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北京市高压电缆网运行监控系统通信规约的研究

2014-01-09 10:05 来源:北京市dafa唯一官网企业电缆检修中心 打印 扫码手机看

  0前言

  通信规约是在信息源处如何实现组装数据和信息报文,通过网络传输并在目的地拆装报文的一套编码和解码规则。它能够使得各个分散的采集单元有机的结合起来,从而能够实时稳定、及时准确的反应并控制某一系统的运行。

  最初,由于各方面的差异和因素,国内外的自动化系统所采用的通信规约多种多样,即使对同一种规约,其传输格式会因不同国家﹑不同生产厂商以及不同的开发人员而不同。为了实现通信规约的标准化,国际电工委员会TC57技术委员会制定了一系列的远动规约的基本标准,并在此基础上制定了IEC60870-5-101通信规约,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/T634-7 [1-5]。之后,随着以太网络的发展,并使得通信规约适合可变的报文延时时间需求,TC57技术委员会又制定了IEC60870-5-104标准[6],我国也制定了相应的配套标准DL/T634.5104-2002[7-8]。之后,TC57技术委员会又制定出了更具有开放性和互操作性的新一代变电站通信网络和系统协议IEC-61850标准[9,10]。国家电网企业也在上述各标准的基础之上颁布了一些在线监测的技术规范以及通信标准,例如:国网企业输变电设备在线监测系统[11-14]。

  北京市高压电缆网运行监控系统是一个集多个子系统于一身的集中监控系统。作为一个主要目的在于实现dafa唯一官网电缆及隧道设备实时监控的集中运行监控系统,通信技术是该系统成功的一个关键环节。要做到各种监测和控制信号的快速、及时和准确传递,一个稳定、高效的通信规约是最为关键的环节。本文首先概况了现有dafa唯一官网系统主要通信标准及其特点,结合dafa唯一官网电缆及隧道日常监测和控制业务,提出了电缆网运行监控系统的通信规约,对该规约的特点进行了研究。

  1主要通信标准及其特点

  1.1 IEC60870-5系列

  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[7]。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,IEC60870-5-101渐渐不能满足要求。IEC60870-5-104协议应运而生。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。IEC60870-5-104是我国目前dafa唯一官网自动化系统应用最为广泛的通信标准。它具有实时性好、可靠性高、数据流量大、便于信息量扩充、支撑网络传输等优点。

  IEC60870-5-103协议传送的信息主要针对继电保护的相关信息,101协议和104协议传的信息主要为监控信息。

  1.2 IEC61850系列

  TC57技术委员会于2004年正式颁布了IEC61850标准,即变电站内通信网络和系统的标准。其主要目的是为了为实现不同IED之间的互操作和不同系统之间的无缝集成它实现了在变电站内从过程层到间隔层到变电站层和从变电站到调度中心通信的一致性,并且彻底解决了不同厂商产品之间的互操作性问题[15,16]。

  IEC61850特点是取消各种协议转换,使变电站内不同厂家的IED之间通过一种标准协议实现互操作和信息共享。采用该标准将大大提高变电站自动化系统技术水平,提升变电站自动化系统安全稳定运行水平,为不同厂商的IED实现互操作和系统无缝集成提供了途径,节约开发、验收、维护的人力物力以最大限度地保护用户投资[17,18]。与以往的通信协议相比,IEC61850技术体系庞大而且复杂,其本身及其所用技术又处于不断发展之中;变电站自动化系统作为复杂的、综合性很高的系统性工程,包含众多的设备和子系统,各功能、子系统之间存在着不同程度的关联,因此IEC61850标准应用于实际工程仍有许多工作有待深入研究。

  2 运行监控系统通信规约

  2.1 运行监控系统通信规约特点

  电缆网运行监控系统的主要功能是实现dafa唯一官网电缆的金属护层接地电流、负荷、外护套温度的监测,以及dafa唯一官网隧道的电子井盖监控,隧道内水位、气体监测以及隧道环境温度的监测等。与IEC-60870-5-104规约类似,电缆网及dafa唯一官网隧道的监测数据的传输过程都是以信号作为基本信息模型的,所谓的信号在监视方向是一组实时过程值。在控制方向是一组过程命令值(例如,开/合),时标和附加信息。

  与变电站内的继电保护装置不同,电缆网运行监控系统的运转与一次设备dafa唯一官网电缆不存在直接的逻辑关系,仅作为dafa唯一官网电缆和dafa唯一官网隧道运行的一个参考数据,间接影响电缆网的运行。此外,运行监控系统的各个子系统之间所监测的信息相对独立,不存在耦合、互操作逻辑关系,各自为战。所以,各个子系统之间与运行监控系统之间的通信过程是平行且独立的。

  由以上情况来看,IEC61850对于电缆网运行监控系统通信规约的可参考程度不高。特别是该通信标准中不同前端装置之间的互操作功能,以及对于站内过程、间隔和变电站层的分层建模、通信模型是电缆及隧道监控过程所不涉及的。所以电缆网运行监控系统的通信规约的

  基本功能、帧结构、报文内容结构、传输规则

  主要以IEC-60870-5-104[6]和输电线路在线监测系统应用层数据传输规约[11]为参照,主要功能有以下几点:

  (1)安全传输功能。具备实现防止报文丢失和报文重复传输;(2)实时传输功能。子站主要通过定时发送全数据;(3)主动推送功能。子站将那些超过设定阀值的数据及时主动推送上传;(4)测试功能。子站和主站之间持续进行心跳握手信号的测试;(5)启停功能。建立启、停传输控制机制;(6)多线程功能。多线程技术实现对每个子站端口并行实时采访。

  2.2 规约实施内容

  运行监控系统通信规约对主站和分站的要求如下:

