MMS在符合IEC 61850的变电站自动化系统中的研究与运用

黄伟 

(西安交通大学电气学院, 西安, 710049)

摘  要: 实现符合IEC 61850的变电站自动化系统核心关键在于实现ACSI到MMS的映射, 本文介绍了ACSI与MMS之间的关系与各自特点,对MMS采用的ASN.1的BER编码以及ACSI到MMS映射进行举例说明, 并提出实现MMS的模型与难点所在。

关键词:  IEC 61850; MMS; ACSI; 变电站自动化

0 引言

IEC 61850作为下一代变电站的无缝通信协议标准，充分借鉴了变电站通信、计算机、工业控制等领域的长期经验，采用面向对象思想对变电站涉及的设备与通信服务进行了功能建模、数据建模，并规范了一套抽象的通信接口，使协议拥有足够的开放性以适应未来的变电站通信发展的要求。实现IEC 61850的关键在于实现协议中规范的ACSI（Abstract Communication Service Interface）到MMS（Manufacturing Message Specification）或其它中间件的映射。

1 IEC 61850的ACSI到MMS的映射

ACSI的产生来源于人们对现实设备的实践经验抽象，主要定义了各类通信服务与通信对象及参数，它与下层通信系统独立，与采用的通信协议和具体的实现方法无关。ACSI主要设定了各类服务模型：连接服务模型、变量访问服务模型、数据传输服务模型、设备控制服务模型、文件传输服务模型、时钟同步服务模型等，这些服务模型定义了通信对象以及如何对这些对象进行访问，实现了客户应用端和服务器应用端的通信，完成实时数据的访问和检索、对设备的控制、时间报告和记录、设备的自我描述等等。

为了保证ACSI的独立性，IEC 61850协议中并没有具体指定实现ACSI的方法，只提供了特殊通信服务映射（SCSM）来描述映射过程，在IEC 61850-8-1部分定义了ACSI映射到制造报文规范MMS（ISO/IEC 9506 第1、2部分） 。现行协议中只定义了ACSI到MMS的映射，但同时指出了ACSI映射到其他标准应用层以及中间件技术的可能性。 如图1所示， ACSI只提供了类模型与服务，不存在ACSI PDU，ACSI通过各自特定的映射方式SCSM映射到应用层或CORBA中间件技术，以MMS方式为例，协议规定采用ASN.1的BER编码方式构造MMSPDU （MMS Protocol Data Units），协议中暂时只规定了映射到MMS,但同时指出了映射到CORBA中间件或其他的可能性。对于底层协议栈可以自行设计实现OSI协议栈，也可以直接建立在TCP/IP协议基础之上。

图1  IEC 61850中 ACSI映射实现模型

2 MMS的概述

MMS标准即ISO/IEC 9506, 是由ISO TC184提出解决在异构网络环境下智能设备装置之间实现实时数据交换与监控信息的一套国际报文规范。MMS所提供的服务有很强的通用性，已经广泛的运用于汽车制造，航空，化工、电力等工业自动化领域。IEC 61850中采纳了ISO/IEC 9506-1和ISO/IEC 9506-2部分，制定了ACSI到MMS的映射。

MMS具有以下三大优势：1）实现互操作2）实现独立3）实现异构环境下数据访问。所谓互操作指的是网络上的设备具有相互交换优先控制和进程等数据信息的能力，以往也有一些通信协议提供某种程度的互操作，但是这些协议对网络连接、设备型号、功能的执行等都做了过多限制；而有些则又规范的不足，直到MMS协议的产生才改变了这种局面。MMS同时实现了独立性，使用户不再受限于选择固定的设备提供商，只要是符合MMS标准的能实现相同功能的设备就可以进行设备替换，并做到设备的互操作。这种独立性还体现在网络连接和功能的实现。其次，MMS还实现了异构环境下数据访问，虽然很多通信机制也支持这一点，但是他们又往往缺乏独立性,提供的只是一种简单的字节队列信息在网络中传输的机制，而MMS则对传递的信息提供了更多的限定和结构化抽象，屏蔽了实际设备内部特性，在表示层采用ASN.1的BER编码，这意味着拥有相同功能但来自不同厂家的设备可以使用相同的信息表达来实现互操作。

