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电力通讯监控转发器的研究 摘要 电力系统自动化正朝着标准化、分布式和开放性的方向发展。在电力系统 通信中由于规约不统一而引起的问题显得r 益突出，人们对网络协议标准化的 要求和建立透明的数据环境的愿望也越来越来迫切。在不同的协议体系中实现 数据通信和数据共享成为了一个普遍问题。 本文从分析电力自动化的发展以及电力通信的现状为出发点，对i e c 制定 的远动设备及系统传输规约i e c 8 7 0 5 1 0 l 规约做了较为深入的研究分析，提出 了1 叭规约的应用思路。接着，针对1 0 1 规约和国标d l t 6 4 5 多功能电能表规 约这两种不同通信协议，运用m s p 4 3 0 芯片设计了电力监控转发器。在监控转 发器的软件设计中完成了1 0 l 规约的子站部分设计和电能表规约的主站部分设 计，实现了这两种协议间的信息传递，并在此基础上做了适当的功能扩展，让 监控转发器具备了一般远方终端所具备的数据处理和数据保存等功能。 通过主站测试软件的功能测试表明，监控转发器实现了不同协议问的转换 功能，具备较好的实时性和稳定性，达到了既定的设计要求。 关键词；i e c 8 7 0 5 1 0 1 规约d i t 6 4 5 规约电力监控转发器协议转换 t h es t u d yo ft h ec o m m u n i c a t i o nc o n v e r t e r u s e di ne l e c t r i cp o w e r s y s t e m a b s t r a c t t h ea u t o m a t i o no fe l e c t r i c p o w e r s y s t e m i s d e v e l o p i n g t o w a r d o p e n ， s t a n d a r d i z a t i o na n d d i s t r i b u t i o n t h e p r o b l e m c a u s e d b y t h e d i s u n i t vo f c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l i ne l e c t r i c s y s t e m ，i sb e c o m i n gs t a n d i n go u tm o r ea n d m o r e t h ed e m a n df o r s t a n d a r d i z a t i o no ft h e p r o t o c o l a n dt h e d e s i r a b i l i t y o f c o n s t r u c t i n g a t r a n s p a r e n t d a t ae n v i r o n m e n ta r em o r eu r g e n t i t h a sb e c o m ea c o m m o np r o b l e mt h a tr e a l i z i n gd a t ac o m m u n i c a t i o na n dd a t a s h a r i n gi nd i f f e r e n t p r o t o c o ls y s t e m s t h e p a p e rb e g i n s w i t h a n a l y z i n g t h e d e v e l o p m e n t o fe l e c t r i c s y s t e m a u t o m a t i o na n dt h ea c t u a l i t yo fe l e c t r i cs y s t e mc o m m u n i c a t i o n ，a n dm a k e sad e e p s t u d yi n i e c 8 7 0 - 5 101 p r o t o c o lp r o d u c e db yi e c ，p u t sf o r w a r dt h ea p p l i c a t i o n t h o u g h t so f t h ep r o t o c o l s i ns u c c e s s i o n ，c o n t r a p o s i n gt h e10i p r o t o c o la n dd l t 6 4 5p r o t o c o l ，u s i n gm s p 4 3 0c h i pf u f i l l st h ed e v i s eo ft h ec o n v e r t e r i ns o f t w a r e d e s i g n i n g ，c o m p l e t e st h ed e v i s eo f10 1p r o t o c o ls u b s t a t i o np a r ta n dt h em a s t e rp a r t o f6 4 5p r o t o c o