孫志佳，范東凱，羅來(lái)峰，周俊峰

（長(zhǎng)園深瑞繼保自動(dòng)化有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引言

IEC TC57（國(guó)際電工委員會(huì)第57技術(shù)委員會(huì)）從1995年開(kāi)始制訂，于2004年完成制定并發(fā)布了IEC 61850變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn)的第一版。該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)吸收了國(guó)際最先進(jìn)的技術(shù)，并大量引用了多個(gè)領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)十分龐大的標(biāo)準(zhǔn)體系，而不僅僅是通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)［1］。標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，面向未來(lái)的可擴(kuò)展通信架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)“一個(gè)世界、一種技術(shù)、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)”為目標(biāo)，IEC 61850 系列標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)解決了以往變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中不同廠家設(shè)備的互操作問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了不同廠家設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接。工程實(shí)踐表明，在不同制造商的IED（智能電子設(shè)備）之間實(shí)現(xiàn)了良好的互操作性，并且能夠適應(yīng)通信及應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展［2-5］。IEC 61850 系列標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)跟隨技術(shù)發(fā)展，對(duì)系列標(biāo)準(zhǔn)不斷更新、擴(kuò)展、完善，系列標(biāo)準(zhǔn)于2009 年開(kāi)始逐步發(fā)布ED2.0 版本，并于2018 發(fā)布了修訂版本ED2.1，目前是該系列標(biāo)準(zhǔn)的最新版本［6］。

我國(guó)變電站通信技術(shù)一直緊跟國(guó)際步伐，在IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)第一版發(fā)布后，迅速組織設(shè)備廠商和相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍⒋藝?guó)際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為國(guó)內(nèi)的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并貫徹執(zhí)行，對(duì)提高國(guó)內(nèi)變電站自動(dòng)化水平、促進(jìn)變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備廠家的互操作性非常重要。我國(guó)于2004—2006 年翻譯引進(jìn)IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際情況制定了DL/T 860 系列標(biāo)準(zhǔn)。從“十二五”開(kāi)始，國(guó)家加快智能電網(wǎng)建設(shè)，堅(jiān)定了IEC 61850 ED1.0系列標(biāo)準(zhǔn)作為國(guó)內(nèi)智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)建設(shè)基礎(chǔ)的決心，在智能變電站建設(shè)中占據(jù)主導(dǎo)地位［7］。智能變電站采用三層兩網(wǎng)的通信架構(gòu)，過(guò)程層通信網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)提出的GOOSE（面向通用對(duì)象的變電站事件）、SV（采樣值）技術(shù)，站控層通信網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)提出的MMS（制造報(bào)文規(guī)范）技術(shù)。為加快數(shù)字化變化站建設(shè)的步伐和IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)設(shè)備廠商對(duì)GOOSE和SV技術(shù)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)組織研發(fā)實(shí)現(xiàn)，站控層通信網(wǎng)絡(luò)MMS技術(shù)大多數(shù)是通過(guò)購(gòu)買SISCO 公司開(kāi)發(fā)的MMSEASE Lite軟件包的方式實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā)，目前也是在購(gòu)買SISCO 公司采用C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的軟件包基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，以滿足IED設(shè)備的通信需求。雖然SISCO 公司開(kāi)發(fā)的軟件包是專門為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)，對(duì)CPU（中央處理器）和內(nèi)存的使用低，執(zhí)行效率高，降低了開(kāi)發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)，大大縮短了設(shè)備的研發(fā)周期，但由于軟件包價(jià)格高且后續(xù)升級(jí)維護(hù)需繳納高昂費(fèi)用，國(guó)內(nèi)廠商基本都是購(gòu)買一個(gè)版本，不包含后續(xù)維護(hù)升級(jí)服務(wù)。采用MMS-EASE Lite 軟件包開(kāi)發(fā)的IED設(shè)備能夠滿足變電站設(shè)備通信及互操作要求，但在大量工程應(yīng)用實(shí)踐過(guò)程中依然存在很多問(wèn)題，例如MMS 結(jié)構(gòu)復(fù)雜功能二次開(kāi)發(fā)難度大且效率低、軟件包本身BUG、未掌握核心技術(shù)、代碼維護(hù)難度高等［8-10］。針對(duì)上述問(wèn)題，考慮到國(guó)外對(duì)國(guó)內(nèi)的技術(shù)封鎖以及國(guó)內(nèi)自主可控意識(shí)的不斷增強(qiáng)，核心技術(shù)的國(guó)產(chǎn)替代十分必要，MMS作為站控層網(wǎng)絡(luò)通信的核心技術(shù)，考慮電網(wǎng)穩(wěn)定安全等因素，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)技術(shù)替代已迫在眉睫，在這樣的大環(huán)境背景下，國(guó)家電網(wǎng)公司組織二次設(shè)備廠家開(kāi)展MMS技術(shù)的替代工作，并制定了變電站二次系統(tǒng)CMS（通信報(bào)文規(guī)范），實(shí)現(xiàn)了IEC 61850 服務(wù)映射核心技術(shù)的自主可控［11-12］。

