關于配電自動化系統(tǒng)的傳輸規(guī)約.doc

關于配電自動化系統(tǒng)的傳輸規(guī)約關于配電自動化系統(tǒng)的傳輸規(guī)約摘要 文章介紹了配電自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c和要求,國際電工委員會有關數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約基本標準的一些規(guī)定,電力行業(yè)標準-基本遠動任務配套標準(DLT634-1997)(2)在配電自動化中應用,以及采用DNP3.0規(guī)約(11)在配電自動化中的應用中的問題。關鍵詞 配電自動化 傳輸規(guī)約目前在我國城網和農網的改造正在啟動,各地正在進行配電自動化的規(guī)劃或者著手開展這方面的工作,配電自動化的標準和傳輸規(guī)約問題引起人們的極大關注,有的人認為目前國內或者國際上都沒有標準,有的人認為應該采用某種非國際標準的傳輸規(guī)約(例如DNP3.0)等,本文就國際標準傳輸規(guī)約IEC60870-5-101基本遠動任務配套標準(即我國的電力行業(yè)標準DL/T634-1997基本遠動任務配套標準)在配電自動化系統(tǒng)應用中的一些特殊問題進行一些介紹。1 配電自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c及要求配電電力系統(tǒng)是一個分層的配電網絡,其配電自動化系統(tǒng)如圖1所示。變電站、開閉所 配電自動化系統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng) RTU/集中器變電站單元17為負荷開關FTU1 FTU7 FTU1 FTU5I 斷路器 II FTU2 FTU6 FTU2 FTU48 7 6 5FTU3 FTU5 FTU3 1 2 3 4FTU4(A) 配電電力系統(tǒng)示意圖 (B) 配電自動化系統(tǒng)示意圖圖1 配電電力系統(tǒng)和配電自動化系統(tǒng)示意圖在配電自動化系統(tǒng)中，節(jié)約通道投資一個非常重要的問題。FTU都是沿配電線路安裝的，比較經濟、合理的通道配置是采用多點共線的方式，用一根通道將各個FTU連接起來，這樣可以節(jié)約通道投資和主站的設備投資，也可能采用多點星形 、多點環(huán)形 (圖2),或者撥號方式。配電自動化系統(tǒng)是電力系統(tǒng)控制的一個組成部分,具有電力系統(tǒng)生產過程的共性,都要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)母邤?shù)據(jù)完整性和時間響應要求快、有不同的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級和不同響應時間的要求以及各個終端分布地域廣的特點，這些是電力系統(tǒng)生產的性質所決定的。但是配電自動化系統(tǒng)有其特殊性,就是FTU采用的傳輸通道是多點共線，而在地調和省調自動化系統(tǒng)中在我國大多數(shù)采用點對點的全雙工通道結構。多點環(huán)形 多點星形 多點共線圖2 配電自動化系統(tǒng)的通道結構配電自動化系統(tǒng)的體系結構是一個分層信息系統(tǒng),信息采用逐級傳輸，從變電站、開閉所到配電管理中心的傳輸規(guī)約應該采用DL/T634-1997基本遠動任務配套標準點對點的傳輸規(guī)約的規(guī)定, 在饋線自動化中其首要任務是故障識別、故障隔離、恢復供電，如果利用通道采用傳輸電力線路故障信息由主站來識別故障區(qū)段,在故障發(fā)生的時候，優(yōu)先地、快速地傳輸故障狀態(tài)信息就成為快速地完成故障識別的關鍵,下面重點討論饋線自動化的多點共線的傳輸規(guī)約問題。