（电气工程专业论文）基于ip宽带网的远动系统实时数据传输的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于i p 宽带网的远动系统实 时数据传输的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致 谢之处外，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 得华北电力大学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了谢意。 学位论文作者签名 麦e 盘迸日 期：2 量：! ：i 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：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：同意学校可以用 不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 日期：丑互：l 工 e t 期：之j ：! ：2 华北电力火学l ：程硕士学位论文 1 1 课题的背景 第一章引言 目前电力通信技术发展迅速，基于s d h 光纤环网的高速通道已逐步成为传输语 音、图象及数据等电力生产和管理信息的主要方式。同时，随着计算机网络技术及 电力自动化技术的快速发展，地区调度自动化系统主站和变电站自动化系统的功能 已非常强大，具有较强的网络通信能力。这为研究基于计算机网络的远动系统提供 了硬件条件。 同时电力市场和电力行业标准化等工作的不断深化和发展，对远动技术提出 了新的要求。 因此在地区调度自动化系统和变电站自动化系统间，应用和研究先进的、与计 算机和网络通信技术发展相适应的远动系统具有积极的意义。 1 2 课题研究的目的和意义 长期以来，地区调度自动化系统( 或集控中心站) 与变电站远动设备的信息传 输控制一般采用部颁c d t 规约，其优点是技术简单实用，对通道的传输带宽要求不 高，而且经过了长期实践应用，运行的可靠性较高。但随着变电站无人值守改造和 变电站自动化技术的推广应用，传统的c d t 规约暴露出数据传输速度慢，传输的信 息量少等不足。为了解决这些问题，一些厂家对c d t 的自定义部分进行了定义和解 释，或者针对自己设备的特点和经验编制远动规约，但同时造成规约不统一，主站 和分站设备调试周期长，主站端数据库定义繁琐等一系列问题。因此，无论用户还 是制造商迫切需要标准的、功能强大的远动规约。 电力体制改革和电力市场的发展，除经营、管理等方面的改革以外，电力系统 自动化和信息化是技术手段，这是远动技术将面临的巨大改革。要求远动技术不但 覆盖自动化与管理信息的内容，也将涉及市场竞争以及调度员洽商、决策、调解等 所需要的信息和控制技术。因此，对自动化系统信息传输，在数据的共享性、实时 性、可靠性、数据量、数据内容等方面提出了更高的要求。 从电力系统标准化工作的角度出发，我国已加入世界贸易组织( w t 0 ) ，为电 力行业标准化工作提供了机遇，也提出了挑战。电力市场的开放，国际交流与合作， 电力产品相互渗透，迫使电力行业标准要加快与国际接轨，充分利用标准化手段， 使之既能保护我国的民族工业，又要积极采用国际先进标准、与国际接轨，避免多 种不兼容的标准和互相竞争的标准出现，降低远动系统的开发和运行费用既有利 华北电力大学l ：程硕十学位论文 于用户，又有利于制造商。 通过远动信息的网络传输，可使各相关主站同时共享厂站的实时信息。从根本 上解决困扰远动领域多年的远动信息一发多收和信息转发的问题，使电网安全分析 应用软件的运算数据基于同时间断面，以提高计箅结果的准确性。 1 3 课题要完成的工作 ( 1 ) 分析研究了阳泉地区调度宽带计算机网的组网方案。 结合地区电力数据通信网的建设情况，进行基于s d h 光传输网的i p 数据通信 网的技术探讨，确定组网方案，包括路由设备和s d h 设备的接口情况。 ( 2 ) 完成了通信控制器的软、硬件设计，实现了l o n w o r k s 和以太网之问的数 据转换。 根据地区变电站自动化系统的建设情况，研究具备变电站现场总线l o n w o r k s 和以太网通信功能的通信控制器的软、硬件实现。调度端自动化系统r t n e t ( r t u 网络通信) 模块的实现。 ( 3 ) 分析了基于t c p i p 的i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约传输控制的方法。 研究基于t c p i p 的i e c 6 0 8 7 0 5 一1 0 4 2 0 0 0 ( i e c 国际电工委员会) 即我国电力 行业等同采用制定的d l t 6 3 4 5 1 0 4 2 0 0 2 标准( 以下简称1 0 4 规约) 的具体实现， 包括t c p i i p 服务器，客户端的确定，a p c i ( 应用规约控制接口) 如何实现用户进程 与t c p 传输层的接口，如何在应用层实现防止报文丢失和重传等控制机制。 ( 4 ) 分析了基于t c p i p 的i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约传输工作模式。 ( 5 ) 实现了基于i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约的远动系统数据传输。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章地调数字宽带网的组网方案 随着变电站自动化技术的采用和推广，地区电网的3 5 k v 变电站和1 1 0 k v 变电 站基本上实现了无人值守，导致无人值守站的远动信息量大大超过了有人值守站的 远动信息量，包括继电保护的各种信号，直流系统的信息等等。为了确保电网运行 监控的安全性和可靠性，在远动信息传输的实时性、可靠性方面，对传输通道提出 了较高的要求。 然而传统的远动信息传输方式受通信设备的限制采用调制解调的模拟信号传 输，传输带宽为o 3 k h z 4 k h z 的音频范围，传输速率一般为3 0 0 b t 6 0 0 b t 。而且， 传统的电力线载波通道具有干扰大、信息量小、接口单一，线路检修时，将中断远 动信息的传输，以及稳定性差、故障率高等不足；微波通信虽然具有容量大、接口 机动灵活等特点。但是，一些边远变电站园地理位置不适合微波通信，同时微波通 信难免受到地形，地物及气候状况的影响而引起反射，折射，散射和吸收现象，信 号产生传播衰落和传播失真，从而影响通信效果。 同时，变电站自动化系统通信技术逐步由现场总线向工业以太网发展，网络协 议采用开放、标准的t c p i p 协议。目前的调度自动化系统主站设备全部采用t c p i p 网络协议和以太网方式连接。如果通道能够提供基于t c p i p 协议的硬件连接及传 输，不仅解决了远动信息传输实时性、可靠性方面的问题，面且将实现运动系统的 全网化、标准化连接，解决了远动信息传输的瓶颈问题。 随着光纤通信的出现，为远动信息的网络传输研究提供了可行性。 2 1 地区l p 数据网组网方案 2 1 1 宽带数据网技术分析 近几年来，光纤介质上的密集波分复用( d w d m ) 、同步数字体系( s d h ) 、异 步传输模式( a t m ) 、i p 交换及多协议标记转换( m p l s ) 等技术发展很快，而且各 有特点。 s d h 技术采用时分复用体制( t d m ) ，加强了组网功能，具有自愈能力。不但 能够直接承载传统的基于t d m 的话音和会议电视业务，而且对实时业务和等时性 要求较高的变电站、机房视频监控系统的视频业务能够很好的支持，并对其所承载 的业务能够进行物理隔离。由s d h 的帧格式可知，s d h 的帧头开销为2 9 6 ，效 率为9 7 1 ，传输效率相对较高。s d h 的引入侵传输网变的复杂和动态拓扑，p d h 通常采用点对点形式的传输系统；而s d h 传输网因a d m ( 分插复用器) 和d x c 华北电力大学丁程硕士学位论文 ( 数字交叉复用器) 而多样化，网络拓扑可动态改变，使得s d h 组网更加灵活和可 靠。s d h 作为传输网相当于开放系统互联( o s i ) 网络分层协议中的最底层一物 理层，它为网络运营者提供了灵活、可靠的搭建多种网络的平台，比如利用数字网 ( d d n ) 交换机，桢中继( f r a m er e l a y ) 交换机、i p 路由器、异步传输模式( a t m ) 交换机均可通过s d h 构建相应的网络。( f r a m er e l a yo v e rs d h ，i po v e rs d h ，a t mo v e r s d h ) ，特别是电力系统特有的线路保护信号，要求逐站的点对点传输，s d h 更是 无法取代。 从电力数据通信业务的划分可以看出，电力系统的内部业务主要是i p 业务，包 括数据、话音和多媒体。非i p 业务主要是基于时分复用( t d m ) 的传统话音和会 议电视及变电站视频监视系统，这部分业务目前已在电力系统s d h 网络及程控交换 网上承载。 因此，相比较而言，i po v e rs d h 是目前比较可行的实现远动信息网络传输的方 案，即s d h 实现物理层连接，i p 路由器实现链路层和网络层的连接。 2 2 地区s d h 光传输网拓扑结构及设备连接 2 2 1 地区s d h 光传输网拓扑结构 目前，阳泉地区s d h 光纤传输系统中共有光传输设备2 6 台，其中有1 8 台用作 a d m ，8 套用作t m 。建成地调等9 个站的s d h1 5 5 m 光纤环网( 具备光纤自愈功能) ， 环网支线4 个站，东部支线5 个站，北部支线5 个站。地调和2 座2 2 0 k v 变电站建 成n e c2 5 gs d h ，为全省2 5 g 环东部支线。同时，另外2 座2 2 0 k v 变电站新建 n e c1 5 5 ms d h 。拓扑结构图见图2 - 1 。 华北电力大学鼙硕十学t i 7 = 论文 图2 1 ：s d h 光传输网拓扑结构 拓扑图中，t m ( 终端复用器) 的主要任务是将低速支路的电信号和1 5 5 m b i t s 电信号装入s t m 一1 5 1 帧结构中，并经f g 光转换为s t m 。1 。光线路信号。其逆过程j 下 好相反。功能实现如图2 2 ： a d m ( 分插复用器) 是一种将t m 和数字交叉连接功能综合于一体的设备，可 以灵活地分插任意支路信号，在网络设计上有很大的灵活性，因此应用很广泛。