孙军平1，盛万兴2，王孙安1　　　　　　　　
（1. 西安交通大学，陕西省 西安市 710049；2. 中国电力科学研究院，北京 100085）

　　摘 要：针对目前中国电网自动化系统领域广泛使用的远动串口通信模式，分析了远动信息网络传输的必要性及其益处，研究了远动信息的网络通信模式和技术方案，并讨论了通信模式中的技术问题，如以太网技术、TCP/IP协议和网络通信中的广播、组播技术问题。最后指出了网络传输必将成为远动数据传输的发展方向。
　　关键词：远动通信；广域网；TCP/IP；网关

1 引言
　　目前我国电力自动化系统中普遍采用基于电路交换方式、独立占用64kbit/s的低速通道进行串口通信。但这种通信方式还不是网络系统，因为网络系统必须具备对等方式，即各个通信端都是平等的，不存在主从关系。
　　随着全国电网的连通，根据自动发电控制（AGC）技术的需求、电力市场的建立和大电网安全分析系统数据准确性的要求，迫切需要远动信息的网络传输以及建立基于广域网的大电网系统，解决远动信息一发多收和信息转发过程中造成的延时问题[1]，使各相关主站同时共享厂站的实时信息，达到实时信息全电网共享，为电网安全分析系统和配调系统提供基于同一时刻的准确数据，进而实现电网高效、安全、经济运行。
　　通过远动信息的网络传输，可彻底改变主站和厂站之间的主从关系，网络路由器将取代传统的通信前置机，使网络数据可双向传输，真正实现各个通信终端的网络平等（基本通信网络结构如图1所示）。主站可直接同各种配电智能终端单元交换数据，并可直接下发命令控制终端设备，消除了传统的通信前置机在通信中的“瓶颈”现象。另外大大节省了投资，减少了现场的维护工作量，使实时数据传输能力有很大提高。

2 远动数据的网络通信模式
2.1 实现网络通信的协议
　　实现远动信息网络传输的关键是解决RTU和IED的网络接入问题。目前我国变电站自动化系统中RTU和IED采用的串口通信协议大多为IEC60870-5-101和DNP3.0等，这些协议基本上都遵循基于ISO参考模型的增强性能结构（EPA），仅用了OSI参考模型7层中的3层（即物理层、链路层和应用层）实现数据传输。发布不久的标准IEC60870-5-104[2]（我国正在制订等同的标准）是把IEC60870-5-101的应用服务数据单元（ASDU）用网络协议TCP/IP进行传输的标准。该标准为远动信息的网络传输提供了通信协议依据。IEC60870-5-104（以下简称IEC104）和IEC60870-5-101（以下简称IEC101）之间的关系如图2所示。

　　对于支持ModBus和DNP协议而不支持IEC101协议的RTU，同样可采用ModBus/TCP[3]、DNP LAN/WAN协议，实现RTU接入网络。如ModBus/TCP协议中 ModBus帧嵌入TCP帧的方式。

　　在ModBus/TCP帧中没有包含ModBus帧的校验位，因为TCP/IP和以太网链路层的校验机制能保证数据被正确发送。
　　本文仅以IEC101协议为主，介绍网络接入模式，该模式同样适用于其他协议。
2.2 网络接入模式
　　1）直接以太网接入模式。该模式适用于新建的厂站。它要求RTU具有以太网接口和相应协议IEC104的支持。RTU结构如图1所示。系统分配给该RTU 1个IP地址，即可通过网络访问该RTU，进行数据的通信。该模式中RTU的微处理器的处理能力要求较强，并具有必要的嵌入式操作系统，以实现网络功能。
　　2）通过网关（GateWay）的接入模式。该模式适用于已投运的厂站。可降低厂站设备的二次投资，只需在原有RTU的基础上加入网关即可接入网络。这种模式的关键在于网关。基本连接结构如图4所示。RTU的串口和网关一端的串口相连，通过网关另一端的以太网接口接入网络。

