变电站自动化系统IEC608705103和IEC608705104协议的分析和实施

1、变电站自动化系统IEC60870-5-103和IEC60870-5-104协议的分析和实施徐立子中国电力科学研究院,北京100085摘要：阐述了国际电工委员会IEC制定的用于变电站自动化系统的国际标准IEC608705101、IEC60870-5-104和IEC608705103.我国行标DL/T667-1999分析了这些标准对变电站自动化系统所提出的要求和实现.关键词：变电站自动化系统；传输规约；智能电子设备；RS485总线；光纤传输系统；以太网1IEC60870-5-103标准1.1为互换性和互操作性对物理层的标准要求IEC608705103标准为继电保护设备智能电子设备IED或间隔单元信

2、息接口配套标准.此标准规定,在变电站自动化系统中物理层应采用光纤传输系统和/或RS485总线系统.1光纤传输系统为了提升抗电磁干扰水平和传输距离,应采用光纤传输系统,继电保护设备或间隔单元或IEDs的接口必须是光纤连接器.光纤连接器应为：BFOC/2.5IEC6087410说明或F-SMAIEC60874-2说明.对玻璃光纤：渐变型gradedindex,纤芯直径和包层直径分别为62.5和125,光波长为820860nm,传输功率最小为16dBm,最小接收功率最小为24dBm,系统储藏最小为+3dBm,典型距离为1000m,温度范围为5+55C.对塑料光纤：阶跃型stepindex,纤芯直径和

3、包层直径分别为980和1000wm,光波长为660nm,传输功率最小为一7dBm,最小接收功率最小为20dBm,系统储藏最小为+3dBm,典型距离为40m,温度范围为5+55C.2日ARS485接口作为上述光纤传输的一种变通,在限制系统和继电保护设备或间隔单元之间可以采用基于双绞线的传输系统.此种传输系统应符合日ARS485标准.1999年10月国际电工委员会IEC在日本京都召开的第63届年会上,将RS485总线和/或光纤传输系统定为变电站自动化系统SAS中和智能电子设备IED及变电站三层变电站层、间隔层/单元层、过程层间通信总线网的国际标准,并将其它现场总线排斥在国际标准之外.3传输速率为9

4、600bit/s或19200bit/s1.2日ARS485总线网技术性能EIARS485总线是世界上广泛使用的用于双向和平衡传输的电气接口通信标准.此标准是工业多站系统需要的,为长距离传输数据而开发的总线网络.它抗干扰水平强,数据传输速率快,价格低廉,维护本钱低,能实现多站、远距离通信.目前已广泛用于工业限制系统.(1)抗干扰水平强.RS485总线是采用差分平衡电气接口,RS485收发器采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰和电磁干扰的水平.RS485总线采用双绞线作为传输线,对电磁感应噪声亦有较强的抑制水平.假设采用屏蔽双绞线,那么还具有较强的抑制由静电感应引起的噪声的水平.(2)传输

5、线采用双绞线.在差分平衡系统中,一般用双绞线作为信号传输线.由于双绞线在长度、方向上完全对称,因而它们所受的外界干扰程度也完全相同.干扰信号以共模方式出现.在接收器的输入端由于共模干扰受到抑制,所以能实现信号的可靠传送.(3)传输距离远.RS485收发器具有高的灵敏度,能检测低到200mV的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复.所以使用RS485总线,通信距离可达1200m.(4)能连接32个单元设备.根据RS485标准,每个单元收发器的输入阻抗大于等于12kQ(称为单位负荷),总线上最多能连接32个收发器.如果希望单元数多于32个,那么应选用输入阻抗更高的单元收发器.(5)数据传输率.RS4

6、85的通信距离主要受到传输线的欧姆阻抗、集肤效应等损耗引起的信号畸变的制约.由于损耗与频率有关,因而通信距离与数据传输率有关.最高数据传输率为10Mb/s.在此速率下,传输距离为10m.假设数据传输率在105b/s以下,传输距离那么可达1200m.可见,通信距离随着数据传输率的降低而增加.1.3编制IEC60870-5-103协议要求(1) IEC60870-5-103标准未必一定适用于将继电保护和测量限制功能电路组合在同一个装置内并共用一通信口的设备.(2) 2种信息交换方法.兼容范围.严格规定应用效劳数据单元(ASDUs)和为传输标准化报文的应用过程.通用分类效劳(genericservi

7、ce)o采用各间隔层单元自我描述和自我定义的方法对要求传输的信息进行定义.它具有传送任何类型数据的水平.数据可通过通用分类效劳按同一种方式进行访问.所有数据可在所有设备上按相同方法构成,这样就解决了各厂家所要传输信息无法统一的矛盾.这使新技术不受限制,提升了开放的可能性.因此,必须按兼容范围和通用分类效劳进行协议编制,才能保证互换性和互操作性,预防大量的规约转换工作.而绝不能采用专用范围.2IEC60870-5-101与IEC6087035n10标准2.1变电站自动化系统与调度主站的通信我国变电站自动化系统与调度主站的通信,都是通过专用远动通道实现的.通信规约应采用国际电工委员会IEC于199

8、5年发布的IEC60870-5-101我国行标DL/T6341997标准.此标准在我国已普遍使用.欧美一些国家调度主站与变电站RTU的通信已逐步采用以太数据网.为此,国际电工委员会IEC第57技术委员会TC57的第3工作组WG03于1998年8月制定了IEC608705104标准CDV.2000年意大利国家电力公司ENEL新建的能量治理系统EMS与3个区调和245个变电站之间就是通过IEC60870-5-104标准在专用以太数据网上进行通信的.IEC608705104协议的名称为用标准传送文件集的IEC60870-5-101网络访问"networkaccessforIEC60870-

