IEC60870-5-101远动规约的软件设计

IEC60870-5-101远动规约的软件设计及其应用
Software Design and Application of IEC60870-5-101 Telecontrol Protocol
（南京工程学院）鞠阳韩念杭
Ju Y ang Han Nianhang
摘要：本文分析了IEC60870-5-101远动规约遵循的传输规则、帧格式和参考模型，详细介绍了该规约在电网监控培训系统中的设计和应用。

关键词：IEC60870-5-101 ；远动规约；电网监控
中图分类号：TP312 文献标识码：A
文章编号：
Abstract:The principle analyses transmission procedures, frame format and architecture reference model of IEC60870-5-101 telecontrol protocol. The design and application of the protocol in the studying and training system of electric power network monitoring and controlling are introduced in detail.
Keywords: IEC60870-5-101,Telecontrol Protocol, SCADA
1.引言
远动规约是站端RTU和调度系统进行信息交互的接口，随着软硬件技术的发展，远动规约也在不断地变化和发展。

国际和国内使用的远动规约多种多样，即使对于同一种规约，其传输格式也会因不同国家﹑不同生产厂家而不同。

为了统一这种混乱局面，实现远动规约的标准化，国际电工委员会TC-57 技术委员会制定了一系列远动规约的基本标准，并在此基础上制定了IEC60870-5-101远动规约，我国在非等效采用此规约的基础上制定了相应的配套标准DL/T634-1997。

IEC60870-5-101为了提高通信的实时性，采用了只有物理层、数据链路层、应用层3层的增强性规约结构（EPA），应用层直接映射到数据链路层，加强了信息的实时性。

2.规约简介
IEC60870-5-101基本远动配套标准规定了电网数据采集和监视控制系统(SCADA)中主站和子站(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。

它适用于传统远动的串行通信工作方式,一般应用于变电站与调度所的信息交换,网络结构多为点对点的简单模式或星形模式。

IEC60870-5-101规约有2种传输方式:平衡式和非平衡式传输。

所谓的平衡式传输方式是在全双工通道的点对点的配置方式下,通信链路的两个方向(调度中心与变电站)均可以发起询问。

而实际应用中,多采用非平衡式的传输方式,即主站(调度中心)采用顺序的查询(召唤)子站控制数据传输。

在这种情况下主站是请求站,它触发所有报文的传输,子站(变电站) 是从动站,只有当它们被查询(召唤)时才可能传输。

参考模型
本标准使用的参考模型源出于开放式互联的ISO-OSI参考模型, 但由于远动系统在有限的传输带宽下要求短的反映时间, 故本标准采用性能结构( EPA) —模型2 。

这种模型仅用三层, 即物理层、链路层、应用层, 其模型如图1所示。

图1 IEC-60870-5-101规约模型结构
帧格式
IEC60870-5-101 规约中规定了可变帧长帧和不变帧长帧2种帧格式,如图2所示。

图2 可变和不可变帧长格式
可变帧长帧格式用于由主站向子站传输数据,或由子站向主站传输数据。

固定帧长帧格式用于子站回答主站的确认报文或是主站向子站的询问报文。

图2 中各个模块的功能如下: （1）L (长度) 包括控制域、地址域、用户数据的8位位组的个数。

（2）控制域C分为由主站作为启动站的传输过程使用的控制域C1 ,如图3 (a) 所示，以及由子站作为启动站的控制域C2 ,如图3(b) 所示。

图3 控制域定义
2.3 传输规则
IEC60870O5O101 中定义了3种级别的服务，如图4所示 ,下面分别介绍3种服务的传输规则。

图4 链路服务级别
2. 3. 1 发送/无回答
没有差错检测功能,不保证对方一定能收到数据。

2. 3. 2 发送/确认
对于启动站,启动新一轮发送/确认服务时,帧计数位(FCB) 改变状态,如果收到对方无差错的确认帧,则这一轮服务结束。

若确认帧受到干扰或超时未收到确认帧时,则不改变帧计数位的状态重发原发送帧。

对于主站最大重发次数为3 次,子站为5 次。

对于非启动站,收到启动站的发送帧后,向对方发送确认帧,并将此确认帧拷贝保存起来。

在前后2 次接收到的发送帧中帧计数位的值不同时,则将保存的确认帧清除,并形成新的确认帧。

否则不管收到的帧内容如何,将保存的确认帧重发。

2. 3. 3 请求/响应
如有所请求的数据,则发送响应帧;如无所请求的数据,则发送否定的响应帧。

3.规约应用实例
随着当今科学日新月异的发展，许多新技术、新成果不断引入到SCADA系统中，这就对电力系统现场技术人员提出了很高的技术要求。

针对以上情况，研制开发了电网监控培训系统，用于对现场从事远动自动化的人员进行技术培训，以提高其技术水平。

培训系统由主站端、厂站端1和厂站端2三部分组成，框图如图5所示。

系统主、厂站端采用101远动规约进行通信，下面对规约的实际应用进行介绍。

厂站端1 厂站端2
图5 系统结构框图
3.1 软件结构
软件采用Windows 下的VC++6.0进行设计。

Windows 下提供了工作者线程(Worker Thread)和用户界面线程(User Interface Thread) ,二 种线程均为VC ++ 的MFC 所支持，前者常用于处理后台任务,而后者常用于独立的处理用户输入和响应用户事件。

