Java零基础入门物联网(2): 电力104规约详解
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一、基础概念
1.1 电力概念解析
平衡与非平衡传输
- 非平衡传输：一种主从式传输方式，主站是启动站，它启动所有报文传输；终端是从动站，只有它们被查询时才可以传输；
- 平衡方式传输：一种对等传输方式，每个节点（包括主站、终端）均可以启动报文发送。
启动站与从动站：
- 发起通讯的一方为启动站
- 响应通讯的一方为从动站
一次完整的交互过程：
- 启动方发起通讯，从动方回应此次通讯过程，双方都知道最终的通讯结果如何。
服务类型：
- 发送\无应答（S1）：从动站无需回答启动站的报文，启动站也不知道从站是否接收到报文，例如：校时功能。
- 发送\确认（S2）：从动站接收后需要向启动站发送确认报文，通常用于发送参数，发送控制命令等。
- 请求\响应（S3）：从动站接收到启动站的请求报文后，用数据响应启动站的请求，例如召唤数据、请求1数据、请求链路状态等；
1.2 IEC 104 简介
电力系统 IEC104 规约是国家点位制定的调度接入网络通信规约，目前在电力系统中应用广泛。
随着电力系统网络化的发展，很多调度主站和变电站远程终端设备（RTU）的通信已经逐步采用以太网，国际电工委员会（IEC）在1998年8月制定了 IEC60870-5-104 协议。
IEC104 一般用于调度主站与变电站之间或者不同系统之间的往来数据通信。
IEC 规约可分为四种：
| IEC-101 | 厂站与调度主站间通讯 | 串行 |
|---|---|---|
| IEC-102 | 电量主站与站内抄表终端通讯 | |
| IEC-103 | 与站内继电保护设备间通讯 | 串行 |
| IEC-104 | 厂站与调度主站间通讯 | 以太网 |
IEC104 应用层与 IEC101 完全相同，是101的网络化访问，两者相同点和不同点见下
相同点：
- 使用范围：厂站与主站之间；
- 规约结构：应用层定义相同；
不同点：
- 通讯方式：101 串行、104 以太网
- 服务类型：
-
- 101 串行，多采用非平衡传输
- 104 以太网：多采用平衡传输
拓展：为什么要使用 IEC104 协议？
- 解决一堆厂家协议不一致的问题
- IEC 104 在数据包的控制域中加入了发送序号和接收序号，客户端和服务端都记得自己发送过多少数据，保证数据的匹配传输
1.3 IEC 协议帧格式
IEC104 协议的帧格式有三种（I 帧、U帧、S帧）
- U 帧（控制帧）：启动、停止、测试功能的帧；
- I 帧（传输帧） ：可计数的信息传输功能的帧；
- S 帧（监视帧）：可计数的确认功能的帧；
报文由三部分组成：
- APDU：应用规约数据单元
- APCI ：应用规约控制单元
- ASDU：应用服务数据单元
不同类型的报文包含其中的一个或多个部分，其整体结构及各部分长度如下表所示：
启动字符固定为 68H
控制域1 开头的两个 bit 位 1 和 0 定义了 S 帧报文
控制域1 开头的第一个 bit 位 =0 定义了 I 帧报文
控制域1 开头的第一个 bit 位=1 并且第二个 bit 位 =1 定义了 U 帧报文
二、U 帧报文（控制帧）
U 帧报文为不计数的控制功能类型，用于传输控制命令的报文。
U 帧报文的 APDU 只包含 APCI，帧长 6 字节，其具体格式如下：
测试、停止和开启只可能存在其中一种。下面对三种报文进行分解测试
2.1 U 帧链路开启报文解析
激活第 2 位是 1，第 3 位是 0 ；
激活确认第 2 位是 0，第 3 位是 1；
案例：
U 帧【链路启动】报文：68 04 07 00 00 00
分解 07 为 0000 0111 = 07
U 帧【链路启动确认】报文：68 04 0B 00 00 00
分解 0B 为 0000 1011 = 0B = 11
小结：
U 帧【链路启动】报文主要是用于主站连接子站时，主站给子站发送一个 U 帧启动报文。
链路启动报文用于激活 IEC 104 报文发送链路，允许发出 IEC104 报文。
对应操作：
- 1、修改 IEC 104 传输标识
- 2、发送 U 帧【启动链路确认】报文
2.2 U 帧链路测试报文解析
激活第 6 位为 1，第 7 位 0；
激活确认第 6 位为0，第 7 位 1；
案例：
U 帧【链路测试】报文为： 68 04 43 00 00 00
- 分解 43 为 0100 0011 第 6 位为1，第 7 位为0，代表测试激活状态
U 帧【链路测试确认】报文为：68 04 83 00 00 00
- 分解 83 为 1000 0011 第 7 位为1，第 6 为0 ，代表测试激活确认状态
小结：
使用场景：U 帧【链路测试】
