iec61850的變電站自動化通信映射

iec61850的變電站自動化通信映射

0mbs協(xié)議方法制造消息的標準化是計算機集成制造系統(tǒng)的cims（compositionreportsystem）。這是針對cims環(huán)境中不同類型的可控制造設備（如控制器、1906、機器人等）之間傳輸信息的系統(tǒng)應用層協(xié)議。MMS規(guī)范了多廠商設備間的通信,為制造設備入網(wǎng)提供了方便。運用MMS協(xié)議可將來自不同廠家的多種設備集成起來,實現(xiàn)信息互通和資源共享。1985年,國際標準化組織ISO/IEC制定了MMS標準ISO/IEC9506,進一步推動了MMS的應用,越來越多的工業(yè)網(wǎng)絡產(chǎn)品開始選擇MMS作為應用層協(xié)議。1自動化通信體系IEC61850是IEC制定的關于變電站自動化通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)的標準,該標準以實現(xiàn)不同廠商設備的互操作性為目標,正式頒布后將成為基于通用網(wǎng)絡通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一的國際標準。IEC61850在技術上的一個顯著特點就是使用了MMS,在IEC61850中,變電站自動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接口ACSI(AbstractCommunicationServiceInterface)映射到MMS。MMS作為變電站自動化通信中的一種重要應用層協(xié)議,是IEC61850的基礎之一。2mms在變電站的應用關于MMS標準本身,包括其協(xié)議及服務,文獻作了詳細的介紹;對于IEC61850中用到的MMS服務,文獻也進行了深入的分析,因此本文僅就MMS在變電站自動化系統(tǒng)中應用時首先必須明確的一些問題進行分析。2.1基本模型框架MMS可以在包括OSI、TCP/IP以及RS232-C等多種通信棧上運行,但為了滿足一致性測試要求,IEC61850對MMS應用于變電站自動化系統(tǒng)時采用的通信棧進行了規(guī)范,可以概括為兩種:①MMS作為應用層協(xié)議,在OSI全部7層模型框架上運行;②將OSI通信模型分為應用專規(guī)(A-profile)和傳輸專規(guī)(T-profile)、MMS、表示層、會話層以及關聯(lián)控制服務元素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、協(xié)議、接口概念清晰,但實現(xiàn)起來過分復雜;第②種方式把OSI和TCP/IP有機地結合起來,利用OSI層次清晰的優(yōu)點,保證了資源子網(wǎng)隨技術發(fā)展和功能增加而快速變化的要求;利用TCP/IP實現(xiàn)簡單、高效的優(yōu)點,避免了通信子網(wǎng)在處理能力上的浪費。再考慮到目前熟悉TCP/IP的人較多,應用領域非常廣泛,已經(jīng)成為事實上的通信標準,因此建議選擇第②種方式應更具推廣性。2.2實現(xiàn)方案的設計由于客戶/服務器模型具有資源共享性、信息交換易實現(xiàn)性和服務封閉性等優(yōu)點,MMS用它來完成網(wǎng)絡中的服務請求方與服務執(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,即標準只描述了服務器的行為,客戶的行為是根據(jù)MMS服務定義以及客戶/服務器之間的邏輯關系得出,因此,確立通信實體間的客戶/服務器模型是在具體應用中實現(xiàn)MMS的前提。在MMS中,服務器被定義為實現(xiàn)具體服務的端通信實體虛擬制造設備VMD(VirtualManufacturingDevice),代表一種具體的實際制造設備,如PLC、機器人等;而客戶則可以是計算機的一個應用進程,例如監(jiān)控過程。在IEC61850中,變電站自動化系統(tǒng)的設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)庫的站級計算機、遠方通信接口等裝置組成,具有人機接口HMI(HumanMachineInterface)、遠程控制接口TCI(TeleControlInterface)和遠程監(jiān)視接口TMI(TeleMonitoringInterface)等功能;間隔層通常由測量、保護、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,可接受站級計算機下達的設定參數(shù)和工作方式等指令,并完成相應的操作。因此,按照MMS對客戶、服務器的定義,在變電站層和間隔層設備的通信中,變電站層設備代表客戶機,間隔層設備代表服務器。2.3基于vmd的設備構造MMS使用抽象客體模型方法來精確描述設備模型和服務過程。在所有的客體模型中,VMD是最重要的一種,是所有MMS活動的基礎,它抽象地表示了一個實際制造設備的資源和外部可見行為。如圖1所示,一個實際制造設備只要遵循VMD模型來實現(xiàn)MMS服務,并提供VMD與實際設備之間的映射功能,就可以進入OSI環(huán)境,成為開放的互連設備。變電站自動化設備要進入OSI環(huán)境,首先必須完成VMD的構造。