a d m 利用其内部的时隙交换可以方便地实现带宽管理，即允许2 个s t m - n 信号之间的 5 霉蜘素娱匣臻啦装置口i_困 华北电力大学。l ：程硕士学位论文 不同v c 5 1 ( 虚容器) 实现互联，功能上相当于含有一个小型的d x c 5 1 ( 数字交叉 复用器) 。利用a d m 可以组成形式多样的自愈环，既可以应用于用户网和市内局问 中继网，也可以应用于长途网；当然，a d m 也可以用做t m 。功能实现如图2 3 ： t 扭淑公务奢t 、科撞口 i 526 3 44 5 1 4 0 l 邵 姐m 村鹰盟亭均为伯擒蘧葶m 位为、l b i t s 图2 - 2 ：s t m 一1 终端复用器 f b 海公务音蟹7 f m n 接口 js2645i l 娶 殛邋对血赣字均为传谊遗崔，卟俺为m h i l s 图2 3 ：s t m t 分插复用器 2 2 2s d h 环网结构与自愈功能 s d h 光传输网具有自愈功能，其中环形网保护就是实现自愈功能的方法之一， s d h 的a d m 很适于构成自愈能力的环形网结构，可大大提高网络的生存能力。在 网络发生故障时，自愈网具备发现替代传输路由并重新建立通信的能力，自动恢复 业务。a d m 构成的环彳亍网有单向通道倒换环和双向复用段倒换环两种，前者通过 检查通道信号的优劣作为倒换判握，后者则利用检查节点间线路质量的好坏决定是 否倒换。可见，通道倒换是以每一通道为单位进行倒换，而复用段倒换则是以整个 复用段为单位。 阳泉地区a d m 环网采用的是1 ：l 的单向通道倒换环方式，具体实现为环内 a d m 设备以一对光纤相连，其中一条光纤设定为主环，另一条光纤设定为备用环。 f 常情况下，a d m 设备通过主环进行数据的发送和接收，备用环只发送不接受。 如果主环发生故障，a d m 设备不能在主环上正常接收信号，a d m 设备将自动切换 到备用环上接收数据，实现自愈。s d h 的环网自愈功能提高了远动信息的传输可靠 陛。 2 3 链路层拓扑结构和设备连接 s d h 光传输系统完成数据传输功能，不能直接承载i p 数据，及实现i p 数据的 6 华北电力火学工程硕士学位论文 交换，因此，需增加路由器设备实现链路层设备连接和网络层数掘的路出和交换。 路由器采用两种接口与s d h 设备连接： ( 1 ) p o s 连接方式 p o s 全称为p a c k e to v e rs o n e t s d h ，又称i po v e rs o n e t ，s d h ，即通过s d h 提供的高速传输通道直接传送i p 分组，主要应用于数据骨干网。 p o s 是基于s d h 的点对点链路，提供s t m 一1 4 1 6 ( 1 5 5 m 6 2 2 m 2 5 g ) 接口速 率，通过将i p 包封装入p p p ( 点对点协议) 帧中，然后将p p p 帧放入s d h 的虚容 器中进行传输。 ( 2 ) e 1 连接方式 e l 是一个数据带宽为2 m b p s ，电气标准为g 7 0 3 的接口，支持p p p 、x2 5 等数 据链路层协议，支持i p 、i p x 等网络协议，主要用于数据网接入层。 阳泉地调 图2 - 4 ：地区路由设备的拓扑结构。 拓扑图中设备说明： ( 1 ) 地调安装2 台c i s e 0 7 6 0 9 骨干路由器，模块配置为： 内置2 个干兆接口的s u p e r v i s o re n g i n e7 2 0 ( 路由器处理引擎) 模块一个，其中 1 个千兆端口用于2 台c i s c 0 7 6 0 9 问的互连，实现数据交换。 4 8 端口百兆接口模块一个，用于连接本地应用系统( 如调度自动化主站系统) 。 具有1 端口o c 3p o s 1 5 5 m 广域网接口和8 端口e i 2 m 广域网接口的f l e x w a ( 广 域网接口) 模块一个，8 端口e l 广域网接口和地调华为1 5 5 m s d h 设备e 1 口相连 接至变电立占c i s e 0 2 6 5 0 x m 路由器，7 6 0 9 一o 】0 c 3p o s 1 5 5 m 端口用于和省公司核 心路由器相连。 华北电力大学l 程硕十学位论文 ( 2 ) 变电站配置c i s c 0 2 6 5 0 x m 路由器一台模块配置为： 2 端口e l t 1 模块一个，0 端口和变电站华为1 5 5 ms d h 设备e l 口相连接至 地调c i s c 0 7 6 0 90 1 路由器。2 2 0 k v 变电站，l 端口和变电站n e c 2 5 g 或15 5 ms d h 设备e 1 口相连接至地调c i s c 0 7 6 0 9 0 2 路由器，两个端口数据接入互为热备。 1 6 端口1 0 t 0 0e t h e r s w i t c h 网络模块一个，用于连接变电站应用系统( 如变电 站自动化系统) 。 2 4 远动系统接入实现方案 i po v e rs d h ( i p 路由器+ s d h 光传输) ，为远动系统提供了一条基于i p 技术， 1 0 1 0 0 m 以太网硬件接口的数据传输通道。