變電站自動化系統(tǒng)IEC60870-5-103和IEC60870-5-104協(xié)議的分析和實施徐立子( 中國電力科學研究院，北京100085 )摘要： 闡述了國際電工委員會（IEC ）制定的用于變電站自動

變電站自動化系統(tǒng)IEC60870-5-103和IEC60870-5-104

協(xié)議的分析和實施

徐立子

( 中國電力科學研究院，北京100085 )

摘要： 闡述了國際電工委員會（IEC ）制定的用于變電站自動化系統(tǒng)的國際標準IEC 60870－5－101、IEC 60870－5－104和IEC60870－5－103。（我國行標DL ／T 667－1999）分析了這些標準對變電站自動化系統(tǒng)所提出的要求和實現(xiàn)。

關鍵詞： 變電站自動化系統(tǒng)；傳輸規(guī)約；智能電子設備；RS485總線；光纖傳輸系統(tǒng)；以太網(wǎng)

1 IEC60870-5-103標準

1．1 為互換性和互操作性對物理層的規(guī)范要求

IEC60870－5－103標準為繼電保護設備（智能電子設備（IED ）或間隔單元）信息接口配套標準。此標準規(guī)定，在變電站自動化系統(tǒng)中物理層應采用光纖傳輸系統(tǒng)和／或RS485總線系統(tǒng)。

（1）光纖傳輸系統(tǒng)

為了提高抗電磁干擾能力和傳輸距離，應采用光纖傳輸系統(tǒng)，繼電保護設備（或間隔單元或IEDs ）的接口必須是光纖連接器。

光纖連接器應為：BFOC ／2．5（IEC60874－10說明）或F －SMA （IEC60874－2說明）。

對玻璃光纖：漸變型（graded －index ），纖芯直徑和包層直徑分別為62．5和125μm，光波長為820～860 nm，傳輸功率最小為－16 dBm ，最小接收功率最小為－24 dBm，系統(tǒng)儲備最小為＋3 dBm，典型距離為1000 m，溫度范圍為－5～＋55℃。

對塑料光纖：階躍型（step －index ），纖芯直徑和包層直徑分別為980和1000μm，光波長為660nm ，傳輸功率最小為－7 dBm ，最小接收功率最小為－20 dBm，系統(tǒng)儲備最小為＋3 dBm，典型距離為40 m，溫度范圍為－5～＋55℃。

（2）EIARS485接口

作為上述光纖傳輸?shù)囊环N變通，在控制系統(tǒng)和繼電保護設備或間隔單元之間可以采用基于雙絞線的傳輸系統(tǒng)。此種傳輸系統(tǒng)應符合EIARS485標準。

1999年10月國際電工委員會（IEC ）在日本京都召開的第63屆年會上，將RS485總線和／或光纖傳輸系統(tǒng)定為變電站自動化系統(tǒng)（SAS ）中和智能電子設備（IED ）及變電站三層（變電站層、間隔層／單元層、過程層）間通信總線網(wǎng)的國際標準，并將其它現(xiàn)場總線排斥在國際標準之外。

（3）傳輸速率為9 600 bit／s 或19 200 bit／s

1．2 EIARS485總線網(wǎng)技術性能

EIA RS485總線是世界上廣泛使用的用于雙向和平衡傳輸?shù)碾姎饨涌谕ㄐ艠藴?。此標準是工業(yè)多站系統(tǒng)需要的，為長距離傳輸數(shù)據(jù)而開發(fā)的總線網(wǎng)絡。它抗干擾能力強，數(shù)據(jù)傳輸速率快，價格低廉，維護成本低，能實現(xiàn)多站、遠距離通信。目前已廣泛用于工業(yè)控制系統(tǒng)。

（1）抗干擾能力強。RS485總線是采用差分平衡電氣接口，RS485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾和電磁干擾的能力。RS485總線采用雙絞線作為傳輸線，對電磁感應噪聲亦有較強的抑制能力。若采用屏蔽雙絞線，則還具有較強的抑制由靜電感應引起的噪聲的能力。

（2）傳輸線采用雙絞線。在差分平衡系統(tǒng)中，一般用雙絞線作為信號傳輸線。由于雙絞線在長度、方向上完全對稱，因而它們所受的外界干擾程度也完全相同。干擾信號以共模方式出現(xiàn)。在接收器的輸入端由于共模干擾受到抑制，所以能實現(xiàn)信號的可靠傳送。

（3）傳輸距離遠。RS485收發(fā)器具有高的靈敏度，能檢測低到200 mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。所以使用RS485總線，通信距離可達1200 m。

（4）能連接32個單元設備。根據(jù)RS485標準，每個單元收發(fā)器的輸入阻抗大于等于12 kΩ（稱為單位負荷），總線上最多能連接32個收發(fā)器。如果希望單元數(shù)多于32個，則應選用輸入阻抗更高的單元收發(fā)器。

