基于ARM和FPGA的電力光纖信號分析儀的設計

0 引言
隨著電力網絡的擴大復雜化和區(qū)域互聯(lián)趨勢的到來，電力系統(tǒng)的行為也將越來越復雜。一些原有的假設條件和簡化模型的適用性都將接受進一步的挑戰(zhàn)與檢驗。在此情況下豐富詳盡的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，尤其是故障或非正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。無疑將具有越來越重要的價值。它們不僅是分析故障原因檢驗繼電保護動作行為的依據(jù)，也為電力工作者研究了解復雜系統(tǒng)的真實行為，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律提供寶貴的資料，這種電力信號實時分析儀可以實時監(jiān)測各種有用信息，電力系統(tǒng)也對其提出了更高的要求，而計算機技術的不斷突飛猛進，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(jiān)控可靠性、準確性、靈活性、實時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化系統(tǒng)的范圍，擴展到其他工業(yè)控制領域，成為基于通用網絡通信平臺的工業(yè)控制的國際標準。國內外很多電力設備生產商都在圍繞IEC61850開展研究和應用工作，并提出IEC61850的發(fā)展方向是實現(xiàn)“即插即用”，在工業(yè)控制通信上實現(xiàn)“一個世界、一種技術、一個標準”。

1 系統(tǒng)構成及要求
結合一些與該設計方案關于示波器儀表類似的優(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。其中每個模塊都實現(xiàn)各自的功能，具有良好的可移植性。

為了達到系統(tǒng)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(guī)定的9-1，9-2，GOOSE格式光信號的接入和轉發(fā)、IEC60044-7／8規(guī)定的FT3格式光信號的接入和轉發(fā)以及專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采集控制部分實現(xiàn)滿足一定精度要求、具有足夠采樣速率的電信號瞬時值采集、儲存、顯示、分析。波形分析則主要圍繞波形質量和信號特征進行，可能包括“1”狀態(tài)光電平數(shù)值，光信號的上升時間、下降時間，光信號的過沖，光信號的穩(wěn)定時間，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(jù)實際情況確定；而在A／D轉換精度方面優(yōu)先采用10位的A／D，有困難時考慮8位A／D。
(3)顯示控制部分主要實現(xiàn)IEC 61850規(guī)約對GOOSE、9-1、9-2格式的通信方案和要求對其進行信息解碼、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)的要求對其進行信息解碼、信息組識別、信息組儲存、信息顯示功能。實現(xiàn)滿足IEC 61850規(guī)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(guī)約分析單元實現(xiàn)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。最終通過液晶屏幕顯示出來，并提供一個人性化、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不會影響系統(tǒng)的正常工作，具有在線監(jiān)測功能，光纖信號分析儀接線示意圖如圖2所示。