基于國產核心芯片的變電站數據通信網關機設計

任 輝，姚志強，邢文紅，徐 歆，李松濤

（1.中國電力科學研究院有限公司南京分院，江蘇南京 210003；2.國網遼寧省電力有限公司鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114000）

變電站自動化是電網實現測量和控制的基礎，匯聚了大量現代信息、通信和控制技術成果，實現對變電站一二次設備的自動監視、測量、控制以及與調度通信等綜合性的自動化功能[1]。自動化設備采用了平臺化和模塊化開發模式，大量應用高性能中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、數字信號處理芯片（Digital Signal Processor，DSP）、復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）、現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）、SOC（System-on-a-Chip）、高速串行計算機擴展總線交換（Peripheral Component Interconnect Express，PCIe Switch）等先進技術[2-9]，這些半導體芯片嚴重依賴進口，每年我國進口需要消耗3 000 多億美元外匯[10]。2018 年至2019 年，中興、華為事件相繼爆發，暴露出我國在核心半導體領域的重大短板，給電力自動化設備的生產和維護帶來嚴重風險。國內廠商雖然備有一定數量的芯片，但無法從根本上解決問題，應用自主可控國產芯片是自動化設備發展的必然趨勢。

數據通信網關機是智能變電站一體化監控系統中實現變電站與調度、生產等主站系統之間通信的工控裝置，可以為主站系統提供監視控制、信息查詢和遠程瀏覽等功能，提供數據、模型和圖形服務[11]。網關機是一種用作代理的典型工控裝置[12-15]，廣泛應用于各工業領域，其硬件配置接近于或超過個人電腦，但采用無風扇、無旋轉部件硬件設計，且在電磁兼容和機械性能方面有嚴格的要求。

近些年，隨著我國半導體芯片企業的發展，我國CPU/SOC 取得了長足進步，然而外圍電路芯片難以全部國產化。降低對進口元器件依賴程度是循序漸進的過程，核心CPU 采用國產芯片、外圍電路適當采用進口芯片，是目前較為可行的實施方案。

該文采用國產CPU 作為核心芯片，適當選用進口芯片，設計了一款變電站數據通信網關機設備，以降低電力自動化設備對進口芯片的依存度。

1 數據通信網關機簡介

數據通信網關機種類較多，變電站站控層的代理設備均可以認為是一種通信網關，根據業務應用可以分為Ⅰ區數據通信網關機（遠動）、保信子站、PMU集中器、電能量采集終端、輔助通信網關機等，各類業務采用的通信協議不同，對于接入的數據、設備等方面的要求也有較大差異，如表1 所示。

表1 數據通信網關機類型及上送的數據

以Ⅰ區數據通信網關機（遠動）為例，Ⅰ區數據通信網關機是變電站內最重要的通信網關機。智能變電站內采用IEC 61850 標準，而變電站與調控中心之間通信采用IEC 60870-5-104 標準，且站控層網絡和調度數據網不在同一網段，站內間隔層設備不能與調控中心直接通信，數據通信網關機作為代理網關，首先需接收間隔層設備上送的信息，再把IEC 61850數據集轉換為很多個測點，挑取重要的測點或合并信號以IEC 60870-5-104 規約上送至調控中心。在這個過程中，網關機要同時完成數據采集、轉換、信號合并和挑取信號發送的任務，這些要求對采用國產芯片的網關機是一個極大的挑戰。其他網關機，如保信子站、輔助通信網關機等也有類似的功能要求，因此，網關機的硬件設計尤為重要。

2 國產芯片調研分析

數據通信網關機應用的主要芯片有CPU、PCIe Switch、CPLD、PCIe 轉USB、PCIe 轉通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/ Transmitter，UART）、PCIe 轉串口硬盤（Serial Advanced Technology Attachment，SATA）、晶振等。

1）CPU/SOC 芯片

我國CPU/SOC 芯片生產廠家相對較多，取得了一定的技術突破，多款CPU 器件跨越了從不可用到可用、可用至可以商用的階段，以華為麒麟芯片為代表，如表2 所示，已在辦公電腦、中低端服務器、物聯網、智能手機、車載電腦等領域廣泛應用，特別是智能手機領域，麒麟芯片的性能達到了世界先進水平。

