摘 要： 介紹一種新型的變壓器保護測控裝置。該裝置結構上采用一體化結構設計方法，以ARM＋DSP的多CPU架構為硬件核心，以CAN現場總線為通信總線，以μClinux和C語言為軟件開發平臺，實現對牽引變電所主變壓器的保護、測量、控制、通信等功能，具有可靠性高、智能化程度高、結構合理、成本低等特點，適合作為牽引變電所的新型主變間隔裝置。
關鍵詞： IED ARM DSP CAN μCLinux
隨著鐵路電力牽引向高速、重載的發展，使得牽引變電所和供電系統容量增大，對控制保護功能" title="保護功能">保護功能、監控的精度與分辨率、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，變電站自動化技術得到了迅速發展。對于變電站自動化系統" title="變電站自動化系統">變電站自動化系統(SAS)，分層分布式結構是目前變電站自動化系統的發展方向[1]，在這種結構的系統中，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、計算機技術和通信技術的發展，為實現這種裝置提供了條件。
1 總體設計
1.1 一體化結構
在變電站自動化系統中，智能化的保護和測控單元也稱為IED，通常系統中的這些單元都是獨立的，每個單元各自實現一種功能，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。但隨著硬件技術水平的提高，可靠性問題可由硬件設計、制造技術來解決。
另外，IED的一體化設計有以下優點：(1)減少硬件開支，降低成本。(2)減小占地面積，節省空間。(3)減少連接電纜，簡化接線，提高可靠性。(4)容易實現標準化。
一體化設計的方法很多，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、控制和信息功能設備依然獨立，它們之間采用通信方式聯結。
工程實際中三種都有應用。但目前國際上的標準規范都傾向于第(2)種方案。本設計即采用該方案。此方案以保護系統為基礎，擴展控制、信息功能。以保護為重，保證了其系統的完整性和可靠性，利用先進的硬件、電路設計技術，擴展測控功能，實現裝置的監視和控制。這種方案既實現了保護、測控的一體化設計，又保證了保護的可靠性，相對比較合理。當然，它也有缺陷：強調了保護功能，難免影響控制，使得控制復雜化，如何更協調地處理好保護與測控的關系，使系統合理地工作，這也是今后一體化裝置要解決的一個重要問題。
1.2 多CPU結構
由于裝置實現的功能多，必須實現變壓器的主保護、后備保護和測控通信功能，而根據繼電保護原則，主保護與后備保護要求硬件上獨立以滿足可靠性要求，保護與測控無關，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難以實現所有功能，不能滿足需求[3]，所以決定采用多CPU架構，由單獨的CPU實現主保護功能，另外一個CPU實現后備保護和測控功能，它們之間再由一個主CPU進行管理，并負責通信、維護等功能，其結構如圖1所示。
在裝置結構中，差動主保護與后備保護在同一機箱內，但分別由各自的DSP承擔其保護功能，相互獨立，并且它們的保護出口跳閘回路也互相獨立，實現了保護的獨立性，結構緊湊，接線簡單；后備保護DSP兼具測控功能；通信和管理由ARM實現，負責與兩個保護DSP的數據交換、向站控層上傳數據與接受命令、顯示與人機交互功能，系統的調試與維護都由ARM進行,其與站控層的連接采用CAN現場總線。
軟件上，在ARM上安裝μClinux操作系統，各應用程序采用模塊化設計思想，采用C語言進行程序的編寫。
2 硬件設計
2.1 總體結構
本裝置的硬件系統結構設計采用模塊化結構，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設計在一塊印制板上，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，結構緊湊，便于分散安裝于現場，體現分散分布的特點。
2.2 電源模塊
電源模塊負責給各板提供合適的電源，根據各板上器件所需電源情況，將輸入的交流220V轉換成直流±5V、±12V、24V等，作為主板工作電源、輸入輸出驅動電源、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
裝置要求能夠當地顯示和維護，即人機交互，因此設計了液晶觸摸顯示模塊，用于顯示裝置工作狀態、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；還具有參數輸入功能，可以修改裝置的整定值等參數，方便當地操作、調試和維護。