MMS协议作为MAP （Manufacturing Automation Protocol）应用层中最主要的部分, 通过引入VMD（Virtual Manufacturing Device）概念，隐藏了具体的设备内部特性，设定一系列类型的数据代表实际设备的功能，同时定义了一系列MMS服务来操作这些数据，通过对VMD模型的访问达到操纵实际设备工作，MMS的VMD概念首次把面向对象设计的思想引入了过程控制系统。MMS对其规定的各类服务没有进行具体实现方法的规定，保证实现的开放性。如图2所示将IEC 61850数据对象模型映射到MMS的VMD，IED(智能电子设备)的逻辑节点MMXU、PBPR分别可以映射成VMD中的域，逻辑节点Volts被映射成命名变量，可以通过访问变量MMXU$Volts$rang就获得访问MMXU逻辑节点中电压的范围这个属性值。

图 2  IEC 61850数据模型映射到MMS

3 实现ACSI到MMS的映射

3.1实现方案比较

MMS的实现方法主要有以下三种，第一种方案是我们可以根据MAP具体规定的底下各层协议栈标准一步步来实现MMS，整个具体实现需要自己独立开发MAP的协议栈，代价昂贵而复杂。如图3所示是将MMS移植到TCP/IP协议基础之上的两种方案，因为MAP底层协议栈，在传输层以下部分和TCP/IP协议功能类似，而且TCP/IP协议作为当前网络的核心协议已经得到广泛的应用，将MMS移植到TCP/IP协议之上具有很好的适用性并简化了开发的难度，减小开发的复杂程度，降低开发成本。近年来也有相关研究采用RT-CORBA来实现MMS的思想以及特点，这种方案也可以视为ACSI到CORBA映射的实现,国外已有DOTS项目对ACSI到CORBA映射的做了相关研究。这两种方案实质都是建立在RPC机制的基础之上。RPC机制和MMS的客户端与服务器端通信机制可以类比，将MMS客户端向MMS服务器端发出的请求调用看成一次远程调用，同时可以将服务器端MMS服务的实现看成进程的执行。然而，这两种机制并不完全相同，MMS是一种异步通信机制，它允许在前一个请求发出后，在没有返回当前响应结果就发送第二个请求。而RPC，尤其象CORBA采用的是同步通信机制。另外MMS是采用面向关联连接的思想，客户端发出请求，服务器端需要发回确认。而如果用CORBA来实现一个MMS服务，则我们不需要调用ID变量（InvokeId），因为发出请求与返回的响应这种关联直接由ORB采用同步机制进行管理。客户对象将请求交给ORB，ORB根据定位服务实现对象并将服务结果返回给ORB,由其将结果返回给客户对象。这样就屏蔽了客户端与服务端的直接关联。

 图 3  在TCP/IP之上实现MMS的两种方案

3.2 ACSI到MMS映射的示例

MMS中采用ASN.1的基本编码规则（Basic Encoding Rules，简称BER）,ASN.1中定义了四种TAG类型，即UNIVERSAL、APPLICATION、CONTEXT-SPECIFIC、PRIVATE。在传输编码的时候，采用TLV （TAG Length Value）方式，即同时传递TAG、值的长度以及值。双方在接收与解析的时候就可以根据TLV方式进行编解码，编码和解码是一个相反的过程。MMS能实现设备之间的互操作主要得益于ASN.1的运用，采用ASN.1编码使得在异构的环境中，设备双方可以理解同一ASN.1编码代表的含义与代表的MMS服务，而双方无需考虑双方ASN.1编码是如何实现的与如何传输的。如下面Read服务编码例子所示，从Read MMSPDU编码中我们就可以得到如下信息，该服务请求调用ID(invokeID)为0A, 它要求读变量ASCII编码为66 65 65 64 72 315F 33 5F 70 68 61 73 65，即变量为