IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中ACSI映射實(shí)現(xiàn)研究

摘要：IEC 61850是下一代變電站的無縫通信標(biāo)準(zhǔn)，ACSI是IEC 61850規(guī)范的一套抽象通信服務(wù)接口，它的映射實(shí)現(xiàn)是IEC 61850應(yīng)用的關(guān)鍵所在。針對IEC 61850具體應(yīng)用中智能電子設(shè)備IED開發(fā)的目的，通過對ACSI與MMS(制造報(bào)文協(xié)議)技術(shù)特點(diǎn)的分析，構(gòu)建ACSI映射實(shí)現(xiàn)的模型，設(shè)計(jì)ACSI到MMS映射實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)流程與方法，提出了ACSI實(shí)現(xiàn)框架三部分并與ACSI到XML的映射進(jìn)行了比較。結(jié)果表明該研究為開發(fā)符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站通信系統(tǒng)提供了技術(shù)依據(jù)。
關(guān)鍵詞：IEC 61850；變電站自動化系統(tǒng)；ACSI MMS；IED；XML

0 引言
    IEC 61850是關(guān)于變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信的國際標(biāo)準(zhǔn)，目的是使變電站內(nèi)不同廠家的智能電子設(shè)備(IED)之間通過一種標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)互操作和信息共享，取消多種協(xié)議轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)換設(shè)備，使系統(tǒng)調(diào)試更加便捷，實(shí)現(xiàn)“一個世界、一種技術(shù)、一個標(biāo)準(zhǔn)”。
    IEC 61850規(guī)約體系完善，相對于基于報(bào)文結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)規(guī)約，應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)的IEC 61850有明顯的特點(diǎn)和優(yōu)勢。它提出系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)，采用數(shù)據(jù)對象統(tǒng)一建模，將映射的方法和具體網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立，提供基于SCL的系統(tǒng)配置管理，使協(xié)議擁有足夠的開放性以適應(yīng)未來的變電站通信發(fā)展的要求。IEC 61850定義了抽象通信服務(wù)接口ACSI，它的作用在于約束廠家在裝置實(shí)現(xiàn)通信中，對IED功能與涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以達(dá)到互操作。因此IEC 61850的應(yīng)用關(guān)鍵就是抽象通信服務(wù)接口ACSI映射的實(shí)現(xiàn)。

1 ACSI概述
    ACSI(Abstract Communication Service Interface)的產(chǎn)生來源于人們對現(xiàn)實(shí)設(shè)備的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)抽象，主要定義了各類通信服務(wù)與通信對象及參數(shù)，它與下層通信系統(tǒng)獨(dú)立，與采用的通信協(xié)議和具體的實(shí)現(xiàn)方法無關(guān)。ACSI主要設(shè)定了各類服務(wù)模型包括連接服務(wù)模型、變量訪問服務(wù)模型、數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)模型、設(shè)備控制服務(wù)模型、文件傳輸服務(wù)模型、時鐘同步服務(wù)模型等。這些服務(wù)模型定義了通信對象以及如何對這些對象進(jìn)行訪問，實(shí)現(xiàn)客戶應(yīng)用端和服務(wù)器應(yīng)用端的通信，完成實(shí)時數(shù)據(jù)的訪問和檢索、對設(shè)備的控制、時間報(bào)告和記錄、設(shè)備的自我描述等。
    為了保證ACSI的獨(dú)立性以及適合未來的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通信發(fā)展的變化，IEC 61850協(xié)議中并沒有具體指定實(shí)現(xiàn)ACSI的方法，只提供了特殊通信服務(wù)映射(SCSM)來描述映射過程，在IEC 61850-8-1部分定義了ACSI映射到制造報(bào)文規(guī)范MMS。由于不同類型的SCSM之間無法直接互操作，所以標(biāo)準(zhǔn)目前只規(guī)范了到MMS的映射。

