MMS技术及其在电力系统通信协议中的应用研究

摘要：MMS技术在电力系统通信协议中应用越来越广泛，本文将对MMS技术作简要的介绍和分析，并在此基础上对MMS技术在IEC60870-6 TASE2系列标准和IEC61850标准中的应用进行了分析。

关键词：MMS、互操作性、IEC60870-6、IEC61850

引言

MMS（Manufacturing Message Specification）即制造报文规范就是ISO/IEC9506标准所定义的一套用于工业控制系统的通信协议。国际标准化组织出台MMS的目的是为了规范工业领域具有通信能力的智能传感器、智能电子设备（IED）、智能控制设备的通信行为，使出自不同制造商的设备之间具有互操作性（Interoperation），使系统集成变得简单、方便。在国外，MMS技术广泛用于工业过程控制、工业机器人等领域。

以前MMS在电力系统远动通信协议中并无应用，但近来情况有所变化。国际电工委员会第57技术委员会（IEC TC57）新近推出的IEC60870-6 TASE2系列标准定义了EMS、SCADA等电力控制中心之间的通信协议，该协议采用了面向对象建模技术，其底层直接映射到MMS上。IEC61850是IEC TC57 正在制定之中的关于变电站自动化系统计算机通信网络和系统的标准。该标准采用了分层、面向对象建模等多种新技术，其底层直接映射到MMS上。从以上两例可以看出MMS在电力系统远动通信协议中的应用越来越广泛。目前，国内电力自动化行业对MMS还比较陌生。因此，有必要对MMS技术及其在电力系统远动通信协议中的应用作深入的分析和研究。

MMS技术

1 MMS的背景情况

MMS是由ISO TC184开发和维护的网络环境下计算机或智能电子设备之间交换实时数据和监控信息的一套国际标准报文规范。MMS是一套独立的规范，它独立于应用和设备的开发者。MMS所提供的服务是非常通用的，适用于多种设备、应用和工业门类。例如，MMS的读服务（Read Service）允许一个应用或设备从另一个应用或设备读变量，而不论这个设备是可编程逻辑控制器（PLC）还是工业机器人，MMS的服务和报文都是相同的。现在MMS已经广泛用于汽车、航空、化工、电力等多个工业自动化领域。

2 MMS标准

MMS标准即ISO/IEC9506，由ISO TC184和IEC共同负责管理。ISO9506由多个部分组成，其中ISO/IEC 9506-1[1]、ISO/IEC 9506-2[2]是基本标准，除了基本标准之外，还有用于专门领域的下列配套标准：
1.ISO/IEC 9506-3，适用于工业机器人的通信服务和协议[ 3]；
2.ISO/IEC 9506-4，适用于工业数字控制的通信服务和协议[ 4]；
3.ISO/IEC 9506-5，适用于可编程控制器的通信服务和协议，目前还未公布；
4.ISO/IEC 9506-6，适用于工业过程控制的通信服务和协议[ 5]。

ISO9506-1定义了服务（Service）规范，包括：

（1）虚拟制造设备（VMD，Virtual Manufacturing Device）概念的引入和定义；

（2）网络环境下各节点之间服务或报文的交换规则定义；

（3）与VMD和服务有关的属性和参数的定义。

ISO9506-1定义了如下几大类服务：

（1）环境及通用管理服务（Environment And General Management Services）；

（2）虚拟制造设备支持服务（VMD Support Services）；

（3）域管理服务（Domain Management Services）；

（4）程序管理服务（Program Invocation Management Services）；

（5）变量访问服务（Variable Access Services）；

（6）信号量管理服务（Semaphore Management Services）；

（7）操作员通信服务（Operator Communication Services）；

（8）事件管理服务（Event Management Services）；

（9）日志管理服务（Journal Management Services）。

每一个大类又定义了很多通信服务子类。

ISO/IEC 9506-2定义了协议（Protocol）规范，包括：

（1）报文的执行序列；

（2）报文或编码的格式；

（3）MMS层与OSI参考模型其它层的相互作用关系。

协议规范使用表示层标准ISO8824即抽象语句标识（ASN.1，Abstract Syntax Notation Number One）定义MMS的报文格式。

MMS提供了通过网络进行对等（peer-to-peer）实时通信的一套服务集。MMS作为通用通信协议可以用于多种通用工业控制设备如可编程控制器和工业机器人等。

MMS应该可以支持多种通信方式，包括以太网、令牌总线、RS-232C、OSI、TCP/IP、MiniMAP等，MMS也可通过网桥、路由器或网关连接到其它系统上。

3 MMS的特点

通过使用MMS可使工业系统具有互操作性和独立性。

3.1互操作性

制定MMS的初衷是为设备和应用定义一套标准的通信机制，使它们具有高度的互操作性。为此，MMS就不仅仅定义了交换报文的格式，因为报文格式的统一只是获得互操作性的一个方面。除此之外，MMS标准还提供了如下的定义：

（1）对象（Object）：MMS定义了一套通用对象（如变量）及这些对象的网络可见属性（如名字、值、类型）。

（2）服务（Service）：MMS定义了一套访问和管理网络环境下对象的通信服务（如读、写）。

（3）行为（Behavior）：MMS定义了当执行相关服务时，设备所应表现出的网络可见行为。

对象、服务、行为的定义构成了一套关于设备和应用在VMD模型中如何通信的规范。VMD模型只定义了通信的网络可见方面，对于实际设备如何实现VMD模型的细节，如编程语言、操作系统、CPU类型和I/O系统等MMS则不作定义。通过定义设备的网络可见部分的行为，MMS的VMD模型就能使设备之间具有很高的互操作性，同时这些定义又不妨碍设备和应用内部使用不断创新的新技术。

