APPLICATION EXPERIENCE OF IEC 60870-5-103 AND IEC 60870-5-104 TRANSMISSION
PROTOCOLS IN SUBSTATION AUTOMATION
Liao Zeyou Liu Wei Liu Fengsu
(XJ group corp. , Xuchang 461000, China)
Abstract: It is presented the compound scheme of IEC 60870-5-103 and FTP in this paper, after analyzing system diagram of relay protection and fault record MIS, its task and message transmission characteristic requirement. It is introduced the interrelated standards, analyzed the compound scheme meeting the need of message transmission and the assemblage mode with many different type channels in SPDnet. It is presented the principle of protocol translation according to approaching each device and each processing in this paper, introduced the sub-diagram of sub-system of relay protection and fault record MIS and the relation of the sub-system and power plant or substation automation. At last, in this paper, it is discussed that IEC61850 is used in relay protection and fault record MIS, introduced the application of the compound scheme in a project.
Keywords: Transmission protocols, Relay protection and fault record MIS, TCP/IP, FTP, IEC 60870-5-103, COMTRADE, Ethernet, SPDnet
摘 要：本文首先分析介绍了继电保护及故障录波器信息处理系统的构成、任务和信息传输的特点和要求、相关的国际标准；提出了故障信息系统的主站和子站的通信协议采用IEC60870-5-103和FTP组合的协议方案，分析了该通信协议满足所传送信息的需要、与现有的电力数据通信网络中不同类型通道的结合方式；接着分析介绍了子站系统内部采用以太网，接入不同类型装置和录波器的方案，提出了协议转换采用尽量下放到接近装置，分散处理的原则；也介绍了与现有的厂、站自动化系统的通信协调；最后分析了故障信息系统兼容或采用IEC61850标准的问题。文中介绍了本文所提的通信协议方案在湖南电网的应用情况。
关键词：通信协议，继电保护及故障录波器信息处理系统，TCP/IP，FTP，IEC60870-5-103，COMTRADE，以太网，电力数据网
0．引言
微机型的保护、安全自动装置和故障录波器在电力系统中的广泛应用，为通过数据通信方式传送保护及故障录波器信息提供了可能；另外，随着以光纤为媒介的新的通信产品的广泛应用，这几年来，电力系统的数据通信网获得了前所未有的快速建设和发展，数据通信网的规模和容量大大增强；这些有利条件终于促使了电力部门为提高电网安全运行的信息化水平，实现快速有效地处理电网故障、恢复系统正常运行，而正在加紧建设电网继电保护及故障录波器信息处理系统。
电网继电保护及故障录波器信息处理系统通常由设在网（省、市）调度中心的主站或设在地区调度（或设备直管单位）的主站和若干个设在其所管辖的变电站、发电厂的子站，通过电力系统的数据通信网络（或专线）连接而成（见图1）。故障信息系统的任务是收集管理电网中各运行厂、站中的保护装置、安全自动装置等涉及电网异常时动作的装置的动作信号、断路器的分合信号以及装置的运行异常信号；微机保护装置和故障录波器的故障录波数据和故障报告、保护的定值等；以及对这些数据、信号的综合、统计、计算和分析等处理与管理，实现继电保护运行、管理和电网故障处理的网络信息化、自动智能化，达到为调度员安全、准确、迅速处理电网事故提供信息支持与决策参谋；为继保人员对保护、安全自动装置及故障录波器的动作行为分析和现代化运行管理提供必要的支持，这两个目的。
鉴于故障信息系统的信息传输任务的重要性和必须面对不同厂家、不同类型的设备、各种不同的通信条件，故障信息系统的建设规划和产品研发中的一个非常核心的研究之一，应是该系统的通信协议的研究；如何使通信协议充分满足所传送的不同类型的数据信息的需要，如何更好地与现有的电力通信网络中不同类型的通信通道结合，与现有的厂、站自动化系统协调；另外，通信协议应尽量采用相关的标准，制定现有实际情况下的较为合理的协议和未来的电力系统通信协议标准的发展方向的考虑。本文在这几个方面结合许继的继电保护故障信息系统产品与工程应用，介绍我们在这方面所作的一些探讨。
