iec-870-5系列及dnp v3.0规约简介.doc

1、Comment JC1: Page: 1Jim Y. Cai 2018/4/20特 约 文 章。 摘 自 待 出 版 一 书 5IEC-870-5系列及 DNP V3.0规约简介摘 要SCADA 行 业 如 今 终 于 有 了 国 际 标 准 规 约，IEC8705 系 列 以 及 美 国 标 准 DNP V3.0。 由 于 标 准 规 约 的 适 用 面 广， 理 解， 使 用 及 实 现 标 准 规 约 难 度 增 大。 这 里 介 绍 这 两 个 规 约 体 系 的 基 本 框 架， 重 点 介 绍 在 北 美 及 中 国 使 用 的 DNP3.0 规 约 以 及 使 用 中 应 注 意

2、 的 问 题。关 键 字: SCADA，配电自动化，变电站自动化 IEC 8705 系 列 规 约 由 总 部 设 在 瑞 士 日 内 瓦 市，多 个 成 员 国 组 成 的 国 际 性 组 织 制 定 的 关 于“ 遥 控 设 备 和 系 统 第 五 部 分， 通 讯 规 约” 系 列。DNP3.0 是 美 国 IEEE 的 电 力 工 程 协 会 (PES) 在 IEC 的 基 础 上 制 定 的 美 国 国 家 标 准。 DNP 为 Distributed Network Protocol ( 分 布 网 络 规 约) 的 缩 写。一。 IEC 8705 系 列 规 约IEC 8705

3、规 约 系 列 由 三 大 部 分 组 成，1. 物 理 层 的 选 用 和 数 据 链 层 的 定 义 和 选 用; 2. 应 用 层 基 本 功 能 定 义 及 选 用，3. 各 个 典 型工 业 过 程 的 数 据 及 功 能 定 义 标 准。 IEC8705 系 列 规 约 文 件 有 ( IEC 已 将 870 编 号 改 为 60870 )。IEC 60870-5-1 1990 年 02 月 遥 控 设 备 和 系 统第 五 部 分，通 讯 规 约, 第 一 节 传 输 帧 格 式；Jim Y. Cai 2018/4/20特 约 文 章。 摘 自 待 出 版 一 书 5IEC 60

4、870-5-2 1992 年 04 月 遥 控 设 备 和 系 统第 五 部 分，通 讯 规 约, 第 二 节 联 结 传 输 步 骤；IEC 60870-5-3 1992 年 09 月 遥 控 设 备 和 系 统第 五 部 分，通 讯 规 约, 第 三 节 应 用 数 据 通 用 格 式；IEC 60870-5-4 1993 年 09 月 遥 控 设 备 和 系 统第 五 部 分，通 讯 规 约, 第 四 节 应 用 数 据 的 定 义 和 编 码，IEC 60870-5-5 1995 年 07 月 遥 控 设 备 和 系 统第 五 部 分，通 讯 规 约, 第 五 节 基 本 应 用 功

5、能；IEC 60870-5-101 1995 年 11 月 遥 控 设 备 和 系 统第 五 部 分，通 讯 规 约, 第 101 节 用 于 基 本 遥 控 应 用 补 充 标 准；IEC 60870-5-102 1996 年 06 月 遥 控 设 备 和 系 统第 五 部 分，通 讯 规 约, 第 102 节 用 于 电 力 系 统 总 加 数 据 传 输 的 补 充 标 准；IEC 60870-5-103 1995 年 2 月( 初 稿 ) 遥 控 设 备 和 系 统 第 五 部 分， 通 讯 规 约, 第 103 节 用 于 保 护 设 备 通 讯 的 补 充 标 准。特 别 要 注

6、意 的 是，IEC 8705 及 DNP 3.0 规 约 并 没 有 将 所 有 的 内 容 全 部 固 定。 它 们 固 定 一 些 基 本 组 成 的 格 式 以 保 证 标 准 的 通 用 性， 同 时 它 们 规 定 了 一 些 基 本 规 则 和 选 择 范 围。 以 适 应 各 种 设 备 及 系 统。物 理 层 数据传输帧格式及方式层 系 列 RS232, V.24/V.28 FSK MODEM (bits/s): 300, 600, 1.2k, 四种数据传输帧 格式FT1.1，对 等 101102Jim Y. Cai 2018/4/20特 约 文 章。 摘 自 待 出 版 一

