光纤互感器与行波故障测距是电力系统中两类重要的先进测量技术，这两类系统均需要对高速变化的信号进行精确采样、实时处理并实现装置间高精度时间同步。FPGA凭借其硬件并行处理能力和确定性时序在其中发挥关键作用：从控制高速ADC采样和相位调制器驱动，到实现数字解调、行波检测算法，再到高精度时间戳和网络通信，FPGA构成了光纤互感器和行波测距装置的核心组件。目前学术界和工业界的众多案例表明，在这些应用中引入FPGA能够大幅提升测量的实时性和准确性，为电力系统提供更加智能可靠的监测与保护手段。
一、系统功能概述
1、光纤互感器工作原理与架构
光纤互感器（Fiber Optic Current Transformer,FOCT）是一种利用法拉第磁光效应（测量电流）或逆压电效应（测量电压）等光学原理，通过光纤传输和转换被测电量信号的新型传感器，用以代替传统电磁式互感器，具有绝缘性能好、抗干扰强、体积小、动态范围大、响应快等显著优势，广泛应用于电力系统的高压测量和保护。光纤互感器信号处理单元通常包含高速模数转换和FPGA数字平台，对探测器输出进行解调计算得到电流值，并通过合并单元接口发送数字化输出（如图1）。
图1 光纤电流互感器电气采集回路结构示意图[1]
2、行波测距系统工作原理与架构
行波测距测试仪广泛应用于电力系统的故障排查和定位中，利用输电线路故障产生的高频暂态行波来定位故障点的位置，特别是在高压输电线路、变电站等关键设备的故障检测中发挥着重要作用。行波传感器可采用宽带罗氏线圈等非传统互感器，夹装于一次线路以感应暂态电流或电压行波。现场采集装置一般安装在各相关变电站，由高速ADC和FPGA等组成行波数据采集单元，实时捕捉暂态行波信号并记录行波到达时间戳。各采集单元通过同步授时系统（如GPS/北斗授时）达到亚微秒级同步，并将数据经网络发送至后台主站。主站在汇集两端或多端行波时标后，利用行波传播时差或一端波形特征计算故障距离，并显示线路拓扑及测距结果等（如图2）。
图2 行波测距系统结构示意图[2]
二、FPGA在系统中的关键功能角色
FPGA在光纤互感器和行波测距系统中承担多项核心功能，其并行高速处理能力是实现精确测量和实时通信的关键，主要包括以下5点：
1、高速采样与精密控制
FPGA负责控制高速A/D转换器按要求采样。对于行波测距，要求MHz量级高速同步采样以捕捉行波细节。例如某行波装置采用FPGA实现5ns间隔采样（200MHz等效频率）来保证不漏采任何暂态信号[3]。FPGA内部精确的时序控制还用于产生光纤互感器相位调制器的驱动信号，实现对偏振光的调制/解调闭环控制[1]。这种精密时序逻辑保证了对传感头的稳定激励和对弱光信号的同步检测。
2、数字解调与信号处理
光纤互感器的输出信号常包含载波调制成分，需要通过数字解调提取工频电流量。FPGA可以实现锁相放大、傅里叶变换、数字滤波等算法，对光强信号进行相干解调和滤波处理。例如有研究在FPGA中植入数字FIR滤波器和DFT/IP核，对采样数据进行谐波提取与滤波计算[3]。对于行波测距，FPGA可实现小波变换或突变边沿检测算法，以准确识别行波波头的到达时间。相比软件算法，FPGA硬件实现具有低延迟和并行处理优势，可同时处理多通道信号并实时提取暂态特征。
3、高精度时间戳与同步
行波法定位高度依赖两端测量的时间同步精度。FPGA内部的硬件计时器可以在行波波头被检测到的瞬间打上高精度时间戳。例如某子站装置采用FPGA记录行波到达时刻，结合GPS授时实现了0.1微秒量级的对时误差。FPGA的高速逻辑确保行波触发延迟小于数十纳秒级[3]。在光纤互感器的数字合并单元中，FPGA也负责对同步时钟（PPS、IRIG-B或IEEE1588信号）进行处理，对采样值附加统一的时间标签，保证不同设备间数据同步[4]。
4、协议封装与网络通信
FPGA常用于实现采样数据到标准报文的封装，加快装置通信速率。在数字化变电站中，电子式互感器需将多路采样值打包成采样值报文并以网络发送[4]。FPGA的并行处理允许对多路数据进行同时打包和CRC校验，提高报文发送效率。一些智能合并单元直接在FPGA内置以太网MAC或PCIe接口，实现高速数据输出。例如南瑞科技研制的合并单元装置中，重点实现了FPGA对采样、9-2报文处理、1588对时等功能的支持[4]。对于行波测距子站，FPGA将记录的行波时间标签和幅值等信息打包，通过以太网或同步数字网接口发送到主站进行定位计算[5]。
5、其他嵌入式功能
FPGA还可担负装置内部的协调控制功能。例如实现掉电数据保护、装置自检监测，以及与嵌入式处理器之间的高速通信接口等[1]。在一些实现中，FPGA内部集成了软核CPU（如Nios II或MicroBlaze）用于管理非实时任务，实现SoC单芯片解决方案[3]。总体而言，FPGA作为可编程硬件平台，在上述采集、处理、对时、通信各环节提供了高可靠的实现手段，是光纤互感器和行波测距装置的核心“大脑”。
三、基于FPGA实现的设计案例
已有多种基于FPGA的实现方案验证了上述技术可行性，相关研究如下：
