基于以太网和TCPIP的IEC608705104协议的性能分析

学位论文作者签名：金坤
日期：
2007 年 1 月 24 日
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the 104 protocol and the fully necessary to apply this protocol in power system, the protocol format 、 the transmission rules and the implementation process of IEC60870-5-104 are presented in detail and the advantages of this protocol compared with traditional ones are particularly pointed out. After analyzing some basic problems related to protocol performance such as process delay and queuing delay in theoretical way, some important content need to be paid attention to are emphasized and some ideas to improve the real-time and reliability of this protocol are given. Next, the model of IEC60870-5-104 is built and the protocol is simulated with the network simulation tool OPNET. Practical evidences are given to support the conclusions mentioned above after changing the network environment and parameters many times, several factors affecting the performances of the protocol are analyzed, some problems existing in the practical application, especially certain details to improve the protocol’s properties are deeply discussed.
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基于以太网和 TCP/IP 的 IEC60870-5-104 协议的性能分析
摘要
本文围绕基于以太网技术和 TCP/IP 技术的 IEC60870-5-104 协 议的性能进行了探讨。IEC60870-5-104 协议不仅适用于调度主站与 变电站综合自动化系统或调度主站与 RTU 之间基于以太网的数据 传输，同时也适用于变电站内部的数据网络传输[45]。 本文将常见的变电站通信方式作了比较，指出了以太网应用于变 电站自动化系统的内部通信的必然趋势， 并对其应用和发展中存在的 问题作了探讨；对于远动信息的传输模式，本文提出应积极利用数据 网络来传递远动信息 , 并结合当前电网数据网络的建设情况和网络 设备的配置, 提出实现方案。 在深入讨论了 104 协议的网络应用环境和在实际电力系统中 实施该协议的充分必要性之后， 本文对 IEC-60870-5-104 协议本身的 规约结构、传输规则、实施过程等作了详细的阐述，尤其指出了该协 议显胜于以往通信规约的部分。 在通过对过程延时、节点排队延时等协议性能相关的基本问题 进行理论分析之后， 本文提出了运用该协议过程中需要关注的问题和 从哪些角度来改善协议实时性和可靠性，再通过网络仿真工具 OPNET 对 IEC-60870-5-104 协议作了建模仿真，通过多次对网络仿
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和应用层)实现数据传输。 发布相对较晚的标准 IEC60870-5-104 是把 IEC60870-5-101 规约的基础 上，采用专用 Internet 网络，基于 TCP/IP 与以太网数据传输的调度通讯的协 议标准，替代了传统的串口通讯机制，实现了站内信息内外部系统的信息共享， 正在全国范围内得到推广和应用。而新兴的 IEC61850 尽管存在众多其他协议 无法替代的优点，但在现阶段，IEC61850 还不可能大范围的普及，其成熟和完 善还需要相当长的过渡时期[6]：1，国内厂商在推出自己的IEC61850还尚需一段 时间，如果没有国内厂商的参与，要在电力系统中大面积采用国外产品，这行不 通，因为价格摆在那里；2，尽管当前国内电力系统在通信的传输上有了很大的 进步，比如骨干光纤网的建立，但是，由于相应的配套设施还没有完全跟进，因 此普遍采用 IEC61850 产品还不具备硬件条件。 从现在开始到无缝通信网络传输协议 IEC61850 大范围实施这一过渡中， 网络传输协议有 2 中选择[7]：1. IEC60870-5-104；2. IEC60870-6-TASE.2，虽然后 者实现的映射接近于 61850 的相关内容，但这种映射并不完全等同，目前按照 TASE.2 协 议 规 定 开 发 变 电 站 和 控 制 中 心 通 信 协 议 ， 只 能 说 是 为 将 来 按 照 IEC61850 协议规定开发程序作了技术上的准备，它现在的实际应用场合还是在 于控制中心级的数据交换，上述 2 种选择方案中第一种选择无疑更为合适，因为 采用 IEC60870-5-101 的 RTU 已经比较多，再加上 IEC60870-5-104 规约，实 现网络传输就更容易，另外， IECTC57 将始终关注着从 60870-5 系列到 IEC61850 的转换和对象映射，因为从一个开放的 IEC60870-5 系列转换到新的 系列上来要相对容易得多而且效率高， 所以国际电工委员会还是要在一定时期内 支持 IEC60870-5 系列标准得实施得， 我们现在同样不要忽视了 IEC60870-5 系 列规约[7]。 尽管 IEC60870-5-104 协议发布已经多年，但由于各方在对协议的理解上存 在歧异以及协议本身还存在的缺陷，使得其实际应用还存在这样那样的问题[8]。 而其对应的以太网技术和 TCP/IP 协议，由于其自身难以避免的网络延时等特 点，使得一些用户对其实际效果还存在疑虑，因此对 IEC60870-5-104 协议的性 能分析和与该协议紧密相关的以太网技术、 对应广域网技术等方面的问题的讨论 具有很强的现实意义。
