网络103链路层规范.docx
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网络103链路层规范
变电站以太网传输规范
版本<2.0>
修订历史
日期
版本
描述
人员
2014.1.1
2.0
变电站以太网传输规范
1简介
目的
本规范定义了变电站内统一的基于以太网的传输规范，使得站内的设备能够在一致的传输规
范上通讯以及相互联系。
范围
本规范适用于变电站需要通过以太网相互通讯的设备，也可以在其他一些相似的系统中使用。
参考资料
IEC60870-5-104
定义、术语
设备：
本规范中的设备指的是逻辑上独立的应用，而不是物理设备，监控软件等同称为设备，包括虚设备。
一个物理设备可以包含多个设备。
传输协议层：
负责应用报文的正确传送以及网络连接的维护。
路由设备：
连通不同设备之间通讯的设备，包括规约转换设备、网关、远动设备等。
APCI：
应用规约控制信息
ASDU：
应用服务数据单元
APDU：
应用规约数据单元
双网：
指同一个物理设备上的两个网络，这两个网络以对等方式或主备方式收发数据。
过程层：
过程层的定义参见IEC61850.
概述
本规范定义了站内自动化系统内部基于以太网通讯传输的规定，包括了模型定义、约束条件、以太网端口的定义、传输层控制报文的定义及使用方法、传输层通讯的管理、其它说明。
2模型定义
站内通讯模型分为三个层次：
设备的通讯模型分为应用服务层、传输协议层、网络收发层。
应用服务层形成应用数据包ASDU，ASDU数据包的定义详见《变电站应用报文规范》。
传输协议层添加传输协议层的报文控制APCI，同时控制数据重发机制，在该层要保证发送给应用服务层的数据是有序的。
APCI参照IEC60870-5-104规约定义，对控制域进行了扩充，将现有的4个8位位组控制域扩充为12个8位位组。
前4个8位位组的定义与使用方法与IEC60870-5-104规范一致，扩充的8个8位位组，分别表示源厂站地址、源设备地址，目的厂站地址、目的设备地址和备用。
3约束条件
站内通讯采用双网方式时，相互通讯的设备除U格式报文外使用双发双收的方法，即发送方的I格式报文和S格式报文在双网上同时发送，接收方双网接收后选取一个报文给应用服务层。
站内以太网的子网掩码为255.255.0.0,子网地址为XX.YY和XX.YY+1（特殊情况下另行规定）。
设备的主机地址采用16位方式，设备双网的主机地址相同。
控制方为TCP的客户端，监视方为TCP的服务端。
以太网通讯以字节方式传输,字节顺序采用LITTLE_ENDIAN顺序。
对于单网，1组TCP与一个TCP等同
对于双网，1组TCP是指与相同设备地址关联的所有TCP连接。
4以太网端口的定义
本规范中采用以下端口：
1）TCP的端口为6000。
5设备地址的定义
考虑到大型变电站中一个字节的地址范围可能不够使用，所以设备地址采用16位地址，带有以太网直接选用16位地址。
由于采用标准103规约通讯的设备使用的是8位地址，所以代理设备将其报文转发时应扩展成16位地址。
全站设备的16位地址必须唯一。
0XFFFF为广播地址。
若使用主备方式，设备地址中的最低位作为主备设备配对使用。
在设备地址范围内，0XFF00---OXFFFD归网络设备使用，0XFE00H---0XFEFF归站级设备使用（其中0XFEFE、0XFEFF用于系列配置软件的地址），0X0100---0XFC00之间低字节为零的地址归代理设备使用，零地址保留，0XFFFF为广播地址，其余的地址范围属于间隔层或过程层设备。
各设备的IP地址也依此划分。
6传输层控制报文的定义及使用方法
传输接口（TCP到用户）是一个定向流接口，为了检出ASDU的启动和结束，每个APCI包括下列的定界元素：
一个启动字符，ASDU的规定长度，以及控制域（见图4）。
可以传送一个完整的APDU（或者，出于控制目的，仅仅是APCI域也是可以被传送的）（见图5）。
注:
以上所使用的缩写出自IEC60870-5-3的第五节，如下所示：
APCI应用规约控制信息
ASDU应用服务数据单元
APDU应用规约数据单元
起动字符68H
APDU长度（最大,1015）
APDU长度
控制域八位位组1
控制域八位位组2
控制域八位位组3
控制域八位位组4
源厂站地址
源设备地址低位
源设备地址高位
目的厂站地址
