远动传输规约之IEC60870-5-104篇

1)IEC-60870-5-104的规约结构

IEC-60870-5-104远动规约使用的参考模型源出于开放式系统互联的ISO-OSI参考模型，但它只采用其中的5层，其结构如图所示：

 

IEC60870-5-104实际上是将IEC60870-5-101与TCP／IP（Transmission Control Protocol／Internet Protocol）提供的网络传输功能相组合，使得IEC60870-5-101在TCP／IP内各种网络类型都可使用，在上图的5层参考模型中，IEC60870-5-104实际上处于应用层协议的位置；基于TCP/IP的应用层协议很多，每一种应用层协议都对应着一个网络端口号，根据其在传输层上使用的是TCP协议（传输控制协议）还是UDP协议（用户数据报文协议），端口号又分为TCP端口号和UDP端口号，其中TCP协议是一种面向连接的协议，为用户提供可靠的、全双工的字节流服务，具有确认、流控制、多路复用和同步等功能，适用于数据传输，而UDP协议则是无连接的，每个分组都携带完整的目的地址，各分组在系统中独立地从数据源走到终点，它不保证数据的可靠传输，也不提供重新排列次序或重新请求功能，为了保证可靠地传输远动数据，IEC60870-5-104规定传输层使用的是TCP协议，因此其对应的端口号是TCP端口。IEC60870-5-104规定本标准使用的端口号为2404，并且此端口号已经得到IANA（互联网地址分配机构，Internet Assigned Numbers Authority）的确认。对于基于TCP的应用程序来说，存在两种工作模式，即服务器模式和客户机模式。服务器模式和客户机模式的区别是，在建立TCP连接时，服务器从不主动发起连接请求，它一直处于侦听状态，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连接，服务器和客户机就可以通过这个虚拟的通信链路进行数据的收发。IEC60870-5-104规定控制站（即调度系统）作为客户机，而被控站（即站端RTU）作为服务器。

 

2）IEC-60870-5-104的应用规约数据单元的结构

IEC-60870-5-104的应用规约数据单元（APDU）的结构如图所示，

它由应用规约控制信息（APCI）和应用服务数据单元（ASDU）组成，和IEC-60870-5-101的帧结构相比，其中应用服务数据单元是相同的，相异之处在于，IEC-60870-5-104使用应用规约控制信息（APCI），而IEC-60870-5-101使用链路规约控制信息（LPCI）。在APDU中，启动字符68H定义了数据流内的起始点，应用规约数据单元的长度定义了APDU主体的长度； 需要注意的是，IEC 60870-5-104规定一个APDU报文（包括启动字符和长度标识）不能超过255个字节，因此APDU最大长度为253（等于255减去启动和长度标识共两个8位位组），ASDU的最大长度为249，这个要求限制了一个APDU报文最多能发送121个不带品质描述的归一化测量值或243个不带时标的单点遥信信息，若RTU采集的信息量超过此数目，则必须分成多个APDU进行发送。

 

3）IEC-60870-5-104的数据帧类型

APDU控制域包括4个8位位组，根据其定义，可以将APDU分成3种报文格式，即I格式、S格式和U格式。

①I格式用于编号的信息传输，包含ASDU。

②S格式用于编号的监视功能，用于确认I格式的数据帧。

③U格式未编号的控制功能，用于启动数据传输,停止数据传输,测试链路。

控制域的第一个8位位组的第1比特=0定义了I格式，它表明APDU中包含应用服务数据单元ASDU；控制域的第一个8位位组的第1比特为1，第2比特为0定义了S格式，此种格式的APDU不包含ASDU，当报文接收方收到发送方的I格式报文后，如果没有I格式报文需要发送给对方，可以向对方发送S格式报文以对所接收到的报文进行确认；控制域的第一个8位位组的第1比特=1，第2比特=1定义了U格式，此种格式的APDU也不含ASDU，其作用主要在于实现3种控制功能，即启动子站进行数据传输（STARTDT）、停止子站的数据传输（STOPDT）和TCP链路测试（TESTFR）。

 

