基于TCPIP的IEC61850特定通信服务映射MMS的分析与实现

基于TCPIP的IEC61850特定通信服务映射MMS的分析与实现 基于TCP/IP的IEC61850特定通信服务映射 - MMS的分 析与实现 李永亮～陈斌～苏瑞～王丽敏 中国电力科学研究院变电站自动化公司～北京 100085 Analysis And Development Of IEC61850’s Specific Communication Service Mapping - MMS Based on TCP/IP Li Yong Liang, Chen Bin, Su Rui, Wang Li Min Substation Automation Company, China Electric Power Research Institute, Beijing 100085, China Abstract: IEC61850 is the international communication standard about the substation automation system published by IECTC57, which represents the newest direction for the substation automation. Manufacturing Message Specification is the kernel communication stack mapped by IEC61850 standards. This paper will introduce, analysis the profile of MMS, it’s object model and service, and the key technology to develop the IEC61850 MMS communication stack based on TCP/IP. Keywords: IEC61850; Specific Communication Service Mapping; Manufacturing Message Specification; TCP/IP; Abstract Syntax Noation.1 摘要:IEC61850是IECTC57制定的有关变电站自动化系统通信的国际，代表了变电站自动化的未来 发展方向。制造报文MMS是IEC61850标准中特定通信服务映射SCSM的核心通信栈，本文将 围绕基于TCP/IP的MMS协议集，介绍了MMS的对象模型及相关服务;为了实现IEC61850中应用的 MMS特定协议集，开发的关键技术等。 关键词:IEC61850;特定通信服务映射SCSM;制造报文规范MMS;TCP/IP;抽象描述语法ASN.1;动 态内存管理技术。 也适用于配电自动化、电能计量系统、发电厂自动 化系统、风力发电以及其它工业自动化领域。 1 . 引言 1.1 IEC61850标准 1.2 制造报文规范MMS [1][2]IEC61850是IEC TC57在总结UCA2.0的美制造报文规范MMS(Manufacturing Message 国经验和IEC60870系列标准的欧洲经验的基础Specification)是网络上的实时处理和监控系统的信 上，提出的关于未来变电站自动化系统的通信体系息交换的国际标准。是由国际标准化组织和国际电 标准。其目标是最大限度地应用现有的标准和被广工委员会工业自动化技术委员会TC184工作组负 泛接受的通信原理，在不同制造商的智能电子设备责制定和发展。它提供的通用信息服务，适合在不 (IED， Intelligent Electric Device)之间实现良好同的设备、应用、发展商和领域内。例如:MMS 的互操作性，并且能够适应通信及应用技术的快速提供的读(Read)服务，允许网络上的设备、应用 发展。 或计算机从另外一个设备、应用或计算机内读取所 需的变量，而不管这个变量是在可编程逻辑控制IEC61850与传统的SCADA协议不同的是，它 不仅是一个简单的协议，更涉及到通信网络性能要器、机器人、远方终端设备或智能电子设备内。 求、对象建模、系统和项目管理等多方面的规范要MMS已经广泛应用在制造、石油化工、电力工业、 求。IEC61850采用面向对象的建模方法和抽象、太空探索等领域。 分层映射的技术，通过规范系统和项目管理、以及MMS是由以下各部分组成的: 一致性测试等途径，来保证其目标的实现。并且, Service Specification服务规范 IEC61850不仅适用于变电站自动化内部网络通信，, Protocol Specification协议规范 , Robot Companion Standard机器人伴同标应用层协议。 准 – GOOSE/采样值服务:GOOSE/采样值服务 , Numerical Controller Companion Standard用于快速、可靠地传输保护、控制以及 数字控制器伴同标准 采样值信息的目的。