基于ARM和FPGA的电力光纤信号分析仪的设计

随着电力网络的扩大复杂化和区域互联趋势的到来，电力系统的行为也将越来越复杂。一些原有的假设条件和简化模型的适用性都将接受进一步的挑战与检验。在此情况下丰富详尽的现场实测数据，尤其是故障或非正常状态下的数据。无疑将具有越来越重要的价值。它们不仅是分析故障原因检验继电保护动作行为的依据，也为电力工作者研究了解复杂系统的真实行为，发现其规律提供宝贵的资料，这种电力信号实时分析仪可以实时监测各种有用信息，电力系统也对其提出了更高的要求，而计算机技术的不断突飞猛进，也为这种光纤信号分析仪的采样速率、分析、处理、显示能力提供保证，为提高监控可靠性、准确性、灵活性、实时性以及信息资源共享提供了充分的条件。

目前，IEC61850标准的制定及其内容已超变电站自动化系统的范围，扩展到其他工业控制领域，成为基于通用网络通信平台的工业控制的国际标准。国内外很多电力设备生产商都在围绕IEC61850开展研究和应用工作，并提出IEC61850的发展方向是实现“即插即用”，在工业控制通信上实现“一个世界、一种技术、一个标准”。

1 系统构成及要求

结合一些与该设计方案关于示波器仪表类似的优秀文章，并取其精华作为设计参考。该光纤信号分析仪主要由三部分组成，包括：接口部分、A/D采集控制部分和显示控制部分，如图1所示。其中每个模块都实现各自的功能，具有良好的可移植性。

为了达到系统设计的要求，信号分析仪还需具有以下功能：

(1)光电转换模块将来自不同光接口的光纤信号转换为与光强成正比的电信号，完成1EC61850规定的9-1，9-2，GOOSE格式光信号的接入和转发、IEC60044-7/8规定的FT3格式光信号的接入和转发以及专用采集器光纤信号的接入，而且信号转换误差和测量范围满足一定精度要求。其光信号频率范围为125MBit/s，光电、电光转换误差精度为2%左右为宜。

(2)A/D采集控制部分实现满足一定精度要求、具有足够采样速率的电信号瞬时值采集、储存、显示、分析。波形分析则主要围绕波形质量和信号特征进行，可能包括“1”状态光电平数值，光信号的上升时间、下降时间，光信号的过冲，光信号的稳定时间，光信号频率等内容。由于需要与光纤信号的速度配套，其采样带宽与光信号的带宽需配合良好;如可能的情况下，采样速率应大于光信号速率的50倍，也可根据实际情况确定;而在A/D转换精度方面优先采用10位的A/D，有困难时考虑8位A/D。

(3)显示控制部分主要实现IEC 61850规约对GOOSE、9-1、9-2格式的通信方案和要求对其进行信息解码、信息组储存、信息组识别、报文信息显示功能等;IEC60044-7/8对FT3格式(曼彻斯特码)的要求对其进行信息解码、信息组识别、信息组储存、信息显示功能。实现满足IEC 61850规约的MMS报文信息解码、信息组储存、信息组识别、报文信息显示等功能。规约分析单元实现对上述报文的解析、注释、信息计算等功能;还需具有一定容量的波形存储能力和一定容量的报文信息储存能力。最终通过液晶屏幕显示出来，并提供一个人性化、可视效果好、可操作性好的人机交互界面。

另外，仪器接入测量信号时不会影响系统的正常工作，具有在线监测功能，光纤信号分析仪接线示意图如图2所示。

除了满足上述要求外，该分析仪还具有很好的信息存储能力及后台分析能力。能实时保存报文信息，保存的帧信息中包含全部的帧信息，包括报文头、添加字节、CRC校验码等数字信息，以便进行后续分析。