基于IEC 60870-5-103规约扩展的牵引供电实时负荷录波设计与实现

李 鹏 范三龙

(南京国电南自轨道交通工程有限公司，南京 210032)

近年来，随着国内高速铁路及城市轨道交通领域的快速发展，牵引供电管理部门对供电系统电能质量管理和负荷监测的要求日益提高[1]，除了通过原有的故障录波功能实现对供电网络故障工况下的各电参量数据准确记录与故障点定位[2]以外，也需要对正常运行工况下的各种电参量进行高精度、全时段的实时负荷录波，并希望所记录数据的时标应基于装置精确时钟且变化时刻时间分辨率要达到毫秒级，以能记录到每个周波的必要信息，从而能够更有效地为供电调度优化和早期识别故障异常提供支持。而目前主流的常规牵引变电站综合自动化系统在正常供电工况下对各种模拟电参量的监视是基于保护测控装置定时循环上送和总召应答上送遥测量[3]两种方式，所获得的遥测数据本身并不带时标，数据的更新时间间隔也只能达到秒级，所记录数据的变化时标只能采用站控层监控系统服务器本身的时钟，精度较差，显然不能满足上述新的用户要求。

本文提出了一种基于 IEC 60870-5-103(国标DL/T 667—1999)规约(以下简称“IEC 103规约”)扩展的牵引供电系统实时负荷录波设计实现方案，其构成和数据流程如图1所示。该方案可以实现对正常供电工况下各种电参量的高精度、全时段的实时负荷录波，满足数据记录时标基于装置精确时钟、变化时刻时间分辨率达到毫秒级等性能指标，同时与现有牵引变电站综合自动化系统通信规约相兼容，具有改动影响小、适配性强，改造成本低等优点。下面将就本方案中的各关键技术环节进行阐述。

1 带精确时标的遥测量实时传输

当前牵引变电站综合自动化系统领域以 IEC 103通信规约的应用最为主流和成熟，大量的二次自动化装置与站控层监控系统之间的通信都围绕着该通信规约进行开发。但IEC 103规约自身规定兼容范围内的应用服务数据单元(ASDU)和操作过程并不支持实时传送带时标的遥测量[4]，从而无法直接实现从装置端向站控层监控主站实时传输带精确时标的负荷遥测数据。本设计方案遵照 IEC 103规约协议的基本原则，采用通用分类服务[5]来实现带精确时标遥测量的实时传输。为了避免与既有工程常用的IEC 103通用分类服务组相冲突，规定上送实时负荷数据的组号为 78(0x4E)。具体定义的通用分类服务扩展报文帧格式如图2所示。

图1 构成和数据流程

图2 扩展报文帧格式

图2中数据宽度N是指数据结构的总长度。数据项数指数据结构中元素的个数。数据结构中，第1个元素为第一个被测值的时标报文，第 2个元素为第一个被测值，…后面依次排列。当站控层监控系统的 IEC 103规约处理模块接收到组号为78(0x4E)的通用分类数据后将按上述帧格式解释为一组带有装置绝对时标的遥测量并交由实时负荷数据处理模块处理。

2 自适应的数据采集动态压缩

当测控终端装置按照每通道每周波2个点采集负荷数据时，每个被测交流电参量的采集速率将达到每秒100个数据点，按图2所示帧格式封装后的通信数率将达到(255×6+75)×8=12.84kbps，考虑到牵引变电站供电网络内为数众多的交流电参量，这样不间断、高采样率的监测，将产生巨量的数据，使得录波实现难度增大、数据传输效率降低，而采用具有高压缩性能的数据压缩方法是解决这一难题的有效途径[6]。