l ，r e a l i z a t i o nc o m m u n i c a t i n gb e t w e e nt h et w op r o t o c o l s b a s e do ni t w ee x p a n d ss o m ef u n c t i o n st om a k et h ec o n v e r t e r p o s s e s st h ef u c t i o no fd a t ah a n d l e a n dd a t as a v i n gs u c ha sp o s s e s s e db yt h ec o m m o n l yr e m o t et e r m i n a lu n i t s t h ef u n c t i o nt e s t su s i n gt h em a s t e rt e s ts o f t w a r ei n d i c a t et h a t ，t h et r a n s m i t t e r r e a l i z e st h ec o n v e r s i o nb e t w e e nt w o p r o t o c o lp r o p e r l y a n di ti sr e a l t i m ea n d s t a b l e i th a so b t a i n e dt h ea n t i c i p a t e dg o a l s k e y w o r d s ：i e c 8 7 0 5 - 1 0 1p r o t o c o l ，d l t 6 4 5p r o t o c o l ，i h ec o m m u n i c a t i o nc o n v e r t e r p r o t o c o l c o n v e r s i o n 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，据 我所知、除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒胆：些盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：鸯王签字日期：口丫年f ) 月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒魍：【：、业盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 蠼兰堑盔堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采剧影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适蜊本授权1 s ) 学位论文者毖奎王 签字日期：口叶年( ) 月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 一名二了闫q 也芾 签字日期：。争年6 月多日 电话 邮编 致谢 本文是在我的导师陶维青副研究员的悉心指导下完成的。从课题的选题到 课题的研究以及最后论文的完成都贯穿了陶老师的无私指导和谆谆教诲。 在我两年多的研究生生涯中，无论在学习还是在生活中，陶老师都给予了 无微不至的关怀和爱护。陶老师严谨的治学态度，博学谦虚的学者风范都给我 留下了深刻的印象。在此即将毕业之际，谨向陶老师致以最真诚的谢意! 衷心感谢刘家军教授对我生活和学习上的帮助和支持! 感谢和我一起学习进步的金明、杨勇、乔弈等同学，谢谢你们在生活和学 习中给予我的帮助和鼓励。还要感谢和我一起共事的中科大鲁能集成公司的查 伟和陈贵友，谢谢你们在课题研究中的帮助和支持! 最后要感谢我的父母及家人，在我的求学生涯中，你们一直给予了我最真 挚的爱心和最大的鼓励，使得我能够自由地追逐梦想! 衷心感谢所有关心和帮助过我的同学和朋友! 作者：李卫 2 0 0 4 年5 月 1 1电力自动化的发展 第一章绪论 电力是国家的能源，电力工业是国民经济的重要部门之一，关系到国计 民生。电力工业的发展必须优于其它工业部门，整个国民经济才能不断前进。 我国经济的快速发展已经取得了令世人瞩目的辉煌成就，在人民物质生活水 平的不断提高的同时，人们对电力的需求越来越大，对供电质量和可靠性也 提出了更高的要求。这同时也促进了我国电力事业的快速发展，电网规模不 断扩大，电力自动化水平也有了长足进步0 1 。但在近几年，电力供应不足问 题显碍较为突出，与经济的快速增长显得不合节拍，甚至成为经济发展的瓶 颈。究其原因，除了电源建设赶不上用电需求的增加之外，电网建设本身也 存在一定缺陷。逐步改造我国城网、农网，提高整体综合自动化水平，已经 成为我国电力系统亟待解决的一个问题。 从上个世纪中期以来，电力自动化技术沿着元件一局部一子系统一管理 系统的道路不断发展。这种“自下而上”的电力自动化发展经过漫长摸索和 实践到达了自动化管理阶段。而自动化管理系统是对电力系统自动化由表及 里、由孤立到相关、由静止到发展变化的认识上的一次飞跃。