（5）數(shù)據(jù)傳輸率。RS485的通信距離主要受到傳輸線的歐姆阻抗、集膚效應等損耗引起的信號畸變的制約。由于損耗與頻率有關，因而通信距離與數(shù)據(jù)傳輸率有關。最高數(shù)據(jù)傳輸率為10 Mb ／s 。在此速率下，傳輸距離為10 m 。若數(shù)據(jù)傳輸率在105 b／s 以下，傳輸距離則可達1200 m。可見，通信距離隨著數(shù)據(jù)傳輸率的降低而增加。

1．3 編制IEC60870-5-103協(xié)議要求

（1）IEC60870－5－103標準未必一定適用于將繼電保護和測量控制功能電路組合在同一個裝置內(nèi)并共用一通信口的設備［5］。

（2）2種信息交換方法。

·兼容范圍。嚴格規(guī)定應用服務數(shù)據(jù)單元（AS －DUs ）和為傳輸“標準化”報文的應用過程。

·通用分類服務（generic service）。采用各間隔層單元自我描述和自我定義的方法對要求傳輸?shù)男畔⑦M行定義。它具有傳送任何類型數(shù)據(jù)的能力。數(shù)據(jù)可通過通用分類服務按同一種方式進行訪問。所有數(shù)據(jù)可在所有設備上按相同方法構成，這樣就解決了各廠家所要傳輸信息無法統(tǒng)一的矛盾。這使新技術不受限制，提高了開放的可能性。

因此，必須按兼容范圍和通用分類服務進行協(xié)議編制，才能保證互換性和互操作性，避免大量的規(guī)約轉換工作。而絕不能采用專用范圍。

2 IEC60870-5-101與IEC60870┐5┐104標準

2．1 變電站自動化系統(tǒng)與調度主站的通信

我國變電站自動化系統(tǒng)與調度主站的通信，都是通過專用遠動通道實現(xiàn)的。通信規(guī)約應采用國際電工委員會（IEC ）于1995年發(fā)布的IEC60870－5－101（我國行標DL ／T634－1997）標準。此標準在我國已普遍使用。

歐美一些國家調度主站與變電站RTU 的通信已逐步采用以太數(shù)據(jù)網(wǎng)。為此，國際電工委員會（IEC ）第57技術委員會（TC57）的第3工作組（WG03）于1998年8月制定了IEC60870－5－104標準（CDV ）。2000年意大利國家電力公司（ENEL ）新建的能量管理系統(tǒng)（EMS ）與3個區(qū)調和245個變電站之間就是通過IEC60870－5－104標準在專用以太數(shù)據(jù)網(wǎng)上進行通信的。

IEC60870－5－104協(xié)議的名稱為“用標準傳送文件集的IEC60870－5－101網(wǎng)絡訪問”（network accessfor IEC 60870－5－101 using standard transport pro－files ）。此協(xié)議是將IEC60870－5－101標準用于TCP ／IP 網(wǎng)絡。

當調度主站與變電站連接到以太數(shù)據(jù)網(wǎng)，變電站RTU 與調度主站通信時，通信規(guī)約則應采用IEC60870－5－104標準。

2．2 IEC60870-5-104協(xié)議的實現(xiàn)

IEC60870－5－104協(xié)議在第1節(jié)“范圍與目的”中明確規(guī)定： “本標準技術規(guī)范提出，將IEC60870－5－101的應用層與TCP ／IP （Transmission Control Protocol／Internet Protocol）提供的傳輸功能相組合。在TCP ／IP 內(nèi)各種網(wǎng)絡類型都可使用，包括X ．25、FR （Frame Relay ）、ATM （Asynchronous TransferMode ）和ISDN （Integrated Service Data Network）。用同樣定義，其它IEC 60870－5配套標準規(guī)定的ASDUs 都能同TCP ／IP 組合，但本標準未進一步描述”。

IEC60870－5－104協(xié)議的結構如圖1所示。圖2為TCP ／IP 規(guī)約組（RFC2200）的選用標準結構。

在IEC60870－5－101中未采用應用規(guī)約控制信息（APCI ），因此，應用規(guī)約數(shù)據(jù)單元（APDU ）就等于應用服務數(shù)據(jù)單元（ASDU ）。但在IEC60870－5－104中應用規(guī)約控制信息（APCI ）給予了定義（見圖1）。應用規(guī)約數(shù)據(jù)單元（APDU ）就應等于應用規(guī)約控制信息（APCI ）

加上應用服務數(shù)據(jù)單元（ASDU ）。而應用規(guī)約控制信息（APCI ）中的控制域計數(shù)機構則按X ．25建議的第2．3．2．2．1節(jié)到第2．3．2．2．5節(jié)定義?？刂朴蚨x了防止報文丟失和重復的控制信息，以及對報文的開始、停止和傳輸連接的監(jiān)視。

2．3 關于TCP ／IP 協(xié)議族

TCP ／IP 協(xié)議（transfer controlprotocol／internetprotocol ）稱為傳輸控制／網(wǎng)際協(xié)議。它是網(wǎng)絡中使用的基本通信協(xié)議。雖然從名字上看TCP ／IP 包括2個協(xié)議，但TCP ／IP 實際上是一協(xié)議族，它包括上百個具有各種功能的協(xié)議，如遠程登錄、文件傳輸和電子郵件等，而TCP 協(xié)議和IP 協(xié)議是保證數(shù)據(jù)完整傳輸?shù)?個基本的重要協(xié)議。通常說的TCP ／IP 是一Internet 協(xié)議族，而不單單是TCP 和IP 。

