张岳匀 何志伟
(华南理工大学电力学院 广州 510641)
PR OT OCOL STAN DAR DIZATION OF SCADA SYSTEM
AN D AD VICE T O IT
Zhang Yueyun He Zhiwei
(Power Electric College of South China University of Technology,Guangzhou,510641)
ABSTRACT This paper introduces the basic components and concepts of two international standard protocols and the gener2 al situation of international standardization of the field bus.In addition,it offers some suggestions according to the real situa2 tion of carrying out standard protocols in China.
K ey Words SCADA,Power network automation,Field bus, Communication protocol
摘要 文章介绍了SCADA行业两个国际标准规约的基本框架和现场总线国际标准化工作的概况，并从我 国使用及实现标准规约的实际情况出发提出了一些建议。
关键词 SCADA 电网自动化 现场总线 通信规约
1 引言
随着电压等级和电网复杂程度的提高、供电半径和输配电容量的加大，必须把微机和网络技术运用到电网调度自动化系统中以保证电力系统安全、经济、可靠地运行。电网调度自动化的基础是数据采集和监控系统，即SCADA系统。在SCADA系统中，远方终端(R TU)负责把发电厂和变电站的遥测、遥信等信息送往调度控制中心，并把调度控制中心的遥控、遥调命令发往发电厂和变电站。目前变电站自动化系统和电厂计算机监控系统的应用越来越普及，厂站内部的自动监控系统常常和R TU通过交换信息共同完成SCADA系统功能。因此通信网络是SCADA系统很重要的组成部分。 目前国内对SCADA系统中设备之间的通信还未制定统一的接口标准，通信规约种类繁多，这不仅浪费了大量的软硬件开发人力，而且给用户的设备选型、运行维护等带来诸多不便，通信规约转换装置亦成了必不可少的设备，而国际上已经制定了两个SCADA行业标准规约—IEC6087025系列和DNP3.0。此外，随着SCADA系统中的R TU朝着分布式方向发展,R TU逐渐采用了近几年兴起的、有着可靠性高等诸多优点的现场总线技术，所以几种主流现场总线(如基金会现场总线FF、过程现场总线PROFIBUS)的通信规约成为厂站内部的现场级通信标准之一。在上述背景下，要设计好SCADA 系统
的通信网络，就有必要先对SCADA行业的通信规约进行大致的了解。
射频宽带放大器
2 SCADA行业两个国际标准通信规约及其比较
2.1 IEC6087025系列规约[1][2]
IEC6087025系列是由总部设在瑞士日内瓦市、由多个成员国组成的国际性组织制定的“遥控设备和系统第五部分通信规约”系列。其中的IEC60870252101用于常规远动(已被我国确定为非等同采用的电力行业标准),IEC60870252102用于电能计量信息的接入,IEC60870252103用作继电保护设备信息接口配套标准(已被我国等同采用为电力行业标准),IEC60870252104则将IEC 60870252101用在TCP/IP网络协议之上。
传统的远动通信规约不分层，而IEC6087025系列远动通信规约则分为物理层、链路层和应用层，网络层、传输层、会话层、表示层都为空，应用层直接映射到链路层，且应用层采用无连接方式。
IEC规定的数据传输基本格式为8个数据位, 1个起始位和1个偶校验位。根据有无帧校验和帧校验和长度及频度不同,IEC的帧格式有F T1.1、F T1.2、F T2、F T3四种。此外IEC.6087025系列还规定了起始及终止字符的选择范围、校验码的计算
第12卷第5期2000年10月
电力系统及其自动化学报dxc
Proceedings of the EPSA
Vol.12No.5
Oct. 2000
①本文2000年1月15日收到
方法、传输中的时间配合等内容。
2.2 DNP
3.0规约[3]
