基于DNP3.0協(xié)議的嵌入式裝置通信組網(wǎng)方案研究

作者/ 李德文1 賀敏2 1.南京南瑞繼保電氣有限公司(江蘇 南京 211102) 2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院(江蘇 南京 211106)

摘要: 本文分析了DNP3.0通訊協(xié)議的協(xié)議結構、應用數據、工作模式和協(xié)議特點(diǎn)。對于基于該協(xié)議的嵌入式裝置，總結歸納了六種典型的組網(wǎng)方式和應用場(chǎng)景。其中幾種方式相互組合，即可構成完整的通信網(wǎng)絡(luò )，滿(mǎn)足電力、水利、冶金、石油、化工、鐵路等領(lǐng)域的通信需求。

引言

　　分布式網(wǎng)絡(luò )規約DNP3.0(Distributed Network Protocol)是美國IEEE電力工程協(xié)會(huì )(PES)在IEC的基礎上制定的美國的通信標準。該協(xié)議高度靈活并且末端開(kāi)放，不含任何目標硬件的專(zhuān)用結構。DNP3.0協(xié)議采用全平衡的傳輸規程支持主站﹑外站之間數據傳輸，適合高可靠、中等速度和中等吞吐量的應用^[1]。

　　DNP3.0是開(kāi)放式協(xié)議，既可用于數據采集與監視控制系統(SCADA)，也可應用于分布式自動(dòng)化系統(DA)，適用于電力、水利、冶金、石油、化工、鐵路等領(lǐng)域。目前已被美洲等海外國家廣泛應用，設備招投標中常常明確需具備該通信協(xié)議。DNP3.0在我國的應用范圍也十分廣范，主要用來(lái)作為電力系統遠動(dòng)通訊裝置或者配電網(wǎng)裝置和調度自動(dòng)化中心主站的通訊協(xié)議，對于智能電網(wǎng)的發(fā)展具有重要意義^[2-6]。

　　本文立足于嵌入式裝置的研發(fā)和設計，分析DNP3.0通信協(xié)議特點(diǎn)，研究和總結各種組網(wǎng)方案，以適應多種情況下的應用，滿(mǎn)足廣大海內外市場(chǎng)需求。

1 DNP3.0通信協(xié)議

　　1.1 協(xié)議結構

　　DNP3.0通信協(xié)議基于IEC870-5標準，采用了OSI網(wǎng)絡(luò )7層協(xié)議模式中的3層：物理層、鏈路層和應用層，被稱(chēng)為增強協(xié)議結構EPA(Enhanced Protocol Architecture)，如圖1所示。這種分層結構使得數據傳送可靠性大大提高，同時(shí)也便于實(shí)現的層次化和模塊化。其中物理層一般采用RS-232、RS-485、RJ-45以及光纖;鏈路層采用CRC校驗;為了滿(mǎn)足較長(cháng)數據包的傳送，又增加了一個(gè)偽傳輸層，發(fā)送數據時(shí)可以將較長(cháng)的應用層報文拆分成多個(gè)短幀傳送，而接收時(shí)，則將短幀組成完整的應用層報文。DNP3.0的鏈路層、偽傳輸層和應用層都有嚴格的幀格式^[2]。

　　1.2 應用數據

　　DNP3.0將基本應用數據分為四大類(lèi)：靜態(tài)數據(static)、事件數據(event)、靜態(tài)凍結數據(frozen static)和事件凍結數據(frozen event)。這四大類(lèi)數據分4個(gè)組(class)，第1組固定為所用的靜態(tài)數據，第2~4組全部為事件數據分組，并且每個(gè)事件數據的分組可以靈活在線(xiàn)修改。

　　靜態(tài)數據為某個(gè)物理或邏輯狀態(tài)的當前值，可以是16位或32位數據;事件數據為某個(gè)物理或邏輯狀態(tài)的變化，可以含有變化的時(shí)間;靜態(tài)凍結數據是靜態(tài)數據在某個(gè)時(shí)刻的值，也可以含有時(shí)間;凍結靜態(tài)數據可作為事件來(lái)反映，這種數據稱(chēng)為事件凍結數據。

　　DNP3.0協(xié)議中所有的數據都含有一個(gè)字節的標志，或稱(chēng)為值的狀態(tài)，按位使用，可分別表示實(shí)時(shí)在線(xiàn)、重啟動(dòng)、通信中斷、遠方強行修改和本地強行修改等狀態(tài)。

　　DNP3.0協(xié)議中所有的應用數據按對象(object)來(lái)定義，每個(gè)對象都有規定的格式及對應的編號，它們組成DNP3.0協(xié)議的應用數據對象庫。應用數據的編號由數據對象組號 (data object) 和對應的變體編號(Variation)組成。

