iec61850的變電站自動(dòng)化通信映射

0mbs協(xié)議方法制造消息的標(biāo)準(zhǔn)化是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的cims（compositionreportsystem）。這是針對cims環(huán)境中不同類型的可控制造設(shè)備（如控制器、1906、機(jī)器人等）之間傳輸信息的系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議。MMS規(guī)范了多廠商設(shè)備間的通信,為制造設(shè)備入網(wǎng)提供了方便。運(yùn)用MMS協(xié)議可將來自不同廠家的多種設(shè)備集成起來,實(shí)現(xiàn)信息互通和資源共享。1985年,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/IEC制定了MMS標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC9506,進(jìn)一步推動(dòng)了MMS的應(yīng)用,越來越多的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品開始選擇MMS作為應(yīng)用層協(xié)議。1自動(dòng)化通信體系IEC61850是IEC制定的關(guān)于變電站自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)不同廠商設(shè)備的互操作性為目標(biāo),正式頒布后將成為基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)唯一的國際標(biāo)準(zhǔn)。IEC61850在技術(shù)上的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是使用了MMS,在IEC61850中,變電站自動(dòng)化通信體系被從邏輯上和物理上分為3層:變電站層、間隔層和過程層,其中,變電站層和間隔層的通信采用抽象通信服務(wù)接口ACSI(AbstractCommunicationServiceInterface)映射到MMS。MMS作為變電站自動(dòng)化通信中的一種重要應(yīng)用層協(xié)議,是IEC61850的基礎(chǔ)之一。2mms在變電站的應(yīng)用關(guān)于MMS標(biāo)準(zhǔn)本身,包括其協(xié)議及服務(wù),文獻(xiàn)作了詳細(xì)的介紹;對于IEC61850中用到的MMS服務(wù),文獻(xiàn)也進(jìn)行了深入的分析,因此本文僅就MMS在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)首先必須明確的一些問題進(jìn)行分析。2.1基本模型框架MMS可以在包括OSI、TCP/IP以及RS232-C等多種通信棧上運(yùn)行,但為了滿足一致性測試要求,IEC61850對MMS應(yīng)用于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)采用的通信棧進(jìn)行了規(guī)范,可以概括為兩種:①M(fèi)MS作為應(yīng)用層協(xié)議,在OSI全部7層模型框架上運(yùn)行;②將OSI通信模型分為應(yīng)用專規(guī)(A-profile)和傳輸專規(guī)(T-profile)、MMS、表示層、會話層以及關(guān)聯(lián)控制服務(wù)元素ACSE(AssociationControlServerElement)作為A-profile,依舊映射到OSI的高三層,而T-profile則直接映射到TCP/IP協(xié)議集的TCP,形成所謂的“RFC1006”模型框架,如表1所示。第①種方式服務(wù)、協(xié)議、接口概念清晰,但實(shí)現(xiàn)起來過分復(fù)雜;第②種方式把OSI和TCP/IP有機(jī)地結(jié)合起來,利用OSI層次清晰的優(yōu)點(diǎn),保證了資源子網(wǎng)隨技術(shù)發(fā)展和功能增加而快速變化的要求;利用TCP/IP實(shí)現(xiàn)簡單、高效的優(yōu)點(diǎn),避免了通信子網(wǎng)在處理能力上的浪費(fèi)。再考慮到目前熟悉TCP/IP的人較多,應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,已經(jīng)成為事實(shí)上的通信標(biāo)準(zhǔn),因此建議選擇第②種方式應(yīng)更具推廣性。2.2實(shí)現(xiàn)方案的設(shè)計(jì)由于客戶/服務(wù)器模型具有資源共享性、信息交換易實(shí)現(xiàn)性和服務(wù)封閉性等優(yōu)點(diǎn),MMS用它來完成網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)請求方與服務(wù)執(zhí)行方之間的交互過程。MMS是一種不平衡方式的通信協(xié)議,即標(biāo)準(zhǔn)只描述了服務(wù)器的行為,客戶的行為是根據(jù)MMS服務(wù)定義以及客戶/服務(wù)器之間的邏輯關(guān)系得出,因此,確立通信實(shí)體間的客戶/服務(wù)器模型是在具體應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)MMS的前提。