IEC 104 protocol

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IEC-104協(xié)議

一 IEC104協(xié)議介紹

1 IEC104簡要說明

IEC104是一種基于TCP/IP的電力行業(yè)通信協(xié)議，主要用于數(shù)據(jù)遠程監(jiān)控等功能。通信有一般有主要發(fā)送數(shù)據(jù)、接收命令的從站服務端和接收數(shù)據(jù)、發(fā)送命令的主站客戶端構(gòu)成。采用應答式數(shù)據(jù)傳輸，一般上行數(shù)據(jù)為遙信、遙測，下行信息為遙控、遙調(diào)。

2 IEC104幀格式

IEC104的通用幀格式如圖

其中APCI為控制信息部分，ASDU為存儲數(shù)據(jù)單元，APDU為長度等于APCI+ASDU-2,即減去起始字節(jié)和APDU長度字節(jié)。 IEC104有3種幀格式，分別為U幀即控制報文幀、S幀即監(jiān)視幀和I幀即信息傳輸幀。

U幀：只包括APCI部分，主要有啟動幀、停止幀、測試幀。U幀具體格式如圖

S幀：只包含APCI部分。S幀格式如圖

I幀：包含APCI+APDU部分。I幀格式如圖

發(fā)送序號和接收序列號是保證數(shù)據(jù)完整性的條件。類型標識定義發(fā)送數(shù)據(jù)的格式。可變結(jié)構(gòu)體定義發(fā)送數(shù)據(jù)信息是有序還是無序，有序即一個信息體地址，元素的對應地址會在此信息地址基礎(chǔ)上依次加1。無序即1個地址對應一個元素。傳輸原因定義記錄傳送的原因，用以對傳輸數(shù)據(jù)進行歸類。

3 IEC104規(guī)約流程

由客戶端向服務器建立連接，同時，發(fā)送鏈路啟動幀。
服務端在收到鏈路啟動幀后，向客戶端發(fā)送啟動確認幀。
客戶端收到啟動確認幀后，發(fā)送總召喚命令數(shù)據(jù)請求幀。
服務端收到總召喚命令數(shù)據(jù)請求后，發(fā)送總召喚命令數(shù)據(jù)響應幀，然后繼續(xù)發(fā)送總召喚命令數(shù)據(jù)?？傉賳久顢?shù)據(jù)發(fā)送完成后，發(fā)送總召喚命令數(shù)據(jù)結(jié)束幀。
客戶端在收到總召喚命令數(shù)據(jù)結(jié)束幀后，發(fā)送對時請求幀。
服務器收到對時請求幀后，發(fā)送對時響應幀。
由服務器主動向客戶端發(fā)送變化數(shù)據(jù)幀。同時，收到客戶端發(fā)送的控制類命令，回復相應的操作結(jié)果。
客戶端等到下一個數(shù)據(jù)總召喚命令數(shù)據(jù)周期，重復第4步之后的流程。

二 IEC104通信主站程序總體設(shè)計實現(xiàn)

根據(jù)項目需求和IEC104通信規(guī)約設(shè)計，主要包括遙信、遙測的解析程序功能，遙控、遙調(diào)的組合程序功能，數(shù)據(jù)庫并發(fā)操作。涉及技術(shù)Java面對對象編程，多線程，socket編程，JDBC數(shù)據(jù)庫操作映射API，C3P0高并發(fā)數(shù)據(jù)庫連接池。首先設(shè)計如圖的目錄結(jié)構(gòu)：其中jdbc 庫文件存儲數(shù)據(jù)庫連接相關(guān)配置的類文件，model庫文件存儲著數(shù)據(jù)庫的對應模型的類結(jié)構(gòu)文件，dao庫文件存儲著數(shù)據(jù)庫操作的類函數(shù)文件，iec104.util存儲著程序處理中所用到的工具類，iec104為程序邏輯主體，存儲著程序的主要處理類函數(shù)文件。設(shè)計如圖的配置文件目錄

其中typeId.properties存儲著功能類型的數(shù)字對應信息漢字關(guān)系，cause.properties存儲著原因類型數(shù)字對應信息漢字關(guān)系，用于幀格式解析。remote_signal、remote_measure、remote_control、remote_adjust是存儲信息體地址和對應存儲數(shù)據(jù)庫字段關(guān)系文件，用于將設(shè)備狀態(tài)信息存儲到數(shù)據(jù)庫對應數(shù)據(jù)模型或從對應數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)提取。設(shè)計主體程序有3部分構(gòu)成，主程序包括配置信息初始化，Socket端口連接初始化，數(shù)據(jù)庫連接配置初始化，線程定時器初始化，啟動鏈路，接收遙信、遙測幀信息解析緩存到對應對象結(jié)構(gòu)體；定時將緩存在遙信、遙測對象結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫；遙控、遙調(diào)定時器程序包括根據(jù)讀取數(shù)據(jù)庫對應數(shù)據(jù)信息與緩存字典比較，發(fā)現(xiàn)變化信息組合幀信息并發(fā)送。設(shè)計總體流程圖如圖

