劉彤，羅毅
(華中科技大學(xué) 電力工程系湖北 武漢430074)
摘 要：探討了通過規(guī)約轉(zhuǎn)換單元在饋線遠(yuǎn)動終端中實(shí)現(xiàn)支持多種通信規(guī)約，并以IEC608705101和DNP3.0兩種在配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中較為普遍采用的通信規(guī)約為例說明了實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：規(guī)約轉(zhuǎn)換；饋線遠(yuǎn)動終端；通信規(guī)約；IEC60870-5-101；DNP3.0
近年來，饋線遠(yuǎn)動終端（FTU）在我國配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中正在得到廣泛應(yīng)用，對提高電能質(zhì)量和供電可靠性起到了重要作用。由于饋線遠(yuǎn)動終端不僅用來實(shí)時監(jiān)測配電線開關(guān)的狀態(tài)和饋線電流、電壓還要實(shí)現(xiàn)故障判別和隔離。而通信是否暢通決定了這些功能的實(shí)現(xiàn)，這就對通信規(guī)約提出了很高的要求，如數(shù)據(jù)量大，實(shí)時性，可靠傳輸，支持多種通信方式等。目前應(yīng)用于配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中比較完善的通信規(guī)約主要有IEC60870-5-101，DNP3.0，CDT，Polling等。
1 通信規(guī)約的應(yīng)用現(xiàn)狀
從用戶的角度來看，在我國配電自動化系統(tǒng)中經(jīng)常采用多個廠家的終端設(shè)備，其中既有國內(nèi)產(chǎn)品，也有國外產(chǎn)品。而國外產(chǎn)品多采用國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，而國內(nèi)產(chǎn)品有采用電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的，也有采用國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約的。這樣一來，規(guī)約的多樣性導(dǎo)致這些設(shè)備所采用的通信規(guī)約不盡相同，這個通信規(guī)約不統(tǒng)一的問題，給設(shè)備選型、系統(tǒng)集成、運(yùn)行維護(hù)等帶來諸多不便。也為實(shí)現(xiàn)配電自動化的諸多功能增加了難度。另一方面，作為生產(chǎn)饋線遠(yuǎn)動終端的廠家來說，也存在著和采用不同規(guī)約的主站系統(tǒng)統(tǒng)一通信規(guī)約的情況。因此，如何使饋線遠(yuǎn)動終端靈活地支持多種通信規(guī)約就成為一個亟待解決的問題。下面將以實(shí)現(xiàn)兩種主要的通信規(guī)約IEC60870-5-101和DNP3.0的轉(zhuǎn)換為例來討論規(guī)約轉(zhuǎn)換單元的實(shí)現(xiàn)方法。
2 兩種主要的通信規(guī)約
IEC60870-5-101規(guī)約是國際電工委員會（IEC）技術(shù)委員會TC-57在IEC60870-5系列標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定的一個配套標(biāo)準(zhǔn)， 他針對IEC60870-5基本標(biāo)準(zhǔn)中的FT1.2異步式字節(jié)傳輸幀格式，對物理層、鏈路層、應(yīng)用層、用戶進(jìn)程作了大量具體的規(guī)定和定義。他是應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)度自動化和配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的傳輸規(guī)約基本遠(yuǎn)動任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)。
而DL/T634-1997規(guī)約則是我國制定的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，他是非等效采用的IEC60870-5-101基本遠(yuǎn)動任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)我國的實(shí)際情況作了部分選擇和補(bǔ)充。
(1) 全部采用IEC60870-5-101中對物理層、鏈路層、非平衡傳輸規(guī)則、基本應(yīng)用功能所作的定義和規(guī)定，并對多點(diǎn)共線方式在功能方面，根據(jù)IEC608705-5的要求做了具體規(guī)定。在傳輸規(guī)則中對超時時間選取了IEC608705-2中的匹配超時時間。
(2) 對IEC60870-5-101中有關(guān)應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用信息元素定義和編碼、應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元的定義和表示的規(guī)定，僅從其中選取了一個子集。
(3) 根據(jù)IEC608705-2鏈路傳輸規(guī)則中的平衡式鏈路傳輸規(guī)則，對子站的事件啟動觸發(fā)傳輸作了具體化的工作。
