在配电自动化领域，通信规约多种多样，缺少把关环节，易造成设备通信规约可能不满足技术要求埋下生产隐患，同时新设备接入主站效率低下，耗费人力[1-4]。配电自动化通信规约现有检测手段仅依靠人工查看实时报文分析报文正确性，通信规约报文数据量少则上百条多则上千条，依靠人工逐一核对所有的报文正确性，耗费大量的人力和时间且效率十分低下，无法依靠人工对规约所有内容进行检测[5]。

市面现有的通信规约分析工具功能简单，一次分析常常需要多个工具切换使用，效率低下[6-7]。实验室测试环境无法模拟现场无线组网方式，无法模拟、还原现场环境，对生产现场通信问题进行测试和分析。

通信规约自动闭环测试技术，可以为通信规约检测提供检测手段，提高检测效率，把关设备质量。通信规约分析技术，可以为通信规约分析提供丰富的工具手段，提高分析效率。多接口通信组网技术及多接口通信接入装置[8-10]，可以搭建无线组网测试环境，模拟生产现场，对生产现场通信问题进行测试和分析。

1、配电自动化双主站通信规约

基础架构是由工作站、通信接口装置、待测终端设备、云服务器组成，如图1所示。工作站运行自动闭环测试模块、规约自动分析模块，能够进行多主站模拟、多子站模拟等。通信接口装置包括进行通信转发，联通工作站、待测终端、云服务器等设备。其与工作站、云服务器、待测终端的接口分别为以太网、无线通信终端及以太网、光纤、串口。云服务器主要负责接收工作站的指令，完成待测终端设备无线101测试功能和转发通信报文到工作站进行分析。待测终端设备是FTU或者DTU自动化终端设备。其满足2个以太网接口、2个无线通道接口、2个串口接口。

图1 结构框图

图2 本地转发模式

运行模式分为本地转发模式、云测试模式、本地直连模式。本地转发模式是指工作站通过通信接口装置与待测终端装置相连，组成一个本地局域网。此模式下可以完成规约分析、双主站测试（本地）、自动闭环测试等功能，如图2所示。IEC101测试时的数据流向为工作站以太网接口通信接口装置（内部以太网转串口）串口待测终端装置。IEC104测试时的数据流向为工作站以太网接口通信接口装置（内部以太网转串口）以太网或者光纤接口待测终端装置。

云测试模式是指工作站通过以太网与通信接口装置相连，通信接口装置经过无线通信装置与云服务器相连，待测终端装置通过无线终端设备与云服务器相连。本模式可以完成双主站（云端）测试功能，IEC101主站测试功能等。测试时，云服务器运行IEC101服务端程序，连接待测终端设备，完成规约测试功能，同时云服务器将测试报文透明转发到工作站，进行实时分析，完成自动闭环测试。控制数据流向为工作站以太网接口通信接口装置以太网接口无线终端装置云服务器。测试业务数据流为云服务器无线终端装置串口待测终端装置。

本地直连模式是指工作站直接与待测试终端装置连接，中间不经过通信接口装置本模式完成的测试功能与“本地转发模式”一致，但要求工作站具有多个以太网接、多个串口接入能力。IEC101测试时的数据流向为工作站

2、通信接口装置

通信接口装置完成工作站、待测终端设备、云服务器之间的数据转发工作，总体结构如图3所示。

通信接口装置对外接口包括以太网接口（RJ45）、光纤接口、RS232串口。以太网接口（RJ45）具有多个以太网接口，可以接入工作站、待测终端装置、无线通信终端等。光纤接口具有多个光纤接口，可以接入待测终端设备。RS232串口具有多个RS232串口，可以接入待测终端设备。通信接口装置内部由2个模块组成，即核心交换模块、以太网串口转换模块。核心交换模块完成各个装置之间以太网数据透明转发工作。以太网串口转换模块完成串口、以太网数据的相互转换以及自身与核心交换模块的数据交换工作。

图3 总体结构图

3、检测流程及内容

检测包括3个核心模块，即IEC101/104模拟主站、闭环分析模块、报文存储模块，如4图所示。

图4 检测流程

IEC101/104模拟主站的主要功能是完成主站模拟功能，与被测终端进行IEC101/104通信。自动化测试功能可载入自动化测试项，完成自动化测试功能。手动测试功能可手动设置测试项或者报文，进行单项测试。报文监视功能：可以自动捕获通信报文，并将报文发送给其他模块进行处理，例如发送给报文存储模块进行报文存储。发送给分析模块可完成闭环分析功能。