从电力自动化 的管理系统的发展历程来看，电力自动化技术可以分为两个阶段 3 】【4 l ： 第一阶段是上个世纪7 0 年代以前的模拟技术时代，这个阶段的实时数据 是显示在模拟盘上的，除了提供感知以外几乎没有其他功能；5 0 年代的自动 发电控制，6 0 年代中实现的事故分析、负荷预测、发电计划和预想故障分析 确实为调度员提供了辅助决策作用，同时把他们从频繁的操作中解脱出来， 但由于各种子系统没有机的结合起来形成一个整体，因此自动化属于初级阶 段。 第二阶段是上个世纪7 0 年代中期以后，自动化技术经历了重要的变革： 由模拟转向数字，同时7 0 年代后期微处理器技术在电力系统的应用使各个子 系统形成管理系统成为可能。此后，每次计算机技术和通信技术以及控制技 术的进步，便带动电力自动化技术的一次进步。到现在，自动化管理系统 ( e f s o m s ) 已包含数据收集与监视系统( s c a d a ) 、自动发电控制( a g c ) 、网络分 析、负荷控制( l c ) 、地图设备管理地理信息系统( a m f b i g i s ) 、断电恢复 管理( o m s ) 、馈线自动化( f a ) 、投诉电话( t c ) 和人机接口( m m i ) 等。 到8 0 年代末期，随着计算机技术和信息处理技术的迅猛发展，在电力发 达的些国家先后采用了分布式结构( d c s ，如图1 ) 、集中分布混合结构、客 户机服务器结构以及多客户机多服务器结构等。它们各具特点，不但丰富了 自动化系统集成方案，同时也取得了传统方式好的效益。 分布式结构是与集中式结构相对的一种结构，其抛弃了集中式结构中所 有计算和信息处理都有主机完成的模式，把系统功能分成多个部分，分散到 系统中不同位置的主机进行处理，各个主机各司其职独立工作，这样就大大 的提高了系统的吞吐量，同时可以用软件和硬件冗余的方法实现互为备用， 提高了系统的鲁棒性，这种结构扩展起来也比较容易。集中混合结构是结合 两种模式的优点，把部分功能分散化的一种结构。 图卜1 分布式系统结构 客户机服务器技术是近几年发展起来的一种技术，其特点是服务器作为 系统的后台，不主动干涉客户机的工作，当客户请求时利用服务器的强大处 理能力完成指定的功能并把结果返回给客户机。其各个客户机是对等的关系， 且具有一定的处理能力。这种结构可以很好的利用不同计算机的不同计算能 力，完成系统所需功能，即减少投资又具有很好的效益。多客户机多服务器 结构是客户机，服务器结构的一种扩充，当系统服务器一台不能满足需求时， 可以采用多台服务器模型，其各个服务器也是对等关系。 这些结构与传统的结构相比有明显的优点，易于扩展、吞吐量大、鲁棒 性强等，尤其是在大的自动化系统中更显得其先进性。当然还有许多其他的 结构如分散，客户机服务器结构( 把分散结构中的各主机根据需求设计成客户 机朋艮务器结构) 、多层客户机，服务器结构等。在未来的电力自动化管理系统中， 各种采用新技术或新老技术结合形成的新结构将会越来越多。 九十年代以后，人工智能技术、通讯技术、信息处理技术得到了长足的 发展，这些日益成熟的技术带领电力自动化进入新的发展阶段。专家系统已 开始在操作票等方面发挥作用，神经元网络在故障分析，网络重构等方面的 应用也已开始：i n t e r n e t 技术的发展，也为电力用户注册、收费等提供了新的 途径；高速数据传输速率，为系统进一步的集成和获得更多的实时信息成为 可能。 计算机技术、通信技术、功率电子技术和控制技术的日新月异标志着电 2 力自动化技术到达了一个新的时期，这些新技术逐渐地由理论和实验阶段进 入应用领域，对电力自动化技术产生了巨大的冲击作用，一些新的观点和理 论应运而生，解决了电力工业许多一直没有解决的问题。 l 。2 电力系统通信及传输规约概况【5 】【6 胴 电力通信是现代电力系统的重要组成部分。电力生产发电、供电、用电 同时完成的特点，决定了必须要有一个能够提供特殊保障性服务的通信系统 做支持。电力自动化要借助可靠的通信手段，将控制中心的控制命令下发到 各执行机构或远方终端，同时将各远方监控单元( r t u ，r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 所采集的各种信息需要上传至控制中心，供调度员分析决策。优质可靠的通 信手段是电网安全稳定发电和供电的基础，所以，通信系统是建设电力自动 化系统中的一个关键技术，通信系统的好坏在很大程度上决定了这个电力自 动化系统的优劣。 信息技术的快速发展使得各种各样的通信技术正在电力系统中得到了广 泛地应用。具体方式，按照传统的分类方法，可简单地分为有线方式和无线 方式两种。 有线方式包括：架空明线或电缆、配电线载波、邮电本地网、租用电话 线、光纤、有线电视网、现场总线和r s 4 8 5 、专线等： 无线方式包括：一点多址微波、传统无线电通信( a m 、f m 、p m 等) 、 无线扩频、卫星通信、无线寻呼、数控电台等。 比较各种通信方式的优劣，应综合考虑多个因素，如：通信的可靠性， 通信技术的先进性、可行性，实时性，使用维护的方便性，通信系统的可扩 充性等。电力自动化系统对通信的要求，取决于电网的规模和要求实现的具 体希望水平。 由于数据通信在电力自动化系统内的重要性，经济、可靠的数据通信成 为系统的技术核心。