DNP(Distributed Network Protocol分布式网络协议)最初由Westronic.Inc.(即现在的GE Harris)于1990年创立,1993年DNP3.0的四个基本协议规范文件向公众发布，同年10月将进一步发展、修订DNP规范的责任及DNP的所有权移交给了由用户和设备供应商组成的DNP用户组，而哈里斯公司则对用户组提供管理和技术支持。DNP3.0是美国IEEE的PES(电力工程协会)在IEC的基础上制定的美国国家标准，它是一个开放的、智能化的、强壮的(robust)和有效的协议，适合于任何SCADA/EMS(能量管理系统)应用环境，例如R TU与IED之间、主站与远方站之间甚至对等式应用场合及网络应用中都能以DNP3.0作为通信协议。
2.2.1 开放性
DNP3.0采用了IEC提出的三层EPA(Enhanced Performance Architecture)结构，即应用层、数据链路层、物理层，并在应用层与数据链路层之间增加了一个伪传输层；物理层使用的是最普遍的RS2232或RS2485接口,DNP3.0协议的数据链路层和应用层的源代码全部公开从而方便生产商对有关产品的设计开发;DNP3.0的功能庞大，在某种设备上实现全部DNP3.0的功能很难，也无此必要，因此1995年DNP用户组将DNP3.0功能分为3个子集，出版了“DNP3.0Subset Definitions”(DNP3.0子集定义)，要求采用DNP协议的设备厂家必须提供一个符合“DNP3.0Subset Definition Document”规定的、完整的设备行规文件，目的就是为理解来自设备的数据意义提供必要的信息，从而保证各厂家设备之间具有相互可操作性。
2.2.2 智能性
主要表现在两个方面:1)用户传输的信息长度不受限制。当用户需传输的数据太多而不能用一个应用层信息发送时，应用层就把数据分段并按顺序传递给伪传输层，伪传输层又会根据数据链路层的要求自动将应用层信息分割成多个数据链路帧;
2)在DNP中数据是按数据类型(data type，如数字输入输出、模拟输入输出、时间日期数据、计数器数据等)组织的，每一种数据类型即为一个对象组(object group)，每一个对象组或数据类型中又包含着一个或多个数据点(data points，一个数据点就是对象组所代表的数据类型中的单个数值)，因此用户可以有选择地查询所需要的数据，如可以查询指定对象组的所有数据点，也可以查询其中从某一指定点开始到另一指定点结束的一段连续范围的数据点，提高了查询方法的灵活性。
2.2.3 强壮性
每段应用层信息或每个数据链路帧可以要求接收方的确认，以此判断应用层信息是否被收到且语法检查无错误或数据链路帧被收到且通过了CRC差错校验，如果在规定时间内未得到确认，则对信息段或帧进行重发；当一个请求信息因为格式错误不能处理或者被请求的数据不能获取时，从站应答信息中的内部指示字段(internal indication field)中的相应位就被置位为“1”，以此来表示从站此时的状态；每段应用层信息包含有一个应用层控制代码，该代码包含一个滚动递增的应用层序列号，此序列号使得
接收方可以检查收到的信息段顺序是否正确或有无丢失信息段，伪传输层为每个数据链路帧附加一个单字节的功能代码，该功能代码包含有滚动递增的帧序列号，同时指出本帧是信息的首帧还是末帧或二者都是(在单帧信息情况下)，帧序列号同样便于接收方检查是否有帧丢失。
2.2.4 有效性
从应用场合看,DNP3.0既适合于主从、多主通信方式也可用于对等通信方式；从数据传输方面看,DNP3.0的应答信息既可以包括固态数据(无变化事件数据)也可以仅仅包括变化了的数据，从而使应答信息小而有效；所有的应用数据对象组及其中的数据点被分为四类(class)，不同的数据类具有不同的查询周期，有紧急情况发生时，从站还可以不经请求就发出应答信息，从而保证了重要信息的及时传输。
2.3 IEC6087025系列规约与DNP
3.0规约的比
较
虽然DNP是以IEC60870-5系列的早期版本为基础制定的，并且有许多共同点，如物理层相同、应用层均能完成基本相同的SCADA功能：初始化、轮询、异常事件报告、时钟同步、冻结/清除计数器和支
持数据组/类(groups/classes)等，但二者也有许多不同之处。
2.3.1 数据链路层
(1)IEC60870252101定义的数据帧中只表示
前卫体协・
3
4
・
2000年第5期 SCADA系统通信规约的标准化及建议
了远方设备的地址，主站地址是不被传输的，地址可以是0、1或2个字节。DN P的数据帧中的地址区段则包括了源地址和目标地址，二者总是16bits，这使得非请求应答、多主运行和对等运行更容易实现;
(2)I EC6087025定义了F T1.1、F T1.2、F T2、
F T3(用于同步共用通信)四种帧格式。DN P只定义了最可靠的F T3格式(用于异步通信);
