一種通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)

一種通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)4概述通信系統(tǒng)的建設(shè)是變電站綜合自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵之一，也是舊變電站改造成無人值班站的難點。當(dāng)然。通信規(guī)約和通信網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一和完全兼容，有利于實現(xiàn)變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的互換性和互操作性[I:。但是目前的應(yīng)用情況表明，多種通信規(guī)約和通信網(wǎng)絡(luò)并存的局面還將在相當(dāng)一段時期內(nèi)存在。因此，設(shè)計一種高可靠、多功能、可擴展的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器具有較大的實用價值。本文僅就一個具體的變電站改造工程來說明一種基于奔騰級工控機和w工NDOWSNT操作系統(tǒng)的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)。在該工程中，通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器的主要作用是：(1)遵循DUT667規(guī)約與就地安裝在開關(guān)柜上的保護測控一體化裝置通信，收集‘四遙’數(shù)據(jù);(2)遵循DNP3.0規(guī)約與變電站內(nèi)RTU進行通信，上送數(shù)據(jù)，并向下轉(zhuǎn)發(fā)遠方命令。DUT667繼電保護設(shè)備信息接口配套標(biāo)準(zhǔn)是我國最近頒布的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Di，它等同于IEC60870-5-103協(xié)議，目前已經(jīng)得到了國內(nèi)一部分大生產(chǎn)廠商的支持和應(yīng)用。而DNP3.0為IEEE電力工程協(xié)會制定的美國國家標(biāo)準(zhǔn)[J][G1，近年來逐漸被引進到國內(nèi)的復(fù)雜的大規(guī)模遠動系統(tǒng)中。本文亦就這兩套規(guī)約在具體工程中的應(yīng)用做了一些介紹。，通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器的設(shè)計1.1功能及性能要求通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器的根本任務(wù)是解決來自不同廠商的自動化系統(tǒng)之間實時信息交換，因此它不但應(yīng)該7足實時多任務(wù)系統(tǒng)的需要，而且必須能支持各種通信接口，如RS232.RS485等串行接日，CAN等現(xiàn)場總線接口，光纖接口，甚至以太網(wǎng)接日。隨著變電站內(nèi)ti動化裝置的智能化的提高，信息交換量也將急劇增加，所以通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器必須有足夠大的空間來存儲各種相關(guān)數(shù)據(jù)當(dāng)然，在性能上，應(yīng)用于變電站綜合自動化的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器必須保證可靠和穩(wěn)定，以及具有一定的靈活性、易維護性和可擴展性。l.2硬件體系現(xiàn)有的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器大都是基于單片機系統(tǒng)而開發(fā)的，其功能比較薄弱.不但維護不方便，升級和擴展均比較困難，而且開發(fā)周期長。考慮到現(xiàn)有的成熟可靠的工業(yè)控制級計算機價格逐年下降，而且其整體性能均遠遠強于單片機系統(tǒng)，本文設(shè)計的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器就采用了奔騰級的工控機作為其硬件平臺，其優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：功能強大，能處理大量實時任務(wù)，并能儲存大量數(shù)據(jù)：具有很高的可靠性和穩(wěn)定性；節(jié)省了硬件開發(fā)和調(diào)試的時間：可以提供高級語言的開發(fā)環(huán)境，從而縮短軟件設(shè)計和調(diào)試的時間；徹底實現(xiàn)了模塊化的結(jié)構(gòu)，易于系統(tǒng)的組態(tài)和維護，系統(tǒng)升級也非常方便；f通過采用各種成熟可靠的通信接口板，可以兼容各種通信接口，具有很強的靈活性、可擴展性和通用性。