考虑到阳泉地区1 1 0 k v 变电站己全部实 现变电站自动化，而且大多数为l o n w o r k s 现场总线方式，因此，本课题以阳泉地 区1 1 0 k v 马家坪变电站作为分站，该站站内自动化装置以l o n w o r k s 现场总线相连， 新增一台设备即通信控制器来完成l o n w o r k s 和以太网之间的连接、数据转换，通 过i po v e rs d h ( i p 路由器+ s d h 光传输) 进行自动化主站和变电站远动信息的传输， 连接方式如下： - q 桑 坤m川口nm执士网口，(一 扛避 毒 地 变 调 电 站 图2 5 ：阳泉地调至马家坪变电站信息传输连接框图 2 4 1 变电站通信控制器的实现 2 41 1 通信控制器的硬件结构 通信控制器的硬件结构按模块化设计方法，主要分为主c p u 系统、串1 ：3 通信模 块、l o n w o r k s 通信模块、以太网通信模块等几个部分，如图2 - 6 所示： 圃t + f 1 一匝墅翻p 甾2 4 8 5 匝蕊口i c p u l o p w 0 如总钱 面酲匠) 一l j 一垣巫匦囝里太捌 图2 - 6 ：通信控制器硬件结构挺图 0 华北电力大学工程硕士学位论文 主c p u 采用嵌入式m o t o r o l am p c 8 6 0 p 通信处理器芯片( 以太网通信模块、串 行通信接口已集成在内，) ，内部结构如图2 7 所示： 胬令总线 1 6 k r i c a c h e 缺入式l p o w e r i c 核 裁存储憩 i m m u 蚕e r d c a c h e d m m u 总 系统集成单元 存储控苇辎 d m a l 5 f l f o 啬 l o ；1 b a s e 玎 m a c m l t 坟速 ；l 走 网膜块 并行 i 幻 4 j 中断 双口 定对器i 控制禚fr a m 波特牢 产! # 器 并f j ： 按u 3 2 b i tr i s c 徽捧删器 和程j 芋r o m t l m f - - r lj m a c 1 6 个串 fi 1 ) m 越通遒l 和2 个廉拟r j 蓟f i d m 如i 亘道l 处理糟 一单尤 8 c c i ls c c 2i s c c 3 4 i s c c 4 t l s m c l l s m c 2 i s p i t 1 同梢分配器i 串行接l j 图2 7 ：m p c 8 6 0 内部结构 m p c 8 6 0 p 内部集成有两个处理器，个处理器是嵌入的p o w e r p c 内核，该核内 部采用3 2 x3 2 比特定点寄存器。另个是通信处理模块( c p m ) ，通信处理模块 支持四个串行通信控制器( s c c ) ，可支持以太网、h d l c s d l c 、h d l c 总线、 a p p l e t a l k 、7 号信令系统、u a r t 、比特流透明传输和基于帧的透明传输( c r c 可 选) 、p p p 的异步h d l c 等标准协议：两个串行管理控制器( s m c ) 则可支持u a r t ： 内含一个串行外围接口电路( s p i ) ) ，可支持主从模式，同时支持同一总线上的多 主操作：具有1 2 接口，支持主从模式，并支持多主环境：内有时隙分配器。允许s c c 和s m c 复用和( 或) 非复用，支持t i 、c e p t 、p c m 公共通路、i s d n 基本速率、 i s d n 一次群速率或用户定义等，并允许单独的发送和接收路出、帧同步和时钟。 外围扩展电路如图2 8 ： 一一一一一一 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 8 ：m p u 8 6 0 外围扩展电路 m p c 8 6 0 通过外围芯片l e v e l ll x t 9 0 5 和l e v e l ll x t 9 7 0 a 构成1 0 m 以太网接 口和1 0 1 0 0 m 自适应快速以太网接口，下图2 - 9 为1 0 m 以太网接口电路。 j r z 上 = 1o l l 网口 图2 - 9 ：1 0 m 以太网接口电路 l o n w o r k s 通信模块采用e c h e l o n 公司的神经元芯片n e u r o n c 3 1 5 0 ，内部带有3 个8 位微处理器：一个用于链路层的控制，另一个用于网络层的控制，第三个用于 执行用户的应用程序。该芯片还包含1 1 个i o 口和完整的l o n t a l k 通信协议，它同 时具有通信和控制功能。采用t p t x f 一7 8 收发器实现l o n w o r k s 双绞线硬件接口。 华北电力大学 j 程硕士学位论文 m p c 8 6 0 与n e u r o n c 3 1 5 0 通过双方的i o 口进行通信。 2 41 2 通信控制器的软件设计 通信控制器的软件设计遵循模块化设计方法，和硬件模块相对应，通信控制器 的软件主要包括主程序模块、串口驱动模块、l o n w o r k s 总线驱动模块、以太网驱动 模块、t c p i p 协议处理模块和应用层处理模块。在本文中主要研究网络通信，因此， 主要介绍以太网驱动模块和t c p i p 协议的实现。 以太网的介质访问控制( m a c ) 和逻辑链路控制，包括冲突检测、帧头的产生 和检测、c r c 校验和产生等已由m p c 8 6 0 的嵌入式实时操作系统v x w o r k s 内嵌的 t c p i p 协议栈和v x w o r k s 专用的e n d ( e n h a n c e d n e t w o r k d r i v e r ) 网络设备驱动程 序完成。