7、书 52.4k,4.8k, 9.6k, 19.2k同 步 RS232， X.24/X.27速 率(bits/s): 600,1.2k,2.4k,4.8k,9.6k,19.2k,64kFT1.2，FT2，FT3. 103DNP 3.0 异 步 RS232 ，V.24/V.28 FSK MODEM 类 似 FT3 发方式 57 IEC 规 定 的 数 据 传 输 基 本 方 式 为 8 个 数 据 位，1 个 起 始 位，1 个 偶 校 验 位。IEC FT 的 四 种 帧 格 式 依 有 无 帧 校 验 和 帧 校 验 的 长 度 及 频 度 而 不 同。 FT1.1 的 帧 以 一 个 起 始

8、 字 节 开 始， 应 用 数 据 之 后 的 终 止 字 符 为 一 帧， 一 帧 中 应 用 数 据 长 度 为 0 127 字 节， 无 帧 校 验。 FT1.2 一 帧 中 应 用 数 据 长 度 为 0 255 字 节， 在 终 止 字 符 之 前 有 一 个 字 节 的 帧 校 验 字 节。FT2 的 帧 以 一 个 起 始 字 节 开 始， 每 十 五 个 应 用 数 据 之 后 加 一 个 单 字 节 的 校 验 码。 一 帧 的 中 应 用 数 据 长 度 0255。 FT3 的 帧 以 二 个 起 始 字 节 开 始， 每 十 六 个 应 用 数 据 之 后 加 两 个 单

9、 字 节 的 校 验 码。 一 帧 的 中 应 用 数 据 长 度 为 0255。 IEC 8705 系 列 规 定 了 起 始 及 终 止 字 符 的 选 择 范 围， 还 规 定 了 校 验 码 的 计 算 方 法 以 及 传 输 中 的 时 间 配 合。 帧 中 应 用 数 据 长 度 也 有 固 定 长 度 格 式 及 变 化 长 度 格 式。帧格式距离 传 输 效率应 用 范 围FT1.1 2 I1 72% 简单数据更新，如读取测试数据，打印机，绘图仪Jim Y. Cai 2018/4/20特 约 文 章。 摘 自 待 出 版 一 书 5FT1.2 4 I2 61% 简单数据更新，如

10、读取测试数据，打印机，绘图仪FT2 4 I2 88% 比较严格性能要求FT3 6 I2 78% 较严格性能，数据完整要求。用于同步共用通讯。二。 DNP3.0 规 约DNP3.0 是 美 国 IEEE 的 电 力 工 程 协 会 (PES) 在 IEC 的 基 础 上 制 定 的 美 国 国 家 标 准。IEEE/PES 推 荐 的 标 准 是 两 个， IEC870-5-101 和 DNP 3.0。 DNP 最 开 始 的 老 版 本 为 加 拿 大 一 家 RTU 生 产 厂 家 自 己 的 专 用 规 约。 在 IEC8705 开 始 工 作 以 后， IEEE 也 开 始 制 定 自

11、己 的 规 约， 并 选 择 DNP 为 蓝 本。实 际 上 DNP 仅 仅 是 物 理 层 和 数 据 链 层 参 照 了 IEC8705， 应 用 层 则 完 全 与 IEC705 不 同。 因 为 当 时 IEC 8705 的 应 用 层 也 没 有 制 定 出 来。 1993 年 DNP 发 表 的 标 准 文 件 有：DNP 3.0 Data Link Layer ( DNP 3.0 的 数 据 链 )DNP 3.0 Transport functions ( DNP 3.0 的 传 输 层 )DNP 3.0 Application Layer ( DNP 3.0 的 应 用 层 )

12、DNP 3.0 Data Object Library ( DNP 3.0 的 应 用 数 据 格 式 库)在 1995 年， 鉴 于 DNP3.0 的 功 能 庞 大， 在 现 有 设 备 上 实 现 全 部 DNP3.0 的 功 能 很 难， 必 要 性 也 不 大，DNP 用 户 协 会 将 DNP3.0 的 功 能 分 为 3 个 子 集， 出 版 了 DNP 3.0 Subset Definitions ( DNP 3.0 子 集 定 义 )1。DNP 3.0 中 应 用 数 据 的 分 类DNP3.0 将 基 本 应 用 数 据 分 为 四 大 类， 固 态 值 (Static),