其应用层是GOOSE 协议。 , Programmable Logical Controller Companion Standard可编程逻辑控制器伴– GSSE 服务: GSSE模型与GOOSE模型 同标准 是相似的，主要的区别是信息交换的种 , Process Control System过程控制制系统伴类不同:GOOSE支持由数据集组织的可 同标准 能范围很广的公共数据的交换，并提供 其中，第一部分服务规范和第二部分协议规范灵活的手段规定交换的是何种信息;是其核心。服务规范包含的定义有:1)虚拟制造GSSE则仅提供了传输状态变化信息的设备(VMD， Virtual Manufacturing Device;2)能力。IEC61850的GSSE代表了UCA2.0网络上节点间的信息交换;3)与VMD有关的属中的GOOSE。 性和参数。协议规范定义的是通讯规则，包括:1)– 时钟同步:时钟同步服务的A-Profile使用信息格式;2)通过网络的信息顺序;3)MMS层了简单网络时间协议(SNTP)。 与ISO/OSI开放模型的其他层的交互。而第4部分2 . 基于TCP/IP的IEC61850特定通信服到第六部分则是针对不同的应用领域的伴同标准。 务映射MMS协议集 MMS提供了丰富的针对对等式实时通讯网络2.1 概述 的一系列的服务。MMS已经成为许多通用工业领 IEC61850使用ISO的应用专规(A-Profile)域的控制设备的通讯协议，例如:CNC, 可编程逻 和传输专规(T-Profile)来描述不同的通信栈，辑控制器，机器人;和电力领域的RTU(远方终端 如图1所表示的:A-Profile位于ISO/OSI七层互装置),EMS(能量管理系统)，重合器、开关等IED 连参考模型的高三层，它们分别是应用层、表示层设备。许多流行的计算机平台都支持基于MMS的 和会话层，又称“资源子网”;T-Profile位于互连;在软件支持上，更有许多的API、图形界面、 ISO/OSI七层互连参考模型的低四层，它们分别是网关、字处理、电子表格、关系型数据库支持MMS; 传输层、网络层、数据链路层和物理层，又称“通从通讯连接上来看，在以太网、令牌总线、串行接 信子网”。 口RS-232C、OSI、TCP/IP、MiniMAP等上也都很 容易实现MMS。 应用层1.3 IEC61850中的特定通信服务映射SCSM 表示层A-Profile由于IEC61850采用了抽象的建模技术，将应 会话层用和通信分离，信息模型及其服务不依赖于具体的 通信协议栈。为了实现具体的应用进程志之间的通传输层 IEC61850采用特定通信服务映射的方法，即信，网络层采用当前已经成熟的、流行的国际通信标准作为T-Profile数据链路层IEC61850的通信协议栈。IEC61850,8,1、 IEC61850,9,1和IEC61850,9,2规范了适应不物理层 同应用的各种特定通信协议栈。以后随着技术的发 展的网络通信水平的提高，还可以根据需要定义新图1 OSI参考模型和协议专规 的特定通信协议栈，而其信息模型及其相关鼓舞规Fig.1 OSI Reference Model and Profiles 范则不用变化，从而保证了IEC61850的相对稳定。 IEC61850根据不同的通信需求，共定义了四IEC61850的核心通信协议栈是映射到MMS,[3]种类型的特定通信协议栈: 共有2种映射方式，第一种是完全采用ISO/OSI的 – 核心ACSI 服务:核心ACSI服务(即客七层互连参考模型;第二种是其A-Profile依旧映射 户/服务器模型服务)采用了MMS作为到ISO/OSI互连模型的高三层，而其T-Profile则直 接映射到TCP/IP协议集的TCP。 Communication TCP/IP T-Profile OSI TCP/IP作为互联网上的通信标准，在实际应用规范 M/O 中已经成为事实上的国际标准，应用领域范围非常模型 名称 服务 协议 广泛，因此，将T-Profile映射到TCP/IP协议集，层 具有很高的现实意义，将极大的推广IEC61850的传输层 TCP之上的ISO传输RFC 1006 m 应用。 层 以下将着重介绍映射到TCP/IP协议集的称之Internet控制报文协议 RFC 792 m RFC1006”的MMS框架。 为“(ICMP) 传输控制协议 (TCP) RFC 793 m 2.2 A-Profile 网络层 Internet 协议 RFC 791 m 表1所表示的为IEC61850中的核心通信(客网络地址转换协议 RFC 826 (Address m 户/服务器模式)映射到MMS的A-Profile所采用Resolution 的各层协议与服务。 