靳鹏飞，王振华，贺渊明，郭震
(许继电气技术中心装置平台部，许昌461000)
摘要：设计了一种基于F P G A的双A/D高精度小信号采集系统㊂该系统包括测试电流通道和保护电流通道㊂罗氏线圈输出的感应电动势通过共模扼流圈消除共模干扰后分别送入测试电流通道和保护电流通道，保护电流通道经过信号调理网络后直接送入A D C1中进行转换㊂为了提高测试电流通道的测量精度，调理后的信号经过P G A网络后送入A D C2中进行转换㊂F P G A负责采集数据的处理，并按照F T3报文格式进行组帧，将组帧的数字信号通过微型链路光纤组件上传至综合检测单元㊂测试结果表明，该系统测试精度达到0.2s/2级，具有很强的抗干扰能力，能够满足电力系统对电流测试精度的要求㊂ 关键词：双A/D;F P G A；小信号;E P4C E10E22I7N
中图分类号:T N79文献标识码:A
D o u b l e A/D a n d H i g h-p r e c i s i o n S m a l l S i g n a l A c q u i s i t i o n S y s t e m B a s e d o n F P G A
J i n P e n g f e i,W a n g Z h e n h u a,H e Y u a n m i n g,G u o Z h e n
(X u j i E l e c t r i c T e c h n o l o g y C e n t e r D e v i c e P l a t f o r m D e p a r t m e n t,X u c h a n g461000,C h i n a)
A b s t r a c t:A d o u b l e A/D a n d h i g h-p r e c i s i o n s m a l l s i g n a l a c q u i s i t i o n s y s t e m b a s e d o n F P G A i s d e s i g n e d.T h e s y s t e m i n c l u d e s t e s t c u r r e n t c h a n n e l a n d p r o t e c t i o n c u r r e n t c h a n n e l.T h e i n d u c e d e l e c t r o m o t i v e f o r c e o u t p u t b y R o g o w s k i c o i l i s s e n t t o t e s t c u r r e n t c h a n n e l a n d p r o-t e c t i o n c u r r e n t c h a n n e l r e s p e c t i v e l y a f t e r e l i m i n a t i n g c o mm o n m o d e i n t e r f e r e n c e b y c o mm o n m o d e c h o k e.T h e p r o t e c t i o n c u r r e n t c h a n n e l i s d i r e c t l y s e n t t o A D C1f o r c o n v e r s i o n a f t e r s i g n a l c o n d i t i o n i n g n e t w o r k.I n o r d e r t o i m p r o v e t h e m e a s u r e m e n t a c c u r a c y o f t h e t e s t c u r-r e n t c h a n n e l,t h e m o d u l a t e d s i g n a l i s s e n t t o A D C2f o r c o n v e r s i o n a f t e r p a s s i n g t h r o u g h P G A n e t w o r k.F P G A i s r e s p o n s i b l e f o r d a t a a c-q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g,a n d f r a
m e a c c o r d i n g t o F T3m e s s a g e f o r m a t.T h e d i g i t a l s i g n a l o f f r a m i n g i s u p l o a d e d t o t h e i n t e g r a t e d d e t e c t i o n u n i t t h r o u g h m i c r o l i n k o p t i c a l f i b e r c o m p o n e n t s.T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e s t a c c u r a c y o f t h e s y s t e m r e a c h e s0.2s/2l e v e l a n d h a s s t r o n g a n t i-i n t e r f e r e n c e a b i l i t y,w h i c h c a n m e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f p o w e r s y s t e m f o r c u r r e n t t e s t a c c u r a c y.
