IEC103模拟主站测试系统的设计与应用.doc

IEC 60870-5-103 模 拟 主 站 自 动 测 试 系 统 的 设 计 与 应 用 李 国 杰, 张 丹, 姬 希 娜 ( 许 继 电 气 有 限 公 司 中 试 部, 河 南 许 昌 461000) 摘 要 : 针 对 用 于 变 电 站 装 置 通 信 的 IEC60870-5-103 协 议, 介 绍 了 模 拟 主 站 自 动 测 试 系 统 软 硬 件 设 计 方 案 中 的 实 现 细 节 和 设 计 思 想 提 出 了 测 试 继 电 保 护 装 置 通 信 的 一 种 新 方 法, 能 够 检 测 装 置 通 信 中 产 生 的 问 题, 保 证 了 通 信 的 一 致 性 特 别 是 面 向 那 些 不 是 协 议 专 家 的 测 试 人 员, 用 来 对 所 测 IED 设 备 的 103 规 约 的 应 用 情 况 做 出 客 观 公 正 的 评 价 测 试 范 围 涵 盖 IEC 60870-5-103 协 议 配 置 参 数 测 试 和 功 能 测 试 关 键 词 :IEC60870-5-103 协 议 ; 协 议 测 试 ; 手 动 测 试 ; 自 动 测 试 0 引 言 变 电 站 自 动 化 系 统 是 将 变 电 站 的 二 次 设 备 ( 包 括 测 量 仪 表 信 号 系 统 继 电 保 护 自 动 装 置 及 远 动 装 置 等 ) 经 过 功 能 的 组 合 和 优 化 设 计, 利 用 先 进 的 计 算 机 技 术 现 代 电 子 技 术 通 讯 技 术 和 信 号 处 理 技 术, 实 现 对 全 变 电 站 的 主 要 设 备 和 输 配 电 线 路 的 自 动 监 视 测 量 自 动 控 制 和 微 机 保 护 以 及 与 调 度 通 信 等 综 合 性 的 自 动 化 功 能, 在 电 力 系 统 控 制 中 占 有 非 常 重 要 的 地 位 因 此, 对 变 电 站 智 能 设 备 ( 微 机 保 护 测 控 等 ) 系 统 的 通 信 可 靠 性 要 求 越 来 越 高 DL/T 667-1999 远 动 设 备 及 系 统 第 5 部 分 传 输 规 约 第 103 篇 继 电 保 护 设 备 信 息 接 口 配 套 标 准 (1997 年 ) ( 以 后 简 称 103 配 套 标 准 ) 是 继 电 保 护 设 备 ( 智 能 电 子 设 备 (IED) 或 间 隔 单 元 ) 信 息 接 口 配 套 标 准, 已 经 被 国 内 的 众 多 厂 商 ( 如 许 继 电 气 国 电 南 瑞 南 瑞 继 保 上 海 ABB 等 ) 采 纳 然 而, 随 着 自 动 化 系 统 的 推 广, 各 个 厂 家 装 置 系 统 互 连 机 会, 变 得 越 来 越 多, 系 统 主 站 和 子 站 之 间 存 在 的 通 信 不 兼 容 操 作 复 杂 现 场 互 联 争 议 多 的 矛 盾 越 来 越 突 出 在 这 样 的 背 景 下, 我 们 开 发 了 IEC 60870-5-103 规 约 ( 后 面 简 称 103 规 约 ) 模 拟 主 站 自 动 测 试 系 统, 目 的 是 方 便 103 规 约 的 一 致 性 测 试, 特 别 是 面 向 那 些 不 是 协 议 专 家 的 测 试 人 员, 用 来 对 所 测 IED 设 备 的 103 规 约 的 应 用 情 况 做 出 客 观 公 正 的 评 价 自 动 测 试 系 统 能 准 确 全 面 的 完 成 人 工 测 试 难 以 完 成 的 测 试 任 务, 提 高 测 试 效 率, 保 证 产 品 质 量, 增 加 产 品 的 可 靠 性 1 测 试 系 统 功 能 及 硬 件 组 成 1.1 测 试 系 统 的 功 能 在 规 约 一 致 性 测 试 方 面, 本 测 试 系 统 是 基 于 远 动 设 备 及 系 统 第 5-6 部 分 : IEC 60870-5 规 约 系 列 测 试 规 则 的 表 38 表 58 规 定 的 内 容 开 发 在 软 件 的 应 用 方 面, 本 测 试 系 统 实 现 了 测 试 过 程 的 自 动 化 只 要 按 照 测 试 计 划 添 加 组 合 测 试 用 例, 运 行 自 动 测 试 功 能, 就 可 自 动 完 成 规 约 的 