iec核工业电网运行维护软件的设计与实现

iec核工业电网运行维护软件的设计与实现

0研究制定第100条约的远动设备间的通信约束中国能源系统行业标准的l-t634-1997年开始采用iec870-5-101（以下简称101）。在电气系统中，国外进口的大量远程设备被使用，这些设备通常符合101的规定。因此，调度中心(简称主站)和变电站(简称子站)的远动设备存在的不一致性，使彼此进行通信时常出现各种问题，工作人员就必须实时进行检测以保障设备的正常通信和运行。101规约是这些远动设备进行通信互连的语言。因此，电网调度中心管理人员必须熟悉101规约的传输规则，理解传输过程中产生的规约报文。为了配合101规约的推广以便于远动设备间的通信互换，并提高相关领域人员的工作效率，设计了一种对使用101规约的远动设备进行测试和对报文进行分析的软件。利用该软件对设备进行现场测试，并通过对测试结果所形成的报文进行分析，得到通信故障的原因以及设备当时的运行状态，从而实现对使用IEC870-5-101规约的通信设备间的互换和互操作的监控，达到提高工作效率的目的。110动设备及系统传输规章101规约来自《中华人民共和国国家标准远动设备及系统》GB/T16436.1-1996，具体指远动设备及系统传输规约第101篇-基本远动任务，其基本远动配套标准规定了电网数据采集和监视控制系统中主站和子站之间以问答方式进行数据传输，主要完成上行、下行两部分信息的传送。其中上行信息主要传送：遥测、遥信、遥脉、终端设备状态、文件等，下行信息主要传送：遥控、设点、对时、分接头调节、参数设定等。1.1机的网络标准OSI模型即开放式通信系统互联参考模型，是由国际标准化组织(ISO)提出的一个试图使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架。它定义了网络互联的七层结构，这七层由低到高依次为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。高三层面向信息处理，包含应用层、表示层和会话层。低三层面向网络通信，包含网络层、数据链路层和物理层。低三层和传输层负责网络数据通信。1.21增强性能结构101规约使用的参考模型来自ISO-OSI。由于远动系统在有限传输带宽下要求特别短的反应时间，所以采用增强性能结构EPA(Ethernetforplantautomation)。在本模型中涉及物理层、数据链路层、应用层。1.2.1物理层物理连接物理层是OSI模型最低层，它利用物理介质为数据链路层提供物理连接，并负责处理数据传输率、架空数据出错率，以便透明低传送比特流。物理层的传输单位为比特，通过它可以在物理媒体之上为数据链路层提供一个原始比特流的物理连接。其任务就是为它的上一层提供一个传输数据的物理连接。1.2.2点之间的数据链路数据链路层是OSI模型的第2层，它在物理层和网络层之间提供数据通道，建立相邻节点之间的数据链路，并且传送按一定格式组织起来的位组合数据帧。其具体任务是将数据组成适合于正确传输的帧形式，在帧中包含应答、流控制和差错控制等信息，以实现应答、差错控制、数据流控制和发送顺序控制，确保接收数据的顺序与原发送顺序相同等功能。1.2.3服务元素的分类应用层是OSI模型的最高层，直接为应用进程提供服务，这些服务按其提供的特性分成组，即服务元素。应用层可以为应用程序提供完成特定网络服务功能所需的各种应用层协议，在多个系统应用进程相互通信的同时，还可以完成一系列业务处理所需的服务。1.3数量/力度描述公民的询问报文101规约进行数据传送通常采用FT1.2帧格式，该格式包含固定帧长格式和可变帧长格式两种。固定帧长格式用于由子站向主站回答确认报文或主站向子站的询问报文，它包括启动字符(10H)、控制域(C)、链路地址域(A)、帧校验和(CS)、结束字符(16H)几部分。可变帧长格式用于主站和子站之间传输数据，它包括启动字符(10H)、长度(L)、长度重复(L)、启动字符(68H)、控制域(C)、链路地址域(A)、链路用户数据(可变长度)、帧校验和(CS)、结束字符(16H)几部分。