K e y w o r d s:d o u b l e A/D;F P G A;s m a l l s i g n a l;E P4C E10E22I7N
0引言
随着智能电网的不断发展，第三代智能变电站对继电保护装置的要求日益提高，变电站电流小信号在线监测面临严峻挑战[1]㊂传统的相位和幅值校准通过改变硬件回路中元器件参数来实现，但是随着装置运行环境越来越恶劣，温度㊁电磁场㊁高速信号的串扰都会严重影响元器件的某些参数，比如运放的零漂㊁电阻的阻值㊁电容的容值等，从而降低小信号的采样精度㊂传统控制方式是通过单片机来控制A D C的时序以及数据采集，单片机的运行速率低㊁开发不灵活，难以满足高的采样速率要求[2]㊂因此本文提出了一种基于F P G A的硬件设计方案，采用两片A/D 芯片实现对保护电流和测量电流的高速㊁高精度采集，具有很好的工程应用价值㊂1系统架构及原理
1.1系统架构
本文设计了一种适用于高频小信号的双A/D高精度采集系统，该系统可以直接连接罗氏线圈采集电流信号，采用双A/D设计，符合国网新规则，采样范围为0~ 100A㊂采集到的电流信号通过信号调理回路处理后，分别进入不同的A D C，单独进行转换㊂采集信号回路分为保护和测量两个回路，测量回路的小信号经过P G A处理，以提高小信号测量的精度㊂系统测试精度达到0.2s/2级，具有完备的A D C自检㊁电源自检以及精度自检㊂可编程逻辑芯片(F P G A)对数据进行处理，按照F T3报文格式进行组帧，将数字信号通过微型链路光纤组件上传至综合检测单元㊂系统采用光纤传输技术和数字信号处理技术,
结合F P G A 实现了对高频小信号的精确测量㊂总体架构如图1所示
㊂
图1 系统总体架构
1.2 工作原理
本文设计的双A /D 高精度小信号采集系统是通过罗
氏线圈实现电流的在线采集,A D C 采样间隔可以配置为
80㊁160㊁200和256点，电流的幅值㊁相位和零漂等参数可通过光口进行调整，该系统可以灵活满足电力系统对电流测试精度的要求㊂
采集系统实现了保护电流和测试电流的在线采集，罗氏线圈输出的感应电动势通过共模扼流圈消除共模干扰后分别送入测试电流通道和保护电流通道，在测试电流通道中，电流信号先后通过仪表放大器放大网络㊁运算放大器积分网络和P G A 网络，来提高系统的测量精度㊂在保护电流通道中，电流信号通过电阻分压网络转换为电压信号后，依次通过运算放大器隔离网络㊁积分网络和缓冲网络对信号进行调理，最终进入到A D C 1中进行转换㊂F P -
G A 以同步串行的模式控制A D C 1和A D C 2进行数字信号的输出，同时将处理好的数字信号通过微型光纤组件发送到综合监测单元㊂综合监测单元也可以通过微型光纤组件对系统内的相关参数进行修改和配置㊂系统工作原理如图2所示㊂
图2 系统工作原理
2 系统设计
高精度小信号采集系统可配合罗氏线圈实现小信号
电流的实时在线监测[3]
，可结合电力系统的开入㊁开出㊁通
信和管理机等单元实现对线路的保护和测量功能，主要完成小信号的高精度采集以及数据的处理和实时上传[
4]
㊂系统采用高可靠性硬件设计方案，测量电流通道和保护电流通道独立设计，互不干扰，可以灵活进行可视化操作，配
合I E C 61850报文监视分析工具实现对幅值㊁相位和零漂等参数的调整，通过E C V T 800调试工具对采样间隔㊁波特率㊁去零漂方式㊁定时方式等参数进行设置㊂同时考虑到系统运行环境的复杂情况，本文对整个系统设置了一定的E M C 防护措施㊂该采集系统的基本功能和性能指标如表1所列㊂
表1 系统功能和性能指标
类 型
指 标
输入范围0~100A 测试精度0.2s /2级
采样间隔80㊁160㊁200㊁256点可配置
同步方式内部定时和外部同步脉冲可选参数配置
幅值㊁相位㊁零漂等参数可调
nfc天线软件设计方面，系统以F P G A 作为控制芯片,
分模块化进行软件设计，采用状态机的模式模拟A D C 的读写以
及控制时序，用于读取各通道的转换结果，在数据处理模块中，对转换的结果进行处理和组帧，最终通过光发送模块将数据帧通过移位发送方式发送到综合监测单元，同时光模块数据接收来自综合监测单元的数据帧，用来设置系统的各个参数㊂
2.1 硬件电路设计
系统硬件电路采用分模块设计的方式，主要包括电源
供电电路㊁测量电流采样电路㊁保护电流采样电路㊁A /D 转换电路㊁F P G A 控制电路和光纤收发电路，该设计方式能够保证系统可靠运行，兼容各种复杂的E M C 环境㊂
(1
)电源供电电路电源供电电路选用的是集成设计的电源模块，在抗干
扰方面有很大的优势[5]
㊂该电源模块的输入电压为220V
A C 和220V D C ，具有过流保护㊁过压保护㊁欠压保护和过功率保护功能，能够为系统提供+5V 和ʃ12V 的供电电
压㊂输入电压在80%~120%额定值范围内变化,
负载在0%~100%额定值范围内变化时,
输出电压纹波小于25m V ,
能够保证系统可靠㊁稳定运行㊂(2
)测量电流采样电路测量电流采样电路由放大电路㊁积分电路和P G A 电
