IEC 61850标准中ACSI映射实现研究

摘要：IEC 61850是下一代变电站的无缝通信标准，ACSI是IEC 61850规范的一套抽象通信服务接口，它的映射实现是IEC 61850应用的关键所在。针对IEC 61850具体应用中智能电子设备IED开发的目的，通过对ACSI与MMS(制造报文协议)技术特点的分析，构建ACSI映射实现的模型，设计ACSI到MMS映射实现的详细流程与方法，提出了ACSI实现框架三部分并与ACSI到XML的映射进行了比较。结果表明该研究为开发符合IEC 61850标准的变电站通信系统提供了技术依据。
关键词：IEC 61850；变电站自动化系统；ACSI MMS；IED；XML

0 引言
    IEC 61850是关于变电站自动化系统结构和数据通信的国际标准，目的是使变电站内不同厂家的智能电子设备(IED)之间通过一种标准实现互操作和信息共享，取消多种协议转换环节和转换设备，使系统调试更加便捷，实现“一个世界、一种技术、一个标准”。
    IEC 61850规约体系完善，相对于基于报文结构的传统规约，应用面向对象技术的IEC 61850有明显的特点和优势。它提出系统的分层结构，采用数据对象统一建模，将映射的方法和具体网络独立，提供基于SCL的系统配置管理，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。IEC 61850定义了抽象通信服务接口ACSI，它的作用在于约束厂家在装置实现通信中，对IED功能与涉及的数据进行标准化，以达到互操作。因此IEC 61850的应用关键就是抽象通信服务接口ACSI映射的实现。

1 ACSI概述
    ACSI(Abstract Communication Service Interface)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包括连接服务模型、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。
    为了保证ACSI的独立性以及适合未来的网络技术通信发展的变化，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。由于不同类型的SCSM之间无法直接互操作，所以标准目前只规范了到MMS的映射。

2 MMS简介
    MMS(Manufaeturing Message Specification)即ISO／IEC 9506，是ISO TC184提出在异构网络环境下，智能设备之间实现实时数据交换与监控的一套国际报文规范。MMS所提供的服务有很强的通用性，已经广泛运用于汽车制造，航空，化工、电力等工业自动化领域。
    MMS具有以下三大优势：实现互操作；实现独立；实现异构环境下数据访问。以往通信标准中提供的互操作，或者对网络连接、设备型号、功能的执行等做了过多限制或者规范的不足，直到MMS标准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标准并能实现相同功能的设备就可以进行替换，这种独立性还体现在网络连接和功能的实现上。MMS还实现了异构环境下的数据访问，以往大部分通信机制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，缺乏独立性，而MMS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。

3 ACSI映射实现模型
    实现IEC 61850的关键在于实现协议中规范的ACSI到MMS或其他中间件的映射。如图1所示。

    ACSl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，标准规定采用ASN．1的BER编码方式构造MMS PDU(MMS Protocol Data Units)。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。SCSM是具体的ACSI映射的实现，描述了映射实现的过程。

4 ACSI到MMS的映射
4．1 ACSI到MMS映射实现流程
    ACSI到MMS映射的实现是IEC 61850的核心所在。如图2所示，ACSI的设计主要分为三部分：第一部分是最上层应用层的ACSI的各个类的设计，先采用面向对象语言设计出ACSI服务与86个逻辑节点和公共数据类(见图3)，应用层数据的导入(可能来源于数据库、XML配置文件)，各个逻辑服务相映射，包括IEC 61850中报告机制、数据集、日志机制、GOOSE报文、定值更新、带选择控制等。第二部分是将应用层的服务语义与应用层的数据在表示层实现ASN．1的BER编码化，是一个编解码的部分，这一部分设计是关键所在，因为它涉及到实现设备的互操作，需要进行报文的一致性测试。第三部分是比特流报文在网络中的传输形式，分为TCP方式的面向关联与GOOSE报文与采样报文的UDP无连接方式。

4．2 ACSI到MMS映射实现方法
    MMS标准作为MAP(Manufacturing Automation Standard)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4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MXU$Volts$rang就获得访问MMXU逻辑节点中电压的范围这个属性值。
    MMS中采用ASN．1的基本编码规则(Basic Encoding Rules，BER)。ASN．1中定义了4种TAG类型，即UNlVERSAL，APPLICATION，CONTEXT-SPECIFIC，PRIVATE。在传输编码时，采用TLV(TAG Length Value)方式，即同时传递TAG、值的长度以及值。双方在接收与解析时就可以根据TLV方式进行编解码，编码和解码是一个相反的过程。采用ASN．1编码使得在异构的环境中设备双方可以理解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编码是如何实现与传输的。
    面向关联的MMS通信服务的具体实现如图5所示。这是一个接收信息的过程。首先侦听函数在接到通信数据流时通过管道命令通知主函数，主函数调用MMS的管理ACSE函数确认连接的合法性，确认获得授权后，调用读函数读入比特数据流，再经过MMSASN．1函数进行比特流的解码，同时处理连接，管理MMS的VMD域、变量、类型。在解码后根据特定应用层的应用对数据进行相应的处理。

    IEC 61850中ACSI的采用有利于用户通过直接查看配置文件或者得到其中的逻辑节点与数据了解装置的各个模块功能。因此，各厂家的抽象建模可能有所不同，同时现行的IEC 61850标准在制定方面因为缺乏中国的参与，在很多数据与逻辑节点的定义中尚需要根据我国保护自身情况进行扩展。在扩展中应该尽量做到不扩展逻辑节点，扩展数据的时候扩展名加Ex长度限制在7位。
4．3 ACSI映射到MMS与映射到XML的比较
    IEC 61850标准中暂时只规定了映射到MMS，但同时指出了映射到其他可能性，比如XML。XML作为一种异构的处理技术，它可以与HTTP的服务相结合。如图6所示。

    从图6可以看出，ACSI一小部分服务也可以映射到HTTP／HTML／XML。由图中可知，采用ACSI映射到MMS比结合HTTP协议映射到XML能实现更多的服务，如InfoRepor，Journal，而HTTP中只有最基本的GET与POST可以实现Read与Write服务。两者最大的区别在于映射到MMS是传递ASN．1的BER编码，而映射到XML或HTML是传递文本格式文件。因此，根据具体应用场合，在只需要比较基本的服务、功能不复杂并且实时性要求不高的场合，可以采用ACSI映射到XML的方式。

5 结论
    本文针对IEC 61850具体应用中设备开发的目的，对ACSI的映射实现进行了研究，得到如下结论：
    (1)通过对ACSI技术特点的分析，构建了ACSI映射实现的模型，为ACSI的映射实现奠定基础；
    (2)IEC 61850规定了ACSI到MMS的映射，研究设计了ACSI到MMS映射实现的详细流程，提出了ACSI实现的三个部分，为ACSI映射实现提供了框架依据；
    (3)设计了ACSI到MMS映射的具体方法，包括逻辑节点映射、数据模型映射以及MMS通信服务器主函数的设计，为开发符合IEC 61850的IED提供了技术方案；
    (4)对ACSI到MMS与到XML的映射进行了比较，在实时性不高功能不复杂的场合可以采用ACSI映射到XML的方式。