而由于一些硬件的特殊环境和自动化系统的要求，电力 自动化系统内的数据网络通常应具备快速的实时响应能力、很高的可靠性、 优良的电磁兼容性能以及分层式结构等要求。数据通信网是构成电力自动化 系统的关键环节，内部通信网络的标准化是使电力自动化迈向标准化的难点 之一。 与电力自动化系统的网络标准化的要求相比，数据传输规约统一标准化 的要求更为迫切。在电力自动化初期，各厂家对于通信规约的选择多是采用 自定义规约或国际国内流行的规约【8 1 。所谓自定义规约，是指厂家根据自身应 用系统的要求，自定义出传输帧格式、传输功能及传输过站接收正确则执行， 否则不执行。自定义的规约中所定义的传输过程极其简单，通信的可靠性很 难保证。原有的部颁规约( 如c d t 协议) 及国际流行规约( 如d n p 协议) 与厂 家自定义规约相比较，在各方面都较完善，存在的主要问题是，规约仅仅在 一定的范围内使用，不为国际的标准化组织所承认，其自身也存在许多问题。 实际上，我国目前引进国外技术很多，产品之间互连时很难达到兼容。 从以上的情况不难看出，规约的标准化是不可避免的趋势。无论是不同厂 家设备之间还是在和远方调度的连接中，由规约转换问题引起的软件编程成 为实际工程调试量最大的项目，既耗费人力物力，运行维护也不方便，是目 前电力自动化技术发展的一个大问题1 9j 。在电力通信网中，存在着许多不同类 型的用于监控通信设备运行状态的监控系统，由于网间通信规约的互不兼容， 造成彼此间无法互联，难以实现信息高速传递的现代化通信要求。 电力自动化系统的传输规约和传输网络，是实现电力自动化达到标准化 的重大问题，只有实现传输规约的标准化和传输网络的标准化，做到传输规 约和网络的统一，才能实现电力自动化系统内不同设备的互换性，这一点对 于制造厂和用户都是非常有利的，对于电力自动化技术的发展也是非常重要 的。 因此，要实现不同厂家设备间的互联通信，就必须使用网络转换设备， 进行协议转换和数据存贮转发，以实现网间的数据共享和信息交互，统一监 视和控制。 1 3课题的提出及本文的工作情况 1 0 3 1 国内电力系统远动设备与主站之问的通信规约，早期有部颁的c d t 及 s c l 8 0 l 等，它们都以简单有效、易于实现而在中国的电力远动领域占有了很 大的市场。9 0 年代中期，国际电工委员会t c 一5 7 技术委员会为适应电力系统 的需要，制定了一系列的传输规约及配套标准，基本远动任务配套规约 i e c 8 7 0 5 - 1 0 1 就是其中的一个。电力部在1 9 9 7 年已根据i e c 8 7 0 5 1 0 1 及我 国电力系统的情况等效制定了d l t6 3 4 标准。这一标准的建立，无疑会对我 国电力自动化的发展及与国际接轨起到很大促进作用。 但i e c l 0 1 规约与我国传统的规约在数据结构、帧格式、传输过程上都有 较大区别，在理解i e c l 0 1 规约时，不同的人可能会有不同的理解，这些理解 上的不同又给1 0 1 规约的推行造成了一定的困难。这个通信规约不统一的问 题，给设备选型、系统集成、运行维护等带来诸多不便，也为实现电力自动 化的诸多功能增加了难度。 电力通讯监控转发器的研究开发，旨在在非标准规约运行系统和国际标 准规约运行系统间构筑通道，满足电力自动化系统的信息共享需求，并期望 在我国城网和农网的改造过程中，在通信规约上逐步向国际标准靠拢。 本研究课题以i e c 8 7 0 5 1 0 1 规约( 以下简称1 0 1 规约) 和d l t6 4 5 电能 表规约为主要研究对象，完成了两种规约的软件实现，提供了1 0 1 规约在实 际应用中的思路，并使用m s p 4 3 0e 1 4 9 芯片开发出了电力通讯监控转发器， 实现在以d l t 6 4 5 为通讯规约的电能表和以1 0 l 规约为通讯规约的主站间数 据通信，以标准通讯规约形式实现了远程集中抄表功能，并在监控转发器中 对一些重要电力参数数据进行统计处理，作为历史数据存贮在转发器中，响 应主站召映而上传，以满足电力自动化的实际需求。 目前电力自动化系统中使用的传输规约种类较多，各个公司的产品使用 的标准尚不统一，系统互联和互操作性差。i e c 8 7 0 5 1 0 1 的技术内容反映了 远动设备及其系统领域内有关技术的最新成果，因而贯彻实行配套标准对提 高我国电力系统的数据采集和监视控制系统的技术水平必将有着显著的作 用。电力通讯监控转发器的研究开发，实现了不同协议网间的数据通信，改 善了网f 司通信状况，拓宽了1 0 1 规约目前在国内的使用空间，这对提高电力 自动化水平有着较强的实用价值和工程意义。 本论文涉及的研究工作如下： 1 提出了i e c 8 7 0 5 1 0 l 规约和d l t6 4 5 多功能电能表规约在实际中的应用 方法，以c 和c + + 语言为工具分别对两种规约做了软件实现， 并实际工作于具体的系统中。 2 以m s p 4 3 0f 1 4 9 芯片为基础完成监控转发器的硬件设计，并运用i2 c 总线 协议实现系统硬件时钟管理，并对外围存贮器做了扩展； 3 以j a re m b e d d e dw o r k b e n c h 为开发环境，运用c 语言和模块化设计思想， 提出了一种协议转换的实现方法，提供了通讯监控转发器的软件设计思想， 实现了协议转换和数据分析、信息存贮、数据转发等功能； 4 运用面向对象和多线程技术，利用v c + + 6 0 为开发工具，完成了主站测试 软件的设计，具备了s c a d a 系统所要求部分的功能。 