任 辉，姚志强，邢文红，徐 歆，李松涛

（1.中国电力科学研究院有限公司南京分院，江苏南京 210003；2.国网辽宁省电力有限公司鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114000）

变电站自动化是电网实现测量和控制的基础，汇聚了大量现代信息、通信和控制技术成果，实现对变电站一二次设备的自动监视、测量、控制以及与调度通信等综合性的自动化功能[1]。自动化设备采用了平台化和模块化开发模式，大量应用高性能中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、数字信号处理芯片（Digital Signal Processor，DSP）、复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）、现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）、SOC（System-on-a-Chip）、高速串行计算机扩展总线交换（Peripheral Component Interconnect Express，PCIe Switch）等先进技术[2-9]，这些半导体芯片严重依赖进口，每年我国进口需要消耗3 000 多亿美元外汇[10]。2018 年至2019 年，中兴、华为事件相继爆发，暴露出我国在核心半导体领域的重大短板，给电力自动化设备的生产和维护带来严重风险。国内厂商虽然备有一定数量的芯片，但无法从根本上解决问题，应用自主可控国产芯片是自动化设备发展的必然趋势。

数据通信网关机是智能变电站一体化监控系统中实现变电站与调度、生产等主站系统之间通信的工控装置，可以为主站系统提供监视控制、信息查询和远程浏览等功能，提供数据、模型和图形服务[11]。网关机是一种用作代理的典型工控装置[12-15]，广泛应用于各工业领域，其硬件配置接近于或超过个人电脑，但采用无风扇、无旋转部件硬件设计，且在电磁兼容和机械性能方面有严格的要求。

近些年，随着我国半导体芯片企业的发展，我国CPU/SOC 取得了长足进步，然而外围电路芯片难以全部国产化。降低对进口元器件依赖程度是循序渐进的过程，核心CPU 采用国产芯片、外围电路适当采用进口芯片，是目前较为可行的实施方案。

该文采用国产CPU 作为核心芯片，适当选用进口芯片，设计了一款变电站数据通信网关机设备，以降低电力自动化设备对进口芯片的依存度。

1 数据通信网关机简介

数据通信网关机种类较多，变电站站控层的代理设备均可以认为是一种通信网关，根据业务应用可以分为Ⅰ区数据通信网关机（远动）、保信子站、PMU集中器、电能量采集终端、辅助通信网关机等，各类业务采用的通信协议不同，对于接入的数据、设备等方面的要求也有较大差异，如表1 所示。

表1 数据通信网关机类型及上送的数据

以Ⅰ区数据通信网关机（远动）为例，Ⅰ区数据通信网关机是变电站内最重要的通信网关机。智能变电站内采用IEC 61850 标准，而变电站与调控中心之间通信采用IEC 60870-5-104 标准，且站控层网络和调度数据网不在同一网段，站内间隔层设备不能与调控中心直接通信，数据通信网关机作为代理网关，首先需接收间隔层设备上送的信息，再把IEC 61850数据集转换为很多个测点，挑取重要的测点或合并信号以IEC 60870-5-104 规约上送至调控中心。在这个过程中，网关机要同时完成数据采集、转换、信号合并和挑取信号发送的任务，这些要求对采用国产芯片的网关机是一个极大的挑战。其他网关机，如保信子站、辅助通信网关机等也有类似的功能要求，因此，网关机的硬件设计尤为重要。

2 国产芯片调研分析

数据通信网关机应用的主要芯片有CPU、PCIe Switch、CPLD、PCIe 转USB、PCIe 转通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/ Transmitter，UART）、PCIe 转串口硬盘（Serial Advanced Technology Attachment，SATA）、晶振等。

1）CPU/SOC 芯片

我国CPU/SOC 芯片生产厂家相对较多，取得了一定的技术突破，多款CPU 器件跨越了从不可用到可用、可用至可以商用的阶段，以华为麒麟芯片为代表，如表2 所示，已在办公电脑、中低端服务器、物联网、智能手机、车载电脑等领域广泛应用，特别是智能手机领域，麒麟芯片的性能达到了世界先进水平。