鑒于IEC 61850在國(guó)內(nèi)變電通信技術(shù)的核心地位以及自主可控新一代設(shè)備對(duì)站控層通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的要求，本文提出一種變電站CMS在自主可控新一代產(chǎn)品上應(yīng)用的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，同時(shí)對(duì)比CMS 與MMS 的技術(shù)差異，分析新技術(shù)優(yōu)勢(shì)和效果，從設(shè)備廠商角度考慮如何兼容兩種技術(shù)的工程實(shí)踐應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換。由于篇幅原因，過(guò)程層通信技術(shù)GOOSE和SV的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)本文不做闡述。

1 CMS與MMS的技術(shù)差異

CMS 協(xié)議在ACSI（抽象通信服務(wù)接口）的映射上與MMS協(xié)議相比產(chǎn)生較大改變，但兩者均是基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)將抽象通信服務(wù)接口映射到底層通信協(xié)議棧的技術(shù)［13］。CMS信息模型映射遵循DL/T 860.73 和DL/T 860.74 標(biāo)準(zhǔn)，依然采用DL/T 860.6 SCL 語(yǔ)言配置的SCD（系統(tǒng)配置文件）、ICD（能力描述文件）、CID（ICD實(shí)例配置文件），在靜態(tài)模型文件的應(yīng)用上MMS與CMS協(xié)議完全兼容。CMS 協(xié)議的在線模型與MMS 存在差異，CMS在通信服務(wù)中采用一組分離的引用名和功能約束參數(shù)表示，不采用DL/T 860.81 在進(jìn)行功能服務(wù)映射時(shí)的擴(kuò)展處理，DL/T 860.81 修改了引用名格式，將FC添加至引用名，成為”XXX/XXX$FC$XXX”的形式，CMS不采用此種形式的擴(kuò)展。CMS協(xié)議的通信服務(wù)模型遵循DL/T 860.72標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)部分服務(wù)進(jìn)行了擴(kuò)展，以適應(yīng)國(guó)內(nèi)變電站建設(shè)的應(yīng)用場(chǎng)景，完全替代了DL/T 860.81部分闡述的特定通信服務(wù)映射到MMS的相關(guān)技術(shù)要求，直接將ACSI映射到TCP/IP協(xié)議棧，采用ASN.1 的PER（壓縮編碼規(guī)則），替換MMS 使用的BER（基本編碼規(guī)則），為滿足變電站對(duì)通信安全和個(gè)別應(yīng)用場(chǎng)景需求擴(kuò)展的服務(wù)包括：傳輸層安全、應(yīng)用層安全、關(guān)聯(lián)協(xié)商、數(shù)據(jù)服務(wù)的功能約束、文件服務(wù)的斷點(diǎn)續(xù)傳、遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用。CMS 與MMS 協(xié)議的服務(wù)一致性測(cè)試依然遵循IEC 61850—10部分要求，對(duì)擴(kuò)展服務(wù)需單獨(dú)增加測(cè)例。

