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

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

協(xié)議的分析和實(shí)施

徐立子

( 中國電力科學(xué)研究院，北京100085 )

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

關(guān)鍵詞： 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)；傳輸規(guī)約；智能電子設(shè)備；RS485總線；光纖傳輸系統(tǒng)；以太網(wǎng)

1 IEC60870-5-103標(biāo)準(zhǔn)

1．1 為互換性和互操作性對(duì)物理層的規(guī)范要求

IEC60870－5－103標(biāo)準(zhǔn)為繼電保護(hù)設(shè)備（智能電子設(shè)備（IED ）或間隔單元）信息接口配套標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中物理層應(yīng)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(yīng)采用光纖傳輸系統(tǒng)，繼電保護(hù)設(shè)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(yīng)為：BFOC ／2．5（IEC60874－10說明）或F －SMA （IEC60874－2說明）。

對(duì)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(chǔ)備最小為＋3 dBm，典型距離為1000 m，溫度范圍為－5～＋55℃。

對(duì)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(chǔ)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(hù)設(shè)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(yīng)符合EIARS485標(biāo)準(zhǔn)。

1999年10月國際電工委員會(huì)（IEC ）在日本京都召開的第63屆年會(huì)上，將RS485總線和／或光纖傳輸系統(tǒng)定為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)（SAS ）中和智能電子設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，并將其它現(xiàn)場總線排斥在國際標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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?biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)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(luò)。它抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸速率快，價(jià)格低廉，維護(hù)成本低，能實(shí)現(xiàn)多站、遠(yuǎn)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(qiáng)。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(duì)電磁感應(yīng)噪聲亦有較強(qiáng)的抑制能力。若采用屏蔽雙絞線，則還具有較強(qiáng)的抑制由靜電感應(yīng)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(hào)傳輸線。由于雙絞線在長度、方向上完全對(duì)稱，因而它們所受的外界干擾程度也完全相同。干擾信號(hào)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(shí)現(xiàn)信號(hào)的可靠傳送。

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

（4）能連接32個(gè)單元設(shè)備。根據(jù)RS485標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)單元收發(fā)器的輸入阻抗大于等于12 kΩ（稱為單位負(fù)荷），總線上最多能連接32個(gè)收發(fā)器。如果希望單元數(shù)多于32個(gè)，則應(yīng)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(yīng)等損耗引起的信號(hào)畸變的制約。由于損耗與頻率有關(guān)，因而通信距離與數(shù)據(jù)傳輸率有關(guān)。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(dá)1200 m?？梢?，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(biāo)準(zhǔn)未必一定適用于將繼電保護(hù)和測(cè)量控制功能電路組合在同一個(gè)裝置內(nèi)并共用一通信口的設(shè)備［5］。

（2）2種信息交換方法。

·兼容范圍。嚴(yán)格規(guī)定應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（AS －DUs ）和為傳輸“標(biāo)準(zhǔn)化”報(bào)文的應(yīng)用過程。

·通用分類服務(wù)（generic service）。采用各間隔層單元自我描述和自我定義的方法對(duì)要求傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)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(wù)按同一種方式進(jìn)行訪問。所有數(shù)據(jù)可在所有設(shè)備上按相同方法構(gòu)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(shù)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(wù)進(jìn)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(zhuǎn)換工作。而絕不能采用專用范圍。

2 IEC60870-5-101與IEC60870┐5┐104標(biāo)準(zhǔn)

2．1 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)與調(diào)度主站的通信

我國變電站自動(dòng)化系統(tǒng)與調(diào)度主站的通信，都是通過專用遠(yuǎn)動(dòng)通道實(shí)現(xiàn)的。通信規(guī)約應(yīng)采用國際電工委員會(huì)（IEC ）于1995年發(fā)布的IEC60870－5－101（我國行標(biāo)DL ／T634－1997）標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)在我國已普遍使用。

歐美一些國家調(diào)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(huì)（IEC ）第57技術(shù)委員會(huì)（TC57）的第3工作組（WG03）于1998年8月制定了IEC60870－5－104標(biāo)準(zhǔn)（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(gè)區(qū)調(diào)和245個(gè)變電站之間就是通過IEC60870－5－104標(biāo)準(zhǔn)在專用以太數(shù)據(jù)網(wǎng)上進(jìn)行通信的。

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

當(dāng)調(diào)度主站與變電站連接到以太數(shù)據(jù)網(wǎng)，變電站RTU 與調(diào)度主站通信時(shí)，通信規(guī)約則應(yīng)采用IEC60870－5－104標(biāo)準(zhǔn)。

