上海电器技术(2008No．2) 多功能通信管理机 ·产品选用 ·产品介绍
多功能通信管理机
张毅刚 徐 辉 叶剑峰 上海继电器有限公司
摘 要： 提出了一种应用于变电站综合 自动化系统中的多功能通信管理机方案。它除了具有基本的规约转换及
网络打印功能外，还集成了多种其它功能，例如开关量输入、输出(简称开入 、开出)功能，GPS对时功能，温度采集
功能，模拟量输出功能等。这些扩展功能可有效地减少变电站内二次设备的数量，提高设备的应用范围。另外，这
些扩展功能采用模块化设计，可根据用户的需要进行灵活配置；软、硬件设计保证 了即插即用功能，并给出了详细
的硬件设计方案及软件设计流程。
关键词： 通信管理机 变电站自动化 多功能 规约
Multi—function Communication
Management Device
Abstract：A scherlle of multi—function communic
，
ation management device is proposed in this paper．Besides conventional
function of protocol convert and network print，the device have other functions，such as digital input and output function，
GPS time synchronization，temperature measurement and analog output function．Function expansion of the device Call el-
fectively reduce automation devices，and enlarge the application scope of the communication device．Modular design is used
in this scheme，SO these extended functions can be configured flexibly according to the demand on field．Plug and play is
realized by hardware and~ ware design．Hardware design scheme and software flow chart is also provided in this paper．
Keywords：communication management device substation automation multi—function protocol
0 前言
变电站综合 自动化系统是一个复杂的二次系
统，主要完成变电站内各元件的保护和控制功能。
除此之外，信息的收集和整理，以及基于这些信息实
现的高级功能，如小电流接地选线、电压无功控制
(VQC)、微机五防控制等，也是变电站自动化系统
的重要功能。由于变电站内保护和控制设备种类繁
多，且同种产品的生产厂家众多，各厂家又都有各自
的通信规约，以致整个系统互联时需要通过中间的
规约转换设备，规约转换器也就此应运而生。传统
的规约转换器由于功能单一，系统中使用量较少，因
一 34一
此没有得到重视。随着嵌入式系统的发展，许多生
产厂家推出了基于嵌入式系统的设计方案 ，功能
也有些扩展，但也仅限于通信功能，如 Lonworks通
信功能等。
本文提出了一种多功能通信管理机思想。它不
但具有规约转换、打印服务等基本功能，还集成了多
种其它功能，如 GPS对时，RTD测温，开关量输入、
输出(简称开入、开出)功能等，因此是真正的具有
变电站管理的功能。另外，这些功能还可根据工程
的实际需要，进行有选择的配置，做到即插即用，避
免了功能的浪费和成本的提高。本文给出了通信管
理机软、硬件的设计思想和实现方法，以及采用这种
维普资讯
产品选用 ·产品介绍 ·多功能通信管理机 上海电器技术(2008No．2)
通信管理机的一种典型的组网方案。
1 功能特点
多功能通信管理机是 自行研制的新一代管理
机，具有规约转换、打印服务等功能。
1．1 规约转换
支持国内、外生产厂家的多种保护设备。目前，
与间隔层设备互联完成了阿海珐公司的P54系列保
护设备、日本三菱的 MCD系列保护设备以及南瑞 、