我們設(shè)計的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器由奔騰級與PC兼容的工業(yè)控制計算機構(gòu)成，采用開放的ISA總線無源底板,彈性的模塊化設(shè)計使系統(tǒng)在升級和維護上更為容易，其CPU主頻為233i4iz,內(nèi)存為64M,IDE接口的4G的筆記本硬盤通過硬盤載板而固定，通過多串口卡擴展成10個標(biāo)準(zhǔn)RS232口。由于與保護測控一體化裝置的通信采用RS485總線網(wǎng)和光纖環(huán)網(wǎng)，所以還必須外接轉(zhuǎn)接盒。1.3軟件體系由于必須滿足變電站綜合自動化的高可靠和實時多任務(wù)的要求，通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器應(yīng)該采用基于搶先式多任務(wù)、多線程的操作系統(tǒng)做為其應(yīng)用軟件平臺。與Linux相比，WINDOWSNTWorkstation的優(yōu)點是技術(shù)成熟，開發(fā)資料和開發(fā)工具較齊全。該操作系統(tǒng)采用微內(nèi)核設(shè)計，采用時間片的輪轉(zhuǎn)來調(diào)度多個任務(wù)的執(zhí)行，從而實現(xiàn)在宏觀方面的并行處理。系統(tǒng)的撇內(nèi)核始終保持對系統(tǒng)的控制，從而提供了一個不過分依賴應(yīng)用程序的可靠的運行環(huán)境。WINDOWSNT

支持兩種形式的多任務(wù):基于進程（process）的多任務(wù)和基于線程（thread）的多任務(wù)。由于多個進程之間交換數(shù)據(jù)要采用消息機制，而同一進程的多個線程可以通過全局共享緩沖區(qū)交換數(shù)據(jù)，因此后者的運行效率高于前者。在我們所設(shè)計的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器中，使用VisualC++為開發(fā)工具，采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)，從而達到將應(yīng)用程序模塊化的目的，便于將來的維護和擴充。在此，我們僅就上述具體工程的軟件體系進行舉例說明，它由三大模塊組成:與保護測控一體化裝置通訊模塊、實時數(shù)據(jù)庫模塊和與RTU通訊模塊（如圖2虛框內(nèi)所示）。其中與保護測控一體化裝里通訊模塊和與RTU通信模塊屬于同一進程中的不同線程，它們的數(shù)據(jù)就通過實時數(shù)據(jù)庫進行交換。對于保護測控一體化裝置而言，通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器就相當(dāng)于一個就地監(jiān)控系統(tǒng)，通過多串口卡對各個網(wǎng)〔光纖環(huán)網(wǎng)或485網(wǎng)）上的裝置輪流請求而將遙信、遙測、遙脈數(shù)據(jù)收集上來;而對于RTU而言，通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器又相當(dāng)于保護測控管理單元，一方面RTU通過定時向它問全數(shù)據(jù)和不時掃描變化數(shù)據(jù)而從通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器獲得所需信息，另一方面它又及時的將遙控命令執(zhí)行F去.實時數(shù)據(jù)庫其實就是在內(nèi)存中開辟的一塊全局共享緩沖區(qū)。它包括各種遙信、遙測、遙脈和遙控數(shù)據(jù)區(qū)，以及用于控制這些緩沖區(qū)讀寫的各種標(biāo)志。由于實時數(shù)據(jù)庫建立在內(nèi)存，所以兩個線程對它們的讀寫完全可以在一個時間片中完成而不會產(chǎn)生內(nèi)存的訪問沖突問題，讀寫的啟動也僅需通過標(biāo)志就可以實現(xiàn)。這樣，就無須考慮對多線程進行序列化和同步的問題，而且響應(yīng)和轉(zhuǎn)換速度均可以達到一個時間片〔20ms）的水平。按照目前計算機的內(nèi)存容量，將通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器的實時數(shù)據(jù)庫全部建立在其中也絕不會碰到溢出之類的問題.通信子網(wǎng)通信子網(wǎng)圖1RTU通訊模塊

