基于acsimms網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)動通信模型研究

基于acsimms網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)動通信模型研究

0與算例2:第4款iec6550通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)與變電站之間的互聯(lián)互通是唯一的通信方案,進(jìn)展之一遠(yuǎn)程能源通信系統(tǒng)與所采用的通信標(biāo)準(zhǔn)密切相關(guān)。目前，主要用于能源效率低下的能源效率低下傳輸?shù)暮贤╟dt、綁架、iec60790-5-101、14、iec60790-6（tase.2）和各種私營關(guān)系。CDT和POLLING規(guī)約都是采用的傳統(tǒng)的串行工作方式,為低速網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),并且采用點(diǎn)到點(diǎn)的電路交換方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,獨(dú)占通信信道,已經(jīng)不能滿足電力遠(yuǎn)動通信的要求。IEC60870-5-101/104是采用面向字符標(biāo)志的傳輸協(xié)議,主要考慮具體設(shè)備的數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一,其數(shù)據(jù)傳送效率不高,可用性不強(qiáng)、信息發(fā)布量小及各子系統(tǒng)間缺乏有機(jī)聯(lián)系。IEC60870-6(TASE.2)也可作為RTU和調(diào)度中心之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議,但在性能上不能完全滿足要求,而且比較復(fù)雜,價(jià)格較高并且在和變電站自動化系統(tǒng)其他部分的無縫連接方面存在問題。由于各廠商互相競爭推出各自的解決方案,導(dǎo)致目前各種通信協(xié)議并存的局面。不同廠家的各種設(shè)備甚至同一廠家生產(chǎn)的不同設(shè)備之間也不能直接通信,其可維護(hù)性、擴(kuò)展性、適應(yīng)性都受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。IECTC57所制定的變電站通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)采用分層分布式體系、面向?qū)ο蠼！⒊橄蠓?wù)接口(AbstractCommunicationServiceInterface,ACSI)、制造報(bào)文規(guī)范(ManufacturingMessageSpecification,MMS)和基于XML的變電站配置描述語言(SubstationConfigurationLanguage,SCL)等新思想與新技術(shù),將是變電站(RTU或者變電站自動化系統(tǒng))到控制中心的唯一通信協(xié)議。IEC61850不應(yīng)僅僅局限于變電站內(nèi)部,還應(yīng)向遠(yuǎn)動系統(tǒng)擴(kuò)展,IECTC57正在積極開展工作:IEC62445-1(變電站之間使用IEC61850進(jìn)行通信)、IEC62445-2(控制中心與變電站之間使用IEC61850進(jìn)行通信)以及IEC62445-3(IEC61850與IEC60870-5-104/101之間的映射)等標(biāo)準(zhǔn)正在制定過程中,這些標(biāo)準(zhǔn)一旦制定發(fā)布必將打破電力遠(yuǎn)動的傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和傳輸模式,在變電站之間、變電站與控制中心之間采用IEC61850進(jìn)行通信,替換現(xiàn)有的設(shè)備和規(guī)約。但是,目前現(xiàn)有電力遠(yuǎn)動的實(shí)際情況是大量各種傳統(tǒng)設(shè)備和規(guī)約并存,若對它們進(jìn)行整體替換,要把變電站內(nèi)大部分能正常工作的設(shè)備都替換下來,代價(jià)高昂,對現(xiàn)有資源是一種極大的浪費(fèi)。因此,在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)下架構(gòu)真正切實(shí)可行的電力遠(yuǎn)動通信體系結(jié)構(gòu),特別是在現(xiàn)有條件下,解決原有系統(tǒng)與IEC61850新系統(tǒng)的兼容問題是一個迫切需要解決的問題,否則必將阻礙IEC61850在電力遠(yuǎn)動甚至變電站自動化中的推廣與應(yīng)用。1減少工作量,節(jié)約投資本文給出了基于ACSI/MMS網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)動通信模型,使現(xiàn)有設(shè)備和協(xié)議正常運(yùn)行,無須進(jìn)行替換,可以減少工作量并節(jié)省投資,是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)到IEC61850系統(tǒng)之間平穩(wěn)過渡的一個可行的方法,如圖1所示。