牟思宇

摘  要：文章探讨继电保护通讯规约传统的Modbus协议（以成都地铁1、2、4号线为例）与新开线路使用的IEC 60870-5-103通信规约（以成都地铁3、7、10号等线为例）在地铁系统的作用，结合目前成都地铁运营现状阐述了这两种继电保护通信规约的优缺点。

关键词：Modbus协议;IEC 60870-5-103;继电保护通讯规约

中图分类号：TM922.4       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）17-0072-03

Abstract： This paper discusses the function of relay protection communication protocol traditional Modbus protocol （taking Chengdu Metro Lines 1， 2， and 4 as examples） and IEC 60870-5-103 communication protocol （Chengdu Metro Lines 3， 7， 10， etc.） in subway system. According to the current operation situation of Chengdu Metro， this paper expounds the advantages and disadvantages of these two relay protection communication protocols.

Keywords： Modbus protocol; IEC 60870-5-103; relay protection communication protocol

1 概述

IEC870-5-103通信规约是国际电工委员会（IEC）定义变电站控制系统与保护设备之间相互通信的配套标准。目前，成都地铁既有线（1、2、4号线）的电力监控系统中大多使用的通信规约为Modbus协议，但基于这种通信模式固有不足，在新修乃至未来的线路（目前3、7、10号等线）的继电保护通信规约中推广和应用IEC870-5-103或更齐全的通信规约是必然趋势。

2 传统Modbus协议

2.1 Modbus的含义

Modbus协议是一种完全开放的协议，是适用于电子控制器上的一种通用语言。经过此协议可以实现控制器之间、控制器经由网络和其它设备之间的相互通信。目前世界上有许多与自动化设备有关的厂商采用了这样的协议。

2.2 Modbus规约的主要缺点

Modbus协议的优点很多，例如用户可以免费获得协议及样板程序;网络实施价格低廉，可全部使用網络通用部件;易于集成不同的设备。但Modbus协议的缺点也是显而易见的。

2.2.1 通讯效率低

Modbus通讯的理论距离是1200m，距离越长，信号衰减越厉害，加上有一些电缆质量较差，衰减更厉害，干扰源就不再赘述。例如：成都地铁2号线变电所跟随所的温控器等设备的通讯采用Modbus协议，距离较远，会对通讯效率产生一定影响。解决的方法如下：第一种方法是信号衰减，更换质量更好的电缆，或者在通讯电缆中间加中继器（优点可以延长Modbus通讯的理论距离，缺点是需要供电）;第二种方法是排除干扰源，这是最理想的方法，当然这种方法比较困难。也可以尝试更换屏蔽效果更好的电缆，尽量减少和供电电缆放到一起。另外，有些设备Modbus接线端子没有终端电阻，可以在电缆两端各并联一个终端电阻（电阻为120欧）。

2.2.2 Modbus为串行链路主-从问答式协议

Modbus为串行链路协议主-从问答式协议，这是Modbus协议的主要弊端。主节点在系统需要询问部分子节点信息时或设定一段时间间隔向子节点收集数据时选择方式均为总召，依次向各个子节点询问后子节点发送数据。例如首选向子节点询问收集遥测数据，完成之后再询问收集遥信信息。这样的模式会导致当子节点数量较多时数据传输时间长，每次收集的信息量大，容易存在掉包等情况发生，这种模式在只对单个或部分子节点收集信息时效率大大降低且犯错率大大增高，且Modbus的主问子答数据传输方式不能够做到设备数据发生变化时选择变化上送。最突出的问题还在于PSCADA设备无法采集到保护测控装置的实际最大值，甚至误差比较大，这与地铁行业中对数据分析要求日益提高是完全不相适应的。

2.2.3 自适应性差，需要合理组态

Modbus是开放式协议，没有一定的标准接口，所以厂家为了满足用户的要求，开发相应的通讯接口和软件，Profibus、DNP、Modbus标准接口现正处于开发中，所以通讯接口和组态软件形成标准尚需时间。随着科学技术日新月异，目前现成的产品就能满足IEC的国际标准，所以全面推广IEC60870-5-103等IEC国际规约协议才是最好的解决办法。

3 IEC870-5-103通信规约

3.1 IEC870-5-103通信规约的含义

IEC60870-5-103通信规约是一种国际引进的标准。IEC在制定IEC60870-5-103等系列协议的时候，只是按照国际上常用电力系统设备的信息传输需求制定了专用和兼容范围。

3.2 IEC870-5-103通信规约在地铁系统中的运用

IEC870-5-103通信规约在地铁中的接口标准也有为RS485（串口103规约）和光纤（UDP网络103规约）两种，在设备间隔层中常用串口103规约，在传输层中常用UDP网络103规约。

IEC870-5-103通信规约有固定帧长报文和可变帧长报文两种报文格式。前者主要用于传送“召唤、命令、确认、应答”等信息，后者主要用于传送“命令”和“数据”等信息。