1.1 通信服務(wù)映射差異

IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)采用抽象的建模方法和面向?qū)ο蟮乃枷?，為變電站?yīng)用定義了抽象的通信服務(wù)應(yīng)用實(shí)例，該部分定義由IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的7-2、7-3、7-4 部分規(guī)定。將定義的抽象通信服務(wù)接口映射到具體的底層通信協(xié)議上，實(shí)現(xiàn)信息交換在IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)8-1 部分定義，即MMS 協(xié)議。CMS協(xié)議替代思想摒棄了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)8-1部分規(guī)定的特定通信服務(wù)模型映射到底層協(xié)議棧MMS的方法，將標(biāo)準(zhǔn)定義的抽象通信服務(wù)模型直接映射到TCP/IP，實(shí)現(xiàn)原有信息服務(wù)模型映射到MMS協(xié)議子集的替代，采用信息服務(wù)模型到底層應(yīng)用協(xié)議的一對(duì)一映射方法，規(guī)定了特定報(bào)文格式和報(bào)文語(yǔ)法，實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備間的信息交換［13-14］。MMS與CMS的映射差異如圖1所示。

由圖1可以看出核心ACSI服務(wù)以及抽象信息模型映射在兩種底層通信協(xié)議之間的差異。IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)8-1 規(guī)定的核心ACSI 服務(wù)原語(yǔ)并不具備通信功能，沒(méi)有特定的報(bào)文格式和編、解碼規(guī)范，不可以直接用于信息交換，需進(jìn)行特定通信服務(wù)映射到底層通信協(xié)議后才可進(jìn)行信息交互，IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)8-1 部分規(guī)定了核心ACSI 到底層協(xié)議MMS 的映射關(guān)系，MMS 為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)而并非為IEC 61850 設(shè)計(jì)，核心ACSI 映射到MMS 協(xié)議無(wú)法實(shí)現(xiàn)一對(duì)一映射，需對(duì)IEC 61850模型和服務(wù)分別映射，將多個(gè)ACSI服務(wù)與模型分解并分別映射到某幾個(gè)MMS 服務(wù)與模型上，CMS 協(xié)議將ACSI 直接映射到TCP/IP，信息模型則直接采用IEC 61850 模型，無(wú)需做MMS 模型映射轉(zhuǎn)換。MMS 協(xié)議通過(guò)服務(wù)加信息模型共同區(qū)分ACSI 服務(wù)，CMS 協(xié)議則通過(guò)報(bào)文的服務(wù)碼區(qū)分服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息交互。IEC 61850的主要抽象通信服務(wù)接口映射到CMS 與MMS 協(xié)議的服務(wù)差異如表1所示。

表1 MMS與CMS服務(wù)映射差異Table 1 Differences in MMS and CMS service mapping

由表1 可以看出，MMS 協(xié)議映射分為兩種形式，分別是一對(duì)一映射、多對(duì)一映射；CMS則是一對(duì)一映射方式。CMS 協(xié)議在原有服務(wù)接口上，擴(kuò)展了一組用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用的通信服務(wù)接口，該組接口是一種通用化、自描述的接口和方法，客戶端可以動(dòng)態(tài)獲取接口和方法定義，根據(jù)定義動(dòng)態(tài)的組織發(fā)送結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并對(duì)響應(yīng)進(jìn)行解析。依據(jù)CMS 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范該組接口可以用于任何功能，但出于安全考慮，目前僅用于數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)分析，功能服務(wù)接口主要包括：GetRpcInterfaceDirectory（讀遠(yuǎn)程調(diào)用接口目錄）、GetRpcMethodDIrectory（讀遠(yuǎn)程調(diào)用方法目錄）、GetRpcInterfaceDefinition（讀遠(yuǎn)程調(diào)用接口定義）、GetRpc-MethodDefinition（讀遠(yuǎn)程調(diào)用方法定義）。除此之外，CMS協(xié)議還擴(kuò)展了以下服務(wù)：GetAllDataDefinition（讀所有數(shù)據(jù)定義服務(wù)）、GetAllCBValues（讀所有控制塊值服務(wù)）、Test（測(cè)試幀服務(wù)）、AssociateNegotiate（關(guān)聯(lián)協(xié)商服務(wù)）、GetFileDirectory（列文件目錄服務(wù)）。

IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)8-1 部分在將服務(wù)映射MMS時(shí)，對(duì)IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)7-2 部分的服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行了擴(kuò)展。而CMS 協(xié)議映射則是按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)7-2部分規(guī)定執(zhí)行，未采用MMS協(xié)議映射的擴(kuò)展，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）不采用MMS 映射擴(kuò)展的功能約束：CO、BR、RP、LG、GO、GS、MS、US。

2）不采用MMS 映射擴(kuò)展的數(shù)據(jù)對(duì)象：SBOW、Oper、Cancel。

3）不采用MMS 映射擴(kuò)展的控制塊數(shù)據(jù)服務(wù)對(duì)象。

4）不采用MMS 映射使用的Reference 形式IEDNAME LD/LN $FC $DO $DA，而采用的是IEDNAME LD/LN.DO.DA形式。

1.2 CMS與MMS編碼差異

MMS 協(xié)議采用ASN.1 的BER，CMS 則采用ASN.1 的PER，兩種編碼規(guī)則均是將ASN.1 形式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼成用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋忍亓?，?shù)據(jù)解碼過(guò)程則和編碼過(guò)程相反。ANS.1 用于描述通信協(xié)議傳輸?shù)腜DU（協(xié)議數(shù)據(jù)單元），利用ASN.1描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以在任何操作系統(tǒng)上轉(zhuǎn)換為具體的內(nèi)部通信語(yǔ)法結(jié)構(gòu)，并不產(chǎn)生歧義。標(biāo)準(zhǔn)的ASN.1 編碼規(guī)則有BER、PER、CER（規(guī)范編碼規(guī)則）、DER（唯一編碼規(guī)則）、XER（XML編碼規(guī)則）［15］。本文只對(duì)比CMS與MMS協(xié)議映射使用的編碼規(guī)則，其余編碼規(guī)則不做贅述。

1.2.1 BER編碼

BER 是ASN.1 中最早定義的，傳輸語(yǔ)法格式是TLV 三元組，也可以理解為，每個(gè)域的定義都是一系列八位組，為了避免不同操作系統(tǒng)差異，沒(méi)有采用BYTE 為單位。BER 編碼允許組合結(jié)構(gòu)，V可以是TLV三元組，如圖2所示。

圖2 傳輸語(yǔ)法示例Fig.2 An example of transmission syntax

BER 編碼中的Tag 是一個(gè)八位組，指明具體的傳輸值類型。Tag有兩種形式，當(dāng)Tag值不大于30 時(shí)，Tag 只有一個(gè)八位組編碼；當(dāng)Tag 大于30時(shí)，則Tag 在多個(gè)八位組中編碼。當(dāng)在多個(gè)八位組編碼時(shí)，第一個(gè)八位組后5位全部為1，其余八位組最高位為1表示后續(xù)還有，直到最高位為0表示Tag結(jié)束，Tag的組合形式如圖3所示。

圖3 Tag的組合形式Fig.3 The combination form of Tag

BER 編碼Length 字段表示Value 字段占用八位組的個(gè)數(shù)，分定長(zhǎng)方式和不定長(zhǎng)方式兩類，在確定方式后，根據(jù)Length 字段占用八位組個(gè)數(shù)分短、長(zhǎng)兩種形式。如圖4 所示，如果采用定長(zhǎng)方式，當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不大于127 時(shí)，Length 字段只在一個(gè)八位組編碼；當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于127，則需要在多個(gè)八位組編碼，此時(shí)第一個(gè)八位組低7 位表示Length 大小。采用不定長(zhǎng)方式，Length 字段固定編碼0x80，Value 字段編碼結(jié)束后以兩個(gè)0x00結(jié)尾。

圖4 Length的3種組合形式Fig.4 Three combination forms of Length

BER 編碼Value 字段表示需要傳遞的實(shí)際值，具體傳輸編碼規(guī)則根據(jù)Tag選擇，此處不再贅述。

1.2.2 PER 編碼

BER 編碼常常因?yàn)槠溟_(kāi)銷過(guò)大而受到詬病，與真實(shí)編碼數(shù)據(jù)相比，平均需要增加約50%的額外數(shù)據(jù)，由于BER編碼這種缺點(diǎn)，推動(dòng)了PER編碼的誕生。相同的傳輸協(xié)議，使用PER 編碼比使用BER 編碼在傳輸數(shù)據(jù)大小上，至少有40%～60%的改進(jìn)，可以有效減少傳輸帶寬，在視頻通話、多媒體等高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用［16-18］。CMS 協(xié)議考慮到MMS 協(xié)議映射使用BER 編碼缺陷，改用PER 編碼以縮減傳輸帶寬并提高傳輸效率，減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力。

