采用非平衡方式：d n p 用于多点共线和星型结构时需采取冲 突避免机制。 2 、字符格式：两者都是8 位数据位、1 位起始位和1 位停止位稍有不同的是i e c 有1 位偶校验位而d n p 没有。 3 、帧格式：i e c8 7 0 - 5 定义了多种帧格式，f t l 1 ，f t i 2 ，f t 2 ，f t 3 。可用海明距 离表示不同的可靠性。i e c 使用f t i 2 ，有变帧长帧、固定帧长帧和单字节帧三种帧格 式，校验采用8 位算术和校验码，启动字符随帧格式而不同，且有结束字符。d n p 采用 最可靠的f r 3 ，只有变帧长帧，而且每8 个字生成1 个1 6 位的c r c 校验码，启动字符固 定。 4 、控制域：两者都定义了基本相同的链路层的控制功能，如初始化、复位远方链路、 查询链路状态等。i e c 将部分应用层命令定义成链路层控制功能，如召唤1 、2 类数据等。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 这样i e c 部分命令报文可不包括应用层数据，减少处理工作量。 5 、链路地址域：i e c 支持i e c8 7 0 - 5 - 2 中定义的大部分地址格式，但只包含从站链 路层地址，地址长度可选；d n p 使用单一地址格式，地址长度固定为1 6 位，包含源地址 和目的地址，有利于支持对等操作。 6 、伪传输层：d n p 在数据链路层和应用层之间加入伪传输层，允许将