[发明专利]基于FPGA的高速数据采集与数字信号处理板

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA的高速数据采集与数字信号处理装置，尤其是一种在电力系统中用于对高频暂态信号进行高速、同步的数据采集和快速实时处理的装置。

背景技术

具有超高速动作性能的输电线路行波保护是电力系统继电保护研究的一个重要课题。但是，目前国际上尚无完善的行波保护装置面世。主要原因有两点，一是缺乏合适的数学手段分析高频暂态行波信号；二是技术要求太高，比如，要求采样频率达到500kHz以上，而处理时间要在1-2个毫秒时间完成，上述问题用传统的技术手段是无法解决的。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于FPGA的高速数据采集与数字信号处理板，通过对所采集的信号进行小波变换，从而实现高频暂态行波的高速同步采集和快速处理，为实现性能完善的输电线路行波保护装置提供保障。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于FPGA的高速数据采集与数字信号处理板的特点是集成设置模拟信号输入和A/D转换模块、数字信号处理模块以及通信模块；

所述模拟信号输入和A/D转换模块包括：用于接收四条线路中电压或电流模拟信号的十二通道信号调理电路，与所述信号调理电路相连的A/D转换模块；所述A/D转换模块自带采样保持电路，使用外部参考电压和外部时钟，三态输出；

所述数字信号处理模块包括：与所述A/D转换模块相连的FPGA模块，与所述FPGA模块相连的存储器DDR2和数据存储器FLASH，为所述FPGA模块提供的数字信号处理程序存储在所述DDR2或FLASH中；所述数字信号处理模块完成以下数字信号处理：

a、处理原始采样数据，包括：故障启动的判别、故障数据的移出以及小波变换的处理；

b、利用FPGA模块实现嵌入式网络，以嵌入式网络为载体实现信息交互；所述FPGA内部启动模块采用软启动的模式，通过对采集到的电压或电流数据进行部分启动算法的判据后，以中断的形式引导启动，同时记录启动时刻的地址；故障启动后经过延时，故障数据移出模块DMA开始工作，从中断时刻的地址向上寻找自定义长度的故障数据，设置故障数据长度不大于1s，包括故障前和故障后的全部数据，并移出到系统分配的存储器DDR2中的故障数据存储空间。

c、以所述存储器DDR2存储故障数据，并且将所述故障数据存储到FLASH中作为数据的有效备份；

所述通信模块与所述FPGA模块相连，采用网络物理层芯片与FPGA的嵌入式网络相配合，实现和其它板件或者后台计算机交换采集与计算结果。

本发明能够高速、同步地采集各种电压和电流信号，并对这些信号进行快速实时处理。特别是可对高频暂态信号进行高速、同步的数据采集和快速实时处理，与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明中基于FPGA、DDR2和FLASH的配置，充分利用了FPGA的并行计算的能力，可实现故障数据的快速分析、计算和大容量的存储，数据安全性高；

2、本发明采用基于FPGA的嵌入式网络设计，具有超强的网络通信能力，可以实时的往外发送故障数据和计算结果；

3、本发明利用小波变换技术，实时分析处理故障数据，准确分析出故障点位置，计算速度快，精度高；

4、本发明的外观尺寸小，易于级联和扩展，可同时采集多达24条线路的电气量；

5、本发明采用软启动的模式，可同时配置多种启动方法，对于多种故障类型均可启动，使用灵活、方便；

6、本发明可用于电力系统中的多个领域，例如继电保护装置，电力系统故障录波器，电力系统故障事件记录仪等，需要同步高速数据采集和快速实时处理的场合。

附图说明

图1为本发明中高速采集与数字信号处理板硬件构成框图；

图2为本发明中通信方式示意图；

图3为本实施例中三相故障电流波形图；

图4为本实施例中小波变换后A相故障电流的示意图；

图5为本发明数据存放格式示意图；

图6为本发明故障处理和网络通信控制流程图。。

具体实施方式

参见图1，本实例由模拟信号输入和A/D转换模块I、基于FPGA的数字信号处理模块II，以及通信模块III三个部分组成。