PER 編碼的格式為［P］［L］［V］，［P］［L］［V］中的每個(gè)字段不再是八位組而是比特串。根據(jù)編碼規(guī)則Length 字段可以忽略，甚至Value 也可忽略，這會(huì)導(dǎo)致無(wú)法在編碼中得知編碼邊界，需知道抽象描述才可以正確解碼。PER 不支持缺省擴(kuò)展，需明確描述擴(kuò)展符。PER 編碼只有在長(zhǎng)度沒(méi)有被SIZE固定或者數(shù)據(jù)長(zhǎng)度很重要的情況下才對(duì)Length 編碼，在編碼CHOICE 的被選擇成員前，會(huì)增加一個(gè)序號(hào)指定數(shù)據(jù)位置。PER 編碼規(guī)則可以分為Basic（基本的）和Canonical（規(guī)范的）兩類，每一類分對(duì)齊和不對(duì)齊兩種形式。CMS 協(xié)議映射采用PER基本的對(duì)齊編碼方式BASIC-PER。

1.3 通信安全

IEC 62351—6 部分闡述了IEC 61850 的通信安全，但目前國(guó)內(nèi)變電站對(duì)IEC 62351標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用非常少，雖然已有部分設(shè)備廠商開(kāi)展了標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，但未在國(guó)內(nèi)變電站建設(shè)中得到推廣應(yīng)用。CMS 協(xié)議規(guī)范考慮到目前變電站通信的安全隱患，在標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中引入IEC 62351—6 部分規(guī)范，闡述了變電站安全通信體系架構(gòu)。變電站安全主要包括站控層網(wǎng)絡(luò)和過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)。站控層網(wǎng)絡(luò)安全又分為傳輸層安全T-Profile 與應(yīng)用層安全A-Profile，傳輸層安全采用TLS協(xié)議作為傳輸層安全協(xié)議，加密算法采用國(guó)密算法，加密套件采用ECDHE_SM4_SM3 和ECC_SM4_SM3；應(yīng)用層安全采用認(rèn)證參數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別。過(guò)程層安全考慮到數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的要求，采用HMAC 消息認(rèn)證機(jī)制實(shí)現(xiàn)安全通信。變電站安全通信架構(gòu)如圖5所示。

圖5 變電站安全通信架構(gòu)Fig.5 The secure communication architecture of the substation

2 CMS協(xié)議實(shí)現(xiàn)方案

2.1 代碼總體架構(gòu)

實(shí)現(xiàn)CMS 協(xié)議開(kāi)發(fā)分為4 個(gè)部分：基于IEC 61850 對(duì)象與CMS 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的映射，基于ASN.1的PER 編、解碼過(guò)程設(shè)計(jì)，基于面向連接的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制設(shè)計(jì)，MMS協(xié)議與CMS協(xié)議兼容性設(shè)計(jì)。如上文所述CMS 協(xié)議映射摒棄IEC 61850 對(duì)象向MMS 協(xié)議映射的復(fù)雜過(guò)程，采用了直接映射方式。CMS 通信服務(wù)流程如圖6 所示：CMS 客戶端向服務(wù)端發(fā)起連接請(qǐng)求，服務(wù)端與客戶端建立連接，客戶端向服務(wù)端發(fā)送服務(wù)命令請(qǐng)求，服務(wù)端正確接收?qǐng)?bào)文后進(jìn)行解碼和語(yǔ)義校驗(yàn)，通過(guò)后根據(jù)報(bào)文中的服務(wù)碼進(jìn)行不同服務(wù)流程處理，組織響應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)經(jīng)PER 編碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制比特流，傳輸至以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息交換。

圖6 CMS服務(wù)流程Fig.6 The CMS service process

2.2 編解碼設(shè)計(jì)

