基于ARM和FPGA的電力光纖信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)

0 引言
隨著電力網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大復(fù)雜化和區(qū)域互聯(lián)趨勢(shì)的到來(lái)，電力系統(tǒng)的行為也將越來(lái)越復(fù)雜。一些原有的假設(shè)條件和簡(jiǎn)化模型的適用性都將接受進(jìn)一步的挑戰(zhàn)與檢驗(yàn)。在此情況下豐富詳盡的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，尤其是故障或非正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。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(yàn)繼電保護(hù)動(dòng)作行為的依據(jù)，也為電力工作者研究了解復(fù)雜系統(tǒng)的真實(shí)行為，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律提供寶貴的資料，這種電力信號(hào)實(shí)時(shí)分析儀可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種有用信息，電力系統(tǒng)也對(duì)其提出了更高的要求，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷突飛猛進(jìn)，也為這種光纖信號(hào)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的制定及其內(nèi)容已超變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的范圍，擴(kuò)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(tái)的工業(yè)控制的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)外很多電力設(shè)備生產(chǎn)商都在圍繞IEC61850開(kāi)展研究和應(yīng)用工作，并提出IEC61850的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)“即插即用”，在工業(yè)控制通信上實(shí)現(xiàn)“一個(gè)世界、一種技術(shù)、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)”。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及要求
結(jié)合一些與該設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參考。該光纖信號(hào)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(xiàn)各自的功能，具有良好的可移植性。

為了達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，信號(hào)分析儀還需具有以下功能：
(1)光電轉(zhuǎn)換模塊將來(lái)自不同光接口的光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成正比的電信號(hào)，完成1EC61850規(guī)定的9-1，9-2，GOOSE格式光信號(hào)的接入和轉(zhuǎn)發(fā)、IEC60044-7／8規(guī)定的FT3格式光信號(hào)的接入和轉(zhuǎn)發(fā)以及專(zhuān)用采集器光纖信號(hào)的接入，而且信號(hào)轉(zhuǎn)換誤差和測(cè)量范圍滿足一定精度要求。其光信號(hào)頻率范圍為125MBit／s，光電、電光轉(zhuǎn)換誤差精度為2％左右為宜。
(2)A／D采集控制部分實(shí)現(xiàn)滿足一定精度要求、具有足夠采樣速率的電信號(hào)瞬時(shí)值采集、儲(chǔ)存、顯示、分析。波形分析則主要圍繞波形質(zhì)量和信號(hào)特征進(jìn)行，可能包括“1”狀態(tài)光電平數(shù)值，光信號(hào)的上升時(shí)間、下降時(shí)間，光信號(hào)的過(guò)沖，光信號(hào)的穩(wěn)定時(shí)間，光信號(hào)頻率等內(nèi)容。由于需要與光纖信號(hào)的速度配套，其采樣帶寬與光信號(hào)的帶寬需配合良好；如可能的情況下，采樣速率應(yīng)大于光信號(hào)速率的50倍，也可根據(jù)實(shí)際情況確定；而在A／D轉(zhuǎn)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(xiàn)IEC 61850規(guī)約對(duì)GOOSE、9-1、9-2格式的通信方案和要求對(duì)其進(jìn)行信息解碼、信息組儲(chǔ)存、信息組識(shí)別、報(bào)文信息顯示功能等；IEC60044-7／8對(duì)FT3格式(曼徹斯特碼)的要求對(duì)其進(jìn)行信息解碼、信息組識(shí)別、信息組儲(chǔ)存、信息顯示功能。實(shí)現(xiàn)滿足IEC 61850規(guī)約的MMS報(bào)文信息解碼、信息組儲(chǔ)存、信息組識(shí)別、報(bào)文信息顯示等功能。規(guī)約分析單元實(shí)現(xiàn)對(duì)上述報(bào)文的解析、注釋、信息計(jì)算等功能；還需具有一定容量的波形存儲(chǔ)能力和一定容量的報(bào)文信息儲(chǔ)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(jī)交互界面。
另外，儀器接入測(cè)量信號(hào)時(shí)不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，具有在線監(jiān)測(cè)功能，光纖信號(hào)分析儀接線示意圖如圖2所示。