在MMS中,服務(wù)器被定義為實(shí)現(xiàn)具體服務(wù)的端通信實(shí)體虛擬制造設(shè)備VMD(VirtualManufacturingDevice),代表一種具體的實(shí)際制造設(shè)備,如PLC、機(jī)器人等;而客戶則可以是計(jì)算機(jī)的一個(gè)應(yīng)用進(jìn)程,例如監(jiān)控過程。在IEC61850中,變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)備被分別安裝在變電站層、間隔層和過程層上,變電站層通常由配有數(shù)據(jù)庫的站級計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)方通信接口等裝置組成,具有人機(jī)接口HMI(HumanMachineInterface)、遠(yuǎn)程控制接口TCI(TeleControlInterface)和遠(yuǎn)程監(jiān)視接口TMI(TeleMonitoringInterface)等功能;間隔層通常由測量、保護(hù)、控制以及監(jiān)視等智能電子裝置IED(IntelligentElectronicDevice)組成,這些IED配有通信接口,可接受站級計(jì)算機(jī)下達(dá)的設(shè)定參數(shù)和工作方式等指令,并完成相應(yīng)的操作。因此,按照MMS對客戶、服務(wù)器的定義,在變電站層和間隔層設(shè)備的通信中,變電站層設(shè)備代表客戶機(jī),間隔層設(shè)備代表服務(wù)器。2.3基于vmd的設(shè)備構(gòu)造MMS使用抽象客體模型方法來精確描述設(shè)備模型和服務(wù)過程。在所有的客體模型中,VMD是最重要的一種,是所有MMS活動(dòng)的基礎(chǔ),它抽象地表示了一個(gè)實(shí)際制造設(shè)備的資源和外部可見行為。如圖1所示,一個(gè)實(shí)際制造設(shè)備只要遵循VMD模型來實(shí)現(xiàn)MMS服務(wù),并提供VMD與實(shí)際設(shè)備之間的映射功能,就可以進(jìn)入OSI環(huán)境,成為開放的互連設(shè)備。變電站自動(dòng)化設(shè)備要進(jìn)入OSI環(huán)境,首先必須完成VMD的構(gòu)造。然而在MMS標(biāo)準(zhǔn)中只描述了VMD的模型及其行為,對于如何構(gòu)造VMD即具體映射功能的實(shí)現(xiàn),要根據(jù)不同設(shè)備的具體特點(diǎn),選擇合適的配套標(biāo)準(zhǔn)。IEC61850-7可以被理解成這樣一個(gè)專門用于變電站自動(dòng)化設(shè)備的MMS配套標(biāo)準(zhǔn),在其中詳述了將被映射到VMD的變電站自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)據(jù)通信模型的建立。2.3.1邏輯設(shè)備的結(jié)構(gòu)建立數(shù)據(jù)通信模型是IEC61850的核心內(nèi)容。在IEC61850中,根據(jù)通信要求,將物理設(shè)備PD(PhysicalDevice)也就是MMS中的實(shí)際制造設(shè)備要實(shí)現(xiàn)的功能分解成一些分布在IED中且能相互通信的邏輯節(jié)點(diǎn)LN(LogicalNode),然后從IEC61850所提供的80多種LN類、350多種數(shù)據(jù)對象DO(DataObject)代碼、23種公共數(shù)據(jù)類CDC(CommonDataClass)中選擇或自行派生出兼容LN類作為模板,生成LN實(shí)例(其中含DO及數(shù)據(jù)對象屬性DA(DataAttribute))。所有LN的集合加上面向變電站事件的通用對象GOOSE(GenericObjectOrientedSubstationEvents)、設(shè)置組控制塊SGCB(SettingGroupControlBlock)等輔助服務(wù)模型就構(gòu)成了邏輯設(shè)備LD(LogicalDevice)。一個(gè)或數(shù)個(gè)LD構(gòu)成服務(wù)器(Server),Server是PD的通信接口,有相應(yīng)的通信地址。一個(gè)PD由應(yīng)用和一個(gè)或數(shù)個(gè)Server構(gòu)成。ACSI提供了對Server、LD、LN、DO以及DA等對象的抽象服務(wù)操作。圖2所示為超高壓線路保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)通信模型。2.3.2模型創(chuàng)建與映射把建立的數(shù)據(jù)通信模型映射到MMS抽象對象及其屬性就是實(shí)際制造設(shè)備的VMD模型。IEC61850-8-1提供了兩者之間的映射,表2所示為部分IEC61850數(shù)據(jù)通信模型對象與MMS客體模型間的映射;表3所示為部分IEC61850ACSI服務(wù)與MMS服務(wù)間的映射。