（计算机应用技术专业论文）电力远动测试系统的研究与开发.pdf

摘要 随着数字化时代的到来和t c p i p 网络的迅猛发展，对传输电力 远动报文可靠性要求不断提高。同时以以太网为传输媒介传输的 i e c l 0 4 规约将会替代目前其它规约，广泛应用在电力远动领域。为 满足电力远动部门对i e c l 0 4 规约监控和维护的基本要求，众多针对 监控与测试包括i e c l 0 4 等多种电力远动规约运行状况的解决方案应 运而生。 本文介绍了目前国内外常用电力远动规约的技术与特点，重点分 析了i e c l 0 4 远动规约部分，并总结了i e c l 0 4 在应用中的优势。在 研究远动测试技术基础上，结合嵌入式软件技术，提出了一种性价比 更高的产品设计方案，开发出了手持式的电力远动测试仪系统。 首先在研究单片机嵌入式应用技术基础上，设计了主从c p u 芯 片的接口电路结构图、中断系统模块、系统存储区管理模块以及整个 系统软件的架构。 其次基于以太网通信技术，对电力远动规约测试的重要功能模块 需求进行了分析，同时详细地分析了i e c l 0 4 规约报文在远动装置主 从站间等的实现过程。 最后分别在上下位软件以及主从芯片间分别采用u s b 与r s 2 3 2 通信设计，并编写了传输协议实现通信。在开发过程中对串行通信的 可靠及准确性进行了多次的实验调试与验证。 产品在投放到市场后销售成绩显著表明，本手持式测试仪表系统 能很好地满足了电力运营商的要求。此外，针对各种具体问题，本文 还以讨论的形式介绍了关于今后系统设计的一些改进想法和措施，比 如基于虚拟仪器技术的电力远动规约无缝测试。 关键词电力远动，远动测试，i e c l 0 4 ，手持式 a b s t r a c t w i t hd i g i t a le r ac o m i n ga n dr a p i dd e v e l o p m e n to f t c p i p , h i g h e r r e l i a b i l i t yi sd e m a n d e db yt e l e c o n t r o lt e l e g r a m st r a n s m i s s i o ng r a d u a l l y m e a n w h i l e ，i e c 10 4p r o t o c o lb a s e do ne t h e r n e tn e t w o r kt e n d st ot a k et h e p l a c eo fo t h e rp r o t o c o l s i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to fp o w e r a d m i n i s t r a t i o ns e c t i o nf o rt h em o n i t o ra n dm a i n t e n a n c eo fi e c10 4 p r o t o c o l ，t h e r eh a sb e e nc r e a t e dl o t so fs o l u t i o nt ot h em o n i t o ra n dt e s t i n g i n c l u d i n gi e c 10 4p r o t o c o l ，a n ds oo n t h i st h e s i si n t r o d u c e s t e c h n o l o g i e sa n dc h a r a c t e r sf o rc o m m o n p o w e rt e l e c o n t r o lp r o t o c o lh o m ea n da b r o a d ，e s p e c i a l l yo ni e c 10 4 s e c t i o n t h e nac o n c l u s i o ni sm a d eo na d v a n t a g e so fa p p l i c a t i o nf o ri t b a s e do nt h es t u d yo ft e l e c o n t r o lt e s t i n gt e c h n o l o g ya n dc o m b i n i n gw i t h e m b e d d e ds o f t w a r et e c h n o l o g y , ah i g h e rq u a l i t y - t o - p r i c er a t i os o l u t i o ni s p r o p o s e da n dah a n d h e l dp o w e rt e l e c o n t r o lt e s t i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d f i r s t l y , o nt h eb a s i so fs t u d yo fs i n g l ec h i pa p p l i c a t i o ni ne m b e d d e d s y s t e m ，m a s t e r s l a v ec p ui n t e r f a c ec i r