孫軍平1，盛萬興2，王孫安1
（1. 西安交通大學(xué)，陜西省 西安市 710049；2. 中國電力科學(xué)研究院，北京 100085）
摘 要：針對目前中國電網(wǎng)自動化系統(tǒng)領(lǐng)域廣泛使用的遠(yuǎn)動串口通信模式，分析了遠(yuǎn)動信息網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)谋匾约捌湟嫣�，研究了遠(yuǎn)動信息的網(wǎng)絡(luò)通信模式和技術(shù)方案，并討論了通信模式中的技術(shù)問題，如以太網(wǎng)技術(shù)、TCP/IP協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)通信中的廣播、組播技術(shù)問題。最后指出了網(wǎng)絡(luò)傳輸必將成為遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)動通信；廣域網(wǎng)；TCP/IP；網(wǎng)關(guān)
1 引言
目前我國電力自動化系統(tǒng)中普遍采用基于電路交換方式、獨立占用64kbit/s的低速通道進(jìn)行串口通信。但這種通信方式還不是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，因為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須具備對等方式，即各個通信端都是平等的，不存在主從關(guān)系。
隨著全國電網(wǎng)的連通，根據(jù)自動發(fā)電控制（AGC）技術(shù)的需求、電力市場的建立和大電網(wǎng)安全分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的要求，迫切需要遠(yuǎn)動信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸以及建立基于廣域網(wǎng)的大電網(wǎng)系統(tǒng)，解決遠(yuǎn)動信息一發(fā)多收和信息轉(zhuǎn)發(fā)過程中造成的延時問題[1]，使各相關(guān)主站同時共享廠站的實時信息，達(dá)到實時信息全電網(wǎng)共享，為電網(wǎng)安全分析系統(tǒng)和配調(diào)系統(tǒng)提供基于同一時刻的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，進(jìn)而實現(xiàn)電網(wǎng)高效、安全、經(jīng)濟(jì)運行。
通過遠(yuǎn)動信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸，可徹底改變主站和廠站之間的主從關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)路由器將取代傳統(tǒng)的通信前置機(jī)，使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可雙向傳輸，真正實現(xiàn)各個通信終端的網(wǎng)絡(luò)平等（基本通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示）。主站可直接同各種配電智能終端單元交換數(shù)據(jù)，并可直接下發(fā)命令控制終端設(shè)備，消除了傳統(tǒng)的通信前置機(jī)在通信中的“瓶頸”現(xiàn)象。另外大大節(jié)省了投資，減少了現(xiàn)場的維護(hù)工作量，使實時數(shù)據(jù)傳輸能力有很大提高。
2 遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)通信模式
2.1 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的協(xié)議
實現(xiàn)遠(yuǎn)動信息網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)年P(guān)鍵是解決RTU和IED的網(wǎng)絡(luò)接入問題。目前我國變電站自動化系統(tǒng)中RTU和IED采用的串口通信協(xié)議大多為IEC60870-5-101和DNP3.0等，這些協(xié)議基本上都遵循基于ISO參考模型的增強(qiáng)性能結(jié)構(gòu)（EPA），僅用了OSI參考模型7層中的3層（即物理層、鏈路層和應(yīng)用層）實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)布不久的標(biāo)準(zhǔn)IEC60870-5-104[2]（我國正在制訂等同的標(biāo)準(zhǔn)）是把IEC60870-5-101的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ASDU）用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP進(jìn)行傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)為遠(yuǎn)動信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸提供了通信協(xié)議依據(jù)。IEC60870-5-104（以下簡稱IEC104）和IEC60870-5-101（以下簡稱IEC101）之間的關(guān)系如圖2所示。
對于支持ModBus和DNP協(xié)議而不支持IEC101協(xié)議的RTU，同樣可采用ModBus/TCP[3]、DNP LAN/WAN協(xié)議，實現(xiàn)RTU接入網(wǎng)絡(luò)。如ModBus/TCP協(xié)議中 ModBus幀嵌入TCP幀的方式。
在ModBus/TCP幀中沒有包含ModBus幀的校驗位，因為TCP/IP和以太網(wǎng)鏈路層的校驗機(jī)制能保證數(shù)據(jù)被正確發(fā)送。