1、全光纤电流互感器控制系统设计
该研究设计了以FPGA为核心的全光纤电流互感器（FOCT）控制系统，实现对光纤传感头信号的高速采样和闭环数字解调。通过在FPGA中引入二次补偿算法纠正2π偏置误差，该系统将600A电流下的比差控制在0.1%以内，达到了IEC60044-8规定的0.2级精度[6]。
2、基于FPGA的多通道光纤和OpenMV通信电压单元控制器
该研究开发了FPGA驱动的多通道光纤电压采集控制器。该系统采用一片FPGA同时连接多路光纤电压传感器及高速模数转换单元，并融合OpenMV模块等多种通信接口，实现对各通道电压信号的实时并行采集和远程传输，在提高数据吞吐量的同时确保了系统的可靠性和同步性[7]。
3、基于FPGA的光纤传感信号监测系统
该研究将故障电流、电压信号的实时特征提取和机器学习模型部署在FPGA上，通过并行硬件加速实现快速精准的故障分类。相较传统基于CPU的软件算法，该FPGA方案大幅降低了检测延迟，展示了在配电网保护中应用边缘AI的潜力[8]。
4、基于FPGA的单端行波故障测距系统
该研究针对现有的10kV输电线单端行波故障测距理论,提出了一种基于FPGA芯片的软硬件实现方案。采用FPGA自顶向下模块化思想,设计了行波故障测距系统,采用AD7356进行高速数据采集,通过改进的凯伦鲍尔矩阵进行相模变换,用FIR滤波器IP核进行小波变换求模极大值,最后根据模极大值的极性选择测距公式计算故障距离。通过时序仿真和板级测试表明,该方案设计时序稳定,且定位精度高、实时性强[9]。
四、FPGA应用优势、挑战与发展趋势
1、常用架构形式
根据不同应用需求，业界形成了几种典型的FPGA系统架构。一种是纯FPGA方案，即由FPGA独立完成采样、算法和通信任务。例如早期一些数字合并单元采用单片FPGA处理全部流程，其响应速度快但开发调试相对复杂。第二种是FPGA+微处理器协同，即采用FPGA承担前端高速采样和关键算法，采用MCU或嵌入式CPU处理配置、人机和网络协议等非实时任务。这种“软硬结合”提高了系统的易用性，许继FOCT等均采用此架构。第三种是SoC级FPGA，即使用带嵌入处理器的可编程片上系统（如Xilinx Zynq、Intel SoC FPGA），将ARM处理器和FPGA逻辑融合在一颗芯片内。SoC架构兼具高性能和高集成度，利于体积受限或需复杂通信的场合，如分布式配电终端等。还有一种模块化方案用于大规模测控系统，例如行波测距装置将模拟采集板、高速FPGA板、CPU通讯板、授时板等按功能模块化，既强隔离又便于扩展。
2、FPGA应用优势
FPGA在光纤互感器与行波测距系统中的成功应用，源自其独特的技术优势。
（1）FPGA具备高度并行的硬件架构，可同时处理多通道高速信号并执行复杂算法，保证系统在亚微秒级完成采样值处理和响应，这是传统CPU/DSP难以实现的。其次，FPGA具有确定性的实时性能，时序可精确控制到纳秒级，从而满足行波测距对极高同步精度和触发响应速度的要求。
（2）FPGA的可编程逻辑允许根据标准演进和项目需求升级功能模块，例如可以方便地增加数字滤波器、压缩算法或更换通信协议，而无需更改硬件电路。
（3）FPGA集成大量IP核资源，使开发者能快捷地构建ADC接口、DSP运算、通信接口等功能单元，在保障系统可靠性的前提下缩短开发周期。
（4）由于省去了许多离散元件，FPGA方案通常能降低整体体积和功耗，并提高抗电磁干扰能力——这些特性对高电压现场的传感测控装置尤为重要。
3、当前挑战
虽然FPGA表现出诸多优势，但在实际应用中仍面临一些挑战和改进方向，主要分为4点：
（1）对于光纤互感器，长期稳定性和环境适应性是主要挑战之一。光纤传感头易受温度、应力影响而产生漂移，需要FPGA实现更复杂的补偿算法和自校准机制，这增加了开发难度。同时，目前部分光纤互感器在高压现场运行可靠性仍需大量数据验证，如何充分利用FPGA的计算冗余实现故障自诊断与容错，也是研发方向之一。
（2）对于行波测距系统，挑战在于更高的采样率与带宽需求。随着特高压线路和高速开关设备的发展，行波频带可能扩展至数MHz以上，FPGA需要配合更高速的ADC和存储接口，同时保证实时处理不丢帧。此外，在多终端行波定位中，不同装置间需要更精细的同步（目标误差<0.1μs甚至纳秒级），这对FPGA实现1588对时或白光同步提出了更高要求。标准与兼容性方面，IEC 61850等标准持续更新，FPGA实现需要跟进适配，例如未来过程总线可能引入TSN（时间敏感网络）技术确保报文低时延高可靠，这也需要FPGA增加相应支持。
（3）FPGA正面临来自高性能MCU的潜在替代压力。随着高性能MCU的发展，对于采样率和实时性要求不高的一些配电监测设备，高端MCU方案可能已经足以胜任，且开发调试相对简便。
（4）供应链安全挑战。国际高端FPGA供应紧张促使关键设备必须考虑国产替代方案，目前国产FPGA在高速SERDES、超大规模资源方面与顶尖产品仍有差距，因此在高带宽行波装置等应用上如何权衡性能与自主可控，也是业界关注的问题。
