趙玉燦， 李 彥， 陳玉林， 李權偉， 孫 浩

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

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基于FPGA的多通道行波高速采集錄波系統(tǒng)設計

趙玉燦， 李 彥， 陳玉林， 李權偉， 孫 浩

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

設計了一種基于FPGA的多通道行波高速采集及錄波系統(tǒng)，利用FPGA片內雙端口RAM及片外大容量DDR構成分布式兩級錄波緩存，搭配DSP嵌入式處理器，可實現集中式行波測距裝置多通道行波信號的高速采集、連續(xù)暫態(tài)錄波、長過程錄波功能。該系統(tǒng)所采用的分級緩存機制，解耦了信號采集的“高速率”與數據緩存的“大容量”應用需求，既實現多路行波數據的實時高速采集、連續(xù)暫態(tài)錄波所需的高數據吞吐率，又具備大容量緩存空間用于故障測距算法離線分析與錄波數據轉儲，很好地滿足了電力行業(yè)輸電線路行波測距相關的技術規(guī)范要求。

高速采集；多通道；分布式兩級錄波緩存；連續(xù)暫態(tài)錄波

0 引言

電力系統(tǒng)中輸電線路發(fā)生故障時，在故障點會產生奇異突變的行波信號，對行波信號進行計算分析，運用故障測距算法[1-4]，可快速定位故障點位置。由于行波信號頻帶較寬，以及對故障測距的精度要求，行波信號的采集要求較高的采樣率和采樣精度；行波測距裝置還需能接入多條線路，且能實現連續(xù)暫態(tài)錄波。因此，行波信號的采集具有采樣率高、模擬通道多的特點，進而要求行波數據的緩存吞吐率高、容量大。傳統(tǒng)的單通道、低采樣率的采集及緩存系統(tǒng)已無法滿足上述需求[5]。在基于FPGA的架構中[6]，若僅使用FPGA片內雙端口RAM存儲資源，通過“凍結-解凍”的觸發(fā)錄波模式[7]，雖然能實現數據的高吞吐率，但受限于FPGA內部緊張的RAM資源，在緩存容量上無法滿足要求。而若采用FPGA搭配片外SDRAM的形式，單純將SDRAM作為波形數據緩存區(qū)，雖然滿足了大容量的需求，卻因SDRAM的讀寫端口不能同時操作，無法在高速行波采集的同時實現高數據吞吐率的波形緩存數據搬移，存在錄波死區(qū)的情況。如文獻[8]無法在不中斷數據采集的情況下實現連續(xù)暫態(tài)錄波，文獻[9]僅在出現故障時進行行波高速采樣，無法對發(fā)生故障時刻之前的波形進行錄波。

本文提出的分布式兩級錄波緩存結構，結合了FPGA內部雙端口RAM的高數據吞吐率與片外DDR大容量的特點，采用分級緩存機制，有效地解決了上述問題，很好地滿足了多通道行波高速采集及錄波緩存的性能需求和技術規(guī)范[10,11]。

1 硬件系統(tǒng)結構

該行波采集及錄波緩存系統(tǒng)采用嵌入式硬件平臺設計[12,13]，硬件上由前端行波數據采集電路、FPGA器件、嵌入式處理器DSP、大容量高速存儲器DDR組成。系統(tǒng)結構如圖1所示。該系統(tǒng)可實現多條線路的故障測距和錄波功能，FPGA是行波采集和錄波子系統(tǒng)的核心，實現行波數據的采集和錄波緩存控制功能，包括驅動前端行波數據采集電路、維護兩級錄波緩存讀寫指針、響應DSP的錄波指令、控制行波數據流等。DSP處理器負責故障測距功能，包括錄波啟動計算、下發(fā)單次或連續(xù)錄波觸發(fā)命令、錄波數據分析、輸出故障測距結果、故障波形轉儲等[14]。

圖1 多通道行波采集與錄波硬件系統(tǒng)結構Fig.1 System hardware architecture

由圖1可知，FPGA與DSP通過高速串行總線PCIe進行行波波形數據的傳輸[15]，其中FPGA作為PCIe總線的端節(jié)點，DSP的PCIe控制器作為根節(jié)點。DDR存儲器則通過DSP的外設DDR控制器和PCIe控制器與FPGA進行數據交換，形成點對點高速通信鏈路。

2 分布式兩級錄波緩存

系統(tǒng)采用的兩級錄波緩存均為循環(huán)緩存結構，數據地址由循環(huán)計數器產生，最新數據覆蓋最舊的數據，形成首尾相連的環(huán)狀緩存區(qū)，如圖2所示。

