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    （廣東電網(wǎng)公司物流中心，廣東 廣州 510630）
陳煥怡

    （北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京 100085）劉 炬
                                                        
    陳煥怡（1980-）女，廣東南海人，輸配電及用電工程工程師，工學(xué)學(xué)士，管理學(xué)碩士，現(xiàn)就職于廣東電網(wǎng)公司物流中心，從事電力系統(tǒng)設(shè)備選型、采購、供應(yīng)管理工作。

    摘要：根據(jù)Modbus通信協(xié)議的特點(diǎn)以及繼電保護(hù)裝置中對通信可靠性的要求，提出了支持雙通信網(wǎng)絡(luò)、雙主站的Modbus通信在繼電保護(hù)裝置中的應(yīng)用。簡介了Modbus通信協(xié)議，系統(tǒng)冗余和單元冗余的概念。給出了雙網(wǎng)雙主站的通信方案，說明了為支持冗余在主站和子站設(shè)計(jì)上應(yīng)該注意的問題，定量分析了采用單元冗余、系統(tǒng)冗余混合冗余的方式為系統(tǒng)可靠性提高帶來的影響。說明了Modbus協(xié)議傳輸繼電保護(hù)裝置信息的數(shù)據(jù)交換過程和應(yīng)當(dāng)注意的問題，如鏡像數(shù)據(jù)區(qū)定義，TCP粘連包的問題等。

    關(guān)鍵詞：Modbus協(xié)議；冗余；主機(jī)冗余；網(wǎng)絡(luò)冗余；繼電保護(hù)；TCP/IP

    Abstract: In this paper, according to the features of Modbus protocol and the reliability requirement of the relay communication, we propose a Modbus communication protocol which supports the working style of dual-networks,dual master. The Modbus protocol and the concept of system redundancy and unit redundancy are also introduced in this paper. The communication scheme supporting dual-networks, dual-master is described, and some remarks about how to design the master and slave of this scheme is also given. In addition, we quantitatively analyze the effect to system reliability of mixed redundancy of system redundancy and unit redundancy, and explain the information exchange procedure when Modbus is used in protection relays communication. Finally some tips are given such as mapping data, TCP conglutination packet.

    Key words: Modbus protocol; Redundancy; Mainframe redundancy; Network redundancy; Protection relay; TCP/IP

    1 引言

    IEC61850標(biāo)準(zhǔn)和IEC60870-5-103通信協(xié)議在繼電保護(hù)裝置中已經(jīng)廣泛使用，但應(yīng)用于電廠的繼電保護(hù)裝置由于經(jīng)常要與各種自動(dòng)化和控制系統(tǒng)通信，這些系統(tǒng)大多遵循工業(yè)自動(dòng)化的Modbus通信標(biāo)準(zhǔn)，因此有必要對繼電保護(hù)裝置中的Modbus通信協(xié)議進(jìn)行研究。

    本文基于對繼電保護(hù)裝置通信可靠性的要求提出支持雙冗余通信網(wǎng)絡(luò)、雙冗余主站的Modbus通信方案，并說明了在Modbus繼電保護(hù)裝置通信中應(yīng)當(dāng)注意的一些問題。

    2 背景知識(shí)簡介

    2.1 Modbus通信協(xié)議簡介

    Modbus通信協(xié)議是由Modicon公司在1979年首次提出的，它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、開放的、在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，很多工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的設(shè)備和軟件都支持Modbus協(xié)議。

    中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)已于2004年9月發(fā)布了三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件，于2008年2月對此作了修訂并作為國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為GB/T19582.1/2/3-2008[1-3]。

    2.2 冗余技術(shù)簡介

    冗余，IEEE可靠性協(xié)會(huì)的定義是“在需要時(shí)運(yùn)行并完成指定功能的備用措施”。

    IEEE安全系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)將冗余系統(tǒng)定義為“一設(shè)備或者系統(tǒng)與另一設(shè)備或者系統(tǒng)的基本功能完全相同，他們不管其中一個(gè)是運(yùn)行還是故障，另一個(gè)都可以執(zhí)行要求的功能”。