本文僅以IEC101協(xié)議為主，介紹網(wǎng)絡(luò)接入模式，該模式同樣適用于其他協(xié)議。
2.2 網(wǎng)絡(luò)接入模式
1）直接以太網(wǎng)接入模式。該模式適用于新建的廠站。它要求RTU具有以太網(wǎng)接口和相應(yīng)協(xié)議IEC104的支持。RTU結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)分配給該RTU 1個IP地址，即可通過網(wǎng)絡(luò)訪問該RTU，進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。該模式中RTU的微處理器的處理能力要求較強(qiáng)，并具有必要的嵌入式操作系統(tǒng)，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。
2）通過網(wǎng)關(guān)（GateWay）的接入模式。該模式適用于已投運的廠站�？山档蛷S站設(shè)備的二次投資，只需在原有RTU的基礎(chǔ)上加入網(wǎng)關(guān)即可接入網(wǎng)絡(luò)。這種模式的關(guān)鍵在于網(wǎng)關(guān)�；具B接結(jié)構(gòu)如圖4所示。RTU的串口和網(wǎng)關(guān)一端的串口相連，通過網(wǎng)關(guān)另一端的以太網(wǎng)接口接入網(wǎng)絡(luò)。
3）對于RTU通過RS485總線連接的IED， 485總線上所有的IED用1個網(wǎng)關(guān)通過RTU接入網(wǎng)絡(luò)（如圖5所示）�？偩�上的IED共享一IP地址，系統(tǒng)通過IP地址加設(shè)備號ID識別IED，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。
網(wǎng)關(guān)是連接RTU和網(wǎng)絡(luò)的橋梁。它能實時多線程監(jiān)聽端口的狀態(tài)，接受用戶端的請求和收集串口數(shù)據(jù)，并能實時響應(yīng)用戶和RTU的請求。它要求具有實時和多任務(wù)特性，所以網(wǎng)關(guān)的硬件采用高性能嵌入式微處理器（至少16bit），通信接口為一可切換的RS232和RS485串行接口以及一RJ45網(wǎng)絡(luò)接口。以太網(wǎng)控制器可采用RTL8019AS或DM9008。軟件采用嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，并支持TCP/IP等常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
3 遠(yuǎn)動信息網(wǎng)絡(luò)通信中技術(shù)問題討論
電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)對于遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)的實時性、可靠性、正確性和準(zhǔn)確性的要求很高，所以對于上述的通信模式，有必要研究其是否能滿足要求及受影響的主要因素。
(1) 以太網(wǎng)技術(shù)
選擇以太網(wǎng)作為物理層和鏈路層，是因為以太網(wǎng)是在辦公和工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此選用以太網(wǎng)能保證多種開發(fā)環(huán)境和可供選擇的工具，而且成本低廉，通信速度可由10Mb/s發(fā)展到100Mb/s和1000Mb/s，且正在朝著1Gb/s和10Gb/s發(fā)展，這樣可保證系統(tǒng)的可升級性。
但傳統(tǒng)共享式10Mb/s以太網(wǎng)的碰撞檢測機(jī)制（CDMA/CD）可能會引起信息傳輸時間的隨機(jī)性，這樣會影響遠(yuǎn)動信息對傳輸時間的要求，如遙測時間小于4s等。為此，美國電力研究院（EPRI）作了試驗，結(jié)果表明10Mb/s或100Mb/s的以太網(wǎng)在最壞的情況下（如連接許多RTU），也能保證網(wǎng)絡(luò)通信時間為4s。研究還表明，只要以太網(wǎng)的負(fù)荷量小于25%，以太網(wǎng)便可以得到最好的系統(tǒng)響應(yīng)[4]。而且采用交換方式的100Base—T快速以太網(wǎng)的出現(xiàn)，在大大拓展帶寬的同時，還縮短了以太網(wǎng)的碰撞域，使傳輸效率大為提高。
(2)TCP/IP協(xié)議
TCP/IP協(xié)議已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。許多廠商和系統(tǒng)都支持該協(xié)議，而且已經(jīng)被人們所認(rèn)可。但TCP/IP協(xié)議畢竟是面向Internet的大眾化協(xié)議，在用于遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)的傳輸時，傳輸?shù)膶崟r性有一定要求，因此應(yīng)注意以下幾個方面問題。
1）TCP是向上層提供面向連接的服務(wù)。在遠(yuǎn)動信息傳輸?shù)目蛻?服務(wù)器模型中，RTU充當(dāng)服務(wù)器的角色，連接著多個客戶端（如當(dāng)?shù)乇O(jiān)控站、調(diào)度端遠(yuǎn)動操作站等）。其簡單的網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)如圖6所示。在這種方式下，RTU可以同時接受多個客戶端的連接請求和數(shù)據(jù)詢問。但是TCP是面向連接方式的傳輸數(shù)據(jù)，每次成功的接入，只要服務(wù)器端和客戶端沒有執(zhí)行過關(guān)閉操作，就一直是接通的。然而RTU網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器程序限制了程序在同一時刻可連接的客戶端數(shù)目，當(dāng)使用Socket時一般不超過5個客戶端，所以這種情況下1個RTU同一時刻可連接的客戶端數(shù)目是有限的，當(dāng)達(dá)到極限時即使有連接要求的用戶也無法建立連接，這會引起線程阻塞，導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)無法及時傳輸。對此，Socket采用了一套機(jī)制來加以避免，通過超時處理方法使RTU可檢測用戶的連接狀態(tài)，若在規(guī)定時間（可以通過程序設(shè)置）內(nèi)沒有響應(yīng)，則自動關(guān)閉連接，并向其他需要連接的用戶提供服務(wù)。
