1、关于配电自动化系统的传输规约关于配电自动化系统的传输规约摘要 文章介绍了配电自动化系统数据传输的特点和要求,国际电工委员会有关数据传输规约基本标准的一些规定,电力行业标准-基本远动任务配套标准(DLT634-1997)(2)在配电自动化中应用,以及采用DNP3.0规约(11)在配电自动化中的应用中的问题。关键词 配电自动化 传输规约目前在我国城网和农网的改造正在启动,各地正在进行配电自动化的规划或者着手开展这方面的工作,配电自动化的标准和传输规约问题引起人们的极大关注,有的人认为目前国内或者国际上都没有标准,有的人认为应该采用某种非国际标准的传输规约(例如DNP3.0)等,本文就国际标准传输规
2、约IEC60870-5-101基本远动任务配套标准(即我国的电力行业标准DL/T634-1997基本远动任务配套标准)在配电自动化系统应用中的一些特殊问题进行一些介绍。1 配电自动化系统数据传输的特点及要求配电电力系统是一个分层的配电网络,其配电自动化系统如图1所示。变电站、开闭所 配电自动化系统变电站自动化系统 RTU/集中器变电站单元17为负荷开关FTU1 FTU7 FTU1 FTU5I 断路器 II FTU2 FTU6 FTU2 FTU48 7 6 5FTU3 FTU5 FTU3 1 2 3 4FTU4(A) 配电电力系统示意图 (B) 配电自动化系统示意图图1 配电电力系统和配电自动化
3、系统示意图在配电自动化系统中，节约通道投资一个非常重要的问题。FTU都是沿配电线路安装的，比较经济、合理的通道配置是采用多点共线的方式，用一根通道将各个FTU连接起来，这样可以节约通道投资和主站的设备投资，也可能采用多点星形 、多点环形 (图2),或者拨号方式。配电自动化系统是电力系统控制的一个组成部分,具有电力系统生产过程的共性,都要求数据传输的高数据完整性和时间响应要求快、有不同的数据传输的优先级和不同响应时间的要求以及各个终端分布地域广的特点，这些是电力系统生产的性质所决定的。但是配电自动化系统有其特殊性,就是FTU采用的传输通道是多点共线，而在地调和省调自动化系统中在我国大多数采用点对
4、点的全双工通道结构。多点环形 多点星形 多点共线图2 配电自动化系统的通道结构配电自动化系统的体系结构是一个分层信息系统,信息采用逐级传输，从变电站、开闭所到配电管理中心的传输规约应该采用DL/T634-1997基本远动任务配套标准点对点的传输规约的规定, 在馈线自动化中其首要任务是故障识别、故障隔离、恢复供电，如果利用通道采用传输电力线路故障信息由主站来识别故障区段,在故障发生的时候，优先地、快速地传输故障状态信息就成为快速地完成故障识别的关键,下面重点讨论馈线自动化的多点共线的传输规约问题。2 国际标准的有关问题1)IEC电力系统控制和通信技术委员会(TC57)是一个专门制定电力系统中远动
5、系统和配电自动化系统传输规约和标准、变电站自动化系统的通信规约、通信网络和系统等标准的机构。我国是IEC的成员国,在我国是等同、等效采用IEC所制定的标准。对于电力系统传输规约(包括配电自动化系统、馈线自动化)IEC已经颁布了IEC60870-5-101基本远动任务配套标准(1),在我国根据这个标准已经出版了电力行业标准(DL/T634-1997基本远动任务配套标准(2)，下文简称101规约),应在配电自动化系统中大力贯彻101规约。IEC制定一系列远动传输规约基本标准和配套标准,基本标准有如下一些规定:(1)基本标准认为在监视和控制系统中,通信功能的最终目的是达到最大的系统一致性,即过程变量
6、状态和它们在远动系统中主站的数据库的镜象没有任何差别,尤其在电力系统发生事故的情况下，数据的一致性就显得格外重要，因此规定了状态量和测量值变化的不同响应时间等指标。(2) 基本标准定义了平衡传输和非平衡传输。并严格规定平衡传输只能用于点对点或者多个点对点的全双工通道，如果通道为半双工通道或者为多点共线，多点环形，多点星形等网络配置只能采用非平衡传输。多点共线采用平衡传输时，存在如下影响到传输可靠性和SCADA系统性能的问题：一) 信息传输的冲突问题：在多个远方终端同时要求传输时，就发生各个FTU同时传输信息的冲突问题。例如：如果有一个站在传输(可能在传输非重要的信息)，其他需要传输重要信息的站