2）CPLD 芯片

CPLD 誕生于20 世紀70 年代，是一種支持用戶根據需求自行構造邏輯功能的數字集成電路，CPLD編程靈活、集成度高、適用范圍寬，容易控制時延，被廣泛應用于中小規模的通用數字集成電路，主要生產廠家有Xilinx、Altera 等。

表2 CPU芯片國內主要廠家和性能

我國CPLD 技術水平相對較弱，生產廠家主要有西安智多晶和紫光國微兩家，如表3 所示。Seagull 1000 系列海鷗1256C/V 最大支持256 個宏單元，36個輸入，與Xilinx CoolRunner-ⅡCPLD 芯片的512 個宏單元，270 個I/O 有較大的技術差距。

表3 CPLD芯片國內主要廠家和性能

3）外圍電路芯片

外圍電路芯片種類多，如PCIe Switch、PCIe 轉USB、PCIe 轉UART、PCIe 轉SATA、以太網控制器芯片等都可以認為是外圍電路芯片。

由于技術、市場份額占有率、行業生態等各方面原因，國內（不包括中國臺灣地區）廠商在PCIe Switch、PCIe-USB、PCIe-SATA 等領域少有產品投放市場，現階段外圍電路部分需要采用進口芯片。

如表4 所示，這些芯片國內生產廠家有南京沁恒、廣東網訊、西安紫光等，而PCIe Switch、PCIe-USB、PCIe-SATA 等芯片暫無廠商發布，制約了國產核心芯片的應用。因此，為規避這一缺陷，電力自動化設備廠家國產設備多采用SOC 芯片方案。

表4 外圍電路芯片國內主要廠家和性能

國內芯片廠家采用套片等形式將PCIe Switch、PCIe-USB、PCIe-UART、PCIe-SATA、GPU 等芯片集成，以彌補在這些領域的技術短板。

內存芯片領域，西安紫光已量產4 GB 同步動態隨機存取存儲器（Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM），應用在電視、機頂盒、平板等設備中。固體硬盤（Solid State Disk，SSD）方面，海康威視推出了存儲容量范圍為256～2 048 GB 的E200 PRO SSD，其中NAND 顆粒采用紫光原廠三維三層單元，用作移動硬盤、微機存儲單元等。兩者均具有較好的應用基礎。

綜上所述，國產芯片在某些外圍電路領域與進口芯片相比有明顯的技術差距，個別芯片甚至存在無芯片可選的局面，影響了核心國產芯片與國產外圍芯片的配合使用。因此，需要以核心芯片自主可控的目標為主，適當應用外圍電路芯片，研制基于自主可控核心芯片的數據通信網關機。

3 國產芯片數據通信網關機框架設計

數據通信網關機的設計主要采用兩種技術路線：一種是基于芯片組合的多板卡擴展部署方式，CPU 芯片、FPGA、物理層端口等芯片組合形成一塊數據處理板，多塊處理板之間通過各類總線互聯互通，可按照業務需求靈活擴展板卡，具備高度的靈活性。核心芯片替代設計需考慮各類板卡上芯片的組合配置方案。另一種是基于載板的芯片集成部署方式，國產處理器一般和載板芯片組配套供應，載板芯片組通過SATA、PCIe 等標準接口能與其他關鍵芯片設備共同搭建實現通用工業計算機硬件平臺。在該架構模式下，隨著國產核心芯片技術的不斷發展，該架構中使用核心芯片產品能夠快捷的更新替換。該文采用第二種技術路線。

3.1 集成國產芯片板卡設計

基于國產芯片的數據通信網關機各功能元器件集成在主板上，主要由核心芯片、通信接口模塊、串口模塊、存儲模塊、USB 模塊和VGA 接口模塊組成。其框架圖如圖1所示。除串口模塊通過CPLD時序I/O控制芯片與核心芯片連接外，其余各外圍電路模塊通過PCIe Switch 與核心CPU 芯片進行數據交互。

圖1 基于國產芯片集成板卡框架

核心模塊采用天津飛騰FT-2000A/4 處理器，FT-2000A/4 是一款遵循ARM V8 架構的處理器，集成了4 個處理器核FTC663，采用16 nm 工藝，主頻為2.0～2.3 GHz，相對于上一代產品，FT-1500A的性能有較大提升。FT-2000A/4 提供2 路16 lane PCIe 3.0 接口，每路可拆分為×8 接口，2 路1 lane PCIe 3.0 接口。

