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(cè)控保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)過(guò)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(lèi)服務(wù)

　隨著變電站綜合自動(dòng)化水平的不斷提高，對(duì)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?。因此，在變電站系統(tǒng)中采用集保護(hù)、測(cè)量、控制和通信于一體的新型微機(jī)測(cè)控保護(hù)裝置成為必然的趨勢(shì)。另外，為了實(shí)現(xiàn)變電站系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信規(guī)約的統(tǒng)一，國(guó)際電工委員會(huì)(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(guó)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(cè)控保護(hù)裝置中的實(shí)現(xiàn)。
1 IEC60870-5-103規(guī)約簡(jiǎn)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(kāi)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(jiǎn)化的通信協(xié)議，通信更方便，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。
　103規(guī)約規(guī)定，物理層負(fù)責(zé)傳輸比特?cái)?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(xún)(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(yàn)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(wú)差錯(cuò)、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(hù)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(bào)文傳輸應(yīng)用過(guò)程、方法；另一種方法是采用通用分類(lèi)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(duì)物理層、鏈路層、應(yīng)用層、用戶(hù)進(jìn)程作了大量的具體的規(guī)定和定義，定義了固定幀長(zhǎng)和可變幀長(zhǎng)兩種幀結(jié)構(gòu)，具體格式如圖1和圖2所示。

　固定幀長(zhǎng)的報(bào)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(jí)數(shù)據(jù)、召喚2級(jí)數(shù)據(jù)、初始化復(fù)位命令等，可變幀長(zhǎng)的報(bào)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(hù)數(shù)據(jù)。
2 103規(guī)約在微機(jī)保護(hù)裝置上的實(shí)現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　在35 kV變電站及其以下電壓等級(jí)的廠站系統(tǒng)中，一個(gè)控制系統(tǒng)(上位機(jī))和多個(gè)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(jì)方案如圖3所示[4]。

　本設(shè)計(jì)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(kāi)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(duì)時(shí)模塊、測(cè)頻電路和電度測(cè)量模塊組成。各插件之間實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)系，顯示板與CPU插件之間通過(guò)扁平電纜連接，這樣的設(shè)計(jì)既考慮了現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)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(guò)RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器與RS-485總線實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)和多個(gè)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(dòng)化系統(tǒng)中所有傳輸過(guò)程均由上位機(jī)啟動(dòng)，本設(shè)計(jì)在通信過(guò)程中作為子站，只能響應(yīng)上位機(jī)的下行命令，不能主動(dòng)向上位機(jī)發(fā)送報(bào)文。子站接收?qǐng)?bào)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(bào)文時(shí)，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(kāi)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(gè)字節(jié)確定幀類(lèi)別，并對(duì)固定幀長(zhǎng)和可變幀長(zhǎng)報(bào)文進(jìn)行校驗(yàn)判斷。在報(bào)文解析過(guò)程中，對(duì)于固定幀長(zhǎng)的報(bào)文，根據(jù)控制域的功能碼不同分別處理；對(duì)于可變幀長(zhǎng)的報(bào)文，根據(jù)功能類(lèi)型的不同分別處理[6]。
　報(bào)文的重發(fā)機(jī)制是根據(jù)子站接收?qǐng)?bào)文的幀計(jì)數(shù)位(FCB)和幀計(jì)數(shù)有效位(FCV)來(lái)確定的。當(dāng)FCB位無(wú)變化且FCV為變化有效時(shí)，重發(fā)報(bào)文。重發(fā)報(bào)文時(shí)，F(xiàn)CB不變，重發(fā)次數(shù)不超過(guò)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(jì)實(shí)現(xiàn)的通信內(nèi)容主要有初始化、時(shí)間同步、總查詢(xún)、遙測(cè)、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(guò)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(dòng)以后上位機(jī)發(fā)送復(fù)位幀命令，子站回送要求訪問(wèn)位ACD=1的確認(rèn)幀，上位機(jī)接收到確認(rèn)幀以后用輪詢(xún)的方式發(fā)送請(qǐng)求1級(jí)數(shù)據(jù)，子站先回表明廠家設(shè)備的標(biāo)志報(bào)文ASDU5，然后重新啟動(dòng)，初始化過(guò)程結(jié)束。
　(2)時(shí)間同步
　當(dāng)各子站初始化以后，上位機(jī)定時(shí)向各子站發(fā)送對(duì)時(shí)命令以保證各設(shè)備有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)時(shí)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(xún)
　上位機(jī)定時(shí)向每個(gè)子站發(fā)送總查詢(xún)命令，子站將一張屬于總查詢(xún)的表的內(nèi)容依次傳送給上位機(jī)。如果在傳送過(guò)程中出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)高于總查詢(xún)的報(bào)文(如狀態(tài)變位)，則優(yōu)先傳送，然后再繼續(xù)傳送總查詢(xún)表的內(nèi)容，表中所有內(nèi)容都傳送完后，子站傳送總查詢(xún)結(jié)束報(bào)文給上位機(jī)，總查詢(xún)過(guò)程結(jié)束。此后，上位機(jī)每隔一定時(shí)間就下發(fā)總查詢(xún)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(gè)子站輪流召喚2級(jí)數(shù)據(jù)，各個(gè)子站如果有被測(cè)量幀，則分別以不同的被測(cè)值幀(例如ASDU50)響應(yīng)，否則就以無(wú)所請(qǐng)求數(shù)據(jù)的響應(yīng)幀回答[7]。如果各個(gè)子站無(wú)1級(jí)用戶(hù)數(shù)據(jù)，上位機(jī)定期依次循環(huán)地召喚2級(jí)用戶(hù)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(jí)用戶(hù)數(shù)據(jù)之前該子站有l(wèi)級(jí)用戶(hù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生，子站在2級(jí)數(shù)據(jù)響應(yīng)幀中置要求訪問(wèn)位ACD=1，在召喚2級(jí)數(shù)據(jù)之后，緊接著對(duì)該子站召喚1級(jí)數(shù)據(jù)，該子站以1級(jí)數(shù)據(jù)回答。如果該子站無(wú)1級(jí)數(shù)據(jù)，在響應(yīng)幀中置ACD=0，然后上位機(jī)對(duì)下一子站召喚2級(jí)數(shù)據(jù)。其中1級(jí)數(shù)據(jù)包括保護(hù)動(dòng)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(jí)數(shù)據(jù)為測(cè)量值信息。
　(5)通用分類(lèi)服務(wù)
　在103規(guī)約中，通用分類(lèi)服務(wù)提供了一種可以傳輸任何類(lèi)型數(shù)據(jù)的能力。為了能夠正確解釋數(shù)據(jù)的類(lèi)型和格式，在實(shí)際數(shù)據(jù)的前面加上一個(gè)被稱(chēng)為數(shù)據(jù)集的類(lèi)型和長(zhǎng)度信息，從而形成能自我描述的通用分類(lèi)數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。