CMS 協(xié)議規(guī)范定義的服務(wù)語(yǔ)法是采用ASN.1方式標(biāo)記描述，實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中要將其定義的語(yǔ)法文件轉(zhuǎn)換為高級(jí)語(yǔ)言對(duì)應(yīng)的類型和語(yǔ)法，這種映射關(guān)系是唯一映射［17-19］?？紤]代碼維護(hù)性和自主可控特性，開(kāi)發(fā)過(guò)程中并未采用第三方開(kāi)源的ASN.1語(yǔ)法翻譯軟件包，而是采用自主研發(fā)方案，將CMS協(xié)議描述的服務(wù)模型翻譯成C語(yǔ)言對(duì)應(yīng)的語(yǔ)法和數(shù)據(jù)類型，并加以封裝，實(shí)現(xiàn)CMS的編碼解碼應(yīng)用。CMS編碼處理流程如圖7所示。

圖7 CMS編解碼處理流程Fig.7 The encoding and decoding process of CMS

2.3 通信架構(gòu)設(shè)計(jì)

CMS 協(xié)議規(guī)范描述了安全和非安全兩種方式的通信方法，在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中均設(shè)計(jì)了具體的實(shí)現(xiàn)方案。本文采用配置文件方式實(shí)現(xiàn)通信配置，配置內(nèi)容包括：傳輸層安全的相關(guān)證書路徑、應(yīng)用層安全的相關(guān)證書路徑、通信白名單、是否啟用傳輸層安全及應(yīng)用層安全的配置開(kāi)關(guān)。每條通信連接單獨(dú)配置，可同時(shí)支持安全和非安全通信，滿足工程現(xiàn)場(chǎng)多場(chǎng)景通信需求。通信連接處理流程如圖8所示，服務(wù)端初始化加載配置后，形成通信連接池，只有在通信連接池內(nèi)的客戶端IP 才可與服務(wù)端建立連接，同時(shí)根據(jù)連接請(qǐng)求是否為安全請(qǐng)求，做不同通信流程處理。

圖8 通信連接處理流程Fig.8 The communication connection process

2.4 主程序設(shè)計(jì)

本文討論的是國(guó)產(chǎn)化自主可控保護(hù)裝置CMS協(xié)議映射實(shí)現(xiàn)方案，因此軟硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境為嵌入式，具體情況如下：嵌入Linux操作系統(tǒng)、自主可控型保護(hù)裝置、Arm-Linux 交叉編譯環(huán)境、元器件國(guó)產(chǎn)化率達(dá)95%以上的硬件平臺(tái)。

軟件在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了后續(xù)可能的應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了CMS 協(xié)議與MMS 協(xié)議無(wú)縫自由切換的軟件架構(gòu)，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)通過(guò)配置區(qū)分采用何種通信協(xié)議，程序啟動(dòng)初始化時(shí)根據(jù)協(xié)議配置加載不同的協(xié)議組件和資源配置，實(shí)現(xiàn)通信環(huán)境構(gòu)建。主程序流程如圖9 所示。由于CMS協(xié)議與MMS 協(xié)議在IEC 61850 模型映射上的差異，軟件設(shè)計(jì)在靜態(tài)模型加載后的映射上做了兼容處理，根據(jù)協(xié)議配置實(shí)現(xiàn)不同資源結(jié)構(gòu)映射。此軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)同一時(shí)間只有CMS 或MMS 協(xié)議可用，不可同時(shí)使用。

圖9 主程序啟動(dòng)流程Fig.9 The startup process of main program

3 CMS協(xié)議驗(yàn)證

3.1 測(cè)試環(huán)境

基于上述CMS協(xié)議的設(shè)計(jì)方案，開(kāi)發(fā)了服務(wù)端通信程序并應(yīng)用于自主可控新一代裝置，為了驗(yàn)證協(xié)議服務(wù)的一致性、代碼健壯性以及CMS協(xié)議棧性能，搭建了測(cè)試環(huán)境。一臺(tái)聯(lián)想L14 筆記本（處理器主頻1.6 GHz，內(nèi)存16 GB）運(yùn)行由公司測(cè)試組開(kāi)發(fā)的CMS 協(xié)議一致性測(cè)試客戶端工具，一臺(tái)自主可控新一代線路保護(hù)裝置PRS 753 運(yùn)行CMS 服務(wù)端程序，兩者通過(guò)交換機(jī)相連。測(cè)試所用裝置模型包含LD0、PROT、RCD 這3 個(gè)邏輯設(shè)備、50個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)、20個(gè)數(shù)據(jù)集、20個(gè)報(bào)告控制塊、一個(gè)日志控制塊、一個(gè)定值控制塊，靜態(tài)模型大小為367 kB。采用由公司測(cè)試組開(kāi)發(fā)的wireshark協(xié)議解析插件抓取報(bào)文分析。