7、，只能依靠监视通道的电平的状态，发现通道已经被占用，就增加延时，继续监视通道，如果在延时这段时间内又有其他的FTU占用通道,等待到需要传输重要信息的FTU再次监视通道是否被占用时,如果通道被占用，只能又加延时,继续进行监视,等待传输，这样就增加了需要紧急传输的事件的传输延时，甚至会发生丢失信息。二) 无法解决传输优先级的问题：电力系统和配电系统中信息传输的特点是有些信息是重要信息，需要立即传输，有较高的传输优先级，有些信息传输的优先级较低，可以慢慢地传输,可是如果这些不重要的信息占用了传输通道，就使得重要的信息得不到传输的机会，这是在多点共线的情况下采用平衡传输方式的致命的缺点，所以基本标准严
8、格规定只有在点对点全双工通道的情况下才能采用平衡传输(见IEC60870-5-2链路传输规则的P.69(4)。三) 采用平衡传输时,识别故障的延时将比较长。3 电力行业标准-基本远动任务配套标准(DLT634-1997)在配电自动化中应用的一些特殊问题101规约是完全采用国际标准IEC 60870-5-101的标准,考虑到我国电力系统的地调、省调自动化系统中大多数采用点对点全双工通道，根据国际标准IEC60870-5-160870-5-5(37)传输规约的规定,规定了状态变位时,远方终端可以主动触发传输状态变位帧,实现平衡传输的功能。主站主动启动的传输过程是完全遵守IEC60870-5-101
9、的规定。为了保证快速传输配电电力系统的故障状态,将负荷开关的状态和电力系统故障信号等重要信号作为1级用户数据，其他量如测量量和一般告警信号等作为2级用户数据。1如果在馈线自动化的全双工的多点共线的情况下采用101规约的平衡传输，将发生如下情况：因为配电系统的特点是从变电站断路器的出线上安装了很多负荷开关,一旦在某个区段发生故障,例如图1中A点发生短路,FTU1、FTU2、FTU3都将检测到故障电流,形成1级用户数据，将向断路器处的主站主动发送1级用户数据的链路规约数据单元(报文)，每个FTU需要传输报文时,都将监视通道是否有其他FTU在传输，主站一直等到全部有1级用户数据报文收到以后才能确定哪
10、个区段发生了故障(在这里有三个FTU将传输报文)。在多点共线的通道结构的情况下,发生几个FTU 同时要求传输数据，发生冲突的问题，为了避免冲突只能采用载波监听的方式。假定短路故障用一个状态量的变化代表，按照101规约(见101规约(2)P.53)的规定(帧长为15个字节),主站以确认帧(见101规约(2)P.93)回答(确认帧的帧长为5个字节),这样主动传输报文的帧长为15n(n为主动传输报文的站数),由于向主站传输报文的两帧之间必须有3个字节长度的间隔,以便使得报文本身的3个全零字节和空闲间隔字节至少有3位的差别,在断载频的情况下为了使得对方的调制解调器稳定,需要在发送报文之前,先发送一个字
11、节长度的空信号,这样相当于一帧要传输19个字节,加上一个确认帧的帧长,假设各个FTU能够依次传输,没有受到其他2级用户数据报文传输的影响,这样识别故障传输的比特数目为11´ (19n+5),如果传输速率为600波特, 识别故障的传输时间为11´ (19n+5)/600秒。因为主站需要接收到全部各个发生变位的FTU的报文以后，才能正确判断故障发生的区段，而且各个主动发送的FTU会一个接一个的不间断的传输，不会间歇，一直到全部需要发送的报文传输完了才结束。随着发生故障的区段序号n增加,传输时间将大大延长, n=7传输时间为1518/600=2.53秒。如果故障发生在1-2区
12、段，NO.1主动传输了状态量变位帧,主站接收以后为了慎重起见，需要加上延时等待FTU传输，之后再一次向NO.2FTU召唤要求访问位帧,因为响应帧ACD=0,最后确定是1-2区段发生故障,所以传输时间为(19+6+6)´ 11/600=0.568秒。如果采用半双工通道,状态量变位主动传输的时间配合将变得更加复杂。如果FTU平时不传输信息，或者很长时间处于静止状态，FTU可以采用101规约的平衡传输,状态量变化主动传输。2在馈线自动化全双工或者半双工的多点共线的情况下使用101规约的快速校验过程配电自动化系统从变电站/开闭所的断路器处的主站到这条线路上的各个FTU的通道结构是多点共线,