2）CPLD 芯片

CPLD 诞生于20 世纪70 年代，是一种支持用户根据需求自行构造逻辑功能的数字集成电路，CPLD编程灵活、集成度高、适用范围宽，容易控制时延，被广泛应用于中小规模的通用数字集成电路，主要生产厂家有Xilinx、Altera 等。

表2 CPU芯片国内主要厂家和性能

我国CPLD 技术水平相对较弱，生产厂家主要有西安智多晶和紫光国微两家，如表3 所示。Seagull 1000 系列海鸥1256C/V 最大支持256 个宏单元，36个输入，与Xilinx CoolRunner-ⅡCPLD 芯片的512 个宏单元，270 个I/O 有较大的技术差距。

表3 CPLD芯片国内主要厂家和性能

3）外围电路芯片

外围电路芯片种类多，如PCIe Switch、PCIe 转USB、PCIe 转UART、PCIe 转SATA、以太网控制器芯片等都可以认为是外围电路芯片。

由于技术、市场份额占有率、行业生态等各方面原因，国内（不包括中国台湾地区）厂商在PCIe Switch、PCIe-USB、PCIe-SATA 等领域少有产品投放市场，现阶段外围电路部分需要采用进口芯片。

如表4 所示，这些芯片国内生产厂家有南京沁恒、广东网讯、西安紫光等，而PCIe Switch、PCIe-USB、PCIe-SATA 等芯片暂无厂商发布，制约了国产核心芯片的应用。因此，为规避这一缺陷，电力自动化设备厂家国产设备多采用SOC 芯片方案。

表4 外围电路芯片国内主要厂家和性能

国内芯片厂家采用套片等形式将PCIe Switch、PCIe-USB、PCIe-UART、PCIe-SATA、GPU 等芯片集成，以弥补在这些领域的技术短板。

内存芯片领域，西安紫光已量产4 GB 同步动态随机存取存储器（Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM），应用在电视、机顶盒、平板等设备中。固体硬盘（Solid State Disk，SSD）方面，海康威视推出了存储容量范围为256～2 048 GB 的E200 PRO SSD，其中NAND 颗粒采用紫光原厂三维三层单元，用作移动硬盘、微机存储单元等。两者均具有较好的应用基础。

综上所述，国产芯片在某些外围电路领域与进口芯片相比有明显的技术差距，个别芯片甚至存在无芯片可选的局面，影响了核心国产芯片与国产外围芯片的配合使用。因此，需要以核心芯片自主可控的目标为主，适当应用外围电路芯片，研制基于自主可控核心芯片的数据通信网关机。

3 国产芯片数据通信网关机框架设计

数据通信网关机的设计主要采用两种技术路线：一种是基于芯片组合的多板卡扩展部署方式，CPU 芯片、FPGA、物理层端口等芯片组合形成一块数据处理板，多块处理板之间通过各类总线互联互通，可按照业务需求灵活扩展板卡，具备高度的灵活性。核心芯片替代设计需考虑各类板卡上芯片的组合配置方案。另一种是基于载板的芯片集成部署方式，国产处理器一般和载板芯片组配套供应，载板芯片组通过SATA、PCIe 等标准接口能与其他关键芯片设备共同搭建实现通用工业计算机硬件平台。在该架构模式下，随着国产核心芯片技术的不断发展，该架构中使用核心芯片产品能够快捷的更新替换。该文采用第二种技术路线。

3.1 集成国产芯片板卡设计

基于国产芯片的数据通信网关机各功能元器件集成在主板上，主要由核心芯片、通信接口模块、串口模块、存储模块、USB 模块和VGA 接口模块组成。其框架图如图1所示。除串口模块通过CPLD时序I/O控制芯片与核心芯片连接外，其余各外围电路模块通过PCIe Switch 与核心CPU 芯片进行数据交互。

图1 基于国产芯片集成板卡框架

核心模块采用天津飞腾FT-2000A/4 处理器，FT-2000A/4 是一款遵循ARM V8 架构的处理器，集成了4 个处理器核FTC663，采用16 nm 工艺，主频为2.0～2.3 GHz，相对于上一代产品，FT-1500A的性能有较大提升。FT-2000A/4 提供2 路16 lane PCIe 3.0 接口，每路可拆分为×8 接口，2 路1 lane PCIe 3.0 接口。