　　3）对于RTU通过RS485总线连接的IED， 485总线上所有的IED用1个网关通过RTU接入网络（如图5所示）。总线上的IED共享一IP地址，系统通过IP地址加设备号ID识别IED，并进行网络数据传输。

　　网关是连接RTU和网络的桥梁。它能实时多线程监听端口的状态，接受用户端的请求和收集串口数据，并能实时响应用户和RTU的请求。它要求具有实时和多任务特性，所以网关的硬件采用高性能嵌入式微处理器（至少16bit），通信接口为一可切换的RS232和RS485串行接口以及一RJ45网络接口。以太网控制器可采用RTL8019AS或DM9008。软件采用嵌入式实时多任务操作系统，并支持TCP/IP等常用网络协议。
3 远动信息网络通信中技术问题讨论
　　 电网调度自动化系统对于远动数据的实时性、可靠性、正确性和准确性的要求很高，所以对于上述的通信模式，有必要研究其是否能满足要求及受影响的主要因素。
　　 (1) 以太网技术
　　选择以太网作为物理层和链路层，是因为以太网是在办公和工业中应用最广泛的计算机网络技术，因此选用以太网能保证多种开发环境和可供选择的工具，而且成本低廉，通信速度可由10Mb/s发展到100Mb/s和1000Mb/s，且正在朝着1Gb/s和10Gb/s发展，这样可保证系统的可升级性。
　　但传统共享式10Mb/s以太网的碰撞检测机制（CDMA/CD）可能会引起信息传输时间的随机性，这样会影响远动信息对传输时间的要求，如遥测时间小于4s等。为此，美国电力研究院（EPRI）作了试验，结果表明10Mb/s或100Mb/s的以太网在最坏的情况下（如连接许多RTU），也能保证网络通信时间为4s。研究还表明，只要以太网的负荷量小于25%，以太网便可以得到最好的系统响应[4]。而且采用交换方式的100Base—T快速以太网的出现，在大大拓展带宽的同时，还缩短了以太网的碰撞域，使传输效率大为提高。
　　 (2)TCP/IP协议
　　 TCP/IP协议已经成为互联网的标准通信协议。许多厂商和系统都支持该协议，而且已经被人们所认可。但TCP/IP协议毕竟是面向Internet的大众化协议，在用于远动数据的传输时，传输的实时性有一定要求，因此应注意以下几个方面问题。
　　 1）TCP是向上层提供面向连接的服务。在远动信息传输的客户/服务器模型中，RTU充当服务器的角色，连接着多个客户端（如当地监控站、调度端远动操作站等）。其简单的网络连接结构如图6所示。在这种方式下，RTU可以同时接受多个客户端的连接请求和数据询问。但是TCP是面向连接方式的传输数据，每次成功的接入，只要服务器端和客户端没有执行过关闭操作，就一直是接通的。然而RTU网络服务器程序限制了程序在同一时刻可连接的客户端数目，当使用Socket时一般不超过5个客户端，所以这种情况下1个RTU同一时刻可连接的客户端数目是有限的，当达到极限时即使有连接要求的用户也无法建立连接，这会引起线程阻塞，导致重要数据无法及时传输。对此，Socket采用了一套机制来加以避免，通过超时处理方法使RTU可检测用户的连接状态，若在规定时间（可以通过程序设置）内没有响应，则自动关闭连接，并向其他需要连接的用户提供服务。

