电力系统104规约帧报文解析

一、简介

1.1 电力系统常见概念

  电力系统远动(power system telemechanics)：为电力系统调度服务的远距离监测、控制技术，即管理和监控分布甚广的众多厂、所、站和设备、元器件的运行工况的一种技术手段。
  一般来说，电力系统远动终端RTU(Remote Terminal Unit)具有"四遥"等功能。"四遥"主要指的是遥测、遥控、遥调、遥信四种。其实从"遥"字面意思上我们也可以看到这注定是一个远程远距离的操控了。

1. 遥测：远程测量。采集并传送运行参数，包括各种电气量（线路上的电压、电流、功率等量值） 和负荷潮流等。
2. 遥控：远程控制。接受并执行遥控命令，主要是分合闸，对远程的一些开关控制设备进行远程控制。
3. 遥信：远程信号。采集并传送各种保护告警和开关量信息。
4. 遥调：远程调节。接受并执行遥调命令，对远程的控制量设备进行远程调试，如调节发电机输出功率。

ps:    一摇：遥信
    二遥：遥信和遥测
    三遥：遥信、遥测和遥控

1.2 104规约使用场景

  电力系统中常见的设备分为调度端（控制站、主站、客户机）, 服务端（被控站、子站，典型设备包含TTU、RTU等），两者之间通过104规约来进行数据通信与传输。其传输层实际上使用的是TCP协议进行数据的传输。固定端口号为2404。
  服务端不主动发起请求，一直处于侦听状态，当侦听到来自客户机的连接请求后，则接受此请求，由此建立一个TCP链接。控制站（即调度系统）作为客户机，被控站（即站端RTU）作为服务器。
  即实际的代码操作为：
    主站按照: Socket()->Connect()的顺序进行
    RTU（服务器）端按: Socket()->Bind()->Listen()->Accept()的顺序进行。

二、IEC104协议结构

  传输接口(用户到TCP) 是一个面向流的接口,它没有为 DLT 634.5101中的ASDU定义任何启动或者停止机制。为了检出ASDU的启动和结束，每个APCI包括下列的定界元素:一个启动字符，ASDU的长度的规范，以及控制域，见图4。可传送一个完整的APDU(或者出于控制目的，仅有APCI域，见图5)。

APDU：应用协议数据单元
APCI：应用协议控制单元
ASDU：应用服务数据单元

帧报文的格式如下所示：

2.1. APCI

2.1.1 启动字符

  默认固定为 68H，意思就是只要是IEC104协议就是以68H开头；

2.1.2 APDU的长度问题

  起始一个apdu的总长度不会超过255个字节；
  在协议中的第二个字节会记录本apdu的长度，但是这个记录的长度数是除开前面两个字节之外的长读数，比如下面有个单点信息的apdu协议报文：
68 31 02 00 02 00 01 A4 14 00 01 00 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
其中第二个字节31H就是长度转为10进制为49个字节，你可以数下后面肯定是49个字节，如果不是就不是一个apdu协议；

2.1.3 控制域

  控制域主要是有两个功能：
   1. 报文的类型（I帧报文、U帧报文或者S帧报文）
   2. 收发报文的个数
104规约帧报文分为三大类( I帧、S帧、U帧):

2.1.3.1 I帧报文

  I帧是信息帧，作用是用于传输具体的通信数据的，长度必大于6个字节。

• I帧报文格式规定控制域1和控制域3的最低位为0；
• 其他部分用于发送序列号和接收序列号的计数；
  比如：发送计数为 TxCounter 接收计数为RxCounter
  控制域1 = TxCounter & 0xFE
  控制域2 = (TxCounter >> 8) & 0xFF
  控制域3 = RxCounter & 0xFE
  控制域4 = (RxCounter >> 8) & 0xFF