圖3所示為以交大許繼電氣公司生產(chǎn)的WBH-892型變壓器保護(hù)裝置為例構(gòu)造的VMD模型,其中包含了VMD模型結(jié)構(gòu)的4個(gè)部分:①執(zhí)行功能,提供了可使用的一切相應(yīng)于VMD的操作,是VMD的關(guān)鍵屬性;②實(shí)際制造設(shè)備的有關(guān)信息,包括廠商名稱、型號和版本號,由靜態(tài)映射實(shí)現(xiàn),可脫機(jī)進(jìn)行;③VMD的狀態(tài),包括邏輯狀態(tài)和物理狀態(tài);④與VMD服務(wù)有關(guān)的對象,例如域(Domain)、程序調(diào)用等。2.4時(shí)段電路設(shè)計(jì)mmpmMMS協(xié)議由MMS協(xié)議執(zhí)行機(jī)(MMPM)執(zhí)行。如圖4所示,MMPM是執(zhí)行MMS協(xié)議的抽象機(jī)器,也是MMS協(xié)議的服務(wù)提供者,它通過MMS服務(wù)器與MMS用戶進(jìn)行交互。以監(jiān)控主機(jī)對保護(hù)裝置的定值切換操作為例,作為客戶機(jī),監(jiān)控主機(jī)MMPM在空閑狀態(tài)(Idle)時(shí),如果收到MMSUser的定值切換操作服務(wù)請求原語,它首先創(chuàng)建相應(yīng)的事務(wù)狀態(tài)機(jī)(TSM),組建MMSPDU,并通過低層通信協(xié)議將該P(yáng)DU發(fā)往保護(hù)裝置MMPM;在發(fā)送成功后,撤消TSM,并進(jìn)入掛起狀態(tài)(Pending);如果收到保護(hù)裝置發(fā)來的響應(yīng)PDU,創(chuàng)建相應(yīng)的TSM,分析PDU,并根據(jù)分析結(jié)果通知用戶該服務(wù)執(zhí)行情況(成功與否),然后撤消TSM,返回空閑狀態(tài);在掛起狀態(tài),如果收到用戶的操作取消請求報(bào)文,MMPM將該請求發(fā)往保護(hù)裝置MMPM,并進(jìn)入取消狀態(tài)(Canceling),在收到保護(hù)裝置MMPM的響應(yīng)PDU后,返回空閑狀態(tài)。監(jiān)控主機(jī)MMPM還將對各種錯(cuò)誤進(jìn)行檢驗(yàn),并通知給用戶。作為服務(wù)器,保護(hù)裝置MMPM執(zhí)行情況與監(jiān)控主機(jī)類似,所不同的是它作為服務(wù)執(zhí)行方,收到服務(wù)請求后,向MMSUser發(fā)出指示用語;在收到取消服務(wù)請求后,中止當(dāng)前服務(wù),并將結(jié)果(取消成功與否)返回監(jiān)控主機(jī)MMPM,同時(shí)返回空閑狀態(tài)。2.5asn.1編碼規(guī)則在MMS中,所有的服務(wù)原語、數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤信息都通過PDU進(jìn)行傳遞,MMS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定任何遵循MMS協(xié)議的系統(tǒng)都必須采用ASN.1基本編碼規(guī)則形成傳遞語法來支持MMSPDU,即由ASN.1編碼/解碼器來實(shí)現(xiàn)MMS語法和傳遞語法的轉(zhuǎn)換,如圖4中所示。圖5所示為ASN.1基本編碼規(guī)則的T-L-V格式,其中,標(biāo)簽(Tag)描述編碼信息體所代表的ASN.1信息類型;長度(Length)代表編碼信息值的八位個(gè)數(shù);值(Value)是傳遞的信息內(nèi)容。Value可以構(gòu)造為T-L-V組合本身。3基于vmd的間隔層服務(wù)能力IEC61850標(biāo)準(zhǔn)系列是還未全部正式頒布的標(biāo)準(zhǔn),所以目前支持MMS標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動(dòng)化產(chǎn)品不多,在推行IEC61850標(biāo)準(zhǔn)時(shí),為了節(jié)約資源,充分利用老設(shè)備,可采用圖6所示方案,以間隔為單元,設(shè)置一個(gè)間隔代理服務(wù)器,在該服務(wù)器上創(chuàng)建間隔內(nèi)各設(shè)備的VMD模型,最后由代理服務(wù)器、間隔內(nèi)設(shè)備以及連接代理服務(wù)器和間隔設(shè)備的通信總線(可以是RS485、Ethernet或各種現(xiàn)場總線)共同構(gòu)成MMS服務(wù)器。當(dāng)變電站層設(shè)備需要對間隔層設(shè)備進(jìn)行操作時(shí),便向服務(wù)器發(fā)出服務(wù)請求,服務(wù)器在收到服務(wù)請求后,執(zhí)行相應(yīng)服務(wù)操作,并將服務(wù)器方的操作映射到相應(yīng)間隔層設(shè)備上,由間隔層設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作;同時(shí),服務(wù)器的VMD根據(jù)動(dòng)作的間隔層設(shè)備報(bào)告修改內(nèi)部邏輯狀態(tài)及有關(guān)屬性,然后向變電站層設(shè)備報(bào)告命令執(zhí)行完畢。4為各類數(shù)據(jù)提供信息服務(wù),保證數(shù)據(jù)的互通,使設(shè)備實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化IEC