0 引言
随着电子
、
计算机
、
网络
、
通信以及嵌入式系统等技术的发展
，
基于微处理器的新型测量保护
IED( Intelligence
Electronic Device)
在变电站自动化系统中得到了大量应用
。
由于缺乏统一的标准
，
各
IED
厂家所采用的通讯方式和通
讯规约并不一致
，
相互之间不能兼容
。
为此
，
IEC
制定和颁布了关于变电站自动化系统和通信网络的国际标准
——
IEC61850
[1-3]
。
但标准被接受乃至普及需要一个较长的过程
，
未来一段时期内仍将有大量不支持
IEC61850
标准的
IED
被应用
。
因此
，
本文基于
ARM
平台采用嵌入式操作系统设计了一种可供变电站自动化系统使用的通信管理机
。
作为通信网络与测控设备之间的接口设备
，
通信管理机承担着规约转换与接口匹配以及数据汇总
、
存储的任务
。
使用通信管理机可以将不同厂商的
IED
终端
（
下位机
）
进行互联
，
将收集的各种测量
、
继保等数据进行处理后传送到
现场监控终端
（
SCADA
）
或者通过
Internet
、
无线网络传送到远程调度监控中心
，
同时也把现场监控终端或远程调度监
控中心的命令
、
数据等分发给各下位机
[4]
。
因此
,
通信管理机主要起到上下络的作用
，
联络过程中要完成有关的数据处
理
、
通信规约的转换等
[5
，
6]
。
通信管理机在变电站综合自动化通信系统中的结构图如图
1
所示
。
1 通信管理机的整体设计
1.1 通信管理机的主要功能
由图
1
可以看出
，
通信管理机处于现场监控终端或调度监控中心
（
统称为上位机
）
与各个
IED
终端装置之间
，
是
整个变电站综合自动化通信系统的核心单元
，
它的主要功能包括
：
(1)
总线通信功能
：
具有多个可配置的
RS-485
串行通讯接口
，
用于实现与变电站各测量
、
保护
、
控制及其他智能设
备等下位机之间的通信
，
完成现场数据的采集
。
(2)
与上位机的通信功能
：
具有
RS-232
和以太网接口
，
支持
IEC61850
标准
，
向上位机提供
IEC61850
数据发布服务
，
实现与上位机的数据共享
。
(3)
规约转换功能
：
对各厂家不同
IED
的通信规约进行转换
、
分析处理
，
以完成需要的通信功能
。
(4)
数据存储功能
：
作为变电站综合自动化通信系统的核心
，
通信管理机需要存储一定数量的实时
、
历史
、
统计数
据和参数等
，
以供查询或调用
。
处理器自带的存储空间往往不够
，
一般需外扩
RAM
或
FLASH
。
(5)
人机交互功能
：
通信管理机应该具备良好的人机交互界面
，
能够清楚地显示变电站自动化系统的各类运行参数
、
工作状态
，
并可以通过人机界面方便地调整
、
配置相关参数及底层所挂接的
IED
终端
。
(6)
维护功能
：
通信管理机应具有本地维护端口
，
用于通信管理机的测试和维护
，
并支持远程更新功能
。
1.2 通信管理机的设计原理
通信管理机的设计应遵循下列原则
：
(1)
高可靠性
。
通信管理机应采用冗余网络结构
，
尤其要对作为系统数据通道的以太网网络通道进行冗余配置
。
当
某一网络通道不能正常工作时
，
备用网络通道能够自动进行热切换
，
以保证通信信道的通畅
，
不发生数据丢失的情况
，
从而保证数据传输的高可靠性
。
(2)
高实时性
。
通信管理机应具备同时完成多种通信协议转换的能力
，
实现数据的实时传送
，
以满足变电站综合自
动化系统的实时性要求
。
(3)
可扩展性
。
除了要在硬件上设计多种形式的通信接口外
，
通信管理机的软件设计更要具备很强的可扩展性
，
以
便灵活地根据现场装置追加新的通信规约进行通信
。
(4)
互操作性与开放性
。
通信管理机一方面能够将不
同厂商的
IED
进行网络集成
，
实现互操作性
，
另一方面
，
系统应采用国家或者
IEC
相关标准的通信规约以满足开放
性要求
。
1.3 通信管理机的系统结构
通信管理机主要由硬件系统
、
嵌入式操作平台和软件
系统组成
，
如图
2
所示
。
（
1
）
硬件系统
通信管理机的硬件系统实现主要有两种方案
：
一是采用工业控制计算机
；
另一则是采用嵌入式微处理器
，
通过扩
展相应的外围接口电路实现相应功能
[7]
。
相比于方案一
，
嵌入式系统具有体积小
、
成本低
、
可靠性高等优点
，
由于采
用了专用设计方案
，
在接口设计上可以实现多样化
，
灵活性高
。
另外
，
通过开发相应的配置
、
监控程序
，
嵌入式系统
的可维护性
、
扩展性也比较好
。
因此
，
本设计采用方案二
。
（
2
）
嵌入式操作系统
实时性和可靠性是通信处理机是否适用的基本评价指标
，
目前工控领域应用最广泛的嵌入式操作系统有
Linux
、
Windows CE
、
VxWorks
等
，
Linux
是一种分时
、
多进程操作系统
，
其稳定性是其它嵌入式操作系统难以比拟的
，
其优
异特性主要表现为
[8][9][10]
：
