隨著鐵路電力牽引向高速、重載的發(fā)展，使得牽引變電所和供電系統(tǒng)容量增大，對控制保護功能" title="保護功能">保護功能、監(jiān)控的精度與分辨率、控制自動化與智能化程度等多方面提出更高的要求。因此必須提高變電站運行管理的自動化水平，變電站自動化技術(shù)得到了迅速發(fā)展。對于變電站自動化系統(tǒng)" title="變電站自動化系統(tǒng)">變電站自動化系統(tǒng)(SAS)，分層分布式結(jié)構(gòu)是目前變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向^[1]，在這種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，每一個間隔擁有自己的智能間隔裝置(IED)，該裝置需要實現(xiàn)保護、控制、測量、通信、錄波等所有功能，這就對這些間隔裝置提出了很高要求。近年來微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)這種裝置提供了條件。
1 總體設(shè)計
1.1 一體化結(jié)構(gòu)
　　在變電站自動化系統(tǒng)中，智能化的保護和測控單元也稱為IED，通常系統(tǒng)中的這些單元都是獨立的，每個單元各自實現(xiàn)一種功能，例如主保護單元、后備保護" title="后備保護">后備保護單元、測控單元等，或者至多是信息與控制結(jié)合成為綜合測控裝置，而保護裝置依然獨立，這最主要的原因是出于對保護的可靠性要求。但隨著硬件技術(shù)水平的提高，可靠性問題可由硬件設(shè)計、制造技術(shù)來解決。
　　另外，IED的一體化設(shè)計有以下優(yōu)點：(1)減少硬件開支，降低成本。(2)減小占地面積，節(jié)省空間。(3)減少連接電纜，簡化接線，提高可靠性。(4)容易實現(xiàn)標準化。
　　一體化設(shè)計的方法很多，一般來說，有三種可以選擇的方案^[2]：(1)將控制系統(tǒng)功能擴展，以包含保護功能。(2)將保護功能擴展，以包含控制和信息功能。(3)保護、控制和信息功能設(shè)備依然獨立，它們之間采用通信方式聯(lián)結(jié)。
　　工程實際中三種都有應(yīng)用。但目前國際上的標準規(guī)范都傾向于第(2)種方案。本設(shè)計即采用該方案。此方案以保護系統(tǒng)為基礎(chǔ)，擴展控制、信息功能。以保護為重，保證了其系統(tǒng)的完整性和可靠性，利用先進的硬件、電路設(shè)計技術(shù)，擴展測控功能，實現(xiàn)裝置的監(jiān)視和控制。這種方案既實現(xiàn)了保護、測控的一體化設(shè)計，又保證了保護的可靠性，相對比較合理。當然，它也有缺陷：強調(diào)了保護功能，難免影響控制，使得控制復(fù)雜化，如何更協(xié)調(diào)地處理好保護與測控的關(guān)系，使系統(tǒng)合理地工作，這也是今后一體化裝置要解決的一個重要問題。
1.2 多CPU結(jié)構(gòu)
　　由于裝置實現(xiàn)的功能多，必須實現(xiàn)變壓器的主保護、后備保護和測控通信功能，而根據(jù)繼電保護原則，主保護與后備保護要求硬件上獨立以滿足可靠性要求，保護與測控?zé)o關(guān)，完全不受通信測控影響；同時裝置要求有較強的通信和管理功能和人機交互功能。