IEC 60870-5-101: сериен протокол за телемеханика в енергетиката

Какво е IEC 60870-5-101

IEC 60870-5-101 (накратко IEC 101) е сериен комуникационен протокол за телемеханика, стандартизиран от IEC за наблюдение и управление на електроенергийни системи. Той дефинира пълния стек от физически слой до приложен слой и е предшественикът на IEC 60870-5-104. Приложният слой на двата протокола е практически еднакъв — разликата е в транспорта: IEC 101 ползва сериен канал, а IEC 104 — TCP/IP.

Слоеве на протокола

IEC 101 следва модела Enhanced Performance Architecture (EPA) на IEC — три слоя вместо пълните седем на OSI:

Физически слой

Стандартът не налага конкретен интерфейс, но в практиката се срещат:

• RS-232 — точка до точка, къси разстояния (до 15 m), типично между RTU и локален компютър.
• RS-485 — многоточков (multidrop), до 32 устройства на сегмент, разстояние до 1200 m, най-разпространен за полеви шини в подстанции.
• Оптичен — при нужда от галванична изолация или дълги трасета.
• Радиоканал — UHF/VHF радиомодеми за отдалечени обекти без кабелна инфраструктура.
• GPRS/3G — за разпръснати обекти; IEC 101 се капсулира в TCP на модема, но протоколът остава сериен.

Скоростта е обикновено от 300 bit/s (радио) до 19 200 bit/s (RS-485). По-високи скорости са възможни, но рядко се ползват.

Канален слой

IEC 101 дефинира два режима на каналния слой:

Небалансиран (Unbalanced)

• Master-ът инициира всяка комуникация чрез последователно запитване на станциите (polling).
• Slave-ът отговаря само когато е запитан.
• Подходящ за многоточкови линии (RS-485) с много slave-и на една шина.
• Адресът на станцията е 1 байт (до 254 станции на линия).

Балансиран (Balanced)

• И двете страни могат да инициират комуникация.
• Ползва се при връзка точка до точка (RS-232, оптика, радио с два канала).
• Slave-ът може да изпраща спонтанни данни без да чака запитване.

Структура на каналния кадър

Всеки кадър съдържа контролно поле с бит за посока, FCB (Frame Count Bit) за последователност и функционален код. CRC-то е 8-битово, изчислено по алгоритъма от IEC 60870-5-1.

Класове данни

IEC 101 разделя данните на два класа:

• Клас 1 — данни с висок приоритет: спонтанни събития (промяна на сигнализация, аларма). Master-ът ги поисква с функционален код „Request Class 1 Data".
• Клас 2 — данни с нисък приоритет: периодични измервания, фонов скан. Master-ът ги поисква с „Request Class 2 Data".

При небалансиран режим master-ът пита всяка станция: „Имаш ли данни от клас 1?" Ако slave-ът вдигне бита ACD (Access Demand), master-ът го запитва за клас 1 преди клас 2.

Приложен слой — ASDU

Структурата на ASDU е идентична с тази в IEC 104:

• Type ID — тип на информационния обект.
• VSQ — брой обекти и режим на адресиране (последователен или не).
• COT (Cause of Transmission) — причина за предаване.
• Common Address — адрес на станцията (1 или 2 байта).
• IOA (Information Object Address) — адрес на обекта (1, 2 или 3 байта; в IEC 104 винаги 3).

Типовете информационни обекти (M_SP, M_DP, M_ME, C_SC, C_DC и др.) и причините за предаване (спонтанна, по заявка, активация) са същите като в IEC 104.

Режими на предаване

• Polling — основен режим при небалансиран канал. Master-ът обикаля станциите, пита за клас 1 и клас 2 по график.
• Спонтанно предаване — при балансиран режим slave-ът изпраща данни при промяна, без да чака запитване.
• General Interrogation (GI) — master-ът поисква пълен снимък на всички данни. Изпълнява се при стартиране и след прекъсване.
• Counter Interrogation (CI) — заявка за стойностите на всички броячи.
• Часова синхронизация — master-ът изпраща C_CS_NA_1 с текущото си време.
• Команди — Select-Before-Operate (SBO) или Direct Execute.

Времеви печати

IEC 101 поддържа два формата:

CP56Time2a е предпочитан за SOE (Sequence of Events) и е идентичен с формата в IEC 104.

IEC 101 спрямо IEC 104

Типични приложения

• Стари подстанции — RTU-та с RS-485 или RS-232, където няма Ethernet инфраструктура.
• Радиоканали — отдалечени водноелектрически централи, помпени станции, вятърни паркове без оптика.
• GPRS/3G — разпръснати фотоволтаични инвертори, метеостанции, нивомери по язовири.
• Вътрешна шина на RTU — IEC 101 по RS-485 между модулите на RTU-то, а навън — IEC 104 по Ethernet.

Въвеждане в експлоатация

1. Определяне на физическия интерфейс и скорост (RS-485 / 9600 bit/s е най-честата комбинация).
2. Настройка на каналния слой: балансиран или небалансиран, адрес на станцията, timeout за отговор.
3. Дефиниране на точковата таблица: IOA адреси, Type ID, мъртва зона, скала.
4. Настройка на polling цикъла: интервал за клас 1 и клас 2.
5. Тест със сериен протоколен анализатор (например IEC 101 dissector за Wireshark или специализиран уред).
6. Проверка на GI, часова синхронизация и команди (SBO цикъл).
7. Тест на резервен канал, ако е наличен.

Типични проблеми

• Грешна скорост или паритет — кадрите не се разпознават.
• Сблъсъци на RS-485 при два master-а или при грешна настройка на turn-around delay.
• Бавен polling цикъл при много станции на една линия — данните от клас 1 закъсняват.
• Несъвпадение на IOA адресите между RTU и SCADA.
• Загуба на време при радиоканал без NTP — печатите се разминават с минути.
• Прекъсване на GPRS връзката при слаб сигнал — RTU-то натрупва данни, но няма кой да ги запита.

Кога се избира IEC 101

Когато физическата инфраструктура не позволява Ethernet — стари подстанции без LAN, радиоканали, сериен модемен достъп. В нови проекти стандартният избор е IEC 104, но IEC 101 остава необходим за съвместимост със съществуващо оборудване и за резервни канали по различна физическа среда.