本文的内容安排： 第一章：绪论。概述了电力自动化的发展历程，分析了我国电力系统通信 中存在的一些问题，指出了由于传输规约不统一所造成的问题现状，进而引 出了本文的研究日的和内容。 第二章：i e c8 7 0 5 1 0 1 规约及软件设计思想。介绍了1 0 1 规约的主要内 容，讨论了1 0 1 规约实现中的一些问题，并分子站和主站提供了1 0 】规约的 实现思路。 第三章：d l t 6 4 5 多功能电能表规约简介。分三层对6 4 5 电能表规约作了 较为概要的介绍，为后面的软件设计提供素材。 第四章：电力通讯监控转发器的硬件设计。以m s p 4 3 0 芯片为核心提供了 监控转发器的设计方法，并在i2 c 总线协议基础上实现了p c f 8 5 6 3 时钟和 a t 2 4 c 1 0 2 4 的外围扩展。 第五章：电力通讯监控转发器的软件设计。从系统的角度，以模块化设计 思想提供了监控转发器的软件设计过程。实现了包括协议转换、数据存贮、 数据转发、远程维护等功能。 第六章：主站测试系统软件设计。提供了以v i s u a lc + 十为丌发环境，运用 面向对象的和多线程技术完成的主站测试系统的设计方法，实现了对监控转 发器的多项功能测试。 第七章：结论。对本研究课题的工作做出结论性概括，并对今后工作做出 展望。 第二章i e c 8 7 0 5 1 0 1 规约及软件设计思想 随着电力系统自动化对远程通信达到规范性和统一性的要求不断提高，电 力自动化的通信标准和传输规约越来越引起了人们的关注“1 。国际电工委员会 ( i e c ，i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 电力系统控制和通信 技术委员会( t c 5 7 ) 是一个专门制定电力系统( 包括输电和配电自动化系统) 中远 动系统传输规约和标准、变电站自动化系统的通信规约、通信网络和系统等标 准的机构1 。从9 0 年代以来，t c5 7 技术委员会为适应电力系统及其他公用事 业的需要，制定了一系列远动传输规约的基本标准，这些舰约共分5 篇，它们 是：i e c 8 7 0 5 1 传输帧格式；i e c 8 7 0 5 2 链路传输规则；i e c 8 7 0 5 3 应用数 据的一般结构；i e c 8 7 0 5 4 应用数据的定义和编码；i e c 8 7 0 - 5 5 基本应用功 能。 为了在兼容的远动设备间达到互换的目的，t c 一5 7 技术委员会又在i e c 8 7 0 5 系列标准的基础上，根据各种应用情况的不同要求制定了系列的配套标准。 它们分别是：i e c 8 7 0 5 1 0 l 基本远动任务的配套标准( 1 9 9 5 年) ；i e c 8 7 0 - 5 1 0 2 电力系统中传输电能脉冲计数量配套标准( 1 9 9 6 年) ：i e c 8 7 0 - 5 1 0 3 继电保护 设备信息接口配套标准( 1 9 9 7 年) 。 i e c 8 7 0 5 一1 0 1 就是针对i e c 8 7 0 5 基本标准中的f t l 2 异步式字节传输帧 格式，对物理层、链路层、应用层、用户进程作了大量具体的规定和定义。 i e c 8 7 0 - 5 一1 0 1 所定义的基本应用功能允许在其定义的范围内根据具体情况和 要求作适当选择。为了使兼容远动设备之间能进行互换，i e c 6 0 8 7 0 5 - 1 0 1 ( 以 下简称为1 0 l 规约) 作为基本远动任务的配套标准由此产生。我国在1 9 9 7 年根 据这个标准出版了电力行业标准( d l t 6 3 4 1 9 9 7 基本远动任务配套标准) ，标准 非等同采用i e c l 0 1 标准规约，结合我国的实际情况做出了相应的补充和修改。 2 1 标准的应用范围及参考模型“” l o l 规约适用于电网数据采集和监视控制系统( s c a d a ) 以及调度所间以问答 式规约转发实时远动信息的系统。规定了s c a d a 系统中主站和予站( 远动终端) 之 间以问答方式进行数据传输的帧格式、链路层的传输规则、服务原语、应用数 据结构、应用数据编码、应用功能和报文格式。适用于网络拓扑结构为点对点、 多个点对点、多点共线、多点环形和多点星形网络配置的远动系统中。 本规约采用增强性能结构( e p a ，e n h a n c e dp e r f o r m a n c ea r c h i t e c t u r e ) 模型( 表2 2 ) ，这个模型源出于开放式系统互联的i s o o s i 参考模型( 表2 1 ) ， 本标准考虑远动系统在有限的带宽下要有特别短的反映时间，故仅用三层，即 物理层、链路层、应用层。