IEC60870-5-101在水电电网调度通讯中的扩展

表1 曲线“拐点”对应关系表

图1 apdu的通用结构组成示意图

图2 可变帧长帧结构组成示意图

图3 链路控制域结构示意图

　　其中：

　　res：保留位，始终为0；

　　prm：信源信息，其中1表示：报文从被控站（响应站）发出；0表示：报文从控制站（启动站）发出；

　　fcb：帧计数位，控制站通过判断其是否翻转来决定是否重发上一帧报文；

　　fcv：帧计数位有效位，值为1表示fcb有效，值为0表示fcb无效；

　　acd：请求访问一级用户数据，值为1，表示被控站有一级数据；

　　dfc：数据流控制位，值为1表示被控站不能接收后续报文；

　　本文的规约扩展主要是可变帧长帧下的asdu类型标识的扩展。

　　2.1 iec101规约应用状况

　　国内目前多数网调和省调采用iec101规约作为104通讯的备用通信传输规约，进行“四遥”信息的传输。但有些地方不具备网络通讯条件，或者一旦网络发生故障时，iec101规约将作为下行令通道进行设值或者控制。但对于调度与电厂通信而言，通过遥调设值来调节负荷所采用的模式仍然是电网给定瞬时设定值[3]。此种方式不足之处在于：调度预测几天内的负荷变化趋势无法下达到电厂，从而给火电厂的煤炭储存和水电厂的水库蓄水带来不便，因调节的延时性，造成电厂负荷出力无法保持与负荷变化同步。因此，南方电网调度要求通过设定12日内的日计划曲线与反措模式解决此问题，实现安全校正与超前控制功能[4]，从而将电厂出力与电网负荷变化的调节误差降到最低，达到负荷短期预测目的。

　　2.2 南方电网与水电厂间的iec101规约应用

　　由于水电厂调节性能好，调节速度快，一般情况下由水电厂来承担电力系统中日负荷中的峰荷和腰荷，自动发电控制（agc）也就随之出现在水电厂的控制调节领域。通常电网负荷首先通过电网agc系统计算获得，再下发到电厂。调度给定的方式主要有两种，一是瞬间负荷给定值方式，即按电网agc定时计算出给定值即时下达给电厂执行。另一种则是日负荷给定曲线的方式，通常是电网调度中心在前一日下达次日的全天负荷计划曲线给电厂，到当天零时计算机监控系统自动将此预先给定的日负荷曲线存于当天该执行的日负荷曲线存放区，以便电厂agc自动执行[5-7]。南方电网调度要求水电厂具备接收给定日负荷计划曲线并对曲线进行反措的能力，电厂agc具备按照设定负荷曲线执行的能力。调度将执行误差作为考核成本，并对agc进行辅助考核[8-9]。因此，需要研究iec101规约扩展及其应用。

3 iec101规约扩展应用

　　3.1 iec101规约扩展传送计划曲线

　　iec101规约标准协议未定义曲线报文类型，因而需要对asdu类型进行定义扩展。南网调度iec101规范中定义了曲线asdu类型为137号报文（带cp56time2a时标计划曲线传送命令），asdu结构分为[2]：

　　多个非连续的信息对象计划曲线值结构（如图4所示）和多个连续的信息对象计划曲线值结构（如图5所示）。

　　带有cp56time2a时标的计划曲线传送主要分为两类：一类是多个非连续的信息对象计划曲线，另一类是多个连续的信息对象计划曲线。计划曲线主要是按照agc调节要求，每5分钟作为一个点，全天24小时被分割成离散的288个点，表示信息对象地址，对应的范围是（0~287），其中：每天的零点零分作为第0点，每天的23时55分作为第287点。按照南网规范所定义的两种结构，则日设定计划负荷曲线相应的可以分为两种传输模式：一种是将288点全部传输，由于南网调度并不是频繁设定负荷曲线，且一天中多数点时刻的计划值也都是相同的，从而没必要将288点都传送。此模式的弊端是需要3帧才能将288点全部传送完，占用了系统传输资源和传输时间；另一种就是只传输变化点，即非连续的信息对象实现整条曲线传输。为此，引入“拐点”概念，所谓拐点，就是某点与其相邻两点的测值或者方向发生改变，则此点就为拐点。如图6所示。

　　图6中，红圈所注的点为拐点。此种传输方法，可以减少占用系统的传输资源，以较少的数据量将288点全部描述出来。即使不是拐点的第1点和第288点也必须传输，它们将作为完整曲线的开始和结束的判断依据。水电厂监控系统必须具备将离散的288点绘制成一条完整曲线的能力。目前，通过南瑞水利水电公司nc2000监控平台，可以将离散的288点绘制成一条完整的曲线，并通过友好的界面将曲线动态地展示给用户。

南网调度要求水电厂应具备接收12天计划曲线的能力，并且原先次日曲线在时间过零点后能够自动平稳过渡为其前一日曲线，南瑞水利水电公司的nc2000监控平台能够达到以上要求。

