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(guó)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(jié)構(gòu)、應(yīng)用數(shù)據(jù)、工作模式和協(xié)議特點(diǎn)。對(duì)于基于該協(xié)議的嵌入式裝置，總結(jié)歸納了六種典型的組網(wǎng)方式和應(yīng)用場(chǎng)景。其中幾種方式相互組合，即可構(gòu)成完整的通信網(wǎng)絡(luò)，滿足電力、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(guī)約DNP3.0(Distributed Network Protocol)是美國(guó)IEEE電力工程協(xié)會(huì)(PES)在IEC的基礎(chǔ)上制定的美國(guó)的通信標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議高度靈活并且末端開放，不含任何目標(biāo)硬件的專用結(jié)構(gòu)。DNP3.0協(xié)議采用全平衡的傳輸規(guī)程支持主站﹑外站之間數(shù)據(jù)傳輸，適合高可靠、中等速度和中等吞吐量的應(yīng)用^[1]。

　　DNP3.0是開放式協(xié)議，既可用于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)，也可應(yīng)用于分布式自動(dòng)化系統(tǒng)(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(guó)家廣泛應(yīng)用，設(shè)備招投標(biāo)中常常明確需具備該通信協(xié)議。DNP3.0在我國(guó)的應(yīng)用范圍也十分廣范，主要用來作為電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)通訊裝置或者配電網(wǎng)裝置和調(diào)度自動(dòng)化中心主站的通訊協(xié)議，對(duì)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(shè)計(jì)，分析DNP3.0通信協(xié)議特點(diǎn)，研究和總結(jié)各種組網(wǎng)方案，以適應(yīng)多種情況下的應(yīng)用，滿足廣大海內(nèi)外市場(chǎng)需求。

1 DNP3.0通信協(xié)議

　　1.1 協(xié)議結(jié)構(gòu)

　　DNP3.0通信協(xié)議基于IEC870-5標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)用層，被稱為增強(qiáng)協(xié)議結(jié)構(gòu)EPA(Enhanced Protocol Architecture)，如圖1所示。這種分層結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)傳送可靠性大大提高，同時(shí)也便于實(shí)現(xiàn)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(yàn);為了滿足較長(zhǎng)數(shù)據(jù)包的傳送，又增加了一個(gè)偽傳輸層，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可以將較長(zhǎng)的應(yīng)用層報(bào)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(yīng)用層報(bào)文。DNP3.0的鏈路層、偽傳輸層和應(yīng)用層都有嚴(yán)格的幀格式^[2]。

　　1.2 應(yīng)用數(shù)據(jù)

　　DNP3.0將基本應(yīng)用數(shù)據(jù)分為四大類：靜態(tài)數(shù)據(jù)(static)、事件數(shù)據(jù)(event)、靜態(tài)凍結(jié)數(shù)據(jù)(frozen static)和事件凍結(jié)數(shù)據(jù)(frozen event)。這四大類數(shù)據(jù)分4個(gè)組(class)，第1組固定為所用的靜態(tài)數(shù)據(jù)，第2~4組全部為事件數(shù)據(jù)分組，并且每個(gè)事件數(shù)據(jù)的分組可以靈活在線修改。

　　靜態(tài)數(shù)據(jù)為某個(gè)物理或邏輯狀態(tài)的當(dāng)前值，可以是16位或32位數(shù)據(jù);事件數(shù)據(jù)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(jié)數(shù)據(jù)是靜態(tài)數(shù)據(jù)在某個(gè)時(shí)刻的值，也可以含有時(shí)間;凍結(jié)靜態(tài)數(shù)據(jù)可作為事件來反映，這種數(shù)據(jù)稱為事件凍結(jié)數(shù)據(jù)。

　　DNP3.0協(xié)議中所有的數(shù)據(jù)都含有一個(gè)字節(jié)的標(biāo)志，或稱為值的狀態(tài)，按位使用，可分別表示實(shí)時(shí)在線、重啟動(dòng)、通信中斷、遠(yuǎn)方強(qiáng)行修改和本地強(qiáng)行修改等狀態(tài)。

　　DNP3.0協(xié)議中所有的應(yīng)用數(shù)據(jù)按對(duì)象(object)來定義，每個(gè)對(duì)象都有規(guī)定的格式及對(duì)應(yīng)的編號(hào)，它們組成DNP3.0協(xié)議的應(yīng)用數(shù)據(jù)對(duì)象庫(kù)。應(yīng)用數(shù)據(jù)的編號(hào)由數(shù)據(jù)對(duì)象組號(hào) (data object) 和對(duì)應(yīng)的變體編號(hào)(Variation)組成。

　　嵌入式裝置需要把數(shù)字量、模擬量和累積計(jì)數(shù)量等和DNP3.0的數(shù)據(jù)對(duì)象庫(kù)一一對(duì)應(yīng)起來，按照協(xié)議規(guī)定格式組織報(bào)文。圖2是帶凍結(jié)時(shí)間的32位模擬量輸入示例，其數(shù)據(jù)對(duì)象為31，變體為5，在報(bào)文傳輸中占用11個(gè)字節(jié)。

　　1.3 通信方式

　　DNP3.0通信協(xié)議為客戶端/服務(wù)器模型，被稱之為主站/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(qǐng)求所有或部分靜態(tài)數(shù)據(jù);

　　(2)變位掃描方式：主站請(qǐng)求所有靜態(tài)數(shù)據(jù)，并周期掃描變化數(shù)據(jù);

