基于TCP/IP的IEC60870-5-104远动规约
在电力系统中的应用赵渊，沈智健（重庆大学电气工程学院电力系，重庆400044）摘要：根据国际电工委员会制定的IEC-60870-5-101和IEC-60870-5-104远动规约，我国已经制定了相应的配套标准DL/T634-1997和DL/T634.5104-2002。IEC-60870-5-101远动规约已经在我国电力系统中得到了较为广泛的应用，而IEC-60870-5-104作为采用标准传输协议子集的IEC60870-5-101的网络访问，由于涉及到网络编程以及颁布时间较短，在电力系统中应用很少。作者详细介绍了IEC-60870-5-104的网络参考模型﹑帧格式结构和TCP连接建立过程，并根据工程实践，分析了IEC-60870-5-104的实现方法以及应注意的要点，最后提出了拓展IEC-60870-5-104使用范畴的一些设想。
关键词：IEC60870-5-104；IEC60870-5-101；远动规约；网络访问
1概述
远动规约是站端RTU和调度系统进行信息交互的接口，随着软硬件技术的发展，远动规约也在不断地变化和发展。国际和国内使用的远动规约多种多样，即使对于同一种规约，其传输格式也会因不同国家﹑不同生产厂家而不同；为了统一这种混乱局面，实现远动规约的标准化，国际电工委员会TC-57技术委员会制定了一系列远动规约的基本标准^[1-5]，并在此基础上制定了IEC60870-5-101远动规约，我国在非等效采用此规约的基础上制定了相应的配套标准DL/T634-1997^[6]。IEC60870-5-101为了提高通信的实时性，采用了只有物理层、数据链路层、应用层3层的增强性规约结构（EPA）^[6]，应用层直接映射到数据链路层，加强了信息的实时性。在点对点和多个点对点的全双工配置下，此配套标准可以采用平衡式传输以发挥其内在潜力，此情况下由主站启动的链路传输服务有^[7]：
（1）由主站向子站循环询问越限的测量值的二级用户数据；
（2）由主站定期召唤和询问全数据（包括状态量、测量值、变压器分接头位置、水位、频率）；
（3）由主站定期召唤电度量；
（4）由主站向子站定期进行时钟同步；
（5）由主站向子站发送控制断路器命令、调节步命令、设点命令、装载命令等；
（6）当事故发生后，由主站向子站召唤事故顺序记录，包括状态量和继电保护信号的事故顺序记录；
（7）支持文件传输，主站可以召唤故障录波装置记录扰动数据的数据文件。
由从站触发启动的链路传输服务主要是：
（1）子站发生状态变位时主动传送的一级用户数据；
（2）定时向主站传送子站的全数据，传送周期由子站的参数确定。如果子站长时间没有接受到主站的信息，子站将缩短向主站传送全数据的周期，并变为向主站循环传送全数据。
采用子站主动向主站传送状态变位和全数据有两个优点；
（1）子站发生状态变位后向主站传送的时间大大缩短；
（2）如果由主站向子站传输的下行通道质量不好或中断情况下，上行信息的全数据和状态变位尚能保证向主站传送。
IEC60870-5-101提供了在主站和远动RTU之间发送基本远动报文的通信文件集，它适用的网络拓扑结构为点对点﹑多个点对点﹑多点共线﹑多点环形和多点星形网络配置的远动系统中，但它要求在主站和每个远动子站之间采用固定连接的数据电路，这意味着必须使用固定的专用远动通道。随着欧美一些国家调度主站与变电站RTU的通信已逐步采用以太数据网，远动报文可能通过一些可以进行报文存贮和转发的数据网络进行传输，这些数据网络仅仅在主站和远动子站之间提供虚拟的数据电路，因此这种网络类型将使得报文传输出现延时，其延时可在相当大的时间范围内变化并和网络的通信负荷有关。一般而言，可变的报文延时时间意味着不可能采用在IEC60870-5-101中所定义的主站和远动子站之间的链路层，为此，国际电工委员会（IEC）第57技术委员会（TC57）的第3工作组（WG03）于1998年8月制定了IEC60870-5-104标准（CDV），我国也制定了相应的配套标准DL/T634.5104-2002。IEC60870-5-104协议的名称为“采用标准传输协议子集的IEC60870-5-101的网络访问”（NetworkaccessforIEC60870-5-101usingstandardtransportprofiles）。此协议是将IEC60870-5-101标准用于TCP/IP网络，当调度主站与变电站连接到以太数据网，变电站RTU与调度主站通信时，通信规约则应采用IEC60870-5-104标准。