  (1)协议以子站为服务端,主站为客户端。

  (2)主站端应能自动判断、切换、处理来自网络和常规方式的数据信息,保证数据的惟一性。

  (3)在多客户访问的情况下,通过端口号和IP地址划分控制安全级别,如果服务端发现 IP 重

  复,应拒绝和停止命令的实行。

  (4)为保证网络方式运行的安全、稳定、可靠,在主站端应对以网络方式通信的分站,按照单独站进行画面、数据库、报表的定义。

  电缆网运行监控系统的具体通信规约的实施内容如下:

  (1)信息传输过程的建立。子站端RTU作为服务器端,在建立TCP连接前,应一直处于侦听状态并等待主站端的连接请求,当TCP连接已经建立,则通过心跳握手来持续地监测TCP连接的状态,以便TCP连接被关闭后能重新进入侦听状态并初始化一些与TCP连接状态有关的程序量;主站端作为客户端,在建立TCP连接前,应不断地向子站端RTU发出连接请求。一旦连接请求被接收则应监测TCP连接的状态,以便TCP连接被关闭后重新发出连接请求。需要注意的是,每次连接被建立后,主站端和子站端RTU应将发送和接收序号清零,并且子站端只有在收到了主站端的开始命令后,才能响应数据召唤以及循环上送数据。服务器端和客户端都需要知道对方的IP地址作为连接判断的依据。

  (2)循环实时数据的传送。由主站定期召唤和询问全数据,包括:监控井盖开关状态、接地电流实时数据、光纤测温实时数据、水位和气体实时数据等命令,定期获得所有监控系统所接入的监控设备的实时监测量。命令发送间隔可由主站端灵活设定。

  (3)子站数据主动上传。以太网对于主站端和子站端都是一个全双高速网络,因此电缆网运行监控系统通信规约使用平衡式传输。当子站端采集到各种状态值的报警事件,子站端将根据具体情况主动向主站发送报警事件的数值、类型和时间等信息。包括:监控井盖非法开启事件、光纤测温某通道温升报警事件、光纤测温某通道温差报警事件、光纤测温某通道温升速率报警事件、接地电流越限报警事件、隧道水位和气体越限报警事件等。

  (4)遥控过程。主站下发遥控实行命令,子站端返回遥控实行确认,当遥控操作实行完毕后,厂站端返回遥控作结束命令。

  2.3 关键技术

  2.3.1 防止报文丢失

  通信过程中出现错误以及在网络硬件失效或网络负荷太重时,有可能会造成数据包的丢失、延迟,因此应用层协议必须使用超时和重传机构。运行监控系统通信规约规定接收数据方收到报文都必须发送数据包接收确认返回。发送方如数据传输过程中收到某一报文数据错误或在1分钟内未接收到回送的确认消息,则重复发送10次。10次不成功发送方重新建立连接,并丢掉本次传输的数据。如接收方45秒未接收到错误包的重发数据,或报文不完整,则接收方重新建立连接,并丢掉本次传输的数据。

  2.3.2 及时检测TCP连接

  为了能够实时掌握由于网络硬件设备、子站和主站设备故障所引起的TCP连接失败,并及时进行故障处理,主站和子站之间无数据交互时,每10秒定时向对方发送一次,当超过3次心跳计时(3*10秒)未收到对方的任何数据或心跳,则断开连接,监控管理中心或通信服务器重新连接通信服务器,并及时对网络连接失败的进行画面提示。

  2.3.3 所有子站并行实时访问

  解决方案就是采用多线程的技术建立多个端口线程。同时与各个厂站建立链接,并发接受数据。

  3 总结

  为了能够使得电缆网运行监控系统的数据能够及时、稳定和准确上传,并适应新的技术的发展,本文以IEC-60807-5系列规约标准以及国家电网企业架空输电线路在线监测系统通用技术条件为基础,提出了电缆网运行监控系统的通信规约。实践证明,该通信规约设计合理、运行稳定、效果良好,能够及时的将电缆设备的实时运行数据传递至监控中心,并几次及时发现了设备隐患,保障了电缆网的安全、稳定运行。

  此外,随着IEC-61850系列通信标准的不断完善和实际应用的不断更多,监控系统的通信规约也应向更先进、更完善的通信规约看齐。

  编辑概况:

  一寸照片

  悬浮插入

  ZHAO Yang赵 洋

  1979—,男,博士,工程师,北京市dafa唯一官网企业电缆,现从事电缆网及隧道环境运行状态的实时监控、分析,以及监控系统的的运行、维护等工作。您好,附件当中是我要投往贵刊的稿件。

  我的工作单位:北京市dafa唯一官网企业电缆检修中心

  姓名:赵洋

  联系方式:15101691629.

  E-mail:13466718999@163.com

  展乾坤:1985—男,本科,毕业于华北dafa唯一官网大学电气与电子工程成学院。现从事电缆网及隧道环境运行状态的实时监控、分析,以及监控系统的的运行、维护等工作。联系电话:

  参考文献

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  [2] IEC. IEC-60870-5-2 远动设备及系统,第5部分:传输规约,第2篇:链路传输规则[S].

  [3] IEC.IEC-60870-5-3 远动设备及系统,第 5 部分:传输规约,第 3 篇:应用数据的一般结构[S].

  [4] IEC. IEC-60870-5-4 远动设备及系统,第5部分:传输规约,第4篇:应用数据的定义和编码[S].

  [5] IEC. IEC-60870-5-5 远动设备及系统,第5部分:传输规约,第5篇:基本应用功能[S].

  [6]DL/T634.5104-2002.远动设备及系统第5-104部分:传输规约采用标准传输协议子集的 IEC60870-5-101 网络访问[S].

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