PCIe Switch 芯片采用美国PLX 公司PEX8724 芯片，支持2 个上行端口，7 个下行端口，能够支撑FT-2000A/4 其他模块的交互。PCIe Switch 使得设计者可根据需求自主扩展通道数量，同时PCIe Switch 还具有分区的功能，将有限的PCIe 通道资源分配给各接口模块。

CPLD 时序I/O 控制芯片采用西安智多晶Seagull 1000 系列1256C/V 芯片，具 有4 个专用总 体时钟输入接口和4 个总体输出使能控制，某些输出使能控制每个I/O 引脚，实现串口模块通信功能，同时与时钟芯片配合为系统提供数字时钟功能。

时钟芯片采用晶宇兴XO14N 型晶体振荡器，在0～50 ℃范围内频率温度稳定度为±5×10-6，提供32.768 kHz 晶振，为系统提供实时时钟服务。

内存采用紫光HXB(I)15H4G160AF-19F 存储芯片，每块大小为4 GB，内存插槽为2 块小型双列内存模组（Small Outline Dual In-line Memory Module，SODIMM），内存芯片通过SODIMM 与核心芯片连接。

主板还提供紧凑型PCI 自定义插座，支持多路串口扩展。

3.2 通信接口模块设计

通信接口模块经PCIe Switch 与CPU 相连。网络芯片采用网讯闪讯WX1860AL4 千兆以太网控制器芯片，通信接口模块设计如图2 所示。

图2 通信接口模块设计

闪讯WX1860AL4 芯片每片只支持4 个端口1 GB/s 网络接口，而数据通信网关机按照“四统一、四规范”标准要求，至少具备6 个网口，因此通信接口模块需配置2 块以太网控制器芯片，每块芯片支持四端口和双端口千兆以太网，能够直接与外部端口物理层的吉比特介质独立接口（Reduced Gigabit Media Independent Interface，RGMII）接口相连，同时支持1000Base-T 双绞线介质传输。

3.3 存储模块设计

存储模块用于存储操作系统文件、应用程序和网关采集到的电网运行数据，采用SATA 接口，存储介质选用SSD，SSD 由控制单元和存储单元构成，其中控制单元为FLASH 芯片，存储单元为DRAM 芯片，存储模块设计如图3 所示。FLASH 存储了嵌入式系统最主要的数据和程序，在掉电情况下能够长久保持信息而非易失。

图3 存储模块设计

PCIe-SATA 芯片采用我国台湾地区祥硕科技ASM1061芯片，提供两路SATA 接口，每路SATA 接口接一块NAND型海康威视固体存储器E200 PRO SSD，每块E200 PRO SSD容量为512GB，以满足对宽频测量数据存储的要求。E200 PRO SSD读取速度为560 MB/s，写入速度为500 MB/s，具备电容异常掉电保护。

3.4 USB模块设计

USB 模块是将PCIe 接口转换为USB 3.0 接口，以支持数据与移动存储器进行交互，其设计如图4 所示。PCIe USB芯片采用我国台湾地区威锋电子VL805芯片，将PCIe 转换为USB 3.0，共提供4 个USB 3.0接口。PCIe 3.0 lane 1 接口最大吞吐量是984.6 MB/s，若只引出1个通道PCIe 3.0，每个USB 3.0接口的读写速度最大为246.15 MB/s。虽然距USB 3.0 理论数据速率（625 MB/s）还有很大距离，但超出了实际传输速度（150 MB/s），因此只需引出1 个PCIe 3.0 通道。

图4 USB模块设计

3.5 VGA模块设计

视频图形阵列（Video Graphics Array，VGA）接口是一种采用模拟信号的电脑显示标准，其模块设计如图5 所示。大部分计算机均支持VGA 接口，网关机在调试时需要外接显示器，提供屏幕显示服务。VGA 输出画面需要图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）的支持，我国GPU芯片技术与世界先进水平有很大差距。相对于游戏等领域，网关机对画面色彩、纹理、三维、光照处理等渲染要求不高，二维显卡可满足要求。二维显卡芯片采用凌久GP101，支持高清多媒体接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）、VGA 等通用显示接口，支持二维、三维图形加速和OpenGL ES2.0、视频解码和硬件图层处理等功能。