路组成㊂为了提高测量电流通道测试的准确性，放大电路
中的运算放大器选用通用仪表放大器I N A 128，该运算放大器在增益为100倍时能够提供200k H z 的高带宽,
具有非常低的偏置电流和偏置电压，能够保证测量电流通道具有很小的零漂电压㊂同时为了减小高低温环境对测量精度的影响，积分电路的运算放大器选用A D A 4077，它能够提供极低的偏置电压㊁偏置电流和漂移，使得系统尽管在苛刻的高低温环境中也能保持测量的高精度㊂P G A 电路是为了对电压小信号进一步放大，提高电流的测量精度㊂
(3
)保护电流采样电路保护电流采样电路由电阻分压网络㊁隔离网络㊁积分电路和缓冲网络组成㊂电阻分压网络选用高精度㊁低温漂电阻，负责将电流信号转换为适合A D C 输入量程的电压信号㊂在保护电流采样电路中加入隔离网络是为了减少分压电阻网络对积分网络的影响㊂同时，由于A D C 的模拟输入引脚存在一定的偏置电流，选用A D A 4077设计缓冲网络，能够为A D C 的模拟输入引脚提供一个低阻抗输入，减少由于偏置电流带来的直流零漂㊂
(4)A /D 转换电路
为了高精度采集直流小信号，本文选用了内置16位㊁
双极性输入㊁同步采样的A D C 76064，其可以提供4路同步采样输入，每个通道均内置模拟输入钳位保护㊁二阶抗混叠滤波器㊁跟踪保持放大器㊁16位电荷再分配逐次逼近型转换器㊁灵活的数字滤波器㊁2.5V 基准电压缓冲以及
高速串行和并行接口㊂本文将A D C 配置在串行接口模式，其中A D 1用于监视保护电流通道㊁测量电流通道和自身电源电压,A D 2用于监视保护电流通道㊁运放电源和自身的电源电压㊂
(5)F P G A 控制电路
轨道交通系统系统采用A L T E R A (已被I n t e l 收购)公司的C y
c l o n e I V 系列F P G A 作为主控芯片，型号为E P 4C E 10E 22I 7N [6],F P G A
主控电路由主控芯片㊁时钟电路㊁复位电路㊁J A T G 电路和软膜布
F L A S H 电路组成，主要完成系统初始化配置㊁A D C 初始
化配置㊁A D C 采样以及数据的处理㊁存储和发送㊂F P G A
通过配置A D C 芯片的A D C S ㊁A D C _C L K ㊁C O N V S T ㊁A D -
F R S T D A T E 等相关引脚，采用控制C O N V S T 信号的方式来完成模拟量到数字量的转换和数字量的采集功能，对采集到的数字量进行相关处理后发送至光模块㊂
(6
)光纤收发电路光纤收发电路由A g
i l e n t 公司生产的820n m 的微型光纤组件H F B R
2412㊁H F B R
1414和外围电路组
成[7]
，系统主要对其外围电路进行设计，该电路能够为系
统提供成本效益高㊁传输距离远㊁高性能㊁高可靠性的光纤
通信链路㊂
2.2 F P G A 程序设计
系统基于模块化思想设计了F P G A 程序,
主要包括N I O S _E 4㊁A D C _S AM P L E ㊁D A T A _P R O ㊁c r c _r o m ㊁s i n 240a ㊁u a r t _s e n ㊁u a r t _m a n ㊁a l t p l 10和o p
t _s e l 九大模块，系统简化的R T L 级电路框图如图3所示
㊂
图3 系统简化的R T L 级电路框图
a l t p
l 10通过对外部50MH z 时钟分频为系统各个模块提供时钟信号㊂A D C _S AM P L E 模块主要实现对两片A /D 时序的控制和数据的采集，将采集到的数据按照积分公式还原出原始信号，通过数据总线传输至D A T A _
P R O 模块进一步处理㊂D A T A _P R O 模块通过地址从
c r c _r o m 模块中获取c r c 码来完成对原始信号C R C 校验的数据组帧，同时通过地址从s i n 240a 模块中获取相关的积分参数用于发送至A D C _S AM P L E 模块中完成原始信号的积分计算，最终将c r c 校验组帧的数据和相关参数数据按照F T 3格式组成新的数据，通过u a r t _s e n ㊁u a r t _m a n 和o p t _s e l 模块发送到综合管理单元㊂N I O S _E 4模块主要负责整个系统的调度㊁数据读写仲裁，将D A T A _P R O 模块发送的采样间隔㊁幅值㊁相位㊁零漂等参数通过S P I 总线保存至F L A S H 中㊂
2.3 采集单元参数配置
采集单元的参数配置主要包括采样间隔㊁幅值㊁相位㊁零漂等参数，配置界面如图4所示㊂具体配置如下:
a .用信号源在v i n +和v i n -端加标准的2V 交流信号㊂设置通信口单击 打开串口 按键，打开串口，然后
点击调试压板按键，将插件设置为调试模式，将拨码开关拨到E 4档㊂
c .通过配合I E C 61850报文监视分析工具，可进行幅值㊁相位㊁零漂等参数调整㊂
d .