本方案中采用了一种自适应、不定时长的模拟数据采集动态压缩算法，通过测控终端装置与站控层监控系统的实时负荷数据处理模块相配合，在确保重构信号有较高的信噪比、能够保留电参量变化特征的基础上实现节省网络资源与终端存储空间、提高网络传输效率的目的。其基本原理是：对于被监测电参量需要关注的变化时段数据加密采集，而对于平稳缺少变化时段采取大时间跨度等间隔的稀疏采集。如图3所示，具体实现时通过被监测电参量前后多次测量值的Δ值和变化斜率等因素综合判定：S2时段是需要重点关注的变化时段，采取密集采集，采样点时间间隔为5～20ms；S1、S3时段是不需要过多关注的平稳时段，采取大时间跨度的稀疏采集，采样点时间间隔为10～30s。该算法的优点在于既保留了电参量全部变化特征，又明显地降低了需要传输和存储的数据量，显著地提升了系统的性能。

图3 数据采集和压缩

3 支持重传复写、可动态增长的存储模式

对于需要24h不间断工作的实时负荷录波功能而言，保持数据记录的完整性是非常必要的，应尽量避免因网络短时中断或系统短时退出等意外因素而导致数据丢失的问题。本方案中，通过测控终端装置与站控层监控系统的实时负荷数据处理模块相配合，采用了支持重传、复写功能的历史存储模式，当二者重新建立网络数据连接后会立刻重传最近数分钟内的实时负荷数据，站控层实时负荷数据处理模块会将重传数据与之前历史存储的负荷录波数据进行比对和复写，从而确保了站控层监控系统所存储负荷录波数据的完整性。

另一方面，为了实现支持可复写功能的历史存储模式，负荷录波数据的存档文件结构必须具备足够的擦写灵活性和读写效率，同时还要有利于检索和查询分析。本方案设计并采用了一种自描述、可动态增长的数据存储文件结构，如图4所示，存档文件为可变长度的二进制数据文件，整个文件由 1个RMS_HEAD描述结构和N个MEA_UNIT数据结构组成(N为大于0的整数数量)。采用这种文件结构的实时负荷录波数据存档文件具有自描述、可动态增长等特性。同时，对负荷录波数据存档文件按装置和生成小时时段统一命名划分，文件名称采取“装置名称～年月日_小时.rms”的格式命名如“RTU终端电压模件～20120506_11.rms”，这样既防止单个数据存档文件过大，又有利于组织和检索。

图4 数据存档文件内部结构

4 实时显示和离线分析

本方案中，站控层监控系统的实时画面显示模块启动时会从负荷录波历史存档文件组中查找、加载所需的初始数据，之后直接接收由实时负荷数据处理模块转送的最新负荷数据。新的实时负荷数据到来会触发监控系统实时画面曲线显示部分进行重绘和刷新，从而实现牵引供电网络实时负荷监测在监控系统显示界面上的统一显示。

负荷录波数据离线分析作为一个单独的功能软件模块，本身并不影响实时负荷录波功能的在线运行。它主要用来为用户提供对负荷录波历史数据的检索、分析、显示和打印，如支持对各装置、各通道、各时段负荷录波数据的按时间轴滚动、无级缩放显示以及数据点的分通道或重叠比对等功能，从而丰富用户对负荷录波数据的分析手段。

5 结论

本文所提出的基于IEC 103规约扩展的牵引供电实时负荷录波设计实现方案，通过与既有牵引变电站综合自动化系统相结合，充分兼容现有通信协议及其数据模型，只需较小的改造成本，即可满足高精度、全时段的实时负荷录波要求。该设计方案已在国内多个牵引与轨道交通供电综合自动化系统项目中投入应用，获得了很好的运行效果和用户评价，证明该方案是可行和高效的。

[1] 郭志. 地铁直流牵引系统负荷监测系统[J]. 工业控制计算机, 2008, 21(7): 29-30.

[2] 陈小川, 贺威俊, 王牣, 等. 电力牵引网故障测距与录波微机综合系统[J]. 电力系统自动化, 1996, 20(4):5-8, 15.

[3] 赵丽平, 李群湛, 陈小川. IEC 870-5-103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报, 2003, 15(3): 88-92.

[4] IEC 60870-5-103. Telecontrol Equipment and Systems Part5: Transmission Protocols Section 103 Companion Standard for the Information Interface of Protection Equipment [S].

[5] 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[S].

[6] 刘毅, 周雒维, 冯浩. 电能质量监测网录波数据压缩方法[J]. 电网技术, 2010, 34(4): 199-203.