图5 VGA模块设计

3.6 串口模块设计

串口全称串行通信接口，是采用串行通信方式的扩展接口，数据一帧帧串行传输，自动化设备调试信号、对时电信号、硬接点开入等信号普遍通过串口接入，但计算机内部采用并行数据，必须经过转换才能进行异步传输。UART 用来将数据在串行通信与并行数据进行转换。PCIe-UART 芯片的主要功能就是将完善的PCIe 接口网桥转换成一个功能齐全、适应多协议的UART 控制器。UART 支持RS232、RS422、RS485 等接口，可与支持串口TTL 电平规范的外部电路相连。

PCIe-UART 芯片采用南京沁恒CH438，一块CH438 可以引出8 个串口，最高支持4 Mbps 的通信波特率，用作调试接口和与LED 液晶屏连接的接口，其模块设计如图6 所示。

图6 串口模块设计

由CPLD 引出通用输入输出接口，包括8 路输出和8 路输入接口，通过集成电路总线（Inter-Integrated Circuit，IIC）、系统管 理总线（System Management Bus，SMBus）或串行 外设接 口（Serial Peripheral Interface，SPI）总线简化I/O 的扩展，通用输入输出（General-purpose Input/Output，GPIO）能够提供额外的控制和监视功能，用于硬接点信号接入或输出。每一个GPIO 可软件定义为输入或输出。

至此，数据通信网关机的集成主板和主要功能模块的设计完成。

4 应用案例

随着智能电网的建设与发展，新能源、直流输电、交流柔性输电相关的电力电子设备广泛应用于电网的各个环节，会带来谐波、间谐波和次同步振荡等非工频电气量。宽频测量系统在此背景下提出的新型广域宽频测量技术[16]，具有采样频率高、测量频带宽（0～2 500 Hz）、不间断数据记录、边缘计算等特性，业务场景要求支持DL/T 860、GB/T 26865.2-2011等通信协议，可传输转发谐波、间谐波、同步相量等数据，并支持对这些数据的存储及分析，支持72 小时不间断数据的滚动存储记录，即长录波。

宽频测量系统由宽频测量装置、站域存储分析装置和宽频测量主站3 部分组成。站域存储分析装置作为系统的网关机设备，采用该文设计的基于国产核心芯片的数据通信网关机。站域存储分析装置的主要功能是接收存储宽频测量装置采集到的各间隔动态相量数据，并进行初步分析，同时通过GB/T 26865.2-2011协议将数据转发至宽频测量主站前置。

站域存储分析装置采用Debian 9.0 系统，部署了DL/T 860 和GB/T 26865.2-2011 协议通信程序。每秒接收和转发100 帧实时数据报文，每帧报文700～800 Byte，同时具备长录波功能。为验证样机的性能，搭建了一套宽频测量测试系统。

如图7 所示，站域存储分析装置采用该文提出的通信网关机，宽频测量装置为中国电科院PAS340装置，宽频测量主站为D5000 宽频测量监测分析功能模块。站域存储分析装置同时接入8 台宽频测量装置。经测试，站域存储分析装置下行端口的平均通信速率为630 kB/s，上行端口的最大通信速率为35 Mbps。当转发长录波文件时，站域存储分析装置的最大CPU 负荷50%，平均负荷31%，72 小时稳定运行测试期间通信未出现中断、丢帧、死机等情况。测试结果表明，基于国产核心芯片的变电站数据通信网关机通信可靠稳定。

图7 宽频测量系统测试架构

5 结论

电力系统自动化设备面临着核心芯片断供的风险，潜在威胁电网的运行安全。该文基于天津飞腾FT-2000A/4 芯片，主要应用国产芯片，在无国产替代的情况下采用进口芯片，设计了集成主板芯片板卡、通信接口模块、存储模块、USB模块、存储模块、串口模块和VGA 模块。基于国产核心芯片的数据通信网关机在宽频测量系统得到了应用，并进行了性能测试。

该文提出的方案应用了部分进口芯片，仍存在不可控的风险，后续将使用飞腾套片或SOC 芯片，以完善自主可控数据通信网关机的设计与实现。