图4 多个非连续的信息对象计划曲线值结构

图5 多个连续的信息对象计划曲线值结构

图6 “拐点”示意图

图7 入库曲线图

　　3.2 曲线反措

　　为确保南网调度下发曲线的正确性和写入水电厂数据库的准确性，子站必须具备对下发的调度曲线进行反措的能力。反措并非简单的镜像报文返回，而是通过收到的曲线报文对曲线测值和曲线时间两方面进行判断后返送调度，具体方法如下：主站通过读命令(102号报文)读取曲线，子站通过计算得出曲线拐点值送调度，并将当地时间作为曲线时标一同返送调度，调度再根据子站返回的报文，判断子站是否正确接收曲线。若正确，此条曲线才能入子站数据库，并作为电厂负荷调节标准，否则，子站须丢弃此曲线，调度可重新下发曲线或者告知电厂运行人员。拐点的计算策略如下，令：

delt=pcurve[i+1]-pcurve[i] (1)
delt1=pcurve[j+1]-pcurve[j] (2)
j=i+1 (3)
|delt-delt1|＞0.5 (4)

　　其中pcurve[]表示曲线中5分钟点的测值，i的取值范围为0~287；如果公式(4)满足，或者delt与delt1方向相反，则j是拐点。调度下发的日计划曲线只带有一个cp56time2a时间时标，有效位是年、月、日，其它位置零，用于说明该计划曲线值是哪一天的，时间为当天的则为第一条曲线，时间为明日的为第二条曲线，以此类推。子站系统根据收到曲线报文分析为第几条并结合自身的当地时间，确定返送曲线的时间时标，从而与计算得出的曲线拐点一道上送调度。通过测试表明，曲线反措功能能够有效发现异常问题，确保曲线下发的安全性和可靠性。以南网下发的全厂负荷计划曲线报文为例(曲线点起始地址为0x6701)：

68 59 59 68 54 1 89 13 6 1 1 67 0 0 2 67 58 2 23
67 58 2 26 67 5e 1 47 67 5e 1 4a 67 58 2 6b 67 58
2 6e 67 84 3 8c 67 84 3 8f 67 58 2 a7 67 58 2 aa
67 84 3 cb 67 84 3 ce 67 58 2 e3 67 58 2 e6 67 84 3
fe 67 84 3 1 68 58 2 21 68 58 2 0 0 0 0 51 6 a 0
16

　　对该报文分析有：共有19个拐点，其中6701点值为0，表示传送整条曲线，非曲线点第一点，6702和6821表示曲线的开始和结束。真正的拐点及测值如表1所示。

　　报文的最后3个字节表示日、月和年，时间为2010年6月17日，其中日只取字节的低5位，年需加上2000。

　　 反措报文为：

68 59 59 68 8 1 89 13 6 1 1 67 0 0 2 67 58 2 23 67
58 2 26 67 5e 1 47 67 5e 1 4a 67 58 2 6b 67 58 2
6e 67 84 3 8c 67 84 3 8f 67 58 2 a7 67 58 2 aa 67
84 3 cb 67 84 3 ce 67 58 2 e3 67 58 2 e6 67 84 3 fe
67 84 3 1 68 58 2 21 68 58 2 0 0 0 0 51 6 a b4 16

　　反措报文正确，此曲线有效，可入库。当前的时间为2010年6月16日，此曲线是第2天计划曲线（明日计划曲线），存入数据库中明日计划曲线位置。288点中非拐点按照斜线斜率方法获得，它们的值按以下策略计算：

　　令：
delt=(pcurve[i]-pcurve[j])/(j-i) (5)
pcurve[m]=pcurve[i]+(m-i)×delt
(6)
i＜j (7)
i＜m＜j (8)

　　其中：pcurve[]表示曲线中5分钟点的测值，i、j为拐点，m为非拐点。只有公式5、6、7和8条件同时满足时，计算结果才有效。通过此策略可获得曲线的其他267个非拐点的测值，从而完整地描述整条曲线。通过nc2000系统展示如图7所示。

3.3 曲线应用效果

　　子站系统对南网调度预先下发未来12天的计划曲线接收并进行反措，确保了水电厂能够按照计划曲线自动调节负荷出力，更好地满足“无人值班”（少人值守）要求[5]。水电厂结合经济运行(edc)，在满足计划负荷曲线的前提下，实现对水库的综合管理利用，更好地控制水库的出库和入库流量，调节库容，达到以最节省的水资源获得最大发电量的目的，从而产生巨大的社会效益和经济效益。目前，曲线接收和反措已在广西龙滩水电厂、贵州构皮滩水电厂、云南小湾水电厂、贵州天生桥一级、贵州天生桥二级、广西光照水电厂和云南鲁布革水电厂等电厂中得到实际应用，应用效果非常理想。

4 结束语

　　通过对iec104规约的扩展应用，南网调度实现了采用日计划值曲线模式下发负荷调节计划给各个电厂，使各电厂可以更好地根据计划曲线自动运行厂内agc，提高负荷调节效率，满足电网的负荷需求，达到调节电网负荷的目的，提升了自动化应用水平。通过曲线反措措施，确保曲线设值更加安全和可靠，更好地满足“无人值班”(少人值守)要求。若将设定负荷计划曲线方法应用到自动开停机曲线中，那么水电厂可自动按照开停机曲线执行对机组的操作，从而调度具备远方对水电厂机组进行计划性的开机和停机操作能力，这必将进一步提高电厂自动化应用水平，丰富调度手段，有效地促进电网调度的远控和远调的工作效能。