　　嵌入式裝置需要把數字量、模擬量和累積計數量等和DNP3.0的數據對象庫一一對應起來(lái)，按照協(xié)議規定格式組織報文。圖2是帶凍結時(shí)間的32位模擬量輸入示例，其數據對象為31，變體為5，在報文傳輸中占用11個(gè)字節。

　　1.3 通信方式

　　DNP3.0通信協(xié)議為客戶(hù)端/服務(wù)器模型，被稱(chēng)之為主站/外站。主站和外站之間支持4種基本通信方式：

　　(1)靜態(tài)掃描方式：主站僅請求所有或部分靜態(tài)數據;

　　(2)變位掃描方式：主站請求所有靜態(tài)數據，并周期掃描變化數據;

　　(3)啞態(tài)工作方式：主站從不主動(dòng)與外站通信，由外站向主站報告變化數據;

　　(4)非請求變位工作方式：其工作方式與啞態(tài)相似，唯一的不同是，主站會(huì )向子站請求所有靜態(tài)數據。

　　嵌入式裝置需要同時(shí)支持這4種通信方式，以適應組合使用，合理利用通信帶寬。

　　1.4 協(xié)議特點(diǎn)

　　DNP3.0通信協(xié)議相較于IEC101、IEC104、MODBUS等具有很多優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于嵌入式裝置。

　　(1)遵循EPA模型，適用于要求可靠、中等速度、較大吞吐量的通信領(lǐng)域。

　　(2)協(xié)議高度靈活并且末端開(kāi)放，不含任何目標硬件的專(zhuān)用結構，可適用于面向連接的和面向非連接的操作，異步的或同步的位串型物理層，諸如RS-232、RS-485、RJ-45以及光纖收發(fā)器。

　　(3)支持通訊載波檢測/沖突避免，保證數據傳輸可靠性。

　　(4)支持一點(diǎn)對多點(diǎn)、多點(diǎn)對多點(diǎn)的設備之前進(jìn)行通信。

　　(5)支持問(wèn)答式和非請求主動(dòng)響應式功能，可有效減少總線(xiàn)流量，充分利用通信帶寬。

　　(6)具有豐富的應用數據對象庫。用戶(hù)可以根據實(shí)際需要選用不同的對象庫。例如對于模擬量就有幾十種數據對象，包括16位的遙測、32位的遙測、帶標志的遙測、不帶標志的遙測、帶時(shí)標的遙測、不帶時(shí)標的遙測、凍結遙測等。

　　(7)支持數據組態(tài)和數據優(yōu)先級傳輸，所有對象可以化分為4類(lèi)，其優(yōu)先級順序由高到低分別為：1類(lèi)、2類(lèi)、3類(lèi)、0類(lèi)。例如可以把遙信變位化為一類(lèi)數據，把變化遙測和SOE化為二類(lèi)數據等。

　　(8)支持靈活組網(wǎng)方式，應用場(chǎng)景廣泛。

2 組網(wǎng)方案

　　根據DNP3.0通訊協(xié)議的特點(diǎn)，其通信架構可歸納為六種組網(wǎng)方式，其中幾種相互組合，即可構成完整的通信網(wǎng)絡(luò )。既可用于SCADA系統，也可應用于DA系統，以滿(mǎn)足電力、水利、冶金、石油、化工、鐵路等領(lǐng)域的通信需求。

　　2.1 點(diǎn)對點(diǎn)

　　點(diǎn)對點(diǎn)組網(wǎng)方式如圖3所示，僅有兩個(gè)裝置進(jìn)行通信，一個(gè)設備僅支持DNP3.0主站協(xié)議，另一個(gè)設備僅支持DNP3.0外站協(xié)議。這種方式實(shí)現簡(jiǎn)單，一般適用于主從機架構的兩個(gè)裝置，組合起來(lái)實(shí)現完整的邏輯功能。

　　2.2 一主多從

　　一主多從組網(wǎng)方式即一個(gè)主站(僅支持DNP3.0主站協(xié)議)和多個(gè)外站(僅支持DNP3.0外站協(xié)議)進(jìn)行通信，如圖4所示。在同一時(shí)間，主站僅和一個(gè)外站進(jìn)行通信。首先，主站和第一個(gè)外站進(jìn)行交互，然后和第二個(gè)、第三個(gè)等，依次類(lèi)推進(jìn)行輪流通信。這種方式是最常見(jiàn)的。一種典型應用是電力系統調度自動(dòng)化主站和各變電站數據監控中心進(jìn)行通信，采集和監視變電站各設備的運行狀態(tài)，同時(shí)可對多個(gè)變電站的開(kāi)關(guān)、斷路器、主變分接頭等進(jìn)行遙控、遙調操作;另一種典型應用是變電站監控系統和變電站內各智能裝置進(jìn)行通信，采集和監視各設備的運行狀態(tài)，同時(shí)對站內的開(kāi)關(guān)、斷路器、主變分接頭等進(jìn)行遙控、遙調操作。