测 试 过 程 ( 包 括 错 误 原 因 的 准 确 定 位 和 实 时 报 警 ), 自 动 形 成 统 计 分 析 报 告 和 测 试 结 果 报 告 103 规 约 描 述 了 两 种 信 息 交 换 方 法 其 一 基 于 严 格 规 定 的 应 用 服 务 数 据 单 元 (ASDUs) 传 输 标 准 化 报 文 的 应 用 过 程 其 二 采 用 通 用 分 类 服 务 传 输 信 息 的 应 用 过 程 在 显 示 方 面 这 两 种 功 能 分 别 进 行 了 处 理 对 于 第 一 种 功 能, 采 用 了 用 户 配 置 信 息 点 表, 系 统 自 动 完 成 信 息 点 的 物 理 意 义 解 释 的 方 式 对 于 第 二 种 功 能, 采 用 了 值 和 描 述 的 自 动 解 析 与 组 合, 并 以 列 表 形 式 显 示 的 方 式 另 外 针 对 保 护 定 值 修 改 的 特 点 专 门 添 加 了 定 值 修 改 工 具 在 实 时 显 示 界 面 上 采 用 物 理 层 链 路 层 应 用 层 和 用 户 进 程 的 分 层 显 示, 便 于 用 户 对 469

测 试 过 程 信 息 的 实 时 捕 捉 李 国 杰 等 IEC 60870-5-103 模 拟 主 站 自 动 测 试 系 统 的 设 计 与 应 用 为 了 便 于 物 理 层 的 测 试, 本 软 件 还 具 有 物 理 层 参 数 的 在 线 修 改 功 能 1.2 测 试 系 统 的 硬 件 组 成 自 动 测 试 系 统 模 拟 环 境 如 图 1 所 示 测 试 环 境 包 括 :103 规 约 主 站 即 本 软 件 ( 包 含 计 算 机 载 体 ) 智 能 多 串 口 设 备, 继 电 保 护 测 试 设 备 (103 规 约 子 站 即 IED) 一 方 面, 通 过 多 模 拟 系 统 能 对 规 约 进 行 处 理, 自 动 接 收 各 种 正 常 和 非 正 常 情 况 下 的 数 据 ( 包 括 电 流 电 压 有 功 功 率 无 功 功 率 等 ) 和 SOE 事 件 ( 包 括 保 护 信 号 保 护 动 作 开 关 变 位 等 ), 并 通 过 各 种 规 约 进 行 组 帧, 发 送 到 发 送 缓 冲 区, 并 根 据 一 定 的 时 间 序 列, 上 送 到 控 制 中 心 ; 同 时, 根 据 实 际 的 运 行 经 验, 可 总 结 出 典 型 的 参 数 组 及 极 限 参 数 组, 在 特 定 时 刻 放 入 数 据 库 取 代 计 算 参 数 向 被 测 IED 传 送 计 算 机 主 站 (IE C103 MS W) 485 智 能 多 485 串 口 被 测 子 站 1(IED) 被 测 子 站 n(ied) 打 印 机 图 1 自 动 测 试 系 统 模 拟 环 境 模 拟 103 主 站 计 算 机 与 测 试 对 象 之 间 的 物 理 接 口 是 RS485( 如 果 模 拟 103 主 站 计 算 机 无 RS485 串 口 还 需 要 做 一 个 RS232 到 RS485 的 串 口 转 换 ) 其 中 被 测 子 站 包 括 模 拟 执 行 机 构 和 继 电 保 护 测 试 设 备, 作 为 子 站 部 分 信 息 源 的 提 供 者, 它 们 与 被 测 子 站 通 过 开 入 开 出 和 模 拟 量 实 现 联 系 2 测 试 系 统 软 件 设 计 2.1 软 件 构 架 由 于 IEC103 规 约 的 解 析 和 打 包 的 功 能 为 可 重 用 性 较 高 的 模 块, 因 此 设 计 模 块 结 构 时 应 将 该 模 块 与 其 他 模 块 的 耦 合 程 度 降 到 最 低, 使 其 完 全 独 立 于 其 他 模 块, 以 便 在 其 他 部 分 修 改 或 完 善 时 不 要 或 最 低 限 度 的 影 响 到 该 模 块 测 试 用 例 文 件 参 数 配 置 文 件 和 预 制 命 令 文 件 为 测 试 系 统 提 供 数 据 服 务 功 能, 并 且 支 持 实 时 服 务 功 能, 如 通 讯 参 数 可 以 在 线 修 改, 测 试 用 例 可 以 在 线 编 辑 等 本 测 试 系 统 的 软 件 框 架 如 图 2 所 示 测 试 系 统 测 试 对 象 测 