因此，單獨使用一種CPU難以實現(xiàn)所有功能，不能滿足需求^[3]，所以決定采用多CPU架構(gòu)，由單獨的CPU實現(xiàn)主保護功能，另外一個CPU實現(xiàn)后備保護和測控功能，它們之間再由一個主CPU進行管理，并負責(zé)通信、維護等功能，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　在裝置結(jié)構(gòu)中，差動主保護與后備保護在同一機箱內(nèi)，但分別由各自的DSP承擔(dān)其保護功能，相互獨立，并且它們的保護出口跳閘回路也互相獨立，實現(xiàn)了保護的獨立性，結(jié)構(gòu)緊湊，接線簡單；后備保護DSP兼具測控功能；通信和管理由ARM實現(xiàn)，負責(zé)與兩個保護DSP的數(shù)據(jù)交換、向站控層上傳數(shù)據(jù)與接受命令、顯示與人機交互功能，系統(tǒng)的調(diào)試與維護都由ARM進行,其與站控層的連接采用CAN現(xiàn)場總線。
　　軟件上，在ARM上安裝μClinux操作系統(tǒng)，各應(yīng)用程序采用模塊化設(shè)計思想，采用C語言進行程序的編寫。
2 硬件設(shè)計
2.1 總體結(jié)構(gòu)
　　本裝置的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，如圖2所示，主要包括：通信管理ARM主板模塊、主保護DSP模塊、后備保護DSP模塊、電源模塊、液晶觸摸顯示模塊、各輸入輸出模塊等。每個模塊作為一個子系統(tǒng)設(shè)計在一塊印制板上，各模塊都插在同一個底板上，通過底板進行互連，最后安裝于標準機箱中。這樣做，一方面使各模塊之間空間上相互獨立，便于調(diào)試、安裝以及維護工作，提高裝置的可靠性和可維護性；另一方面，充分利用了有限的機箱空間，使裝置體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，便于分散安裝于現(xiàn)場，體現(xiàn)分散分布的特點。

2.2 電源模塊
　　電源模塊負責(zé)給各板提供合適的電源，根據(jù)各板上器件所需電源情況，將輸入的交流220V轉(zhuǎn)換成直流±5V、±12V、24V等，作為主板工作電源、輸入輸出驅(qū)動電源、液晶觸摸屏電源及信號顯示電源等。
2.3 液晶觸摸顯示模塊
　　裝置要求能夠當?shù)仫@示和維護，即人機交互，因此設(shè)計了液晶觸摸顯示模塊，用于顯示裝置工作狀態(tài)、采集到的各種信息及操作記錄等，包括：遙測、遙信、遙控、保護動作信息等；還具有參數(shù)輸入功能，可以修改裝置的整定值等參數(shù)，方便當?shù)夭僮鳌⒄{(diào)試和維護。
2.4 通信管理ARM主板模塊
　　通信管理ARM主板模塊是本裝置的核心部分，負責(zé)與兩個DSP保護主板的信息交換、與液晶顯示模塊通信、與上層的CAN通信等，還帶有調(diào)試用的串口" title="串口">串口及網(wǎng)口。該模塊起到主控與通信的作用，管理著其他各個模塊。各DSP板采集的數(shù)據(jù)都傳給該主板，再由它統(tǒng)一上傳和顯示；從上層或觸摸屏輸入的整定值都由本主板輸給相應(yīng)的DSP板，進行修改維護。該模塊的硬件結(jié)構(gòu)原理設(shè)計如圖3所示。

　　該主板以ARM處理器S3C4510B為核心。該處理器內(nèi)核ARM7TMDI是低功耗、高性能無MMU的16/32位內(nèi)核，是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，屬低端ARM處理器核。它可以應(yīng)用于工業(yè)控制場合，適合于實時環(huán)境，對于裝置的環(huán)境能夠適應(yīng)。處理速度塊、價格低，可以安裝操作系統(tǒng)(μClinux)。設(shè)計中根據(jù)需要擴展了接口電路，包括：時鐘電路、JTAG及看門狗復(fù)位電路、存儲電路、CAN接口、串口、網(wǎng)口和LCD顯示電路等。
2.5 主保護DSP模塊
　　主變主保護功能由主保護DSP模塊獨立完成，保護功能完全獨立，不依賴于ARM板，保護動作信息實時傳給ARM板，整定值的修改通過接收ARM板傳輸?shù)男畔韺崿F(xiàn)，如圖4所示。