0 引言

隨著電力網絡的擴大復雜化和區域互聯趨勢的到來，電力系統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與檢驗。

IEC61850標準的制定及其內容已超變電站自動化系統的范圍，擴展到其他工業控制領域，成為基于通用網絡通信平臺的工業控制的國際標準。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的發展方向是實現“即插即用”，在工業控制通信上實現“一個世界、一種技術、一個標準”。

1 系統構成及要求

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、IEC60044-7/8規定的FT3格式光信號的接入和轉發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”狀態光電平數值，光信號的上升時間、下降時間，光信號的過沖，光信號的穩定時間，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，也可根據實際情況確定;而在A/D轉換精度方面優先采用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IEC 61850規約對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。實現滿足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的正常工作，具有在線監測功能，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、CRC校驗碼等數字信息，以便進行后續分析。

2 硬件設計方案

2.1 接口部分設計方案

接口控制部分主要完成光纖信號接收、轉發，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。這部分的關鍵技術在于光電/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，光信號經光電轉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生器。

2.2 A/D采集控制板設計方案

A/D采集控制板是該系統的核心部件。由于考慮到光信號頻率較高，一般的A/D轉換器根本不能滿足本系統設計的要求，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);信號的抽取;arm接口板控制接口實現等。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成，其關鍵芯片A/D轉換芯片采用的是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數據的接收、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，其關鍵芯片FPGA選定為XC5VLX30-1FFG676C。該FPGA總共包含300萬門，內置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。至于邏輯門數和乘法器的消耗也充分滿足系統要求。

電源管理主要為了生成板內所需要的各種電壓，根據主機板的需要，電源模塊能夠將電池提供的電壓轉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，其中的關鍵芯片DC/DC使用TPS54331實現5V直流轉換為所需要的1.0 V，1.8 V，2.5 V等直流電壓，其結構如圖5所示。

另外，為了節省電池電量以及設備的安全運行，可通過軟件控制，當設備長時間沒有操作使用時，能實現系統自動關機。

2.3 顯示控制部分設計方案

該部分完成整個系統的人機界面、數據顯示、協議解析等功能，基本思路是在設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。還可以根據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系如圖6所示。

2.3.1 存儲器接口

該部分由三部分構成，即雙口RAM，NORFLASH及FRAM，其中RAM的數據來源于ADC采集板實時存放顯示控制板需要的數據;NOR FLASH存放需要備份的數據，如檢測到重要的數據信息等;FRAM是整個系統的BIOS，提供系統工作初始狀態等信息。

2.3.2 IEC61850規約

arm對來自接口板的經光電轉換及采集板高速A/D轉換的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，實現用液晶顯示屏完成來自采集板的數據顯示，并通過鍵盤操作完成部分等同于數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信息。

3 小結

本文從硬件方面介紹了一臺基于arm和FPGA用于完成數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計。能快速直接的掌握變電站的工作狀態，設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，以后將考慮將設備向小型化、手持式方向發展，這就需要設備在功耗、節能方面的表現更加優越。