摘  要： 介紹了IEC60870-5-103通信規(guī)約的網(wǎng)絡模型和傳輸幀格式,，以及基于DSP+ARM的新型微機測控保護裝置的設計方法，重點論述了103規(guī)約在微機保護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,；微機保護；應用服務數(shù)據(jù)單元,；通用分類服務

　隨著變電站綜合自動化水平的不斷提高,，對繼電保護設備的可維護性和信息傳輸?shù)目煽啃砸蔡岢隽烁叩囊蟆Ｒ虼?，在變電站系統(tǒng)中采用集保護,、測量、控制和通信于一體的新型微機測控保護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標準,，該標準在1999年已經(jīng)成為我國的電力行業(yè)標準[1]。本文介紹了IEC60870-5-103規(guī)約在35 kV變電站微機測控保護裝置中的實現(xiàn),。
1 IEC60870-5-103規(guī)約簡介
1.1 103規(guī)約網(wǎng)絡模型[1]
　IEC60870-5-103規(guī)約采用了增強性能結(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,、鏈路層和應用層,。它是一種簡化的通信協(xié)議，通信更方便,，實時性更強,。
　103規(guī)約規(guī)定，物理層負責傳輸比特數(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,。鏈路層負責接收物理層原始的二進制流，為應用層提供無差錯,、高效與方便的數(shù)據(jù)傳輸服務,。
　應用層主要是提供用戶之間進行信息交換的接口[2]，它包含一系列應用功能,，它們存放在具有一定格式的應用服務數(shù)據(jù)單元(ASDU)中,。
　103通信規(guī)約采用兩種信息交換方法：一種方法是基于嚴格規(guī)定的應用服務數(shù)據(jù)單元(ASDU)和標準化的報文傳輸應用過程、方法,；另一種方法是采用通用分類服務,，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系列標準的基礎上,，采用FT1.2異步式字節(jié)傳輸?shù)膸袷絒3],，對物理層、鏈路層,、應用層,、用戶進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,、應答”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,，它采用應用服務數(shù)據(jù)單元(ASDU)傳輸用戶數(shù)據(jù),。
2 103規(guī)約在微機保護裝置上的實現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)總體設計
　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)和多個微機保護裝置(子站)采用非平衡的工作方式,，系統(tǒng)總體設計方案如圖3所示[4],。

　本設計采用了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)和多個微機保護裝置的數(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啟動，本設計在通信過程中作為子站,，只能響應上位機的下行命令,，不能主動向上位機發(fā)送報文。子站接收報文后的通信流程如圖4所示,。

　當子站收到上位機發(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)，當接收的數(shù)據(jù)達到一定的字節(jié)數(shù)后,，開始進行數(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次后仍未收到預期應答，則結(jié)束本輪傳輸服務,。
2．3 主要應用功能
　本設計實現(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,、上送保護事件,、召喚定值(讀組值)、定值修改等,。
　(1)復位初始化
　初始化復位過程包括裝置本身的硬件復位和通信單元的復位,。系統(tǒng)啟動以后上位機發(fā)送復位幀命令，子站回送要求訪問位ACD=1的確認幀,，上位機接收到確認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備的標志報文ASDU5，然后重新啟動,，初始化過程結(jié)束,。
　(2)時間同步
　當各子站初始化以后，上位機定時向各子站發(fā)送對時命令以保證各設備有一個統(tǒng)一的時間標準,。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)給所有的保護設備；另一種以發(fā)送/確認的方式由控制系統(tǒng)發(fā)給某一保護設備,。
　(3)總查詢
　上位機定時向每個子站發(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。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,，總查詢過程結(jié)束。此后,，上位機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
　在正常運行情況下，上位機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，否則就以無所請求數(shù)據(jù)的響應幀回答[7],。如果各個子站無1級用戶數(shù)據(jù),，上位機定期依次循環(huán)地召喚2級用戶數(shù)據(jù)，各子站分別以響應幀回答,。
上位機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)，在響應幀中置ACD=0,，然后上位機對下一子站召喚2級數(shù)據(jù),。其中1級數(shù)據(jù)包括保護動作、保護告警,、狀態(tài)變位和下發(fā)命令的響應信息等,，2級數(shù)據(jù)為測量值信息。
　(5)通用分類服務
　在103規(guī)約中,，通用分類服務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識序號(GIN)所識別[8]。本設計將采用通用分類服務的信息分成4個不同的組,，分別為保護定值,、保護控制字、保護采樣值,、保護開關(guān)量,，其組號分配為01、02,、03,、04。
　在通用分類服務中對于讀所有被定義組的標題,、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,，子站以確認幀響應并將請求訪問位ACD置1，上位機得知ACD=1就向子站下發(fā)請求1級數(shù)據(jù)幀,，子站即以相應功能的ASDU10響應，此過程一直進行到所需數(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?，上位機和子站都是以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)換器將本設計的RS-485接口與普通的PC機串口相連,，采用符合103調(diào)試軟件模擬上位機對讀組值進行測試，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的響應幀,，通過對其分析可知：上位機讀組號為01的所有組值，橫線標識的數(shù)據(jù)為標識序號(GIN),，方框里的數(shù)據(jù)為各個序號所對應的組值(低字節(jié)在前,，高字節(jié)在后)，共17個模擬量,。

　本文設計的微機測控保護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，本設計能實現(xiàn)繼電保護設備基本的保護功能和遙控,、遙信,、遙測、通用分類服務等通信功能,，達到了預期的性能要求,。與傳統(tǒng)微機保護裝置相對，本設計將DSP強大的數(shù)據(jù)處理能力和ARM出色的控制能力結(jié)合起來,，完成了保護的相關(guān)功能,，提高了繼電保護設備的可靠性和速動性，具有廣闊的應用前景,。
參考文獻
[1] 中華人民共和國電力行業(yè)標準.運動設備及系統(tǒng),，第5部分傳輸規(guī)約第103篇：繼電保護設備信息接口配套標準[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)中應用[J].電力自動化設備，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)約在中低壓微機保護測控裝置中應用[J]．電力自動化設備，2007,，27(2)：111-113.
[7] 譚嘉虎．用于微機保護設備基于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]．濟南：山東大學,，2007