因此，以太网驱动程序主要选择其物理接口、工作方式初始化和对以太网 数据帧发送和接受的处理。中断方式下，以太网帧发送、接收中断服务程序流程如 图2 一l o 所示。 图2 - 1 0 ：以太网接口模块软件流 t c p i p 协议处理模块是将现场总线l o n w o r k s 协议( l o n t a l k ) 转换到t c p i p 协议。来自应用程序的数据，经过如图2 1 l 所示的封装实现l o n t a l k 和t c p i p 协 议之间的转换。 华北电力大学工程硕士学位论文 应用程序 f t 输崩 时熊瞄 l 链壤膳 以矗阿 以太嘲杖 图2 1 1 ：用户数据进入协议栈时的封装过程麦过程 若某一应用要将数据传送到网络中某一节点，则应先确定此数据采用t c p 还是 u d p 传输，然后将次数据传送给t c p 进程或u d p 进程，由它们将数据加上报头后 传送给i p 进程，i p 进程通过地址识别协议a r p 将数据中的i p 地址转换为物理网络 地址，传送至链路层。 在实际应用中，调度主站和变电站之间传输数据，从可靠性考虑应采用t c p 协 议，1 0 4 规约中也明确规定采用t c p 协议。 通信控制器通过l o n w o r k s 总线数据帧格式主动轮询l e d ( 智能电子设备) 中的 实时采样值、开关状态、事件报文，并形成实时数据库。并主动上传事件( 遥信变 位、遥测变化等) ，或接受主站召唤，响应主站命令等服务( 具体实现见本文41 ) 2 4 2 调度端实现 调度自动化系统硬件配置为双网冗余结构，如图2 一1 2 ： r t u 图2 - 1 2 ：调度端实现接入 1 2 萝 匦 华北电力大学工程硕士学位论文 常规远动以串行方式( r s 2 3 2 ，或m o d e m ) 接入终端服务器( 3 2 口) ，终端服 务器通过1o ，1 0 0 m 数据采集以太网和s c a d a 服务器进行通信。远动以网络方式接 入时，不需要增加硬件，直接接入1 0 1 0 0 m 数据采集以太网交换机即可。 调度端自动化系统具备s c a d a e m s 功能，软件体系采用摸块化，主要包括前 置通信模块、数据库处理模块、人机会话模块以及其他的辅助模块构成。数据库分 为实时数据库、描述数据库、历史数据库三类。模块之间、模块与数据库之间的通 信均通过s b ( 软总线) 和o d b c ( 开放数据库连接) 完成，其结构如图2 13 ： o d b c s b 图2 1 3 ：调度端自动化系统软件模块图 为了满足远动信息网络方式通信，增加了r t n e t 模块( r t u 网络通信) ，该模 块主要功能包括： ( 1 ) 与变电站通信控制器建立网络连接，并对网络连接状态进行监视、统计 和控制。 ( 2 ) 将以网络方式收到的远动数据预处理，通过软总线和o d b c 送至实时数 据库，下发控制类信息至变电站通信控制器。 ( 3 ) 实现变电站通信控制器校时功能，实现g p s 对时功能。 ( 4 ) 提供变电站各种测量值的监视界面。 ( 5 ) 对r t u 收发缓存区进行测试。 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章远动信息在计算机网络中的传输控制方式 由于变电站自动化系统网络通信技术和i po v e rs d h 通信技术发展和应用，本 世纪初自动化设备厂家开始进行变电站远动信息网络传输的研究和实践，但是，此 项工作现在处于实验阶段性质的应用比较多，而真正进行实际应用的站很少，尚未 推广，其关键问题在于长期以来没有一个基于t c p i p 协议的远动规约的制定和应 用。虽然，c d t ( 循环数据传输) + t c p i p ，或者p o l l i n g ( 问答式数据传输) + t c p i p 也可以实现远动信息的网络传输，但是存在以下几个问题； ( 1 ) c d t 循环方式传输数据，p o l l i n g 问答式传输数据，数据传输方式单一， 只支持点对点单向传输方式，在大数据量、高速率传输方式下，通道利用率、数据 传输效率低。 ( 2 ) c d t 和p o l l i n g 的系统时间对时机制只适合于低速通道，在网络方式下会 产生误差。 ( 3 ) c d t 和p o l l i n g 规约中未定义与t c p i p 传输层接口的a p c i ( 应用规约控 制信息) ，应用层数据传输无启，停控制、抗报文丢失和重复传输的保护功能。 ( 4 ) 常规的远动规约信息量和信息种类的定义较少，不能满足发展需要。 基于t c p i p 协议的1 0 4 规约的制定，较好的解决了以上问题。 3 1t c p i p 介绍 t c p i p 是目前世界上应用最广的一种著名的网络体系结构，它并非国际标准， 但是它已成为计算机网络的事实上的国际标准。这主要是因为现在完全符合o s i 各 层协议的产品极少，远不能满足用户的要求，使用t c p i p 的产品却大量涌入市场， 在i n t e r n e t 中使用的协议就是t c p i p ，因此，t c p i p 得到了广泛的应用和推广。 1 9 6 9 年美国国防部高级研究项目机构( a r p a ) 建立了著名的a r p a n e t 。