0 引言
隨著電力網(wǎng)絡(luò)的擴大復(fù)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(fù)雜,。一些原有的假設(shè)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(fù)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(shù)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(nèi)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(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(nèi)外很多電力設(shè)備生產(chǎn)商都在圍繞IEC61850開展研究和應(yīng)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(shù)、一個標準”,。
1 系統(tǒng)構(gòu)成及要求
結(jié)合一些與該設(shè)計方案關(guān)于示波器儀表類似的優(yōu)秀文章,，并取其精華作為設(shè)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(shè)計的要求,，信號分析儀還需具有以下功能：
(1)光電轉(zhuǎn)換模塊將來自不同光接口的光纖信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā),、IEC60044-7／8規(guī)定的FT3格式光信號的接入和轉(zhuǎn)發(fā)以及專用采集器光纖信號的接入,，而且信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)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(nèi)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(yīng)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(zhuǎn)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。
除了滿足上述要求外,，該分析儀還具有很好的信息存儲能力及后臺分析能力,。能實時保存報文信息，保存的幀信息中包含全部的幀信息,，包括報文頭,、添加字節(jié)、CRC校驗碼等數(shù)字信息,，以便進行后續(xù)分析,。
2 硬件設(shè)計方案
2．1 接口部分設(shè)計方案
接口控制部分主要完成光纖信號接收、轉(zhuǎn)發(fā),，主要完成的功能如光纖信號接收,、放大；對兩路需要采集信號進行放大,、選擇,。這部分的關(guān)鍵技術(shù)在于光電／電光模塊的選擇，光接口波長全為1310 nm,、多模,、ST接口，主要采用HFBR-5905多模光纖收發(fā)器,，同樣,，光纖分路器也為1 310 nm、多模,、ST接口,，采用型號為DS25BR204的2分4信號分路器。
如圖3的接口板原理框圖所示,，光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后一分為二,，一份提供給信號分析儀作為采集,、存儲分析使用，另外一份直接作為輸出,，提供給被測信號或試驗信號發(fā)生器,。
2．2 A／D采集控制板設(shè)計方案
A／D采集控制板是該系統(tǒng)的核心部件。由于考慮到光信號頻率較高,，一般的A／D轉(zhuǎn)換器根本不能滿足本系統(tǒng)設(shè)計的要求,，要達到該光信號分析儀中要求的采樣率大于光信號的25倍甚至50倍的要求，需采用高速A／D采集光信號,。A／D采集控制板作為系統(tǒng)的核心部件之一,，主要完成的功能有：光模擬信號的7級可變增益放大；光信號3 GHz的采集,；信號的實時緩存,，緩存深度達到50 K×8 b；信號的非實時存儲,；信號的上升沿檢測(觸發(fā)),；信號的抽取,；ARM接口板控制接口實現(xiàn)等,。采集控制板的原理框圖如圖4所示。采集控制板主要分成采集前端,、控制存儲和電源管理3個部分,。
采集前端主要完成模擬信號的調(diào)理，信號的采集等功能,。由ADC,，可變增益低噪聲放大器和時鐘構(gòu)成，其關(guān)鍵芯片A／D轉(zhuǎn)換芯片采用的是ADC08D1500,。
控制存儲部分主要包括控制和存儲兩個部分,。控制部分主要由FPGA來完成,，主要功能包括：DDR數(shù)據(jù)的接收,、時鐘管理、脈沖檢測,、FLA-SH接口和ARM控制接口等功能,。存儲部分由FPGA和NANDFLASH兩部分完成，其中FPGA提供RAM存儲,，NAND FLASH提供ROM存儲,，其關(guān)鍵芯片F(xiàn)PGA選定為XC5VLX30-1FFG676C。該FPGA總共包含300萬門，內(nèi)置RAM為1 152 Kb,，可用管腳為400個,，最大支持200對LVDS，有32個專用乘法器資源,。由于緩存深度要求為400 Kb,，所以FPGA滿足緩存深度的要求。FPGA和AD前端的管腳消耗小于100位,，和FLASH的管腳消耗小于60位,，和ARM部分連接資源消耗小于100位，所以管腳資源肯定滿足要求,。至于邏輯門數(shù)和乘法器的消耗也充分滿足系統(tǒng)要求,。
電源管理主要為了生成板內(nèi)所需要的各種電壓，根據(jù)主機板的需要,，電源模塊能夠?qū)㈦姵靥峁┑碾妷恨D(zhuǎn)換為多路電壓提供給主機板，而當接電源適配器時,，不僅能對電池進行充電,，還可以同時向主機板供電，其中的關(guān)鍵芯片DC／DC使用TPS54331實現(xiàn)5V直流轉(zhuǎn)換為所需要的1.0 V,，1.8 V,，2．5 V等直流電壓，其結(jié)構(gòu)如圖5所示,。
另外,，為了節(jié)省電池電量以及設(shè)備的安全運行，可通過軟件控制,，當設(shè)備長時間沒有操作使用時,，能實現(xiàn)系統(tǒng)自動關(guān)機。
2．3 顯示控制部分設(shè)計方案
該部分完成整個系統(tǒng)的人機界面,、數(shù)據(jù)顯示,、協(xié)議解析等功能，基本思路是在設(shè)定的工作模式下控制其他模塊進行放大,、選擇,、高速采集并存儲，完成波形顯示,、處理等任務(wù),。還可以根據(jù)需要選擇被測信號的格式類型以及測試通道的切換。顯示板卡完成功能及連接關(guān)系如圖6所示,。
2．3．1 存儲器接口
該部分由三部分構(gòu)成,，即雙口RAM，NORFLASH及FRAM，其中RAM的數(shù)據(jù)來源于ADC采集板實時存放顯示控制板需要的數(shù)據(jù),；NOR FLASH存放需要備份的數(shù)據(jù),，如檢測到重要的數(shù)據(jù)信息等；FRAM是整個系統(tǒng)的BIOS,，提供系統(tǒng)工作初始狀態(tài)等信息,。
2．3．2 IEC61850規(guī)約
ARM對來自接口板的經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及采集板高速A／D轉(zhuǎn)換的9-1，9-2及GOOSE報文信號進行解析,、注釋,、報文存儲等操作。
2．3．3 人機界面
該部分包含人機交互界面控制,、波形顯示等功能,，實現(xiàn)用液晶顯示屏完成來自采集板的數(shù)據(jù)顯示，并通過鍵盤操作完成部分等同于數(shù)字存儲示波器的功能,。如波形平移,、放大、縮小以及測試通道的切換等操作,。使操作者能更直接地觀察到變電站實時工作狀態(tài)信息,。
3 結(jié)語
本文從硬件方面介紹了一臺基于ARM和FPGA用于完成數(shù)字化變電站實時信號的獲取、解碼,、分析,、顯示等功能的光纖信號分析儀的研究與設(shè)計。能快速直接的掌握變電站的工作狀態(tài),，設(shè)備的運行情況及報警,、報修等有用信息。為了操作攜帶更為方便,，以后將考慮將設(shè)備向小型化,、手持式方向發(fā)展，這就需要設(shè)備在功耗,、節(jié)能方面的表現(xiàn)更加優(yōu)越,。