2．2 IEC60870-5-104協(xié)議的實(shí)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(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范提出，將IEC60870－5－101的應(yīng)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(luò)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的ASDUs 都能同TCP ／IP 組合，但本標(biāo)準(zhǔn)未進(jìn)一步描述”。

IEC60870－5－104協(xié)議的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2為TCP ／IP 規(guī)約組（RFC2200）的選用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。

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

加上應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ASDU ）。而應(yīng)用規(guī)約控制信息（APCI ）中的控制域計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)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(bào)文丟失和重復(fù)的控制信息，以及對(duì)報(bào)文的開始、停止和傳輸連接的監(jiān)視。

2．3 關(guān)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(luò)中使用的基本通信協(xié)議。雖然從名字上看TCP ／IP 包括2個(gè)協(xié)議，但TCP ／IP 實(shí)際上是一協(xié)議族，它包括上百個(gè)具有各種功能的協(xié)議，如遠(yuǎn)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(gè)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(guān)于請(qǐng)求的注解”，即Internet 標(biāo)準(zhǔn)（草案）。

RFC 是關(guān)于因特網(wǎng)（Internet ）和因特網(wǎng)前身Appanet 的一些建議評(píng)論文件。當(dāng)每一份RFC 得到足夠的支持時(shí)，它就會(huì)轉(zhuǎn)為互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，或是標(biāo)準(zhǔn)的一部份，或是草案。

TCP ／IP 協(xié)議基于4層結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)接口層。TCP ／IP 協(xié)議族中包括上百個(gè)互為關(guān)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(yīng)用層有Telnet （網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問協(xié)議）、FTP （遠(yuǎn)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(luò)管理協(xié)議）和DNS （域名服務(wù)器）等；傳輸層有UDP （用戶數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議）和TCP （RFC793）等；網(wǎng)絡(luò)層有IP （RFC791）、ICMP （互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議）和ARP （地址解析協(xié)議）等；網(wǎng)絡(luò)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(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)）、FR （幀中繼）、SDH （同步數(shù)字體系）、WDM （波分復(fù)用）和DWDM （密集波分復(fù)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(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從一處傳往另一處。TCP 負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)流量，并保證傳輸?shù)恼_性。由于在最底層的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)是不可靠的分組傳送，所以當(dāng)傳送過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤以及在網(wǎng)絡(luò)硬件失效或網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷太重時(shí)，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(wù)。它具有5個(gè)特征：面向數(shù)據(jù)流、虛電路連接、有緩沖的傳送、無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流和全雙工連接。

TCP 協(xié)議激活連接需進(jìn)行3次握手過程：第1次握手報(bào)文段由碼位字段的標(biāo)志位SYN 置1來識(shí)別；第2次握手時(shí)報(bào)文中碼位字段的標(biāo)志位SYN 和ACK 均置1，說明對(duì)第1個(gè)SYN 報(bào)文段的確認(rèn)，并繼續(xù)握手操作；第3次握手操作報(bào)文僅是一個(gè)確認(rèn)信息，用來通知目的主機(jī)雙方已建立連接。經(jīng)3次握手過程后就可進(jìn)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(jìn)行雙向?qū)Φ鹊臄?shù)據(jù)流動(dòng)，而沒有主從關(guān)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(wù)之上，報(bào)文有可能丟失、延遲、重復(fù)和亂序，因此協(xié)議必須使用超時(shí)和重傳機(jī)構(gòu)。這也是以太數(shù)據(jù)網(wǎng)難以進(jìn)行時(shí)間同步的原因所在。正因?yàn)槿绱耍琁EC60870－5－104協(xié)議在控制方向上的系統(tǒng)信息中未定義時(shí)鐘同步和測(cè)試命令。為此，若變電站與調(diào)度中心用以太數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，則變電站自動(dòng)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(duì)報(bào)文同步的要求［2，6］。

3 IEC60870－5－103在TCP ／IP 網(wǎng)絡(luò)的使用

變電站內(nèi)若采用以太局域網(wǎng)絡(luò)與IEDs 間進(jìn)行通信時(shí)通信協(xié)議應(yīng)采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。但國際電工委員會(huì)（IEC ）至今尚未正式頒布此標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)于在圖1中將應(yīng)用層的上層內(nèi)容“選自IEC60870－5－101的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ASDU ）”改為“選自IEC60870－5－103的應(yīng)用服務(wù)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(jìn)行通信。