在 此基础上实现了异构机、异构网之间的互联。在2 0 世纪7 0 年代米推出了t c p i p 体系结构和协议规范。 t c p i p 大部分网络应用程序在编写时都假设一端是客户，另一端是服务器，其 目的是为了让服务器为客户提供一些特定的服务。 tcp 和u dp 采用1 6b i t 的端口号来识别应用程序。服务器一般都是通过知名 端口号来识别的。例如，对于每个tc p ip 实现来说，ftp 服务器的tcp 端 口号都是21 。 客户端通常对它所使用的端口号并不关心，只需保证该端口号在本机上是唯一 1 4 华北电力大学j ：程硕士学位论文 的就可以了。客户端口号又称作临时端口号( 即存在时间很短暂) 。这是因为它通 常只是在用户运行该客户程序时才存在，而服务器则只要主机开着的，其服务就运 行。 3 11t c p f l p 的分层 t c p i p 是一个四层协议体系，有很多种协议。如图3 1 r 一一一一一一。一+ 一一一一一一一一一一一 娣体 图3 1 ：t c p i p 协议体系 ar p ( 地址解析协议) 和r a r p ( 逆地址解析协议) 是某些网络接口( 如以 太网和令牌环网) 使用的特殊协议，用来转换ip 层和网络接口层使用的地址。 ip 是网络层上的主要协议，同时被tcp 和udp 使用。tcp 和udp 的每 组数据都通过端系统和每个中间路由器中的ip 层在互联网中进行传输。 icmp 是ip 协议的附属协议。ip 层用它来与其他主机或路由器交换错误报 文和其他重要信息。 igmp 是inter i iet 组管理协议。它用来把一个udp 数据报多播到多个主 机。 t cp 和u dp 是两种最为著名的运输层协议，二者都使用ip 作为网络层协议。 虽然tcp 使用不可靠的ip 服务，但它却提供一种可靠的传输层服务。 udp 为应用程序发送和接收数据报。一个数据报是指从发送方传输到接收方 的一个信息单元( 例如，发送方指定的一定字节数的信息) 。但是与tcp 不同的是， u dp 是不可靠的，它不能保证数据报能安全无误地到达最终目的。 华北电力大学工程硕士学位论文 应用层负责处理特定的应用程序细节，如t e l n e t 远程登录、f t p 文件传输协 议、s m t p 简单邮件传送坍议、s n m p 简单网络管理协议等应用。 3 1 2t c p i p 封装和分用 当应用程序用tcp 传送数据时，数据被送入协议棱中，然后逐个通过每一层 直到被当作一串比特流送入网络。其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息 ( 有时还要增加尾部信息) ，该过程如图3 2 所示。tcp 传给ip 的数据单元称作t cp 报文段或简称为tcp 段( tcp segment ) 。ip 传给网络接口层的数据单元 称作ip 数据报( i pd a t a g r a m ) 。通过以太网传输的比特流称作帧( f rame ) 。 udp 数据与tcp 数据基本一致。唯一的不同是udp 传给ip 的信息单元称 作udp 数据报( u d p d a t a g r a m ) ，而且u dp 的首部长为8 字节。 i p 列口m 图3 2 ：以太网数据帧的封装过程 当目的主机收到一个以太网数据帧时，数据就丌始从协议栈中由底向上升，同 时去掉各层协议加上的报文首部。每层协议盒都要去检查报文首部中的协议标识， 以确定接收数据的上层协议。这个过程称作分用( de m u l t ip lex ing ) a 华北电力大学l ：程硕士学位论文 世h t l ? l 哺 图3 3 ：以太网数据帧的分用过程 3 1 3 传输层协议t c p 和u d p 分析 t c p i p 传输层提供了t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用户数据协议) 两种传 输协议，用户进程采用哪一种协议实现数据传输，需根据两种协议的特点选择。 ( 1 ) u d p 协议传送数据前，发送端和接收端不需要进行连接确认，而t c p 则 要通过三次握手建立一个t c p 连接，方才进行数据传输。u d p 首部长度为8 个字 节，而t c p 首部长度为2 0 字节。从这两点分析，u d p 数据报的传输速度更快，效 率更高；但是，u d p 把应用程序传给ip 层的数据发送出去，并不保证它们能到达 目的地。而在一个tcp 连接中，仅有两方进行彼此通信可靠性更高。 ( 2 ) u d p 和t c p 在首部中都有覆盖它们首部和数据的检验和，都是一个端到 端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差 错，tcp 将丢弃这个报文段和不确认收到此报文段( 希望发端超时并重发) ，而 u d p 则不重发。u d p 的检验和是可选的，而t c p 的检验和是必需的。 ( 3 ) 物理网络层一般要限制每次发送数据帧的最大长度。任何时候i p 层接收 到一份要发送的i p 数据报时，它要判断向本地哪个接口发送数据( 选路) ，并查询 该接口获得其m t u ( 最大传输单元) 。i p 把m t u 与数据报长度进行比较，如果需 要则进行分片。分片可以发生在原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上。 