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 链路层 物理层 应用层 链路层 物理层 表2 一ii s o 参考模型表2 - 2 增强性能模型 2 2物理层“” 物理层是o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t ) 模型的第一层，主要定义接口 电路标准和网络结构，实现网络内两实体的物理连接，按位串行方式传送比特 流，将数据信息从一个实体经物理信道送经另一个实体，向数据链路层提供一 个透明的比特流传送服务。物理层接口和协议通常应考虑如下因素： ( 1 ) 机械方面，应考虑插接器的尺寸、引线数目和排列； ( 2 )电气方面，要考虑信号的波形和参数，如多少伏电压代表“1 ”和0 ， 一个b i t 占多少毫秒等； ( 3 )功能方面，要考虑每一条线路的作用和操作要求，比如是数据电路、控 制电路还是时钟电路； ( 4 ) 过程方面，主要考虑利用接口传送比特流的整个过程和执行的先后顺序， 比如怎样建立和拆除物理线路的连接，是全双工还是半双工操作。 l o l 规约对物理层所做的规定，选自i s o 和i t u t 标准，遵从i e c 8 7 0 5 标 准系列的串行物理层定义，能支持多种网络拓扑结构，包括点对点、多个点对点、 多点共线、多点星形、多点共线、多点环形。电气特性方面，对于非平衡式转 接电路采用v 2 4 v 2 8 ，而平衡式转接电路则采用x 2 4 x 2 7 。 2 3链路层 数据链路层是o s i 的第2 层，其主要任务是将一条原始传输线路转换为对 网络来说是无错的传输线路。因此，它必须将输入数据分成数据块( 帧) ，并依 次传递各帧和处理由接收端发回的应答帧，解决了数据链路连接的建立、维持 和释放：在链路上实现帧的同步或异步传输；差错控制与恢复；流量控制等一 系列问题，进而在通信设备问建立可靠的数据传输通道。它包括链路的建立、 状态查询、应用层数据的传输及响应，具有较强的纠错功能，避免因链路中断 和干扰引起的传输错误。 2 3 1 帧格式 1 0 1 规约采用的帧格式为f t i 2 异步式字节传输帧格式。f t i 2 帧格式有可 变帧长、固定帧长及单个字符三种。单个字符固定为e 5 h ( 一个8 位位组) ，当 主站请求数据，而子站无1 级和2 级用户数据时，子站则用e 5 回答；可变帧长 格式用于主站向子站传输数据或由子站向主站传输数据；固定帧长格式用于子 站回答主站的确认报文或主站向子站的询问报文。这两种格式如表3 、表4 所示。 - 启动字符( 6 8 h ) 帧长度( l ) 帧长度( l ) 重复 启动字符( 6 8 h ) 控制域( c )上 链路地址域( a )l 个： 链路用户数据( 可变长度) t 帧校验和( c s ) 结束字符( 1 6 h ) 表2 - 3f t l2 可变i 帧长帧格式 传输规定： ( 1 )线路空闲状态为1 。 ( 2 )每个字符有1 位启动位( 0 ) 先传低位，再传高位。 节 启动字符( 1 0 h ) 控制域( c ) 链路地址域( a ) 帧校验和( c s ) 结束字符( 1 6 h ) 表2 - 4f t i 2 固定帧长帧格式 8 位数据位，1 位偶校验位，1 位停止位( 1 ) ( 3 )每个字符间无需线路空闲间隔。 ( 4 )两帧之间的线路空闲间隔最少为3 3 位。 ( 5 ) 帧长度l 包括控制域、地址域、用户数据的字节总数，l 最大为2 5 0 。 ( 6 ) 帧校验和为控制域、地址域、用户数据中所有字节的算术和( 不考虑溢 出) 。 ( 7 )接收校验。 校验： ( 1 ) 由串行接口芯片检查每个字符的启动位、停止位、偶校验位。 ( 2 ) 校验两个启动字符应一致、两个l 值应一致，接收字符数l + 6 、帧校验和、 结束字符无差错则数据有效。 ( 3 ) 在校验中，若检出一个差错，则舍弃此帧数据。 控制域： 控制域各位的定义如下： 主站到子站 子站到主站 d 7d 6d 5d 4d 3 d 0 f c bf c v 01 帧计数位l 帧计数有位 d i rp r m a c d d f c功能码 传输方向位启动报文位 要求访问位 数据流控制 10 位 表2 - 5 控制域位定义 传输方向位d i r ：d i r = o ，表示报文是由主站向子站传输，d i r = i ，表示报文 是由子站向主站传输。 启动报文位p r m ：p r m = i ，表示主站为启动站，p r m = 0 ，表示子站为从动站。 帧计数位f c b ：主站向同一个子站传输新一轮的发送确认( s e n d c o n f i r m ) 或请求响应( r e q u e s t r e s p o n d ) 传输服务时，将f c b 位取相反值，主站为每一 个子站保留一个帧计数位的拷贝，若超时没有从子站收到所期望的报文，或接 收出现差错，则主站不改变帧计数位( f c b ) 的状态，重复传送原报文，重复次数 为3 次。若主站正确收到子站报文，则该一轮的发送确认( s e n d c o n f i r m ) 或请 求响应( r e q u e s t r e s p o n d ) 传输服务结束。 要求访问位a c d ：a c d = i ，表示子站希望向主站传输1 级数据。 帧计数有效位f c v ：f c v = o ，表示帧计数位变化无效；f c v = 1 表示帧计数位 变化有效。 