圖2 循環(huán)緩存結構Fig.2 Loop cache structure

第一級錄波緩存區(qū)位于FPGA內部，由片內雙口RAM實現。RAM的其中一個端口負責高速行波數據的持續(xù)寫入，另一個端口在錄波觸發(fā)時進行突發(fā)式數據推送。該級緩存的特點是數據吞吐量大，速度快，數據的讀寫可并行處理，在錄波時能維持采集數據的高速、不間斷寫入，不存在錄波死區(qū)。該級錄波緩存用以緩存高速采樣產生的數據流，在錄波觸發(fā)命令到來時，數據推送控制器將指定時間區(qū)間內的行波數據迅速搬移至第二級緩存區(qū)內。

第二級錄波緩存區(qū)位于FPGA片外的DDR存儲器內，與第一級緩存通過高速串行總線PCIe相連，僅在錄波觸發(fā)時，緩存來自前級緩存的波形數據塊。該級緩存的特點是容量大，一般為數百兆甚至1 GB，有效地彌補了前級緩存容量小無法存儲足夠多暫態(tài)錄波數據塊的缺點。大容量的緩存區(qū)可使DSP對錄波數據進行離線分析，尤其是在突發(fā)式連續(xù)暫態(tài)錄波時，大大減輕了DSP計算性能和外部數據存儲速率的壓力，提供了充足的時間用以分析處理、存儲搬移等。

3 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的工作原理邏輯框圖如圖3所示。FPGA產生前端行波數據采集電路中多路選擇器和高速ADC芯片的驅動時序，接收ADC芯片輸出的采樣數據。預處理單元將原始的采樣數據進行必要的時序及碼值校準處理，并貼上采樣時標，由于對每個采樣點均貼上時標將大大增加數據傳輸和緩存的負擔，且存在時標信息冗余，故本系統(tǒng)僅記錄每組數據首個通道的采樣時刻，在后端數據分析時，采用文獻[16,17]所提供的通道延遲高精度時標獲取方法，恢復并校準每個通道的采樣時刻。

圖3 系統(tǒng)工作原理框圖Fig.3 System working principle diagram

預處理后的數據，一路經緩存控制器寫入第一級緩存區(qū)，緩存控制器產生第一級緩存區(qū)數據寫地址；另一路經過下采樣降頻至較低等效采樣率，實時輸出至錄波觸發(fā)啟動單元，用以啟動計算。啟動單元在故障發(fā)生后約幾毫秒內即完成啟動判斷，根據應用需求輸出單次或多次錄波觸發(fā)信號。

推送控制器收到錄波觸發(fā)命令信號時，根據整定的錄波時長定值，計算第一級緩存區(qū)讀地址，以及第二級緩存區(qū)寫地址，將本次錄波命令所指定的時間區(qū)間內的暫態(tài)波形數據通過高速串行總線PCIe和DDR控制器寫入第二級錄波緩存區(qū)內。PCIe數據幀TLP報文中含有數據的目的地址信息，該地址由FPGA內的推送控制器產生。存儲于第二級錄波緩存區(qū)內的暫態(tài)錄波數據塊，可供DSP進行故障測距計算和波形數據轉儲。

兩級錄波緩存均由FPGA進行時序協調管理。其中首級緩存區(qū)的讀寫由FPGA直接控制，次級緩存區(qū)的寫入則由FPGA間接控制。FPGA進行數據采集和緩存的流程圖如圖4所示。該流程圖包含2個獨立的進程，行波數據的采集進程和錄波緩存進程。前者管理第一級錄波緩存區(qū)的寫入，不受錄波觸發(fā)影響，寫指針始終逐次增一循環(huán)寫入實時采樣值，避免在連續(xù)觸發(fā)錄波時產生錄波死區(qū)；后者管理前級緩存區(qū)的讀取和后級緩存區(qū)的寫入，僅在收到觸發(fā)命令時啟動，完成本次錄波數據推送后繼續(xù)等待下次錄波命令。

圖4 行波采集及錄波流程圖Fig.4 Traveling wave acquisition and recording flow chart

由于啟動判斷輸出錄波觸發(fā)命令相對于輸電線路發(fā)生故障時刻的滯后性，為了完整的記錄故障時刻的行波信息，需要將錄波觸發(fā)時刻前一段時間內的波形也記錄下來，定義錄波觸發(fā)時刻前后需要錄波的波形時長分別為tpre和tpost，當數據源產生數據的速率小于數據發(fā)送速率時，tpost時長的波形數據可實時發(fā)送無需緩存，因此第一級錄波緩存區(qū)容量的下限由tpre決定，而tpre又與錄波啟動判斷延時直接相關，鑒于首級錄波緩存的容量限制，本系統(tǒng)要求錄波啟動單元有較高的啟動響應速度。

