IEC-60870-5-104通讯规约的特点及应用

IEC-60870-5-104通讯规约的特点及应用
摘要：规约简单的说就是指在电力系统中,发送信息端与接受信息端对所发送数据的报文格式封装与解封装的一套约定。

为了实现规约的标准化,国际电工委员(International Electrotechnical Commission)制定了一系列的远动规约的基本标准,并在此基础上制定了基于TCP/IP协议的IEC 60870-5-104国际标准,用以对地理广域过程的监视和控制。

本文主要说明介绍IEC-60870-5-104规约的基本内容，并以IEC-60870-5-104在变电站和配电网的应用为例，说明了IEC-60870-5-104的作用以及优势。

关键字：104规约；优势；数据传输；FTU；
1.IEC-60870-5-104规约的介绍
1.1 一般体系结构
104规约定义了开放的TCP/IP接口的使用，包含一个由传输IEC 60870-5-101ASDU的远动设备构成的局域网的例子。

包含不同广域网类型(如X.25，帧中继，ISDN，等等)的路由器可通过公共的TCP/IP-局域网接口互联。

图1所示为一个冗余的主站配置与一个非冗余的主站配置。

1.2 规约结构
IEC 60870-5-104远动规约使用的参考模型源出于开放式系统互联的ISO-OSI参考模型，但它只采用其中的5层，IEC 60870-5-104规约是将IEC
60870-5-101与TCP／IP提供的网络传输功能相结合。

根据相同的定义，不同的ASDU(应用服务数据单元)，包括IEC 60870-5全部配套标准所定义的ASDU，可以与TCP/IP相结合。

IEC 60870-5-104实际上是处于应用层协议。

基于TCP/IP 的应用层协议很多，每一种应用层协议都对应着一个网络端口号，根据其在传输层上使用的是TCP协议(传输控制协议)还是UDP协议(用户数据报文协议)，端口号又分为TCP端口和UDP端口，为了保证可靠地传输远动数据，IEC60870-5-104规定传输层使用的是TCP协议，因此其对应的端口号是TCP端口。

IEC 60870-5-104规定本标准使用的端口号为2404，并且此端口号已经得到互联网地址分配机构IANA (InternetAssigned Numbers Authority)的确认。

1.3 104 规约数据单元帧格式
104规约中的APDU（应用规约数据单元）由APCI（应用规约控制信息）和ASDU（应用服务数据单元）构成，和IEC60875-5-101的帧结构相比，其中应用服务数据单元是兼容的，不同是IEC60875-5-104使用应用规约控制信息（APCI），而IEC60875-5-101使用链路规约控制信息（LPCI）
1.4 防止报文丢失和重复传输
在最底层的计算机通信网络中，所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，有可能会造成数据包的丢失、延迟、重复和乱序，因此应用层协议必须使用超时和重传机制。

为了防止I格式报文在传送过程中丢失或重复传送，IEC 60870-5-104的I格式报文的控制域定义了发送序号N(S)和接收序号R(S)，发送方每发送一个I格式报文，其发送序号应加1，接收方每接收到一个与其接收序号相等的I格式报文后，其接收序号也应加1。

需要注意的是，每次重新建立TCP连接后，调度主站和子站FTU的接收序号和发送序号都应清零，因此在双方开始数据传送后，接收方若收到个I格式报文，应判断此I格式报文的发送序号是否等于自己的接收序号。

若相等则应将自己接收序号加1，若此I格式报文的发送序号大于自己的接收序号，这说明发送方发送的一些报文出现了丢失；若此I格式报文的发送序号小于自己的接收序号，这意味着发送方出现了重复传送。

2. 变电站、配电网自动化系统采用IEC60870-5-104规约的优势
变电站、配电网自动化系统的站内局域网的通信开放性、兼容性是衡量一个变电站自动化系统的性能先进性的重要指标之一。

但是到目前为止，实际运行中的变电站、配电网自动化系统，由于诸多原因，不同的厂家所采用的通信协议并不统一，这给变电站、配电网自动化系统的站内局域网的通信开放性、兼容性带来不好的影响，增加了多通信协议的规约转换工作，严重的时候还会造成通信不可靠。