Protocol: ARP) 数据 通过ISO/IEC 802-3 RFC 894 m 表1 客户/服务器通信A-Profile的服务与协议 链路层 网络传输IP数据报标Tab.1 Service and protocols for client/server 准 Communication A-Profile 载波监听多路访问冲ISO/IEC m OSI 规范 M/O 突检测 (CSMA/CD) 8802-3:2000 模型 名称 服务 协议 物理层 Interface Connector ISO/IEC m 层 and 8877:1992 contact Assignments ISO ISO 应用制造报m for 9506-1:2000 9506-2:2000 层 文规范 ISDN Basic Access ISO/IEC ISO/IEC 关联控m Interface 8649:1996 8650:1996 制服务Basic Optical Fiber IEC 60874-10 m 元素 Connector. ISO/IEC ISO/IEC 表示面向连m 需要注意的是上述2个Profile表中的“M/O8822:1994 8823-1:1994 层 接的表“列，表示的意思是该层规范是否必选或可选，从示 表中就可以很清楚的看到，IEC61850中的特定通ISO/IEC ISO/IEC 抽象语m 信服务映射MMS是完整的映射到ISO/OSI的七层8824-1:1998 8825:1998 法描述 互连参考模型。 ISO/IEC ISO/IEC 会话面向连m 在文章“基于IEC61850标准的变电站自动化8326:1996 8327-1:1996 层 接的会 [4]系统研究”(见电网技术2003年第10期)中图话 4 “IEC61850通信系统框架”所给出的那样，MMS2.3 T-Profile 作为应用层直接建立在作为网络层的TCP/IP之上， 采用这种通信框架所实现的MMS是肯定不能通过由于IEC61850在映射到MMS时，其T-Profle IEC61850的一致性测试的。希望国内在推广应用采用了两种映射模式。表2给出了IEC61850中的 IEC61850标准中，切勿理解错误，给实践带来错核心通信(客户/服务器模式)映射到MMS的 误的发展方向。 T-Profile采用TCP/IP协议集时的各层协议与服务 3 . IEC8150中应用的MMS模型及服务 规范。 3.1 概述 表2 客户/服务器通信TCP/IP T-Profile的服务MMS为了适应不同场合的应用需求，定义和与协议 规范了众多的信息模型及其服务，例如:虚拟制造Tab.2 Service and protocols for client/server 设备VMD、域(Domain)、程序(Program Invoation)、 变量(Variable)、日志(Journal)、文件(File)、LogicalNode:GetAllDataValues(读逻辑事件(Event)、信号(Semaphore)、操作站(Operator 节点的所有数据值) Station)等，应该说是一个非常庞大的协议集。而DATA:GetDataValues(读数据值) IEC61850在映射到MMS时，只是采用了其中的一RCB:GetBRCBValues;GetURCBValues部分模型及服务，即IEC61850采用了MMS的一(读报告控制块值) 个协议子集。下面将根据在IEC61850中用到MMSLCB:GetLCBValues(读日志控制块值);信息模型及其服务，作一一介绍。 GetLogStatusValues(读日志状态值) SGCB: GetSGValues(读设置组值); 3.2 虚拟制造设备VMD GetSGCBValues(读设置组控制块值) VMD可以看作是MMS其他对象的容器，因CONTROL:Select(选择) 为诸如变量、域、日志、文件都被包含在VMD中，Substitute:GetDataValues(读数据值) 它提供状态Status、主动报告状态UnsolicitedStatus、(2)、MMS:Write(写) 识别Identify等服务，也提供获取名称列表IEC61850: GetNameList和更改名称Rename服务来获得、管DATA: SetDataValues(设置数据值) 理和维护定义在VMD内的对象。 RCB: SetBRCBValues; SetURCBValues IEC61850中的服务器类(Server Class)类模(设置报告控制块值) 型映射到MMS的虚拟制造设备VMD。在ServerLCB: SetLCBValues(设置日志控制块类中用到的与VMD有关的服务主要有: 值) MMS:GetNameList(获取VMD中的对象列SGCB:SelectActiveSG(选择激活设置表) 组);SelectEditSG(选择编辑设置组); IEC61850:GetServerDirectory(读服务器目录) SetSGValues(设置设置组值); ConfirmEditSGValues(确认编辑设置组值); 3.3 域Domain CONTROL:SelectWithValue(带值选择);是MMS用来管理VMD内的执行模式的对象，Cancel(取消);Operate(执行);它代表的VMD设备内的一些资源，这种资源可以TimeActivedOperate(时间激活操作) 是连续的无类型数据块，通常指的是内存区。 