核心源码开放
，
开发人员可根据需要剪裁核心
，
核心可剪裁到几百
K
大小
；
系统的资源由不
同的用户共享使用
，
多权限的设置
，
系统安全稳定
；
Linux
是一个多进程
、
多线程的操作系统
，
具有一套安全策略来避
免多进程
、
多线程的死锁
，
使系统运行稳定可靠
；
Linux
采取了许多安全技术措施
，
包括对读
、
写进行权限控制
、
带保
护的子系统
、
审计跟踪
、
核心授权等
，
这为网络多用户环境中的用户提供了必要的安全保障
；
Linux
操作系统提供用户
可控制的
、
优先级驱动的
、
急者优先抢占的调度方式
，
因此它在非常适合于实时控制
、
通信
、
多媒体信息处理等对时
间敏感的应用领域
。
基于
Linux
系统的上述特点
，
本文选其作为通信管理机的操作系统
。
● CPU+NPU+GPU
-CPU: Rockchip RK3568, Quad-Core ARM Cortex-A55, up to 2.0GHz
-NPU: 1.0 TOPS
-GPU: Mali-G52
● 4 x GbE LAN
(扩展方案可选：①可选4 x GbE电口；②可选2 x GbE电口+2 x 百/千兆光口）
● 8 x RS232/RS485 / 16 x RS232/RS485
● 1 x M.2 B-Key, 1 x M.2 M-Key
● 1 x MPCle (w/USB2.0)
● 4 x DO继电器应用 (常开/常闭可选), 4 x DI (NPN/PNP可选), 2KV隔离
● 2 x USB2.0 HOST Type-A
● 1 x USB OTG internal (用于系统烧录和调试)
● 双电源设计: AC/DC 220V input
● OS: Debian10 server
| 硬件平台 |
| 处理器 |
-CPU: Rockchip RK3568, Quad-Core ARM Cortex-A55, up to 2.0GHz -NPU: 1.0 TOPS -GPU: Mali-G52 |
| 内存 |
4GB LPDDR4 （可扩展至8G） |
| 存储 |
32GB eMMC 5.1（可扩展至64G） |
| 接口类型 |
| USB |
2 x USB2.0 host, type-A |
| 网口 |
2 x GbE port by RJ45 with YT8531C Controller WOL - LAN1/LAN2 2 x GbE port by RJ45 with YT6801 WOL - LAN3/LAN4 两种扩展方案可选： ①4 x 电口扩展板 (RJ45, w/LED, 10/100/1000M自适应) ②2 x 电口 (RJ45, w/LED, 10/100/1000M自适应)+2 x 100/1000Base光口 |
| M.2 |
1 x M.2 B-Key 3042/3052 USB3.0，for 4G/5G 1 x M.2 M-Key 2242/2280 SATA，for Storage |
| MPCIE |
1 x MPCIE (w/USB2.0), 支持WIFI/BT |
| SIM |
1 x 1.8V/3V SIM/UIM卡 |
| 串口 |
8 x RS232/RS485, 凤凰端子接口, 9600~115200Kbps, 2KV光电隔离 1 x RS232/GPIO/电源, 2 x 4 Pin header, PH=2.54mm 母座 (COMx), 内部连接 1 x UART, TTL for Debug |
| DI/DO |
4 x DI，干节点，2.5KV光电隔离 4 x DO，继电器输出，默认常开输出 |
| CAN |
2 x CAN 2.0 A/B 2 x CAN FD by MPCIE--可选 |
| 电源接口 |
2 x 220V AC/DC，凤凰端子，电源模块支持交直流冗余输入 交流：AC220V±20% 直流：DC110/220V±20% 支持远程重启 |
| 复位键 |
1 x 复位键，恢复远程端口IP |
| USB OTG |
1 x USB OTG，用于系统烧录 |
| LED |
Power / RUN / LAN / COM / user define |
| B码对时 |
1 x TTL |
| Display |
| HDMI |
1 x HDMI, Up to 4096 x 2304@60Hz |
| 物理特性 |
| 结构 |
外框铁壳 (SECC)，铁件烤漆，烤漆黑色工艺，铝散热片，阳极原色 |
| 安装方式 |
Rack mount |
| 尺寸 |
1U, 444(L) * 255(W) * 44mm(H) |
| 工作温度 |
-20~60°C |
| 储存温度 |
-40~70°C |
| 相对湿度 |
5 to 95%@ 40˚C, non-condensing |
| 认证 |
Meet CE/FCC Class A |
| 系统 |
| OS |
Debain 10 Server |