南自的保护设备等；对变电站层则完成了多种远动
规约，包括 DL／T 634。5101-_2()(】2(IEC 60870—5一
l01传 输规 约 ) 、DL／T 634．5014--2002 (IEC
60870—5—104传输规约)、DL／T 667--1999(IEC
60870—5—103传输规约)、DL／T 451—1991循环
式远动规约等。
1．2 打印服务
具有可选的打印功能，可连接 1台串口打印机
或并口打印机进行实时数据、保护动作事件、录波数
据等数据打印输出。该组件有串口打印机接口(9
针)和并口打印机接口(25针)各 1个。
1．3 可选数字量输入输出组件
输入组件最多可采集 16路数字量，标准型号为
220 V DC操作 电压；也可根据用户需求，定制 110
V、48 V操作电压。它主要用于变电站内开关量的
采集和上送后台系统。
数字量输出组件包含 8个机械继电器和 1个
MOS继电器。继电器可选择输出脉冲宽度为：短脉
冲0．5 S，长脉冲4．0 S，超长脉冲25s，持续脉冲无限
长。该组件还包含 1路数字量输入回路，通常用作
信号复归。
1．4 可选温度采集组件
该组件主要为变电站内变压器温度采集或终端
站内大型电动机的温度采集。它采用 24位差分
ADC实现 3线制式的 RTD测量回路，可以接入 6路
Ptl00／Cu50型热电阻传感器，测量精度高，输入回
路有过电压保护措施。
1。5 可选模拟量输出组件
该组件包含有 4～20 mA模拟量输出功能，含
有6个独立电流源通道，通过设置可对应为装置所
采集到的任意一个遥测量或模拟量。
1．6 可选光纤收发器组件
可选多模光纤或单模光纤收发器。每个组件含
有 4个 UART部件，3个光纤收发器组件，用于需要
光纤通信的场合。
1．7 可选 GPS对时组件
变电站内通常需要 GPS对时装置来完成保护
测控设备的对时。通信管理机中的 GPS组件可完
成对时装置的功能或扩展对时接口。当用户选择外
接GPS对时装置时，该组件可接收PPS对时脉冲或
IRIG—B国际通用对时码(DC)，通信串口用于接入
对时装置的绝对时间数据。若采用 1TrL电平的PPS
脉冲，则脉冲信号从 BNC接 口接入；若采用 RS一
485电平的 PPS脉冲，则脉冲信号从 RS一485接 口
输入即可。当用户选择内置 GPS方式时，只需将有
源卫星天线直接从 BNC接口接入本装置即可，无需
外配 GPS对时装置。此时，该组件的串行通信接 口
可向外输出对时数据，同时经3路 RS一485驱动器
输出符合 IRIG—B(DC)标准的时间编码信息。
1．8 支持双机热备用和双网热备用
通信管理机支持双机热备用和双网热备用。在
对可靠性要求高的场合下，考虑使用 2台装置互为
备用，问隔层可组建单网络或双网络。
1．9 支持设备驱动自动加载
用户可根据工程需要，灵活配置各种组件。装
置支持设备驱动自动加载，可自动识别各种组件，做
到即插即用。
1．1 0 配置信息可整定
装置配备有240×128点阵的大屏幕液晶，通过
面板按键进行各种参数设置，同时可实时浏览关键
信息，如遥测、遥信值，各种事件列表。在设备调试
时，还可实时显示收发的报文，真正做到界面友好。
关键的参数设置，如遥控等参数设置了密码保护，防
一 3S一
维普资讯
上海电器技术(20o8№．2) 多功能通信管理机 ·产品选用 ·产品介绍
止误操作。
2 硬件设计
为了确保上述功能的实现，并达到最优的性价
比，故选择了第四代单片微机 80C296SA、CPI D及
高性能的通信控制器组建硬件平台。为了实现功能
可定制，采用总线板结构，即各种可选插件通过总线
板和 CPU主板连接；最小系统，包括电源板、CPU主
板、总线板、液晶显示板、其他可选插件通过总线板
连接。结构上采用全封闭金属机箱，各模块之间有
金属屏蔽板，以减少电磁干扰的影响。连接示意图
如图 1所示。
A B C D E F G H I J K L M N
G 网 C 电 审 钡0 开 开
P 络 A 源 口 温 入 出
S 组 N 组 组 组 组 组
组 件 组 件 件 件 件 件
件 件
背 板
i
CPU板
l
液晶 按键板
图 1 通信管理机的硬件结构示意图
CPU组 件是 整个 装置 的核 心部 分，包 括
80C296SA微控制器及其外设l3 J。外围器件主要包
括 Flash、RAM、通信控制器、看门狗器件等。微处理
