一种新型通讯管理装置的研究与实现

（南瑞集团公司（国网电力科学研究院），南京 210003）

通信管理装置也称网关，在电厂、变电站等分布式监控系统中应用广泛。其具有多个上下行通讯接口，用于将现场具备通讯接口的智能监控、保护装置及智能仪表的通讯数据整理汇总后实时上送上级监控装置，解决计算机监控系统内异网间的通信连接及数据交换问题[1-2]。

目前国内外大部分厂家运行于变电站的通信管理装置采用的都是传统的x86或ARM架构。这2种架构的平台在管理装置中有其本身的局限性，采用x86架构的硬件平台一般为搭载Windows操作系统的通信管理装置，该方式存在结构大小受限、系统复杂度高、可靠性低、成本高等缺陷[3-4]，同时PC机和大部分工控机的一些零部件如风扇、硬盘等的机械寿命也很难满足电力现场长期连续运行的要求，而采用ARM架构平台的通信管理装置虽然在功耗上有一定优势，但存在浮点运算慢、网络处理不及时及在多任务处理上性能不足的缺陷。而采用基于PowerPC[5]硬件平台并搭载嵌入式Linux操作系统的通讯管理装置，有效地避免了x86与ARM架构的缺点与不足，基于这个前提，我们设计了一种工业级PowerPC嵌入式硬件平台，同时搭载定制化的嵌入式Linux操作系统的新型通讯管理装置。

1 总体方案

根据上述分析，该通讯管理装置采用PowerPC作为主硬件平台，定制化的Linux作为操作系统[6-7]。整个通讯管理装置系统分为3大主要部分，整体结构如图1所示。

图1 系统总体框图Fig.1 General block diagram of the system

各部分功能描述如下：

（1）硬件平台部分。为了功能独立、结构清晰及更好的复用，硬件部分采用模块化开发方法。分为电源模块、主板模块、扩展板模块。主芯片采用MPC8309，且主板上配置1个CAN网接口、2个以太网口的基本外设接口；扩展板为具有8路串口的扩展板，且支持最大扩展16路串口；灯板为装置运行状况及外设接口状态指示；电源板提供双电源供电；

（2）软件平台部分。本系统采用具有高稳定性及高安全性的Linux操作系统作为软件平台。为了更好地满足性能需求，对Linux系统进行了必要的裁剪、定制；

（3）应用软件部分。应用软件包括运行于管理装置中的通讯嵌入式软件及运行于上位机的组态管理软件。管理装置软件负责设备数据采集汇总、处理及各通信规约转换及诊断显示；组态软件进行设备接口状态检测及采集数据显示等。

2 硬件平台设计

纵观变电站自动化技术发展历程，通信管理装置的硬件平台也几经变迁，从8位/16位单片机系统到现在较多使用的工业PC，从现场运行情况看，都存在一定缺陷，而电力工业控制领域，不仅对CPU的计算能力有一定要求，对系统稳定性的要求更高，而嵌入式计算机技术恰恰满足电力现场对通信管理装置的需求，其所用无风扇宽温、低功耗器件[8]，既可以减少故障发生的几率，也可以适应不同环境要求，极大提升系统稳定性[9]。

在嵌入式处理器方面，PowerPC相比ARM具有整合度高、技术先进、芯片可选范围大、性能高、升级容易、产品生命周期长等优势。

基于以上原因，选择PowerPC作为管理装置的硬件平台。同时为更好地与操作系统结合且又能满足外围设备，我们选择了基于PowerPC架构的CPU、Flash存储芯片，并扩展了多串口及多网络接口，总体硬件模块如图2所示。

图2 硬件模块Fig.2 Hardware module diagram

硬件模块介绍如下：

（1）主板。CPU采用PowerPC8309，带基本外设接口；

（2）扩展板。可以扩展16通道串口和4网口；

（3）电源。为管理装置提供稳定的电源需求。为满足特殊场合需求，可以扩展双电源；

（4）灯板+背板。提供总线接口和管理装置状态指示灯显示。

3 软件平台设计

对电力系统而言，系统的实时性和可靠性[10]是要求的关键，当前在工业控制领域中应用最广泛的嵌入式操作系统有 Linux、Window CE、VxWorks等，而Linux特有的稳定性及网络实时性[11]是其它嵌入式操作系统无法比拟的，其优异特性主要表现为以下几个方面：

（1）开放性。Linux系统源码开放，开发人员可根据自己需要进行剪裁；

（2）多用户特性。系统的资源由不同的用户共享使用，可进行多权限的设置，保证了系统的安全稳定；

（3）多任务特性。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；

（4）设备独立性。将外围设备及磁盘上的文件统一为虚拟文件系统，对外围设备的操作如对文件操作一样；

（5）可靠的系统安全性。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。

正是基于Linux系统的上述特点，使其作为通信管理装置的操作系统成为最佳选择。本机的操作系统是在原始Linux操作系统的基础上进行适当裁剪，并加载所需的外设驱动[12]构成最终的管理装置嵌入式操作系统。

4 应用软件设计

整体应用软件结构如图3所示。通信管理装置完成串行通道、CAN总线、以太网间的通信协议转换，组织管理各通道数据，可以实现从现地各功能设备到现地智能控制设备或到上位机系统等异种网络之间的数据联络。通信管理装置软件采用C语言进行开发，基于共享数据模型，各通信进程之间通过内置的精小数据库进行数据共享，同时针对现场设备通信规约的多样性，为客户提供了通信程序二次开发能力[13]；组态软件采用JAVA语言进行开发，基于客户端服务器模型，组态软件作为客户端与通讯管理装置中的服务端进行连接显示。

图3 软件结构Fig.3 Software structure diagram

客户可以通过组态程序从预定义的行业程序库中选择标准的行业驱动程序，自定义通信参数和通信内容；此外，该通信管理装置的每个通信接口都可以自定义编程，产品库函数为客户提供了完善、快捷的二次开发接口模型，可以方便地实现通信程序“客户化”定制。

5 结语

基于PowerPC的通讯管理装置具有功能强、运行稳定及性能可靠等优点。自投入运行以来，表现出了其特有的优势，整体运行稳定可靠，达到了预期的设计目标，能够很好地满足电力系统现场的运行要求，为整个变电站自动化系统安全稳定运行提供了技术保证。

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