孫軍平1，盛萬興2，王孫安1
（1. 西安交通大學，陜西省 西安市 710049；2. 中國電力科學研究院，北京 100085）
摘 要：針對目前中國電網自動化系統領域廣泛使用的遠動串口通信模式，分析了遠動信息網絡傳輸的必要性及其益處，研究了遠動信息的網絡通信模式和技術方案，并討論了通信模式中的技術問題，如以太網技術、TCP/IP協議和網絡通信中的廣播、組播技術問題。最后指出了網絡傳輸必將成為遠動數據傳輸的發展方向。
關鍵詞：遠動通信；廣域網；TCP/IP；網關
1 引言
目前我國電力自動化系統中普遍采用基于電路交換方式、獨立占用64kbit/s的低速通道進行串口通信。但這種通信方式還不是網絡系統，因為網絡系統必須具備對等方式，即各個通信端都是平等的，不存在主從關系。
隨著全國電網的連通，根據自動發電控制（AGC）技術的需求、電力市場的建立和大電網安全分析系統數據準確性的要求，迫切需要遠動信息的網絡傳輸以及建立基于廣域網的大電網系統，解決遠動信息一發多收和信息轉發過程中造成的延時問題[1]，使各相關主站同時共享廠站的實時信息，達到實時信息全電網共享，為電網安全分析系統和配調系統提供基于同一時刻的準確數據，進而實現電網高效、安全、經濟運行。
通過遠動信息的網絡傳輸，可徹底改變主站和廠站之間的主從關系，網絡路由器將取代傳統的通信前置機，使網絡數據可雙向傳輸，真正實現各個通信終端的網絡平等（基本通信網絡結構如圖1所示）。主站可直接同各種配電智能終端單元交換數據，并可直接下發命令控制終端設備，消除了傳統的通信前置機在通信中的“瓶頸”現象。另外大大節省了投資，減少了現場的維護工作量，使實時數據傳輸能力有很大提高。
2 遠動數據的網絡通信模式
2.1 實現網絡通信的協議
實現遠動信息網絡傳輸的關鍵是解決RTU和IED的網絡接入問題。目前我國變電站自動化系統中RTU和IED采用的串口通信協議大多為IEC60870-5-101和DNP3.0等，這些協議基本上都遵循基于ISO參考模型的增強性能結構（EPA），僅用了OSI參考模型7層中的3層（即物理層、鏈路層和應用層）實現數據傳輸。發布不久的標準IEC60870-5-104[2]（我國正在制訂等同的標準）是把IEC60870-5-101的應用服務數據單元（ASDU）用網絡協議TCP/IP進行傳輸的標準。該標準為遠動信息的網絡傳輸提供了通信協議依據。IEC60870-5-104（以下簡稱IEC104）和IEC60870-5-101（以下簡稱IEC101）之間的關系如圖2所示。
對于支持ModBus和DNP協議而不支持IEC101協議的RTU，同樣可采用ModBus/TCP[3]、DNP LAN/WAN協議，實現RTU接入網絡。如ModBus/TCP協議中 ModBus幀嵌入TCP幀的方式。
在ModBus/TCP幀中沒有包含ModBus幀的校驗位，因為TCP/IP和以太網鏈路層的校驗機制能保證數據被正確發送。
本文僅以IEC101協議為主，介紹網絡接入模式，該模式同樣適用于其他協議。
2.2 網絡接入模式
1）直接以太網接入模式。該模式適用于新建的廠站。它要求RTU具有以太網接口和相應協議IEC104的支持。RTU結構如圖1所示。系統分配給該RTU 1個IP地址，即可通過網絡訪問該RTU，進行數據的通信。該模式中RTU的微處理器的處理能力要求較強，并具有必要的嵌入式操作系統，以實現網絡功能。
2）通過網關（GateWay）的接入模式。該模式適用于已投運的廠站。可降低廠站設備的二次投資，只需在原有RTU的基礎上加入網關即可接入網絡。這種模式的關鍵在于網關。基本連接結構如圖4所示。RTU的串口和網關一端的串口相連，通過網關另一端的以太網接口接入網絡。
3）對于RTU通過RS485總線連接的IED， 485總線上所有的IED用1個網關通過RTU接入網絡（如圖5所示）。總線上的IED共享一IP地址，系統通過IP地址加設備號ID識別IED，并進行網絡數據傳輸。
網關是連接RTU和網絡的橋梁。它能實時多線程監聽端口的狀態，接受用戶端的請求和收集串口數據，并能實時響應用戶和RTU的請求。它要求具有實時和多任務特性，所以網關的硬件采用高性能嵌入式微處理器（至少16bit），通信接口為一可切換的RS232和RS485串行接口以及一RJ45網絡接口。以太網控制器可采用RTL8019AS或DM9008。軟件采用嵌入式實時多任務操作系統，并支持TCP/IP等常用網絡協議。
3 遠動信息網絡通信中技術問題討論
電網調度自動化系統對于遠動數據的實時性、可靠性、正確性和準確性的要求很高，所以對于上述的通信模式，有必要研究其是否能滿足要求及受影響的主要因素。
(1) 以太網技術
選擇以太網作為物理層和鏈路層，是因為以太網是在辦公和工業中應用最廣泛的計算機網絡技術，因此選用以太網能保證多種開發環境和可供選擇的工具，而且成本低廉，通信速度可由10Mb/s發展到100Mb/s和1000Mb/s，且正在朝著1Gb/s和10Gb/s發展，這樣可保證系統的可升級性。