Substitute:SetDataValues(设置数据值) IEC61850中的逻辑设备类(LogicalDevice (3)、MMS:GetNamedVariableAccessAttributes(获Class)映射到MMS的域模型。在IEC61850中的取命名变量访问属性) 逻辑设备中用到的与域有关的服务主要有: IEC61850:GetDataDirectory(读数据目录) MMS:GetNameList(获取Domain中的对象(4)、MMS:InformationReport(信息报告) 列表) IEC61850:Report(报告) IEC61850:GetLogicalDeviceDirectory(读逻辑 3.5 命名变量列表NamedVariableList 设备目录) 为了成组的访问变量，MMS定义了命名变量3.4 命名变量NamedVariable 列表的对象，来提供快捷的访问方式。MMS的客MMS提供了丰富而灵活的基于网络上的变量户端可以通过读/写一个命名变量列表，来访问命名信息交换框架。MMS的变量既可以是简单类型的，变量里的多个变量。由于命名变量列表中的各个变如整型、布尔型、浮点型、字符串等;也可以是复量各不相干，因此，客户端在接收到服务器端的读杂数据类型，例如数组和结构。 写响应时，必须作相关的访问成功与否检查。 IEC61850中的逻辑节点类(LogicalNode IEC61850中的数据集DataSet类映射到MMSClass)、数据类(DATA Class)、报告控制块(RCB)、的命名变量列表。与命名变量列表相关的服务如日志控制块(LCB)、设置组控制块(SGCB)、下: CONTROL等都映射到MMS的命名变量，与访问(1)、MMS:Read(读) 和管理命名变量的服务主要有: IEC61850:GettDataSetValues(读数据集值) (1)、MMS:Read(读) (2)、MMS: Write(写) IEC61850: IEC61850: SetDataSetValues(设置数据集值) IEC61850:Abort(异常终止) (3)、MMS:GetNamedVarableListAttributes(读命4 . MMS的通信服务流程分析 名变量列表属性) 4.1 概述 IEC61850:GetDataSetDirectory(读数据集目 MMS将网络上通信的2个节点之间的关系定录) 义为网络应用和设备间的客户/服务器3.6 日志Journal (Client/Server)关系。服务器Server是一个包含 日志Journal是MMS中定义的一个命名对象，VMD和他的对象(变量)的应用或设备。客户是代表一个基于时标的记录、Log或数据。日志中的一个网络化应用(或设备)询问来自服务器的数据每个条目可以包含一个事件的状态、变量的值或者和向服务器发出命令。因此可以说，客户是一个执字符串数据。应用日志可以实时记录事件的发生、行MMS服务请求到服务器的网络实体;服务器是数据的变化等，从而便于日后的离线的数据、事件一个响应客户的MMS请求的网络实体。 查看和分析。日志的服务是建立、读取、删除和清MMS的客户/服务器互相交互是通过在网络上除(全部或部分)。 发送/接收请求、指示、响应和确认服务源语来实现 IEC61850中的记录类Log映射到MMS的日的。MMS的通信服务流程可以划分成2种类型，志Jouranl，与日志有关的服务如下: 带确认的服务类型和不带确认的服务类型。 MMS:ReadJournal 4.2 带确认的服务 IEC61850:QueryLogByTime(按时间查询记 MMS的确认服务流程如下: 录);QueryLogByEntry(按条目查询记录) 1) 客户发送一个请求。 3.7 文件File 2) 服务器接收到一个指示。 MMS的文件对象提供了一组简单的传输、改) 服务器执行相关动作。 3 名和删除VMD内的文件等服务。文件目录服务能4) 如果动作执行成功服务器发送肯定回答，如果获得有效文件的列表。 出错发送否定回答。 IEC61850中的文件File类映射到MMS的文5) 客户收到确认肯定或否定回答。 件，与文件有关的服务如下: 请求Request (1)、MMS:FileOpen(文件打开), FileRead(文 指示Indication 客户端 件读取), FileClose(文件关闭) Client IEC61850:GetFile(读文件) 服务器端 (2)、MMS:ObtainFile(得到文件) Server IEC61850:SetFile(设置文件) 确认Confirm (3)、MMS:FileDirectory(文件目录) IEC61850:GetFileAttributeValue(读文件属性 响应Response 值) 图2 带确认的服务 3.8 上下文Context Fig.2 Confirmed Service MMS中的上下文Context模型提供了一组服4.3 不确认的服务 务机制，用来管理网络上的2个MMS节点之间建 立和终止应用关联，并且处理协议通信中的错误。 