基于DNP30协议的嵌入式装置通信组网方案研究
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- 作者：DIP开关
/ 李德文1 贺敏2 1.南京南瑞继保电气有限公司(江苏 南京 211102) 2.国网电力科学研究院(江苏 南京 211106)
摘要: 本文分析了DNP3.0通讯协议的协议结构、应用数据、工作模式和协议特点。对于基于该协议的嵌入式装置，总结归纳了六种典型的组网方式和应用场景。其中几种方式相互组合，即可构成完整的通信网络，满足电力、水利、冶金、石油、化工、铁路等领域的通信需求。
分布式网络规约DNP3.0(Distributed Network Protocol)是美国IEEE电力工程协会(PES)在IEC的基础上制定的美国的通信标准。该协议高度灵活并且末端开放，不含任何目标硬件的专用结构。DNP3.0协议采用全平衡的传输规程支持主站﹑外站之间数据传输，适合高可靠、中等速度和中等吞吐量的应用[1]。
DNP3.0是开放式协议，既可用于数据采集与监视控制管理系统(SCADA)，也可应用于分布式自动化系统(DA)，适用于电力、水利、冶金、石油、化工、铁路等领域。目前已被美洲等海外国家大范围的应用，设备招投标中常常明确需具备该通信协议。DNP3.0在我国的应用场景范围也十分广范，主要用来作为电力系统远动通讯装置或者配电网装置和调度自动化中心主站的通讯协议，对于智能电网的发展具备极其重大意义[2-6]。
本文立足于嵌入式装置的研发和设计，分析DNP3.0通信协议特点，研究和总结各种组网方案，以适应多种情况下的应用，满足广大海内外市场需求。
DNP3.0通信协议基于IEC870-5标准，采用了OSI网络7层协议模式中的3层：物理层、链路层和应用层，被称为增强协议结构EPA(Enhanced Protocol Architecture)，如图1所示。这种分层结构使得数据传送可靠性大幅度的提升，同时也便于实现的层次化和模块化。其中物理层一般都会采用RS-232、RS-485、RJ-45以及光纤;链路层采用CRC校验;为满足较长数据包的传送，又增加了一个伪传输层，发送数据时可以将较长的应用层报文拆分成多个短帧传送，而接收时，则将短帧组成完整的应用层报文。DNP3.0的链路层、伪传输层和应用层都有严格的帧格式[2]。
DNP3.0将基本应用数据分为四大类：静态数据(static)、事件数据(event)、静态冻结数据(frozen static)和事件冻结数据(frozen event)。这四大类数据分4个组(class)，第1组固定为所用的静态数据，第2~4组全部为事件数据分组，并且每个事件数据的分组可以灵活在线修改。
静态数据为某个物理或逻辑状态的当前值，可以是16位或32位数据;事件数据为某个物理或逻辑状态的变化，可以含有变化的时间;静态冻结数据是静态数据在某个时刻的值，也可以含有时间;冻结静态数据可作为事件来反映，这种数据称为事件冻结数据。
DNP3.0协议中所有的数据都含有一个字节的标志，或称为值的状态，按位使用，可分别表示实时在线、重启动、通信中断、远方强行修改和本地强行修改等状态。
DNP3.0协议中所有的应用数据按对象(object)来定义，每个对象都有规定的格式及对应的编号，它们组成DNP3.0协议的应用数据对象库。应用数据的编号由数据对象组号 (data object) 和对应的变体编号(Variation)组成。
嵌入式装置需要把数字量、模拟量和累积计数量等和DNP3.0的数据对象库一一对应起来，按照协议规定格式组织报文。图2是带冻结时间的32位模拟量输入示例，其数据对象为31，变体为5，在报文传输中占用11个字节。
DNP3.0通信协议为客户端/服务器模型，被称之为主站/外站。主站和外站之间支持4种基本通信方式：
(4)非请求变位工作方式：其工作方式与哑态相似，唯一的不同是，主站会向子站请求所有静态数据。
嵌入式装置需要同时支持这4种通信方式，以适应组合使用，合理规划利用通信带宽。
DNP3.0通信协议相较于IEC101、IEC104、MODBUS等具有很多优点，非常适合于嵌入式装置。