1．故障信息系统的信息传输要求
故障信息系统的信息的来源为安装在电网中各运行厂、站的保护装置、安全自动装置和故障录波器。信息中包含有状态（动作、告警）信息和大数据量的故障录波数据，以及数据量较大的保护故障报告、保护的定值等；从信息要求的传送速度，有要求快速主动上送的，也有速度要求不高的召唤调用的。因此，要求可预先设定主动上送到主站的电力系统故障时的跳闸信息及二次设备的异常报警信息，及以优先级别有序上送的传送方式和优先顺序。对于保护的详细故障报告、保护的定值、大数据量的故障录波数据等，采用级别较低的，召唤调用上送；为了提高其通信效率，降低网络通道的干扰的影响，要求能支持断点续传功能。
通信协议应该使用国际标准协议，以利于系统的互操作性和实现无缝通信的要求。为此，文献[3]要求“在满足功能要求的前提下，优先选用IEC870-5-103规约”，“应向61850规约为目标，以实现真正的无缝通信”。
鉴于目前不同厂家、不同时期生产的不同类型的装置的通信协议、信息内容和格式均不相同，要求子站系统将收集到的厂站的不同类型的装置的信息，由子站完成格式转换后，采用统一的通信协议和数据格式送给主站。此外，子站对大量来自装置的数据信息经规约转换后，还要具有过滤处理能力，遵守预先设定主动上送到主站的优先顺序传输原则，保进不同类型数据间的优先有序上送。
2．相关国际标准介绍
由于故障信息系统的所传送的信息为保护装置、安全自动装置的动作信号、断路器的分合信号以及它们的运行异常信号；微机保护装置和故障录波器的故障录波数据和故障报告、保护的定值等。目前与这些信息相关的，应用已较多国际标准主要有IEC60870-5-103继电保护设备信息接口配套标准[1][2]、IEC60255-24 电力系统暂态数据交换（COMTRADE）公用格式[6]（即等同ANSI/IEEE C37.111-1991 COMTRADE 暂态数据交换通用格式）。以后，IEC61850变电站通信网络系统国际标准，也会逐步在变电站自动化系统中应用，不过，目前其实际应用还很少。
3．故障信息系统的主站和子站系统的通信协议
3.1 故障录波数据的通信协议
故障信息系统的故障录波数据主要是数字式故障录波器记录的电网故障前后的模拟量和开关量数据，以及记录高频保护通道的直流量和开关量数据。由于微机保护装置出现以及其内存容量的日益增大，许多保护装置也具有记录保护动作前后的有关模拟量和开关量数据，这些数据对于分析电网故障时，该保护装置的动作行为的正确性，同样具有非常重要的价值。所以，故障信息系统的故障录波数据还应包括微机保护装置所记录的电网故障前后的模拟量和开关量数据。
这部分数据的特点是信息量大，以及为了方便数据分析时的交换方便，要求按照COMTRADE 暂态数据交换通用格式，以文件方式存储[3，4]；因而故障信息系统主站和子站的故障录波数据存储格式常常均采用COMTRADE 暂态数据交换通用文件格式；因此，故障信息系统的故障录波数据部分的通信协议，原则上可采用传送COMTRADE 格式文件的方式。为了更好地实现通信标准化，提高通信的可靠性和互操作性，同时便于实现和使用，在数据网络连接方式下提供虚电路的主站和子站之间，建议采用FTP文件传输协议（File Transfer Protocol）。
FTP文件传输协议的任务是从一台计算机将文件传送到另一台计算机，它与这两台计算机所处的位置、联系的方式、以及所使用的操作系统无关。FTP已是一个广泛用于INTERNET的文件传输协议标准。它属于TCP/IP协议族，是一种稳定、可靠、成熟的文件传输协议；既可以主动发送（上传）单/多个文件，也可下载单/多个文件，很容易支持断点续传、文件目录服务等；它完全适合于故障信息系统的故障录波数据文件的传送。另外，现已有丰富的FTP软件支持这一协议，它能给故障信息系统的研发者和使用者带来不少方便。现有的操作系统如：WINOOW，UNIX和大部分浏览器，如IE、Netscape也均支持FTP协议。支持FTP协议的工具软件也在不断更新，功能不断增强，界面更为友好。
由于故障录波数据的信息量大，主站常常采用召唤故障录波数据的方式[3，4]。主站可根据此录波数据的文件列表中的文件名，采用FTP下载方式，召唤子站中故障录波文件。FTP文件传输协议支持的文件断点续传也能使故障录波文件传输的效率提高。
3.2 非故障录波数据的通信协议
鉴于越来越多的保护装置已采用了IEC60870-5-103继电保护设备信息接口配套标准，此标准也是继电保护设备信息通信协议的发展方向，因而我们认为故障信息系统的主站和子站系统的通信协议的主体，采用IEC60870-5-103通信协议标准比较合适：它能非常方便地传送除故障录波数据之外的保护装置、安全自动装置的动作信号、断路器的分合信号以及它们的运行异常信号和故障报告、保护的定值等；能满足向主站主动传送及调用故障信息的要求，能够满足按用户需要设定不同类型数据，采用不同优先级有序传送的要求；而且由于子站系统中的继电保护工程师站（或保护管理机）最大限度地将保护装置的IEC60870-5-103通信协议与故障信息系统的主站、子站系统间的通信协议协调一致，简化了子站系统中的继电保护工程师站将保护装置的数据转送给故障信息系统主站的处理。从上述不难看出，它也能与FTP文件传输协议有机地结合起来。
采用IEC60870-5-103通信协议标准也是文献[3]优先推荐采用的标准。