例：主站发：68 09 09 68 73 01 07 81 09 01 ff 00 00 05 16

目的：给地址为01的装置下发总召唤令。

子站回答：10 20 01 21 16

目的：ACD位置1，子站向主站请求上送1级数据。

主站发：10 5b 01 5c 16

目的：主站向子站召唤2级数据。

子站回答：10 09 01 0a 16

目的：子站回答无所要求数据。

上述两条报文为某号线UDP网络IEC870-5-103通信规约的2条报文，一条是向装置召唤1级数据，另一条为召唤2级数据。通常1级数据优先传输，例如一些重要报警信息等;2级数据选择为一般信息或数值，例如遥测值等。地铁运行中，所内各类报警信息较多，当发生某些瞬时性故障时，若数据发生翻转（地址位置0置为1后再翻转为0），在轮询制的Modbus协议中地址可能在询问前已发生翻转变位，则默认未发生变位从而导致漏掉此条瞬时性故障信息。而IEC870-5-103通信规约中会将变位信息存储于缓存中，子站主动询问上送或主站总召时上送。在数据传输时间机制方面，根据正线报文时刻分析可知，主站向子站召一数据时，Modbus协议轮询制方式询问一轮的时间在2至5秒不等，而IEC870-5-103通信规约询问一点的时间只需几百毫秒，IEC870-5-103通信规约传输时间方面显然是要比Modbus协议更加节省时间，效率更高。

另一方面，在地铁中，机车的牵引负荷峰值产生瞬时性较强，Modbus协议轮询制的方式可能导致错过产生的峰值数据后再询问，询问上送的峰值不一定是产生的准确峰值。而在IEC870-5-103通信规约中可以将产生的峰值记录并缓存。在地铁行业高速发展期间，越来越重视对线路实际负荷的准确计算，从而与线路设备的容量等各类参数进行分析对照，确保一条线路的稳定运营。因此在今后的地铁线路修建中，可以将IEC870-5-103及其以上标准的通信规约作为继电保护规约选择的参照标准。

3.3 IEC870-5-103规约的主要优点

在IEC870-5-103规约主要有以下优点：

3.3.1 层次明晰

IEC870-5-103规约具体明确了物理连接的方法及接口标准，为硬件设施的相互连接提供了更好的条件。

IEC870-5-103规约不仅具有Modbus协议的议主-从问答式的数据传输方式，它还能够在单个子节点数据发生变化时，子节点主动询问主节点是否上送，能够做到底层数据变化时变化上送。主节点也能够单独询问子节点所需要的数据信息而非与像Modbus协议的模式一样即使只是需要单个子节点的数据信息上送也必须采取总召的模式。

一般的报文校验、一类数据查询、接收数据区已满等只要在链路层即可分析完成，缩减了数据传输的时长和分析的层次，更好地提高了传输效率，具备了更快更好的数据响应能力，并且对于重点信息和保护事件的采集更加快捷。在应用层只用分析长报文中的应用报文，并且根據其类型标识、限定词及传输缘由等就可以进一步方便而快捷的分析，层次明晰。

3.3.2 结构严谨

对于IEC870-5-103规约而言，它的结构十分严谨。一是在链路层中，它的各个数据位都有详尽的说明与分析，明确规定了不同的传输方向、有一类数据及数据区溢出的标志方法;二是在应用层中，它的每个字节都进行了详细的应用，既有标识代码、单元集等，均要详细查找规约规定，可对每一个报文进行详细的分析，明确表明信息的各个细节。三是保护装置的地址会在链路层和应用层中多次重复出现，以保证没有任何地址错位等情况，防止产生误动信息;四是对于回传的报文信息还具体明确了保护装置及信息的类型等，内容十分详尽严谨，以确保在保护发生动作时报文信息能够迅速而准确地上送。

在通信情况上，由于保护原理及上送量的不同，监控系统采集的内容不尽相同。且经过长时间的实际测试，发现IEC 870-5-103规约具有响应迅速、信息量大且极为详细的特点，对测量量更新、变位信息、保护动作发生等均可迅速、准确地做出反应。

3.3.3 报文简洁

IEC870-5-103规约对报文各个位进行了详尽严谨的标注。它用相同的报文头表示不同的内容，并且根据传送的原因、信息的内容不同进行了区分，相比Modbus协议报文格式更加简洁，更加容易分析报文，而这一点对于供电系统上要求的安全可靠性极为重要。以测量值为例，IEC 870-5-103规约采用1帧报文上送所有的遥测值，报文简洁，实效性好。

3.3.4 通用开放

基于地铁的微机保护的特殊性、机车负荷峰值出现的瞬时性、无人值班、远程诊断和将来系统扩展等需求，IEC870-5-103规约采用了使用兼容范围的通用分类服务方式交换数据，对于未来扩展的功能和数据具有开放性。

IEC870-5-103规约具有国际通用性和开放性，已在世界各地广泛运用。但IEC870-5-103规约的缺点就在于较之Modbus协议而言结构更加复杂，部分设备厂商使用103规约时部分功能受到限制，比如参数读取、远方整定值修改、故障录波或干扰记录的信息传送等，因此还需要各方在103规约推广上更加主动积极。

4 结束语

国际标准规约IEC60870-5-103具有很多优点，兼容性好，功能强大，切合了变电所控制系统与保护设备通信的特点和实际情况，使地铁变电所综合自动化系统中监控系统与微机保护系统之间的规约标准化，避免了厂家及其相应设备因非标准化规约而发生冲突，大大提高了生产效率。正确、有效地使用103规约，对于今后地铁在变电站自动化建设中也会起到极大的推动作用。

参考文献：

[1]IEC 60870-5-1.远动设备及系统第5部分传输规约第1篇传输帧格式[S].1990.

[2]IEC 60870-5-2.远动设备及系统第5部分传输规约第2篇链路传输规则[S].1992.

[3]DL/T667-1999.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].1999.

[4]田国政.变电所自动化系统的通信网络及传输规约选择[J].电网技术，2003，27（9）：66-68.