13、 事 件 数 据 Jim Y. Cai 2018/4/20特 约 文 章。 摘 自 待 出 版 一 书 5(Event), 固 态 冻 结 数 据 (Frozen Static), 事 件 冻 结 数 据 (Frozen Event)。 同 时 这 四 大 类 数 据 分 四 个 组 ( Class )。 第 零 组 固 定 为 所 用 的 固 态 值 数 据， 第 二， 三， 四 组 全 部 为 事 件 数 据 分 组， 并 且 每 个 事 件 数 据 的 分 组 可 以 任 意 在 线 修 改。DNP3.0 中 所 有 的 数 据 都 可 含 有 一 个 字 节 标 帜 ( flag )或

14、 称 为 值 的 状 态， 其 中 第 一 至 第 五 位 比 较 通 用， 分 别 表 示 on-line 实 时 在 线, restart 重 启 动, communication lost 通 讯 中 断, remote forced data 远 方 强 行 修 改, local forced data 本 地 强 行 修 改。固 体 值 为 某 个 物 理 或 逻 辑 状 态 的 当 前 值， 可 以 是 16 位 或 32 位 数 据； 事 件 数 据 为 某 个 物 理 或 逻 辑 状 态 的 变 化， 可 以 含 有 变 化 的 时 间；固 态 冻 结 数 据 顾 名 思 义

15、为 固 体 数 据 在 某 个 时 刻 的 值，可 以 含 有 时 间； 冻 结 固 态 数 据 可 作 为 事 件 来 反 映， 这 种 数 据 称 为 事 件 冻 结 数 据。 涉 及 到 的 时 间 可 以 是 相 对 时 间， 也 可 以 是 绝 对 时 间。在 DNP 3.0 中， 所 有 的 应 用 数 据 按 块 ( Object ) 来 定 义， 每 个 块 都 有 规 定 的 格 式 及 对 应 的 编 号， 它 们 组 成 DNP3.0 的 应 用 数 据 格 式 库 ( Data Object Library)。 应 用 数 据 的 编 号 方 法 为 数 据 块 组 号

16、 ( Object Group ) 和 对 应 的 块 变 异 编 号 ( Object Variation ) 所 组 成。 下 面 是 数 据 块 23 块 变 异 编 号 5 的 格 式。( 32 位 计 数 器 冻 结 带 时 间)标 帜 (Flag) 7 6 5 4 3 2 1 0 1 个 字 节冻 结 数 据 31 4 个 字 节0冻 结 时 间 47 8 个 字 节0Jim Y. Cai 2018/4/20特 约 文 章。 摘 自 待 出 版 一 书 52。DNP 3.0 中 的 扫 描 方 式 DNP3.0 的 扫 描 方 式， 按 DNP3.0 文 本， 分 为 四 种 基

17、本 扫 描 方 式。 哑 态 工 作 方 式。 主 站 从 不 主 动 与 仆 从 设 备 通 讯， 一 切 通 讯 为 仆 从 设 备 的 自 发 通 讯 来 报 告 变 化 数 据 非 请 求 变 位 工 作 方 式。 与 哑 态 唯 一 的 不 同 是， 主 站 会 请 求 所 有 静 态 数 据 变 位 扫 描 方 式。 主 站 会 请 求 所 有 静 态 数 据， 并 不 时 地 扫 描 变 化 数 据。 扫 描 静 态 方 式。 主 站 仅 仅 请 求 所 有 或 部 分 静 态 数 据。实 现 DNP3.0 这 四 种 标 准 扫 描 方 式 的 方 法 不 同 会 产 生 数

18、据 实 时 性 的 区 别。 在 最 常 用 的 变 位 扫 描 方 式 中，DNP3.0 可 以 利 用 两 种 方 法 来 获 得 变 位 数 据， 一 是 读 取 事 件 数 据 来 获 得 变 位 数 据。 依 DNP3.0, 变 位 数 据 有 数 字 量， 模 拟 量， 累 积 计 数 量 的 变 化 数 据。 而 事 件 数 据 就 更 多。 因 此 利 用 读 取 事 件 数 据 来 获 得 变 位 数 据 灵 活 性 大， 可 以 在 线 修 改。 自 然 实 现/ 测 试 都 比 较 复 杂。 通 道 利 用 效 率 都 会 不 同。 二 是 利 用 简 单 的 方 法 来

19、 读 取 固 定 的 变 化 数 据， 例 如 仅 读 取 不 带 时 间 的 数 字 量 变 位 ( 块 2 变 异 编 号 1 ) 和/或 16 位 不 带 时 间 的 模 拟 量 变 化 ( 块 32 变 异 编 号 2 )。 这 样 通 道 的 效 率 比 较 容 易 保 证。3。 DNP 3.0 的 几 个 典 型 命 令Jim Y. Cai 2018/4/20特 约 文 章。 摘 自 待 出 版 一 书 5DNP3.0 的 功 能 代 码， 数 据 链 层 有 6 个， 应 用 层 的 有 25 个， 应 用 数 据 格 式 有 57 个。 与 以 前 规 约 大 不 同 的 地