当i p 数据报被分片后，每一片都成为一个分组，具有自己的i p 首部，并在选择路 由时与其他分组独立。这样，当数据报的这些片到达目的端时有可能会失序，但是 在i p 首部中有足够的信息让接收端能正确组装这些数据报片。 尽管i p 分片过程看起来是透明的，但有一点不足是：即使只丢失一片数据也要 1 7 华北电力大学l ：程硕士学位论文 重传整个数据报。为什么会发生这种情况呢? 因为i p 层本身没有超时重传的机制一 一由更高层来负责超时和重传( t c p 有超时和重传机制，但u d p 没有。一些u d p 应用程序本身也执行超时和重传) 。当来自t c p 报文段的某一片丢失后，t c p 在超 时后会重发整个t c p 报文段，该报文段对应于一份i p 数据报。没有办法只重传数 据报中的一个数据报片。事实上，如果对数据报分片的是中间路由器，而不是起始 端系统，那么起始端系统就无法知道数据报是如何被分片的。就这个原因，经常要 避免分片。 使用u d p 很容易导致i p 分片，因为使用u d p 的应用程序产生的数据报长度将 保持不变的传递给i p 。而t c p 应用数据被分割成t c p 认为最适合发送的数据块， 由t c p 传递给ip 的信息单位称为报文段或段( s e g m e n t ) 。 ( 4 ) u d p 输入队列 大多数u d p 服务器是交互服务器。这意味着，单个服务器进程对单个u d p 端 口上( 服务器上的名知端口) 的所有客户请求进行处理。通常程序所使用的每个u d p 端口都与一个有限大小的输入队列相联系。这意味着，来自不同客户的羞不多同时 到达的请求将由u d p 自动排队。接收到的u d p 数据报以其接收顺序交给应用程亭 ( 在应用程序要求交送下一个数据报时。然而，排队溢出造成内核中的u d p 模块丢 弃数据报的可能性是存在的。 ( 5 ) t c p 为应用程序提供连续的字节流，而没有任何信息边界。t c p 以应用 程序读操作时所要求的长度来传送数据，因此，在这个接口下，不会发生数据丢失。 出于i p 能够发送或接收特定长度的数据报并不意味着接收应用程序可以读取该 长度的数据。因此，u d p 编程接口允许应用程序指定每次返回的最大字节数。如 果接收到的数据报长度大于应用程序所能处理的长度，多出部分可能会丢失( 具体 情况看操作系统版本) 。 ( 6 ) 广播和多播 广播和多播仅应用于u d p ，它们对需将报文同时传往多个接收者的应用来说十 分重要。t c p 是一个面向连接的协议，它意味着分别运行于两主机( 由i p 地址确定) 内的两进程( 由端口号确定) 间存在一条连接，因此不支持广播和多播。 ( 7 ) 报文重发等功能 当t c p 发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。 如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。 当t c p 收到发自t c p 连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是 立即发送，通常将推迟几分之一秒。 1 8 华北电力大学工程硕士学位论文 既然t c p 报文段作为i p 数据报来传输，而i p 数据报的到达可能会失序，因此 t c p 报文段的到达也可能会失序。如果必要，t c p 将对收到的数据进行重新排序， 将收到的数据以正确的顺宇交给应用层。 既然i p 数据报会发生重复，t c p 的接收端必须丢弃重复的数据。 t c p 还能提供流量控制。t c p 连接的每一方都有固定大小的缓冲空间。t c p 的 接收端只允许另一端发送接收端缓冲区所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较 慢主机的缓冲区溢出。 u d p 协议则不具备以上功能。 通过以上分析，t c p 协议提供可靠的数据传输，而u d p 数据报的传输速度则 更快，效率更高。在远动系统数据传输中，对数据传输的可靠性有较高的要求，因 此选用t c p 协议。 3 21 0 4 规约与t c p i i p 关系 3 2 11 0 4 规约背景介绍 2 0 世纪9 0 年代以来，国际电工委员会第5 7 技术委员会，为适应电力系统( 包 括e m s 、s c a d a 和配电自动化系统) 及其他公用事业的需要，制定一系列传输规 约，这些规约共5 篇。其后，我国等同采用，制定出相应标准： g b t 18 6 5 7 1 2 0 0 2 远动设备与系统 第5 部分：传输规约 第1 篇一传输帧 格式( i d t i e c 6 0 8 7 0 5 一l ：1 9 9 0 ) g b t 1 8 6 5 7 2 2 0 0 2 远动设备与系统第5 部分：传输规约 第2 篇一链路传 输规则( i d t i e c 6 0 8 7 0 5 2 ：1 9 9 2 ) g b t 18 6 5 7 3 2 0 0 2 远动设备与系统第5 部分：传输规约 第3 篇一应用数 据的般结构( i d t i e c 6 0 8 7 0 5 3 ：1 9 9 2 ) g b t 18 6 5 7 4 2 0 0 2 远动设备与系统 第5 部分：传输规约 