乜鳳海

（順特電氣設(shè)備有限公司，廣東 佛山 528300）

0 引 言

隨著箱式變電站（簡(jiǎn)稱箱變）的廣泛應(yīng)用，通信數(shù)字化、控制自動(dòng)化的箱變通過安裝各類傳感器、智能設(shè)備，將箱體內(nèi)的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)通過數(shù)據(jù)總線、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析與存儲(chǔ)，組成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)。上位機(jī)可實(shí)時(shí)查看箱變運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)箱變進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)操作。

1 箱變智能化通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

箱變智能化通信系統(tǒng)按分層分布式的原則，由間隔層、通信層以及監(jiān)控層3部分組成。間隔層由各相對(duì)獨(dú)立的分散安裝在高、低壓開關(guān)柜（包括回路）上的智能儀表和裝置組成，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與通信命令的實(shí)施。通信層的核心是測(cè)控裝置內(nèi)的通信管理機(jī)，能夠進(jìn)行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。監(jiān)控層主要由上位機(jī)和監(jiān)控系統(tǒng)軟件組成，通過計(jì)算機(jī)和軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理功能，實(shí)現(xiàn)箱變內(nèi)一次設(shè)備的四遙功能[1]。配置了通信管理機(jī)的智能箱變可根據(jù)需要靈活組網(wǎng)，其通信系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 箱變通信系統(tǒng)

通信管理機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備之間采用RS485串口通信，通信介質(zhì)為屏蔽雙絞線，通信協(xié)議為Modbus-RTU協(xié)議；與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，可用光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，通信協(xié)議為基于傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）的IEC 104協(xié)議。通信管理機(jī)實(shí)際上是個(gè)網(wǎng)關(guān)，通過Modbus協(xié)議采集各智能設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換，用IEC 104協(xié)議將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，由監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示以及存儲(chǔ)。監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)先發(fā)送給通信管理機(jī)轉(zhuǎn)換后再發(fā)送給智能設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)多路串口數(shù)據(jù)同時(shí)收發(fā)，進(jìn)行串口數(shù)據(jù)和網(wǎng)口數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，在串行鏈路和以太網(wǎng)之間建立連接，分析和識(shí)別多路串口設(shè)備采集的信息，轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)幀的形式在網(wǎng)絡(luò)傳輸[2-5]。

2 通信協(xié)議和信息點(diǎn)表

通信協(xié)議又稱通信規(guī)約，是指通信雙方對(duì)數(shù)據(jù)傳送控制的一種約定，對(duì)數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯(cuò)方式以及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守。

自動(dòng)化系統(tǒng)中使用的變量數(shù)即為點(diǎn)數(shù)。信息點(diǎn)表作為系統(tǒng)集成的重要依據(jù)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)都是以點(diǎn)表中變量的描述和規(guī)定為基礎(chǔ)。通常情況下，點(diǎn)表中每個(gè)信息點(diǎn)都定義好設(shè)備名、設(shè)備地址、信息點(diǎn)描述、寄存器地址、數(shù)據(jù)類型等相關(guān)內(nèi)容。智能箱變信息點(diǎn)表包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集的各種數(shù)據(jù)、狀態(tài)情況，按定義的輸入/輸出（Input/Output，I/O）通道反映到系統(tǒng)集中采集的信息點(diǎn)，包括采集后的上行數(shù)據(jù)，如模擬量（遙測(cè)）、開關(guān)量（遙信）和下行控制數(shù)據(jù)(遙控、遙調(diào))。核對(duì)點(diǎn)表就是核對(duì)I/O通道、地址、設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)連接等是否正確，是系統(tǒng)通信的重要工作內(nèi)容。信息點(diǎn)表是通信協(xié)議的一部分，通信協(xié)議主要分為采集協(xié)議和轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議兩種，常用的采集協(xié)議包括Modbus-RTU、CDT、DL/T645等，轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議包括Modbus-TCP、IEC 101、IEC 104、MQTT等。下面分別對(duì)智能箱變中常用的采集協(xié)議Modbus-RTU和轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議IEC 104進(jìn)行解析說明。