    按照冗余應(yīng)用的范圍可分為系統(tǒng)冗余和單元冗余，系統(tǒng)冗余是指以完成某個(gè)功能的系統(tǒng)整體作冗余，而單元冗余是指以組成系統(tǒng)的單元作冗余。圖1為系統(tǒng)冗余和單元冗余的可靠度分析的示意圖，從圖中不難定性地分析出：單元冗余要比系統(tǒng)冗余的可靠度高，但單元冗余要比系統(tǒng)冗余實(shí)現(xiàn)的軟硬件成本高。
                       
                                
    3 雙通信網(wǎng)絡(luò)、雙主站支持的Modbus通信方案

    3.1 系統(tǒng)通信方案

    Modbus通信一般是單通信網(wǎng)絡(luò)、單主站，但是在可靠性要求比較高的場合如變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中尤其是測量保護(hù)一體化裝置中，單網(wǎng)絡(luò)單主站不能滿足可靠性的要求，通過采用冗余技術(shù)，配置雙冗余的通信網(wǎng)絡(luò)，雙冗余的主站系統(tǒng)確保系統(tǒng)的可靠性。
    圖2為雙網(wǎng)絡(luò)雙主站的Modbus通信方案示意圖，網(wǎng)1和網(wǎng)2為由2臺(tái)Modbus主站和多臺(tái)子站組成的雙總線型通信網(wǎng)絡(luò)，可以是RS485網(wǎng)絡(luò)，也可以是工業(yè)以太網(wǎng)；主站A和主站B均可實(shí)現(xiàn)與各個(gè)子站的通信。由于Modbus標(biāo)準(zhǔn)中沒有定義在雙網(wǎng)絡(luò)雙主站中的應(yīng)用，因此主站和子站在支持雙網(wǎng)絡(luò)雙主站的同時(shí)必須兼容單網(wǎng)絡(luò)單主站的情況。
                     
                               圖2  雙網(wǎng)絡(luò)雙主站的Modbus通信方案示意圖
    3.2 雙主站的支持

    由于Modbus通信是問答式的通信方式，同時(shí)只能有1個(gè)主站，因此必須在雙主站之間通過競爭選擇一個(gè)工作主站，另外1個(gè)為備用主站。當(dāng)工作主站失效時(shí)備用主站接管工作主站的工作。只有工作主站和各個(gè)子站通信，并和其上一級(jí)的設(shè)備如人機(jī)交互接口（HMI）或者遠(yuǎn)方控制中心（RCC）等進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。當(dāng)工作主站異常時(shí)主動(dòng)或者由備用主站選擇切換工作主站。

    備用主站檢測當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)上是否有工作主站，判斷的途徑有：

    （1）可在雙主站之間建立單獨(dú)的“握手”通道交換雙主站之間競爭和選擇信息。

    （2）對于RS485網(wǎng)絡(luò)，可以從網(wǎng)絡(luò)上“偵聽”是否有合法的問訊數(shù)據(jù)發(fā)送。

    （3）對于以太網(wǎng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，可在網(wǎng)絡(luò)上采用未用的端口號(hào)交換雙主站之間競爭和選擇信息。也可采用和串口一樣“偵聽”的方法，但需要交換機(jī)支持端口鏡像功能，軟硬件要求都比較高。

    為了防止主站之間的“握手”通道故障時(shí)由于雙主站均認(rèn)為自己是工作主站，出現(xiàn)2個(gè)主站同時(shí)發(fā)送問訊數(shù)據(jù)的情況而產(chǎn)生沖突，“握手”通道應(yīng)該采用2個(gè)途徑，如單獨(dú)“握手”通道和“偵聽”通道同時(shí)使用。

    3.3 雙網(wǎng)絡(luò)的選擇

    雙網(wǎng)通信有平衡模式和非平衡模式。平衡模式下在主子站之間建立2個(gè)完全獨(dú)立的通信過程和交互數(shù)據(jù)庫，最終由主站選擇其中1套數(shù)據(jù)入庫，此時(shí)子站需要通過不同的物理支持不同的主站即可。在非平衡模式下，主站和子站之間同時(shí)只建立一個(gè)通信過程和交互數(shù)據(jù)庫，當(dāng)這個(gè)通信過程失敗時(shí)再通過另外的網(wǎng)絡(luò)建立另外一個(gè)通信過程，這種情況下需要子站支持通過不同的通信口連接相同的主站，訪問同一個(gè)數(shù)據(jù)庫。由于后者占用的資源少建議采用后者。