2.1.3.2 S帧报文

  S帧是用于确认接收的I帧，即当接收到I帧后需要返回一个S帧，长度等于6个字节。

• S帧报文格式规定控制域1的第0位为1，第1位为0和控制域第0位为0；
• S帧报文的发送序列号都为0
• S帧只用于APCI中（意思就是S帧的apdu报文只会有apci不会存在asdu），不能用于传输信息，只用给对方信息的确认，比如子站发送8条报文，结束后主站就会给子站发送一个确认帧（S帧），告诉子站我收到了8条报文。
  比如：接收计数为RxCounter
  控制域1 = 0x01
  控制域2 = 0x00
  控制域3 = RxCounter & 0xFE
  控制域4 = (RxCounter >> 8) & 0xFF

2.1.3.3 U帧报文

  U帧是控制帧，用于控制启动/停止子站进行数据传输，或测试TCP链路连接，长度等于6个字节。

• I帧报文格式规定控制域1和控制域3的最低位为0；
• 其他部分用于发送序列号和接收序列号的计数；
• U帧只用于控制，并且只存在APCI中（意思就是U帧的apdu报文只会有apci不会存在asdu）；
• 测试、停止和开启在一个U帧报文中只可能存在其中的一种；

(1) 如果用于【开启】则：
  a.激活第2位为1 第3位0，如下表所示

   b.激活确认第2为0 第3位1，如下表所示

  U帧启动主要是用于 主站连接子站时，主站给子站发送一个U帧启动报文，如下：
  主站发送：68 04 07 00 00 00
  子站回复：68 04 0B 00 00 00
(2) 如果用【停止】则：
  a.激活第4位为1 第5位0，如下表所示
  b.激活确认第4为0 第5位1，如下表所示

  U帧停止如下：
  主站发送：68 04 13 00 00 00
  子站回复：68 04 23 00 00 00
(3) 如果用【测试】则：
  a.激活第6位为1 第7位0，如下表所示

  b.激活确认第6为0 第7位1，如下表所示

  比如：子站发送U帧测试（激活），主站收到测试U帧就会回复一个U帧（确认）
  子站发送：68 04 43 00 00 00
  主站发送：68 04 83 00 00 00

Tips：测试U帧一般用于子站判断主站是否还在连接子站，主站判断子站是否还在运行，保证数据传输的畅通性.

2.2 ASDU

2.2.1 类型标识

  类型标识：占一个字节，标识出后面的信息体的数据类型

Tips：一个apdu中信息体中的所有数据的类型都是一致的，并且数据类型在类型标识这个位置标识；

类型的分类：

2.2.1.1 监视方向的用户类型

• 标度化值：类似INT16
• 归一值：（转换比较复杂，参考网上的一个公式）取值范围，通常将大于1的数映射到1以内的空间，通常就是用实际值除以额定值，即得到归一化的小数（只要双方约定好，什么形式的转化无所谓）
• 短浮点值：类似float

标度化值和归一化值占2个字节，短浮点数占4个字节

Tips：一般为从站发送给主站

2.2.1.2 控制方向的用户类型

Tips：一般为主站发送给从站

2.2.1.3 监视方向的系统类型

Tips：

• 当厂站（从站）短重新上电、初始化参数、重新分配缓存区等情况下，厂站需要给主站发送该类型，而主站收到该类型的APDU包，主站一般会做一次总召唤;
• 从站发送给主站

2.2.1.4 控制方向的系统类型

Tips：一般为主站发送给从站

2.2.2 可变结构限定词

• SQ = 0 ：信息对象的地址不连续（意思就是每个信息对象都会一个对象地址）
• SQ = 1 ： 信息对象的地址连续 （只有第一个信息对象有地址，其他对象的地址就是累加1）