2 MMS簡介
    MMS(Manufaeturing Message Specification)即ISO／IEC 9506，是ISO TC184提出在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，智能設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)交換與監(jiān)控的一套國際報(bào)文規(guī)范。MMS所提供的服務(wù)有很強(qiáng)的通用性，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于汽車制造，航空，化工、電力等工業(yè)自動化領(lǐng)域。
    MMS具有以下三大優(yōu)勢：實(shí)現(xiàn)互操作；實(shí)現(xiàn)獨(dú)立；實(shí)現(xiàn)異構(gòu)環(huán)境下數(shù)據(jù)訪問。以往通信標(biāo)準(zhǔn)中提供的互操作，或者對網(wǎng)絡(luò)連接、設(shè)備型號、功能的執(zhí)行等做了過多限制或者規(guī)范的不足，直到MMS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生才改變了這種局面。MMS同時實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立性，使用戶不再受限于選擇固定的設(shè)備提供商，只要是符合MMS標(biāo)準(zhǔn)并能實(shí)現(xiàn)相同功能的設(shè)備就可以進(jìn)行替換，這種獨(dú)立性還體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)連接和功能的實(shí)現(xiàn)上。MMS還實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)環(huán)境下的數(shù)據(jù)訪問，以往大部分通信機(jī)制提供的只是一種簡單的字節(jié)隊(duì)列信息在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臋C(jī)制，缺乏獨(dú)立性，而MMS對傳遞的信息提供了更多的限定和結(jié)構(gòu)化抽象，屏蔽了實(shí)際設(shè)備內(nèi)部特性，在表示層采用ASN．1的BER編碼。

3 ACSI映射實(shí)現(xiàn)模型
    實(shí)現(xiàn)IEC 61850的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)協(xié)議中規(guī)范的ACSI到MMS或其他中間件的映射。如圖1所示。

    ACSl只提供了類模型與服務(wù)，不存在ACSI PDU，ACSI通過各自特定的映射方式SCSM映射到應(yīng)用層或CORBA中間件技術(shù)。以MMS方式為例，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用ASN．1的BER編碼方式構(gòu)造MMS PDU(MMS Protocol Data Units)。對于底層協(xié)議?？梢宰孕性O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)OSI協(xié)議棧，也可以直接建立在TCP／IP協(xié)議基礎(chǔ)之上。SCSM是具體的ACSI映射的實(shí)現(xiàn)，描述了映射實(shí)現(xiàn)的過程。

4 ACSI到MMS的映射
4．1 ACSI到MMS映射實(shí)現(xiàn)流程
    ACSI到MMS映射的實(shí)現(xiàn)是IEC 61850的核心所在。如圖2所示，ACSI的設(shè)計(jì)主要分為三部分：第一部分是最上層應(yīng)用層的ACSI的各個類的設(shè)計(jì)，先采用面向?qū)ο笳Z言設(shè)計(jì)出ACSI服務(wù)與86個邏輯節(jié)點(diǎn)和公共數(shù)據(jù)類(見圖3)，應(yīng)用層數(shù)據(jù)的導(dǎo)入(可能來源于數(shù)據(jù)庫、XML配置文件)，各個邏輯服務(wù)相映射，包括IEC 61850中報(bào)告機(jī)制、數(shù)據(jù)集、日志機(jī)制、GOOSE報(bào)文、定值更新、帶選擇控制等。第二部分是將應(yīng)用層的服務(wù)語義與應(yīng)用層的數(shù)據(jù)在表示層實(shí)現(xiàn)ASN．1的BER編碼化，是一個編解碼的部分，這一部分設(shè)計(jì)是關(guān)鍵所在，因?yàn)樗婕暗綄?shí)現(xiàn)設(shè)備的互操作，需要進(jìn)行報(bào)文的一致性測試。第三部分是比特流報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸形式，分為TCP方式的面向關(guān)聯(lián)與GOOSE報(bào)文與采樣報(bào)文的UDP無連接方式。

4．2 ACSI到MMS映射實(shí)現(xiàn)方法
    MMS標(biāo)準(zhǔn)作為MAP(Manufacturing Automation Standard)應(yīng)用層中最主要的部分，通過引入VMD(Virtual Manufacturing Device)概念，隱藏了具體的設(shè)備內(nèi)部特性，設(shè)定一系列類型的數(shù)據(jù)代表實(shí)際設(shè)備的功能，同時定義了一系列MMS服務(wù)來操作這些數(shù)據(jù)，通過對VMD模型的訪問達(dá)到操縱實(shí)際設(shè)備工作，MMS的VMD概念首次把面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的思想引入了過程控制系統(tǒng)。