目的设备地址低位
目的设备地址高位
备用
备用
《变电站应用报文规范》
定义的ASDU
APCI
APDU
ASDU
图4–APDU定义
图4–APDU定义
起动字符68H
APDU长度
APDU长度
控制域八位位组1
控制域八位位组2
控制域八位位组3
控制域八位位组4
源厂站地址
源设备地址低位
源设备地址高位
目的厂站地址
目的设备地址低位
目的设备地址高位
备用
备用
APCI
图5–APCI定义
图5–APCI定义
启动字符68H定义了数据流中的起点。
APDU的长度域定义了APDU体的长度，它包括APCI的控制域八位位组和ASDU。
第一个被计数的十二位位组是控制域的第一个八位位组，最后一个被计数的八位位组是ASDU的最后一个八位位组。
ASDU的最大长度限制在1008以内（1024减去启动、两个长度八位位组和十三个控制域八位位组）。
控制域定义了保护报文不至丢失和重复传送的控制信息，报文传输启动/停止，以及传输连接的监视，设备地址等。
图6，7，8为控制域的定义。
三种类型的控制域格式用于编号的信息传输（I格式），编号的监视功能（S格式）和未编号的控制功能（U格式）。
控制域第一个八位位组的第一位比特=0定义了I格式，I格式的APDU常常包含一个ASDU.I格式的控制信息如图6所示
八位位组1
比特87654321
发送序列号N（S）LSB
0
八位位组2
MSB发送序列号N（S）
八位位组3
接收序列号N（R）LSB
0
八位位组5
八位位组4
MSB接收序列号N（R）
图6–信息传输格式类型（I格式）的控制域
控制域第一个八位位组的第一位比特=1并且第二位比特=0定义了S格式.S格式的APDU只包括APCI.S格式的控制信息如图7所示。
八位位组1
比特87654321
八位位组2
0
0
1
0
八位位组3
接收序列号N（R）LSB
0
八位位组5
八位位组4
MSB接收序列号N（R）
图7–编号的监视功能类型（S格式）的控制域
控制域第一个八位位组的第一位比特=1并且第二位比特=1定义了U格式.U格式的APDU只包括APCI.U格式的控制信息如图8所示。
在同一时刻，TESTFR,STOPDT或STARTDT中只有一个功能可以被激活。
STARTDT的U格式报文中序列号N用来协商监视方向上送的I格式报文的发送序列号N。
TESTFR和STOPDT中的序列号N无意义。
比特87654321
TESTFR
STOPDT
STARTDT
1
八位位组t1
八位位组2
1
确认
生效
确认
生效
确认
生效
八位位组3
0
序列号N（只在STARTDT有效）LSB
0
八位位组4
MSB序列号N（只在STARTDT有效）
图8–未编号的控制功能类型（U格式）的控制域
防止报文丢失和报文重复传送。
发送序列号N（S）和接受序列号N（R）的使用与ITU-TX.25定义的方法一致。
为了简化起见，附加的次序如图9至图12所示。
两个序列号在每个APDU和每个方向上都应按顺序加一。
发送方增加发送序列号而接受方增加接收序列号。
当接收站按连续正确收到的APDU的数字返回接收序列号时，表示接收站认可这个APDU或者多个APDU.发送站把一个或几个APDU保存到一个缓冲区里直到它将自己的发送序列号作为一个接收序列号收回，而这个接收序列号是对所有数字小于或等于该号的APDU的有效确认，这样就可以删除缓冲区里已正确传送过的APDU。
万一更长的数据传输只在一个方向进行，就得在另一个方向发送S格式，在缓冲区溢出或超时前认可APDU。
这种方法应该在两个方向上应用。
一组TCP的第一个TCP创建连接后，监视方向的接收序列号和控制方向的发送序列被设置成0。
下列定义对图9至16有效：
V（S）=发送状态变量（见ITU-TX.25）;
V（R）=接收状态变量（见ITU-TX.25）;
Ack=指示DTE已经正确收到所有达到并包括该数字的I格式APDU,
I（a,b）=信息格式APDU，a=发送序列号，b=接收序列号
S（b）=监视格式APDU，b=接收序列号
U=未编号的控制功能APDU
A方
B方
AckV（S）V（R）
000
1
2
3
1
2
24
V（S）V（R）Ack
000
1
2
3
13
2
4
APDU发送或接收后的内部计数器V状态
I（0,0）
I（1,0）
I（2,0）
I（0,3）
I（1,3）
I（3,2）
APDU发送或接收后的内部计数器V状态