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，還帶有調試用的串口" title="串口">串口及網口。該模塊起到主控與通信的作用，管理著其他各個模塊。各DSP板采集的數據都傳給該主板，再由它統一上傳和顯示；從上層或觸摸屏輸入的整定值都由本主板輸給相應的DSP板，進行修改維護。該模塊的硬件結構原理設計如圖3所示。
該主板以ARM處理器S3C4510B為核心。該處理器內核ARM7TMDI是低功耗、高性能無MMU的16/32位內核，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。它可以應用于工業控制場合，適合于實時環境，對于裝置的環境能夠適應。處理速度塊、價格低，可以安裝操作系統(μClinux)。設計中根據需要擴展了接口電路，包括：時鐘電路、JTAG及看門狗復位電路、存儲電路、CAN接口、串口、網口和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板傳輸的信息來實現，如圖4所示。
該主保護板以TMS320LF2407為CPU。TMS320系列的DSP的體系結構是專為實時信號處理而設計，該系列的DSP控制器將實時處理能力和控制器外設" title="外設">外設功能集于一身，通過將外設、存儲器集成到控制器內部，減少了成本，節省了電路板空間，提高了系統的可靠性[4]。
設計中對TMS320LF2407擴展了數據存儲器、串口電路、JTAG電路及電源復位電路等，并根據需要適當擴展了I/O端口。TMS320系列的DSP體系結構是專為實時信號處理而設計，該系列的DSP控制器將實時處理能力和控制器外設功能集于一身，通過將外設、存儲器集成到控制器內部，減少了成本，節省了電路板空間，提高了系統的可靠性[4]。
2.6 后備保護DSP模塊
后備保護功能由后備保護DSP板獨立完成，保護功能同樣完全獨立，不依賴ARM板，保護動作信息實時傳給ARM板，整定值也是由ARM板傳輸修改。同時該DSP板還具有測控功能。其結構與主保護主板大致相同，主要是存儲容量、信號接口數量上有所增加。
2.7 信號預處理模塊
硬件結構中，除了上述的各主板外，還有信號調理、繼電輸出等信號處理電路。主要是對輸入信號進行調理以供給DSP板采集，接收DSP板控制信號進行放大驅動，通過繼電器控制各斷路器、隔離開關，達到保護跳閘或遙控的目的。
3 軟件平臺建立
ARM通信管理主板功能復雜，執行任務較多，涉及到進程調度、通信等，需要安裝嵌入式操作系統。針對S3C4510B處理器沒有MMU模塊特點，選擇了源碼開放的μClinux操作系統，它繼承了標準Linux的穩定性、網絡性好等特點，還具有內核小、工具完備等優點，非常適合本系統。
將μClinux移植到S3C4510B板上，主要包括以下幾個步驟：構造交叉編譯環境、引導裝載程序移植、μClinux內核配置和編譯。
本系統ARM主板上有串口、CAN總線接口、雙口RAM 等外設，這些硬件都需要在操作系統軟件上提供設備驅動程序的支持，從而可以為上層應用軟件所訪問，因此還要開發相應的驅動程序，由于μClinux不支持模塊化加載，因此只能將設備驅動(.0)靜態地編入內核，并修改內核驅動部分編譯時的Makefile。
應用程序采用模塊化設計思想,采用C語言進行程序的編寫。DSP保護主板上直接采用C語言進行編寫，而在ARM主板上開發時應注意：
(1)μClinux系統中由于內存管理問題，沒有fork()函數，用vfork()代替；
(2)μClinux中編程可能遇到庫不支持的函數；此時需要自己把函數的實現做成另外一個庫供應用程序使用。如果是μClinux本身不支持的調用，那么就需要改寫代碼。
本研究開發針對目前發展形勢，采用先進的ARM+DSP的多處理器一體化結構和開源的μCLinux操作系統，研制開發了適合作為牽引變電所主變壓器保護測控裝置的新型IED。作為變電站自動化系統中的間隔層智能裝置，該IED實現了主保護、后備保護和測控功能的一體化，為變電站自動化系統的實現和發展提供了先進的設備條件。
參考文獻
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2 Jones D D.A New Proposal to the Implementation of Substa-tion Integrated System.第七屆電力系統保護進展國際會議論文全集
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4 劉和平.TMS320LF240x DSP結構、原理及應用.北京：北京航空航天大學出版社，2002
5 毛德操，胡希明.Linux內核源代碼情景分析.杭州：浙江大學出版社，2001