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摘要：在电力监控系统中，既需要对数据进行高精度的实时采样，又必须进行标准通信。对基于以太网103规约的通信系统进行了研究与开发，采用TCP报文的方式完成裁剪，在实际应用中取得了良好的效果。
关键词：103规约、以太网、通信
引言
继电保护在电力系统中起着非常重要的作用，一般的高压电力设备都配备了集保护、测控功能于一体的综合保护单元，并采用由国际电工委员会于1997年定义的IEC60870-5-103规约（简称103规约）来完成变电站控制系统与保护单元的通信。利用这个规约，保护测试系统不但可以获得被测保护装置的定值、保护动作单元等信息，而且可以与上位机总控制中心完成监测与控制通信，实现整个电力系统设备的自动化。
1.103规约简介
103传输规约是国际电工委员会为了在不同保护设备和控制系统之间实现信息互换的目的而制定的继电保护设备信息接口配套标准。它适用于具有编码的串行数据传输的继电保护设备和控制系统交换信息，使得变电站内一个控制系统的不同继电保护设备和各种装置达到互换，被电力系统广泛应用。103规约使用的网络模型是增强性能结构，即物理层、应用层和链路层。
1.1物理层
物理层采用EIARS485异步串行通信标准，1位起始位，8位数据位，1位偶校验位和1位停止位。
1.2链路层
103规约所有的传输过程均由主站启动，即轮询问答过程：由启动站向从动站触发一次传输服务，或者成功完成，或者报告差错，之后才能开始下一轮的传输服务。103规约采用的链路服务级别为三级，其链路服务级别及功能如下表所示。
1.3应用层
应用层为用户提供服务，是用户的窗口，它的服务直接提供给应用进程。应用层包含一系列应用功能，它包含在源和目的之间应用服务数据单元的传送中。
规约数据单元由规约控制信息和服务数据单元组成，由于103规约未采用应用规约控制信息，所以在应用层中的应用规约数据单元和应用服务数据单元及链路服务数据单元是一样的。因此在103规约中可将应用服务数据单元当作链路用户数据。
103规约描述了两种信息交换方法：兼容范围和通用分类服务。兼容范围基于严格规定应用服务数据单元和为传输“标准化”报文的应用过程。通用分类服务采用各间隔层单元自我描述和自我定义的方法对要求传输的信息进行定义，它可以传输任何类型数据。除国内已经生产的继电保护设备可以在一段时间内使用专用范围外，新开发的产品必须采用兼容范围和通用分类服务。
2.系统设计
103规约通信的模型如下图。
本系统负责实现的是监控保护设备这一层级，与上位机的通信基于以太网络。在系统设计之前，首先需要考虑以下几个因素：
（1）该监控保护设备是作业以太网的数据终端存在的，故选择的系统控制芯片必须要有足够高的运行速度，以保证其在100Mbit/s的以太网上能够高效地传送数据。
（2）考虑系统须对多路信号进行采样、滤波,需要大量的傅立叶变换计算,系统控制芯片至少要有32位宽的乘法器。
(3)考虑到以太网数据传送的高速性,以及处理器数据吞吐量的有限性,所以系统控制芯片最好能够内部集成有静态存储器来作为接收数据的缓存。
(4)因为在网络上传输的数据格式一般为16位,或者长度是16的倍数,所以在选择协议控制芯片和网络接口芯片时,应该选择可以以16位模式进行数据操作的芯片。
(5)对于网络接口芯片来说,除了要有16位的工作模式以外,最好是符合MII网络适配器兼容格式的芯片,这样在编写应用程序以及存储器的分配和使用上具有一定的通用性。
(6)网络适配器接口芯片上应该具有片上RAM,这样在数据量大的时候不会在网络接口处产生数据丢失现象。
3.软件设计
系统主要实现三方面的功能，一是数据采集；二是用户的显示与控制；三是利用标准103协议进行上位机的通信。
3.1通信功能设计
快速以太网驱动程序屏蔽了对底层网络设备的处理细节,同时向上层操作系统提供与硬件无关的接口调用。在以太网通信之前,首先要实现位于硬件抽象层的快速以太网驱动程序,上层软件与以太网控制器的交互都要通过驱动程序进行。网络通信系统通常要与多个对象实现信息共享，TCP/IP是实现异构网络互联的网络体系结构和协议标准,屏蔽各种物理网络技术。