变电站、配电网自动化系统采用国际标准的通信协议应该是必然的发展趋势。

104规约本身是国际电工委员会（IEC）为了满足IEC60870-5-101远动通信协议用于以太网实现而制定的。

它的网络层协议为TCP/IP协议，应用层协议采用101协议的ASDU。

为了保证应用层ASDU的通信可靠性，又包装了APCI传输接口，规定了应答和重发机制。

由于以太网的通信容量大以及TCP/IP协议的开放性好，已被计算机通信所广泛采用，非常成熟可靠，也被一致认为是变电站自动化系统的站内局域网的必然发展趋势。

鉴于变电站自动化系统通信数据的特点和采用以太网的方式，采用104协议应该是目前较合理的一种通信规约。

因为他既能满足继电保护故障信息和SCADA监控信息的传输要求，又有标准规约的好的兼容性。

而且104协议组合
101协议的ASDU的方式后，可很好的保证协议的标准化和通信的可靠性。

在新的61850规约尚未成熟的阶段，可以很好地实现变电站、配电网自动化系统中的通信需求，并易于向IEC61850规约转换。

3. 104规约在配电网历史数据传输中的应用
3.1 历史数据传输应用的需求
历史数据作为配网终端的一种数据类型，能够反映电网供电及设备相应时刻的运行情况，通过对实时数据统计分析得出的历史数据，可以使管理人员轻松掌握电网的运行情况，更准确的对线路故障类型做出判断及处理，对线路负荷做出预测，更好的实施配网拓扑结构的分析，优化网络，提高供电质量及供电可靠性等。

但在早前配网项目实施中，由于种种原因，历史数据在实际应用中往往被忽视，也没有形成统一数据格式定义及规约标准，所以很多终端设备厂家对历史数据处理很简单，要么设备厂家自定义数据格式及传输规约，只能与自身系统连接，推广也受到很大程度限制。

随着配电网系统向分布式、智能化的方向发展，伴随配网模式及通信方式日渐成熟，配网系统对终端历史数据的需求势在必行，存储在各个终端上的历史数据也将越来越大，这就势必要在整个配电网系统历史数据传输上形成统一标准。

3.2 基于104规约的历史数据统筹定义
目前对于配网终端的历史数据存储要求基本都是不小于1个月存储量，对于一些特殊工程，存储时间可能要不小于6个月。

面对庞大数据量，首先要对历史数据进行一个统筹规划，对其进行分类定义，形成标准格式，这样才能在标准规约基础上建立起历史数据传输的统一格式。

根据104标准规约对文件的定义我们将历史数据以文件为单位进行统筹规划、分类，每类历史数据定义好特定的文件格式，每个文件下又定义有相应的节，节下面又有相应的段，而所有文件定义出一个完整的文件目录，这样可将纷繁冗杂的历史数据按照树形结构进行合理统筹规划。

3.3 文件规约格式定义
(1)文件传输类型识别
(2)文件准备就绪限定词（FRQ）；描述选择、请求、停止激活或删除功能。

(3)节准备就绪词（SRQ）：描述节准备状态（准备、未准备）。

(4)选择和召唤限定词（SCQ）：描述文件和节操作中状态（选择、请求、停止、删除）及报错信息。

(5)最后的节和段限定词（LSQ）：描述文件传输过程状态。

(6)文件认可或节认可限定词（AFQ）：描述文件和节传输确认状态（肯定和否定认可）及报错信息。

(7)文件名称（NOF)。

(8)节名称（NOS）。

(9)文件或节的长度（LOF）。

(10)段的长度（LOS）：范围最大数目在234（当链路域、数据单元标识符和信息对象地址为最大长度时）和240（当链路域、数据单元标识符和信息体对象地址为最小长度时）之间。

(11)校验和（CHS）：不考虑溢出的算术和（256模加）。

(12)文件的状态（SOF）。

(13)文件帧格式解析：以事件记录及定点记录为例进行说明，从信息对象地址（也就是文件地址从6801h开始）到CS校验和前属于文件具体内容，包括文
件名、节名字、段长度、具体记录的数据信息，对于不同的数据信息会有不同的定义格式。

