基于acsimms网关的远动通信模型研究

基于acsimms网关的远动通信模型研究

0与算例2:第4款iec6550通信网络、系统与变电站之间的互联互通是唯一的通信方案,进展之一远程能源通信系统与所采用的通信标准密切相关。目前，主要用于能源效率低下的能源效率低下传输的合同包括cdt、绑架、iec60790-5-101、14、iec60790-6（tase.2）和各种私营关系。CDT和POLLING规约都是采用的传统的串行工作方式,为低速网络设计,并且采用点到点的电路交换方式进行数据传输,独占通信信道,已经不能满足电力远动通信的要求。IEC60870-5-101/104是采用面向字符标志的传输协议,主要考虑具体设备的数据格式的统一,其数据传送效率不高,可用性不强、信息发布量小及各子系统间缺乏有机联系。IEC60870-6(TASE.2)也可作为RTU和调度中心之间的网络传输协议,但在性能上不能完全满足要求,而且比较复杂,价格较高并且在和变电站自动化系统其他部分的无缝连接方面存在问题。由于各厂商互相竞争推出各自的解决方案,导致目前各种通信协议并存的局面。不同厂家的各种设备甚至同一厂家生产的不同设备之间也不能直接通信,其可维护性、扩展性、适应性都受到严重的挑战。IECTC57所制定的变电站通信网络与系统IEC61850标准采用分层分布式体系、面向对象建模、抽象服务接口(AbstractCommunicationServiceInterface,ACSI)、制造报文规范(ManufacturingMessageSpecification,MMS)和基于XML的变电站配置描述语言(SubstationConfigurationLanguage,SCL)等新思想与新技术,将是变电站(RTU或者变电站自动化系统)到控制中心的唯一通信协议。IEC61850不应仅仅局限于变电站内部,还应向远动系统扩展,IECTC57正在积极开展工作:IEC62445-1(变电站之间使用IEC61850进行通信)、IEC62445-2(控制中心与变电站之间使用IEC61850进行通信)以及IEC62445-3(IEC61850与IEC60870-5-104/101之间的映射)等标准正在制定过程中,这些标准一旦制定发布必将打破电力远动的传统体系结构和传输模式,在变电站之间、变电站与控制中心之间采用IEC61850进行通信,替换现有的设备和规约。但是,目前现有电力远动的实际情况是大量各种传统设备和规约并存,若对它们进行整体替换,要把变电站内大部分能正常工作的设备都替换下来,代价高昂,对现有资源是一种极大的浪费。因此,在IEC61850标准下架构真正切实可行的电力远动通信体系结构,特别是在现有条件下,解决原有系统与IEC61850新系统的兼容问题是一个迫切需要解决的问题,否则必将阻碍IEC61850在电力远动甚至变电站自动化中的推广与应用。1减少工作量,节约投资本文给出了基于ACSI/MMS网关的远动通信模型,使现有设备和协议正常运行,无须进行替换,可以减少工作量并节省投资,是实现现有系统到IEC61850系统之间平稳过渡的一个可行的方法,如图1所示。1.1数据系统的体系结构IEC61850标准提出了变电站内信息分层的概念,无论从逻辑概念上还是从物理概念上,都将变电站的通信体系分为3个层次,即变电站层、间隔层和过程层,并且定义了层和层之间的通信接口,由于远动系统需要实现与远方控制中心的数据传输,因此作为遵循IEC61850的远动系统的体系结构广义上分为4层:控制中心层、变电站层、间隔层和过程层,其中:过程层完成开关量I/O、模拟量采样和控制命令的发送等与一次设备相关的功能;间隔层利用本间隔的数据对本间隔的一次设备产生作用;变电站层除了对多个间隔或全站的一次设备进行监视和控制以外,还要提供与远方控制中心、远方监视和维护工程师站及当地人机接口的通信,其功能将扩展到设备在线监测、电能计费系统、部分配电自动化、无功自动补偿和遥视等;控制中心层实现图形界面、前置通信、XML应用、分布式应用以及EMS高级分析与应用等。1.2数据传输和视频交换在变电站层和间隔层之间的网络采用基于TCP/IP的以太网或光纤网,将抽象通信服务接口映射到制造报文规范进行服务数据的实时传送,将通用面向对象变电站事件映射到ISO/IEC8802进行快速可靠的数据传输;在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网,实现模拟量采样;变电站到控制中心之间采用SDH或光纤网,控制中心的IEC61850客户端与站内的智能电子设备(IntelligentElectronicDesign,IED)直接进行数据的交换。这样,调度主机、IED、测控单元和继电保护均采用统一的协议,通过网络进行直接、快速、准确、自由的信息交换。1.3联系式监控MMS是一套用于工业控制系统的应用层通信协议,在互连的设备或计算机应用间进行实时数据和监控信息交换。在该模型中,采用制造报文规范作为底层的实时通信协议,由于该规范独立于应用功能的具体实现,使不同设备制造商和应用开发商的产品之间具有互操作性,可以很好地满足电力远动通信中对实时性的要求,并且系统集成更为容易、方便。1.4opc服务器今后较长时间内将是非IEC61850系统和IEC61850系统共存的过渡时期。在这个过渡阶段,为了实现现有的远动系统到IEC61850系统的平稳过渡,采用通信网关是一个可行的方法。ACSI/MMS远动网关可以位于控制中心侧,在通信模型中充当IEC61850/MMS客户端、OPC(OLEforProcessControl,OPC)服务器以及协议转换器等多种角色,为OPC客户端提供OPC服务,为非IEC61850的SCADA系统提供IEC61850到传统远动规约的转换,并与变电站内的ACSI/MMS远动网关或IEC61850IED进行实时数据的交换。