随着铁路电力牵引向高速、重载的发展，使得牵引变电所和供电系统容量增大，对控制保护功能" title="保护功能">保护功能、监控的精度与分辨率、控制自动化与智能化程度等多方面提出更高的要求。因此必须提高变电站运行管理的自动化水平，变电站自动化技术得到了迅速发展。对于变电站自动化系统" title="变电站自动化系统">变电站自动化系统(SAS)，分层分布式结构是目前变电站自动化系统的发展方向^[1]，在这种结构的系统中，每一个间隔拥有自己的智能间隔装置(IED)，该装置需要实现保护、控制、测量、通信、录波等所有功能，这就对这些间隔装置提出了很高要求。近年来微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，为实现这种装置提供了条件。
1 总体设计
1.1 一体化结构
　　在变电站自动化系统中，智能化的保护和测控单元也称为IED，通常系统中的这些单元都是独立的，每个单元各自实现一种功能，例如主保护单元、后备保护" title="后备保护">后备保护单元、测控单元等，或者至多是信息与控制结合成为综合测控装置，而保护装置依然独立，这最主要的原因是出于对保护的可靠性要求。但随着硬件技术水平的提高，可靠性问题可由硬件设计、制造技术来解决。
　　另外，IED的一体化设计有以下优点：(1)减少硬件开支，降低成本。(2)减小占地面积，节省空间。(3)减少连接电缆，简化接线，提高可靠性。(4)容易实现标准化。
　　一体化设计的方法很多，一般来说，有三种可以选择的方案^[2]：(1)将控制系统功能扩展，以包含保护功能。(2)将保护功能扩展，以包含控制和信息功能。(3)保护、控制和信息功能设备依然独立，它们之间采用通信方式联结。
　　工程实际中三种都有应用。但目前国际上的标准规范都倾向于第(2)种方案。本设计即采用该方案。此方案以保护系统为基础，扩展控制、信息功能。以保护为重，保证了其系统的完整性和可靠性，利用先进的硬件、电路设计技术，扩展测控功能，实现装置的监视和控制。这种方案既实现了保护、测控的一体化设计，又保证了保护的可靠性，相对比较合理。当然，它也有缺陷：强调了保护功能，难免影响控制，使得控制复杂化，如何更协调地处理好保护与测控的关系，使系统合理地工作，这也是今后一体化装置要解决的一个重要问题。
1.2 多CPU结构
　　由于装置实现的功能多，必须实现变压器的主保护、后备保护和测控通信功能，而根据继电保护原则，主保护与后备保护要求硬件上独立以满足可靠性要求，保护与测控无关，完全不受通信测控影响；同时装置要求有较强的通信和管理功能和人机交互功能。因此，单独使用一种CPU难以实现所有功能，不能满足需求^[3]，所以决定采用多CPU架构，由单独的CPU实现主保护功能，另外一个CPU实现后备保护和测控功能，它们之间再由一个主CPU进行管理，并负责通信、维护等功能，其结构如图1所示。

　　在装置结构中，差动主保护与后备保护在同一机箱内，但分别由各自的DSP承担其保护功能，相互独立，并且它们的保护出口跳闸回路也互相独立，实现了保护的独立性，结构紧凑，接线简单；后备保护DSP兼具测控功能；通信和管理由ARM实现，负责与两个保护DSP的数据交换、向站控层上传数据与接受命令、显示与人机交互功能，系统的调试与维护都由ARM进行,其与站控层的连接采用CAN现场总线。
　　软件上，在ARM上安装μClinux操作系统，各应用程序采用模块化设计思想，采用C语言进行程序的编写。
2 硬件设计
2.1 总体结构
　　本装置的硬件系统结构设计采用模块化结构，如图2所示，主要包括：通信管理ARM主板模块、主保护DSP模块、后备保护DSP模块、电源模块、液晶触摸显示模块、各输入输出模块等。每个模块作为一个子系统设计在一块印制板上，各模块都插在同一个底板上，通过底板进行互连，最后安装于标准机箱中。这样做，一方面使各模块之间空间上相互独立，便于调试、安装以及维护工作，提高装置的可靠性和可维护性；另一方面，充分利用了有限的机箱空间，使装置体积小，结构紧凑，便于分散安装于现场，体现分散分布的特点。

2.2 电源模块
　　电源模块负责给各板提供合适的电源，根据各板上器件所需电源情况，将输入的交流220V转换成直流±5V、±12V、24V等，作为主板工作电源、输入输出驱动电源、液晶触摸屏电源及信号显示电源等。
2.3 液晶触摸显示模块
　　装置要求能够当地显示和维护，即人机交互，因此设计了液晶触摸显示模块，用于显示装置工作状态、采集到的各种信息及操作记录等，包括：遥测、遥信、遥控、保护动作信息等；还具有参数输入功能，可以修改装置的整定值等参数，方便当地操作、调试和维护。
2.4 通信管理ARM主板模块
　　通信管理ARM主板模块是本装置的核心部分，负责与两个DSP保护主板的信息交换、与液晶显示模块通信、与上层的CAN通信等，还带有调试用的串口" title="串口">串口及网口。该模块起到主控与通信的作用，管理着其他各个模块。各DSP板采集的数据都传给该主板，再由它统一上传和显示；从上层或触摸屏输入的整定值都由本主板输给相应的DSP板，进行修改维护。该模块的硬件结构原理设计如图3所示。

　　该主板以ARM处理器S3C4510B为核心。该处理器内核ARM7TMDI是低功耗、高性能无MMU的16/32位内核，是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核。它可以应用于工业控制场合，适合于实时环境，对于装置的环境能够适应。处理速度块、价格低，可以安装操作系统(μClinux)。设计中根据需要扩展了接口电路，包括：时钟电路、JTAG及看门狗复位电路、存储电路、CAN接口、串口、网口和LCD显示电路等。
2.5 主保护DSP模块
　　主变主保护功能由主保护DSP模块独立完成，保护功能完全独立，不依赖于ARM板，保护动作信息实时传给ARM板，整定值的修改通过接收ARM板传输的信息来实现，如图4所示。