基于A(yíng)RM和FPGA的電力光纖信號分析儀的設計

0 引言
隨著(zhù)電力網(wǎng)絡(luò )的擴大復雜化和區域互聯(lián)趨勢的到來(lái)，電力系統的行為也將越來(lái)越復雜。一些原有的假設條件和簡(jiǎn)化模型的適用性都將接受進(jìn)一步的挑戰與檢驗。在此情況下豐富詳盡的現場(chǎng)實(shí)測數據，尤其是故障或非正常狀態(tài)下的數據。無(wú)疑將具有越來(lái)越重要的價(jià)值。它們不僅是分析故障原因檢驗繼電保護動(dòng)作行為的依據，也為電力工作者研究了解復雜系統的真實(shí)行為，發(fā)現其規律提供寶貴的資料，這種電力信號實(shí)時(shí)分析儀可以實(shí)時(shí)監測各種有用信息，電力系統也對其提出了更高的要求，而計算機技術(shù)的不斷突飛猛進(jìn)，也為這種光纖信號分析儀的采樣速率、分析、處理、顯示能力提供保證，為提高監控可靠性、準確性、靈活性、實(shí)時(shí)性以及信息資源共享提供了充分的條件。
目前，IEC61850標準的制定及其內容已超變電站自動(dòng)化系統的范圍，擴展到其他工業(yè)控制領(lǐng)域，成為基于通用網(wǎng)絡(luò )通信平臺的工業(yè)控制的國際標準。國內外很多電力設備生產(chǎn)商都在圍繞IEC61850開(kāi)展研究和應用工作，并提出IEC61850的發(fā)展方向是實(shí)現“即插即用”，在工業(yè)控制通信上實(shí)現“一個(gè)世界、一種技術(shù)、一個(gè)標準”。

1 系統構成及要求
結合一些與該設計方案關(guān)于示波器儀表類(lèi)似的優(yōu)秀文章，并取其精華作為設計參考。該光纖信號分析儀主要由三部分組成，包括：接口部分、A／D采集控制部分和顯示控制部分，如圖1所示。其中每個(gè)模塊都實(shí)現各自的功能，具有良好的可移植性。

為了達到系統設計的要求，信號分析儀還需具有以下功能：
(1)光電轉換模塊將來(lái)自不同光接口的光纖信號轉換為與光強成正比的電信號，完成1EC61850規定的9-1，9-2，GOOSE格式光信號的接入和轉發(fā)、IEC60044-7／8規定的FT3格式光信號的接入和轉發(fā)以及專(zhuān)用采集器光纖信號的接入，而且信號轉換誤差和測量范圍滿(mǎn)足一定精度要求。其光信號頻率范圍為125MBit／s，光電、電光轉換誤差精度為2％左右為宜。
(2)A／D采集控制部分實(shí)現滿(mǎn)足一定精度要求、具有足夠采樣速率的電信號瞬時(shí)值采集、儲存、顯示、分析。波形分析則主要圍繞波形質(zhì)量和信號特征進(jìn)行，可能包括“1”狀態(tài)光電平數值，光信號的上升時(shí)間、下降時(shí)間，光信號的過(guò)沖，光信號的穩定時(shí)間，光信號頻率等內容。由于需要與光纖信號的速度配套，其采樣帶寬與光信號的帶寬需配合良好；如可能的情況下，采樣速率應大于光信號速率的50倍，也可根據實(shí)際情況確定；而在A(yíng)／D轉換精度方面優(yōu)先采用10位的A／D，有困難時(shí)考慮8位A／D。
(3)顯示控制部分主要實(shí)現IEC 61850規約對GOOSE、9-1、9-2格式的通信方案和要求對其進(jìn)行信息解碼、信息組儲存、信息組識別、報文信息顯示功能等；IEC60044-7／8對FT3格式(曼徹斯特碼)的要求對其進(jìn)行信息解碼、信息組識別、信息組儲存、信息顯示功能。實(shí)現滿(mǎn)足IEC 61850規約的MMS報文信息解碼、信息組儲存、信息組識別、報文信息顯示等功能。規約分析單元實(shí)現對上述報文的解析、注釋、信息計算等功能；還需具有一定容量的波形存儲能力和一定容量的報文信息儲存能力。最終通過(guò)液晶屏幕顯示出來(lái)，并提供一個(gè)人性化、可視效果好、可操作性好的人機交互界面。
另外，儀器接入測量信號時(shí)不會(huì )影響系統的正常工作，具有在線(xiàn)監測功能，光纖信號分析儀接線(xiàn)示意圖如圖2所示。