　其中通用標(biāo)識(shí)序號(hào)(GIN)用來(lái)區(qū)分所有信息，通用分類(lèi)數(shù)據(jù)的每一項(xiàng)存入單一的目錄條目，這些目錄條目由唯一的通用標(biāo)識(shí)序號(hào)(GIN)所識(shí)別[8]。本設(shè)計(jì)將采用通用分類(lèi)服務(wù)的信息分成4個(gè)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(kāi)關(guān)量，其組號(hào)分配為01、02、03、04。
　在通用分類(lèi)服務(wù)中對(duì)于讀所有被定義組的標(biāo)題、讀一個(gè)組內(nèi)所有條目的值和屬性、讀單個(gè)條目目錄、讀單個(gè)條目的值和屬性，上位機(jī)是下發(fā)ASDU21實(shí)現(xiàn)通用分類(lèi)數(shù)據(jù)的總查詢(xún)命令，子站以確認(rèn)幀響應(yīng)并將請(qǐng)求訪問(wèn)位ACD置1，上位機(jī)得知ACD=1就向子站下發(fā)請(qǐng)求1級(jí)數(shù)據(jù)幀，子站即以相應(yīng)功能的ASDU10響應(yīng)，此過(guò)程一直進(jìn)行到所需數(shù)據(jù)傳遞完畢，再將ACD置0。對(duì)于組內(nèi)所有條目實(shí)際值或?qū)傩缘母膶?xiě)，上位機(jī)和子站都是以ASDU10來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
　這里給出讀組值的具體報(bào)文交換過(guò)程。利用RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器將本設(shè)計(jì)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(duì)讀組值進(jìn)行測(cè)試，報(bào)文交換的數(shù)據(jù)截圖及部分說(shuō)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(guò)對(duì)其分析可知：上位機(jī)讀組號(hào)為01的所有組值，橫線標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)為標(biāo)識(shí)序號(hào)(GIN)，方框里的數(shù)據(jù)為各個(gè)序號(hào)所對(duì)應(yīng)的組值(低字節(jié)在前，高字節(jié)在后)，共17個(gè)模擬量。

　本文設(shè)計(jì)的微機(jī)測(cè)控保護(hù)裝置在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中已經(jīng)投入使用。結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)能實(shí)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(cè)、通用分類(lèi)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(duì)，本設(shè)計(jì)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(lái)，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(dòng)性，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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