试 用 例 文 件 人 机 界 面 规 约 打 包 发 送 参 数 配 置 文 件 预 制 命 令 文 件 103 规 约 分 层 解 析 及 规 约 自 动 判 断 分 析 模 块 接 收 串 口 通 信 IED 统 计 输 出 ( 显 示 或 打 印 ) 图 2 自 动 测 试 系 统 的 软 件 框 架 图 它 大 致 可 分 为 人 机 界 面 103 规 约 分 层 解 析 及 规 约 自 动 判 断 分 析 规 约 打 包 串 口 通 信 统 计 输 出 和 存 储 ( 包 括 测 试 用 例 存 储 参 数 配 置 存 储 和 预 制 命 令 存 储 ) 2.2 核 心 软 件 模 块 的 实 现 470

本 软 件 的 实 现 是 基 于 模 块 化 和 核 心 模 块 的 重 用 性 思 想 核 心 软 件 模 块 由 串 口 监 视 线 程 模 块 接 收 处 理 线 程 模 块 和 发 送 处 理 线 程 模 块 三 部 分 组 成 如 图 3 所 示 串 口 监 视 线 程 模 块 物 理 层 数 据 缓 冲 区 数 据 中 转 处 理 接 收 数 据 缓 冲 发 送 数 据 缓 冲 接 收 处 理 线 程 模 块 发 送 处 理 线 程 模 块 图 3 核 心 线 程 关 系 图 数 据 中 转 处 理 部 分 的 作 用 是 防 止 程 序 后 续 处 理 ( 例 报 文 自 动 解 析 判 断 显 示 等 功 能 ) 影 响 物 理 层 数 据 的 实 时 收 发 2.2.1 串 口 监 视 ( 接 收 ) 线 程 物 理 层 数 据 的 收 发 的 实 时 性 是 系 统 性 能 的 重 要 标 志 之 一 本 软 件 的 串 口 数 据 接 收 采 用 实 时 中 断 接 收 主 要 流 程 如 图 4 所 示 设 置 串 口 参 数 完 成 端 口 号 波 特 率 停 止 位 校 验 位 等 设 置 设 置 串 口 参 数 后 启 动 串 口 实 时 中 断 接 收 机 制 2.2.2 接 收 处 理 线 程 接 收 处 理 线 程 按 可 变 帧 长 帧 固 定 帧 长 帧 来 分 别 处 理 然 后 再 按 应 用 功 能 的 应 答 过 程 报 文 类 型 测 试 方 式 等 进 行 自 动 解 析 判 断 主 要 流 程 如 图 5 所 示 打 开 串 口 While 无 限 循 环 设 置 串 口 参 数 延 时 2ms 监 视 有 无 数 据 监 视 有 无 新 数 据 启 动 实 时 中 断 接 收 函 数 可 变 帧 长 帧 处 理 模 块 固 定 帧 长 帧 处 理 模 块 接 收 数 据 并 将 数 据 存 放 到 物 理 层 接 收 缓 冲 区 图 4 串 口 监 视 ( 接 收 ) 线 程 流 程 图 图 5 接 收 处 理 线 程 流 程 图 2.2.3 发 送 处 理 线 程 发 送 处 理 线 程 中 发 送 数 据 受 到 接 收 处 理 线 程 的 闭 锁, 若 链 路 接 收 数 据 没 有 完 毕, 则 发 送 处 理 线 程 将 等 待 一 定 时 间, 然 后 再 判 断 是 否 数 据 接 收 完 毕 发 送 数 据 时, 首 先 要 判 断 当 前 的 链 路 状 态, 若 为 自 动 测 试, 则 从 自 动 测 试 缓 冲 区 中 读 取 要 发 送 的 数 据, 若 为 手 动 测 试, 则 从 手 动 测 试 缓 冲 区 中 读 取 要 发 送 的 数 据, 若 471

李 国 杰 等 IEC 60870-5-103 模 拟 主 站 自 动 测 试 系 统 的 设 计 与 应 用 两 者 都 不 是, 则 为 正 常 的 链 路 应 答 过 程, 根 据 装 置 上 送 的 数 据 请 求 标 志 位 ACD 的 值 判 断 装 置 是 否 有 一 级 数 据 上 送, 若 有 一 级 数 据, 则 发 送 召 唤 一 级 数 据 的 命 令, 若 没 有, 则 发 送 召 唤 二 级 数 据 的 命 令 发 送 处 理 线 程 的 流 程 如 图 6 所 示 While 无 限 循 环 链 路 数 据 接 收 完 毕 自 动 测 试 模 式 自 动 测 试 发 送 模 块 手 动 测 试 模 式 手 动 测 试 发 送 模 块 正 常 链 路 应 答 模 块 图 6 发 送 处 理 