(3)I EC6087025定义了平衡式、非平衡式两种通信模式(平衡式意味着任一设备可以在任何时刻发送信息，非平衡式意味着一个设备只能在被主站认可后才能传输数据)。DN P只使用平衡模式，且提出了几种多站点网络避免冲突的方案，如可采用全双工的点对点连接(RS232或四线制RS485)，或由指定的主站轮询网络上的其它从站，或采用载波监听多点访问/冲突监测(CS M A/CD)技术进行传输控制;
(4)I EC6087025定义了定长和变长数据帧。DN P只使用变长数据帧，而且DN P在数据链路层和应用层之间增加了一个伪传输层，该层把较长的应用层信息分割成较短的数据链路帧。
p2p传输2.3.2 应用层
I EC限制每段应用层信息中只能含有一种数据类型，每段应用层信息只能对一个数据点进行写操作，主站应用层不能对从站传送来的变化事件信息进行确认，从站的应答信息中也无内部指示位(i nternal i
ndication bits),DN P3.0则允许在每段应用层信息中包含多种数据类型，并对多种数据类型进行同一种操作(如读和写、冻结和清除等)，主站应用层可以对从站传送来的变化事件信息进行确认，从站的应答信息中有内部指示位，因此二者的应用层协议规定的信息格式有很大的不同。
3 现场总线通信协议[4][5]
现场总线是连接智能现场设备自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成，具有信号传输数字化、控制功能分散化、开放与可互操作三大优点。到现在为止，形形的现场总线约有40种，为了使自己的技术与产品能垄断整个世界的市场，各方围绕着现场总线国际标准的制订展开了激烈的斗争，并形成了两大阵营即现场总线基金会FF与PRO FIB US。两大阵营的成员中有不少国际性大公司，它们对制定现场总线国际标准的态度往往具有两面性，一方面从当前利益出发，为了能最大限度地从现有的专有技术取得回报，它们不希望现场总线国际标准早日来临；另一方面迫于用户的压力及其长远利益需要，它们又不得不做出积极的姿态。
几种主流现场总线的协议结构一般都有物理层、数据链路层和应用层，有的还定义了用户层如FF。现场总线的物理层国际标准已经通过了，该规约为I EC115822，其传输速率为31.25kb/s，传输距离为1900200m，传输介质为双绞线，可总线供电，并提供本质安全性。目前现场总线的数据链路层国际标准还未通过，该层标准实质上也是双方斗争的焦点所在，若数据链路层标准通过了，那么应用层的
标准化问题就不难解决了。PRO FIB US三种版本的数据链路层均使用一致的总线存取协议，即主站之间的令牌传递方式和主站从站之间的主从方式,FF数据链路层则采用了L A S(连路活动调度器)与发布方/接收方的总线存取协议，所以德国的PRO FIB US坚决反对FF成为国际标准，斗争的结果使得I EC第65技术委员会(TC65)的现场总线国际标准化工作进展缓慢。
4 建议
现在摆在我国工业控制领域面前的问题是由于生产技术水平的落后，需要大量地从国外进口设备，进而导致对外国控制标准、控制思想的依赖。实际上我国完全可以自行制定更优的控制标准，先前PL C的发展就是很好的佐证[6]。电网调度自动化同样存在上述问题，例如就S CA DA的远动系统而言，国内的部颁CD T规约属于循环式远动规约，而从国外引进的设备使用的是问答式(Polli ng)规约，问答式规约又有几种主要类型，它们是各厂家根据其自身特点提出的，在各自的系统上实现了有效的通信，但在其它厂家的系统上使用则会暴露出一些缺陷，这就会造成国内与国外设备之间、国外不同厂家设备之间不能自由通信的结果，所以应尽快制订出与国际标准一致且符合我国国情的S CA DA行业标准通信规约，以保护我国生产企业和用户的投资利益，带动科学技术水平的提高。令人高兴的是我国已把IEC60870252103继电保护设备信息接农产品网络营销策略
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6 结束语
(1)晶闸管串联调压无功补偿方法，原理可靠，换接过程中的过电压、过电流可控制在允许范围内，方法实现技术可行。
(2)此方法构成的C KY装置和TSC具有相同性能，响应快(20ms)，能频繁调节，运行时无高次谐波。
(3)C KY装置和同电压级、同容量的TSC装置比较，晶闸管工作电压低，所需晶闸管容量和变压器容量小，同步触发系统较简单，成本低。335kV 电压级、1020MVAR范围内使用C KY装置较之于其它快速补偿装置在经济上适宜。
7 参考文献
1 И.М.ТyMAHOB,T.A.EBCTИГНЕЕВА.ТИРИСТОРН2ЫE УСТАНОВКИДЛЯПОВЫшЕНИЯКАuЕСТВАЭlЕКТ2РОЭНЕРГИИ.М.:ЭНЕРГОАТО2МИЗДАТ,1995(俄):2933
2 邱光源.电路.北京：人民教育出版社,1978.