4. 104规约在FTU中的应用
4.1 硬件结构
系统采用双CPU 体系结构，按功能分为2 大模块：数字信号处理单元和中央控制单元。

数字信号处理单元的核心处理器采用DSP（TMS320F2812），中央控制单元的核心处理器采用ARM9（EP9302），两个CPU 之间通过一个4K 的双口RAM 进行通信。

数字信号处理单元主要完成数字信号处理和继电保护功能，中央控制单元采用嵌入式LINUX 操作系统，主要完成通讯和维护等外围事务管理功能。

本装置设有高速工业EtherNet 接口（带隔离） 2 个,1 个作为IEC60870-5-104 通讯规约接口,1 个作为internet webserver 服务接口；RS-485（带隔离）接口一个，作为IEC60870-5-101 通讯接口；RS-232（带隔离）接口一个，作为维护口或转发TTU 数据。

保护、测量功能和其它扩展功能分开，一方面可以使DSP 专注与保护算法，降低软件设计的复杂程度，提高保护算法的可靠性，同时增强了程序的可读性；另一方面，扩展功能可由更擅长，诸如网络通讯、人机接口等功能的MCU完成，做到各施所长。

4.2 软件实现
对于基于TCP的应用程序来说，存在两种工作模式，即服务器模式和客户端模式。

服务器模式和客户端模式的区别是，在建立TCP连接时，服务器从不主动发起连接请求，它一直处于监听状态，当监听到来自客户端的连接请求后，则接受此请求，由此建立一个TCP连接，服务器和客户端就可以通过这个虚拟的通信链路进行数据的收发。

IEC60870-5-104中定义在正常情况下，控制站(即主站)等同于客户端（连接者），被控站（即子站）等同于服务器（监听者）。

为实现全双工的平衡传输模式，保证故障信息的主动快速上报，被控站和控制站同时具有服务器和客户端功能。

如图5所示[9]，在程序设计中采用LINUX下多线程技术，主线程实现监听、接收、处理等功能，另一线程负责主动上送一级数据的任务。

负责监听、接收、处理等功能的主线程，主要实现101 协议的大部分功能。

在TCP 连接建立前，一直处于侦听状态并等待主站的连接请求，当TCP连接已经建立，则应持续地监测TCP 连接的状态。

TCP 连接建立后，在主线程中接收处理的主站下发的数据，包括：总召唤，时钟同步，遥测，遥信，遥控，遥脉，录波，报告，谐波，定值的远方修改与察看，测量值限值设定等功能。

如果检测到有一级数据或者长时间没有接收到主站的信息，则主动上传线程自发上传数据。

首先与主站建立TCP 连接，然后上传一级数据或者全数据。

其中传送全数据的周期由子站确定。

为了适应电力系统发展的需要，最大限度地满足不同用户的需求，根据DL/T 721 标准，本装置不仅实现了馈线远方终端的基本功能，而且实现了选配功能。

主要包括总召唤，时钟同步，遥测，遥信，遥控，遥脉，录波，报告（保护动作的详细信息），谐波，定值的远方修改与察看，测量值限值设定等功能，采用平衡式传输方式。

5.结论：
IEC60870-5-104规约本身是国际电工委员会（IEC）为了满足IEC60870-5-101远动通信协议用于以太网实现而制定的。

采用104规约既能满足继电保护故障信息和SCADA监控信息的传输要求，又有标准规约的好的兼容性。

虽然功能、特点上不如IEC61850，但是在如今仍然可以适应于我国电网的实际情况。

这种通信规约，较传统的通信方式而言，更加可靠且标准化，更能贴合基于以太网的站内局域网的发展趋势，方便传输与管理，并且容易实现向IEC61850规约的转换。

参考文献：
《IEC60870-5-104规约在电力调度系统中的应用》山东大学硕士论文2009
《变电站综合自动化系统采用IEC60870-5-103、104协议的优势》胡明、周全林 2003 《104规约在FTU中的应用》李彬、焦彦军 2008
《101、104 规约在配电网历史数据传输中的应用》刘海龙、娄英俊 2011。