- 测试 U 帧 一般用于子站判断主站是否还在连接子站，主站判断子站是否还在线，目的是保证数据传输的畅通性。
- 如果主站超过一定时间没有下发报文或 RTU 也没有上送任何报文则双方都可以按频率发送 U 帧报文来测试链路的通畅性
2.3 U 帧链路停止报文解析
激活第 4 位为 1 ，第 5 位 0；
激活确认第 4 位为 0，第 5 位为1；
案例：
U 帧【停止】报文为 ： 68 04 13 00 00 00
- 13 分解为 0001 0011 ，第5位0，第4位1，代表激活停止状态
U 帧【停止确认】报文为：68 04 23 00 00 00
- 23 分解为 0010 0011 ，第5位1，第4位0，代表激活确认
小结：
使用场景：链路停止报文用于关闭 IEC104 报文发送链路，禁止发出 IEC 104 报文
对应操作：
- 1、修改 IEC104 传输标识
- 2、发送 U 帧【停止确认】报文
三、S 帧报文（监视帧）
S 帧报文，可计数，用于传输对站端的确认的报文。
S 帧的 APDU 只包含 APCI，帧长度 6 字节。不能用于传输信息，只用于给对方信息的确认。
S 帧和 I 帧结合使用，用于信息确认，主站和子站可以按频率发送，比如接收 8 帧 I 帧回答 1 帧 S 帧。
也可以要求接收 1 帧 I 帧就回答 1 帧 S 帧，具体格式见下图：
报文案例如：68 04 01 00 XX XX
S 帧报文前四个字节固定，后两个字节表示接收序号。
四、I 帧报文（传输帧）
I 帧报文则包含 APCI 和 APDU 完整的信息内容，下面对各部分进行简要解析
4.1 控制域格式（APCI）
I 帧报文控制域格式如下
注意，I 帧格式报文格式规定，控制域1和控制域3 的最低位都是 0，序列号增加时都是从第一位开始增加
- 发送方发送信息时增加发送序号；
- 接收方确认对方的发送序号时增加接收序号；
- 带信息发送并确认对方帧；
- 接收序号为“期望序号”=实际接收序号+1;
- 每次重新建立 TCP 连接后，调度主站和子站 RTU 的接收序号和发送序号都应清零
当双方开始数据传输后，接收方若收到一个 I 格式报文，应判断此 I 格式报文的发送序号是否等于自己的接收序号；
- 相等：将自己的接收序号加1，表示正常接收；
- 若发送过来的序号大于自己期望序号，表示报文丢失；
- 若发送过来的序号小于自己期望序号，表示重复发送
4.2 类型标识
记住几种常见的 TYP 就行
4.3 可变结构限定词
可变结构限定词，占一个字节，对应 8 位。
最高位（SQ）表示数据是否连续，其他低 7 位表示报文中包含的数据的个数。
SQ=0：信息对象的地址不连续（意思就是每个信息对象都会有一个对象地址）；
SQ=1：信息对象的地址连续（只有第一个信息对象有地址，其他对象的地址就是累加1）；
Tips：
- 总召唤时，为了压缩信息传输时间 SQ=1；
- 从站主动上传变化数据时，因为地址不连续，SQ=0，此时每个信息对象都包含信息体地址
4.4 传送原因
传送原因：上行（从站发送给主站）、下行（主站发送给从站）；
十进制如下：
| 十进制 | 含义 |
|---|---|
| 0 | 未用 |
| 1 | 周期、循环per/cyc |
| 2 | 背景扫描back |
| 3 | 突发(自发) spont |
| 4 | 初始化init |
| 5 | 请求或者被请求req |
| 6 | 激活act |
| 7 | 激活确认actcon |
| 8 | 停止激活deact |
| 9 | 停止激活确认deactcon |
| 10 | 激活终止actterm |
| 13 | 文件传输file |
| 20 | 响应站召唤introgen |
| 44 | 未知的类型标识 |
| 45 | 未知的传送原因 |
| 46 | 未知的应用服务数据单元公共地址 |
| 47 | 未知的信息对象地址 |
| 48 | 遥控执行软压板状态错误 |
| 49 | 遥控执行时间戳错误 |
| 50 | 遥控执行数字签名认证错误 |
4.5 ASDU 公共地址
代表设备站地址：1-254 为站地址，255 为全局地址。
4.6 信息体
4.6.1 信息对象地址
案例：49 01 00（信息对象地址） 01（信息体元素）
信息体地址为 00 01 49H，在报文中低位在前，高位在后，显示为 49 01 00 H
4.6.2 信息元素集
案例：01 40 00 （信息对象地址）00 c0 c9 44 00 (信息体元素，前四个为遥测值，第五个字节为品质描述词)
4.6.3 品质描述词
单点遥信 SPI ：遥信状态值（0=开，1=合）
双点遥信 SPI ：遥信状态值（0=不确定状态或中间装填）
- 1=确定状态的开；
- 2=确定状态的合；
- 3=不确定状态或中间装填
IV ：有效标志
- IV =0 状态有效