1.1數(shù)據(jù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)提出了變電站內(nèi)信息分層的概念,無論從邏輯概念上還是從物理概念上,都將變電站的通信體系分為3個層次,即變電站層、間隔層和過程層,并且定義了層和層之間的通信接口,由于遠(yuǎn)動系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)方控制中心的數(shù)據(jù)傳輸,因此作為遵循IEC61850的遠(yuǎn)動系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)廣義上分為4層:控制中心層、變電站層、間隔層和過程層,其中:過程層完成開關(guān)量I/O、模擬量采樣和控制命令的發(fā)送等與一次設(shè)備相關(guān)的功能;間隔層利用本間隔的數(shù)據(jù)對本間隔的一次設(shè)備產(chǎn)生作用;變電站層除了對多個間隔或全站的一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制以外,還要提供與遠(yuǎn)方控制中心、遠(yuǎn)方監(jiān)視和維護(hù)工程師站及當(dāng)?shù)厝藱C(jī)接口的通信,其功能將擴(kuò)展到設(shè)備在線監(jiān)測、電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、部分配電自動化、無功自動補(bǔ)償和遙視等;控制中心層實(shí)現(xiàn)圖形界面、前置通信、XML應(yīng)用、分布式應(yīng)用以及EMS高級分析與應(yīng)用等。1.2數(shù)據(jù)傳輸和視頻交換在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用基于TCP/IP的以太網(wǎng)或光纖網(wǎng),將抽象通信服務(wù)接口映射到制造報(bào)文規(guī)范進(jìn)行服務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳送,將通用面向?qū)ο笞冸娬臼录成涞絀SO/IEC8802進(jìn)行快速可靠的數(shù)據(jù)傳輸;在間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)采用單點(diǎn)向多點(diǎn)的單向傳輸以太網(wǎng),實(shí)現(xiàn)模擬量采樣;變電站到控制中心之間采用SDH或光纖網(wǎng),控制中心的IEC61850客戶端與站內(nèi)的智能電子設(shè)備(IntelligentElectronicDesign,IED)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。這樣,調(diào)度主機(jī)、IED、測控單元和繼電保護(hù)均采用統(tǒng)一的協(xié)議,通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行直接、快速、準(zhǔn)確、自由的信息交換。1.3聯(lián)系式監(jiān)控MMS是一套用于工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用層通信協(xié)議,在互連的設(shè)備或計(jì)算機(jī)應(yīng)用間進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息交換。在該模型中,采用制造報(bào)文規(guī)范作為底層的實(shí)時通信協(xié)議,由于該規(guī)范獨(dú)立于應(yīng)用功能的具體實(shí)現(xiàn),使不同設(shè)備制造商和應(yīng)用開發(fā)商的產(chǎn)品之間具有互操作性,可以很好地滿足電力遠(yuǎn)動通信中對實(shí)時性的要求,并且系統(tǒng)集成更為容易、方便。1.4opc服務(wù)器今后較長時間內(nèi)將是非IEC61850系統(tǒng)和IEC61850系統(tǒng)共存的過渡時期。在這個過渡階段,為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的遠(yuǎn)動系統(tǒng)到IEC61850系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡,采用通信網(wǎng)關(guān)是一個可行的方法。ACSI/MMS遠(yuǎn)動網(wǎng)關(guān)可以位于控制中心側(cè),在通信模型中充當(dāng)IEC61850/MMS客戶端、OPC(OLEforProcessControl,OPC)服務(wù)器以及協(xié)議轉(zhuǎn)換器等多種角色,為OPC客戶端提供OPC服務(wù),為非IEC61850的SCADA系統(tǒng)提供IEC61850到傳統(tǒng)遠(yuǎn)動規(guī)約的轉(zhuǎn)換,并與變電站內(nèi)的ACSI/MMS遠(yuǎn)動網(wǎng)關(guān)或IEC61850IED進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)的交換。