4）应用规约数据单元（APDU）的发送和接收序号的维护

IEC 60870-5-104采用RFC 793／RFC791（即TCP／IP）协议。IP协议负责将数据从一处传往另一处，TCP负责控制数据流量，并保证传输的正确性。 由于在最底层的计算机通信网络提供的服务是不可靠的分组传送，所以当传送过程中出现错误以及在网络硬件失效或网络负荷太重时，数据包有可能丢失、延迟、重复和乱序，因此应用层协议必须使用超时和重传机构。为了防止I格式报文在传送过程中丢失或重复传送，IEC 60870-5-104的I格式报文的控制域定义了发送序号N(S)和接收序号R(S)， 发送方每发送一个I格式报文，其发送序号应加1，接收方每接收到一个与其接收序号相等的I格式报文后，其接收序号也应加1。 需要注意的是，每次重新建立TCP连接后，调度主站和子站RTU的接收序号和发送序号都应清零，因此在双方开始数据传送后，接收方若收到一个I格式报文，应判断此I格式报文的发送序号是否等于自己的接收序号。若相等则应将自己接收序号加1，若此I格式报文的发送序号大于自己的接收序号，这说明发送方发送的一些报文出现了丢失；若此I格式报文的发送序号小于自己的接收序号，这意味着发送方出现了重复传送。此外，I格式和S格式报文的接收序号表明了发送该报文的一方对已接收到的I格式报文的确认，若发送方发送的某一I格式报文后长时间无法在对方的接收序号中得到确认，这就意味着发生了报文丢失。当出现上述这些报文丢失、错序的情况时，通常意味着TCP连接出现了问题，发送方或接收方应关闭现在的TCP连接然后再重新建立新的TCP连接，并在新的TCP连接上重新开始会话过程。
    在主站端和子站RTU端进行通信时，接收方可以使用S格式报文（当有应用服务单元需要发送给对方时，可使用I格式报文）对已接收到的I格式报文进行确认，以免发送方超时收不到确认信息而重新建立TCP连接。这就存在一个接收方收到多少个I格式报文进行一次确认的问题，以及发送方应在多少个I格式报文未得到确认时停止发送数据。IEC 60870-5-104规定了两个参数k和w，其取值范围为1到32767（ 注：当溢出时重新计数），其中k表示发送方在有k个I格式报文未得到对方的确认时，将停止数据传送，w表示接收方最迟在接收了w个I格式报文后应发出认可；IEC 60870-5-104规定k和w的默认值分别为12个APDU和8个APDU。在实际中，k和w的具体取值可以根据TCP连接双方的数据通信量来加以确定，对于子站RTU端来说，每收到一个调度端的I格式报文都应立即进行响应，其w的取值实际上为1，由于RTU端可以循环向调度端发送遥信、遥测等信息，因此k的取值与其循环发送的定时周期有关，通常12到20个APDU就足够了；对于主站端，由于不停接收到RTU的数据，因此应及时地给以确认，通常w取小于8个APDU的值。

 

5）关于超时时间的理解

为了能对TCP连接进行检查和维护，IEC 60870-5-104规定了几个超时时间，即t0、t1、t2、t3，它们的取值范围为1~255s，准确度为1s，其缺省定义如图所示：

 

t0规定了主站端和子站RTU端建立一次TCP连接的最大允许时间，主站端和子站RTU端之间的TCP连接在实际运行中可能经常进行关闭和重建，这发生在4种情况下： ① 主站端和子站RTU端之间的I格式报文传送出现丢失、错序或者发送U格式报文得不到应答时，双方均可主动关闭TCP连接，然后进行重建； ② 主站系统重新启动后将与各个子站重新建立TCP连接； ③ 子站RTU合上电源或由于自恢复而重新启动后，将重建连接； ④ 子站RTU收到主站端的RESET_PROCESS（复位远方终端）信号后，将关闭连接并重新初始化，然后重建连接。每次建立连接时，RTU都调用socket的listen( )函数进行侦听，主站端调用socket的connect( )函数进行连接，如果在t0时间内未能成功建立连接，可能网络发生了故障，主站端应该向运行人员给出警告信息。 t1规定发送方发送一个I格式报文或U格式报文后，必须在t1的时间内得到接收方的认可，否则发送方认为TCP连接出现问题并应重新建立连接。 t2规定接收方在接收到I格式报文后，若经过t2时间未再收到新的I格式报文，则必须向发送方发送S格式帧对已经接收到的I格式报文进行认可，显然t2必须小于t1。 t3规定调度端或子站RTU端每接收一帧I帧、S帧或者U帧将重新触发计时器t3，若在t3内未接收到任何报文，将向对方发送测试链路帧TESTFR。

 

