智能箱变通信协议解析

乜凤海

（顺特电气设备有限公司，广东 佛山 528300）

0 引 言

随着箱式变电站（简称箱变）的广泛应用，通信数字化、控制自动化的箱变通过安装各类传感器、智能设备，将箱体内的运行参数和状态通过数据总线、计算机网络传送到上位机进行数据解析与存储，组成数据采集和监控（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系统。上位机可实时查看箱变运行数据，并对箱变进行远动操作。

1 箱变智能化通信系统结构

箱变智能化通信系统按分层分布式的原则，由间隔层、通信层以及监控层3部分组成。间隔层由各相对独立的分散安装在高、低压开关柜（包括回路）上的智能仪表和装置组成，完成现场数据的采集与通信命令的实施。通信层的核心是测控装置内的通信管理机，能够进行通信协议的转换，实现数据的通信。监控层主要由上位机和监控系统软件组成，通过计算机和软件实现系统管理功能，实现箱变内一次设备的四遥功能[1]。配置了通信管理机的智能箱变可根据需要灵活组网，其通信系统如图1所示。

图1 箱变通信系统

通信管理机与现场智能设备之间采用RS485串口通信，通信介质为屏蔽双绞线，通信协议为Modbus-RTU协议；与上位机监控系统之间采用工业以太网通信，可用光纤实现远距离传输，通信协议为基于传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）的IEC 104协议。通信管理机实际上是个网关，通过Modbus协议采集各智能设备的实时数据，经过协议转换，用IEC 104协议将数据转发给上位机监控系统，由监控系统对数据进行处理、显示以及存储。监控系统的数据先发送给通信管理机转换后再发送给智能设备，可以实现多路串口数据同时收发，进行串口数据和网口数据的转换，在串行链路和以太网之间建立连接，分析和识别多路串口设备采集的信息，转化为数据帧的形式在网络传输[2-5]。

2 通信协议和信息点表

通信协议又称通信规约，是指通信双方对数据传送控制的一种约定，对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。

自动化系统中使用的变量数即为点数。信息点表作为系统集成的重要依据和协议标准，自动化系统的建设都是以点表中变量的描述和规定为基础。通常情况下，点表中每个信息点都定义好设备名、设备地址、信息点描述、寄存器地址、数据类型等相关内容。智能箱变信息点表包括现场设备采集的各种数据、状态情况，按定义的输入/输出（Input/Output，I/O）通道反映到系统集中采集的信息点，包括采集后的上行数据，如模拟量（遥测）、开关量（遥信）和下行控制数据(遥控、遥调)。核对点表就是核对I/O通道、地址、设备、数据库连接等是否正确，是系统通信的重要工作内容。信息点表是通信协议的一部分，通信协议主要分为采集协议和转发协议两种，常用的采集协议包括Modbus-RTU、CDT、DL/T645等，转发协议包括Modbus-TCP、IEC 101、IEC 104、MQTT等。下面分别对智能箱变中常用的采集协议Modbus-RTU和转发协议IEC 104进行解析说明。

3 Modbus-RTU协议解析

ModBus协议已成为工业通信领域的业界标准，采用主从通信方式，通信管理机为主站、智能设备为从站，使用“请求-应答”机制来进行信息交换。工作时，主站发送命令帧，地址匹配的从站进行响应并向主站返回应答帧，其他从站对命令帧不予理睬。通过读写寄存器或者数据存储器中指定地址的数据来完成，将数据存放在接收缓存区必须按照Modbus-RTU协议定义的帧格式进行解析来提取其中的数据[6-8]。

报文中每个8 bit包含两个4 bit的十六进制字符，功能码、数据类型、寄存器地址可参考具体Modbus设备说明书。

3.1 读取智能电压表的3个相电压值模拟量

主站发送01（从站地址）03（功能码03读取数据）0000(起始地址)0003（连续读3个寄存器）FF8C（CRC码），从站返回01（从站地址）03（功能码）06（回送6个字节数据）0274 0272 0277（返回的数据）56C3（CRC码）。每个电压值（数据类型为U16）占1个寄存器，长度为两个字节。返回数据转换为十进制后分别为628、626、631，单位为0.1 V，即二次侧相电压ua=62.8 V、ub=62.6 V、uc=63.1 V。计算一次侧相电压时，可在通信点表配置增加3个虚拟采集点，建立虚量公式。