Tips：总召唤时，为了压缩信息传输时间SQ=1；而在从站主动上传变化数据时，因为地址不连续，采用SQ=0；

2.2.3 传送原因

占2个字节

• T = 0 未试验 ； T = 1 试验 （一般 T= 0）
• P/N = 0 肯定 ； P/N = 1 否定 （正常为P/N = 0；P/N = 1说明该报文无效）
• 源发地址：用来记录来时哪个主站的响应数据，一般写 0；
• 传送原因：（下面提到的上行：[从站发送给主站]、下行：[主站发送给从站]）
  
   红色标记的是一些常用的；其中【6,7,8,9,10】在一些遥控，设定值时用的比较多
   例如：从站发送一个 传送原因为 突发 的报文 ，则传送原因这个2个字节的情况如下：
    突发 = 3
  

2.2.4 应用服务数据单元公共地址

占2个字节

• 规定高位字节 0x00
• 站地址： 1-254 为站地址；255为全局地址；

2.2.5 信息体

2.2.5.1 连续信息传输型

2.2.5.1.1 带绝对时标（遥测）

• 时标有三种，但是例外两种基本不用，暂不去说明
• 其中只有类型为【21】的【归一化测量值】不带品质描述词
• 说明：连续、带时标的 ASDU数据部分结构如上表分为：
     - 地址编号：第一个信息体数据的地址（只会出现一次）
     - 重复信息体数据+品质描述词 （地址=第一个地址按顺序+1推算出来）
     - 最后以绝对时标结束

2.2.5.1.2 不带绝对时标（遥测）

• 说明：连续、不带时标的 ASDU数据部分结构如上表分为：
     - 地址编号：第一个信息体数据的地址（只会出现一次）
     - 重复信息体数据+品质描述词 （地址=第一个地址按顺序+1推算出来）

2.2.5.1.3 带绝对时标（遥信）

• 对于遥信，状态量和品质描述词 合在了一个字节中

2.2.5.1.4 不带绝对时标（遥信）

• 对于遥信，状态量和品质描述词 合在了一个字节中

2.2.5.2 非连续信息传输型

2.2.5.1.1 带绝对时标（遥测）

• 说明： 不连续、带时标的 ASDU数据部分结构如上表分为：
     - 每一个信息体数据都会有一个地址编号
     - 绝对时标结尾

2.2.5.1.2 不带绝对时标（遥测）

• 说明： 不连续、带时标的 ASDU数据部分结构如上表分为：
     - 每一个信息体数据都会有一个地址编号

2.2.5.1.3 带绝对时标（遥信）

2.2.5.1.4 不带绝对时标（遥信）

2.2.5.3 品质描述词

分为 遥信品质描述词 和 遥测品质描述词:

2.2.5.3.1 遥信品质描述词

1. 单点信息品质描述词

   - BL : 封锁标志；BL=0 未被封锁；BL=1 封锁；
   - SB: 取代标志；SB=0 未被取代；SB = 1 被取代；
   - NT：刷新标志；NT=0 刷新成功；NT=1 刷新未成功；
   - IV：有效标志；IV = 0 状态有效；IV = 1 状态无效；
   - RES： 保留位
   - SPI：遥信状态值（0=开；1=合） 【具体的值，占一个bit位】
     1=确定状态的开；
      2=确定状态的合；
      3=不确定状态或中间装填）【具体的值，占2个bit为必然有4个值】

2. 双点信息品质描述词

   - BL : 封锁标志；BL=0 未被封锁；BL=1 封锁；
   - SB: 取代标志；SB=0 未被取代；SB = 1 被取代；
   - NT：刷新标志；NT=0 刷新成功；NT=1 刷新未成功；
   - IV：有效标志；IV = 0 状态有效；IV = 1 状态无效；
   - RES： 保留位
   - SPI：遥信状态值（0=不确定状态或中间装填；
     1=确定状态的开；
     2=确定状态的合；
     3=不确定状态或中间装填）【具体的值，占2个bit为必然有4个值】