三 IEC104主站數(shù)據(jù)庫相關(guān)程序設(shè)計

1 設(shè)備數(shù)據(jù)庫模型類實現(xiàn)

IEC104數(shù)據(jù)庫與Web管理系統(tǒng)共用一個數(shù)據(jù)庫，IEC104需建立的數(shù)據(jù)庫模型與web模型的屬性、字段都相同，在此基礎(chǔ)建立數(shù)據(jù)庫映射操作庫model中的映射實現(xiàn)類如圖

其中DevControl為存儲所有設(shè)備信息及其控制部分的映射實現(xiàn)類，PVAnalogQuantotyData1, PVAnalogQuantotyData1,PVDigtialQuantityData為具體設(shè)備(光伏逆變器)類的數(shù)字信息和模擬量信息映射實現(xiàn)類。

2 IEC104設(shè)備數(shù)據(jù)庫操作類實現(xiàn)

model每個類文件會對應數(shù)據(jù)庫操作dao庫中一個類文件，dao的類中會記錄數(shù)據(jù)庫操作所需要執(zhí)行的增刪改查操作。目錄結(jié)構(gòu)如圖：

以DevControlDao實現(xiàn)類為例簡要說明: 添加設(shè)備實現(xiàn)函數(shù)核心sql操作語句

Strning sql = "insert into microgrids_devcontrol (num, dev_type) values(?,?)";

更新設(shè)備類型號碼實現(xiàn)函數(shù)核心sql操作語句

Strning sql = "update microgrids_devcontrol set dev_type=? where num=?";

刪除設(shè)備類實現(xiàn)函數(shù)核心sql操作語句

String sql="delete from microgrid_devcontrol where num=?"

查詢設(shè)備是否存在函數(shù)的核心sql操作語句

String sql="select num from microgrid_devcontrol where num=?"

3 IEC104數(shù)據(jù)庫連接初始化

數(shù)據(jù)庫為考慮大量數(shù)據(jù)寫入時的性能要求，使用了C3P0數(shù)據(jù)庫連接池的方法來增強數(shù)據(jù)庫操作的性能。其中C3P0連接池初始化獲得mysql操作對象的類為jdbc包的C3P0Utils類

public class C3P0Utils {
	private static ComboPooledDataSource dataSource = new ComboPooledDataSource("mysql");
	public static DataSource getDataSource() {
		return dataSource;
	}
	public static Connection getConnection() {
		try {
			return dataSource.getConnection();
		}catch (SQLException e) {
			throw new RuntimeException(e);
		}
	}
}

其中，系統(tǒng)會調(diào)用主目錄下的c3p0-config.xml文件進行數(shù)據(jù)庫初始化配置，包括連接數(shù)據(jù)庫地址，數(shù)據(jù)庫用戶和密碼。

四主站核心程序設(shè)計

1 主站設(shè)備信息初始化

首先，程序會在初始化完成時加載配置文件dev.json，dev.json數(shù)據(jù)格式為設(shè)備編號，設(shè)備名，設(shè)備類型編號。（設(shè)備類型對應編號在Django model中進行定義，這里寫入是為便于Web管理操作）

{
  "PVI0101":{"name":"光伏1區(qū)光伏逆變器1號", "DEV_TYPE":1},
}

根據(jù)配置文件的設(shè)備信息會去更新數(shù)據(jù)庫DevControl中的設(shè)備信息，對配置信息存在數(shù)據(jù)庫卻不存在的設(shè)備使用dao庫DevControl類下的addDev方法進行添加，對配置信息中不存在設(shè)備數(shù)據(jù)庫卻存在的設(shè)備使用delDev方法進行刪除。根據(jù)設(shè)備類型編號去創(chuàng)建對應設(shè)備遙信，遙測需要的設(shè)備信息結(jié)構(gòu)體，以便在后面獲取數(shù)據(jù)存入對應結(jié)構(gòu)體存儲。

2 主站遙信、遙測程序設(shè)計實現(xiàn)

