分布式IEC61850 MMS报文监测系统研究与实现

分布式IEC61850 MMS报文监测系统研究与实现摘要:随着数字化变电站不断增多,原有的集中式iec61850站控层mms报文检测系统不能满足分布式应用的要求。

文中分析mms报文结构,设计在嵌入式linux装置中进行分布式mms报文采集,通过网络通信流程,与后台服务器组成分布式监测系统。

结合系统的实现,进行了实现难点分析和总结,并为下一步的改进完善指出了方法。

关键词:分布式系统 iec 61850 报文监测嵌入式系统中图分类号:tm7 文献标识码:a 文章编号:1672-3791(2012)09(c)-0014-05随着智能电网概念的提出和网络计算机通信技术的迅速发展,变电站内智能电子设备间的互操作性的需求进一步加强,国际电工委员会提出一个全球性的变电站自动化通信标准—— iec61850。

iec61850标准是基于通用网络平台的变电站自动化系统的国际标准,它改变了目前变电站自动化系统封闭式的结构,使之成为一个开放性和标准性的系统。

iec61850采用抽象通信服务接口(acsi)和特定通信服务映射(scsm)的方法,将底层核心服务映射到mms。

制造报文规范mms。

mms 是osi应用层的一个标准,用于在网络连接的设备以及计算机应用之间交换实时数据和监控信息。

在iec61850数字化变电站中,网络的健康状态是变电站系统正常运行的基础。

在实际运行中,为了保证变电站的正常运行,各个厂商生产的ied在变电站中有良好的互操作性,需要监听、记录完整通信报原始报文,进行在线报文分析和通信协议故障分析,从而方便查找变电站自动化系统各关键通信环节的故障。

网络通信过程监测主要包括:制造报文规范mms/抽象服务接口(acsi)过程;通用变电站事件(goose)过程。

本文主要对mms和acsi过程进行研究。

1 acsi到mms映射过程分析iec61850使用面向对象的uml统一建模技术,将变电站中各种设备定义为相关信息模型和服务模型。

acsi中的抽象有两个方面:第一,acsi定义的信息和服务模型只是一种概念性模型。

第二,acsi 不定义具体的acsi报文,而是将acsi服务映射到mms上。

将mms 作为应用层协议架构在底层通信之上,从而实现iec61850设备的互操作性。

iec61850到mms的通信映射如图1所示。

acsi到mms的映射只用到mms的一部分对象和服务,其映射分为数据类型映射、对象模型映射和服务模型映射。

对象和服务模型映射如表1所示。

在iec61850标准和mms中各自定义了一套用于对象类的基本数据类型。

这些数据类型都是抽象的,映射的关键是定义特定语言的诗句类型。

比如将位串(bit-string)、八进制位串(octet-string)及mms串(mms string)类型定义为c语言的结构类型,可视串(visible-string)定义为字符串类型。

基本数据类型映射较为简单直接,也是所有映射的基础。

(如表1)对象模型映射是指服务器、逻辑设备、逻辑节点数据、关联和文件等模型分别于mms的虚拟制造设备(vmd)、域、有名变量、应用关联和文件等对象模型之间的映射。

通过对acsi信息模型和mms 对象模型的对比分析,总结出两种映射方法,分别是直接映射和间接映射。

直接映射主要是acsi中较高层次的类模型可以相对应地映射到mms中得vmd对象等。

间接映射需要将acsi类的实例的属性结构映射为mms对象的一或多个字段的值,这种映射可以看作是acsi类的mms封装。

iec61850定义的服务均为抽象服务,只对服务请求的接收方需要做出的动作进行了描述。

只有当这些抽象服务映射到一种具体的服务,对携带服务采取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。

iec61850采用mms一小部分服务进行映射。

其映射过程主要是服务原语及参数的映射。

通过归纳,acsi向mms映射分为三种情况:第一种情况:一个acsi服务映射到一个mms服务;这种映射非常简单,acsi服务直接映射到mms的服务,如应用关联服务中的associate、abort和release分别直接映射到mms服务的initiate、abort和conclude。

第二种情况:一个acsi服务映射到多个mms服务。

这种映射又分为两种子情况。

第一种,acsi定义的一个服务由于参数不同而实现不同功能,映射到mms的服务时,采用不同的mms服务实现,例如acsi的getserverdirectory服务,有一参数为objectclass,当取值为“logical device”时,映射到mms的getnamelist服务,用于返回服务器中所有逻辑设备对象的引用;当取值为“file”时,映射到mms的filedir ectory服务,用于返回服务器中所有文件对象的引用。

第二种,acsi的一个服务映射为mms的一组服务,共同实现acsi服务定义的功能。

这样的一组服务可能是同一个mms服务的多次执行,也可能是不同的mms服务协同工作完成一个acsi服务的功能。

例如acsi的getserverdirectory服务映射为mms的getnamelist服务,由于mms协议数据单元大小的限制,可能需要分多次返回服务请求的结果,每次返回对象引用的一个子集,包含一个需要再次请求的标志,最后一次返回结果中无此指示信息。