线 程 流 程 图 3 一 致 性 测 试 及 应 用 3.1 一 致 性 测 试 根 据 103 配 套 标 准 制 定 的 目 的 和 DL/Z 634.56-2004 远 动 设 备 及 系 统 第 5-6 部 分 IEC60870-5 规 约 系 列 测 试 规 则 的 指 导 意 见, 如 果 IED 采 用 103 规 约, 为 了 满 足 最 大 可 能 的 互 操 作 性 (80%~90%) 和 一 致 性, 本 文 认 为 它 应 具 备 以 下 两 点 : 其 一 远 动 设 备 及 系 统 第 5-6 部 分 :IEC60870-5 规 约 系 列 测 试 规 则 所 规 定 的 强 制 测 试 项 必 须 满 足 其 二 生 产 厂 家 规 定 的 专 用 范 围 的 必 须 能 由 其 使 用 的 兼 容 范 围 和 通 用 分 类 服 务 来 完 全 代 替 即 完 成 所 有 功 能 及 信 息 的 部 分 或 整 体 可 采 用 专 用 范 围 途 径 也 可 采 用 兼 容 范 围 和 通 用 分 类 服 务 途 径 3.2 应 用 本 软 件 在 规 约 方 面 实 现 了 103 规 约 的 完 全 测 试 103 规 约 可 分 为 兼 容 范 围 和 专 用 范 围 在 这 里 主 要 以 类 型 标 识 ( 类 型 标 识 <1~255> 其 中 <1~31> 为 兼 容 范 围,<32~255> 为 专 用 范 围 ) 作 为 划 分 兼 容 范 围 和 专 用 范 围 的 依 据 兼 容 范 围 指 在 103 配 套 标 准 所 规 定 的 全 部 兼 容 范 围 的 应 用 服 务 单 元 ASDU 专 用 范 围 指 103 配 套 标 准 附 录 E 所 规 定 的 ASDU 和 某 些 生 产 厂 家 所 规 定 的 既 不 属 于 兼 容 范 围 又 不 属 于 103 配 套 标 准 附 录 E 所 规 定 的 ASDU 的 ASDU 在 主 站 测 试 系 统 中 的 选 择 定 制 下 行 报 文 的 方 式 中 对 以 上 内 容 进 行 了 完 全 定 制 至 于 除 去 以 上 已 经 规 定 的 兼 容 范 围 和 专 用 范 围 外, 为 了 以 后 扩 展 的 需 要 ( 例 如 类 型 标 识 32~255 中 的 其 它 部 分 ), 我 们 特 别 制 定 了 填 写 定 制 报 文 方 式 此 方 式 可 完 全 满 足 以 后 的 任 意 扩 展, 并 且 采 用 这 种 方 式 可 以 下 发 任 意 形 式 的 错 误 报 文 另 外, 对 于 103 配 套 标 准 中 用 到 的 固 定 帧 长 链 路 规 约 数 据 单 元 LDPU 也 都 进 行 了 选 择 定 制 通 过 该 测 试 系 统 的 应 用, 发 现 了 人 工 测 试 时 较 难 发 现 的 内 部 隐 藏 问 题, 如 通 过 该 软 件 的 应 用, 在 子 站 472

没 有 录 波 数 据 时 发 送 启 动 故 障 录 波 数 据 上 送 的 命 令, 子 站 回 答 没 有 录 波 数 据, 然 后 给 子 站 施 加 故 障 量 产 生 录 波 数 据, 此 时 主 站 再 发 送 启 动 故 障 录 波 上 送 的 命 令, 此 时 子 站 有 录 波 数 据 的 情 况 下 应 上 送 录 波 数 据, 但 是 子 站 仍 然 回 答 没 有 录 波 数 据, 该 问 题 在 人 工 时 没 有 发 现 是 因 为 人 工 测 试 时 故 障 录 波 数 据 是 主 动 上 送 的, 而 并 没 有 主 动 向 子 站 要 录 波 数 据 该 测 试 系 统 的 应 用 实 现 了 规 约 测 试 的 标 准 化 和 智 能 化, 同 时 加 深 了 规 约 测 试 的 精 度 和 深 度, 提 高 了 测 试 效 率 4 结 论 本 文 介 绍 的 103 规 约 模 拟 主 站 自 动 测 试 系 统 成 功 地 完 成 了 DSP-800 系 列 微 机 保 护 通 信 的 自 动 测 试, 迅 速 帮 助 测 试 者 发 现 通 信 中 的 规 约 一 致 性 问 题, 把 规 约 实 现 中 的 错 误 和 BUG 准 确 定 位, 测 试 过 程 方 便 简 单 高 效 本 系 