分布式網(wǎng)絡(luò)規(guī)約(DNP3.0)是GE Harris公司在國際電工委員會（IEC）技術(shù)委員會TC57制定的早期規(guī)約基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并逐漸完善而成為主流通信規(guī)約之一。目前由DNP UsersGroup技術(shù)委員會負(fù)責(zé)該規(guī)約的修訂和推廣。
在設(shè)計規(guī)約轉(zhuǎn)換單元的時候，必須充分考慮到規(guī)約之間的區(qū)別。如DNP3.0和IEC60870-5-101規(guī)約，兩者之間在很多方面都存在差異。盡管他們都使用了根據(jù)OSI參考模型簡化了的三層增強(qiáng)性能結(jié)構(gòu)（EPA），如圖1所示，但是各層的具體規(guī)定有較大差異。
下面是兩者在數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層上的一些區(qū)別。
在數(shù)據(jù)鏈路層上 IEC60870-5-101僅僅傳送一個地址，即終端地址，而DNP3.0則在一幀中傳送主站和終端地址；在幀格式上，IEC60870-5-101采用的是FT1.2，可變幀長幀格式和固定幀長幀格式，而DNP3.0采用的是FT3，可變幀長幀格式；IEC60870-5-101可以有平衡方式和不平衡方式，而DNP3.0只有平衡方式。此外，DNP3.0專門定義了一個偽傳輸層來傳輸超出一個鏈路規(guī)約數(shù)據(jù)單元（LPDU）長度的報文，而在DL/T 634-1997中，由于沒有采用IEC60870-5-101的應(yīng)用規(guī)約控制信息(APCI)，所以在應(yīng)用層中的應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元就是應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元，也和鏈路層中的鏈路服務(wù)數(shù)據(jù)單元是一致。
在應(yīng)用層上 在一個報文中，IEC60870-5-101只有單一的數(shù)據(jù)類型，而DNP3.0允許有多個；IEC60870-5-101提出了一個傳送原因的概念，這在DNP3.0中沒有，他表示的是周期傳送、突發(fā)傳送、總詢問，還是分組詢問、請求數(shù)據(jù)、重新啟動、站啟動、測試、確認(rèn)、否定確認(rèn)，其功能是當(dāng)接收時將應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元傳送給特定的應(yīng)用任務(wù)(程序)時便于處理；IEC60870-5-101在應(yīng)用層上規(guī)定了應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ASDU）的公共地址，而DNP3.0在應(yīng)用層上不包含地址。
事實(shí)上，無論是IEC60870-5-101還是DNP3.0，其內(nèi)容都十分豐富，任何一個終端產(chǎn)品所實(shí)現(xiàn)的功能都不可能完全一樣，為了使采用同一通信規(guī)約的饋線遠(yuǎn)動終端能夠達(dá)到互換的要求，DL/T 634-1997（IEC60870-5-101）既規(guī)定了廠家必須要遵循的定義如類型標(biāo)識和傳送原因等，還指出如何標(biāo)明廠家和用戶自行決定的定義如數(shù)據(jù)類型和網(wǎng)絡(luò)配置等。這些自行定義內(nèi)容可以通過規(guī)約轉(zhuǎn)換單元來靈活配置。DNP3.0按復(fù)雜程度把其包含的功能規(guī)定了3層子集。第1層規(guī)定了必須要實(shí)現(xiàn)的最基本的功能，其他都作為可選功能。第2層規(guī)定了更多的必須要實(shí)現(xiàn)的功能。第3層規(guī)定的功能則比第2層更多，但是并沒有把DNP3.0的全部功能都包含進(jìn)來。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)具體情況就所支持的對象，報文類型和實(shí)現(xiàn)的功能來決定采用哪一層子集。
3 規(guī)約轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方法
目前采用較多的方法，是根據(jù)所在的主站系統(tǒng)采用的通信規(guī)約而直接在終端產(chǎn)品的主程序中嵌入對不同規(guī)約的支持模塊。另一種方法是開發(fā)支持不同規(guī)約的通信模塊，在不同的主站系統(tǒng)中靈活選用。這些方法存在如下問題：
�、儆捎谝�(guī)約的多樣性和復(fù)雜性，再加上各個廠家對規(guī)約的理解也有細(xì)微的差別，在規(guī)約支持軟件的開發(fā)上會造成大量的重復(fù)代碼，并且不容易維護(hù)。
�、谠诮K端和主站系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)中，為了適應(yīng)規(guī)約的要求，對程序進(jìn)行修改后再運(yùn)行的過程較為繁瑣。最后，這些方法很難適應(yīng)多主站的情況。為此采用規(guī)約轉(zhuǎn)換單元可以很好地解決上述問題。