13、101规约根据IEC60870-5-101的规定，专门对多点共线的传输过程作了明确的规定，以解决在多点共线的情况下多个FTU同时发生重要状态量变位时，在通道上发生冲突竞争的问题，保证优先级别高的重要状态变位量优先传输。完全符合配电自动化系统对传输规约的要求。其传输过程是这样的：1) 平时主站向多点共线的各个FTU发送广播命令(见图3),召唤各个FTU是否ACD(要求访问位)=1(见广播命令 召唤NO.1 NO.1 广播命令 召唤NO.2 NO.22级用户数据 响应帧 2级用户数据 响应帧下行通道上行通道图3 正常情况下的传输过程101规约P.52),如果任何一个FTU都没有发生1级用户数据,就
14、不作回答，超时以后就向NO.1FTU召唤2级用户数据(见101规约P55(2),NO.1FTU以2级用户数据帧响应，接着又向各个FTU发送广播命令，召唤各个FTU是否ACD=1, 如果任何一个FTU都没有就不作回答，超时以后向NO.2FTU召唤2级用户数据，NO.2FTU即以2级用户数据帧作为回答,之后接着又向各个FTU发送广播命令.,这个过程重复下去,直到收集完了这个多点共线的最后一个NO.nFTU的2级用户数据，接着又向各个FTU发送广播命令.。这种召唤的顺序过程,解决了重要状态量变位优先传输的问题。2) 如果故障发生在图1的A点, 正好发生在召唤NO.2FTU的测量量的变化量之前,则在传
15、输2级用户数据帧中ACD位将置1,通知主站NO.2FTU发生了状态变位,主站在收集了测量量帧以后, 主站就中断正常的传输过程,只召唤各个FTU的故障状态,并按照对半分割法(如果采用全双工通道,不需要传输3个空闲间隔,但保留一个前置字节),向NO.5FTU发送召唤要求访问位的的请求帧(帧长为5个字节见101规约P.52),NO.5FTU即以要求访问位的响应帧(帧长为5个字节见101规约P.53)响应,此时ACD=0,接着主站向NO.3FTU发送要求访问位的请求帧,NO.3FTU以要求访问位的响应帧问答,此时ACD=1,接着主站向NO.4FTU发送请求要求访问位的请求帧,NO.4FTU以要求访问位
16、响应帧响应,此时ACD=0,根据收集到的各个ACD的状态,ACD2=1, ACD3=1, ACD4=0, ACD5=0,就可以判断故障发生在区段3-4之间.。这样总共需要传输3´ (12´ 11)=396比特,传输时间为396/600=0.66秒。4)一般发生故障时,几个FTU同时检出故障,当主站向各个FTU发送广播命令时，检出故障的几个FTU同时回答,将发生冲突, 主站将接受不正确,无法确定是那一个区段发生故障,但根据DCD的状态，知道是有几个FTU传输,主站将打破原来的传输过程,按照对半分割法,依次向各个FTU召唤各个FTU的要求访问位。召唤过程如图4所示(链路串连
17、7个F=RTU)。召唤NO.4的要求访问位(ACD)有?有 无召唤FTU6 的ACD 召唤FTU2 的ACD有? 有?有 无 有 无召唤FTU7 的ACD 召唤FTU5的ACD 召唤FTU3的ACD 召唤FTU1的ACD111(7-) ,110(6-7区段) 101(5-6区段),100(4-5区段) 011(3-4区段), 010(2-3区段) 001(1-2区段),000图4 对故障区段的对半分割检索过程采用这种召唤过程,主站具有主动性,而不是被动地等待接收,并可以采用一些比较好的检索方法(对半分割检索),确定故障区段,如果链路串连7个FTU只需要召唤3次,如果串连15个FTU只需要召唤4
18、次就可以确定故障区段。确定了故障区段以后，就进行故障隔离，恢复供电,然后向各个有要求访问位的FTU召唤1级用户数据。这种检索过程的时间是固定的，串连7个FTU发现故障地点所需时间为3´ 12´ 11/600=396/600=0.66秒,串连15个FTU确定故障区段其所需要的时间为4´ 12´ 11/600=528/600=0.88秒。如果在发送广播命令时,只有NO.1FTU传输了要求访问帧,有必要再召唤NO.2FTU的要求访问帧,以确定是否只有NO.1FTU有1级用户数据.此时识别故障的时间为2´ 12´ 11/600=2