6）IEC-60870-5-104的实施过程
    ①TCP连接的建立过程。站端RTU作为服务器，在建立TCP连接前，应一直处于侦听状态并等待调度端的连接请求，当TCP连接已经建立，则应持续地监测TCP连接的状态，以便TCP连接被关闭后能重新进入侦听状态并初始化一些与TCP连接状态有关的程序变量；调度端作为客户机，在建立TCP连接前，应不断地向站端RTU发出连接请求，一旦连接请求被接收，则应监测TCP连接的状态，以便TCP连接被关闭后重新发出连接请求。需要注意的是，每次连接被建立后，调度端和站端RTU应将发送和接收序号清零，并且子站只有在收到了调度系统的STARTDT后，才能响应数据召唤以及循环上送数据，但在收到STARTDT之前，子站对于遥控、设点等命令仍然应进行响应。
    ②循环遥测数据传送。对于遥测量，可以使用类型标识为9（归一化值）、11（标度化值）和13（短浮点数）的ASDU定时循环向调度端发送。
    ③总召唤过程。调度主站向子站发送总召唤命令帧（类型标识为100，传输原因为6），子站向主站发送总召唤命令确认帧（类型标识为100，传输原因为7），然后子站向主站发送单点遥信帧（类型标识为1）和双点遥信帧（类型标识为3），最后向主站发送总召唤命令结束帧（类型标识为100，传输原因为10）。
    ④校时过程。调度主站向子站发送时间同步帧（类型标识为104，传输原因6），子站收到后立即更新系统时钟并向主站发送时间同步确认帧（类型标识为104，传输原因7）。需要注意的是，在以太网上进行时钟同步，要求最大的网络延时小于接收站时钟所要求的准确度，即如果网络提供者保证在网络中的延时不会超过400ms（典型的X.25 WAN值），在子站所要求的准确度为1s，这样时钟同步才有效。使用这个校时过程可以避免成百上千地在子站安装GPS卫星定位系统，但如果网络延时很大或者子站所要求的准确度很高（例如1ms），则变电站综合自动化系统必须安装精确度很高的全球定位系统（GPS），而以上的时钟同步过程实际上就没有意义了。
    ⑤子站事件主动上传。以太网对于调度端和子站端都是一个全双工高速网络，因此IEC6080-5-104必然使用平衡式传输。当子站发生了突发事件，子站将根据具体情况主动向主站发送下述报文：遥信变位帧（单点遥信类型标识为1, 双点遥信类型标识为3，传输原因为3）、遥信SOE帧（单点遥信类型标识为30, 双点遥信类型标识为31，传输原因为3）、调压变分接头状态变化帧（类型标识为32，传输原因为3）、继电保护装置事件（类型标识为38）、继电保护装置成组启动事件（类型标识为39）、继电保护装置成组输出电路信息（类型标识为40）。
    ⑥遥控/遥调过程。主站发送遥控/遥调选择命令（类型标识为46/47，传输原因为6，S/E=1），子站返回遥控/遥调返校（类型标识为46/47，传输原因为7，S/E=1），主站下发遥控/遥调执行命令（类型标识为46/47，传输原因为6，S/E=0）,子站返回遥控/遥调执行确认（类型标识为46/47，传输原因为7，S/E=0），当遥控/遥调操作执行完毕后，子站返回遥控/遥调操作结束命令（类型标识为46/47，传输原因为10，S/E=0）。
    ⑦召唤电度过程。主站发送电度量冻结命令（类型标识为101，传输原因为6），子站返回电度量冻结确认（类型标识为101，传输原因为7），然后子站发送电度量数据（类型标识为15，传输原因为37），最后子站发送电度量召唤结束命令（类型标识为101，传输原因为10）。

 

7）其它

104规约中应用服务数据单元结构（ASDU）的结构如图：

 

注1：应用服务数据单元结构（ASDU）结构如下：

①一个8位位组表示类型标识；

②一个8位位组表示可变结构限定词；

③两个8位位组表示传送原因；

④两个8位位组表示应用服务数据单元公共地址；

⑤三个8位位组表示信息体地址。

注2：104规约中，应用规约数据单元（APDU）没有校验、没有结束字符 （由于底层有TCP/IP,所以不需要额外判断一帧的正确与完整性）。

 

参考文献：

【1】赵渊 沈智健. 基于TCP/IP的IEC60870-5-104远动规约在电力系统中的应用.