3.2 读取温控器测量的变压器三相绕组温度信号

主站发送02（从站地址）03（读数据功能码）0000（寄存器起始地址）0003（3个寄存器）05CB（CRC码），从站返回02（从站地址）03（功能码）06（数据长度6字节）02C2 02D1 02C8（3路温度值）6B85（CRC码）。每个温度值（数据类型为I16，高8位+低8位，最高位为符号位）占1个寄存器，长度为两个字节。返回数据转换为十进制并乘以系数后，即解析出三相绕组温度分别为70.6 ℃、72.1 ℃、71.2 ℃。

3.3 对低压框架断路器遥控合闸

主站发送03（从站断路器地址号）05（功能码写单个线圈）0400（遥控指令寄存器地址）FF00（遥控合闸命令数据）F3F6（CRC码），从站返回03050400FF00（完全重复下行帧命令，相当于确认）。

4 IEC 104协议解析

IEC 104协议是应用层协议，规定传输层使用的是TCP协议，双方都使用固定的TCP端口号2404，TCP数据包格式可理解为{TCP（IEC104（用户数据））}。后台上位机操作系统解开TCP包，取出IEC 104包，然后由监控系统软件解析IEC 104包，取得定义好的用户数据。后台监控系统作为客户端（主站）、通信管理机作为服务器（从站），IEC 104协议采用平衡传输方式，当主站没有进行数据召唤，而从站中有数据变化时，主动上送变化数据。下面对从站发送的I格式报文举例解析说明，括号内为解释。

4.1 发送遥信帧报文

从站发送68（启动字符）1C（报文长度为28个字节）00000000（控制域）01（报文类型为1单点遥信）8F（可变结构限定词，二进制10001111最高位为1表示连续，0001111=15表示有15个遥信数据）1400（传送原因是总召唤）0100（公共地址0001即1#箱变地址）010000（信息对象第一位点号1）000000010100010001000100010001（15个遥信数据的值，每个字节表示一个遥信值，如00表示分位，01表示合位）。解析后得到15个遥信数据即15个开关量的状态值，结合遥信点表，按点号顺序，第4、5、7、9、11、13、15号的开关量在合位，其余点号开关量在分位。

4.2 发送遥测帧报文

从站发送68（启动符）22（报文数据长度34字节）04000200（控制域）0D（类型标识0D，短浮点遥测、带品质描述、每个遥测值5个字节）03（可变结构限定词，信息数目为3）1400（传输原因，响应总召唤）0100（公共地址即1#箱变）014000（信息体地址16385，即低压UA电压值）CC4C E443（遥测值，纯小端排序即16进制43E44CCC，转换10进制为456.6）00（品质描述：合格）02 4000（信息体地址16386）CC8C E343（遥测值）00（品质描述）034000（信息体地址16387）9959 E543（遥测值）00（品质描述）。解析后一次侧相电压分别为456.6 V、455.1 V、458.7 V。

4.3 发送变位遥信报文

从站发送68（启动符）0E（长度）16000600（控制域）01（类型标示，单点遥信）01（可变结构限定词，有1个变位遥信上送）0300（传输原因，表突发事件）0100（公共地址即1#箱变）030000（信息体地址，第3号遥信）00（遥信分）。

4.4 发送遥控执行确认报文

从站发送68（启动符）0E（长度）04001800（控制域）2E（类型标示）01（可变结构限定词）0600（传输原因）0100（公共地址即1#箱变）020600（信息体地址为24578即低压断路器1）02（控合）。

5 ModbusRTU和IEC104的映射及协议转换

智能箱变上下两层通信协议分别是基于RS485的Modbus-RTU协议和基于TCP/IP的IEC 104协议，因此需要两者之间进行数据映射及协议转换。

采集协议和转发协议分属应用层协议不同的两个通信系统，用软件的方法实现两种协议传输数据的封装（打包）和解封（解包）问题，从而完成协议转换、数据交互的目的。通信管理机将Modbus设备发送来的数据按Modbus-RTU协议自底向上逐层次解包，得到其中的用户数据，放入缓存数据库，然后按照IEC 104协议将用户数据筛选重新排序，自顶向下逐层打包，发送给上位机，上位机接收并解析该应用协议数据单元（Application Protocol Data Unit，APDU），根据应用服务数据单元（Application Service Data Unit，ASDU）的信息对象地址与智能设备之间的映射关系，刷新对应开关量或模拟量输入测点的数值[9,10]。反向的数据传输，与此同理。

6 结 论

实现智能化通信的箱变可成为变配电网络自动化的有效基础和基本节点，其通信接口支持箱变连接到任何通信网络。随着物联网时代的发展，基于云平台的电力监控系统数据中心是下一步发展趋势，对智能箱变内采集参数的智能设备、通信设备的可靠度、精度及成本提出了新的要求。