2 國際標準的有關問題1)IEC電力系統(tǒng)控制和通信技術委員會(TC57)是一個專門制定電力系統(tǒng)中遠動系統(tǒng)和配電自動化系統(tǒng)傳輸規(guī)約和標準、變電站自動化系統(tǒng)的通信規(guī)約、通信網絡和系統(tǒng)等標準的機構。我國是IEC的成員國,在我國是等同、等效采用IEC所制定的標準。對于電力系統(tǒng)傳輸規(guī)約(包括配電自動化系統(tǒng)、饋線自動化)IEC已經頒布了IEC60870-5-101基本遠動任務配套標準(1),在我國根據(jù)這個標準已經出版了電力行業(yè)標準(DL/T634-1997基本遠動任務配套標準(2)，下文簡稱101規(guī)約),應在配電自動化系統(tǒng)中大力貫徹101規(guī)約。IEC制定一系列遠動傳輸規(guī)約基本標準和配套標準,基本標準有如下一些規(guī)定:(1)基本標準認為在監(jiān)視和控制系統(tǒng)中,通信功能的最終目的是達到最大的系統(tǒng)一致性,即過程變量狀態(tài)和它們在遠動系統(tǒng)中主站的數(shù)據(jù)庫的鏡象沒有任何差別,尤其在電力系統(tǒng)發(fā)生事故的情況下，數(shù)據(jù)的一致性就顯得格外重要，因此規(guī)定了狀態(tài)量和測量值變化的不同響應時間等指標。(2) 基本標準定義了平衡傳輸和非平衡傳輸。并嚴格規(guī)定平衡傳輸只能用于點對點或者多個點對點的全雙工通道，如果通道為半雙工通道或者為多點共線，多點環(huán)形，多點星形等網絡配置只能采用非平衡傳輸。多點共線采用平衡傳輸時，存在如下影響到傳輸可靠性和SCADA系統(tǒng)性能的問題：一) 信息傳輸?shù)臎_突問題：在多個遠方終端同時要求傳輸時，就發(fā)生各個FTU同時傳輸信息的沖突問題。例如：如果有一個站在傳輸(可能在傳輸非重要的信息)，其他需要傳輸重要信息的站，只能依靠監(jiān)視通道的電平的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)通道已經被占用，就增加延時，繼續(xù)監(jiān)視通道，如果在延時這段時間內又有其他的FTU占用通道,等待到需要傳輸重要信息的FTU再次監(jiān)視通道是否被占用時,如果通道被占用，只能又加延時,繼續(xù)進行監(jiān)視,等待傳輸，這樣就增加了需要緊急傳輸?shù)氖录膫鬏斞訒r，甚至會發(fā)生丟失信息。二) 無法解決傳輸優(yōu)先級的問題：電力系統(tǒng)和配電系統(tǒng)中信息傳輸?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，有些信息傳輸?shù)膬?yōu)先級較低，可以慢慢地傳輸,可是如果這些不重要的信息占用了傳輸通道，就使得重要的信息得不到傳輸?shù)臋C會，這是在多點共線的情況下采用平衡傳輸方式的致命的缺點，所以基本標準嚴格規(guī)定只有在點對點全雙工通道的情況下才能采用平衡傳輸(見IEC60870-5-2鏈路傳輸規(guī)則的P.69(4)。三) 采用平衡傳輸時,識別故障的延時將比較長。3 電力行業(yè)標準-基本遠動任務配套標準(DLT634-1997)在配電自動化中應用的一些特殊問題101規(guī)約是完全采用國際標準IEC 60870-5-101的標準,考慮到我國電力系統(tǒng)的地調、省調自動化系統(tǒng)中大多數(shù)采用點對點全雙工通道，根據(jù)國際標準IEC60870-5-160870-5-5(37)傳輸規(guī)約的規(guī)定,規(guī)定了狀態(tài)變位時,遠方終端可以主動觸發(fā)傳輸狀態(tài)變位幀,實現(xiàn)平衡傳輸?shù)墓δ?。主站主動啟動的傳輸過程是完全遵守IEC60870-5-101的規(guī)定。