- IV =1 状态无效
NT ：刷新标识符。若最近刷新成功，则值称为当前值，若一个指定的时间间隔内刷新不成功或者其值不可用，就称为非当前值。设备处于调试状态或装置通讯中断都可能造成非当前值。
- NT = 0：刷新成功
- NT = 1：刷新未成功
SB ：取代标识符。当信息对象的值由值班员输入（人工置数）或者由当地自动原因（模拟遥信）所提供时，即为被取代
- SB = 0 ：未被取代；
- SB = 1：被取代
BL ： 封锁标识符。信息对象的值为传输而被封锁，值保持封锁前被采集的状态。封锁和解锁可由当地联锁机构或当地自动原因启动。
- BL = 0 ：未被封锁
- BL = 1： 封锁
OV：溢出标识符。信息对象的值超出了预先定义值的范围（主要适用模拟量值），仅在遥测品质结构词中出现。
- OV = 0 ： 未溢出
- OV = 1： 溢出
概念解析：
单点和双点区别：
以遥信为例，
- 单点就是用一位标识一个遥信量，比如开关位置，只采集一个常开的辅助节点，值为1 表示合位，0 表示分位；
- 双点需要采集常开和常闭两个辅助接点位置，当常开点值为 1 ，常闭点值为 0 即 10 ，则认为开关在合位；当常开点值为 0 ，常闭点值为 1 即 01 ，认为开关在分位；当两个位置都是1或都是0，则认为不确定。
4.6.4 信息对象时标
占用 7 字节，56位。
五、通讯过程详解
上述了解了大概帧的使用后，我们将对帧的传输过程进行详解。
- I 帧：传输应用数据，捎带确认对方的发送；
- S 帧：无应用数据可传输时，确认对方的发送；
- U 帧：控制用报文
-
- 启动 U 帧，用于启动应用层传输；
- 停止 U 帧，用于停止应用层传输；
- 测试 U 帧，双方均无发送时，维持链路活动状态
5.1 主站从站交互过程
流程详解：
- 由客户端向服务器建立连接，同时，发送链路启动帧。
- 服务端在收到链路启动帧后，向客户端发送启动确认帧。
- 客户端收到启动确认帧后，发送总召唤命令数据请求帧。
- 服务端收到总召唤命令数据请求后，发送总召唤命令数据响应帧，然后继续发送总召唤命令数据。总召唤命令数据发送完成后，发送总召唤命令数据结束帧。
- 客户端在收到总召唤命令数据结束帧后，发送对时请求帧。
- 服务器收到对时请求帧后，发送对时响应帧。
- 由服务器主动向客户端发送变化数据帧。同时，收到客户端发送的控制类命令，回复相应的操作结果。
- 客户端等到下一个数据总召唤命令数据周期，重复第4步之后的流程。
5.2 报文传输
5.2.1 I 帧（正常）
如上图，A 站与 B 站通过 I 帧进行报文传输，其中 V 是计数器，V(S) 是发送计数器，V(R) 是接收计数器。
当 B 站给 A 站发送 I(0,0) 报文，
- A 站 V(R) +1 =1，同时 B 站 V(S) +1 =1 ,二者相等
当 A 站给 B 站发送 I(0,3) 时：
- A 站 V(S) + 1 =1 , 同时 B 站 V(R) + 1 =1 ,二者相等。
5.2.2 I 帧（受干扰）
当 A 站从 （0,0）直接跳到 (2,0) 时，B 站与预期不匹配，则表示序列错误，关闭活动。
5.2.3 I 帧（超时未确认）
5.2.4 S 帧（正常）
B 站发送三次，A 站确认一次。
5.2.5 U 帧（测试帧）
5.3 基本报文分析
报文初步解析可以看下面，详细内容可以看我的文档。
总召唤解析
召唤YC、YX（可变长I帧）初始化后定时发送总召唤，每次总召唤的间隔时间一般设为15分钟召唤一次，不同的主站系统设置不同。
TX：68（启动符）0E（长度）00 00（发送序号）00 00（接收序号）64（类型标示）01（可变结构限定词）06 00（传输原因）01 00（公共地址即RTU地址）00 00 00（信息体地址）14（区分是总召唤还是分组召唤，02年修改后的规约中没有分组召唤）
1)接收后回答--> S 帧
RX：68 04 01 00 02 00
功能：记录接收到的 I 帧，双方可以按照一定频率发送，比如接收 8 帧 I 帧回答 1 帧 S 帧。
- 接收后回答--> 总召唤确认
RX : 68（启动符） 0e(APDU 长度，后面有14个字节) 00 00 00 00（4个控制域） 64（类型标识，64H =100，代表总召唤） 01（可变结构限定词） 07 00（传输原因，低位在前，高位在后，值0007H，激活确认） 01 00（公共地址，低前，高后） 00 00 00（信息体） 14（召唤限定词，总召唤还是分组召唤。）
5.4 Java 软件实战
项目参考：
总结
IEC104 相关的科普资料不多，很多看起来比较晦涩，这篇只做个大概入门，感谢各位同仁资料的分享，相关深入资料可以到我网盘获取。
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