2）TCP是面向“流”的傳輸協(xié)議，它必須等待數(shù)據(jù)流填滿緩沖區(qū)后才會進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸[5]，這樣可能導(dǎo)致部分小包數(shù)據(jù)的傳輸比較慢。可以在TCP/IP幀中控制包的延遲和大小，也可以控制TCP幀中的標(biāo)志字段PSH（推）位，強(qiáng)迫TCP提早發(fā)送數(shù)據(jù)段，以提前傳輸，滿足系統(tǒng)對傳輸時間的要求。另外，TCP協(xié)議處理網(wǎng)絡(luò)擁塞的方法是分組刪除，相當(dāng)于減少了等待傳輸?shù)姆纸M數(shù)量，降低網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，但這又會造成丟棄的分組無法到達(dá)目的地，從而出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。雖然TCP會檢測出丟失的分組，并會進(jìn)行重傳，但這不利于實時數(shù)據(jù)的傳輸，所以有必要在應(yīng)用層中增強(qiáng)傳輸可靠性。
(3)網(wǎng)絡(luò)通信中的廣播、組播技術(shù)
IP網(wǎng)絡(luò)通信模式有3種[6]：單播、廣播和組播。遠(yuǎn)動信息的網(wǎng)絡(luò)通信中，單播用于一對一方式的“點到點”通信，網(wǎng)絡(luò)上除目的地址外的其它節(jié)點都不接受源節(jié)點發(fā)送的信息。廣播范圍只限于本地局域網(wǎng)，因為路由器會封鎖廣播信息的外傳。組播適用于把信息傳送到1組目的地址，可以減輕網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，但需要路由器的轉(zhuǎn)發(fā)，所以必須配置路由器支持組播。
TCP/IP提供2種類型的服務(wù)，即面向連接的可靠傳輸服務(wù)TCP協(xié)議和無連接的UDP數(shù)據(jù)報協(xié)議。TCP發(fā)送信息時必須先和對方建立3次握手連接，然后發(fā)送信息，UDP無需建立連接而可直接發(fā)送數(shù)據(jù)。所以UDP適用于單播、組播和廣播3種通信模式，而TCP不適用于組播，但它可提供可靠的傳輸機(jī)制。應(yīng)在具體實際情況下，根據(jù)自己的需要選用合適的通信模式。
4 遠(yuǎn)動信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)展望
IEC正在制訂關(guān)于變電站自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)IEC61850。該標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)和高層抽象映射到低層的MMS（制造報文規(guī)范ISO/IEC9506）技術(shù)[7]，解決了變電站自動化系統(tǒng)產(chǎn)品的互操作性和協(xié)議轉(zhuǎn)換的問題。另外采用該標(biāo)準(zhǔn)還可使變電站自動化設(shè)備具有自描述、自診斷和即插即用的特性，極大地方便了系統(tǒng)的集成，降低了變電站自動化系統(tǒng)的工程費用。
IEC61850標(biāo)準(zhǔn)提供了7層網(wǎng)絡(luò)通信模型（可采用OSI標(biāo)準(zhǔn)和TC/IP協(xié)議）和3層串口通信模型，其中網(wǎng)絡(luò)通信模型的傳輸網(wǎng)絡(luò)層采用TCP/IP協(xié)議，物理和鏈路層采用Ethernet，是一個開放性的通信模型，可用于遠(yuǎn)動信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸。
2000年的IEC TC57會議及SPAG會議，提出了無縫遠(yuǎn)動通信體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)將建立在IEC 61850的基礎(chǔ)上[8]。雖然該標(biāo)準(zhǔn)尚未完全正式發(fā)布，但應(yīng)該積極關(guān)注這個面向下一代變電站自動化系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，研究并分析其體系和結(jié)構(gòu)。
5 結(jié)論
本文的部分理論在實踐中已得到驗證，它為電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)廣域網(wǎng)模型提供了基礎(chǔ)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的頒布，相信遠(yuǎn)動信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸必將成為遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹髁鞣较颉?/P>
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