為了保證快速傳輸配電電力系統(tǒng)的故障狀態(tài),將負荷開關的狀態(tài)和電力系統(tǒng)故障信號等重要信號作為1級用戶數(shù)據(jù)，其他量如測量量和一般告警信號等作為2級用戶數(shù)據(jù)。1如果在饋線自動化的全雙工的多點共線的情況下采用101規(guī)約的平衡傳輸，將發(fā)生如下情況：因為配電系統(tǒng)的特點是從變電站斷路器的出線上安裝了很多負荷開關,一旦在某個區(qū)段發(fā)生故障,例如圖1中A點發(fā)生短路,FTU1、FTU2、FTU3都將檢測到故障電流,形成1級用戶數(shù)據(jù)，將向斷路器處的主站主動發(fā)送1級用戶數(shù)據(jù)的鏈路規(guī)約數(shù)據(jù)單元(報文)，每個FTU需要傳輸報文時,都將監(jiān)視通道是否有其他FTU在傳輸，主站一直等到全部有1級用戶數(shù)據(jù)報文收到以后才能確定哪個區(qū)段發(fā)生了故障(在這里有三個FTU將傳輸報文)。在多點共線的通道結構的情況下,發(fā)生幾個FTU 同時要求傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)生沖突的問題，為了避免沖突只能采用載波監(jiān)聽的方式。假定短路故障用一個狀態(tài)量的變化代表，按照101規(guī)約(見101規(guī)約(2)P.53)的規(guī)定(幀長為15個字節(jié)),主站以確認幀(見101規(guī)約(2)P.93)回答(確認幀的幀長為5個字節(jié)),這樣主動傳輸報文的幀長為15n(n為主動傳輸報文的站數(shù)),由于向主站傳輸報文的兩幀之間必須有3個字節(jié)長度的間隔,以便使得報文本身的3個全零字節(jié)和空閑間隔字節(jié)至少有3位的差別,在斷載頻的情況下為了使得對方的調制解調器穩(wěn)定,需要在發(fā)送報文之前,先發(fā)送一個字節(jié)長度的空信號,這樣相當于一幀要傳輸19個字節(jié),加上一個確認幀的幀長,假設各個FTU能夠依次傳輸,沒有受到其他2級用戶數(shù)據(jù)報文傳輸?shù)挠绊?這樣識別故障傳輸?shù)谋忍財?shù)目為11´ (19n+5),如果傳輸速率為600波特, 識別故障的傳輸時間為11´ (19n+5)/600秒。因為主站需要接收到全部各個發(fā)生變位的FTU的報文以后，才能正確判斷故障發(fā)生的區(qū)段，而且各個主動發(fā)送的FTU會一個接一個的不間斷的傳輸，不會間歇，一直到全部需要發(fā)送的報文傳輸完了才結束。隨著發(fā)生故障的區(qū)段序號n增加,傳輸時間將大大延長, n=7傳輸時間為1518/600=2.53秒。如果故障發(fā)生在1-2區(qū)段，NO.1主動傳輸了狀態(tài)量變位幀,主站接收以后為了慎重起見，需要加上延時等待FTU傳輸，之后再一次向NO.2FTU召喚要求訪問位幀,因為響應幀ACD=0,最后確定是1-2區(qū)段發(fā)生故障,所以傳輸時間為(19+6+6)´ 11/600=0.568秒。如果采用半雙工通道,狀態(tài)量變位主動傳輸?shù)臅r間配合將變得更加復雜。如果FTU平時不傳輸信息，或者很長時間處于靜止狀態(tài)，F(xiàn)TU可以采用101規(guī)約的平衡傳輸,狀態(tài)量變化主動傳輸。2在饋線自動化全雙工或者半雙工的多點共線的情況下使用101規(guī)約的快速校驗過程配電自動化系統(tǒng)從變電站/開閉所的斷路器處的主站到這條線路上的各個FTU的通道結構是多點共線,101規(guī)約根據(jù)IEC60870-5-101的規(guī)定，專門對多點共線的傳輸過程作了明確的規(guī)定，以解決在多點共線的情況下多個FTU同時發(fā)生重要狀態(tài)量變位時，在通道上發(fā)生沖突競爭的問題，保證優(yōu)先級別高的重要狀態(tài)變位量優(yōu)先傳輸。完全符合配電自動化系統(tǒng)對傳輸規(guī)約的要求。