210主站与子站101规约有平衡式和非平衡式两种信息传输方式。平衡式传输方式是在全双工通道的点对点的配置方式下，作为通信链路两端的主站和子站均可以发起召唤。非平衡式传输方式是主站采用顺序方式召唤子站来控制信息传输，主站请求子站，子站作为从动站被召唤时才能传输信息。主站和子站间进行通信的过程中需要实时进行数据信息单元的交换，交换的数据过程包含链路状态、复位远方链路、总召唤、召唤1级用户数据、召唤2级用户数据、时钟同步等。2.1要求连接状态主站和子站之间进行通信之前必须保证通信链路的畅通，通常由主站向子站发送请求链路状态命令来检测双方通讯链路是否正常。(1)请求帧状态帧主站链路层向子站链路层发出召唤链路状态的请求帧，如果子站链路层处于工作状态，则向主站回送作为响应的链路状态帧；如果子站不回答，那么主站则会再次向子站链路层发送召唤链路状态请求帧，直到子站有回应为止。请求帧包括启动字符(10H)、控制域(DIRPRMFCBFCV××××)、链路地址域、帧校验和(4AH)、结束字符(16H)。(2)控制域域21)DIR是传输方向位：其值为0，表示主站-->从站；其值为1，表示从站-->主站。2)PRM是启动报文位：其值为1，表示主站-->从站；其值为0，表示从站-->主站。3)FCB是帧计数位，请求帧中这位为0;FCV是帧计数有效位，其值为0表示该帧无效。4)控制域后4位的含义：××××=0001，表示链路忙；××××=1110，表示链路服务未工作；××××=1011，表示链路完好；××××=1111，表示链路服务未完成。(3)应帧控制域acd响应帧包括启动字符(10H)、控制域(DIRPRMACDDFC××××)、链路地址域、帧校验和(8CH)、结束字符(16H)。1)响应帧控制域中的DIR位、PRM位含义与请求帧相同。2)ACD是要求访问位：其值为0，表示无一级数据；其值为1，表示有一级数据。3)DFC是数据位：其值为0表示子站可以继续接收数据，其值为1表示子站不能接收数据。4)响应帧控制域的后4位(即功能码)的取值不同，代表子站链路的不同状态。功能码=0001，表示链路忙；功能码=1110，表示链路服务未工作；功能码=1011，表示链路完好；功能码=1111，表示链路服务未完成。2.2通过主站链路层发送复合式链路主站在和子站进行通信时，主站链路层与子站链路层的帧计数位必须保持一致的状态，因此，需要先由主站链路层向子站链路层发送复位远方链路命令。子站链路层在收到此命令后，将帧计数位置零，并以主站链路层发送的链路规约数据单元的镜象作为确认。这样，主站链路层和子站链路层的帧计数位状态将一致，主站可向子站进行总召唤。2.3主站不同区域的信息特征总召唤请求信息包括子站的遥信、步位置信息、遥测、子站远动终端状态、BCD码等。子站回送时将这些信息分成15组回送，其中1～8组为遥信信息；9～12组为遥测信息；13组为步位置信息；14组为BCD码；15组为子站远动终端。主站向子站的总召唤命令可以在主站初始化过程后或者当主站检出丢失信息时进行，以刷新主站数据库。总召唤请求子站传送所有过程变量的实际值，子站收到总召唤命令后传送被召唤信息。子站回送的全部召唤信息，可以直接被主站校验。当主站得到全部召唤的信息时，召唤结束。否则，若所期望的召唤信息的数量没有在子站定义，子站需要在召唤服务结束时发送一个标志子站召唤过程结束的报文。2.4呼唤1级用户1级用户数据包括：毕竟较常用的变位遥信的子站初始化结束、子站状态变化以及由读数命令所寻址的信息体数据。主站收到时钟同步的确认帧之后，可以召唤1级用户数据。主站是否召唤1级用户数据，还要根据总召唤回送的响应帧中控制域的D5位即ACD位来决定。如果ACD位为1，主站可立即召唤该子站的1级用户数据，待1级用户数据传送完后，转向询问2级用户数据并定时按组召唤；否则，直接执行时钟同步命令，然后询问2级用户数据是否存在。2.5主站领导子站，收集个人所得数据，并依法确认2级用户数据包括：超过门限值的遥测、变压器分接头变化、子站改变下装参数、水位超过门限值、水位、事件顺序记录数据和带时标的其它量、远动终端状态、变压器分接头位置。