闭环分析模块的功能是完成报文解码、数据项分析、过程项分析等，最终形成测试报告。其中IEC101链路层解码、分析包括DIR方向位、FCB翻转位、PRM启动位等分析，判断帧是否丢失、重传等。IEC104APCI分析是分析APCI控制域，判断报文是否丢失、重复。IEC101/104应用层解码、分析是解码ASDU，分析报文包含的各个数据域，例如传输原因、公共地址、数据信息地址、数据项等内容。数据项内容分析是分析报文是否属于某个测试项，并分析数据项内容。过程项内容分析是分析报文是否属于某个过程项，并分析过程项内容。

闭环分析模块不仅分析单帧内容，还会关联上下文进行分析，分析整个通信过程。例如针对IEC101规约，分析链路层数据，判断前后帧的FCB位，判断帧是否丢失、重复；针对IEC104规约，分析前后报文的时间，可以判断104的超时参数（t0、t1、t2、t3）是否合理，分析控制域，判断是否有帧丢失、重复。可快速分析通信异常原因。

报文存储模块：保存通信报文到文件。

3.1 链路层帧格式检测

以IEC101协议为例，IEC101链路层帧类型有固定帧（0X10）、可变帧（0X68）。帧结构如表1所示。

固定帧检测内容包括五个项，即启动字符（固定帧启动字符为0x10）、控制域（分析DIR、PRM、FCB等位是否正确，以及控制码是否合法）、地址域（分析其长度和值是否合法）、帧校验和（分析帧校验和是否与计算值一致）、结束字符（结束字符为0x16），上述任一项出现错误，认为检测不通过。

可变帧检测内容包括六个项，即启动字符（启动字符为0x68）、报文长度（长度必须小于255）、控制域（分析DIR、PRM、FCB等位是否正确，以及控制码是否合法）、地址域（分析其长度和值是否合法）、帧校验和（分析帧校验和是否与计算值一致）、结束字符（结束字符为0x16），上述任一项出现错误，认为检测不通过。

3.2 应用规约控制信息(APCI)检测

IEC104协议的APCI结构如表1所示。

表1 APCI结构

检测内容包括启动字符（必须为0X68）、APDU长度（最大为253字节）、控制域。其中可根据I-格式、S-格式、U-格式对控制域检测，即I-格式为发送序号、接收序号是否正确递增与确认；S-格式为接收序号是否正确确认；U-格式为控制信息是否正确确认。

3.3 应用服务数据单元(ASDU)检测

分析内容包括可变结构限定词、传送原因、公共地址、信息对象地址、信息元素等，根据ASDU的类型标识，对不同的数据项进行分析。

规约检测过程中，当出现的初始化原因类型与配置的类型完全匹配时，才会判定“初始化结束帧”成功。若只有部分出现，判定“未检测完”。否则，判定“未通过”。例如：若配置了初始化原因COI为当地电源合上与当地手动复位两项时，检测过程中若只出现了当地电源合上一项，报检测“未完成”，两者都出现过时报“成功”，“当地电源合上”或者“当地手动复位”均未出现时，报“未通过”。

3.4 控制过程检测

控制过程是在数据项分析的基础上，抽象出来的高级测试功能，主要分析某一个控制过程的完整性，而不是数据帧的正确性，其分析重点在于“过程”。控制过程分析包括：站初始化、总召唤、组召唤、时钟同步、单点遥控、双点遥控等过程分析。

若多次进行某个过程的测试，只要其中有一次测试没有通过，则判定此测试项不通过。例如进行了2次单点遥控测试，第1次通过，第2次不通过，则最终判断单点遥控测试项不通过。

IEC101（平衡模式）控制过程中，表2中的数据帧需按照次序全部出现，否则检测失败。其中在总召唤过程中，若检测时没有选择遥测、遥信测试项，则可以不用出现。组召唤过程与总召唤类似，双点遥控过程可参考单点遥控过程判据。

表2 IEC101(平衡模式)控制过程的数据帧

IEC101（非平衡模式）控制过程中，表3的数据帧需按照次序全部出现，否则检测失败。其中总召唤过程中，若测试时没有选择遥测、遥信测试项，则可以不用出现。遥控过程中，若不存在遥控取消，则其可以不出现。

表3 IEC101(非平衡模式)控制过程的数据帧

4、双主站检测

双主站检测主要检测终端设备同时接入双主站的能力，检测其通信是否正常、能否正常响应双主站的操作等。以两个IEC101主站示例，其中两个主站分别为主站A、主站B。

4.1 基础通信过程检测

配置：配置主站A和主站B的通信参数不一致。例如主站A链路地址为1，链路地址长度1，公用地址为1，长度为1，传输原因长度为1，信息体地址长度2。主站B链路地址为2，链路地址长度2，公用地址为2，长度为，传输原因长度为2，信息体地址长度3。

