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1 引言 電流互感器是電力系統中用于繼電保護和電流測量的重要設備，其精確度和可靠性對電 力系統的安全、穩定和經濟運行有著重要影響。隨著電力系統的發展，發電和輸變電容量不 斷增加，電網電壓不斷提高，對互感器提出了許多新的和更加嚴格的要求，而傳統的電磁式 互感器已經越來越不適應這種發展的需要。基于光學技術、電子技術、現代信號處理技術的 新一代光電電流互感器克服了傳統電流互感器存在的磁飽和及鐵磁諧振等一系列問題，與新 型的光電子技術相結合，具有精度高、智能化等傳統電磁式互感器無法比擬的優勢，應用前 景十分樂觀。現在光電電流互感器的研究方向主要是有源電子式電流互感器。有源電子式電 流互感器系統主要分為三個部分：高壓側，低端側和供電電源。 高壓側部分主要包括：傳感器和高壓側電路模塊。傳感器現在主要是采用Rogowski 線圈 （羅氏線圈）。而高壓側電路模塊主要包括：積分器，放大器，低通濾波器，模數轉換器和嵌 入式微處理器。高壓側電路模塊是光電電流互感器的重要組成部分，其精度、暫態響應速度 和功耗等主要性能參數對互感器有著重要的影響。 2 高壓側電路模塊設計 傳統的高壓側電路模塊是由前期處理電路、模數轉換模塊、控制單元MCU、CRC 校驗碼單 元與曼切斯特編碼單元幾部分組成。作為高壓側主控單元的MCU，它主要反映了暫態響應速度和功耗兩個參數，MCU 的選擇可以是DSP、單片機。DSP 速度快功耗大；低功耗單片機則在速 度方面很難達到要求。隨著大規模集成電路技術和計算機技術的不斷發展，FPGA（Field programmable Gate Array）作為當今比較流行的嵌入式芯片有著其他芯片無法替代的優點， 成為當今應用最廣泛的可編程專用器件。本文將A/D 控制模塊，CRC 校驗碼模塊和曼切斯特編 碼模塊的功能合并到FPGA 當中，圖1 為FPGA 內部功能框圖。 2.1 利用狀態實現對A/D 的控制 模數轉換器是整個系統中比較重要的器件，本文采用ADI 公司生產的6 通道同時采樣模 數轉換器AD7656。設計中，FPGA 對AD7656 的控制、讀寫時序由狀態機來實現。本文把控制 過程分成4 個狀態分別為ST0、ST1、ST2、ST3。ST0：AD 初始化，ST1：啟動轉換、等待轉換 結束，ST2：轉換結束、準備讀出數據，ST3：讀出數據、給計數器控制信號。 2.2 FPGA 芯片內的存儲器的設計 本文在FPGA 內部設計一個16 位的FIFO 來實現數據的存儲，用VHDL 語言來實現，芯片 內存儲器的結構圖如圖2 所示。圖中data 為數據輸入端，wreq 為寫控制信號，rdreq 為讀控 制線，q 為數據輸出端，clock 為時鐘。Usedw 為地址信號輸出線。 2.3 CRC 校驗碼的FPGA 設計 光纖通信過程中，在接收方檢查所接收的數據是否正確，可采用多種檢測方法。其中循環冗 余校驗碼(CRC 校驗)是目前在計算機網絡通信及存儲器等方面應用最為廣泛的一種校驗編碼方 法，是一種強有力的檢測手段。人們將該技術用于多處數據通信系統中，收到了令人滿意的效果。 為了滿足電力通信的快速性、可靠性要求，本文采用CRC 并行算法來實現CRC 編碼。 CRC 校驗碼的原理是發送端運用CRC 算法計算出待發送數據的CRC 校驗碼。并附加在待發送 數據的末尾，即在發送數據的同時增加CRC 碼(編碼過程)。