（DNP3Q通信子網(wǎng)通信子網(wǎng)圖1RTU通訊模塊

（DNP3Q規(guī)約）實時數(shù)據(jù)庫模塊保護豳控裝置通訊模塊

（DUT66了規(guī)約）由于變電站中電磁環(huán)境惡劣。所以對通信信道的千擾不可避免，這可以通過改普其物理特性（如采用光纖）來增強其抗干擾能力，另一個有效的方法就是在軟件的編制中采取各種保護描施，尤其在對規(guī)約的鏈路層處理方面，將干擾從底層就過灘掉。由此可見，在規(guī)約程序的編制方面，保證各個協(xié)議層的相對獨立性就顯得非常重要。另外一個值得注意的問題就是實時數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，由于規(guī)約的差異性.對各種數(shù)據(jù)的定義和理解就會存在較大的不同，再加上調(diào)度端的數(shù)據(jù)庫容t所限，也可能需要合發(fā)或過泌一些信息，因此采取不同設(shè)計策略，有可能使得程序的復(fù)雜性迥然不同。這問題個需要在具體的應(yīng)用中不斷地嘗試和優(yōu)化。2DL/T667規(guī)約的應(yīng)用DL/T667繼電保護設(shè)備信息接C］配套標(biāo)準(zhǔn)是我國最近頒布的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它等同于IBC60870-5-103協(xié)議，該標(biāo)準(zhǔn)正逐步在我國變電站自動化系統(tǒng)中得到推廣和應(yīng)用。DUT667規(guī)約是在IFC60870-5系列標(biāo)準(zhǔn)的驀礎(chǔ)上制定的繼電保護設(shè)備的信息接口規(guī)范。其參考模型采取了“增強性能結(jié)構(gòu)（EPA）”，確保規(guī)約的開放性和實時性。目前出版的規(guī)約是窗口數(shù)為1的非平衡式傳輸，即為應(yīng)答式規(guī)約。在本文所設(shè)計的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器中，與保護測控一體化裝里通信，就采用了DUT667規(guī)約，其中規(guī)約轉(zhuǎn)換器為主站，而保護側(cè)控一體化裝里為從站，所實現(xiàn)的應(yīng)用功能主要有初始化、時間同步、遙測、遙信、遙控以及通用分類服務(wù)等。正常情況下，主站輪流向各個從站請求2級數(shù)據(jù)，即各個從站的遙測量。當(dāng)某個從站有1級數(shù)據(jù)（主要有遙信變位報文、事件報文）時，便將鏈路層控制域中的要求訪問位（ACD）置1，則主站此后向該從站請求1級數(shù)據(jù)?？偛樵兒蜁r間同步均為定時進行?？偛樵冎饕怯糜谑占_關(guān)、刀閘以及遙控手把位置。事件報文采用通用分類數(shù)據(jù)的格式上送，主要是為了將保護動作時的故障信息全面地上送。遙控則采用了帶反送校核的控制方式，為保證實時性，當(dāng)有控制命令時，主站應(yīng)立即停止其它查詢，而向下轉(zhuǎn)發(fā)遙控命令。在實際應(yīng)用中，一個通信子網(wǎng)帶8-16臺裝里，仍然可以保證較高的效率。由于事件報文和遙信變位報文是帶時標(biāo)的，因此無論信道如何繁重，亦不會影響SOE的正確性。而保護測控裝里的相對獨立性也使得各個裝置之間無須交換數(shù)據(jù)，減輕了通信信道的壓力。由于DL/T667規(guī)約為一對多的主從式，因此它不會產(chǎn)生信道沖突，也無需載波偵聽，但信道的利用率就偏低。不僅如此，規(guī)約為了避免由于總查詢以及擾動數(shù)據(jù)的傳輸?shù)葢?yīng)用功能占用鏈路時間過長，而將它們割分為若千個循環(huán)周期，這就給作為主站端〔控制端）的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器的規(guī)約程序的編制和調(diào)試帶來不少的難度。而通用分類服務(wù)的采用，對控制端軟件的智能化也提出了更高的要求。3NP3.0規(guī)約的應(yīng)用DNP（DistributedNetworkProtocol）3.0為IEEE電力S程協(xié)會制定的美國國家標(biāo)準(zhǔn)，是一種分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它的物理層和鏈路層參照了IEC60870-5標(biāo)準(zhǔn)。