20、方 是 DNP3.0 应 用 层 支 持 非 应 答 方 式 的 自 发 方 式， 即 通 讯 一 方 可 以 在 无 任 何 其 它 通 讯 方 的 数 据 请 求 时， 向 其 它 通 讯 方 主 动 传 送 数 据。 这 个 命 令 方 式 实 现 起 来 比 较 难， 主 要 要 解 决 碰 撞 问 题。DNP 3.0 的 命 令 代 码 分 为 两 个 层 次 的 命 令 代 码， 一 个 是 数 据 链 层 的 帧 传 输 控 制 命 令 代 码； 一 个 是 应 用 层 的 功 能 代 码。 应 用 层 的 功 能 代 码 ( 如 读，写 命 令 ) 与 对 应 的 参 数 形

21、成 完 整 的 应 用 层 的 报 文。 这 里， 应 用 层 功 能 代 码 对 应 的 参 数 主 要 由 DNP3.0 的 应 用 数 据 的 类 型 和 索 引 组 成。常 用 的 应 用 层 功 能 码 有 读，写，控 制， 冻 结， 事 件 数 据 的 在 线 分 组，自 发 命 令，其 它 大 类。读 命 令 为 命 令 代 码 1， 用 于 读 取 各 种 静 态， 事 件 以 及 RTU 配 置 数 据。写 命 令 代 码 为 2， 在 DNP 3.0 中 比 较 含 糊， 有 时 甚 至 可 以 作 为 控 制 用， 通 常 用 于 写 时 间 ( 块 50 )， 内 部

22、指 示 数 据 ( 块 80) 和 数 据 文 件 ( 块 70)。 控 制 命 令 有 4 个 命 令 代 码， 分 别 为 选 通 3， 操 作 4， 直 接 操 作 5， 无 确 认 直 接 操 作 6。冻 结 命 令 则 有 6 个 命 令 代 码， 分 别 适 应 不 同 的 应 用。 它 们 是 立 即 冻 结 7， 无 确 认 立 即 冻 结 8， 冻 结 置 零 9， 无 确 认 冻 结 置 零 10， 按 时 间 冻 结 11， 无 确 认 按 时 间 冻 结 12。 值 得 注 意 的 是，DNP3.0 提 供 的 按 时 间 冻 结 方 式 及 计 数 器 冻 结 带 时

23、 间 数 据 可 以 完 全 解 决 长 期 以 来 RTU 脉 冲 累 积 容 易 丢 失 的 问 题。 主 站 利 用 这 个 功 能 就 不 会 因 在 整 点 读 不 到 脉 冲 数 据 而 丢 失 这 个 数 据。事 件 数 据 的 在 线 分 组 命 令 代 码 为 22， 这 个 命 令 是 为 了 配 合 读 事 件 数 据 组 数 据 ( 数 据 块 60 ) 而 设。自 发 命 令 功 能 的 启 动/ 停 止 分 别 为 代 码 20，21。 自 发 命 令 本 身 的 代 码 为 130。其 它 命 令 还 有 冷 热 启 动 ( 代 码 13,14)， 数 据 程 序

24、 初 始 化 ( 15,16 )， Jim Y. Cai 2018/4/20特 约 文 章。 摘 自 待 出 版 一 书 5程 序 启 动/ 停 止 ( 17,18 )， 结 构 保 存 ( 19 ) 和 仆 从 侧 确 认 代 码 129。4。DNP 实 际 使 用 中 的 注 意 事 项* 检 查 由 DNP 设 备 厂 家 提 供 的 标 准 DNP 规 约 实 施 表。( DNP V3.0 Device Profile Document )DNP 3.0 的 标 准 中 附 有 DNP 规 约 实 施 表。 其 目 的 就 是 为 了 方 便 DNP 3.0 的 用 户 在 选 择 D