　　(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(bào)告變化數(shù)據(jù);

　　(4)非請(qǐng)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(qǐng)求所有靜態(tài)數(shù)據(jù)。

　　嵌入式裝置需要同時(shí)支持這4種通信方式，以適應(yīng)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放，不含任何目標(biāo)硬件的專用結(jié)構(gòu)，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(cè)/沖突避免，保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

　　(4)支持一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的設(shè)備之前進(jìn)行通信。

　　(5)支持問答式和非請(qǐng)求主動(dòng)響應(yīng)式功能，可有效減少總線流量，充分利用通信帶寬。

　　(6)具有豐富的應(yīng)用數(shù)據(jù)對(duì)象庫(kù)。用戶可以根據(jù)實(shí)際需要選用不同的對(duì)象庫(kù)。例如對(duì)于模擬量就有幾十種數(shù)據(jù)對(duì)象，包括16位的遙測(cè)、32位的遙測(cè)、帶標(biāo)志的遙測(cè)、不帶標(biāo)志的遙測(cè)、帶時(shí)標(biāo)的遙測(cè)、不帶時(shí)標(biāo)的遙測(cè)、凍結(jié)遙測(cè)等。

　　(7)支持?jǐn)?shù)據(jù)組態(tài)和數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)傳輸，所有對(duì)象可以化分為4類，其優(yōu)先級(jí)順序由高到低分別為：1類、2類、3類、0類。例如可以把遙信變位化為一類數(shù)據(jù)，把變化遙測(cè)和SOE化為二類數(shù)據(jù)等。

　　(8)支持靈活組網(wǎng)方式，應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。

2 組網(wǎng)方案

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

　　2.1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)

　　點(diǎn)對(duì)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(shè)備僅支持DNP3.0主站協(xié)議，另一個(gè)設(shè)備僅支持DNP3.0外站協(xié)議。這種方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，一般適用于主從機(jī)架構(gòu)的兩個(gè)裝置，組合起來實(shí)現(xiàn)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，依次類推進(jìn)行輪流通信。這種方式是最常見的。一種典型應(yīng)用是電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化主站和各變電站數(shù)據(jù)監(jiān)控中心進(jìn)行通信，采集和監(jiān)視變電站各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)可對(duì)多個(gè)變電站的開關(guān)、斷路器、主變分接頭等進(jìn)行遙控、遙調(diào)操作;另一種典型應(yīng)用是變電站監(jiān)控系統(tǒng)和變電站內(nèi)各智能裝置進(jìn)行通信，采集和監(jiān)視各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)對(duì)站內(nèi)的開關(guān)、斷路器、主變分接頭等進(jìn)行遙控、遙調(diào)操作。

　　2.3 數(shù)據(jù)集中器1、2、3

　　數(shù)據(jù)集中器又分為三種組網(wǎng)方式，完成的功能基本相同：對(duì)下收集多個(gè)設(shè)備的信息，組成數(shù)據(jù)庫(kù)，然后對(duì)上進(jìn)行信息交互。

　　數(shù)據(jù)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(duì)下是主站功能，收集多個(gè)外站信息，組成本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù);對(duì)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(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)信息子站設(shè)備和保護(hù)信息子站設(shè)備屬于這種典型的嵌入式裝置，安裝于變電站內(nèi)，匯總變電站內(nèi)信息，并和遠(yuǎn)方調(diào)度中心進(jìn)行信息交互。

　　數(shù)據(jù)集中器2組網(wǎng)方式主要完成規(guī)約轉(zhuǎn)換功能，即一個(gè)設(shè)備同時(shí)支持DNP3.0外站協(xié)議和其他多種主站協(xié)議，對(duì)下通過不同的通信協(xié)議，比如IEC61850、IEC103、MODBUS等，收集多個(gè)外站信息，組成本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù);對(duì)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(nèi)智能設(shè)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(duì)下的協(xié)議轉(zhuǎn)換，對(duì)上統(tǒng)一為DNP3.0協(xié)議。

　　數(shù)據(jù)集中器3組網(wǎng)方式類似于數(shù)據(jù)集中器2，同樣完成規(guī)約轉(zhuǎn)換功能。所不同的是，設(shè)備同時(shí)支持DNP3.0主站協(xié)議和其他多種外站協(xié)議，對(duì)下通過DNP3.0主協(xié)議，收集多個(gè)外站信息，組成本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù);對(duì)上通過其他協(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(yuǎn)方調(diào)度自動(dòng)化主站不支持DNP3.0協(xié)議的，變電站內(nèi)一般需要這種數(shù)據(jù)集中器進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，但是對(duì)于寫數(shù)據(jù)，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(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)存在多個(gè)遠(yuǎn)方自動(dòng)化調(diào)度中心、集控中心，采用這種組網(wǎng)方式，即可和變電站內(nèi)裝置進(jìn)行信息交互。

3 結(jié)束語(yǔ)

　　DNP3.0通訊協(xié)議高度靈活并且末端開放，不含任何目標(biāo)硬件的專用結(jié)構(gòu)，使用廣泛。本文分析總結(jié)的DNP3.0通信協(xié)議和組網(wǎng)方案，對(duì)于設(shè)計(jì)和研發(fā)支持該協(xié)議的嵌入式裝置具有重要指導(dǎo)作用，對(duì)于提高產(chǎn)品國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

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