c u i t ，i n t e r r u p t i o ns y s t e mm o d u l e ， s y s t e ms t o r a g em a n a g e m e n tm o d u l ea n ds o f t w a r eh o l i s t i cs t r u c t u r eh a v e b e e nd e s i g n e d s e c o n d l y ，t h r o u g hu t i l i z i n ge t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e r e q u i r e m e n t s o fm a i nf u n c t i o nm o d u l e sa r e a n a l y z e d f o rp o w e r t e l e c o n t r o lp r o t o c o l t e s t i n g ，a n d t h ep r o c e s s i n go fi e c10 4p r o t o c o l t e l e g r a m sb a s e do ne t h e m e tw a sd e s c r i b e di nd e t a i l f i n a l l y , u s bt e c h n o l o g i e sa r ea d o p t e db e t w e e np cs o f t w a r ea n d f i r m w a r ea n dr s 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o nf o rm a s t e r s l a v ec p u m o r e o v e r , t r a n s m i s s i o n p r o t o c o l i s p r o g r a m m e d t or e a l i z e c o m m u n i c a t i o n t h em o s t i m p o r t a n tt h i n g i st h a t r e l i a b i l i t y a n d e x a c t i t u d ef o rs e r i a lc o m m u n i c a t i o nh a v eb e e nd e b u g g e da n dv a l i d a t e d m a n y t i m e sd u r i n gt h ed e v e l o p m e n t t h er e m a r k a b l es a l er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eh a n d h e l dt e s t i n gs y s t e m i sa p p l i c a b l ef o rp r a c t i c a b l eu s ea n dc o n t e n tw i t hp o w e ro p e r a t o r i n a d d i t i o n ，i nt e r m so fk i n d so fp r a c t i c a lp r o b l e m s ，t h i st h e s i si n t r o d u c e s s o m ei d e a sa n dm e a s u r e so fi m p r o v e m e n ti nt h ef o r mo fd i s c u s s i o n ，f o r e x a m p l e ，p o w e rt e l e c o n t r o lp r o t o c o ls e a m l e s st e s t i n gb a s e do nv i r t u a l i i i n s t r u m e n tt e c h n o l o g y k e yw o r d st e l e c o n t r o li np o w e r , t e l e c o n t r o lt e s t i n g ，i e c 10 4 ， h a n d h e l d i i i 原创性声明 本人声明，所呈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。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 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 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 储戤：鼍哞醐：蚶月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名立虹生盗日期：础年土月竺日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力远动系统发展趋势 电力系统是从发电、输电、配电到用户整个过程的综合系统，并由调度中心 对全系统的运行进行统一管理。