3.2 協(xié)議一致性測(cè)試

IEC 61850 服務(wù)一致性測(cè)試遵循IEC 61850—10 部分的規(guī)定，CMS 協(xié)議規(guī)范在進(jìn)行ACSI 映射時(shí)做了部分服務(wù)擴(kuò)展，除擴(kuò)展服務(wù)外其余服務(wù)的ACSI 遵循規(guī)定，但CMS 協(xié)議還需驗(yàn)證協(xié)議的語(yǔ)法和語(yǔ)義的正確性。針對(duì)上述情況測(cè)試組對(duì)一致性測(cè)試工具進(jìn)行了測(cè)例調(diào)整。

測(cè)試結(jié)果表明，采用本文所述的CMS協(xié)議實(shí)現(xiàn)方案，可滿足通信要求且可通過(guò)協(xié)議服務(wù)一致性測(cè)試考驗(yàn)，在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)部分服務(wù)的否定測(cè)例不通過(guò)、錯(cuò)誤碼回復(fù)不正確等問(wèn)題，經(jīng)修復(fù)后再次驗(yàn)證可通過(guò)測(cè)試。

3.3 協(xié)議健壯性測(cè)試

協(xié)議健壯性測(cè)試是發(fā)現(xiàn)CMS協(xié)議程序在出現(xiàn)故障時(shí)，能否恢復(fù)或忽略異常的重要測(cè)試手段，可以有效驗(yàn)證代碼的容錯(cuò)能力。為了驗(yàn)證本文開(kāi)發(fā)的CMS協(xié)議軟件代碼的健壯性，采用了模糊攻擊、重放攻擊、差錯(cuò)報(bào)文攻擊等手段進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，在應(yīng)對(duì)部分攻擊時(shí)出現(xiàn)程序無(wú)法運(yùn)行、異常無(wú)法恢復(fù)等問(wèn)題，經(jīng)過(guò)有效容錯(cuò)后再次驗(yàn)證，并未出現(xiàn)異常無(wú)法恢復(fù)問(wèn)題。

3.4 CMS與MMS兼容方案測(cè)試

針對(duì)上文提出的CMS 協(xié)議與MMS 協(xié)議兼容性方案，通過(guò)協(xié)議配置選擇不同協(xié)議，分別使用CMS 和MMS 客戶端、一致性測(cè)試工具，驗(yàn)證服務(wù)有效性和代碼健壯性。測(cè)試結(jié)果表明，CMS 與MMS協(xié)議可以通過(guò)配置選擇切換，并通過(guò)了服務(wù)一致性和代碼健壯性測(cè)試。

3.5 CMS協(xié)議性能對(duì)比測(cè)試

分別搭建MMS 和CMS 的測(cè)試環(huán)境進(jìn)行協(xié)議性能對(duì)比測(cè)試，兩臺(tái)PRS753 裝置分別運(yùn)行CMS和MMS 協(xié)議程序，兩臺(tái)聯(lián)想L14 筆記本（處理器主頻1.6 GHz，內(nèi)存16 GB）分別運(yùn)行由測(cè)試組開(kāi)發(fā)的CMS客戶端工具和MMS客戶端工具，裝置與客戶端通過(guò)交換機(jī)連接，所用模型大小為367 kB。模型包含LD0、PROT、RCD 這3 個(gè)邏輯設(shè)備、50個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)、20個(gè)數(shù)據(jù)集、436個(gè)數(shù)據(jù)集成員、10 個(gè)RCB、兩個(gè)日志控制塊、一個(gè)定值控制塊，為驗(yàn)證數(shù)據(jù)交互性能，在客戶端部署wireshark 軟件抓包分析。測(cè)試內(nèi)容包括：讀取模型初始化效率測(cè)試、讀取數(shù)據(jù)測(cè)試、總召及報(bào)告報(bào)文測(cè)試等。