器处理频率最高可达 50 MHz，可寻址 6 MB。存储
空间和代码执行时间不再是约束程序的瓶颈，为增
加程序的可靠性而增加的代码将不会影响整体的速
度和性能。功能强大的通信控制器 TL16C754一次
一 36一
可连续写入64Byte的数据，且具有强大的流控制功
能，对打印机和通信口提供了有力支持。它的运用
一 方面使软件的开销大大减少，提高了编程的效率；
另一方面也为与更加先进的智能设备通信提供_r硬
件上的各种支持。CPU组件的原理框图如 2所
示。
图2 CPU组件原理示意图
维普资讯
产品选用 ·产品订绍 ·多功能通信管理机 上海电器技术(2008No．2)
CPU组件采用了2片 Flash存储器，1片用于加
载引导程序，主要完成系统的初始化及 自检，另 1片
加载应用程序，完成各种用户功能。这种设计方案
实现了应用程序在线升级功能，可使技术人员在现
场完成一些简单的规约编写以及调试后直接下载到
管理机中。
为根据不同的工程需要而实现功能的扩展，采
用功能分散设计的方法，即每个扩展插件实现一种
单一功能 ，如串口插件有 4个串口，完成 RS一232／
485串口通信，CAN板插件有 2个 CAN口，以太网
插件完成局域网通信功能等。这种设计增加了装置
的灵活性，如若需要4个以上的串口，可以插入 2块
串口板。它最多可配置 10块串口板，共计 40个串
口 。
除 』，通信功能以外，其它功能组件也采用了上
述设计方案 ，例如 GPS组件集成了 Motorlo M12型
GPS模块以及 CPLD和相应的外设；RTD板集成了
A／D： 片及相应数据采集及保持 电路等。这些功
能都是通过 CPLD和 CPU主板，形成统一整体。
3 软件设计
通信管理机的软件采用具有 自主知识产权的实
时操作系统作平台，最小任务调度刷期为5ms，实时
性好，可靠性高，支持多任务操作。应用软件均采用
基于汇编的对象编程技术，具有运行效率高和代码
重用及软件重组能力。系统集成 100Mbps网络驱
动、打印机驱动、CAN网络驱动、LCD驱动、网络驱
动等标准没备驱动程序及各种组件驱动程序 ，从而
实现了插件的自动识别和驱动自动加载的即插即用
能力。
应用软件包括常用的上行至主站通信规约，如
IEC 870—5—101、IEC 870—5—103、IEC 870—5—
104、CDT、DISA等；问隔层除兼容本公司的保护测
控装置的通信协议，还可接入国内主流厂商的保护
测控设备，如南瑞、南 自的保护装置，AREVA公司的
P54系列保护等。系统具有丰富的第三方装置规约
库，如直流屏、电度表、小电流接地选线装置等，可以
现场重组，并具备自定义协议的装置接入能力。
软件系统采用 3层结构，如图3所示。图3中，
最底层是引导程序，完成系统的初始化和自检；中间
层是系统程序 ，主要完成任务的调度及管理；最上面
一 层是用户程序，包括各种用户进程。
用户程序(APP 1
用户进程及服务程序
l
系统程序(sYs1
网络管理及事件处理
』
gt导程序(BIO)
系统初 始化
图3 软 件层次 结构 不惹图
系统上电或复位时，首先运行引导程序(BIO)，
对 CPU、外围接 口芯片及功能芯片进行初始化，执
行系统自诊断程序，判断系统程序及用户进程是否
有效；系统引导成功后 ，将控制权交给系统程序；在
系统程序的控制下，开始运行各种用户进程。
如果在系统 自诊断过程发现致命的错误 (如
ROM出错、RAM出错等)后，引导程序给出相应的
错误提示，将不再运行系统程序和用户进程，以免传
输错误的数据。
上述 3个层系统按优先级的不同，分成 3部分，
每 1块程序占用 CPU不同的资源，由调度程序进行
管理 ，如图4所示。在图4中，位于顶端的任务优先
级最高。它可以打断其他两级任务而被优先执行，
所有对时间敏感的服务程序均存放于此，如通信端
口物理层驱动程序、校时子程序、A／D采样程序，开
入检测，软件延时计数器服务程序等。
图4中，位于中间一部分服务程序 40 ms左右
被调用 1次，所有对时间要求较高的服务程序均放
于此，如通信端 口数据链路层服务程序、通信服务主
程序 、时问处理程序、系统二级调度程序、系统消息
处理程序等。
一 37—
维普资讯
上海电器技术(2008No．2) 多功能通信管理机 ·产品选用 ·产品介绍
图4 软件优先级结构
位于最底层的主程序 1 S左右被调用 1次，所
有对时间要求不高的服务程序均存放于此，如显示