發送后，接收端計算機檢測數據和CRC 碼之間的數學關系是否正確(譯碼過程)，若不正確則說明數據信息在傳輸過程中有誤碼。 FPGA 已經成為當今應用最廣泛的可編程專用器件，它解決了傳統數字電路設計中所遇到的許多問題，能夠快捷地、靈活地實現復雜數字系統的設計。本文開發軟件采用Max+plusⅡ，用VHDL 語言編譯實現CRC 檢驗算法。并給出了一組隨機的16 進制數做了仿真，仿真結果如圖3 所示：從 圖中可以看出結果不僅可以準確地反應出CRC 校驗碼的數組，而且由于優化的原因波形比較平滑， 達到了預期的效果。 2.4 曼徹斯*的實現 光纖傳送數據的速率很高，用異步方法恢復時序己經很不實際了，如果在接收端不能從數據 中恢復時鐘信號，那么就需要另一條光纖來傳時鐘，這樣不經濟而且會造成時基擺動。所以在光 纖數據傳輸系統中又要選用合適的線路碼，而曼徹斯*（Manchester）是當今光纖數據通信中 最常用的一種。 曼徹斯*又叫做數字雙相碼，是用碼元中心的電平跳變來表示要傳輸的二進制信息，是一 種時鐘自同步編碼技術。曼徹斯*的編碼方法是將每一個碼元再分成兩個相等的間隔。碼元1 是在前一個為高電平而后一個間隔為低電平。碼元0 則剛好相反，從低電平變到高電平。它的優 點在于可以保證在每個碼元的正中間出現一次電平的轉換，這除了可以防止基帶信號出現連1 或 連0 的現象，又對接收端提取位同步信號是非常有利的。在實際電路設計中，本文用異或門來實 現編碼的設計，但是在編碼過程中由于時鐘信號有上升時間和下降時間導致編碼完的信號有毛刺， 本文用D 觸發器來消除這些毛刺。 本文對曼切斯特編碼電路作了仿真，圖4 為曼切斯特編碼仿真圖，從圖中可以看出輸出信號 在輸入信號的中心位置跳變，并且信號沒有毛刺比較平滑，成功地完成了編碼。 2.5 MCU 綜合模快 本文已將圖1 中的各個主要模塊用VHDL 語言進行了編譯和仿真，由仿真結果可以看出每一個 模塊已經完成了它自己的功能。但是作為FPGA 的時序綜合又是一個很復雜的工作，如何將各個模 塊的功能結合在一起完成整個系統的功能、如何搭配各個模塊間的時序讓整個系統的時序比較合 理都是要考慮的問題。 本文對高壓側MCU 綜合模快電路作了仿真，如圖5 所示。給出了一個采集周期的仿真結果。 從仿真圖可以看出整個MCU 模塊完成了從控制A/D 采集數據；控制CRC 校驗碼電路進行校驗碼的生成；將數據存入存儲器經過組合之后送入曼切斯特編碼模塊進行編碼，最后將結果輸出。 3 結論 本文把FPGA 技術應用在高壓側模數轉換器的控制、CRC 校驗碼、曼切斯特編碼等各模塊的電 路設計上。主要功能包括：控制模數轉換器采集信號；對采集的數字信號進行CRC 校驗；把校驗 碼和采集數據存入存儲器并按格式進行排序；把排序好的數據輸入曼切施*編碼電路在通過光 纖傳到低壓側。采用現場可編程門矩陣FPGA 來做整個高端側的時序控制器。同時采用FPGA 來實 現編碼、解碼部分的設計，這樣可以把多個功能集成到一個芯片當中進一步提高效率。通過仿真 結果可以證明本文的高壓側信號處理電路設計是可行的，且能夠滿足電力系統中IEC60044-8 標準 所規定的高效性、時效性要求。 本文作者創新點：本文把FPGA 技術應用在高壓側模數轉換器的控制、CRC 校驗碼、曼切斯特 編碼等各模塊的電路設計上，把多個功能集成到一個芯片當中，從而使系統的體積更小，精度更 高，功能更強，能夠快捷地、靈活地實現系統所要求的功能。 |