RFC （Request For Comments ）直譯就是“關于請求的注解”，即Internet 標準（草案）。

RFC 是關于因特網(wǎng)（Internet ）和因特網(wǎng)前身Appanet 的一些建議評論文件。當每一份RFC 得到足夠的支持時，它就會轉為互聯(lián)網(wǎng)的標準，或是標準的一部份，或是草案。

TCP ／IP 協(xié)議基于4層結構：應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層和網(wǎng)絡接口層。TCP ／IP 協(xié)議族中包括上百個互為關聯(lián)的協(xié)議，不同功能的協(xié)議分布在不同的協(xié)議層中。例如：應用層有Telnet （網(wǎng)絡遠程訪問協(xié)議）、FTP （遠程文件傳輸協(xié)議）、SMTP （單電子郵件傳輸協(xié)議）、HTTP

（超文本傳輸協(xié)議）、POP3（電子郵件接收協(xié)議）、SNMP （簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議）和DNS （域名服務器）等；傳輸層有UDP （用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議）和TCP （RFC793）等；網(wǎng)絡層有IP （RFC791）、ICMP （互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議）和ARP （地址解析協(xié)議）等；網(wǎng)絡接口層有Ethernet 、FDDI （光纖分布式數(shù)字接口）、ATM （異步傳輸模式）、ISDN （綜合服務數(shù)據(jù)網(wǎng)）、FR （幀中繼）、SDH （同步數(shù)字體系）、WDM （波分復用）和DWDM （密集波分復用）等。

IEC 60870－5－104采用RFC 793／RFC791（即TCP ／IP ）協(xié)議，即RFC791定義的IP 協(xié)議（internetprotocol ）以及RFC793定義的TCP 協(xié)議（transmis －sion controlprotocol）。IP 協(xié)議負責將數(shù)據(jù)從一處傳往另一處。TCP 負責控制數(shù)據(jù)流量，并保證傳輸?shù)恼_性。由于在最底層的計算機通信網(wǎng)絡提供的服務是不可靠的分組傳送，所以當傳送過程中出現(xiàn)錯誤以及在網(wǎng)絡硬件失效或網(wǎng)絡負荷太重時，數(shù)據(jù)包有可能丟失，數(shù)據(jù)有可能被破壞。TCP 協(xié)議的目的是提供可靠的傳輸服務。它具有5個特征：面向數(shù)據(jù)流、虛電路連接、有緩沖的傳送、無結構的數(shù)據(jù)流和全雙工連接。

TCP 協(xié)議激活連接需進行3次握手過程：第1次握手報文段由碼位字段的標志位SYN 置1來識別；第2次握手時報文中碼位字段的標志位SYN 和ACK 均置1，說明對第1個SYN 報文段的確認，并繼續(xù)握手操作；第3次握手操作報文僅是一個確認信息，用來通知目的主機雙方已建立連接。經(jīng)3次握手過程后就可進行數(shù)據(jù)傳輸了。

連接可由任一方或雙方發(fā)起，一旦連接建立就可進行雙向對等的數(shù)據(jù)流動，而沒有主從關系。3次握手協(xié)議是連接2端正確同步的充要條件。

值得注意的是，由于TCP 協(xié)議建立在不可靠的分組傳輸服務之上，報文有可能丟失、延遲、重復和亂序，因此協(xié)議必須使用超時和重傳機構。這也是以太數(shù)據(jù)網(wǎng)難以進行時間同步的原因所在。正因為如此，IEC60870－5－104協(xié)議在控制方向上的系統(tǒng)信息中未定義時鐘同步和測試命令。為此，若變電站與調度中心用以太數(shù)據(jù)網(wǎng)絡通信時，則變電站自動化系統(tǒng)必須安裝精確度高（小于1μs）的全球定位系統(tǒng)（GPS ），以滿足IEC61850－5對報文同步的要求［2，6］。

3 IEC60870－5－103在TCP ／IP 網(wǎng)絡的使用

變電站內(nèi)若采用以太局域網(wǎng)絡與IEDs 間進行通信時通信協(xié)議應采用IEC61850標準。但國際電工委員會（IEC ）至今尚未正式頒布此標準。在這種情況下建議：按IEC60870－5－104的第1節(jié)“范圍與目的”中規(guī)定的那樣：“…用同樣定義，其它IEC60870－5配套標準規(guī)

定的ASDUs 都能同TCP ／IP 組合”。按照IEC60870－5－104的同樣定義，IEC60870－5－103規(guī)定的ASDUs 亦能同TCP ／IP 組合。這相當于在圖1中將應用層的上層內(nèi)容“選自IEC60870－5－101的應用服務數(shù)據(jù)單元（ASDU ）”改為“選自IEC60870－5－103的應用服務數(shù)據(jù)單元（ASDU ）”。這樣IEC60870－5－103就可適用于變電站內(nèi)采用以太局域網(wǎng)的情況，與IED 進行通信。