远动信息网络传输方法

远动信息网络传输方法

山东省沂南县供电公司滕晓辉

摘要：针对目前电网自动化系统领域广泛使用的远动串口通信模式，分析了远动信息网络传输的必要性及其益处，研究了远动信息的网络通信模式和技术方案，并讨论了通信模式中的技术问题，如以太网技术、TCP/IP协议和网络通信中的技术问题。最后指出了网络传输必将成为远动数据传输的发展方向。

关键词：远动通信；TCP/IP协议；IEC60870协议

1 引言

目前我国电力自动化系统中普遍采用基于电路交换方式、独立占用64kbit/s 的低速通道进行串口通信。但这种通信方式还不是网络系统，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。

随着全国电网的连通，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。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。

2 远动数据的网络通信模式

2.1 实现网络通信的协议

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。目前我国变电站自动化系统中RTU采用的串口通信协议趋向为IEC60870-5-101协议，协议基本上遵循基于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、链路层和应用层）实现数据传输。标准IEC60870-5-104是把IEC60870-5-101的应用服务数据单元（ASDU）用网络协议TCP/IP进行传输的标准。该标准为远动信息的网络传输提供了通信协议依据。

本文仅以IEC101协议为主，介绍网络接入模式，该模式同样适用于其他协议。

2.2 网络接入模式

2.2.1 直接以太网接入模式。该模式适用于新建的厂站。它要求RTU具有以太网接口和相应协议IEC104的支持。系统分配给该RTU 1个IP地址，即可通过网络访问该RTU，进行数据的通信。该模式中RTU的微处理器的处理能力要求较强，并具有必要的嵌入式操作系统，以实现网络功能。

2.2.2 通过网关（GateWay）的接入模式。该模式适用于已投运的厂站。可降低厂站设备的二次投资，只需在原有RTU的基础上加入网关即可接入网络。这种模式的关键在于网关。RTU的串口和网关一端的串口相连，通过网关另一端的以太网接口接入网络。

2.2.3 对于RTU通过RS485总线连接的IED，485总线上所有的IED用1个网关通过RTU接入网络。总线上的IED共享一IP地址，系统通过IP地址加设备号ID识别IED，并进行网络数据传输。

网关是连接RTU和网络的桥梁。它能实时多线程监听端口的状态，接受用户端的请求和收集串口数据，并能实时响应用户和RTU的请求。它要求具有实时和多任务特性，所以网关的硬件采用高性能嵌入式微处理器（至少16bit），通信接口为一可切换的RS232和RS485串行接口以及一RJ45网络接口。软件采用嵌入式实时多任务操作系统，并支持TCP/IP等常用网络协议。

3 远动信息网络通信中的技术问题

电网调度自动化系统对于远动数据的实时性、可靠性、正确性和准确性的要求很高，所以对于上述的通信模式，有必要研究其是否能满足要求及受影响的主要因素。

2.3.1 以太网技术

选择以太网作为物理层和链路层，是因为以太网是在办公和工业中应用最广泛的计算机网络技术，因此选用以太网能保证多种开发环境和可供选择的工具，而且成本低廉，通信速度可由10Mb/s发展到100Mb/s和1000Mb/s，且正在朝着1Gb/s和10Gb/s发展，这样可保证系统的可升级性。

但传统共享式10Mb/s以太网的碰撞检测机制（CDMA/CD）可能会引起信息传输时间的随机性，这样会影响远动信息对传输时间的要求，如遥测时间小于4s等。为此，美国电力研究院（EPRI）作了试验，结果表明10Mb/s或100Mb/s 的以太网在最坏的情况下（如连接许多RTU），也能保证网络通信时间为4s。研究还表明，只要以太网的负荷量小于25%，以太网便可以得到最好的系统响应[4]。而且采用交换方式的100Base—T快速以太网的出现，在大大拓展带宽的同时，还缩短了以太网的碰撞域，使传输效率大为提高。

2.3.2 TCP/IP协议

TCP/IP协议已经成为互联网的标准通信协议。许多厂商和系统都支持该协

议，而且已经被人们所认可。但TCP/IP协议毕竟是面向Internet的大众化协议，在用于远动数据的传输时，传输的实时性有一定要求，因此应注意以下几个方面问题。

1）TCP是向上层提供面向连接的服务。在远动信息传输的客户/服务器模型中，RTU充当服务器的角色，连接着多个客户端（如当地监控站、调度端远动操作站等）。在这种方式下，RTU可以同时接受多个客户端的连接请求和数据询问。但是TCP是面向连接方式的传输数据，每次成功的接入，只要服务器端和客户端没有执行过关闭操作，就一直是接通的。然而RTU网络服务器程序限制了程序在同一时刻可连接的客户端数目，当使用Socket时一般不超过5个客户端，所以这种情况下1个RTU同一时刻可连接的客户端数目是有限的，当达到极限时即使有连接要求的用户也无法建立连接，这会引起线程阻塞，导致重要数据无法及时传输。对此，Socket采用了一套机制来加以避免，通过超时处理方法使RTU可检测用户的连接状态，若在规定时间（可以通过程序设置）内没有响应，则自动关闭连接，并向其他需要连接的用户提供服务。

2）TCP是面向“流”的传输协议，它必须等待数据流填满缓冲区后才会进行数据的传输，这样可能导致部分小包数据的传输比较慢。可以在TCP/IP帧中控制包的延迟和大小，也可以控制TCP帧中的标志字段PSH（推）位，强迫TCP 提早发送数据段，以提前传输，满足系统对传输时间的要求。另外，TCP协议处理网络拥塞的方法是分组删除，相当于减少了等待传输的分组数量，降低网络的负荷，但这又会造成丢弃的分组无法到达目的地，从而出现丢包现象。虽然TCP 会检测出丢失的分组，并会进行重传，但这不利于实时数据的传输，所以有必要在应用层中增强传输可靠性。

2.2.3 网络通信中的广播、组播技术

IP网络通信模式有3种：单播、广播和组播。远动信息的网络通信中，单播用于一对一方式的“点到点”通信，网络上除目的地址外的其它节点都不接受源节点发送的信息。广播范围只限于本地局域网，因为路由器会封锁广播信息的外传。组播适用于把信息传送到1组目的地址，可以减轻网络的负担，但需要路由器的转发，所以必须配置路由器支持组播。

TCP/IP提供2种类型的服务，即面向连接的可靠传输服务TCP协议和无连接的UDP数据报协议。TCP发送信息时必须先和对方建立3次握手连接，然后发送信息，UDP无需建立连接而可直接发送数据。所以UDP适用于单播、组播和广播3种通信模式，而TCP不适用于组播，但它可提供可靠的传输机制。应在具体实际情况下，根据自己的需要选用合适的通信模式。

4 远动信息的网络传输技术展望

IEC正在制订关于变电站自动化系统的通信网络和系统的标准IEC61850。