检测方法：两个主站同时连接终端，检测两个主站的初始化过程、总招过程是否成功。

正确结果：两个主站的初始化过程、总招过程等应检测通过。

4.2 遥测、遥信数据状态同步检测

检测方法：两个主站同时连接终端，每间隔一段时间，比对两个主站收到遥测、遥信数据状态是否一致。若不一致，判断失败。

4.3 事件同步检测

测试终端上送到两个主站的遥信SOE时标、状态是否一致。

检测方法：一个主站接收到终端的遥信SOE后，开始计时，并检测另一个终端是否接收到同样的遥信SOE，若接收到，则检测时标、状态值是否一致。时标不一致或者超时未收到，则判失败。

4.4 遥控检测

测试两个主站同时进行遥控操作的正确性。原则上，同一时刻只能有一个主站进行遥控操作，且过程不可被另一个主站打断，只有在一个主站操作完毕后，另一个主站才能进行操作。

4.5 与单主站检测方式比较

采用了双主站检测后，弥补单主站不足，主要体现在以下两方面：

(1）两台主站装置可相互作为后备补充，若其中一台因装置异常或检修而退出运行，另一台还可以正常工作，区域备自投策略仍可正常执行；

(2）当子站装置采用综合判别的处理方法时，可以对区域备自投主站装置的跳合闸命令进行校验，防止误发跳合闸命令的情况，有利于提高区域备自投的可靠性。

4.6 检测案例

案例1：双主站一致性测试：遥信状态同步测试。

检测方法：（1）配置好被测终端设备双主站参数，并启动。（2）使用模拟主站A、模拟主站B同时连接被测终端设置。（3）被测终端设备做3次开关变位，每次间隔10秒，同时观察双主站测试结果。（4）同样的方法，使用传统的规约测试软件分别建立两个主站，进行测试，结果如表4-表6所示。

表4 双模拟主站测试结果

表5 传统主站1测试结果

表6 传统主站2测试结果

从测试结果来看，本规约测试软件和传统规约测试软件接收到的变位次数和被测装置的一致，均能正确接收与分析。与传统规约软件相比，本规约测试软件具有自动比对判断功能，会自动分析是否一致，而传统规约测试软件只能人工逐个比对，不仅费时费力，而且容易出错。

案例2：双主站一致性测试：模拟主站A在遥控选择的情况下，主站B进行遥控选择操作，即模拟两个主站同时进行遥控选择。

检测方法为：(1)主站A进行“遥控选择”操作；(2)主站A收到正确响应（选择确认）后，主站B进行“遥控选择”操作。此时，主站B应该收到否定响应（选择失败）；(3)主站A进行“遥控执行”操作；(4)主站A收到正确响应（执行确认）；(5)主站A收到遥控结束（遥控返校）。其结果是主站A遥控执行成功，整个遥控过程收到终端的报文有：遥控选择成功、遥控执行成功，遥控执行结束。主站B遥控选择失败，接收到的报文只有遥控选择失败，没有遥控执行成功，遥控执行结束等报文。否则判失败。

表7、表8是本规约测试软件与传统规约测试软件结果对比。从结果看，本规约分析软件能自动测试、分析遥控的一致性，而传统主站只能通过判断两个主站的报文，人工分析是否一致，且整个过程需要人工控制两个主站的下发报文的顺序，比较麻烦，易出错。

表7 双主站测试结果

表8 传统主站测试结果

采用本文所提方法安装改造后，经过一年间试验，某配电系统运行正常，试验结果证明了所提方法的可行性和优良性能。

5、结束语

本文所提方法主要检测终端设备同时接入双主站的能力，检测其通信是否正常、能否正常响应双主站的操作等。由工作站、通信接口装置、待测终端设备、云服务器组成。工作站运行自动闭环测试模块、规约自动分析模块，能够进行多主站模拟、多子站模拟等。通信接口装置包括进行通信转发，联通工作站、待测终端、云服务器等设备。云服务器主要负责接收工作站的指令，完成待测终端设备无线101测试功能和转发通信报文到工作站进行分析。待测终端设备是FTU或者DTU自动化终端设备。针对两个IEC101主站进行检测，说明本文提出方法的可行性，提高配电自动化通信规约的检测效率。

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基金资助:海南电网有限责任公司电力科学研究院(073000KK58200009);

文章来源:朱望诚,庞松岭,赵海龙,等.配电自动化双主站通信规约检测方法[J].自动化技术与应用,2024,43(10):116-121.