PCIe Switch 芯片采用美國PLX 公司PEX8724 芯片，支持2 個上行端口，7 個下行端口，能夠支撐FT-2000A/4 其他模塊的交互。PCIe Switch 使得設計者可根據需求自主擴展通道數量，同時PCIe Switch 還具有分區的功能，將有限的PCIe 通道資源分配給各接口模塊。

CPLD 時序I/O 控制芯片采用西安智多晶Seagull 1000 系列1256C/V 芯片，具 有4 個專用總 體時鐘輸入接口和4 個總體輸出使能控制，某些輸出使能控制每個I/O 引腳，實現串口模塊通信功能，同時與時鐘芯片配合為系統提供數字時鐘功能。

時鐘芯片采用晶宇興XO14N 型晶體振蕩器，在0～50 ℃范圍內頻率溫度穩定度為±5×10-6，提供32.768 kHz 晶振，為系統提供實時時鐘服務。

內存采用紫光HXB(I)15H4G160AF-19F 存儲芯片，每塊大小為4 GB，內存插槽為2 塊小型雙列內存模組（Small Outline Dual In-line Memory Module，SODIMM），內存芯片通過SODIMM 與核心芯片連接。

主板還提供緊湊型PCI 自定義插座，支持多路串口擴展。

3.2 通信接口模塊設計

通信接口模塊經PCIe Switch 與CPU 相連。網絡芯片采用網訊閃訊WX1860AL4 千兆以太網控制器芯片，通信接口模塊設計如圖2 所示。

圖2 通信接口模塊設計

閃訊WX1860AL4 芯片每片只支持4 個端口1 GB/s 網絡接口，而數據通信網關機按照“四統一、四規范”標準要求，至少具備6 個網口，因此通信接口模塊需配置2 塊以太網控制器芯片，每塊芯片支持四端口和雙端口千兆以太網，能夠直接與外部端口物理層的吉比特介質獨立接口（Reduced Gigabit Media Independent Interface，RGMII）接口相連，同時支持1000Base-T 雙絞線介質傳輸。

3.3 存儲模塊設計

存儲模塊用于存儲操作系統文件、應用程序和網關采集到的電網運行數據，采用SATA 接口，存儲介質選用SSD，SSD 由控制單元和存儲單元構成，其中控制單元為FLASH 芯片，存儲單元為DRAM 芯片，存儲模塊設計如圖3 所示。FLASH 存儲了嵌入式系統最主要的數據和程序，在掉電情況下能夠長久保持信息而非易失。

圖3 存儲模塊設計

PCIe-SATA 芯片采用我國臺灣地區祥碩科技ASM1061芯片，提供兩路SATA 接口，每路SATA 接口接一塊NAND型海康威視固體存儲器E200 PRO SSD，每塊E200 PRO SSD容量為512GB，以滿足對寬頻測量數據存儲的要求。E200 PRO SSD讀取速度為560 MB/s，寫入速度為500 MB/s，具備電容異常掉電保護。

3.4 USB模塊設計

USB 模塊是將PCIe 接口轉換為USB 3.0 接口，以支持數據與移動存儲器進行交互，其設計如圖4 所示。PCIe USB芯片采用我國臺灣地區威鋒電子VL805芯片，將PCIe 轉換為USB 3.0，共提供4 個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個通道PCIe 3.0，每個USB 3.0接口的讀寫速度最大為246.15 MB/s。雖然距USB 3.0 理論數據速率（625 MB/s）還有很大距離，但超出了實際傳輸速度（150 MB/s），因此只需引出1 個PCIe 3.0 通道。

圖4 USB模塊設計

3.5 VGA模塊設計

視頻圖形陣列（Video Graphics Array，VGA）接口是一種采用模擬信號的電腦顯示標準，其模塊設計如圖5 所示。大部分計算機均支持VGA 接口，網關機在調試時需要外接顯示器，提供屏幕顯示服務。VGA 輸出畫面需要圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）的支持，我國GPU芯片技術與世界先進水平有很大差距。相對于游戲等領域，網關機對畫面色彩、紋理、三維、光照處理等渲染要求不高，二維顯卡可滿足要求。二維顯卡芯片采用凌久GP101，支持高清多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）、VGA 等通用顯示接口，支持二維、三維圖形加速和OpenGL ES2.0、視頻解碼和硬件圖層處理等功能。