KEY WORDS: IEC60870-5-104 ； Ethernet ； TCP/IP ； Telecontrol protocol；OPNET
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上海交通大学 学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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学位论文作者签名： 金坤
指导教师签名：何星
日期： 2007 年 1 月 24 日
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第一章 绪论
1.1 课题的背景
在电力系统中，各厂、站与调度所间的信息交换，是由各种远动装置通过各 种信道(或信息传输媒介)组成的信息传输系统来完成[1]。所以联系电力系统各部 分的信息传输系统是十分重要的， 其运行性能直接影响着整个自动控制系统的功 效。要依靠这样的信息传输系统实现实时数据通信，必须在各终端之间事先做出 约定，制订必须遵守的通信规则，包括对收发两端数码传输速率、数据结构、同 步方式的等的约定，这必须共同遵守的规则和约定就是通信规约[2]。 目前中国电网自动化系统领域依然广泛使用远动串口通信模式， 即采用基于 电路交换方式、独立占用低速通道进行串口通信。这种通信方式显然不是网络系 统，因为网络系统必须具备对等方式，即各个通信端都是平等的，不存在主从关 系[3]。 随着全国电网的连通，根据自动发电控制(AGC)技术的需求、电力市场的建 立和大电网安全分析系统数据准确性的要求， 迫切需要远动信息的网络传输以及 建立基于广域网的大电网系统， 解决远动信息一发多收和信息转发过程中造成的 延时问题，使各相关主站同时共享厂站的实时信息，达到实时信息全电网共享， 为电网安全分析系统和配调系统提供基于同一时刻的准确数据， 进而实现电网高 效、安全、经济运行。通过远动信息的网络传输，可彻底改变主站和厂站之间的 主从关系，网络路由器将取代传统的通信前置机，使网络数据可双向传输，真正 实现各个通信终端的网络平等。主站可直接同各种配电智能终端单元交换数据， 并可直接下发命令控制终端设备，消除了传统的通信前置机在通信中的“瓶颈” 现象[4]。另外大大节省了投资，减少了现场的维护工作量，使实时数据传输能力 有很大提高。 实现远动信息网络传输的关键是解决 RTU 和 IED 的网络接入问题[5]。目 前我国变电站自动化系统中 RTU 和 IED 采用的串口通信协议大多为 IEC60870-5-101 和 DNP3.0 等，这些协议基本上都遵循基于 ISO 参考模型的 增强性能结构(EPA)，仅用了 OSI 参考模型 7 层中的 3 层(即物理层、链路层
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真环境和仿真参数的转换，得到了支撑以上理论分析结果的佐证，对 影响协议性能的因素作了具体分析，对协议应用过程中存在的问题， 特别是对改善协议的应用效果的一些细节问题作了深入探讨。
关键词： IEC60870-5-104；以太网；TCP/IP ；远动规约； OPNET
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PERFORMANCE ANALYSIS OF IEC60870-5-104 PROTOCOL BASED ON ETHERNET AND TCP/IP
ABSTRACT
The performance analysis in IEC60870-5-104 protocol based on the technology of Ethernet and TCP/IP is researched in this context. Not only can IEC60870-5-104 be applied for data transmission between dispatch master station and substation automation system or between dispatch master station and RTU based on Ethernet, but also it can be used for the network transmission of data in the substation. This paper analyses and compares the common communication mode in substation Integrated Automation, points out that it’s an inevitable trend that the Ethernet will be applied in the inter communication of the substation automation system, and then studies some problems in applying and developing the technology; as far as the transmission mode of telecontrol information is concerned, network communication is strongly recommended in this paper and some realization proposes are raised according to the construction of power network and the configuration of network equipments for the time being. After deeply talking about the network application environment of