为了保证供电的质量和电力系统的可靠性和经济 性，系统的调度控制中心必须及时而准确地掌握全面的运行情况，随时进行分析， 作出正确的判断和决策、必要时采取相应的措施，及时处理事故和异常情况【l 】。 为实现这些基本要求，除了提高电力设备的可靠性水平，配备足够的备用容量， 提高运行人员的业务能力，使用继电保护和自动装置等外，采用电网调度自动化 系统是一个非常重要的措施。 能量管理系统( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，e m s ) 是以计算机为基础的现代 电力调度自动化系统，主要针对发电和输电，用于大区级电网和省级电网【2 捌。 e m s 由六个部分组成：计算机、操作系统、支持系统、数据收集、能量管理和 网络分析。电力远动系统是e m s 的重要组成部分，负责收集远方各发电厂、变 电站( 站端) 的实时数据，并由各种通信通道传输到调度中心( 调度端) ，为e m s 提 供原始的生数据，用于保存历史或进行各种处理；同时负责将调度端的各种调度 命令下发到站端，进行各种参数修改或控制。电力远动系统主要包括四种类型的 基本操作类型【4 j ： 遥远信号( 遥信y x ) 。站端的各种开关信号传送给调度端，如开关状态等。 遥远测量( 遥测y c ) 。站端的各种模拟信号传送给调度端，如电度量等。 遥远控制( 遥控p 。调度端对站端发出各种控制命令，改变设备状态。 遥远调节( 遥调旧。调度端对站端发出各种调节命令，修改设备量值。 从以上描述可以看出，电力远动系统应由调度端子系统、站端子系统和通道 子系统构成；站端完成实时数据的收集和控制命令的下达，调度端为应用系统提 供原始数据并接收应用系统命令。而对电力远动的测试主要基于各种电力远动规 约基础上对电力远动传输通道测试及远动信号分析进行，包括测试远动信号模拟 通道或数据通道的相关指标，监测中心站至r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ，远动终 端装置) 侧的通道质量，检测远动信号的情况，以及针对各种接口上的报文测试 等业务。 国内e m s 正逐步向着一体化、网络化、开放化方向发展，其目的是为了实 现系统功能的综合、硬软件设备之间的互操作性和即插即用，不同厂家产品的无 缝集成i s , 6 】。同时也为电力远动系统提出了要求。 硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 主站功能一体化 各业务部门，包括运行方式，继电保护定值整定的分析，月、日负荷预报及 计划，电力系统分析，火电燃煤采购，水电及抽水蓄能运行规则等的系统目前大 多是相互无关的、孤立的，而在一体化系统中，这些系统就成为连在网络上的子 系统。其要点是将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 a a c q u i s i t i o n ，数据采集与 监视控制系统1 采集的实时数据为各部门共享，且将各业务部门共享数据处理后 的结果反馈到实时系统【7 训。而一体化的基础就是远动系统以标准的数据模型和 访问方式为应用系统提供服务。 ( 2 ) 由局部的自动化到全网的自动化互联网络化【l o 】 网络化有两个概念：一是不同层次的调度中心主站间的连接；另一是主站与 直属电厂和变电站群控制中心间的远程通信。第二种概念指出了未来远动系统的 发展目标网络化。 ( 3 ) 支撑平台及体系结构开放化和标准化 2 0 世纪末e m s 领域的热门话题是开放化。虽然现在国外各大系统工程公司 所谓完全开放式e m s 实际还是商业宣传，但开放式e m s 终究是未来e m s 构成 的发展方向【i l l 。开放化主要是软件的开放化，不同厂商的系统要做到开放必须在 软件上遵循下列标准：( a ) 操作系统接口标准；( b ) 图形界面标准；( c ) 数据库访问 标准；( d ) 网络通信标准；( e ) 语言标准；( f ) 文件标准。一个e m s 符合这些标准， 则在系统中任意一部件或子系统更换时，就不致引起整个系统的变动，而整个系 统更换时，应用软件也不受影响【1 2 1 。 1 2 电力远动测试系统的国内外研究现状 随着数字化时代的到来，电力系统自动化也进入到一个崭新的时代，从以继 电器为主的保护、测控设备过渡到以计算机为主的数字化的保护、测控等自动化 设备，设备之间开始了信息的交换，也就产品了对通信规约的需求，在形成国际 标准之前，各个设备制造厂家使用自己定义的规约进行通信，这给不同厂家的设 备互相通信、操作带来了极大的不便，根据这一需求，开始出现了通信规约方面 的国际标准，下面以i e c ( i n t c m a t i o n a le l e c t r i c i a nc o m m i t t e e ，国际电工委员会) 第 5 7 技术委员会所制定的国际标准为例来说明规约的发展历史。 