本文实现的以太网103规约采用UDP报文与TCP报文相结合的方式,采用UDP协议快速传输包含源结点IP地址的短报文;采用TCP协议传输大量需要交换的信息。利用TCP的可靠连接和重发机制,以保证信息传输的完整性及可靠性。在正常连接状态下,主站只需定时向各子站发送UDP报文,子站采用TCP报文格式,以循环上送加变化上送的方式来传输实时数据。当子站发生事件或者有数据发生变化时,子站启动一次传输过程,及时将信息通知主站。
3.2通信异常处理与故障报告
103规约采用窗口尺寸为1的非平衡方式传输的链路传输规则,即由控制系统向继电保护设备触发一次传输服务,或者成功的完成,或者报告产生差错,之后才能开始下一轮的传输服务。如果发送/确认、请求/响应传输服务在传输过程中受到干扰,用等待/超时/重发的方式发送下一帧,发送/确认和请求/响应这两种服务由一系列在请求站和响应站之间的不可分割的对话要素所组成。
故障报告则必须记录了故障发生时的各种参数和系统状态,包括故障时间、故障动作开关号、保护元件动作类型和保护启动、出口、返回时间及相关电量参数。故障录波记录了故障前两周波至保护元件动作返回时间内的电流、电压波形及各通道谐波分析值。此时在DSP内生成一个扰动表,当控制系统发送读扰动表命令时,作为一级数据传给控制系统。
4.总结
103规约一方面可以面对复杂的计算处理；另一方面,比传统的通过485总线通信的更具有扩展灵活性。满足了系统的开放性与维护的方便性。同时利用DSP的强大的接口、搭配键盘、LCD,还可以在保护设备系统中完成用户显示、控制等功能,组成一个完整的自治系统。
参考文献
[1]赵丽平,李群湛,陈小川 .IEC 870252103 规约在牵引变电所自动化系统中的应用[J].电力系统及其自动化学報,2003(6):88 2 92.
[2]张广龙,史丽萍,张颖.基于PLC的IEC60870 2 5 2 103规约解析器的研究与应用[J].电力系统及其自动化学报,2007(2).
关键词：103规约、以太网、通信
引言
继电保护在电力系统中起着非常重要的作用，一般的高压电力设备都配备了集保护、测控功能于一体的综合保护单元，并采用由国际电工委员会于1997年定义的IEC60870-5-103规约（简称103规约）来完成变电站控制系统与保护单元的通信。利用这个规约，保护测试系统不但可以获得被测保护装置的定值、保护动作单元等信息，而且可以与上位机总控制中心完成监测与控制通信，实现整个电力系统设备的自动化。
1.103规约简介
103传输规约是国际电工委员会为了在不同保护设备和控制系统之间实现信息互换的目的而制定的继电保护设备信息接口配套标准。它适用于具有编码的串行数据传输的继电保护设备和控制系统交换信息，使得变电站内一个控制系统的不同继电保护设备和各种装置达到互换，被电力系统广泛应用。103规约使用的网络模型是增强性能结构，即物理层、应用层和链路层。
1.1物理层
物理层采用EIARS485异步串行通信标准，1位起始位，8位数据位，1位偶校验位和1位停止位。
1.2链路层
103规约所有的传输过程均由主站启动，即轮询问答过程：由启动站向从动站触发一次传输服务，或者成功完成，或者报告差错，之后才能开始下一轮的传输服务。103规约采用的链路服务级别为三级，其链路服务级别及功能如下表所示。
1.3应用层
应用层为用户提供服务，是用户的窗口，它的服务直接提供给应用进程。应用层包含一系列应用功能，它包含在源和目的之间应用服务数据单元的传送中。
规约数据单元由规约控制信息和服务数据单元组成，由于103规约未采用应用规约控制信息，所以在应用层中的应用规约数据单元和应用服务数据单元及链路服务数据单元是一样的。因此在103规约中可将应用服务数据单元当作链路用户数据。