　　2）TCP是面向“流”的传输协议，它必须等待数据流填满缓冲区后才会进行数据的传输[5]，这样可能导致部分小包数据的传输比较慢。可以在TCP/IP帧中控制包的延迟和大小，也可以控制TCP帧中的标志字段PSH（推）位，强迫TCP提早发送数据段，以提前传输，满足系统对传输时间的要求。另外，TCP协议处理网络拥塞的方法是分组删除，相当于减少了等待传输的分组数量，降低网络的负荷，但这又会造成丢弃的分组无法到达目的地，从而出现丢包现象。虽然TCP会检测出丢失的分组，并会进行重传，但这不利于实时数据的传输，所以有必要在应用层中增强传输可靠性。
　　(3)网络通信中的广播、组播技术
　　IP网络通信模式有3种[6]：单播、广播和组播。远动信息的网络通信中，单播用于一对一方式的“点到点”通信，网络上除目的地址外的其它节点都不接受源节点发送的信息。广播范围只限于本地局域网，因为路由器会封锁广播信息的外传。组播适用于把信息传送到1组目的地址，可以减轻网络的负担，但需要路由器的转发，所以必须配置路由器支持组播。
　　TCP/IP提供2种类型的服务，即面向连接的可靠传输服务TCP协议和无连接的UDP数据报协议。TCP发送信息时必须先和对方建立3次握手连接，然后发送信息，UDP无需建立连接而可直接发送数据。所以UDP适用于单播、组播和广播3种通信模式，而TCP不适用于组播，但它可提供可靠的传输机制。应在具体实际情况下，根据自己的需要选用合适的通信模式。
4 远动信息的网络传输技术展望
　　IEC正在制订关于变电站自动化系统的通信网络和系统的标准IEC61850。该标准采用面向对象的建模技术和高层抽象映射到低层的MMS（制造报文规范ISO/IEC9506）技术[7]，解决了变电站自动化系统产品的互操作性和协议转换的问题。另外采用该标准还可使变电站自动化设备具有自描述、自诊断和即插即用的特性，极大地方便了系统的集成，降低了变电站自动化系统的工程费用。
　　IEC61850标准提供了7层网络通信模型（可采用OSI标准和TC/IP协议）和3层串口通信模型，其中网络通信模型的传输网络层采用TCP/IP协议，物理和链路层采用Ethernet，是一个开放性的通信模型，可用于远动信息的网络传输。
　　2000年的IEC TC57会议及SPAG会议，提出了无缝远动通信体系结构。该体系结构将建立在IEC 61850的基础上[8]。虽然该标准尚未完全正式发布，但应该积极关注这个面向下一代变电站自动化系统的标准，研究并分析其体系和结构。
5 结论
　　本文的部分理论在实践中已得到验证，它为电网调度自动化系统广域网模型提供了基础。随着网络技术在电网调度自动化系统中的进一步应用及相关标准的颁布，相信远动信息的网络传输必将成为远动数据传输的主流方向。

参考文献

[1] 洪宪平（Hong Xianping）．走向网络化的远动系统（Telecontrol system tending towards network）[J]．电力系统自动化（Automation of Electric Power System），2001，25(6)：1-3．
[2] TC57-WG03．IEC60870-5-104：NetWork access for IEC60870-5-101 using standard transport profiles[R]．1998．
[3] Richard．Object Messaging Specification for the MODBUS/TCP Protocol [z] ，Version 1.0 1999，Ｍitex Solution，Inc．
[4] US　EPRI．UCA 2.0 Standard Document，Part 1；Introduction to UCA Version 2.0[S]，1998．
[5] William A著．高传善等译．数据通信与网络教程Understanding Data Communications &Networks（Second Edition）[M]．北京：机械出版社，2000．
[6] 苗来生（Miao Laisheng），等．三种IP网络通信模型的比较（Comparison among three IP communication models）[J]．计算机应用．2001，2：91-93．
[7] 任雁铭（Ren Yanming）．IEC61850通信协议体系介绍和分析（Study on IEC61850 communication protocol architecture）[J]．电力系统自动化(Automation of Electric Power System)，2000，24(8)：62-64．
[8] 谭文恕（Tan Wenshu）．远动的无缝通信系统体系结构（Seamless telecontrol communication architecture）[J]．电网技术（Power System Technology），2001，25(8)：8-10