主站向子站请求2级用户数据，若子站同时有1级用户数据和2级用户数据，子站回答一个否定认可的响应，并使ACD=1。主站立即召唤1级用户数据，保证优先传1级用户数据。1级用户数据收集完后，开始循环询问2级用户数据，此循环召唤过程可以被中断，如被召唤电度遥控等事件所中断。主站完成对2级用户数据的召唤后，接着对遥信、遥测的第1组数据进行召唤。2.6时钟同步同步为了给主站、子站间的通信提供正确的时标或日历，子站与主站时钟必须同步。时钟同步由主站启动，主站将时钟同步命令发送到子站，子站接收到命令后，将其时钟与主站保持一致，同时将产生的时标信息或信息体再回送至主站或者在子站当地打印输出。3考试的内容和过程3.1测试软件设计规约测试用以检查主站与子站形成链路的应用功能是否正确，以及链路通信是否正常。其测试方法包括一致性测试和互操作性测试。本文设计的测试软件采用互操作性测试方法进行测试，利用模拟主站、模拟子站的方式捕捉、分析、判断通信报文，通过观察双方能否正确按101规约标准交换信息实现规约测试。根据EPA模型，需要分别对物理层、数据链路层、应用层进行测试。(1)物理层测试测试本层物理连接的正确性和数据传输的正确性。测试内容包括波特率、端口、校验位等串行通信参数和设备发送/接收字节正常性等。(2)数据链状态测试测试本层内信息传输是否正常和服务是否正常。测试内容包括帧格式、控制域、传输规则、超时处理、流量控制、差错控制等。(3)基本应用功能测试测试本层应用数据结构、基本应用功能、信息单元格式是否符合行业标准规定。测试内容包括链路状态、遥测、遥控、时钟同步、总召唤等基本应用功能的实现过程，以及在这些应用功能实现过程中使用报文格式的正确性和收发数据的正常性。如以上3层测试均通过，说明此时信息传输符合101规约标准，信息传输正确，电网线路通信正常。3.2测试过程根据规约实现文档PID确定好测试方式后，将测试软件通过串行口与被测设备连接，然后遵循以下步骤进行现场测试：(1)制定试验计划测试前，需要根据测试内容制订出详细的测试计划，并在其中写出测试项目及相应的标准结果。(2)选择传输方式针对不同被测对象，采用的测试方法不同。在平衡式传输方式下，测试系统模拟对等主站；而在非平衡式传输方式下，测试系统模拟主站或子站。(3)状态2，发送数据命令检查响应测试系统根据测试脚本内容的不同，或发送单帧或一组信息帧。当测试数据格式等内容时，发送数据召唤命令，检查响应的数据报文；当测试应用功能时，按标准组织一系列信息帧，根据响应报文顺序发送。(4)数据的准确性检验测试通信过程中发送/接收的信息帧中帧格式、状态标志、数据类型等内容的正确性，并在测试过程中进行记录。同时，可对接收的报文作简单判断，如果遇到错误则此项测试中断。(5)远动设备通信公约验证对测试后形成的报文进行分析，如果各项内容均符合标准，则认定该远动设备采用的通信规约符合行业标准；如果有部分内容未通过，则必须根据分析结果找出原因，以便进行故障的排除。4测试软件的实现4.1请求链路状态采用101规约的主站和多个子站进行通信的具体过程是：主站—请求链路状态—复位远方链路—总召唤—召唤1级用户数据—时钟同步—召唤2级用户数据—子站。根据模拟主站、模拟子站间的通信过程及101规约召唤方式的特点得到测试软件的模型，如图1所示。4.2多特征融合的高效可靠性分析技术利用测试软件进行现场测试前需要事先按照EPA模型的要求编写规约实现文档PID(processidentifier)，列出所实现的应用功能、选项和报文类型。测试软件功能如下：(1)对链路状态、复位远方链路、总召唤、召唤一级数据、召唤二级数据、时钟同步等命令上的遥测遥信、事件记录进行分析,对简单的遥测、遥信数据以及事件记录能够通过对报文的分析详细的显示出来。(2)能够自动检测计算机的串口数，自动保存串口的配置。能够自动识别被测设备工作状态和开启状态。(3)多线程通讯方式，利用ComMax通过中断方式接收数据。