在硬件結(jié)構(gòu)上，規(guī)約轉(zhuǎn)換單元采用具有獨(dú)立CPU的模塊實(shí)現(xiàn)，同時，規(guī)約轉(zhuǎn)換單元和饋線遠(yuǎn)動終端的中央處理模塊直接連接。配置多個通信口和主站通信，各個通信口采用RS232或RS485，可以支持光纖、無線、載波、電纜等多種信道。分別通過設(shè)置端口來配置以適應(yīng)不同規(guī)約。規(guī)約轉(zhuǎn)換單元的功能層次圖如圖2所示。其工作過程是這樣的：當(dāng)主站向終端發(fā)出命令如遙測、遙信數(shù)據(jù)或控制負(fù)荷開關(guān)動作時，規(guī)約轉(zhuǎn)換單元按照不同的規(guī)約在規(guī)約進(jìn)程中對鏈路幀格式、應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式進(jìn)行識別和校驗(yàn)，把有效數(shù)據(jù)提取出來，然后把該命令以自己定義的格式發(fā)送到中央處理模塊。中央處理模塊根據(jù)命令內(nèi)容準(zhǔn)備包含有電量采集或事件記錄的數(shù)據(jù)并發(fā)送到規(guī)約轉(zhuǎn)換單元，如果是控制命令,中央處理模塊還要執(zhí)行相應(yīng)的動作。規(guī)約轉(zhuǎn)換單元對該數(shù)據(jù)再按照不同規(guī)約的鏈路幀格式、應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式處理后從各自的通信口發(fā)送回主站。
在數(shù)據(jù)、事件和命令處理部分，IEC60870-5-101和DNP3.0的處理方式不同，IEC60870-5-101把數(shù)據(jù)分為2類，一類是循環(huán)數(shù)據(jù)，另一類是所有其他的數(shù)據(jù)。而DNP3.0則把數(shù)據(jù)分為4類，一類是靜態(tài)數(shù)據(jù)，如當(dāng)前模擬量或開關(guān)量，另三類都作為事件數(shù)據(jù)，如狀態(tài)變位等，并且在這三類數(shù)據(jù)中還分3個優(yōu)先級。
值得注意的是在通道為半雙工通道，網(wǎng)絡(luò)配置為多點(diǎn)共線的時候，在同一時刻主站只能和一個終端進(jìn)行通信。此時如何做到異常事件主動上報，不同的規(guī)約有不同處理方法。在DL/T 634-1997中采用的是快速—校驗(yàn)—過程規(guī)定［1，2］。 而DNP3.0則采用一種防沖突機(jī)制來解決這一問題，也就是采用載波檢測的方法［3］。通過設(shè)置端口，可以對規(guī)約參數(shù)和通信口參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。對IEC60870-5-101規(guī)約來說，應(yīng)該包括鏈路層和應(yīng)用層參數(shù)配置。
在鏈路層參數(shù)設(shè)置中，有以下幾項(xiàng)：
① 波特率設(shè)定；
②幀格式設(shè)定；
③鏈路傳輸模式設(shè)定：平衡傳輸或不平衡傳輸；
④鏈路地址字節(jié)長度設(shè)定；
⑤鏈路地址設(shè)定。
在應(yīng)用層參數(shù)設(shè)置中，有以下幾項(xiàng)：
①應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ASDU）公共地址字節(jié)長度設(shè)定；
② 應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元公共地址設(shè)定；
③ 信息體地址字節(jié)長度設(shè)定；
④ 傳送原因長度設(shè)定；
⑤ 用戶自定義內(nèi)容（類型標(biāo)識等）。
其中，如果按照DL/T 634-1997規(guī)約配置的話，應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元公共地址選擇1個字節(jié)長度；而信息體地址則選擇2個字節(jié)長度。此外，DL/T 634-1997規(guī)約沒有采用應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元長度、信息體類型和公共時標(biāo)。
而DNP3.0則需要有如下設(shè)置項(xiàng)：
①波特率設(shè)定；
②終端地址設(shè)定；
③分段長度設(shè)定；
�、馨此x擇的子集決定的自定義內(nèi)容。
其中，在應(yīng)用層上報文的分段長度是根據(jù)終端所開辟的緩沖區(qū)大小決定的，一般在2048～4096 b之間。一個報文可以被分成多個分段。在偽傳輸層上，由于數(shù)據(jù)鏈路層的每幀的最大長度為255 b，除去鏈路層控制字（1 b），源地址（2 b）和目的地址（2 b）以及傳輸層報頭（1 b），那么有效的用戶數(shù)據(jù)的最大長度為249 b。以2048 b的分段來說，該分段被分成9幀（8×249＋56）傳送，并且每幀前加上傳輸層報頭。
4 結(jié)語
通過在饋線遠(yuǎn)動終端中采用規(guī)約轉(zhuǎn)換單元的方法，針對各種通信規(guī)約對數(shù)據(jù)和事件的不同處理方式，采用獨(dú)立的規(guī)約進(jìn)程和通信口。這樣，用戶只需要通過簡單的設(shè)置就可以使終端靈活地應(yīng)用在采用不同通信規(guī)約的主站系統(tǒng)中，并且還可以支持多主站系統(tǒng)。此外，還可以大大減輕在系統(tǒng)維護(hù)上的工作量�？傊�，在設(shè)計饋線遠(yuǎn)動終端的時候，不僅要考慮具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集、分析和控制功能，還要使之具有靈活的通信能力，即能夠支持多種規(guī)約，才能滿足配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的要求。
參考文獻(xiàn)
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［2］DL/T 721－2000.配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)遠(yuǎn)方終端［S］