3 Modbus-RTU協(xié)議解析

ModBus協(xié)議已成為工業(yè)通信領(lǐng)域的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，采用主從通信方式，通信管理機(jī)為主站、智能設(shè)備為從站，使用“請(qǐng)求-應(yīng)答”機(jī)制來進(jìn)行信息交換。工作時(shí)，主站發(fā)送命令幀，地址匹配的從站進(jìn)行響應(yīng)并向主站返回應(yīng)答幀，其他從站對(duì)命令幀不予理睬。通過讀寫寄存器或者數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中指定地址的數(shù)據(jù)來完成，將數(shù)據(jù)存放在接收緩存區(qū)必須按照Modbus-RTU協(xié)議定義的幀格式進(jìn)行解析來提取其中的數(shù)據(jù)[6-8]。

報(bào)文中每個(gè)8 bit包含兩個(gè)4 bit的十六進(jìn)制字符，功能碼、數(shù)據(jù)類型、寄存器地址可參考具體Modbus設(shè)備說明書。

3.1 讀取智能電壓表的3個(gè)相電壓值模擬量

主站發(fā)送01（從站地址）03（功能碼03讀取數(shù)據(jù)）0000(起始地址)0003（連續(xù)讀3個(gè)寄存器）FF8C（CRC碼），從站返回01（從站地址）03（功能碼）06（回送6個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)）0274 0272 0277（返回的數(shù)據(jù)）56C3（CRC碼）。每個(gè)電壓值（數(shù)據(jù)類型為U16）占1個(gè)寄存器，長(zhǎng)度為兩個(gè)字節(jié)。返回?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制后分別為628、626、631，單位為0.1 V，即二次側(cè)相電壓ua=62.8 V、ub=62.6 V、uc=63.1 V。計(jì)算一次側(cè)相電壓時(shí)，可在通信點(diǎn)表配置增加3個(gè)虛擬采集點(diǎn)，建立虛量公式。

3.2 讀取溫控器測(cè)量的變壓器三相繞組溫度信號(hào)

主站發(fā)送02（從站地址）03（讀數(shù)據(jù)功能碼）0000（寄存器起始地址）0003（3個(gè)寄存器）05CB（CRC碼），從站返回02（從站地址）03（功能碼）06（數(shù)據(jù)長(zhǎng)度6字節(jié)）02C2 02D1 02C8（3路溫度值）6B85（CRC碼）。每個(gè)溫度值（數(shù)據(jù)類型為I16，高8位+低8位，最高位為符號(hào)位）占1個(gè)寄存器，長(zhǎng)度為兩個(gè)字節(jié)。返回?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制并乘以系數(shù)后，即解析出三相繞組溫度分別為70.6 ℃、72.1 ℃、71.2 ℃。

3.3 對(duì)低壓框架斷路器遙控合閘

主站發(fā)送03（從站斷路器地址號(hào)）05（功能碼寫單個(gè)線圈）0400（遙控指令寄存器地址）FF00（遙控合閘命令數(shù)據(jù)）F3F6（CRC碼），從站返回03050400FF00（完全重復(fù)下行幀命令，相當(dāng)于確認(rèn)）。

4 IEC 104協(xié)議解析

IEC 104協(xié)議是應(yīng)用層協(xié)議，規(guī)定傳輸層使用的是TCP協(xié)議，雙方都使用固定的TCP端口號(hào)2404，TCP數(shù)據(jù)包格式可理解為{TCP（IEC104（用戶數(shù)據(jù)））}。后臺(tái)上位機(jī)操作系統(tǒng)解開TCP包，取出IEC 104包，然后由監(jiān)控系統(tǒng)軟件解析IEC 104包，取得定義好的用戶數(shù)據(jù)。后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)作為客戶端（主站）、通信管理機(jī)作為服務(wù)器（從站），IEC 104協(xié)議采用平衡傳輸方式，當(dāng)主站沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)召喚，而從站中有數(shù)據(jù)變化時(shí)，主動(dòng)上送變化數(shù)據(jù)。下面對(duì)從站發(fā)送的I格式報(bào)文舉例解析說明，括號(hào)內(nèi)為解釋。

4.1 發(fā)送遙信幀報(bào)文

從站發(fā)送68（啟動(dòng)字符）1C（報(bào)文長(zhǎng)度為28個(gè)字節(jié)）00000000（控制域）01（報(bào)文類型為1單點(diǎn)遙信）8F（可變結(jié)構(gòu)限定詞，二進(jìn)制10001111最高位為1表示連續(xù)，0001111=15表示有15個(gè)遙信數(shù)據(jù)）1400（傳送原因是總召喚）0100（公共地址0001即1#箱變地址）010000（信息對(duì)象第一位點(diǎn)號(hào)1）000000010100010001000100010001（15個(gè)遙信數(shù)據(jù)的值，每個(gè)字節(jié)表示一個(gè)遙信值，如00表示分位，01表示合位）。解析后得到15個(gè)遙信數(shù)據(jù)即15個(gè)開關(guān)量的狀態(tài)值，結(jié)合遙信點(diǎn)表，按點(diǎn)號(hào)順序，第4、5、7、9、11、13、15號(hào)的開關(guān)量在合位，其余點(diǎn)號(hào)開關(guān)量在分位。