4、发展趋势
展望未来，FPGA在电力传感测距领域将沿着更高性能和更智能化方向发展。一方面，新一代FPGA将提供更高速度和精度：例如更高速的ADC接口（数十至上百MS/s）、内置更精密的PLL和时间戳单元，从而实现更高分辨率的行波定位和更高精度的光纤传感。另一方面，FPGA的系统集成度将进一步提高，可能出现集成光电转换、ADC、CPU于一体的定制SoC，简化光纤互感器和测距终端的结构。
与此同时，人工智能技术的引入是值得关注的趋势，将来FPGA可以部署机器学习算法用于识别故障行波模式、滤除干扰波形，提高测距算法的鲁棒性。此外，在数字电网架构下，FPGA有望作为边缘计算节点，实现本地保护与测距协同——例如在保护装置中嵌入行波测距FPGA模块，实现故障定位与保护跳闸的一体化。标准方面，IEC 61850过程层通信正向着融合多来源数据、增强网络冗余的方向演进，这需要FPGA提供更灵活的接口和更高的通信吞吐能力来发布合并单元数据。
此外，受关键行业“全国产化、自主可控”需求牵引，光纤互感器信号处理单元、行波测距采集单元等核心装备在器件选型上将更加关注供应链安全与长期可获得性。对这类设备而言，承担高速采样控制、并行信号处理、精确对时与过程层通信等关键功能的可编程逻辑器件往往处于系统核心位置，国产FPGA的工程验证与导入将成为重要趋势。基于上述需求背景，以中科亿海微为代表的国产FPGA产品，已在体系结构、接口资源、时序确定性及国产EDA适配等方面形成较为完整的技术能力，可作为光纤互感器、行波测距等终端设备中可编程逻辑器件的重要候选方案之一，为核心功能模块提供可验证、可替代、可持续演进的自主可控实现路径，并为后续系统级优化和应用推广奠定基础。
总的来说，FPGA将继续凭借其高速、灵活和可裁剪的特点，在电力光纤传感和行波测距领域扮演不可或缺的角色。随着技术进步和应用深化，FPGA方案将进一步巩固在智能电网测量与故障定位系统中的主导地位，为电力系统的可靠运行和数字化升级提供强有力的支撑。
五、参考材料
[1] 闫志辉, 郑拓夫, 郭振, 等. 一种全光纤电流互感器采集系统及全光纤电流互感器: CN108614143A[P]. 2018-10-02.
[2]袁明军, 江浩, 黎强. 基于罗氏线圈原理的行波测距系统研发[J]. 电工技术, 2018(14): 69-71.
[3]谢红福, 王皓, 何鸣, 等. 一种基于FPGA的行波测距装置: CN202159111U[P]. 2012-03-07.
[4] 樊陈, 倪益民, 何昭辉, 等. 基于IEC61850-9-2标准过程层总线合并单元的研制[C]. Power and Energy Engineering Conference 2010. 2010: 657-661.
[5]山东科汇电力自动化股份有限公司. XC-2200输电线路故障行波测距装置[EB/OL]. [2026-01-13]. https://www.kehui.cn/products/dianlizidonghua/dianlixianluguzhangxingboc....
[6] Meng Q, Zhao X, Li Y, et al. Design of Control System for All Fiber Optic Current Transformer[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2025, 2975(1): 012018.
[7] Xu Y, Lv C Y, Li X H. FPGA-based multi-channel optical fiber and OpenMV communication voltage unit controller[C/OL]. Proceedings of SPIE. Bellingham (WA): SPIE, 2024: 132830U[2026-01-13]. DOI:10.1117/12.3034179. https://doi.org/10.1117/12.3034179.
[8] Jia, Y., Zhou, J., Zhu, M. Fiber Optic Sensing Signal Monitoring System Based on FPGA[C/OL]. ICITEE '22: Proceedings of the 5th International Conference on Information Technologies and Electrical Engineering. 2022: 482-490[2026-01-13]. DOI:10.1145/3582935.3583016. https://doi.org/10.1145/3582935.3583016.
[9] 肖炀, 陈剑云, 夏孟显, 等. 基于FPGA的单端行波故障测距系统的设计与实现[J].华东交通大学学报,2016,33(4):81-86.
文章来源：中科亿海微