19、64/600=0.44秒如果通道采用半双工,上述分析仍然有效。从上面的介绍说明101规约完全满足配电自动化系统对数据传输的要求。4 在配电自动化系统的多点共线中采用非国际标准DNP3.0规约将使识别故障的传输时间大大延长1) DNP3.0不符合国际电工委员会国际标准IEC60 870-5-1的FT3的帧格式。DNP3.0的文件中说明DNP3.0是符合IEC60870-5-1的帧格式中的FT3帧格式，事实上有五个方面不一样 ,IEC60870-5-1的FT3帧格式规定：(1)每个数据的八位字节没有启动位和停止位,也就是数据的一个八位字节和另一个八位字节是连续的,中间没有其他比特位(见IEC608
20、70-5-1P.35(3),而DNP3.0的每个八位字节都有一个启动位和停止位。(2)每个数据的八位字节由高位比特先传输,低位比特后传输,(见 IEC870-5-2的P.23(4), 而DNP3.0的每个八位字节都是低位比特先传输,高位比特后传输。(3)帧的数据区的CRC校验是从通道发送的数据码求得的,CRC码的高字节先传送,低字节后传送(见IEC60870-5-1的P49,P51(3)。而DNP3.0的CRC码的发送顺序正在好相反。(4)CRC码的每个字节的发码顺序是高位比特先传送，低位比特后传送(见IEC60870-5-1P.49,P.51),而DNP3.0的传送顺序正好相反。(5)DNP
21、3.0的应用数据元素的定义和编码和IEC60870-5-4完全不同。从上述五点可以看出，不能说DNP3.0是符合IEC60870-5-1 FT3的帧格式或者和IEC标准兼容。2) DNP3.0是平衡传输,根据DNP3.0链路层的说明(8)(9),经常使用的传输模式为变位扫瞄方式和非请求变位工作方式,在这里假设通道为全双工，DNP3.0在多点共线的情况下应用时将发生如下问题。1 变位扫瞄方式(见图8)没有传输优先级,使得故障识别的时间大大延长,其传输过程如下:(1)主站平时经常请求FTU的全数据即静态数据(帧长为17个字节,帧长字节均见参考文献11的DATA LINK LAYER,APPLICA
22、TION LAYER),FTU即以确认帧回答(根据主站传输的帧中的确认位为0,FTU可以不用确认帧回答)；(2)接着FTU将主站所请求的数据向主站传输(帧长为25个字节),主站以确认帧回答(帧长为14个字节),如果在这之前有状态量变位,在FTU向主站传输数据帧中在变位状态字节中将那一级数据变位的状态位置1,主站接受以后得知有某一级用户数据发生变化；(3)接着向FTU请求那一级的用户数据(帧长为17个字节),FTU以确认帧回答(根据主站传输的帧中的确认位为0,FTU可以不用确认帧回答)；(4)然后FTU向主站主动传输那一级的数据,假设只有1个状态量发生变位的帧长为20个字节,主站接受以后就以确认
23、帧回答(帧长为14个字节见图5)。这个FTU数据变化的传输过程才告结束,所需要的传输字节为17+25+17+20+14+5=98个字节(5为每一个帧都得增加一个前置字节),一个FTU传输时间为980/600=1.633秒,如果有n个FTU检出故障,总的传输时间为1.633´ n秒(1)请求NO.1 NO.1 (2)NO.1 传输 确认帧 (3)召唤NO.1 NO.1 (4) NO.1传输 确认帧 全数据 确认 所请求数据 状态量变位 确认 状态量变位 下行通道上行通道图5变位扫瞄传输模式的传输过程同样是召唤全数据或者召唤2级用户数据之前发生了状态变位,采用 101规约只有2个传输过