在程序设计中,采用的是工作者线程。

程序一共拥有3个线程:主线程、数据接收线程和数据处理线程, 主线程工作框图如图6所示。

3.2 初始化过程
主站→子站,请求链路状态C_RQ_NA_1 ;子站→主站,回答链路状态M_RQ_NA_1 ;主站→子站,复位远方链路请求C_RL_NA_1 ;子站→主站,复位远方链路确认M_RL_NA_1。

3.3 总召唤过程
主站→子站,总召唤命令帧C_IC_NA_1 ;子站→主站,总召唤确认帧M_IC_NA_1 ;子站→主站,遥测帧M_ME_NA_1 ,或采用不带品质描述的遥测帧M_ME_ND_1 ;子站→主站,单点遥信MSP_NA_1 ;子站→主站,双点遥信帧M_DP_NA1 ;单双点遥信也可采用状态和状态变位的遥信MPS_NA_1 ;子站→主站,总召唤结束帧M_IC_NA_1。

3.4 轮询过程
当没有任何变化数据时:主站→子站,召唤二级用户数据帧C_P2_NA_1 ;子站→主站,无所请求数据确认帧M_NV_NA_1 或回答单个字符E5H 。

当有遥信变化(一级用户数据)时,理论上应该先回答1个无所请求数据确认帧M_NV_
图6 主线程工作框图
_NA_1 ,同时把其中控制域的要求访问位置为1 ,等待主站下一次询问以召唤一级数据帧而后以一级数据应答。

但是考虑到提高效率,101 规约允许RTU 直接以一级数据回答召唤二级数据的询问,减少了一次问答的过程,其过程如下:主站→子站召唤二级用户数据帧C_P2_NA_1 ;子站→主站,单点遥信变化响应帧M_SP_NA_1 ;或双点遥信化响应帧MDP_NA_1。

当子站发生遥测变化(二级用户数据) 时,报告变化遥测:主站→子站,召唤二级用户
数据帧C_P2_NA_1 ;子站→主站,遥测数据变化响应帧M_ME_NA_1。

当子站发生事件顺序记录SOE(二级用户数据)时,报告SOE:主站→子站,召唤二级用户数据帧_CP2_NA_1 ;子站→主站,单点信息的事件顺序记录M_SP_TA_1 ,或双点信息的事件顺序记录M_DP_TA_1。

3.5 遥控过程
主站→子站,遥控选择命令的发送帧C_DC_NA_1 ;子站→主站,遥控选择命令的确认帧M _DC_NA_1 ;主站→子站,遥控执行命令的发送帧C_DC_NA_1 ;子站→主站,遥控执行命令的确认帧M_DC_NA_1。

3.6 召唤电度过程
主站→子站,冻结和召唤电度量的发送帧C_CI_NA_1 ;子站→主站,冻结和召唤电度量的确认帧M_CI_NA_1 ;子站→主站,传送电度量的响应帧M_IT_NA_1 ;子站→主站,传送电度量的结束帧C_CI_NA_1。

4 结束语
本文介绍了IEC60870-5-101远动通信规约在电网监控培训系统中的设计和应用。

该培训系统投入运行后，性能稳定可靠，主、厂站间的通信无差错，在对校内学生专业实习和电力系统现场人员专业技术培训等方面有较大的实用价值。

* 本文获中央财政部和地方高校共建项目基金资助（301101000002）。

参考文献
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中国电力出版社, 2003
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[7]沈金官. 电网监控技术[M]. 北京：中国水利电力出版社，1995.
[8]盛寿磷. 电力系统远动技术[M]. 北京：中国水利电力出版社，1996.
作者简介：
鞠阳，男，1963年1月出生，汉族，硕士，副教授，专业：电力系统自动化，研究方向：电网监视与控制。

E-Mail：juyang_nj@
韩念杭，男，1959年1月出生，汉族，学士，副教授，专业：电力系统自动化，研究方向：电网监视与控制。

Author brief introduction: Ju Yang, Male, Born in Jan. 1963, Han, Master, Vice-professor, Major: power system automation, Research area: supervisory and control of power system.
Han Nianhang, Male, Born in Jan. 1959, Han, Bachelor, Vice-professor, Major: power system automation, Research area: supervisory and control of power system.
（210013 南京工程学院电力系）鞠阳韩念杭
(Dept. of Electric Power of Nanjing Institute of Technology, Nanjing 210013) Ju Yang , Han Nianhang。