数据刷新程序、通信端口出错处理程序和系统三级
调度程序等。运行于该优先级的程序可能被高优先
级任务所打断。其他服务程序被放置在上述3个不
同的部分，并相互配合协调工作。
用户进程是位于系统程序和引导程序之上的完
成各种用户接 口的程序。在该部分程序
中，实现了现场智能设备的接人和远方调
度规约。常用的智能设备远动规约(如
103规约、104规约、CDT规约等)和电度
表通信规约已经嵌入系统内，保存在应用
程序 Flash上，这些程序可 以由用户在面
板上操作选择，由系统调度程序动态调度
执行。对不常用的设备接口由组态软件采
用静态连接的方式，将该设备的接 口程序
连人用户程序。
由于采用总线结构，当某一个插件插
入装置后，系统可根据地址总线分辨出所
插入的组件型号，从而自动加载其硬件驱
动。但应用功能的使用还需要通过面板设
置来进行加载，例如 GPS功能、温度采集
功能等。而开入、开出功能则不需要面板
设置，组件插入后，系统可自动加载运行。
一 38一
用户进程根据优先级也分为 3块，但用户进程
不能直接运行，必须等到系统调度并分配给资源后
才能被调度执行。用户进程采用面向对象机制生
成，支持对象复制，同一时间可运行多个拷贝。在系
统程序的支撑下，用户进程之间可相互发送消息和
交换数据。典型的用户进程的逻辑框图如图 5所
示
4 典型应用
通信管理通常位于变电站自动化系统中间隔层
和变电站层之间，作为整个系统的联系枢纽。由于
变电站内有大量二次设备，如各种保护测控装置、直
流系统、故障录波系统、电度表等，它们的通信口各
异、通信规约也各异，如果不采用通信管理机将这些
规约汇总转换为标准规约上传到变电站层，将会大
大增加变电站层的网络负担和稳定性。而通信管理
机内集成了各种通信口，如串口、CAN口、以太网
口、光纤口等，用户可根据不同的应用，构建不同的
网络，包括485总线网、CAN总线网，双绞线以太网
用户进程一 用户进程二
链路层数据收发 链路层数据收发
及管理 及管理
用户进程事务处理 用户进程事务处理
l
，
用户进程数据库 用户进程数据库
维护 维护
用户进程 ，肖息处理 用户进程消息处理
和转发 和转发
1 f}
”
系统临控程序和引导程序
图5 典型用户通信
维普资讯
产品选用 ·产品介绍 ·多功能通信管理机 上海电器技术(2008No．2)
和光纤以太网，极大地增加了系统的可靠性和灵活
性。另外，通信管理机特有的扩展功能，也减少了整
个变电站二次设备的数量，从而减少了变电站自动
化系统的投资。例如，可以减少变压器温度控制器、
变压器档位调节装置，因为通信管理机的温度采集
模块和开入、开出模块可以代替上述装置。GPS模
块不但能节约投资(节省了GPS对时装置)，还能节
约空间。
通信管理机支持双机热备用和双网热备用，在
对可靠性要求高的场合下，考虑使用2台管理互为
当地 监控
备用，间隔层可组建单网络或双网络。图6给出了
一 种典型的双总线网络配置。间隔层采用了 CAN
— Bus总线和 RS一485总线的冗余配置。当两条总
线正常工作时，数据流量将被均分到2个子网上，减
轻了总线负担。当系统中某个节点的一条总线出现
异常时，该节点的数据将 自动转到另一网络上进行
传输，大大降低了因网络总线故障造成的数据丢失
的几率，增强了数据传输的可靠性。同时，通信管理
机通过异步串口，向当地监控和主站上送实时数据；
第三方装置通过串口接人管理机。
丰站
CBZ6XXX 糸剁 侏 于尸删 装 置
图6 系统典型配置图
结 {五
站等，装置运行情况良好。
．
本文提出了一种具有多种扩展功能的通信管理 参 考 文 献
机方案。该装置不但具有常规通信管理机的规约转 [1] 雷体文，蔡迅花，曾字．基于消息机制的变电站智能通
换及网络打印功能，而且有开入 、开出，GPS对时，测 讯管理机[J]．自动化与信息工程，20O7，32(1)：18～20．
温，模拟量输出等扩展功能。模块化设计使得各种 [2] 金丹·应用新型嵌入式系统设计电力通信管理机[J]·
通信口和扩展模块可以灵活配置，即插即用。目前， 电_力自动化设备,2006,26(1O)：88～ 6·
该通信管理机已应用在多个大型变电站中，例如北 [ ] 刘复华·Mcs296单片机及其应用系统设计[M]·rlL
京城南 500 kV变电站项 目，山西雁同 500 kV变电 京：清华大学出版社，2004·
一 q 一
维普资讯
