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北极星电力网技术频道 作者:3 2007/12/21 15:04:41
赵丽平李群湛陈小川 (西南交通大学电气工程学院成都610031) 摘要本文着重讨论国际电工委员会IEC发布的IEC60870-5系列电力系统传输规约配套标准的一部分：IEC870-5-103继电保护设备信息接口配套标准。首先介绍了103规约遵循的传输规则，增强性能模式的理论参考模型，FT1.2帧格式，常用的若干种数据类型和问答过程等几个方面的内容。而后例举了103规约在牵引变电所综合自动化系统中的实现方法，根据牵引变电所中的信息特点，采用通用分类服务完成了所要求的全部测量和控制功能，为相关的研究与工程人员理解和使用103规约提供了一定的帮助。
关键词IEC870-5-103规约传输规则继电保护
1前言
随着变电站和厂站自动化系统的兴起和发展，为了在兼容设备之间达到信息互换的目的，国际电工委员会在IEC60870-5系列电力系统传输规约标准的基础上，根据各种应用情况下的不同要求制定了一系列配套标准。其中，传输规约IEC870-5-103继电保护设备信息接口配套标准是针对不同继电保护设备和控制系统之间实现信息互换而制定的。该标准描述了两种信息交换方法：一种方法是基于严格规定的应用服务数据单元（ASDUs）和“标准化”报文的传输应用过程、方法；另一种是使用通用分类服务可以传输几乎所有可能信息的方法。
本文首先对103规约进行理论描述：包括103规约遵循的传输规则，增强性能模式的理论参考模型，FT1.2帧格式，常用的若干种数据类型等。由于牵引变电所综合自动化系统中的智能单元包含的信息非常丰富，不仅包含各种保护功能和测量控制功能，而且还需要将故障录波以及整定值等各种信息上送，所以103规约定义的专用和兼容范围并不能满足牵引变电所综合自动化系统的需要。鉴于上述原因，采用通用分类服务的目录构成方法加以定义，并通过通用分类服务的传输方式进行传输，就可以完成所有功能。
2IEC8705103规约的传输规则
传输规约IEC-8705-103继电保护设备信息接口配套标准采用FT1.2异步式字节传输(Asynchronousbytetransmission)的帧格式，对物理层，链路层，应用层和用户进程作了大量的具体的规定和定义，详细说明了继电保护设备的信息接口。它适用于具有编码的位串行数据传输的继电保护设备（或间隔单元）和控制系统交换信息。
《IEC60870-5-2：链路传输规约》确定了链路层的标准链路传输过程：启动站的链路层仅在前一次所接收的报文传输请求或者成功地完成或者带差错指示地结束，才能够接收一个新的报文传输的请求［1］。103规约采用窗口尺寸为1的非平衡方式传输的链路传输规则，即由控制系统向继电保护设备触发一次传输服务，或者成功的完成，或者报告产生差错，之后才能开始下一轮的传输服务，对于发送/确认，请求/响应传输服务在传输过程中受到干扰，用等待-超时-重发的方式发送下一帧，发送/确认和请求/响应这两种服务由一系列在请求站和响应站之间的不可分割的对话要素所组成。
3IEC870-5-103规约的参考网络模型和帧格式
执行IEC8705103继电保护设备信息接口配套标准（以下简称103规约）依据的网络模型是增强性能结构EPA(EnhancedPerformanceArchitecture)。该结构是根据ISO的OSI七层标准模型转化而来的。因为103规约考虑到传输的效率，即使远动系统在有限的带宽下获得特别短的反应时间，使用的参考模型只有三层。如图1所示［2］。
国内103规约选用传输帧格式是IEC6087052链路传输规则中描述的FT1.2格式。该数据帧有3种规约［2］：单个字符帧，只包含一个字符“E5”（一个8位位组）；固定帧长帧，如图2；可变帧长帧，如图3所示。
固定帧长帧格式用于继保设备与系统之间传输的确认帧、忙帧和询问帧之用。可变帧长帧格式用于控制系统与继保设备传输数据之用。其中，上图2和图3中展开的数据帧中，报文长度L包括控制域、地址域和用户数据区的八位位组的个数，为二进制数；帧校验和是控制、地址和用户数据区八位位组的算术和。
4IEC870-5-103规约常用的信息体元素类型
由图4可以看到，103规约报文中最重要部分信息体是由包含功能类型和信息序号的信息体标识单元，信息体元素和信息体时标（任选）三部分组成。
在任何一帧包含了信息体的数据报文中，仅从信息体标识（2个字节）即可判断出该报文中传递的数据基本类型，确定是遥信，遥测，电度还是遥控点的数据信息。这是由于103规约为各种不同基本类型的数据规定了不同的功能类型和信息序号。