3 吴大榕.电机学.北京：水利电力出版社,1979. 4 张明勋，等.电力电子设备设计和应用手册.北京：机械工业出版社,1990.
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口配套标准的传输规约等同采用作为电力行业标准，并正在密切关注和跟踪国际上“变电站内通信网络和系统”标准的制定情况，这些都表明电力行业通信规约的统一问题在国内已受到足够的重视。
对于正在国内逐步升温的现场总线技术，历史经验表明，国际标准都是采用一个或几个市场上最成功的技术为基础，例如IEC87026系列(计算机数据通信协议体系)就包含有I E C T A S E1和IEC TASE2两个国际标准,SCADA行业也有IEC87025系列和DNP3.0两个国际标准，所以我国不能坐等IEC统一现场总线国际标准，而应该抓住这次提高企业自动化水平的机会，积极开展我国现场总线技术和产品的研究开发以及制订国内的现场总线标准。例如，在现场总线标准方面，我们可以制订一个在统一标准框架下(该标准框架可以基于FF或PROFIBUS协议)包含多种其它现场总线(如Lonworks、CAN等)接口的标准。在研究开发现场总线技术和产品方面，我们现在需要的只是现场总线的主要功能即控制功能分散以保证系统的实时性与可靠性、节省电缆以降低成本，所以可开发一种基于智能型I/O和国产变送器的现场总线技术，智能型I/O由PLC实现,PLC自身存储有程序,PLC的CPU部分执行程序并按程序指令
驱动I/O，从而实现了控制功能的分散，保证了系统的可靠性;PLC经一根作为总线的双绞线与主站相联，从变送器采集的信号通过PLC存储器中的一段特定区域即共享数据区与主站通信，这样可以节省电缆，降低成本。事实上目前国内已有不少开发制造智能I/O的单位。
奥林匹克大逆转5 结论
通信网络是SCADA系统的一个很重要的组成部分，因此通信规约不统一问题是阻碍我国电网调度自动化发展的重要因素之一，只有尽快制定符合中国国情并与国际标准一致的国家标准通信规约，并研究开发出采用标准通信规约的、符合国内市场需要的、采用了国外先进技术的产品，才能促进我国电力系统科技和生产实践的发展，并在未来的科技竞争中不会处于劣势。
6 参考文献
1 辛耀中.电力系统数据通信协议体系.电力系统自动化, 1999,23(1):4044
2 蔡运清.IEC87025系列及DNP3.0规约简介.电力系统自动化,1998,22(1):3539
3 DISTRIBU TED N ETWOR K PRO TOCOL(DNP 3.0 BASIC4DOCUMEN T SET),1995.
4 唐济扬.现场总线(PROFIBUS)技术应用指南.北京：中国机电一体化技术应用协会现场总线(PROFIBUS)专业委员会出版.
5 夏德海.现场总线大战何时休.中国仪器仪表,1999(1): 15,1999(2):14
6 孔楠.现场总线应走与DCS兼容的道路.工业控制计算机,1999(1):4954
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