由于它采用了網(wǎng)絡(luò)通信方式，因此具有很強的靈活性，支持點對點、一點多址、多點多址和對等的通信方式?！瓺NP3.0功能龐大，所以應(yīng)該根據(jù)實際情況選擇其合適的子集和掃描方式。本文所設(shè)計的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器與RTU的通信就通過RS232口采取DNP3.0規(guī)約中的變位掃描方式，即在正常情況下，RTU定時向通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器問全數(shù)據(jù)（包括遙側(cè)、遙信、遙脈和遙控）和不斷掃描變化數(shù)據(jù)（如SOE）從而獲得所需信息。而通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器則定時（如1個小時）請求RTU進行一次對時。遙控則采用了假校核的控制方式，即對RTU轉(zhuǎn)發(fā)的遙控預(yù)選和執(zhí)行命令，由通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器進行假確認(rèn)，此后才將其轉(zhuǎn)發(fā)給保護測控裝置。這樣做的前提是調(diào)度端是通過遙信變位來判斷遙控是否成功:而其好處就是為了盡t縮短遙控的響應(yīng)時間。4結(jié)論雖然本文設(shè)計的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器僅僅用于了DUT667規(guī)約與DNP3.0規(guī)約的轉(zhuǎn)換，但從中我們不難發(fā)現(xiàn).由于軟硬件設(shè)計采用了模塊化設(shè)計，所以完全可以通過加載不同的通信接口板以及編寫不同規(guī)約庫而勝任絕大多數(shù)通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器的功能。甚至加上圖形界面之后，還可以擴展為就地小監(jiān)控系統(tǒng)或保護工程師站。實際運行情況亦表明該裝置具有高可靠、多功能、可擴展的優(yōu)點。DL'T667規(guī)約作為繼電保護設(shè)備信息接口配套標(biāo)準(zhǔn)具有很強針對性，可操作性強，也完全能夠滿足目前的變電站自動化系統(tǒng)的應(yīng)用需要。同前者相比，DNP3.0規(guī)約更加具有通用性和靈活性，而其數(shù)據(jù)傳輸能力和速度也大大增強。所以，考慮到未來裝置相互之間的信息交換以及與調(diào)度或監(jiān)控之間信息交換的增加，則DUT667規(guī)約必須有所增強。這一點己經(jīng)引起規(guī)約在配電自動化中應(yīng)用的一些問題祝電自動化系統(tǒng)是電力系統(tǒng)監(jiān)視與控制中的一個組成部分它既具有電力系統(tǒng)生產(chǎn)過程中的共性，又具有自己特殊的個性由于配電自動化系統(tǒng)規(guī)模大，涉及到的現(xiàn)場自動化裝置數(shù)量大、種類多，并且配電自動化終瑞設(shè)備分布地域I'，設(shè)備種類鑲多導(dǎo)致FTL‘采集的信息量具有數(shù)獄大、種類軼多等特點.因此.F丁U應(yīng)滿足以下基木要求:(l)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾砸螅骸?)時間響應(yīng)的決速性要求：〔3)不同的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級和不同響應(yīng)時間的要求、總之?優(yōu)先地、決速地傳輸故障狀態(tài)信息一決速地完成故璋識別。炸決速地實現(xiàn)故瘴隔離和恢復(fù)供電是FIU的關(guān)鍵技術(shù)，也是電力系統(tǒng)發(fā)展最迫切的要求。一般來說.在過去LPI度自動化系統(tǒng)中使用較多的循環(huán)式〔DT)遠動規(guī)約.通道利用率較低'不適合作為Flu與主站間的通信規(guī)約一般的查詢式(Polling)規(guī)約也不太適合于FTU，因為，配電I動化通信點眾多.主站常采用一點多址、多點共線的通信方式，若采用J司答方式訪問所有的點，占用時間長，往生會影響重要的信息，如故障信息的及時上傳。目前，國際電T委員會制定的IEC87。一支持FTU信息主動上送的傳輸方式，能及時報告故障信息.