OPC標(biāo)準(zhǔn)是目前工業(yè)界廣泛使用的基于COM標(biāo)準(zhǔn)的編程接口,OPC服務(wù)器由服務(wù)器對象、數(shù)據(jù)組對象和數(shù)據(jù)項(xiàng)對象構(gòu)成,將ACSI/MMS對象映射到OPC的數(shù)據(jù)項(xiàng)對象,可以使支持OPC的SCADA系統(tǒng)無須改動就可以實(shí)現(xiàn)對IEC61850的支持。ACSI/MMS遠(yuǎn)動網(wǎng)關(guān)也可以位于變電站層,充當(dāng)IEC61850/MMS服務(wù)器,為控制中心提供ACSI/MMS的數(shù)據(jù)模型與通信服務(wù),還可以作為XMLWeb服務(wù)器,提供非實(shí)時的數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)變電站通信設(shè)施和IED的在線配置與維護(hù),降低系統(tǒng)的維護(hù)成本,并將CDT,IEC60870-5-101/104和IEC60870-5-103等協(xié)議轉(zhuǎn)換為IEC61850協(xié)議,對現(xiàn)有變電站的通信設(shè)備無須修改,工程實(shí)現(xiàn)容易。2協(xié)議接口軟件架構(gòu)ACSI/MMS網(wǎng)關(guān)是遠(yuǎn)動通信模型的核心,由協(xié)議轉(zhuǎn)換器、MMS服務(wù)提供者、MMS協(xié)議機(jī)、ACSI/MMS服務(wù)接口、OPC服務(wù)器和XMLWeb服務(wù)器等構(gòu)成,其軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。2.1面向?qū)ο蟮摹⒎謱雍土Ⅲw的模型非IEC61850協(xié)議的數(shù)據(jù)模型都是面向信號的,對IED的信息描述都是以點(diǎn)表的形式,從邏輯上來看都是線性和平面的,而IEC61850的數(shù)據(jù)模型是面向?qū)ο蟮?、分層和立體的。因此將傳統(tǒng)遠(yuǎn)動協(xié)議轉(zhuǎn)化為IEC61850協(xié)議,首先是一個從IEC60870-5-101/104所定義的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元(ASDU)的線性信息(類型標(biāo)識符、可變結(jié)構(gòu)限定詞、傳送原因、應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元公共地址和功能類型等)到IEC61850中面向?qū)ο笮畔?服務(wù)器、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)屬性等)的轉(zhuǎn)化過程,其次,將IEC60870-5-101/104等規(guī)約的服務(wù)映射到ACSI服務(wù)。2.2acsi服務(wù)是一種獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)IEC61850總結(jié)了電力生產(chǎn)過程特點(diǎn)和要求,歸納出電力系統(tǒng)所必需的信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)服務(wù),采用抽象建模方法設(shè)計(jì)出ACSI,它獨(dú)立于具體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議,和采用的網(wǎng)絡(luò)無關(guān)。ACSI服務(wù)是一種抽象通信服務(wù),必須將其映射到具體的通信服務(wù),對攜帶服務(wù)參數(shù)的報(bào)文格式和編碼規(guī)則以及其網(wǎng)絡(luò)傳輸方式加以定義,才可以用于實(shí)際的信息交換過程。MMS定義了一套標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù),任何MMS用戶使用相同的服務(wù)進(jìn)行交互,從而實(shí)現(xiàn)互操作性。2.3基礎(chǔ)部分mms服務(wù)MMS客戶和服務(wù)器間的原語交換是通過MMS服務(wù)提供者來實(shí)現(xiàn)。MMS服務(wù)提供者是ACSI/MMS網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)部分,它接收MMS服務(wù)請求,并將請求發(fā)送到適當(dāng)?shù)膶ο?由對象啟動相應(yīng)的服務(wù);反之將服務(wù)響應(yīng)發(fā)送到相關(guān)的MMS客戶。當(dāng)服務(wù)請求到達(dá)時,首先創(chuàng)建一個事務(wù)對象,然后進(jìn)行服務(wù)執(zhí)行條件檢測,如果不滿足立即執(zhí)行的條件,則將該事務(wù)對象放入任務(wù)隊(duì)列,繼續(xù)處理其他到來的服務(wù),MMS服務(wù)提供者的核心為MMS協(xié)議機(jī)。