基于fpga的多通道行波高速采集录波系统设计

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1、２０１７年５月ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ第３６卷第３期１１９基于ＦＰＧＡ的多通道行波高速采集录波系统设计赵玉灿，李彦，陈玉林，李权伟，孙浩（南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京２１１１０２）摘要：设计了一种基于ＦＰＧＡ的多通道行波高速采集及录波系统，利用ＦＰＧＡ片内双端口ＲＡＭ及片外大容量ＤＤＲ构成分布式两级录波缓存，搭配ＤＳＰ嵌入式处理器，可实现集中式行波测距装置多通道行波信号的高速采集、连续暂态录波、长过程录波功能。该系统所采用的分级缓存机制，解耦了信号采集的“高速率”与数据缓存的

2、“大容量”应用需求，既实现多路行波数据的实时高速采集、连续暂态录波所需的高数据吞吐率，又具备大容量缓存空间用于故障测距算法离线分析与录波数据转储，很好地满足了电力行业输电线路行波测距相关的技术规范要求。关键词：高速采集；多通道；分布式两级录波缓存；连续暂态录波＋中图分类号：ＴＰ２７４．２文献标志码：Ａ文章编号：２０９６－３２０３（２０１７）０３－００－０［１０，１１］及录波缓存的性能需求和技术规范。０引言１硬件系统结构电力系统中输电线路发生故障时，在故障点会产生奇异突变的行波信号，对行波信号进行计算分该行波采集及录波缓存系统

3、采用嵌入式硬件［１－４］［１２，１３］析，运用故障测距算法，可快速定位故障点位平台设计，硬件上由前端行波数据采集电路、置。由于行波信号频带较宽，以及对故障测距的精ＦＰＧＡ器件、嵌入式处理器ＤＳＰ、大容量高速存储器度要求，行波信号的采集要求较高的采样率和采样ＤＤＲ组成。系统结构如图１所示。该系统可实现精度；行波测距装置还需能接入多条线路，且能实多条线路的故障测距和录波功能，ＦＰＧＡ是行波采现连续暂态录波。因此，行波信号的采集具有采样集和录波子系统的核心，实现行波数据的采集和录率高、模拟通道多的特点，进而要求行波数据的缓波缓存控

4、制功能，包括驱动前端行波数据采集电存吞吐率高、容量大。路、维护两级录波缓存读写指针、响应ＤＳＰ的录波传统的单通道、低采样率的采集及缓存系统已指令、控制行波数据流等。ＤＳＰ处理器负责故障测［５］［６］距功能，包括录波启动计算、下发单次或连续录波无法满足上述需求。在基于ＦＰＧＡ的架构中，若仅使用ＦＰＧＡ片内双端口ＲＡＭ存储资源，通过触发命令、录波数据分析、输出故障测距结果、故障［７］波形转储等［１４］。“冻结－解冻”的触发录波模式，虽然能实现数据的高吞吐率，但受限于ＦＰＧＡ内部紧张的ＲＡＭ资源，在缓存容量上无法满足要求。而若采用

5、ＦＰＧＡ搭配片外ＳＤＲＡＭ的形式，单纯将ＳＤＲＡＭ作为波形数据缓存区，虽然满足了大容量的需求，却由于ＳＤＲＡＭ的读写端口不能同时操作，无法在高速行波采集的同时实现高数据吞吐率的波形缓存数据搬移，存在录波死区的情况。如文献［８］无法在不中断数据采集的情况下实现连续暂态录波，文献［９］仅在出现故障时进行行波高速采样，无法对发生故障时刻之前的波形进行录波。本文提出的分布式两级录波缓存结构，结合了图１多通道行波采集与录波硬件系统结构ＦＰＧＡ内部双端口ＲＡＭ的高数据吞吐率与片外Ｆｉｇ．１Ｓｙｓｔｅｍｈａｒｄｗａｒｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕ

6、ｒｅＤＤＲ大容量的特点，采用分级缓存机制，有效地解ＦＰＧＡ与ＤＳＰ通过高速串行总线ＰＣＩｅ进行行决了上述问题，很好地满足了多通道行波高速采集波波形数据的传输［１５］，其中ＦＰＧＡ作为ＰＣＩｅ总线收稿日期：２０１６－－；修回日期：２０１７－－（）的端节点，ＤＳＰ的ＰＣＩｅ控制器作为根节点。ＤＤＲ＼＼ＤＺ１５＼电力工程＼２０１７＼０２．ＰＳ２校样排版：陆姣修改日期：２０１７／５／１２１２０存储器则通过ＤＳＰ的外设ＤＤＲ控制器和ＰＣＩｅ控个采样点均贴上时标将大大增加数据传输和缓存制器与ＦＰＧＡ进行数据交换，形成点对点高速通信的负担

7、，且存在时标信息冗余，故本系统仅记录每链路。组数据首个通道的采样时刻，在后端数据分析时，采用文献［１６，１７］所提供的通道延迟高精度时标获２分布式两级录波缓存取方法，恢复并校准每个通道的采样时刻。系统采用的两级录波缓存均为循环缓存结构，数据地址由循环计数器产生，最新数据覆盖最旧的数据，形成首尾相连的环状缓存区，如图２所示。图２循环缓存结构图３系统工作原理框图Ｆｉｇ．２ＬｏｏｐｃａｃｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅＦｉｇ．３Ｓｙｓｔｅｍｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍ第一级录波缓存区位于ＦＰＧＡ内部，由片内双预处理后的数据

8、，一路经缓存控制器写入第一口ＲＡＭ实现。ＲＡＭ的其中一个端口负责高速行波级缓存区，缓存控制器产生第一级缓存区数据写地数据的持续写入，另一个端口在录波触发时进行突址；另一路经过下采样降频至较低等效采样率，实发式数据推送。该级缓存的特点是数据吞吐量大，时输出至录波触发启动单元，用以启动计算。启