摘  要： 介紹了IEC60870-5-103通信規(guī)約的網(wǎng)絡(luò)模型和傳輸幀格式，以及基于DSP+ARM的新型微機(jī)測控保護(hù)裝置的設(shè)計方法，重點論述了103規(guī)約在微機(jī)保護(hù)裝置的通信流程和各種功能的實現(xiàn)過程。
關(guān)鍵詞： 103規(guī)約；微機(jī)保護(hù)；應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元；通用分類服務(wù)

　隨著變電站綜合自動化水平的不斷提高，對繼電保護(hù)設(shè)備的可維護(hù)性和信息傳輸?shù)目煽啃砸蔡岢隽烁叩囊蟆Ｒ虼耍谧冸娬鞠到y(tǒng)中采用集保護(hù)、測量、控制和通信于一體的新型微機(jī)測控保護(hù)裝置成為必然的趨勢。另外，為了實現(xiàn)變電站系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信規(guī)約的統(tǒng)一，國際電工委員會(IEC)于1997年正式出版了的IEC60870-5-103標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)在1999年已經(jīng)成為我國的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]。本文介紹了IEC60870-5-103規(guī)約在35 kV變電站微機(jī)測控保護(hù)裝置中的實現(xiàn)。
1 IEC60870-5-103規(guī)約簡介
1.1 103規(guī)約網(wǎng)絡(luò)模型[1]
　IEC60870-5-103規(guī)約采用了增強(qiáng)性能結(jié)構(gòu)EPA(Enhanced Performance Architecture)，只使用到開放式系統(tǒng)互聯(lián)ISO-OSI參考模型的全7層的3層，即物理層、鏈路層和應(yīng)用層。它是一種簡化的通信協(xié)議，通信更方便，實時性更強(qiáng)。
　103規(guī)約規(guī)定，物理層負(fù)責(zé)傳輸比特數(shù)據(jù)流(1或0)，采用串行總線RS-485總線或者以太網(wǎng)通信。通信方式采用輪詢(Polling)方式。通信格式為異步，1 bit起始位，8 bit數(shù)據(jù)位，1 bit偶校驗位，1 bit停止位。字符和字節(jié)由低至高進(jìn)行傳輸。
鏈路層定義了一系列采用明確鏈路規(guī)約控制信息，這些規(guī)約控制信息以一定的格式存放在數(shù)據(jù)幀中，這些幀格式將在1.2中介紹。鏈路層負(fù)責(zé)接收物理層原始的二進(jìn)制流，為應(yīng)用層提供無差錯、高效與方便的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。
　應(yīng)用層主要是提供用戶之間進(jìn)行信息交換的接口[2]，它包含一系列應(yīng)用功能，它們存放在具有一定格式的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元(ASDU)中。
　103通信規(guī)約采用兩種信息交換方法：一種方法是基于嚴(yán)格規(guī)定的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元(ASDU)和標(biāo)準(zhǔn)化的報文傳輸應(yīng)用過程、方法；另一種方法是采用通用分類服務(wù)，可以傳輸幾乎所有可能的信息。
1.2 傳輸幀格式
　103規(guī)約是在IEC60870-5系列標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，采用FT1.2異步式字節(jié)傳輸?shù)膸袷絒3]，對物理層、鏈路層、應(yīng)用層、用戶進(jìn)程作了大量的具體的規(guī)定和定義，定義了固定幀長和可變幀長兩種幀結(jié)構(gòu)，具體格式如圖1和圖2所示。

　固定幀長的報文主要用于傳送“召喚、命令、確認(rèn)、應(yīng)答”等信息，如召喚1級數(shù)據(jù)、召喚2級數(shù)據(jù)、初始化復(fù)位命令等，可變幀長的報文主要用于傳送“命令”和“數(shù)據(jù)”等信息，它采用應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元(ASDU)傳輸用戶數(shù)據(jù)。
2 103規(guī)約在微機(jī)保護(hù)裝置上的實現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計
　在35 kV變電站及其以下電壓等級的廠站系統(tǒng)中，一個控制系統(tǒng)(上位機(jī))和多個微機(jī)保護(hù)裝置(子站)采用非平衡的工作方式，系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖3所示[4]。

　本設(shè)計采用了4塊插件，分別是交流量輸入及濾波插件、電源模塊及開入量插件、操作回路插件和CPU插件。其中，CPU插件由CPU系統(tǒng)、通信模塊、GPS對時模塊、測頻電路和電度測量模塊組成。各插件之間實現(xiàn)電氣聯(lián)系，顯示板與CPU插件之間通過扁平電纜連接，這樣的設(shè)計既考慮了現(xiàn)場使用的便利性又提高了裝置的可靠性。系統(tǒng)內(nèi)部采用DSP+ARM的雙CPU架構(gòu)，DSP處理器采用TI公司的32 bit定點DSP處理器TMS320F2812[5]，ARM處理器采用NXP公司的ARM7 TDMI-S CPU LPC2468芯片，通過RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器與RS-485總線實現(xiàn)控制系統(tǒng)和多個微機(jī)保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)交換和傳輸。