一旦串口上有数据，并且等对方把数据发送完了，ComMax便会产生中断，开始接收数据，既保证了接收数据的精度也不易漏掉数据。(4)有灵活的工作模式，利用常用召唤方式模拟主站来召唤被测设备信息。同时，还可以利用自定义召唤方式模拟主站来定时召唤被测设备的特定信息。(5)对现场测试得到的报文进行分析，并将结果告知相关人员。4.3对单数据帧的整体判断利用测试软件对远动设备进行现场测试，得到设备此时的运行状态，同时，利用报文分析功能可以将测试得到的报文转换成分析结果，分析过程如图2所示。测试软件对报文进行分析的过程如下：(1)将报文完整输入分析接口。(2)首先检验该段报文的启动字符，如果为10H，此帧为简单数据帧，转向步骤(3)；如果为68H，则此帧为复杂数据帧，转向步骤(5)。(3)对简单数据帧接着判断该帧控制域的首位字符，如果为0，为主动式请求报文，转向步骤(4)；如果为1，则为被动式返回报文，转向步骤(12)。(4)对主动式请求报文接着判断控制域第4位，如果为0，为被动式返回报文，转向步骤(12)；如果为1，则此帧为召唤用户数据帧，转向步骤(9)。(5)对复杂数据帧接着判断帧控制域的首位字符,如果为0,此帧为复杂召唤用户数据请求帧,转向步骤(12);如果为1,则为复杂命令回复帧,转向步骤(6)。(7)对复杂命令请求帧判断其类型标识位，如果为100，为总召唤，转向步骤(10)；否则，为总召唤确认帧，转向步骤(12)。(8)对复杂命令回复帧判断其类型标识位，如果为100，为子站响应，转向步骤(10)；否则，为总召唤结束帧，转向步骤(12)。(9)对召唤用户数据帧接着判断其末位字符是否为16，如果为16，转向步骤(12)；否则，此数据帧丢失数据帧信息，转向步骤(11)。(10)对该帧判断其帧校验和，如果为8AH，为遥信响应帧，转向步骤(12)；如果为7CH，则为遥测响应帧，转向步骤(12)。(11)判断帧校验和，如果为0DH，此帧为时钟同步帧；如果为5BH，则为召唤1级用户数据。(12)输出报文分析结果。4.4测试结果的建议利用测试软件进行现场测试，可以直接得到测试的结果。说明：规约第一步。若子站响应是一种报文，表示子站有1级数据，主站复位远方链路后可以立刻召唤1级数据。(2)子站主站复位请求：1040014116(主站链路复位请求)子站响应主站：1080018116(子站可以继续接收数据)说明：规约的第二步。若子站响应是一种报文，表示子站有1级数据，结束本帧后可以立刻召唤1级数据，然后再进行总召唤。(3)人工分析的应用说明：若子站已被屏蔽，不允许对时。利用以往的测试工具对远动设备进行测试后只能得到大量的报文，还需要再由调度中心管理人员进行人工分析。本文根据101规约通信的特点设计了一种对测试结果报文进行分析的软件，既使不熟悉101规约，也可以利用该测试软件快速、准确地分析出故障原因，从而大大节约检测电力系统通信线路故障的时间。5测试结果和分析本文设计了一种对使用101规约的远动设备进行测试的软件。使用该软件实现了对电力系统通信设备的自动检测和对检测结果报文的自动分析。通过该软件的检测，不仅可以有效地监控电网的运行状况，而且同时可以通过报文分析把测试结果形成的报文转换成具体的分析结果，大大提高了工作效率。通过多次严格的现场测试，取得了良好的使用效果。在实际的应用中还可以对104、103和CDT等规约进行扩充，具有较好的市场推广价值。(6)对复杂命令回复帧接着判断其末4位,如果为0000,为复杂命令请求帧,转向步骤(7);如果为1000,则为复杂命令回复帧,转向步骤(8)。主站召唤子站:1049014A16(主站请求链路状态)子站响应主站:108B018C16(链路完好)主站召唤子站:107A017B16(主站召唤1级用户数据)子站响应主站:681B1B68880101070501020000030000040000050001060001070001080001BE16说明:1级用户数据包括变位遥信、子站初始化结束报文和由读命令所寻址的信息体的数据,其中变位遥信较常用。(4)回应信息的帧结构主站召唤:680909687301640