網絡通信協議在電氣監控系統中的應用
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【摘要】作為集通信技術、計算機技術與電氣技術為一體的自動化綜合系統，電氣監控系統能夠集中監視與控制電氣設備，是電氣人員工作效率全面提升的重要保障。現有電氣監控系統在電氣設備出現大面積故障的情況，其性能將大大降低，如實時性、可靠性不足等。為此，本文站在網絡通信協議的角度分析，對電氣監控系統網絡通信協議的概況、應用進行了分析與探究，以期全面提升電氣監控系統性能。
【關鍵詞】網絡通信協議；電氣監控系統；概況；應用；IEC60870—5—103協議；實時性；可靠性
隨著社會主義市場經濟的快速發展與科學技術的不斷進步，作為各產業平穩生產的基礎，電氣設備必須具備良好的安全性、穩定性及高效性。在電氣監控系統內優化應用網絡通信協議，可對電氣監控系統的性能進行有效提高。作為通信網絡的根本規則，網絡通信協議的各種類型都存有既定通信模式。網絡通信協議不同則其傳輸訪問機制也存有極大的不同。在進行少數信號傳輸或大量信號傳輸與發出時，此類傳輸訪問機制性能都存有極大不同。本文以網絡通信協議為依據，對電力監控系統內最常用的通信協議進行了優化運用，如IEC60870—5—103等，在設備投資金額不增加的基礎上，達到完善電氣監控系統的目的。
一、電氣監控系統網絡通信協議的概況
作為一種網絡通用語言，網絡通信協議是指為連接不同操作系統和不同硬件體系結構的互聯網絡引提供的通信支持。其從邏輯上將網絡進行7層劃分，各層都具備路由器、交換機等相應的物理設備。在電氣監控系統內IEC60870—5—103、IEC60870—5—104等為主要的網絡通信協議類型，具體如下：
1、IEC60870—5—103協議。
作為國際電工委員會制定的繼電保護設備信息接口規范，IEC60870—5—103協議可在通信前置機和繼電保護裝置間的信號傳輸中充分應用。該協議主要選取主從—對多的非平衡傳輸方式，主站為通信前置機，從站為繼電保護裝置，每秒9600bit為標準傳輸速率，格式報文形式主要分為2種：固定幀長報文、可變幀長報文。其表述的2類信息傳輸方式為按照相應規定運用的服務數據單位與為標準化報文傳輸沒有涵蓋的全部可能應用過程，或全部可能信息利用通用分類服務傳輸。
2、IEC60870—5—104協議。
在IEC60870—5—103基礎上，國際電工委員會為滿足網絡運輸又進行了IEC60870—5—104遠動通信協議的制定。其不僅能夠在集控中心與變電站、調度端進行全面運用，還能在變電站內的通信網加以合理運用。一般選取RFC2200協議作為該協議物理層、鏈路層等主要協議。作為標準TCP/IP協議子集，RFC2200可使IEC60870—5—104協議應用于TCP/IP協議的高帶寬網絡傳輸。與其他協議相比，IEC60870—5—104協議具有良好實時性、可靠性等優勢，且能夠進行大流量數據傳輸，為信息擴展提供便利。
二、網絡通信協議在電氣監控系統中的應用
在科技快速發展的今天，電氣監控系統愈加完善，將網絡通信協議合理應用于電氣監控系統，對提升電氣監控系統實時性、可靠性具有至關重要的作用，為此，本文以優化其應用性能為例對網絡通信協議在電氣監控系統中的應用進行了分析與探究。
1、實時性優化應用
電氣監控系統實時性提升的方式較多，一般分為2大類：升級電氣監控系統硬件、優化軟件算法。根據工作需求，可通過軟件優化網絡通信協議，以此達到提高電氣監控系統實時性的目的。首先，IEC60870—5—103協議為例分析。光纖接口、EIARS485接口為IEC60870—5—103協議電氣的主要接口類型。光纖傳輸具有良好抗干擾能力及較快傳輸速度。在相同變電站或距離較短情況下繼電保護裝置和監控系統的兩種接口傳輸速度基本一致。在通信鏈路拓撲方面兩種接口一致，基于此，兩種接口具有相同分析方式。本文將EIARS485接口作為分析研究重點，具體內容如下：作為三線制半雙工接口，EIARS485接口在同一時間點上只能接收、發送信號，但不能同時進行接收、發送操作。