2.2 軟件流程
　由于變電站自動化系統(tǒng)中所有傳輸過程均由上位機(jī)啟動，本設(shè)計在通信過程中作為子站，只能響應(yīng)上位機(jī)的下行命令，不能主動向上位機(jī)發(fā)送報文。子站接收報文后的通信流程如圖4所示。

　當(dāng)子站收到上位機(jī)發(fā)送的103報文時，接收中斷函數(shù)將接收的數(shù)據(jù)存入到緩沖區(qū)，當(dāng)接收的數(shù)據(jù)達(dá)到一定的字節(jié)數(shù)后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)解包處理。如果地址正確，再根據(jù)第一個字節(jié)確定幀類別，并對固定幀長和可變幀長報文進(jìn)行校驗判斷。在報文解析過程中，對于固定幀長的報文，根據(jù)控制域的功能碼不同分別處理；對于可變幀長的報文，根據(jù)功能類型的不同分別處理[6]。
　報文的重發(fā)機(jī)制是根據(jù)子站接收報文的幀計數(shù)位(FCB)和幀計數(shù)有效位(FCV)來確定的。當(dāng)FCB位無變化且FCV為變化有效時，重發(fā)報文。重發(fā)報文時，F(xiàn)CB不變，重發(fā)次數(shù)不超過3次。若重發(fā)3次后仍未收到預(yù)期應(yīng)答，則結(jié)束本輪傳輸服務(wù)。
2．3 主要應(yīng)用功能
　本設(shè)計實現(xiàn)的通信內(nèi)容主要有初始化、時間同步、總查詢、遙測、遙信、事件順序記錄(SOE)、遙控、上送保護(hù)事件、召喚定值(讀組值)、定值修改等。
　(1)復(fù)位初始化
　初始化復(fù)位過程包括裝置本身的硬件復(fù)位和通信單元的復(fù)位。系統(tǒng)啟動以后上位機(jī)發(fā)送復(fù)位幀命令，子站回送要求訪問位ACD=1的確認(rèn)幀，上位機(jī)接收到確認(rèn)幀以后用輪詢的方式發(fā)送請求1級數(shù)據(jù)，子站先回表明廠家設(shè)備的標(biāo)志報文ASDU5，然后重新啟動，初始化過程結(jié)束。
　(2)時間同步
　當(dāng)各子站初始化以后，上位機(jī)定時向各子站發(fā)送對時命令以保證各設(shè)備有一個統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn)。對時有兩種方式，一種以廣播命令的方式由控制系統(tǒng)發(fā)給所有的保護(hù)設(shè)備；另一種以發(fā)送/確認(rèn)的方式由控制系統(tǒng)發(fā)給某一保護(hù)設(shè)備。
　(3)總查詢
　上位機(jī)定時向每個子站發(fā)送總查詢命令，子站將一張屬于總查詢的表的內(nèi)容依次傳送給上位機(jī)。如果在傳送過程中出現(xiàn)優(yōu)先級高于總查詢的報文(如狀態(tài)變位)，則優(yōu)先傳送，然后再繼續(xù)傳送總查詢表的內(nèi)容，表中所有內(nèi)容都傳送完后，子站傳送總查詢結(jié)束報文給上位機(jī)，總查詢過程結(jié)束。此后，上位機(jī)每隔一定時間就下發(fā)總查詢命令。
　(4)正常情況下的鏈路傳輸
　在正常運(yùn)行情況下，上位機(jī)向各個子站輪流召喚2級數(shù)據(jù)，各個子站如果有被測量幀，則分別以不同的被測值幀(例如ASDU50)響應(yīng)，否則就以無所請求數(shù)據(jù)的響應(yīng)幀回答[7]。如果各個子站無1級用戶數(shù)據(jù)，上位機(jī)定期依次循環(huán)地召喚2級用戶數(shù)據(jù)，各子站分別以響應(yīng)幀回答。
上位機(jī)如果在召喚某一子站2級用戶數(shù)據(jù)之前該子站有l(wèi)級用戶數(shù)據(jù)產(chǎn)生，子站在2級數(shù)據(jù)響應(yīng)幀中置要求訪問位ACD=1，在召喚2級數(shù)據(jù)之后，緊接著對該子站召喚1級數(shù)據(jù)，該子站以1級數(shù)據(jù)回答。如果該子站無1級數(shù)據(jù)，在響應(yīng)幀中置ACD=0，然后上位機(jī)對下一子站召喚2級數(shù)據(jù)。其中1級數(shù)據(jù)包括保護(hù)動作、保護(hù)告警、狀態(tài)變位和下發(fā)命令的響應(yīng)信息等，2級數(shù)據(jù)為測量值信息。
　(5)通用分類服務(wù)
　在103規(guī)約中，通用分類服務(wù)提供了一種可以傳輸任何類型數(shù)據(jù)的能力。為了能夠正確解釋數(shù)據(jù)的類型和格式，在實際數(shù)據(jù)的前面加上一個被稱為數(shù)據(jù)集的類型和長度信息，從而形成能自我描述的通用分類數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。