首先是i e c 6 0 8 7 0 5 系列规约，它有下面几个里程碑 1 3 , 1 4 ： 19 9 0 年2 月完成第一份文件i e c 6 0 8 7 0 5 1 ( 帧结构) ； 1 9 9 5 年11 月完成第一个完整规约的文件i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 ( 远动) ； 1 9 9 6 年6 月完成第二个完整规约的文件i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 2 ( r t o 与电表1 ； 1 9 9 7 年1 2 月完成第三个完整规约的文件i e c 6 0 8 7 0 - 5 1 0 3 ( r t u 与保护) ； 2 硕士学位论文第一章绪论 2 0 0 0 年1 2 月完成第一个完整基于以太网规约的文件i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 ( 远 动) ； 2 0 0 2 年1 1 月完成i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 第二版( 远动) ； 2 0 0 3 2 0 0 4 年计划完成i e c 6 0 8 7 0 5 6 ( i e c 6 0 8 7 0 5 系列规约的兼容测试步骤) 。 i e c 6 0 8 7 0 5 系列规约的发展比较长，l o 多年了才有了今天被除北美外全世 界的接受，形成新的自动化功能规范，串行均以i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 1 0 2 1 0 3 为基本 要求，以太网均以i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 为基本要求的局面。 于是，伴随着电力规约的发展，电力远动测试系统功能也随之扩展与增强。 目前，市场上有多家公司都在极力推行自己的电力规约测试系统或规约分析系 统，其中包括荷兰k e m a 公司的i e c 6 0 8 7 0 5 系列规约测试系统、陕西硅谷的 s g t 1 e s 电力远动测试仪、深圳国勤科技的s a c 0 4 5 0 0 电力远动综合测试仪、 成都伯德通讯的b t s 1 0 0 0 便携式电力远动测试系统以及深圳夏光的x g 2 0 5 2 电 力远动测试仪、x g 2 0 5 3 电力规约分析仪等。 k e m a 的i e c 6 0 8 7 0 5 系列规约测试系统。u n l e c o m 8 7 0 - 5a n a l y z e r 是一 个规约分析工具，可以在线分析、监视、捕捉和存储报文，它是规约开发、测试 和故障分析的一个主要工具。可以用于现场的验收测试和互操作测试。 u n i e c i m 是一个仿真软件，能够按照事先设定好的脚本语言自动收、发报 文，来模拟一个主站或者从站，并且可以对通信过程中的报文进行分析。也可以 配合分析工具a n a l y z e r 来分析报文。可以用来进行规约一致性测试，为制造企 业提供规约研发过程测试，为电力用户提供产品入网测试。 s g t 1 e s 电力远动测试仪是陕西硅谷专为电力部门设计的一款综合测试 仪表，具有“模拟通道各项测试 、“数据通道各项测试、“报文监测一、“仿 真主、从站刀等功能，并集电平表、振荡器、频率计、示波器、f s k 调制解调器、 误码仪、远动信号分析仪于一体。 深圳国勤科技的s a c 0 4 5 0 0 电力远动综合测试仪集振荡器、电平表、频 率计、示波器、f s k 调制解调器、误码仪、远动信号分析仪于一体。 成都伯德通讯的b t s 1 0 0 0 便携式电力远动测试系统是一套专用于电力 远动传输通道测试及远动信号分析的专用仪器。 深圳夏光公司的电力通信专网测试仪表，以其专业性、实用性、独创性 而闻名，拥有很高的市场占有率。其x g 2 0 5 2 电力远动测试仪是一款专用于电力 远动传输通道测试及远动信号分析的手持式仪表，可测试远动信号模拟通道或数 据通道的相关指标，监测中心站至r t u 侧的通道质量【1 5 , 1 6 ，检测远动信号的情 况，并支持f s k 报文测试及数据口报文测试功能。x g 2 0 5 3 电力规约分析仪用于 检测模拟通道、数据通道和m 网络通道的报文传送连通性、规约一致性及传送 3 硕士学位论文第一章绪论 质量。 本文设计的测试系统在吸收x g 2 0 5 2 与x g 2 0 5 3 开发技术的基础上，给出了 一个可持续扩展的方案，即让最新的规约在测试仪上再进行扩展，原有规约测试 不变，节省开发成本，形成性价比高的产品，使电力远动测试系统能够向更高端 的方向发展以及手持式的仪表让用户使用起来更方便与可靠。 1 3 本课题的研究背景和主要任务 1 3 1 本课题的研究背景和意义 随着新的电力体制的建立和“竞价上网”的逐步实施，电力部门需按市场规 律进行区域电网间的电力交易和电力调度，这就对电网供电质量、供电可靠性和 安全性提出了更高的要求。电力调度自动化系统作为确保电网安全、优质、经济 运行和提高调度运行管理水平的重要手段，日益显示出其重要性。只有确保调度 自动化系统稳定可靠地运行，才能使其在电网经济调度及安全运行等方面发挥重 要作用【1 7 】。电力远动通道是电力调度自动化系统的重要组成部分，承载着重要 的电力生产信息，这些信息的可靠传输是电力调度自动化系统稳定、可靠运行的 根本保障。 电力调度自动化系统在近年随着电力行业的高速发展也得到了规模建设，且 占据了十分重要的地位。种类众多的自动化远动设备，加上方式多样、网络拓扑 结构日趋复杂的通信传输通道【1 8 l 是电力调度自动化系统面临的新形式。