首先，程序會在初始化加載remote_signal.json、remote_measure.json、遙信、遙測配置文件，配置信息格式主要為信息體地址，對應數(shù)據(jù)庫字段名，對應數(shù)據(jù)庫表單名，對應數(shù)據(jù)庫設(shè)備編號。

{
  "14":{"field":"status_down","num":"PVI0101","table_name":"pvdigitalquantitydata","descript":"西科逆變器1_停機","注釋":""},
}

然后，使用多線程Runable類定義遙信、遙測數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫的方法即將設(shè)備對應數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)體（在設(shè)備信息初始化中產(chǎn)生）使用對應sql方法寫入數(shù)據(jù)庫。使用ScheduledExecutorService類初始化遙信、遙測的多線程定時器得到對象service，再使用service下的scheduleAtFixedRate方法定時執(zhí)行信息結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫方法。
程序在發(fā)送完總召喚命令后會一直使用socket的方法去讀取從站發(fā)送過來的幀數(shù)據(jù)并進行解析，首先會使用Apdu類下的Apdu方法進行解析，獲得幀的啟動幀，APDU長度，發(fā)送序號，接收序列號，控制域信息，根據(jù)控制域信息會進行判斷幀類型，即為I幀，S幀，還是U幀。如果是S幀，或U幀獲取后基本不做處理，主要會進行I幀解析。再判斷是I幀后，會使用Asdu類下的Asdu進行解析，獲取幀的類型標識，傳輸原因，公共地址，可變結(jié)構(gòu)體等信息，然后使用InformationObject類的InformationObject方法去根據(jù)幀的類型標識去把數(shù)據(jù)信息存入到InformationElement，再獲取存在信息體地址和數(shù)據(jù)的InformationObject對象。最后，再使用Client類中handleData方法，根據(jù)信息體地址從遙信、遙測配置文件獲取其在數(shù)據(jù)庫的表單名，對應字段，對應設(shè)備，把信息體對應的數(shù)據(jù)寫入到對應的設(shè)備信息結(jié)構(gòu)體中。使用PMA軟件模擬從站進行遙信測試如下：首先啟動程序建立鏈接，并發(fā)送總召喚命令，如圖

從站PMA地址發(fā)送地址為14，值為0的遙信數(shù)據(jù)（逆變器PV0101停機信號），如圖

主站接收遙信幀并進行解析，打印解析信息如圖

數(shù)據(jù)庫對應更新遙調(diào)信息所需要修改數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)如圖

web管理系統(tǒng)界面PVI0101對應數(shù)據(jù)信息改變?nèi)鐖D

3 主站遙控、遙調(diào)程序設(shè)計實現(xiàn)

首先，程序會在初始化加載remote_control.json、remote_adjust.json、遙控、遙調(diào)配置文件，配置信息格式主要為信息體地址，對應數(shù)據(jù)庫字段名，對應數(shù)據(jù)庫設(shè)備編號。

{
 "25089":{"field":"active_power","num":"PVI0101","descript":"西科逆變器1_有功功率遙調(diào)值","注釋":""},
}

然后，定義存儲遙控、遙調(diào)信息即地址信息和數(shù)據(jù)信息實時值的字典（記錄實時值，是為了只在數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)狀態(tài)改變的情況下，才會去發(fā)送遙控或遙信命令）

// 記錄存儲遙控、遙調(diào)實時值
Map<String, Integer> remoteControlValues = new HashMap<String,Integer>();
Map<String, Double> remoteAdjustVlaues = new HashMap<String,Double>();

之后，會使用多線程Runable類定義遙控、遙調(diào)信息幀組合并發(fā)送的runnable_db_send方法。同樣使用ScheduledExecutorService類初始化遙信、遙測的多線程定時器得到對象service_A，再使用service_A下的scheduleAtFixedRate方法定時執(zhí)行。 Runnable_db_send方法會提取remote_control.json、remote_adjust.json配置文件信息，根據(jù)地址信息的字段和編號去數(shù)據(jù)庫對應的表單下去提取數(shù)據(jù)，對比remoteControlValues、remoteAdjustVlaues字典，如果和字典中信息不同，則更新字典信息并發(fā)送遙控、遙調(diào)命令。使用PMA模擬從站測試如下： Web管理界面修改逆變器PV0101的控制信息(會更改對應數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù))，如圖

IEC104主站發(fā)送相關(guān)遙控、遙調(diào)命令，并打印信息，如圖

PMA從站會接收到IEC104主站的遙控、遙調(diào)信息，如圖