于是客户方再次发出同一服务请求,直到全部请求结果被返回。

acsi的getfile 服务的mms映射是一个映射到一组不同服务的例子。

getfile服务映射到mms的 fileopen,fileread和fileclose服务,这三个服务分别实现getfile服务的不同阶段的功能。

这种情况的例子还有setfile等。

第三种情况:多个acsi映射到一个 mms服务。

多个acsi类的服务采用同一个 mms服务实现。

在这种情况下需要采用某种机制以区别mms到底要执行哪类服务。

通过在mms服务原语中给定的一个或多个参数,可以明确服务的操作对象、范围及要进行的操作等。

例如,server、ld、ln的目录服务就是都映射到mms的vmd支持服务getnamelist服务。

只是在getnamelist 的请求服务中参数不同,执行的服务服务也就不同,也就得到相应得结果。

2 mms报文分析iec61850规定,除采样值、通用变电站事件及时间同步报文之外,其它报文的传输层和网络层协议均采用tcp/ip(或osi模型,但tcp/ip更具实践价值)。

图2为mms在tcp/ip＋ethernet通信模型。

在进行报文解析时,必须按照上面所定义的层次进行层层解析,根据各个层次的协议把每层的报文头和数据分离出来,下面主要对mms层报文进行一个解析。

说明:(1)此编码过程所用的各层asn.1语法均来自mms协议,即文献[2]。

(2)根据asn.1的ber编码,采用tlv结构进行编码,编码结果按照t、l、v顺序排列。

(3)编码出来的数据流采用十六进制来表示,假设invokeid=4434,domainspec ific=“kirkland”。

3 通信报文监测方法3.1 正常过程分析该分析是根据一致性测试流程,记录分析测试过程中得原始数据报文,从而检验各设备标准的一致性,包括各服务过程以及相应的报文是否符合标准。

主要包括mms一致性测试和acsi一致性测试。

mms一致性测试内容:mms层的测试分析,包括初始化过程分析、读/写过程分析、报告过程分析、日志服务过程分析、获取有名列表分析、获取有名变量列表属性分析以及各过程相关的报文解析和分析。

acsi一致性测试内容:应用分析,包括控制操作、定值操作、事件上送、文件服务等服务过程与mms服务过程之间的映射分析,以及各过程相关的报文解析的映射分析。

3.2 通信错误分析根据记录的报文,分析所有过程错误和报文错误。

主要有以下几个方面的错误:mms报文错误和过程错误、acsi过程错误。

mms报文错误包括以下几点。

报文结构错误,报文编码错误,报文校验错误,规约符合性错误,单报文不完整,报文时序错误,命令控制过程不完整。

acsi过程错误包括以下几点。

主要包括acsi想mms映射错误。

通过acsi选取典型模型,包括服务器类映射错误、逻辑设备类映射错误、逻辑节点类映射错误、数据类映射错误和数据集类映射错误。

表4是服务器类acsi向mms 映射错误代码列表。

3.3 异常过程分析根据通信过程中出现的异常现象,有针对性地分析相应时段相关设备的原始通信报文,分析产生异常的原因。

异常分析一般包括:通信延迟,报文丢失,请求应答失败或错误等。

mms属于中低速报文,其传输时间是应大于100ms,在一定时间内,没有收到mms报文,可以认为丢包,应请求重发。

数据包丢包来自以下两个方面:一是网卡本身的数据接收能力;二是上层系统对数据的处理造成延迟而导致存放捕获报文的数据缓冲丢包。

请求应答失败,主要来自acsi映射失败,以及mms通信失败等。

对采集到的原始数据报文,经过正常过程分析,错误分析和异常过程之后,如果有一个出现异常,都要提示用户此次报文通信出现问题。

4 基于嵌入式装置的分布式iec61850 mms报文监测系统实现分布式监测系统在20世纪80、90年代占主导地位。

其核心思想是集中管理、分散控制,即管理与控制相分离,上位机主站用于集中监视管理功能,若干台嵌入式采集装置下放分散到现场实现分布式测量与控制,上位机与嵌入式采集装置之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。

因此,这种分布式的测控系统体系结构有力地克服了集中式数字测控系统对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。

4.1 分布式系统实现架构由高性能嵌入式采集装置与上位机主站组成对变电站二次设备(含各种装置)的分布式设备监测平台,嵌入式采集装置采用专业的嵌入式linux操作系统,并配备多网口和大容量数据存储器,在libcap基础上就可以捕获iec61850 mms报文,通过tcp/ip上传至上位机主站,上位机主站实现对上传报文进行集中评价分析,实现集中监控管理。

其系统实现架构如图4所示。

4.2 技术难点分析(1)嵌入式linux平台下的libpcap应用实现。

libpcap是unix/linux平台下的网络数据包捕获函数包,是实现各类网络监控应用的基础。

libpcap的重点是底层包捕获机制和过滤器设置方式。

网络数据包常规的传输路径依次为网卡、设备驱动层、数据链路层、ip层、传输层、最后到达应用程序。

包捕获机制是在数据链路层增加一个旁路处理,对发送和接收到的数据包做过滤/缓冲等相关处理,最后直接传递到应用程序。