在这种 新形式下如何对电力远动通道故障快速定位，如何加强电力远动通道的日常维 护，如何实现物理网络资源的有效管理，如何确保电力远动通道的正常运转，及 时发现其中存在的隐患? 同时在目前已有的电力远动测试产品中，体积庞大、价 格昂贵或者规约测试不全等因素直接给电力运营商带来的测试操作不便、维护成 本高等现象，这些都是调度自动化系统工程师与电力远动规约测试系统开发商协 作应考虑和殛待解决的重要问题。 远动信息可通过远动通道进行传送，远动信息传输的可靠性已成为电网调度 自动化系统稳定、准确、可靠运行的重要保证。随着电力通信系统的发展， s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ，同步数字体系) 系统广泛使用，越来越多的 用户采用数据通道传输远动信号，常见的有r s 2 3 2 、r s - 4 2 2 、r s - 4 8 5 1 9 】以及迅 速发展的以太网等数据通道。 基于f s k ( f r e q u e n c ys h i f tk e y ，频移键控) 和r s 2 3 2 4 8 5 4 2 2 接1 2 1 的通信协 议比较简单，使用方便，适合于传统的电力通信网络传输，但也存在传输距离不 长、传输质量差、线路延时不确定等问题；随着t c p i p 网络的迅猛发展，传输 数据量日益增大，对传输远动报文可靠性要求不断提高，远动规约的网络化改造 4 硕士学位论文第一章绪论 目前正大规模地被应用在电力自动化领域【2 0 1 。以以太网为传输媒介传输的 i e c l 0 4 规约也因此油然而生。从目前发展来看，i e c l 0 4 规约已形成标准规范， 将会替代目前其它规约，广泛应用在电力远动领域。为满足电力远动部门对 i e c l 0 4 规约监控和维护的基本要求，开发款能够监控包括i e c l 0 4 等多种电力 远动规约运行状况，提供传输性能分析功能的手持式嵌入式测试系统就成为了市 场迫切需要的工具，同时符合国内电力通信及电力自动化的实际运行情况，服务 于电力运营商推动电力网络化改造与远动规约的统一。该系统还可对基于模拟 f s k ，数字r s 2 3 2 瓜s _ 4 8 5 瓜s 4 2 2 ，以太网等接口的远动通道进行模拟和数字通 道的传输指标进行测试，并可仿真收发、在线监测、分析远动报文、迅速有效分 析远动信号、评估远动通道传输质量和排除远动信号传输故障。 1 3 2 课题的主要任务 本课题来源于企业研究项目，为电力运营商提供手持式的电力远动嵌入式测 试仪表，提出基于电力远动规约与嵌入式系统技术相结合开发该测试系统。主要 研究的内容是： 系统开发环境和运行环境。 电力远动测试系统的硬件实现。 电力远动测试系统的软件实现。 通信协议的组织。 本文主要探讨并研究i e c l 0 4 规约的测试，其它规约不是文中的研究重点。 1 4 论文的组织结构 本文介绍了一种基于i e c l 0 4 规约的嵌入式电力远动测试系统的设计与实 现。全文分为5 章，组织结构如下： 第一章绪论。介绍了电力远动系统发展趋势和电力远动测试系统的国内外发 展现状，说明了研究课题的背景和意义，并简要说明了本课题研究的主要任务。 第二章远动规约的比较与分析。首先简要地介绍了我国远动传输规约的现 状，并同时对所述规约的特性小结与比较分析。接着详细地叙述了i e c l 0 4 规约 的特点及其格式。最后概括了i e c l 0 4 规约在电力网络化中应用优势。 第三章系统硬件方案的选择与实现。首先介绍了硬件电路中的器件选择与电 路芯片功能特性，主要包括所采用的a r ms 3 c 4 4 b o x 与亚信a x l l 0 1 5c p u 芯 片。接着给出了基本的硬件设计，包括以太网接口电路、中断系统设计以及系统 存储区管理设计。 第四章系统的软件设计与实现。先从软件的开发流程与系统软件开发环境简 要说明入手。接着详细的描述了基于i e c l 0 4 规约测试系统的主要功能模块需求 5 硕士学位论文 第一章绪论 分析，包括以太网测试、报文监测以及仿真主站的功能需求说明。然后叙述了上 下位软件以及主从c p u 通信协议的设计。最后重点的说明了主c p u 软件与从 c p u 芯片软件的设计与实现。 第五章总结与展望。对研究工作的总结和对进一步的工作展望。 6 硕士学位论文 第二章远动规约的比较与分析 第二章远动规约的比较与分析 2 1 我国远动传输规约的现状 随着在电力系统自动化飞速发展，为了保证不同厂家之间设备的兼容性，从 上个世纪9 0 年代开始，i e c 第5 7 技术委员会陆续推出了一系列的国际标准。在 改革开放过程中我国分别引进了d n p 3 0 ，s c l 8 0 1 等远动传输规约，通过参与i e c 组织的国际标准的讨论与制订，又引进1 e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 ( 基本远动任务配套标准， 随后再次引进i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 ( 用标准传送文件集的i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 网络访 问) 【2 i j 。 虽然当前在我国电网中同时使用着多种远动规约，但这并不是什么好事。由 于各种规约本身的数据格式都不相同，相互之间各不兼容，这就给接口的开发带 来了较大的困难，必须要加各种规约的转换器，同时也加大了运行中的维护工作 量。