2IEC60870-5-104远动规约详述
2.1IEC-60870-5-104的规约结构
IEC-60870-5-104远动规约使用的参考模型源出于开放式系统互联的ISO-OSI参考模型，但它只采用其中的5层，其结构如图1所示，图2为TCP／IP规约组（RFC2200）选用的标准结构^[8,9]。由图1可见，IEC60870-5-104实际上是将IEC60870-5-101与TCP／IP（TransmissionControlProtocol／InternetProtocol）提供的网络传输功能相组合，使得IEC60870-5-101在TCP／IP内各种网络类型都可使用，包括X.25、FR（帧中继FrameRelay）、ATM（异步转移模式AsynchronousTransferMode）和ISDN（综合业务数据网IntegratedServiceDataNetwork）。在图1的5层参考模型中，IEC60870-5-104实际上处于应用层协议的位置；基于TCP/IP的应用层协议很多，每一种应用层协议都对应着一个网络端口号，根据其在传输层上使用的是TCP协议（传输控制协议）还是UDP协议（用户数据报文协议），端口号又分为TCP端口号和UDP端口号，其中TCP协议是一种面向连接的协议，为用户提供可靠的、全双工的字节流服务，具有确认、流控制、多路复用和同步等功能，适用于数据传输，而UDP协议则是无连接的，每个分组都携带完整的目的地址，各分组在系统中独立地从数据源走到终点，它不保证数据的可靠传输，也不提供重新排列次序或重新请求功能，为了保证可靠地传输远动数据，IEC60870-5-104规定传输层使用的是TCP协议，因此其对应的端口号是TCP端口。常用的TCP端口有：ftp文件传输协议，使用21号端口；telnet远程登录协议，使用23号端口；SMTP简单邮件传送协议，使用25号端口；http超文本传送协议，使用80号端口；IEC60870-5-104规定本标准使用的端口号为2404，并且此端口号已经得到IANA（互联网地址分配机构，InternetAssignedNumbersAuthority）的确认。对于基于TCP的应用程序来说，存在两种工作模式，即服务器模式和客户机模式。服务器模式和客户机模式的区别是，在建立TCP连接时，服务器从不主动发起连接请求，它一直处于侦听状态，当侦听到来自客户机的连接请求后，则接受此请求，由此建立一个TCP连接，服务器和客户机就可以通过这个虚拟的通信链路进行数据的收发。IEC60870-5-104规定控制站（即调度系统）作为客户机，而被控站（即站端RTU）作为服务器；因此无论是调度端软件还是RTU端软件都必然涉及到基于TCP/IP的网络编程。可喜的是，Microsoft已经提供了一个WINDOWS下的TCP/IP网络通信的API（应用编程接口），这个API就是Socket接口（套接字）；不但如此，Microsoft还提供了两个MFC类，即CAsyncSocket类和派生于CAsyncSocket的CSocket类，它们完全封装了TCP/IP协议，传输层、网络层、链路层的工作都由它自动完成。当使用Windows的socket套接字进行网络编程时，发送方将每一个APDU都作为一个TCP包发送出去，接收方的socket套接字接收到一个完整的TCP包并将其中的APDU解析出来后，将调用socket的OnReceive()函数，在应用程序中通过重载此函数，应用程序就能接收到一个完整的APDU，这将显著简化编程工作。
2.2IEC-60870-5-104的应用规约数据单元的结构
IEC-60870-5-104的应用规约数据单元（APDU）的结构如图3所示^[8,9]，它由应用规约控制信息（APCI）和应用服务数据单元（ASDU）组成，和IEC-60870-5-101的帧结构相比，其中应用服务数据单元是相同的，相异之处在于，IEC-60870-5-104使用应用规约控制信息（APCI），而IEC-60870-5-101使[1][2][3]下一页