圖5 VGA模塊設計

3.6 串口模塊設計

串口全稱串行通信接口，是采用串行通信方式的擴展接口，數據一幀幀串行傳輸，自動化設備調試信號、對時電信號、硬接點開入等信號普遍通過串口接入，但計算機內部采用并行數據，必須經過轉換才能進行異步傳輸。UART 用來將數據在串行通信與并行數據進行轉換。PCIe-UART 芯片的主要功能就是將完善的PCIe 接口網橋轉換成一個功能齊全、適應多協議的UART 控制器。UART 支持RS232、RS422、RS485 等接口，可與支持串口TTL 電平規范的外部電路相連。

PCIe-UART 芯片采用南京沁恒CH438，一塊CH438 可以引出8 個串口，最高支持4 Mbps 的通信波特率，用作調試接口和與LED 液晶屏連接的接口，其模塊設計如圖6 所示。

圖6 串口模塊設計

由CPLD 引出通用輸入輸出接口，包括8 路輸出和8 路輸入接口，通過集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，IIC）、系統管 理總線（System Management Bus，SMBus）或串行 外設接 口（Serial Peripheral Interface，SPI）總線簡化I/O 的擴展，通用輸入輸出（General-purpose Input/Output，GPIO）能夠提供額外的控制和監視功能，用于硬接點信號接入或輸出。每一個GPIO 可軟件定義為輸入或輸出。

至此，數據通信網關機的集成主板和主要功能模塊的設計完成。

4 應用案例

隨著智能電網的建設與發展，新能源、直流輸電、交流柔性輸電相關的電力電子設備廣泛應用于電網的各個環節，會帶來諧波、間諧波和次同步振蕩等非工頻電氣量。寬頻測量系統在此背景下提出的新型廣域寬頻測量技術[16]，具有采樣頻率高、測量頻帶寬（0～2 500 Hz）、不間斷數據記錄、邊緣計算等特性，業務場景要求支持DL/T 860、GB/T 26865.2-2011等通信協議，可傳輸轉發諧波、間諧波、同步相量等數據，并支持對這些數據的存儲及分析，支持72 小時不間斷數據的滾動存儲記錄，即長錄波。

寬頻測量系統由寬頻測量裝置、站域存儲分析裝置和寬頻測量主站3 部分組成。站域存儲分析裝置作為系統的網關機設備，采用該文設計的基于國產核心芯片的數據通信網關機。站域存儲分析裝置的主要功能是接收存儲寬頻測量裝置采集到的各間隔動態相量數據，并進行初步分析，同時通過GB/T 26865.2-2011協議將數據轉發至寬頻測量主站前置。

站域存儲分析裝置采用Debian 9.0 系統，部署了DL/T 860 和GB/T 26865.2-2011 協議通信程序。每秒接收和轉發100 幀實時數據報文，每幀報文700～800 Byte，同時具備長錄波功能。為驗證樣機的性能，搭建了一套寬頻測量測試系統。

如圖7 所示，站域存儲分析裝置采用該文提出的通信網關機，寬頻測量裝置為中國電科院PAS340裝置，寬頻測量主站為D5000 寬頻測量監測分析功能模塊。站域存儲分析裝置同時接入8 臺寬頻測量裝置。經測試，站域存儲分析裝置下行端口的平均通信速率為630 kB/s，上行端口的最大通信速率為35 Mbps。當轉發長錄波文件時，站域存儲分析裝置的最大CPU 負荷50%，平均負荷31%，72 小時穩定運行測試期間通信未出現中斷、丟幀、死機等情況。測試結果表明，基于國產核心芯片的變電站數據通信網關機通信可靠穩定。

圖7 寬頻測量系統測試架構

5 結論

電力系統自動化設備面臨著核心芯片斷供的風險，潛在威脅電網的運行安全。該文基于天津飛騰FT-2000A/4 芯片，主要應用國產芯片，在無國產替代的情況下采用進口芯片，設計了集成主板芯片板卡、通信接口模塊、存儲模塊、USB模塊、存儲模塊、串口模塊和VGA 模塊。基于國產核心芯片的數據通信網關機在寬頻測量系統得到了應用，并進行了性能測試。

該文提出的方案應用了部分進口芯片，仍存在不可控的風險，后續將使用飛騰套片或SOC 芯片，以完善自主可控數據通信網關機的設計與實現。