    3.4 系統(tǒng)通信可靠性分析

    根據(jù)本文2.2節(jié)關(guān)于系統(tǒng)冗余和單元冗余概念的定義，將子站網(wǎng)絡(luò)、主站網(wǎng)絡(luò)、主站裝置看作整個(gè)系統(tǒng)的多個(gè)單元，根據(jù)雙總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，我們按照單元冗余和系統(tǒng)冗余的混合冗余模式設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)，如圖3所示，n臺(tái)子站的網(wǎng)絡(luò)分別為A、B、……H，主站網(wǎng)絡(luò)為I，主站裝置為J，其物理意義是：雙網(wǎng)中至少有1個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都是可用的，雙主站至少有1個(gè)是可用的。
     
                            

    定量分析如下：若子站單裝置網(wǎng)絡(luò)故障率為α，主站裝置網(wǎng)絡(luò)故障率為β，主站單裝置的故障率為γ，則在沒有網(wǎng)絡(luò)和主站冗余情況下系統(tǒng)的可用率為：

    ρ0 =(1-α)n×(1-β) ×(1-γ)

    而在網(wǎng)絡(luò)和主站都按照雙冗余設(shè)計(jì)的情況下系統(tǒng)的可用率為：

    ρ1 ={1-[1-(1-α)n×(1-β)]2} ×(1-γ2)

      為了定量地分析冗余對系統(tǒng)可靠性帶來的效果，表1給出了在n=8，α、β、γ在不同值的情況下ρ0、ρ1的比較，從表1可以看出增加雙網(wǎng)雙主站冗余后系統(tǒng)的可用率大大提高，系統(tǒng)的可靠性大大增強(qiáng).

               
 

    4 Modbus協(xié)議應(yīng)用于繼電保護(hù)裝置應(yīng)當(dāng)注意的問題

    通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)主要有兩部分工作：報(bào)文解釋和通信過程定義。Modbus協(xié)議為通用的工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是典型的一問一答式的通信協(xié)議，每一次問答過程均完成一次完整的數(shù)據(jù)交換過程，而繼電保護(hù)裝置中根據(jù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行習(xí)慣和規(guī)范往往數(shù)據(jù)交換過程比較復(fù)雜，因此在保護(hù)裝置中實(shí)現(xiàn)Modbus協(xié)議除了將繼電保護(hù)裝置中的各種信息與Modbus作映射外更主要的工作是定義各種信息數(shù)據(jù)交換的過程。

    4.1 繼電保護(hù)裝置中各類信息在Modbus協(xié)議中的表示方式

    表2為繼電保護(hù)裝置中各類信息采用的功能碼列表，以下對各種信息的定義和傳輸過程作詳細(xì)說明。

                  
    4.1.1 遙信量

    遙信量包括開關(guān)刀閘位置信號(hào)、保護(hù)動(dòng)作、保護(hù)告警、保護(hù)內(nèi)部狀態(tài)、保護(hù)自檢、開關(guān)量輸入狀態(tài)等信息，這些信息中可分為實(shí)際輸入信號(hào)和由裝置內(nèi)部通過邏輯運(yùn)算產(chǎn)生的信號(hào)。其中實(shí)際的輸入信號(hào)按照Modbus協(xié)議中的離散輸入量定義，只讀；裝置內(nèi)部產(chǎn)生的信號(hào)按照Modbus中的線圈定義，是可讀可寫的，但是否允許通過通信方式來寫要根據(jù)其物理含義來決定。若遙信量需要品質(zhì)則需要擴(kuò)展品質(zhì)線圈來表示，實(shí)際輸入信號(hào)使用02功能碼來讀，內(nèi)部信號(hào)使用01功能碼來讀。

    4.1.2 遙測量

    遙測量包括裝置實(shí)際采集的信號(hào)和裝置內(nèi)部計(jì)算量，由于繼電保護(hù)裝置都采用交流采樣，遙測量幾乎全部都是計(jì)算出來的，因此遙測量按照寄存器定義。一般為整型數(shù)，可以是規(guī)一化值、標(biāo)度化值，也可采用浮點(diǎn)數(shù)來處理，用兩個(gè)寄存器（4字節(jié)）表示一個(gè)遙測量數(shù)據(jù)。若遙測量需要品質(zhì)信息則需要對表示遙測量的寄存器進(jìn)行擴(kuò)展，增加品質(zhì)寄存器，遙測量使用03功能碼來讀。