并且就是对同一个规约，各厂商所使用的硬件设备和开发的软件也不完全相 同，同样存在着不兼容的可能性。远动规约的互不兼容给电网调度和远动信息的 传输带来了很大的障碍，而且这也不符合国际上统一规约的潮流和趋势，没有达 到人们预期的目的。电网调度及配电自动化的远动传输规约问题引起了人们的极 大关注，并出现了各种提议，这种形势迫使我们必须要选择一种规约作为行业或 国家标准，使之成为一个统一的目标。 2 2 几种主要远动规约的特性比较 2 2 1 各规约特性简述 ( 1 ) d n p ( d i s t r i b u t e dn e t w o r kp r o t o c o l ，分布式网络规约1 3 0 规约 d n p 3 0 规约由g e h a r r i s 公司加拿大c a l g a r y 控制分部在1 9 9 3 年开发， 是目前在欧洲及北美比较流行的一种开放性结构的规约，在国内也已成为主流性 通信规约之一。同时该规约属于问答式( p o l l i n g ) 规约，适用于点对点和多点共线 的远动通道结构。其数据链路层采用一种可变帧长格式，如i e c 6 0 8 7 0 5 1 传输 帧格式文件中所述，f t 3 帧格式很适合于中等传输速率和低残余误码率的站间数 据传输，故采用其基本帧格式，遵守其传输规则第r 1 、l 毪、i b 和r 4 条。在原 则上遵守规则的r 5 及r 6 条，然而不用它推荐的时间值，但在每个实施中可以 组态。数据传输中所不同的是在每个字节中高位先传，低位后传。遵循在 i e c 6 0 8 7 0 5 2 中所提出的帧定义，所不同是这里用了两字节长的地址段指定目的 站地址，以及将 用作两个字节的原方站地址【2 2 1 。 7 硕士学位论文第二章远动规约的比较与分析 l s t a r ts t a r t长度 控制目的源地址c i 侧喇僦 c r cu s e r 0 x 0 50 x 6 4地址 d a t a 图2 - 1f t 3 型帧格式 如图2 1 所示的一个f t 3 型的帧被定义为一个固定长度的报头，随之以可选 用的数据块。每个数据块附有一个1 6 位的c r c ，i e c 规定那个报头含有2 个 s t a r t 字节，1 个字节的长度，1 个字节的控制字，1 个目的地址和1 个可选用 的定帧长的用户数据段。在这为首的数据块中定长的用户数据段被定义为一个源 地址。由于在每个数据块后面都跟2 个字节的c r c 校验，f t 3 帧格式的海明 距离为6 ，使其在传输过程中具有极高的数据完整性。 采用i e c 6 0 8 7 0 - 5 2 所规定的全平衡传输规程去处理在半双工或全双工系统 内来自非主站的非所请求的信息传输，全平衡意味每个站都可以同时作为原方站 ( 发方) 和副方站( 收方) 。这种配置要求一个全双工信道去正确地运行。在半双工 环境中，将使用同一个规程，所不同者一个站不能同时既是原方站又是副方站。 这就是说，在主站与子站问数据链路层的一个完整的数据传输回合必须完成后， 才能开始来自任何一方的任何其它的通信事务处理。 对于某些长度超过链路规约数据单元( l p d u ) 的最大长度的报文，本规约定 义了一个伪传输层。d n p 3 0 仅定义和使用了o s i ( 开放式系统互连) 结构的应用 层、链路层和物理层三层，所以它对链路层来讲是一个伪传输层。这个伪传输层 的作用就像在一个规约堆栈内活动的d n p 数据链路用户。该堆栈仅包含有“d n p 数据链路”和“d n p 应用层 。该功能可以允许伪传输层将一个“传输服务数据 单元 ( t s d u ) 拆卸成多个( 多于一个) t p d u s ( 或帧) 传送到数据链路层当“链路服 务数据单元”( l s d u ) 去传输或将多个( 多于一个) 接收到的t p d u s 组装成一个 t s d u 。 本规约以i e c 6 0 8 7 0 5 系列标准为基础，同时在传输格式的定义上又有些不 同。它除了完成远动传输的基本功能外，还具有前面所述的全平衡传输和伪传输 层两种特殊功能。 ( 2 ) s c ( s y s t e mc o n t r o l ，系统控$ 1 ) 18 0 1 规约【2 3 】 该规约根据美国s c i 公司s c r t u 通信规约，结合c s c 2 0 0 0 综合自动化系 统的特点编译而成，为了保持和s c r t u 的一致性，规约通信帧格式部分完全保 持了原规约的面貌。同样属于问答式( p o l l i n g ) 规约，适用于点对点和多点共线的 远动通道结构。 其帧结构按其先后顺序包括信息头、数据和校验码。其中主机和r t u 之间 信息传送的基本格式是1 1 位的字格式，如下图2 2 所示。 8 硕士学位论文第二章远动规约的比较与分析 1 00 m = 停止位、p - - _ 奇偶位、= 数据位( 字节) 、s = 起始位 图2 - 2s c l 8 0 1 帧格式 位的传送在通道中是从右到左( 先传送低位) ，每个字有一个起始位，8 位数 据和一位停止位，奇偶校验位置奇校验。 该规约也定义了遥信、遥测、遥控、遥调、对时、广播、传送电能脉冲计数 值和事件顺序记录等基本的远动传输功能。 ( 3 ) c d t ( c y c l i cd a t at r a n s m i s s i o n ，循环数字传输模式) 规约 目前，在国内一些省份，有许多发电场、变电站的r t u 为国产设备，它们 均以电力部颁布的c d t 规约作为远动传输规约。本规约属于循环远动式规约， 适用于点对点的远动通道结构及以循环字节同步方式传送远动信息的远动设备 和系统，还可适用于调度所间以循环式远动规约转发实时信息的系统。 c d t 采用可变帧长度、多种帧类别循环传送、变位遥信优先传送，重要遥 测量更新循环时间较短，区分循环量、随机量和插入量采用不同形式传送信息， 以满足电网调度安全监控系统对远动信息的实时性和可靠性的要求。信息按其重 要性有不同的优先级和循环时间。 其帧结构如图2 3 所示，每帧都以同步字开头，并有控制字，随后是信息 字。信息字的数量依实际需要设定，帧长度可变。向通道发码规则：低字节先送， 高字节后送；字节内低位先送，高位后送。 l同步字i 控制字i 信息字li i 信息字nl 同步字 i i 图2 - 3c d t 帧结构 本规约采用个字节的校验码c r c 校验，控制字和信息字的末字节分别是对 其前5 个字节的校验码。并定义了遥信、遥测、遥控、遥调、对时、复归、广播、 传送电能脉冲计数值和事件顺序记录、子站工作状态等基本的远动传输功能。 ( 4 ) i e c 6 0 8 7 0 5 10 1 规约 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约为两个具有永久连接电路的主站与子站间传输基本远 动信息提供了一套通信协议集。本规约亦属于问答式( p o l l i n g ) 规约，适用于点对 点、多个点对点、多点共线、多点环形和多点星形网络配置的远动通道结构 2 4 1 。 本规约采用f t i 2 帧格式，其中又分为可变帧长和固定帧长两种。具体的 帧格式在i e c 6 0 8 7 0 5 1 传输帧格式中都有介绍，属于国际通用格式，另外后文 还将详细说明，故在此不多介绍。需要简要说明的是在传输过程中，在每个字节 9 硕士学位论文 第二章远动规约的比较与分析。 ( 8 位) 的开头加一个启动位0 ，后面加一个偶校验位p 和停止位1 ；在每帧的结束 字符前有一个帧校验和( c s ) 字节。这样通过横向和垂直校验使得f r1 2 帧的海明 距离为4 ，具有较高的数据完整性【2 5 】。 在点对点和多个点对点的全双工通道结构中采用了子站事件启动触发传输， 此种传输方式属于平衡式传输。即当发生遥信变位时，子站能主动触发传输服务， 将事件报告给主站。对于多点共线、多点环形和多点星形网络配置的非平衡式的 远动系统，可以采用快速较验过程的事件收集以加快非平衡通信系统的 事件收集。对超过了应用服务数据单元最大长度的信息体，就需要文件传输功能， 在这种情况下，信息体按段的形式传送到目的地。文件结构在两个方问上完个相 同，文件可以分成许多节，节可以分成许多段，段按顺序传送。 本规约除了具有远动的基本功能外，还具有上述的一些特殊功能。 ( 5 ) i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约【2 6 j 该远动规约是i e c 6 0 8 7 0 - 5 1 0 1 的应用层与t c p i p 提供的传输功能的结合。 在t c p i p 框架内，可以运用不同的网络类型，包括x 2 5 ，f r ( 帧中继) ，a t m ( 异 步传输模式) 和i s d n ( 综合服务数据网络) 。根据相同的定义，不同的a s d u ，包 括i e c 6 0 8 7 0 5 全部配套标准( 例如i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 2 ) 所定义的a s d u ，可以与 t c p i p 相结合。 i e c 6 0 8 7 0 1 0 4 通信标准定义了适合于开放的t c p i p 接口的使用的一般体系 结构和规约结构。详细地定义了应用规约控制信息( a p c i ) 以及它的控制域， 三种格式报文( i 、s 、u 格式) 的用途和使用方法。详细规定了t c p 连接的端 口号、建立和关闭，以及重发等的处理程序，相应的时间参数等。最后，列出了 相关a s d u 类型号和补充i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 之外的a s d u 的格式定义，应用功能， 以及规约的互操作性。 2 2 2 各规约的比较分析 由上面各规约的简介，我们可以对它们进行分析和比较： c d t 规约传输方式简单、功能单一、易懂，便于实现，这是它的优点。 但正是因为它的功能简单，并且它仅仅能适用于点对点的通道结构，这对于电网 调度来说矛盾还不是那么突出，而对厂站端越来越复杂的系统来说，显然不能满 足要求，正被处于逐步淘汰当中。 s c l 8 0 1 规约与c d t 规约相比，已有了较大的进步，它属于问答式规约。 对子站来讲，主站问什么，就回答什么；而且通信线路中往主站传送的都是变化 的数据，没有变化的数据不传送。这点与c d t 不同，c d t 规约的线路中传送的 是真正的即时数据，不管有没有变化。 s c l 8 0 1 的校验采用每个字节的奇校验和每帧的纵向奇偶校验组成双重保 1 0 硕士学位论文第二章远动规约的比较与分析 护，其海明距离能达到4 ，具有较高的数据完整性，能够满足远动传输的要求。 