图9–编号I格式APDU的未受干扰过程
A方
B方
AckV（S）V（R）
000
1
2
3
超时t2
V（S）V（R）Ack
000
1
2
3
3
APDU发送或接收后的内部计数器V状态
I（0,0）
I（1,0）
I（2,0）
S（3）
APDU发送或接收后的内部计数器V状态
图10–S格式APDU认可编号I格式APDU的未受干扰过程
A方
B方
V（S）V（R）Ack
000
1
顺序
错误
AckV（S）V（R）
000
1
2
3
APDU发送或接收后的内部计数器V状态
I（0,0）
I（2,0）
主动关闭
随后主动开通（见图17至20）
APDU发送或接收后的内部计数器V状态
图11–编号I格式APDU受干扰的过程
A方
B方
V（S）V（R）Ack
000
1
2
超时
t11
AckV（S）V（R）
APDU发送或接收后的内部计数器V状态
I（0,0）
S
（1）
主动关闭
随后主动开通（见图17至20）
AckV（S）V（R）
000
1
APDU发送或接收后的内部计数器V状态
图12–未确认的最后的I格式APDU情况下的超时
A方
B方
V（S）V（R）Ack
000
1
2
超时t32
AckV（S）V（R）
000
1
2
APDU发送或接收后的内部计数器V状态
I（0,0）
I（1,0）
S
（2）
U（TESTFR激活）
U（TESTFR确认）
APDU发送或接收后的内部计数器V状态
图13–未受干扰的测试过程
A方
B方
V（S）V（R）Ack
000
1
2
超时t32
超时t1
AckV（S）V（R）
000
1
2
APDU发送或接收后的内部计数器V状态
I（0,0）
I（1,0）
S
（2）
U（TESTFR激活）
主动关闭
随后主动开通（见图17to20）
APDU发送或接收后的内部计数器V状态
图14–未确认的测试过程
测试过程：
未使用但已建立的连接会通过发送测试APDU（TESTFR=激活）并得到接收站发回的TESTFR=确认，在两个方向上进行周期性测试。
发送方和接收方在某个具体时间段内没有数据传输（超时）会启动测试过程。
每一帧的接收–I帧，S帧或U帧–会重新计时t3.。
B方要独立地监视连接。
只要它接收到从A方传来的测试帧，它就不再发送测试帧。
测试过程也可以在“激活”的连接上启动，这些连接缺乏活动性，但需要确保连通。
用启/停进行传输控制
控制方利用STARTDT（启动数据传输）和STOPDT（停止数据传输）来控制监视方的数据传输。
当连接建立后，监视方的数据传输不会自动激活。
即，当一组连接建立时STOPDT处于缺省状态。
在这种状态下，监视方并不通过这个连接发送任何数据，除了未编号的控制功能和对这些功能的确认。
控制方必须通过这个连接发送一个STARTDT指令来激活这个连接中的数据传输。
监视方用STARTDT响应这个命令。
如果STARTDT没有被确认，这个连接将被控制方向关闭。
这意味着站初始化之后，STARTDT必须总是在来自监视方向的任何用户数据传输（例如，一般的询问信息）开始前发送。
任何监视方向的待发用户数据都只有在STARTDT被确认后才发送。
STARTDT是一种控制方向激活监视方向的机制。
控制站即使没有收到激活确认，也可以发送命令或者设定值。
扩展后的STARTDT中包含监视方向I格式报文的发送序号的协商。
A站
B站
AckV（S）V（R）
000
AckV（S）V（R）
000
超时
t1
APDU发送或接收后的内部计数器V状态
连接
建立
U（STARTDT激活）
U（STARTDT确认）
数据传输激活
或
U（STARTDT生效）
主动关闭
随后主动开通
（见图17至20）
APDU发送或接收后的内部计数器V状态
图15–开始数据传送过程
7．未被确认的I格式APDU（k）最大数目
k表示在某一特定的时间内未被DTE确认（即不被承认）的连续编号的I格式APDU的最大数目。
每一I格式帧都按顺序编好号，从0到模数n-1，这里的“模数”是指序列号对参数n的模数。
以n为模的操作中k值永远不会超过n-1。
（见ITU-TX.25推荐的2.3.2.2.1和2.4.8.6）。
-当未确认I格式APDU达到k个时，发送方停止传送。
-接收方收到w个I格式APDU后确认。
-模n操作时k的最大值是n-1。
k值的最大范围：
1到16383（214-1）APDU，精确到一个APDU.