103规约描述了两种信息交换方法：兼容范围和通用分类服务。兼容范围基于严格规定应用服务数据单元和为传输“标准化”报文的应用过程。通用分类服务采用各间隔层单元自我描述和自我定义的方法对要求传输的信息进行定义，它可以传输任何类型数据。除国内已经生产的继电保护设备可以在一段时间内使用专用范围外，新开发的产品必须采用兼容范围和通用分类服务。
2.系统设计
103规约通信的模型如下图。
本系统负责实现的是监控保护设备这一层级，与上位机的通信基于以太网络。在系统设计之前，首先需要考虑以下几个因素：
（1）该监控保护设备是作业以太网的数据终端存在的，故选择的系统控制芯片必须要有足够高的运行速度，以保证其在100Mbit/s的以太网上能够高效地传送数据。
（2）考虑系统须对多路信号进行采样、滤波,需要大量的傅立叶变换计算,系统控制芯片至少要有32位宽的乘法器。
(3)考虑到以太网数据传送的高速性,以及处理器数据吞吐量的有限性,所以系统控制芯片最好能够内部集成有静态存储器来作为接收数据的缓存。
(4)因为在网络上传输的数据格式一般为16位,或者长度是16的倍数,所以在选择协议控制芯片和网络接口芯片时,应该选择可以以16位模式进行数据操作的芯片。
(5)对于网络接口芯片来说,除了要有16位的工作模式以外,最好是符合MII网络适配器兼容格式的芯片,这样在编写应用程序以及存储器的分配和使用上具有一定的通用性。
(6)网络适配器接口芯片上应该具有片上RAM,这样在数据量大的时候不会在网络接口处产生数据丢失现象。
3.软件设计
系统主要实现三方面的功能，一是数据采集；二是用户的显示与控制；三是利用标准103协议进行上位机的通信。
3.1通信功能设计
快速以太网驱动程序屏蔽了对底层网络设备的处理细节,同时向上层操作系统提供与硬件无关的接口调用。在以太网通信之前,首先要实现位于硬件抽象层的快速以太网驱动程序,上层软件与以太网控制器的交互都要通过驱动程序进行。网络通信系统通常要与多个对象实现信息共享，TCP/IP是实现异构网络互联的网络体系结构和协议标准,屏蔽各种物理网络技术。
本文实现的以太网103规约采用UDP报文与TCP报文相结合的方式,采用UDP协议快速传输包含源结点IP地址的短报文;采用TCP协议传输大量需要交换的信息。利用TCP的可靠连接和重发机制,以保证信息传输的完整性及可靠性。在正常连接状态下,主站只需定时向各子站发送UDP报文,子站采用TCP报文格式,以循环上送加变化上送的方式来传输实时数据。当子站发生事件或者有数据发生变化时,子站启动一次传输过程,及时将信息通知主站。
3.2通信异常处理与故障报告
103规约采用窗口尺寸为1的非平衡方式传输的链路传输规则,即由控制系统向继电保护设备触发一次传输服务,或者成功的完成,或者报告产生差错,之后才能开始下一轮的传输服务。如果发送/确认、请求/响应传输服务在传输过程中受到干扰,用等待/超时/重发的方式发送下一帧,发送/确认和请求/响应这两种服务由一系列在请求站和响应站之间的不可分割的对话要素所组成。
故障报告则必须记录了故障发生时的各种参数和系统状态,包括故障时间、故障动作开关号、保护元件动作类型和保护启动、出口、返回时间及相关电量参数。故障录波记录了故障前两周波至保护元件动作返回时间内的电流、电压波形及各通道谐波分析值。此时在DSP内生成一个扰动表,当控制系统发送读扰动表命令时,作为一级数据传给控制系统。
4.总结
103规约一方面可以面对复杂的计算处理；另一方面,比传统的通过485总线通信的更具有扩展灵活性。满足了系统的开放性与维护的方便性。同时利用DSP的强大的接口、搭配键盘、LCD,还可以在保护设备系统中完成用户显示、控制等功能,组成一个完整的自治系统。
参考文献
[1]赵丽平,李群湛,陈小川 .IEC 870252103 规约在牵引变电所自动化系统中的应用[J].电力系统及其自动化学報,2003(6):88 2 92.
[2]张广龙,史丽萍,张颖.基于PLC的IEC60870 2 5 2 103规约解析器的研究与应用[J].电力系统及其自动化学报,2007(2).