　　2.3 數據集中器1、2、3

　　數據集中器又分為三種組網(wǎng)方式，完成的功能基本相同：對下收集多個(gè)設備的信息，組成數據庫，然后對上進(jìn)行信息交互。

　　數據集中器1組網(wǎng)方式即一個(gè)裝置同時(shí)支持DNP3.0主站和外站協(xié)議，對下是主站功能，收集多個(gè)外站信息，組成本地數據庫;對上是外站功能，把收集的信息上送給其他主站，如圖5所示。電力系統遠動(dòng)信息子站設備和保護信息子站設備屬于這種典型的嵌入式裝置，安裝于變電站內，匯總變電站內信息，并和遠方調度中心進(jìn)行信息交互。

　　數據集中器2組網(wǎng)方式主要完成規約轉換功能，即一個(gè)設備同時(shí)支持DNP3.0外站協(xié)議和其他多種主站協(xié)議，對下通過(guò)不同的通信協(xié)議，比如IEC61850、IEC103、MODBUS等，收集多個(gè)外站信息，組成本地數據庫;對上是DNP3.0外站功能，把收集的信息上送給其他主站，如圖6所示。變電站內智能設備繁多，且支持的通信協(xié)議不盡相同，使用這種裝置進(jìn)行組網(wǎng)，完成對下的協(xié)議轉換，對上統一為DNP3.0協(xié)議。

　　數據集中器3組網(wǎng)方式類(lèi)似于數據集中器2，同樣完成規約轉換功能。所不同的是，設備同時(shí)支持DNP3.0主站協(xié)議和其他多種外站協(xié)議，對下通過(guò)DNP3.0主協(xié)議，收集多個(gè)外站信息，組成本地數據庫;對上通過(guò)其他協(xié)議，比如IEC61850、IEC104等，把收集的信息上送給其他主站，如圖7所示。遠方調度自動(dòng)化主站不支持DNP3.0協(xié)議的，變電站內一般需要這種數據集中器進(jìn)行協(xié)議轉換。

　　2.4 一從多主

　　一從多主組網(wǎng)方式如圖8所示，即一個(gè)外站(僅支持DNP3.0外站協(xié)議)和多個(gè)主站(僅支持DNP3.0主站協(xié)議)進(jìn)行通信。外站支持多個(gè)主站同時(shí)讀取相同或者不同的數據，但是對于寫(xiě)數據，則進(jìn)行互斥，同一時(shí)間僅允許一個(gè)主站進(jìn)行操作。國內電力系統存在多個(gè)遠方自動(dòng)化調度中心、集控中心，采用這種組網(wǎng)方式，即可和變電站內裝置進(jìn)行信息交互。

3 結束語(yǔ)

　　DNP3.0通訊協(xié)議高度靈活并且末端開(kāi)放，不含任何目標硬件的專(zhuān)用結構，使用廣泛。本文分析總結的DNP3.0通信協(xié)議和組網(wǎng)方案，對于設計和研發(fā)支持該協(xié)議的嵌入式裝置具有重要指導作用，對于提高產(chǎn)品國際競爭力具有重要意義。

　　參考文獻：

　　[1]蔡運清. IEC870-5系列及DNP3.0規約簡(jiǎn)介[J]. 電力系統自動(dòng)化,1998,22(1): 49-51.

　　[2]陶維青,楊勇. DNP協(xié)議及其在FTU中的實(shí)現[J]. 電力系統及其自動(dòng)化學(xué)報,2004,16, (4) : 50-53.

　　[3]曾強. 串口遠動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )化改造方案[J]. 電力自動(dòng)化設備,2009,29(3): 146-147.

　　[4]王紅光. 變電站智能監控輔助系統[J]. 電子產(chǎn)品世界,2011,18 (10) : 41-42.

　　[5]羅逸敏,余小燕,羅孝隆. RTU站更換遠動(dòng)機轉接DNP3.0通道的研究與實(shí)現[J]. 電工技術(shù),2013 (3) : 19-21.

　　[6]李德文,劉進(jìn),劉偉,等. 繼電保護裝置遠方修改定值模式研究[J]. 江蘇電機工程,2014,33(2): 34-36.

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第62頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。