3.2独立性

与很多只适用于特定产品的专用通信系统不同，MMS是一个通用的、独立于专用设备的国际标准体系。MMS为用户提供了一个独立于所完成功能的通用通信环境。

MMS在IEC60870-6系列TASE2通信协议中的应用

1 IEC60870-6系列TASE2通信协议的背景情况

国际电工委员会第57技术委员会第7工作组（IEC TC57 WG07）负责制定与ISO和ITU-T兼容的、用于电力系统控制的计算机数据通信协议体系IEC60870-6系列。该项工作开始于1993年，从当时已经广泛使用的协议（如挪威的ELCOM90、美国西部电网的WSCC等）中选择了ELCOM90作为蓝本，开始制定IEC国际标准，称为远方控制应用服务元素TASE（Telecontrol Application Service Element，后称为TASE1）。TASE1完成之后，发现该协议适应性较差，与ISO/ITU-T的兼容性不好，美国和德国坚决反对，强烈要求制定一套与ISO和ITU-T兼容性好的协议。美国电科院（EPRI）牵头开发了ICCP，于1996年纳入IEC体系，称为TASE2[6、7、8]，与TASE1并列成为国际标准，但互不兼容，形成了欧洲与美国两个系列标准相争的局面。其中TASE1基于ISO 9072-1/2 ROSE，TASE2基于ISO 9506 MMS。由于MMS已广泛应用于各个行业，所以TASE2比TASE1适应性更强、更容易实现。随着欧洲发电联盟（UCPTE）对TASE2的采用，结束了持续数年的TASE1与TASE2的争论，使TASE2成为全球统一的协议。现在TASE2已经在欧美等地区得到了广泛的应用，很快我国将等同采用该标准作为我国电网控制中心之间的计算机通信标准，取代1992年颁布的《电力系统实时数据通信应用层协议DL476-92》。

2 MMS在TASE2中的应用情况

ICCP是基于MMS标准子集的协议。ICCP与ISO、MMS的关系如图1所示。从图中可以清楚地看出上层协议均依靠下层协议而存在，下层协议向上层协议提供服务。ICCP层位于MMS层之上，ICCP通过将其定义的结构化数据对象映射到MMS对象上并增加新的语义，使MMS的功能得到增强。MMS向ICCP提供服务，ICCP再向控制中心应用程序提供服务。


图1 ICCP、OSI和MMS的关系

ICCP协议依靠MMS服务实现控制中心之间的数据交换。ICCP客户机和服务器调用MMS服务，MMS服务执行规定的请求实现数据交换。图2表示了ICCP服务器与执行数据值操作的MMS服务之间的关系，图3表示了读取数值操作在客户机和服务器双方的操作时序及对MMS服务的调用。类似的关系都在IEC60870-6-503[ 6 ]中有详细的定义。
图2 ICCP的数值操作与MMS之间的关系


图3 读取数值操作的顺序

MMS在IEC61850中的应用

1 IEC61850的背景情况

随着变电站自动化技术的快速发展，急需制定相应的国际标准。1995年国际电工委员会第57技术委员会（IEC TC57）为此成立了3个工作组10、11、12（WG10/11/12）负责制定IEC61850标准。1999年3月，3个工作组出了IEC61850 委员会草案（Committee Draft）[9]。IEC61850在技术上一个显著的特点就是使用了MMS，其高层抽象定义最终都映射到底层的MMS上去。所以，MMS是IEC61850的基础之一。

2 MMS的应用情况

IEC61850描述的通信体系如图2所示，这个通信体系是个分层结构，各层之间相互独立。IEC61850-7-2负责定义与具体网络和通信协议栈无关的抽象通信服务接口（ACSI），IEC61850-8-/-9负责定义与具体网络和通信协议栈相关的特殊通信服务映射（SCSM）。

图 4 IEC61850通信系统总体结构

IEC61850-7-2定义了抽象通信服务接口（ACSI）。ACSI是个概念性的接口，它定义了独立于实际使用的网络和通信协议的应用，包括通信服务、通信对象及参数，这些通信服务、通信对象和参数通过SCSM映射到底层应用程序。

IEC61850-8-1定义了变电站层和间隔层之间通信的ACSI到ISO/IEC9506即MMS之间的映射，如图5所示。这种映射关系定义了ACSI中的概念、对象和服务如何与MMS中的概念、对象和服务进行对应。这部分给出了在局域网条件下使用与ISO标准完全兼容的MMS服务与协议传输实时数据的方法。

图5 ACSI到MMS之间的映射

结论

本文对MMS技术作简要介绍和分析，并在此基础上对MMS技术、IEC60870-6 TASE2系列标准和IEC61850标准的关系进行分析。可以看出MMS是这两个体系的基础。因此，对MMS的研究对于研究和实现这两个协议体系是有重要意义的。

参考文献
1.ISO/IEC 9506-1：Service definition
2.ISO/IEC 9506-2：Protocol specification
3.ISO/IEC9506-3： Companion standard for robotics
4.ISO/IEC9506-4： Companion standard for numerical control
5.ISO/IEC9506-6： Companion standard for process control
6.IEC 60870-6-503. TASE2 Service and Protocol
7.IEC 60870-6-702. TASE2 Application Profile
8.IEC 60870-6-802. TASE2 Object Models
9.IEC 61850 (Committee Draft ). Communication Networks and Systems in Substations. 1999

作者简介
任雁铭，男，博士，主要从事变电站自动化系统和相关国际标准的研究。
操丰梅，女，硕士，主要从事小波分析和微机继电保护装置的研究。
秦立军，男，硕士，教授，主要从事电力系统仿真、变电站自动化系统的研究。
杨奇逊，男，博士，教授，博士生导师，中国工程院院士，主要从事微机继电保护、变电站自动化系统的研究