供配電綜合自動化系統(tǒng)使月IFC60870-5Ll:l是符合OSI系統(tǒng)模型的開放式規(guī)約，并根據(jù)電力系統(tǒng)的實際清況進行了修改和專門的定義，已坡IEEE推薦為在R1U與主站間通信的規(guī)約工EC6270-::系列規(guī)約是由多個成員匡組成總部設(shè)在瑞十日內(nèi)瓦的國際性組織制定的關(guān)于'遙測設(shè)備和系統(tǒng)第五部分通信規(guī)約”系列早期的DNp系列你準(zhǔn)是由加拿大的WESTRONICS.XNC制定和使用，該公司以后被HARRIS.INC兼并.HARRIS.INC根據(jù)IEC60870-I的FT3幀格式制定的DNP3.0標(biāo)準(zhǔn)DNP3?。的文卞號稱符合IEC61870］的FT3幀格式.但DNP3.;的數(shù)據(jù)元素的定義與IEC6087只5-I0I完全不同具體來講，有以下不同:(［)IEC870-5-ICI只傳輸單一地址(遠方終端地址二，主站地址從來不被傳輸DNP3.‘既傳輸源地址又傳輸目的地址;(2)工EC870-5-101傳輸方式分為非平衡傳輸和平衡傳輸兩種DNP3.0僅僅采用平衡傳輸方式同時對多點網(wǎng)絡(luò)規(guī)定了相應(yīng)的沖突檢惻方式;(3)IEC870-3既規(guī)定了固定禎長結(jié)構(gòu)，又規(guī)定了可變幀長結(jié)構(gòu).但DNP3.0只規(guī)定r可變幀長結(jié)構(gòu)。對于應(yīng)用層而言.DNP3.0和IEC870-3-I07共享許多基本的通信概念和執(zhí)行幾乎相同的一些基本功能'如初始化問答方式，時鐘同步，數(shù)據(jù)凍結(jié).文件傳輸?shù)鹊獻EC870-5和DNP3.。又有自己獨立的應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)，對于IEC870-5來說，它們分別是IEC60870-5-101,1995年］1月制定，用于基本遙控應(yīng)用補充標(biāo)準(zhǔn):[ECb0870-a-I02.199-S年6月制定?用于電力系統(tǒng)己加數(shù)據(jù)傳輸?shù)难a充標(biāo)準(zhǔn)IEC60H70-5川只1991.年2月（初稿）.用于保護設(shè)備通信的補充標(biāo)準(zhǔn)IE〔規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸基木方式為8個數(shù)據(jù)位.t個起始i>.wI個偶校驗位IECFl的I種幀格式依有無幀校驗和幀咬驗的長度和頻率不同而不同oF-rl.l的幀以個起始字節(jié)開始至應(yīng)用數(shù)據(jù)之后的終止字符，一幀中應(yīng)用數(shù)據(jù)長嘎為:一127個字節(jié)，無幀校驗:FTI.2一幀中應(yīng)用數(shù)據(jù)長哩為}-255個字節(jié)，在終止符之前有一個字節(jié)的幀校驗：FT2的幀以一個起始字節(jié)開始每15個應(yīng)用數(shù)據(jù)之后加一個單字節(jié)的校驗碼，一幀中應(yīng)用數(shù)據(jù)長度為0-255;F13F11.3〕的頓以兩個起始字節(jié)開始，每16個應(yīng)用數(shù)據(jù)之后司兩個單字節(jié)的長驗媽一幀中應(yīng)用數(shù)據(jù)長度為（1-255IEC873系列規(guī)定了起始字符及終止字符的選擇范圍。規(guī)定了校驗碼的汁算方法以及傳愉中的時間配合。幀中應(yīng)用數(shù)據(jù)長度也有固定長度及可變化長度兩種格式我國的101規(guī)約是完全采用國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60870-5-1rI的標(biāo)準(zhǔn)‘考慮到我國電力系統(tǒng)的地調(diào)、省調(diào)自動化系統(tǒng)中人多采用點對點全雙工通道，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60870-5-1cI,}7卜弓3傳輸規(guī)約的規(guī)定規(guī)定了狀態(tài)變位時m線終端可以主動觸發(fā)傳輸狀態(tài)變位幀〔即狀態(tài)量變位主動上報），實現(xiàn)平衡傳輸?shù)墓δ苤髡局鲃訂拥膫鬏斶^程完全遵守IEC66,70-5101的規(guī)定愉電和配電自動化系統(tǒng)信息傳輸?shù)奶攸c是:有些信息是重要信息，需要立即傳輸有較高的傳輸優(yōu)先級;有些信息傳愉的優(yōu)先級較低，可以慢慢地傳輸，基于上述原則，在我們開發(fā)的配電網(wǎng)綜合自動化中，為保證優(yōu)先、決速地傳輸故璋狀態(tài)信息快速地完成