    4.1.3 隊(duì)列信息

    隊(duì)列信息包括SOE、事件、帶時(shí)標(biāo)的測量等信息，這些信息為不可覆蓋的信息，傳輸過程應(yīng)該保證這些信息不被丟失，主站讀取之后要有確認(rèn)過程，主站確認(rèn)后子站才從隊(duì)列中刪除這些信息。

    隊(duì)列信息的處理采用如下過程：

    （1）主站發(fā)03命令讀取子站的狀態(tài)或者指針信息判斷隊(duì)列中是否有數(shù)據(jù)；

    （2）若隊(duì)列中有數(shù)據(jù)則主站發(fā)03命令讀取響應(yīng)的寄存器區(qū)；

    （3）主站正確收到隊(duì)列信息后發(fā)06/16命令寫狀態(tài)區(qū)或者指針進(jìn)行確認(rèn)，子站從隊(duì)列中刪除已上傳信息。

    4.1.4 電度信息

    電度信息的訪問有凍結(jié)、讀取、解凍、預(yù)置等功能。凍結(jié)、解凍采用06功能碼寫1特定的寄存器，讀取采用03功能碼，預(yù)置采用16功能碼。讀取的信息為已經(jīng)凍結(jié)的數(shù)據(jù)，而預(yù)置為正在累積的數(shù)據(jù)，所以讀取和預(yù)置應(yīng)采用不同的寄存器地址。

    4.1.5 定值的訪問

    定值的訪問包括讀取、下裝、固化、切換等功能。由于定值讀取時(shí)要指定定值區(qū)號(hào)，采用23功能碼，寫入讀取的定值區(qū)號(hào)，讀取定值數(shù)據(jù)區(qū)。下裝定值采用16功能碼，寫入要下裝的定值區(qū)號(hào)及定值數(shù)據(jù)，所以定值區(qū)號(hào)寄存器和定值數(shù)據(jù)寄存器應(yīng)連續(xù)配置。固化和切換按設(shè)定過程，參見4.1.7節(jié)描述。

    4.1.6 遙控

    遙控對象包括一次設(shè)備（開關(guān)、刀閘）和二次設(shè)備（軟壓板等），電力系統(tǒng)中一般是手動(dòng)遙控操作，為了防止誤操作遙控采用“選擇—執(zhí)行”的過程。在Modbus協(xié)議中一個(gè)控制對象定義兩個(gè)線圈，分別對應(yīng)選擇和執(zhí)行操作。

    復(fù)歸是一類特殊的遙控，不需要選擇，用寫線圈實(shí)現(xiàn)。

    遙控采用05功能碼來實(shí)現(xiàn)。

    4.1.7 設(shè)定

    設(shè)定的對象包括遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)的信息，如AGC中發(fā)電機(jī)的出力等，定值的切換固化等也可以用設(shè)定過程來實(shí)現(xiàn)。設(shè)定采用“選擇—執(zhí)行”過程，一個(gè)設(shè)定對象定義兩個(gè)寄存器，分別對應(yīng)選擇和執(zhí)行操作。設(shè)定采用06或者16功能碼實(shí)現(xiàn)。

4.1.8 時(shí)鐘信息

用連續(xù)的幾個(gè)寄存器表示時(shí)間，通過功能碼03和16來訪問。

4.1.9 裝置ID

通過17功能碼訪問。

4.1.10 錄波

錄波數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)COMTRADE文件格式存儲(chǔ)，Modbus協(xié)議提供了讀取指定文件號(hào)的文件的功能碼20/06。為了實(shí)現(xiàn)完整的文件傳輸過程，需要定義錄波文件列表上送和刪除機(jī)制，通過03功能碼由子站向主站上送錄波文件列表，由主站通過20/06功能碼選擇讀取列表中的錄波文件，之后通過16功能碼確認(rèn)讀取的文件。子站再通過03功能碼繼續(xù)上送新的錄波列表，再由主站讀取……