25、NP3.0 设 备 时， 保 证 各 厂 家 设 备 之 间 的 相 互 操 作 性。 或 者 说， DNP3.0 主 站 功 能 要 求 仆 从 侧 均 能 满 足， 仆 从 侧 的 功 能 特 点， 主 站 侧 也 能 完 全 发 挥 出 来。* 检 查 对 事 件 数 据 的 在 线 分 组 方 式。时 间 数 据 的 总 线 分 组 能 力 是 调 整 系 统 实 时 响 应 及 提 供 通 道 效 率 的 有 效 方 法。 特 别 是 应 用 对 象 不 同， 关 心 的 重 点 不 同 时， 其 效 果 比 较 明 显。* 要 求 DNP 主 站 侧 设 备 厂 家 提 供 的 D

26、NP 初 始 化 及 正 常 扫 描 所 用 命 令， DNP 仆 从 侧 设 备 厂 家 提 供 约 定 缺 省 的 数 据 块 变 异 编 号，保 证 有 效 地 使 用 通 讯 通 道。DNP3.0 中， 不 少 命 令 是 重 复 的， 应 用 数 据 也 是 重 复 的。主 站 扫 描 方 式 不 同， 一 方 面 可 以 减 少 各 种 重 复， 提 高 通 道 效 率， 同 时 可 以 一 定 程 度 上 实 现 实 时 优 先 级。* 检 查 DNP 主 设 备 和 仆 设 备 厂 家 提 供 的 有 关 DNP 未 明 确 定 义 部 分 的 实 施 说 明DNP3.0 规

27、约 并 不 完 整， 新 的 版 本 也 会 出 现。 这 个 问 题 中 最 明 显 的 就 是 模 拟 量 变 化 扫 描 死 区 的 设 置。DNP3.0 规 定 的 方 法 完 全 不 能 保 证 厂 家 之 间 的 相 互 操 作 性。Jim Y. Cai 2018/4/20特 约 文 章。 摘 自 待 出 版 一 书 5感 谢在 此 特 别 感 谢 国 家 电 力 调 度 通 讯 中 心 辛 耀 中 先 生 的 支 持 鼓 励。 并 欢 迎 读 者 与 作 者 联 系， 作 者 的 电 子 邮 件 地 址 为 。附 录 术 语 解 释1。哈 明 顿 距 离 (Hamming Dis

28、tance)编 码 方 式 的 检 错 和 自 矫 错 能 力 指 标， 它 的 值(H) 表 示 在 传 送 的 一 帧 数 据 时，编 码 方 式 能 够 检 测 并 恢 复 多 少 个 错 误 代 码 的 数 目。 并 且 理 论 上 能 够 检测 (H-1) 个 错 误 代 码。为 了 检 测 并 校 正 出 e 个 错 误 码，你 编 码 的 哈 明 顿 距 离 至少为 2e+1。哈 明 顿 距 离 的 严 格 定 义 是， 某 个 由 各 种 编 码 组 成 的 编 码 集， 该 编 码 集 中 各 个 编 码 之 间 不 相 同 的 最 小 代 码 数 为 该 编 码 集 的 哈

29、 明 顿 距 离。2。 数 据 完 整 性 指 标数 据 完 整 性 指 标 用 于 评 价 规 约 丢 失 数 据 和 不 能 校 验 错 误 代 码 的 统 计 指 标。IEC 定 义 了 三 个 级 别 的 数 据 完 整 性 指 标 I1， I2， I3。 I1 的 完 整 性 最 差。它 们 的 特 点 可 通 过 下 表 可 以 比 较。 其 中 的 残 余 错 误 代 码 率 为 未 检 测 到 的 错 误 信 息 总 数 与 总 的 传 输 信 息 数 之 比。 残 余 信 息 丢 失 率 为 未 检 测 到 的 信 息 丢 失 总 数 与 总 的 传 输 信 息 数 之 比。

30、Jim Y. Cai 2018/4/20特 约 文 章。 摘 自 待 出 版 一 书 5在 1200 bits/s 通 讯 速 率， 误 码 率 BER 为 10 4， 一 帧 数 据 大 小 为 100 位。数据完整性指标 残余错误代码率 出现未能校验出错误代码的平均时间典型应用I1 106 1 天 周期更新系统；远程读表I2 1010 26 年 事件驱动传输I3 1014 26000 年 重要信息传输，遥控3。规 约 的 传 输 效 率规 约 的 传 输 效 率 为 （K * qN ) / N这 里 K 为 一 帧 中 的 应 用 数 据 位 数；N 为 一 帧 中 的 所 有 数 据 位。 包 括 起 始 终 结 字 符， 校 验 位， 校 验 字， 分 割 符;q 为 接 收 正 确 代 码 的 概 率。Basics of IEC-870-5 Series and DNP V3.0 ProtocolsJim Y. Cai