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

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IEC 60870－5－101、IEC 60870－5－104和IEC60870－5－103。

（我国行标DL／T 667－1999）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规范要求
IEC60870－5－103标准为继电保护设备（智能电子设备（IED）或间隔单元）信息接口配套标准。

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
为了提高抗电磁干扰能力和传输距离，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／2．5（IEC60874－10说明）或F－SMA （IEC60874－2说明）。

对玻璃光纤：渐变型（graded－index），纤芯直径和包层直径分别为62．5和125μm，光波长为820～860 nm，传输功率最小为－16 dBm，最小接收功率最小为－24 dBm，系统储备最小为＋3 dBm，典型距离为1000 m，温度范围为－5～＋55℃。

对塑料光纤：阶跃型（step－index），纤芯直径和包层直径分别为980和1000μm，光波长为660nm，传输功率最小为－7 dBm，最小接收功率最小为－20 dBm，系统储备最小为＋3 dBm，典型距离为40 m，温度范围为－5～＋55℃。

（2）EIARS485接口
作为上述光纤传输的一种变通，在控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EIARS485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9 600 bit／s或19 200 bit／s
1．2EIARS485总线网技术性能
EIA RS485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。

它抗干扰能力强，数据传输速率快，价格低廉，维护成本低，能实现多站、远距离通信。

目前已广泛用于工业控制系统。

（1）抗干扰能力强。

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能力。

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能力。

若采用屏蔽双绞线，则还具有较强的抑制由静电感应引起的噪声的能力。

（2）传输线采用双绞线。

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200 mV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1200 m。

（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12 kΩ（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，则应选用输入阻抗更高的单元收发器。

（5）数据传输率。

RS485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10 Mb／s。

在此速率下，传输距离为10 m。

若数据传输率在105 b／s以下，传输距离则可达1200 m。

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控制功能电路组合在同一个装置内并共用一通信口的设备［5］。

（2）2种信息交换方法。

·兼容范围。

严格规定应用服务数据单元（AS－DUs）和为传输“标准化”报文的应用过程。

·通用分类服务（generic service）。

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能力。

数据可通过通用分类服务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，提高了开放的可能性。

因此，必须按兼容范围和通用分类服务进行协议编制，才能保证互换性和互操作性，避免大量的规约转换工作。

而绝不能采用专用范围。

2IEC60870-5-101与IEC60870┐5┐104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1995年发布的IEC60870－5－101（我国行标DL／T634－1997）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IEC60870－5－104标准（CDV）。

2000年意大利国家电力公司（ENEL）新建的能量管理系统（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。

IEC60870－5－104协议的名称为“用标准传送文件集的IEC60870－5－101网络访问”（network accessfor IEC 60870－5－101 using standard transport pro－files）。

此协议是将IEC60870－5－101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，通信规约则应采用IEC60870－5－104标准。

2．2IEC60870-5-104协议的实现
IEC60870－5－104协议在第1节“范围与目的”中明确规定：
“本标准技术规范提出，将IEC60870－5－101的应用层与TCP ／IP（Transmission Control Protocol／Internet Protocol）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、FR （Frame Relay）、ATM（Asynchronous TransferMode）和ISDN （Integrated Service Data Network）。

用同样定义，其它IEC 60870－5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”。

IEC60870－5－104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IEC60870－5－101中未采用应用规约控制信息（APCI），因此，应用规约数据单元（APDU）就等于应用服务数据单元（ASDU）。

但在IEC60870－5－104中应用规约控制信息（APCI）给予了定义（见图1）。

应用规约数据单元（APDU）就应等于应用规约控制信息（APCI）
加上应用服务数据单元（ASDU）。

而应用规约控制信息（APCI）中的控制域计数机构则按X．25建议的第2．3．2．2．1节到第2．3．2．2．5节定义。

控制域定义了防止报文丢失和重复的控制信息，以及对报文的开始、停止和传输连接的监视。

2．3关于TCP／IP协议族
TCP／IP协议（transfer controlprotocol／internetprotocol）称为传输控制／网际协议。

它是网络中使用的基本通信协议。

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个基本的重要协议。

通常说的TCP／IP是一Internet协议族，而不单单是TCP和IP。

RFC（Request For Comments）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（简单网络管理协议）和DNS（域名服务器）等；传输层有UDP（用户数据报文协议）和TCP（RFC793）等；网络层有IP（RFC791）、ICMP（互联网控制报文协议）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 （综合服务数据网）、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。

IEC 60870－5－104采用RFC 793／RFC791（即TCP／IP）协议，即RFC791定义的IP协议（internetprotocol）以及RFC793定义的TCP 协议（transmis－sion controlprotocol）。

IP协议负责将数据从一处传往另一处。

TCP负责控制数据流量，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服务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，数据包有可能丢失，数据有可能被破坏。

TCP协议的目的是提供可靠的传输服务。

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均置1，说明对第1个SYN报文段的确认，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服务之上，报文有可能丢失、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。

正因为如此，IEC60870－5－104协议在控制方向上的系统信息中未定义时钟同步和测试命令。

为此，若变电站与调度中心用以太数据网络通信时，则变电站自动化系统必须安装精确度高（小于1μs）的全球定位系统（GPS），以满足IEC61850－5对报文同步的要求［2，6］。

3IEC60870－5－103在TCP／IP网络的使用
变电站内若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）至今尚未正式颁布此标准。

在这种情况下建议：按IEC60870－5－104的第1节“范围与目的”中规定的那样：“…用同样定义，其它IEC60870－5配套标准规
定的ASDUs都能同TCP／IP组合”。

按照IEC60870－5－104的同样定义，IEC60870－5－103规定的ASDUs亦能同TCP／IP组合。

这相当于在图1中将应用层的上层内容“选自IEC60870－5－101的应用服务数据单元（ASDU）”改为“选自IEC60870－5－103的应用服务数据单元（ASDU）”。

这样IEC60870－5－103就可适用于变电站内采用以太局域网的情况，与IED进行通信。