24、程就可以将状态变位收集完成,采用DNP3.0传输规约的传输过程从图5可以看到至少需要有4个传输过程,需要传输98个字节,传输时间将为1.633秒。按照这个过程，如果某个FTU例如NO.3FTU刚被主站扫瞄召唤全数据以后，主站转向NO.4扫瞄时正好发生状态量变位，那么就要等到对这条线路上的全部FTU扫瞄一次，再重新对发生状态量变位的NO.3FTU扫瞄时才能将这个NO.3FTU的状态量变位传输到主站，这种传输过程不能实现重要的信息优先传输，将使得状态量变位传输的响应时间大大延长。如果通道为半双工，上面的分析仍然有效。2 采用DNP3.0的非请求变位工作方式，在线路故障时发生传输冲突,使得识别故障时
25、间大大延长： 如果采用非请求变位工作方式(8 P7.17.3), 在多点共线的通道结构的情况下,可能发生几个FTU 同时要求传输数据，发生冲突的问题。为了避免冲突只能采用载波监听的方式，而次要信息可能占用通道得到优先传输。假定短路故障用一个状态量的变化代表，按照DNP3.0规约P.53的规定帧长为20个字节,主站以确认帧(见参考文献11)回答,确认帧(帧长为14个字节),这样主动传输报文的帧长为20n(n为主动传输报文的站数),由于向主站传输的报文的两帧之间必须有3个字节长度的间隔,以便和报文本身的3个全零字节区别,在发送报文之前,先发送一个字节长度的空信号(这和101规约主动传输的情况一样)
26、,这样相当于一帧要传输24个字节,加上一个确认帧的帧长,识别故障的帧长为10(24n+15),如果传输速率为600波特, 传输时间为10(24n+15)/600秒。因为主站需要全部接收到各个发生变位的FTU的报文以后，才能正确判断故障发生的区段，而且各个主动发送的FTU会一个接一个的不间断的传输，不会间歇，一直到全部需要发送的报文传输完了，因此随着发生故障的区段n的增加,传输时间将大大延长,如果n=2传输时间为630/6001.05秒, n=7传输时间为1830/600=3.05秒,如果故障发生在1-2区段n=1,NO.1FTU传输报文以后,还需要确认只有一个FTU有状态变位,最好的办法是召唤
27、NO.2FTU的全数据,从其响应帧中,可以得知是否有某个级别为1,确认是1-2区段发生故障,这样传输字节为24+14+17+25=80个字节，传输时间为1.333秒，这还不包括主站向FTU召唤，子站需要传输响应的报文的传输时间。所以采用平衡传输的DNP3.0规约可能造成重要信息的传输延时大大增加,无法保证优先级别高的信息优先传输,甚至造成重要信息的丢失,这个是平衡传输规约DNP3.0用于多点共线的通道结构的情况下的固有的弱点。如果通道为半双工，时间配合将更加复杂。6 DNP3.0规约和101规约识别故障所需时间的比较(表1)假设链路串连7个FTU,传输速率为600波特。-识别故障时间( n为检
28、出短路电流的FTU数目)-非请求传输(主动传输) 快速-校验-过程(对半检索) 变位扫瞄方式-1-2区段 7-8区段 1-2区段 其他区段 1-2区段 其他区段-101规约 0.568秒 2.56秒 0.44秒 0.66秒-DNP3.0 1.333秒 3.05秒 1.533秒 1.633´ n秒-表1 由于DNP3.0的传输帧格式比101规约的帧格式要长得多、复杂得多,传输过程又没有广播命令传输过程,不能实现传输优先级,在多点共线和串连7个FTU的情况下，识别故障的时间见表1,可以看出101规约的快速-校验-过程完成故障识别所需传输时间比采用DNP3.0规约非请求传输所需传输时间大
29、约节省4/5到2/3,从传输性能来比较,应用在多点共线的情况下101规约的快速-校验-过程要比101规约的FTU非请求传输(状态量变位主动传输)的性能好,比非国际标准DNP3.0规约的非请求传输(状态量变位主动传输)的性能更好。5结束语本文对配电自动化系统的分层系统结构、信息传输的特点以及所应该采用的通信规约作了论述,为了信息传输的可靠性,对通信规约提出了保证重要信息的优先传输以及传输时间响应的要求，并提出对于RTU、变电层单元或者集中器和配电管理中心之间传输信息应采用电力行业标准-基本远动任务配套标准(DLT634-1997)中的点对点通信规约的规定，对于多点共线、多点星形、多点环形通道结构(FTU和主站之间传输信息)应采用电力行业标准-基本远动任务配套标准(DLT634-1997)的快速-校验-过程规定。窗体顶端窗体底端