2.4數(shù)據(jù)處理和編解碼MMS協(xié)議機(jī)的設(shè)計(jì)采用分層的思想,將整個協(xié)議機(jī)按照運(yùn)輸層、會話層,表示層、關(guān)聯(lián)控制服務(wù)元素(AssociationControlServerElement,ACSE)層和MMS層分發(fā)為若干個動態(tài)鏈接庫,采用動態(tài)鏈接庫技術(shù)可以提高開發(fā)效率,便于擴(kuò)展。一方面,MMS協(xié)議機(jī)根據(jù)MMS服務(wù)提供者發(fā)來的MMS服務(wù)原語及參數(shù)構(gòu)造相應(yīng)的MMS協(xié)議數(shù)據(jù)單元,并對其編碼映射為ACSE或表示層服務(wù)原語的用戶數(shù)據(jù)。另一方面,MMS協(xié)議機(jī)對收到的MMS協(xié)議數(shù)據(jù)單元進(jìn)行解碼后向MMS服務(wù)提供者傳遞相應(yīng)的服務(wù)原語和參數(shù),同時負(fù)責(zé)差錯檢查和處理。MMS采用ASN.1作為其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義描述工具。ASN.1是一種標(biāo)準(zhǔn)的抽象語法定義描述語言,與平臺和編程語言無關(guān),提供了豐富的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括布爾型、整型、實(shí)型、位串類型、八位位組類型、枚舉類型、空類型和對象標(biāo)識符類型等,并提供靈活的擴(kuò)展機(jī)制來構(gòu)造新的數(shù)據(jù)類型,MMS主要使用序列類型、同類序列類型和選擇類型等構(gòu)造相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。ASN.1基本編碼規(guī)則(BasicEncodingRule,BER)是一種傳輸語法,它可以把復(fù)雜的用抽象語法描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示成簡單的數(shù)據(jù)流,從而便于在通信線路上傳送。ASN.1BER編碼采用八位位組作為基本傳送單位,對數(shù)據(jù)值的編碼由三部分組成,即標(biāo)識符(Identifieroctets)(又稱標(biāo)簽(Tag))、長度(Lengthoctets)和內(nèi)容(Value),一般稱為ASN.1編碼的TLV結(jié)構(gòu),標(biāo)簽用來區(qū)分類型和負(fù)責(zé)內(nèi)容的解釋;長度用來說明內(nèi)容的長度;內(nèi)容是數(shù)據(jù)單元的實(shí)體,包括了數(shù)據(jù)單元中準(zhǔn)備傳送的主要信息。表1給出了本文所實(shí)現(xiàn)的MMSRead協(xié)議數(shù)據(jù)單元(ProtocolDataUnit,PDU)的ASN.1描述及其BER編碼的一個實(shí)例。為了實(shí)現(xiàn)對各數(shù)據(jù)類型編、解碼函數(shù)的封裝,利用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言中多態(tài)的特性,結(jié)合BER規(guī)則來實(shí)現(xiàn)編解碼過程,將ASN.1表示的各種數(shù)據(jù)類型映射到C++的類。這樣轉(zhuǎn)化后的類中除了包含對應(yīng)的ASN.1類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),還封裝了相應(yīng)的編、解碼方法。簡單數(shù)據(jù)類型的編/解碼函數(shù)相對簡單,對于構(gòu)造數(shù)據(jù)類型通過遞歸調(diào)用其構(gòu)造成員的編/解碼函數(shù),生成其本身的編/解碼函數(shù)。3基于點(diǎn)表的模擬本研究采用本文提出的上述基于ACSI/MMS網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)動通信模型,在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了一個電力遠(yuǎn)動通信的原型系統(tǒng),其軟件系統(tǒng)由以下幾個部分構(gòu)成:ACSI/MMS遠(yuǎn)動網(wǎng)關(guān)、SCL配置工具以及SCADA圖形軟件等。ACSI/MMS網(wǎng)關(guān)一方面模擬變電站內(nèi)通信機(jī):使用SCL配置工具將傳統(tǒng)遠(yuǎn)動的點(diǎn)表轉(zhuǎn)化為XML的配置文件,隨后使用XercesC++解析器,把XML文件解析轉(zhuǎn)化為符合IEC61850-6的C++類,并進(jìn)行實(shí)例化,使其映射成MMS的對象,模擬主站與子站RTU連接,通過遙測、遙信和遙控的測試結(jié)果表明:上行幀(包括插入幀)的接受與解析正確無誤,下行幀的控制與執(zhí)行準(zhǔn)確及時。ACSI/MMS網(wǎng)關(guān)另一方面模擬調(diào)度中心內(nèi)通信機(jī):通過電纜調(diào)制解調(diào)器接入校園網(wǎng)與變電站內(nèi)的ACSI