OPC标准是目前工业界广泛使用的基于COM标准的编程接口,OPC服务器由服务器对象、数据组对象和数据项对象构成,将ACSI/MMS对象映射到OPC的数据项对象,可以使支持OPC的SCADA系统无须改动就可以实现对IEC61850的支持。ACSI/MMS远动网关也可以位于变电站层,充当IEC61850/MMS服务器,为控制中心提供ACSI/MMS的数据模型与通信服务,还可以作为XMLWeb服务器,提供非实时的数据交换,实现变电站通信设施和IED的在线配置与维护,降低系统的维护成本,并将CDT,IEC60870-5-101/104和IEC60870-5-103等协议转换为IEC61850协议,对现有变电站的通信设备无须修改,工程实现容易。2协议接口软件架构ACSI/MMS网关是远动通信模型的核心,由协议转换器、MMS服务提供者、MMS协议机、ACSI/MMS服务接口、OPC服务器和XMLWeb服务器等构成,其软件结构如图2所示。2.1面向对象的、分层和立体的模型非IEC61850协议的数据模型都是面向信号的,对IED的信息描述都是以点表的形式,从逻辑上来看都是线性和平面的,而IEC61850的数据模型是面向对象的、分层和立体的。因此将传统远动协议转化为IEC61850协议,首先是一个从IEC60870-5-101/104所定义的应用服务数据单元(ASDU)的线性信息(类型标识符、可变结构限定词、传送原因、应用服务数据单元公共地址和功能类型等)到IEC61850中面向对象信息(服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据对象和数据属性等)的转化过程,其次,将IEC60870-5-101/104等规约的服务映射到ACSI服务。2.2acsi服务是一种独立的网络IEC61850总结了电力生产过程特点和要求,归纳出电力系统所必需的信息传输的网络服务,采用抽象建模方法设计出ACSI,它独立于具体的网络应用层协议,和采用的网络无关。ACSI服务是一种抽象通信服务,必须将其映射到具体的通信服务,对携带服务参数的报文格式和编码规则以及其网络传输方式加以定义,才可以用于实际的信息交换过程。MMS定义了一套标准的服务,任何MMS用户使用相同的服务进行交互,从而实现互操作性。2.3基础部分mms服务MMS客户和服务器间的原语交换是通过MMS服务提供者来实现。MMS服务提供者是ACSI/MMS网关的基础部分,它接收MMS服务请求,并将请求发送到适当的对象,由对象启动相应的服务;反之将服务响应发送到相关的MMS客户。当服务请求到达时,首先创建一个事务对象,然后进行服务执行条件检测,如果不满足立即执行的条件,则将该事务对象放入任务队列,继续处理其他到来的服务,MMS服务提供者的核心为MMS协议机。2.4数据处理和编解码MMS协议机的设计采用分层的思想,将整个协议机按照运输层、会话层,表示层、关联控制服务元素(AssociationControlServerElement,ACSE)层和MMS层分发为若干个动态链接库,采用动态链接库技术可以提高开发效率,便于扩展。一方面,MMS协议机根据MMS服务提供者发来的MMS服务原语及参数构造相应的MMS协议数据单元,并对其编码映射为ACSE或表示层服务原语的用户数据。另一方面,MMS协议机对收到的MMS协议数据单元进行解码后向MMS服务提供者传递相应的服务原语和参数,同时负责差错检查和处理。MMS采用ASN.1作为其数据结构定义描述工具。ASN.1是一种标准的抽象语法定义描述语言,与平台和编程语言无关,提供了丰富的数据结构包括布尔型、整型、实型、位串类型、八位位组类型、枚举类型、空类型和对象标识符类型等,并提供灵活的扩展机制来构造新的数据类型,MMS主要使用序列类型、同类序列类型和选择类型等构造相关数据结构。ASN.1基本编码规则(BasicEncodingRule,BER)是一种传输语法,它可以把复杂的用抽象语法描述的数据结构表示成简单的数据流,从而便于在通信线路上传送。ASN.1BER编码采用八位位组作为基本传送单位,对数据值的编码由三部分组成,即标识符(Identifieroctets)(又称标签(Tag))、长度(Lengthoctets)和内容(Value),一般称为ASN.1编码的TLV结构,标签用来区分类型和负责内容的解释;长度用来说明内容的长度;内容是数据单元的实体,包括了数据单元中准备传送的主要信息。表1给出了本文所实现的MMSRead协议数据单元(ProtocolDataUnit,PDU)的ASN.1描述及其BER编码的一个实例。为了实现对各数据类型编、解码函数的封装,利用面向对象程序设计语言中多态的特性,结合BER规则来实现编解码过程,将ASN.1表示的各种数据类型映射到C++的类。这样转化后的类中除了包含对应的ASN.1类型的数据结构,还封装了相应的编、解码方法。简单数据类型的编/解码函数相对简单,对于构造数据类型通过递归调用其构造成员的编/解码函数,生成其本身的编/解码函数。3基于点表的模拟本研究采用本文提出的上述基于ACSI/MMS网关的远动通信模型,在实验室构建了一个电力远动通信的原型系统,其软件系统由以下几个部分构成:ACSI/MMS远动网关、SCL配置工具以及SCADA图形软件等。ACSI/MMS网关一方面模拟变电站内通信机:使用SCL配置工具将传统远动的点表转化为XML的配置文件,随后使用XercesC++解析器,把XML文件解析转化为符合IEC61850-6的C++类,并进行实例化,使其映射成MMS的对象,模拟主站与子站RTU连接,通过遥测、遥信和遥控的测试结果表明:上行帧(包括插入帧)的接受与解析正确无误,下行帧的控制与执行准确及时。ACSI/MMS网关另一方面模拟调度中心内通信机:通过电缆调制解调器接入校园网与变电站内的ACSI