其傳輸過程是這樣的：1) 平時主站向多點共線的各個FTU發(fā)送廣播命令(見圖3),召喚各個FTU是否ACD(要求訪問位)=1(見廣播命令 召喚NO.1 NO.1 廣播命令 召喚NO.2 NO.22級用戶數(shù)據(jù) 響應幀 2級用戶數(shù)據(jù) 響應幀下行通道上行通道圖3 正常情況下的傳輸過程101規(guī)約P.52),如果任何一個FTU都沒有發(fā)生1級用戶數(shù)據(jù),就不作回答，超時以后就向NO.1FTU召喚2級用戶數(shù)據(jù)(見101規(guī)約P55(2),NO.1FTU以2級用戶數(shù)據(jù)幀響應，接著又向各個FTU發(fā)送廣播命令，召喚各個FTU是否ACD=1, 如果任何一個FTU都沒有就不作回答，超時以后向NO.2FTU召喚2級用戶數(shù)據(jù)，NO.2FTU即以2級用戶數(shù)據(jù)幀作為回答,之后接著又向各個FTU發(fā)送廣播命令.,這個過程重復下去,直到收集完了這個多點共線的最后一個NO.nFTU的2級用戶數(shù)據(jù)，接著又向各個FTU發(fā)送廣播命令.。這種召喚的順序過程,解決了重要狀態(tài)量變位優(yōu)先傳輸?shù)膯栴}。2) 如果故障發(fā)生在圖1的A點, 正好發(fā)生在召喚NO.2FTU的測量量的變化量之前,則在傳輸2級用戶數(shù)據(jù)幀中ACD位將置1,通知主站NO.2FTU發(fā)生了狀態(tài)變位,主站在收集了測量量幀以后, 主站就中斷正常的傳輸過程,只召喚各個FTU的故障狀態(tài),并按照對半分割法(如果采用全雙工通道,不需要傳輸3個空閑間隔,但保留一個前置字節(jié)),向NO.5FTU發(fā)送召喚要求訪問位的的請求幀(幀長為5個字節(jié)見101規(guī)約P.52),NO.5FTU即以要求訪問位的響應幀(幀長為5個字節(jié)見101規(guī)約P.53)響應,此時ACD=0,接著主站向NO.3FTU發(fā)送要求訪問位的請求幀,NO.3FTU以要求訪問位的響應幀問答,此時ACD=1,接著主站向NO.4FTU發(fā)送請求要求訪問位的請求幀,NO.4FTU以要求訪問位響應幀響應,此時ACD=0,根據(jù)收集到的各個ACD的狀態(tài),ACD2=1, ACD3=1, ACD4=0, ACD5=0,就可以判斷故障發(fā)生在區(qū)段3-4之間.。這樣總共需要傳輸3´ (12´ 11)=396比特,傳輸時間為396/600=0.66秒。4)一般發(fā)生故障時,幾個FTU同時檢出故障,當主站向各個FTU發(fā)送廣播命令時，檢出故障的幾個FTU同時回答,將發(fā)生沖突, 主站將接受不正確,無法確定是那一個區(qū)段發(fā)生故障,但根據(jù)DCD的狀態(tài)，知道是有幾個FTU傳輸,主站將打破原來的傳輸過程,按照對半分割法,依次向各個FTU召喚各個FTU的要求訪問位。召喚過程如圖4所示(鏈路串連7個F=RTU)。召喚NO.4的要求訪問位(ACD)有?有 無召喚FTU6 的ACD 召喚FTU2 的ACD有? 有?有 無 有 無召喚FTU7 的ACD 召喚FTU5的ACD 召喚FTU3的ACD 召喚FTU1的ACD111(7-) ,110(6-7區(qū)段) 101(5-6區(qū)段),100(4-5區(qū)段) 011(3-4區(qū)段), 010(2-3區(qū)段) 001(1-2區(qū)段),000圖4 對故障區(qū)段的對半分割檢索過程采用這種召喚過程,主站具有主動性,而不是被動地等待接收,并可以采用一些比較好的檢索方法(對半分割檢索),確定故障區(qū)段,如果鏈路串連7個FTU只需要召喚3次,如果串連15個FTU只需要召喚4次就可以確定故障區(qū)段。確定了故障區(qū)段以后，就進行故障隔離，恢復供電,然后向各個有要求訪問位的FTU召喚1級用戶數(shù)據(jù)。