9、5-101usingstandardtransportpro-files.此协议是将IEC608705101标准用于TCP/IP网络.当调度主站与变电站连接到以太数据网,变电站RTU与调度主站通信时,通信规约那么应采用IEC60870-5104标准.2.2IEC60870-5-104协议的实现IEC608705104协议在第1节范围与目的中明确规定：本标准技术标准提出,将IEC60870-5-101的应用层与TCP/IPTransmissionControlProtocol/InternetProtocol提供的传输功能相组合.在TCP/IP内各种网络类型都可使用,包括X.25、FRFrame

10、Relay、ATMAsynchronousTransferMode和ISDNIntegratedServiceDataNetwork.用同样定义,其它IEC608705配套标准规定的ASDUs都能同TCP/IP组合,但本标准未进一步描述.IEC608705104协议的结构如图1所示.图2为TCP/IP规约组RFC2200的选用标准结构.在IEC608705101中未采用应用规约限制信息APCI,因此,应用规约数据单元APDU就等于应用效劳数据单元ASDU.但在IEC608705104中应用规约限制信息APCI给予了定义见图1.应用规约数据单元APDU就应等于应用规约限制信息APCI加上应用效劳

11、数据单元ASDU.而应用规约限制信息APCI中的限制域计数机构那么按X.25建议的第.1节到第.5节定义.限制域定义了预防报文丧失和重复的限制信息,以及对报文的开始、停止和传输连接的监视.骏胤IEC60870-5-I例来选制1EC的870%£的应用功黛用户过程:选自IEC6OB7C5.1峋庖用分数元ASDU11阳滋用从f第7层应用规的限制信息,APcn陆口工用户学TCPm:1口TCP/IP1HRFC北传It后第1反同络层曲3区厂!物用层?嘉1出1图1IKC60盯0-S104的选用标准培帕FIr.】Mandirdprovisionsof1EC6D870-5-

12、IA4RFC7SS的Conirol传原第1月RFC：791雨热庭联tnirmeiPtotwoll第3髭RIC散M情路H市RM悭凶的"产投支也以太冏.修希13EFZICPIF规约组MH匚口如I的选用标承结构Fid.2Selrrtrd*t内prnu值iniivnftheTCP/IPprotOL'olnrKK22002 .3关于TCP/IP协议族TCP/IP协议transfercontrolprotocol/internetprotocol称为传输限制/网际协议.它是网络中使用的根本通信协议.虽然从名字上看TCP/IP包括2个协议,但TCP/IP实际上是一协议族,它包括上百个具有各

13、种功能的协议,如远程登录、文件传输和电子邮件等,而TCP协议和IP协议是保证数据完整传输的2个根本的重要协议.通常说的TCP/IP是一Internet协议族,而不单单是TCP和IP.RFCRequestForComments直译就是关于请求的注解,即Internet标准草案.RFC是关于因特网Internet和因特网前身Appanet的一些建议评论文件.当每一份RFC得到足够的支持时,它就会转为互联网的标准,或是标准的一部份,或是草案.TCP/IP协议基于4层结构：应用层、传输层、网络层和网络接口层.TCP/IP协议族中包括上百个互为关联的协议,不同功能的协议分布在不同的协议层中.例如：应用层

14、有Telnet网络远程访问协议、FTP远程文件传输协议、SMTP单电子邮件传输协议、HTTP超文本传输协议、POP3电子邮件接收协议、SNMP简单网络治理协议和DNS域名效劳器等；传输层有UDP用户数据报文协议和TCPRFC793等；网络层有IPRFC791、ICMP互联网限制报文协议和ARP地址解析协议等；网络接口层有Ethernet、FDDI光纤分布式数字接口、ATM异步传输模式、ISDN综合效劳数据网、FR帧中继、SDH同步数字体系、WDM波分复用和DWDM密集波分复用等.IEC608705104采用RFC793/RFC791即TCP/IP协议,即RFC791定义的IP协议interne

15、tprotocol以及RFC793定义的TCP协议transmissioncontrolprotocol.IP协议负责将数据从一处传往另一处.TCP负责限制数据流量,并保证传输的正确性.由于在最底层的计算机通信网络提供的效劳是不可靠的分组传送,所以当传送过程中出现错误以及在网络硬件失效或网络负荷太重时,数据包有可能丧失,数据有可能被破坏.TCP协议的目的是提供可靠的传输效劳.它具有5个特征：面向数据流、虚电路连接、有缓冲的传送、无结构的数据流和全双工连接.TCP协议激活连接需进行3次握手过程：第1次握手报文段由码位字段的标志位SYN置1来识别；第2次握手时报文中码位字段的标志位SYN和ACK均

16、置1,说明对第1个SYN报文段确实认,并继续握手操作；第3次握手操作报文仅是一个确认信息,用来通知目的主机双方已建立连接.经3次握手过程后就可进行数据传输了.连接可由任一方或双方发起,一旦连接建立就可进行双向对等的数据流动,而没有主从关系.3次握手协议是连接2端正确同步的充要条件.值得注意的是,由于TCP协议建立在不可靠的分组传输效劳之上,报文有可能丧失、延迟、重复和乱序,因此协议必须使用超时和重传机构.这也是以太数据网难以进行时间同步的原因所在.正由于如此,IEC608705-104协议在限制方向上的系统信息中未定义时钟同步和测试命令.为此,假设变电站与调度中央用以太数据网络通信时,那么变电站自动化系统必须安装精确度高小于13的全球定位系统GPS,以满足IEC618505对报文同步的要求：2,63 IEC60870-5-103在TCP/IP网络的使用变电站内假设采用以太局域网络与IEDs间进行通信时通信协议应采用IEC61850标准.但国际电工委员会IEC至