但傳統共享式10Mb/s以太網的碰撞檢測機制（CDMA/CD）可能會引起信息傳輸時間的隨機性，這樣會影響遠動信息對傳輸時間的要求，如遙測時間小于4s等。為此，美國電力研究院（EPRI）作了試驗，結果表明10Mb/s或100Mb/s的以太網在最壞的情況下（如連接許多RTU），也能保證網絡通信時間為4s。研究還表明，只要以太網的負荷量小于25%，以太網便可以得到最好的系統響應[4]。而且采用交換方式的100Base—T快速以太網的出現，在大大拓展帶寬的同時，還縮短了以太網的碰撞域，使傳輸效率大為提高。
(2)TCP/IP協議
TCP/IP協議已經成為互聯網的標準通信協議。許多廠商和系統都支持該協議，而且已經被人們所認可。但TCP/IP協議畢竟是面向Internet的大眾化協議，在用于遠動數據的傳輸時，傳輸的實時性有一定要求，因此應注意以下幾個方面問題。
1）TCP是向上層提供面向連接的服務。在遠動信息傳輸的客戶/服務器模型中，RTU充當服務器的角色，連接著多個客戶端（如當地監控站、調度端遠動操作站等）。其簡單的網絡連接結構如圖6所示。在這種方式下，RTU可以同時接受多個客戶端的連接請求和數據詢問。但是TCP是面向連接方式的傳輸數據，每次成功的接入，只要服務器端和客戶端沒有執行過關閉操作，就一直是接通的。然而RTU網絡服務器程序限制了程序在同一時刻可連接的客戶端數目，當使用Socket時一般不超過5個客戶端，所以這種情況下1個RTU同一時刻可連接的客戶端數目是有限的，當達到極限時即使有連接要求的用戶也無法建立連接，這會引起線程阻塞，導致重要數據無法及時傳輸。對此，Socket采用了一套機制來加以避免，通過超時處理方法使RTU可檢測用戶的連接狀態，若在規定時間（可以通過程序設置）內沒有響應，則自動關閉連接，并向其他需要連接的用戶提供服務。
2）TCP是面向“流”的傳輸協議，它必須等待數據流填滿緩沖區后才會進行數據的傳輸[5]，這樣可能導致部分小包數據的傳輸比較慢。可以在TCP/IP幀中控制包的延遲和大小，也可以控制TCP幀中的標志字段PSH（推）位，強迫TCP提早發送數據段，以提前傳輸，滿足系統對傳輸時間的要求。另外，TCP協議處理網絡擁塞的方法是分組刪除，相當于減少了等待傳輸的分組數量，降低網絡的負荷，但這又會造成丟棄的分組無法到達目的地，從而出現丟包現象。雖然TCP會檢測出丟失的分組，并會進行重傳，但這不利于實時數據的傳輸，所以有必要在應用層中增強傳輸可靠性。
(3)網絡通信中的廣播、組播技術
IP網絡通信模式有3種[6]：單播、廣播和組播。遠動信息的網絡通信中，單播用于一對一方式的“點到點”通信，網絡上除目的地址外的其它節點都不接受源節點發送的信息。廣播范圍只限于本地局域網，因為路由器會封鎖廣播信息的外傳。組播適用于把信息傳送到1組目的地址，可以減輕網絡的負擔，但需要路由器的轉發，所以必須配置路由器支持組播。
TCP/IP提供2種類型的服務，即面向連接的可靠傳輸服務TCP協議和無連接的UDP數據報協議。TCP發送信息時必須先和對方建立3次握手連接，然后發送信息，UDP無需建立連接而可直接發送數據。所以UDP適用于單播、組播和廣播3種通信模式，而TCP不適用于組播，但它可提供可靠的傳輸機制。應在具體實際情況下，根據自己的需要選用合適的通信模式。
4 遠動信息的網絡傳輸技術展望
IEC正在制訂關于變電站自動化系統的通信網絡和系統的標準IEC61850。該標準采用面向對象的建模技術和高層抽象映射到低層的MMS（制造報文規范ISO/IEC9506）技術[7]，解決了變電站自動化系統產品的互操作性和協議轉換的問題。另外采用該標準還可使變電站自動化設備具有自描述、自診斷和即插即用的特性，極大地方便了系統的集成，降低了變電站自動化系統的工程費用。
IEC61850標準提供了7層網絡通信模型（可采用OSI標準和TC/IP協議）和3層串口通信模型，其中網絡通信模型的傳輸網絡層采用TCP/IP協議，物理和鏈路層采用Ethernet，是一個開放性的通信模型，可用于遠動信息的網絡傳輸。
2000年的IEC TC57會議及SPAG會議，提出了無縫遠動通信體系結構。該體系結構將建立在IEC 61850的基礎上[8]。雖然該標準尚未完全正式發布，但應該積極關注這個面向下一代變電站自動化系統的標準，研究并分析其體系和結構。
5 結論
本文的部分理論在實踐中已得到驗證，它為電網調度自動化系統廣域網模型提供了基礎。隨著網絡技術在電網調度自動化系統中的進一步應用及相關標準的頒布，相信遠動信息的網絡傳輸必將成為遠動數據傳輸的主流方向。
參考文獻
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