這種檢索過程的時間是固定的，串連7個FTU發(fā)現(xiàn)故障地點所需時間為3´ 12´ 11/600=396/600=0.66秒,串連15個FTU確定故障區(qū)段其所需要的時間為4´ 12´ 11/600=528/600=0.88秒。如果在發(fā)送廣播命令時,只有NO.1FTU傳輸了要求訪問幀,有必要再召喚NO.2FTU的要求訪問幀,以確定是否只有NO.1FTU有1級用戶數(shù)據(jù).此時識別故障的時間為2´ 12´ 11/600=264/600=0.44秒如果通道采用半雙工,上述分析仍然有效。從上面的介紹說明101規(guī)約完全滿足配電自動化系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆? 在配電自動化系統(tǒng)的多點共線中采用非國際標準DNP3.0規(guī)約將使識別故障的傳輸時間大大延長1) DNP3.0不符合國際電工委員會國際標準IEC60 870-5-1的FT3的幀格式。DNP3.0的文件中說明DNP3.0是符合IEC60870-5-1的幀格式中的FT3幀格式，事實上有五個方面不一樣 ,IEC60870-5-1的FT3幀格式規(guī)定：(1)每個數(shù)據(jù)的八位字節(jié)沒有啟動位和停止位,也就是數(shù)據(jù)的一個八位字節(jié)和另一個八位字節(jié)是連續(xù)的,中間沒有其他比特位(見IEC60870-5-1P.35(3),而DNP3.0的每個八位字節(jié)都有一個啟動位和停止位。(2)每個數(shù)據(jù)的八位字節(jié)由高位比特先傳輸,低位比特后傳輸,(見 IEC870-5-2的P.23(4), 而DNP3.0的每個八位字節(jié)都是低位比特先傳輸,高位比特后傳輸。(3)幀的數(shù)據(jù)區(qū)的CRC校驗是從通道發(fā)送的數(shù)據(jù)碼求得的,CRC碼的高字節(jié)先傳送,低字節(jié)后傳送(見IEC60870-5-1的P49,P51(3)。而DNP3.0的CRC碼的發(fā)送順序正在好相反。(4)CRC碼的每個字節(jié)的發(fā)碼順序是高位比特先傳送，低位比特后傳送(見IEC60870-5-1P.49,P.51),而DNP3.0的傳送順序正好相反。(5)DNP3.0的應用數(shù)據(jù)元素的定義和編碼和IEC60870-5-4完全不同。從上述五點可以看出，不能說DNP3.0是符合IEC60870-5-1 FT3的幀格式或者和IEC標準兼容。2) DNP3.0是平衡傳輸,根據(jù)DNP3.0鏈路層的說明(8)(9),經常使用的傳輸模式為變位掃瞄方式和非請求變位工作方式,在這里假設通道為全雙工，DNP3.0在多點共線的情況下應用時將發(fā)生如下問題。1 變位掃瞄方式(見圖8)沒有傳輸優(yōu)先級,使得故障識別的時間大大延長,其傳輸過程如下:(1)主站平時經常請求FTU的全數(shù)據(jù)即靜態(tài)數(shù)據(jù)(幀長為17個字節(jié),幀長字節(jié)均見參考文獻11的DATA LINK LAYER,APPLICATION LAYER),FTU即以確認幀回答(根據(jù)主站傳輸?shù)膸械拇_認位為0,FTU可以不用確認幀回答)；(2)接著FTU將主站所請求的數(shù)據(jù)向主站傳輸(幀長為25個字節(jié)),主站以確認幀回答(幀長為14個字節(jié)),如果在這之前有狀態(tài)量變位,在FTU向主站傳輸數(shù)據(jù)幀中在變位狀態(tài)字節(jié)中將那一級數(shù)據(jù)變位的狀態(tài)位置1,主站接受以后得知有某一級用戶數(shù)據(jù)發(fā)生變化；(3)接著向FTU請求那一級的用戶數(shù)據(jù)(幀長為17個字節(jié)),FTU以確認幀回答(根據(jù)主站傳輸?shù)膸械拇_認位為0,FTU可以不用確認幀回答)；(4)然后FTU向主站主動傳輸那一級的數(shù)據(jù),假設只有1個狀態(tài)量發(fā)生變位的幀長為20個字節(jié),主站接受以后就以確認幀回答(幀長為14個字節(jié)見圖5)。