2.2.5.3.2 遥测品质描述词

• BL : 封锁标志；BL=0 未被封锁；BL=1 封锁；
• SB: 取代标志；SB=0 未被取代；SB = 1 被取代；
• NT：刷新标志；NT=0 刷新成功；NT=1 刷新未成功；
• IV：有效标志；IV = 0 状态有效；IV = 1 状态无效； (tips:如何无效说明该遥测数据无效)
• RES： 保留位；
• OV：溢出标志；OV=0 未溢出；OV=1 遥测超出量程，发生溢出

2.2.5.4 绝对时标

• IV ： IV = 0 时标有效；IV=1时标无效；
• RES：保留位

2.2.5.5 遥控和设定值

2.2.5.5.1 单点遥控

单点遥控信息：

• S/E = 0 遥控执行命令；S/E=1 遥控选择命令；
• QU = 0 被控占内部确定遥控输出方式，不有控制站选择；
     1 短脉冲方式输出
     2 长脉冲方式输出
     3 持续脉冲方式输出
     其他值没有定义
• RES ：保留位
• SCS ： 设置值； 0 = 控开 ；1 = 控合

2.2.5.5.2 双点遥控

双点遥控信息：

• S/E = 0 遥控执行命令；S/E=1 遥控选择命令；
• QU = 0 被控占内部确定遥控输出方式，不有控制站选择；
     1 短脉冲方式输出
     2 长脉冲方式输出
     3 持续脉冲方式输出
     其他值没有定义
• DCS； 0 无效控制
     1 控分
     2 控合
     3 无效控制
     Tips：一个从站系统单点和双点只能存在一种

2.2.5.5.3 设定值（遥测）

• 除了类型编号： 136 存在多点设定外，其他都是单个信息体设置值
  
• QOS：设定命令限定词
  
     S/E : 0 设定执行；1 设定选择；
     设定命令限定词： 基本就是 0 ，因为其他并没有定义；

2.4 过程描述

1. 建立tcp连接；
2. 主站给从站发送启动帧；报文：68 04 07 00 00 00
3. 从站收到启动帧，给主站发送启动确认帧；报文：68 04 0B 00 00 00
4. 主站给从站发送总召唤；报文：68 0E 00 00 00 00 64 01 06 00 01 00 00 00 00 14
5. 从站收到主站的总召唤命令，给主站发送总召唤确认；
   报文：68 0E 00 00 02 00 64 01 07 00 01 00 00 00 00 14
6. 从站上传遥信，遥测，电度等I帧信息帧，发送完毕从站发送总召唤结束帧；
7. 主站收到从站发送的结束帧，会回复一个S帧的确认帧；
8. 进入下一个周期（其中如何数据有变化，从站需要主动上报）

2.5 用到的参数解释

其中 t3>t1>t2

默认端口：2404；

    //超时机制
    int t1_calc; // 用于计数
    int t1;    //  发送或者测试APDU的超时
    // 从站端启动U格式测试过程后等待U格式测试应答的超时时间(超时处理：断开连接)
    // 启动条件：发送U测试帧
    // 关闭条件：接收U测试帧

    int t2_calc; // 用于计数
    int t2;    //  无数据报文t2t1状态下发送测试帧的超时
    // T3:当RTU(服务器)端和主站(客户)端之间没有实际的数据交换时，任何一端启动U格式测试过程的最大间隔时间(超时处理：发送U测)
    // 启动条件：建立连接
    // 关闭条件：断开连接

    int K;  // 发送序号和接收序号之间的最大差值   【发送方在发送K个I报文还未收到确认就应该关闭数据传送 默认值为12；从站使用】
    int W;  // 【接收方最迟收到W个I就必须要回复确认帧 默认值为8；主站使用，这里不使用】
    // W 不能够超过 K 的2/3

    QTimer *timer1;     // 发送或者测试APDU的计时器
    QTimer *timer2;     // 无数据报文确认的计时器
    QTimer *timer3;     // 发送测试帧的计时器

原文链接： IEC104协议详解.