一个由服务器发送的不确认服务仅由请求和指示 IEC61850中的Association模型映射到MMS服务原语(信息报告、主动状态)。 的上下文Context，与Context有关的服务主要有: (1)、MMS:Initiate(初始化) IEC61850:Associate(关联) 客户端 服务器端 (2)、MMS:Conclude(终止) Client Server IEC61850:Release(释放) 指示Indication 请求Request (3)、MMS:Abort(异常终止) Confirmed-RequestPDU, 图2 非确认的服务 confirmed-ResponsePDU [1] IMPLICIT Fig.2 Unconfirmed Service Confirmed-ResponsePDU, confirmed-ErrorPDU [2] IMPLICIT 5 . 协议数据单元PDU的实现 网络上的2个节点之间的数据访问是通过协议Confirmed-ErrorPDU, 数据单元(PDU，Protocol Data Unit)来实现的。MMSunconfirmed-PDU [3] IMPLICIT 标准中规范的PDU采用ASN.1编码规范。 Unconfirmed-PDU, rejectPDU [4] IMPLICIT 5.1 ASN.1编码规范 RejectPDU, 实现MMS(Manufacturing Message cancel-RequestPDU [5] IMPLICIT Specification)协议是61850标准的关键之一。Cancel-RequestPDU, MMS的实现的一个核心问是协议数据单元的编码cancel-ResponsePDU [6] IMPLICIT /解码技术。 Cancel-ResponsePDU, 在描述MMS的协议数据单元时，描述语言采用cancel-ErrorPDU [7] IMPLICIT 了ASN.1(Abstract Syntax Notation One， Cancel-ErrorPDU, [5]ISO/IEC 8824-1:1998)。与以前常用的许多initiate-RequestPDU [8] IMPLICIT SCADA协议不同，使用ASN.1来描述通信PDU，消Initiate-RequestPDU, 除了普通语言易于导致的歧义性。由于ASN.1的中initiate-ResponsePDU [9] IMPLICIT 立性，不依赖于具体的计算机平台(如Intel、Initiate-ResponsePDU, Motorola、VAX和RISC)，使得在不同的计算机平initiate-ErrorPDU [10] IMPLICIT 台之间交换数据时，遵循着相同的编码规则和传输Initiate-ErrorPDU, 格式，从而使得异构平台之间的交换数据成为可conclude-RequestPDU [11] IMPLICIT 能。 Conclude-RequestPDU, 因此，从开发的角度来说，由于ASN.1描述的conclude-ResponsePDU [12] IMPLICIT 清晰性和中立性，不仅使得人工编码/解码工作变Conclude-ResponsePDU, 得简单，而且使得计算机自动编码/解码成为可能。conclude-ErrorPDU [13] IMPLICIT 实质上，A-Profile中的表示层、应用层协议规范Conclude-ErrorPDU 都采用ASN.1编码。 } ASN.1定义的编码规范遵循着标记TAG、长度在PDU的描述中，关键字“CHOICE”表示 [6]LENGTH、值VALUE的格式。 MMS的PDU是大括号中的信息体之一。 在每个PDU的描述行，第一个字段代表该 PDU的名字(例如:“confirmed-RequestPDU”);标记长度值 第二个字段如“[0]”，表示的是该类型PDU的标记TAG LENGTH VALUE TAG;而最后一个字段“Confirmed-RequestPDU”标记TAG:描述编码信息体所代表的ASN.1 则说明命名为“confirmed-RequestPDU”PDU的类的信息类型。 型是带确认的服务请求。 长度LENGTH:代表编码信息体的值的八位位 而有关“Confirmed-RequestPDU”的结构体，组的个数。 需要继续采用ASN.1规范进行详细的描述。本值VALUE:实际的信息体值或内容。 不再作详细举例说明。所有的MMSPDU都可以在5.2 协议数据单元的结构 MMS标准的第二部分中查找到。 应用ASN.1规范描述的MMS协议数据单元的5.3 RFC1006规范 [7]结构如下: RFC1006规范的目的是为了在TCP/IP协议集MMSpdu ::= CHOICE 之上实现或支持ISO/OSI7层互连模型中的高三层{ 通信协议。 