本配套标准定义了两种信息序号：兼容范围和专用范围。兼容范围信息序号包含了继电保护设备和间隔单元的一些基本信息内容。专用范围的类型、标识功能类型和信息信号是考虑到国内已经生产和使用的继电保护设备在硬件方面可能发生较难适应的问题而特殊处理的。对于大于本标准所定义的信息内容和数量则采用通用分类服务的方式来传输信息，需要占用比较大的内存来定义各种目录和条目。
实现这些信息的传输有两种方法：参照兼容范围定义方法，按距离保护、过流保护、变压器差动保护和线路保护四种功能类型来定义各种信息的信息序号；按设备来定义继电保护信息的信息序号，如线路保护1、变压器1、母线1等，将继电保护信息分类给予信息序号。
5IEC870-5-103规约常见的问题过程
103规约的国家标准文本中定义了相当丰富的轮询问答过程，包括主站初始化、对时、总召唤等。
5.1初始化过程
包括继电保护设备（简称继保）自己本身的复位和通信功能的复位。这里介绍通信功能的初始化。控制系统→继保，复位命令帧C_CS_NA_3；继保→控制系统，复位确认响应帧M_CS_NA_3。
5.2对时过程
对时有两种方式，一种以广播命令由控制系统发给所有的设备，另一种以发送/确认的方式由控制系统发给某一设备，具体为：控制系统→继保，时间同步的发送帧C_SYN_TA_3；继保→控制系统，时间同步的确认帧M_CON_NA_3。
5.3总召唤过程
控制系统→继保，总召唤命令帧C_IGI_NA_3；继保→控制系统，总召唤确认帧M_CON_NA_3；控制系统→继保，请求一级数据命令帧C_PL1_NA_3；继保→控制系统，单点状态帧M_SP_NA_3；继保→控制系统，双点状态响应帧，等，当全部属于总召唤的表内容传完，继保→控制系统，总召唤终止帧M_TGI_NA_3。
5.4命令传输
控制系统→继保，一般命令帧C_GRC_NA_3；继保→控制系统，确认帧M_CS_NA_3；控制系统→继保，请求一级数据命令帧C_PL1_NA_3；继保→控制系统，响应帧，做出肯定或否定回答M_TTM_TA_3。
5.5测试模式
控制系统→继保，总召唤启动帧C_IGI_NA_3；继保→控制系统，确认帧M_CS_NA_3；控制系统→继保，请求一级数据命令帧C_PL1_NA_3；继保→控制系统，响应帧，指明当地测试模式激活，控制系统→继保，请求一级数据命令帧C_PL1_NA_3；继保→控制系统，响应总查询；控制系统→继保，请求一级数据命令帧C_PL1_NA_3；继保→控制系统，响应帧，测试模式故障报文以test传送；控制系统→继保，请求一级数据命令帧C_PL1_NA_3；继保→控制系统，响应帧，指明当地参数设定激活，做出肯定或否定回答M_TTM_TA_3。
5.6扰动数据的传输
控制系统→继保，请求一级数据命令帧C_PL1_NA_3；继保→控制系统，被记录的扰动表M_LRD_TA_3；控制系统→继保，发送命令进行故障选择C_ODT_NA_3；继保→控制系统，确认帧；控制系统→继保，请求一级数据命令帧C_PL1_NA_3；继保→控制系统，扰动数据传输准备就绪M_RTD_TA_3；控制系统→继保，发扰动数据的请求或终止命令帧C_ADT_NA_3；继保→控制系统，确认帧；控制系统→继保，请求一级数据命令帧C_PL1_NA_3；继保→控制系统，带标志的状态变位传输准备就绪M_RTT_TA_3；控制系统→继保，发请带标志的状态变位传输或终止传命令帧C_ADT_NA_3；继保→控制系统，确认帧；控制系统→继保，请求一级数据命令帧C_PL1_NA_3；继保→控制系统，扰动数据传输结束M_EOT_TA_3。
6IEC870-5-103规约在牵引变电所综合自动化系统中的实现
6.1牵引变电所综合自动化系统信息交换内容
6.1.1遥测量
遥测量在收到遥测命令时进行传送。遥测量用于显示各保护测控单元的运行参数，以了解其运行状态。被保护、测量对象不同，遥测量也不相同。如馈线保护测控单元遥测量为母线电压和馈线电流。
6.1.2召测量
召测量仅在用户需要时召测，无召测命令时，不需传送。内容包括：召测负荷录波量、召测实时电量、召测故障录波量、召测自检报告、召测事件报告和故障报告。
6.1.3遥信量
遥信量在收到遥信命令时进行传送。包括硬遥信和软遥信。被保护、测量对象不同，遥信量也不相同。
6.1.4遥控量
遥控量在收到遥控命令时进行传送。被保护、测量对象不同，遥控量也不相同。如馈线保护测控单元遥控量包括馈线断路器选线、馈线电动隔离开关选线、合闸继电器、跳闸继电器等。
6.1.5事件顺序记录
若遥信量各信号发生变位，应作为事件按顺序记录，并按一级数据优先传送。内容包括：开关号（或重合闸）、变位方向、变位时间、当地/遥控操作等。
6.1.6故障报告