4.2 發(fā)送遙測(cè)幀報(bào)文

從站發(fā)送68（啟動(dòng)符）22（報(bào)文數(shù)據(jù)長(zhǎng)度34字節(jié)）04000200（控制域）0D（類型標(biāo)識(shí)0D，短浮點(diǎn)遙測(cè)、帶品質(zhì)描述、每個(gè)遙測(cè)值5個(gè)字節(jié)）03（可變結(jié)構(gòu)限定詞，信息數(shù)目為3）1400（傳輸原因，響應(yīng)總召喚）0100（公共地址即1#箱變）014000（信息體地址16385，即低壓UA電壓值）CC4C E443（遙測(cè)值，純小端排序即16進(jìn)制43E44CCC，轉(zhuǎn)換10進(jìn)制為456.6）00（品質(zhì)描述：合格）02 4000（信息體地址16386）CC8C E343（遙測(cè)值）00（品質(zhì)描述）034000（信息體地址16387）9959 E543（遙測(cè)值）00（品質(zhì)描述）。解析后一次側(cè)相電壓分別為456.6 V、455.1 V、458.7 V。

4.3 發(fā)送變位遙信報(bào)文

從站發(fā)送68（啟動(dòng)符）0E（長(zhǎng)度）16000600（控制域）01（類型標(biāo)示，單點(diǎn)遙信）01（可變結(jié)構(gòu)限定詞，有1個(gè)變位遙信上送）0300（傳輸原因，表突發(fā)事件）0100（公共地址即1#箱變）030000（信息體地址，第3號(hào)遙信）00（遙信分）。

4.4 發(fā)送遙控執(zhí)行確認(rèn)報(bào)文

從站發(fā)送68（啟動(dòng)符）0E（長(zhǎng)度）04001800（控制域）2E（類型標(biāo)示）01（可變結(jié)構(gòu)限定詞）0600（傳輸原因）0100（公共地址即1#箱變）020600（信息體地址為24578即低壓斷路器1）02（控合）。

5 ModbusRTU和IEC104的映射及協(xié)議轉(zhuǎn)換

智能箱變上下兩層通信協(xié)議分別是基于RS485的Modbus-RTU協(xié)議和基于TCP/IP的IEC 104協(xié)議，因此需要兩者之間進(jìn)行數(shù)據(jù)映射及協(xié)議轉(zhuǎn)換。

采集協(xié)議和轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議分屬應(yīng)用層協(xié)議不同的兩個(gè)通信系統(tǒng)，用軟件的方法實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的封裝（打包）和解封（解包）問題，從而完成協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)交互的目的。通信管理機(jī)將Modbus設(shè)備發(fā)送來的數(shù)據(jù)按Modbus-RTU協(xié)議自底向上逐層次解包，得到其中的用戶數(shù)據(jù)，放入緩存數(shù)據(jù)庫(kù)，然后按照IEC 104協(xié)議將用戶數(shù)據(jù)篩選重新排序，自頂向下逐層打包，發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)接收并解析該應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Application Protocol Data Unit，APDU），根據(jù)應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（Application Service Data Unit，ASDU）的信息對(duì)象地址與智能設(shè)備之間的映射關(guān)系，刷新對(duì)應(yīng)開關(guān)量或模擬量輸入測(cè)點(diǎn)的數(shù)值[9,10]。反向的數(shù)據(jù)傳輸，與此同理。

6 結(jié) 論

實(shí)現(xiàn)智能化通信的箱變可成為變配電網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化的有效基礎(chǔ)和基本節(jié)點(diǎn)，其通信接口支持箱變連接到任何通信網(wǎng)絡(luò)。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的發(fā)展，基于云平臺(tái)的電力監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心是下一步發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)智能箱變內(nèi)采集參數(shù)的智能設(shè)備、通信設(shè)備的可靠度、精度及成本提出了新的要求。