啟動單元可以發(fā)出單次錄波觸發(fā)命令，也能以較小的時間間隔發(fā)送連續(xù)的觸發(fā)命令。當連續(xù)觸發(fā)錄波周期間隔等于tpre與tpost之和時，即可實現長過程錄波功能。

4 系統(tǒng)驗證

本例按照文中的系統(tǒng)結構和方法，實現了10條線路30個電流通道的行波采集與錄波系統(tǒng)，該系統(tǒng)的行波數據采集速率為512 Mb/s，首級錄波緩存的讀寫并發(fā)速率各為2.56 Gb/s，首級錄波緩存與次級錄波緩存的數據通路采用PCIe Gen2規(guī)范，理論通信速率高達5 Gb/s，有效數據載荷帶寬達4 Gb/s，DDR存儲容量為256 MB，線路故障時錄波啟動判斷延時低于4 ms，每條線路單次錄波時長最高可以達8 ms。

圖5為從本例系統(tǒng)中截取的某條線路的三相行波電流波形數據。錄波總時長為5 ms，橫坐標0時刻對應為錄波啟動時刻，該時刻滯后故障發(fā)生時刻約1.896 ms。錄波觸發(fā)時刻前錄波時長tpre為2 ms，包含了線路故障發(fā)生時刻前后波形突變的完整信息，為測距算法提高測距精度提供了完備、可靠的數據基礎。

圖5 單條線路行波波形圖Fig.5 Single line traveling wave waveform

運行本例系統(tǒng)的行波故障測距裝置已在工程現場投入使用，故障點測距精度為±300 m，可實現所有線路的無死區(qū)錄波。該集中式行波測距裝置針對接入10條線路的應用需求仍具有較大的性能裕量，理論上還可實現更多線路的行波高速采集和錄波緩存，滿足更高、更廣的工程應用需求。

5 結語

本文提出并實現了一種輸電線路故障行波采集與錄波系統(tǒng)，以FPGA為核心，協調統(tǒng)籌前端高速采集電路時序與后端波形緩存管理邏輯，采用分布式的兩級錄波緩存結構，利用FPGA片內RAM的高效讀寫性能與片外DDR大容量存儲的特點，形成速率與容量(時間與空間)的優(yōu)勢互補，很好地滿足了電力行業(yè)標準中輸電線路行波故障測距的技術指標和較高的系統(tǒng)性能裕度，也增強了對需要接入更多行波通道的應用場景的兼容性和擴展性。

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程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護裝置的研究與開發(fā)工作；

李權偉(1985—)，男，廣東中山人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護及控制硬件平臺的研究與開發(fā)工作；

孫 浩(1987—)，男，安徽淮北人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護及控制軟件平臺的研究與開發(fā)工作。

(編輯 徐林菊)

High Speed Acquisition and Recording System Design for Multi-channelTraveling Wave Based on FPGA

ZHAO Yucan, LI Yan, CHEN Yulin, LI Quanwei, SUN Hao

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102, China)

A high-speed acquisition and recording system for multi-channel traveling wave based on FPGA is designed, which can implement high speed acquisition, continuous transient recording and long process recording of multi-channel traveling wave signal for centralized traveling wave distance measuring devices, utilizing FPGA dual ports RAM and off-chip high capacity DDR to construct distributed two-stage recording buffers, combined with DSP embedded processors. The hierarchical caching mechanism adopted by the system decouples the “high rate” of signal acquisition and the “l(fā)arge capacity” application requirement of data caching. It realizes the real-time high-speed data acquisition of multi-channel traveling wave and high data throughput required by continuous transient recording. And it also has a large capacity cache space for fault location algorithm off-line analysis and recording data dump, which meet the technical specification requirements related to traveling wave fault location for transmission lines of power industry.

high speed acquisition; multi-channel; distributed two-stage recording buffers; continuous transient recording

2017-01-08；

2017-03-01

TP274+.2

A

2096-3203(2017)03-0067-05

趙玉燦

趙玉燦(1985—)，男，江蘇南京人，工程師，從事變電站自動化及繼電保護系統(tǒng)可編程邏輯研發(fā)工作；

李 彥(1979—)，男，江蘇無錫人，高級工程師，從事變電站自動化系統(tǒng)、智能變電站系統(tǒng)研發(fā)工作；

陳玉林(1980—)，男，湖北武漢人，高級工