這個FTU數(shù)據(jù)變化的傳輸過程才告結束,所需要的傳輸字節(jié)為17+25+17+20+14+5=98個字節(jié)(5為每一個幀都得增加一個前置字節(jié)),一個FTU傳輸時間為980/600=1.633秒,如果有n個FTU檢出故障,總的傳輸時間為1.633´ n秒(1)請求NO.1 NO.1 (2)NO.1 傳輸 確認幀 (3)召喚NO.1 NO.1 (4) NO.1傳輸 確認幀 全數(shù)據(jù) 確認 所請求數(shù)據(jù) 狀態(tài)量變位 確認 狀態(tài)量變位 下行通道上行通道圖5變位掃瞄傳輸模式的傳輸過程同樣是召喚全數(shù)據(jù)或者召喚2級用戶數(shù)據(jù)之前發(fā)生了狀態(tài)變位,采用 101規(guī)約只有2個傳輸過程就可以將狀態(tài)變位收集完成,采用DNP3.0傳輸規(guī)約的傳輸過程從圖5可以看到至少需要有4個傳輸過程,需要傳輸98個字節(jié),傳輸時間將為1.633秒。按照這個過程，如果某個FTU例如NO.3FTU剛被主站掃瞄召喚全數(shù)據(jù)以后，主站轉向NO.4掃瞄時正好發(fā)生狀態(tài)量變位，那么就要等到對這條線路上的全部FTU掃瞄一次，再重新對發(fā)生狀態(tài)量變位的NO.3FTU掃瞄時才能將這個NO.3FTU的狀態(tài)量變位傳輸?shù)街髡?，這種傳輸過程不能實現(xiàn)重要的信息優(yōu)先傳輸，將使得狀態(tài)量變位傳輸?shù)捻憫獣r間大大延長。如果通道為半雙工，上面的分析仍然有效。2 采用DNP3.0的非請求變位工作方式，在線路故障時發(fā)生傳輸沖突,使得識別故障時間大大延長： 如果采用非請求變位工作方式(8 P7.17.3), 在多點共線的通道結構的情況下,可能發(fā)生幾個FTU 同時要求傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)生沖突的問題。為了避免沖突只能采用載波監(jiān)聽的方式，而次要信息可能占用通道得到優(yōu)先傳輸。假定短路故障用一個狀態(tài)量的變化代表，按照DNP3.0規(guī)約P.53的規(guī)定幀長為20個字節(jié),主站以確認幀(見參考文獻11)回答,確認幀(幀長為14個字節(jié)),這樣主動傳輸報文的幀長為20n(n為主動傳輸報文的站數(shù)),由于向主站傳輸?shù)膱笪牡膬蓭g必須有3個字節(jié)長度的間隔,以便和報文本身的3個全零字節(jié)區(qū)別,在發(fā)送報文之前,先發(fā)送一個字節(jié)長度的空信號(這和101規(guī)約主動傳輸?shù)那闆r一樣),這樣相當于一幀要傳輸24個字節(jié),加上一個確認幀的幀長,識別故障的幀長為10(24n+15),如果傳輸速率為600波特, 傳輸時間為10(24n+15)/600秒。因為主站需要全部接收到各個發(fā)生變位的FTU的報文以后，才能正確判斷故障發(fā)生的區(qū)段，而且各個主動發(fā)送的FTU會一個接一個的不間斷的傳輸，不會間歇，一直到全部需要發(fā)送的報文傳輸完了，因此隨著發(fā)生故障的區(qū)段n的增加,傳輸時間將大大延長,如果n=2傳輸時間為630/6001.05秒, n=7傳輸時間為1830/600=3.05秒,如果故障發(fā)生在1-2區(qū)段n=1,NO.1FTU傳輸報文以后,還需要確認只有一個FTU有狀態(tài)變位,最好的辦法是召喚NO.2FTU的全數(shù)據(jù),從其響應幀中,可以得知是否有某個級別為1,確認是1-2區(qū)段發(fā)生故障,這樣傳輸字節(jié)為24+14+17+25=80個字節(jié)，傳輸時間為1.333秒，這還不包括主站向