w值的最大范围：
1到16383APDU，精确到一个APDU。
（推荐：
w不应超过三分之二的k）。
A站
B站
V（S）V（R）Ack
000
AckV（S）V（R）
000
超时
t1
APDU发送或接收后的内部计数器V状态
连接
建立
U（STARTDT生效）
U（STARTDT确认）
或
U（STARTDT生效）
数据可能
丢失
活动关闭
活动随后打开
APDU发送或接收后的内部计数器V状态
图16–停止数据传输过程
8代理转发
当使用串口等非以太网的设备需要接入自动化系统时，或者使用不同规约的设备接入时，这些设备需要经过代理设备转接，才能与自动化系统相互通讯，另为其它厂站的信息需要接入本站时，也可能需要代理转接（另一种可能是将该站的设备作为本站的一部分）。
当设备报文经过代理设备转发时，由代理负责报文的APCI中被代理设备地址的填写。
如果是跨厂站转发，应同时填写源厂站地址及目标厂站地址（需要使用控制域中的保留字节）。
9双网的使用
当系统使用双网通讯时，APDU报文在双网上同时发送，目标设备在双网上接收后确定一个APDU报文进行处理，双网处理和接收的APDU报文的选择方法见5.4节。
双网的绑定以APCI中的源厂站、原设备地址为依据。
10TCP报文的选择
在本规范中，后台、远动设备等站控设备与保护、测控装置等间隔层设备之间的数据通信（包括遥控、遥信、遥信等）采用TCP协议传送。
11TCP连接的建立
在变电站或集控站自动化系统中，对于间隔层设备和过程层设备的通讯，过程层设备作为通讯服务器，间隔层设备作为客户端。
对于间隔层设备和站控层设备的通讯，间隔层设备作为通讯服务器，站控层设备作为客户端。
TCP连接的建立可以按人工配置的要求建立，也可以由客户端设备根据相连设备的类型确定相互关系，从而决定是否建立连接。
固定配置的连接，在设备初始化时，向服务器发起连接，失败后间隔3秒再次连接，重复3次，失败后，将连接间隔时间1分钟；
12APDU报文的传输及处理
当传输层收到ASDU报文及相关信息后，组织APCI的数据，包括设置发送数据编号，将APCI与ASDU组合成APDU报文。
用UDP发送时，传输层可以将多个APDU报文组成一个UDP报文发送。
传输层根据网络配置将报文传送给A网的网络收发层或者同时传送给A网与B网的网络收发层。
数据编号的设置与是否在A网、B网上传输无关。
接收方收到报文后，根据数据编号确定有效报文并将其解包，将ASDU及相关信息上送。
APCI中的数据编号由报文的发送方设置，报文的接收方依据数据编号选择双网接收报文中的有效报文。
数据报文在本规范中仅用于双网接收报文的取舍，不作为报文先后次序和报文丢失的判断依据。
采用UDP通讯方式时：
数据编号无意义。
采用TCP通讯方式时，设备之间的任何一个（对于单网）或一对（对于双网）TCP连接都设置一个的数据编号。
在连接建立时，按下述方式设置初始值：
监视方到控制方：
根据IEC60870-5-104，在监视方开始向控制方传送用户数据前首先进行STARTDT功能，控制方法在STARTDT请求时提交期望数据编号，监视方在应答时，搜索发送缓冲区报文，如匹配到相同编号报文，则在STARTDT应答时确认发送数据编号，如未找到相同编号报文，则将最先入缓冲区的报文编号在STARTDT中应答，如缓冲区为空，则发送编号为0，并在STARTDT中应答，控制方接受STARTDT中应答的数据编号为接收编号。
控制方到监视方：
发送编号为0、接收判断的编号为16383。
对于每一个报文均需判断其数据编号的合法性。
双网情况下，成对的连接在第一个连接建立时设置数据编号，任何一个网络连接的单独断开对该数据编号没有影响，但其重新连接后仍使用原有的数据编号，只有在A、B网的连接都断开后，才重新开始。
在本节下面的描述中，A网接收、B网接收特指成对的TCP连接上A、B网数据的接收。
在单网通讯的情况下，报文的数据编号没有实际意义，所有的接收报文都认定有效。
为了与双网通讯兼容，要求发送方的数据编号使用方式同双网通讯式的方式。
接收方的任何一个网接收到报文后，依据下列原则判定有效报文并处理，保留新的数据编号，同时舍弃无效的报文。
数据编号从0—16383循环计数，其接收报文数据编号的合法性判别是：
X为新收到报文的数据编号；Y为原来保留的数据编号：
1.X>Y若（X–Y）>1000则X编号无效该报文不处理；若（X–Y）<=1000则X编号有效该报文处理，同时刷新Y编号。
2.X<=Y若（Y–X）<15383则X编号无效该报文不处理；若（Y–X）>=15383则X编号有效该报文处理，同时刷新Y编号。
13超时定义
参照IEC60870-5-104
参数
默认值
备注
选择值
t0
30s
连接建立的超时
t1
15s
发送或测试APDU的超时
t2
10s
无数据报文t2t3
20s
长期空闲t3>t1状态下发送测试帧的超时
所有超时值的最大范围：
1到255s，精确到1s。
14其它说明
U格式报文是针对每个TCP连接进行请求和应答，但在双网中STARTDT和STOPDT的命令对1组TCP连接有效。
在双网中I和S格式报文是针对1组TCP。
UDP报文的APCI的控制域中只有设备地址域有效。
设备地址域内容：
直接与客户机连接的间隔测控、保护设备，其设备地址域的内容为本机装置地址，对于代理设备，其地址域应反映其所代理设备的装置地址。
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