IEC104规约在城市轨道交通电力监控自动化系统中的应用

1、引言

　　电力监控自动化系统是保证城市轨道交通系统牵引供电系统安全、可靠运行的重要基础。调度中心通过及时掌握各个变电所的运行情况、直接对设备进行操作,使牵引供电系统的管理科学化、规范化,并且还可做到与其他自动化系统互换数据,充分发挥整体优势。

 

IEC目前正在制定IEC61850标准，用于变电站自动化系统通信。但是，目前该标准离实际大规模应用还有一段较长的距离。而IEC公布的基于TCP/IP的IEC

　　60870-5-104远动规约（以下简称IEC104规约）适用于调度主站和变电站或者调度主站和RTU之间用于以太网传输数据，是IEC60870－5系列标准的配套标准。城市轨道交通基于城域网的综合监控自动化系统的不断发展，IEC104规约的应用能够满足城市轨道交通系统对电力监控系统通信实时、可靠等要求。

2、IEC104规约介绍

　2.1概述

　　由于以太网的通信容量大和TCP/IP规约的开放性好的特点,以太网已被一致认为是变电站自动化系统的站内局域网的必然发展趋势。IEC104规约把IEC101的应用服务数据单元（ASDU）用网络规约TCP/IP进行传输的标准，该标准为远动信息的网络传输提供了通信规约依据。采用104规约组合101规约的ASDU的方式后,可很好的保证规约的标准化和通信的可靠性。

　2.2IEC104规约特点

　　104规约本身是国际电工委员会(IEC)为了满足IEC101远动通信规约用于以太网实现而制定的。它的网络层规约为TCP/IP协议,应用层规约采用101规约的ASDU。为了保证应用层ASDU的通信可靠性,又包装了APCI传输接口,规定了应答和重发机制(引用了ITU-TX.25标准)。

　　IEC104规约同属IEC60870-5系列标准的配套标准,它们共享相同的应用数据结构和应用信息元素的定义和编码，会给通信数据的处理带来极大的方便。IEC60870-5系列标准我国作为优先采用的标准在大力推广。

　2.3IEC104规约描述

　　IEC104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。

　　由图1可见，IEC104实际上是将IEC101与TCP/IP（TransmissionControlProtocol／InternetProtocol）提供的网络传输功能相组合，使得IEC101在TCP/IP内各种网络类型都可使用。在图1的5层参考模型中，IEC104处于应用层协议的位置；为了保证可靠地传输远动数据，IEC104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。IEC104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。

　　IEC104规约定义了三种报文格式:I格式,S格式,U格式。I格式报文用于传递信息,包含了应用服务数据单元ASDU；S格式报文用于当没有I格式报文回应的情况下，回应确认报文的接收,它不包含ASDU；U格式报文用于数据传输的过程控制，主要实现子站进行数据传输（STARTDT）、停止子站的数据传输（STOPDT）和TCP链路测试（TESTFR），它也不包含ASDU。

　　图2显示了应用IEC104规约控制一个断路器的数据传输过程。变电站和主控之间利用基于TCP/IP的IEC104规约进行数据通信。主控的选择命令下发后，变电站进行选择确认，然后主控的执行令下发，当变电所验证执行后，回应主控执行确认令。最后当断路器的变位信号产生后，变电所的自发上送变位信息。整个通信过程中，都是利用IEC104规约的I格式报文传送信息。

3、IEC104规约在广州地铁3号线变电站通信中的应用

　3.1系统特点

　　广州地铁三号线沿线有主变电站、牵引降压混合变电所、降压变电所三种类型的变电所，环网电缆将主站变电所与车站变电所环串成供电网络，各变电所内均安装有变电所综合自动化系统，在车站主控设备室通过车站级的以太网交换机接入主控系统。

　　系统设有主、备两套总控单元，完成所内各项集中监控功能及远程通信功能。每个总控单元上配置两个以太网口用于远程通信接口，经交换机连接后，再分别连接到车控室主控系统的主备通道上，通过主控系统专用传输通道完成与控制中心之间的远程通信，通信协议采用IEC104规约。两台总控单元冗余配置，互为热备用，当其中一台故障时，另一台自动接管所有功能。

　　变电所综合自动化系统中的总控单元主要与远方主控系统的通信还要完成对变电所供电设备运行状态进行监视等等其他的重要功能。为了提高系统的实时响应性，我们采用了QNX实时操作系统，在该平台下开发了基于IEC104规约的与远方主控通信的调度软件。

　　该软件接收来自主控系统的各种命令并进行协议转换后，直接发送至相应的智能通讯接口单元；接收来自智能通讯接口单元通信接口管理软件的上送报文，并进行协议转换后发送至远方主控中心。如图3所示：

　3.2基于IEC104规约的变电所通信软件设计

　　应用IEC104规约，主变电所与远方主控之间的通信是一种典型的C/S模式，其中变电所监控系统的总控单元是服务器端，远方主控系统是客户机端。IEC104规约规定传输层使用的是TCP协议，并且规定了TCP端口为2404。图4为软件的数据流程图。

　　总控单元一直处于侦听状态，等待连接请求。由远方主控发出连接请求后建立TCP连接。当总控单元收到U格式的报文STARTDT后，总控单元应该回应该命令报文，然后开始传输数据，此时应该立即上送变位信息和自发上送的周期性扫描数据。

　　对于来自主控系统的各种命令报文，进行输入有效性检查：确定报文序号、报文校验码、通信站码、对象号是否有效，并回应主控。IEC104规约中严格定义了各种超时时间界限，一般情况下我们需要自己定义计时器，以达到精确性要求（精确到1秒）。

　　网络冗余性也是保证系统稳定运行的一个非常重要的方面。虽然IEC104规约已经给出了比较完善的网络连接传输机制，其中就包括重传机制。但是，在系统设计的时候，不仅要实现网络硬件的冗余，在软件设计上也要紧密配合，以保证在通信的稳定性和系统的健壮性。在这里，我们利用多线程技术使每个总控单元管理2个物理连接，实现网络的冗余。由于传输连接的切换均由远方主控控制，总控单元切换连接的时候只要被动的响应主控的各种

4、结论

　　IEC已经确定IEC61850作为变电站自动化系统的通信标准，我国也将等同采用规约IEC61850国际标准。但是，该标准还在制定中，离完全应用还需很长一段时间。目前，利用IEC104规约实现城市轨道交通中变电站与基于城域网的综合监控系统的集成通信是非常好的一个方法，它既保证了电力监控系统的开放性，又能很好的满足城市轨道交通系统对电力监控系统信息传输的实时、可靠等要求，又有利于利用标准化的优势带来开发的便捷性。