可通过工具对采样间隔㊁波特率㊁去零漂方式㊁定时方式等进行设置㊂
e .
调试完成后点击 保存参数 按钮，然后断电重新启动，可以通过 读取参数 按钮对配置参数进行校验
日志审计㊂
图4 配置界面
3 系统测试和分析
为了证明系统的工程应用价值，需要对系统的各项参数㊁功能以及电磁兼容性能指标进行验证，对双A /D 采样的小信号精度进行测试㊂测试方法如下：将电流采集单元用光纤分别连接对应的收发信号，同时通过网口㊁串口连接电脑和综合监测单元，测试中将电流信号量同时接入标准信号转换装置和互感器校验仪，标准信号转换装置出来的小电压信号接入采集单元，试验过程中分别监视采集单元的比差和相差，保护电流试验结果如表2所列，测试电流试验结果如表3所列㊂
表2 保护电流试验结果
通信规约通道施加量值比差/%相差/(')曼码
A D 1100%I n +0.22+3A D 2100%I n +0.28+4异步
A D 1100%I n +0.21+1A D 2
100%I n
+0.28
+2
1-溴芘
同时对系统的电磁兼容性能指标进行了测试，并对测试结果进行了分析，系统电磁兼容各项性能指标满足要求㊂测试结果表明，系统保护电流采集和测试电流采集在曼码和异步的条件下，比差和相差都满足系统指标要求，装置在测试过程中通信正常，系统工作可靠㊁稳定，能够满
足系统的各项参数要求[
环网8]
㊂表3 测试电流试验结果
通信规约
施加量值比差/%相差/(')曼码
1%I n +0.02+55%I n
+0.01+220
%I n
+0.01+2100%I n +0.01+2120%I n +0.01+2异步
1%I n +0.05-15%I n
+0.01+120%I n
+0.01+1100%I n -0.01+1120%I n
+0.01
+1
4 结 语
本文提出的基于F P G A 的双A /D 小信号采集方案能
够完全满足电力系统对电流测试精度的要求，该方案电路实现简单，测试精度高，为小信号采集设计方案提供了一定的参考价值㊂文中对整个方案进行了详细的阐述，同时
也对系统进行了详细的测试，实验结果表明该方案具有较高的工程应用价值㊂
参考文献
[1
]江燕良，李莎莎，王淇森.一种避雷器在线监测装置实现方案的研究[J ].电子设计工程,2019,27(14):121125.[2]胡益诚，张晓曦，代明清，等.基于D S P 与F P G A 的信号采集
系统设计[J ].信息通信,2019(4):8688.
[3]张甜甜.基于A D 7862的模拟电流采集设计与F P G A 编程实
现[J ].电子技术与软件工程,2018(16):8485.
[4]江燕良，王振华，李莎莎.一种基于F P G A 的智能传感器采集
单元的设计[J ].电子设计工程,2018,26(10):155159.
[5]张岩，伍春，赵志坤.基于F P G A 的多通道数据采集卡的方案
设计[J ].东北师大学报(自然科学版),2016,48(4):6367.
[6]王水鱼，王伟.基于A D 7606的智能电网数据采集系统设计
[J ].微型机与应用,2016,35(22):810.
[7]郭震，吕玄兵，吴雪玲.基于K 60与F P G A 的电子式互感器
采集单元的实现[J ].信息技术,2014(4):104106,110.[8]郭亮，卫一然，甄国涌.基于F P G A 的高速数据采集系统设计
实现[J ].计算机测量与控制,2013,21(2):537539.
靳鹏飞(初级工程师)㊁王振华(高级工程师)㊁贺渊明(高级工程师)㊁郭震(工程师)，主要研究方向为变电站二次系统开发㊂
(责任编辑：薛士然 收稿日期:2020-08-14
)
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议