confirmed-RequestPDU [0] IMPLICIT 实现RFC1006规范是要在TCP/IP网络socket[2]. ISO 9506-1:2003 Industrial automation systems – 编程的基础上，增加对ISO传输层信息报文的描Manufacturing Message Specification – Part 1: 述。在RFC1006的规范中，TCP(或socket)通信Service definition 是位于ISO传输层之下。 [3]. IEC 61850-8-1 Communication networks and [8]RFC1006的编码规范如下: systems in substations –Specific communication service mapping (SCSM) – Mapping to MMS(ISO/IEC 8位位8位位8位位组3~4 8位位组 9506 Part 1 and Part 2) and to ISO/IEC 8802-3 组1 组2 4,n [4]. 吴在军(Wu Zaijun)，胡敏强(Hu Minqiang):版本,保留 报文长度，ISO传输ISO传输 基于IEC61850标准的变电站自动化系统研究3 层报文长度，4 层报文 (Research on substation automation system based on 5.4 动态内存管理技术 IEC61850)[J]. 电网技术(Power System Technology), IEC61850中要求对象的自我描述，在通信过2003,27(10):62-65 程中由大量的相关信息需要动态生成，这必然对内[5]. ISO/IEC 8824-1:1998/Amd 2:2000 ASN.1 存管理技术提出了很大的要求。常规的内存管理技Semantic Model 术是直接调用内存申请服务(如ANSI C中的[6]. ISO/IEC 8825-1:1998 Information technology – Malloc调用)来获取需要的内存空间，通过调用Abstract Syntax Notation One (ASN.1) – Part 1: Free来释放已获取的内存空间。IEC61850的特定Specification of Basic Encoding Rules (BER), Canonical 通信栈都需要由大量的数据要保存，并且所需的空Encoding Rules (CER) and Distinguished Encoding 间相对不大。如果采用常规内存管理技术，申请空Rules (DER) 间本身的执行时间和由此造成的内存碎片将会大[7]. ISO 9506-2:2003 Industrial automation 大降低系统的可靠性和运行速度。 systems – Manufacturing Message Specification – 在MMS通信协议栈的开发过程中，采用了一Part 2: Protocol specification 种称之为“NibbleMemory”的动态内存管理技术。[8]. RFC 1006 ISO transport services on top of TCP: 这种技术的特点是事先分配一块相当数量的内存Version 3; 区域，只要所需的内存没有超出该内存块的大小，[9]. IEC 61850-7-2 Communication networks and 就可以直接在该内存中使用，在该内存块不够用systems in substations –Basic communication 时，再申请同样大小的内存区域。这样在释放内存structure for substation and feeder equipment – 时，采用统一释放的方法，减少了内存的碎片，保Abstract communication service interface (ACSI) 证了系统的可靠运行。 6 . 结束语 作者简介 IEC61850标准规范了未来的变电站自动化系李永亮(1969,)，男，工学硕士，高级工程师， 统的体系结构，它的实施必将给我国的变电站自动主要从事变电站自动化系统及其相关国际标准的 化水平带来巨大的推动作用。由于采用抽象的建模研发工作。 技术，将具体的应用和通信分离，从而保证了标准 的延续性和一致性。其核心特定通信服务映射到 MMS，MMS是实现IEC61850标准的关键技术之 一。 本论文就IEC61850的特定通信协议栈MMS 基于TCP/IP的协议框架，进行了详细的描述和分 析，并分析和介绍了MMS的协议数据单元的结构、 编码规范以及实现的关键技术等。 参考文献 [1]. IEC 61850-1 Communication networks and systems in substations –Introduction and overview