数据流控制位d f c ：d f c = o ，表示子站可以继续接收数据：d f c = i ，表示子站 数据区已满，无法接收新数据。 功能码则标志了报文的帧类型、业务功能等信息，最多可以有1 6 个。因传 输方向的不同功能码的含义也有所不同，具体可参看国标d l t 6 3 4 的相关说明。 地址域 地址域的含义是当由主站触发次传输服务，主站向子站传送的陨中表示 报文要传送到的目的站址，即子站站址。当由子站向主站传送帧时，表示该报 文发送的源站址，即表示该子站的站址。 地址域的值为0 至2 5 5 ，其中2 5 5 为广播地址。 链路用户数据 由于1 0 l 规约未采用应用规约控制信息，所以链路层中的链路服务数据单 元和应用层中应用服务数据单元是一样的，其具体规定可参看应用层的相关描 妹。 2 3 2 链路传输规则 链路层传输方式分平衡和非平衡方式。非平衡方式传输：只有主站启动各 种链路传输服务，子站只有当主站请求时才传输。这种传输方式对于所有网络 结构都可适用。但是在点对点和多点对点的网络结构中，非平衡方式传输没有 充分发挥这种网络的内在潜力。平衡方式传输：主站和子站可以同时启动链路 传输服务，所以必须有一对全双工的通道。这里规定对于点对点和多点对点的 网络结构采用平衡方式传输，对于多点共线、多点环形和多点星形的网络结构 采用非平衡方式传输。 国内1 0 l 大多采用非平衡方式传输，即主站在通信中起主导作用，启动报 文传输。同时也支持子站事件启动触发传输功能，这点是国内对i e c 的非平衡 传输所做的扩展。 本标准采用的链路传输规则，是由启动站向从动站触发一次传输服务，或者 成功完成，或者报告产生差错，之后才能开始下一轮的传输服务，即所谓的窗 口尺寸为l 。链路服务级别为三级，如表所示。 链路服务级别功能用处 s 1发送无回答 由主站向子站发送广播报文 ( s e n d n or e p l y ) s 2发送确认由主站向子站设置参数和发 ( s e n d c o n f i r m ) 送遥控、设点、升降和执行命 令 s 3请求响应由主站向子站召唤数据，子站 ( r e q u s e f r e s p o n d ) 以数据或事件数据回答 表2 - 6 链路服务级别 1 发送无回答( s e n d n or e p l y ) 服务 只有在前一轮服务结束之后，才能开始新一轮的发送。当一帧发送完后， 发送至少3 3 位的线路空闲间隔。 2 发送确认( s e n d c o n f i r m ) 服务 只有在前一轮传输结束之后，才能开始新一轮的发送。当子站正确收到主 站传送的报文时，子站立即向主站发送一个确认帧。若子站由于过载等原因不 能接收主站报文时，子站则应传送忙帧给主站。 3 请求响应( r e q u e s t r e s p o n d ) 服务 只有在前一轮传输过程结束之后，才能触发新一轮的请求帧。子站接收到请 求帧后将发送：如有所请求的数据则发响应帧；如无所请求的数据则发否定的 响应帧。 4 等待一超时一重发、等待一超时 等待一超时一重发：主站未收到子站发过来的确认帧或响应帧，超时后按 服务用户给定的重传次数链路层重传原报文，直至等于重传次数为止。 等待一超时：主站未收到子站发过来的确认帧或响应帧，超时后，即结束 这一次传输服务，启动新一轮传输服务。 等待一匹配超时( 时间) 一重发：主站接收响应帧或确认帧时出现差错，主站按匹 配超时的原则，检出线路空闲间隔后，按重发次数，不改变帧计数状态，重发原报文， 重传后主站正确收到报文，重传过程结束。否则，直到重传次数等于规定次数，仍未 收到，也结束重传，改变帧计数位状态，发新报文。本标准采用匹配超时方式，重传 次数为3 次。 启动两次传输服务的时间间隔受下述因素制约：系统要求变位遥信响应时 间、传输速率、受干扰以后的超时时间、前置机或通信控制器的处理能力、传 输帧长。这是一个系统参数。 2 3 3 数据完整性的讨论“6 1 0 1 规约的f t l 2 异步字节传输帧格式采用一个八位位组带一个偶校验位， 水平校验的海明距离为2 。整个报文再加一个八位位组的算术和，垂直校验和的 信号距离为2 ，所以整个信号距离为4 ，达到了数据完整性1 2 级。所以进行接 收校验必须进行偶校验和帧校验和校验，缺少一个将使海明距离变为2 ，检错能 力降低。对于远动系统，f t l 2 的数据完整性1 2 级已经能够满足要求。 2 4应用层 应用层是o s i 参考模型的最高层，它为用户提供服务，是o s i 用户的窗口， 并为用户提供一个o s i 的工作环境，即为访问o s i 的应用进程提供手段。应用 层的功能包括由程序执行的功能和操作员执行的功能、应用层的服务与其他服 务不同，它的服务直接提供给应用进程。当然，它提供的全部服务必定是应用 进程直接能够接受的服务。 应用层定义用户数据的表达方式和组织形式，包括数据类型的格式、寻址方 式及辅助信息。应用层报文一般包括应用服务数据单元( a s d u ，a p p l i c a t i o n s e r v i c ed a t au n i t ) 和应用规约控制信息( a p c i ，a p p l i c a t i o np r o t o c o lc o n t r o l i n f o r m a t i o n ) 。