故障报告记录了故障发生时的各种参数和系统状态，包括故障时间、故障动作开关号、保护元件动作类型和保护启动、出口、返回时间及相关电量参数。故障录波记录了故障前两周波至保护元件动作返回时间内的电流、电压波形及各通道谐波分析值。
6.1.7整定值上传或下送
整定值的上传和下送是牵引变电所中最基本的信息交换内容，其具体内容根据各个不同的继电保护设备具有不同的保护类型、保护配置和整定原则。如并补保护测控装置配置了电流速断、谐波过电流、过电流、过电压、低电压、谐波阻抗及个支路差流、差压保护等，相对于各种保护具有不同的整定值。
6.1.8自检报告
当装置有自检报告时，应将自检报告作为一级数据立即传送到调度端。自检报告记录了保护测控装置的自检状况。包括硬件自检和软件自检，通讯自检和继电器自检等信息。
6.1.9事件报告
事件报告记录了保护测控装置的工作状态。包括装置复位信息、时钟修改信息、整定值修改信息和保护元件启动但未出口的信息。
6.2通用分类服务的实现
通用分类服务是为了提供一种传送任何类型和格式数据的机能。该服务不仅提供了识别数据包括其类型，格式和描述的能力，还提供了读和写数据值的能力。为了访问在一个继电保护设备内的通用分类数据，将数据编成目录，通用分类数据的每一项存入单一的目录条目，这些目录条目由唯一的通用分类标识序号（GIN）所识别。GIN用两个八位位组来代表，第一个八位位组是指类似相关条目的一个组，第二个八位位组是指在这个组内的条目的索引号。标识序号GIN可用来区分所有信息。
通用分类服务中的一个重要概念是具有传输任何类型数据的能力，以及能够正确解释其类型和格式，因而在实际数据的前面加上一个其结构被称为“数据集”的类型和长度信息（GDD），就可以形成能自我描述的通用分类数据。
以下以召测故障报告为例说明通用分类服务的使用方法。
6.2.1故障报告概述
故障报告中记录的数据为工作人员正确分析故障原因，研究反事故对策，及时处理故障事故、评价继电保护和自动装置动作的正确性，提供了可靠的依据，同时故障录波数据对于分析系统的故障参数、谐波含量；各电气量的变化规律；进行故障定位和系统元件参数测量等具有重要作用。
故障报告由故障扰动记录表，故障报告和故障波形三部分组成。故障扰动记录表包含用户需要查看的时间范围内的所有故障报告，并提供故障报告的序号，状态和故障发生时间。故障报告提供关于故障发生时的参数状态，包括故障发生时间、所跳开关号、动作标识、保护启动、出口和返回时间、相关电量及该故障时对应的事件报告等。馈线故障报告还包括故障点距离和有无重合闸。故障录波可查看故障前后不同时刻的电压、电流波形以及该次录波中电流或电压出现的最大瞬时值。同时提供对录波数据的谐波分析。
由以上信息交换内容可以看出，若采用兼容或专用格式根本不可能将数据上送，但采用分类服务应用就可实现。
6.2.2通用数据结构定义
图5中以16组故障波形描述为例，说明了本系统使用的通用分类数据结构，采用上述结构，就可以形成能自我描述的通用分类数据。
6.2.3故障数据传输方式
故障发生后生成扰动表（GROUP=16，ENTRY=6），INF=244，COT=1，RII=0，作为1级数据传给控制系统。控制系统也可读扰动表。数据传输由控制系统写GROUP=11，ENTRY=6、7（INF=250，COT=40）来控制。对写命令继电保护设备都要响应，采用读一个组内所有条目的值的方式进行传输，由此产生数据INF=244，COT=12，RII=0同命令。控制系统收到第一帧数据后，有无后续帧由后续位CONT(NGD)判断，CONT(NGD)=1表示有后续帧，控制系统继续召唤，直至传完所有数据。具体流程如图6所示。
7结论
103规约是一种引进的标准。IEC在制定IEC608705-5-103等系列协议的时候，只是按照国际上常用电力系统设备的信息传输需求制定了专用和兼容范围。我们在开发牵引变电所综合自动化系统时，由于电气化铁道微机保护的特殊性，以及考虑到无人值班，远程诊断和将来系统扩展的需求，采用了使用兼容范围的通用分类服务方式交换数据。实践证明，通用分类服务的使用不仅能够满足目前牵引变电所内包括故障负荷录波、整定值传送等信息和功能的数据交换的需要，而且对于将来扩展的功能和数据具有开放性。
8参考文献
1IEC60870-5-2.远动设备及系统第5部分传输规约第2篇链路传输规则［S］.1992.
2DL/T6671999.远动设备及系统第5部分传输规约第103篇继电保护设备信息接口配套标准［S］.1999.
3IEC60870-5-1.远动设备及系统第5部分传输规约第1篇传输帧格式［S］.1990.
4西南交通大学，成都博力电气有限公司.牵引变电所安全监控与综合自动化系统说明书.2002.
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