4.2 其他需要說明的問題

本節(jié)列出Modbus協(xié)議應(yīng)用于繼電保護(hù)裝置中需要特殊注意和說明的問題。

4.2.1 利用數(shù)據(jù)鏡像功能提高通信效率

由于Modbus通信完全由主站來控制，如果子站端的信息定義比較分散會(huì)使得無用的數(shù)據(jù)占用大量帶寬或者增加通信問訊的次數(shù)導(dǎo)致通信效率降低，為了提高通信效率，定義鏡像數(shù)據(jù)區(qū)，將分散的數(shù)據(jù)集中到一段連續(xù)的數(shù)據(jù)區(qū)，可減少問訊次數(shù)，通過定義鏡像地址區(qū)的內(nèi)容來定義鏡像數(shù)據(jù)，鏡像區(qū)包括鏡像地址區(qū)和鏡像數(shù)據(jù)區(qū)，鏡像數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容是由鏡像地址區(qū)來定義，如將8800H、4002H、4003H寫入鏡像地址區(qū)，則相應(yīng)的鏡像數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容即為8800H、4002H、4003H的信息。

4.2.2 系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)

將系統(tǒng)的一些標(biāo)志如SOE標(biāo)志、SOE溢出標(biāo)志、初始化標(biāo)志等放在集中的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，并定義到鏡像數(shù)據(jù)區(qū)，在問訊遙信、遙測時(shí)同時(shí)讀取這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)，當(dāng)有相應(yīng)的標(biāo)志時(shí)如SOE標(biāo)志時(shí)再去讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，這樣可以提高通信效率。

4.2.3 初始化命令

定義01命令碼的系統(tǒng)初始化命令，只有主站發(fā)送初始化命令之后，子站的SOE、事件等才開始放入系統(tǒng)的隊(duì)列，這樣才能保證將合適的信息上送主站。

4.2.4 TCP模式下粘連包問題

在Modbus/TCP模式下，由于TCP是一個(gè)面向字節(jié)流的協(xié)議，“粘連包”的問題在理論上是不可避免的，粘連包處理模塊能夠處理從Socket獲得的數(shù)據(jù)是多包、半包、多包加半包等各種情況。否則會(huì)將正常合法的數(shù)據(jù)丟棄導(dǎo)致通信問題。

4.2.5 避免同一服務(wù)長時(shí)間占用帶寬

由于Modbus協(xié)議由主站控制通信的數(shù)據(jù)流，當(dāng)有長時(shí)間占用帶寬的服務(wù)時(shí)，為了防止在處理大數(shù)據(jù)量的信息時(shí)（如故障錄波數(shù)據(jù)、定值數(shù)據(jù)）占用實(shí)時(shí)性要求比較高的數(shù)據(jù)（如遙信、遙測）的帶寬，主站應(yīng)該主動(dòng)釋放部分帶寬，去問訊其他數(shù)據(jù)，而子站也應(yīng)該在保證數(shù)據(jù)訪問完整性的情況下支持這些數(shù)據(jù)區(qū)的間斷性訪問，如在問訊錄波過程中插入問訊遙信遙測過程。

5 結(jié)束語

在簡介Modbus協(xié)議和冗余技術(shù)的基礎(chǔ)上，給出了支持雙網(wǎng)雙主站的Modbus協(xié)議在繼電保護(hù)裝置中的通信方案，定量分析了方案的可靠性，說明了Modbus應(yīng)用于繼電保護(hù)裝置中應(yīng)注意的問題。目前該方案已在繼電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)中采用并應(yīng)用于實(shí)際工程中，效果良好。

其他作者：劉炬（1970-），男，河北樂亭人，工學(xué)碩士，現(xiàn)就職于北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，從事變電站自動(dòng)化系統(tǒng)研究工作。

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[2] GB T 19582.2-2008，基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，第2部分: Modbus協(xié)議在串行鏈路上的實(shí)現(xiàn)指南[S].

[3] GB T 19582.3-2008，基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，第3部分: Modbus協(xié)議在TCP/IP上的實(shí)現(xiàn)指南[S].

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[6] 劉炬，鄭蔚，劉曉明. 冗余技術(shù)在廠站端自動(dòng)化系統(tǒng)中的典型應(yīng)用[J].繼電器，2007，35(10): 45-47，51.

 摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第五期