在1 0 l 规约中没有采用应用规约控制信息。 2 4 11 0 1 规约的应用服务数据单元 l0 l 规约的a s d u 应用服务数据单元即报文的数据区，其一般结构如表所示。 它有数据单元标识，1 个或多个信息体和应用服务数据单元的公共时标所组成。 a s d ua s d u 的域 类型标识 数据单元类型 可变结构限定词 数据单元标识 传送原因 公共地址 信息体信息体地址 信息体元素 信息体时标 表2 7 应用服务数据单元( a s d u ) 结构 l 、数据单元标识 类型标识 类型标识为一个8 位位组，代表应用服务数据单元的类型，定义了信息体的结构和 格式，决定了信息体是否带时标等。它是整个a s d u 单元的核心。某一类特定的应用功 能都由一个唯一的类型标识来表出。 可变结构限定词 可变结构限定词是一个8 位位组，最高位( s q ) 表示信息体是顺序的，还是非顺序 的。s q = 0 ，表示每个信息元素都要带上信息体地址；s q = i ，表示有顺序信息元素，即 信息体地址为首个元素的信息体地址，后续元素地址则依次加1 ；低7 位表示信息体的 个数，大小从o n l 2 7 。 传送原因 传送原因表示的是周期传送、突发传送、总询问，还是分组询问、请求数据、 重新启动、站启动、测试、确认、否定确认。传送原因的功能是当接收时将应用服务 数据单元传送给特定的应用任务( 程序) 时便于处理。如传送原n ) , - b 2 1 ，则表示是响应 分组召唤的第一组，子站需取出属于第一组的信息元素上传。 应用服务数据单元公共地址 应用服务数据单元公共地址是根据应用层情况确定的，定义为站地址。 般情况下，报文中链路层的地址域的站地址和应用服务数据单元公共地址可以 是同一个值。 2 、信息体 信息体地址 信息体地址为两个8 位位组，它与公共地址一块，区分全部的信息元素。 信息类型信息地址说明信息容量 单点、双点遥信 1 h 4 0 0 h1 地址1 点1 0 2 4 继电保护单个事件信4 0 1 h 5 0 0 h2 地址1 信息 1 2 8 息 。继电保护装置具有启 动事件的事件顺序记 5 0 l h 6 0 0 h8 地址1 信息3 2 录的信息 对于继电保护装置成 组输出电路信息每组 6 0 1 h 7 0 0 h4 地址1 组信息6 4 信息 遥测量7 0 1 h 9 0 0 hl 地址，1 点 5 1 2 参数地址 9 0 1 h b 0 0 h1 地址l 点5 1 2 遥控、升降b 0 1 h b 8 0 h1 地址l 点 1 2 8 设定 b 8 1 h c 0 0 h1 地址1 点1 2 8 电能脉冲计数量 c 0 1 h c 8 0 hl 地址1 点1 2 8 步位置信息 c 8 1 h c a o h1 地址1 点3 2 二进制状态信息 c a l h c c o h1 地址1 点3 2 b e d 码c c l h c e o h1 地址1 点 3 2 子站远动终端状态 c e 9 h1 地址，1 点 l f 文件传送f c e a h fff 表2 - 8 信息体地址分配表 其中，时钟同步和总召唤、分组召唤等命令的应用服务数据单元没用上信息 体地址，其信息体地址定为0 0 0 0 h 。 信息元素及信息体时标 在国标d l t 6 3 4 中共定义了3 7 种信息元素的格式( 包括带时标和不带时 标) ，对每一种类型都做出了具体的描述，具体可参看标准内容。 3 、用户数据分类 i e c 的1 0 1 规约的应用用户数据分为1 级用户数据和2 级用户。 1 级用户数据：变位遥信、由读数命令所寻址的信息体的数据、子站初始化 结束、子站状态变化。 2 级用户数据：超过门限值的遥测、子站改变下装参数、水位超过门限值、 变压器分接头变化、事件顺序记录数据和带时标的其他量，用召唤2 级用户数 据报文收集。遥信、遥测、水位、变压器分接头位置、远动终端状态也属于2 级 用户数据，但由主站总召唤命令或分组召唤命令召唤后向主站传送：电能脉冲 计数量由电能脉冲计数量的总召唤命令或分组召唤命令召唤后向主站传送。 2 4 2应用功能 规约的基本应用功能是实现监视和控制功能的传输程序，是应用( 用户) 过程的一部分。 该规约采用了i e c 6 0 8 7 0 5 5 中定义的1 3 种基本应用功能：站初始化、用 问答方式( p o l l i n g ) 收集数据、循环数据传送、收集事件、采用快速一校验一 过程的事件收集、总召唤、时钟同步应用功能、命令传输累计值( 远程累计、 电能脉冲计数量) 、装载参数、测试过程、文件传输、在监视方向的文件。 在某些场合，还可能需要在允许范围内对1 0 l 做出扩展，以实现自己的特 定应用功能，这在实际中是切实可行的，与l o i 本身也是相吻合的。在本文的 监控转发器设计中就做了报文转发功能的扩展，具体可参看第五章和第六章内 容。 现将部分应用报文举例如下： 主站：l o4 90 75 01 6 ：请求链路状态 子站：1 02 b0 73 21 6 ；连接正常状态应答 主站：l o7 b 0 7 4 71 6 ；召唤用户2 级数据 子站：1 00 9 0 7 1 01 6 ；无所召唤的数据应答 主站：6 81 01 06 88 0f f6