3.5.1 在線讀模型初始化效率測(cè)試

在線讀模型初始化效率測(cè)試結(jié)果表明，CMS協(xié)議的整體傳輸性能相比于MMS 協(xié)議有顯著提高。在線獲取模型效率對(duì)比如表2 所示，CMS 協(xié)議的初始化時(shí)間是MMS 協(xié)議的約40%，性能提高明顯。

表2 在線獲取模型效率對(duì)比Table 2 Comparison of online model acquisition efficiencies

在線讀取模型的通信過(guò)程包括以下步驟。

1）客戶端工具與服務(wù)端建立連接和應(yīng)服務(wù)關(guān)聯(lián)后，將從服務(wù)端獲取全部模型數(shù)據(jù)，包含各個(gè)LD、各個(gè)LD 下的LN、各個(gè)LN 下的DO 和DA、各個(gè)LN下的數(shù)據(jù)集、報(bào)告控制塊等。

2）根據(jù)實(shí)例化號(hào)讀取對(duì)應(yīng)報(bào)告控制塊的當(dāng)前值信息，并將控制使能標(biāo)志設(shè)置為0，修改報(bào)告控制塊參數(shù)后，使能報(bào)告控制塊。

3）對(duì)各個(gè)使能的報(bào)告控制塊寫總召，服務(wù)端發(fā)送總召報(bào)告后，初始化結(jié)束。

3.5.2 數(shù)據(jù)讀取測(cè)試

客戶端工具調(diào)用GetAllDataValues 服務(wù)，分別讀取兩臺(tái)裝置的同一測(cè)點(diǎn)，BP2CPROT/Sys-MMXU1。測(cè)試結(jié)果如表3 所示，對(duì)比MMS 協(xié)議，CMS 協(xié)議請(qǐng)求和響應(yīng)的整體時(shí)間以及請(qǐng)求響應(yīng)的報(bào)文長(zhǎng)度都有顯著提高，請(qǐng)求報(bào)文長(zhǎng)度減少明顯，報(bào)文長(zhǎng)度僅需MMS協(xié)議的1/3左右。

表3 數(shù)據(jù)讀取性能對(duì)比Table 3 Comparison of data retrieval performances

3.5.3 總召報(bào)告測(cè)試

客戶端選取一個(gè)緩存報(bào)告控制塊brcbRelay-Din01 作為測(cè)試點(diǎn)，執(zhí)行總召，brcbRelayDin01 關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集dsRelayDin 包含57 個(gè)成員。wireshark抓取客戶端下發(fā)總召命令、命令返回、以及總召報(bào)告上送全過(guò)程。由表4可知，BRCB總召命令請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間、請(qǐng)求報(bào)文長(zhǎng)度、響應(yīng)報(bào)文長(zhǎng)度、報(bào)告報(bào)文長(zhǎng)度等指標(biāo)均有顯著提升，表明CMS協(xié)議相對(duì)MMS協(xié)議在傳輸?shù)膱?bào)文長(zhǎng)度和報(bào)文交互效率上得到了提升。

表4 BRCB總召報(bào)告性能對(duì)比Table 4 Comparison of BRCB performance from general interrogation report

4 結(jié)語(yǔ)

本文所闡述的CMS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)在自主可控新一代裝置上的實(shí)現(xiàn)方案，為后續(xù)CMS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)在其余自主新一代變電站產(chǎn)品平臺(tái)的應(yīng)用推廣提供了思路。該方案目前在國(guó)家電網(wǎng)公司自主可控新一代產(chǎn)品線上大面積應(yīng)用推廣，相應(yīng)產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)多個(gè)自主可控變電站運(yùn)行試點(diǎn)，并通過(guò)了國(guó)內(nèi)專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)，對(duì)推動(dòng)國(guó)內(nèi)變電站通信核心技術(shù)的加速國(guó)產(chǎn)化、保障電網(wǎng)通信的穩(wěn)定安全具有重大意義。