    MMS對其規(guī)定的各類服務(wù)沒有進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)方法的規(guī)定，保證實(shí)現(xiàn)的開放性。如圖4所示，將IEC 61850數(shù)據(jù)對象模型映射到MMS的VMD，IED(智能電子設(shè)備)的邏輯節(jié)點(diǎn)MMXU，PBPR分別可以映射成VMD中的域，邏輯節(jié)點(diǎn)Volts被映射成命名變量，可以通過訪問變量MXU$Volts$rang就獲得訪問MMXU邏輯節(jié)點(diǎn)中電壓的范圍這個屬性值。
    MMS中采用ASN．1的基本編碼規(guī)則(Basic Encoding Rules，BER)。ASN．1中定義了4種TAG類型，即UNlVERSAL，APPLICATION，CONTEXT-SPECIFIC，PRIVATE。在傳輸編碼時，采用TLV(TAG Length Value)方式，即同時傳遞TAG、值的長度以及值。雙方在接收與解析時就可以根據(jù)TLV方式進(jìn)行編解碼，編碼和解碼是一個相反的過程。采用ASN．1編碼使得在異構(gòu)的環(huán)境中設(shè)備雙方可以理解ASN．1編碼代表的含義與代表的MMS服務(wù)，而雙方無需考慮雙方ASN．1編碼是如何實(shí)現(xiàn)與傳輸?shù)摹?br />     面向關(guān)聯(lián)的MMS通信服務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)如圖5所示。這是一個接收信息的過程。首先偵聽函數(shù)在接到通信數(shù)據(jù)流時通過管道命令通知主函數(shù)，主函數(shù)調(diào)用MMS的管理ACSE函數(shù)確認(rèn)連接的合法性，確認(rèn)獲得授權(quán)后，調(diào)用讀函數(shù)讀入比特?cái)?shù)據(jù)流，再經(jīng)過MMSASN．1函數(shù)進(jìn)行比特流的解碼，同時處理連接，管理MMS的VMD域、變量、類型。在解碼后根據(jù)特定應(yīng)用層的應(yīng)用對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

    IEC 61850中ACSI的采用有利于用戶通過直接查看配置文件或者得到其中的邏輯節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)了解裝置的各個模塊功能。因此，各廠家的抽象建?？赡苡兴煌?，同時現(xiàn)行的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在制定方面因?yàn)槿狈χ袊膮⑴c，在很多數(shù)據(jù)與邏輯節(jié)點(diǎn)的定義中尚需要根據(jù)我國保護(hù)自身情況進(jìn)行擴(kuò)展。在擴(kuò)展中應(yīng)該盡量做到不擴(kuò)展邏輯節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展數(shù)據(jù)的時候擴(kuò)展名加Ex長度限制在7位。
4．3 ACSI映射到MMS與映射到XML的比較
    IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中暫時只規(guī)定了映射到MMS，但同時指出了映射到其他可能性，比如XML。XML作為一種異構(gòu)的處理技術(shù)，它可以與HTTP的服務(wù)相結(jié)合。如圖6所示。

    從圖6可以看出，ACSI一小部分服務(wù)也可以映射到HTTP／HTML／XML。由圖中可知，采用ACSI映射到MMS比結(jié)合HTTP協(xié)議映射到XML能實(shí)現(xiàn)更多的服務(wù)，如InfoRepor，Journal，而HTTP中只有最基本的GET與POST可以實(shí)現(xiàn)Read與Write服務(wù)。兩者最大的區(qū)別在于映射到MMS是傳遞ASN．1的BER編碼，而映射到XML或HTML是傳遞文本格式文件。因此，根據(jù)具體應(yīng)用場合，在只需要比較基本的服務(wù)、功能不復(fù)雜并且實(shí)時性要求不高的場合，可以采用ACSI映射到XML的方式。

5 結(jié)論
    本文針對IEC 61850具體應(yīng)用中設(shè)備開發(fā)的目的，對ACSI的映射實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：
    (1)通過對ACSI技術(shù)特點(diǎn)的分析，構(gòu)建了ACSI映射實(shí)現(xiàn)的模型，為ACSI的映射實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)；
    (2)IEC 61850規(guī)定了ACSI到MMS的映射，研究設(shè)計(jì)了ACSI到MMS映射實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)流程，提出了ACSI實(shí)現(xiàn)的三個部分，為ACSI映射實(shí)現(xiàn)提供了框架依據(jù)；
    (3)設(shè)計(jì)了ACSI到MMS映射的具體方法，包括邏輯節(jié)點(diǎn)映射、數(shù)據(jù)模型映射以及MMS通信服務(wù)器主函數(shù)的設(shè)計(jì)，為開發(fā)符合IEC 61850的IED提供了技術(shù)方案；
    (4)對ACSI到MMS與到XML的映射進(jìn)行了比較，在實(shí)時性不高功能不復(fù)雜的場合可以采用ACSI映射到XML的方式。