通信權可由EIARS485總線上并聯的3個繼電保護裝置依次取得，依次將數據傳送給通信前置機。繼電保護裝置數據向通信前置機傳送的快慢，由通信權時間間隔的長短加以確定。但電氣出現大面積故障的情況下，繼電保護裝置極易出現大量變位信號。如一個繼電保護裝置進行5個遙信信號上傳，完成此5個變位遙信信號傳輸需20幀以上報文。其次，IEC60870—5—104協議為例分析。以太網傳輸為IEC60870—5—104協議的主要形式，平衡傳輸全雙工接口為以太網RJ45接口類型。對該協議實時性造成影響的主要因素包含2點，第一以太網的傳輸性能，對其起決定作用的因素為網絡拓撲結構及以太網帶寬；第二，該協議報文信號攜帶效率。根據筆者工作性質，為提升電氣監控系統網絡通信協議性能，本文以優化提升IEC60870—5—104協議報文信號攜帶效率為主進行分析。本協議傳輸數據以I格式幀為主。該協議規定ASDU（一個）在249字節以下，可進行一個火一組信號傳輸。應用于現有監控系統的IEC60870—5—104協議，I格式幀（一個）旺旺只進行一個變位遙信信號傳輸。為提高信號傳輸信號，需對I格式幀長度進行有效增加。
2、可靠性優化應用
利用通信前置機、數據服務器、遠動機等設備的冗余配置及通信網絡冗余配置可實現電氣監控系統可靠性。在具體應用中，硬件即便冗余配置，但卻存在冗余設備無擾無縫切換等問題。為達到網絡通信協議優化運用，需提升通信前置機冗余切換、通信網絡冗余切換的可靠性，進而達到電氣監控系統可靠性提升的目的。
（1）將EIARS485接口應用于IEC60870—5—103協議時，EIARS485接口一個的情況下主機只能有一臺，也就是說EIARS485接口一個情況下2臺通信前置機無法利用該接口將報文發送給一臺繼電保護裝置。為對該協議傳輸可靠性進行有效提升，需并接2臺通信前置機的全部EIARS485接口。要求位于工作狀態的通信前置機為1臺，位于熱備狀態的通信前置機為1臺。如工作狀態前置機內隨意一個EIARS485接口通信中斷被熱備狀態通信前置機檢測出來后，熱備狀態前置機可將此EIARS485接口主機地位占據，利用此EIARS485接口將報文發送給繼電保護裝置。該情況下，工作狀態通信前置機需將此EIARS485接口主機地位拋棄，進而達到IEC60870—5—103協議雙機熱備接口切換。
（2）通信前置機、數據服務器、遠動機與以太網冗余配置為現有監控系統的主要構成部分。冗余配置可對信號傳輸可靠性有效提升。但現階段最常見的雙機雙網切換機制為“硬切換”，也就是說一般情況下冗余的2臺通信前置機內利用冗余通信網絡內一條與運動機或服務器進行通信的只有一臺。如前置機正常運行時如出現故障或通信網絡中斷，可向冗余的另一臺通信前置機進行通信切換。但其存有諸多問題，如只能利用通信前置機內部軟件對通信前置機切換、通信網絡切換進行判斷，通信在切換過程中為中斷情況，不能實現無擾連續切換。在IEC60870—5—104協議內對冗余通信網絡傳輸數據如何應用沒有進行詳細規定。如選取并行冗余協議，可將鏈路冗余體增設到各設備內部，以此實施冗余網絡通信數據處理。但該功能在傳統變電站監控系統設備內并不具備，如選取該并行冗余協議，需進行現有監控系統設備重新設計。在對現有設備不改動的情況下，應適當修改現有協議通信方式，進而達到冗余網絡并行數據傳輸的目的。
三、結束語
綜上所述，作為國民經濟的主要構成部分，電氣監控系統內網絡通信協議的合理運用，可有效管理與控制質量、安全工作，完善電氣監控系統。本文以IEC60870—5—103協議與IEC60870—5—104協議為例，對其在電氣監控系統內的實時性優化應用、可靠性優化應用進行了進一步分析研究，以此提升電氣監控系統的性能，降低經濟損失，及提高系統安全性。
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作者：朱軍 彭修琦 趙洪濤 單位：河南省工業情報標準信息中心 河南大博金科技發展有限公司