(2)协议高度灵活并且末端开放，不含任何目标硬件的专用结构，可适用于面向连接的和面向非连接的操作，异步的或同步的位串型物理层，诸如RS-232、RS-485、RJ-45以及光纤收发器。
(5)支持问答式和非请求主动响应式功能，可有实际效果的减少总线流量，充分的利用通信带宽。
(6)有着非常丰富的应用数据对象库。用户都能够根据实际需要选用不同的对象库。例如对于模拟量就有几十种数据对象，包括16位的遥测、32位的遥测、带标志的遥测、不带标志的遥测、带时标的遥测、不带时标的遥测、冻结遥测等。
(7)支持数据组态和数据优先级传输，所有对象可以化分为4类，其优先级顺序由高到低分别为：1类、2类、3类、0类。例如可以把遥信变位化为一类数据，把变化遥测和SOE化为二类数据等。
根据DNP3.0通讯协议的特点，其通信架构可归纳为六种组网方式，其中几种相互组合，即可构成完整的通信网络。既可用于SCADA系统，也可应用于DA系统，以满足电力、水利、冶金、石油、化工、铁路等领域的通信需求。
点对点组网方式如图3所示，仅有两个装置进行通信，一个设备仅支持DNP3.0主站协议，另一个设备仅支持DNP3.0外站协议。这种方式实现简单，一般适用于主从机架构的两个装置，组合起来实现完整的逻辑功能。
一主多从组网方式即一个主站(仅支持DNP3.0主站协议)和多个外站(仅支持DNP3.0外站协议)进行通信，如图4所示。在同一时间，主站仅和一个外站进行通信。首先，主站和第一个外站进行交互，然后和第二个、第三个等，依次类推进行轮流通信。这种方式是最常见的。一种典型应用是电力系统调度自动化主站和各变电站数据监控中心进行通信，采集和监视变电站各设备的运作时的状态，同时可对多个变电站的开关、断路器、主变分接头等进行遥控、遥调操作;另一种典型应用是变电站监控系统和变电站内各智能装置进行通信，采集和监视各设备的运作时的状态，同时对站内的开关、断路器、主变分接头等进行遥控、遥调操作。
数据集中器又分为三种组网方式，完成的功能基本相同：对下收集多个设备的信息，组成数据库，然后对上进行信息交互。
数据集中器1组网方式即一个装置同时支持DNP3.0主站和外站协议，对下是主站功能，收集多个外站信息，组成本地数据库;对上是外站功能，把收集的信息上送给其他主站，如图5所示。电力系统远动信息子站设备和保护信息子站设备属于这种典型的嵌入式装置，安装于变电站内，汇总变电站内信息，并和远方调度中心进行信息交互。
数据集中器2组网方式主要完成规约转换功能，即一个设备同时支持DNP3.0外站协议和其他多种主站协议，对下通过不同的通信协议，比如IEC61850、IEC103、MODBUS等，收集多个外站信息，组成本地数据库;对上是DNP3.0外站功能，把收集的信息上送给其他主站，如图6所示。变电站内智能设备繁多，且支持的通信协议不完全一样，使用这种装置进行组网，完成对下的协议转换，对上统一为DNP3.0协议。
数据集中器3组网方式类似于数据集中器2，同样完成规约转换功能。所不同的是，设备同时支持DNP3.0主站协议和其他多种外站协议，对下通过DNP3.0主协议，收集多个外站信息，组成本地数据库;对上通过其他协议，比如IEC61850、IEC104等，把收集的信息上送给其他主站，如图7所示。远方调度自动化主站不支持DNP3.0协议的，变电站内通常要这种数据集中器进行协议转换。
一从多主组网方式如图8所示，即一个外站(仅支持DNP3.0外站协议)和多个主站(仅支持DNP3.0主站协议)进行通信。外站支持多个主站同时读取相同或者不同的数据，但是对于写数据，则进行互斥，同一时间仅允许一个主站做相关操作。国内电力系统存在多个远方自动化调度中心、集控中心，采用这种组网方式，即可和变电站内装置进行信息交互。
DNP3.0通讯协议高度灵活并且末端开放，不含任何目标硬件的专用结构，使用广泛。本文分析总结的DNP3.0通信协议和组网方案，对于设计和研发支持该协议的嵌入式装置具备极其重大指导作用，对于提升产品国际竞争力具备极其重大意义。
本文来源于中国科技期刊《电子科技类产品世界》2016年第10期第62页，欢迎您写论文时引用，并标注明确出处。