统 为 将 来 众 多 厂 家 联 调 的 系 统 工 程 提 供 了 有 效 的 预 防 反 应, 对 国 内 厂 家 采 用 国 际 通 用 协 议 起 了 促 进 作 用 参 考 文 献 1 DL/Z 634.56-2004 远 动 设 备 及 系 统 第 5-6 部 分 IEC60870-5 规 约 系 列 测 试 规 则 2 DL/T 667-1999 远 动 设 备 及 系 统 第 5 部 分 传 输 规 约 第 103 篇 继 电 保 护 设 备 信 息 接 口 配 套 标 准 (1997 年 ) 3 何 卫, 徐 劲 松.IEC 60870-5-6 一 致 性 测 试 规 则 探 讨 [J]. 电 力 系 统 自 动 化.2003,27(15):78-79. 4 DL/T 634.5101-1999 远 动 设 备 及 系 统 第 5-101 部 分 传 输 规 约 基 本 远 动 任 务 配 套 标 准 李 国 杰 (1967-), 男, 硕 士 研 究 生, 高 级 工 程 师, 长 期 从 事 继 电 保 护 电 力 系 统 自 动 化 产 品 开 发 研 究 工 作 ; 张 丹 (1978-), 女, 助 理 工 程 师, 主 要 从 事 继 电 保 护 及 自 动 化 产 品 的 测 试 技 术 测 试 方 法 的 研 究 和 科 研 产 品 的 测 试 工 作 ; 姬 希 娜 (1981-), 女, 助 理 工 程 师, 主 要 从 事 继 电 保 护 及 自 动 化 产 品 的 测 试 技 术 测 试 方 法 的 研 究 和 科 研 产 品 的 测 试 工 作 ; Design and Application of IEC 60870-5-103 Simulating Master Station Auto-test System LI Guo-jie, ZHAG Dan, JI Xi-na (1. Intermediate Test Dept of XJ Electric Co.,Ltd, Xuchang 461000, China; (2. Protection & Automation Dept of XJ Electric Co.,Ltd, Xuchang 461000, China ) Abstract: According to the IEC60870-5-103 protocol that applies to the communication of protection equipment, this paper gives an introduction of the implementing details and designing mentality in the hardware and software designing scheme of simulating master station auto-test system. It presents a new approach to the test of the communication of protection equipment, which can quickly, scientifically, accurately and comprehensively detect the problem in the communication of protection equipment, while guaranteeing the conformance of the communication, especially availing those people not so professional in protocol to make an impartial judge of the application of 103 protocol in the tested IED apparatus. The test ranges from parameter configuration test to functional test in IEC60870-5-103 protocol. Key words: IEC60870-5-103 protocol; protocol test; manual test; auto-test. 473