　其中通用標(biāo)識序號(GIN)用來區(qū)分所有信息，通用分類數(shù)據(jù)的每一項存入單一的目錄條目，這些目錄條目由唯一的通用標(biāo)識序號(GIN)所識別[8]。本設(shè)計將采用通用分類服務(wù)的信息分成4個不同的組，分別為保護(hù)定值、保護(hù)控制字、保護(hù)采樣值、保護(hù)開關(guān)量，其組號分配為01、02、03、04。
　在通用分類服務(wù)中對于讀所有被定義組的標(biāo)題、讀一個組內(nèi)所有條目的值和屬性、讀單個條目目錄、讀單個條目的值和屬性，上位機(jī)是下發(fā)ASDU21實現(xiàn)通用分類數(shù)據(jù)的總查詢命令，子站以確認(rèn)幀響應(yīng)并將請求訪問位ACD置1，上位機(jī)得知ACD=1就向子站下發(fā)請求1級數(shù)據(jù)幀，子站即以相應(yīng)功能的ASDU10響應(yīng)，此過程一直進(jìn)行到所需數(shù)據(jù)傳遞完畢，再將ACD置0。對于組內(nèi)所有條目實際值或?qū)傩缘母膶懀衔粰C(jī)和子站都是以ASDU10來實現(xiàn)的。
　這里給出讀組值的具體報文交換過程。利用RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器將本設(shè)計的RS-485接口與普通的PC機(jī)串口相連，采用符合103調(diào)試軟件模擬上位機(jī)對讀組值進(jìn)行測試，報文交換的數(shù)據(jù)截圖及部分說明如圖6所示。圖6接收區(qū)第3行及以下為子站以ASDU10的響應(yīng)幀，通過對其分析可知：上位機(jī)讀組號為01的所有組值，橫線標(biāo)識的數(shù)據(jù)為標(biāo)識序號(GIN)，方框里的數(shù)據(jù)為各個序號所對應(yīng)的組值(低字節(jié)在前，高字節(jié)在后)，共17個模擬量。

　本文設(shè)計的微機(jī)測控保護(hù)裝置在變電站綜合自動化系統(tǒng)中已經(jīng)投入使用。結(jié)果表明，本設(shè)計能實現(xiàn)繼電保護(hù)設(shè)備基本的保護(hù)功能和遙控、遙信、遙測、通用分類服務(wù)等通信功能，達(dá)到了預(yù)期的性能要求。與傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)裝置相對，本設(shè)計將DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和ARM出色的控制能力結(jié)合起來，完成了保護(hù)的相關(guān)功能，提高了繼電保護(hù)設(shè)備的可靠性和速動性，具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).運(yùn)動設(shè)備及系統(tǒng)，第5部分傳輸規(guī)約第103篇：繼電保護(hù)設(shè)備信息接口配套標(biāo)準(zhǔn)[S]．
[2] 鄧素碧，趙振龍，陳軍，等．以太網(wǎng)103規(guī)約及其在水電廠自動化系統(tǒng)中應(yīng)用[J].電力自動化設(shè)備，2007，27(2)：79-82．
[3] IEC-60870-5-1 telecontrol equipment and systems， part 5：transmission protocols， section 1： transmission frame formats[S]． 1990．
[4] 宋紅云，林鶴云，邱衛(wèi)東，等．103通信規(guī)約在35 kV線路測控保護(hù)裝置中的實現(xiàn)[J]．電力系統(tǒng)通信，2007，28(178)：24-27.
[5] 陳是知，姜鑫輝．TMS320F2812原理與開發(fā)實踐[M]．北京：中國電力出版社，2009．
[6] 閆天軍，梅慧楠，吳在軍．IEC60870-5-103傳輸規(guī)約在中低壓微機(jī)保護(hù)測控裝置中應(yīng)用[J]．電力自動化設(shè)備，2007，27(2)：111-113.
[7] 譚嘉虎．用于微機(jī)保護(hù)設(shè)備基于IEC60870-5-103傳輸規(guī)約的通信接口技術(shù)的研究和開發(fā)[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(22)：31-35．
[8] 馬姍姍．基于雙CPU系統(tǒng)的小電流接地選線裝置的研究[D]．濟(jì)南：山東大學(xué)，2007