第4 篇一应用信 息元素的定义和编码( i d t i e c 6 0 8 7 0 5 4 ：1 9 9 3 ) g b t 18 6 5 7 5 2 0 0 2 远动设备与系统 第5 部分：传输规约 第5 篇一基本应 用功能( i d t i e c 6 0 8 7 0 5 5 ：1 9 9 3 ) 近年来，i e c 制定了一些配套标准，经国家经贸委批准，我国制定了相应的电 力行业标准，他们是： d l t 6 3 4 1 9 9 7 基本远动任务配套标准( n e q i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 l ：1 9 9 5 ) d l t 7 1 9 - 2 0 0 0 电力系统电能计量传输配套标准( i d t i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 2 ：1 9 9 6 ) 1 9 华北电力大学：口到顶士学位论文 d l t 6 6 7 1 9 9 9 继电保护设备信息接口配套标准( i d t i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 ：1 9 9 7 ) d l t 6 3 4 5 1 0 1 2 0 0 2 传输规约基本远动任务配套标准( i d t i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 ： 2 0 0 2 v 2 ) 国际电工委员会( i e c ) 1 9 9 5 年出版i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 以来，得到了广泛应用 为适应网络传输，2 0 0 0 年出版了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 ：2 0 0 0 。为规范此标准在国内电力 行业的应用，我国制定出相应的标准d l t 6 3 4 5 1 0 4 2 0 0 2远动设备与系统第 5 1 0 4 部分：传输规约一采用标准传输协议子集的i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 l 的网络访问。 3 2 21 0 4 规约在o s l 参考模型中的位置 按照i s o 网络协议7 层结构的定义，1 0 4 规约和t c p i p 协议一样是一个4 层协 议，如图3 - 4 ： 根据d l t 6 3 4 5 1 0 1 从g b t 1 8 6 5 7 5 中初始化用户进程 选取的应用功能 从d l t 6 3 4 5 1 0 1 和i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 中选取的a s d u a p c i ( 应用规约控制信息)应用层( 第7 层) 传输接口( 用户到t c p 的接口) 传输层( 第4 层) 网络层( 第3 层) t c p i p 协议子集( r f c 2 2 0 0 )链路层( 第2 层) 物理层( 第1 层) 注：第5 ，第6 层未用 图3 - 4 ：1 0 4 定义的远动配套标准选择的标准 在物理层、链路层、网络层、传输层采用标准的t c p i p 协议子集( r f c 2 2 0 0 ) ( 见图3 5 ) ，在应用层不采用t c p i p 通用的应用程序定义，而是定义了相应的a p c i ( 应用规约控制信息) 来完成a s d u ( 应用服务数据单元) 的传输，a s d u 从 d l t 6 3 4 5 l o l 一2 0 0 2 和i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 定义中选取。 华北电力人学掣硕七学位论文 r f c 7 9 3 ( 传输控制协议)传输层( 第4 层) r f c 7 9 l ( 互联网协议)网络层( 第3 层) r f c1 6 6 1 ( p p p )r f c8 9 4 r f c1 6 6 2 ( h d l c 帧式( 在以太网上传输i p 数据数据链路层( 第2 层) p p p )报) x 2 1i e e e 8 0 2 3物理层( 第1 层) 串行线以太网 图3 5 ：1 0 4 选择的t c p i p 协议集 3 2 31 0 4 规约网络实现模型 实现1 0 4 规约传输的网络，包含传输d l 6 3 4 5 1 0 1 2 0 0 2a s d u 的远动设备的 局域网，包含不同广域网类型( 如：x 2 5 、帧中继、i s d n 等) 的路由器通过t c p i p 局域网接口的互联，如图3 - 6 ：所示为主站路由配置有冗余和无冗余情况。 2 华北电力大学工程硕士学位论文 10 i 应用层 俸输接口 终i t c p ，i p 局域网接口a 路由器c x 2 5 ，f r ，拈d n ) 竺：竺 l 路由器( x 2 5 ，f r ，i s d n ) 局域网接口a t c p i p 传输接口 1 叭应用层 缚i 无冗余 a 局域网接口可能冗余 冗余 图3 - 6 ：1 0 4 规约网络实现模型 3 3a p c i ( 应用规约控制信息) 分析 主站 ( 中心站) 子站 ( 远方站) 图3