s c l 8 0 1 的帧格式并未采用i e c 6 0 8 7 0 5 1 中定义的传输帧格式，作为一种非主流 的格式，它在应用中必然存在着与其它规约和系统难以兼容的问题。另外， s c l 8 0 1 仅具有远动传输的基本功能，难以适应复杂多样的配电自动化系统的要 求。正是由于s c l 8 0 1 规约的格式与i e c 不兼容，且功能较为单一，所以我们也 不能把它作为今后统一的规约。 d n p 3 0 规约与s c l 8 0 1 一样也属于问答式规约，它采用基于 i e c 6 0 8 7 0 5 1 所定义的f t 3 的传输帧格式，但又不完全一样。它在传输字节过 程中先传高位，后传低位；进行c r c 校验时先计算高位余式等等，这些都与i e c 的标准不同。使得它也存在着与其它基于i e c 标准的规约不能兼容的问题。伴 随着国际标准早已深入各个行业，该规约也将由于i e c 而退出电力行业。 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约与s c l 8 0 1 和d n p 3 0 一样都是目前较为流行的问答 式规约，它本身就是i e ct c 5 7 技术委员会在i e c 6 0 8 7 0 - 5 系列标准的基础上， 根据各种应用情况下的不同要求制定的配套标准。其目的就是为了在兼容的远动 设备之间达到互换。i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 采用水平偶校验和垂直帧校验和双重保护， 海明距离达到4 ，具有较高的数据完整性，完全能够满足远动传输的一般要求。 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 所能够适用的网络拓扑结构最齐全，可以适应配网自动化和变电 站自动化的各种复杂系统。i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 的远动功能也最齐全，除基本功能外， d n p 3 0 所具有的对全双工通道的平衡式传输和对超长信息的传输一伪传输层的 功能，它也都具有。它的子站启动触发传输和文件传输功能正是上述功能的体现。 另外，对于多点共线、多点环形和多点星形通道结构，它还具有快速校验过程的 事件收集的特有功能。 可见i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 完全能够将d n p 3 0 的内容包容进来。它应该是我们 颇佳的一个选择。然而，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( i e e ) 于1 9 9 5 年发布的 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 ( 我国行标d l t 6 3 4 1 9 9 7 ) 标准。此标准在我国已普遍使用。 并随着远动规约的网络化改造目前正大规模地被应用在电力自动化领域。以以太 网为传输媒介传输的i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约也因此油然而生。随着经济发展与技 术革新的要求，该规约势必代替其它规约，因此i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 对于电力系统 来说是个更好的远动规约选择。 2 3ie c 6 0 8 7 0 - 5 - 10 4 ( 1e c l0 4 ) 远动规约 2 3 1i e c l 0 4 远动规约的特点 为了满足i e c l 0 1 规约远动通信规约用于以太网实现，国际电工委员会( i e c ) 硕士学位论文第二章远动规约的比较与分析 于是制定了i e c l 0 4 规约，即i e c l 0 4 规约把i e c l 0 1 规约的应用服务数据单元 ( a s d u ) 用网络规约t c p i p 进行传输的标准，并且该标准为远动信息的网络 传输提供了通信规约依据。采用i e c l 0 4 规约组合i e c l 0 1 规约的a s d u 的方式 后，可很好的保证规约的标准化和通信的可靠性。并且它的网络层规约为t c p i p 协议，应用层规约采用i e c l 0 1 规约的a s d u 。远动配套标准的应用规约数据单 元( a p d u ) 一般包括应用服务数据单元( a s d u ) 和应用规约控制信息( a p c i ) 。 为了达到保证应用层a s d u 的通信可靠性，又包装了a p c i 传输接口，规定了应 答和重发机制( 引用了i t u 一，d ( 2 5 标准) 。由于i e c t 0 4 规约基于i e c l 0 1 规约 发展而来，故i e c l 0 4 规约兼具i e c l 0 1 规约所体现出来的系统功能、多样的网 络拓扑结构、较高的数据完整性、很好的兼容性以及非常适合我国国情等特点， 都使它已被广泛地应用在我国电网中，逐步成为最终统一的目标。并且i e c l 0 4 规约还具有以太网的通信容量大、t c p p 规约的开放性好的特点，基于以太网 的数据传输已被一致认为是电力自动化系统通信发展的必然趋势【2 7 2 9 1 。 i e c l 0 1