然而在MMS標準中只描述了VMD的模型及其行為,對于如何構造VMD即具體映射功能的實現(xiàn),要根據(jù)不同設備的具體特點,選擇合適的配套標準。IEC61850-7可以被理解成這樣一個專門用于變電站自動化設備的MMS配套標準,在其中詳述了將被映射到VMD的變電站自動化設備的數(shù)據(jù)通信模型的建立。2.3.1邏輯設備的結構建立數(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,將物理設備PD(PhysicalDevice)也就是MMS中的實際制造設備要實現(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)、設置組控制塊SGCB(SettingGroupControlBlock)等輔助服務模型就構成了邏輯設備LD(LogicalDevice)。一個或數(shù)個LD構成服務器(Server),Server是PD的通信接口,有相應的通信地址。一個PD由應用和一個或數(shù)個Server構成。ACSI提供了對Server、LD、LN、DO以及DA等對象的抽象服務操作。圖2所示為超高壓線路保護裝置的數(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際制造設備的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服務與MMS服務間的映射。圖3所示為以交大許繼電氣公司生產(chǎn)的WBH-892型變壓器保護裝置為例構造的VMD模型,其中包含了VMD模型結構的4個部分:①執(zhí)行功能,提供了可使用的一切相應于VMD的操作,是VMD的關鍵屬性;②實際制造設備的有關信息,包括廠商名稱、型號和版本號,由靜態(tài)映射實現(xiàn),可脫機進行;③VMD的狀態(tài),包括邏輯狀態(tài)和物理狀態(tài);④與VMD服務有關的對象,例如域(Domain)、程序調(diào)用等。2.4時段電路設計mmpmMMS協(xié)議由MMS協(xié)議執(zhí)行機(MMPM)執(zhí)行。如圖4所示,MMPM是執(zhí)行MMS協(xié)議的抽象機器,也是MMS協(xié)議的服務提供者,它通過MMS服務器與MMS用戶進行交互。以監(jiān)控主機對保護裝置的定值切換操作為例,作為客戶機,監(jiān)控主機MMPM在空閑狀態(tài)(Idle)時,如果收到MMSUser的定值切換操作服務請求原語,它首先創(chuàng)建相應的事務狀態(tài)機(TSM),組建MMSPDU,并通過低層通信協(xié)議將該PDU發(fā)往保護裝置MMPM;在發(fā)送成功后,撤消TSM,并進入掛起狀態(tài)(Pending);如果收到保護裝置發(fā)來的響應PDU,創(chuàng)建相應的TSM,分析PDU,并根據(jù)分析結果通知用戶該服務執(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文,MMPM將該請求發(fā)往保護裝置MMPM,并進入取消狀態(tài)(Canceling),在收到保護裝置MMPM的響應PDU后,返回空閑狀態(tài)。監(jiān)控主機MMPM還將對各種錯誤進行檢驗,并通知給用戶。作為服務器,保護裝置MMPM執(zhí)行情況與監(jiān)控主機類似,所不同的是它作為服務執(zhí)行方,收到服務請求后,向MMSUser發(fā)出指示用語;在收到取消服務請求后,中止當前服務,并將結果(取消成功與否)返回監(jiān)控主機MMPM,同時返回空閑狀態(tài)。2.5asn.1編碼規(guī)則在MMS中,所有的服務原語、數(shù)據(jù)、錯誤信息都通過PDU進行傳遞,MMS標準規(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/解碼器來實現(xiàn)MMS語法和傳遞語法的轉換,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數(shù);值(Value)是傳遞的信息內(nèi)容。Value可以構造為T-L-V組合本身。3基于vmd的間隔層服務能力IEC61850標準系列是還未全部正式頒布的標準,所以目前支持MMS標準的變電站自動化產(chǎn)品不多,在推行IEC61850標準時,為了節(jié)約資源,充分利用老設備,可采用圖6所示方案,以間隔為單元,設置一個間隔代理服務器,在該服務器上創(chuàng)建間隔內(nèi)各設備的VMD模型,最后由代理服務器、間隔內(nèi)設備以及連接代理服務器和間隔設備的通信總線(可以是RS485、Ethernet或各種現(xiàn)場總線)共同構成MMS服務器。當變電站層設備需要對間隔層設備進行操作時,便向服務器發(fā)出服務請求,服務器在收到服務請求后,執(zhí)行相應服務操作,并將服務器方的操作映射到相應間隔層設備上,由間隔層設備執(zhí)行相應動作;同時,服務器的VMD根據(jù)動作的間隔層設備報告修改內(nèi)部邏輯狀態(tài)及有關屬性,然后向變電站層設備報告命令執(zhí)行完畢。4為各類數(shù)據(jù)提供信息服務,保證數(shù)據(jù)的互通,使設備實現(xiàn)強化IEC